Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Hidratos gaseosos. Encerrados en una jaula de agua.

Quimica

La mayoría de nosotros ha notado que el aceite no se disuelve en el agua. De hecho, cuando hacemos algún experimento en el laboratorio recurrimos con frecuencia a la premisa que nos dice –lo similar, disuelve a lo similar-. Esta idea ha permitido, en una primera aproximación, identificar algunos compuestos con base en su comportamiento en diferentes disolventes. En el trabajo de extracción del petróleo se observó desde 1930 que algunos ductos se tapaban con un material cuya apariencia era similar a la del hielo y en los que se notó se descomponían liberando una gran cantidad de gas combustible. El análisis de los tapones mostró que estaban formados por agua y metano. 30 años más tarde se encontró que estos materiales se encontraban en la naturaleza, primero se identificaron bajo el permafrost, la capa de hielo permanente en las regiones cercanas a los polos, y posteriormente en el fondo marino. El gas metano (CH4) es un componente importante del gas natural muy poco soluble en agua (22.7 mg en 1 L). Entender la naturaleza de estos materiales no fue sencillo porque había que encontrar una explicación a la gran cantidad de gas que se encontraba en ellos la cual superaba en más de un millón de veces la solubilidad del metano en agua líquida.
          Gracias al trabajo de varios grupos sabemos que tanto los tapones en los oleoductos como el material bajo el permafrost o el fondo marino se trata de un hidrato de metano, o clatrato de metano. Los hidratos o clatratos son compuestos en los que una substancia gaseosa poco soluble queda atrapado en una red de celdas formadas por las moléculas de agua. Podemos imaginar que las moléculas de agua se organizan de forma tal que la presencia de una molécula muy diferente a ellas no altere su posibilidad de enlazarse a través de interacciones débiles como los enlaces de hidrógeno. Se les llama compuestos no-estequiométricos debido a que la proporción de sus componentes no es constante, la cantidad de gas atrapada puede cambiar de una muestra a otra. La estructura obtenida a través de la difracción de rayos X confirmó que aunque su aspecto es parecido al del hielo, la organización de las moléculas en el cristal es muy diferente. Las celdas tienen forma de poliedros con caras pentagonales y hexagonales y su geometría permite alojar en su interior moléculas con tamaños menores a los 0.6 nm (6 diezmilésimas de micrómetro) por lo general, moléculas con muy pocos átomos (<10-15).
          En nuestro grupo estamos interesados en conocer más acerca de uno de los primeros hidratos en ser descubiertos. En 1810 H. Davy investigó la obtención de un nuevo elemento químico, el cloro (Cl2). Antes de obtenerlo como un gas, formó el hidrato correspondiente. Poco tiempo después logró también obtener uno que contenía otro elemento químico similar, el bromo (Br2). No obstante, su estructura no fue conocida hasta después de la del hidrato de metano. Hace unos años el grupo de K. Janda en la Universidad de California notó que el bromo atrapado en un clatrato tenía propiedades diferentes a las observadas cuando éste se encontraba en agua líquida o en hielo. En nuestro grupo trabajamos empleando modelos teóricos para tratar de entender a qué se debe el cambio de las propiedades de algunas substancias al quedar atrapadas en un hidrato. Tanto el cloro como el bromo son moléculas de mayor tamaño que el metano y por tanto el espacio disponible para moverse en la celda es más reducido. Desarrollamos un modelo computacional que reproduce la interacción entre las moléculas de agua y entre el bromo y el agua. Con él realizamos estudios de dinámica molecular en los que simulamos el movimiento de los átomos en condiciones similares a las de los experimentos. De esta manera podemos obtener información acerca de la forma en la que las moléculas huésped se mueven en las celdas, establecer si las moléculas de bromo están aisladas por la red de agua o bien si sus movimientos están correlacionados, situaciones que creemos podrían ayudar a explicar los experimentos del grupo en California.
           Actualmente existe un gran interés por conocer más acerca de los hidratos gaseosos. En primer lugar el de metano debido a su potencial uso como reserva de combustible. La cantidad de metano que puede almacenarse en un metro cúbico de hidrato es equivalente a 164 veces la que hay en un volumen similar del gas puro a presión atmosférica. Considerando que se estima que la cantidad de metano guardada en hidratos en el fondo del mar es mucho mayor que las reservas de petróleo en el mundo, muchos países quieren extraerlos de allí para utilizar el gas natural. Sin embargo, aún existen muchos retos tecnológicos que deben resolverse para hacerlo de forma rentable y segura para el medio ambiente. No olvidemos que los hidrocarburos como el metano en la atmósfera terrestre han sido identificados como causantes del aumento de la temperatura en el planeta, un manejo irresponsable de estas reservas de gas o el calentamiento de los océanos podría liberar a la atmósfera una cantidad muy peligrosa de este gas.
        Por otra parte, el estudio de los hidratos gaseosos puede ser un campo que ayude a resolver problemas generados con el uso de energéticos y el manejo de residuos gaseosos. Resultaría muy atractivo encontrar una forma que permita construir envases de agua para almacenar gases de manera segura. Aplicaciones como el transporte de hidrógeno gaseoso como combustible o la eliminación de gases tóxicos o contaminantes podrían verse beneficiadas de una tecnología limpia como ésta. Es posible que en unos años veamos algunos ejemplos de estos nuevos envases reciclables.

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Dra. Margarita Isabel Bernal Uruchurtu / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigaciones Químicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos.
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