En este aniversario de uno de los incidentes industriales más grandes y devastadores jamás registrados, recordamos la tragedia de Beirut: una explosión tan inmensa que se escuchó a 200 km de distancia, en Chipre. El epicentro de la detonación se situó en un almacén portuario y el combustible fueron 2750 toneladas de nitrato de amonio.
El nitrato de amonio es uno de los fertilizantes más utilizados, un componente importante de muchos otros compuestos industriales, como los explosivos mineros, y se emplea como nutriente para la producción de antibióticos y levadura. Como tantas otras sustancias químicas utilizadas en procesos industriales, conlleva un riesgo que puede mitigarse mediante un almacenamiento seguro y procedimientos de manipulación rigurosos.
Las investigaciones en Beirut siguen abiertas, pero se cree que se inició un incendio en un almacén del puerto que se propagó a una zona donde se almacenaba nitrato de amonio; el almacenamiento inseguro cerca de fuegos artificiales y sin medidas de aislamiento o prevención de incendios provocó su explosión. En cuestión de segundos, este incidente causó la muerte de más de 200 personas, dejó más de 5000 heridos y dejó sin hogar a unos 300 000 residentes. Lamentablemente, este suceso no fue un caso aislado, y las explosiones e incendios causados por productos químicos, como el nitrato de amonio, son demasiado frecuentes. En última instancia, si una sustancia puede liberar energía rápidamente, conlleva un riesgo potencial de explosión o incendio. Pero, ¿por qué poseen estas características determinadas sustancias químicas?
Los enlaces químicos débiles y los productos estables forman una combinación explosiva
Si una sustancia tiene enlaces químicos débiles, especialmente si produce sustancias estables, es probable que suponga un riesgo de incendio o explosión. Los combustibles, como la gasolina, arden porque su combustión produce sustancias estables con enlaces químicos más fuertes; en el caso de la gasolina, estos productos son dióxido de carbono y agua. La gasolina requiere calor o una fuente de ignición, como una chispa o una llama, para arder, ya que los enlaces de los reactivos del combustible no se rompen fácilmente.
Por ejemplo, la Figura 1 muestra un modelo conceptual de una reacción como la combustión de la gasolina. La línea morada muestra cómo cambia la energía libre durante una reacción desde los reactivos hasta los productos. Cuando la gasolina arde, forma productos estables (agua y dióxido de carbono) que contienen enlaces fuertes, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Esto se muestra en la figura mediante la diferencia de altura desde el punto de partida a la izquierda hasta el final de la reacción a la derecha. A medida que aumenta la diferencia de energía libre entre los reactivos y los productos, también aumenta la energía que puede liberarse cuando se produce la reacción.
Sin embargo, para pasar de los reactivos a los productos, las moléculas deben tener suficiente energía para iniciar la reacción. Las reacciones suelen comenzar rompiendo enlaces, y los enlaces fuertes requieren cantidades considerables de energía para romperse. Por lo tanto, para que comience la reacción de una molécula estable, debe suministrarse una gran cantidad de energía a la reacción. Esta energía se denomina barrera de activación y se muestra mediante la altura de la colina en medio de la ruta de reacción.
Una vez superada la barrera, la reacción puede producirse. Dado que la diferencia de energía libre entre los reactivos y los productos es grande, la reacción de una molécula puede proporcionar suficiente energía para ayudar a otras moléculas a superar la barrera de activación. La reacción puede entonces acelerarse y ser difícil de detener hasta que se consuman los reactivos. Una vez que se inicia un incendio con gasolina, puede ser difícil de extinguir. Además, como los productos son gaseosos (dióxido de carbono y vapor de agua), ocupan mucho más espacio que los reactivos. La expansión del volumen transfiere energía al entorno; si la reacción se produce en un espacio cerrado, puede ocurrir una explosión. Dado que se requiere más energía para que la gasolina arda, es más fácil evitar las acciones que proporcionan esa energía y, por tanto, es más fácil prevenir incendios.
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Otras sustancias presentan mayores peligros. Muchas de ellas contienen enlaces químicos débiles. La Figura 1 (línea verde) también muestra un modelo para una reacción como la combustión de una molécula que contiene un enlace débil. Al igual que con la gasolina, la diferencia de energía libre (como se muestra por la diferencia de altura) entre los reactivos a la izquierda y los productos a la derecha es grande; los productos contienen enlaces fuertes y la reacción libera una gran cantidad de energía cuando se produce. Sin embargo, la altura de la barrera para esta reacción es mucho menor que la de la combustión de la gasolina.
Las reacciones suelen comenzar con la ruptura de un enlace, y la presencia de un enlace débil proporciona un lugar fácil para que comience la reacción. Una vez que se rompe el enlace, la reacción puede avanzar hasta completarse. Cuando los productos tienen mucha menos energía que los reactivos, como en este caso, la reacción de una molécula puede liberar energía para hacer que otras moléculas reaccionen; debido a que la barrera de reacción es más baja, se puede inducir a más moléculas a reaccionar a partir de la reacción de una sola molécula de la sustancia en la Figura 1 (verde) que a partir de la reacción de una molécula de la sustancia en la Figura 1 (morada). La presencia del enlace débil significa que la reacción, una vez iniciada, puede acelerarse rápidamente. Si los productos son gases, también transferirán trabajo a su entorno; si la reacción es lo suficientemente rápida, puede producirse una explosión o detonación. La menor barrera de reacción de una sustancia que contiene un enlace débil significa que se necesita menos energía para iniciar su reacción, por lo que las formas en que puede manipularse son más limitadas. En algunos casos, el impacto, la fricción o las chispas derivadas de la manipulación pueden iniciar la reacción, por lo que la manipulación de dichas sustancias requiere mucho más cuidado para evitar incendios o explosiones.
Las azidas (RN3) ilustran este punto a la perfección. Estas sustancias contienen tres átomos de nitrógeno conectados con enlaces de distinta fuerza. Los átomos de nitrógeno pueden formar enlaces fuertes: el triple enlace entre los átomos de nitrógeno en el gas nitrógeno molecular (N2) es uno de los enlaces químicos más fuertes que se conocen; sin embargo, los átomos de nitrógeno también pueden formar enlaces simples y dobles, que son considerablemente más débiles. Uno de los enlaces nitrógeno-nitrógeno en la azida es débil y no requiere mucha energía para romperse, lo que impulsa una rápida descomposición que produce N₂. Debido a que el enlace nitrógeno-nitrógeno en el N2 es mucho más estable que los enlaces nitrógeno-nitrógeno en la azida reactiva, esta descomposición libera grandes cantidades de energía.
Las azidas inorgánicas y orgánicas tienen sensibilidades variables. La azida de sodio inorgánica puede manipularse de forma segura en condiciones cotidianas, pero se utiliza como generador rápido de gas en los airbags de los vehículos, mientras que las azidas de metales pesados altamente volátiles, como la azida de plomo, se utilizan como iniciadores de explosivos. Las azidas orgánicas se utilizan habitualmente en la síntesis de productos químicos más complejos, incluidos productos farmacéuticos y polímeros. Las azidas orgánicas con bajo peso molecular o altas relaciones atómicas de nitrógeno (N) a carbono (C) pueden ser explosivas y se han notificado varios incidentes de explosiones en laboratorios debido a la formación de azidas de bajo peso molecular a partir de reacciones entre azidas inorgánicas y diclorometano. También se descubrió que un aminoácido modificado con azida utilizado para la preparación de proteínas modificadas era explosivo.
Los peróxidos (ROOR) son otro tipo de moléculas con características potencialmente explosivas. Los peróxidos contienen enlaces oxígeno-oxígeno débiles; al romperse, generan radicales intermedios (radicales libres) útiles en reacciones químicas. Estos radicales son fundamentales para iniciar la polimerización y suelen detectarse como intermedios en la combustión; incluso pequeñas cantidades pueden actuar como catalizadores y, en ocasiones, catalizar su propia formación. Los peróxidos también se fragmentan para producir oxígeno molecular (O₂); aunque el enlace sencillo oxígeno-oxígeno es débil, el enlace doble en el O2 es fuerte, por lo que esta fragmentación libera energía.
La debilidad del enlace oxígeno-oxígeno permite que los peróxidos se descompongan fácilmente, liberando radicales libres y O₂, una combinación volátil y explosiva, especialmente cuando está concentrada. Se han registrado varios incendios importantes en instalaciones químicas que trabajan con peróxidos, incluido uno en Texas, EE. UU., cuando el huracán Harvey y unas inundaciones sin precedentes provocaron el fallo de los mecanismos de seguridad. Los peróxidos también pueden formarse espontáneamente al exponer éteres al oxígeno. Estos peróxidos crean cristales que pueden explotar ante impactos físicos, fricción o reacciones con ciertos metales. Los éteres suelen formularse con pequeñas cantidades de inhibidores, como el BHT (butilhidroxitolueno, utilizado como conservante), para evitar la formación de peróxidos. Los inhibidores son consumidos por el oxígeno; si los éteres se almacenan durante largos periodos en presencia de oxígeno, serán susceptibles a la formación de peróxidos.
El impulso ardiente hacia la estabilidad
Otras sustancias poseen enlaces que, aunque no se rompen fácilmente por sí solos, pueden reaccionar con facilidad bajo ciertas condiciones para formar productos mucho más estables. A medida que se crean nuevos enlaces, se libera energía en forma de calor, lo que puede provocar incendios o explosiones. Por ejemplo, los alquilos metálicos se utilizan como catalizadores en la síntesis de una amplia gama de productos químicos y materiales, pero a menudo son pirofóricos y arden fácilmente al contacto con el aire.
El trimetilaluminio, en particular, reacciona con el aire o el agua para generar productos con enlaces aluminio-oxígeno altamente estables, lo que provoca incendios y explosiones.
Los acrilatos se utilizan para la polimerización a escala industrial; cada monómero de acrilato sustituye su doble enlace por un enlace sencillo adicional al incorporarse a la cadena polimérica. Este nuevo enlace es más fuerte que la suma de la fuerza del doble enlace, por lo que la reacción de polimerización libera energía. La polimerización de acrilatos y otros alquenos suele realizarse mediante iniciadores radicales, como los peróxidos, aprovechando la misma reactividad que, en otras circunstancias, provoca explosiones. En cámaras de polimerización a gran escala, cuando la relación superficie-volumen es demasiado baja para disipar el calor generado y los inhibidores de la polimerización incontrolada se consumen, inactivan o eliminan, los acrilatos pueden polimerizarse de forma explosiva.
Del mismo modo, disolventes como el dimetilsulfóxido (DMSO) pueden reaccionar con diversas sustancias, como ácidos, bases y electrófilos, reduciendo las temperaturas de descomposición; las reacciones, incluso a temperaturas aparentemente seguras, pueden derivar en una explosión.
Aprovechar el gran facilitador del mundo moderno
En esencia, la química es posible gracias a los cambios energéticos y, durante siglos, el ser humano ha aprovechado esta energía para viajar por el mundo, impulsar la industria y producir los alimentos que consumimos, la ropa que vestimos y la estructura de nuestras ciudades. Codiciamos los productos químicos explosivos y volátiles por su energía, pero su potencia puede tener consecuencias inesperadas y devastadoras. Al comprender cómo canalizar esta energía de forma constructiva y cómo identificar mejor las condiciones en las que los productos químicos pueden reaccionar de manera imprevista y perjudicial, podemos anticipar incidentes explosivos antes de que ocurran y aprender a prevenirlos.
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