Quimica Aplicada 303s1q

CAPÍTULO

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Profesor:

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Tema

Julio Oria

QUÍMICA APLICADA

NANOTECNOLOGÍA : * Es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la exploración de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala (1 nanómetro= –9 10 m) * Incluye áreas como: física, química, ingeniería, robótica, biología, medicina, medio ambiente, etc. Ejemplos: sistemas de magnetorresistencia gigante para almacenamiento magnético de la información, dispositivos nanoelectrónicos, recubrimientos para mejora de técnicas de imagen, catalizadores nanoestructurados, biosensores y biodetectores, nanosistemas para istración de fármacos, cementos, pinturas especiales, cosméticos y sistemas para purificación y desalinización de agua. * Grafeno, es un nanomaterial de un átomo de grosor, que representa una capa de átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina bidimensional en forma de hexágonos. * Caracteristicas: - Es muy resistente (200 veces más que el acero). - Duro ( no se ralla). - Es flexible, se dobla un 20%. - Transforma la luz en electricidad, 82% más eficiente que placas actuales. - Conductividad eléctrica, 200 veces más rápido que el silicio. - Disipación del calor, 10 veces mejor que el cobre. - Es un material muy ligero ( 0.77 mg/m2) * Aplicaciones: - Construcción, pantallas táctiles, es solares, procesadores y baterías, etc.

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Aerogel de grafeno, es tan ligero que puede colocarse sobre una flor de cerezo sin dañarla, posee una densidad de 0.16 mg/cm3

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Konstantin Novoselov, uno de los descubridores de las bombillas de grafeno, muestra el nuevo material al Ministro de hacienda del Reino Unido. Reducirá el uso de energía en un 10%, durará más tiempo por su conductividad y se espera que tenga un precio más bajo que algunos de los bombillos LED que cuestan $ 22.00

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BIOTECNOLOGÍA : Es la técnica que utiliza células vivas, cultivo de tejidos o moléculas * derivadas de un organismo para obtener o modificar un producto, mejorar una planta, animal o desarrollar un microorganismo para utilizarlo con un propósito específico. * Aplicaciones: alimentos transgénicos, clonación, uso de las células madre. Generación de energía: en la actualidad la generación de energía está basada principalmente en el petróleo, el gas o el carbón. Todas ellas fuentes de energía no renovables y generalmente bastante contaminantes. La biotecnología se utiliza en la eliminación de sustancias tóxicas generadas durante la transformación de estas materias primas. Pero, además, la biotecnología puede ayudar a renovar estas fuentes de energía por otras no contaminantes del medio ambiente y totalmente renovables, como es el caso en la utilización de la biomasa y de los azúcares naturales para la producción de carburantes como el etanol o el biogas, por citar las más desarrolladas. Biogas

Biocatálisis: multitud de procesos manufactureros se basan en reacciones químicas que requieren altas presiones y elevadas temperaturas. Las enzimas (biocatalizadores), tras sufrir miles de años de evolución, consiguen realizar muchas de esas transformaciones en condiciones mucho menos extremas y con una alta eficacia. Algunas de las enzimas más habituales en la industria son proteasas, celulasas, lipasas, catalasas y amilasas. Además de las enzimas y otros compuestos biocatalíticos, la biotecnología ha desarrollado microorganismos (bacterias, levaduras, etc) especializados en ciertos procesos muy útiles en la industria. El viaje de un grupo de estudiantes en el 2008 del departamento de Biología Molecular y Bioquímica de la Universidad de Yale a la amazonía (Ecuador) tuvo un resultado inesperado y potencialmente revolucionario: El descubrimiento de un hongo que puede descomponer o degradar poliuretano, un plástico ampliamente utilizado en la elaboración de fibras sintéticas, piezas para aparatos electrónicos y espumas para aislante térmico.

Biopolímeros: los polímeros que se utilizan en la actualidad derivan prácticamente en su totalidad del petróleo. En los últimos años se está avanzando mucho en la obtención de polímeros biodegradables, ya que estos se obtienen de plantas, microorganismos o incluso de algunos animales (como por ejemplo las arañas). Las bolsas biodegradables cuentan con un aditivo TDPA (Totally Degradable Plastic Additives), el cual les pemite, una vez desechada y despues de aproximadamente 1 año, que comiencen su proceso de degradación, fragmentandose en pedazos cada vez más pequeños, haciendo posible que microorganismos como hongos o bacterias se alimenten del material de la bolsa convirtiendolo en agua, biomasa (humus), sales minerales y dióxido de carbono.

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Medio Ambiente.- disminuir la polución, limpieza del agua residual, purificación del aire y gases de desecho mediante el uso de biofiltros. La biorremediación (uso de sistemas biológicos para la reducción de la polución del aire o de los sistemas acuáticos y terrestres) se está enfocando hacia el suelo y los residuos sólidos, tratamientos de aguas domésticas e industriales, aguas procesadas y de consumo humano, aire y gases de desecho, lo que está provocando que surjan muchas inquietudes e interrogantes debido al escaso conocimiento de las interacciones de los organismos entre sí, y con el suelo. Los sistemas biológicos utilizados son microorganismos y plantas. Biotecnología Humana.- Prueba de paternidad por ADN, trasplante de órganos, evidencia de ADN en la escena del crimen (biotecnología forense). El desarrollo de técnicas para el diagnóstico de enfermedades infecciosas o de desordenes genéticos es una de las aplicaciones de mayor impacto de la tecnología de ADN. Al utilizar las técnicas de secuenciación de ADN los científicos pueden diagnosticar infecciones víricas, bacterianas o mapear la localización específica de los genes a lo largo de la molécula de ADN en las células. El primer tratamiento exitoso en terapia génica fue en 1990, cuando se trató una enfermedad del sistema inmune de niños llamada "Deficiencia de ADA". Células sanguíneas con los genes correctos de ADA fueron inyectadas al cuerpo del paciente donde produjeron suficientes células normales que permitieron mejorar el sistema inmune. Hoy, la terapia génica esta tratando enfermedades tales como tumores cerebrales malignos, fibrosis quística y HIV. Con esta técnica se pretende también reparar órganos, como por ejemplo un hígado cirrótico a partir de las pocas células sanas que le quedan, un par de ventrículos nuevos para reemplazar los efectos devastadores de un infarto, la regeneración de una mano amputada o disponer de una fuente inagotable de neuronas para corregir los efectos de enfermedades tan graves como el Alzheimer o el Parkinson.

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POLÍMEROS : Berzelius, en 1827, acuñó el término polímero (del griego polys, “muchos”, y meros, “partes”) para denotar sustancias moleculares de elevada masa molecular (son macromoléculas), formada por la unión (polimerización) de monómeros (moléculas de masas moleculares bajas). * TIPOS: * El polietileno, se obtiene a partir del etileno (CH2=CH2), el cual sufre apertura de su doble enlace para formar nuevos enlaces sencillos carbono-carbono con otras dos moléculas de etileno:

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* CLASIFICACIÓN: Según el Tipo de Estructura Química: Se divide en 3 categorías.

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CELDAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO Y OXÍGENO : Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción en energía eléctrica, emplean combustibles convencionales, como el H2 y el CH4, siendo una de las primeras la pila de hidrógeno. En principio, una celda de combustible opera como una batería. Genera electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. A diferencia de las baterías, una celda de combustible no se agota ni requiere recarga. Producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea de combustible. El único subproducto que se genera es agua 100% pura. En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrolito. Oxígeno pasa sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir esto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrolito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas. Los gases de hidrógeno y oxígeno burbujean a través de los compartimientos del ánodo y el cátodo donde se llevan a cabo las siguientes reacciones: Ánodo 2H2(g) + 4OH-(ac) ® 4H2O(l) + 4e- Eº = 0,83 v Cátodo O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e ® 4OH (ac) Eº = 0,40 v Global 2H2(g) + O2(g) ® 2H2O(l) Eº = 1,23 v Además del sistema H2 - O2 se han desarrollado otras celdas de combustible.

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SUPERCONDUCTORES : En 1911 el físico holandés H. Kamerlingh Onnes descubrió que * cuando el mercurio se enfría debajo de 42K pierde su resistencia al flujo de la corriente eléctrica. A partir de este descubrimiento, los científicos han encontrado que muchas sustancias presentan este flujo “sin fricción” de los electrones. Esta propiedad se conoce como superconductividad. Las sustancias que presentan superconductividad lo hacen solamente cuando se enfrían por debajo de una temperatura determinada llamada temperatura de transición superconductora, Tc. Los valores observados de Tc generalmente son muy bajos. Antes de la década del 1980 el valor más bajo de Tc que se había observado era de alrededor de 23 K para un compuesto de niobio-germanio.

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En 1986, J.G. Bendnorz y K.A. Muller, trabajando en los laboratorios de IBM, Suiza, descubrieron superconductividad arriba de 30K en un óxido cerámico que contiene lantano, bario y cobre. Este material representa el primer producto cerámico superconductor. Este descubrimiento les valió el Premio Nóbel en1987, y a la par desató una ola de investigación sobre este tema. Antes de finalizar 1986 ya se había observado superconductividad a 95K un compuesto de óxido de itrio-bario-cobre de composición aproximada YBa2Cu3Ox, en el cual x varía entre 6,5 y 7,2. Más recientemente, se ha observado resistencia cero a temperaturas superiores a 125K. Hay informes de umbrales de resistencia cero a la temperatura ambiente o arriba de ella (alrededor de 295K), aunque estos informes no han sido confirmados. El descubrimiento de la llamada superconductividad a temperatura elevada (Tc elevada) es de gran importancia. Al utilizar materiales que conducen la corriente eléctrica sin resistencia se puede ahorrar una gran cantidad de energía en muchas aplicaciones, incluyendo los generadores eléctricos y los grandes motores eléctricos, y podrían llevar a la producción de chips de computadora más pequeños y más rápidos. Además, los materiales superconductores presentan una propiedad llamada Efecto de Meissner, en el cual excluyen de su volumen todos los campos magnéticos. Por esta razón los científicos podrían utilizar estos materiales para diseñar trenes levitados magnéticamente

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Levitación de material superconductor El superconductor de alta temperatura de mayor temperatura crítica (Tc) que se conoce es un óxido de cobre de fórmula HgBa2Ca2Cu3O8+x, que presenta una resistencia cero a 133 K (-140 ºC)

Todas estas aplicaciones se han convertido en factibles solamente después del descubrimiento de la superconductividad a temperatura elevada, debido a que son excesivos los costos de mantenimiento a temperaturas sumamente bajas. El único refrigerante fácilmente asequible a temperaturas por debajo de los 77 K es el helio líquido, con un costo de aproximadamente $ 2,60 dólares el litro. No obstante para los materiales que experimentan la transición a la superconductividad a temperaturas superiores a 77 K, se puede utilizar el nitrógeno líquido, que cuesta solo unos $ 0,05 dólares por litro. Un superconductor de Tc alta, de especial importancia, es el producto cerámico YBa2Cu3Ox. Los investigadores han descubierto que si se sustituye el Y o el Ba por otros elementos relacionados solo se observa un ligero efecto sobre la Tc. De mayor importancia es el contenido de cobre y oxígeno, dependiendo de las presiones parciales de O2 en el momento en que el material se quema.

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