El empujón del catalizador

21/06/2018 0 comentarios
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Una cuerda elástica. Un puente alto. Altísimo. Y un corazón que late con fuerza. Uno, dos y tres. Hay que saltar pero las piernas no obedecen... ¿y si la cuerda se rompe? El monitor mira aburrido a su cliente. Suspira y decide ayudar al indeciso. Un empujoncito. Y un insulto se pierde en el vacío mientras la gravedad hace el resto del trabajo.

Un empujoncito. Esto es lo que necesitan muchas reacciones químicas. Un empujoncito. Una vez se inicia una reacción, si está bien diseñada, sucederá cada vez con más intensidad hasta que se acaben los materiales que la alimentan, los reactivos. Pero al principio se necesita algo que la haga caer por el tobogán. Esto es lo que hacemos, por ejemplo, cuando utilizamos una cerilla para encender un fuego con gas: la reacción de combustión se produce de una forma espontánea, pero para que empiece necesitamos una chispa que dé al gas un primer impulso energético.

 

Reacciones químicas de cerca

Muy probablemente la reacción química que más cambió a la humanidad fue la que tiene como resultado el fuego. En las reacciones de combustión una molécula compleja repleta de hidrógenos y carbonos, un hidrocarburo, se mezcla con oxígeno. La molécula se rompe entonces en compuestos más sencillos como son el vapor de agua y el dióxido de carbono. La gracia del asunto, es que los componentes que resultan necesitan menos energía para estar unidos y la energía que sobra  es la que utilizamos para cocinar o iluminarnos. De hecho todas las reacciones químicas funcionan igual: las moléculas que participan se encuentran y entonces se reparten los átomos de una forma más o menos compleja. Como resultado algunas moléculas se trocean, otras ganan átomos y algunas pueden perderlos... y por el camino pueden pasar algunas cosas: se puede producir luz, calor o se pueden dejar electrones sueltos para generar electricidad. En cualquier caso fijémonos en que para que todo empiece, la condición previa es que las moléculas se encuentren... y esto no es siempre fácil.

Combustión del metano

Mercadillo molecular

Definamos mercadillo: es un espacio de reunión donde compradores y vendedores se juntan para realizar transacciones de objetos: unos acaban con un kilo de acelgas y otros con un trozo de papel o discos de diversos metales. Pues bien, un catalizador vendría a ser un mercadillo molecular donde los compuestos químicos se reúnen y acaban con un número de átomos diferente al inicial. El catalizador facilita, por tanto, que las moléculas se encuentren y de esta forma les da el empujoncito energético que necesitan para que se pueda producir la reacción química. Es decir, para que intercambien sus átomos. Y de entre todos los catalizadores la estrella es: el óxido de cerio.

Camden Market

El óxido de cerio está formado por átomos de oxígeno dispuestos en las artistas de un cubo imaginario. Cada una de las caras de este cubo está, además, decorada con un átomo de cerio. Esta estructura hace al catalizador muy atractivo a ojo de muchas moléculas. En un sentido literal, porque la estructura electrónica que genera este cubo de oxígeno y cerio hace que algunas moléculas sientan una gran atracción eléctrica por este catalizador. Además, por si había alguna duda sobre la efectividad del óxido de cerio, las que sucumben con mayor facilidad a las artimañas atractivas de este compuesto son los hidrocarburos: las moléculas responsables de hacer funcionar coches, centrales térmicas y baterías de hidrógeno.

Oxido de Cerio

El fondo y la forma

Y aquí estamos. Abriendo un nuevo tema de investigación en colaboración con Jordi Llorca del Instituto de Técnicas Energéticas para intentar mejorar el funcionamiento del óxido de cerio como catalizador. Resulta que es posible “tallar” el óxido de cerio de diferentes formas. Lo más evidente es dejar las caras del cubo al descubierto. Pero también existen otras posibilidades: podemos tallarlo como un diamante, en forma de paralelepípedo, como un octaedro… y cada una de estas formas tiene un comportamiento diferente. No sólo eso: además, la forma de este catalizador cambia durante el proceso de catálisis lo que hace que cambie su efectividad. La idea de este nuevo proyecto que empezamos es precisamente localizar los puntos dónde se reúnen las moléculas en su superficie y diseñar cuidadosamente estos puntos de reunión para optimizar su funcionamiento. Una vez lo aprendamos, podremos crear catalizadores más eficientes, diseñados a gusto de la reacción a empujar. Esta es la idea. ¡A ver lo que nos deja hacer la realidad!

Jordi Llorca y Luis Carlos Pardo