Aplicación de principios de Química Verde en los Laboratorios de

APLICACIÓN DE LA QUÍMICA VERDE EN LOS LABORATORIOS DE QUÍMICA
INORGÁNICA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL, COSTA RICA: UN ESTUDIO
DE CASO
Dr. Gilberto Piedra Marín
Escuela de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional
Apartado Postal 86-3000, Heredia, Costa Rica
e-mail: [email protected]
M.Sc. Xinia Vargas González
Escuela de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional
Apartado Postal 86-3000, Heredia, Costa Rica
e-mail: [email protected]
M.Sc. Jacqueline María Herrera Núñez
Escuela de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional
Apartado Postal 86-3000, Heredia, Costa Rica
e-mail: [email protected]
RESUMEN
En 1998 Paul Anastas y John Warner publicaron el libro “Química Verde: Teoría y
Práctica” en el cual plantearon un protocolo de doce principios que enmarcan la filosofía
llamada actualmente Química Verde. La aplicación de estos 12 principios en laboratorios
de docencia, busca diseñar experimentos más amigables con el ambiente, i.e., que
sustituyan sustancias tóxicas o peligrosas por otras más inocuas, que reduzcan los
volúmenes de reactivos y disolventes, que disminuyan la generación de residuos, que
empleen alternativas energéticas más eficientes, que disminuyan el número de etapas de
síntesis y que utilicen sustancias que minimicen el riesgo de accidentes químicos, entre
otros. En la Escuela de Química de la Universidad Nacional de Costa Rica se ha abordado
la incorporación de principios de química verde en los laboratorios de Química General, lo
que establece un antecedente para promover este tipo de experiencias en laboratorios de
cursos de niveles superiores como Química Orgánica, Química Inorgánica y Química
Bioinorgánica. Las prácticas de laboratorio que se ejecutan en los cursos de Química
Inorgánica se han caracterizado históricamente por el uso de sustancias químicas
peligrosas, como los metales pesados y los disolventes orgánicos. El objetivo del presente
trabajo es mostrar una metodología sencilla que ayuda en el proceso de sustituir
experimentos de química inorgánica que emplean productos químicos tóxicos y generan
residuos contaminantes, por otras que utilicen sustancias más inocuas, sin alterar los
objetivos didácticos que se persiguen. Dicha metodología incorpora el uso de matrices de
cuantificación de desechos, criterios de segregación para la clasificación de familias
químicas y protocolos de pretratamiento para los residuos generados. En este estudio de
caso se compara un experimento de evaluación de la cinética de primer orden, que utiliza
acetato de mercurio (II), xileno y difeniltiocarbazona (ditizona), sustancias consideradas
tóxicas, con un experimento alternativo que utiliza cloruro de cobalto (II), agua y
etilendiamina. Todas las etapas de ambos procedimientos experimentales fueron evaluadas
de acuerdo con la escala de evaluación de codificación por colores propuesta por Morales et
al, aportando una puntuación para cada paso de cada experimento. Los resultados obtenidos
mostraron que la práctica alternativa tiene una mayor calificación que la práctica vigente,
por cuanto utiliza reactivos y disolventes inocuos, y genera una menor cantidad de residuos
Palabras clave: Química Verde, química inorgánica, gestión de desechos, mercurio,
cobalto.
ABSTRACT
In 1998 Paul Anastas and John Warner published the book “Green Chemistry: theory and
practice” in which they raised a 12-principle protocol that frames the philosophy called
nowadays Green Chemistry. The application of these 12 principles in teaching labs seek to
design experiments that are environmentally friendlier, i.e., that substitute toxic or
dangerous chemicals with more innocuous ones, reduce the volumes of reagents and
solvents, decrease waste generation, employ more efficient energetic sources, diminish the
number of syntheses steps and utilize substances that lower the risks of chemical-related
accidents, among others. In the School of Chemistry of Universidad Nacional of Costa
Rica, the incorporation of green-chemistry principles in the General Chemistry Labs has
been approached, establishing an antecedent to promote this type of experiences in upperlevel lab courses such as Organic Chemistry, Inorganic Chemistry and Bioinorganic
Chemistry. The lab experiments carried out in the practical inorganic chemistry courses
have historically been characterized by the use of toxic/dangerous chemical reagents, such
as heavy metals and organic solvents. The aim of this work is to show a simple
methodology that helps in the process of substituting inorganic-chemistry lab experiments
that utilize toxic reagents and generate pollutant wastes, with others that use more
innocuous substances, without altering the didactic objectives being pursued. Such a
methodology incorporates waste-quantification matrixes, chemical-family segregation
criteria and pretreatment protocols for the wastes that are generated. For this case study, a
first-order kinetic evaluation experiment that utilizes mercury (II) acetate, xylene and
diphenylthiocarbazone (ditizone), all considered as toxic materials, is compared to an
alternative one that employs cobalt (II) chloride, water and ethylenediamine; all steps of the
experimental procedures were evaluated according to a color-codification evaluation scale
proposed by Morales et al., thus providing a score for each single step of both experimental
procedures. The results showed that the alternative experiment has a higher score than the
one that is currently carried out, since it employs innocuous reagents and generates a lower
amount of waste.
Keywords: Green chemistry, inorganic chemistry, waste management, mercury, cobalt
INTRODUCCIÓN
Costa Rica a través del Programa del Estado de la Nación, realiza año con año un informe
producto de un proceso de investigación y consulta en el que participan un amplio y diverso
grupo de instituciones, organizaciones y personas de todos los ámbitos de la sociedad
costarricense, quienes mediante la búsqueda de informaciones elaboran un informe titulado
“Estado de la Nación”, que radiografía los desafíos, logros y rezagos en materia de
desarrollo humano sostenible. Específicamente el Vigésimo Primer Informe del Estado de
la Nación, publicado en el 2015, indica que Costa Rica cuenta con una vasta legislación
ambiental, pero que adolece de acciones para proteger y utilizar racionalmente el agua, así
como tratar debidamente las aguas residuales, disminuir y manejar convenientemente los
desechos que se generan, utilizar formas de energía alternativas en armonía con el
ambiente, requiriendo especial atención, la búsqueda de transportes que den paso a nuevas
formas no tan contaminantes. (Programa Estado de la Nación, 2015)
Aunado a esta evaluación nacional asertiva, la Universidad Nacional de Costa Rica, cuenta
desde el año 2003 con una Política Ambiental en donde se procuran políticas con miras a
un desarrollo sostenible. Se plantea en este documento, compromisos y estrategias con el
fin de contaminar menos. Dentro de los compromisos establecidos, se indica que la
Universidad Nacional:

Realizará sus actividades de modo que se prevenga el derrame y emisiones de
productos peligrosos, para proporcionar condiciones de salud adecuadas a la
comunidad universitaria, población cercana y el ambiente en general.

Realizará un manejo adecuado de sus desechos utilizando principalmente un criterio
de prevención y minimización.

Cumplirá gradualmente con la legislación ambiental nacional pertinente (vertido y
reuso de aguas residuales, desechos peligrosos, uso de agroquímicos, entre otros).

Procurará las condiciones de higiene y seguridad adecuadas para la salud de la
comunidad universitaria.
La puesta en práctica de las políticas establecidas, obliga a establecer estrategias para su
cumplimiento, entre ellas se indican:

Incorporar la dimensión ambiental en el quehacer universitario en general:
proyectos y programas de investigación, extensión, producción y servicios.

Asegurar las condiciones para cumplir gradualmente con la reglamentación
ambiental nacional.

Desarrollar incentivos y disuasivos que coadyuven en el logro de una cultura
ambiental y la internalización de la dimensión ambiental en todas las acciones del
quehacer universitario. (Universidad Nacional, 2003)
Existe además en la Universidad Nacional, el proyecto UNA - Campus sostenible, creado
en 2006, y adscrito a la Vicerrectoría Académica. Este proyecto promueve una estrategia
para el manejo de desechos, tanto químicos como de otra índole y está dirigido a todas las
instancias en donde se generen desechos, procurando darles el manejo adecuado.
A pesar que la Universidad Nacional cuenta con una Política Ambiental que establece los
lineamientos generales en cuanto el accionar de la institución en esta materia, falta mucho
por hacer en el seno de la docencia, en unidades como la Escuela de Química. En esta
facultad durante los meses lectivos, los estudiantes reciben diferentes laboratorios de
Química, manipulando y generando sustancias peligrosas. Lo anterior debe llamar la
atención por el riesgo y peligro que implica la manipulación de sustancias químicas,
algunas de peligrosidad considerable.
Como respuesta a esta realidad, se considera que los principios establecidos en la Química
Verde se pueden aplicar directamente en las prácticas de laboratorio que se desarrollan en
los laboratorios de docencia, con el fin de reducir significativamente el peligro derivado al
uso, almacenamiento y disposición final de las sustancias químicas y los desechos
peligrosos; garantizándole a los estudiantes y profesores mayor seguridad dentro de los
laboratorios, así como procurando una cultura ambiental en donde todos los participantes se
comprometan de manera responsable con el ambiente.
El cambio de prácticas de laboratorio que se presenta en esta ponencia se fundamenta en la
Química Verde, una filosofía de trabajo que nace a finales del siglo XX con el propósito de
reducir o eliminar las sustancias peligrosas en los procesos productivos, requiriendo un
análisis exhaustivo del ciclo de vida del producto. Este análisis consiste en la evaluación de
cada una de las etapas de producción, desde la extracción de la materia prima hasta la
disposición final del producto. La finalidad es determinar las etapas o materiales críticos
para la salud o el ambiente, para proponer cambios o sustituciones de estos, y así poder
elaborar productos con un menor impacto ambiental.
De la misma forma en la que se emplea la Química Verde en el sector industrial, se puede
utilizar en el sector servicios, y de forma muy particular, en la Escuela de Química de la
Universidad Nacional. Aquí la docencia requiere el uso de sustancias peligrosas para el
medio ambiente así como para la salud. Dependiendo de la cantidad de estudiantes que
asisten a los laboratorios de docencia, del tipo de curso que se imparta y la administración
de los laboratorios, los impactos generados por los desechos peligrosos son de magnitudes
y proporciones muy diferentes.
La Química Verde (sostenible) consiste en utilizar compuestos químicos o procesos que
sean amigables con el medio ambiente y cuyo uso resulte en una reducción de residuos,
procesos de producción más seguros, y reducir (o mejor aún eliminar) la contaminación y el
daño ambiental, además de fomentar la innovación y la creación de productos que sean
sostenibles tanto desde el punto de vista económico y ambiental. (Anastas, 2009)
Lo anterior puede corregirse y controlarse adaptando las prácticas de los laboratorios a los
principios de la Química Verde que se resume en 12 principios, definidos por la Agencia
de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), los cuales sirven de guía para
permitir una proyección del producto hacia el camino de la sostenibilidad. Los doce
principios de describen a continuación:
1. Prevención: siempre es preferible evitar la producción de un residuo que pueda generar
cualquier tipo de problemas ambientales que tratar de limpiarlo una vez que se haya
formado.
2. Maximizar la economía atómica: la idea en este apartado es maximizar el porcentaje de
rendimiento de la reacciones, permitiendo así un mejor aprovechamiento de las materias
primas y subproductos.
3. Síntesis menos peligrosas: los métodos de síntesis seleccionados deben garantizar la
minimización de la peligrosidad de las materias primas y de los productos, tanto para el
hombre como para el medio ambiente.
4. Diseño seguro: los productos químicos o peligrosos se deben diseñar garantizando su
eficacia, baja toxicidad y vida útil larga, así se evita el uso excesivo del producto la
generación desmedida de residuos.
5. Se debe evitar o eliminar el uso de sustancias auxiliares (como disolventes) y en el
caso de ser realmente necesarios, se deben seleccionar los más inocuos posible.
6. Eficiencia energética: la energía requerida en un proceso productivo se cataloga por su
impacto medioambiental y económico, por lo que se debe procurar elegir la fuente de
energía más amigable con el medio ambiente y que sea sostenible en la empresa o
industria. La mejor forma de reducir este impacto es implementar métodos de síntesis
que se desarrollen a temperatura y presión ambientes.
7. Uso de materias primas renovables: la elección de la materia prima debe de depender
de si su fuente es renovable o agotable, siempre que sea técnica y económicamente
viable.
8. Reducción de derivados: se debe adaptar el proceso productivo con el fin de evitar la
posible
la
formación
de
sustancias
derivadas
(grupos
de
bloqueo,
de
protección/desprotección, modificación temporal de procesos físicos/químicos).
9. Catálisis: es recomendable el uso de catalizadores (lo más selectivos posible) con el fin
de aumentar el porcentaje de rendimiento en la reacción y a la vez disminuir el
consumo de materias primas.
10. Degradación limpia: en el diseño del producto se debe contemplar su rápida y sencilla
degradación luego de su disposición final, evitando así su persistencia en el medio
ambiente.
11. Análisis continuo de contaminación: se debe procurar un monitoreo constante y asertivo
del producto y del proceso productivo, esto con el fin de controlar dicho proceso y así
prevenir la formación de sustancias peligrosas.
12. Seguridad intrínseca y prevención de accidentes: se basa en un trabajo conjunto, tanto
del personal de planta o personal en contacto directo, como el personal administrativo.
Ambos con la misión de minimizar el potencial y la frecuencia de accidentes químicos
o cualquier tipo de exposición.
En la Escuela de Química de la Universidad Nacional de Costa Rica se ha abordado la
incorporación de principios de química verde en los laboratorios de Química General, lo
que establece un antecedente para promover este tipo de experiencias en laboratorios de
cursos de niveles superiores como Química Orgánica, Química Inorgánica y Química
Bioinorgánica.
Química verde en Inorgánica
Las prácticas de laboratorio que se ejecutan en los cursos de Química Inorgánica se han
caracterizado históricamente por el uso de sustancias químicas peligrosas, como los metales
pesados y los disolventes orgánicos. Hasta el año 2014 en el Laboratorio de Química
Inorgánica de la Universidad Nacional de Costa Rica, se realizaba una práctica diseñada
para evaluar conceptos básicos de cinética química, y que emplea como objeto de estudio el
ditizonato de mercurio(II), el cual se prepara de acuerdo con la ecuación 1.(Pimienta et al.,
2003)
Hg(CH3COO)2 (ac) + 2 C13H12N4S (ac) [Hg(C13H12N4S)2] (CH3COO)2 (s)
(1)
Una vez sintetizado este compuesto, se prepara una disolución en xileno, la cual se expone
a una fuente intensa de luz, experimentando un cambio en el color como se muestra en la
ecuación 2, y se analiza mediante espectrofotometría de Ultravioleta-Visible.
(2)
Sin embargo, dicha práctica presenta problemas relacionados con la toxicidad de los
reactivos empleados para la síntesis; la generación de residuos peligrosos de mercurio (II),
y la manipulación del producto final que, al contener un porcentaje significativo de
humedad, provocaba su adherencia en las paredes del material de vidrio que se emplea
durante la síntesis.
Ante tales desventajas, se decidió someter la práctica a un proceso de evaluación interno
con la intención de valorar; a) la cantidad y características de los reactivos empleados
versus la cantidad y características de los desechos generados, b) las etapas y procesos
enfocados en el uso de consumibles, el consumo energético y el uso de equipo y materiales
de laboratorio, c) el tiempo empleado para la ejecución de todas las etapas y procesos y d)
la pertinencia de la práctica para alcanzar los objetivos académicos que plantea la sesión de
laboratorio. Esta última característica influye directamente en la pertinencia de mantener
dicho experimento práctica dentro del Manual de Laboratorio, y determinar si es
recomendable realizar una sustitución para abordar apropiadamente los objetivos del curso.
Como posible alternativa, se diseñó un experimento que emplea cloruro de cobalto (II) y
etilendiamina, en el que se produce el compuesto cloruro de trans-bis(etilendiamina)cobalto
(III), una sustancia coloreada que podría emplearse para mostrar los cuatro métodos de
evaluación de cinética planteados por Pimienta et al. (2003) El cloruro de transbis(etilendiamina)cobalto (III) se prepara de acuerdo con la ecuación 3.
4 CoCl2 (ac) + 8 en (ac) + 4 HCl (ac) + O2 (g) → 4 trans-[CoCl2(en)2]Cl (s) + 2 H2O (l)
(3)
(4)
Se ha reportado que el complejo trans-bis(etilendiamina)cobalto(III) experimenta un
cambio de color cuando se calienta; el verde inicial cambia a morado, mediante la reacción
de isomerización que se muestra en la ecuación 4, siguiendo una posible cinética de primer
orden que se podría utilizar para aplicar los métodos matemáticos propuestos por Pimienta
y colaboradores (2001), proporciona una alternativa para sustituir la práctica que
actualmente se utiliza en el Laboratorio de Química Inorgánica.
El objetivo del presente trabajo es mostrar una metodología sencilla que permite establecer
criterios para la sustitución de experimentos de Química Inorgánica que utilizan productos
químicos tóxicos y generan residuos contaminantes, por otros que utilicen sustancias más
inocuas, sin alterar los objetivos didácticos que se persiguen. Dicha metodología incorpora
el uso de matrices de cuantificación de desechos, criterios de segregación para la
clasificación de familias químicas y protocolos de pretratamiento para los residuos
generados.
METODOLOGÍA
Preparación del ditizonato de mercurio (II).
Se disolvieron 0,8 g de acetato de mercurio (II) en una disolución 6 mol/L de amoniaco. A
dicha disolución se le adicionaron 1,3 g de difeniltiocarbazona (ditizona). La mezcla se
colocó en un baño con hielo hasta la formación del complejo. El sólido rojo obtenido se
filtró al vacío y se recristalizó con cloroformo.
Estudio cinético con el ditizonato de mercurio (II).
Se preparó una disolución 2,0 x 10-5 mol/L de ditizonato de mercurio (II) en xileno. La
disolución fue irradiada con luz solar el tiempo suficiente para que la disolución mostrara
un color naranja. Se agitó vigorosamente la disolución y se transfirió una porción de la
misma a una celda de cuarzo que se colocó en un espectrofotómetro Spectronic 20D. Se
ajustó la longitud de onda a 606 nm y se midió la absorbancia de la disolución, en
intervalos de 30 segundos, hasta que no se observaran cambios significativos en la misma.
Preparación del cloruro de trans-bis(etilendiamina)cobalto (III).
Se disolvieron 0,0075 moles de cloruro de cobalto (II) dihidratado en 15 mL en un frasco
de precipitados. A esta disolución se le adicionaron 340 L de etilendiamina y se le
burbujeó aire por una hora. Pasado este tiempo se adicionó 1 mL de HCl concentrado,
produciéndose el sólido trans-bis(etilendiamina) cobalto (III) de color verde. El exceso de
ácido fue evaporado en la capilla de gases y el sólido separado de la disolución utilizando
filtración por gravedad. Al sólido se le realizaron lavados con etanol y se dejó secar a
temperatura ambiente.
Estudio cinético con el cloruro de trans-bis(etilendiamina)cobalto (III).
Se preparó una disolución 0,02 mol/L de trans-bis(etilendiamina)cobalto (III). La
isomerización del complejo trans al cis se llevó a cabo utilizando un horno de microondas a
una temperatura de 35 °C. Se midió la absorbancia de la disolución, en el ámbito de 400700 nm, durante 140 minutos, en intervalos de 5 minutos.
Evaluación verde de los experimentos.
Se desarrollaron diagramas de flujo para la preparación de los dos compuestos ditizonato de
mercurio (II) y trans-bis(etilendiamina)cobalto (III), así como de los correspondientes
estudios cinéticos. Una vez construidos tales diagramas, se procedió a llevar a cabo las
evaluaciones verdes de cada experimento siguiendo la metodología propuesta por Morales
y colaboradores (2011), clasificándolas en las categorías que se muestran en la figura 1.
Figura 1. Categorías establecidas en el sistema de clasificación propuesto por Morales y
colaboradores (2011)
RESULTADOS y DISCUSION
Evaluaciones verdes
En la figura 2 se muestra el diagrama de flujo correspondiente a la síntesis del ditizonato de
mercurio (II) y al estudio cinético llevado a cabo con dicha sustancia. En la Tabla 1 se
describen los criterios utilizados para asignar el puntaje correspondiente a cada paso del
procedimiento.
Figura 2. Diagrama de flujo correspondiente a la síntesis y estudio cinético de la
isomerización del complejo ditizonato de mercurio (II).
La sumatoria de las evaluaciones realizadas fue dividida entre el número total de eventos
analizados según los principios de la Química Verde (Morales, 2011). La evaluación verde
que se hizo a este experimento arrojó un valor de 4, que corresponde a la categoría
ligeramente café.
Tabla 1: Evaluación verde de la síntesis del ditizonato de mercurio (II) y del estudio
cinético realizado con esta sustancia.
Etapa
Paso a
Paso b
Paso c
Paso d
Paso d.1
Paso e
Paso f
Paso f.1
Descripción
Se emplea acetato de mercurio (II) que se considera tóxico y dañino al
medio ambiente, por lo que se evalúa bajo el principio 12 asignándole una
categoría totalmente café (1).
Se utiliza una disolución 6 mol/L de amoniaco como disolvente, sustancia
tóxica, irritante y corrosiva, que bajo el principio 5 se le asigna la categoría de
totalmente café (1).
Se emplea difeniltiocarbazona, una sustancia tóxica y dañina al medio
ambiente, por lo que se evalúa bajo el principio 12 asignándole una categoría
totalmente café (1).
Con relación al principio 2, hay buena economía atómica. Este paso es
considerado totalmente verde (10). La precipitación del ditizonato de mercurio
(II) ocurre al colocarse en hielo, que requirió de energía para enfriar el agua, por
lo que se evalúa bajo el principio 6 asignándole una categoría de ligero
acercamiento al verde (6). El ditizonato de mercurio (II) es un producto
inorgánico, tóxico, irritante e inflamable; por lo que se le asigna un 1
(totalmente café) de acuerdo con el principio 3.
Se filtra el sólido al vacío y se seca a temperatura ambiente, asignándole a este
paso una calificación de gran acercamiento verde (9) según el principio 6.
La obtención del ditizonato de mercurio (II) sólido por filtración generó
residuos de amoniaco, acetato de mercurio (II) y difenilditiocarbazona que no
reaccionaron, así como ditizonato de mercurio (II) que no fue retenido por el
papel de filtro. En virtud del principio 1, se le asigna la categoría de totalmente
café (1).
Se utiliza xileno, un disolvente considerado café. De acuerdo con el principio 5
se le da la categoría de totalmente café (1).
La isomerización se lleva a cabo irradiando la disolución con luz solar que es
totalmente verde. En consecuencia, se le asigna un 10 de acuerdo con el
principio 6.
El estudio cinético generó residuos de ditizonato de mercurio (II) y xileno.
Ambos son considerados tóxicos, por lo que se clasifica como totalmente café
de acuerdo con el principio 1.
Por su parte, la figura 3 muestra el diagrama de flujo correspondiente a la síntesis del transbis(etilendiamina)cobalto(III) y de la isomerización del compuesto trans al cis.
Paralelamente, en la tabla 2 se describen en detalle los criterios aplicados a la hora de
evaluar cada etapa de acuerdo con Morales y colaboradores (2011), obteniéndose el
resultado de 7, el cual se clasifica como un buen acercamiento al verde.
Las evaluaciones hechas a ambos procedimientos indican que el experimento alternativo
tiene una clasificación verde mayor, lo que sugiere que el experimento descrito por
Pimienta y colaboradores (2003) debería ser sustituido por la práctica de isomerización
trans-cis del complejo bis(etilendiamina)cobalto (III).
Adicionalmente, la síntesis del trans-bis(etilendiamina)cobalto (III):
 Es más segura, y genera un producto estable en disolución acuosa.
 Posee una economía atómica del 87% y genera un producto menos tóxico y
subproductos inocuos.
 La reacción presenta un alto rendimiento.
Por su parte, la síntesis del ditizonato de mercurio (II):

Es más peligrosa

La purificación de producto final genera muchas pérdidas.

Genera un producto mucho más tóxico y bioacumulable.

La reacción presenta bajo rendimiento.
Figura 3. Diagrama de flujo para la síntesis del trans-bis(etilendiamina)cobalto (III) y el
estudio cinético.
Tabla 2: Síntesis y estudio cinético de la isomerización trans-cis del complejo
diclorobis(etilendiamina)cobalto(III).
Paso
Descripción
Paso a
Se emplea cloruro de cobalto (II) hexahidratado que se considera tóxico y dañino al
medio ambiente, por lo que se evalúa bajo el principio 12 asignándole una categoría
totalmente café (1).
Se utiliza agua como disolvente, el cual se encuentra dentro de la clasificación de
disolventes verdes y se puede evaluar bajo el principio 5 asignándole una categoría de
totalmente verde (10).
Paso b
Se emplea etilendiamina, el cual es un reactivo inflamable y tóxico. Sin embargo, al
utilizarse en pequeñas cantidades y trabajarse a microescala, se evalúa bajo el principio
12, asignándole una categoría de medianamente café (3).
Paso c
La síntesis del cloruro de trans-diclorobis(etilendiamina)cobalto(III) genera un gasto
energético de 4,5 Wh (bomba de pecera) que se considera bajo si se compara con el
gasto de 209 Wh generado por una bomba de vacío, por lo que se evalúa bajo el
principio 6 asignándole una categoría de ligero acercamiento al verde (6).
Paso d
Se emplea ácido clorhídrico, el cual es un reactivo corrosivo que se utiliza en poca
cantidad, por lo que se evalúa bajo el principio 12 asignándole un categoría
medianamente café (3).
Paso e
La evaporación se realiza sin consumo energético durante toda la noche, por lo que se
evalúa bajo el principio 6 asignándole una categoría de gran acercamiento verde (9).
Paso e.1
Los vapores de ácido clorhídrico son corrosivos, pero la cantidad que se debe evaporar
es mínima al trabajar a microescala, por lo que se evalúa bajo el principio 1
asignándole una categoría de transición de café a verde (5).
Paso f
La síntesis tiene una economía atómica del 87% y no genera productos secundarios
tóxicos, por tanto se evalúa bajo el principio 2 asignándole una categoría de muy buen
acercamiento verde (8).
El producto de reacción cloruro de trans-diclorobis(etilendiamina)cobalto(III) obtenido
a través de la síntesis propuesta, no se considera peligroso o tóxico y se evalúa bajo el
principio 3 asignándole una categoría de muy buen acercamiento verde (8).
La precipitación del producto final se realiza a temperatura ambiente durante 1 semana,
por lo que se evalúa bajo el principio 6 asignándole una categoría de totalmente verde
(10).
Se emplea etanol para el lavado del producto final, el cual es un disolvente inflamable
pero considerado verde en función de su baja toxicidad y buena degradabilidad, por
tanto se evalúa bajo el principio 5 asignándole una categoría de totalmente verde (10).
Se realiza una filtración a gravedad y el secado de los cristales a temperatura ambiente,
por tanto, esta etapa del proceso se evalúa bajo el principio 6 asignándole una categoría
Paso g
de gran acercamiento verde (9).
Paso g.1. Los residuos de etilendiamina sin reaccionar y del complejo trans-[CoCl2(en)2]Cl sin
cristalizar se encuentran diluidos. Por tanto, se evalúa bajo el principio 1 asignándole
una categoría ligero acercamiento verde (6).
Paso h
La disolución 0,02 M del complejo cis-[CoCl2(en)2]Cl se prepara utilizando agua, el
cual se clasifica como un disolvente verde y se evalúa bajo el principio 5 asignándole
una categoría de totalmente verde (10).
Paso i
El calentamiento genera un gasto energético de 525 W/h que se considera moderado si
se compara con el gasto de 765 W/h generado por una plantilla convencional. Además,
el horno microondas se considera como una fuente de activación más segura, por tanto,
se evalúa bajo el principio 6 asignándole una categoría de gran acercamiento verde (9).
Paso i.1
Los residuos de la disolución de trans-[CoCl2(en)2]Cl, 0,02 M, no se consideran
peligrosos y se encuentran diluidos, por tanto se le evalúa bajo el principio 1
asignándole una categoría de muy buen acercamiento verde (8).
Evaluación de los estudios cinéticos
En la figura 4 se muestra el espectro de absorción de los complejos cis y trans del complejo
bis(etilendiamina)cobalto (III). Se pueden observar claramente dos regiones en las que
cada isómero muestra un máximo de absorción; la isomerización del complejo trans
muestra el desplazamiento del máximo de absorción (máx = 619 nm) hacia longitudes de
onda más corta conforme se isomeriza al complejo cis (máx = 511 nm). Este proceso de
isomerización es lo suficientemente rápido para registrar las medidas de absorbancia
suficientes para realizar un análisis cinético apropiado en un corto intervalo de tiempo.
Adicionalmente, la separación en las longitudes de onda de los máximos de absorción
permite llevar a cabo el estudio de isomerización sin que haya traslape de señales que
requieran tratamientos adicionales.
Figura 4. Espectro de absorción de los complejos cis y trans del bis(etilendiamina)cobalto
(III).
-1,000
Ln At
-1,400
-1,800
-2,200
-2,600
-3,000
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 5. Evaluación de la cinética de primer orden de la isomerización del complejo transbis(etilendiamina)cobalto(III) al complejo cis, utilizando el método gráfico.
En las figuras 5-7 se muestran las evaluaciones de la cinética de primer orden de la
isomerización del complejo trans-bis(etilendiamina)cobalto(III) al complejo cis, utilizando
el método gráfico, el del semilogaritmo y el de Guggenheim, respectivamente. Se observa
en los tres gráficos líneas rectas que sugieren efectivamente que la reacción es
efectivamente de primer grado.
-2,000
ln([A]t+Δ - [A]t)
-2,500
-3,000
-3,500
-4,000
-4,500
-5,000
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo, min
Figura 6. Evaluación de la cinética de primer orden de la isomerización del complejo transbis(etilendiamina)cobalto(III) al complejo cis, utilizando el método del semilogaritmo.
Los parámetros utilizados para evaluar la cinética de primer orden en la isomerización del
complejo trans-[CoCl2(en)2]Cl al cis- trans-[CoCl2 (en)2]Cl se enumeran en la Tabla 4. Los
valores de coeficiente de correlación de los métodos gráfico y del semilogaritmo son
esencialmente iguales, en tanto que el obtenido mediante el método de Guggenheim arrojó
un valor de 0,9624, que corresponde al gráfico de menor linealidad. Las constantes de
velocidad obtenidas mediante los diferentes métodos de evaluación oscilaron alrededor de
9,5 x 10-5 s-1. Lo anterior sugiere que el experimento propuesto efectivamente permite
alcanzar los objetivos pedagógicos propuestos; por un lado se muestra que la isomerización
trans-cis del complejo diclorobis(etilendiamina)cobalto(III) a máx = 619 nm procede
mediante una cinética de primer orden y por el otro los diferentes métodos de evaluación de
la constante de velocidad arrojaron valores muy similares, lo que sugiere que el sistema se
ajusta muy bien a los métodos empleados.
0,000
ln [At-Aoo]
-0,500
-1,000
-1,500
-2,000
-2,500
-3,000
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 7. Evaluación de la cinética de primer orden de la isomerización del complejo transbis(etilendiamina)cobalto(III) al complejo cis, utilizando el método de Guggenheim.
En la tabla 5 se muestran los resultados del estudio de isomerización del complejo
ditizonato de mercurio(II) a máx = 600 nm. Se puede observar que el sistema empleado se
ajusta de manera menos aceptable a los cuatro métodos utilizados produce una mayor
dispersión tanto en los valores de los coeficientes de correlación como en los de las
constantes de velocidad.
Tabla 4. Datos cinéticos obtenidos en la transición del complejo trans-[CoCl2(en)2]Cl al
cis- trans-[CoCl2(en)2]Cl.
Método
Relación
Regresión
Valor k1(s-1)
lineal
máx = 619 nm
0,9988
9,50 x 10-3
NA
9,40 x 10-3
Gráfico
In[A]t = In[A]0 - kt
Vida media
k = In 2/t1/2
Semilogaritmo
In At+ – At = In A0 – A(e-k -1) - kt
0,9987
9,60 x 10-3
Guggenheim
In At+ – A = In A0 – A - kt
0,9624
9,41 x 10-3
R/Ri
k = [In(rm)]/
NA
9,56 x 10-3
Tabla 5. Estudio de la isomerización del complejo ditizonato de mercurio (II) a máx = 600
nm.
Método
Relación
Regresión
Valor k1(s-1)
lineal
máx = 600 nm
0,9991
1,54 x 10-2
NA
1,87 x 10-2
Gráfico
In[A]t = In[A]0 - kt
Vida media
k = In 2/t1/2
Semilogaritmo
In At+ – At = In A0 – A(e-k -1) - kt
0,9951
2,33 x 10-2
Guggenheim
In At+ – A = In A0 – A - kt
0,8978
2,41 x 10-2
R/Ri
k = [In(rm)]/
NA
2,01 x 10-2
CONCLUSIONES

El experimento planteado como alternativa para el estudio de la cinética de reacción
empleando trans-bis(etilendiamina)cobalto (III), efectivamente permite alcanzar los
objetivos pedagógicos propuestos en lo referente al uso de los cuatro métodos para
evaluar la cinética de primer orden. Adicionalmente, tiene una clasificación verde
mayor que el experimento utilizado actualmente, y en consecuencia este último
puede ser sustituido por la práctica de isomerización trans-cis del complejo
bis(etilendiamina)cobalto (III).

La síntesis del trans-bis(etilendiamina)cobalto (III):
Es más segura, y genera un producto estable en disolución acuosa.
Posee una economía atómica del 87% y genera un producto menos tóxico y
subproductos inocuos.
La reacción presenta un alto rendimiento.

La implementación de prácticas de Química Verde en la Escuela de Química de la
Universidad Nacional, permite la reducción de costos en cuanto a la adquisición de
reactivos y disposición final de desechos peligrosos, así como la promoción de una
cultura ambiental en los estudiantes y docentes.

Las acciones realizadas han permitido la minimización significativa en el uso de
reactivos, la sustitución de sustancias químicas por otras que generan menor
impacto al ambiente y el almacenamiento adecuado para posterior tratamiento de
los desechos que se generan de manera que se envíe por el drenaje solamente
aquellas sustancias que causen el mínimo efecto al ambiente.

Existen una gran cantidad de puntos de mejora para incorporar prácticas en la
enseñanza universitaria de la Química Inorgánica mucho más apegadas a los
principios de Química Verde.

Es importante que en el diseño de nuevas prácticas de laboratorio se incorpore el
concepto de economía atómica para definir la sostenibilidad de un proceso en lugar
del concepto de rendimiento.

Los profesores universitarios requieren tener un entrenamiento especial, equipos y
materiales apropiados para ser capaces de integrar la Química Verde en sus
laboratorios, por tanto la inversión es un punto crítico en el desarrollo e
implementación de nuevas prácticas.
REFERENCIAS
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39, 301-312.
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Docencia de la Escuela de Química en la Universidad Nacional. Uniciencia 2012,
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