Los productos químicos están presentes en prácticamente todas las industrias, desde la producción alimentaria hasta la farmacéutica. Se utilizan para fabricar materiales, conservar productos y garantizar la calidad y seguridad en diferentes sectores. Pero, ¿qué es un producto químico exactamente? En términos generales, es cualquier sustancia que ha sido procesada o creada a través de una reacción química.
Un producto químico puede definirse como cualquier sustancia con una composición química específica. Esto abarca desde elementos básicos como el oxígeno y el hidrógeno hasta compuestos complejos como el ácido sulfúrico. Dada la gran diversidad y complejidad de materiales y sustancias químicas, se utilizan normalmente varias magnitudes para expresar la composición química de las mezclas.
Conceptos Fundamentales de los Productos Químicos
En términos generales, los productos químicos se pueden clasificar en dos tipos: orgánicos e inorgánicos. Los productos químicos orgánicos son aquellos que contienen carbono en su estructura molecular, mientras que los inorgánicos no contienen carbono en su estructura. A su vez, ambos tipos se pueden subdividir en diversas categorías según sus propiedades físicas y químicas.
Productos Químicos Orgánicos
Los productos químicos orgánicos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde la producción de plásticos y fibras textiles hasta la elaboración de medicamentos y productos de cuidado personal. Algunos son:
- Hidrocarburos: son compuestos orgánicos que contienen sólo átomos de carbono e hidrógeno. Son los principales componentes del petróleo y del gas natural. Se utilizan para producir combustibles como la gasolina y el diésel; también se emplean en la fabricación de plásticos, caucho, solventes y productos químicos para la agricultura.
- Alcoholes: contienen un grupo hidroxilo (-OH) unido a un átomo de carbono. Los alcoholes son comúnmente utilizados como disolventes y desinfectantes; también se emplean en la producción de plásticos, perfumes y productos farmacéuticos.
- Ésteres: contienen un grupo funcional (RCOOR) se obtienen principalmente de la reacción de ácidos carboxílicos y alcoholes. Los ésteres se utilizan en la fabricación de pinturas automotivas, arquitectónicas, tintas, impresiones, barnices para madera y farmoquímicos.
- Cetonas: contienen un grupo funcional carbonilo (C=O) unido a dos átomos de carbono. Las cetonas se utilizan como disolventes; también se emplean en la fabricación de plásticos y productos químicos para la industria textil.
Productos Químicos Inorgánicos
Los productos químicos inorgánicos son aquellos que no contienen átomos de carbono en su estructura molecular. Aunque la mayoría de los productos químicos inorgánicos se encuentran en la naturaleza, muchos de ellos se producen artificialmente para su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Algunos son:
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- Ácidos: son sustancias que liberan iones de hidrógeno (H+) en solución acuosa. Los ácidos se utilizan en la producción de alimentos, productos farmacéuticos y productos químicos para la agricultura.
- Bases: son sustancias que liberan iones hidroxilo (OH-) en solución acuosa. Las bases se utilizan en la producción de productos de limpieza, productos farmacéuticos y productos químicos para la agricultura.
- Sales: son compuestos inorgánicos que se forman a partir de la reacción entre un ácido y una base. Las sales se utilizan en la producción de alimentos, productos farmacéuticos y productos químicos para la agricultura.
- Óxidos: son compuestos inorgánicos que contienen oxígeno y otro elemento.
El Sistema Internacional de Unidades (SI) y la Medición Química
En virtud de la gran diversidad de materiales y sustancias químicas, desde los albores de la química se han venido proponiendo y utilizando diferentes magnitudes de composición química. Algunas de estas magnitudes de composición química están bien definidas en la actualidad y su uso está bien generalizado, pero otras necesitan ser revisadas dentro del marco del Sistema Internacional de Unidades (SI).
El SI es el sistema de unidades más completo, más robusto y es utilizado por convención en prácticamente todos los países del mundo. Puede decirse que el origen del SI se remonta a 1875 cuando se firmó el Tratado del Metro por la Convención del Metro y se adoptó el Sistema Métrico Decimal como sistema universal de unidades. Por el auge científico y técnico a lo largo del siglo XX, el Sistema Métrico Decimal derivó en varios subsistemas de unidades como el CGS y el MKS pero fue reunificado, fortalecido y bautizado como Sistema Internacional de Unidades (SI) en 1960.
La Convención del Metro, que es un tratado diplomático, opera por medio de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) donde están representados todos los países miembros. A su vez, la CGPM creó y se soporta en el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), organismo al más alto nivel científico que desarrolla y coordina los trabajos en metrología a nivel internacional. El CIPM ha establecido diferentes comités consultivos de apoyo para atender en lo particular cada área de la técnica o tipo de medición concerniente. De entre éstos, mención especial merece el Comité Consultivo para la Cantidad de Sustancia (CCQM, por sus siglas en francés) que es la entidad encargada de coordinar y promover el trabajo relativo a las mediciones químicas y biológicas.
Dentro del CCQM participan organizaciones internacionales tales como la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), la ISO (Organización Internacional de Normalización), la IAEA (Agencia Internacional de Energía Atómica) y los institutos nacionales de metrología de los países miembros. Así pues, las mediciones químicas son parte integrante y actuante del SI. Es justamente en el seno del CCQM que se ha visto la necesidad de acotar y homologar las magnitudes de composición al SI tanto en sus aspectos conceptuales como de notación y de lenguaje.
El SI está sustentado en siete magnitudes de base y para cada una de ellas se define una unidad, con nombre, símbolo y valor bien definidos. A partir de las unidades de base se obtiene un sinnúmero de unidades derivadas para expresar los valores de otras tantas magnitudes, por ejemplo, superficie, energía, resistencia eléctrica. Adicionalmente, el SI permite el uso de un conjunto de unidades aun cuando no pertenecen formalmente al SI, por ejemplo, el minuto, el litro, la tonelada. En principio, todas las magnitudes mecánicas, físicas, eléctricas y químicas pueden y deberían expresarse por medio de las unidades definidas en el SI.
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Aparte de un conjunto de unidades rigurosamente definidas, el SI incluye el uso prefijos para expresar múltiplos y submúltiplos de las unidades, por ejemplo, nano, mili, mega. Además, el SI describe las reglas de uso y de escritura de todas estas unidades.
Magnitudes y Unidades de Composición Química
Existe una gran diversidad de mediciones químicas relacionadas con las diferentes propiedades o parámetros de las sustancias o materiales, todas éstas se expresarían de una forma o de otra mediante las siete unidades de base del SI, por ejemplo, energías de enlace, distancias intersticiales, potenciales químicos. Sin embargo, el alcance de este artículo se limita a las magnitudes de composición química y a sus unidades en el SI. Aun así, la gran diversidad de sustancias, mezclas y compuestos químicos, hace que las magnitudes para expresar la composición química sean muy variadas.
La composición de una mezcla se expresa generalmente por medio de una magnitud intensiva ya que la composición es independiente del tamaño, dado éste en términos de cantidad de sustancia, masa o volumen de la muestra bajo estudio. Esta magnitud intensiva se obtiene del cociente de dos magnitudes extensivas, siendo el numerador, la magnitud de interés, y el denominador es una magnitud relacionada al tamaño de la muestra que se toma como base de cálculo. De esta forma, las magnitudes de composición se pueden expresar de diferentes maneras dependiendo de la combinación entre las magnitudes extensivas en juego y de la conveniencia de acuerdo a la aplicación a que están destinadas. En el seno del CCQM, se han tratado varias propuestas para unificar el uso de las unidades y magnitudes de composición química.
La composición de una disolución de 10 mL/L (se hace la aclaración que aun cuando el litro no es una unidad SI, su uso está permitido) de etanol en agua, preparada a 20 °C, puede expresarse de diferentes formas. Sabiendo que la densidad de esta disolución es de 0,9967 g cm-3, la del etanol puro es de 0,7893 g cm-3 y la del agua es de 0,9982 g cm-3, todas ellas a 20 °C. Entonces 1 L de disolución tiene una masa de 996,7 g y contiene 10 mL de etanol, equivalentes a 7,893 g (o bien, 171,332 mmol); la diferencia, 988,807 g es la masa de agua, que es igual a 990,59 mL (o bien, 54,887 mol); con estos datos se calculan las magnitudes mostradas en la tabla 4.
Reglas de Escritura en el SI
El valor de una magnitud se compone de un valor numérico y de las unidades asociadas a dicho valor, la escritura del valor de la magnitud y sus unidades sigue en lo general todas las reglas gramaticales aplicables. Algunas consideraciones especiales se señalan brevemente a continuación:
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- El binomio, valor numérico y las unidades asociadas (o los símbolos de éstas), es indisociable y debe interpretarse como una entidad algebraica lógica, el valor numérico es el coeficiente o factor que multiplica al valor definido de una unidad (o conjunto de éstas). El valor numérico se separa de sus unidades por medio de un espacio.
Ejemplos: 2 metros o 2 m, 59 segundos o 59 s, 20 newton o 20 N - El SI permite el uso del “punto” o de la “coma” como separadores decimales, la decisión depende del símbolo decimal que se utiliza normalmente en cada contexto o país. Opcionalmente, en números muy grandes, las cifras pueden agruparse en múltiplos de 1000 separadas por medio de un espacio, pero nunca utilizando ni puntos ni comas.
Ejemplos: 298,15 kelvin o 298,15 K, 30,0009 metros o 30,0009 m. 100 000, 3,141 592 654 - Los símbolos de las unidades se escriben en caracteres romanos (rectos), esto aplica tanto a unidades SI de base como para las unidades derivadas. Los nombres o los símbolos de las unidades deben escribirse correctamente según se describen en el SI.
Ejemplos: metro o metros (m), segundo o segundos (s), newton o newtons (N), pascales (Pa). - Los símbolos de las unidades no son abreviaciones, por tanto, no se coloca punto en seguida del símbolo y no sufren modificación al plural.
Ejemplos de escritura incorrecta: kgs kg. Amps. mts. - Cuando una unidad derivada se expresa mediante el producto o cociente de una o varias unidades, los símbolos de las unidades se escriben separados por un punto a media altura o simplemente por un espacio. Para evitar confusión o ambigüedad con el uso de puntos o espacios al expresar el producto de números o de nombres de unidades se permite el uso del símbolo “×”.
Ejemplos: N·m, N·m, W·s, W s. newton × metro o newton metro. Es incorrecto escribir: newton·metro. - Cuando una unidad derivada se expresa mediante el cociente de una o varias unidades, los símbolos de las unidades en el denominador se escriben mediante potencias negativas o bien, separados de las unidades del numerador por una línea de división oblicua (/) o una línea de división horizontal (−) y si es el caso, agrupadas dentro de paréntesis para evitar cualquier ambigüedad.
Ejemplos: Pa/m2, Pa·m-2, Pa·m-2, J/(mol·K), J mol-1 K-1 - Los múltiplos y submúltiplos de las unidades se escriben utilizando los prefijos del SI. La expresión formada de la asociación de un símbolo de un prefijo y de un símbolo de una unidad constituye un nuevo símbolo inseparable, es decir, el símbolo de un múltiplo o un submúltiplo de la unidad, y sigue por lo tanto todas las reglas de escritura que ya se han descrito.
Ejemplos: cm, mm, cm-2, mg, μg, mg/cm3. La misma regla aplica a los nombres de las unidades asociados a prefijos, por ejemplo milímetros, microgramos o megapascales. - No deben utilizarse prefijos compuestos o en combinación. NOTA: La unidad base de masa, el kilogramo (kg), lleva implícito un prefijo por lo que los múltiplos y submúltiplos de masa y sus prefijos se refieren al gramo.
- Un prefijo debe anteceder siempre al símbolo de la unidad a la que modifica. Un prefijo solo carece de sentido físico.
- Debe evitarse el uso de unidades no reconocidas por el SI. Cuando se requiera expresar el valor de una magnitud en otro sistema de unidades se recomienda hacerlo acompañándolo de su valor equivalente en unidades SI.
- Las unidades de varias de las magnitudes de composición química se forman del cociente de la misma unidad. Se dice de estas magnitudes, que son sin dimensiones o bien, de dimensión “uno”. Para este tipo de magnitudes, los valores pueden escribirse acompañados de sus unidades o bien sin dimensiones. Cuando se describen magnitudes sin dimensiones debe evitarse cualquier ambigüedad que pudiera dar lugar a interpretaciones indeseables.
Ejemplo: xi = 0,001 mol/mol o simplemente, xi = 0,001. - El SI permite el uso del litro como unidad de volumen, por lo que las magnitudes de concentración que involucran volumen pueden expresarse en litros (L/L, mol/L, etc.). El símbolo SI de la unidad “litro” puede ser “l (minúscula)” o “L (mayúscula)”, pero se recomienda el uso del símbolo “L” para evitar confusión con el número “uno”.
Uso de los Términos %, ppm, ppb y ppt
Aun cuando el uso de términos tales como partes por millón (ppm), partes por billón (ppb) y partes por trillón (ppt) tienen cierto uso en el lenguaje de la composición química, estos términos no se han definido formalmente y no existe aún un consenso en cuanto a su uso, incluso la norma ISO 31-0, Secc. 2.3.3 desaconseja su uso. Una de las principales dificultades que impiden unificar estos términos es que tienen significados totalmente distintos si se expresan en diferentes idiomas o países. Por ejemplo, la palabra “billón” en español representa al número 1012 mientras que un “billion” en inglés representa al número 109.
Los términos “ppb” y “ppt” pueden tener alguna utilidad para expresar el orden de magnitud de un valor cualitativo o semicuantitativo en un contexto definido, pero definitivamente su uso no es adecuado para expresar formalmente valores de composición química según el SI. El símbolo % (por ciento) está reconocido y ampliamente consensado a nivel internacional, por lo que su uso para expresar magnitudes de composición química sin dimensiones es aceptado. El símbolo % se utiliza únicamente para expresar valores de unidades sin dimensiones o de dimensión “uno” y es equivalente al factor 1/100. Sin embargo la expresión “porcentaje” o “por ciento” no debe utilizarse en combinación con el nombre de alguna magnitud, por ejemplo, no debe decirse por ciento de fracción masa, ni porcentaje de cantidad de sustancia.
Ejemplo: xi = 0,10% equivale a xi = (0,10 mol)/(100 mol) = 0,0010 mol/ mol o bien, xi = 0,0010 (sin dimensiones).
Incertidumbre y Trazabilidad en Mediciones Químicas
Siempre que se hace la medición de una magnitud química o de cualquier tipo se debe procurar que la medición sea lo más confiable posible de acuerdo con los recursos tanto materiales y humanos con que cuenta el laboratorio, también es importante lograr que la confiabilidad de la medición sea apropiada al uso a que está destinada. Para lograr una medición confiable adecuada al uso previsto deben aplicarse algunos principios experimentales y estadísticos relativamente sencillos, éstos son: la validación del método de medición, el establecimiento de la trazabilidad y la estimación de la incertidumbre de medición, entre otros.
Contabilización de Especies Químicas: Conservación de Masa
Para muchos problemas, es esencial realizar un seguimiento de las especies químicas individuales, átomos o moléculas. Si la composición química para el sistema también es constante (con el tiempo) y uniforme (en el espacio), las ecuaciones contables de especies duplican la conservación de las ecuaciones de masa y no agregan nada a nuestro análisis. Si la composición química también depende del tiempo y no es uniforme, las ecuaciones contables de especies pueden proporcionar información adicional que complemente la conservación de las ecuaciones de masa.
Los problemas con el cambio de composición se pueden separar en dos grupos: sistemas con reacción química y sistemas sin reacción química.
Sistemas sin Reacción Química
Para sistemas sin reacción química, las ecuaciones contables de especies pueden escribirse sin los términos de generación/consumo. Estas ecuaciones se pueden escribir para realizar un seguimiento de cualquier componente químico al estudiar el comportamiento de un sistema con composición cambiante y sin reacciones químicas. La composición de la mezcla siempre se puede describir en términos de las fracciones de masa y fracciones molares. Para cualquier sistema, se puede escribir una ecuación de composición para cada flujo de flujo, y se puede escribir una ecuación de composición adicional para describir el contenido del sistema.
Dado un sistema con Ncomp compuestos químicos, se puede escribir un total de Ncomp+1 ecuaciones aplicando la conservación de la masa total m y aplicando especies que contabilizan cada uno de los Ncomp compuestos. Desafortunadamente, sólo Ncomp de estas ecuaciones son independientes.
Para cada sistema (o subsistema) en el problema, puede escribir tantas ecuaciones contables independientes de masa y/o especies como compuestos químicos (componentes) en el sistema (o subsistema). Un cilindro de gas inicialmente contiene 10 lbm aire. Se desea enriquecer el contenido de oxígeno de la mezcla mediante la purga 5 lbm de aire del cilindro y luego la adición 3 lbm de O2. Para encontrar composiciones debemos conocer la masa total y la masa de cada componente en el tanque al final del proceso de enriquecimiento. Si podemos encontrar la masa total y la masa de cada componente en el estado final, podemos responder a esta pregunta. La fracción de masa indica la composición en términos de la cantidad de masa de cada componente mientras que la fracción molar sólo considera el número de moléculas de las partículas.
Una corriente de alimentación líquida se alimenta continuamente a una cámara de destilación rápida. A medida que el líquido ingresa a la cámara, su presión se reduce y parte del líquido entrante destella a vapor. La corriente de alimentación consiste en agua, etanol, metanol entrando a los 25 lbm/h, 10 lbm/h, y 5 lbm/h, respectivamente. Para especificar completamente todas las entradas y salidas de un problema como este requiere conocer la composición y el caudal másico total en cada entrada/salida O el caudal másico para cada especie y el caudal másico total en cada entrada/salida. El caudal másico total se puede resolver para escribir la conservación de la masa para el sistema. Las incógnitas restantes se pueden determinar aplicando la ecuación contable de especies para agua, etanol y metanol.
Sistemas con Reacción Química
Cuando ocurren reacciones químicas en un sistema, los términos de consumo y generación ya no son cada cero. Para evaluar estas expresiones, se debe confiar en las ecuaciones químicas equilibradas apropiadas que se apliquen a las reacciones involucradas. Para un sistema reactivo, el número de ecuaciones independientes que se pueden obtener de la conservación de la masa y la contabilidad de especies es igual al número de especies independientes más el número de reacciones químicas independientes.
Las aplicaciones para sistemas con reacciones químicas están fuera del alcance de este texto. Sin embargo, un breve ejemplo ilustrará cómo se obtienen términos de generación y consumo a partir de las ecuaciones químicas. Un tanque contiene 2 kmol de monóxido de carbono (CO) y 2 kmol de oxígeno (O2). Un enfoque alternativo es escribir ecuaciones contables de especies para las especies atómicas, C y O.
Importancia y Manejo Responsable de los Productos Químicos
Los laboratorios de análisis fisicoquímicos juegan un papel crucial en la evaluación de productos químicos. El término fisicoquímico se refiere a los análisis que estudian tanto las propiedades físicas como las químicas de una sustancia. Un producto químico peligroso es aquel que puede representar un riesgo para la salud o el medio ambiente.
La capacitación de calidad es un factor clave en la gestión de productos químicos en una empresa. Capacitar a los empleados no solo reduce los riesgos de accidentes, sino que también mejora la eficiencia operativa. Es crucial manejarlos con cuidado.
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