Un cristal nanoporoso que separa el monóxido de carbono del nitrógeno

Por Francisco R. Villatoro, el 13 diciembre, 2013. Categoría(s): Ciencia • Noticias • Química • Science ✎ 1

Dibujo20131212 X-ray crystal structures of CO-adsorbed PCP 3 - science mag

En muchos procesos industriales es necesario separar el monóxido de carbono (CO) del nitrógeno (N2), para oxidarlo en dióxido de carbono (CO2). Se publica en Science un nuevo material cristalino nanoporoso capaz de separar ambas moléculas de forma pasiva con una alta selectividad. El artículo técnico es Hiroshi Sato et al., “Self-Accelerating CO Sorption in a Soft Nanoporous Crystal,” Science, AOP 12 Dec 2013 [DOI].

Los nanoporos cambian de estructura en presencia de iones de cobre (Cu2+), pasando de permitir el paso a ambas moléculas (CO y N2), estructura PCP 1, a permitir el paso de forma selectiva sólo del CO, estructura PCP 2. El nanoporo sin activar (PCP 1) tiene la forma de un cilindro (canal L), pero el activado con cobre (PCP 2) tiene la forma de una ristra de cabezas de ajo puestas en fila (canal S). En cada “cabeza de ajo” caben tres moléculas de CO que se enlazan (coordinan) a sendos iones de cobre (enlaces Cu−O). Cuando una “cabeza de ajo” adsorbe tres CO se abre el canal que la conecta con la siguiente “cabeza de ajo” permitiendo el paso de las moléculas de CO, pasando una a una, de una “cabeza de ajo” a la siguiente, empujadas por la llegada de nuevas moléculas de CO.

Dibujo20131212 Schematic images of the access of CO and N2 into small channel S - science mag

Las moléculas CO y N2 tienen 14 electrones, un diámetro similar (3,76 y 3,64 Å, resp.) y unas propiedades físicoquímicas muy semejantes. Por ello es muy difícil separarlas usando una membana porosa. Esta figura muestra el nanoporo de PCP 2 y su estructura en forma de ristra de cabezas de ajo. Por el poro de entrada caben tanto las moléculas de CO como de N2, pero las moléculas de N2 no pueden enlazarse a los sitios metálicos de cobre (flecha a trazos en la imagen del centro), mientras que las de CO pueden hacerlo sin problemas (mediante un enlace Cu−O).

Dibujo20131212 Schematic images -next- of the access of CO and N2 into small channel S - science mag

Dentro del nanoporo las moléculas de CO van moviéndose a saltos de un ión de cobre al siguiente, conforme nuevas moléculas de CO van penetrando en el nanoporo; el proceso es como si las nuevas moléculas empujaran a las que ya están dentro del nanoporo. En ningún momento se puede adherir una molécula de N2, lo que garantiza una alta selectividad.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=L2rhw7qzpBw]

Este vídeo de youtube ilustra de forma muy esquemática el proceso de la adsorción de CO. El proceso ocurre en tres etapas, primero la coordinación de las moléculas de CO en los sitios con Cu2+ en cada celda del poro; cuando los tres sitios de la celda están coordinados, se expande el canal que lo une con la siguiente celda, lo que permite una transferencia de moléculas CO a dicha celda; este proceso se repite de forma sucesiva.

Coda final. Esta entrada es mi participación en la Edición Inaugural del Festival de la Cristalografía que organiza Educación química y en la XXX Edición del Carnaval de Química que acoge Activa tu neurona.



1 Comentario

  1. Hola: es el mejor sitio de divulgación de ciencia que hay en español.
    felicidades, es un placer leerlos.
    sabemos que la interacción de la molécula de CO con los metales es por el átomo de carbono de manera que se coordina para formar carbonilos metálicos. en el texto se indica la formación de enlaces Cu-O ?

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 13 diciembre, 2013
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