13.9: Predecir y reducir peligros

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Se discutió la reducción de peligros por procesos químicos Capítulo 2, Sección 2.7, “Reducción del Riesgo: Peligro y Exposición” El enfoque convencional para hacer que los procesos químicos sean menos peligrosos para los trabajadores y menos dañinos para el medio ambiente ha enfatizado la reducción de la exposición. En el ámbito de la seguridad de los trabajadores, esto ha implicado medidas como el uso de equipo de protección para evitar el contacto con productos químicos peligrosos. Para el medio ambiente en su conjunto ha consistido en gran parte en medidas de “fin de tubería” para evitar la liberación de contaminantes una vez que se generan.

En contraste con la reducción de la exposición, la química verde depende de la reducción de riesgos. El primer paso en la reducción de peligros es conocer cuáles son los peligros y dónde se originan. Los peligros pueden surgir de las materias primas utilizadas, los medios (solventes) en los que se llevan a cabo los procesos químicos, los catalizadores que permiten que ocurran reacciones químicas y los subproductos. Los peligros directos que se plantean a los trabajadores en un proceso químico entran en las dos categorías principales de peligros de toxicidad y peligros asociados a eventos incontrolados como incendios y explosiones.

Las sustancias tóxicas se clasifican más lógicamente de acuerdo con sus propiedades bioquímicas que conducen a respuestas tóxicas. Un medio útil para relacionar los efectos tóxicos con la naturaleza química de las sustancias tóxicas es a través de las relaciones estructura-actividad, que utilizan programas de computadora para encontrar correlaciones entre las características de la estructura química, como las agrupaciones de grupos funcionales, y la toxicidad del compuestos. Como ejemplo, los compuestos orgánicos que contienen el grupo funcional N-N=O son compuestos N-nitroso, una familia que se destaca por los miembros que causan cáncer. También se sospechan características estructurales que indican una tendencia a donar grupos metilo (-CH3) porque la unión de grupos metilo al ADN celular es un mecanismo importante para causar cáncer. Este peligro se puede reducir sustituyendo los grupos alquilo con más carbonos por el grupo metilo.

Tres tipos de productos químicos tienen una alta prioridad en la eliminación de los peligros de toxicidad en la química verde. La primera categoría de este tipo consiste en metales pesados, como plomo, mercurio y arsénico (un metaloide). Estos elementos indestructibles tienen una variedad de efectos tóxicos, como alteración de la función de los túbulos renales en los riñones (cadmio), daño neurológico (mercurio) e inhibición de la producción de ATP (ver Capítulo 7, Sección 7.8, “Procesos bioquímicos en el metabolismo”) Una segunda categoría importante de sustancia tóxica que debe evitarse en la práctica de la química verde consiste en orgánicos liposolubles que no se degradan fácilmente. Estos compuestos a menudo consisten en organohaluros de masa molecular relativamente alta, como los PCB, y se acumulan en el tejido lipídico (graso). Liberados al medio ambiente, estos materiales pueden someterse a biomagnificación a medida que se mueven a través de una cadena alimentaria. Los compuestos orgánicos volátiles (COV) constituyen una tercera clase de sustancias tóxicas problemáticas. Estos son principalmente hidrocarburos, como el heptano, y organohaluros de baja masa molecular, como el tricloroetileno.

Figura 6.5) que se sabe que causó cáncer de hígado en trabajadores expuestos al vapor en la fabricación de polímeros de cloruro de polivinilo.

Los productos químicos que representan peligros debido a su potencial para sufrir reacciones químicas destructivas caen en varias categorías que a menudo se superponen. Sustancias combustibles o inflamables son aquellas que son susceptibles de quemarse vigorosamente y destructivamente en el aire u otras fuentes de oxígeno. Los disolventes hidrocarbonados pueden parecerse mucho a la gasolina en sus características y son altamente inflamables. A los peligros de dichos materiales se suma su volatilidad, lo que les permite formar mezclas explosivas de vapor en el aire. Pueden ocurrir incendios destructivos en refinerías de petróleo alimentados por hidrocarburos.

Mientras que las sustancias combustibles son reductores químicos, otra categoría de sustancias químicas peligrosas consiste en oxidantes químicos que proporcionan fuentes de oxígeno para la reacción de los reductores (ver Sección 13.8). Uno de esos compuestos es el perclorato amónico, NH ₄ ClO ₄, un potente oxidante utilizado en el combustible para cohetes. Muchos procedimientos de síntesis química implican etapas de oxidación y se utilizan una variedad de oxidantes químicos para estos pasos. Una cuarta categoría de sustancias químicas peligrosas son las que son reactivas. Los explosivos son excelentes ejemplos de sustancias reactivas. Uno de los explosivos más traicioneros es la nitroglicerina que sufre la siguiente reacción cuando explota.

\[\ce{4 C3H5N3O9 \rightarrow 12CO2 + 10 H2O + 6N2 + O2}\]

Esta reacción muestra que la molécula de nitroglicerina en realidad contiene un exceso de oxígeno debido a que el oxígeno elemental se libera cuando explota la nitroglicerina. Se sabe que algunas características estructurales de las moléculas están asociadas con la reactividad. Un ejemplo es la presencia cercana de oxígeno y nitrógeno en la misma molécula, particularmente donde múltiples átomos de nitrógeno están unidos entre sí. Una categoría final de sustancias químicas peligrosas consiste en aquellas que son corrosivas. En general, una sustancia corrosiva es aquella que ataca materiales, incluso la carne humana. ^{Una definición más específica es que una sustancia corrosiva es aquella que produce altas concentraciones de ion H ⁺ (ácido fuerte) o ion OH (base fuerte).}

A menudo, los productos químicos peligrosos pertenecen a dos o incluso más de las categorías descritas anteriormente. Un ejemplo de tal sustancia es el ácido nítrico concentrado, HNO ₃. Además de ser un ácido fuerte, este material actúa como fuente de oxígeno, representado como\(\{\ce{O}\}\) en la siguiente reacción:

\[\ce{2HNO3 \rightarrow 3 \{O\} + H2O + 2NO}\]

El ácido nítrico concentrado peligroso se utiliza en algunas reacciones de síntesis química en las que se necesita un oxidante ácido. Entre los muchos otros oxidantes fuertes potencialmente peligrosos utilizados se encuentran el permanganato (MnO ₄ ^-) y compuestos que contienen oxígeno como el dicromato de potasio, K ₂ Cr ₂ O ₇.

La forma ideal de tratar las sustancias peligrosas en la práctica de la química verde es evitar totalmente su fabricación o uso. Un objetivo loable en principio, a menudo es imposible evitar completamente los materiales peligrosos en la práctica. En los casos en que sea necesario tratar con sustancias peligrosas, se deberá hacer todo lo posible para evitar su liberación, exposición a seres humanos o circunstancias en las que puedan manifestarse sus peligros.