Si calentamos agua en una olla, permanece líquida hasta que alcanza los 100 °C y se convierte en vapor, que se escapa. Si aumentamos la presión, como en una olla a presión, el punto de ebullición sube y el agua sigue en estado líquido incluso a mayor temperatura. En cambio, en las montañas altas la presión es menor y el agua hierve por debajo de los 100 °C, por lo que el arroz puede quedar a medio cocer. ¿Qué le ocurriría al agua si siguiéramos aumentando la temperatura y la presión al mismo tiempo, sin límite?
Al superar cierto punto, desaparece la frontera que separaba el líquido del gas y surge un estado difícil de clasificar como uno u otro. Una sustancia que se encuentra a una temperatura y una presión superiores a las de su punto crítico y en la que ya no se distingue entre líquido y gas se llama «fluido supercrítico (Supercritical Fluid)». Gracias a que se dispersa como un gas y a la vez disuelve bien otras sustancias como un líquido, se utiliza en muchos lugares, desde plantas procesadoras de café hasta centrales eléctricas.
En este artículo veremos qué significa el punto crítico en el que se forman los fluidos supercríticos, qué propiedades tienen a medio camino entre el gas y el líquido, cómo se utilizan en la industria y dónde se encuentran en la naturaleza.
Un estado que no es líquido ni gaseoso: el fluido supercrítico
¿Qué es el punto crítico?
Para entender los fluidos supercríticos, primero hay que conocer la temperatura y la presión específicas que definen el punto crítico (Critical Point).
(1) El extremo de la curva de ebullición
Cuanto mayor es la presión, más alto es el punto de ebullición de una sustancia. Si trazamos la frontera que separa el líquido del gas en función de la presión y la temperatura, obtenemos una curva que se detiene en un punto determinado. Ese extremo es el punto crítico.
(2) El momento en que desaparece la frontera
A medida que se acercan al punto crítico, el líquido pierde densidad y el gas se vuelve cada vez más denso. Al llegar al punto crítico, ambos tienen la misma densidad, dejan de distinguirse y queda un solo fluido. Un gas por encima de su temperatura crítica no se convierte en líquido por mucho que se comprima.
(3) Cada sustancia tiene su propio punto crítico
El punto crítico del agua se sitúa a unos 374 °C y unos 22 MPa, una presión que supera en más de 200 veces la presión atmosférica. El dióxido de carbono, en cambio, alcanza su punto crítico a unos 31 °C y unos 7.4 MPa, por lo que es relativamente fácil llevarlo al estado supercrítico. Además, su baja toxicidad, su carácter no inflamable y su bajo costo lo han convertido en el disolvente supercrítico más utilizado en la industria.
Propiedades intermedias entre las de un gas y las de un líquido
Los fluidos supercríticos despiertan especial interés entre los químicos porque reúnen las ventajas de los gases y de los líquidos.
(1) Facilidad para penetrar como un gas
Los fluidos supercríticos tienen una viscosidad tan baja que se aproxima a la de un gas, y sus moléculas se difunden con rapidez. Por eso, al igual que un gas, penetran fácilmente en los sólidos porosos y llegan hasta los rincones más recónditos. Esto permite extraer en poco tiempo incluso los componentes que se encuentran en lo más profundo de la materia prima.
(2) Capacidad de disolver como un líquido
Su densidad puede llegar a acercarse a la de un líquido, por lo que su capacidad para disolver otras sustancias es mucho mayor que la de un gas. Además, al no haber una interfaz entre líquido y gas, tampoco se genera tensión superficial.
(3) Propiedades que se ajustan como con un mando
Cerca del punto crítico, basta con cambiar un poco la presión o la temperatura para que la densidad varíe considerablemente. Como el poder disolvente cambia con la densidad, se puede ajustar la presión para disolver selectivamente los componentes deseados o hacer que vuelvan a precipitar. Una gran ventaja es que con un mismo disolvente se pueden separar y obtener varios componentes uno tras otro.
Usos de los fluidos supercríticos
Gracias a estas propiedades, los fluidos supercríticos se utilizan ampliamente como disolventes limpios que sustituyen a los disolventes orgánicos perjudiciales.
- Café descafeinado (Decaffeinated Coffee): se utiliza dióxido de carbono supercrítico para extraer la cafeína de los granos verdes antes del tueste. Al reducir la presión, el dióxido de carbono se convierte en gas y se dispersa, por lo que apenas quedan residuos de disolvente.
- Cerveza y fragancias (Hops and Fragrance Extraction): el mismo método se utiliza para extraer compuestos del lúpulo empleado en la cerveza, aromas de flores y aceites vegetales.
- Secado supercrítico (Supercritical Drying): como el disolvente se puede retirar sin que actúe la tensión superficial, es posible secar aerogeles muy ligeros y porosos o muestras biológicas delicadas sin dañarlos.
- Cromatografía de fluidos supercríticos (Supercritical Fluid Chromatography): es un método de análisis que separa los componentes de una mezcla. Como permite trabajar incluso con sustancias sensibles al calor, se utiliza para distinguir moléculas de fármacos que son imágenes especulares entre sí.
- Generación eléctrica supercrítica (Supercritical Power Generation): al calentar agua hasta llevarla al estado supercrítico y usarla para accionar una turbina, la eficiencia térmica puede pasar de alrededor del 39 % en la generación convencional a cerca del 45 %.
Los fluidos supercríticos en la naturaleza
Además de encontrarse en laboratorios y fábricas, los fluidos supercríticos se forman de manera natural en la Tierra y en otros planetas.
(1) Un estado descubierto por primera vez dentro de un cañón
En 1822, el francés Charles Cagniard de la Tour calentó el tubo de un cañón que había sellado tras introducir un líquido y una esfera de piedra, mientras escuchaba el sonido de la esfera al rodar. Al advertir que el sonido cambiaba a cierta temperatura, descubrió por primera vez el punto crítico en el que desaparece la distinción entre líquido y gas.
(2) Las fuentes hidrotermales de las profundidades marinas
De las fuentes hidrotermales del fondo marino brota agua caliente que puede alcanzar unos 400 °C. Se sabe que, bajo la elevada presión de las profundidades marinas, parte de esta agua alcanza el estado supercrítico.
(3) La atmósfera caliente de Venus
La atmósfera de Venus está compuesta principalmente de dióxido de carbono. La temperatura en la superficie ronda los 462 °C y la presión alcanza unas 90 veces la de la Tierra. Como estas condiciones superan ampliamente las del punto crítico del dióxido de carbono, la atmósfera que cubre la superficie de Venus se encuentra en estado supercrítico.
Los fluidos supercríticos muestran que la clasificación habitual en sólidos, líquidos y gases no siempre encaja del todo. La posibilidad de cambiar las propiedades de una sustancia ajustando solo dos variables, la temperatura y la presión, también orienta la búsqueda de procesos químicos más limpios.
Comprender el estado que existe más allá de esa frontera es el primer paso para que la química pueda trabajar con la materia de nuevas maneras.
