El terrorífico difluoruro de dioxígeno (y un par de cosas sobre química)

El otro día estaba releyendo un genial post de la web XKCD en el que su autor menciona el difluoruro de dioxígeno (O2F2), el compuesto químico más reactivo conocido. Así que he pensado que sería una buena idea hablar sobre reacciones químicas y, de paso, explicar cómo de peligrosa puede llegar a ser esta sustancia porque, para empezar, casi cualquier material que entre en contacto ella arderá en llamas espontáneamente, incluso a temperaturas criogénicas de -184ºC.

¿Cómo que incluso? ¿Acaso la química se detiene si hace suficiente frío?

Buena pregunta, voz cursiva. Me explico.

Una reacción química no es más que el intercambio de átomos entre moléculas distintas. Las moléculas de oxígeno del aire tienden a quedarse pegadas a los átomos de hierro, formando óxido de hierro. Cuando el ácido clorhídrico reacciona con el carbonato de calcio, el cloro que contiene el ácido separa los átomos de calcio del compuesto, dejando libres al oxígeno y el carbono para formar dióxido de carbono y agua.

Como podéis ver en estas dos reacciones químicas, los átomos que contienen las moléculas simplemente se reestructuran para formar nuevos compuestos.

Pero, claro, para que dos moléculas reaccionen químicamente, primero tendrán que entrar en contacto. O sea que, a nivel macroscópico, la velocidad a la que se produce una reacción química entre dos sustancias dependerá de dos cosas: de cuántas moléculas entren en contacto cada segundo y la energía con la que choquen unas contra otras.

Como comentaba brevemente en esta entrada a la que le tengo que dar un repaso un día de estos, lo que los seres humanos percibimos como la temperatura de un objeto es en realidad el resultado de la energía cinética de sus moléculas o, lo que es lo mismo, de velocidad con la que se mueven en su interior. Cuanto más deprisa se muevan las moléculas que componen un objeto, más energía cinética generarán y, por tanto, más caliente lo percibiremos. Esto también significa que existe una temperatura mínima posible, -273.15ºC, que se alcanza cuando las moléculas dejan de moverse por completo.

A nivel químico, cuanto más deprisa se mueven las moléculas en una sustancia (o sea, más caliente esté) más a menudo interaccionarán unas con otras y, por tanto, más reacciones químicas tendrán lugar. Es por eso que el ritmo al que se sucede una reacción química aumenta con la temperatura, doblándose con cada aumento de 10ºC (aunque esta cifra una aproximación muy general).

Esto mismo se demuestra el siguiente vídeo en el que un señor disuelve una pastilla efervescente en un vaso con agua caliente (izquierda) y otra en un vaso de agua fría (derecha). Podéis ver que la pastilla efervescente que está en agua caliente reacciona mucho más deprisa que la que se encuentra en agua fría porque las moléculas de agua en el vaso caliente se mueven mucho más rápido y, por tanto, interaccionan con la pastilla un número mayor de veces en el mismo periodo de tiempo.

Pero eso no es todo: para que una reacción química tenga lugar las moléculas que intervienen deberán chocar a una velocidad suficientemente alta como para que la energía de la colisión rompa los enlaces existentes entre átomos que las componen. Sólo entonces los átomos pueden recombinarse y formar nuevos compuestos. Y, por supuesto, para que las moléculas alcancen esa velocidad habrá que calentar la sustancia de la que forman parte hasta una temperatura mínima.

Hmmm… Aquí hay algo que no me encaja. ¿Por qué entonces una barra de hierro se oxida gradualmente? ¿No deberían reaccionar todos los átomos de hierro de golpe con el oxígeno, una vez la temperatura es la adecuada?

Buena observación, voz cursiva, voy a matizar.

La temperatura de una sustancia es el reflejo de la velocidad media de las moléculas que contiene. Algunas se moverán más rápido y otras más despacio, pero dentro de un cuerpo aparentemente frío siempre habrá una pequeña proporción de moléculas que se moverán con la energía suficiente como para reaccionar con otras sustancias. Lo que ocurre al aumentar la temperatura es que el porcentaje de moléculas que tendrá la suficiente energía para reaccionar químicamente irá aumentando y, por tanto, esto ayuda a que la reacción química se acelere.

(Fuente)

El hecho de que la temperatura de una sustancia sea un reflejo de la velocidad media de las moléculas que la componen también implica que por mucho que bajes la temperatura nunca conseguirás detener la reacción química por completo. La puedes ralentizar mucho, sí, tal vez incluso hasta el punto de que transcurra a un ritmo tan lento que resulte imperceptible, pero no se va a detener porque siempre habrá moléculas con una energía más alta que la media.

¿Y cómo podemos apreciar todo esto en la vida real, Mr. Ciencia de Sofá?

Como hemos visto, las reacciones químicas se suceden de manera más rápida a medida que la temperatura aumenta. Por otro lado, la mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar a nuestro alrededor son exotérmicas, lo que significa que desprenden calor cuando tienen lugar. La oxidación que tiene lugar a nuestro alrededor gracias al oxígeno que contiene la atmósfera es una de ellas.

Esto significa que si calentamos una sustancia lo suficiente podemos conseguir que una reacción química ocurra con tanta rapidez que el calor generado por la reacción sea suficiente no sólo para mantenerla, sino también para aumentar el ritmo de reacción aún más, lo que a su vez aumenta de nuevo la temperatura… Y si esa sustancia está sumergida en la atmósfera terrestre terminará por envolverse en llamas porque, en el fondo, la combustión no es más que una oxidación muy bestia. La temperatura a la que esto ocurre se llama temperatura de autoignición.

Ese es el motivo por el que en condiciones de temperatura normales necesitamos aplicar una llama para encender una hoguera: el objetivo es aplicar suficiente calor de manera localizada como para que las moléculas cojan el impulso suficiente como para empezar una reacción en cadena con el oxígeno. Si lo hacemos de manera correcta, el elevado ritmo de reacción producirá suficiente calor como para que la reacción pueda mantenerse por sí sola y extenderse por el resto de la madera.

Para hacernos una idea del proceso, en el siguiente vídeo (o en este otro) se enseña cómo prende fuego una cerilla a cámara súper lenta. Podéis ver con claridad cómo la reacción química se va propagando por la cabeza de la cerilla.

En este otro vídeo (sin cámara lenta, porque no hace falta) podéis ver cómo la combustión se propaga por un trozo de lana de acero.

Eso sí, todos estos materiales pueden prender fuego  sin una fuente de ignición externa si se calientan hastaa una temperatura suficientemente elevada. Por ejemplo, la temperatura de autoignición de la madera oscila entre 190ºC y 260ºC, algo que provocó bastantes problemas a principios del siglo XX porque mucha gente empezó a instalar sistemas de agua caliente en sus casas de madera y, en algunos casos, las altas temperaturas alcanzadas por las tuberías que se encontraban en contacto con ella hacían que prendiera fuego.

Y AQUÍ TERMINA EL TOSTÓN. VAMOS A HABLAR DEL PROTAGONISTA DE LA ENTRADA DE HOY.

Ya hemos visto que, en presencia de oxígeno, una gran cantidad de materiales son vulnerables a la oxidación en distintos grados dependiendo de la temperatura. Pero cuando en vez de oxígeno interviene el difluoruro de dioxígeno (O2F2), la química se vuelve loca.

Esta sustancia es tan inestable que incluso los choques más ligeros a nivel molecular pueden provocar una reacción química violenta, ya que el difluoruro de dioxígeno contiene una gran cantidad de energía almacenada en sus enlaces químicos debido a que se forma a unos 700ºC. Por este motivo, casi cualquier material expuesto al O2F2 producirá reacciones químicas muy violentas incluso a temperaturas bajísimas.

Un químico llamado Derek Lowe habla sobre el O2F2en este artículo cargado de humor llamado “Cosas con las que no trabajaré: difluoruro de dioxígeno. En él cita otro documento muy interesante, un paper de un científico llamado A.G. Streng al que encargaron estudiar las reacciones del O2F2 con con otros compuestos químicos en la década de los 60.

En la introducción, Streng explica que el difluoruro de dioxígeno es un sólido de color amarillo-anaranjado que se funde a -163,15ºC, convirtiéndose en un líquido rojizo. Luego empieza a detallar sus experimentos y el artículo se vuelve horripilante.

Entre otras cosas, Streng comprobó que el O2F2 produce llamas blancas cuando entra en contacto con metano líquido a -183ºC. Para que os hagáis una idea de lo reactivo que es este compuesto os recuerdo que, en presencia de oxígeno, las cosas no prenden fuego por sí solas a menos que alcancen temperaturas de entre 200ºC y 700ºC.

Otro experimento que describe consistía en enfriar un pedazo de hielo hasta los -140ºC y colocar un poco de O2F2 encima. ¿El resultado? Una explosión, por supuesto. Streng también puso difluoruro de dioxígeno sobre un pedazo de dióxido de carbono sólido (conocido como hielo seco) y no obtuvo reacción… Hasta que añadió unas gotas de acetona, claro. Al añadir la acetona, empezaron a salir chispas de la mezcla y también explotó. Al probar qué pasa cuando se añade O2F2 al cloro, que ya de por sí es una sustancia molesta, a una temperatura de -133ºC, el resultado fue una “violenta explosión, para variar.

Cuando Streng empezó a hacer pruebas con el azufre, la cosa se puso más emocionante. Al añadir O2F2 a una mezcla de tetrafluoruro de azufre y fluoruro de perclorilo a -183ºC, notó que una sustancia lila empezó a formarse en las paredes del recipiente donde realizaba la reacción… Y, de pronto, explotó, dejando un charco de O2F2 en el trozo roto del fondo del recipiente. Streng debió repetir este experimento más de una vez, ya que escribió que “las explosiones pudieron ser evitadas en algunos casos, (por debajo de -157ºC)“.

Al final de su investigación, Steng concluye que “los experimentos han demostrado que el difluoruro de dioxígeno tiene un poder oxidativo extraordinario“. Teniendo en cuenta lo que habéis leído en esta entrada sobre reacciones químicas, podéis imaginar cómo de peligroso sería manejar esta sustancia a temperatura ambiente. Y también deduciréis por qué esta sustancia está tan poco estudiada y no tiene aplicaciones prácticas.

 

Y hasta aquí la entrada de hoy. Pero no me voy a ir sin deciros que, si la ilusión de vuestra vida es comprar la revista de National Geographic a un precio DE LOCOS, entonces os interesa el siguiente fragmento de información.

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6 pensamientos en “El terrorífico difluoruro de dioxígeno (y un par de cosas sobre química)”

  1. El DIFLUORURO DE DIOXÍGENO debe ser el material del que esta compuesto el universo de Michael Bay.

    Muy buen articulo.Disfruto mucho la lectura de tu Blog.

    En hora buena… Saldos desde México!!

  2. Quiero preguntar algo que no entiendo. Este material o elemento químico, es encontrado natural en la Tierra o es creado Artificialmente? Saludos de Argentina!!!

    1. Rocío supongo que no es natural porque un material tan reactivo no duraría mucho en el planeta como para crear una “mina” de este material
      Psdt:saludos desde costa rica yordi

  3. Muy buena entrada, Me surgió una pequeña duda respecto al tema. Si la velocidad de las reacciones químicas depende principalmente de la energía que estas poseen, ¿eso significa que las reacciones que tienen lugar a nuestro alrededor tardarían muchísimo más en ocurrir a temperaturas muy bajas, incluso en presencia de catalizadores?

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