El poliacrilato de sodio es la sal sódica del poli(ácido acrílico), que a su vez es un polímero del ácido acrílico (ácido prop-2-enoico). Se trata de un hidrogel que bate récords de absorción de agua: decenas y hasta cientos de veces su peso, dependiendo de la salinidad del agua, pues, como veremos, todo ion disuelto entorpece el proceso químico de absorción de agua por parte de este material. Su unidad repetitiva es [–CH2–CH(COONa)–]n, por lo que su estructura es la que se refleja en la figura 6.15-izqda. Se han dibujado varias unidades repetitivas. Destaca la presencia en la cadena de grupos COO– cuyas cargas son compensadas por iones Na+ libres, razón por la que este material se dice que es un polielectrolito.
La razón de que este polímero sea un superabsorbente de agua es que las moléculas H2O hidratan fácilmente a los iones Na+, ya que es un proceso muy favorable por ser muy exotérmico ( = –405 kJ mol–1) y por aumentar ligeramente la entropía (el cambio de entropía estándar molar parcial respecto al protón en la hidratación del Na+ es = +59 J K–1 mol–1)[2]. En consecuencia, en virtud de la ecuación [6.1], la variación de energía de Gibbs es negativa ( ). Pero antes de seguir explicando la razón de la extraordinaria absorción de agua por parte del poliacrilato de sodio, es interesante hacer una digresión sobre el signo de la entropía en la hidratación de los cationes.
En general, la entropía de hidratación de los cationes monovalentes es positiva, mientras que la de los di- y trivalentes es negativa. El signo de la entropía de hidratación es un balance de dos tendencias. Por un lado, la introducción del ion en el agua rompe en parte la ordenación de las moléculas H2O, que forman un entramado gracias a los enlaces de hidrógeno. Pero, por otro lado, esos iones se rodean de H2O (cada Na+ se rodea de una media de 4 moléculas de agua)[3], por lo que establecen una nueva ordenación gracias a la interacción electrostática entre el catión y los dipolos de las moléculas de agua. La fuerza de interacción catión-dipolo en la hidratación de cationes tiende a ser mayor cuanto mayor sea la carga del catión y menor su radio, ya que el potencial eléctrico creado por el catión es directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional a la distancia (en este caso, el radio del catión).
Continuando con la explicación de la hidratación del poliacrilato de sodio, al rodearse los iones Na+ de moléculas de agua su carga positiva ya no puede compensar la negativa de los grupos carboxilato (–COO–) que cuelgan de las cadenas, cadenas que están entrelazadas formando redes. Las cargas negativas de los grupos carboxilato se repelen, lo que se traduce en la separación de las cadenas. Las moléculas de agua pueden penetrar, entonces, y unirse por enlaces de hidrógeno a los iones carboxilato (dos moléculas de H2O por COO–, ya que este grupo tiene dos átomos de O). Así quedan parcialmente compensadas las cargas negativas. El agua queda “secuestrada”. La figura 6.16 ilustra el mecanismo explicado.
También se comercializa la sal potásica del poliacrilato. El radio iónico del K+ es mayor que el del Na+ (1,38 Å frente a 1,02 Å) y su número de hidratación es 3. La entalpía de hidratación del K+ es –321 kJ mol–1 y el cambio de entropía +101 J mol–1 K–1.
El proceso de hidratación es un equilibrio químico. Es decir, hay que considerar también la reacción contraria, la de deshidratación. Por eso, y por lo explicado anteriormente, una representación muy simplificada del proceso podría ser esta:
[–CH2–CH(COONa)–]n + 6n H2O ⇌ {[–CH2–CH(COO–)–]·2H2O}n + n (Na·4H2O)+ [6.3]
Hay que tener en cuenta que en la reacción solo se han escrito las cuatro moléculas de H2O que forman parte de la primera esfera de hidratación del Na+ y las dos que se unen mediante enlaces de hidrógeno al carboxilato, pero pueden entrar muchas más moléculas para hidratar al grupo carboxilato u ocupar intersticios de la red. Esto explica la gran capacidad de absorción de este polímero.
Viendo la reacción [6.3] se comprende que el agua absorbida se puede desorber añadiendo iones Na+ (por ejemplo, agregando sal común). El principio de Le Châtelier predice que, dada una situación de equilibrio químico, si se aumenta la concentración de un producto el sistema responderá favoreciendo la formación de reactivos. En este caso, si se aumenta la concentración de Na+ la respuesta del sistema será formar más [–CH2–CH(COONa)–]n, es decir, poliacrilato deshidratado. En general, añadir una disolución de cualquier ion debería revertir el proceso de hidratación porque los cationes podrían situarse junto a los aniones COO–, evitando la repulsión y la consiguiente separación de las cadenas en la red polimérica.
Cuando el poliacrilato se hincha de agua se parece a nieve medio derretida; de hecho, una de las aplicaciones de este compuesto es la fabricación de nieve artificial. También es muy útil en agricultura, ya que una mezcla de poliacrilato de potasio con tierra introducida en una bolsa de geotextil (polipropileno o poliéster) supone una reserva de agua para las plantas. Una de sus primeras aplicaciones fue en productos de higiene, ya que su gran capacidad de absorción es idónea para fabricar pañales de bebé muy finos. Estos pañales se fabrican por el método del electrohilado (apartado 9.2).
Como se ha visto, la capacidad absorbente de este polímero se basa en su polaridad. Se podría razonar, entonces, que las sustancias apolares podrían ser absorbidas por polímeros no polares. Y así es. Algunos de estos pueden absorber más de 40 veces su peso en productos refinados de petróleo[5]. Un ejemplo es el polímero que se obtiene copolimerizando 1-octeno con estireno y divinilbenceno; otro es la poliolefina poli(etileno-co-1-octeno), que, como su nombre indica, se trata de un copolímero de etileno y 1-octeno. Este, que ha sido denominado por sus descubridores i-Petrogel, puede ser preparado en forma de copos, películas o espumas. Estos polímeros pueden utilizarse para absorber vertidos petrolíferos en el mar como se ilustra en la figura 6.17.
[1] Imagen: A. Sahi et al. Minerals 9 (2019) 785. https://doi.org/10.3390/min9120785.
[2] J. Burgess. Ions in Solution. Woodhead Publishing (1999).
[3] J. N. Israelachvili. Intermolecular and Surface Forces. 3ª ed., Academic Press (2011).
[4] Imágenes: varios sitios de Internet.
[5] C. Nam et al. Macromolecules. 49 (2016) 5427-5437. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b01244.
[6] Imagen: dos capturas de vídeo del material suplementario de C. Nam et al. J. Hazard. Mater. 351 (2018) 285-292. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.03.004.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
