Por Lic. Alexander Dueñas Deyá
Departamento de Licenciatura en Química, Facultad de Química-Farmacia, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
La bolsa de aire (en inglés: air bag), invento patentado en 1981 por la firma alemana Mercedes-Benz, es un sistema de seguridad pasiva instalado en varios puntos del automóvil moderno para disminuir la gravedad en caso de accidente. Se basa en una idea muy simple: ante una colisión con aceleración superior a 3 G, las bolsas se inflan rápidamente y amortiguan el impacto de los pasajeros contra las diferentes partes del vehículo. Se estima que dichas bolsas reducen en un 30 % el riesgo de muerte solamente en impactos frontales. Pero… ¿se han preguntado cuál es la química detrás de una bolsa de aire?
¿Qué se necesita?
El sistema de bolsas, así como el gas que las llena, requieren de características especiales. Primeramente, las bolsas no deben inflarse por error. Luego, el gas no debe ser tóxico ni inflamable en caso de escape, debe ser “frío” para no producir quemaduras, debe producirse en gran cantidad y rápidamente (entre los 20 a 60 ms). Finalmente, los productos químicos que generan el gas deben ser de fácil manejo y estables durante largos períodos.
Entre los gases posibles, el dinitrógeno es el más adecuado, después de todo, constituye cerca del 78 % en volumen del aire. Una manera rápida de obtenerlo es mediante la descomposición de azidas de metales alcalinos, tales como la azida de sodio, NaN3. Pero aquí no termina el problema, pues el sodio metálico producido como residuo es altamente reactivo.
Proceso general de despliegue de una bolsa de aire
La solución se encuentra en una mezcla de azida de sodio, nitrato de potasio y dióxido de silicio (NaN3 + KNO3 + SiO2). Cuando los sensores detectan el choque inician una pequeña descarga eléctrica que produce la deflagración de la mezcla. La deflagración es la combustión súbita con llama lenta, que en este caso libera un volumen calculado del gas dinitrógeno y llena la bolsa.
El sodio metálico generado reacciona con el nitrato de potasio produciendo dinitrógeno adicional y dejando una mezcla de óxidos de potasio y de sodio, que a su vez reaccionan con el dióxido de silicio para formar silicatos alcalinos (“vidrio”) inocuos.
2 NaN3 → 2 Na + 3 N2
10 Na + 2 KNO3 → K2O + 5 Na2O + N2
K2O + Na2O + 2 SiO2 → Na2SiO3 + K2SiO3 (silicato alcalino “vidrio”)
¿Debemos preocuparnos por las bolsas de aire?
Afortunadamente la mayoría de las bolsas de aire no llegan nunca a usarse, sin embargo, son apiladas en basureros, y al no ser recicladas, dejan tras de sí cerca de 150 g de azida de sodio por cada carro. Con la ignición intencional las sustancias químicas se pueden transformar en silicatos ambientalmente seguros, pero si la reacción no es completa, o si la bolsa queda intacta, podríamos enfrentar un problema en las próximas décadas, con chatarrerías transformadas en vertederos supertóxicos.
La azida de sodio puede reaccionar con el agua para formar ácido hidrazoico, un compuesto altamente tóxico, volátil y explosivo, según la reacción:
NaN3 + H2O → HN3 + NaOH
Esta azida (LD50 = 0.2 mg/m3) es incluso más tóxica que el cianuro de potasio (LD50 = 5 mg/m3), si se comparan las dosis permitidas de exposición para el ser humano.
La comunidad científica no se queda de brazos cruzados y trabaja en la búsqueda de alternativas. Una de ellas, la reacción entre un complejo de nitrato de estroncio con carbohidrazina, y el bromato de potasio (KBrO3) como agente oxidante. Se demostró que el 99 % de los gases producidos eran dinitrógeno y dióxido de carbono. Los materiales de partida no se descompusieron hasta alcanzar una temperatura de 500 °C, lo cual lo convierte en un potencial generador de gas en las bolsas. Otras patentes sustituyen la azida por nitrato de guanidina, 5-aminotetrazol, bitetrazol dihidratado, nitroimidazol y nitrato básico de cobre.
Usando estas sustancias fue posible lograr un sistema de llenado de la bolsa con reactivos menos tóxicos y con una temperatura de reacción menor. Tecnologías más modernas han empleado gases presurizados como el dinitrógeno o el argón, que se liberan rápidamente al momento de la colisión.
Resulta paradójico que mientras una explosión química nos salva la vida, su principal componente puede terminar con ella si no se maneja adecuadamente. Una vez más la Química demuestra ser la solución a muchos de los problemas de la vida diaria.
Encuentro con la Química 