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Fernando Brierley – Felipe Salas
2013
Química – El Petróleo
El petróleo es una de las mezclas más útiles para el desarrollo y el progreso de la humanidad, logrando fenómenos mundiales como fue la revolución industrial, permitiendo el transporte de especies, creación de materiales de uso cotidiano, entre otras miles de aplicaciones que le damos a este “oro negro”. A través de este capítulo estudiaremos el petróleo, sus componentes, sus usos y aplicaciones, sus derivados, su extracción, refinación y especialmente la necesidad de buscar otras fuentes de energía LIMPIA.
© Fernando Brierley V. – Felipe Salas B.
2013
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QUÍMICA – EL PETRÓLEO
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El Petróleo
Muchas veces escuchamos que el precio del petróleo cambia. Vemos la consecuencia de ello directamente reflejada en el precio de las bencinas. Pero ¿Sabías que la mayoría de nuestra vida cotidiana depende del llamado oro negro? Este nos permite movilizarnos en vehículos, hacer pinturas y una gran gama de plásticos e incluso más de 200 productos de uso cotidiano. A continuación veremos un poco más de esta extraña pero útil mezcla.
I] Generalidades y descripción
El petróleo es un l íquido viscoso de color gris oscuro. Es una mezcla homogénea de hidrocarburos, los cuales son largas cadenas de carbono ramificado con otros elementos (Hidrógeno, a veces Oxígeno y Azufre).
El petróleo (junto con el carbón) es el
combustible fósil más común, sin embargo producto del uso indiscriminado cada día es más escaso.
A pesar de no saber a ciencia cierta
cómo se formó el petróleo, existen múltiples teorías respecto a su formación. A continuación detallamos la teoría más aceptada en el mundo científico.
En los océanos primigenios se comenzó a
acumular materia orgánica procedente de algas y animales muertos, depositándose en el fondo. Producto de las altas presiones ejercidas por nuevas capas de sedimentos y de rocas que se fueron alojando encima, este material se fue transformando poco a poco con el paso de millones de años en lo que hoy conocemos como petróleo.
Es por ello, que para encontrar grandes
pozos de petróleo es necesario excavar a grandes profundidades.
A pesar de que el petróleo se sintetiza en
forma natural, no es un recurso renovable del que podamos recurrir cuando lo necesitemos, puesto que su renovación es extremadamente lenta lo que hace que se esté acabando poco a poco.
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Dependiendo del lugar en el que se
extraiga, encontraremos petróleos con diferentes concentraciones de sus componentes. No existen dos pozos petrolíferos en los que la concentración de los hidrocarburos sea la misma. Sin embargo, existen márgenes que nos permiten definir distintos tipos de petróleo: Liviano, Mediano, Pesado, Extra Pesado (en base a su densidad).
Esta clasificación se produce
exclusivamente según el largo de las cadenas de carbono que predominan en los hidrocarburos que conforman el petróleo. Así, un crudo formado por cadenas muy largas será clasificado como extra pesado, mientras que un crudo formado por pequeñas cadenas será clasificado como liviano.
II] Propiedades f ísicas y químicas
El petróleo tiene múltiples propiedades que lo transforman en un compuesto muy útil e indispensable para la vida moderna. Sus propiedades f ísicas las podemos resumir de la siguiente manera:
-‐ A temperatura ambiente se encuentra en estado l íquido
-‐ Es de color gris oscuro -‐ Es insoluble en H2O
-‐ Posee una densidad variable (entre 0.75 𝑔𝑟/𝑐𝑚! y 0.95 𝑔𝑟/𝑐𝑚!) -‐ Es oleoso y viscoso -‐ Es fluorescente (brilla en la oscuridad)
En cuanto a sus propiedades químicas, tenemos las siguientes:
-‐ Combustible -‐ Inflamable -‐ Tiene un carácter básico (pH mayor que 7)
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III] Composición
La composición elemental del “oro negro” está comprendida dentro de los siguientes intervalos:
Sin embargo si miramos los compuestos que conforman el petróleo estamos frente a un escenario mucho más complejo. El petróleo, como expusimos antes, es una mezcla homogénea de hidrocarburos, es decir de compuestos que contienen principalmente carbono e hidrógeno (entre otros) los cuales se estudiarán con mayor detalle en el capítulo de “Química Orgánica”.
Dentro de los hidrocarburos principales que forman al petróleo tenemos:
- Cicloalcanos: Estos hidrocarburos son cadenas de átomos de carbono que se unen
cíclicamente formando anil los; se caracterizan por ser saturados, esto quiere decir que solo hay enlaces covalentes simples.
- Hidrocarburos aromáticos: Estos hidrocarburos son cadenas de átomos de carbono unidas de
manera cíclica pero a diferencia de los cicloalcanos son insaturados, es decir poseen enlaces covalentes dobles o triples, formando en su estructura resonancias. Un ejemplo son todas las moléculas que en su cadena posean Benceno.
- Alquenos: Estos hidrocarburos son moléculas de carbono e hidrogeno, pero
dispuestas de forma lineal y unidas por al menos un enlace covalente doble entre carbonos. Tienen terminación “eno”
- Alquinos: Estos hidrocarburos son moléculas de carbono l ineales o
ramificadas que contienen al menos un enlace covalente triple entre carbonos. Tienen terminación “ino”
Además de hidrocarburos el petróleo contiene otros compuestos orgánicos, destacando sulfuros orgánicos, nitrógeno y oxígeno.
Esta compleja mezcla tiene la particularidad que al ser formada por distintos tipos de hidrocarburos, adquiere distintos puntos de ebullición lo que permite el desarrollo de la técnica de refinamiento del petróleo llamada “destilación fraccionada”
Elemento % en peso Carbono 84 – 87 Hidrógeno 11 – 14 Azufre 0 – 2 Nitrógeno 0.2
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I II] Extracción y refinamiento
Cuando se localiza un yacimiento de petróleo se perfora la tierra con maquinaría altamente poderosa hasta alcanzar el yacimiento. Producto de la descomposición de materia orgánica lo primero que emana del pozo petrolífero es una mezcla de gases, y debido a las altas presiones inducidas por el peso de las rocas y sedimentos el petróleo crudo sale disparado hacia la superficie durante algún tiempo. Posteriormente se debe inducir la extracción del petróleo crudo mediante complejos mecanismos (inyección de gas y de agua).
Luego de la extracción, pasamos a la etapa de refinamiento. Para ello el petróleo crudo viaja por un “oleoducto” hasta torres en las cuales se lleva a cabo la técnica de destilación fraccionada.
La destilación fraccionada es un proceso físico que consiste en, literalmente, hervir un líquido o una solución, evaporándose según los distintos puntos de ebullición de los componentes que la conforman para luego separar dichos compuestos y poder obtenerlos de manera pura.
Así obtenemos de mayor a menor altura:
Fracción Composición Principal Rango de destilación Gas (gas l icuado) C1 – C4 Ebullición por debajo de los 20℃ Gasolinas C5 – C10 Ebullición entre 30 – 200℃ Kerosene C10-‐C16 Ebullición entre 200 – 275℃ Gas Oil (Diesel) C16-‐C18 Ebullición entre 275 – 400℃ Aceites lubricantes C19-‐C22 Ebullición sobre los 300℃ Parafinas C23-‐C29 Fusión entre 50 – 60℃ Asfalto Sólido Coque Sólido
IV] Octanaje y Cetanaje
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A lo largo de la historia, con el desarrollo de la ciencia ha sido necesario poder clasificar las bencinas según su eficiencia y capacidad de detonación. Es por eso que en 1927 se estableció un “estándar de desempeño” llamado octanaje.
El octanaje es una manera de medir la calidad de la gasolina según su capacidad “anti-‐detonante”, es decir que producen una combustión más controlada y suave generando un menor daño a los motores de combustión interna.
De esta manera las gasolinas con un índice de octano alto generan una combustión más suave y eficiente.
Para estandarizar este índice de octanaje se le asignó al isooctano (2,2,4 trimetil pentano) un índice de 100 y al heptano (n-‐heptano) el índice 0. Así, una gasolina de 93 octanos se comporta de la misma manera que una mezcla de 93% de isooctano y 7% de heptano.
Dato Puntaje: Existen combustibles que tienen un octanaje mayor que 100, es decir, son más antidetonantes que el isooctano.
A lo largo de la historia de la petroquímica, se descubrió que al añadir pequeñas cantidades de ciertas sustancias químicas su poder antidetonante se amplificaba, es el caso del tetra metil plomo, llegando hasta 10 octanos más que lo normal, el tolueno (hasta 120 octanos) y el benceno (106 octanos). Sin embargo, con el paso del tiempo nos dimos cuenta que al quemar estas “súper-‐mezclas” producían gases tóxicos altamente dañinos para la salud y el medio ambiente, es por esto que hoy en día ya no se comercializan las gasolinas “con plomo”.
El petróleo diesel, a diferencia de la gasolina, es una mezcla de n-‐hexadecano (lineal) y de iso-‐hexadecano (ramificado) de gran utilidad debido a su mayor abundancia y menor costo de refinamiento.
De la misma manera que existe el octanaje para medir la calidad de las gasolinas existe el cetanaje para medir la calidad del diesel. Pese a ello, existen grandes diferencias entre ambos. Los motores de combustión diesel , a diferencia de los de gasolina, extraen la energía del combustible mediante la inflamación, para ello se comprime aire obteniendo altas temperaturas (480 – 540℃) y se inyecta el combustible inflamándose espontáneamente. De esta manera los combustibles con alto poder detonante (bajo octanaje) tienen un mayor poder de ignición (o de inflamación) siendo más eficientes en este tipo de motores.
V] Usos del petróleo
El petróleo es una de las mezclas que mayor impacto ha tenido en el desarrollo de la humanidad, permitiendo grandes quiebres en la historia como fue la revolución industrial . Hoy en día no solo nos permite movilizarnos, sino que tiene una infinidad de
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usos como la producción de combustibles, calefacción e incluso la fabricación de polímeros de uso cotidiano.
Dentro de los diversos uso que le damos al petróleo, el principal sin lugar a dudas es su función como carburante, esto significa que es combustible para motores de combustión interna, ya sea como bencina, diesel e incluso como gas licuado. Estos motores tienen muchos usos como transporte, generación de electricidad, e incluso calefacción.
Gracias a su viscosidad, el petróleo puede ser utilizado para la fabricación de decenas de tipos de lubricantes, para automóviles, para maquinaria industrial, entre otros.
El petróleo también se utiliza como materia prima, para la fabricación de productos útiles para el ser humano. A partir del eteno (CH2= CH2) podemos obtener alcohol etílico, ácido acético (vinagre), polietileno (plástico), cloruro de polivinilo (PVC, usado para cañerías). Incluso los residuos de la destilación
fraccionada pueden ser aprovechados y transformados en otros productos, es el caso del alquitrán: a partir de él obtenemos benceno que mediante procesos químicos se logra transformar en tolueno, especie química usada en la producción de detergentes, aspirinas, perfumes y TNT (Tri Nito Tolueno).
VI] Distribución y Consumo
Muchas de las guerras entre naciones de las últimas décadas han sido producto del “oro negro”, no solo por su alto precio sino porque cada día es más escaso. La distribución del petróleo a nivel mundial la podemos observar de acuerdo a la siguiente tabla:
Zona Geográfica Porcentaje de Reserva Mundial Medio – Oriente 57 América del Norte 12 Europa Oriental 9 África 8 Asia y Oceanía 5 América Central , del Sur y México 5 Europa Occidental 4
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Sin embargo no existe una relación entre la distribución y producción de petróleo con el consumo. Para ello observemos con detención la siguiente tabla de consumo:
Zona Geográfica Porcentaje de Consumo Mundial Canadá y USA 32 Europa Occidental 21 Europa Oriental 18 Asia y Oceanía 17 América Central , del Sur y México 6 Medio – Oriente 3 África 3
A partir de esta tabla podemos notar como medio – oriente pese a tener el mayor porcentaje de la reserva mundial de petróleo tiene el menor porcentaje de consumo de todas las zonas geográficas.
VII] El petróleo en la actualidad
Hoy en día es una realidad que el petróleo se está acabando, se estima que dentro de 40 años este recurso llegará a niveles críticos y su precio será extremadamente elevado. Producto de esto la industria petroquímica ha desarrollado formas de optimizar el consumo del petróleo y ha inventado técnicas para transformar otros tipos de materia orgánica en gasolina. Sin embargo como sociedad estamos en la constante búsqueda de fuentes alternativas de energía.
Una de las técnicas para obtener gasolina a partir de otros compuestos es el cracking (ruptura), que consiste en romper largas cadenas de hidrocarburos en cadenas más pequeñas. Así, por ejemplo, a partir del kerosene podemos obtener gasolina.
Otra técnica ya usada con mayor frecuencia, es la producción de bio-‐combustibles a partir de biomasa, de esta manera podemos transformar cultivos de arroz, trigo, caña de azúcar y maíz a través de la fermentación para obtener alcoholes que mediante proceso químicos pueden ser transformados en combustibles. Sin embargo esto genera un gran impacto a la agricultura local y al medio ambiente ya que son miles de hectáreas las que son utilizadas para estos fines.
La forma más económica y menos contaminante de obtener energía es la combustión del hidrógeno gaseoso, ya que solo forma H2O y calor al ser combustionado y se obtiene a partir de la electrólisis del agua. Sin embargo, la combustión del hidrógeno libera altas cantidades de energía a través de una reacción muy potente e incontrolable, además del elevado costo energético que tiene la electrólisis del agua. Siendo una alternativa poco viable.
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Uno de los efectos negativos de la combustión de combustibles fósiles es la alta contaminación que producen, ya que la combustión incompleta de estos libera monóxido de carbono (CO), gas tóxico participante del efecto invernadero y de la formación de smog. Además producto de la combustión se libera monóxido de azufre (SO) que reacciona con los gases de la atmósfera provocando la l luvia ácida.
Más del 80% de los contaminantes que recibe la atmósfera provienen de este tipo de combustión, siendo el petróleo y sus derivados los principales responsables del deterioro de la atmósfera y en consecuencia del planeta.
La limitada cantidad de petróleo y la gran contaminación que genera, son las dos causas principales que mantienen al hombre hasta el día de hoy en la constante búsqueda de nuevas fuentes de energía limpia y renovable.