el carbono y su importancia en la naturaleza2

QUÍMICA
ORGÁNICA
QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?
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¿PARA QUÉ?...
QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?
“Hay que hacer las cosas tan sencillas como sea posible...
pero no más sencillas”.
Albert Einstein.
Hace unos años al interior del aula de clase del grado undécimo buscaba elementos para
hacerles entender a dieciséis estudiantes la importancia de la química orgánica.
Había sido complicado para mí entender dicha trascendencia en las aulas de la universidad,
pese a ser este el camino elegido para mi vida profesional. De las aulas en las que cumplía
mi papel de estudiante salía en las tardes a desempeñarme como maestra, oficio que para
aquella época me generaba un ingreso extra pero que esperaba desempeñar por poco
tiempo. Los adultos con los que trabajaba me generaban preguntas enormes sobre el
sistema educativo y sus nuevas modalidades, pero no me preocupé en exceso por darles
respuesta; sin embargo a mediados de 1997 un aviso en la entrada del edificio de química
de la Universidad Nacional de Colombia me condujo a la Unidad Pedagógica, me atrajo
que dentro de su proyecto pedagógico se podían implementar múltiples mecanismos para
acercar a los estudiantes al conocimiento de esta área. Por un lapso de cuatro años
desempeñándome como maestra de química no encontré mayor dificultad, la formación
académica soportaba las preguntas permanentes de los muchachos, pero la tranquilidad fue
efímera afortunadamente y en el año 2001 recibí en décimo grado un grupo de estudiantes
con los que tenía un conocimiento previo algo difícil por los choques frecuentes generados
en las direcciones de grupo de grado séptimo y grado noveno; su desinterés fue total y pese
a tratar de transmitirles mi gusto por la química inorgánica no encontré un camino que me
permitiera realizar el trabajo al que venía acostumbrada y opté por discutir con algunos de
ellos aspectos más cercanos a la biología. Las vacaciones de fin de año y la preparación
para el 2002 fueron tensas debido a la situación que se avecinaba: un año más con estos
muchachos y ahora con química orgánica, no sabía que hacer. Las inclinaciones
profesionales de la mayoría del grupo no requerían al menos formalmente el manejo de
principios químicos.
En la primera clase del 2002 y en vista de la molestia mutua, les propuse palabras más
palabras menos “demostrar que la química orgánica no servía para nada, dedicaríamos un
tiempo que por obvias razones deseábamos tácitamente no fuera demasiado largo para la
demostración y posteriormente podríamos dedicarnos a nuestros intereses en los espacios
que dentro del horario correspondían a la clase de química.
Yo empezaría realizando una revisión para suministrarles un resumen breve sobre el
carbono, posteriormente haría otro sobre los combustibles fósiles, pero éste resultó muy
extenso y solo les entregue alguna información sobre el carbón y el gas natural; ellos
realizaron el del petróleo, al que tiempo después le anexé dos gráficos para hacerlo más
llamativo. El petróleo nos llevó a la Bolsa de Valores, a hablar de economía y de la
incidencia en la vida de los pueblos, de ahí en adelante el trabajo se hizo cada vez de
manera más seria. Yo di la línea, para que la discusión y la consulta no se vieran truncadas
por el desconocimiento de elementos previos y ellos aportaron comprometidamente.
Prácticamente todo lo que hoy se presenta deriva de la consulta en páginas virtuales,
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algunas de las cuales por descuido en el momento de cerrar nuestros artículos no se
mencionan. Todos los temas han sido revisados nuevamente y hoy se presentan tres de
ellos, en una primera entrega de una publicación periódica que tiene como único objetivo
mostrar la intencionalidad de la química, no de las fórmulas y reacciones difíciles de
entender para la mayoría de humanos, sino aquella que interactúa cotidianamente con
nosotros y nos muestra el mundo tal y como es. Esta publicación no es para químicos, es
para estudiantes de Educación Básica Secundaria y Media Vocacional y para todas aquellas
personas que cuando oyen la palabra “química” sienten escalofríos.
El trabajo ha continuado con cada uno de los grupos y aún quedan muchos artículos por
publicar y muc has personas a quienes invitar a que escriban sobre el entorno. Espero que
estas publicaciones den respuesta al interrogante que me plantee por años: Química
Orgánica ¿para qué?.
Con una dedicación muy especial a los bachilleres de la promoción 2002 de la Unidad
Pedagógica y a todos los que hoy contribuyen para hacer realidad este proyecto.
Adriana Sarmiento
Maestra de Química
Colegio Unidad Pedagógica
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QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?
EL CARBONO Y SU IMPORTANCIA EN LA NATURALEZA
Por: Adriana Sarmiento
Símbolo químico: C
Etimología: del latín carbo (carbón)
Masa atómica: 12,01115
Descubrimiento: conocido desde la antigüedad
Número atómico: 6
Grupo: IV A de la tabla periódica
El carbono es un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza, aunque solo constituye
un 0.025% de la corteza terrestre, donde existe principalmente en forma de carbonatos. El
dióxido de carbono es un componente importante de la atmósfera y la principal fuente de
carbono que se incorpora a la materia viva. Por medio de la fotosíntesis, los vegetales
convierten el dióxido de carbono en compuestos orgánicos de carbono, que posteriormente
son consumidos por otros organismos. (Ver el ciclo biogeoquímico del carbono).
PROPIEDADES
Las tres formas de carbono elemental existentes en la naturaleza (diamante, grafito y
carbono amorfo), son sólidos con puntos de fusión extremadamente altos e insolubles en
todos los disolventes a temperaturas ordinarias. Las propiedades físicas de las tres formas
difieren considerablemente a causa de su estructura cristalina
DIAMANTE
GRAFITO
CARBONO AMORFO
Material más duro que se conoce, en él cada
átomo esta unido a otros cuatro en estructura
tridimensional. Desde 1960 se fabrican
diamantes sintéticos, pero solo hasta 1995 se
produjeron los primeros, sometiendo el
grafito a una presión de cerca de 100000
atmósferas y a temperaturas superiores a los
3000 ºC.
Consiste en láminas débilmente unidas de
átomos dispuestos en hexágonos; la mina de
los lápices esta constituida normalmente por
una mezcla de grafito y arcilla, ya que el
grafito puro es demasiado blando.
Se caracteriza por un grado de cristalización
muy bajo. Puede obtenerse en estado puro
calentando azúcar purificada a 900 ºC en
ausencia de aire.
El carbono amorfo se encuentra en distintos
grados de pureza en el carbón de leña, el
coque, el negro de carbono y el negro de
humo.
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En 1985, los científicos volatilizaron el grafito para producir una forma estable de
molécula de carbono, consistente en 60 átomos de carbono dispuestos en una forma
esférica desigual parecida a un balón de fútbol. La molécula recibió el nombre de
buckminsterfulereno en honor a R. Buckminster Fuller, el inventor de la cúpula geodésica.
La molécula podría ser común en el polv o interestelar.
A temperaturas normales, el carbono se caracteriza por su baja reactividad. A altas
temperaturas reacciona directamente con la mayoría de los metales formando carburos y
con el oxígeno formando monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO 2 ). La baja
temperatura del hombre, de solo 37 ºC, no es suficiente para producir la ruptura de los
HIDROCARBUROS (compuestos básicos formados exclusivamente por carbono e
hidrógeno), por lo que necesitamos compuestos que ya contengan átomos de oxígeno, es
decir compuestos parcialmente oxidados. Cuando un compuesto contiene oxígeno además
de carbono e hidrógeno se forma el grupo OH característico del agua, recibiendo el nombre
de HIDRATO. A partir de los hidrocarburos se originan los CARBOHIDRATOS, como el
azúcar, el almidón y la celulosa.
Por otra parte los átomos de carbono se enlazan formando el anillo de benceno, la sustancia
madre de los compuestos cíclicos, desde la aspirina a la penicilina. Las diferentes
reacciones químicas del anillo bencénico nos llevan a obtener fenoles, ácidos carboxílicos y
otro gran número de compuestos. Cuando se presenta más de un anillo llegamos a las
estructuras de la naftalina, la morfina y el índigo entre otros.
NAFTALENO
La adición de amoniaco a los ácidos carbonatados los convierte en aminoácidos, que son
los eslabones de las proteínas. Las grandes moléculas (vitaminas, hormonas y fermentos)
cada una con su función determinada y determinante participan en la regulación de la vida.
EL CARBONO 14
Es un isótopo del carbono 12. Se encuentra en todo ser vivo por efecto de los rayos
cósmicos. Al morir un ser vivo, el carbono 14 se desintegra de forma gradual y muy lenta.
Hallado un resto orgánico (hueso, madera, carbón vegetal, etc) bastará analizar el punto de
desintegración del carbono para calcular su edad.
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El carbono 14 ha permitido fijar las cronologías de manera científica y no hipotética como
se hacía hasta su descubrimiento, comprobando que los cálculos estimativos que existían
estaban muy exagerados.
Algunos datos obtenidos a partir del C 14 son:
Evento medido
Primeras criaturas unicelulares
Primeras especies acuáticas parecidas a los peces
Grandes reptiles y los primeros mamíferos
Primeras criaturas parecidas a los monos
Pithecanthropus
El Hombre de Neanderthal
El Homo Sapiens
El hombre de CroMagnón
Edad de bronce
Tiempo estimado C 14
+1000 millones de años a.c
+450 millones de años a.c
+200 millones de años a.c
50 millones de años a.c
850.000 años a.c
500.000 años a.c
20.000 años a.c
10.000 a 15.000 años a.c
2.000 a.c
EL CARBONO EN EL MAR
Las formas principales en que aparece el carbono en el mar son: anhídrido carbónico,
carbonatos y bicarbonatos. La importancia de estos compuestos de carbono es muy grande
en la vida marina. El CO2 porque es un elemento fundamental en los procesos de
fotosíntesis, y los carbonatos y bicarbonatos para la formación de las estructuras
esqueléticas de muchos animales marinos que son de naturaleza calcárea.
Los animales y los vegetales marinos muertos se acumulan en el fondo del mar, siendo
transformados por determinadas bacterias descomponedoras del carbono, poniéndose este
en reciclaje; a su vez, y ya en el medio terrestre, los materiales que tienen carbono, por
medio de la combustión, lo transforman en CO 2 a nivel atmosférico.
ATMOSFERA
HIDROSFERA
CO2
Energía
Solar
LUZ
Vegetales marinos
Fitoplancton
Carbono Orgánico
Restos de organismos
muertos
Petróleo
Restos de animales marinos de
cadenas tróficas
Carbono Orgánico
combustión
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EL CICLO BIOGEOQUIMICO DEL CARBONO
Desde la perspectiva biológica, los procesos importantes en este ciclo son la fotosíntesis y
la respiración. La respiración toma los carbohidratos y el oxígeno, combinándolos para
producir CO2, agua y energía. La fotosíntesis toma el CO 2 y agua para producir
carbohidratos y oxígeno. Estas reacciones son complementarias tanto en sus productos
como en lo referente a la cantidad de energía utilizada. La fotosíntesis toma la energía del
sol y la acumula en las cadenas carbonadas de los carbohidratos, la respiración libera esta
energía rompiendo dichas cadenas.
Plantas y animales respiran, pero sólo las plantas (y otros productores como las
cianobacterias) pueden realizar fotosíntesis. La reserva principal del CO2 está en los
océanos y en las rocas. El CO 2 se disuelve rápidamente en el agua. Una vez en el agua,
precipita como roca sólida conocida como carbonato de calcio (calcita). El CO2 convertido
en carbohidratos en las plantas tiene tres rutas posibles: puede liberarse a la atmósfera con
la respiración, puede ser consumido por animales o es parte de la planta hasta que ésta
muere.
Los animales obtienen todo el carbono de su alimento, así que todo el carbono en el sistema
biológico proviene al final de los organismos autótrofos. En los animales, el carbono tiene
las tres mismas rutas. Cuando las plantas y los animales mueren pueden ocurrir dos hechos:
la energía contenida en las moléculas es utilizada por los descomponedores (bacterias y
hongos del suelo) y el carbono es liberado a la atmósfera en forma de CO 2 o puede
permanecer intacto y finalmente transformarse en combustibles minerales. Los
combustibles fósiles al ser utilizados liberan a la atmósfera CO2.
El ser humano ha alterado enormemente este ciclo del carbono, ya que al quemar los
combustibles fósiles se han liberado a la atmósfera excesivas cantidades de dióxido de
carbono. Esta condición es la principal responsable del calentamiento global, ya que el CO 2
presente en grandes cantidades en la atmósfera impide que el calor del sol escape de la
tierra al espacio.
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CICLO DEL CARBONO
ATMÓSFERA
CO2
RESPIRACIÓN
FOTOSÍNTESIS
COMBUSTION
NNNNNN
VOLCANES
ANIMALES
PLANTAS
MUERTE
DESCOMPOSICIÓN
AGUA
COMBUSTIBLES
FÓSILES
CALIZA
TIERRA
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LECTURA COMPLEMENTARIA
EL EFECTO INVERNADERO
Cambios Globales
Según las recientes investigaciones científicas, la temperatura global adquirió una tendencia
al aumento en el último siglo. Las observaciones sugieren que la temperatura media de la
superficie terrestre aumentó de 0,45 a 0,6 °C. Estas observaciones se realizaron en
diferentes partes del planeta después de 1970, al s mediciones a través de satélites se
hicieron en las altas capas de la atmósfera. Ver Figura.
La precipitación aumentó en torno del 1% sobre los continentes en el último siglo,
principalmente en las áreas de alta latitud, mientras que en las áreas tropicales se produjo,
de un modo general, una disminución de la precipitación.
Otro impacto ya constatado es el aumento del nivel de los océanos. Recientes mediciones
efectuadas a lo largo de varias partes del planeta concluyeron que el nivel medio de los
océanos subió alrededor de 15 a 20 cm. En el último siglo, siendo parte de este aumento
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atribuido al deshielo de los casquetes polares, glaciares y otra parte de la propia expansión
de los océanos derivado del calentamiento de sus aguas.
Principales Gases y Fuentes Responsables
La atmósfera terrestre está compuesta básicamente por dos sustancias químicas, el oxígeno
(O 2 ) y el nitrógeno (N 2), que sumados alcanzan cerca del 99% de su volumen total. En
segundo plano con cerca del 0,9% está el argón (Ar).
Los restantes 0,1% están distribuidos entre los demás gases, inclusive los causantes del
efecto invernadero. Esos gases, que se producen en la atmósfera como trazas, tienen un alto
potencial de interacción con otros elementos químicos y con la radiación infrarroja.
Los gases de efecto invernadero se podrían clasificar, en una primera aproximación como:
de origen natural y de origen antropogénico.
Durante el pasado geológico de nuestro planeta, diversas fuentes naturales de gases de
efecto invernadero proporcionaron la manutención de las condiciones de temperatura en la
superficie terrestre. Entre ellos se encuentra el vapor de agua – el más importante de los
gases naturales de efecto invernadero – y el dióxido de carbono (CO2 ), naturalmente
adicionado a la atmósfera principalmente a través de las explosiones volcánicas y por
procesos de respiración celular de los organismos vivos.
Los principales gases causantes del fenómeno son:
1. Dióxido de carbono (CO2),
2. Metano (CH4 ),
3. Clorofluorocarbonos (CFCs),
4. Öxidos de N itrógeno,
5. Ozono Troposférico (O 3 ),
6. Vapor de agua (H 2 O)g
El gas que tiene mayor incidencia individual en el calentamiento global es el vapor de agua
troposférico, pero su concentración atmosférica depende menos de actividades
antropogénicas, siendo de las fuentes naturales (evapotranspiración, volcanes, etc) su
contribución más significativa.
Entre las emisiones de gases provenientes de las actividades antropógenas, el más
importante es el CO 2 , seguido por los CFCs en segundo lugar, el metano en tercero, el
ozono en cuarto y por último los óxidos de nitrógeno.
REFERENCIAS
1.
2.
3.
4.
5.
www.prodigyweb.net.mx/degcorp/quimica/carbono.htm
www.ciencinet.com/c.html
www.arconet.es/users/rogelio/textos/carbono.htm
www.galeon.com/periscopio/7hh.htm
www.mct.gov.br/clima/espan.htm
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QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?
LOS COMBUSTIBLES FOSILES Y LA ENERGIA
PARTE 1. CARBON Y GAS NATURAL
Por: Adriana Sarmiento
Cuando nos referimos a los combustibles fósiles considerándolos como la existencia de
carbón, gas natural y petróleo, dejamos abierta una amplia discusión sobre los procesos de
combustión química que generan el 90% de la energía que consumimos. Es necesario
empezar por decir que estas sustancias tiene su origen en transformaciones de sedimentos
orgánicos hace millones de años.
Los tres tipos de combustibles fósiles existentes corresponden a los tres estados de la
materia; sólidos, líquidos y gases.
EL CARBÓ N
Es el combustible fósil de generación más antigua y es de origen vegetal. En el período
carbonífero que comenzó hace 362,5 millones de años, grandes extensiones del planeta
estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Muchas de
estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos de gran tamaño. Al morir las plantas
quedaban sumergid as en agua y se descomponían, a medida que se producía la
descomposición, la materia vegetal perdía átomos de hidrógeno y de oxígeno, por lo que
quedaba un depósito con elevado contenido de carbono (turberas). Con el paso del tiempo,
la arena y el lodo del agua se fueron acumulando sobre algunas turberas, la presión de las
capas superiores así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor
volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar carbón.
El carbón fue el gra n protagonista de la primera Revolución Industrial, por su uso como
combustible en las calderas de las máquinas de vapor, y su utilización siderúrgica en la
fabricación del acero.
Las reservas minerales de carbón son muy abundantes, cerca de mil millones de toneladas,
esto representa 220 años al ritmo de explotación actual. El carbón se encuentra en casi
todas las regiones del mundo, pero en la actualidad los únicos depósitos de importancia
comercial están en Europa, Asia, Australia, Sudáfrica y América de l Norte. En 1996, la
producción mundial de carbón fue de 4.666,7 millones de toneladas, siendo los principales
productores China, Estados Unidos, India, Rusia y Australia.
Según el grado de cristalización que tenga, se distinguen tres tipos de carbón:
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TIPO DE CARBÓN
Lignito
Antracita
Hulla
CARACTERÍSTICAS
Variedad de carbón que desde el punto de
vista geológico es de origen reciente. Es de
color negro pardo y estructura fibrosa o
leñosa, se considera el carbón de peor
calidad. Es muy frecuente en los países de
Europa del este y España.
Es el carbón con mayor contenido de
carbono con aproximadamente un 87,15%.
Tiene un color negro brillante y una
estructura cristalina. Se emplea como
combustible y como fuente de carbono
industrial, cuando se quema produce una
gran cantidad de energía y desprende poco
humo y hollín. Los principales productores
mundiales de antracita son: China, la antigua
Unión Soviética, Corea del Norte y Corea
del sur.
Tiene una riqueza entre el 75 y 90 % de
carbono, es negra, mate y arde con
dificultad, ha sido empleada en siderúrgica y
en las máquinas de vapor. Sus principales
yacimientos están en Rusia, Estados Unidos
Polonia y Alemania.
El carbón en el mundo tiene diversos usos, marcándose su utilidad en la industria
generadora de electricidad, fabricación de acero y cemento, además de algunos usos
domésticos como la calefacción. En la actualidad se emplean cerca de 630 Kg de carbón
para producir 1000 Kg de acero. Algunos de estos procedimientos industriales liberan del
carbón el azufre y el nitrógeno presentes en pequeñas cantidades, que durante la
combustión forman óxidos presentes en la lluvia ácida.
GAS NATURAL
Mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. Se utiliza como
combustible para usos domésticos e industriales y como materia prima en la fabricación de
plásticos, tintes y fármacos.
La proporción en la que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del
volumen total de la mezcla. El resto de los componentes son etano, propano, butano,
nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Antes de emplear el gas
natural como combustible se extraen los componentes más pesados como el propano y el
butano.
Aunque existen yacimientos que proporcionan exclusivamente gas natural, éste va casi
siempre asociado al petróleo en sus yacimientos, y sale junto a él cuando se perfora un
pozo.
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Los yacimientos de hidrocarburos pueden clasificarse según el tipo de ellos en:
1. Yacimiento de petróleo: aquel en donde solo hay petróleo, ya que el gas natural se
encuentra totalmente disuelto en él, de manera semejante a como se encuentra el gas
disuelto en una bebida gaseosa.
2. Yacimiento de gas/petróleo: aquel donde el componente principal es el petróleo. El gas
natural se encuentra tanto disuelto, como formando una capa sobre éste.
3. Yacimiento de condensado: aquel donde el petróleo se encuentra en forma de vapor
mezclado con el gas natural.
4. Yacimiento de gas: aquel en donde el único producto es el gas natural, también llamado
gas libre.
El gas natural que proviene de los tres primeros tipos de yacimientos se denomina GAS
ASOCIADO, mientras que el del último yacimiento se denomina GAS NO ASOCIADO.
Principales gasoductos en Colombia: Mariquita – Cali (TransGas Occidente); Ballena –
Barrancabermeja; Barrancabermeja – Neiva – Bogotá (Centro Oriente).
La combustión limpia y eficiente del gas natural, le permite mantener el equilibrio con el
medio ambiente constituyéndose como el energético de mayor aceptación en el mundo.
Una de las principales características del gas natural es la economía, ya que al no requerir
de procesos industriales en su elaboración, su costo es más bajo que el de otros
combustibles. Otro elemento que incide en su bajo costo es el hecho de ser un recurso
abundante, distribuido a lo largo de los cinco continentes, lo que permite una transacción
libre en los mercados.
La ventaja competitiva del precio ha llevado a las industrias a incorporar el gas natural, con
el fin de hacer más rentables sus procesos de fabricació n. De igual manera las generadoras
de electricidad son parte importante de los consumidores de gas natural con sus plantas de
generación directa y de ciclo combinado.
El gas natural también tiene una gran aceptación en los hogares, ya que adicionalmente al
ahorro que obtienen por el consumo de éste, son importantes la seguridad y el suministro
continuo del mismo.
Procesamiento del gas natural: a pesar de estar el gas natural íntimamente asociado con el
petróleo, se desconocían las cualidades y virtudes de este producto, por lo que durante
mucho tiempo fue quemado en grandes mecheros y en ocasiones arrojado a la atmósfera.
Para obtener los productos provenientes del gas natural, éste inicialmente pasa a las plantas
de acondicionamiento y tratamiento, donde se eliminan los componentes no deseados o
impurezas. Posteriormente el gas pasa a las plantas de procesamiento donde por extracción
se separa, por una parte el gas metano, el cual se destina a diferentes usos y por la otra los
líquidos del gas natural (LGN). Estos líquidos al pasar por las plantas de fraccionamiento se
separan en los diferentes productos que serán utilizados como materia prima, combustible y
para la exportación.
El proceso se muestra en la gráfica.
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YACIMIENTO
INYECCIÓN DE GAS
TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN
POZO
PETROLERA
DOMÉSTICO
COMBUSTIBLE
AUTOMOTOR – GAS
NATURAL PARA
VEHÍ CULOS
GAS METANO
PETROQUÍMICA
ELÉCTRICA
SIDERÚRGICA
COMERCIAL
ALUMINIO
INDUSTRIA
MANUFACTURERA
GAS
NATURAL
ACONDICIONAMIENTO Y
TRATAMIENTO
INDUSTRIA
PETROQUIMICA
EXTRACCIÓN
(Proceso Criogénico)
MATERIA PRIMA
CEMENTO
REFINERÍA
INDUSTRIA DEL
ALUMINIO
MATERIA PRIMA INDUSTRIA PETROQU
ETANO
SULFURO DE HIDRÓGENO (H2S)
DIÓXIDO DE CARBONO (CO2 )
ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOX)
AGUA (H 2O)
VENTAS AL EXTERIOR /EXCEDENTE)
LÍQUIDO DE GAS
NATURAL (LGN)
PROPANO
MATERIA PRIMA INDUSTRIA
PETROQUÍ MICA
VENTAS AL EXTERIOR
(EXCEDENTE)
DOMÉSTICO (GAS DE
BOMBONAS)
FRACCIONAMIENTO
COMBUSTIBLE (GAS LICUADO
DE PETRÓLEO)
MATERIA PRIMA INDUSTRIA
PETROQUÍMICA
BUTANOS
COMERCIAL E
INDUSTRIAL (BOMBONAS
Y CISTERNAS)
VENTAS AL EXTERIOR
(EXCEDENTE)
VENTAS AL EXTERIOR
(EXCEDENTE)
PENTANOS
GASOLINA NATURAL
HEXANOS
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LECTURA COMPLEMENTARIA
Tomada de http://wrm.org.uy/plantaciones/material/carbono.html
Clima y dióxido de carbono
Los cambios en el clima de la Tierra, por mínimos que sean, han sido siempre muy
significativos para las sociedades humanas. Cuando en el 535 DC una erupción volcánica
provocó que el clima se hiciera ligeramente más fresco y seco, se sucedieron migraciones,
hambre, plagas y cambios en la agricultura, posiblemente incluso el colapso de una
civilización nativa del continente americano. Quinientos años después, al haberse vuelto el
clima más templado, los vikingos pudieron establecer colonias en Groenlandia. Y cuando el
clima se volvió de nuevo más frío, feroces tormentas barrieron con cantidad de poblados y
aldeas en las proximidades del Mar del Norte.
En perspectiva, las actuales modificaciones en el clima mundial son mucho más
devastadoras que ninguna otra que haya sucedido en la historia de la humanidad. Su
principal causa es el aume nto de la cantidad de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera.
La habitabilidad del Planeta depende de que los niveles de dióxido de carbono no
disminuyan ni aumenten en demasía. Sin la presencia de CO 2 y otros gases, que permiten
que el calor quede atrapado cerca de la superficie de la Tierra, su temperatura media bajaría
a -6°C. Con demasiado CO2 el agua de los océanos entraría en ebullición. A los actuales
niveles, la superficie terrestre permanece a una temperatura media adecuada de 15°C.
La manutenc ión del nivel de dióxido de carbono dentro de límites razonables implica un
intrincado juego de controles y balances en la atmósfera, los océanos, los seres vivos y la
corteza y manto terrestres. Los volcanes emiten CO 2 a la atmósfera, mientras que la
meteorización de las rocas silicatadas –en la que intervienen la acción del agua y la
actividad de las plantas- lo retira. Los organismos vivos extraen CO 2 de la atmósfera y
guardan el carbono en sus cuerpos o caparazones. Parte del mismo es rápidamente devuelto
a la atmósfera como resultado de la descomposición y el fuego. Los carbonatos se van
acumulando en los fondos marinos como resultado de la meteorización, la escorrentía y
otros procesos, son eventualmente empujados bajo las placas continentales en los bordes
oceánicos, y encuentran su camino de regreso a la atmósfera millones de años después a
través de la actividad volcánica. Otra cantidad de carbono se encuentra enterrado en las
profundidades terrestres bajo la forma de carbón y petróleo. En conjunto, la masa de
carbono acumulada en las rocas como resultado de la actividad de los organismos vivos es
100.000 veces mayor a aquella presente en la atmósfera. Por otro lado, la masa de carbono
localizada en los propios organismos vivos es tan sólo cuatro veces mayor a la que se
encuentra en la atmósfera.
No obstante, durante los últimos 150 años, y especialmente a partir de la Segunda Guerra
Mundial, la actividad industrial ha provocado que grandes cantidades de aquel carbono, que
hasta entonces se encontraba seguramente almacenado, fuera liberado a la atmósfera. Antes
de los comienzos de la Revolución industrial había alrededor de 580.000 millones de
toneladas de carbono en la atmósfera. Hoy en día esa cifra ha trepado a más de 750.000
millones –la más alta en los últimos 200.000 años- al tiempo que año tras año aumenta en
QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?
6.000 millones. Un 90% de este incremento en las emisiones de CO2 y otros gases
causantes del calentamiento global ha provenido de los países del Norte.
REFERENCIAS
1.
2.
3.
4.
5.
www.expoindustria.net/historia/combustibles_fosiles.htm
www.carbonescbg.com
www.cenamec.org.ve/olimpiadas/petrol.htm
http://wrm.org.uy/plantaciones/material/carbono.html
www.mct.gov.br/clima/espan.htm
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LOS COMBUSTIBLES FOSILES Y LA ENERGIA
PARTE 2. EL PETRÓLEO
Por Estudiantes de Undécimo grado
El petróleo es una mezcla en la que coexisten en fases sólida, líquida y gaseosa,
compuestos denominados hidrocarburos, constituidos por átomos de carbono e hidrogeno y
pequeñas proporciones de heterocompuestos con presencia de nitrógeno, azufre, oxígeno y
algunos metales, ocurriendo en forma natural en depósitos de roca sedimentaria. Su color
varía entre ámbar y negro. La palabra petróleo significa aceite de piedra.
La vida sin el petróleo no podría ser como la conocemos. Del crudo obtenemos gasolina y
diesel para nuestros autos y autobuses, combustible para barcos y aviones. Lo usamos para
generar electricidad, obtener energía calorífica para fábricas, hospitales, oficinas y diversos
lubricantes para maquinaria y vehículos.
La industria petroquímica usa productos derivados de él, para hacer plásticos, fibras
sintéticas, detergentes, medicinas, conservantes de alimentos, hules y agroquímicos.
El petróleo ha transformado la vida de las personas y la economía de las naciones. Su
descubrimiento creó riqueza, modernidad, pueblos industriales prósperos y nuevos
empleos, motivando el crecimiento de las industrias mencionadas.
Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas
productivas, estas sustancias denominadas petroquímicas se utilizan en las industrias de
fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. Las
principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno,
propileno y butenos) y la de los aromáticos.
A partir del gas natural se produce el gas de síntesis que permite la producción a gran
escala de hidrógeno, haciendo posible la producción posterior de amoníaco por su reacció n
con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre
otros compuestos.
Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de
polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno, monómeros de
estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubrimientos, moldes, etc.
Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropílico, polipropileno y
acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras
sintéticas.
Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabricación de
etileno se obtiene el 1,3-butadieno que es una materia prima fundamental en la industria de
los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etc.
Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromáticos (benceno,
tolueno y xilenos). El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del
nylon; así como del cumeno para la producción industrial de acetona y fenol. Los xilenos
son el inicio de diversas cadenas petroquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas.
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Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que
integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su
comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.
Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno, constituyen las parafinas; cuando
las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre
los átomos de carbono se forman las olefinas ; las moléculas en las que se forman ciclos de
carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo
bencénico) se tiene la familia de los aromáticos.
Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias
bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso
molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente complejas y
difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que
forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están
presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento
envolvente de las moléculas grandes por otras cada vez menores para constituir un todo
semicontinuo.
Son miles los compuestos químicos que constituyen el petróleo, y, entre muchas otras
propiedades, estos compuestos se diferencian por su volatilidad (dependiendo de la
temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo, se evaporan preferentemente los
compuestos ligeros (de estructura química sencilla y bajo peso molecular), de tal manera
que conforme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al
vapor.
Las curvas de destilación TBP (del inglés “true boiling point”, temperatura de ebullición
real) distinguen a los diferentes tipos de petróleo y definen los rendimientos que se pueden
obtener de los productos por separación directa. Por ejemplo, mientras que en el crudo
Istmo se obtiene un rendimiento directo de 26% volumétrico de gasolina, en el Maya sólo
se obtiene 15.7%.
La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo a su
densidad API (parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia
las calidades del crudo).
Aceite
Crudo
Densidad
(g/cm3 )
Densidad
grados API
Extrapesado
Pesado
Mediano
Ligero
Superligero
>1.0
0.92
0.92 – 0.87
0.87 – 0.83
< 0.83
10.0
10.0 – 22.3
22.3 – 31.1
31.1 - 39
39
Para exportación, en México se preparan tres variedades de petróleo crudo:
Istmo. Ligero con densidad de 33.6 grados API y 1.3% de azufre en peso.
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Maya. Pesado con densidad de 22 grados API y 3.3% de azufre en peso.
Olmeca. Superligero con densidad de 39.3 grados API y 0.8% de azufre en peso.
Las teorías originales, en las que se atribuyó al petróleo un origen inorgánico (Berthelott y
Mendeleyev) han quedado descartadas:
Uno de los supuestos acerca del origen del Petróleo lo constituye la Teoría de
Engler(1911):
1ª etapa
Depósitos de organismos de origen vegetal y animal se acumulan en el fondo de mares
internos (lagunas marinas).
Las bacterias actúan, descomponiendo los constituyentes carbohidratos en gases y materias
solubles en agua, y de esta manera son desalojados del depósito.
Permanecen los constituyentes de tipo ceras, grasas y otras materias estables, solubles en
aceite.
2a etapa
A condiciones de alta presión y temperatura, se desprende CO 2 de los compuestos con
grupos carboxílicos, y H2 O de los ácidos hidroxílicos y de los alcoholes, dejando un
residuo bituminoso.
La continua exposición al calor y presión elevada provoca un craqueo ligero con formación
de olefinas (protopetróleo).
3a etapa
Los compuestos no saturados, en presencia de catalizadores naturales, se polimerizan y
ciclizan para dar origen a hidrocarburos de tipo nafténico y parafínico. Los aromáticos se
forman, presumiblemente, por reacciones de condensación acompañando al craqueo y
ciclización, o durante la descomposición de las proteínas.
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Procesamiento del petróleo
(cracking o destilación fraccionada)
Campos de petróleo en Colombia: Cusiana, Cupiagua, Caño Limón, Chuchupa-ballena
Principales puertos: Mar Caribe: Coveñas, Barranquilla, Cartagena y Santa Marta
Mar Pacífico: Buenaventura y Tumaco
Refinerías: Barrancabermeja y Cartagena.
Métodos de Extracción
El petróleo se halla a grandes profundidades, de acuerdo con la profundidad proyectada del
pozo, las formaciones y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de
perforación mas indicado.
La perforación se logra por medio de dos procedimientos: la percusión y la rotación.
Percusión: Se emplea un trepano de acero duro, suspendido por medio de un cable, que
penetra en el suelo por golpes verticales.
Rotación: En este caso el trepano perfora el suelo animado por un movimiento de rotación.
Este movimiento se lo imprime una mesa rotatoria.
Refinación del Petróleo:
El petróleo crudo, tal como se extrae del subsuelo, tiene poco uso. La refinación comprende
una serie de procesos de separación, transformación y purificación, mediante los cuales el
petróleo crudo es convertido en productos útiles con innumerables usos, que van hasta la
fabricación de productos intermedios para la obtención de otros productos industriales.
Los procesos de refinación del petróleo pueden clasificarse en dos grandes grupos:
separación y conversión. El primero, consiste en separar el crudo en diferentes fracciones
de petróleo, de acuerdo con su temperatura de ebullición, para ello se emplean procesos
físicos como la destilación bien sea atmosférica o al vacío. En la conversión se transforman
unos componentes del petróleo en otros mediante reacciones químicas, por acción del calor
o el uso de los catalizadores adecuados. Son procesos de conversión entre otros, la
reformación y la desintegración o craque o; ambos procesos cambian la estructura molecular
de los hidrocarburos, originalmente presentes en el petróleo.
Los procesos de purificación son aquellos que se utilizan para eliminar las impurezas
contenidas en las fracciones provenientes de la destilació n, a fin de cumplir con las
especificaciones que exige su uso. Los procesos de purificación son numerosos y pueden
ser físicos y/o químicos.
La mayoría de los productos obtenidos de las diferentes destilaciones se pueden continuar
procesando o tratando pa ra mejorar la calidad y clase de productos que se desean. En el
esquema se muestra la secuencia de la refinación.
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Destilación
La herramienta básica del refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a
vaporizarse a una temperatura menor que la necesaria para hervir el agua. Los
hidrocarburos con menos masa molecular son los que se evaporan a temperaturas más
bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más
grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina seguido
por la nafta y el kerosene.
Cracking Catalítico y Alquilación
En la alquilación, las moléculas producidas por craqueo térmico se recombinan en
presencia de un catalizador, esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de
la gasolina con mejores propiedades como combustibles de motores de alta potencia.
En el proceso de cracking catalítico el crudo se fracciona en presencia del catalizador
finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hid rocarburos diferentes. La
fabricación de estos productos está a cargo de la industria petroquímica que produce
alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre (entre otros).
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CRACKING
PETRÓLEO
R-CH=CH2
ALQUENOS
HIDRATACIÓN
R-CH-CH3
(+H 2O)
OH
CRACKING
CH2 =CH2
ETENO
POLIMERIZACIÓN
DE ZIEGLER-NAFTA
CON AGUA
CH3 –(CH2 -CH2 )n-CH2 OH
ALCOHOLES DE CADENA RECTA
LARGA Y DE NUMERACIÓN PAR
REDUCCIÓN
HIDRATACIÓN
(+H2O)
CH3 -CH2-OH
ETANOL
FREMENTACIÓN
CON LEVADURAS
AZÚCARES
ALCOHOLES
SECUNDARI
OS
MELASA
S
ALMIDÓ
N
GRASAS
CAÑA DE
AZÚCAR
GRANOS
ACEITE DE FUSEL
MEZCLAS DE ALCOHOLES
PRIMARIOS
El Petróleo y la Energía
Los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) representan el 90% del consumo
total de energía del mundo en la actualidad, lo que permite concluir que seguirán siendo
utilizados en grandes cantidades durante este siglo. Las reservas de combustib les fósiles se
han calculado en años según el actual ritmo de consumo así: carbón 220 años, petróleo 42
años, gas natural 63 años.
Existe un notorio interés en desarrollar nuevas tecnologías, que permitan la incorporación
de otras fuentes de energía capaces de substituir el petróleo y basadas en razones
ambientales y económicas, ya que se trata, por una parte, de obtener energías que
favorezcan la reducción de emisiones a la atmósfera, y por otra, que resulten de menor
costo.
Estas nuevas tecnologías que puedan sustituir a los combustibles fósiles se identifican
como fuentes alternas de energía o energías alternativas. Entre las más importantes
tenemos: la eólica (utiliza la fuerza del viento), la fotovoltaica y térmica (emplean la luz
solar), la geotérmica (emplea el calor extraído del suelo), las celdas de combustibles (usa
energía química para producir electricidad), la biomasa, la hidroelectricidad y la energía
nuclear.
Sin embargo algunas estimaciones demuestran que no será hasta después del año 2030,
cuando aparezca una verdadera alternativa que sustituya a los combustibles fósiles.
Mientras tanto, la meta de las investigaciones en petróleo es desarrollar tecnologías que
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sean “amigables” al ambiente, con la finalidad de mantener el liderazgo en el sector
energético mundial y que actúen en equilibrio con el ambiente.
El gráfico muestra el consumo de energía por fuentes a nivel mundial en 1996.
Consumo de energía por fuentes, 1996
3%
petróleo
25%
43%
carbón
gas natural
29%
hidroelectricidad
El Petróleo y el Medio Ambiente
Las políticas mundiales en materia de protección ambiental, exigen el uso de tecnologías
limpias para facilitar la reducción de desechos. La explotación petrolera produce desechos
que requieren un manejo adecuado para evitar su incidencia en el medio ambiente. Los
principales contaminantes atmosféricos provenientes de los combustibles fósiles son:
óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono y partículas en general. Se
considera que el 67% del total de los agentes más atacados cuando se habla de
contaminación ambiental son los provenientes de dichas fuentes. Para disminuir sus efectos
se ha avanzado positiva y efectivamente, tanto en tecnologías, como en normativas legales
para proteger la atmósfera; tratando de evitar y disminuir sus efectos negativos, tales como
el efecto invernadero, la lluvia ácida, o la destrucción de la capa de ozono.
Un poco de historia acerca del descubrimiento del petróleo y su distribución en la
tierra
Aunque se conoce su existencia y utilización desde épocas milenarias, algunas tribus lo
emplearon como ungüento y los navegantes le usaron como impermeabilizante en sus
naves, la historia del petróleo como elemento vital y factor estratégico de desarrollo es
relativamente reciente, de menos de 200 años.
En 1850 Samuel Kier, un boticario de Pittsburg, Pensilvania (Estados Unidos), lo
comercializó por primera vez con el nombre de aceite de roca o petróleo.
Por la misma época el químico escocés James Young y el geólogo canadiense Abraham
Gesner comprenden su importancia al refinarlo y utilizarlo como combustible para la
iluminación. El segundo de los mencionados patentó el proceso bajo el nombre de
kerosene.
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Al americano William Drake es a quien se le atribuye el primer hallazgo de petróleo con
fines comerciales mediante la perforación de un pozo de más de veinte metros de
profundidad en Titusville, Pensilvania (Estados Unidos) en 1859.
A partir de entonces comenzó el desarrollo de la industria del petróleo y el verdadero
aprovechamiento de un recurso que indudablemente ha contribuido a la formación del
mundo actual.
A finales del siglo XIX la enorme demanda de carbón comenzó a declinar con la
comercialización del petróleo y sus derivados. El número de compañías petrolíferas creció
en proporción a los nuevos mercados que se crearon: transportes, energía, calefacción, etc.
La búsqueda de yacimientos petrolíferos fue una constante ante las expectativas que se
intuían. Cercano Oriente se convirtió en una zona sensible, siendo Gran Bretaña la que
estableció en Irán en 1941 el primer campo petrolífero. La segunda guerra mundial generó
grandes demandas de combustibles siendo las empresas de Estados Unidos las que se
expandieron con gran éxito por todo el mundo; de hecho, en 1955 las dos terceras partes del
petróleo del mercado mundial, salvo el bloque soviético y América del Norte, eran
suministradas por cinco empresas de petróleo de Estados Unidos. A la vez, Cercano Oriente
se convirtió en la mayor reserva de crudo del mundo. A finales de la década de los 50’s, la
producción mundial de petróleo excedía considerablemente a la demanda. El precio del
crudo cayó, y con él las cantidades que las compañías petroleras pagaban a los países
productores. La OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo), fue creada en
1960, como reacción a esta caída de los pagos. Además de pasar a formar parte de la OPEP,
algunos países productores nacionalizaron la producción de petróleo y los equipos de
refinado de las compañías petroleras, con lo que generaron grandes ingresos.
En 1973, la creciente demanda de energía del mundo desarrollado sufrió una acausada
crisis. Los países árabes productores de petróleo embargaron el suministro de crudo a
Estados Unidos, y recortaron su producción, generando alarma entre todos los implicados,
productores y consumidores. Una segunda crisis de petróleo se daría de nuevo en 1978,
cuando fue destronado el Sha de Persia; la producción de Irán cayó a niveles mínimos. En
1980 el crudo se había revalorizado 19 veces en comparación con 1970.
Desde 1973, el precio del crudo ha ido en constante aumento, ante esa situación, los
mercados que hasta entonces se habían consolidado en el petróleo y gas, dieron nuevas
expectativas al carbón que había quedado rezagado, convirtiéndose en la alternativa en
costos para las industrias, muy especialmente las centrales eléctricas. De esta forma el
carbón ha comenzado a recuperar el mercado perdido.
Los mayores depósitos de petróleo y los principales productores se encuentran en el Medio
Oriente, América Latina (México y Venezuela), Africa, Europa Oriental, Rusia,
Norteamérica y el Lejano Oriente.
Hoy hacen parte de la OPEP: Arabia Saudí, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia,
Irak, Irán, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar, Gabón y Venezuela. A los otros países
productores se les denomina independientes siendo los principales el Reino Unido.
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Noruega, México, Rusia y Estados Unidos. Colombia forma parte de este grupo de
naciones, aunque su participación se considera marginal tanto en reservas como en
producción y volúmenes de exportación. (ver mapa)
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TÉRMINOS ASOCIADOS AL ARTÍCULO
Catálisis, alteración de la velocidad de una reacción química, producida por la
presencia de una sustancia adicional, llamada catalizador, que no resulta
químicamente alterada en el transcurso de la reacción.
Glicerina, sustancia incolora, con un sabor dulce a alcohol, de fórmula C3H8 O 3 (1,2,3propanotriol), y densidad relativa de 1,26 g/cm3 .
Intersticio , pequeño espacio entre los iones, átomos o moléculas en una red cristalina.
Orogénesis, conjunto de procesos geológicos que se producen en los bordes de las placas
tectónicas y que dan lugar a la formación de un orógeno o cadena montañosa.
Orogenia, parte de la geología, que estudia la formación de las montañas.
Craqueo o Cracking, proceso químico por el cual un compuesto químico,
normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El
craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el
proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la
combinación de calor y una catálisis.
Coloide , suspensión de partículas diminutas de una sustancia, llamada fase
dispersada, en otra fase, llamada fase continua, o medio de dispersión.
Catalizador, sustancia que altera la velocidad de una reacción química sin sufrir en sí
ningún cambio químico.
Bituminoso, carbón, variedad de carbón cuya constitución y propiedades son
intermedias entre la antracita y el lignito.
Plancton, término colectivo utilizado para denominar a una serie de organismos marinos y
dulceacuícolas que van a la deriva o que flotan en la superficie del agua. Debido a su
minúsculo tamaño y a la dificultad de desplazarse contracorriente, su movimiento depende
de las mareas, las corrientes y los vientos. Cuando los componentes del plancton son
bacterias, algas y hongos microscópicos, se llama fitoplancton.
REFERENCIAS:
1.
2.
3.
4.
www.cenamec.org.ve/olimpiadas/petrol.htm
www.ecopetrol.com.co/inge/repcol/republic.htm
www.expoindustria.net/historia/combustibles_fosiles.htm
República de Colombia, Ministerio de Minas y Energía, Empresa Colombiana de
Petróleos – Ecopetrol -. El Petróleo y su Mundo. Bo gotá, D.C., Enero 2001.
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