COLEGIO MONTEMAR QUIMICA PETROLEO INTRODUCCION Todo el mundo necesita del petróleo, en una u otra de sus diferentes formas lo usamos cada día de nuestra vida. Proporciona fuerza, calor y luz; lubrica maquinarias; derivan de él productos como por ejemplo el asfalto, con el cual se pavimentan muchas carreteras y caminos de nuestro país; y una gran variedad de otros productos como plásticos, detergentes, medicamentos, aromatizantes, etc. Pocos logran ver la materia prima, el petróleo crudo, del cual se elaboran muchos productos útiles. En muchos lugares de nuestro país es común disponer de gas licuado, gas de ciudad y parafina para la calefacción de la vivienda, el funcionamiento de la cocina, el calefón, etc. Nuestras actividades depende, en gran medida de los llamados combustibles fósiles. Su empleo en motores de combustión de autos, buses, camiones y otros medios de transportes ha llegado a ser tan común que no reparamos en lo importantes que son actualmente estas sustancias. A veces apreciamos esta dependencia cuando las condiciones del mercado implican un cambio en precio o bien se presentan periodos de restricciones en la producción o acceso a ellos. OBJETIVOS DE LA GUIA

• Conocer los orígenes del petróleo; nombres comerciales y usos de los productos de su destilación; grado de acidez e índice de cetano del petróleo; octanaje de la gasolina • Conocer la producción, consumo y reserva a nivel nacional y mundial. • Valorar la necesidad de sustitutos CONTENIDOS • Petróleo: Construir o quemar • Origen • Petróleo: ¿Qué es y qué hacemos con él? • Composición del petróleo • Tipos de hidrocarburos 4. Refinación del petróleo 4.1 Fracciones de hidrocarburos del petróleo 4.2 Petroquímicos 5. Indice de cetano 6. Indice de Octano 6.1 Mejoradores del octanaje 6.1.1 Gasolinas oxigenadas 1

6.1.2 Gasolinas reformuladas 6.1.3 Cracking 6.1.4 Reforming catalítico 7. Producción, consumo y reservas a nivel mundial y nacional 7.1 Consumo mundial 7.2 Distribución mundial 7.3 Consumo y producción nacional 8. Necesidad de sustituto fuentes alternativas de energía 8.1 Fuentes de moléculas de construcción a partir de sus sustitutos 8.2 Gas natural. 8.3 Carbón 9. Conversión de energía DESARROLLO DE CONTENIDOS I PETRÓLEO: ¿CONSTRUIR O QUEMAR?. La combustión de carbón, gas natural y petróleo proporciona el 88% de toda la energía que se usa en el mundo, cuando se queman estos materiales, el carbono que contienen se libera a la atmósfera como CO2, entonces la fotosíntesis convierte la mayor parte de este CO2 en compuestos orgánicos, aunque muchos de estos productos de la fotosíntesis son muy útiles como fuente de energía para los seres humanos y los animales, no son tan convenientes como los combustibles fósiles para generar energía en plantas eléctricas y para los automóviles. Con las tasas de consumo actuales, se estima que las reservas mundiales durarán 1.500 años en el caso del carbón, 120 años en el del gas natural y 60 años en el del petróleo, estas cifras no son seguras y conforme a las medidas de ahorro que se tomen para cuando se presente la escasez, aún las reservas de petróleo podrían durar más de un siglo. En un papel menos visible, los combustibles fósiles son la principal fuente de hidrocarburos y cerca del 6% del petróleo que se refina actualmente es la fuente de la mayor parte de los compuestos orgánicos que se utilizan para fabricar productos de consumo, generando plásticos, caucho sintético, fibras sintéticas, fertilizantes, etc.; el petróleo provee las materias primas químicas que se necesitan para manufacturar un extraordinario surtido de productos conocidos y útiles; objetos que van desde cintas magnéticas, tarjetas de crédito y alfombras hasta medicinas patentadas y aislantes eléctricos por lo que el petróleo desempeña dos papeles en la sociedad moderna: combustible o material químico de construcción. La humanidad enfrenta importantes decisiones acerca de cómo emplear y ahorrar este combustible; existe una gran dependencia del petróleo, el que al ser un recurso no renovable y su consumo mundial tan alto hace pensar que no durará mucho este recurso, por lo que se hace necesario desarrollar alternativas que sirvan como sustituto del petróleo. Las tensiones políticas y los disturbios militares en el Medio Oriente han hecho destacar los riesgos que implica depender de grandes cantidades de petróleo importado, la planificación estratégica futura deberá tener en cuenta que cerca del 60% de las reservas conocidas de petróleo del planeta 2

se hallan en solamente cinco naciones del Medio Oriente: Irán, Irak, Kuwait, Arabia Saudita y los Emiratos Árabes Unidos. Parta predecir el futuro del petróleo, necesitamos examinar con cuidado la manera como lo utilizamos, cuanto está disponible y con qué rapidez se está consumiendo. Data Bank • El 88 % de la energía que se usa actualmente en el mundo proviene del los combustibles fósiles • Se estima que las reservas del carbón durarán 1.500 años, el gas natural 120 años y el petróleo 60 años • El 60 % de las reservas mundiales de petróleo se encuentra en el Medio Oriente • El petróleo proporciona la materia prima para la fabricación de un sin fin de elementos usados en la vida diaria Completa las siguientes oraciones 1.− El petróleo desempeña dos ____________ en la sociedad moderna: ________________ o material químico de _______________ 2.− El carbón, gas natural y petróleo proporciona el ___________ de toda la energía que se usa en el mundo 3.− Con las tasas de consumo actuales, se estima que las reservas mundiales durarán __________ años en el caso del carbón, _______ años en el del gas natural y ________ años en el del petróleo 4.− Cuando se _________________ los hidrocarburos, el carbono que contienen se libera a la atmósfera como_________. 5.− Cerca del _______ del petróleo que se refina actualmente es la fuente de la mayor parte de los _______________________ que se utilizan para fabricar __________________ 2. ORIGEN Se originó en plantas y animales que vivieron en los mares antiguos hace unos 500 millones de años, estos organismos murieron y con el tiempo quedaron cubiertos por sedimentos; la presión, el calor y las bacterias anaerobias convirtieron lo que una vez fue materia viviente en petróleo, el cual quedó atrapado en rocas porosas; normalmente los yacimientos contienen, además de petróleo, una capa superior gaseosa: gas natural y una capa inferior de agua salada. Es probable que algo de petróleo esté formándose aún a partir de sedimentos de organismos muertos, sin embargo, su formación sería excesivamente lenta como para que pudiéramos considerar el petróleo como un recurso renovable. La utilización del petróleo por el hombre se remonta hasta casi 5.000 años, las antiguas civilizaciones de Medio Oriente empleaban el petróleo que brotaba del suelo para impermeabilizar barcos y canales y para pavimentar caminos; hacia el año 1.000 d.c, los árabes procesaban el petróleo para obtener queroseno destinado a las lámparas; los chinos del siglo XI extraían petróleo de pozos de más de ochocientos metros de profundidad, Marco Polo observó y describió campos petrolíferos en sus viajes a través de Persia en el siglo XIII. El primer pozo en los EEUU fue perforado en Titusville, Pennsylvania en 1859, a partir de entonces, nuestra forma de vivir se ha visto enormemente alterada por la creciente utilización del petróleo. Dato Curioso 3

El petróleo es energía solar que llegó a la tierra hace millones de años Data Bank • Se originó en plantas y animales que vivieron en los mares antiguos hace unos 500 millones de años • La presión, el calor y las bacterias anaerobias convirtieron lo que una vez fue materia viviente en petróleo • Sus primeros usos se remontan hace 5.000 años y el primer pozo petrolero se comenzó a explotar en 1859 3. PETRÓLEO: ¿QUÉ ES Y QUÉ HACEMOS CON ÉL? El petróleo es tan importante que ha sido llamado oro negro, el petróleo es una mezcla de cientos de compuestos moleculares, estos compuestos comparten dos propiedades químicas deseables: primero, son ricos en energía que se libera cuando se queman las moléculas; segundo, es posible unirlos químicamente o modificarlos para producir una amplia variedad de materias primas útiles; los químicos han aprendido a combinar moléculas pequeñas del petróleo para formar moléculas gigantes, parecidas a cadenas: las materias primas para películas, fibras, hule artificial y plásticos se encuentran entre ellos; también han aprendido a convertir el petróleo en moléculas que encontramos en perfumes, explosivos y medicamentos como la aspirina, acetaminofén y codeína. Tal como se bombea desde el subsuelo, el petróleo se conoce cómo petróleo crudo, este líquido cuyo color va desde el marrón−verdoso hasta el negro, puede ser tan fluido como el agua o tan espeso como la brea, el petróleo crudo se transporta hasta las refinerías, ahí se separa en mezclas más sencillas, algunas listas para usarse y otras que requieren tratamiento químico adicional. El petróleo es una mezcla de compuestos orgánicos denominados hidrocarburos. Los hidrocarburos están constituidos por familias de compuestos llamados alcanos, alquinos, ciclo alcanos y compuestos aromáticos 3.1 Composición del petróleo. El petróleo esta constituido por una mezcla de algunos hidrocarburos líquidos, con otros gaseosos y sólidos en disolución, con pequeñas cantidades de compuestos de nitrógeno, oxígeno y azufre. Los hidrocarburos son compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno y aquellos presentes en el petróleo (C − H); Son, principalmente, alcanos e hidrocarburos aromáticos. Los que contienen anillos como los de benceno se denominan hidrocarburos aromáticos. Los que no tienen tales sistemas se denominan hidrocarburos alifáticos. Los hidrocarburos alifáticos que sólo contienen enlaces simples entre los átomos de carbono se denominan hidrocarburos saturados. En los enlaces simples se comparten dos electrones. Los hidrocarburos alifáticos que contienen enlaces dobles o triples (en los que se comparten 4 ó 6 electrones respectivamente), además de enlaces simples, se denominan hidrocarburos insaturados 3.2 Tipos de hidrocarburos Metano CH4 Etano CH3 − CH3 Propano CH3 − CH2 − CH3

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Butano CH3 − CH2 − CH2 − CH3 Los yacimientos están siempre localizados en un punto estructural o una anomalía natural, que permite al petróleo acumularse en la parte alta y con una capa impermeable como techo, lo que impide su escape, va acompañado frecuentemente de agua salada. Aunque nos imaginamos que el petróleo se encuentra dentro de una cavidad, el depósito en bolsas es muy excepcional. Los yacimientos se encuentran entre 500 y 4.000 metros de profundidad. Data Bank • El petróleo es rico en energía química que es liberada cuando es sometido a combustión • El petróleo esta constituido por una mezcla de algunos hidrocarburos • Los hidrocarburos presentes en el petróleo son principalmente, alcanos e hidrocarburos aromáticos 4. REFINACIÓN DEL PETRÓLEO La refinación del petróleo comienza con su separación en grupos de compuestos cuyos puntos de ebullición quedan dentro de intervalos bien definidos mediante un proceso llamado destilación fraccionada, la diferencia entre una destilación simple y una fraccionada es el grado de separación que se logra, por ejemplo, el agua que contiene sólidos u otros líquidos disueltos se puede purificar por destilación, la solución impura se calienta hasta la ebullición; el vapor de agua se condensa como líquido puro y se recoge en otro recipiente, puesto que el petróleo contiene miles de hidrocarburos diferentes, la separación de los compuestos puros no es factible, ni necesaria. Los productos que se obtienen de la destilación fraccionada del petróleo siguen siendo mezclas de cientos de hidrocarburos, por lo que se les llama fracciones del petróleo. Primero se eliminan del petróleo crudo las sales (compuestos iónicos) y los ácidos, quedando las sustancias llamadas hidrocarburos, estos compuestos moleculares contienen solamente dos elementos: hidrógeno y carbono. Una vez eliminadas las sales y los ácidos, los hidrocarburos se refinan, es decir se separan en mezclas características de sustancias con puntos de ebullición similares, la figura muestra la destilación o fraccionamiento del petróleo crudo, éste se calienta hasta que muchas de las sustancias que lo componen se evaporan, durante la destilación las moléculas más pequeñas se evaporan primero y se mueven hacia la parte superior de la columna de destilación; en la figura las flechas indican el nombre de la fracción y su intervalo de ebullición, las fracciones que ebullen a temperaturas más elevadas contienen las moléculas más grandes. El petróleo crudo se calienta a cerca de 400°C en el horno, a continuación se bombea hacia la base de una columna de destilación, que suele tener más de 30 m de altura, se sitúan platos de recolección a diferentes alturas dentro de la columna Conforme el petróleo crudo caliente entra a la columna, las moléculas de sustancias con puntos de ebullición bajos han adquirido suficiente energía térmica para separarse del líquido y elevarse hacia las partes más frías de la columna de destilación por lo que al subir se enfrían, las sustancias con los puntos de ebullición más bajos (hidrocarburos más ligeros que no se condensan) permanecen como gases, subiendo hasta la parte superior de la columna, de dónde son extraídos por separado como la fracción gaseosa del petróleo.

Antes de continuar contesta lo siguiente 1.− ¿Qué usos le daban al petróleo los pueblos primitivos? 5

2.− ¿Qué tipos de hidrocarburos tiene el petróleo? 3.− ¿Qué es la destilación fraccionada? 4.− ¿Qué usos se le da al petróleo aparte de su uso como fuente de energía? Algunas sustancias se condensan nuevamente a líquidos y caen en los platos situados a diferentes alturas de la columna, estas sustancias se extraen como fracciones líquidas, cada una con un intervalo de ebullición diferente; las sustancias que tienen los puntos de ebullición más altos nunca se convierten en gases; permanecen en estado líquido durante todo el proceso de destilación, estos líquidos espesos (viscosos), llamados residuos, escurren de la base de la columna. La fracción gaseosa del petróleo contiene compuestos de bajo punto de ebullición, estas moléculas, que poseen de 1 a 4 átomos de carbono experimentan una atracción débil entre sí o hacia las otras moléculas del petróleo; estas fuerzas de atracción entre moléculas se conoce como fuerzas intermoleculares; en consecuencia, las moléculas de hidrocarburos se separan con facilidad una de otras y se elevan por la columna de destilación en forma de gases. Las fracciones líquidas del petróleo, incluidos la gasolina, el queroseno y los aceites pesados, están formados por moléculas que tienen de 5 a 20 átomos de carbono, la fracción sólida grasosa que no se evapora aún a temperaturas altas de destilación contiene moléculas con un número todavía mayor de átomos de carbono, de entre todas las sustancias derivadas del petróleo, estos compuestos de la fracción sólida son los que poseen las fuerzas de atracción intermoleculares más grandes. Los nombres de algunas fracciones de destilación del petróleo son la gasolina, el queroseno y los aceites lubricantes, en la siguiente figura se muestran las principales fracciones de hidrocarburos, están en orden creciente con respecto al punto de ebullición, el gas de bajo punto de ebullición aparece cerca de la parte superior y los residuos de alto punto de ebullición cerca de la parte inferior. Las flechas señalas los puntos los productos típicos de refinación de esa fracción, los cuales se venden a usuarios o procesadores, también se indican algunos de los usos finales de estos productos, el cuadro de la parte inferior ilustra la diversidad de productos de consumo basados en el petróleo y los subproductos se muestran arriba de la fracción superior. 4.1 Fracciones de hidrocarburos del petróleo Este proceso de destilación fraccionada es muy importante en nuestra economía porque produce la mayor parte de los combustibles líquidos que impulsan nuestros automóviles, camiones, trenes y aviones, también proporciona combustible para la calefacción, en la tabla siguiente se da una lista de productos representativos de la destilación fraccionada del petróleo. Intervalo de tamaño de las moléculas C1 − C4

Intervalo de puntos de ebullición 0 a 30 °C

C5 − C12

30 a 200°C

Queroseno

C12 − C16

180 a 300°C

Gasóleo

C16 − C18

más de 300°C

Materia prima para lubricantes

C18 − C20

más de 350°C

Fracción Gas Gasolina de proceso directo

Usos Gas combustible Combustible para automóviles Combustible para aviones a reacción y motores diesel Combustible para motores diesel, materia prima para pirólisis Aceite lubricante, materia prima para pirólisis 6

Cera parafínica

C20 − C40

Asfalto

más de C40

Sólidos de bajo Velas, papel encerado punto de fusión Residuos Asfalto para carretera, alquitrán para pegajosos techos

4.2 Petroquímicos En la actualidad, muchos objetos y materiales ordinarios son sintéticos, es decir, hechos por la industria química a partir de petróleo o gas natural, estos compuestos se llaman productos petroquímicos. Algunos productos petroquímicos, por ejemplo detergentes, plaguicidas, productos farmacéuticos y cosméticos, se emplean directamente, la mayor parte de los productos petroquímicos, empero, sirven como materia prima o intermediarios en la producción de otras sustancias sintéticas, en especial los plásticos. Los plásticos incluyen pinturas, telas, hule, materiales de aislamiento, espumas, sustancias similares al vidrio, adhesivos y materiales de moldeado y estructurales. La producción mundial total de plásticos derivados del petróleo es cinco veces mayor que la de productos de aluminio, más de un tercio de todas las fibras y el 70% del hule de todo el mundo se crean a partir de productos petroquímicos. ¿Cuáles son las sustancias de partida apropiadas para construir estos productos petroquímicos?. Moléculas importantes para construcción de otras son los alquenos y los compuestos aromáticos; los alquenos de mayor importancia industrial son el eteno y el propeno. A partir del eteno se forma etanol el cual se emplea como disolvente en barnices y perfumes, en la preparación de muchas esencias, sabores, productos farmacéuticos y está presente en bebidas alcohólicas; también se utiliza como combustible; el polieteno (polietileno) se usa ordinariamente para bolsas y empaques, es un polímero importante, un polímero es una molécula grande que suele estar compuesta por 500 a 20.000 o más unidades repetitivas; el eteno es un monómero, es decir la molécula pequeña con la cual se hace la molécula más grande de polímero; se pueden crear una gran variedad de polímeros a partir de monómeros que se parecen mucho al eteno, es posible reemplazar uno o más de los átomos de hidrógeno del eteno por otros átomos; estos monómeros forman una serie de monómeros útiles como: el monómero cloruro de vinilo que forma el polímero policloruro de vinilo (PVC) que se emplea para zapatos, chaquetas con aspecto de cuero y tubería de plástico; el monómero acrilonitrilo que forma el polímero poliacrilonitrilo que se emplea en fibras acrílicas para ropa y alfombras y el monómero estireno que forma el polímero poliestireno que se emplea para aislamientos, vasos para café, mangos de cepillos dentales y peines. Petroquímicos

b) Alcoholes

a) Plásticos

Disolvente

Hules Artificiales

Otros productos químicos

Ropa

Astringentes

Neumáticos

Saborizantes

Cemento

Cosméticos

Aislantes eléctricos

c) Medicamentos

Fibras y Películas

Aspirina

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Tela y Ropa

Sulfas

Cuero artificial

Antisépticos

Aislantes

d) Edulcorantes

Materiales de construcción

Sacarina

Formas rígidas y flexibles

Aspartame

Juguetes

Sorbitol

Utensilios de cocina

e) Perfumes

Muebles

f) Colorantes

Partes para automóviles y máquinas

g) Explosivos

Completa las siguientes oraciones 1.− El Gas combustible se obtiene a una temperatura de _________________ 2.− Las velas y el papel encerado contienen entre _______ y ___________ átomos de carbono 3.− El combustible para aviones a reacción y motores diesel se obtiene a una temperatura de ____________________ 4.− El combustible para automóviles se denomina ______________________ 5.− El combustible para motores diesel contiene entre _______________ y ____________ átomos de carbono 6.− El asfalto para carretera ya se usaba en _____________________ 7.− El _______% del hule de todo el mundo se crea a partir de productos petroquímicos. 8.− El polieteno (polietileno) se usa ordinariamente para _______________ y ___________________ 9.− Las fracciones líquidas del petróleo, incluidas la ___________________, el __________________ y los _______________pesados, están formados por moléculas que tienen de 5 a 20 átomos de carbono 10.− Las moléculas importantes para construcción de otras son los ___________________ y los _____________________ Data Bank • La refinación del petróleo se logra separando sus componentes mediante un proceso físico llamado destilación fraccionada • Los productos que se obtienen de la destilación fraccionada del petróleo siguen siendo mezclas de cientos de hidrocarburos, por lo que se les llama fracciones del petróleo • Este proceso de destilación fraccionada es muy importante en nuestra economía porque produce la mayor parte de los combustibles líquidos 8

• Los productos obtenidos del petróleo se denominan petroquímicos. Entre estos tenemos: los plaguicidas, plásticos, perfumes, medicamentos, etc 5. INDICE DE CETANO Los combustibles diesel se miden por el número de cetanos. El número de cetanos compara el rendimiento de un motor diesel estándar con una mezcla de alfa metil naftaleno y cetano El octanaje es para la bencina lo que el cetano es para el diesel Los motores diesel se apoyan en la autoignición de la mezcla combustible / aire. Esto sólo es posible con un porcentaje de compresión de más de 13:1, que aumenta lo suficiente la superficie del aire como para encender el combustible. Los motores diesel no padecen la detonación, ya que, el aire y el combustible no se mezclan con anterioridad y por lo tanto el octanaje no tiene importancia. Sin embargo, requieren combustible con un buen encendido en y tiempo frío y de combustión no demasiado rápida. Los combustibles diesel tienden a tener un contenido más alto de hidrocarburos alcanos que en aromáticos e idealmente tienen un número de cetanos entere 45 y 50. No obstante, la demanda de productos que utilizan combustibles diesel esta aumentando y a menudo se emplean combustibles pesados destilados con un numero de cetanos menor lo que se compensa con la incorporación de óxidos orgánicos y peróxidos Data Bank • El índice de cetano es utilizado sólo para motores diesel • El número de cetanos compara el rendimiento de un motor diesel estándar con una mezcla de alfa metil naftaleno y cetano 6. ÍNDICE DE OCTANO Una propiedad importante de los hidrocarburos líquidos es su temperatura de autoignición, o sea la temperatura a la que el líquido se enciende y arde sin una fuente de encendido, la temperatura de auto ignición de un hidrocarburo está relacionada con su composición molecular: las moléculas grandes de hidrocarburo, de cadena lineal, tienen temperaturas de autoignición mucho más bajas que las moléculas más pequeñas de cadena ramificada, dado que la gasolina consiste principalmente en moléculas pequeñas, tiene una temperatura de autoignición relativamente alta y para que su ignición se realice con eficiencia en un motor, se requiere una fuente de encendido: la chispa de una bujía, no obstante, el interior de los modernos motores de gasolina alcanza temperaturas muy altas y puede haber autoignición antes de que la chispa encienda el combustible, esto perjudica el rendimiento del motor, cuando hay encendido prematuro el motor muestra un golpeteo y en condiciones severas, detonaciones. El índice de octano de una gasolina es una medida de su capacidad para arder uniformemente sin preencendido ni detonaciones del motor. Los alcanos de cadena lineal son menos estables técnicamente y arden de manera mucho menos uniforme que los alcanos de cadena ramificada, por ejemplo, la fracción de gasolina de proceso directo que se obtiene directamente de la destilación fraccionada del petróleo no es un buen combustible para motores y requiere una refinación adicional porque contiene primordialmente hidrocarburos de cadena lineal que se preencienden con demasiada facilidad para usarse como combustible en los motores de combustión interna. El índice de octano de una gasolina se determina comparando sus características de detonación en un motor de prueba de un sólo cilindro con las que tienen mezclas de heptano y iso−octano; el heptano detona mucho y se le asigna un índice de octano de cero, mientras que el iso−octano arde uniformemente y recibe un índice de 9

octano 100, así pues, si una gasolina tiene las mismas características de detonación de una mezcla de 13% de heptano y 87% de iso−octano, se le asigna un índice de octano 87. El índice de octano de una gasolina puede elevarse aumentando el porcentaje de fracciones de hidrocarburos ramificados y aromáticos o agregando mejoradotes del octanaje, o ambas cosas; desde que se estableció el método para determinar índices de octano, se han creado combustibles mejores que el iso−octano con un índice de octano de más de 100, en la tabla siguiente se dan los índices de octano de algunos hidrocarburos y mejoradotes de octanaje. Nombre Octano Heptano Hexano Pentano 1−Penteno iso−Octano Benceno Metanol Etanol Alcohol ter−butílico Metil ter−butil éter (MTBE) Tolueno

Índice de octano −20 0 25 62 91 100 106 107 108 113 116 118

6.1 Mejoradores del octanaje El índice de octano de una mezcla de gasolina dada también puede elevarse agregando agentes antidetonantes o mejoradotes del octanaje. En el pasado, una forma relativamente económica de aumentar el octanaje de la gasolina consistía en agregar tetraetilo de plomo al combustible, la adición de 3 gr de tetraetilo de plomo por galón eleva el índice de octano entre 10 y 15 puntos de este combustible con plomo; por desgracia el plomo de la gasolina tratada pasaba a la atmósfera junto con otros productos de escape, debido a los efectos perjudiciales del plomo en el entorno y a las nuevas leyes de descontaminación se hizo necesario instalar convertidores catalíticos a base de platino en los autos, el único problema era que requería gasolinas sin plomo, porque éste desactiva el catalizador de platino al recubrir su superficie, por lo tanto, los autos con convertidores catalíticos deben usar gasolina sin plomo. Puesto que ya no puede usarse plomo tetraetilo ahora se agregan a las gasolinas otros mejoradotes del octanaje, estos incluyen alcohol ter−butílico, MTBE, metanol y etanol, el mejorador de octano más popular es el MTBE. 6.1.1 Gasolinas oxigenadas Al retirarse de la gasolina los aditivos derivados del plomo, se han hecho cada vez más importantes los suplementos alternativos para elevar el octanaje; un grupo de aditivos llamados combustibles oxigenados se mezclan a menudo con la gasolina para este propósito, estas sustancias están compuestas de moléculas que incluyen oxígeno además de carbono e hidrógeno; los compuestos orgánicos con los cuales se mezcla la gasolina son MBTE, metanol, etanol y alcohol ter−butírico, estas gasolinas oxigenadas arden de forma más completa que las no oxigenadas y pueden reducir las emisiones de monóxido de carbono hasta en un 17%; aunque los combustibles oxigenados proporcionan menos energía por litro que los hidrocarburos normales de la gasolina, su atractivo económico proviene de su capacidad para elevar el octanaje de la gasolina y también para reducir los contaminantes en los gases de escape. 10

6.1.2 Gasolinas reformuladas Todas las gasolinas son sumamente volátiles, los vapores que se producen pueden encenderse, lo que permite arrancar un automóvil aún en los días más fríos, sin embargo, esta volatilidad implica que algunos hidrocarburos ingresan a la atmósfera como resultado de derrames accidentales y de la evaporación durante las operaciones de llenado de tanques en las gasolineras. Los hidrocarburos en la atmósfera desempeñan un papel importante en una serie de reacciones que contribuyen a la contaminación del aire urbano. Las gasolinas reformuladas están oxigenadas y contienen un porcentaje más bajo de hidrocarburos aromáticos con menor volatilidad que la gasolina ordinaria. En EEUU en las ciudades con contaminación por ozono se usa este tipo de gasolinas. 6.1.3 Cracking Una parte de la refinación del petróleo implica ajustar el porcentaje de cada fracción de modo que concuerde con la demanda del mercado, por ejemplo, hay más demanda de gasolina que de queroseno y combustible diesel, también, hay más demanda por temporada; en invierno, la demanda de combustible para calefacción es alta, pero en el verano, cuando mucha gente sale de vacaciones, la demanda de gasolina es mucho más alta; por ello, los refinadores usan reacciones químicas para convertir algunas de las moléculas más grandes de la fracción del queroseno en las moléculas más pequeñas del intervalo de la gasolina en un proceso llamado cracking o pirólisis. En la actualidad, más de un tercio de todo el petróleo crudo se somete a este proceso, llamado cracking, el cual se ha mejorado agregando catalizadores como óxido de aluminio (Al2O3). Un catalizador aumenta la velocidad de una reacción química, en este caso el proceso de fragmentación o cracking, pero no se consume; el cracking catalítico es más eficiente desde el punto de vista energético pues tiene lugar a una temperatura más baja (500°C en vez de 700°C), este proceso de cracking catalítica usa un catalizador, calor y presión para romper los hidrocarburos de cadena larga y formar cadenas más cortas que incluyen alcano y alquenos, muchos dentro del intervalo de la gasolina. Puesto que los alquenos tienen índices de octano más altos que los alcanos, el proceso de cracking o pirólisis catalítica también eleva el índice de octano de la mezcla. El proceso también es importante para la producción de alquenos que son materias primas en la industria química orgánica. 6.1.4 Reforming catalítico Una forma de elevar el índice de octano de la fracción de gasolina es convertir los hidrocarburos de cadena lineal en hidrocarburos ramificados y aromáticos mediante un proceso llamado reforming catalítico, en presencia de ciertos catalizadores como platino finamente dividido en un soporte de Al2O3 , los hidrocarburos de cadena lineal con bajo índice de octano pueden transformarse para dar sus isómeros de cadena ramificada, que tienen índices de octano más altos. También se usa el reforming catalítico para producir hidrocarburos aromáticos empleando diferentes catalizadores y mezclas de petróleo, por ejemplo, cuando los vapores de gasolina de corrida directa, el queroseno y las fracciones de aceites ligeros se pasan por un catalizador de cobre a 650°C, un alto % del material original se convierte en una mezcla de hidrocarburos aromáticos de la que por destilación fraccionada pueden separarse el benceno, tolueno, xilenos y compuestos similares. La gasolina se vende con distintos estándares de calidad y precios, como probablemente ya sabes; la gasolina compuesta principalmente por alcanos de cadena lineal como el hexano C6H14, heptano C7H16 y octano C8H18 se quema con gran rapidez, lo cual origina detonaciones en el motor y puede contribuir a crear problemas en él. Los alcanos de cadena ramificada tienen una combustión más satisfactoria en los motores de automóvil, el isómero estructural del octano que se muestra en la figura tiene excelentes propiedades de 11

combustión en este tipo de motores. Contesta verdadero o falso Justifica cada una de tus respuestas 1.− El índice de octano de una mezcla de gasolina puede elevarse agregando agentes antidetonantes. 2.− El plomo de las gasolinas activa el catalizador de platino al cubrir su superficie. 3.− El MTBE es un mejorador del octanaje. 4.− Las gasolinas oxigenadas arden de forma más completa que las no oxigenadas y pueden reducir las emisiones de monóxido de carbono hasta en un 30%. 5.− Los hidrocarburos en la atmósfera desempeñan un papel importante en una serie de reacciones que contribuyen a la descontaminación del aire urbano. 6.− En la actualidad el petróleo se somete al proceso llamado Cracking, el cuál se ha mejorado agregando catalizadores como el óxido de aluminio más calor y presión para romper los HC de cadena larga y forman cadenas más cortas. 7.− En el reforming catalítico se convierten los HC de cadena lineal en HC ramificados y aromáticos. 8.− Las moléculas grandes de HC de cadena lineal, tienen T° de autoignición mucho más bajos que las moléculas más pequeñas de cadena ramificada. 9.− La gasolina consiste principalmente en moléculas pequeñas, tiene una temperatura de autoignición relativamente alta. 10.− El índice de octano de una gasolina es una medida de su capacidad para orden uniformemente con pre−encendido y sin detonaciones del motor. 11.− Los alcanos de cadena lineal son más estables técnicamente y arden de manera más uniforme que los alcanos de cadena ramificada. 12.− La fracción de gasolina de proceso directo que se obtiene directamente de la destilación fraccionada del petróleo es un buen combustible para motores y no requiere una refinación adicional. 13.− La gasolina de proceso directo requiere una refinación adicional porque contiene primordialmente HC de cadena lineal que se pre enciende con demasiada facilidad para usarse como combustible en los motores de combustión interna. 14.− El índice de octano de una gasolina se determina comparando sus características de detonación en un motor de prueba de un sólo cilindro con los que tiene mezclas de heptano y iso−octano. 15.− El heptano arde uniformemente y recibe un índice de octano 100 y el iso−octano detona mucho y se la asigna un índice de octano 0. 16.− Si una gasolina tiene las mismas características de detonación de una mezcla de 87% de heptano y 13% de iso−octano, se le asigna un índice de octano 87.

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Data Bank • El índice de octano de una gasolina es una medida de su capacidad para arder uniformemente sin preencendido ni detonaciones del motor • El índice de octano de una gasolina se determina comparando sus características de detonación en un motor de prueba de un sólo cilindro con las que tienen mezclas de heptano y iso−octano • El índice de octano de una mezcla de gasolina dada también puede elevarse agregando agentes antidetonantes o mejoradotes del octanaje 7. PRODUCCION, CONSUMO Y RESERVAS A NIVEL MUNDIAL Y NACIONAL 7.1 Consumo mundial Es tal la importancia de la industria química orgánica que de las 25 sustancias que más se producen en EEUU, 13 son compuestos orgánicos y actualmente el petróleo es la principal fuente de los hidrocarburos que se emplean como materias primas para 10 de estos 13 compuestos químicos, para los cientos de sustancias orgánicas más que son económicamente muy importantes, el petróleo es la única fuente conocida. EEUU hasta 1995 tenía sólo el 4% de las reservas globales de petróleo y tuvo el 8% de la producción mundial de petróleo. Hoy en día el consumo mundial promedio de petróleo es de unos 4,5 barriles de petróleo al año por persona, sólo en EEUU el consumo de petróleo es de 24 barriles por persona al año, y en el África subsahariana la cifra es de menos de 1 barril por persona al año. Se espera que el consumo mundial de petróleo baje a 1,5 barriles por persona para el año 2030, al aumentar los precios por la escasez de petróleo. Esto requerirá cambios drásticos en la economía energética mundial y una reducción en el uso de petróleo como principal fuente de compuestos orgánicos, por otra parte, tanto el gas natural como el carbón son fuentes importantes de hidrocarburos y es probable que la importancia del carbón crezca a medida que se agoten las reservas de los demás combustibles fósiles. 7.2 Distribución mundial El petróleo impulsa literalmente a nuestra sociedad moderna, alimenta de combustible a una gran parte del transporte personal, público y comercial; calienta hogares y oficinas; impulsa turbinas que generan la electricidad, como una rica fuente de materias primas el petróleo también suministra reactivos necesarios para producir plásticos, telas, vitaminas sintéticas, etc. Algunos expertos del tema predicen que la producción mundial del mismo, a partir de las reservas conocidas, alcanzará un máximo a finales de siglo, luego podría tener lugar una declinación gradual en la producción de petróleo al menguar las reservas. Se espera que el precio del petróleo se incremente de manera gradual conforme se haga más escaso, debido a factores de oferta y demanda, el petróleo se hará demasiado costoso para los usos ordinarios actuales, por lo que el dilema será ¿construir con él o quemarlo?. Dimitri Mendeleiev, el químico ruso que organizó los elementos en una tabla periódica en 1869, supo reconocer el valor del petróleo como materia prima para la industria. Hizo la advertencia de que quemar el petróleo como combustible sería equivalente a encender una estufa de cocina con billetes de banco. La aparente abundancia del petróleo, su facilidad de almacenamiento y manejo, y su relativo bajo costo nos han llevado a desoír el consejo de Mendeleiev. Como muchos otros recursos químicos, el petróleo del planeta se halla distribuido de manera desigual, grandes cantidades se hallan concentradas en áreas reducidas, además, los países con grandes reservas no consumen necesariamente grandes cantidades del recurso, en otras palabras, las regiones con gran demanda de petróleo pueden estar muy alejadas de las que poseen reservas grandes de petróleo; como resultado es 13

frecuente que las naciones establezcan acuerdos de exportación e importación, conocidos como acuerdos comerciales. En la figura se señalan donde se localizan las reservas conocidas de petróleo en el mundo, estas reservas, pueden aprovecharse con la tecnología disponible a costos de armonía con los precios actuales del mercado, también se muestra en los gráficos la distribución de la población mundial por regiones y la distribución por regiones del consumo mundial de petróleo. ¿Cuáles son los principales países productores de petróleo? Los países de la OPEP, más Estados Unidos, Rusia y otros estados que pertenecieron a la ex Unión Soviética; México, Colombia, Argentina, India y otros menores. ¿Qué es la OPEP y quiénes la integran? Es la sigla que identifica a la Organización de Países Exportadores de Petróleo (en inglés, OPEC). Fue fundada el 14 de septiembre de 1960 y su objetivo es coordinar y unificar las políticas petroleras de sus países miembros. Actualmente está integrada por 11 países productores y exportadores de petróleo, cuyos volúmenes de producción de crudo son notorios: Argelia, Indonesia, Irán, Irak, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar, Arabia Saudita, Emiratos Arabes Unidos y Venezuela. Es importante señalar que Irak, pese a integrar la organización, no forma parte de los sistemas de cuotas del grupo, ya que sus exportaciones son reguladas por la Organización de Naciones Unidas (ONU). Contesta V o F Justifica las falsas 1.−_______El Medio oriente posee el 60 % de las reservas mundiales de petróleo 2.− El petróleo es el combustible fósil más abundante. 3.− El principal exportador de petróleo en Sudamérica es Venezuela. 4.−_______Las políticas petroleras a nivel mundial son dictadas por la OPEP 5.−_______El mayor consumo de petróleo a nivel mundial se produce en Asia 6.−_______El petróleo se halla distribuido en el planeta de manera equitativa 7.−_______El petróleo se caracteriza por su dificultad en su almacenaje y su manejo 7.3 Consumo y producción nacional A fines del siglo XIX en Chile comienza la búsqueda de yacimientos de petróleo y sus descubrimientos. Fue en la región austral donde se encontraron yacimientos. En 1943 la corporación de fomento de la producción (CORFO) impulsa los programas de exploración y perforación.

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El primer yacimiento comercial explotable fue descubierto el 29 de diciembre de 1945 en la Isla Grande de tierra del Fuego. Fue bautizado como Manantiales. En 1950 se crea la Empresa nacional del Petróleo (ENAP) con la función de explotar los yacimientos existentes y buscar otros nuevos, así como realizar la refinación del mismo. El proyecto COSTAFUERA generó importantes expectativas, ya que desarrollaba la búsqueda de yacimientos de petróleo en el lecho marino. Esto generó el desarrollo tecnológico para la construcción de plataformas de perforación. Para la refinación del petróleo, tanto nacional como importado, desde 1955 opera la refinería de Con con. ¿En qué lugares de Chile hay petróleo y dónde se explota? −Existen indicios de presencia de petróleo en diversos lugares de Chile, pero sólo se explota comercialmente en la XII Región de Magallanes. ¿Cuál es la capacidad de un barril de petróleo? Para propósitos de medición, 1 (un) barril de petróleo equivale a 42 galones (US galon). A su vez, un galón equivale a 3,785 litros. En síntesis, un barril equivale a 159 litros de petróleo. Qué porcentaje del petróleo que consume Chile se explota en el país? El 4%. A ello hay que sumarle la producción de ENAP en el exterior, con lo que la cifra aumenta al 11%, porcentaje que representa la producción total de ENAP tanto en Chile como en el extranjero. La producción de ENAP en Chile se ubica exclusivamente en la Región de Magallanes y ha ido disminuyendo paulatinamente en los últimos años, llegando a satisfacer actualmente cerca del 4% de la demanda de combustibles líquidos del país. Si bien ha decaído con los años en relación con los promedios históricos, no ha derivado en la obsolescencia de la empresa; por el contrario, nos ha exigido emprender la búsqueda de nuevos horizontes de negocios, algunos de los cuales han logrado operar con éxito, como es el caso de la industria petroquímica, del gas natural, y, en el caso de la geotermia, avanzar en la fase de estudios en alianza con otras compañías especializadas en la explotación de dicha fuente de energía. ¿Dónde se refina el petróleo el petróleo que se consume en Chile? En las refinerías de ENAP. Estas son la Refinería Petrox S.A.(VIII Región); la Refinería de Petróleo Concón S.A. (V Región) y la Refinería de Gregorio (XII Región). Excepcionalmente, se realizan importaciones de combustibles refinados para satisfacer la demanda interna cuando ésta supera el stock disponible. Data Bank • En los países desarrollados el consumo anual de barriles de petróleo por persona es mayor que en los países subdesarrollados y en vía de desarrollo • El petróleo se encuentra distribuido de manera desigual en el planeta. • Las políticas de explotación de petróleo a nivel mundial son reguladas por la OPEP • En Chile el petróleo se explota en la XII Región 15

8. NECESIDAD DE SUSTITUTO FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA El suministro de petróleo no es ilimitado ni barato, así pues, aumentar la eficiencia de la energía es importante si deseamos obtener los máximos beneficios de las reservas del petróleo que nos quedan. Una forma de incrementar la eficiencia global de la energía es reducir el número de conversiones de energía entre el combustible y su uso final, podemos además tratar de mejorar la eficiencia de nuestros dispositivos que convierten de conversión de energía. Por desgracia, los dispositivos que convierten la energía química en calor y luego en energía mecánica tienen por lo general un eficiencia menor del 50%, las celdas solares que transforman la energía solar en energía eléctrica y las celdas de combustible que transforman la energía química en energía eléctrica ofrecen posibilidades para reemplazar el petróleo o bien aumentar la eficiencia de su uso. El petróleo es un recurso no renovable: el inventario total de petróleo disponible en la Tierra esta decreciendo, ya sabes cuán dependientes del petróleo no hemos hecho, es por ello que los químicos ya investigan sustitutos del petróleo, tanto para quemar como para construir; la manera como vivimos, incluidos nuestros hogares, nuestra agricultura y nuestras industrias, requiere cantidades considerables de energía, conforme las necesidades de energía han crecido, los países han dependido cada vez más de combustibles fósiles no renovables: carbón, petróleo y gas natural. Las estimaciones de los suministros totales de estos combustibles son contradictorias, analizaremos datos un poco optimista de las existencias de combustibles fósiles susceptibles de ser extraídas. Energía de la Reservas Fuente Líquidos de petróleo y gas natural Gas natural

de EEUU Energía (trillones de joules) 1.000 1.000

Fuentes convencionales 700 Fuentes no convencionales Carbón

40.300

Los cálculos de la duración posible de un combustible están sujetos a una incertidumbre considerable. Conforme las existencias de un combustible se acerquen al agotamiento, el uso que hagamos de él se reducirá y el combustible se hará probablemente más costoso, con lo que se ampliaría la vida útil del mismo, además, conforme se incrementan los costos, los incentivos económicos, impulsan tanto la búsqueda de nuevas reservas como la extracción de más combustible de lo que antes eran sitios prohibitivos desde el punto de vista económicos. Las estimaciones de existencias de combustible y de necesidades futuras son sólo eso: estimaciones, están sujetas a cambios a pesar de esas limitaciones, la disponibilidad futura del petróleo representa un problema real, el carbón tiene un futuro más prometedor, dejando por ahora a un lado posibles cuestiones ambientales, necesitamos explorar las formas en que el petróleo se emplea como combustible.

Sector de uso final Transporte Industrial Residencial/comercial Servicios eléctricos

Usos del Petróleo Millones de barriles/día 10,9 4,3 1,4 0,7

% del uso total 63% 25% 8% 4%

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Porcentaje de la energía de los EEUU de diversas fuentes de combustible. Más del 40% del petróleo que se consume en EEUU se destina a impulsar automóviles; los camiones y aeronaves representan otro 20% de ese mismo consumo. Más del 60% del petróleo se destina a transporte y los usuarios principales de energía son los automóviles personales, por lo tanto ¿qué opciones nos ofrece la química para ampliar, completar y tal vez reemplazar al petróleo como fuente de energía?. La extracción de petróleo sólido de arenas de alquitrán y de rocas de esquisto bituminoso ofrece algunas posibilidades, por desgracia, estas fuentes son muy costosas porque la tecnología necesaria no está bien desarrollada. Es necesario procesar enormes cantidades de arena o rocas para recuperar este combustible, al oeste de las montañas Rocallosas se localizan importantes depósitos de esquistos bituminosos, estas rocas, que se formaron originalmente de lodo, contienen querógeno que es un petróleo parcialmente formado; cuando se calientan, el querógeno se descompone dando un material muy parecido al petróleo crudo. El procesamiento de esquistos bituminosos enfrenta grandes problemas, el mayor de ellos es el de los altos costos de producción, en términos de energía solamente, los métodos actuales de extracción cuestan el equivalente de medio barril de petróleo para producir un barril de aceite mineral; otros problemas son tener acceso a las tierra de esquistos, suministrar las grandes cantidades de agua que requiere el proceso y resolver los problemas de contaminación de aire y agua que se genera. Mientras tanto, las investigaciones continúan para hacer el procesamiento de aceite mineral una opción comercial en el futuro, el precio y la disponibilidad del petróleo crudo tendrán un papel importante para decidir el futuro de la producción de aceite mineral. Otra posible alternativa es la producción de un combustible líquido a partir de carbón, los conocimientos necesarios para la conversión de carbón en combustible líquido y también en moléculas de construcción han estado disponibles desde hace varias décadas, Alemania hizo uso de esta tecnología ya en los años 40, en EEUU la tecnología para este propósito está bien desarrollada, en la actualidad el costo de extraer y convertir el carbón en combustible líquido es considerablemente mayor que el costo de producir la misma cantidad de combustible a partir de petróleo, conforme aumenten los precios del petróleo, la obtención de combustible líquido a partir de carbón puede convertirse en una opción más atractiva.. Dato Curioso Durante la segunda guerra mundial el bloqueo de Alemania por parte de las fuerzas aliadas le impidió el acceso al petróleo, combustible indispensable para poner en movimiento la flota bélica. Con el tratamiento adecuado del carbón pudieron transformarlo en 585.000 toneladas de combustible líquido. Otro caso similar ocurrió en Sudáfrica donde por razones políticas las autoridades estuvieron obligadas a transformar el carbón obteniendo una producción de 1.750.000 toneladas anuales de combustible. Se han sugerido también plantaciones de petróleo, unas 2.000 variedades de plantas del género Euphorbia atrapan y almacenan energía solar como hidrocarburos, en lugar de carbohidratos, la posibilidad de extraer y utilizar estos compuestos como un sustituto del petróleo será tema de los investigadores. Los vehículos que queman gasolina pueden convertirse en vehículos de combustible dual, que funcionan con gas natural o gasolina, el gas natural compuesto principalmente de metano, CH4, se puede comprimir y 17

guardar en tanques de alta presión, este producto se conoce como GNC, gas natural comprimido, este tanque se instala cómodamente en el portaequipajes, es capaz de impulsar un automóvil a lo largo de 400 Km y se puede volver a llenar. El uso de gas natural, un carburante de combustión limpia, ofrece una estrategia para alargar la vida útil de las reservas mundiales de petróleo. Otras fuentes alternativas de energía actualmente en uso o en investigación son la hidroelectricidad, la fisión y fusión nuclear, la energía solar, eólica y geotérmica. A pesar de otros problemas y limitaciones, estas opciones específicas comparten una característica positiva: a diferencia de los combustibles derivados del carbono, no emiten dióxido de carbono a la atmósfera, el dióxido de carbono es uno de los gases de invernadero, es decir gases atmosféricos que contribuyen al sobrecalentamiento del planeta. 8.1 Fuentes de moléculas de construcción a partir de sus sustitutos Hemos identificado varias opciones para extender la vida útil del petróleo como fuente de energía sin alterar de manera drástica nuestro estilo de vida, es posible construir edificios y máquinas con mayor eficiencia energética, que puedan reducir nuestras necesidades de petróleo como combustible, podemos utilizar también alternativos, reduciendo así aún más la necesidad de quemar petróleo, pero, ¿qué puede reemplazar al petróleo como fuente de materiales de construcción químicos?. Al ir diminuyendo las existencias de petróleo, es probable que su uso como combustible se vea severamente restringido, aunque continuará empleándose como fuente de productos petroquímicos, sin embargo, como el suministro de petróleo va a agotarse algún día, será necesario encontrar tarde o temprano alternativas al mismo como fuente de moléculas para construir. El empleo de carbón como materia prima química, además de su uso continuado como combustible, recibe cada vez más atención, el carbón está compuesto principalmente por carbono, en principio, es posible obtener a partir de carbón, agua y aire, a través de reacciones químicas apropiadas, todos los compuestos que actualmente se fabrican con el petróleo, a pesar de ello, el dinero y el tiempo requeridos para abrir nuevas minas de carbón y construir plantas de conversión impiden hacer el cambio a corto plazo, además , el procesamiento del carbón es más costoso, desde el punto de vista tanto financiero como ecológico, que los procesos comparables con el petróleo; por ello fabricar productos del carbón sería más caro, al menos hasta que el recio del petróleo se haga mucho más alto que el actual. Otra fuente futura de moléculas para construir será probablemente la materia vegetal o biomasa, un componente importante de la biomasa es la celulosa, que se halla en la madera, hojas y tallos de las plantas, la celulosa es un polímero de condensación, compuesto de unidades repetidas de azúcares formados a su vez por carbono, hidrógeno y oxígeno. La celulosa contiene las estructuras de cadena de carbono básicas necesarias para construir productos petroquímicos. Una posibilidad incluye la selvicultura y el cultivo intensivo de plantas de crecimiento rápido, así como el empleo de desechos orgánicos provenientes de hogares e industrias, ya se produce etanol y otras moléculas de construcción a partir de la caña de azúcar. Si aplicamos la biotecnología podemos también convertir la biomasa en materias primas con las cuales sintetizar productos petroquímicos, las técnicas de la bioingeniería se hallan todavía en su infancia, pero ya se utilizan enzimas (catalizadores bioquímicos de reacciones específicas) para ayudar a producir compuestos específicos, los métodos biológicos de producción apropiados para uso en gran escala pueden suministrar sustancias clave como el etanol y el ácido acético, estos productos serían, desde luego, más costosos que los productos petroquímicos, pero conforme se incremente el precio del petróleo se harán cada vez más atractivos. Se están logrando avances significativos con los biopolímeros: polímeros y plásticos cultivados biológicamente y plásticos que se parecen a los materiales derivados del petróleo, por ejemplo, una planta piloto británica produce alrededor de 50 toneladas anuales de PHB−V, un plástico semejante al propileno que puede emplearse para películas y bolsas, este polímero es producido por la bacteria Alcaligenes eutrophus. Parte del atractivo de los biopolímeros es que, a diferencia de los polímeros derivados del petróleo, son 18

completamente biodegradables, algún día podrían llegar a fungir como fuente renovable de plásticos, que no dependerá del suministro de petróleo. Es probable que, al menos en el futuro previsible, los productos petroquímicos se fabriquen a partir de petróleo, carbón y biomasa, la mezcla particular de estos recursos en un momento dado estará influida por la economía, la política y la tecnología disponible. Aunque enfrentamos decisiones difíciles en relación con el uso del petróleo para construir y quemar, la química está ofreciendo varias opciones para satisfacer las necesidades de la sociedad, no obstante, la mayoría de las alternativas son costosas y no están todavía desarrolladas por completo. En nuestros días la conservación del petróleo es la clave para tener el tiempo suficiente para desarrollar sustitutos que permitan evitar cambios drásticos a nuestro estilo de vida; la conservación es también ecológicamente congruente; puede ayudar a satisfacer las necesidades básicas de todos los habitantes del planeta y no sólo las de quienes son ricos o tienen grandes reservas de petróleo. El petróleo es versátil, como combustible puede emplearse para producir calor y electricidad; a diferencia de otros combustibles, es también una fuente de energía conveniente para el transporte, además de su empleo como combustible, el petróleo es también el sueño de un alquimista hecho realidad, aunque no es posible convertirlo en oro, este líquido negro se transforma todos los días en más de 3.000 productos, incluidos fibras sintética, plásticos, detergentes, medicamentos, colorantes y plaguicidas. El mundo está agotando rápidamente sus existencias conocidas de petróleo, sin embargo, como podemos predecir carestías futuras, disponemos de un periodo de gracia en el cual desarrollar tecnologías y políticas nuevas para complementar, reemplazar y prolongar el petróleo. Dada su importancia cotidiana para todos, las decisiones que tomemos ahora respecto al petróleo como consumidores y como ciudadanos ayudarán a determinar la calidad futura de nuestra vida. 8.2 Gas natural. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos con masa molecular baja y otros gases atrapados con el petróleo en la corteza terrestre, el gas natural puede recuperarse de pozos petroleros o pozos de gas cuando los gases han migrado a través de la roca circundante. El gas natural que se encuentra en Norteamérica es una mezcla de alcanos C1 a C4 (60−90% de metano, 5−9% de etano, 3−18% de propano y 1−2% de butano); con otros gases, como CO2, N2, H2S y los gases nobles, principalmente helio en proporciones variable, en Europa y Japón el gas natural es prácticamente metano. El gas natural es la fuente energética de más rápido crecimiento en EEUU y el producido en ese país suministra 17% más energía que el petróleo extraído en ese país. El gas natural se usa también como combustible para vehículos, en todo el mundo hay unos 700.000 vehículos impulsados por gas natural, varios países están fomentando el uso de vehículos que utilicen gas natural en un intento por cumplir con los nuevos reglamentos de calidad del aire, estos vehículos emiten cantidades mínimas de monóxido de carbono, hidrocarburos y partículas, además el gas natural cuesta una tercer parte de lo que cuesta la gasolina, las principales desventajas de estos vehículos movidos por gas son la necesidad de tener un tanque a presión y la falta de estaciones de servicio que vendan gas natural comprimido. 8.3 Carbón Alrededor del 88% de la producción de EEUU de carbón se somete a combustión para generar electricidad, aunque su uso va en aumento, la quema directa del carbón como combustible para calentamiento ha disminuido debido a que es relativamente sucio, porque se deben manejar grandes volúmenes y es una fuente 19

importante de contaminación del aire a causa de su contenido de azufre; los peligros de las minas de carbón profundas y la perturbación ecológica causada por las minas a cielo abierto también han contribuido a la disminución en el uso del carbón, al igual que el petróleo, el carbón proporciona materias primas a la industria química. Se estima que las reservas mundiales de carbón ascienden a cerca 1.024 millones de toneladas, de las cuales cerca del 29% están en EEUU. La mayor parte de los compuestos útiles que se obtienen del carbón son hidrocarburos aromáticos. La hulla es una mezcla compleja e irregular de anillos de carbono de seis miembros parcialmente hidrogenados y otras estructuras, algunas de las cuales contienen átomos de oxígeno, nitrógeno y azufre; el calentamiento de la hulla a altas temperaturas en ausencia de aire, proceso llamado pirólisis, produce una mezcla de coque (principalmente carbono), alquitrán de hulla y gas de hulla; una tonelada de hullas bituminosa (blanda) produce unas 1.500 lb de coque, 8 gal de alquitrán de hulla y 10.000 pie3 de gas de hulla, el cual es una mezcla de H2, CH4, CO, C2H6, NH3, CO2, H2S y otros gases y en otros tiempos se usó como combustible. El alquitrán de hulla puede destilarse para dar las fracciones aromáticas que se enumeran en la tabla. Algunos de estos compuestos como materias primas en la preparación de compuestos orgánicos de importancia comercial se muestran también. Intervalo de puntos de ebullición [°C] Menos de 200 200−250 250−300

Nombre Aceite ligero Aceite medio Aceite pesado Aceite verde

% en masa

Contribuyentes primarios

5%

Benceno, tolueno, xilenos

17%

Naftaleno, fenol (aceite carbólico), piridina

9%

Naftalenos, metilnaftalenos (aceite de creosota), cresoles Antraceno, fenantreno

62%

Brea o alquitrán

7%

300−350 residuo Data Bank • El petróleo disponible en la Tierra esta decreciendo, es por ello que los químicos ya investigan sustitutos del petróleo, tanto para quemar como para construir. • Más del 60% del petróleo se destina a transporte • El principal problema de los sustitutos del petróleo es su elevado costo de producción • Es posible obtener petroquímicos a partir del carbón y el gas natural, pero estos por si solos no pueden reemplazar al petróleo. 9. CONVERSIÓN DE ENERGÍA El petróleo, el gas natural y el carbón, o sea, los combustibles fósiles pueden considerarse como luz solar enterrada, los combustibles fósiles se derivaron probablemente de las biomoléculas de plantas y animales prehistóricos; la energía almacenada que se libera al quemar estos combustibles es energía tomada originalmente de la luz del sol durante la fotosíntesis. La energía química se almacena en compuestos químicos, cuando tienen lugar reacciones químicas y los átomos se reacomodan para formar estructuras más estables, cuando se queman los combustibles parte de la energía almacenada se libera en forma de energía térmica y luz. La quema de un combustible libera energía térmica (calor), los científicos e ingenieros han incrementado la utilidad de la energía liberada al quemar combustibles, han desarrollado dispositivos para convertir la energía térmica en otras formas de energía, de hecho, gran parte de la energía que empleamos 20

sufre varias conversiones antes de llegar a nosotros. Aunque los dispositivos que convierten energía han incrementado ciertamente la utilidad del petróleo y de otros combustibles, algunos de esos dispositivos han generado problemas nuevos, en ocasiones, los pasos de conversión de energía implican contaminación. En un aspecto más fundamental, cierta cantidad de energía siempre se pierde cuando la energía se convierte de una forma a otra, es decir, ninguna conversión de energía es 100% eficiente; siempre queda una parte que no está disponible para realizar trabajo útil, por ejemplo, considera un automóvil que comienza con 100 unidades de energía química en forma de gasolina; 33 se pierden por el escape, otras 29 unidades se pierden por el enfriamiento de los cilindros; quedando 38 unidades: potencia indicada del motor, de ellas 6 unidades se pierden al bombear aire para la combustión, 3 por fricción de los anillos de los pistones y 4 unidades se pierden por otras fricciones en el motor; por lo que ahora quedan 25 unidades de potencia utilizable que se utilizan para los accesorios e impulso del automóvil. Aún un automóvil bien afinado puede convertir sólo alrededor del 25% de la energía química de la gasolina en energía mecánica útil (movimiento), el 75% restante de la energía química de la gasolina se pierde en el entorno como calor. Data Bank • Ninguna conversión de energía es 100% eficiente • El 25% de la energía química de la gasolina se convierte en energía mecánica útil (movimiento), el 75% restante de la energía química de la gasolina se pierde en el entorno como calor. RESUMEN Los combustibles fósiles: gas natural, carbón y petróleo se originaron de la descomposición de seres vivos o de sus restos que quedaron sepultados en el fondo del océano o lagunas. Constituyen la principal fuente de energía para nuestra sociedad. A partir del petróleo y por destilación fraccionada se separa de esta mezcla de hidrocarburos, de distinto peso molecular, una gran variedad de productos, entre los que se encuentran la beniano gasolina, kerosene, diesel (conocido en nuestro país como petróleo), vaselina, aceites lubricantes, asfalto y muchos otros. Dado que la bencina es el producto de mayor consumo, se han transformado otros hidrocarburos, para obtener combustibles adecuados, tanto en la cantidad requerida, como en el octanaje mediante los procesos de cracking y reforming.El petróleo sirve además como materia prima para obtener una serie de otros productos entre los que se cuentan, plásticos, perfumes, medicamentos, pesticidas, colorantes y otros.Debido A que el petróleo es un recurso no renovable se deben buscar otras alternativas que consideren la y transformación del carbón y bencina y el uso de otros combustibles como el etanol. Metanol y aceites, también se puede emplear hidrógeno, energía solar energía atómica e hidroelectricidad GLOSARIO Bacterias anaeróbicas : Microorganismo que no necesitan del oxígeno para poder vivir Catalizador : Sustancia utilizada para acelerar una reacción química sin que se consuma durante el proceso. Compuestos aromáticos : Compuesto formado a base de carbono e hidrógeno cuya molécula es en forme de anillo con enlaces doble alternados Fracción de petróleo : Mezcla de sustancias derivadas del petróleo cuyos puntos de ebullición y otras propiedades son similares Recurso no renovable : recurso que no será repuesto por los procesos naturales dentro del marco temporal de la experiencia humana Refinar : Proceso químico que consiste en separar un compuesto de otros componentes aislándolo totalmente 21

Yacimiento : Sitio en el cual se encuentra una alta concentración natural de mineral, gas natural o petróleo. EJERCITACION Une cada concepto con su definición Bacterias Anaeróbicas A Hidrocarburo con 12 a 16 átomos de carbono usado en lámparas, estufas, etc. Bencina B HC con 15 a18 átomos de carbono usado como combustible Diesel. Hidrocarburos C Microorganismos que no necesitan oxigeno para vivir. Queroseno D Compuestos orgánicos formados únicamente por C a H. Gasóleo E Mezcla de hidrocarburos de 5 a 12 átomos de carbono usado como combustible para motores de vehículos. Completar. sus se forma a partir de materia son tratados formado por efecto de en empresas capas en empresas de la corteza Se obtienen Y Al quemarse productos como generan en la naturaleza contaminación y Al unirse con 4 ats. de H se llama Usado como que se utiliza como ELIGE LA ALTERNATIVA CORRECTA I 1.− En cual de las siguientes regiones se concentra la mayor abundancia de petróleo con relación a su población: 22

• Norteamérica • Oceanía • Rusia • Medio oriente • Venezuela y Centroamérica 2.− El iso−octano tiene un índice de octano de: •0 • 25 • 62 • 91 • 100 3.− El alquitrán y el asfaltos son hidrocarburos con más de : • 20 carbonos • 30 carbonos • 40 carbonos • 50 carbonos • 60 carbonos 4.− Con los petroquímicos se puede fabricar: I Plásticos II Alcoholes III Medicamentos IV Cerámicas Son verdaderos. • I, II y IV • I y II • I, II y III • II, III y IV • I, II, III y IV 5.− En el proceso llamado cracking, los refinadores usan reacciones químicas para convertir algunas de las moléculas de la facción del queroseno en las moléculas del intervalo de la gasolina. • Más pequeñas Más pequeñas • Más pequeñas Más grandes • Más grandes Más grandes • Más grandes Más pequeñas • N.A. 6.− En el proceso llamado reforming se eleva el índice de octavo de la fracción de gasolina convirtiendo los hidrocarburos .

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• Verificados y aromáticos en HC de cadena lineal. • De cadena lineal en hidrocarburos verificados y aromáticos • De cadena lineal en HC de cadena lineal más pequeños • Verificados en HC de cadena verificada más pequeños • De cadena lineal en HC de cadena lineal más grandes 7.− Cuál de los siguientes factores influyó en la formación del petróleo. I Presión II Calor III Bacterias anaerobios IV Bacterias aerobias • Sólo I • Sólo I y II • Sólo III • Sólo I, II y III • Sólo I, II y IV 8.− Hidrocarburos con más de 20 átomos de carbono que no se evaporan a 370º C contienen parafina, ceras, esfalto y coque. ¿Qué fracción corresponde a esta descripción? • Queroseno • Gasolina • Gasóleo • Aceite lubricante • Residuos 9.− En cual de las siguientes regiones se concentra la mayor abundancia de petróleo con relación a su población: • Norteamérica • Oceanía • Rusia • Medio oriente • Venezuela y Centroamérica 10.− Entre los productos destilados pesados se obtiene: • Queroseno • Aceites pesados • Combustible Diesel • Gas licuado • N.A. ELIGE LA ALTERNATIVA CORRECTA II 1.− La gasolina para motor se obtienen de los denominados:

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• Destilados pesados • Destilados intermedios • Destilados ligeros • Subproductos • N.A. 2.− Como ejemplo de un subproducto del petróleo tenemos: • Naftas • Amoniaco • Diesel • Asfalto • N.A. 3.− Los productos obtenidos del petróleo se denominan: • Hidrocarbonados • Destilados fraccionados • Residuos • Petroquímicos • T.A. 4.− Una de las posibilidades de obtención alternativa de petróleo es: • Extracción de petróleo sólido de arenas de alquitrán • Extracción de petróleo crudo de rocas de esquito bituminoso • Producción de combustible líquido a partir de carbón • Sólo I • Sólo II • Sólo III • I y II • I, II y III 5.− De la totalidad de la energía dada por la gasolina, el motor utiliza de manera efectiva sólo el: • 40 % • 35 % • 30 % • 25 % • 20 % 6.− Una forma de incrementar la eficiencia global de la energía es: • Reducir el número de conversiones de energía entre el combustible y su uso final. • Mejorar la eficiencia de los dispositivos de conversión de energía. • Aumentar el uso de petróleo • Sólo I • Sólo II • Sólo III • I y II • I, II y III

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7.− De toda la energía que se usa en el mundo, el petróleo junto con el gas natural y el carbón, proporcionan el: • 70 % • 80 % • 88 % • 95% • 100 % 8.− Con las tasas de consumo actuales, se estima que las reservas de petróleo duraran aproximadamente: • 50 años • 60 años • 70 años • 80 años • 100 años 9.− La adición de 3 gramos de tetraetilo de plomo por galón a la gasolina eleva el octanaje entre: • 10 y 15 puntos • 15 y 25 puntos • 25 y 30 puntos • 30 y 40 puntos • 40 y 50 puntos 10.− El mejorador de octanaje usado actualmente es el: • Alcohol terbutílico • MTBE • Metanol • Etanol • T.A. Petróleo Crudo Fertilizantes Amoníaco Ácido Sulfúrico Gas Destilados Ligeros Destilados Intermedios Destilados Pesados Residuos

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Combustible Calefacción Gasolina Natural Se emplea mezclada con gasolina de refinería para una mejor ignición Gas Licuado de petróleo Negro de Humo Petroquímicos Gasolina de Aviación Gasolina para motor Queroseno Aceites refinados Naftas Cualquier producto de tipo aceite ligero con propiedades intermedias entre la gasolina y el queroseno Disolventes Petroquímicos Aceite Lubricante Grasa Aceites Pesados Parafina Material para cracking Petroquímicos Aceites lubricantes Combustóleo Petrolato Aceites para caminos Asfalto

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Coque de petróleo Subproductos Gasóleo Petroquímicos Aceite pesado de horno Aceite combustible diesel PETROLEO

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