II. EL PETR�LEO Y SUS QUIMIDERIVADOS
LA VALENT�A DE LA EXPROPIACI�N
HACIA 1935 operaban en M�xico alrededor de veinte compa��as petroleras, todas ellas extranjeras salvo alguna excepci�n. Los primeros lugares en la producci�n eran ocupados por subsidiarias de la Royal Dutch Shell, la Standard Oil y la Sinclair.
El primer conflicto laboral de los trabajadores con las compa��as extranjeras se present� con la huelga de 1937, una vez que se hab�a constituido el Sindicato de Trabajadores Petroleros de la Rep�blica Mexicana. Durante esos d�as, en que dej� de surtirse combustible a todo el pa�s, la poblaci�n adquiri� conciencia plena de la importancia del petr�leo. Las f�bricas sin suficientes reservas comenzaron a detener actividades. Las m�quinas agr�colas no ten�an forma de trabajar. Las calles de la ciudad de M�xico empezaron a verse semidesiertas. La fuerza y necesidad del energ�tico se hicieron sentir en toda su magnitud.
Don Eduardo Su�rez, quien participara en la soluci�n del conflicto y fuera firmante del decreto expropiatorio como Secretario de Hacienda y Cr�dito P�blico, cita un dato que revela el provecho injusto que esas compa��as sacaban de sus operaciones en M�xico:
... mientras el precio en Nueva York de un barril
de petr�leo, en promedio, en el a�o de 1936, era de 3.19 d�lares,
la compa��a mexicana de petr�leo El Aguila se lo entregaba a su filial
a 1.96 d�lares. �Con qu� objeto?, se preguntar�n algunos. Sencillamente
con el prop�sito de ocultar aqu� las utilidades para reducir el pago
del Impuesto sobre la Renta y trasladar parte de la contribuci�n sobre
utilidades a otro pa�s. As�, revisando la contabilidad encontramos
numerosas triqui�uelas. |
El dictamen de la Junta Federal de Conciliaci�n y Arbitraje en diciembre de 1937, confirmado el 1� de marzo de 1938 por la Suprema Corte, obligaba a las empresas a cubrir 26 millones de pesos a los trabajadores. Las compa��as se negaron a pagar y adoptaron una posici�n soberbia, intransigente y retadora frente a la m�xima autoridad legislativa de la naci�n y ante el mismo Presidente, general L�zaro C�rdenas.
A pesar de las continuas y graves amenazas, y de las presiones econ�micas que las empresas impusieron sobre la paridad del peso con el d�lar; que entonces se manten�a en 3.60 pesos, la expropiaci�n se anunci� por todas las estaciones radiof�nicas el 18 de marzo de 1938. En el decreto, el gobierno se obligaba a pagar una indemnizaci�n a las empresas.
El hondo impacto que caus� sobre la opini�n p�blica no ha tenido repetici�n en los a�os subsecuentes. Puede decirse que todo M�xico estuvo con el gobierno frente a las compa��as petroleras. Cita Eduardo Su�rez: .
.. el 12 de abril hubo una manifestaci�n de mujeres
frente al Palacio de Bellas Artes. Miles de mujeres de todas las clases
sociales, desde la m�s humilde hasta las aristocratizantes, fueron
a entregar su contribuci�n para pagar la deuda petrolera. Algunas
entregaron joyas valiosas, y otras objetos de valor escaso. Hubo una
viejecita de la clase humilde que llev� una gallina, la cual seguramente
representaba una buena parte de su exiguo patrimonio. Actos ingenuos
y conmovedores, pero de todos modos dan idea de lo que en momentos
dif�ciles somos capaces de realizar los mexicanos. |
EL PROBLEMA T�CNICO DESPU�S DE LA EXPROPIACI�N
El 19 de marzo se present� un problema esperado, pero no por ello menos pavoroso. Todos los t�cnicos de las compa��as expropiadas hab�an abandonado el pa�s y no exist�a un solo buque-tanque en nuestros puertos. En realidad, apenas se hab�a iniciado la batalla de las empresas contra M�xico.
El boicot establecido por las empresas extranjeras expropiadas fue de una magnitud enorme, pues pesaba una amenaza sobre todas las compa��as que hubieran podido comprarnos petr�leo o vendernos maquinaria, refacciones o materia prima (como el tetraetilo de plomo, que ya citamos en el cap�tulo anterior), indispensables para la industria petrolera.
Fue necesario un esfuerzo tit�nico para no dejar al pa�s sin combustible. Los actos heroicos se dieron tanto en las f�bricas como en la distribuci�n de los productos. Afortunadamente, las dificultades t�cnicas fueron vencidas con gran oportunidad. Mucho tuvieron que ver en ello los profesionales de la qu�mica que hab�an empezado a formarse en el pa�s desde 1916. A los 22 a�os de su creaci�n, la Escuela Nacional de Ciencias Qu�micas empezaba a cubrir con eficiencia la necesidad de qu�micos e ingenieros qu�micos que la nueva industria nacionalizada requer�a.
FORMAS ALOTR�PICAS DEL CARBONO
Un mismo elemento puede presentarse de diversas formas en la naturaleza, y no nos referimos precisamente a que pueda encontr�rselo gaseoso, l�quido o s�lido, sino a las diferentes formas que adquiere un elemento aun en un mismo estado de agregaci�n —por lo general el s�lido—. A �stas se las denomina formas alotr�picas y este fen�meno se conoce como alotrop�a.
De nuestro formador de cadenas, el carbono, existen dos al�tropos ampliamente conocidos: el diamante y el grafito. La existencia de ambos demuestra que las propiedades de las sustancias no dependen s�lo de los �tomos que las constituyen, sino tambi�n de c�mo se encuentran arreglados.
El grafito de un l�piz y el diamante de una joya s�lo contienen �tomos de carbono, pero �qu� diferentes son ambos s�lidos! El grafito es negruzco, brillante, quebradizo y buen conductor de la electricidad, mientras que el diamante es transparente, aislante el�ctrico y tan duro que permite cortar vidrio o bloques de granito. A pesar de las diferencias tan notables, si se calienta un diamante hasta 1 800�C, lentamente se convierte en grafito, que es el al�tropo m�s estable. A la inversa, al aplicar presiones enormes, peque��simas muestras de grafito han podido transformarse en diamante.
Recientemente se han detectado otras dos formas alotr�picas del carbono, no tan conocidas como las anteriores: el carb�n VI y los fullerenos. El primero est� constituido por una larga cadena de �tomos de carbono en los que se alternan triples enlaces y se lo ha encontrado en meteoritos y en almacenamientos terrestres de grafito. Por su parte, los fullerenos han sido la novedad cient�fica de la segunda mitad de los a�os ochenta; su s�ntesis se logr� en 1985 mediante la evaporaci�n del grafito por medio de un rayo l�ser. Uno de los fragmentos formados ten�a 60 �tomos de carbono y se encontr� que pose�a una estructura sim�trica cuasiesf�rica, muy parecida al bal�n de f�tbol, con pent�gonos y hex�gonos alternados. M�s tarde aparecieron otras mol�culas con 28, 32, 50, 70, 76 y 84 carbonos. Al al�tropo m�s abundante, el C60, se lo conoce de manera informal como futboleno, aunque formalmente todas estas formas llevan el nombre de fullerenos en honor a Buckminsterfuller, arquitecto inventor del domo geod�sico, que tiene una estructura similar.
EL DILEMA SOBRE LA TRANSFORMACI�N QU�MICA DEL PETR�LEO O SU EMPLEO COMO ENERG�TICO
Desde que M�xico tuvo en sus manos las decisiones sobre la industria petrolera fue factible aprovechar esta materia prima en forma m�s racional y eficaz. No obstante, parece que a�n se debate c�mo hacerlo con el mayor provecho para la naci�n. Leopoldo Garc�a-Col�n, uno de los cient�ficos m�s destacados de nuestro pa�s; ha dicho que "la tragedia m�s grande que le puede ocurrir a un pa�s productor de petr�leo es pensar que �ste debe destinarse esencialmente a satisfacer sus demandas energ�ticas".
En efecto, resulta un desperdicio no transformar los componentes del petr�leo para generar otros materiales, con mucho m�s valor agregado. La venta masiva de petr�leo crudo sin procesar sigue el esquema que caracteriza a los pa�ses subdesarrollados: exportar materia prima e importar productos elaborados. En un libro de esta misma colecci�n, Petroqu�mica y sociedad, Susana Chow compara elocuentemente el aprovechamiento energ�tico del petr�leo con el de la madera: �Qu� pensar�an si se les propusiera talar todos los bosques del mundo, para transformar s�lo el 7% de la madera en muebles y papel, y el resto convertirlo en le�a y carb�n? �Pues esto es lo que se est� haciendo actualmente con el petr�leo y el gas natural!
Ya veremos que este problema no es privativo de M�xico. En esencia, la utilizaci�n del petr�leo es de orientaci�n energ�tica. Este mundo nuestro es un consumidor empedernido de energ�a. En este sentido, urge desarrollar fuentes alternas energ�ticas de consumo generalizado y guardar el petr�leo para emplearlo en mejores fines, ya que pronto ser� escaso.
A pesar de los esfuerzos ya realizados, algunos de los cuales comentamos a lo largo de este capítulo, nuestro pa�s deber�a adoptar un programa m�s en�rgico de desarrollo e investigaci�n de la petroqu�mica, la ciencia de las transformaciones qu�micas del petr�leo.
F�rmula 5. Cuatro al�tropos del carbono y sus estructuras cristalinas: a)
diamante; b) grafito; c) carbono VI, y d) futboleno, C60.
PEMEX, FRUTO DE LA EXPROPIACI�N
PEMEX, la industria estatal del petr�leo desde 1940, orienta actualmente sus recursos a cuatro zonas prioritarias:
a) Chiapas-Tabasco.
b) Sonda de Campeche
c) Paleoca��n de Chicontepec
d) Cuenca de Sabinas
En la actualidad, m�s de la mitad de la extracci�n se logra en la Sonda de Campeche, en la que los pozos est�n montados en m�s de cien plataformas sobre la superficie marina. Como dato curioso, el descubrimiento de esa enorme riqueza petrol�fera tuvo lugar cuando un pescador, Rudecindo Cantarell, mientras pescaba camar�n, vio unas manchas aceitosas en la superficie, que proven�an de una chapopotera que liberaba petr�leo en el mar, a cincuenta metros de profundidad.
Las reservas probadas del petr�leo mexicano ascienden a cerca de 65 mil millones de barriles, seg�n se inform� en marzo de 1993, a 55 a�os de la expropiaci�n.
PEMEX es la industria m�s importante del pa�s, pues su contribuci�n a la econom�a es esencial. Sus autoridades han informado que el petr�leo surte 90% de la energ�a, m�s de 40% de las divisas que se captan del extranjero, y aporta alrededor de 30% de los ingresos fiscales. A 55 a�os del decreto expropiatorio, su mayor ingreso sigue siendo, con mucho, la venta de petr�leo crudo. La producci�n en 1992 fue de casi 2 700 000 barriles diarios (un barril equivale a 159 litros), de los cuales export� casi 1 400 000. De dicha exportaci�n m�s la de gas y productos petroqu�micos, PEMEX gener� ingresos por 11 700 millones de d�lares, y egresos por 4 900, de tal manera que su balanza de divisas fue positiva por un total de 6 800 millones de d�lares.
Desde 1992, PEMEX es un corporativo que se compone de cuatro organismos descentralizados:
PEMEX-Exploraci�n y Producci�n
PEMEX-Refinaci�n
PEMEX-Gas y Petroqu�mica B�sica
PEMEX-Petroqu�mica
PEMEX cubre buena parte de la producci�n petroqu�mica mexicana.
Actualmente produce 45 petroqu�micos, de los cuales comercializa 35, que obtiene
en 19 centros productivos. En 1992, la producci�n de PEMEX-Petroqu�mica
fue de 13 700 000 toneladas, o sea, �unos 170 kilogramos por habitante!
LOS PRODUCTOS PETROQU�MICOS, COMO SI FUERAN JOYAS
Imagine el lector que el carb�n pudiera transformarse a bajo costo en diamante, lo cual es factible desde el punto de vista t�cnico, pues ambos est�n constituidos exclusivamente por �tomos de carbono. E imagine tambi�n que ello no alterara el valor del diamante, y que M�xico se dedicara sistem�ticamente a exportar carb�n para que fuera procesado por otros pa�ses para fabricar diamantes y obtener estratosf�ricas ganancias. �Habr�a alg�n argumento para hacerlo y no montar aqu� inmediatamente plantas productoras de diamantes?
Algo as� sucede con el petr�leo. Su transformaci�n qu�mica permite obtener una enorme diversidad de productos muy valiosos: los petroqu�micos. No obstante, por diversas razones econ�micas, casi 1 500 000 barriles de petr�leo crudo salen diariamente de nuestros puertos. �Puede el amable lector imaginar el di�metro de una tuber�a y el flujo volum�trico que son necesarios para que circulen diariamente a trav�s de ella 240 millones de litros? Tal vez baste decir que se requerir�a llenar unas �6 000 pipas! para contener todo este l�quido. Si �ste fuera el mecanismo de transporte del petr�leo de exportaci�n, estas 6 000 pipas se tendr�an que llenar diario con el crudo del subsuelo, formar una fila india de 60 kil�metros de largo, y ser vertidas en los buque-tanques que viajan hacia otros pa�ses.
Resultado de la crisis econ�mica de los a�os ochenta fue tambi�n la disminuci�n de las inversiones productivas. Sin embargo, en a�os recientes PEMEX ha vuelto a invertir, principalmente en la instalaci�n de plantas para reducir problemas ecol�gicos. Por ejemplo, PEMEX-Refinaci�n estuvo desarrollando en 1993, 17 nuevas plantas con una inversi�n cercana a los 1 100 millones de d�lares.
Si bien es cierto que en 1982 M�xico lleg� a depender en 77.6% de las exportaciones de crudo (que resultaba una cifra escandalosa), no obstante, debido a la ca�da de los precios del barril y al crecimiento de las exportaciones manufactureras, esa relaci�n se ha modificado (71.8% en 1983, 68.6% en 1984, 68.2% en 1985, 39.3% en 1986 —al entrar M�xico al GATT— y en la actualidad se encuentra por debajo del 30%). Afortunadamente, las exportaciones se han diversificado. Los ingresos por concepto de petr�leo crudo se redujeron dr�sticamente de 16 600 millones de d�lares en 1984, a 6 300 en 1986 y fueron de 7 400 en 1992. Tal vez ahora que se reduce la tendencia a la monoexportaci�n sea un buen momento para procesar el crudo que somos capaces de extraer.
A continuaci�n, como este libro pretende informar y divulgar la ciencia central y crear conciencia de su necesidad, iniciamos un somero relato sobre c�mo se obtienen y para qu� son �tiles los materiales petroqu�micos.
La palabra petr�leo es una castellanizaci�n del lat�n petroleum (de petra piedra y oleum aceite). Nuestros antepasados aztecas y chichimecas lo conocieron y lo denominaron chappotli o chapopoctli (del n�huatl chiahuatl = grasa y poctli humo).
La formaci�n del petr�leo se entiende hoy como una serie compleja de procesos geoqu�micos ocurridos a lo largo de una centena o dos de millones de a�os. Su origen se debe a la lenta descomposici�n de la materia org�nica acumulada en cuencas marinas y lacustres, en un pasado remoto. El proceso de sedimentaci�n y enterramiento propici� los procesos qu�micos a altas presiones y temperaturas que dieron como resultado el aceite crudo y el gas natural, dentro de un ambiente rocoso. En ocasiones, estas acumulaciones profundas de petr�leo adquieren alt�simas presiones y encuentran fracturas o grietas por las cuales el aceite emigra hacia la superficie.
Originalmente, en M�xico se encontr� petr�leo a flor de tierra, en las llamadas chapopoteras naturales u ojos de aceite. Los usos que los nativos dieron al aceite crudo son bien conocidos. Sin embargo, es hacia fines del siglo XVII cuando la humanidad se percata de su valor real y se inicia su explotaci�n en formas diversas y rudimentarias. El primer pozo petrolero del mundo se perfor� en Estados Unidos en 1859.
A partir de esa fecha se inicia la etapa de la exploraci�n en M�xico. Los pioneros desarrollaron sus esfuerzos bas�ndose en la presencia de chapopoteras, pero les falt� el equipo necesario para seguir adelante. Los ojos de aceite volvieron a llamar la atenci�n desde el inicio del siglo XX, cuando la primera compa��a extranjera compr� un terreno de 118 000 hect�reas que abarcaba parte de los estados de San Luis Potos�, Tamaulipas y Veracruz. El due�o de la hacienda quer�a venderla "porque esos ojos de petr�leo resultan un problema para la ganader�a". Curiosamente, por la venta le ofrecieron el triple de la suma que ped�a (300 000 pesos), por lo que accedi� inmediatamente a ese "buen negocio". Desde luego, una fuerte compa��a era la que hab�a hecho esta oferta, la Huasteca Petroleum Company. En abril de 1904, despu�s de una perforaci�n de poco m�s de 500 metros, el pozo La Pez N�m. 1 lanz� el primer gran chorro de petr�leo y empez� a producir unos 1 500 barriles diarios.
Los componentes esenciales del petr�leo son los hidrocarburos. Reciben el nombre gen�rico de hidrocarburos las sustancias qu�micas compuestas solamente por dos tipos de �tomos: carbono e hidr�geno. A pesar de esta limitante, el n�mero de los hidrocarburos existentes es enorme. Son los compuestos org�nicos m�s sencillos.
Debido a que est�n constituidos por esos dos elementos, su f�rmula general puede escribirse como:
donde los n�meros enteros n y m representan el n�mero de �tomos de cada elemento que contiene la mol�cula de un hidrocarburo dado.
Los qu�micos pioneros del siglo pasado, basados en el an�lisis qu�mico —que permite conocer los elementos presentes en un compuesto, as� como la proporci�n en que se encuentran— fueron capaces de reconocer que el carbono ten�a una capacidad de combinaci�n de cuatro. Es decir, que en muchos compuestos de carbono este �tomo se enlaza qu�micamente con otros cuatro �tomos vecinos. En la jerga qu�mica se dice que el carbono es tetravalente, o que su valencia es cuatro.
La raz�n por la que existen tantos hidrocarburos es la facilidad que tienen los �tomos de carbono para enlazarse entre s�, formando cadenas moleculares. De esta manera, por lo menos uno de los cuatro enlaces de cada carbono se establece con otro �tomo de carbono vecino. En los hidrocarburos, el resto de los enlaces corresponde a uniones carbono-hidr�geno.
Por tratarse de un elemento excepcional que f�cilmente se enlaza consigo mismo, la qu�mica del carbono merece estudio aparte: la qu�mica org�nica. El n�mero de compuestos org�nicos conocidos es enorme (v�ase el cuadro 5).
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CUADRO 5. Crecimiento del n�mero de compuestos org�nicos conocidos. |
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LA EXTRACCI�N DEL PETR�LEO CRUDO
El petr�leo es una endemoniada mezcla de multitud de hidrocarburos gaseosos, l�quidos y s�lidos. Aunque en menor proporci�n, puede contener tambi�n otros compuestos con elementos diferentes del carbono e hidr�geno, tales como oxigeno (O), azufre (S), nitr�geno (N) y hasta algunos metales, como vanadio (V), n�quel (Ni) o hierro (Fe).
F�rmula 6. a) Tetravalencia del carbono. Este �tomo se liga con otros cuatro por medio de enlaces que apuntan hacia los v�rtices de un tetraedro. Se acostumbra colocar una cu�a al enlace que apunta hacia fuera del plano del papel y una l�nea punteada para el que sale hacia atr�s.
El petr�leo no existe en el interior de la corteza terrestre como en una alberca,
sino que llena los poros de ciertas rocas.
Debido a la presi�n a la que se encuentra sometido el petr�leo, en cuanto la perforaci�n del pozo llega al manto petrol�fero fluye a trav�s de los poros de las rocas y sube por la tuber�a. Conforme se extrae el petr�leo, la presi�n disminuye en el interior y, al cabo de los a�os, deja de fluir.
En ese momento el pozo se tapa o se intentan otros procedimientos de recuperaci�n del petr�leo, el cual a�n moja todo el interior rocoso del pozo. Por ejemplo, al inyectar vapor dentro de un pozo aparentemente agotado se logra volver a levantar la presi�n y, como el petr�leo es menos denso que el agua que se condensa, �ste vuelve a fluir por la boca del pozo. En 1992, casi 30% de la producci�n nacional de crudo se obtuvo mediante esta t�cnica. Actualmente se realiza mucha investigaci�n en esta direcci�n de recuperaci�n secundaria o terciaria, como se la ha llamado.
Frecuentemente, la parte superior del entrampamiento est� ocupada por los hidrocarburos gaseosos m�s ligeros, el denominado gas natural. La composici�n del gas natural es variable, pero el componente m�s abundante siempre es el metano (entre 70 y 90%), seguido del etano (entre 5 y 20%) y del propano (entre 5 y 1%) —v�anse sus estructuras moleculares en la f�rmula 6.
El aceite l�quido por debajo del gas natural est� formado por hidrocarburos que tienen entre 5 y 20 o m�s �tomos de carbono. En �l est�n disueltos otros hidrocarburos s�lidos con mayor n�mero de �tomos de carbono, as� como parte de los hidrocarburos gaseosos, que se disuelven debido a la alta presi�n del pozo. El aceite crudo tiene un color que var�a entre caf� oscuro o verde hasta casi incoloro.
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CUADRO 6. Los primeros productores mundiales de crudo en 1986. |
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Tal cual es, el petr�leo crudo tiene poco uso. Tiene que ser refinado para obtener de �l productos �tiles. Como toda mezcla, sus propiedades var�an de pozo en pozo. Es m�s preciado el petr�leo que contiene una mayor proporci�n de hidrocarburos con pocos �tomos de carbono, o crudo ligero, ya que permite obtener mayor cantidad de gasolina y de productos petroqu�micos.
Figura 8. Esquema de un pozo de petr�leo.
Su precio siempre es mayor que el del crudo pesado, el cual es un poco m�s dif�cil de procesar. En M�xico contamos con ambos tipos de crudo, y aqu� reciben el nombre de crudo istmo, el ligero, y crudo maya, el pesado. Desde 1988 se han encontrado yacimientos de crudo super ligero, al que se ha denominado crudo olmeca. En 1992, las exportaciones de crudo alcanzaron los 7400 millones de d�lares, 25% correspondi� al tipo istmo, 60% al maya y 15% al olmeca. Los principales pa�ses de destino fueron Estados Unidos (58.3%), Espa�a (17.5%), Jap�n (6.6%) y Canad� (2.3%).
ENLACES DOBLES Y TRIPLES. LA SERPIENTE DE KEKUL�
Cuando en una f�rmula el qu�mico coloca una raya entre dos �tomos enlazados, est� diciendo que una pareja de electrones los mantiene unidos. En los hidrocarburos de la f�rmula 6 se presenta este tipo de uni�n, llamada enlace sencillo. A los hidrocarburos de cadena abierta como �stos se los llama alcanos. Sin embargo, ocurre tambi�n que cuatro o seis electrones sirvan de lazo de uni�n entre dos �tomos de carbono, en cuyo caso hablamos de enlaces dobles o enlaces triples. A los hidrocarburos con estos enlaces reforzados se los llama alquenos y alquinos, respectivamente. La f�rmula 7 muestra algunos ejemplos.
F�rmula 7. Los alquenos m�s simples son la base de productos polim�ricos ampliamente utilizados: a) etileno, b) propileno, c) acetileno, el alquino con dos �tomos de carbono. A este �ltimo se lo emple� para el alumbrado p�blico antes de la aplicaci�n de la electricidad.
Como seis electrones enlazan mejor que cuatro y �stos mejor que dos, la distancia
entre �tomos de carbono es menor en un triple enlace que en uno doble y que
en uno sencillo (v�ase la f�rmula 8).
F�rmula 8. Distancia carbono-carbono en los enlaces sencillo, doble y triple. Un pic�metro (pm) es la billon�sima parte de un metro.
Los hidrocarburos forman ciclos, de una manera parecida a como un perro se muerde la cola. Es cosa de que el �ltimo carbono de una cadena abierta se enlace con el primero. Un par de compuestos c�clicos de utilidad se muestran en la f�rmula 9.
Un hidrocarburo muy especial es el benceno, que tiene la f�rmula C6H6. Se dice que Friedrich August Kekul�, un notable qu�mico alem�n del siglo pasado, resolvi� el problema de su estructura en 1866, cuando so�� a una serpiente que se com�a su propia cola. En efecto, el benceno es un hidrocarburo c�clico, aunque su reducido n�mero de hidr�genos habla de la presencia de enlaces m�ltiples.
F�rmula 9. Hidrocarburos c�clicos. a) Ciclopropano, un potente anest�sico empleado en cirug�a. b) Mentol. El principio activo de la menta cuenta con un anillo de seis carbonos (ciclohexano).
F�rmula 10. a) Estructuras del benceno seg�n Kekul�. b) Concepci�n actual del benceno. Los electrones de los dobles enlaces propuestos por Kekul� no se hallan entre pares espec�ficos de �tomos de carbono. En realidad se encuentran deslocalizados alrededor de todos los �tomos del ciclo, lo cual se representa por el c�rculo punteado.
En qu�mica org�nica es com�n representar las f�rmulas de los compuestos en forma de una gr�fica que condensa la informaci�n. Las reglas son: a) eliminar la escritura de los s�mbolos de carbono e hidr�geno, b) cada trazo lineal representar� una uni�n carbono-carbono, y c) evitar la escritura de los enlaces carbono-hidr�geno.
Se han colocado tres ejemplos de esta taquigraf�a en la f�rmula 11.
F�rmula 11. F�rmulas desarrolladas y gr�ficas de tres compuestos: a) Butadieno. B) Ciclopropano. C) Benceno.
Esta simplificaci�n de las f�rmulas, como se ver�, es de mucha utilidad para ahorrar tinta y tiempo. Convierte adem�s al qu�mico en un experto trazador de figuras geom�tricas.
UTILIZACI�N GLOBAL DEL PETR�LEO
Del petr�leo se aprovecha tanto el gas natural como el aceite crudo. En la figura 9 se presenta, a partir de datos de la ONUDI (Organizaci�n de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial), el destino mundial anual (1980) de los 1 100 millones de toneladas producidas de gas natural y de los 3 000 millones de toneladas de aceite crudo.
Figura 9. Destino de los hidrocarburos del petr�leo en el �mbito mundial
(en toneladas por a�o). (Fuente: ONUDI, The Petrochemical Industry
in Developing Countries, 1985.)
Podemos observar que una proporci�n alta del destino final del petr�leo es su combusti�n como energ�tico. Unicamente alrededor de 7% se utiliza para la obtenci�n de productos petroqu�micos. Por lo visto, el mercado mundial no da para m�s.
Por lo pronto, vale la pena detenernos un poco en el cuadro de refinaci�n. M�s adelante nos ocuparemos tanto de la petroqu�mica que se deriva del gas natural (120 millones de toneladas al a�o, de acuerdo con la figura 9) como del aceite crudo (210 toneladas anuales). Pero antes de empezar veamos uno de los peligros existentes detr�s de los hidrocarburos.
Con la industrializaci�n de Europa en el siglo pasado se descubri� que los trabajadores del carb�n y los deshollinadores de chimeneas desarrollaban c�ncer en la piel. Hacia 1915, en el Jap�n, se demostr� que bastaba pintar a un conejo con alquitr�n (un derivado de la pir�lisis del carb�n de hulla) para que se le indujera c�ncer.
Se estima que m�s de 50% del c�ncer humano es producido por sustancias carcinog�nicas que se hallan en el medio ambiente. Los ejemplos del p�rrafo anterior han ratificado que algunos hidrocarburos arom�ticos polic�clicos producen c�ncer (v�ase la f�rmula 12). Parece que el benceno tambi�n causa c�ncer.
El benzopireno es uno de los carcin�genos m�s poderosos y se lo considera una de las principales causas del c�ncer pulmonar. Se produce en la combusti�n de diversos productos org�nicos, como la gasolina, el di�sel y, desde luego, los cigarros. Se lo ha encontrado incluso en alimentos preparados por combusti�n directa, como los famosos tacos al carb�n.
No son del todo bien conocidas las razones por las que algunos hidrocarburos producen c�ncer y otros no. Se manejan hip�tesis relativas a la distribuci�n de los electrones y otras relacionadas con el tama�o de las mol�culas (para que se intercalen apropiadamente en el ADN).
F�rmula 12. Reciben el nombre de arom�ticos todos los compuestos derivados del benceno (v�ase la f�rmula 10). Los aqu� mostrados re�nen varios ciclos benc�nicos en la misma mol�cula. Algunos de estos compuestos inducen c�ncer por el contacto prolongado con ellos. a) Antraceno (no es carcin�geno). b) Benzo [a] antraceno (es carcin�geno). c) Pireno (no es carcin�geno) . d) Benzo [a] pireno (es un carcin�geno muy potente).
Como ya mencionamos, el petr�leo crudo es una mezcla de miles de hidrocarburos y otros compuestos. La forma elemental de aumentar su valor es separar de �l distintas fracciones de compuestos semejantes.
Para empezar, se eliminan los s�lidos t�rreos suspendidos en el crudo y de inmediato se env�a �ste a la refiner�a. All� el primer paso es la destilaci�n del crudo. En este proceso se aprovecha que cada compuesto tiene una temperatura caracter�stica de ebullici�n. En el laboratorio bastan un mechero, un matraz y un refrigerante para separar una mezcla por destilaci�n. Sin embargo, en la industria se requieren enormes equipos que se denominan torres de destilaci�n. El diagrama de una torre de destilaci�n primaria se muestra en la figura 10.
Antes de su ingreso a la torre, el petr�leo crudo es precalentado en hornos que queman gas natural. Por motivos de ahorro energ�tico, las mism�simas corrientes que salen de la torre, desde la menos hasta la m�s caliente, tambi�n se utilizan en el precalentamiento del aceite crudo, antes de entrar al horno. Ello implica un ahorro de gas natural. As�, en ocasiones el crudo se aprovecha para condensar el gas que sale por la parte superior de la torre (v�ase la figura 10) y para enfriar el resto de las corrientes de salida. En este trayecto el crudo se precalienta y est� listo para entrar al horno, y finalmente a la torre.
Figura 10. Torre de destilaci�n primaria y tren de calentamiento de crudo. En el interior de la torre existen dos corrientes que fluyen en direcciones opuestas. Hacia arriba marcha la fase gaseosa, impulsada por el rehervidor de la parte inferior. Hacia abajo cae por gravedad la fase l�quida, alimentada por el condensador de la parte superior. En cada plato de la torre el gas y el l�quido entran en contacto �ntimo. El resultado es que los compuestos m�s vol�tiles y ligeros pasan a la fase gasosa, con lo que contin�an su ascenso hacia el plato superior, mientras que los menos vol�tiles se condensan como l�quidos y acompa�an esta fase hacia el plato inferior.
Para el ingeniero qu�mico, el dise�o de una torre de �stas es un problema cl�sico de su profesi�n. �Qu� di�metro proponer para la torre? �Cu�ntos platos de contacto l�quido-vapor hacen falta? �En qu� plato alimentar el crudo? �A qu� temperatura debe introducirse? �Cu�nto vapor alimentar al rehervidor?
El arranque de la planta de destilaci�n es otro bello problema: �c�mo lograr que las corrientes destiladas, que antes constitu�an el crudo, sean las que lo precalienten? Pruebe el lector su ingenio para sugerir un procedimiento de arranque.
La temperatura cambia a lo largo de la torre. En la parte superior se tiene la m�s baja, donde se encuentran en equilibrio los componentes m�s ligeros (y de menor punto de ebullici�n). Por el contrario, en la parte inferior la temperatura es mucho m�s alta y lo es tambi�n la proporci�n de los componentes pesados y menos vol�tiles.
Como se colocan diversas salidas laterales en la torre, el petr�leo crudo logra separarse en varias fracciones, cada una con un diferente intervalo de temperaturas de ebullici�n e hidrocarburos de diferente n�mero de carbonos en su cadena (v�ase el cuadro 7).
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CUADRO 7. Fracciones del petr�leo que abandonan la torre de destilaci�n. |
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En la figura 11 se muestra un cuadro sin�ptico con los destinos principales de las fracciones del petr�leo. Cada una de las corrientes que abandonan la torre primaria de destilaci�n recibe tratamientos posteriores en la propia refiner�a o en plantas externas.
Figura 11. Destino de las diferentes fracciones del petr�leo, despu�s de la destilaci�n primaria.
Cada uno de estos procesos posteriores a la destilaci�n proporciona mayor valor agregado a los productos del petr�leo y los transforma en bienes mucho m�s aprovechables directamente por la poblaci�n. La industria del petr�leo consiste en un frondoso �rbol cuyo tronco es el petr�leo (crudo m�s gas natural), sus ramas principales son los efluentes de la destilaci�n primaria, y cada una de �stas se deriva hacia diversos procesos ulteriores.
As�, el largo camino que parte del petr�leo en el pozo y que llega hasta la camisa que usamos, consta de toda una secuencia de pasos, conocida como cadena productiva. Se entiende por cadena productiva una estructura eslabonada de productos petroqu�micos que, con base en los productos b�sicos de la refiner�a, establece una secuencia geneal�gica que pasa por los petroqu�micos intermedios y llega a los de uso final, que sirven como materia prima de multitud de bienes de consumo.
En este libro tendremos oportunidad de conocer algunas de estas cadenas productivas.
En qu�mica se emplea el t�rmino is�mero para designar a dos compuestos con la misma f�rmula (lo cual implica la misma composici�n porcentual de cada elemento), pero cuyas mol�culas muestran un ordenamiento espacial diferente de sus �tomos. Por ejemplo, el �ter met�lico y el alcohol comercial son sustancias isom�ricas. Sus f�rmulas condensadas son C2H6O, pero sus f�rmulas moleculares revelan diferencias (v�ase la f�rmula 13).
Esa diferente posici�n del �tomo de ox�geno es crucial. En ambos casos tenemos l�quidos vol�tiles transparentes, pero uno es un potente anest�sico (�ter) y el otro un t�xico peligroso (es el bien conocido alcohol que encontramos en el vino, la cerveza, el pulque, el tequila, etc�tera).
F�rmula 13. Dos mol�culas isom�ricas. Obs�rvese que contienen el mismo n�mero de �tomos de cada elemento, esto es, seis hidr�genos, dos carbonos y un oxigeno: a) �ter met�lico; b) alcohol et�lico.
En los hidrocarburos aparece frecuentemente el fen�meno de la isomer�a. Ello
es clave, por ejemplo, en el octanaje de una gasolina.
Las gasolinas mexicanas (Nova y Extra) se vend�an con dos grados de octanaje hasta 1990. Hoy las gasolinas comerciales son la Nova y la Magna Sin, esta �ltima para los autom�viles fabricados desde 1991 que cuentan con un convertidor catal�tico para reducir la contaminaci�n, del que hablaremos m�s adelante. Por lo pronto respondamos a la pregunta, �qu� es el octanaje?
Un motor est� dise�ado para que la gasolina gasificada sea admitida al pist�n y, luego de ser comprimida, explote por la acci�n de la chispa de la buj�a. No son adecuadas aquellas gasolinas que explotan por el solo hecho de comprimirlas, pues se queman prematuramente (el fen�meno se llama preignici�n). Esto produce que el pist�n se extienda antes de que el cigue�al haya completado su ciclo. El resultado es un golpeteo constante, que se conoce como cascabeleo, que tarde o temprano acaba con los motores.
La mayor o menor tendencia a no producir cascabeleo se mide por el octanaje (o grado de octano) de cada gasolina. Las gasolinas con mayor octanaje son las que producen menor cascabeleo, mientras que las de menor octanaje son m�s susceptibles de preignici�n.
De forma arbitraria se ha asignado el octanaje de 0 y 100, respectivamente a dos hidrocarburos puros: el n-heptano, que trabaja p�simamente en los motores, y el 2,2,4-trimetilpentano (un is�mero del octano C8H18), que se desempe�a muy bien (v�ase la f�rmula 14).
Por ejemplo, cuando decimos que una gasolina tiene un octanaje de 80, queremos indicar que, ante la combusti�n en el motor, se comporta igual que una mezcla de 80% de 2,2,4-trimetilpentano y 20% de n-heptano.
F�rmula 14. Conforme m�s ramificaciones hay en un hidrocarburo, el octanaje aumenta; a) n-heptano (0 octanos); b) 2,2,4-trimetilpentano (100 octanos); c) 2,2,3,3-tetrametilbutano (103 octanos).
Cada hidrocarburo tiene un octanaje caracter�stico en esta escala. La mayor�a
se encuentra entre el 0 y el 100, pero pueden ocurrir los octanajes negativos
(para los hidrocarburos que se comportan todav�a peor que el n-heptano) o los
mayores de cien (para los que son mejores que el 2,2,4-trimetilpentano). Los
is�meros lineales (como el n-heptano) poseen el peor octanaje, mientras que
aquellos con m�s ramificaciones son �ptimos (v�ase el cuadro 8). Por ejemplo,
otro is�mero del octano, el 2,2,3,3-tetrametilbutano de la f�rmula 14 (c)
tiene un octanaje de 103. Asimismo, los hidrocarburos benc�nicos, tambi�n llamados
arom�ticos (derivados del benceno, el hidrocarburo de la f�rmula 10)
son de alto octanaje.
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CUADRO 8. Octanaje de algunos hidrocarburos puros. |
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Esto no quiere decir que los hidrocarburos lineales no tengan utilidad. Son malos componentes de las gasolinas, pero resultan indispensables en otros procesos industriales (por ejemplo, para extraer aceites de semillas como la soya, el algod�n, el ma�z, el ricino, el cacahuate y el lino).
CAT�LISIS. LA FORMA QU�MICA DE METER EL ACELERADOR
Cada cambio qu�mico sucede a una velocidad caracter�stica, en funci�n de una variedad de condiciones. Mientras que existen fen�menos qu�micos extraordinariamente r�pidos, tambi�n los hay desesperantemente lentos. Una explosi�n es un ejemplo de un fen�meno qu�mico veloz. Por contraste, los diamantes se convierten lentamente en grafito, en un proceso que dura millones de a�os.
Cuando se trata de un proceso qu�mico para producir un bien determinado, el factor econ�mico entra en juego y el qu�mico debe idear formas de acelerar su ocurrencia. Para ello hace participar alguno de los siguientes par�metros:
| a) | La concentraci�n de los compuestos que reaccionan. Si �sta aumenta, existe mayor probabilidad de que sus mol�culas se encuentren y reaccionen. |
| b) | La temperatura. Por lo general, el calentamiento aumenta la velocidad de reacci�n. Los refrigeradores utilizan este principio, ya que al mantener fr�a la comida se reduce su velocidad de descomposici�n. |
| c) | El tama�o de las part�culas. Si alg�n reactivo es un s�lido, conviene molerlo finamente. |
| d) | Catalizadores. Son sustancias que aceleran la reacci�n, pero que quedan intactas al final de la misma (v�ase la figura 12). Por otra parte, se llama inhibidores a las sustancias que retardan la velocidad de las reacciones qu�micas. En la industria alimentaria, los conservadores, sustancias preservativas y antioxidantes son inhibidores que retardan la descomposici�n de la comida. |
Sin duda, la cat�lisis es clave en la industria del petr�leo. Es m�s, cerca de 90% de todos los procesos qu�micos industriales incluyen la presencia de un catalizador.
Figura 12. Ejemplo del efecto de un catalizador. a) La molecula A-A es absorbida en el llamado sitio activo del catalizador. b) La mol�cula B-B arriba tambi�n al sitio activo, en donde se rompen los enlaces A-A y B-B y se forman los nuevos enlaces A-B. c) Los productos abandonan el sitio activo.
Entre ellos, tal vez los m�s importantes sean, por su volumen:
- La producci�n de amoniaco, NH3, base de los fertilizantes nitrogenados;
- la s�ntesis de �cido sulf�rico, el producto qu�mico m�s extendido (se producen anualmente unos 150 millones de toneladas en el mundo);
- la hidrogenaci�n de aceites comestibles;
- la desintegraci�n catal�tica, y
- la reformaci�n del petr�leo.
M�s adelante comentaremos algunos de estos procesos.
La cat�lisis no es privativa de la industria. Se presenta diariamente, en cada momento, en el interior de nuestros organismos. Las enzimas (prote�nas globulares de las que nos ocuparemos al final del siguiente cap�tulo) controlan casi todas las reacciones qu�micas corporales, con lo que hacen posible la vida. De este tama�o es la importancia de la cat�lisis.
Ya que la ciencia central nos ayuda a modificar a voluntad el arreglo at�mico en los compuestos, su acci�n puede utilizarse para transformar hidrocarburos de bajo octanaje en otros con alto �ndice de octano.
La participaci�n de la qu�mica en las refiner�as ha resuelto dos problemas graves:
a) que la gasolina natural que se obtiene por destilaci�n s�lo alcanza un octanaje cercano a 50 y no puede utilizarse tal cual, para los motores de combusti�n interna;
b) que la gasolina natural s�lo constituye de 20 a 30% del petr�leo crudo y esa cantidad es insuficiente para satisfacer la demanda.
Por lo menos, son tres los tipos de reacciones qu�micas que ayudan a obtener
artificialmente m�s y mejor gasolina:
1) Desintegraci�n t�rmica y catal�tica:
Mediante este proceso se rompen los hidrocarburos de cadenas muy largas en dos o m�s que cuentan con cinco a nueve carbonos, los cuales sirven como gasolinas. La desintegraci�n t�rmica logra este efecto gracias a la elevaci�n de la temperatura. Sin embargo, la presencia de un catalizador (acelerador de reacciones) puede servir para lograr el mismo efecto a bajas temperaturas y presiones.
2) Reformaci�n:
La reformaci�n es otro proceso catal�tico que transforma
un is�mero lineal en uno ramificado o en uno arom�tico, mediante el cual se
logra aumentar el octanaje de la gasolina.
3) Alquilaci�n:
El proceso inverso a la desintegraci�n es la reuni�n de dos hidrocarburos ligeros
para formar uno solo. Se conoce como alquilaci�n. Esta s�ntesis puede lograrse
cuando uno de los hidrocarburos posee un doble enlace carbono-carbono. Los catalizadores
usados tienen especial atracci�n hacia este doble enlace, al cual debilitan
a cambio de formar el lazo de uni�n entre las sustancias reaccionantes.
F�rmula 16. Reformaci�n del n-hexano. Los productos pueden ser hidrocarburos ramificados o benceno (ambos son de alto octanaje).
F�rmula 17. Una reacci�n de alquilaci�n que produce el hidrocarburo con 100 octanos.
Mediante la alquilaci�n se obtienen hidrocarburos con ramificaciones, o sea, de alto �ndice de octano.
Este proceso tambi�n es �til para que las gasolinas no se evaporen f�cilmente. Por ejemplo, un hidrocarburo de cinco carbonos —un pentano— tiene un punto de ebullici�n muy bajo. Si mediante alquilaci�n se puede transformar en uno de seis o siete �tomos de carbono, su tendencia a volatilizarse es menor.
Este aspecto est� cobrando una importancia enorme, pues se sabe que la presencia de ozono contaminante en la atm�sfera de las grandes ciudades se debe a ciertas reacciones entre hidrocarburos, �xidos de nitr�geno y el ox�geno del aire, que se llevan a cabo en presencia de la luz del Sol. As�, para reducir la presencia de ozono en la atm�sfera resulta importante disminuir la concentraci�n de hidrocarburos, en vista de lo cual PEMEX realiza actualmente varios proyectos de plantas de alquilaci�n para que las gasolinas no sean tan vol�tiles, y as� los hidrocarburos ligeros no se evaporen f�cilmente al ambiente.
ANTIDETONANTES Y CONTAMINACI�N POR PLOMO
Aunque no se sabe con certeza la forma en que act�a, la adici�n de una peque�a cantidad de tetraetilo de plomo basta para elevar en forma sustancial el octanaje de una gasolina. Si a un litro de gasolina con 100 octanos se agregan dos mililitros de tetraetilo de plomo, el resultado es una gasolina con 120 octanos. El tetraetilo de plomo eleva m�s el �ndice de octano si es a�adido a hidrocarburos ramificados. Adem�s, tiene un curioso efecto detergente y lubricante sobre los pistones.
Sin embargo, el plomo liberado despu�s de la combusti�n de la gasolina Nova es un contaminante peligroso. El contacto prolongado con el plomo produce la enfermedad llamada saturnismo, que antes era caracter�stica de los mineros.
Una persona normal puede excretar alrededor de 2 000 microgramos de plomo al d�a. No obstante, si la entrada de plomo es mayor; este metal se acumula en el organismo y causa diversos problemas en el sistema nervioso central.
En 1985, la Organizaci�n Mundial de la Salud (OMS) realiz� un trabajo que cubri� doce grandes ciudades. All� se inform� que los habitantes de la ciudad de M�xico cont�bamos con el nada gratificante r�cord de poseer la mayor concentraci�n de plomo en la sangre: 22 microgramos por decilitro, en promedio.
El plomo aparece en nuestra comida, pues por cada kilogramo ingerimos tambi�n unos 100 a 300 microgramos de plomo, que provienen principalmente de los barnices de las vajillas que empleamos; en nuestra agua, ya que unos 100 microgramos por litro son de plomo, que provienen de las tuber�as por las que atraviesa, que son de plomo o est�n soldadas con �l; y en nuestro aire, por la combusti�n del tetraetilo de las gasolinas y por efluentes de otras industrias que utilizan este elemento.
Hace unos a�os se abusaba del plomo como ingrediente para fabricar pigmentos. Su empleo se limit� cuando se estim� que hab�a sido la causa de muerte de alrededor de 200 ni�os en Estados Unidos. Las investigaciones de la OMS indican que si la sangre de un ni�o contiene al nacer m�s de 10 microgramos por decilitro, aqu�l pudiera presentar un retraso mental los dos primeros a�os de su vida.
A todo esto se expon�a a los ni�os habitantes del Distrito Federal. Por ello result� imprescindible reducir el contenido de plomo en las gasolinas y buscar antidetonantes que sustituyeran al tetraetilo de plomo. Desde septiembre de 1992, a la gasolina Nova que se expende en la zona metropolitana de la ciudad de M�xico solamente se a�aden 0.1 ml de tetraetilo por cada litro. En tal virtud, y debido asimismo a la aparici�n de la gasolina Magna Sin, las mediciones de plomo en la atm�sfera de la ciudad de M�xico en todo 1993 no rebasaron la norma internacional permisible.
�GASOLINA OXIGENADA? LA LUCHA CONTRA LA CONTAMINACI�N
Por otra parte, para reducir la contaminaci�n vehicular se desarroll� un convertidor
catal�tico por el que atraviesan los gases del escape. Mediante una reacci�n
catal�tica propiciada por metales pesados (platino, paladio y rodio) se logra
reducir las emisiones de mon�xido de carbono, hidrocarburos y �xidos de nitr�geno
(el primero es un potente veneno para el organismo y los segundos, como ya se
mencion�, son los precursores de la formaci�n de ozono en la baja atm�sfera).
Sin embargo, la presencia de plomo en la gasolina destruye la acci�n del catalizador,
pues se dice que el plomo lo envenena. Debido a ello, para instalar dicho
convertidor en todas las unidades automotoras nuevas fue necesario desarrollar
un nuevo tipo de gasolina sin plomo, que es la Magna Sin. Esta gasolina contiene
un nuevo antidetonante, que es el metilterbutil �ter, o MTBE (v�ase
f�rmula 18) que es un compuesto con un �tomo de ox�geno. Por ello se dice que
la Magna Sin es una gasolina oxigenada.
Esta acci�n es una aportaci�n m�s de la qu�mica en la lucha contra la contaminaci�n. En 1992 PEMEX a�adi� m�s de 3 000 millones de litros de MTBE a la gasolina de los autom�viles en M�xico.
Por otra parte, adem�s del cierre de la refiner�a de Azcapotzalco, en 1992
se redujo el contenido de azufre en el gas�leo industrial que se quema en la
zona metropolitana, y en octubre de 1993 apareci� en el mercado el di�sel Sin,
que es un combustible di�sel con menos de 0.5% de azufre. En este caso, logramos
obtener el producto al mismo tiempo que en Estados Unidos, lo cual habla de
la calidad de nuestro personal t�cnico y cient�fico en la industria de la refinaci�n
del petr�leo. Con todas estas acciones disminuy� notablemente la presencia de
di�xido de azufre, SO2, en el aire de la ciudad,
el cual en los �ltimos a�os ha permanecido por debajo de la norma internacional
aceptada.
F�rmula 18. �ter metil-terbut�lico, base de la gasolina oxigenada. Hasta
ahora hemos tenido que importarlo, pero pronto PEMEX tendr� la
capacidad de producir todo el necesario.
Para que una sustancia sea �til como combustible, debe desprender una gran cantidad de calor cuando reacciona con el ox�geno. La f�rmula 19 presenta la combusti�n completa de un octano.
F�rmula 19. Reacci�n qu�mica que se lleva a cabo en los motores de combusti�n interna. Se necesitan 25 mol�culas de ox�geno para quemar dos mol�culas de octano. Si el motor no recibe el aire suficiente, la reacci�n puede no ser �sta, sino la que produce mon�xido de carbono (CO), que es sumamente venenosos. Entre otras cosa, por eso conviene afinar puntualmente el motor de un veh�culo.
Vale la pena desviarnos un �pice del tema de este cap�tulo para presentar otras
sustancias que son a�n mejores combustibles que los hidrocarburos. Por ejemplo,
la hidrazina (N2H4), un hidruro del nitr�geno,
es la sustancia preferida para el lanzamiento de cohetes y misiles. Este compuesto
llev� al hombre a la Luna. Su combusti�n, adem�s de calor; s�lo produce agua
y nitr�geno gaseoso (v�ase la f�rmula 20); es un combustible no contaminante.
F�rmula 20. Reacci�n de combusti�n de la hidrazina.
En la d�cada de los cincuenta se esperaba que los hidruros de otro elemento, el boro, fueran excelentes combustibles. Se iniciaron en Estados Unidos diversos programas de investigaci�n, cuyo resultado fue aparentemente un fracaso. Los hidruros de boro, al quemarse, generaban �xidos s�lidos inmanejables. Sin embargo, como un ejemplo m�s de que todo nuevo conocimiento es �til, el �rea que se inici� fue de las m�s importantes y estrat�gicas de la qu�mica inorg�nica.
Por ejemplo, hoy se producen 2 000 toneladas anuales de borohidruro de sodio (NaBH4), un excelente agente reductor en transformaciones qu�micas. Su paternidad se debe al qu�mico H.C. Brown, quien luego abri� brecha en el uso de los compuestos de boro para la s�ntesis de mol�culas org�nicas, por lo que recibi� el Nobel de qu�mica en 1979.
Un compuesto de boro, el hidruro llamado diborano, B2H6,
revolucion� muchos aspectos de la qu�mica. Se inflama en contacto con el aire,
liberando m�s calor que cualquier hidrocarburo o la hidrazina, y su estructura
muestra un �tomo de hidr�geno enlazado a otros dos �tomos (v�ase la f�rmula
21), a pesar de que aparentemente no existen los electrones necesarios para
ello. Estos compuestos deficientes en electrones son tema actual de investigaci�n
en el mundo. Un grupo de investigaci�n del Centro de Investigaci�n y Estudios
Avanzados del IPN tiene contribuciones notables en este campo.
F�rmula 21. Diborano. Los hidr�genos puente entre los dos boros se encuentran por encima y por debajo del plano del papel. Ambos muestran una valencia de dos (est�n enlazados a dos �tomos).
La mayor parte de los compuestos arom�ticos del petr�leo o de los producidos en la refinaci�n se utilizan para aumentar el octanaje de las gasolinas. Sin embargo, en algunas refiner�as se establecen procesos para la producci�n amplia de estos compuestos. Por ejemplo, en M�xico existe un tren de arom�ticos en La Cangrejera, Veracruz —por ahora el complejo petroqu�mico m�s importante de Am�rica Latina— y en la refiner�a L�zaro C�rdenas de Minatitl�n.
La Cangrejera consta de veinte plantas, siete de las cuales se dedican a la producci�n de arom�ticos (v�ase la f�rmula 22).
F�rmula 22. Los derivados m�s comunes del benceno. a) Metilbenceno o tolueno. b) Etilbenceno. c) Is�meros del dimetilbenceno o xilenos. El primero se llama orto-xileno, le siguen el meta-xileno y el para-xileno.
Para empezar, una planta reformadora BTX (por benceno-tolueno-xileno)
transforma una carga que s�lo contiene de 5 a 10% de arom�ticos en un efluente
con 42 a 47%, una notable muestra de transformaci�n qu�mica catal�tica. Otra
de las plantas, la de xilenos plus emplea otro proceso catal�tico para
aumentar el contenido de xilenos y etilbenceno. Una tercera planta catal�tica
se encarga de la isomerizaci�n de xilenos, y as� de elevar la proporci�n del
is�mero para-xileno, que se emplea posteriormente para la fabricaci�n de fibras
poli�ster (ropa), adhesivos y pinturas, tintas, herbicidas y recubrimientos.
En segundo t�rmino vienen las plantas fraccionadora y extractora de arom�ticos. El principio de �stas es la destilaci�n. En el cuadro 9 se muestran las temperaturas de ebullici�n de los productos arom�ticos primarios.
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CUADRO 9. Temperaturas de ebullici�n de arom�ticos. |
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Los dos primeros compuestos son f�cilmente destilables. Sin embargo, note el amable lector la poca diferencia entre las temperaturas de ebullici�n de los cuatro is�meros que les siguen en el cuadro. Para su separaci�n se requieren torres de destilaci�n muy altas. Es m�s, se prefiere separar al m-xileno del p-xileno (que ebullen con menos de un grado de diferencia) por otro proceso diferente de la destilaci�n, la llamada cristalizaci�n fraccionada. Si bien los puntos de ebullici�n de ambos compuestos son similares, sus puntos de congelaci�n son de -47.9�C y 13.3�C, as� que mediante un proceso de cristalizaci�n en fr�o se logra separar el p-xileno de su is�mero menos valioso, el m-xileno.
Por lo general, como las reacciones de aromatizaci�n se llevan a cabo a una temperatura moderada a la que no se presentan tantas rupturas de enlaces, la proporci�n de benceno que se obtiene muchas veces no es mayor de 10%. Como la demanda del mercado es mayor, en La Cangrejera existe una �ltima planta, llamada hidrodealquiladora de tolueno, en la que parte del tolueno se transforma en benceno (v�ase la f�rmula 23). Los usos de �ste son extens�simos, basta mencionar la fabricaci�n de nailon, hule sint�tico, insecticidas, detergentes y perfumes.
No obstante, no todo el tolueno se transforma en benceno, pues aqu�l es importante materia prima para la producci�n de desinfectantes, preservativos de alimentos, colorantes y explosivos.
La figura 13 resume el tratamiento que el petr�leo crudo recibe en la refiner�a. Vemos que adem�s de los arom�ticos se obtienen otros productos gaseosos (etileno, propileno y butileno), que por ser comunes a los que se producen a partir del gas natural, los trataremos m�s adelante.
N2, UNA MOL�CULA NO REACTIVA, Y SU REPERCUSI�N EN LA AGRICULTURA
Los tejidos de todos los seres vivientes contienen nitr�geno. Este es un elemento b�sico de nuestra dieta y de la de todas las plantas y animales.
F�rmula 23. En la reacci�n de alquilaci�n la mol�cula de hidr�geno rompe
el enlace entre el anillo y el grupo alquilo, CH3 en
este caso, con lo que se recuperan benceno y metano.
Figura 13. S�ntesis de la cadena productiva mediante la cual una mezcla de miles de compuestos (el petr�leo crudo) se transforma en productos m�s aprovechables. Las sustancias de la derecha son las materias primas de la industria petroqu�mica. (Tomada de An�lisis de la industria petroqu�mica por cadenas productivas, Comisi�n Petroqu�mica Mexicana, M�xico 1986.)
Vivimos rodeados de nitr�geno (78% del aire atmosf�rico contiene la mol�cula N2). Grandes vol�menes de N2 pasan todos los d�as por nuestros pulmones y, sin embargo, nada de ello nos sirve para suplir nuestras necesidades de este elemento. Nuestro cuerpo no posee la capacidad de transformar el N2 e incorporarlo a nuestros tejidos. La mol�cula de N2 es muy estable y sale de los pulmones de la misma forma en la que entra.
En realidad, obtenemos el nitr�geno que requerimos al asimilar el que contienen los vegetales y animales que constituyen nuestro alimento. Pero... �y c�mo obtuvieron ellos ese nitr�geno?
Todos los animales dependemos del reino vegetal para hacernos del nitr�geno
necesario. Los carn�voros lo hacen indirectamente, al alimentarse de otros animales
vegetarianos. Ahora bien, las plantas obtienen el nitr�geno al absorber del
suelo sales nitrogenadas (nitratos, NO-3, por
ejemplo) o derivados del amoniaco, NH3, a trav�s de las ra�ces.
Pero... �por qu� no se ha acabado el nitr�geno del suelo?
En parte se debe a que recircula en un proceso denominado ciclo del nitr�geno. Se estima que los organismos vivos contienen unos 15 000 millones de toneladas de nitr�geno. Cuando mueren, su nitr�geno retorna al suelo, de donde vuelve a ser tomado por las plantas (por eso la tierra de hoja es un buen abono). Pero la otra parte del asunto es que existe una fuente de producci�n de nitr�geno asimilable: unos diminutos microorganismos son capaces de transformar el nitr�geno del aire ( N2) en amoniaco (NH3) y otros derivados nitrogenados (se dice que fijan el nitr�geno). Estas bacterias y algas trabajan simbi�ticamente con otros vegetales (como las leguminosas, por ejemplo), que son el destino de ese nitr�geno asimilable (unos 200 millones de toneladas al a�o).
El campesino al rotar cultivos enriquece la tierra. Un plant�o de frijol, que es una leguminosa, logra la nitrificaci�n del suelo gracias a la acci�n de los microorganismos fijadores de nitr�geno.
Aunque parezca mentira, antes del siglo XX la alimentaci�n de toda la humanidad descansaba en estos microorganismos. Si algo les hubiera pasado y hubieran desaparecido, la poblaci�n del planeta hab�a decrecido enormemente, despu�s de un periodo terrible de hambruna. La raz�n es que no se habr�a podido producir nitr�geno asimilable a partir del que existe en el aire. S�lo habr�amos contado con el recirculado por los seres vivos, con el de la sal nitro chilena (enormes dep�sitos naturales de nitrato de sodio) y el obtenido como subproducto de la fabricaci�n de carb�n de coque.
Durante muchos a�os, las salinas chilenas garantizaron el abasto de fertilizantes nitrogenados a todo el mundo. Adicionalmente, el nitrato chileno tambi�n es la materia prima para fabricar multitud de explosivos (trinitrotolueno —TNT—, nitroglicerina y nitrocelulosa). Por lo mismo, el control de las l�neas mar�timas hacia Chile era cr�tico para el abastecimiento oportuno de este elemento.
Al estallar la primera Guerra Mundial se libraron cerca de Chile dos batallas mar�timas de importancia: una en las islas Coronel, que gan� Alemania, y otra en las Malvinas, de la que salieron victoriosos los brit�nicos. Hay quienes opinan que estas dos batallas pudieron haber dado fin a la guerra, de no ser por dos enormes descubrimientos cient�ficos de unos cuantos a�os antes.
Por una parte, en 1909 el qu�mico alem�n Fritz Haber perfeccion� el proceso para obtener amoniaco directamente a partir de nitr�geno e hidr�geno (v�ase la f�rmula 24). �Por fin el g�nero humano hab�a podido vencer a la poco reactiva mol�cula del N2! No resisti� las altas temperaturas y presiones, ni la presencia de un catalizador.
F�rmula 24. Reacci�n de Haber.
Dos a�os antes, otro qu�mico alem�n llamado Wilhelm Ostwald encontr� el catalizador adecuado para convertir amoniaco en �cido n�trico. El resto para llegar a obtener explosivos era coser y cantar.
Ambos descubrimientos fueron empleados por Alemania una vez que se les cerr� la ruta hacia Chile. As�, aunque el proceso Haber tuvo en principio esta aplicaci�n militar, que tal vez prolong� la primera Guerra Mundial, sirvi� despu�s para producir los fertilizantes que propiciaron la enorme explosi�n demogr�fica de este siglo.
Una vez m�s, el conocimiento cient�fico sirvi� como arma de dos filos, algo similar a lo que ocurre con el bistur�, que es una bendici�n en las manos de un m�dico, pero un peligro en las de un asesino.
De la f�rmula 24 para obtener amoniaco, es claro que el nitr�geno se obtiene directamente del aire, pero �c�mo puede conseguirse hidr�geno en forma elemental? Es m�s, la mezcla nitr�geno-hidr�geno que se requiere debe ser muy pura, para que no se envenene el catalizador que acelera la transformaci�n.
Hoy, la forma m�s barata de obtener el hidr�geno de la mezcla hace uso del metano, CH4, del gas natural.
Para obtener el metano se llevan a cabo diversos procesos:
a) Para empezar, se elimina el azufre del gas natural (que viene en forma de hidruro, H2S). Luego este azufre se recupera en forma elemental para la fabricaci�n de �cido sulf�rico.
b) El gas natural endulzado (sin H2S) se alimenta a una planta criog�nica. El objetivo de �sta es separar los diversos componentes del gas natural mediante su destilaci�n sucesiva, con lo que se obtiene el metano puro.
Al metano se le adiciona vapor de agua y aire y se introduce la mezcla en enormes hornos a temperaturas de 1 000�C (muy cerca del l�mite metal�rgico de las tuber�as por las que atraviesa la mezcla), donde ocurre la transformaci�n de la f�rmula 25.
F�rmula 25. Producci�n de la mezcla nitr�geno-hidr�geno para obtener amoniaco a partir de gas natural.
El bi�xido de carbono producido se elimina posteriormente mediante su absorci�n con disolventes especiales, con lo que se alcanza la deseada mezcla nitr�geno-hidr�geno.
En M�xico, PEMEX cuenta con un enorme complejo productor de amoniaco en Cosoleacaque, Veracruz, uno de los m�s grandes del mundo.
Desde Cosoleacaque se env�a el amoniaco por tuber�a hasta la planta de Fertimex, donde se transforma en diversos fertilizantes nitrogenados.
C�MULOS MET�LICOS COMO CATALIZADORES
Los catalizadores m�s importantes en la industria petroqu�mica son los que contienen metales de transici�n (vanadio, hierro, n�quel, cobalto, rodio, etc�tera). Para que estos elementos act�en como catalizadores se requiere que tomen la forma de peque��simas part�culas (con menos de una millon�sima de cent�metro de di�metro), llamadas cristalitos, las cuales se depositan sobre un soporte, como el �xido de aluminio.
A�n hoy es un rompecabezas entender los mecanismos de la cat�lisis, que es un �rea de intensa investigaci�n actual. Una forma de ir despejando inc�gnitas ha sido estudiar, en el laboratorio, el comportamiento de compuestos que contienen m�s de dos �tomos met�licos, enlazados entre s� formando una estructura polih�drica con caras triangulares; los llamados c�mulos met�licos (v�ase un ejemplo en la f�rmula 26).
El estudio de las reacciones que se llevan a cabo sobre la superficie del c�mulo reflejan, en ocasiones, algunos procesos catal�ticos comerciales, y dan luz sobre el fundamento de la cat�lisis.
Se han llegado a reunir m�s de 30 �tomos met�licos en un c�mulo. Algunos alcanzan el tama�o para utilizarlos como cristalitos y han sido patentados como eficientes catalizadores.
F�rmula 26. Estructura de un c�mulo met�lico con seis �tomos de osmio (los c�rculos grandes) y 18 carbonilos (C=O).
LAS CADENAS PRODUCTIVAS QUE PARTEN DEL ETILENO
Multitud de productos petroqu�micos se obtienen a partir de dos hidrocarburos con un doble enlace: el etileno, C2H4, y el propileno, C3H6. El primero es, con mucho, la materia prima petroqu�mica m�s importante. En la figura 14 se muestran algunas de las cadenas productivas en las que interviene el etileno.
Figura 14. Los principales productos petroqu�micos que se obtienen a partir
del etileno. (Tomado de R.M. Stephenson, Introducci�n a los procesos qu�micos
industriales, CECSA, M�xico 1980).
Algunos de los nombres de sustancias que aparecen en este diagrama se volver�n m�s familiares al lector cuando lea el cap�tulo tercero.
La obtenci�n industrial de etileno se lleva a cabo mediante la deshidrogenaci�n del etano (v�ase la f�rmula 27).
F�rmula 27. Reacci�n de producci�n del etileno CH2 = CH2, a partir del etano, C2H6, del gas natural.
Esta transformaci�n es fuertemente endot�rmica, es decir; requiere de calor para ocurrir. Por eso debe llevarse a cabo en hornos de pir�lisis, a unos 1000�C. Esta alta temperatura produce el rompimiento de enlaces, as� que la formaci�n de etileno se ve acompa�ada de la creaci�n de otros productos secundarios no deseados, que son separados posteriormente por destilaci�n o absorci�n.
En el complejo de La Cangrejera se cubre la producci�n de algunos de los compuestos del diagrama de la figura 14, a saber; �xido de etileno, acetaldeh�do, etil�n glicol y polietileno de baja densidad. Son m�ltiples los usos de estas sustancias: en fibras, pel�culas, cables, tubos y l�minas pl�sticas, cementos, cosm�ticos, desodorantes, fluidos para frenos, herbicidas, tintas, detergentes, l�quidos para champ�s, telas de planchado permanente, anticongelantes, inhibidores de corrosi�n y suavizantes de fibras. Todo un mar de productos petroqu�micos de consumo final.
REACTIVOS DE GRIGNARD. LA MAGIA DE LA QU�MICA ORGANOMET�LICA
En el laboratorio, el inter�s del qu�mico es la preparaci�n de nuevos compuestos, para ampliar con ello el conocimiento universal sobre el comportamiento qu�mico y dar lugar a posibles nuevas aplicaciones.
Damos fin a este cap�tulo sobre petroqu�mica con el trabajo que el franc�s Grignard realiz� en 1900 sobre la reacci�n del magnesio met�lico con los halogenuros de alquilo. Estos compuestos se obtienen al eliminar un hidr�geno de un hidrocarburo y sustituirlo por un hal�geno (fl�or; cloro, bromo o yodo).
F�rmula 28. En esta reacci�n, X representa a un hal�geno (fl�or, cloro, bromo o yodo) y R a un radical alcalino (-CH3' por ejemplo). La mezcla del halogenuro de alquilo, R-X, con magnesio met�lico, en �ter, da lugar al compuesto R-Mg-X , llamado organomagnesiano: el reactivo de Grignard.
La f�rmula 28 presenta la reacci�n de formaci�n del reactivo de Grignard. En ausencia de �ter, los organomagnesianos son s�lidos muy sensibles al aire y a la humedad, por lo que deben ser resguardados bajo atm�sferas inertes (nitr�geno o arg�n). Su estructura es de largas cadenas (v�ase la f�rmula 29).
F�rmula 29. Cadena de un organomagnesiano. Algo notable en estos compuestos es que el carbono presente en R presenta cinco enlaces, en cuyo caso la tetravalencia del carbono pierde todo sentido.
F�rmula 30. Esquemas simplificados de algunas reacciones donde el reactivo de Grignard se transforma en muy diferentes compuestos. A fin de cuentas, el hal�geno del compuesto R-X de la f�rmula 28 ha sido reemplazado por muy diversos grupos de �tomos.
El trabajo de doctorado de Grignard, por el cual recibiera luego el Premio Nobel de qu�mica en 1912, consisti� en el uso de los organomagnesianos en s�ntesis org�nica. Hoy estos reactivos son ampliamente empleados, pues permiten obtener una multitud de compuestos, con muy diversos grupos funcionales (v�ase la f�rmula 30).
Reacciones como �stas son la llave del qu�mico para abrir las puertas de lo desconocido. Parece mentira que existan procedimientos para sustituir un �tomo (un hal�geno en este ejemplo) por cualquier otro grupo, en todas y cada una de los tetrillones de mol�culas de una muestra. �La qu�mica s� es verdadera producci�n en serie!
Basualdo, J. S., Complejo petroqu�mico La Cangrejera, Veracruz, PEMEX, M�xico, 1981.
Comisi�n Petroqu�mica Mexicana, An�lisis de la industria petroqu�mica por cadenas productivas, SEMIP, M�xico, 1986.
Chow, S., Petroqu�mica y sociedad, colecci�n La Ciencia desde M�xico, Fondo de Cultura Econ�mica, M�xico, 1987.
Fremantle, M., Chemistry in Action, MacMillan, Londres, 1987.
ONUDI, The Petrochemical Industry in Developing Countries, Viena, 1985.
PEMEX, El petr�leo, Gerencia de informaci�n y relaciones p�blicas de Petr�leos Mexicanos, M�xico, 1985.
—,Memoria de labores 1992, M�xico, 1993.
Romo de Vivar, A., Qu�mica, Universo, Tierra y vida, colecci�n La Ciencia desde M�xico, Fondo de Cultura Econ�mica, M�xico, 1988.
Silva Herzog, J., La expropiaci�n del petr�leo 1936-1938. �lbum fotogr�fico, Fondo de Cultura Econ�mica, M�xico, 1981.
Stephenson, R. M., Introducci�n a los procesos qu�micos industriales, CECSA, M�xico, 1984.
