III. UN REACTOR DE BARRO

EN LAS p�ginas precedentes hemos descrito numerosos detalles sobre la estructura de las arcillas y los procedimientos que los cient�ficos utilizan para modificarla. Esperamos que el lector se haya convencido de que, desde el punto de vista experimental, no se requiere de t�cnicas muy complicadas para reorganizar parcialmente la geometr�a de las arcillas. Cuenta el experimentador con un material de partida que, en su estado natural, presenta ya una estructura muy compleja, la cual ha ido conociendo cada vez con mayor precisi�n gracias a los avances cient�ficos que poseemos actualmente para caracterizar a los s�lidos.

Los qu�micos, f�sicos, ge�logos y, en general, los estudiosos de lo que hoy en d�a se conoce como ciencia de los materiales, unen sus conocimientos para convertirse en "maestros de obras". Con picos y palas qu�micos ensanchan galer�as que luego son apuntaladas con nuevas columnas, dando as� al entorno una nueva "decoraci�n". Pero los cambios generados son m�s sutiles y van m�s all� de la mera expansi�n del espacio interlaminar, ya que traen consigo modificaciones sustanciales a las propiedades f�sico-qu�micas de las arcillas.

Debemos destacar que algunos de estos procesos de modificaci�n se realizan en cierta medida en forma natural y el hombre, desde �pocas tan remotas como su propia historia, ha sacado provecho de ellas empleando estos s�lidos con diversos prop�sitos.

Ser�a presuntuoso de nuestra parte describir todas las aplicaciones potenciales de las arcillas, tanto presentes como futuras. Nuestro enfoque se limitar� a describir c�mo las propiedades de estos materiales son �tiles para promover los procesos de transformaci�n qu�mica; es decir su papel como catalizadores.

Hagamos por lo tanto un breve resumen de las propiedades que adquieren las arcillas al introducirse cambios en ellas:

1) Pueden alojar en el interior de su estructura cierta cantidad de agua, dependiendo del tipo de elemento qu�mico presente entre las l�minas. Se dice en este caso que el material es hidrof�lico.

2) El car�cter hidrof�lico del material puede ser suprimido parcial o totalmente intercambiando los elementos qu�micos iniciales por otros compuestos y convertirlo en organof�lico, o sea que la arcilla adsorbe mol�culas de tipo org�nico.

3) Como consecuencia de las manipulaciones de modificaci�n que se realizan, el mineral acepta o rechaza la penetraci�n de mol�culas en su estructura interna en funci�n del tama�o de las mismas, por lo que se comporta como malla molecular.

4) El "ob�s qu�mico" utilizado para separar las l�minas puede a su vez producir pilares que hacen m�s r�gida la estructura original, impidiendo que se colapse como un castillo de naipes.

5) Por �ltimo, estas arcillas son s�lidos �cidos, comparables a los inorg�nicos como el sulf�rico o clorh�drico.

Si consideramos que cada una de las propiedades anteriores puede tener una gama de valores diferentes, es f�cil visualizar el n�mero enorme de estructuras con propiedades espec�ficas que pueden ser dise�adas.

Hemos dicho anteriormente que limitaremos la descripci�n de los usos de las arcillas modificadas al campo de la transformaci�n qu�mica, pues pensamos que es all� donde existen perspectivas muy interesantes de empleos �tiles para la sociedad, aunque tambi�n mostraremos que las arcillas han tenido un muy importante papel protag�nico como catalizadores en los procesos biol�gicos que generaron las primeras mol�culas org�nicas en nuestro planeta y, millones de a�os despu�s, tambi�n participaron en la gestaci�n del petr�leo.

Desde el punto de vista tecnol�gico, el empleo de catalizadores en la industria de la transformaci�n ha tenido como prop�sito fundamental realizar la conversi�n de los reactivos con un m�ximo de rendimiento en productos y abatir los costos de producci�n.

Actualmente se dise�an procesos en los que se trata de invertir la menor cantidad posible de energ�a y, conocida la problem�tica que existe alrededor de la degradaci�n ecol�gica de nuestro planeta, se buscan materiales cada vez m�s selectivos para orientar la conversi�n, con mayor precisi�n, hacia productos m�s puros, impidiendo las reacciones secundarias indeseables. La madurez e importancia de esta disciplina de la ciencia es tal, que se estima hoy en d�a que en los pa�ses altamente desarrollados el 20% del producto interno bruto se deriva de procesos que dependen de catalizadores. Sin embargo, la tecnolog�a a base de catalizadores tuvo inicios muy peculiares, describiremos algunos que, de paso, nos permitir�n subrayar algunas de sus caracter�sticas que los hacen tan importantes en nuestra sociedad.

En 1815, Humphry Davy (1778-1829) descubri� que cuando se introduc�a un alambre caliente de platino en una mezcla de aire y gas, el metal se volv�a incandescente. Davy consider� que se produc�a oxidaci�n sin que se generara una flama y tambi�n not� que, al finalizar la reacci�n, el metal permanec�a aparentemente inalterado. Con esa informaci�n, decidi� fabricar una l�mpara que no reaccionara en forma explosiva al ponerse en contacto con mezclas de gases. El dispositivo en cuesti�n consist�a en una llama protegida por un cilindro que conten�a una tela met�lica a trav�s de la cual pasaba el ox�geno que la alimentaba. De esta manera el calor era disipado por el metal, y los gases explosivos que pudiera haber fuera de la l�mpara no se inflamaban. La l�mpara de seguridad de Davy, como se le conoci� en su tiempo, se empez� a usar en 1816 en las minas de carb�n de Inglaterra, donde se produc�an numerosas explosiones con las consecuentes p�rdidas de vidas, ya que, al aumentar la profundidad de las excavaciones se presentaba el inesperado peligro del gas gris�. Este gas, constituido b�sicamente de metano (CH₄), al liberarse y entrar en contacto con el aire, forma una mezcla explosiva al contacto con una flama. Se cuenta que al llevar la l�mpara al interior de las minas, en enero de 1816, y observar su eficiencia, uno de los directores exclam� complacido: "Por fin hemos sometido al monstruo." A Davy esta aportaci�n le vali� un t�tulo nobiliario en 1818.

Hoy en d�a sabemos que el platino preoxida en forma parcial a los gases con lo cual, al combustionarse totalmente, no lo hacen en forma explosiva. La acci�n del platino fue lo que m�s tarde Berzelius llamar�a cat�lisis. Sin duda la l�mpara de Davy marca un hito en las relaciones entre ciencia y tecnolog�a, como tambi�n en el uso de esta �ltima con fines humanitarios, m�s que econ�micos.

Edmund Davy (1785-1851), primo de Humphry, public� en 1820 un art�culo sobre la preparaci�n de platino finamente dividido que obten�a reduciendo una soluci�n de sulfato de platino por medio del alcohol. El material resultante ten�a la propiedad de mostrarse sumamente activo a la temperatura ambiente. Los experimentos de Edmund Davy llamaron la atenci�n de otro qu�mico, esta vez alem�n, Johann W. Dobereiner (1780-1849) quien prosigui� los experimentos de Edmund obteniendo un producto que hoy en d�a conocemos como negro de platino. El material se tornaba incandescente a la temperatura ambiente en presencia de ox�geno, y tambi�n lo hac�a cuando se le sustitu�a por hidr�geno. Dobereiner decidi� que sus observaciones deb�an tener una aplicaci�n: invent� un encendedor autom�tico del que se dice se vendieron en su �poca m�s de un mill�n, y que representa una de las primeras aplicaciones de la cat�lisis en el desarrollo tecnol�gico.

El aparato consist�a en un peque�o compartimiento que, al abr�rsele una v�lvula pon�a en contacto una soluci�n diluida de �cido sulf�rico con zinc met�lico. De esa manera se llevaba a cabo la siguiente reacci�n:

El chorro de hidr�geno, producto de la reacci�n, era transportado a otro recipiente que conten�a platino finamente dividido, el cual se prend�a al momento. El aparato, a pesar de su �xito inicial no se fabric� por mucho tiempo pues el platino era, por una parte muy caro y, adem�s, se desactivaba r�pidamente debido a las impurezas que acarreaba el hidr�geno generado en el primer compartimiento. La acci�n catal�tica del platino habr�a de cobrar importancia en la qu�mica industrial, pues llevaba a cabo ciertas reacciones r�pida y f�cilmente con su sola presencia. Algunos a�os despu�s se descubri� un m�todo mejor para la producci�n de �cido sulf�rico basado en la cat�lisis del platino.

A finales del siglo XIX se hab�a realizado un gran n�mero de reacciones en las que se hac�a intervenir al platino y otros metales conocidos para convertir diversas mol�culas gaseosas. La oxidaci�n del amoniaco por el platino produc�a �xido de nitr�geno y agua, ambos precursores del �cido n�trico, con el cual se producen fertilizantes. Se conoc�a adem�s la conversi�n catal�tica del hidr�geno y el ox�geno para formar agua en presencia del platino y otras reacciones que en algunos casos tuvieron aplicaciones tecnol�gicas muy importantes y que dieron a la cat�lisis gran prestigio. Sin embargo, el fen�meno catal�tico carec�a de una explicaci�n aceptable, a pesar de que se hab�an avanzado muchas teor�as. Por ejemplo, Michael Faraday explicaba que la conversi�n del hidr�geno y el ox�geno se llevaba a cabo sobre la superficie del metal en el cual se condensaban los dos tipos de mol�culas y reaccionaban por su sola proximidad. Hoy en d�a sabemos que para que la reacci�n se lleve a cabo, tanto el hidr�geno como el ox�geno deben disociarse; desafortunadamente en 1834, fecha en que Faraday public� sus observaciones, no se sab�a que estas mol�culas son diat�micas.

En 1915, Irving Langmuir (1881-1957), un qu�mico estadunidense que trabajaba en la General Electric, propone una teor�a sobre la acci�n catal�tica de las superficies met�licas que pone punto final a las especulaciones sobre el fen�meno. El trabajo de Langmuir en sus inicios ten�a un prop�sito m�s pr�ctico, pues su tarea consist�a en tratar de alargar la vida de los filamentos de tungsteno que se empleaban en los focos. Los filamentos se encerraban en una c�mara de vac�o, pues se supon�a que la presencia del aire provocaba la r�pida oxidaci�n del metal.

Langmuir demostr� que en el vac�o, el tungsteno se evapora lentamente, por lo que el hilo se rompe, adem�s de se�alar que esta degradaci�n se pod�a hacer m�s lenta si se introduc�a un gas, como el nitr�geno, con el cual el metal no se combinara. Cumplida su misi�n, Irving decidi� estudiar el efecto que produc�a sobre las superficies met�licas calientes la adici�n de diversos tipos de gases, llegando a elaborar una teor�a que, entre otras cosas, nos dice que la cat�lisis es un proceso que, en el caso de las mol�culas gaseosas que interaccionan con una superficie met�lica como condici�n previa a la reacci�n, aquellas deben quedar atrapadas en "sitios activos" con los que interaccionan qu�micamente. La fuerza de dicha interacci�n es de una magnitud similar a la que hace que los �tomos de un s�lido mantengan su cohesi�n. Estas observaciones, entre otras que hizo Langmuir, permitieron a los investigadores interesarse en los estudios sobre las propiedades f�sicas y qu�micas de las especies involucradas en el proceso catal�tico y tuvieron repercusi�n profunda en la ciencia de la cat�lisis, ya que la elucidaci�n del n�mero y naturaleza de los sitios activos en un catalizador, es labor que desde el punto de vista cient�fico y el tecnol�gico sigue siendo piedra angular para el futuro de esta ciencia. Ya en 1921 Langmuir dec�a:

La mayor�a de los qu�micos piensan que la naturaleza de la acci�n catal�tica es tan misteriosa hoy en d�a como lo era en la �poca de Faraday, sin embargo con los conocimientos que cada d�a se van generando sobre la estructura de los cuerpos s�lidos y los �tomos y mol�culas que los componen, deberemos gradualmente tener una visi�n cada d�a mejor respecto al mecanismo de acci�n de dichas superficies.

Se ha mencionado anteriormente que una de las propiedades de las arcillas que las hace materiales �tiles en la cat�lisis es su comportamiento como s�lidos �cidos.

En el estudio de la qu�mica de las soluciones, el investigador es afortunado ya que trata con mol�culas de caracter�sticas bien definidas. La interacci�n entre un �cido, una base y un solvente puede ser, por lo tanto, calculada empleando principios qu�micos bien probados. Por el contrario, la comprensi�n de las interacciones �cido-base en los s�lidos es muy dif�cil, ya que la naturaleza de su superficie no est� plenamente definida y muchas veces no se cuenta con datos veraces sobre la composici�n de los complejos que se forman entre el reactivo y el s�lido. A pesar de las diferencias entre la qu�mica de las soluciones y la de los s�lidos, se usan los mismos tipos de conceptos que pasaremos a revisar en forma breve.

Un �cido, tal y como lo describi� J. Bronsted (1879-1947) en 1923, es una sustancia capaz de liberar un ion de hidr�geno. Posteriormente, G. N. Lewis (1875-1946) ampli� el concepto de acidez superficial y consider� �cido toda aquella mol�cula provista de un orbital libre que tiende a unirse a una mol�cula que posee un par de electrones y que funciona como base.

Un ejemplo cl�sico es la reacci�n entre el amoniaco (NH₃), que es una base, y el hidruro de boro (BH₃), que funciona como un �cido:

Para Lewis, el �cido m�s simple es evidentemente el ion de hidr�geno (H⁺). La concepci�n de Lewis se basa por tanto en la regla cl�sica seg�n la cual el octeto constituye la configuraci�n electr�nica m�s estable (dicha configuraci�n es la de los gases nobles, como el helio o el arg�n, que no reaccionan con otros elementos). Por otra parte, el car�cter �cido de una superficie en el sentido de Bronsted depende de la presencia de grupos funcionales susceptibles de liberar iones de hidr�geno.

Trataremos ahora de conciliar los conceptos de acidez en las soluciones con la que se presenta en los s�lidos, como es el caso de las arcillas, y responder a la pregunta de por qu� es importante conocer la naturaleza y fuerza de estos centros. Para ello es necesario revisar brevemente la importancia que representaban estos estudios dentro del contexto de cat�lisis.

El primer m�todo que se emple� para obtener gasolina a partir del petr�leo fue por calentamiento. Cuando aparecieron en el escenario los primeros catalizadores de inmediato resalt� que la naturaleza y cantidad de productos que se obten�an eran diferentes para cada caso, lo que hizo sospechar que el mecanismo de las reacciones era diferente. A fin de poder identificar con precisi�n los productos de las reacciones se empez� a trabajar con hidrocarburos aislados, haci�ndolos reaccionar con arcillas y otros materiales sint�ticos a base de silicoaluminatos. Gran n�mero de hidrocarburos fueron probados y los productos de reacci�n pacientemente identificados. De este trabajo se lleg� a la conclusi�n de que exist�a una similitud en el comportamiento de los s�lidos catal�ticos con el de los �cidos fuertes que interven�an como catalizadores en soluci�n. Esto permiti� a los cient�ficos especular que los centros activos que interven�an en las reacciones de desintegraci�n de las mol�culas del petr�leo eran sitios �cidos. Ya en 1947 el mecanismo de las reacciones se hab�a esclarecido lo suficiente como para proponer que se llevaban a cabo por medio de intermediarios i�nicos. Se sabe hoy en d�a que el primer paso en estas reacciones es la formaci�n de un ion carbonio, el cual podemos visualizar como un cati�n org�nico con una carga asociada al �tomo de carbono. Una de las maneras como se forman los iones carbonio es por la fisi�n de una mol�cula estable en la cual uno de los fragmentos toma dos electrones y las especies resultantes forman un par i�nico:

Debemos anotar que la presencia de iones carbonio hab�a sido reportada por los qu�micos org�nicos en el a�o de 1900. Cuando se aplic� este concepto a las observaciones que se hab�an hecho sobre la reactividad de los hidrocarburos, as� como a los productos generados, se pudo comprobar que el mecanismo concordaba perfectamente, emergiendo de ello toda una teor�a, llamada del ion carbonio, con la cual es posible predecir cuantitativamente su formaci�n y reacci�n, empleando las herramientas usadas en la qu�mica te�rica.

Las arcillas presentan sitios �cidos de fuerza variable, tanto de tipo Bronsted como Lewis. Es obvio que la manera de identificarlos y contarlos ser� haci�ndolos reaccionar con bases. Si conocemos la estructura de la base empleada y su fuerza relativa, entonces podemos, con la ayuda de diversas bases, hacer una especie de mapa sobre la distribuci�n y tipo de sitios �cidos presentes. Por otra parte se sabe actualmente que las diversas reacciones catalizadas por s�lidos �cidos tienen en muchos casos requerimientos espec�ficos sobre la naturaleza y fuerza del �cido para llevarse a cabo. Por lo tanto, dependiendo de la forma de preparar el s�lido catal�tico y de activarlo es posible hacer concordar los requerimientos de acidez con los de reactividad.

La b�squeda de una explicaci�n precisa de cu�les fueron los constituyentes de partida que dieron origen a los seres vivos, es decir, aquellos sistemas capaces de reproducirse a expensas de su energ�a interna, ha constituido un enigma que preocup� ya a los primeros fil�sofos. Los hombres sabios de la antigua India, de Babilonia y de Egipto elaboraron varias cosmogon�as para tratar de explicarlo. Entre las primeras destaca la que consideraba que la vida se hab�a creado por generaci�n espont�nea, como resultado de la voluntad de fuerzas sobrenaturales. Los griegos hicieron progresos tratando el problema por m�todos "cient�ficos", aunque persistieron en creer en la autog�nesis. Esta idea persisti� en la Edad Media y parte de los tiempos modernos hasta que Louis Pasteur derrumb� el mito de la generaci�n espont�nea. Sin embargo, la pregunta original sigue vigente: si un organismo s�lo puede ser creado por otro, �c�mo se inici� la vida?

La respuesta l�gica es que la evoluci�n qu�mica debi� haber precedido a la biol�gica y lo dem�s que se a�ada es mera especulaci�n. Esto ya hab�a sido reconocido por Darwin, quien afirmaba que si en su tiempo se hubiera creado una sustancia proteica capaz de seguir experimentando transformaciones complejas, seguramente ser�a incapaz de hacerlo, ya que las condiciones �ptimas para su evoluci�n s�lo existieron en la �poca en la cual no hab�a vida. Experimentalmente es por tanto imposible reproducir las condiciones que exist�an en la �poca prebi�tica y los resultados que obtengamos de dichas observaciones mostrar�n �nicamente probabilidades de que la vida se haya iniciado de tal o cual manera. Lo que pueden hacer los f�sicos y qu�micos es construir modelos y probar en qu� grado �stos son consistentes con los hallazgos de los bi�logos, ge�logos, antrop�logos, etc. Lo que sabemos del periodo que precedi� a la vida, de acuerdo con las investigaciones geoqu�micas, es que se inici� de mil a dos mil millones de a�os atr�s. La composici�n de la atm�sfera original ha sido motivo de considerable discusi�n, aunque es generalmente aceptado que la mezcla actual, a base de nitr�geno y ox�geno, no pudo haber sido la original. Es muy dif�cil obtener evidencias, aun aproximadas, de cu�les fueron los componentes de partida pero se acepta que su naturaleza debi� ser semejante a la de la nebulosa que form� nuestro sistema planetario. Un hecho parece claro: hace dos mil millones de a�os la atm�sfera no conten�a ox�geno, pero mil millones despu�s era rica en ese elemento. En el intervalo de tiempo transcurrido entre ambos eventos emergi� la vida. Muchos experimentos de laboratorio se han realizado con el fin de demostrar c�mo es posible generar sustancias org�nicas a partir de compuestos inorg�nicos, aun en ausencia de ox�geno. Tal vez uno de los m�s importantes fue el realizado por Stanley Miller en 1953. Estudiante reci�n graduado, Miller trat� de recrear las condiciones prebi�ticas en un aparato de vidrio: puso unos litros de metano, amoniaco e hidr�geno para simular la atm�sfera; a�adi� un poco de agua ("el oc�ano") y adapt� un dispositivo capaz de generar descargas el�ctricas. Despu�s de calentar la mezcla durante algunos d�as analiz� su contenido, encontrando varios compuestos org�nicos, notablemente amino�cidos. Despu�s de Miller muchos investigadores han realizado trabajos similares, empleando otras sustancias de partida, demostr�ndose as� la posibilidad de sintetizar mol�culas org�nicas m�s o menos complejas. Baste decir que, sin importar el c�mo se generaron estas primeras especies, demos por hecho de que aparecieron y que estructuralmente ten�an la capacidad de seguir evolucionando por reacciones entre s�. A. Oparin, cient�fico ruso, opina en su libro sobre el origen de la vida que las mol�culas org�nicas prosiguieron su evoluci�n hasta que, al alcanzar cierto tama�o, se separaron del medio acuoso aisl�ndose por medio de una especie de membrana impermeable al agua. Muchos autores no aceptan este esquema de Oparin pues consideran dif�cil visualizar un sistema cerrado en el cual se lleva a cabo una qu�mica diferente a la del medio que la rodea sin que dicho sistema llegue a un estado de equilibrio, hecho que desde el punto de vista termodin�mico implica que ya no hay variaci�n en la energ�a libre y por ende, en el caso de una c�lula, �sta se hallar�a muerta. Adicionalmente, el mecanismo no es aceptado por la dificultad de visualizar c�mo unas mol�culas org�nicas, flotando en un inmenso oc�ano, hayan tenido oportunidad de encontrarse y reaccionar.

J. Bernal en su libro sobre los or�genes de la vida, publicado en 1967, opina que, dada la extrema diluci�n de las sustancias org�nicas, las reacciones qu�micas ser�an extremadamente lentas por lo que propone que inicialmente se llev� a cabo una concentraci�n de las mol�culas, seguida de reacciones de polimerizaci�n, es decir crecimiento de cadenas de sustancias org�nicas, todo esto llevado a cabo en las arcillas depositadas en la orilla de los oc�anos y lagos.

1) Las arcillas, por su capacidad de expandirse, pueden alojar en su interior mol�culas org�nicas de gran talla.

2) El crecimiento de la estructura de las mol�culas se lleva a cabo inicialmente por reacciones de polimerizaci�n, las cuales son catalizadas por centros �cidos como los presentes en las arcillas. Un punto adicional es que, en dichas reacciones de polimerizaci�n, uno de los productos de la reacci�n es el agua, la cual debe ser eliminada del medio para favorecer el curso de formaci�n de los materiales org�nicos. Lo anterior es factible de realizarse en las arcillas, dada su capacidad de convertirse en materiales organof�licos.

Veamos algunos resultados de laboratorio que apoyan las tesis de Bernal y que fueron realizados con montmorillonita a la cual se le sustituy� parcialmente el aluminio original de la estructura, que es trivalente, por iones magnesio, divalentes, con lo cual se crean centros fuertemente negativos, los cuales son capaces de realizar su adsorci�n y reacci�n posterior de los materiales org�nicos. Los investigadores del Instituto Weizmann de Israel pusieron en contacto la arcilla con un amino�cido aden�lico, que es el material de partida para la formaci�u de prote�nas en las c�lulas y cuya f�rmula mostramos en la figura 27.

Los cient�ficos observaron que al poner en contacto la montmorillonita con la mol�cula org�nica en una soluci�n acuosa, a la temperatura ambiente, se produce primero una adsorci�n del material biol�gico y luego �ste se polimeriza dando origen a cadenas polipept�dicas de diferentes pesos moleculares. Como sabemos, las cadenas polipept�dicas son las que forman las prote�nas dentro de las c�lulas.

En el caso de la estructura mostrada en la figura, la reacci�n de polimerizaci�n se llevar�a a cabo empleando la adenina, que corresponde a la mol�cula que contiene N (nitr�geno) en la parte superior derecha de la estructura. Esta mol�cula de adenina se polimeriza produciendo (adenina)_n, que es el polip�ptido que hemos mencionado, dando como resultado productos con valores de "n" variables. La observaci�n interesante que hicieron los autores de este trabajo est� relacionada justamente con los valores de "n". Cuando la reacci�n se realiza en ausencia de arcilla empleando un �cido inorg�nico, se observa que los polip�ptidos formados son de tama�o peque�o y su distribuci�n muy homog�nea. Por el contrario, la distribuci�n de pesos moleculares en los productos analizados de la reacci�n con la arcilla muestra que la distribuci�n es heterog�nea, es decir, hay ciertos valores de "n" que no aparecen en los polip�ptidos as� formados. Curiosamente otros autores que han trabajado sobre el mismo tema han hecho hincapi� en que los procesos vivientes se caracterizan por tener la capacidad de seleccionar cadenas de ciertos pesos moleculares espec�ficos a pesar de que no existe impedimento para que dicha distribuci�n sea homog�nea.

De lo que hemos aprendido sobre el comportamiento de las arcillas sabemos que el elemento inicialmente presente puede ser intercambiado por otros y as� se modifican no s�lo las propiedades de adsorci�n sino tambi�n las catal�ticas, al variar la distribuci�n de los centros �cidos. Esto sugerir�a que la arcilla act�a como una especie de molde prebi�tico que va a determinar un c�digo inicial el cual, por evoluci�n posterior, producir� selectivamente ciertos tipos de secuencias de mol�culas complejas que, ulteriormente, se convertir�n en sistemas vivientes. El apreciado lector tiene la palabra para opinar si esto pudo haber sido o no, tomando en cuenta la forma caracter�stica de la mol�cula de la vida: el ADN: una doble h�lice limitada en la anchura pero ilimitada en su longitud.

En el curso de los �ltimos cien a�os el origen del petr�leo ha intrigado a ge�logos, qu�micos, f�sicos y microbi�logos, sin que hoy en d�a exista una teor�a por todos aceptada sobre su g�nesis. Lo anterior estriba en buena parte en que el petr�leo presenta una composici�n qu�mica muy compleja, aunado al hecho de que en su gestaci�n interviene un gran n�mero de variables f�sicas y qu�micas que, dada su formaci�n millones de a�os atr�s, no podemos conocer con precisi�n. Para colmo de males el petr�leo es un fluido que se origina en un lugar pero migra a otros sitios, por lo que nunca se puede afirmar categ�ricamente: "aqu� se form� el petr�leo."

La falta de "cooperaci�n" del material en revelar todos sus secretos a los cient�ficos no ha impedido que cada grupo que lo estudia haga especulaciones sobre su formaci�n y, por lo tanto, existen tantas teor�as como art�culos hay escritos sobre el tema. Se ha sugerido que se form� por la polimerizaci�n de los gases atrapados en las rocas bas�lticas, reacci�n por cierto catalizada por los �cidos; otros afirman que la materia que le dio origen no es otra que el carb�n vegetal y hasta se han avanzado teor�as sobre su origen c�smico.

Una aproximaci�n que a muchos les ha parecido �til es investigar su origen a partir de los datos que existen sobre su composici�n actual. Esta tarea no es nada f�cil y, para ejemplificarlo, diremos que en 1927 el Instituto Norteamericano del Petr�leo puso las bases de un proyecto cuyo prop�sito era identificar todos los componentes del petr�leo, empleando los m�todos anal�ticos disponibles. La tarea era monumental, baste decir que, 27 a�os despu�s, se informaba que 141 componentes se hab�an aislado y purificado. Se trataba �nicamente de hidrocarburos que conten�an �tomos de carbono e hidr�geno que iban desde uno a veinte carbones; sin embargo esta cantidad s�lo representa el 44% del total de los componentes, ya que m�s adelante se identificaron hidrocarburos de hasta 30 �tomos de carbono y combinaciones m�s complejas de mol�culas que, adem�s de carbono e hidr�geno, contienen nitr�geno y azufre, as� como sustancias cuya estructura presenta metales como n�quel o vanadio.

Gran parte de los yacimientos petrol�feros se encuentra asociada a sedimentos marinos, en los que se nota la presencia de rocas de todas las edades, de la era Cambriana hasta el Plioceno, aunque se considera que el rango de tiempo que tom� la formaci�n del petr�leo abarca unos 500 millones de a�os. Hoy en d�a existe un consenso casi general de que su origen es org�nico, derivado de materiales que fueron sintetizados por vegetales superiores en los continentes o por algas y otros organismos planct�nidos en mares y oc�anos. Lo anterior es evidente si vemos la similitud estructural entre la mol�cula aislada de un vegetal y la obtenida de un crudo de petr�leo tal y como se muestra en la figura 28.

Figura 28. Estructura de una mol�cula aislada de un vegetal y otra de petr�leo.

Si la materia org�nica que dio origen al petr�leo estaba constituida por componentes provenientes de vegetales y animales, �c�mo se transform� esa masa en una mezcla fluida con la composici�n que conocemos actualmente? Se cree que la materia org�nica se acumul� en vasos lacustres o marinos formando el quer�geno, t�rmino que describe a una compleja mol�cula heterog�nea, fuente del petr�leo. Contrario a lo que pudiera pensarse, la transformaci�n no se llev� a cabo a temperaturas muy elevadas. Inicialmente hubo una degradaci�n, llevada a cabo por microorganismos, y luego la masa parcialmente degradada fue, con el curso de los a�os, hundi�ndose en la corteza terrestre para ah� continuar su evoluci�n a temperaturas entre 200 y 250 grados cent�grados, puesto que en el an�lisis de crudos se ha encontrado sustancias que se descomponen a temperaturas superiores a las marcadas.

Si la masa no penetr� muy profundamente en la corteza, entonces se formaron los llamados esquistos bituminosos, constituidos por rocas que conten�an materia org�nica que no evolucion�, esquistos que se convirtieron en los hidrocarburos t�picos del petr�leo. Esto se debi� a que la temperatura no fue muy elevada (se calcula que la temperatura aumenta a raz�n de l�C por cada 42 metros de profundidad) y s�lo hubo degradaci�n microbiana. Cuando la masa alcanz� los 200�C ya no pudo ser degradada por seres vivos, por lo que la conversi�n debi� proseguir a trav�s de reacciones qu�micas. Paralelamente se generaron otros procesos que dieron origen a los llamados aceites pesados y arenas asf�lticas; materiales geol�gicamente m�s viejos que el petr�leo ya que se trata de yacimientos que se depositaron en lugares donde exist�an rocas porosas y que sufrieron degradaci�n qu�mica y bioqu�mica adicional por la invasi�n de agua, proveniente de la superficie, rica en ox�geno disuelto, lo que permiti� a las bacterias aer�bicas degradar selectivamente los hidrocarburos ya formados.

Terminado este esbozo de la g�nesis del petr�leo, pasemos tambi�n a la especulaci�n. Una pregunta que muchos investigadores se han hecho es c�mo se form� la gasolina presente en el petr�leo, o en forma m�s general, c�mo se formaron los alcanos lineales. Entre par�ntesis, debemos decir que la gasolina est� compuesta, en parte, por alcanos, mol�culas formadas por carbono e hidr�geno cuya f�rmula general es C_n H_2n+2 en donde n vale de uno a treinta o m�s. De estos hidrocarburos existen muchas variedades, los hay formando cadenas lineales o ramificadas, anillos, etc�tera.

En la figura 29 se muestran algunos ejemplos de los principales tipos de hidrocarburos aislados del petr�leo y se indica el porcentaje relativo de cada variedad; la letra R de las f�rmulas representa grupos (C-H)_n.

Figura 29. Algunos tipos de hidrocarburos presentes en el petr�leo y su porcentaje de abundancia.

Hemos dicho con anterioridad que del estudio de los componentes del petr�leo se puede obtener pistas de su origen: pues bien, estudiando la composici�n de los yacimientos "j�venes" y los geol�gicamente m�s viejos y comparando los resultados con los de los crudos que se extraen actualmente, los geoqu�micos org�nicos han llegado a la conclusi�n de que los precursores de los alcanos fueron los �cidos grasos. Se piensa adem�s que esa transformaci�n se llev� a cabo en presencia de arcillas.

En primer lugar, revisemos en la figura 30 las f�rmulas de algunos �cidos grasos que se han aislado en el petr�leo. Recu�rdese que si el �ltimo H de la f�rmula qu�mica de los �cidos grasos es sustituido por un ion sodio, lo que se obtiene es el conocido jab�n de tocador.


Nombre		Fórmula

	n-heptoico		CH₃ (CH₂)₅ COOH
	2-metilcaproico		CH₃ (CH₂)₃ CHCOOH
			�
			CH₃
	3-metilcaproico		CH₃ (CH₂)₂ CHCH₂ COOH
			�
			CH₃
	4-metilcaproico		CH₃ CH₂ CH (CH₂)₂ COOH
			�
			CH₃
	5-metilcaproico		CH₃ CH (CH₂)₃ COOH
			�
			CH₃
	3-etilvalérico		CH₃ CH₂ CH CH₂ COOH
			�
			C₂H₅
	caprílico		CH₃ (CH₂)₆ COOH
	pelargónico		CH₃ (CH₂)₇ COOH

Figura 30. Variedades de �cidos grasos aislados del petr�leo.

Cuando se realiza un an�lisis m�s detallado de los �cidos grasos y los alcanos presentes en los yacimientos "j�venes" o "viejos", se obtienen los datos que mostramos en la figura 31. Marcamos en ella con (+) un valor num�rico peque�o y con (+++) un valor grande.

Figura 31. Abundancia de �cidos grasos y alcanos en yacimientos: ( + ) poca, (++) mucha.

Los resultados nos ense�an que hay una tendencia, que no parece casual, en la desaparici�n de los alcanos lineales impares y la de los �cidos grasos pares; esto a medida que el tiempo transcurre y aumenta la profundidad a la que se encuentra el yacimiento. Es de hacerse notar que en el petr�leo crudo que se extrae los alcanos y los �cidos grasos presentan distribuci�n homog�nea en pares e impares.

La explicaci�n, seg�n varios investigadores, consiste en pensar que el �cido graso inicialmente presente en la materia org�nica (predominantemente pares en el n�mero de �tomos de carbono) sufre una descarboxilaci�n, es decir la p�rdida del grupo -COOH, lo que da origen a un alcano:

El alcano formado se fragmenta a su vez (reacci�n de desintegraci�n) en alcanos m�s peque�os

Se piensa que, en primer t�rmino, las arcillas de tipo montmorillonita concentraron en su interior los �cidos grasos por un fen�meno de adsorci�n, expulsando el agua estructural (es decir que se volvieron parcialmente organof�licas) y con esto se generaron centros �cidos activos que catalizaron las reacciones de descarboxilaci�n y desintegraci�n.

El modelo que hemos presentado se ha simulado en el laboratorio. En 1971 se public� un informe sobre la reacci�n de descarboxilaci�n del �cido graso de cadena lineal que contiene 22 �tomos de carbono. Se escogi� este �cido porque es t�pico de los yacimientos "j�venes". El material se puso en contacto con una montmorillonita parcialmente hidratada, que conten�a calcio en su estructura. Los resultados de la reacci�n mostraron que se produc�an predominantemente alcanos y, en particular, el que ten�a un �tomo de carbono menos que el �cido graso original.

El modelo geoqu�mico para el proceso que hemos descrito se puede observar en la figura 32, donde se grafica la profundidad de la corteza terrestre y la temperatura correspondiente en funci�n de los dos tipos de reacciones que se llevan a cabo. Se postula que, al aumentar la temperatura, la arcilla genera centros �cidos del tipo Lewis, donadores de iones hidr�geno, que catalizar�an dichas reacciones.

Figura 32. Modelo geoqu�mico para la formaci�n de alcanos: en una descarboxilaci�n y en una desintegraci�n.

En los �ltimos cien a�os la humanidad ha consumido, b�sicamente para proveerse de energ�a, unos 900 000 millones de barriles de petr�leo, cantidad que equivale a quemar madera y aceites animales durante 1 300 a�os. Muchos esfuerzos se han realizado �ltimamente para racionalizar el uso del petr�leo como energ�tico, buscando por ejemplo fuentes alternas al mismo. La realidad es que para el a�o 2000 el 55% de toda la demanda mundial de energ�a ser� aportada a�n por el petr�leo. �Cu�nto petr�leo existe y para cu�ntos a�os m�s alcanza?, es una pregunta formulada de manera continua. Los estrategas de la planeaci�n econ�mica de todo el mundo hacen sus predicciones en funci�n de las reservas de petr�leo, clasificadas en dos tipos: las probadas y las potenciales.

Las reservas probadas hoy en d�a se estima que equivalen a 900 000 millones de barriles de petr�leo y una cantidad equivalente de gas. Se trata aqu� del petr�leo depositado en yacimientos marinos y terrestres, explotable con las tecnolog�as disponibles hoy en d�a. Las reservas potenciales incluyen aquellas que se presume deber�n descubrirse y cuya estimaci�n es muy variable. Si se considera que el ritmo de consumo anual sea en el futuro el mismo que hoy en d�a, con las reservas probadas tendremos petr�leo para los pr�ximos 45 a�os; si sumamos las potenciales, el n�mero de a�os se extiende a 170. Los economistas quedan satisfechos con sus c�lculos, pero quien trabaja en la industria petrolera es m�s pesimista, ya que se enfrenta a futuro con dificultades t�cnicas para satisfacer la demanda. �Por qu�? La respuesta la daremos con algunos datos adicionales en los que mostramos, de acuerdo con los especialistas, el tipo y porcentaje de los petr�leos que se utilizan en las referidas predicciones, v�ase la figura 33.


	Reservas (%)
Fuente	probadas	potenciales

Petróleo convencional	53.1	25.8
Petróleo pesado y arenas asfálticas	31.3	27.8
Esquisitos bituminosos	15.6	46.4

Figura 33. Origen de las reservas mundiales de hidrocarburos.

Se llama petr�leo convencional al que es f�cilmente transformado en productos refinados de alto rendimiento mediante los procesos y catalizadores actuales. Desafortunadamente, este tipo de petr�leo ha disminuido en forma constante desde hace mucho tiempo, por lo que hay que refinar crudos m�s "pesados" (el crudo Maya es un ejemplo), o sea un material que, con la tecnolog�a actual, produce mucho menos rendimiento en refinados debido a su composici�n, ya que posee mol�culas de alto peso molecular, adem�s de que contiene un porcentaje de azufre, n�quel y vanadio superior a los crudos ligeros.

El procedimiento m�s empleado por la industria de la refinaci�n para aumentar la producci�n de hidrocarburos gaseosos, �tiles en los procesos petroqu�micos de las gasolinas, diesel y lubricantes a partir de ciertas fracciones del petr�leo, es sin duda el proceso de desintegraci�n catal�tica. La fracci�n se pone en contacto con un catalizador �cido a temperatura elevada y �ste promueve la fragmentaci�n de las mol�culas, reduci�ndolas a tama�os menores. Las arcillas naturales fueron usadas intensamente como catalizadores con este prop�sito hace unos 45 a�os. B�sicamente se emplearon montmorillonitas tratadas con �cidos (proceso Houdry).

Si se controlaba con cuidado la intensidad del tratamiento, se obten�a un producto con buena actividad catal�tica; un exceso hac�a que se perdiera totalmente su funci�n. En el tratamiento, se eliminaban principalmente iones aluminio de las posiciones octa�dricas de la montmorillonita, provocando en la estructura una carga negativa que era neutralizada por el ion hidr�geno. Este hidr�geno, se cree, era la fuente de la actividad desintegradora del catalizador. Una desventaja ten�an las arcillas y era la presencia en su estructura del ion hierro, el cual provocaba una excesiva cantidad de carb�n proveniente de la degradaci�n total de los hidrocarburos; adem�s, las arcillas no eran t�rmicamente muy estables cuando se hac�a necesario elevar la temperatura para restituir la actividad catal�tica.

Las arcillas fueron paulatinamente desplazadas por otros materiales. En particular, en los a�os sesenta hicieron su aparici�n las zeolitas, que ofrec�an mayor conversi�n, altos rendimientos en gasolina y elevada estabilidad frente a la temperatura. La estructura zeol�tica, formada por bloques de SiO₄ y A1O₄ se une entre s� mediante puentes de ox�geno, formando estructuras que tienen poros con dimensiones moleculares y que, dependiendo del tipo de zeolita en cuesti�n, poseen aberturas de poros que van desde los 2 Å hasta los 8 Å. De esta manera la zeolita tiene la capacidad de permitir o no la entrada de reactivos en el interior de su estructura y llevar a cabo las reacciones �cidas con suma eficiencia.

Figura 34. Estructura de una mol�cula aislada del petr�leo pesado, que contiene vanadio.

La necesidad de refinar crudos pesados trae consigo la dificultad de hacerlo con los materiales zeol�ticos de que disponemos hoy en d�a: la abertura de los poros en las zeolitas es mucho menor que el tama�o de muchas de las mol�culas presentes en los crudos pesados. Adem�s, las altas concentraciones de metales como el n�quel y el vanadio las inactivan o, peor a�n, las destruyen. En la figura 34 mostramos una versi�n simplificada de la estructura de una de las mol�culas que contienen vanadio y que se hallan en los crudos pesados, a la que se determin� mediante estudios de rayos X. Para resolver el problema de la refinaci�n de los crudos actuales, se han mencionado varios tipo de estrategias, las m�s importantes son las siguientes:

1) Emplear zeolitas con abertura de poro mayor a las que hoy empleamos. A nivel mundial se intenta sintetizar afanosamente nuevas estructuras que posean esta caracter�stica sin que pierda la activad catal�tica.

2) Fragmentar el crudo con otro tipo de catalizadores que produzca mol�culas capaces de penetrar las cavidades zeol�ticas.

3) Buscar otro tipo de materiales porosos con alta actividad y selectividad apropiada. En este caso, las arcillas expandidas resultan ser los candidatos id�neos como tambi�n lo son para la estrategia precedente.

Veamos qu� sucede cuando una fracci�n de crudo pesado se hace pasar por un reactor donde hay un catalizador, a la temperatura de 560� C. En el experimento se utilizar�n dos tipos de s�lidos: el primero estar� constituido por un catalizador de desintegraci�n a base de zeolita, al que llamaremos "CZ". En el segundo experimento emplearemos un catalizador mixto, compuesto de 20% de zeolita y 80% de arcilla del tipo montmorillonita expandida con un olig�mero de aluminio, y que llamaremos "CAZ". La corriente que emerge del reactor es analizada en sus componentes, con lo cual se puede determinar qu� porcentaje de la carga se convierte en productos (% Conv.) y de lo convertido, cu�nto es gasolina y aceite ligero, lo que denominamos selectividad, S_gasolina y S_aceite_ligerorespectivamente.


Catalizador
Parámetro	CZ	CAZ

Conversión del crudo	57.2	72.1
Selectividad gasolina (%)	27.6	30.4
Selectividad aceite ligero (%)	15.1	12.7

Figura 35. Conversi�n catal�tica de un crudo mediante catalizadores a base de zeolitas (CZ) y de zeolita + arcilla (CAZ).

Como se puede apreciar, la estrategia parece dar resultado ya que la adici�n de la arcilla al catalizador de zeolita hace que aumente la conversi�n del reactivo as� como la cantidad de gasolina producida, por lo que se concluye que las grandes mol�culas son fragmentadas en la arcilla y luego pasan a la zeolita en donde se contin�an las reacciones de desintegraci�n.

Hemos mencionado antes que muchos crudos pesados contienen cantidades importantes de compuestos org�nicos de n�quel y vanadio. Las arcillas expandidas ofrecen la posibilidad de atrapar estas mol�culas por medios catal�ticos, impidiendo as� que da�en los catalizadores de zeolita. Para eliminarlos se requiere que el s�lido contenga dos funciones: una �cida, que provoque la ruptura de los enlances, y otra capaz de introducir hidr�geno en los fragmentos resultantes, ya que si no se hidrogenan totalmente tienden a formar residuos carbonosos que inhabilitan la actividad catal�tica. La funci�n hidrogenante en el catalizador la aporta un metal depositado ex profeso.

En una serie de experimentos se expandi� una arcilla de tipo montmorillonita con un olig�mero org�nico a base de hierro y una muestra adicional con uno de aluminio. Los materiales fueron evaluados por separado, haci�ndolos pasar en un reactor, durante 72 horas, una carga consistente en un crudo con cantidades conocidas de n�quel y vanadio. Los resultados mostraron que la arcilla expandida con aluminio tuvo muy poca capacidad de eliminaci�n, como era de esperarse, por no tener la funci�n hidrogenante. En la figura 36 se resumen los resultados obtenidos con la arcilla que contiene hierro, en la que se grafica el porcentaje de metal eliminado de la carga en funci�n de la temperatura de reacci�n.

Figura 36. Eliminaci�n porcentual de vanadio (

) y n�quel (O) mediante un tamiz de arcilla en funci�n de la temperatura de reacci�n.

Cuando estos datos se confrontan con los que se obtienen con los catalizadores actualmente empleados en las refiner�as, que son de naturaleza qu�mica diferente, se comprueba que si bien el porcentaje de eliminaci�n es semejante, la arcilla realiza la tarea a temperatura inferior, lo que representa un ahorro en energ�a.

Hemos resaltado a lo largo de este cap�tulo que una de las ventajas destacables de las arcillas modificadas frente a otros s�lidos porosos la constituye su capacidad de adsorber y hacer reaccionar en el interior de su estructura mol�culas de gran tama�o.

Como �ltimo ejemplo del potencial que ofrecen estos nuevos materiales, presentaremos algunos resultados obtenidos por J. Shabtai y sus colaboradores que fueron tratados en el 7� Congreso Internacional de Cat�lisis efectuado en Jap�n. Los autores del trabajo hicieron un estudio comparativo de la reactividad de tres diferentes mol�culas org�nicas frente a una zeolita Y, la que se emplea en los catalizadores en la desintegraci�n de los gas�leos y una montmorillonita expandida. Se sabe que la abertura m�xima de los poros zeol�ticos tiene un di�metro aproximado de 8 Å y las tres mol�culas escogidas di�metros de 6.2, 7.5 y 9 Å. Estos di�metros de las mol�culas, hemos de aclarar, que son valores absolutos y se calculan a partir de estimaciones te�ricas. Sin embargo tal es quiz� el m�todo m�s pr�ctico que se tiene para medir la abertura de los poros. El experimento consisti� en evaluar la velocidad de transformaci�n por minuto del reactivo, referida a una masa id�ntica de s�lido en cada caso. La reacci�n en que se emplearon las mol�culas sonda fue realizada a 350� C y con el fin de exponer los resultados no es necesario dar los valores absolutos de tales velocidades, as�, en el caso de la zeolita le daremos el valor relativo de 1 (V_r); en el de la arcilla, el n�mero de veces que la velocidad de transformaci�n fue m�s r�pida que 1.

En la figura 37 se representan los resultados. Se dibuj� la estructura de las mol�culas-reactivo empleadas y, entre par�ntesis, va anotado el di�metro que se les calcul� en Angstroms.

Figura 37. Comparaci�n entre las velocidades de reacci�n (V) en la conversi�n de tres reactivos con distinto di�metro cin�tico.

Es evidente que, al aumentar el tama�o de la mol�cula, la zeolita tiene m�s dificultad para convertirla por lo que la velocidad de reacci�n de la arcilla es cada vez mayor ya que en ella no existe el problema de que el reactivo no penetre al interior de la estructura.

Debemos mencionar que el trabajo fue presentado en 1980 y que, en la secci�n de comentarios del Congreso, el representante de una industria petrolera dijo: "Quiero felicitarlos por este trabajo tan innovador, realizado con tanta imaginaci�n. Tengo la impresi�n de que esto representa el punto de arranque de nuevos desarrollos que se iniciaron hace a�os con los catalizadores zeoliticos." El comentarista no estaba equivocado pues podemos imaginar el potencial que tienen los valores de la figura si tomamos en consideraci�n que, en esa �poca, un tercio de los cinco millones de barriles de petr�leo se enviaba diariamente a procesar mediante la reacci�n de desintegraci�n catal�tica.