Figura 8. Esquema de un pozo de petróleo.
Su precio siempre es mayor que el del crudo pesado, el cual es un poco más difícil de procesar. En México contamos con ambos tipos de crudo, y aquí 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 dólares, 25% correspondió al tipo istmo, 60% al maya y 15% al olmeca. Los principales países de destino fueron Estados Unidos (58.3%), España (17.5%), Japón (6.6%) y Canadá (2.3%).
ENLACES DOBLES Y TRIPLES. LA SERPIENTE DE KEKULÉ
Cuando en una fórmula el químico coloca una raya entre dos átomos enlazados, está diciendo que una pareja de electrones los mantiene unidos. En los hidrocarburos de la fórmula 6 se presenta este tipo de unión, llamada enlace sencillo. A los hidrocarburos de cadena abierta como éstos se los llama alcanos. Sin embargo, ocurre también que cuatro o seis electrones sirvan de lazo de unión entre dos átomos 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 fórmula 7 muestra algunos ejemplos.
Fórmula 7. Los alquenos más simples son la base de productos poliméricos ampliamente utilizados: a) etileno, b) propileno, c) acetileno, el alquino con dos átomos de carbono. A este último se lo empleó para el alumbrado público antes de la aplicación de la electricidad.
Como seis electrones enlazan mejor que cuatro y éstos mejor que dos, la distancia entre átomos de carbono es menor en un triple enlace que en uno doble y que en uno sencillo (véase la fórmula 8).
Fórmula 8. Distancia carbono-carbono en los enlaces sencillo, doble y triple. Un picómetro (pm) es la billonésima 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 último carbono de una cadena abierta se enlace con el primero. Un par de compuestos cíclicos de utilidad se muestran en la fórmula 9.
Un hidrocarburo muy especial es el benceno, que tiene la fórmula C6H6. Se dice que Friedrich August Kekulé, un notable químico alemán del siglo pasado, resolvió el problema de su estructura en 1866, cuando soñó a una serpiente que se comía su propia cola. En efecto, el benceno es un hidrocarburo cíclico, aunque su reducido número de hidrógenos habla de la presencia de enlaces múltiples.
Fórmula 9. Hidrocarburos cíclicos. a) Ciclopropano, un potente anestésico empleado en cirugía. b) Mentol. El principio activo de la menta cuenta con un anillo de seis carbonos (ciclohexano).
Fórmula 10. a) Estructuras del benceno según Kekulé. b) Concepción actual del benceno. Los electrones de los dobles enlaces propuestos por Kekulé no se hallan entre pares específicos de átomos de carbono. En realidad se encuentran deslocalizados alrededor de todos los átomos del ciclo, lo cual se representa por el círculo punteado.
TAQUIGRAFÍA QUÍMICA
En química orgánica es común representar las fórmulas de los compuestos en forma de una gráfica que condensa la información. Las reglas son: a) eliminar la escritura de los símbolos de carbono e hidrógeno, b) cada trazo lineal representará una unión carbono-carbono, y c) evitar la escritura de los enlaces carbono-hidrógeno.
Se han colocado tres ejemplos de esta taquigrafía en la fórmula 11.
Fórmula 11. Fórmulas desarrolladas y gráficas de tres compuestos: a) Butadieno. B) Ciclopropano. C) Benceno.
Esta simplificación de las fórmulas, como se verá, es de mucha utilidad para ahorrar tinta y tiempo. Convierte además al químico en un experto trazador de figuras geométricas.
UTILIZACIÓN GLOBAL DEL PETRÓLEO
Del petróleo se aprovecha tanto el gas natural como el aceite crudo. En la figura 9 se presenta, a partir de datos de la ONUDI (Organización 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 petróleo en el ámbito mundial (en toneladas por año). (Fuente: ONUDI, The Petrochemical Industry in Developing Countries, 1985.)
Podemos observar que una proporción alta del destino final del petróleo es su combustión como energético. Unicamente alrededor de 7% se utiliza para la obtención de productos petroquímicos. Por lo visto, el mercado mundial no da para más.
Por lo pronto, vale la pena detenernos un poco en el cuadro de refinación. Más adelante nos ocuparemos tanto de la petroquímica que se deriva del gas natural (120 millones de toneladas al año, de acuerdo con la figura 9) como del aceite crudo (210 toneladas anuales). Pero antes de empezar veamos uno de los peligros existentes detrás de los hidrocarburos.
CÁNCER Y PRODUCTOS AROMÁTICOS
Con la industrialización de Europa en el siglo pasado se descubrió que los trabajadores del carbón y los deshollinadores de chimeneas desarrollaban cáncer en la piel. Hacia 1915, en el Japón, se demostró que bastaba pintar a un conejo con alquitrán (un derivado de la pirólisis del carbón de hulla) para que se le indujera cáncer.
Se estima que más de 50% del cáncer humano es producido por sustancias carcinogénicas que se hallan en el medio ambiente. Los ejemplos del párrafo anterior han ratificado que algunos hidrocarburos aromáticos policíclicos producen cáncer (véase la fórmula 12). Parece que el benceno también causa cáncer.
El benzopireno es uno de los carcinógenos más poderosos y se lo considera una de las principales causas del cáncer pulmonar. Se produce en la combustión de diversos productos orgánicos, como la gasolina, el diésel y, desde luego, los cigarros. Se lo ha encontrado incluso en alimentos preparados por combustión directa, como los famosos tacos al carbón.
No son del todo bien conocidas las razones por las que algunos hidrocarburos producen cáncer y otros no. Se manejan hipótesis relativas a la distribución de los electrones y otras relacionadas con el tamaño de las moléculas (para que se intercalen apropiadamente en el ADN).
Fórmula 12. Reciben el nombre de aromáticos todos los compuestos derivados del benceno (véase la fórmula 10). Los aquí mostrados reúnen varios ciclos bencénicos en la misma molécula. Algunos de estos compuestos inducen cáncer por el contacto prolongado con ellos. a) Antraceno (no es carcinógeno). b) Benzo [a] antraceno (es carcinógeno). c) Pireno (no es carcinógeno) . d) Benzo [a] pireno (es un carcinógeno muy potente).
DESTILACIÓN PRIMARIA
Como ya mencionamos, el petróleo crudo es una mezcla de miles de hidrocarburos y otros compuestos. La forma elemental de aumentar su valor es separar de él distintas fracciones de compuestos semejantes.
Para empezar, se eliminan los sólidos térreos suspendidos en el crudo y de inmediato se envía éste a la refinería. Allí el primer paso es la destilación del crudo. En este proceso se aprovecha que cada compuesto tiene una temperatura característica de ebullición. En el laboratorio bastan un mechero, un matraz y un refrigerante para separar una mezcla por destilación. Sin embargo, en la industria se requieren enormes equipos que se denominan torres de destilación. El diagrama de una torre de destilación primaria se muestra en la figura 10.
Antes de su ingreso a la torre, el petróleo crudo es precalentado en hornos que queman gas natural. Por motivos de ahorro energético, las mismísimas corrientes que salen de la torre, desde la menos hasta la más caliente, también se utilizan en el precalentamiento del aceite crudo, antes de entrar al horno. Ello implica un ahorro de gas natural. Así, en ocasiones el crudo se aprovecha para condensar el gas que sale por la parte superior de la torre (véase la figura 10) y para enfriar el resto de las corrientes de salida. En este trayecto el crudo se precalienta y está listo para entrar al horno, y finalmente a la torre.
Figura 10. Torre de destilación 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 líquida, alimentada por el condensador de la parte superior. En cada plato de la torre el gas y el líquido entran en contacto íntimo. El resultado es que los compuestos más volátiles y ligeros pasan a la fase gasosa, con lo que continúan su ascenso hacia el plato superior, mientras que los menos volátiles se condensan como líquidos y acompañan esta fase hacia el plato inferior.
Para el ingeniero químico, el diseño de una torre de éstas es un problema clásico de su profesión. ¿Qué diámetro proponer para la torre? ¿Cuántos platos de contacto líquido-vapor hacen falta? ¿En qué plato alimentar el crudo? ¿A qué temperatura debe introducirse? ¿Cuánto vapor alimentar al rehervidor?
El arranque de la planta de destilación es otro bello problema: ¿cómo lograr que las corrientes destiladas, que antes constituían el crudo, sean las que lo precalienten? Pruebe el lector su ingenio para sugerir un procedimiento de arranque.
FRACCIONES DEL PETRÓLEO
La temperatura cambia a lo largo de la torre. En la parte superior se tiene la más baja, donde se encuentran en equilibrio los componentes más ligeros (y de menor punto de ebullición). Por el contrario, en la parte inferior la temperatura es mucho más alta y lo es también la proporción de los componentes pesados y menos volátiles.
Como se colocan diversas salidas laterales en la torre, el petróleo crudo logra separarse en varias fracciones, cada una con un diferente intervalo de temperaturas de ebullición e hidrocarburos de diferente número de carbonos en su cadena (véase el cuadro 7).
CUADRO 7. Fracciones del petróleo que abandonan la torre de destilación.
Nombre Intervalo de temperatura de ebullición (°C) Número de carbonos Uso
Gas incondensable menor de 20 1 a 4 combustible
Éter de petróleo 20 – 80 5 a 7 disolvente
Gasolina 35 – 220 5 a 12 combustible de autos
Querosina 200 – 315 12 a 16 combustible de aviones
Aceite ligero 250 – 375 15 a 18 combustible diésel
Aceite lubricante y grasas mayor de 350 16 a 20 lubricante
Cera sólido que funde entre 50 y 60 20 a 30 velas
Asfalto sólido viscoso —– pavimento
Residuo sólido —– combustible
En la figura 11 se muestra un cuadro sinóptico con los destinos principales de las fracciones del petróleo. Cada una de las corrientes que abandonan la torre primaria de destilación recibe tratamientos posteriores en la propia refinería o en plantas externas. 
Figura 11. Destino de las diferentes fracciones del petróleo, después de la destilación primaria.
Cada uno de estos procesos posteriores a la destilación proporciona mayor valor agregado a los productos del petróleo y los transforma en bienes mucho más aprovechables directamente por la población. La industria del petróleo consiste en un frondoso árbol cuyo tronco es el petróleo (crudo más gas natural), sus ramas principales son los efluentes de la destilación primaria, y cada una de éstas se deriva hacia diversos procesos ulteriores.
Así, el largo camino que parte del petróleo 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 petroquímicos que, con base en los productos básicos de la refinería, establece una secuencia genealógica que pasa por los petroquímicos 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.
ISÓMEROS: ¿CON QUÉ SE COMEN?
En química se emplea el término isómero para designar a dos compuestos con la misma fórmula (lo cual implica la misma composición porcentual de cada elemento), pero cuyas moléculas muestran un ordenamiento espacial diferente de sus átomos. Por ejemplo, el éter metílico y el alcohol comercial son sustancias isoméricas. Sus fórmulas condensadas son C2H6O, pero sus fórmulas moleculares revelan diferencias (véase la fórmula 13).
Esa diferente posición del átomo de oxígeno es crucial. En ambos casos tenemos líquidos volátiles transparentes, pero uno es un potente anestésico (éter) y el otro un tóxico peligroso (es el bien conocido alcohol que encontramos en el vino, la cerveza, el pulque, el tequila, etcétera).
Fórmula 13. Dos moléculas isoméricas. Obsérvese que contienen el mismo número de átomos de cada elemento, esto es, seis hidrógenos, dos carbonos y un oxigeno: a) éter metílico; b) alcohol etílico.
En los hidrocarburos aparece frecuentemente el fenómeno de la isomería. Ello es clave, por ejemplo, en el octanaje de una gasolina.
LA GASOLINA Y EL OCTANAJE
Las gasolinas mexicanas (Nova y Extra) se vendían con dos grados de octanaje hasta 1990. Hoy las gasolinas comerciales son la Nova y la Magna Sin, esta última para los automóviles fabricados desde 1991 que cuentan con un convertidor catalítico para reducir la contaminación, del que hablaremos más adelante. Por lo pronto respondamos a la pregunta, ¿qué es el octanaje?
Un motor está diseñado para que la gasolina gasificada sea admitida al pistón y, luego de ser comprimida, explote por la acción de la chispa de la bujía. No son adecuadas aquellas gasolinas que explotan por el solo hecho de comprimirlas, pues se queman prematuramente (el fenómeno se llama preignición). Esto produce que el pistón se extienda antes de que el cigueñal 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 más susceptibles de preignición.
De forma arbitraria se ha asignado el octanaje de 0 y 100, respectivamente a dos hidrocarburos puros: el n-heptano, que trabaja pésimamente en los motores, y el 2,2,4-trimetilpentano (un isómero del octano C8H18), que se desempeña muy bien (véase la fórmula 14).
Por ejemplo, cuando decimos que una gasolina tiene un octanaje de 80, queremos indicar que, ante la combustión en el motor, se comporta igual que una mezcla de 80% de 2,2,4-trimetilpentano y 20% de n-heptano. Fórmula 14. Conforme más 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 característico en esta escala. La mayoría se encuentra entre el 0 y el 100, pero pueden ocurrir los octanajes negativos (para los hidrocarburos que se comportan todavía peor que el n-heptano) o los mayores de cien (para los que son mejores que el 2,2,4-trimetilpentano). Los isómeros lineales (como el n-heptano) poseen el peor octanaje, mientras que aquellos con más ramificaciones son óptimos (véase el cuadro 8). Por ejemplo, otro isómero del octano, el 2,2,3,3-tetrametilbutano de la fórmula 14 (c) tiene un octanaje de 103. Asimismo, los hidrocarburos bencénicos, también llamados aromáticos (derivados del benceno, el hidrocarburo de la fórmula 10) son de alto octanaje.
CUADRO 8. Octanaje de algunos hidrocarburos puros.
Hidrocarburo Índice de octano
n-pentano 62
n-heptano 0
n-octano 17
3-metilheptano 35
2,3-dimetilhexano 79
2,2,4-trimetilpentano 100
benceno 106
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 algodón, el maíz, el ricino, el cacahuate y el lino).
CATÁLISIS. LA FORMA QUÍMICA DE METER EL ACELERADOR
Cada cambio químico sucede a una velocidad característica, en función de una variedad de condiciones. Mientras que existen fenómenos químicos extraordinariamente rápidos, también los hay desesperantemente lentos. Una explosión es un ejemplo de un fenómeno químico veloz. Por contraste, los diamantes se convierten lentamente en grafito, en un proceso que dura millones de años.
Cuando se trata de un proceso químico para producir un bien determinado, el factor económico entra en juego y el químico debe idear formas de acelerar su ocurrencia. Para ello hace participar alguno de los siguientes parámetros: a) La concentración de los compuestos que reaccionan. Si ésta aumenta, existe mayor probabilidad de que sus moléculas se encuentren y reaccionen.
b) La temperatura. Por lo general, el calentamiento aumenta la velocidad de reacción. Los refrigeradores utilizan este principio, ya que al mantener fría la comida se reduce su velocidad de descomposición.
c) El tamaño de las partículas. Si algún reactivo es un sólido, conviene molerlo finamente.
d) Catalizadores. Son sustancias que aceleran la reacción, pero que quedan intactas al final de la misma (véase la figura 12). Por otra parte, se llama inhibidores a las sustancias que retardan la velocidad de las reacciones químicas. En la industria alimentaria, los conservadores, sustancias preservativas y antioxidantes son inhibidores que retardan la descomposición de la comida.
Sin duda, la catálisis es clave en la industria del petróleo. Es más, cerca de 90% de todos los procesos químicos 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 molécula B-B arriba también 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 más importantes sean, por su volumen:
– La producción de amoniaco, NH3, base de los fertilizantes nitrogenados;
– la síntesis de ácido sulfúrico, el producto químico más extendido (se producen anualmente unos 150 millones de toneladas en el mundo);
– la hidrogenación de aceites comestibles;
– la desintegración catalítica, y
– la reformación del petróleo.
Más adelante comentaremos algunos de estos procesos.
La catálisis no es privativa de la industria. Se presenta diariamente, en cada momento, en el interior de nuestros organismos. Las enzimas (proteínas globulares de las que nos ocuparemos al final del siguiente capítulo) controlan casi todas las reacciones químicas corporales, con lo que hacen posible la vida. De este tamaño es la importancia de la catálisis.
LA QUÍMICA Y EL OCTANAJE
Ya que la ciencia central nos ayuda a modificar a voluntad el arreglo atómico en los compuestos, su acción puede utilizarse para transformar hidrocarburos de bajo octanaje en otros con alto índice de octano.
La participación de la química en las refinerías ha resuelto dos problemas graves:
a) que la gasolina natural que se obtiene por destilación sólo alcanza un octanaje cercano a 50 y no puede utilizarse tal cual, para los motores de combustión interna;
b) que la gasolina natural sólo constituye de 20 a 30% del petróleo crudo y esa cantidad es insuficiente para satisfacer la demanda.
Por lo menos, son tres los tipos de reacciones químicas que ayudan a obtener artificialmente más y mejor gasolina:
1) Desintegración térmica y catalítica:
Mediante este proceso se rompen los hidrocarburos de cadenas muy largas en dos o más que cuentan con cinco a nueve carbonos, los cuales sirven como gasolinas. La desintegración térmica logra este efecto gracias a la elevación 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.
Fórmula 15. Una reacción de desintegración.
2) Reformación:
La reformación es otro proceso catalítico que transforma un isómero lineal en uno ramificado o en uno aromático, mediante el cual se logra aumentar el octanaje de la gasolina.
3) Alquilación:
El proceso inverso a la desintegración es la reunión de dos hidrocarburos ligeros para formar uno solo. Se conoce como alquilación. Esta síntesis puede lograrse cuando uno de los hidrocarburos posee un doble enlace carbono-carbono. Los catalizadores usados tienen especial atracción hacia este doble enlace, al cual debilitan a cambio de formar el lazo de unión entre las sustancias reaccionantes.
Fórmula 16. Reformación del n-hexano. Los productos pueden ser hidrocarburos ramificados o benceno (ambos son de alto octanaje).
Fórmula 17. Una reacción de alquilación que produce el hidrocarburo con 100 octanos.
Mediante la alquilación se obtienen hidrocarburos con ramificaciones, o sea, de alto índice de octano.
Este proceso también es útil para que las gasolinas no se evaporen fácilmente. Por ejemplo, un hidrocarburo de cinco carbonos —un pentano— tiene un punto de ebullición muy bajo. Si mediante alquilación se puede transformar en uno de seis o siete átomos de carbono, su tendencia a volatilizarse es menor.
Este aspecto está cobrando una importancia enorme, pues se sabe que la presencia de ozono contaminante en la atmósfera de las grandes ciudades se debe a ciertas reacciones entre hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y el oxígeno del aire, que se llevan a cabo en presencia de la luz del Sol. Así, para reducir la presencia de ozono en la atmósfera resulta importante disminuir la concentración de hidrocarburos, en vista de lo cual PEMEX realiza actualmente varios proyectos de plantas de alquilación para que las gasolinas no sean tan volátiles, y así los hidrocarburos ligeros no se evaporen fácilmente al ambiente.
ANTIDETONANTES Y CONTAMINACIÓN POR PLOMO
Aunque no se sabe con certeza la forma en que actúa, la adición de una pequeña 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 más el índice de octano si es añadido a hidrocarburos ramificados. Además, tiene un curioso efecto detergente y lubricante sobre los pistones.
Sin embargo, el plomo liberado después de la combustión de la gasolina Nova es un contaminante peligroso. El contacto prolongado con el plomo produce la enfermedad llamada saturnismo, que antes era característica de los mineros.
Una persona normal puede excretar alrededor de 2 000 microgramos de plomo al día. 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 Organización Mundial de la Salud (OMS) realizó un trabajo que cubrió doce grandes ciudades. Allí se informó que los habitantes de la ciudad de México contábamos con el nada gratificante récord de poseer la mayor concentración de plomo en la sangre: 22 microgramos por decilitro, en promedio.
El plomo aparece en nuestra comida, pues por cada kilogramo ingerimos también 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 tuberías por las que atraviesa, que son de plomo o están soldadas con él; y en nuestro aire, por la combustión del tetraetilo de las gasolinas y por efluentes de otras industrias que utilizan este elemento.
Hace unos años se abusaba del plomo como ingrediente para fabricar pigmentos. Su empleo se limitó cuando se estimó que había sido la causa de muerte de alrededor de 200 niños en Estados Unidos. Las investigaciones de la OMS indican que si la sangre de un niño contiene al nacer más de 10 microgramos por decilitro, aquél pudiera presentar un retraso mental los dos primeros años de su vida.
A todo esto se exponía a los niños habitantes del Distrito Federal. Por ello resultó 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 México solamente se añaden 0.1 ml de tetraetilo por cada litro. En tal virtud, y debido asimismo a la aparición de la gasolina Magna Sin, las mediciones de plomo en la atmósfera de la ciudad de México en todo 1993 no rebasaron la norma internacional permisible.
¿GASOLINA OXIGENADA? LA LUCHA CONTRA LA CONTAMINACIÓN
Por otra parte, para reducir la contaminación vehicular se desarrolló un convertidor catalítico por el que atraviesan los gases del escape. Mediante una reacción catalítica propiciada por metales pesados (platino, paladio y rodio) se logra reducir las emisiones de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno (el primero es un potente veneno para el organismo y los segundos, como ya se mencionó, son los precursores de la formación de ozono en la baja atmósfera). Sin embargo, la presencia de plomo en la gasolina destruye la acción 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 éter, o MTBE (véase fórmula 18) que es un compuesto con un átomo de oxígeno. Por ello se dice que la Magna Sin es una gasolina oxigenada.
Esta acción es una aportación más de la química en la lucha contra la contaminación. En 1992 PEMEX añadió más de 3 000 millones de litros de MTBE a la gasolina de los automóviles en México.
Por otra parte, además del cierre de la refinería de Azcapotzalco, en 1992 se redujo el contenido de azufre en el gasóleo industrial que se quema en la zona metropolitana, y en octubre de 1993 apareció en el mercado el diésel Sin, que es un combustible diésel 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 técnico y científico en la industria de la refinación del petróleo. Con todas estas acciones disminuyó notablemente la presencia de dióxido de azufre, SO2, en el aire de la ciudad, el cual en los últimos años ha permanecido por debajo de la norma internacional aceptada.
Fórmula 18. Éter metil-terbutílico, base de la gasolina oxigenada. Hasta ahora hemos tenido que importarlo, pero pronto PEMEX tendrá la capacidad de producir todo el necesario.
COMBUSTIBLES ESPECIALES
Para que una sustancia sea útil como combustible, debe desprender una gran cantidad de calor cuando reacciona con el oxígeno. La fórmula 19 presenta la combustión completa de un octano.
Fórmula 19. Reacción química que se lleva a cabo en los motores de combustión interna. Se necesitan 25 moléculas de oxígeno para quemar dos moléculas de octano. Si el motor no recibe el aire suficiente, la reacción puede no ser ésta, sino la que produce monóxido de carbono (CO), que es sumamente venenosos. Entre otras cosa, por eso conviene afinar puntualmente el motor de un vehículo.
Vale la pena desviarnos un ápice del tema de este capítulo para presentar otras sustancias que son aún mejores combustibles que los hidrocarburos. Por ejemplo, la hidrazina (N2H4), un hidruro del nitrógeno, es la sustancia preferida para el lanzamiento de cohetes y misiles. Este compuesto llevó al hombre a la Luna. Su combustión, además de calor; sólo produce agua y nitrógeno gaseoso (véase la fórmula 20); es un combustible no contaminante.
Fórmula 20. Reacción de combustión de la hidrazina.
En la década de los cincuenta se esperaba que los hidruros de otro elemento, el boro, fueran excelentes combustibles. Se iniciaron en Estados Unidos diversos programas de investigación, cuyo resultado fue aparentemente un fracaso. Los hidruros de boro, al quemarse, generaban óxidos sólidos inmanejables. Sin embargo, como un ejemplo más de que todo nuevo conocimiento es útil, el área que se inició fue de las más importantes y estratégicas de la química inorgánica.
Por ejemplo, hoy se producen 2 000 toneladas anuales de borohidruro de sodio (NaBH4), un excelente agente reductor en transformaciones químicas. Su paternidad se debe al químico H.C. Brown, quien luego abrió brecha en el uso de los compuestos de boro para la síntesis de moléculas orgánicas, por lo que recibió el Nobel de química en 1979.
Un compuesto de boro, el hidruro llamado diborano, B2H6, revolucionó muchos aspectos de la química. Se inflama en contacto con el aire, liberando más calor que cualquier hidrocarburo o la hidrazina, y su estructura muestra un átomo de hidrógeno enlazado a otros dos átomos (véase la fórmula 21), a pesar de que aparentemente no existen los electrones necesarios para ello. Estos compuestos deficientes en electrones son tema actual de investigación en el mundo. Un grupo de investigación del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN tiene contribuciones notables en este campo.
Fórmula 21. Diborano. Los hidrógenos puente entre los dos boros se encuentran por encima y por debajo del plano del papel. Ambos muestran una valencia de dos (están enlazados a dos átomos).
EL TREN DE AROMÁTICOS
La mayor parte de los compuestos aromáticos del petróleo o de los producidos en la refinación se utilizan para aumentar el octanaje de las gasolinas. Sin embargo, en algunas refinerías se establecen procesos para la producción amplia de estos compuestos. Por ejemplo, en México existe un tren de aromáticos en La Cangrejera, Veracruz —por ahora el complejo petroquímico más importante de América Latina— y en la refinería Lázaro Cárdenas de Minatitlán.
La Cangrejera consta de veinte plantas, siete de las cuales se dedican a la producción de aromáticos (véase la fórmula 22).
Fórmula 22. Los derivados más comunes del benceno. a) Metilbenceno o tolueno. b) Etilbenceno. c) Isómeros 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 sólo contiene de 5 a 10% de aromáticos en un efluente con 42 a 47%, una notable muestra de transformación química catalítica. Otra de las plantas, la de xilenos plus emplea otro proceso catalítico para aumentar el contenido de xilenos y etilbenceno. Una tercera planta catalítica se encarga de la isomerización de xilenos, y así de elevar la proporción del isómero para-xileno, que se emplea posteriormente para la fabricación de fibras poliéster (ropa), adhesivos y pinturas, tintas, herbicidas y recubrimientos.
En segundo término vienen las plantas fraccionadora y extractora de aromáticos. El principio de éstas es la destilación. En el cuadro 9 se muestran las temperaturas de ebullición de los productos aromáticos primarios.
CUADRO 9. Temperaturas de ebullición de aromáticos.
Compuesto Temperatura de ebullición (°C)
Benceno 80.1
Tolueno 110.6
Etilbenceno 136.2
Orto-xileno 144.4
Meta-xileno 139.1
Para-xileno 138.3
Los dos primeros compuestos son fácilmente destilables. Sin embargo, note el amable lector la poca diferencia entre las temperaturas de ebullición de los cuatro isómeros que les siguen en el cuadro. Para su separación se requieren torres de destilación muy altas. Es más, se prefiere separar al m-xileno del p-xileno (que ebullen con menos de un grado de diferencia) por otro proceso diferente de la destilación, la llamada cristalización fraccionada. Si bien los puntos de ebullición de ambos compuestos son similares, sus puntos de congelación son de -47.9°C y 13.3°C, así que mediante un proceso de cristalización en frío se logra separar el p-xileno de su isómero menos valioso, el m-xileno.
Por lo general, como las reacciones de aromatización se llevan a cabo a una temperatura moderada a la que no se presentan tantas rupturas de enlaces, la proporción de benceno que se obtiene muchas veces no es mayor de 10%. Como la demanda del mercado es mayor, en La Cangrejera existe una última planta, llamada hidrodealquiladora de tolueno, en la que parte del tolueno se transforma en benceno (véase la fórmula 23). Los usos de éste son extensísimos, basta mencionar la fabricación de nailon, hule sintético, insecticidas, detergentes y perfumes.
No obstante, no todo el tolueno se transforma en benceno, pues aquél es importante materia prima para la producción de desinfectantes, preservativos de alimentos, colorantes y explosivos.
La figura 13 resume el tratamiento que el petróleo crudo recibe en la refinería. Vemos que además de los aromáticos 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 más adelante.
N2, UNA MOLÉCULA NO REACTIVA, Y SU REPERCUSIÓN EN LA AGRICULTURA
Los tejidos de todos los seres vivientes contienen nitrógeno. Este es un elemento básico de nuestra dieta y de la de todas las plantas y animales.
Fórmula 23. En la reacción de alquilación la molécula de hidrógeno rompe el enlace entre el anillo y el grupo alquilo, CH3 en este caso, con lo que se recuperan benceno y metano.
Figura 13. Síntesis de la cadena productiva mediante la cual una mezcla de miles de compuestos (el petróleo crudo) se transforma en productos más aprovechables. Las sustancias de la derecha son las materias primas de la industria petroquímica. (Tomada de Análisis de la industria petroquímica por cadenas productivas, Comisión Petroquímica Mexicana, México 1986.)
Vivimos rodeados de nitrógeno (78% del aire atmosférico contiene la molécula N2). Grandes volúmenes de N2 pasan todos los días 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 molécula de N2 es muy estable y sale de los pulmones de la misma forma en la que entra.
En realidad, obtenemos el nitrógeno que requerimos al asimilar el que contienen los vegetales y animales que constituyen nuestro alimento. Pero… ¿y cómo obtuvieron ellos ese nitrógeno?
Todos los animales dependemos del reino vegetal para hacernos del nitrógeno necesario. Los carnívoros lo hacen indirectamente, al alimentarse de otros animales vegetarianos. Ahora bien, las plantas obtienen el nitrógeno al absorber del suelo sales nitrogenadas (nitratos, NO-3, por ejemplo) o derivados del amoniaco, NH3, a través de las raíces. Pero… ¿por qué no se ha acabado el nitrógeno del suelo?
En parte se debe a que recircula en un proceso denominado ciclo del nitrógeno. Se estima que los organismos vivos contienen unos 15 000 millones de toneladas de nitrógeno. Cuando mueren, su nitrógeno 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 producción de nitrógeno asimilable: unos diminutos microorganismos son capaces de transformar el nitrógeno del aire ( N2) en amoniaco (NH3) y otros derivados nitrogenados (se dice que fijan el nitrógeno). Estas bacterias y algas trabajan simbióticamente con otros vegetales (como las leguminosas, por ejemplo), que son el destino de ese nitrógeno asimilable (unos 200 millones de toneladas al año).
El campesino al rotar cultivos enriquece la tierra. Un plantío de frijol, que es una leguminosa, logra la nitrificación del suelo gracias a la acción de los microorganismos fijadores de nitrógeno.
Aunque parezca mentira, antes del siglo XX la alimentación de toda la humanidad descansaba en estos microorganismos. Si algo les hubiera pasado y hubieran desaparecido, la población del planeta había decrecido enormemente, después de un periodo terrible de hambruna. La razón es que no se habría podido producir nitrógeno asimilable a partir del que existe en el aire. Sólo habríamos contado con el recirculado por los seres vivos, con el de la sal nitro chilena (enormes depósitos naturales de nitrato de sodio) y el obtenido como subproducto de la fabricación de carbón de coque.
¿COINCIDENCIAS HISTÓRICAS?
Durante muchos años, las salinas chilenas garantizaron el abasto de fertilizantes nitrogenados a todo el mundo. Adicionalmente, el nitrato chileno también es la materia prima para fabricar multitud de explosivos (trinitrotolueno —TNT—, nitroglicerina y nitrocelulosa). Por lo mismo, el control de las líneas marítimas hacia Chile era crítico para el abastecimiento oportuno de este elemento.
Al estallar la primera Guerra Mundial se libraron cerca de Chile dos batallas marítimas de importancia: una en las islas Coronel, que ganó Alemania, y otra en las Malvinas, de la que salieron victoriosos los británicos. Hay quienes opinan que estas dos batallas pudieron haber dado fin a la guerra, de no ser por dos enormes descubrimientos científicos de unos cuantos años antes.
Por una parte, en 1909 el químico alemán Fritz Haber perfeccionó el proceso para obtener amoniaco directamente a partir de nitrógeno e hidrógeno (véase la fórmula 24). ¡Por fin el género humano había podido vencer a la poco reactiva molécula del N2! No resistió las altas temperaturas y presiones, ni la presencia de un catalizador.
Fórmula 24. Reacción de Haber.
Dos años antes, otro químico alemán llamado Wilhelm Ostwald encontró el catalizador adecuado para convertir amoniaco en ácido nítrico. El resto para llegar a obtener explosivos era coser y cantar.
Ambos descubrimientos fueron empleados por Alemania una vez que se les cerró la ruta hacia Chile. Así, aunque el proceso Haber tuvo en principio esta aplicación militar, que tal vez prolongó la primera Guerra Mundial, sirvió después para producir los fertilizantes que propiciaron la enorme explosión demográfica de este siglo.
Una vez más, el conocimiento científico sirvió como arma de dos filos, algo similar a lo que ocurre con el bisturí, que es una bendición en las manos de un médico, pero un peligro en las de un asesino.
PETRÓLEO Y FERTILIZANTES
De la fórmula 24 para obtener amoniaco, es claro que el nitrógeno se obtiene directamente del aire, pero ¿cómo puede conseguirse hidrógeno en forma elemental? Es más, la mezcla nitrógeno-hidrógeno que se requiere debe ser muy pura, para que no se envenene el catalizador que acelera la transformación.
Hoy, la forma más barata de obtener el hidrógeno 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 fabricación de ácido sulfúrico.
b) El gas natural endulzado (sin H2S) se alimenta a una planta criogénica. El objetivo de ésta es separar los diversos componentes del gas natural mediante su destilación 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 límite metalúrgico de las tuberías por las que atraviesa la mezcla), donde ocurre la transformación de la fórmula 25.
Fórmula 25. Producción de la mezcla nitrógeno-hidrógeno para obtener amoniaco a partir de gas natural.
El bióxido de carbono producido se elimina posteriormente mediante su absorción con disolventes especiales, con lo que se alcanza la deseada mezcla nitrógeno-hidrógeno.
En México, PEMEX cuenta con un enorme complejo productor de amoniaco en Cosoleacaque, Veracruz, uno de los más grandes del mundo.
Desde Cosoleacaque se envía el amoniaco por tubería hasta la planta de Fertimex, donde se transforma en diversos fertilizantes nitrogenados.
CÚMULOS METÁLICOS COMO CATALIZADORES
Los catalizadores más importantes en la industria petroquímica son los que contienen metales de transición (vanadio, hierro, níquel, cobalto, rodio, etcétera). Para que estos elementos actúen como catalizadores se requiere que tomen la forma de pequeñísimas partículas (con menos de una millonésima de centímetro de diámetro), llamadas cristalitos, las cuales se depositan sobre un soporte, como el óxido de aluminio.
Aún hoy es un rompecabezas entender los mecanismos de la catálisis, que es un área de intensa investigación actual. Una forma de ir despejando incógnitas ha sido estudiar, en el laboratorio, el comportamiento de compuestos que contienen más de dos átomos metálicos, enlazados entre sí formando una estructura polihédrica con caras triangulares; los llamados cúmulos metálicos (véase un ejemplo en la fórmula 26).
El estudio de las reacciones que se llevan a cabo sobre la superficie del cúmulo reflejan, en ocasiones, algunos procesos catalíticos comerciales, y dan luz sobre el fundamento de la catálisis.
Se han llegado a reunir más de 30 átomos metálicos en un cúmulo. Algunos alcanzan el tamaño para utilizarlos como cristalitos y han sido patentados como eficientes catalizadores.
Fórmula 26. Estructura de un cúmulo metálico con seis átomos de osmio (los círculos grandes) y 18 carbonilos (C=O).
LAS CADENAS PRODUCTIVAS QUE PARTEN DEL ETILENO
Multitud de productos petroquímicos 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 petroquímica más importante. En la figura 14 se muestran algunas de las cadenas productivas en las que interviene el etileno.
Figura 14. Los principales productos petroquímicos que se obtienen a partir del etileno. (Tomado de R.M. Stephenson, Introducción a los procesos químicos industriales, CECSA, México 1980).
Algunos de los nombres de sustancias que aparecen en este diagrama se volverán más familiares al lector cuando lea el capítulo tercero.
La obtención industrial de etileno se lleva a cabo mediante la deshidrogenación del etano (véase la fórmula 27).
Fórmula 27. Reacción de producción del etileno CH2 = CH2, a partir del etano, C2H6, del gas natural.
Esta transformación es fuertemente endotérmica, es decir; requiere de calor para ocurrir. Por eso debe llevarse a cabo en hornos de pirólisis, a unos 1000°C. Esta alta temperatura produce el rompimiento de enlaces, así que la formación de etileno se ve acompañada de la creación de otros productos secundarios no deseados, que son separados posteriormente por destilación o absorción.
En el complejo de La Cangrejera se cubre la producción de algunos de los compuestos del diagrama de la figura 14, a saber; óxido de etileno, acetaldehído, etilén glicol y polietileno de baja densidad. Son múltiples los usos de estas sustancias: en fibras, películas, cables, tubos y láminas plásticas, cementos, cosméticos, desodorantes, fluidos para frenos, herbicidas, tintas, detergentes, líquidos para champús, telas de planchado permanente, anticongelantes, inhibidores de corrosión y suavizantes de fibras. Todo un mar de productos petroquímicos de consumo final.
REACTIVOS DE GRIGNARD. LA MAGIA DE LA QUÍMICA ORGANOMETÁLICA
En el laboratorio, el interés del químico es la preparación de nuevos compuestos, para ampliar con ello el conocimiento universal sobre el comportamiento químico y dar lugar a posibles nuevas aplicaciones.
Damos fin a este capítulo sobre petroquímica con el trabajo que el francés Grignard realizó en 1900 sobre la reacción del magnesio metálico con los halogenuros de alquilo. Estos compuestos se obtienen al eliminar un hidrógeno de un hidrocarburo y sustituirlo por un halógeno (flúor; cloro, bromo o yodo).
Fórmula 28. En esta reacción, X representa a un halógeno (flúor, cloro, bromo o yodo) y R a un radical alcalino (-CH3' por ejemplo). La mezcla del halogenuro de alquilo, R-X, con magnesio metálico, en éter, da lugar al compuesto R-Mg-X , llamado organomagnesiano: el reactivo de Grignard.
La fórmula 28 presenta la reacción de formación del reactivo de Grignard. En ausencia de éter, los organomagnesianos son sólidos muy sensibles al aire y a la humedad, por lo que deben ser resguardados bajo atmósferas inertes (nitrógeno o argón). Su estructura es de largas cadenas (véase la fórmula 29).
Fórmula 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.
Fórmula 30. Esquemas simplificados de algunas reacciones donde el reactivo de Grignard se transforma en muy diferentes compuestos. A fin de cuentas, el halógeno del compuesto R-X de la fórmula 28 ha sido reemplazado por muy diversos grupos de átomos.
El trabajo de doctorado de Grignard, por el cual recibiera luego el Premio Nobel de química en 1912, consistió en el uso de los organomagnesianos en síntesis orgánica. Hoy estos reactivos son ampliamente empleados, pues permiten obtener una multitud de compuestos, con muy diversos grupos funcionales (véase la fórmula 30).
Reacciones como éstas son la llave del químico para abrir las puertas de lo desconocido. Parece mentira que existan procedimientos para sustituir un átomo (un halógeno en este ejemplo) por cualquier otro grupo, en todas y cada una de los tetrillones de moléculas de una muestra. ¡La química sí es verdadera producción en serie!
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
Basualdo, J. S., Complejo petroquímico La Cangrejera, Veracruz, PEMEX, México, 1981.
Comisión Petroquímica Mexicana, Análisis de la industria petroquímica por cadenas productivas, SEMIP, México, 1986.
Chow, S., Petroquímica y sociedad, colección La Ciencia desde México, Fondo de Cultura Económica, México, 1987.
Fremantle, M., Chemistry in Action, MacMillan, Londres, 1987.
ONUDI, The Petrochemical Industry in Developing Countries, Viena, 1985.
PEMEX, El petróleo, Gerencia de información y relaciones públicas de Petróleos Mexicanos, México, 1985.
—,Memoria de labores 1992, México, 1993.
Romo de Vivar, A., Química, Universo, Tierra y vida, colección La Ciencia desde México, Fondo de Cultura Económica, México, 1988.
Silva Herzog, J., La expropiación del petróleo 1936-1938. Álbum fotográfico, Fondo de Cultura Económica, México, 1981.
Stephenson, R. M., Introducción a los procesos químicos industriales, CECSA, México, 1984.
Macromoléculas
SIN DUDA, éste es otro campo en el que la ciencia central ha incidido profundamente en los últimos años.
El descubrimiento del hule y la síntesis de plásticos artificiales dieron un vuelco a la naturaleza de los materiales que rodean a la humanidad. En muchas de sus aplicaciones, los plásticos han sustituido con ventaja al vidrio, al cuero, al algodón, a la cerámica, a la madera y hasta a los metales. Hoy, los materiales plásticos son importantes satisfactores de necesidades en cualquier sociedad. En los países desarrollados, cada habitante cuenta en promedio con 100 kilogramos de plástico. En México esta cifra ya supera los 15 kilogramos, y su influencia abarca sectores industriales de gran importancia, como el automotriz, el electrónico, el de la construcción e incluso el de la salud.
Por otra parte, respecto a las macromoléculas de la vida, el hallazgo de la estructura de las proteínas y los ácidos nucleicos dio un sustento básico a la biología molecular.
Sobre estos asuntos versa el presente capítulo, en el que transitamos directamente la tercera parte de la ruta que nos lleva del tequesquite al ADN.
EL HULE: MACROMOLÉCULA NATURAL
Por su naturaleza elástica, el hule es una de las más interesantes e importantes sustancias que conocemos. Una liga de hule se puede estirar hasta 10 veces su tamaño original y regresa a su forma inicial casi sin deformarse. El hule se puede moldear de muchas formas y, además, es impermeable al agua y al aire.
El hombre conoció el hule hace muchos siglos, como una secreción lechosa de diversas plantas y árboles. El látex (como se conoce a la suspensión coloidal de las partículas de hule en agua) se encontraba principalmente en el guayule y la hevea brasiliensis, en México, Perú y Brasil.
Los antiguos mexicanos lo utilizaron en la fabricación de bolas para practicar el juego de pelota. Por cierto, el tiro para obtener el triunfo era tan raro y tan difícil que el jugador que lo lograba tenía derecho a apoderarse de todas las mantas y joyas de los espectadores. Otros habitantes de América utilizaron el hule para proteger del agua sus prendas de vestir y para la fabricación de botas rudimentarias.
Cada árbol de hevea produce entre 15 y 30 gramos de látex por día. Otras sustancias lechosas con propiedades semejantes al hule se obtienen de la gutapercha en Malaya, Borneo y Sumatra, y del kok-sagis en la Rusia asiática.
Para obtener el látex se hacen incisiones en forma de V en el tronco del árbol. El jugo lechoso que fluye se recoge en vasijas. En la misma plantación, el látex se coagula (se rompe la estabilidad del coloide) mediante la adición de un ácido. Posteriormente, se lo lava y seca.
La primera fábrica que empleó hule natural crudo fue establecida en París en 1803. En un principio producía ligas y tirantes, pero posteriormente incorporó el hule en gabardinas, como repelente del agua. Sin embargo, este hule tenía serios inconvenientes. Además de ser pegajoso, en verano se reblandecía y en invierno se volvía rígido y quebradizo.
En 1839 Charles Goodyear descubrió accidentalmente cómo resolver estos problemas cuando se le derramó una mezcla de azufre y hule natural sobre una estufa caliente. El producto obtenido resultó ser más elástico y resistente al calor y a la tensión que el hule crudo. El proceso de mezclar y hacer reaccionar el azufre caliente con el hule crudo se llama vulcanización.
La explicación molecular de este profundo cambio en las propiedades del hule se muestra en la fórmula 31.
Fórmula 31. Las cadenas de polímero en el hule contienen puntos con dobles ligaduras carbono-carbono. El azufre, que consiste en moléculas con ocho átomos arreglados en forma de corona, reacciona con dos cadenas y las une entre sí. Este enlace que amarra unas cadenas con otras da al hule sus propiedades mecánicas y térmicas. Si el hule de las llantas de un vehículo no se vulcanizara, apenas rodaría unos pocos kilómetros.
Hacia fines del siglo pasado, el hule vulcanizado tenía tantos usos que la producción de la hevea en Brasil era insuficiente. Unos botánicos ingleses sacaron de contrabando semillas de árbol del territorio brasileño y produjeron una variedad más resistente a las enfermedades y con mayor rendimiento de látex.
El imperio británico estableció enormes plantaciones en sus colonias del Lejano Oriente. La cantidad y calidad de este hule les dio a sus poseedores el control prácticamente total del mercado mundial.
MACROMOLÉCULAS, POLÍMEROS Y MASA MOLECULAR
Desde el siglo pasado los químicos han establecido una escala especial de masas. Como lo que se trata de medir es la masa de un átomo o una molécula, se escogió una unidad sumamente pequeña: la unidad de masa atómica (uma), que es la que corresponde aproximadamente al átomo de hidrógeno más abundante en la naturaleza:
1 uma = masa de un átomo de hidrógeno-1
En esta escala, las masas de los átomos naturales corresponden a números entre 1 (hidrógeno) y 238.1 (uranio). Aunque en este siglo se ha modificado la base de la escala, los efectos son poco notorios.
Las masas de las moléculas se obtienen al sumar las correspondientes de los átomos que las constituyen. Por ejemplo, la molécula de sulfuro de hidrógeno, H2S, tiene masa de 34.1 uma, que es la suma de las de dos hidrógenos (con 1 uma cada uno) y un azufre (con 32.1 uma).
A las moléculas con masas superiores a 10 000 uma se las conoce como macromoléculas. Son esenciales en diversos procesos biológicos. La hemoglobina, el almidón, las enzimas y el ADN son macromoléculas naturales de los organismos vivos.
Cuando una macromolécula se obtiene al repetirse un patrón regular de átomos a lo largo de la misma, se tiene un polímero. Existen polímeros cuya masa molecular supera el millón de uma. El compuesto con moléculas más pequeñas, a partir de las cuales se construye un polímero, es un monómero. Para obtener algunos polímeros se utilizan dos o más monómeros, y por eso se conocen como copolímeros.
El algodón, la madera, el hule y la lana son ejemplos de polímeros naturales. Algunos polímeros sintéticos son el polietileno, y el policloruro de vinilo (PVC).
Cuando un polímero fluye y acepta ser moldeado, extrudido o laminado, se lo denomina plástico. Dentro de éstos existen los termoestables, que no pueden ser suavizados o remoldeados mediante calentamiento, y los termoplásticos, que si admiten su reprocesamiento. Las resinas epoxi, adhesivos familiares en el hogar; y las espumas de poliuretano de nuestras almohadas son termoestables. La facilidad para reprocesar los termoplásticos se debe a que sus cadenas poliméricas no están entrelazadas. El polietileno, de uso tan generalizado, y el poliacrilato de metilo, popular sustituto plástico del vidrio, son ejemplos de termoplásticos.
EL HULE SINTÉTICO. QUÍMICA EN ACCIÓN
El incremento del precio de la materia prima, así como la irrupción de la primera Guerra Mundial, transformaron el panorama mundial del mercado del hule. Desde ese momento, particularmente en los países que carecían de este recurso, se dio un gran impulso a la producción de hule sintético.
Desde 1826, Michael Faraday había encontrado que el calentamiento del hule crudo o destilación destructiva producía un hidrocarburo de bajo punto de ebullición y fórmula C5H8, que recibe el nombre de isopreno (véase la fórmula 32).
Fórmula 32. Molécula del isopreno. El hule se obtiene cuando una multitud de moléculas como ésta se enlazan unas tras otras. Por ello se dice que el isopreno es el monómero del hule.
La clave molecular de la estructura del hule la halló Hermann Standinger en Alemania, a mediados de la década de los años veinte. Ello le valió el Premio Nobel de química en 1953. Descubrió que el hule está constituido por moléculas gigantes, formadas a partir de una única unidad estructural: el isopreno. En el lenguaje actual se dice que el isopreno es el monómero del polímero llamado hule (véase la fórmula 33).
Fórmula 33. Un polímero es una macromolécula en la que se repite n veces la misma estructura básica (monómero). En el caso del hule, las cadenas pueden tener desde n=20 000 hasta n=100 000.
Los primeros intentos de polimerizar isopreno para obtener hule sintético fueron infructuosos. Por sí misma, la síntesis industrial del monómero presentaba serios problemas. Por eso es que muchas de las experiencias iniciales se realizaron con moléculas semejantes al isopreno. En 1928 se preparó en Alemania el primer sustituto del hule natural: un copolímero del butadieno y el estireno al que se llama SBR (por sus siglas en inglés) y que resultó excelente para fabricar llantas (véase la fórmula 34).
El color negro de las llantas proviene del llamado negro de humo, que es carbón en polvo que se agrega para reducir su costo y para aumentar la resistencia a la fricción y la tensión
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Figura 15. La elasticidad del hule se debe a que las enormes cadenas poliméricas se encuentran enrolladas como en el espagueti. Las cadenas se extienden al estirar ligeramente el material y vuelven a enrollarse al dejar de estirar; aunque, al aplicar una fuerza mayor, puede ocurrir que el hule no vuelva a su tamaño original. Sin embargo, si el hule ha sido vulcanizado, los puentes de azufre que se forman entre las cadenas dan al hule mayor solidez, sin perder su elasticidad. Si la cantidad de puentes de azufre es muy grande, se obtiene un material duro llamado ebonita, con el que se fabrican cajas para acumuladores y bolas de boliche.
Hacia 1940 la producción de hule sintético alcanzó 175 000 toneladas en Alemania, 90 000 en la URSS y 10 000 en Estados Unidos. Como durante la segunda Guerra Mundial el ejército japonés controló la principal zona productora de hule natural, los gobiernos aliados iniciaron programas de emergencia para la fabricación de hule sintético. Así, por ejemplo, al final de la contienda Estados Unidos producía 700 000 toneladas de hule sintético por año.
Fórmula 34. El hule sintético que se elabora con butadieno y estireno es un copolímero, pues se obtiene a partir de dos monómeros diferentes.
Otro hule sintético preparado en esa época fue el neopreno, como se llama al polímero del cloropreno. Aquí un átomo de cloro ocupa la posición del grupo metilo (CH3) del isopreno (véase la fórmula 35). El neopreno, a diferencia del hule, no se hincha ante el contacto con disolventes orgánicos, por lo que se emplea para fabricar las mangueras para verter gasolina.
Fórmula 35. El cloropreno es el monómero del neopreno.
ISOMERÍA GEOMÉTRICA
En una molécula que presenta una doble ligadura carbono-carbono, este enlace es rígido y no se presenta una rotación libre sobre el mismo. Debido a ello pueden existir dos isómeros del compuesto, dependiendo del arreglo espacial de los sustituyentes alrededor de la doble ligadura. Ésta es la isomería geométrica. Un ejemplo de ella, en la fórmula 36, puede ayudar a comprender el fenómeno.
Fórmula 36. Como el enlace C=C es rígido, existen dos formas geométricas de arreglar en el espacio dos grupos metilo, -CH3, enlazados a cada carbono del doble enlace. a) El isómero cis tiene a los metilos hacia el mismo lado del doble enlace. b) El isómero trans los tiene en direcciones opuestas.
Este arreglo especial les da a las moléculas propiedades particulares y diferentes. Además de que los dos isómeros cis y trans tienen diferentes puntos de ebullición y fusión, reaccionan químicamente en diferente forma. En un momento veremos qué tiene esto que ver con el hule natural.
QUÍMICA: UNA CIENCIA SOBRE LAS TRES DIMENSIONES
Los intentos de polimerizar isopreno en el laboratorio para producir hule natural se coronaron con éxito en 1954. A pesar de que ya se conocía desde hacia más de 100 años la composición del hule, hasta ese momento se logró arreglar esteroespecíficamente a las moléculas del isopreno. Es decir; resolver el problema de la isomería cis-trans en la macromolécula.
Así, en el poliisopreno tenemos dos casos extremos, representados en la fórmula 37.
Antes de 1954 los intentos por polimerizar al isopreno producían una mezcla heterogénea de los isómeros cis y trans con propiedades distintas de las del hule natural (que es el cis). Es en esta fecha cuando, casi simultáneamente, los químicos de las compañías Goodyear y Firestone descubrieron cómo polimerizar esteroespecíficamente el isopreno. Con ello se pudo obtener en el laboratorio hule sintético idéntico al natural.
Fórmula 37. a) Poli-trans-isopreno. Los grupos -CH2-CH2- están alternados sobre lados opuestos de la doble ligadura. b) Poli-cis-isopreno. En este caso, todos los -CH2-CH2- están del mismo lado.
Los químicos K. Ziegler y G. Natta se hicieron acreedores al Premio Nobel de química en 1963 por su descubrimiento de catalizadores esteroespecíficos.
El hule es, entonces, una macromolécula que puede ser obtenida a partir del látex de diversas plantas o prepararse sintéticamente en el laboratorio. Éste será también el orden que seguiremos en este capítulo. Trataremos inmediatamente los polímeros sintéticos, como el nailon, el polietileno, el teflón o los silicones, y al final las macromoléculas de origen biológico, como la celulosa, la seda y el ADN.
TIPOS DE REACCIÓN PARA PREPARAR POLÍMEROS SINTÉTICOS
Según los principales tipos de reacción por los cuales se tienen polímeros, éstos se clasifican como polímeros de adición o de condensación. En los primeros se adicionan monómeros que contienen una doble ligadura C=C, en un proceso facilitado por la presencia de un catalizador. En los segundos se forman largas cadenas como resultado de la combinación de dos moléculas diferentes (monómeros), mediante la pérdida de alguna molécula pequeña, generalmente agua.
POLIETILENO: UN POLÍMERO POR ADICIÓN
El compuesto más sencillo que puede tener una reacción de polimerización por adición es el etileno CH2=CH2. El polímero resultante, el polietileno, es el más barato y el que se produce en mayor cantidad en el mundo. Las llamadas bolsas de plástico están hechas de polietileno.
La materia prima, el etileno, se obtiene por la eliminación de dos átomos de hidrógeno del etano, el segundo componente más importante del gas natural (véase la fórmula 27). En La Cangrejera, PEMEX fabrica tanto el monómero como el polietileno de baja densidad.
La doble ligadura es la razón de la reactividad de este compuesto. Con la presencia del catalizador adecuado tiene lugar la polimerización (véase la fórmula 38).
Fórmula 38. La polimerización del etileno constituye un buen ejemplo del uso de catalizadores para unir pequeñas moléculas de una forma específica, y así producir un polímero.
DERIVADOS DEL ETILENO
Se puede obtener una tremenda variedad de moléculas al sustituir los átomos de hidrógeno en el etileno por otros átomos o grupos de átomos, así como también una gran variedad de polímeros de adición, como se muestra en el cuadro 10.
CUADRO 10. Algunos polímeros de adición.
Una vez que los monómeros se transforman en polímeros se incrementa notablemente el valor del producto. Veamos la figura 16. El valor (en 1984) de una tonelada de etileno era de 425.9 dólares. Si esa tonelada se emplea para fabricar cloruro de vinilo (el monómero del PVC), su valor aumenta 51%. Si con ella se obtiene polietileno, aumenta 55%. Ésta es la magia de la petroquímica, sus efectos dan a los productos valor agregado, el cual se maximiza si se llega hasta los productos de consumo terminal.
Figura 16. Precio en dólares por tonelada de etileno empleada para la fabricación de algunos de los productos del cuadro 10. La cifra representa el valor del petroquímico al ser exportado (E), o al que se lo compra, en caso de que se importe (I). Fuente: Análisis de la industria petroquímica por cadenas productivas, Comisión Petroquímica Mexicana, México 1986.)
EL PETRÓLEO TAMBIÉN SIRVE PARA LAVAR
El detergente que empleamos comúnmente es resultado de la petroquímica.
Para su elaboración es necesario preparar un tetrámero del propileno, CH3-CH-CH2. En este caso, la polimerización se reduce a la unión de cuatro unidades monoméricas. El resultado se muestra en la fórmula 45. Se trata de un hidrocarburo con doce átomos de carbono.
Fórmula 45. El tetrámero del propileno. Lo fabrica Petróleos Mexicanos.
El tetrámero se hace reaccionar con ácido sulfúrico y con benceno, otro producto petroquímico básico que se mencionó en el capítulo anterior. La reacción, después de una neutralización con sosa cáustica, NaOH, produce un compuesto con un rimbombante nombre químico: dodecilbencensulfonato de sodio. Éste es el detergente de todos los días en todas las casas (véase la fórmula 46).
Fórmula 46. Molécula del detergente común y corriente. Las formas comerciales del producto le adicionan multitud de otros productos, con muy diversas finalidades.
Las moléculas de detergente, como las de los jabones, constan de dos partes bien diferenciadas. Por un lado se tiene una larga cadena de átomos de carbono, que por ser de naturaleza orgánica se disuelve en las grasas y no es afín al agua (porción hidrofóbica); por el otro, un grupo con carga eléctrica, con mucha afinidad al agua (porción hidrofílica).
Esta estructura de jabones y detergentes es la responsable de que actúen como limpiadores. La porción hidrofóbica penetra en la grasa, mientras que el extremo hidrofílico toma contacto con el agua. Así, una tallada logra que la gota de grasa se desprenda de la ropa sucia.
El problema con los detergentes, y no con los jabones, es que muchos no son biodegradables (no son destruidos por los microorganismos del medio ambiente), por lo que se acumulan en los recursos acuáticos. Desgraciadamente, ya resulta familiar la presencia de espumas en las aguas de nuestros ríos y lagos. Las concentraciones moderadas de detergente afectan sensiblemente la vida acuática, por lo que éste es un problema muy grave.
La solución no es difícil. Si el tetrámero de la fórmula 45 fuese lineal, y no ramificado, el detergente podría ser biodegradado. Estos detergentes con cadena lineal son un poco más costosos, pero afortunadamente ya va generalizándose su producción y consumo. Actualmente una buena proporción de los detergentes líquidos que se encuentran en el mercado ya tienen dodecilbencensulfonato lineal, perfectamente biodegradable. Otra aportación de la química contra la contaminación.
EL UNO, DOS, TRES DE LOS PLÁSTICOS
Hay al menos tres factores que determinan las propiedades del polietileno y, en general, de los polímeros:
1) El grado de polimerización. Un polímero con una cadena de 10 átomos de carbono es, obviamente, diferente de uno en el que las cadenas sean de 10 000 átomos. Los de cadenas largas son más fuertes, pues son más fibrosos que los de cadenas cortas.
2) El grado de cristalinidad. Ya comentamos que una cadena polimérica puede imaginarse como una tira de espagueti que se dobla de muchas y variadas maneras: es amorfa. Sin embargo, es posible ordenar estas cadenas, al menos parcialmente, para obtener zonas cristalinas.
Básicamente, hay dos tipos de polietileno: el de baja y el de alta densidad. Ambos son producidos mediante diferentes catalizadores y condiciones de reacción. El polietileno de alta densidad, parcialmente cristalino, se utiliza, entre otras cosas, en la fabricación de juguetes, botellas y gabinetes de radio y televisión. El de baja densidad, amorfo, se emplea para hacer bolsas y como aislante eléctrico. Sin embargo, las películas para envolver los alimentos y mantenerlos frescos se hacen con polietileno de alta densidad, que es menos permeable, y por lo tanto conserva mejor la humedad natural de los alimentos.
3) El grado de reticulación. Este se logra cuando unas cadenas están unidas a otras por fuertes enlaces. Con esto el polímero adquiere gran fuerza y rigidez. La vulcanización del hule es, precisamente, la forma de aumentarle el grado de reticulación.
GRUPOS FUNCIONALES EN QUÍMICA ORGÁNICA
Un grupo funcional es la parte reactiva de una molécula. La presencia de un determinado conjunto de átomos provoca que todas las moléculas que contengan un grupo dado experimenten reacciones químicas similares. Algunos ejemplos de grupos funcionales son los siguientes:
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