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Liceo Nº1 “Javiera Carrera” Departamento de Química
Profesora Paola Lizama Vergara Profesor Fabián Hinojosa Torers
Petróleo: el oro negro que nos rodea Página 1
PETRÓLEO: EL ORO NEGRO QUE NOS RODEA
La mayoría de los hidrocarburos utilizados industrialmente provienen de combustible fósil, tales como el petróleo y el gas natural.
El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos de color oscuro y viscoso que se encuentra generalmente en depósitos junto a gas natural ubicados entre 1500 y 3000 metros debajo de la superficie marina. Estos depósitos son comunes en los océanos, porque los organismos marinos microscópicos, incluyendo algas, bacterias y plancton, murieron y se depositaron en el fondo marino, donde sus restos fueron cubiertos por capas de material sólido y alterados por altas temperaturas y presión, transformándose en petróleo o gas natural. Los depósitos de petróleo además se encuentran en tierra firme porque parte de la superficie terrestre estuvo debajo del mar, también hace millones de años.
Gracias a los conocimientos generados por las ciencias químicas, del petróleo se pueden obtener numerosas y variadas sustancias; por ejemplo, gasolina, diesel y parafina domestica. Los derivados del petróleo los utilizamos en la vida diaria para movilizar automóviles o para calefaccionar nuestros hogares. La separación y la transformación de los componentes del petróleo se realizan en una refinería de petróleo.
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Extracción del Petróleo
Destilación fraccionada del petróleo
Los principales componentes del petróleo son alcanos y cicloalcanos y además contiene pequeñas proporciones de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Los hidrocarburos del petróleo pueden ser separados gracias a los diferentes puntos de ebullición que poseen, utilizando una técnica llamada destilación fraccionada.
En esta técnica se emplean grandes estructuras, llamadas torres de fraccionamiento, para separar los componentes del petróleo y puedan así ser usados comercialmente. Dentro de la torre hay muchas secciones, denominadas platos, que proporcionan múltiples superficies en que se llevarán a cabo ciclos repetidos de evaporación – condensación. Los ciclos repetidos establecen separaciones más eficientes y permiten fracciones que contienen solo un componente que puede ser aislado para su comercialización.
La temperatura de la torre es controlada, de modo de que la zona más caliente se encuentra en la parte inferior y la zona más fría se ubica en la zona superior. Debido a que el punto de ebullición aumenta con la masa molar, el componente más pesado, y de menor punto de ebullición, se condensa en la parte inferior, y el componente más ligero, y de menor punto de ebullición, se condensa en la parte superior. Una serie de tuberías conectadas a los diversos puntos y alturas de la torre de fraccionamiento permiten extraer cada fracción.
Los productos que se pueden obtener del petróleo incluyen a la gasolina, queroseno, combustible diesel, parafina, aceites lubricantes y asfalto.
Depósitos de petróleo bruto y gas natural que se encuentran debajo de capas de sedimento: material sólido acumulado durante millones de años. Se observan las estructuras que extraen el petróleo y el gas natural desde la profundidad de la tierra.
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Chile no es un país petrolero; sin embargo, la ENAP, Empresa Nacional de Petróleo, explota un yacimiento en la Región de Magallanes. Este petróleo viaja cientos de kilómetros hasta refinerías en las regiones del Biobío y de Valparaíso, en donde se obtienen productos derivados del petróleo que son comercializados en nuestro país.
Gas natural. El gas natural contiene grandes cantidades de metano junto con pequeñas cantidades de hidrocarburos livianos de baja masa molar y con no más de cinco carbonos en su cadena carbonada. El gas natural puede almacenarse y luego transportarse a través de tuberías a industrias y a nuestros hogares para utilizarse como combustibles. Es un gas inodoro que para su uso doméstico es mezclado con mercaptano, un gas sulfurado de fuerte olor. Así es posible percibir fugas y prevenir accidentes.
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Cracking
El proceso de destilación fraccionada del petróleo no produce cantidades de hidrocarburos en las proporciones necesaria para la industria. Por ejemplo, la gasolina suele ser la fracción de petróleo de mayor demanda, pero esta fracción representa menos de la mitad del petróleo crudo. ¿Cómo se puede aumentar la cantidad de hidrocarburos de alta demanda?
Los hidrocarburos en las fracciones procedentes de las partes más bajas de la torre son alcanos de gran tamaño. Estos alcanos se pueden convertir en alcanos más pequeños y más útiles para la industria utilizando un proceso industrial denominado cracking. El cracking emplea catalizadores y/o altas temperaturas, en ausencia de aire, para transformar a los hidrocarburos de gran tamaño en hidrocarburos de menor tamaño. El cracking también se usa para aumentar la producción de gas natural mediante la producción de alquenos más pequeños a partir de moléculas más grandes. Por ejemplo, el cracking del propano produce algo de metano y etileno, además de propeno e hidrógeno, como se representa en la siguiente ecuación:
2 CH3CH2CH3 500 a 700 ºC, catalizador CH4 + CH2 = CH2 + CH3CH = CH2 + H2
Componentes de la gasolina y el índice de octano
Las gasolinas se clasifican con una escala conocida como índice de octano. Esta se basa en la forma en que se quema la gasolina en un motor, la que puede detonar generando golpes bruscos o quemarse de manera uniforme, que es lo necesario para el funcionamiento óptimo del motor. Para describir las propiedades detonantes de una gasolina se han seleccionado dos hidrocarburos como patrón: el heptano normal, que detona más que cualquier componente de las gasolinas corrientes, al que se le asigna índice de octano cero, y el 2,2,4-‐trimetilheptano (isooctano), que por su poder antidetonante se le da un índice de octano cien. Por ejemplo, si el índice de octano de una gasolina es 95, quiere decir que esta se quema como si fuese una mezcla de 95% de isooctano con 5% de heptano, o sea, su capacidad antidetonante es alta y se quema de manera uniforme permitiendo el buen funcionamiento del motor.
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Isomerización
Los alcanos de cadena lineal combustionan con facilidad. Estos se requieren para fabricar combustibles, que, como ya vimos, deben tener una capacidad detonante baja. Es por esto que, con la ayuda de catalizadores y temperaturas muy altas, estos alcanos lineales son convertidos en alcanos ramificados, los que poseen una capacidad detonante mucho menor, y al ser adicionados a las gasolinas, aumentan su índice de octano. Observa el ejemplo de la
isomerización del butano a 2-‐meetil-‐propano.
Crisis del petróleo y consecuencias de su uso
La utilización de compuestos obtenidos del petróleo en la sociedad actual es muy amplia. Sus usos van desde la generación de combustibles para diversos tipos de motores y calefacción doméstica e industrial hasta la fabricación de plásticos, materiales de construcción, fibras textiles y productos cosméticos. El petróleo es un recurso natural no renovable, que no se encuentra distribuido uniformemente en nuestro planeta, y cuya explotación y demanda es algo que va en aumento día a día. Por esto es necesario hallar fuentes alternativas de energía. la utilización de combustibles derivados del petróleo es la principal fuente de contaminación ambiental actual. La combustión de ellos produce efectos medioambientales nocivos para la integridad de nuestro planeta y salud.
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Producción de Dióxido de Carbono
Un producto inevitable de la quema de combustibles fósiles es el dióxido de carbono, CO2. El CO2 es el gas de efecto invernadero, GEI, más importante producido por el hombre. Entre los años 1970 y 2004, sus emisiones anuales aumentaron más de 80%. Estas emisiones provienen principalmente de la industria de suministro de energía, como las termoeléctricas, el transporte terrestre y aéreo y de la actividad industrial. También la concentración de CO2 en la atmósfera se incrementa por la desaparición de bosques debido a la tala e incendio forestales.
Al analizar los hielos polares, donde puede estudiarse la concentración de gases atmosféricos de hace miles de años, se encontró que en el 2005 las concentraciones de CO2 habían sido excesivamente mayores a los valores analizados de los últimos 650 mil años.
Producción de ácido sulfúrico y ácido nítrico
Las impurezas de azufre contenidas en los combustibles fósiles forman dióxido de azufre, SO2, el que puede convertirse en ácido sulfúrico al reaccionar con el oxígeno y el agua atmosféricos.
Los óxido de nitrógeno (NO y NO2) son liberados al aire por la combustión de gasolina en vehículos motorizados, por la combustión del carbón, petróleo o gas natural y por algunos procesos industriales. El NO reacciona con el agua y el oxígeno produciendo ácido nítrico.
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La lluvia ácida
El ácido sulfúrico y el ácido nítrico, dos compuestos corrosivos, se disuelven en el agua de la atmósfera y forman la lluvia ácida, regresando a la superficie terrestre como precipitación. Esta lluvia ácida puede dañar a las plantas, ya que disminuye si capacidad de crecimiento, la vida animal, y favorece la erosión de las tierras de cultivo, edificios y monumentos de mármol. En varios lugares de Chile se ha observado el fenómeno de la lluvia ácida como resultado de procesos industriales.
Producción de vapor de agua
El vapor de agua, además de ser un producto de la combustión de hidrocarburos, es también producido al evaporarse el agua de los océanos al aumentar la temperatura terrestre debido al cambio climático. El vapor de agua es un GEI importante, ya que contribuye a la acumulación de calor en la superficie terrestre y en el mar.
Smog fotoquímico
En las áreas urbanas contaminadas por óxidos de nitrógeno producido durante la quema de combustibles se forma un contaminante secundario, el ozono.
El ozono al reaccionar con hidrocarburos no quemados y otros compuestos forma una mezcla compleja de diferentes sustancias orgánicas irritantes que se conoce como smog fotoquímico. Smog viene de smoke (humo) y fog (niebla) en ingles.
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Cambio Climático
En nuestro planeta, la mitad de la energía procedente del Sol que llega a la superficie de la Tierra es absorbida y luego transformada en energía térmica que se emite hacia el exterior. Los gases que se encuentran acumulados en la atmósfera, tales como dióxido de carbono y vapor de agua, retienen parte de esta energía emitida, produciendo una aumento de la temperatura de la atmósfera. Este fenómeno, que es un efecto normal producto de la presencia de estos gases en la atmósfera, es conocido como el efecto invernadero. Desde mediados del siglo XX hasta nuestros días, debido al aumento en la concentración de GEI en la atmósfera, el efecto invernadero se ha acentuado, y muchos científicos estiman que está produciendo el cambio climático.
El calentamiento global ha sido detectado en los cambios de temperatura de la superficie terrestre, de la atmósfera y de la capa superior del océano hasta una profundidad de varios centenares de metros. Sus efectos abarcan la pérdida de masa de hielo, con el consecuente aumento del nivel del mar y la probable inundación de ciudades costeras e islas; el cambio de la pauta de precipitaciones terrestres, lo que provoca sequía y lluvias intensas, además de la disminución de las tierras de cultivo como resultado de la erosión. Estos efectos generan consecuencias en la salud humana, aumento de organismos portadores de enfermedades y grandes olas de calor y frío.
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Biocombustibles, las alternativas del petróleo
Dadas todas las consecuencias que tiene un nuestro planeta y salud el uso del petróleo y sus derivados, hace ya varios años han comenzado esfuerzos por crear nuevas fuentes de energía limpia que reemplacen o disminuyan el uso del petróleo, llamados biocombustibles.
Se entiende como biocombustible a todo combustible procedente de la biomasa, es decir, de materia orgánica de origen animal o vegetal. Estos son obtenidos de manera renovable a partir de restos orgánicos que habitualmente provienen de la caña de azúcar, el trigo, maíz o semillas oleaginosas.
Los biocombustibles más utilizados son el biodiesel y el bioetanol.
Biodiesel
Es el combustible más utilizado por sus ventajas. El biodiesel se obtiene del procesamiento de aceites vegetales, tales como aceite de maravilla, soya, maíz o grasa animal. El biodiesel posee características similares al diesel que se obtiene a partir de petróleo, por lo que se puede utilizar en cualquier motor de ciclo diesel, sin realizar modificaciones en ellos.
En Chile, varias universidades están produciendo biodiesel de manera experimental desde aceites usados y aceite animal. Además, en el país existen plantas de producción de biodiesel que ya está siendo utilizado en el transporte terrestre de pasajeros. Por otra parte, la ENAP está realizando investigaciones para obtener biocombustibles desde recursos forestales.
El biodiesel presenta varias ventajas, algunas de las cuales se presentan a continuación:
Con respecto a otros combustibles:
-‐ Menor emisión de gases contaminantes. -‐ No es necesario modificar o convertir motores. -‐ Mejora notablemente la lubricación en ele circuita y la combustión, reduciendo las
emisiones de material particulado.
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Con respecto al medio ambiente:
-‐ Reduce la cantidad de óxido de azufre. -‐ Durante su combustión produce menor cantidad de CO2 que es el que las plantas
absorben para su crecimiento, por lo que en el balance no hay aumento en las emisiones.
Con respecto a la economía:
-‐ Aparición de nuevo mercado. -‐ Valor agregado de la materia prima (semillas oleaginosas). -‐ Fomento de la actividad agrícola.
Las desventajas del uso del biodiesel son:
-‐ Produce un aumento en las emisiones de óxidos de nitrógeno, lo que hace necesario un tratamiento para cumplir con las disposiciones ambientales.
-‐ Se requiere un incremento de uso de tierras agrícolas; por lo tanto, su producción en grandes cantidades está restringida.
-‐ La cadena de producción actual es muy larga, lo que hace que el precio final del biocombustible suba demasiado.
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Bioetanol
El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina, pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o 10%, que no requieren modificaciones en los motores actúales.