EL CARBONO Y SU IMPORTANCIA EN LA NATURALEZA2algunas de las cuales por descuido en el momento de cerrar nuestros artículos no se mencionan. Todos los temas han sido revisados nuevamente

QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?

ww QUÍMICA ORGÁNICA ¿PARA QUÉ?...


Colegio Unidad Pedagógica

“Hay que hacer las cosas tan sencillas como sea posible... pero no más sencillas”.

Albert Einstein.

Hace unos años al interior del aula de clase del grado undécimo buscaba elementos para hacerles entender a dieciséis estudiantes la importancia de la química orgánica. Había sido complicado para mí entender dicha trascendencia en las aulas de la universidad, pese a ser este el camino elegido para mi vida profesional. De las aulas en las que cumplía mi papel de estudiante salía en las tardes a desempeñarme como maestra, oficio que para aquella época me generaba un ingreso extra pero que esperaba desempeñar por poco tiempo. Los adultos con los que trabajaba me generaban preguntas enormes sobre el sistema educativo y sus nuevas modalidades, pero no me preocupé en exceso por darles respuesta; sin embargo a mediados de 1997 un aviso en la entrada del edificio de química de la Universidad Nacional de Colombia me condujo a la Unidad Pedagógica, me atrajo que dentro de su proyecto pedagógico se podían implementar múltiples mecanismos para acercar a los estudiantes al conocimiento de esta área. Por un lapso de cuatro años desempeñándome como maestra de química no encontré mayor dificultad, la formación académica soportaba las preguntas permanentes de los muchachos, pero la tranquilidad fue efímera afortunadamente y en el año 2001 recibí en décimo grado un grupo de estudiantes con los que tenía un conocimiento previo algo difícil por los choques frecuentes generados en las direcciones de grupo de grado séptimo y grado noveno; su desinterés fue total y pese a tratar de transmitirles mi gusto por la química inorgánica no encontré un camino que me permitiera realizar el trabajo al que venía acostumbrada y opté por discutir con algunos de ellos aspectos más cercanos a la biología. Las vacaciones de fin de año y la preparación para el 2002 fueron tensas debido a la situación que se avecinaba: un año más con estos muchachos y ahora con química orgánica, no sabía que hacer. Las inclinaciones profesionales de la mayoría del grupo no requerían al menos formalmente el manejo de principios químicos. En la primera clase del 2002 y en vista de la molestia mutua, les propuse palabras más palabras menos “demostrar que la química orgánica no servía para nada, dedicaríamos un tiempo que por obvias razones deseábamos tácitamente no fuera demasiado largo para la demostración y posteriormente podríamos dedicarnos a nuestros intereses en los espacios que dentro del horario correspondían a la clase de química. Yo empezaría realizando una revisión para suministrarles un resumen breve sobre el carbono, posteriormente haría otro sobre los combustibles fósiles, pero éste resultó muy extenso y solo les entregue alguna información sobre el carbón y el gas natural; ellos realizaron el del petróleo, al que tiempo después le anexé dos gráficos para hacerlo más llamativo. El petróleo nos llevó a la Bolsa de Valores, a hablar de economía y de la incidencia en la vida de los pueblos, de ahí en adelante el trabajo se hizo cada vez de manera más seria. Yo di la línea, para que la discusión y la consulta no se vieran truncadas por el desconocimiento de elementos previos y ellos aportaron comprometidamente. Prácticamente todo lo que hoy se presenta deriva de la consulta en páginas virtuales,



algunas de las cuales por descuido en el momento de cerrar nuestros artículos no se mencionan. Todos los temas han sido revisados nuevamente y hoy se presentan tres de ellos, en una primera entrega de una publicación periódica que tiene como único objetivo mostrar la intencionalidad de la química, no de las fórmulas y reacciones difíciles de entender para la mayoría de humanos, sino aquella que interactúa cotidianamente con nosotros y nos muestra el mundo tal y como es. Esta publicación no es para químicos, es para estudiantes de Educación Básica Secundaria y Media Vocacional y para todas aquellas personas que cuando oyen la palabra “química” sienten escalofríos. El trabajo ha continuado con cada uno de los grupos y aún quedan muchos artículos por publicar y muchas personas a quienes invitar a que escriban sobre el entorno. Espero que estas publicaciones den respuesta al interrogante que me plantee por años: Química Orgánica ¿para qué?. Con una dedicación muy especial a los bachilleres de la promoción 2002 de la Unidad Pedagógica y a todos los que hoy contribuyen para hacer realidad este proyecto. Adriana Sarmiento Maestra de Química Colegio Unidad Pedagógica



EL CARBONO Y SU IMPORTANCIA EN LA NATURALEZA Por: Adriana Sarmiento Símbolo químico: C Descubrimiento: conocido desde la antigüedad Etimología: del latín carbo (carbón) Número atómico: 6 Masa atómica: 12,01115 Grupo: IV A de la tabla periódica El carbono es un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza, aunque solo constituye un 0.025% de la corteza terrestre, donde existe principalmente en forma de carbonatos. El dióxido de carbono es un componente importante de la atmósfera y la principal fuente de carbono que se incorpora a la materia viva. Por medio de la fotosíntesis, los vegetales convierten el dióxido de carbono en compuestos orgánicos de carbono, que posteriormente son consumidos por otros organismos. (Ver el ciclo biogeoquímico del carbono). PROPIEDADES Las tres formas de carbono elemental existentes en la naturaleza (diamante, grafito y carbono amorfo), son sólidos con puntos de fusión extremadamente altos e insolubles en todos los disolventes a temperaturas ordinarias. Las propiedades físicas de las tres formas difieren considerablemente a causa de su estructura cristalina

DIAMANTE

Material más duro que se conoce, en él cada átomo esta unido a otros cuatro en estructura tridimensional. Desde 1960 se fabrican diamantes sintéticos, pero solo hasta 1995 se produjeron los primeros, sometiendo el grafito a una presión de cerca de 100000 atmósferas y a temperaturas superiores a los 3000 ºC.

GRAFITO

Consiste en láminas débilmente unidas de átomos dispuestos en hexágonos; la mina de los lápices esta constituida normalmente por una mezcla de grafito y arcilla, ya que el grafito puro es demasiado blando.

CARBONO AMORFO

Se caracteriza por un grado de cristalización muy bajo. Puede obtenerse en estado puro calentando azúcar purificada a 900 ºC en ausencia de aire. El carbono amorfo se encuentra en distintos grados de pureza en el carbón de leña, el coque, el negro de carbono y el negro de humo.



En 1985, los científicos volatilizaron el grafito para producir una forma estable de molécula de carbono, consistente en 60 átomos de carbono dispuestos en una forma esférica desigual parecida a un balón de fútbol. La molécula recibió el nombre de buckminsterfulereno en honor a R. Buckminster Fuller, el inventor de la cúpula geodésica. La molécula podría ser común en el polvo interestelar. A temperaturas normales, el carbono se caracteriza por su baja reactividad. A altas temperaturas reacciona directamente con la mayoría de los metales formando carburos y con el oxígeno formando monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). La baja temperatura del hombre, de solo 37 ºC, no es suficiente para producir la ruptura de los HIDROCARBUROS (compuestos básicos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno), por lo que necesitamos compuestos que ya contengan átomos de oxígeno, es decir compuestos parcialmente oxidados. Cuando un compuesto contiene oxígeno además de carbono e hidrógeno se forma el grupo OH característico del agua, recibiendo el nombre de HIDRATO. A partir de los hidrocarburos se originan los CARBOHIDRATOS, como el azúcar, el almidón y la celulosa. Por otra parte los átomos de carbono se enlazan formando el anillo de benceno, la sustancia madre de los compuestos cíclicos, desde la aspirina a la penicilina. Las diferentes reacciones químicas del anillo bencénico nos llevan a obtener fenoles, ácidos carboxílicos y otro gran número de compuestos. Cuando se presenta más de un anillo llegamos a las estructuras de la naftalina, la morfina y el índigo entre otros.

La adición de amoniaco a los ácidos carbonatados los convierte en aminoácidos, que son los eslabones de las proteínas. Las grandes moléculas (vitaminas, hormonas y fermentos) cada una con su función determinada y determinante participan en la regulación de la vida. EL CARBONO 14 Es un isótopo del carbono 12. Se encuentra en todo ser vivo por efecto de los rayos cósmicos. Al morir un ser vivo, el carbono 14 se desintegra de forma gradual y muy lenta. Hallado un resto orgánico (hueso, madera, carbón vegetal, etc) bastará analizar el punto de desintegración del carbono para calcular su edad.

NAFTALENO



El carbono 14 ha permitido fijar las cronologías de manera científica y no hipotética como se hacía hasta su descubrimiento, comprobando que los cálculos estimativos que existían estaban muy exagerados. Algunos datos obtenidos a partir del C14 son:

Evento medido Tiempo estimado C14 Primeras criaturas unicelulares +1000 millones de años a.c

Primeras especies acuáticas parecidas a los peces +450 millones de años a.c Grandes reptiles y los primeros mamíferos +200 millones de años a.c Primeras criaturas parecidas a los monos 50 millones de años a.c

Pithecanthropus 850.000 años a.c El Hombre de Neanderthal 500.000 años a.c

El Homo Sapiens 20.000 años a.c El hombre de CroMagnón 10.000 a 15.000 años a.c

Edad de bronce 2.000 a.c EL CARBONO EN EL MAR Las formas principales en que aparece el carbono en el mar son: anhídrido carbónico, carbonatos y bicarbonatos. La importancia de estos compuestos de carbono es muy grande en la vida marina. El CO2 porque es un elemento fundamental en los procesos de fotosíntesis, y los carbonatos y bicarbonatos para la formación de las estructuras esqueléticas de muchos animales marinos que son de naturaleza calcárea. Los animales y los vegetales marinos muertos se acumulan en el fondo del mar, siendo transformados por determinadas bacterias descomponedoras del carbono, poniéndose este en reciclaje; a su vez, y ya en el medio terrestre, los materiales que tienen carbono, por medio de la combustión, lo transforman en CO2 a nivel atmosférico.

ATMOSFERA HIDROSFERA

CO2 Energía Solar

Vegetales marinos Fitoplancton

Carbono Orgánico

Restos de animales marinos de cadenas tróficas

Carbono Orgánico

Restos de organismos muertos Petróleo

combustión

LUZ



EL CICLO BIOGEOQUIMICO DEL CARBONO Desde la perspectiva biológica, los procesos importantes en este ciclo son la fotosíntesis y la respiración. La respiración toma los carbohidratos y el oxígeno, combinándolos para producir CO2, agua y energía. La fotosíntesis toma el CO2 y agua para producir carbohidratos y oxígeno. Estas reacciones son complementarias tanto en sus productos como en lo referente a la cantidad de energía utilizada. La fotosíntesis toma la energía del sol y la acumula en las cadenas carbonadas de los carbohidratos, la respiración libera esta energía rompiendo dichas cadenas. Plantas y animales respiran, pero sólo las plantas (y otros productores como las cianobacterias) pueden realizar fotosíntesis. La reserva principal del CO2 está en los océanos y en las rocas. El CO2 se disuelve rápidamente en el agua. Una vez en el agua, precipita como roca sólida conocida como carbonato de calcio (calcita). El CO2 convertido en carbohidratos en las plantas tiene tres rutas posibles: puede liberarse a la atmósfera con la respiración, puede ser consumido por animales o es parte de la planta hasta que ésta muere. Los animales obtienen todo el carbono de su alimento, así que todo el carbono en el sistema biológico proviene al final de los organismos autótrofos. En los animales, el carbono tiene las tres mismas rutas. Cuando las plantas y los animales mueren pueden ocurrir dos hechos: la energía contenida en las moléculas es utilizada por los descomponedores (bacterias y hongos del suelo) y el carbono es liberado a la atmósfera en forma de CO2 o puede permanecer intacto y finalmente transformarse en combustibles minerales. Los combustibles fósiles al ser utilizados liberan a la atmósfera CO2. El ser humano ha alterado enormemente este ciclo del carbono, ya que al quemar los combustibles fósiles se han liberado a la atmósfera excesivas cantidades de dióxido de carbono. Esta condición es la principal responsable del calentamiento global, ya que el CO2 presente en grandes cantidades en la atmósfera impide que el calor del sol escape de la tierra al espacio.



CICLO DEL CARBONO

CO2

ATMÓSFERA

RESPIRACIÓN FOTOSÍNTESIS

VOLCANES ANIMALES PLANTAS

COMBUSTIONNNNNNN

MUERTE

DESCOMPOSICIÓN

COMBUSTIBLES FÓSILES

TIERRA CALIZA

AGUA



LECTURA COMPLEMENTARIA EL EFECTO INVERNADERO Cambios Globales Según las recientes investigaciones científicas, la temperatura global adquirió una tendencia al aumento en el último siglo. Las observaciones sugieren que la temperatura media de la superficie terrestre aumentó de 0,45 a 0,6 °C. Estas observaciones se realizaron en diferentes partes del planeta después de 1970, las mediciones a través de satélites se hicieron en las altas capas de la atmósfera. Ver Figura.

La precipitación aumentó en torno del 1% sobre los continentes en el último siglo, principalmente en las áreas de alta latitud, mientras que en las áreas tropicales se produjo, de un modo general, una disminución de la precipitación. Otro impacto ya constatado es el aumento del nivel de los océanos. Recientes mediciones efectuadas a lo largo de varias partes del planeta concluyeron que el nivel medio de los océanos subió alrededor de 15 a 20 cm. En el último siglo, siendo parte de este aumento



atribuido al deshielo de los casquetes polares, glaciares y otra parte de la propia expansión de los océanos derivado del calentamiento de sus aguas. Principales Gases y Fuentes Responsables La atmósfera terrestre está compuesta básicamente por dos sustancias químicas, el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2), que sumados alcanzan cerca del 99% de su volumen total. En segundo plano con cerca del 0,9% está el argón (Ar). Los restantes 0,1% están distribuidos entre los demás gases, inclusive los causantes del efecto invernadero. Esos gases, que se producen en la atmósfera como trazas, tienen un alto potencial de interacción con otros elementos químicos y con la radiación infrarroja. Los gases de efecto invernadero se podrían clasificar, en una primera aproximación como: de origen natural y de origen antropogénico. Durante el pasado geológico de nuestro planeta, diversas fuentes naturales de gases de efecto invernadero proporcionaron la manutención de las condiciones de temperatura en la superficie terrestre. Entre ellos se encuentra el vapor de agua – el más importante de los gases naturales de efecto invernadero – y el dióxido de carbono (CO2), naturalmente adicionado a la atmósfera principalmente a través de las explosiones volcánicas y por procesos de respiración celular de los organismos vivos. Los principales gases causantes del fenómeno son: 1. Dióxido de carbono (CO2), 2. Metano (CH4), 3. Clorofluorocarbonos (CFCs), 4. Öxidos de N itrógeno, 5. Ozono Troposférico (O3), 6. Vapor de agua (H2O)g El gas que tiene mayor incidencia individual en el calentamiento global es el vapor de agua troposférico, pero su concentración atmosférica depende menos de actividades antropogénicas, siendo de las fuentes naturales (evapotranspiración, volcanes, etc) su contribución más significativa. Entre las emisiones de gases provenientes de las actividades antropógenas, el más importante es el CO2, seguido por los CFCs en segundo lugar, el metano en tercero, el ozono en cuarto y por último los óxidos de nitrógeno. REFERENCIAS 1. www.prodigyweb.net.mx/degcorp/quimica/carbono.htm 2. www.ciencinet.com/c.html 3. www.arconet.es/users/rogelio/textos/carbono.htm 4. www.galeon.com/periscopio/7hh.htm 5. www.mct.gov.br/clima/espan.htm



LOS COMBUSTIBLES FOSILES Y LA ENERGIA PARTE 1. CARBON Y GAS NATURAL Por: Adriana Sarmiento

Cuando nos referimos a los combustibles fósiles considerándolos como la existencia de carbón, gas natural y petróleo, dejamos abierta una amplia discusión sobre los procesos de combustión química que generan el 90% de la energía que consumimos. Es necesario empezar por decir que estas sustancias tiene su origen en transformaciones de sedimentos orgánicos hace millones de años. Los tres tipos de combustibles fósiles existentes corresponden a los tres estados de la materia; sólidos, líquidos y gases. EL CARBÓN Es el combustible fósil de generación más antigua y es de origen vegetal. En el período carbonífero que comenzó hace 362,5 millones de años, grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Muchas de estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos de gran tamaño. Al morir las plantas quedaban sumergid as en agua y se descomponían, a medida que se producía la descomposición, la materia vegetal perdía átomos de hidrógeno y de oxígeno, por lo que quedaba un depósito con elevado contenido de carbono (turberas). Con el paso del tiempo, la arena y el lodo del agua se fueron acumulando sobre algunas turberas, la presión de las capas superiores así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar carbón. El carbón fue el gran protagonista de la primera Revolución Industrial, por su uso como combustible en las calderas de las máquinas de vapor, y su utilización siderúrgica en la fabricación del acero. Las reservas minerales de carbón son muy abundantes, cerca de mil millones de toneladas, esto representa 220 años al ritmo de explotación actual. El carbón se encuentra en casi todas las regiones del mundo, pero en la actualidad los únicos depósitos de importancia comercial están en Europa, Asia, Australia, Sudáfrica y América de l Norte. En 1996, la producción mundial de carbón fue de 4.666,7 millones de toneladas, siendo los principales productores China, Estados Unidos, India, Rusia y Australia. Según el grado de cristalización que tenga, se distinguen tres tipos de carbón:



TIPO DE CARBÓN CARACTERÍSTICAS

Lignito Variedad de carbón que desde el punto de vista geológico es de origen reciente. Es de color negro pardo y estructura fibrosa o leñosa, se considera el carbón de peor calidad. Es muy frecuente en los países de Europa del este y España.

Antracita

Es el carbón con mayor contenido de carbono con aproximadamente un 87,15%. Tiene un color negro brillante y una estructura cristalina. Se emplea como combustible y como fuente de carbono industrial, cuando se quema produce una gran cantidad de energía y desprende poco humo y hollín. Los principales productores mundiales de antracita son: China, la antigua Unión Soviética, Corea del Norte y Corea del sur.

Hulla

Tiene una riqueza entre el 75 y 90 % de carbono, es negra, mate y arde con dificultad, ha sido empleada en siderúrgica y en las máquinas de vapor. Sus principales yacimientos están en Rusia, Estados Unidos Polonia y Alemania.

El carbón en el mundo tiene diversos usos, marcándose su utilidad en la industria generadora de electricidad, fabricación de acero y cemento, además de algunos usos domésticos como la calefacción. En la actualidad se emplean cerca de 630 Kg de carbón para producir 1000 Kg de acero. Algunos de estos procedimientos industriales liberan del carbón el azufre y el nitrógeno presentes en pequeñas cantidades, que durante la combustión forman óxidos presentes en la lluvia ácida. GAS NATURAL Mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y como materia prima en la fabricación de plásticos, tintes y fármacos. La proporción en la que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del volumen total de la mezcla. El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los componentes más pesados como el propano y el butano. Aunque existen yacimientos que proporcionan exclusivamente gas natural, éste va casi siempre asociado al petróleo en sus yacimientos, y sale junto a él cuando se perfora un pozo.



Los yacimientos de hidrocarburos pueden clasificarse según el tipo de ellos en: 1. Yacimiento de petróleo: aquel en donde solo hay petróleo, ya que el gas natural se

encuentra totalmente disuelto en él, de manera semejante a como se encuentra el gas disuelto en una bebida gaseosa.

2. Yacimiento de gas/petróleo: aquel donde el componente principal es el petróleo. El gas natural se encuentra tanto disuelto, como formando una capa sobre éste.

3. Yacimiento de condensado: aquel donde el petróleo se encuentra en forma de vapor mezclado con el gas natural.

4. Yacimiento de gas: aquel en donde el único producto es el gas natural, también llamado gas libre.

El gas natural que proviene de los tres primeros tipos de yacimientos se denomina GAS ASOCIADO, mientras que el del último yacimiento se denomina GAS NO ASOCIADO. Principales gasoductos en Colombia: Mariquita – Cali (TransGas Occidente); Ballena – Barrancabermeja; Barrancabermeja – Neiva – Bogotá (Centro Oriente). La combustión limpia y eficiente del gas natural, le permite mantener el equilibrio con el medio ambiente constituyéndose como el energético de mayor aceptación en el mundo. Una de las principales características del gas natural es la economía, ya que al no requerir de procesos industriales en su elaboración, su costo es más bajo que el de otros combustibles. Otro elemento que incide en su bajo costo es el hecho de ser un recurso abundante, distribuido a lo largo de los cinco continentes, lo que permite una transacción libre en los mercados. La ventaja competitiva del precio ha llevado a las industrias a incorporar el gas natural, con el fin de hacer más rentables sus procesos de fabricación. De igual manera las generadoras de electricidad son parte importante de los consumidores de gas natural con sus plantas de generación directa y de ciclo combinado. El gas natural también tiene una gran aceptación en los hogares, ya que adicionalmente al ahorro que obtienen por el consumo de éste, son importantes la seguridad y el suministro continuo del mismo. Procesamiento del gas natural: a pesar de estar el gas natural íntimamente asociado con el petróleo, se desconocían las cualidades y virtudes de este producto, por lo que durante mucho tiempo fue quemado en grandes mecheros y en ocasiones arrojado a la atmósfera. Para obtener los productos provenientes del gas natural, éste inicialmente pasa a las plantas de acondicionamiento y tratamiento, donde se eliminan los componentes no deseados o impurezas. Posteriormente el gas pasa a las plantas de procesamiento donde por extracción se separa, por una parte el gas metano, el cual se destina a diferentes usos y por la otra los líquidos del gas natural (LGN). Estos líquidos al pasar por las plantas de fraccionamiento se separan en los diferentes productos que serán utilizados como materia prima, combustible y para la exportación. El proceso se muestra en la gráfica.


GAS NATURAL ACONDICIONAMIENTO Y

TRATAMIENTOEXTRACCIÓN

(Proceso Criogénico)

GAS METANO

TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN

INYECCIÓN DE GAS

COMBUSTIBLE

MATERIA PRIMA

YACIMIENTO

POZO

DOMÉSTICO

AUTOMOTOR – GAS NATURAL PARA VEHÍCULOS

COMERCIAL

INDUSTRIA

PETROLERA

PETROQUÍMICA

ELÉCTRICA

SIDERÚRGICA

ALUMINIO

MANUFACTURERA

CEMENTOINDUSTRIAPETROQUIMICA

REFINERÍA

INDUSTRIA DEL ALUMINIO

LÍQUIDO DE GAS NATURAL (LGN)

FRACCIONAMIENTO

ETANO

PROPANO

BUTANOS

PENTANOS

HEXANOS

MATERIA PRIMA INDUSTRIA PETROQU

VENTAS AL EXTERIOR /EXCEDENTE)

MATERIA PRIMA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

VENTAS AL EXTERIOR (EXCEDENTE)

COMBUSTIBLE (GAS LICUADO DE PETRÓLEO)

DOMÉSTICO (GAS DE BOMBONAS)

COMERCIAL E INDUSTRIAL (BOMBONAS Y CISTERNAS)

VENTAS AL EXTERIOR (EXCEDENTE)MATERIA PRIMA INDUSTRIA

PETROQUÍMICA


GASOLINA NATURAL

SULFURO DE HIDRÓGENO (H2S)DIÓXIDO DE CARBONO (CO2)

ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOX)AGUA (H2O)

GAS NATURAL ACONDICIONAMIENTO Y

TRATAMIENTOEXTRACCIÓN

(Proceso Criogénico)

GAS METANO

TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN

INYECCIÓN DE GAS

COMBUSTIBLE

MATERIA PRIMA

YACIMIENTO

POZO

DOMÉSTICO

AUTOMOTOR – GAS NATURAL PARA VEHÍCULOS

COMERCIAL

INDUSTRIA

PETROLERA

PETROQUÍMICA

ELÉCTRICA

SIDERÚRGICA

ALUMINIO

MANUFACTURERA

CEMENTOINDUSTRIAPETROQUIMICA

REFINERÍA

INDUSTRIA DEL ALUMINIO

LÍQUIDO DE GAS NATURAL (LGN)

FRACCIONAMIENTO

ETANO

PROPANO

BUTANOS

PENTANOS

HEXANOS

MATERIA PRIMA INDUSTRIA PETROQU

VENTAS AL EXTERIOR /EXCEDENTE)

MATERIA PRIMA INDUSTRIA PETROQUÍMICA


COMBUSTIBLE (GAS LICUADO DE PETRÓLEO)

DOMÉSTICO (GAS DE BOMBONAS)

COMERCIAL E INDUSTRIAL (BOMBONAS Y CISTERNAS)

VENTAS AL EXTERIOR (EXCEDENTE)MATERIA PRIMA INDUSTRIA

PETROQUÍMICA


GASOLINA NATURAL

SULFURO DE HIDRÓGENO (H2S)DIÓXIDO DE CARBONO (CO2)

ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOX)AGUA (H2O)


LECTURA COMPLEMENTARIA Tomada de http://wrm.org.uy/plantaciones/material/carbono.html Clima y dióxido de carbono Los cambios en el clima de la Tierra, por mínimos que sean, han sido siempre muy significativos para las sociedades humanas. Cuando en el 535 DC una erupción volcánica provocó que el clima se hiciera ligeramente más fresco y seco, se sucedieron migraciones, hambre, plagas y cambios en la agricultura, posiblemente incluso el colapso de una civilización nativa del continente americano. Quinientos años después, al haberse vuelto el clima más templado, los vikingos pudieron establecer colonias en Groenlandia. Y cuando el clima se volvió de nuevo más frío, feroces tormentas barrieron con cantidad de poblados y aldeas en las proximidades del Mar del Norte. En perspectiva, las actuales modificaciones en el clima mundial son mucho más devastadoras que ninguna otra que haya sucedido en la historia de la humanidad. Su principal causa es el aumento de la cantidad de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. La habitabilidad del Planeta depende de que los niveles de dióxido de carbono no disminuyan ni aumenten en demasía. Sin la presencia de CO2 y otros gases, que permiten que el calor quede atrapado cerca de la superficie de la Tierra, su temperatura media bajaría a -6°C. Con demasiado CO2 el agua de los océanos entraría en ebullición. A los actuales niveles, la superficie terrestre permanece a una temperatura media adecuada de 15°C. La manutenc ión del nivel de dióxido de carbono dentro de límites razonables implica un intrincado juego de controles y balances en la atmósfera, los océanos, los seres vivos y la corteza y manto terrestres. Los volcanes emiten CO2 a la atmósfera, mientras que la meteorización de las rocas silicatadas –en la que intervienen la acción del agua y la actividad de las plantas- lo retira. Los organismos vivos extraen CO2 de la atmósfera y guardan el carbono en sus cuerpos o caparazones. Parte del mismo es rápidamente devuelto a la atmósfera como resultado de la descomposición y el fuego. Los carbonatos se van acumulando en los fondos marinos como resultado de la meteorización, la escorrentía y otros procesos, son eventualmente empujados bajo las placas continentales en los bordes oceánicos, y encuentran su camino de regreso a la atmósfera millones de años después a través de la actividad volcánica. Otra cantidad de carbono se encuentra enterrado en las profundidades terrestres bajo la forma de carbón y petróleo. En conjunto, la masa de carbono acumulada en las rocas como resultado de la actividad de los organismos vivos es 100.000 veces mayor a aquella presente en la atmósfera. Por otro lado, la masa de carbono localizada en los propios organismos vivos es tan sólo cuatro veces mayor a la que se encuentra en la atmósfera. No obstante, durante los últimos 150 años, y especialmente a partir de la Segunda Guerra Mundial, la actividad industrial ha provocado que grandes cantidades de aquel carbono, que hasta entonces se encontraba seguramente almacenado, fuera liberado a la atmósfera. Antes de los comienzos de la Revolución industrial había alrededor de 580.000 millones de toneladas de carbono en la atmósfera. Hoy en día esa cifra ha trepado a más de 750.000 millones –la más alta en los últimos 200.000 años- al tiempo que año tras año aumenta en



6.000 millones. Un 90% de este incremento en las emisiones de CO2 y otros gases causantes del calentamiento global ha provenido de los países del Norte. REFERENCIAS 1. www.expoindustria.net/historia/combustibles_fosiles.htm 2. www.carbonescbg.com 3. www.cenamec.org.ve/olimpiadas/petrol.htm 4. http://wrm.org.uy/plantaciones/material/carbono.html 5. www.mct.gov.br/clima/espan.htm



LOS COMBUSTIBLES FOSILES Y LA ENERGIA PARTE 2. EL PETRÓLEO Por Estudiantes de Undécimo grado

El petróleo es una mezcla en la que coexisten en fases sólida, líquida y gaseosa, compuestos denominados hidrocarburos, constituidos por átomos de carbono e hidrogeno y pequeñas proporciones de heterocompuestos con presencia de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales, ocurriendo en forma natural en depósitos de roca sedimentaria. Su color varía entre ámbar y negro. La palabra petróleo significa aceite de piedra.

La vida sin el petróleo no podría ser como la conocemos. Del crudo obtenemos gasolina y diesel para nuestros autos y autobuses, combustible para barcos y aviones. Lo usamos para generar electricidad, obtener energía calorífica para fábricas, hospitales, oficinas y diversos lubricantes para maquinaria y vehículos.

La industria petroquímica usa productos derivados de él, para hacer plásticos, fibras sintéticas, detergentes, medicinas, conservantes de alimentos, hules y agroquímicos.

El petróleo ha transformado la vida de las personas y la economía de las naciones. Su descubrimiento creó riqueza, modernidad, pueblos industriales prósperos y nuevos empleos, motivando el crecimiento de las industrias mencionadas.

Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas, estas sustancias denominadas petroquímicas se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. Las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno y butenos) y la de los aromáticos.

A partir del gas natural se produce el gas de síntesis que permite la producción a gran escala de hidrógeno, haciendo posible la producción posterior de amoníaco por su reacció n con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre otros compuestos.

Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno, monómeros de estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubrimientos, moldes, etc.

Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropílico, polipropileno y acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras sintéticas.

Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabricación de etileno se obtiene el 1,3-butadieno que es una materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etc.

Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromáticos (benceno, tolueno y xilenos). El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon; así como del cumeno para la producción industrial de acetona y fenol. Los xilenos son el inicio de diversas cadenas petroquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas.



Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.

Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno, constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas ; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos.

Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes por otras cada vez menores para constituir un todo semicontinuo.

Son miles los compuestos químicos que constituyen el petróleo, y, entre muchas otras propiedades, estos compuestos se diferencian por su volatilidad (dependiendo de la temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo, se evaporan preferentemente los compuestos ligeros (de estructura química sencilla y bajo peso molecular), de tal manera que conforme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al vapor.

Las curvas de destilación TBP (del inglés “true boiling point”, temperatura de ebullición real) distinguen a los diferentes tipos de petróleo y definen los rendimientos que se pueden obtener de los productos por separación directa. Por ejemplo, mientras que en el crudo Istmo se obtiene un rendimiento directo de 26% volumétrico de gasolina, en el Maya sólo se obtiene 15.7%.

La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo a su densidad API (parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia las calidades del crudo).

Aceite Crudo

Extrapesado Pesado Mediano Ligero Superligero

Densidad (g/cm3)

>1.0 0.92 0.92 – 0.87 0.87 – 0.83 < 0.83

Densidad grados API

10.0 10.0 – 22.3 22.3 – 31.1 31.1 - 39 39

Para exportación, en México se preparan tres variedades de petróleo crudo:

Istmo. Ligero con densidad de 33.6 grados API y 1.3% de azufre en peso.



Maya. Pesado con densidad de 22 grados API y 3.3% de azufre en peso.

Olmeca. Superligero con densidad de 39.3 grados API y 0.8% de azufre en peso.

Las teorías originales, en las que se atribuyó al petróleo un origen inorgánico (Berthelott y Mendeleyev) han quedado descartadas:

Uno de los supuestos acerca del origen del Petróleo lo constituye la Teoría de Engler(1911):

1ª etapa

Depósitos de organismos de origen vegetal y animal se acumulan en el fondo de mares internos (lagunas marinas).

Las bacterias actúan, descomponiendo los constituyentes carbohidratos en gases y materias solubles en agua, y de esta manera son desalojados del depósito.

Permanecen los constituyentes de tipo ceras, grasas y otras materias estables, solubles en aceite.

2a etapa

A condiciones de alta presión y temperatura, se desprende CO2 de los compuestos con grupos carboxílicos, y H2O de los ácidos hidroxílicos y de los alcoholes, dejando un residuo bituminoso.

La continua exposición al calor y presión elevada provoca un craqueo ligero con formación de olefinas (protopetróleo).

3a etapa

Los compuestos no saturados, en presencia de catalizadores naturales, se polimerizan y ciclizan para dar origen a hidrocarburos de tipo nafténico y parafínico. Los aromáticos se forman, presumiblemente, por reacciones de condensación acompañando al craqueo y ciclización, o durante la descomposición de las proteínas.



Procesamiento del petróleo (cracking o destilación fraccionada) Campos de petróleo en Colombia: Cusiana, Cupiagua, Caño Limón, Chuchupa-ballena Principales puertos: Mar Caribe: Coveñas, Barranquilla, Cartagena y Santa Marta Mar Pacífico: Buenaventura y Tumaco Refinerías: Barrancabermeja y Cartagena. Métodos de Extracción El petróleo se halla a grandes profundidades, de acuerdo con la profundidad proyectada del pozo, las formaciones y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de perforación mas indicado. La perforación se logra por medio de dos procedimientos: la percusión y la rotación. Percusión: Se emplea un trepano de acero duro, suspendido por medio de un cable, que penetra en el suelo por golpes verticales. Rotación: En este caso el trepano perfora el suelo animado por un movimiento de rotación. Este movimiento se lo imprime una mesa rotatoria. Refinación del Petróleo: El petróleo crudo, tal como se extrae del subsuelo, tiene poco uso. La refinación comprende una serie de procesos de separación, transformación y purificación, mediante los cuales el petróleo crudo es convertido en productos útiles con innumerables usos, que van hasta la fabricación de productos intermedios para la obtención de otros productos industriales. Los procesos de refinación del petróleo pueden clasificarse en dos grandes grupos: separación y conversión. El primero, consiste en separar el crudo en diferentes fracciones de petróleo, de acuerdo con su temperatura de ebullición, para ello se emplean procesos físicos como la destilación bien sea atmosférica o al vacío. En la conversión se transforman unos componentes del petróleo en otros mediante reacciones químicas, por acción del calor o el uso de los catalizadores adecuados. Son procesos de conversión entre otros, la reformación y la desintegración o craqueo; ambos procesos cambian la estructura molecular de los hidrocarburos, originalmente presentes en el petróleo. Los procesos de purificación son aquellos que se utilizan para eliminar las impurezas contenidas en las fracciones provenientes de la destilació n, a fin de cumplir con las especificaciones que exige su uso. Los procesos de purificación son numerosos y pueden ser físicos y/o químicos. La mayoría de los productos obtenidos de las diferentes destilaciones se pueden continuar procesando o tratando pa ra mejorar la calidad y clase de productos que se desean. En el esquema se muestra la secuencia de la refinación.



Destilación La herramienta básica del refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a vaporizarse a una temperatura menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menos masa molecular son los que se evaporan a temperaturas más bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina seguido por la nafta y el kerosene. Cracking Catalítico y Alquilación En la alquilación, las moléculas producidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador, esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores propiedades como combustibles de motores de alta potencia. En el proceso de cracking catalítico el crudo se fracciona en presencia del catalizador finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hid rocarburos diferentes. La fabricación de estos productos está a cargo de la industria petroquímica que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre (entre otros).



El Petróleo y la Energía Los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) representan el 90% del consumo total de energía del mundo en la actualidad, lo que permite concluir que seguirán siendo utilizados en grandes cantidades durante este siglo. Las reservas de combustib les fósiles se han calculado en años según el actual ritmo de consumo así: carbón 220 años, petróleo 42 años, gas natural 63 años. Existe un notorio interés en desarrollar nuevas tecnologías, que permitan la incorporación de otras fuentes de energía capaces de substituir el petróleo y basadas en razones ambientales y económicas, ya que se trata, por una parte, de obtener energías que favorezcan la reducción de emisiones a la atmósfera, y por otra, que resulten de menor costo. Estas nuevas tecnologías que puedan sustituir a los combustibles fósiles se identifican como fuentes alternas de energía o energías alternativas. Entre las más importantes tenemos: la eólica (utiliza la fuerza del viento), la fotovoltaica y térmica (emplean la luz solar), la geotérmica (emplea el calor extraído del suelo), las celdas de combustibles (usa energía química para producir electricidad), la biomasa, la hidroelectricidad y la energía nuclear. Sin embargo algunas estimaciones demuestran que no será hasta después del año 2030, cuando aparezca una verdadera alternativa que sustituya a los combustibles fósiles. Mientras tanto, la meta de las investigaciones en petróleo es desarrollar tecnologías que

PETRÓLEO R-CH=CH2 ALQUENOS

R-CH-CH3

OH

ALCOHOLES SECUNDARI

OS

CH2=CH2 ETENO

CH3 –(CH2-CH2)n-CH2OH ALCOHOLES DE CADENA RECTA LARGA Y DE NUMERACIÓN PAR

GRASAS

CH3-CH2-OH ETANOL AZÚCARES

MELASAS

ALMIDÓN

CAÑA DE AZÚCAR

GRANOS

ACEITE DE FUSEL MEZCLAS DE ALCOHOLES

PRIMARIOS

CRACKING

CRACKING

HIDRATACIÓN

(+H2O)

REDUCCIÓN

POLIMERIZACIÓN DE ZIEGLER-NAFTA

CON AGUA

HIDRATACIÓN (+H2O)

FREMENTACIÓN CON LEVADURAS



sean “amigables” al ambiente, con la finalidad de mantener el liderazgo en el sector energético mundial y que actúen en equilibrio con el ambiente. El gráfico muestra el consumo de energía por fuentes a nivel mundial en 1996.

El Petróleo y el Medio Ambiente Las políticas mundiales en materia de protección ambiental, exigen el uso de tecnologías limpias para facilitar la reducción de desechos. La explotación petrolera produce desechos que requieren un manejo adecuado para evitar su incidencia en el medio ambiente. Los principales contaminantes atmosféricos provenientes de los combustibles fósiles son: óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono y partículas en general. Se considera que el 67% del total de los agentes más atacados cuando se habla de contaminación ambiental son los provenientes de dichas fuentes. Para disminuir sus efectos se ha avanzado positiva y efectivamente, tanto en tecnologías, como en normativas legales para proteger la atmósfera; tratando de evitar y disminuir sus efectos negativos, tales como el efecto invernadero, la lluvia ácida, o la destrucción de la capa de ozono. Un poco de historia acerca del descubrimiento del petróleo y su distribución en la tierra Aunque se conoce su existencia y utilización desde épocas milenarias, algunas tribus lo emplearon como ungüento y los navegantes le usaron como impermeabilizante en sus naves, la historia del petróleo como elemento vital y factor estratégico de desarrollo es relativamente reciente, de menos de 200 años. En 1850 Samuel Kier, un boticario de Pittsburg, Pensilvania (Estados Unidos), lo comercializó por primera vez con el nombre de aceite de roca o petróleo. Por la misma época el químico escocés James Young y el geólogo canadiense Abraham Gesner comprenden su importancia al refinarlo y utilizarlo como combustible para la iluminación. El segundo de los mencionados patentó el proceso bajo el nombre de kerosene.

Consumo de energía por fuentes, 1996

43%

29%

25%3%

petróleo

carbón

gas natural

hidroelectricidad



Al americano William Drake es a quien se le atribuye el primer hallazgo de petróleo con fines comerciales mediante la perforación de un pozo de más de veinte metros de profundidad en Titusville, Pensilvania (Estados Unidos) en 1859. A partir de entonces comenzó el desarrollo de la industria del petróleo y el verdadero aprovechamiento de un recurso que indudablemente ha contribuido a la formación del mundo actual. A finales del siglo XIX la enorme demanda de carbón comenzó a declinar con la comercialización del petróleo y sus derivados. El número de compañías petrolíferas creció en proporción a los nuevos mercados que se crearon: transportes, energía, calefacción, etc. La búsqueda de yacimientos petrolíferos fue una constante ante las expectativas que se intuían. Cercano Oriente se convirtió en una zona sensible, siendo Gran Bretaña la que estableció en Irán en 1941 el primer campo petrolífero. La segunda guerra mundial generó grandes demandas de combustibles siendo las empresas de Estados Unidos las que se expandieron con gran éxito por todo el mundo; de hecho, en 1955 las dos terceras partes del petróleo del mercado mundial, salvo el bloque soviético y América del Norte, eran suministradas por cinco empresas de petróleo de Estados Unidos. A la vez, Cercano Oriente se convirtió en la mayor reserva de crudo del mundo. A finales de la década de los 50’s, la producción mundial de petróleo excedía considerablemente a la demanda. El precio del crudo cayó, y con él las cantidades que las compañías petroleras pagaban a los países productores. La OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo), fue creada en 1960, como reacción a esta caída de los pagos. Además de pasar a formar parte de la OPEP, algunos países productores nacionalizaron la producción de petróleo y los equipos de refinado de las compañías petroleras, con lo que generaron grandes ingresos. En 1973, la creciente demanda de energía del mundo desarrollado sufrió una acausada crisis. Los países árabes productores de petróleo embargaron el suministro de crudo a Estados Unidos, y recortaron su producción, generando alarma entre todos los implicados, productores y consumidores. Una segunda crisis de petróleo se daría de nuevo en 1978, cuando fue destronado el Sha de Persia; la producción de Irán cayó a niveles mínimos. En 1980 el crudo se había revalorizado 19 veces en comparación con 1970. Desde 1973, el precio del crudo ha ido en constante aumento, ante esa situación, los mercados que hasta entonces se habían consolidado en el petróleo y gas, dieron nuevas expectativas al carbón que había quedado rezagado, convirtiéndose en la alternativa en costos para las industrias, muy especialmente las centrales eléctricas. De esta forma el carbón ha comenzado a recuperar el mercado perdido. Los mayores depósitos de petróleo y los principales productores se encuentran en el Medio Oriente, América Latina (México y Venezuela), Africa, Europa Oriental, Rusia, Norteamérica y el Lejano Oriente. Hoy hacen parte de la OPEP: Arabia Saudí, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia, Irak, Irán, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar, Gabón y Venezuela. A los otros países productores se les denomina independientes siendo los principales el Reino Unido.



Noruega, México, Rusia y Estados Unidos. Colombia forma parte de este grupo de naciones, aunque su participación se considera marginal tanto en reservas como en producción y volúmenes de exportación. (ver mapa)



TÉRMINOS ASOCIADOS AL ARTÍCULO Catálisis, alteración de la velocidad de una reacción química, producida por la presencia de una sustancia adicional, llamada catalizador, que no resulta químicamente alterada en el transcurso de la reacción. Glicerina, sustancia incolora, con un sabor dulce a alcohol, de fórmula C3H8O3 (1,2,3-propanotriol), y densidad relativa de 1,26 g/cm3. Intersticio , pequeño espacio entre los iones, átomos o moléculas en una red cristalina. Orogénesis, conjunto de procesos geológicos que se producen en los bordes de las placas tectónicas y que dan lugar a la formación de un orógeno o cadena montañosa. Orogenia, parte de la geología, que estudia la formación de las montañas. Craqueo o Cracking, proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis. Coloide , suspensión de partículas diminutas de una sustancia, llamada fase dispersada, en otra fase, llamada fase continua, o medio de dispersión. Catalizador, sustancia que altera la velocidad de una reacción química sin sufrir en sí ningún cambio químico. Bituminoso, carbón, variedad de carbón cuya constitución y propiedades son intermedias entre la antracita y el lignito. Plancton, término colectivo utilizado para denominar a una serie de organismos marinos y dulceacuícolas que van a la deriva o que flotan en la superficie del agua. Debido a su minúsculo tamaño y a la dificultad de desplazarse contracorriente, su movimiento depende de las mareas, las corrientes y los vientos. Cuando los componentes del plancton son bacterias, algas y hongos microscópicos, se llama fitoplancton. REFERENCIAS: 1. www.cenamec.org.ve/olimpiadas/petrol.htm 2. www.ecopetrol.com.co/inge/repcol/republic.htm 3. www.expoindustria.net/historia/combustibles_fosiles.htm 4. República de Colombia, Ministerio de Minas y Energía, Empresa Colombiana de

Petróleos – Ecopetrol -. El Petróleo y su Mundo. Bo gotá, D.C., Enero 2001.

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EL CARBONO Y SU IMPORTANCIA EN LA NATURALEZA2algunas de las cuales por descuido en el momento de cerrar nuestros artículos no se mencionan. Todos los temas han sido revisados nuevamente