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La ciencia para todos (página 3)



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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.

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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).

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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.

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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).

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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.

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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.

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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).

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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.

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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.
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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).

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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).

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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.

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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.

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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.

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Fórmula 16. Reformación del
n-hexano. Los productos pueden ser hidrocarburos ramificados o
benceno (ambos son de alto octanaje).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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).

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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).

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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.

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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.

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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).

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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).

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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:

Partes: 1, 2, 3, 4
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