LA GRAN PREGUNTA

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EL PETRÓLEO

Líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Las sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de movilidad por tierra, mar y aire impensable hace sólo 100 años. Además, el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas y textiles, y para generar electricidad.

En la actualidad, los distintos países dependen del petróleo y sus productos; la estructura física y la forma de vida de las aglomeraciones periféricas que rodean las grandes ciudades son posibles gracias a un suministro de petróleo relativamente abundante y barato. Sin embargo, en los últimos años ha descendido la disponibilidad mundial de esta materia, y su costo relativo ha aumentado. Es probable que, a mediados del siglo XXI, el petróleo ya no se use comercialmente de forma habitual.

Propiedades Quimicas

Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un 0,1 y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general, hay pequeñas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural.

Existen tres grandes categorías de petróleo crudo: de tipo parafínico, de tipo asfáltico y de base mixta. El petróleo parafínico está compuesto por moléculas en las que el número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número de átomos de carbono. Las moléculas características del petróleo asfáltico son los naftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono. El petróleo de base mixta contiene hidrocarburos de ambos tipos.

Propiedades Fisicas

Coloración: el color del petróleo varía del amarillo al rojo pardo, siendo las clases más oscuras, opacas. Los aceites de bajo peso específico (0,777 a 0,789) son amarillos, los medianos (0,792 a 0,820) ámbar, y los aceites más pesados son oscuros. Por luz reflejada, el aceite crudo es usualmente verde, debido a la fluorescencia. Por lo general, su tonalidad se oscurece con el aumento de su peso específico, que se incrementa al aumentar su porcentaje de asfalto. Los hidrocarburos puros son incoloros, pero a menudo se colorean por oxidación, especialmente los no saturados. Los compuestos que dan color pertenecen a la clase de los hidrocarburos aromáticos; el color depende de su estructura molecular.

Olor: Es característico y depende de la naturaleza y composición del aceite crudo. Los hidrocarburos no saturados dan olor desagradable, como ocurre con los petróleos mexicanos y los de la zona vecina a Texas (Estados Unidos) debido al ácido sulfhídrico y otros compuestos de azufre. Los petróleos crudos de California, Rusia y Rumania tienen olor aromático. Los de Pensilvania tienen olor agradable a gasolina. En otros aceites el olor varía, dependiendo de la cantidad de hidrocarburos livianos y de las impurezas.

Peso específico: El petróleo es más liviano que el agua. Su peso específico es influenciado por factores físicos y por la composición química del crudo, pudiendo oscilar, en términos generales, entre 0,75 y 0,95 Kgr./lt. Aumenta con el porcentaje de asfalto.

Viscosidad: Es la medida de la tendencia a fluir, siendo de gran importancia en los aceites lubricantes y fuel-oil. Es usualmente el tiempo necesario para que un volumen dado de aceite, a una temperatura definida, fluya a través de un pequeño orificio. Se mide con viscosímetro. Todos emplean en general el mismo principio. Se controla la temperatura dentro de la taza y en el baño cuidadosamente, y cuando se ha alcanzado la temperatura deseada, se abre el orificio y se deja fluir el líquido a un frasco de capacidad conocida. El tiempo necesario para llenar el frasco es la viscosidad requerida (Saybolt Universal y Saybolt Furol). En el Engler se toma con respecto al agua.
Los petróleos crudos tienen diferentes viscosidades; algunos son muy fluidos y otros muy viscosos. Los aceites compuestos de hidrocarburos de las series CnH2n-2 y CnH2n-4 son viscosos. Los petróleos pesados en general están compuestos por gran cantidad de estos hidrocarburos.
La viscosidad aumenta con el peso específico. La viscosidad de los aceites del mismo peso específico pero de diferente origen, no es la misma. Esto se debe a su diferente composición química.
De esta propiedad depende la calidad de los aceites lubricantes que contiene.

Solubilidad: Es insoluble en agua, sobre la cual sobrenada por su peso específico menor. A esto se debe su peligrosidad cuando se derrama en los puertos, o cuando es necesario combatir incendios en los tanques de almacenaje.
Es soluble en benceno, éter, cloroformo, y otros solventes orgánicos.

Poder calorífico: Está comprendido entre las 9000 y 12000 calorías. Éste disminuye al aumentar la densidad. Ejemplo:
Para una densidad de 0,815 Kgr./lt. es igual a 11000 Cal/lt..
Para una densidad de 0,915 Kgr./lt. es igual a 10700 Cal/lt..

Metodo de obtención

El petróleo se extrae mediante la perforación de un pozo sobre el yacimiento. Si la presión de los fluidos es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario, donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos más volátiles. Posteriormente se transporta a refinerías o plantas de mejoramiento. Durante la vida del yacimiento, la presión descenderá y será necesario usar otras técnicas para la extracción del petróleo. Esas técnicas incluyen la extracción mediante bombas, la inyección de agua o la inyección de gas, entre otras. La medida técnica y financiera del petróleo es el barril que corresponde a la capacidad de 42 galones estadounidenses (un galón tiene 3,78541178 litros, por lo que un barril equivale a 158,98729476 litros).
Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano, butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc. Todos estos productos, de baja solubilidad, se obtienen en el orden indicado, de arriba abajo, en las torres de fraccionamiento.
Debido a la importancia fundamental para la industria manufacturera y el transporte, el incremento del precio del petróleo puede ser responsable de grandes variaciones en las economías locales y provoca un fuerte impacto en la economía global.

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Usos

En las refinerías de petróleo se agregan aditivos a los productos de forma que sean posibles de almacenar a corto plazo, y de forma de ser aptos para su carga y transporte en camiones, barcazas, buques y ferrocarriles.
Dentro de los productos especiales que se generan a partir del petróleo tenemos:
Combustibles gaseosos tales como el propano, el cual es almacenado y transportado licuado bajo presión en ferrocarriles o barcos a los distribuidores especializados.
Gasolinas líquidas (fabricadas para automóviles y aviación, en sus diferentes grados; queroseno, diversos combustibles de turbinas de avión, y el gasóleo, detergentes, compuestos oxigenado, entre otros). Se transporta por barcazas, ferrocarril, y en buques cisterna. Pueden ser enviadas en forma local por medio de oleoductos a ciertos consumidores específicos como aeropuertos y bases aéreas como también a los distribuidores.
Lubricantes (aceites para maquinarias, aceites de motor, y grasas. Estos compuestos llevan ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ingnición), los cuales, por lo general son enviados a granel a una planta envasadora.
Ceras (parafinas), utilizadas en el envase de alimentos congelados, entre otros. Pueden ser enviados de forma masiva a sitios acondicionados en paquetes o lotes.
Azufre (o ácido sulfúrico), subproductos de la eliminación del azufre del petróleo que pueden tener hasta un dos por ciento de azufre como compuestos de azufre. El azufre y ácido sulfúrico son materiales importantes para la industria. El ácido sulfúrico es usualmente preparado y transportado como precursor del oleum o ácido sulfúrico fumante.
Basura brea se usa en alquitrán y grava para techos o usos similares.
Asfalto - se utiliza como aglutinante para la grava que forma asfalto concreto, que se utiliza para la pavimentación de carreteras, etc. Una unidad de asfalto se prepara como brea a granel para su transporte.
Coque de petróleo, que se utiliza especialmente en productos de carbono como algunos tipos de electrodo, o como combustible sólido.
Petroquímicos de las materias primas petroquímicas, que a menudo son enviadas a plantas petroquímicas para su transformación en una variedad de formas. Los petroquímicos pueden ser olefino o sus precursores, o diversos tipos de químicos aromáticos.
Los Petroquímicos tienen una gran variedad de usos. Por lo general, son utilizados como monómero o las materias primas para la producción de monómero. Olefinas como alfa-olefina y diene se utilizan con frecuencia como monómeros, aunque también pueden ser utilizados como precursores de los monómeros. Los monómeros son entonces polimerizados de diversas maneras para formar polímero. Materiales de polímero puede utilizarse como plástico, elastómero, o fibra, o bien algún tipo de estos tipos de materiales intermedios . Algunos polímeros son también utilizados como geles o lubricantes. Los Petroquímicos se puede utilizar también como disolventes, o como materia prima para la producción de disolventes, también se pueden utilizar como precursores de una gran variedad de sustancias químicas tales como los líquidos limpiadores de los vehículos, surfactante de la limpieza, etc.
Productos de plástico que son usados para distintos utencilios de la vida diaria. Asi como tambien algunas prendas de vestir.

Contaminación Generada

El petróleo tiene el problema de ser insoluble en agua y por lo tanto, difícil de limpiar. Además, la combustión de sus derivados produce productos residuales: partículas, CO2, SOx (óxidos de azufre), NOx (óxidos nitrosos), etc.
En general, los derrames de hidrocarburos afectan profundamente a la fauna y vida del lugar, razón por la cual la industria petrolera mundial debe cumplir normas y procedimientos estrictos en materia de protección ambiental.
Casi la mitad del petróleo y derivados industriales que se vierten en el mar, son residuos que vuelcan las ciudades costeras. El mar es empleado como un accesible y barato depósito de sustancias contaminantes. Otros derrames se deben a accidentes que sufren los grandes barcos contenedores de petróleo, que por negligencia transportan el combustible en condiciones inadecuadas. De cualquier manera, los derrames de petróleo representan una de las mayores causas de la contaminación oceánica. Ocasionan gran mortandad de aves acuáticas, peces y otros seres vivos de los océanos, alterando el equilibrio del ecosistema. En las zonas afectadas, se vuelven imposibles la pesca, la navegación y el aprovechamiento de las playas con fines recreativos.
Además, el control del petróleo está vinculado a guerras (Iraq 1991, Iraq 2003-...) y su combustión es una de las principales causas de emisión de CO2, cuya acumulación en la atmósfera genera el cambio climático.

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CAZA TESOROS HIDROCARBUROS

1.¿Cuál es la incidencia ecologica de la contaminación por petroleo?

Los derrames de hidocarburos pueden tener un grave impacto en las actividades costeras y en aquellas actividades que suponen el uso y disfrute de los recursos marinos. En la mayoria de los casos, tales daños resultan temporales y son principalmente las propiedades fisicas de los hidocarburos las que causan molestias y crean condiciones potencialmente peligrosas. sin embargo en determinadas, situaciones puede que sean necesarios muchos años para que se produzca una rcuperacion y, en raras ocasiones el daño puede resultar irreparable. El efecto sobre la vida marina es una combinacio de toxicidad y maculacion producida por la composicion quimica de los hidrocarburos asi como por la diversidad y variabilidad de los sistemas biologicos y de su sensibilidad a la contaminacion por hidrocarburos. No obstante, se pueden reducir los daños causads al medio ambiente si se emprenden de inmedito las medidas correctoras apropiadas.

2.¿Cómo es el comportamiento de las propiedades físicas de los alcanos, alquenos y alquinos con respecto al aumento de carbonos?

Propiedades físicas de los alcanos:

Las propiedades físicas de los alcanos como en otras clases de compuestos orgánicos depende de la longitud de la cadena.

Punto de ebullición:

En la figura 1 se muestra el gráfico de comportamiento del punto de ebullicion de los alcanos normales en correspondencia con el número de átomos de carbono de la molécula.Observe que este punto va aumentando de manera contínua con el aumento de la longitud de la cadena carbonada.Note que de C=1 hasta C=4 son gases hasta la temperatura ambiente (25°C), mientras que con mas de 16 átomos de carbono hierven a temperaturas mayores de 300°C.Mientras es un fenómeno general que el punto de ebullición crezca con el tamaño de la cadena, como se desprende de la figura 1, este efecto está influenciado por su estructura.De tal modo, los tres isómeros del pentano, tienen un decrecimiento del punto de ebullición a medida que la estructura es mas ramificada, como se indica en la tabla 3, de forma que, incluso, el dimetilpropano es gaseoso a temperatura ambiente.El patrón de decrecimiento del punto de ebullición con el incremento de la ramificación de la estructura molecular es generalizado, así tenemos que; mientras mas ramificada es la molécula, menor será su punto de ebullición

Solubilidad:

Los alcanos son casi insolubles en agua, y esta solubilidad disminuye a medida que aumenta el peso molecular, así tenemos que el mas soluble de todos es el metano, con una solubilidad equivalente a la del nitrógeno, 0.00002 g/ml a 25 °C. Ya la parafina doméstica (C=26 hasta C=30) no es ni humedecida por el agua.La solubilidad en solventes orgánicos es alta, en especial otros hidrocarburos muchos de los cuales son miscibles entre si en cualquier proporción.

Densidad:

La densidades de todos los hidrocarburos líquidos, incluyendo algunos sólidos como la parafina, son menores que 1g/cm3 por lo que flotan en el agua.

Propiedades físicas de los alquenos:

Los alquenos no abundan en las fuentes naturales como los alcanos, aunque hay alquenos en los petróleos naturales, son de hecho componenets minoritarios. La principal fuente para la industria son los procesos de "craking" del petróleo natural. El punto de fusion y de ebullición individual de los alquenos tiene la tendencia, al igual que el resto de los hidrocarburos, de incrementarse con el aumento del peso molecular. Para un mismo compuesto hay una distinguible diferencia entre los isómeros geométricos cis y trans.

Propiedades físicas de los alquinos:

Las propiedades físicas de los alquinos tienen, a groso modo, un comportamiento parecido a la de los alcanos y alquenos, como puede verse en la tabla 2. Note sin embargo, que los puntos de fusión y ebullición de los alquinos son ligeramente superiores a los de los alcanos y alquenos correspondientes.

3.¿Cuáles son los principales métodos de obtención de alcanos, alquenos y alquinos?

ALCANOS

En la industria se obtienen a partir del petróleo por destilación fraccionaria. En el laboratorio existen tres métodos:Berthelot: A Partir del alcohol correspondiente, sirve para pares y nones.a) R - OH + HX (alcohol) è R – X + HOH (derivado halogenado) b) R – X + HX (derivado halogenado) è R – H (alcano) + X2 (halógeno) Ejemplo: Obtención de Metano por BerthelotCH3 - OH + HI (metanol) è CH3 - I + H2O (yoduro de metilo)CH3 - I + HI è CH3 - H + I2Grignard: Consiste en fabricar un compuesto organometálico llamado reactivo de Grignard, una vez formado se hace una hidrólisis formado el hidrocarburo correspondiente y un compuesto complejo de hidróxido y halógeno. a) R – X + Mg è R – Mgx (compuesto organometálico haluro de alquil Magnesio) b) R – Mgx + H/OH è R – H (alcano) + Mg (OH)x (hidróxido metálico halogenado) Ejemplo: Obtención de Etano por GrignardC2H5 - Cl (cloruro de etilo) + Mg è C2H5 - MgCl (cloruro de etil magnesio)C2H5 - MgCl + H/OH è C2H5 - H + Mg (OH) Cl (hidróxido metálico halogenado) Würtz: A Partir del derivado halogenado más Sodio metálico, sirve para pares.a) 2CH 3 - Cl + 2 NaCl (cloruro de metilo) è CH 3 - CH 3 (etano) + 2NaCl (cloruro de sodio) Ejemplo: Obtención de Etano por Würtz2CH 3 - Cl + 2 Na è 2NaCl + CH 3 - CH 3 (etano)

ALQUENOS

Los alquenos se pueden obtener en el laboratorio de varias maneras:

1). Por reducción de alquinos:

Generalmente la reducción se produce en presencia de un catalizador como Pt, Pd o Ni.Aquí guarda gran importancia tanto el tipo de alquinos del cual se parte (terminal o no ter-minal) y el catalizador utilizado.Los alquinos terminales dan alquenos libres de isomería geométrica, pero los no terminales pueden dar tanto un isómero cis como trans. Esto dependerá del agente reductor usado y del tipo de catalizador. Para el caso específico de la hidrogenación, utilizando una mezcla especial de catalizadores de paladio, se puede obtener el isómero cis del alqueno con una pureza de casi el 100 %. Probablemente el mecanismo de la reacción transcurra en varias etapas, siendo estas las siguientes:

1º Etapa: Consta en la adsorción de las moléculas de hidrógeno (H2) sobre la superficie metálica del catalizador.

2º Etapa: Viene dado por la ruptura de del enlace covalente de la molécula de hidrógeno (H—H) y se forma un nuevo enlace, esta vez entre el átomo de hidrógeno (H) generado el átomo de Pd del catalizador.

3º Etapa: El alqueno se adsorbe sobre la superficie del catalizador, por intermedio de los electrones pi que interactúan con alguno de los orbitales vacíos del metal.

4º Etapa: Esta molécula se va moviendo sin romper su enlace con la superficie metálica, hasta chocar con alguno de los hidrógenos que se encontraban también adsorbidos sobre ella. Es aquí donde se produce la verdadera reacción química entre ambos reactivos. Además esto explica por qué la adición del hidrógeno casi siempre se produce sobre un mismo lado del enlace pi, generándose entonces el isómero cis.

5º Etapa: El producto así originado, es decir, el cis-alqueno, se des adsorbe de la superficie metálica.Obsérvese que el catalizador no solo cumple la función de suministrar una superficie donde la reacción puede llevarse a cabo sino también la de debilitar los correspondientes enlaces, tanto de la molécula de hidrógeno, como del alquino, lo cual se traduce en un descenso de la energía de activación de la reacción, que es lo que, finalmente hace posible que transcurra más rápidamente.

2). Reducción Por La Acción De Metales:

Si en vez de hidrógeno se utiliza Na o Li en presencia de amoníaco líquido, un alquino no terminal se convierte en un isómero trans del alqueno.

3). Deshidrohalogenación De Halogenuros De Alquilo:

Los halogenuros de alquilo (R—X), pueden generar alquenos mediante la eliminación del halógeno junto con un átomo de hidrógeno de uno de los carbonos adyacentes al mismo. Esto se realiza por medio de una base fuerte, como el NaOH o bien KOH.En el caso de un halogenuro de alquilo en el cual el halógeno está en un carbono terminal, existe un solo carbono adyacente de donde sacar el hidrógeno, pero en cuando está en un carbono secundario, entonces tenemos dos posibilidades, pudiendo generarse dos posibles productos. Sin embargo, estos productos no se obtienen en igual proporción. En 1875, el químico ruso Alexander Saytseff, después de observar muchas de estas reacciones enunció una regla al respecto, que puede traducirse como: “ En una reacción de deshidrohalogenación, se forma en mayor proporción el alqueno más substituido”.Entendemos como grupo substituyente en un alqueno, a aquellos grupos alquilo que se encuentran unidos a ambos átomos de los carbonos que forman el doble enlace. Es decir, bajo este concepto, cualquier alqueno se puede tomar como formado por substitución de uno o más hidrógenos del eteno por otros tantos grupos alquilo.También podríamos haber enunciado esta regla como: “ En una reacción de deshidrohalogenación, el átomo de hidrógeno se elimina del carbono adyacente a los que comparten el doble enlace, que tiene menos hidrógenos”.

4). Deshidratación De Alcoholes:

Los alcoholes son substancias que se caracterizan por tener un grupo hidróxido (-OH) en su estructura. Una de sus propiedades químicas más importantes es que pueden deshidratarse, eliminando una molécula de agua en determinadas condiciones. En nuestro caso, la reacción se lleva a cabo en presencia de alúmina (Al2O3) a una temperatura entre 300-400 C.Para eliminar una molécula de agua, el alcohol debe perder dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El grupo hidróxido contiene uno de cada uno de ellos, por lo cual sigue faltando otro de H.Este átomo de H puede salir, en teoría, de cualquiera de los dos átomos de C adyacentes al -OH. Por lo tanto, podrían formarse, en igual medida, dos productos diferentes. Pero, como ya hemos visto más arriba, Saytseff descubrió, que en todas las reacciones de eliminación siempre predomina la formación de uno de los productos por sobre los otros.En este caso también podemos decir que se forma en mayor medida el alqueno con el mayor número de grupos alquilo unidos a los átomos de carbono del doble enlace. Es decir, la regla de Saytseff también es aplicable a este caso.

ALQUINOS:

Se puede obtener a partir de petróleo, mediante el proceso de fraccionamiento o craking. En el ámbito industrial lo obtenemos por:Deshidrohalogenación de dihalogenuros en posición vecinal. En esta reacción sacamos dos moléculas de halogenuro de la siguiente forma:

En la anterior reacción utilizamos una base fuerte (KOH) en solución alcohólica.

Hidratación de carburo de calcio:

Al agregar agua al carburo de calcio obtenemos etino (gas), tradicionalmente es conocido como acetileno. En la reacción anterior el etino toma comportamiento gaseoso, mientras el hidróxido de calcio se precipita con una coloración lechosa. Existen tres procedimientos para la obtención de alquinos:

Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo vecinales:

Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo geminales(gem-dihalogenuros):

Alquilación de alquinos:

Se produce debido a la acidez del H en los alquinos terminales.Mediante esta reacción se sintetizan alquinos internos a partir de alquinos terminales.

4.¿Cuáles son las principales reacciones de los alcanos, alquenos y alquinos?

ALCANOS

Combustión:

Todo alcano que se combina con O2 produce CO2, H2O y Energía.CnH2n+2 + O2 è nCO2 + (n+1) H2O + Energía.

Pirolisis o Cracking:

Los alcanos de masa molecular elevada se pasan por tubos calentados entre 500 y 700 °C usando catalizadores, produciendo alcanos menores, alquenos e hidrógeno. Este tratamiento se usa para obtener gasolinas de alto octanaje.

Halogenación:

Se usan catalizadores en forma de peróxidos y temperaturas entre 250 y 400 °C. Produciendo halogenuros de alquilo y el ácido halogenado correspondiente, las mezclas son difíciles de separar.Nitración: Se lleva acabo con un oxidante como el ácido nítrico HNO3 a 420 °C.

ALQUENOS

Adición de halogenuros de Hidrógeno:

La Adición de halogenuros de Hidrógeno, HX, a un etileno con substituyentes simétricos, da lugar al derivado monohalogenado en el que X puede ser F, Cl, Br, ó I.

RCH=CHR + HX RCH2CHXR

La adición de Hidrógeno a cualquiera de los dos átomos de Carbono etilénicos en este alqueno simétrico, seguida de la adición del ión halogenuro al otro átomo de Carbono, da origen al mismo haloalcano.

ALQUINOS

Muchas de las reacciones de los alquinos son reacciones de adición que siguen el siguiente esquema: