Petróleo, destilación fraccionada y combustibles fósiles
Cuando cargás nafta en una estación de servicio, el líquido que sale del surtidor empezó como un petróleo oscuro y espeso, extraído quizás en Vaca Muerta y llevado hasta la refinería de La Plata o Ensenada. ¿Cómo se pasa de ese líquido negro a la nafta, el gasoil, la garrafa y el asfalto de la calle? Y ¿qué pasa cuando el petróleo se acabe? Esta página responde esas preguntas.
¿Qué es el petróleo?
El petróleo crudo es un líquido oscuro, más o menos viscoso, que se encuentra atrapado en rocas porosas bajo tierra. Se formó durante millones de años a partir de restos de organismos marinos que quedaron enterrados, sin oxígeno, y sometidos a presión y temperatura.
Químicamente, el petróleo es una mezcla de cientos de compuestos. La mayoría son hidrocarburos: compuestos formados solo por carbono e hidrógeno. Hay cadenas cortas (como el metano, $\ce{CH4}$), cadenas largas (como el $\ce{C20H42}$) y también cadenas ramificadas y anillos. En menor cantidad contiene compuestos con azufre, nitrógeno y oxígeno.
Explicá con tus palabras qué es el petróleo y de qué tipo de sustancias está formado principalmente. Indicá además si se trata de una sustancia pura o de una mezcla, y…
Explicá con tus palabras qué es el petróleo y de qué tipo de sustancias está formado principalmente. Indicá además si se trata de una sustancia pura o de una mezcla, y justificá tu respuesta.
Destilación fraccionada
El petróleo crudo no sirve directamente como combustible. Hay que separar sus componentes, y para eso se aprovecha una propiedad física: el punto de ebullición. Cada hidrocarburo hierve a una temperatura distinta, y esa temperatura crece con el tamaño de la cadena (el porqué lo vas a ver en la página de fuerzas intermoleculares).
En la refinería, el crudo se calienta a unos 400 °C y entra en una torre de fraccionamiento. Adentro hace más calor abajo y más frío arriba. Los vapores suben, y cada componente se condensa en el nivel donde la temperatura de la torre es menor que su punto de ebullición. Así se recogen fracciones: grupos de hidrocarburos con puntos de ebullición parecidos.
| Fracción | Cantidad de carbonos (aprox.) | Uso |
|---|---|---|
| Gases y GLP | 1 a 4 | Garrafa, gas de red |
| Nafta | 5 a 10 | Combustible de autos |
| Kerosene | 10 a 16 | Aviones |
| Gasoil | 15 a 20 | Camiones, colectivos, maquinaria agrícola |
| Lubricantes | 20 a 35 | Aceites de motor |
| Asfalto | más de 35 | Pavimento de calles y rutas |
En una refinería, el petróleo crudo se somete a destilación fraccionada. Describí en qué propiedad física se basa esta separación y mencioná tres fracciones que se…
En una refinería, el petróleo crudo se somete a destilación fraccionada. Describí en qué propiedad física se basa esta separación y mencioná tres fracciones que se obtienen, por ejemplo la nafta, el gasoil y el gas licuado.
Una torre de destilación fraccionada está más caliente en la base y más fría en la parte superior. Explicá por qué los componentes de menor masa molar, como el gas…
Una torre de destilación fraccionada está más caliente en la base y más fría en la parte superior. Explicá por qué los componentes de menor masa molar, como el gas licuado, salen por arriba y los residuos pesados, como el asfalto, salen por abajo. Relacioná tu explicación con el tamaño de las cadenas de carbono.
Cracking y reforming
La destilación da las fracciones en la proporción en que están en el crudo, no en la que la gente consume. Sobra gasoil y asfalto, y falta nafta. Además, la nafta que sale directo de la torre suele tener cadenas lineales y mala calidad. Para resolver esto la refinería usa procesos químicos.
Cracking (craqueo)
Consiste en romper cadenas largas en cadenas más cortas, usando calor y un catalizador. De una molécula grande salen un alcano más chico y un alqueno (con un doble enlace). Así, fracciones pesadas poco demandadas se transforman en nafta.
La respuesta del «tu turno»: $\ce{C12H26 -> C6H14 + C6H12}$. El alqueno tiene 6 carbonos y $2 \cdot 6 = 12$ hidrógenos (los alquenos cumplen $\ce{C_nH_{2n}}$).
Reforming
Consiste en reordenar las moléculas de la nafta, sin cambiar mucho su tamaño: las cadenas lineales se transforman en cadenas ramificadas o en anillos (compuestos cíclicos y aromáticos). Es lo que sube el octanaje.
Las fracciones pesadas del petróleo tienen poca demanda como combustible, mientras que la nafta se consume en grandes cantidades. Explicá en qué consiste el cracking…
Las fracciones pesadas del petróleo tienen poca demanda como combustible, mientras que la nafta se consume en grandes cantidades. Explicá en qué consiste el cracking (craqueo) y qué ventaja tiene para una refinería. Escribí además una ecuación posible para el cracking del $C_{12}H_{26}$ que produzca un alcano y un alqueno.
Octanaje
En un motor de nafta, la mezcla de aire y combustible se comprime y la chispa de la bujía la enciende en el momento justo. Si el combustible se enciende solo antes de tiempo por la compresión, el motor «cascabelea» (detonación): pierde potencia y se daña.
El índice de octano (octanaje) mide la resistencia de una nafta a detonar por compresión. Se define comparando con dos hidrocarburos de referencia: el n-heptano (cadena lineal, detona fácil, octanaje 0) y el isooctano (2,2,4-trimetilpentano, muy ramificado, octanaje 100).
Por eso la nafta «súper» (por ejemplo, de 95 octanos) resiste más la compresión que la «común» (85). Y por eso el reforming, que ramifica y cicla las cadenas, aumenta el octanaje de la nafta.
Una nafta tiene un octanaje de 95, mientras que otra tiene un octanaje de 85. Explicá qué mide el índice de octano, cuál de las dos naftas resiste mejor la compresión…
Una nafta tiene un octanaje de 95, mientras que otra tiene un octanaje de 85. Explicá qué mide el índice de octano, cuál de las dos naftas resiste mejor la compresión sin detonar en el motor de un auto y por qué el reforming de las naftas busca aumentar ese valor.
Una refinería procesa petróleo crudo y obtiene, por destilación fraccionada, una fracción con muchos hidrocarburos de cadena lineal de entre 5 y 8 carbonos. Esa nafta…
Una refinería procesa petróleo crudo y obtiene, por destilación fraccionada, una fracción con muchos hidrocarburos de cadena lineal de entre 5 y 8 carbonos. Esa nafta tiene bajo octanaje. Describí qué procesos posteriores (cracking, reforming u otros) podrían aplicarse para obtener una nafta de mejor calidad y más cantidad de combustible, explicando qué cambia en la estructura de las moléculas en cada caso y cómo eso modifica el desempeño en el motor.
Combustibles fósiles y alternativos
Un combustible es una sustancia que, al reaccionar con oxígeno (combustión), libera energía como calor. Los combustibles fósiles son el petróleo, el gas natural y el carbón mineral. Provienen de restos de seres vivos de hace millones de años, así que se consumen mucho más rápido de lo que se forman: son no renovables.
Su combustión produce $\ce{CO2}$, un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global. Si es incompleta, también produce $\ce{CO}$ (tóxico) y hollín. Los derivados del petróleo y el carbón con azufre generan además óxidos de azufre, causantes de lluvia ácida.
Los combustibles alternativos buscan reducir ese impacto:
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Bioetanol: alcohol obtenido por fermentación de caña de azúcar (como en Tucumán) o de maíz. Se mezcla con la nafta.
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Biodiésel: se obtiene a partir de aceites vegetales, como el de soja. Se mezcla con el gasoil.
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Hidrógeno: su combustión solo produce agua. Es «verde» si se obtiene por electrólisis del agua con energía solar o eólica.
| Recurso | Tipo |
|---|---|
| Petróleo, gas natural, carbón mineral | Fósil |
| Bioetanol, biodiésel | Alternativo (biomasa, renovable) |
| Hidrógeno por electrólisis con energía solar | Alternativo (renovable) |
Volvé al principio: el petróleo de Vaca Muerta llega a la refinería, se separa por destilación fraccionada y se mejora con cracking y reforming para obtener la nafta del surtidor. Y esa nafta, como todo combustible fósil, es finita y contamina: por eso se buscan alternativas.
Demanda de energía y reservas
La demanda de energía creció a lo largo de la historia: primero se usaban leña y carbón, y desde el siglo XX el petróleo y el gas pasaron a ser las fuentes principales. Hoy la población, la industria y el transporte (autos, colectivos, camiones) piden cada vez más energía. Las reservas son la cantidad de petróleo o gas que se puede extraer con la tecnología y el costo actuales: no son fijas, porque cambian cuando se descubren yacimientos nuevos (como los no convencionales de Vaca Muerta) o cuando cambia el precio o la técnica de extracción. Aun así, son finitas.
Clasificá cada uno de los siguientes recursos como combustible fósil o como combustible alternativo (renovable): carbón mineral, bioetanol, gas natural, biodiésel e…
Clasificá cada uno de los siguientes recursos como combustible fósil o como combustible alternativo (renovable): carbón mineral, bioetanol, gas natural, biodiésel e hidrógeno obtenido por electrólisis con energía solar. Para cada uno, escribí una frase que justifique tu clasificación.
Un país tiene reservas de petróleo y de gas natural, pero su demanda de energía crece cada año. Una comisión debe proponer cómo cubrir esa demanda en los próximos veinte…
Un país tiene reservas de petróleo y de gas natural, pero su demanda de energía crece cada año. Una comisión debe proponer cómo cubrir esa demanda en los próximos veinte años. Presentá dos argumentos a favor de seguir usando combustibles fósiles y dos en contra, y proponé una combinación de fuentes de energía (fósiles y alternativas) que consideres razonable, justificando tu elección.