Ciencias naturales básicas



Hidrocarburos. Fuentes, procesamiento y clasificación

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos binarios, formados por carbono e hidrógeno. Son los compuestos orgánicos más simples y, sin embargo, son básicos en la preparación de muchos otros compuestos orgánicos.

Principales fuentes de hidrocarburos

La mayoría de los hidrocarburos se obtienen de sus fuentes naturales: petróleo, hulla y gas natural. Adicionalmente, existen procesos conocidos para sintetizarlos en laboratorio, pero estos procesos se limitan al sector académico. No obstante, es posible que adquieran importancia industrial, tras la reducción de las reservas naturales. Los hidrocarburos hacen parte de los recursos naturales no renovables.

Su nombre deriva del latín y significa «aceite de piedra». Los yacimientos de este material, datan de hace 200 millones de años. La mayoría se formaron donde, entonces, había mares tropicales poco profundos. El petróleo de originó por descomposición de restos animales, vegetales y de otros organismos, bajo condiciones especiales de presión y temperatura. Posiblemente, también participaron microorganismos y procesos físico químicos que aún son materia de discusión. Normalmente, el petróleo reposa entre capas impermeables de arcilla, sobre una capa de agua salada y bajo una capa gaseosa de hidrocarburos livianos.

La industria petrolera se centra en 4 procesos: exploración, perforación, extracción y refinación.

Exploración

Consiste en la ubicación de las áreas donde es más probable encontrar yacimientos. La tabla 1, muestra un resumen de las técnicas de exploración.

Hidrocarburos

La información satelital, también permite detectar áreas con características geológicas donde es probable encontrar hidrocarburos. Sin embargo, casi siempre es necesaria la perforación exploratoria para confirmar.

Perforación

Se realiza mediante el uso de torres llamadas Derrick. Estas estructuras levantan los tubos y los colocan en su lugar. Posteriormente, un trépano o taladro pulveriza la roca y permite la introducción y acople de dichos tubos. Una vez alcanzado el yacimiento, una mezcla de agua, petróleo y gas, escapan a gran presión, terminando, así, la perforación.

Extracción

Inicialmente, se aprovecha la presión del yacimiento para elevar el material. Al disminuir la presión, se inyecta gas o agua para continuar extrayendo el crudo.

Refinación

La refinación se inicia con la destilación fraccionada. Esta, separa distintos componentes del crudo, aprovechando las diferencias en sus puntos de ebullición. Los componentes de la mezcla se llaman fracciones. La tabla 2, muestra algunas de las fracciones obtenidas por la destilación del petróleo crudo.

Hidrocarburos

Los productos de la destilación fraccionada pueden, además, someterse a otros procesos como el cracking o desintegración, polimerización e isomerización.

El cracking, por ejemplo, consiste en la obtención de moléculas pequeñas a partir de moléculas grandes. En este caso, a partir de hidrocarburos complejos, se obtienen alcanos y alquenos sencillos mediante el uso de catalizadores y la adición de hidrógeno. Por el contrario, la polimerización consiste en obtener moléculas grandes o muy grandes, a partir de moléculas pequeñas. Con este proceso se obtienen gasolinas de alto octanaje como las usadas en los aviones. Finalmente, la isomerización permite mejorar las propiedades de un producto, por ejemplo, permite obtener alcanos ramificados por reacomodación de los átomos de los alcanos lineales.

Figura 1. Esquema de una torre de destilación.

La descomposición, bajo condiciones especiales de presión y temperatura, de plantas que vivieron hace 280 millones de años, dieron origen al carbón.  Se presenta como una masa compacta y estratificada cuya composición puede variar de un yacimiento a otro. Por esta razón, existen varias clases de carbón. Por ejemplo, turba, lignito, hulla y antracita. Estos cuatro son llamados carbones amorfos. Sin embargo, también existen formas cristalinas como el grafito y el diamante. La hulla es el tipo de carbón más usado en la industria petroquímica.

Destilación de la hulla

La hulla se calienta entre 350°C y 1000°C en ambientes libres de oxígeno. De este proceso se obtienen 3 fracciones. Primero, un residuo sólido llamado coque, que se usa en la industria siderúrgica. Segundo, una mezcla de gases, cuyo componente principal es el metano. Este gas se usa para obtener, por ejemplo, alcoholes y plásticos. Tercero, un líquido conocido como alquitrán de hulla. Este se puede destilar para producir combustibles como la gasolina. No obstante, los compuestos más importantes de esta destilación, son los hidrocarburos aromáticos o derivados del benceno. Por lo tanto, de la hulla se obtiene benceno, xileno, tolueno, naftaleno, etc. De estos compuestos se derivan cientos de productos más. Por ejemplo, explosivos, plásticos, medicamentos, pinturas y disolventes entre otros. Los procesos de la transformación de la hulla, que más se conocen, son el Fischer-Tropsch y el Bergius.

A veces se halla asociado a yacimientos de petróleo. Sin embargo, se encuentra con más frecuencia donde el petróleo es escaso. El gas natural contiene, aproximadamente, 70% de metano, 10% de etano, 15% de propano y 5% de otros hidrocarburos e impurezas. El gas natural se emplea como combustible en estufas y otros sistemas de calefacción de uso doméstico e industrial. Además, se usa para producir electricidad en plantas termoeléctricas.

Importancia de los hidrocarburos

Los hidrocarburos son, en gran medida, responsables del estilo de vida moderno. Todas las personas interactúan con derivados de los hidrocarburos en la vida cotidiana. La tabla 3 muestra algunos ejemplos.

Hidrocarburos

Clasificación de los hidrocarburos

Los hidrocarburos, como los demás compuestos orgánicos, se pueden clasificar de acuerdo a sus cadenas de carbono y a sus enlaces. Por ejemplo, los hidrocarburos alifáticos están formados por cadenas de carbono abiertas, que pueden ser simples o ramificadas. Así mismo, los hidrocarburos cíclicos están formados por cadenas cerradas. Dentro de estos están los hidrocarburos aromáticos, que son los que tienen anillos de benceno en sus estructuras. No obstante, tanto los hidrocarburos alifáticos como los cíclicos, también pueden ser clasificados según sus enlaces. Por ejemplo, los hidrocarburos saturados solo tienen enlaces sencillos entre átomos de carbono. Ellos son llamados alcanos (o ciclo-alcanos si tienen cadenas cerradas). Por otra parte, los hidrocarburos insaturados son los que tienen enlaces dobles o triples. Los hidrocarburos insaturados también se llaman alquenos o ciclo-alquenos si tienen enlaces dobles o alquinos si presentan enlaces triples entre átomos de carbono.

Taller de lectura

  1. ¿Qué son los hidrocarburos?
  2. ¿Cuáles son las principales fuentes de hidrocarburos?
  3. ¿De dónde se originó el petróleo?
  4. ¿Cuáles son los 4 procesos en los que se centra la industria petrolera?
  5. Copie la tabla 1 que resume las técnicas de exploración.
  6. Defina los procesos de perforación y extracción de petróleo.
  7. Copie la tabla 2 que muestra algunas de las fracciones obtenidas por la destilación del petróleo crudo.
  8. Escriba las definiciones de cracking, polimerización e isomerización.
  9. Nombre las 4 clases de carbón amorfo y las dos formas cristalinas.
  10. Cite las 3 fracciones que se obtienen por destilación de la hulla.
  11. ¿Cuáles son los compuestos más importantes que se obtienen por destilación de la hulla? Además, escriba 4 ejemplos.
  12. ¿Cómo está compuesto el gas natural?
  13. Copie la tabla 3 que muestra algunos usos de los hidrocarburos y sus derivados.
  14. Defina: hidrocarburos alifáticos, aromáticos y cíclicos. Además, defina hidrocarburos saturados e insaturados.