LA INDUSTRIA QUÍMICA
El desarrollo de los procesos químicos industriales ha sido uno de los factores que más han influido en el crecimiento económico de las ultimas décadas.
Sin embargo, el proceso no esta exento de riesgos. La fabricación de productos químicos agresivos para el ser humano y el medio en que vive, utilizados como paso intermedio en la obtención de objetos de consumo, obliga a extremar las precauciones y a exigir fuertes controles y una gran responsabilidad a quienes fabrican y manipulan esas sustancias.
El ácido sulfúrico
El ácido sulfúrico, H2SO4, se fabrica a partir del dióxido de azufre, SO2, en un proceso que transcurre en tres etapas:
• Obtención de dióxido de azufre. Para ello, hay varios métodos:
- Combustión del azufre:
S+O2 SO2
- Obtención de un metal a partir del sulfuro correspondiente.
4 FeS+7 02 2 Fe2O3+4SO2
- Combustión de lignitos, productos derivados del petróleo o gas natural
• conversión del dióxido de azufre en trióxido de azufre por el método de contacto: el dióxido de azufre se mezcla con aire y pasa por un catalizador [oxido de vanadio (V)] a 450ºC.
• conversión del trióxido de azufre en ácido sulfúrico: el trióxido de azufre, que no es soluble en agua, se disuelve en ácido sulfúrico y se añade agua a la solución
El ácido sulfúrico se utiliza para fabricar ácido fosforico, imprescindible en la industria de fertilizantes, también se utiliza en la industria de los detergentes, en la fabricación de pinturas y pesticidas, en la obtención de plásticos y fibras, etc.
La importancia del ácido sulfúrico es muy grande: la producción anual de ácido sulfúrico de un país es uno de los indicadores más importantes de su economía.
El esquema que sigue muestra, en forma de diagrama de bloques, el procedimiento que utiliza la industria en la actualidad para obtener ácido sulfúrico:
Aire Dióxido de azufre
Se eliminan las impurezas de la mezcla de gases y se la somete a una temperatura de 400 a 500ºC. Y a una presión de dos atmósferas
Los gases pasan por el catalizador, oxido de vanadio (V). El oxigeno y el dióxido de azufre se combinan para formar trióxido de azufre
Se reciclan los gases El trióxido de azufre se disuelve en el ácido sulfúrico concentrado y se le añade agua
Amoniaco y ácido nítrico. Fertilizantes
Amoniaco
El amoniaco, NH3, es un gas a temperatura ambiente. Se trata de un compuesto muy importante en la industria y en la agricultura. La mayor parte de el se utiliza para obtener fertilizantes, productos de limpieza o ácido nítrico.
El amoniaco se obtiene industrialmente combinando el hidrógeno con el nitrógeno.
El hidrógeno se obtiene al reaccionar metano con vapor de agua
Por su parte, el nitrógeno se obtiene quemando hidrógeno en aire. Como el aire esta formado por nitrógeno, oxigeno y pequeñas cantidades de otros gases, al reaccionar el oxigeno con el hidrógeno para formar vapor de agua.
El gas que queda después de condensar el agua es, mayoritariamente, nitrógeno..
El nitrógeno no es muy reactivo. Para que reaccione con el hidrógeno, los dos gases se mezclan y se comprimen, para que las moléculas se aproximen. Después se pasa la mezcla por el conversor, un deposito circular que contiene un catalizador (planchas de hierro caliente)
La reacción de obtención del amoniaco tiene lugar en ambos sentidos; es reversible. Parte del amoniaco que se forma se descompone de nuevo en nitrógeno e hidrógeno. El rendimiento de la reacción es tan solo de un 10%.
El amoniaco se separa del nitrógeno y del hidrógeno disminuyendo la temperatura, ya que licua a -33ºC. El hidrógeno y el nitrógeno que no han reaccionado se devuelven al conversor y el amoniaco se almacena a presión, en estado liquido.
Ácido nítrico
El ácido nítrico, HNO3, se obtiene al oxidar el amoniaco. Se utiliza para producir fertilizantes como el nitrato de potasio, y explosivos, como el TNT o la dinamita. También se usa para fabricar nailon o medicamentos. En la obtención del ácido nítrico distinguimos tres etapas:
• oxidación del amoniaco a monóxido de nitrógeno, NO, a 900ºC, utilizando para ello una aleación de platino como catalizador.
• oxidación del monóxido de nitrógeno a dióxido de nitrógeno, NO2.
• reacción del dióxido de nitrógeno y el oxigeno con agua para formar ácido nítrico.
Fertilizantes
Cada vez vivimos mas personas en la Tierra. Actualmente, se estima que viven unos 5.000 millones de personas en el mundo y que la octava parte pasan hambre. Si no hacemos nada para remediarlo, a principios del próximo siglo el problema será mas grave.
El alimento que tomamos proviene directamente de la plantas o de los animales (que se han alimentado con plantas). Por tanto, para erradicar el hambre de la Tierra, debemos mejorar el cultivo en los campos, lo que no es posible si el suelo no esta en buenas condiciones.
Además de agua y dióxido de carbono, las plantas necesitan tomar del suelo los nutrientes que les permite crecer; sobre todo, nitrógeno, potasio y fósforo. También necesitan cantidades menores de magnesio, sodio, calcio y azufre y pequeñas cantidades de hierro, cobre, cloro y cinc. Esos elementos los obtienen de los compuestos que tiene el suelo, y los asimilan por las raíces, disueltos en agua.
Sin embargo, al cultivar un trozo de tierra año tras año, los nutrientes se agotan; el suelo se esteriliza y las plantas detienen su desarrollo. Para evitarlo, debemos reponer estos elementos, añadiendo fertilizantes.
Los fertilizantes son sales solubles en agua de los elementos químicos que queremos añadir al suelo.
Los fertilizantes suelen ser una mezcla de varios compuestos, pensada para suplir las carencias que presentan diferentes tipos de suelo y cubrir las necesidades de los cultivos. Debido a ello, el porcentaje de cada elemento varia. El agricultor debe analizar el suelo que quiere cultivar para conocer sus carencias. Una vez conocidas, deberá comprar el fertilizante que mas le convenga de acuerdo con las necesidades del suelo.
Los fertilizantes mas corrientes son los nitrogenados y aquellos que contienen fósforo. Los fertilizantes nitrogenados suelen ser sales de amonio, generalmente nitratos. El nitrato de amonio, NH4NO3, es el que mas se utiliza, ya que es soluble, pues puede ser almacenado y transportado como un sólido y contiene un elevado porcentaje de nitrógeno. También se utiliza la urea, o el sulfato de amonio. En ocasiones se añade al fertilizante carbonato de calcio para regular la acidez del suelo.
El fósforo suele aportarse en forma de fosfatos. El material de partida es el fosfato de calcio, una roca insoluble que se trata con ácido sulfúrico y se convierte en un compuesto de fósforo soluble. La reacción entre ambos proporciona dihidrogenofosfato de calcio, que ya es soluble en agua, y sulfato de calcio.
Aunque necesitemos los fertilizantes para obtener unos cultivos adecuados, también causan problemas. Los nitratos, por ejemplo, son muy solubles en agua y las plantas los asimilan con rapidez. Sin embargo, se disuelven en el agua de lluvia y son arrastrados a los ríos, contaminándolos. Para evitarlo, podemos utilizar urea, que también contiene nitrógeno y es mucho mas insoluble. Ello hará que su efecto sobre las plantas sea mas lento, pero no contaminará las aguas ni se perderá disuelta en agua de lluvia.
Carbón, petróleo y gas natural
Casi toda la energía que utilizamos al realizar nuestras actividades proviene del carbón, del petróleo o del gas natural. En los tres casos se trata de restos de animales y plantas que vivieron hace millones de años y que tras sufrir diversas transformaciones, se han convertido en lo que hoy denominamos como combustibles fósiles.
Los combustibles fósiles están formados por compuestos de carbono y desprenden gran cantidad de energía cuando se queman, produciendo dióxido de carbono y vapor de agua en combustión.
El carbón se formo a partir de restos de plantas que vivieron hace millones de años y que fueron sepultadas por acumulaciones de sedimentos. En ausencia de oxigeno fueron sometidas a fuertes presiones, las plantas se convirtieron poco a poco en carbón.
Por su parte, el petróleo y el gas natural se formaron a partir de restos de animales y plantas que vivían en el mar. Al morir, se depositaron en el fondo del mar, donde se mezclaron con los sedimentos. De ese modo, las bacterias arrastradas con los sedimentos comenzaron a descomponer los restos orgánicos.
A medida que la cubierta sedimentaria se hacia mas gruesa, la presión aumento. La descomposición bacteriana, a elevadas presiones y en ausencia de oxigeno, convirtió la materia orgánica en petróleo y gas natural.
Con el paso del tiempo, los sedimentos depositados sobre el petróleo y el gas se transformaron en rocas sedimentarias, algunas porosas y otras impermeables.
Debido a ello, el petróleo y el gas, que son menos densos que el agua, quedaron atrapados en yacimientos cerrados por capas de roca impermeable, donde permanecen, a menos que seamos capaces de localizarlos y extraerlos.
El petróleo y el gas natural se transportan hasta las refinerías o las plantas de gasificación por medio de tuberías (oleoductos o gaseoductos), si el transporte es por tierra, o mediante buques cisterna (petroleros o metaneros), si el transporte es por mar.
El petróleo es un liquido pegajoso, maloliente y marrón oscuro, que contiene centenares de compuestos diferentes, desde sustancias simples como el metano, hasta sustancias complejas, con moléculas que contienen muchos átomos de carbono.
En las refinerías, el petróleo se separa en sus componentes en un proceso al que denominamos destilación fraccionada. Para ello, se utiliza una torre de destilación, en la que se calienta el petróleo.
Aunque del petróleo se pueden extraer sustancias puras, normalmente se separan fracciones, que son mezclas de sustancias cuyas propiedades son similares. Los compuestos que forman estas fracciones poseen, aproximadamente, el mismo numero de átomos de carbón en sus moléculas.
Los componentes, cuyas moléculas tienen menos átomos de carbono se evaporan antes y alcanzan la parte mas alta de la torre, mientras que los que tienen mas átomos de carbono destilan después y se recogen abajo.
La unidad de cada fracción depende de sus propiedades. Las gasolinas se evaporan fácilmente y son inflamables; por tanto, resultan adecuadas como combustible de los motores de los coches. Por su parte, el asfalto, que es sólido y funde fácilmente, se usa como impermeabilizante y para pavimentar carreteras.
Química del carbono
Los seres vivos están formados por compuestos de carbón a los que se denomina también compuestos orgánicos. La química del carbón es la química de los compuestos orgánicos.
Actualmente se conocen mas de tres millones de compuestos orgánicos y cada año se sintetizan decenas de miles mas. Ello se debe a que los átomos de carbono pueden unirse fácilmente entre si para formar cadenas de longitud variable.
Los átomos de carbono se unen entre si por medio de enlaces covalentes. Si dos átomos comparten un par de electrones, el enlace es sencillo; si comparten dos, el enlace es doble, y si comparten tres, el enlace es triple.
Si la molécula de un compuesto orgánico esta formada solo por carbono e hidrógeno, el compuesto es un hidrocarburo. El butano y el etanol son hidrocarburos, mientras que el etanol no lo es, ya que contiene oxigeno en su molécula.
El carbono y los seres vivos
Los seres vivos consiguen el carbono que necesitan a partir del dióxido de carbono que hay en el aire. En realidad, son las plantas quienes realizan esa función:
Las plantas toman dióxido de carbono del aire y del agua del suelo, y fabrican por fotosíntesis un hidrato de carbono, la glucosa. El proceso tiene lugar en las hojas y necesita la energía que aporta el Sol. La clorofila, un pigmento verde que poseen las plantas, capta la luz solar.
Dentro de la planta, la glucosa se convierte en almidón, proteínas y otros compuestos de carbono que la planta necesita para si misma. Para fabricar proteínas las plantas necesitan nitrógeno y pequeñas cantidades de azufre, que obtienen del suelo.
Los animales herbívoros obtienen los compuestos de carbono comiendo plantas, mientras que los carnívoros los obtienen comiendo animales. Los humanos comemos de todo un poco: animales y plantas.
El dióxido de carbono vuelve a la atmósfera cuando plantas y animales respiran. La respiración es exotérmica. En la respiración se libera la energía almacenada durante la fotosíntesis.
La madera, el carbón, el petróleo y el gas natural están formados por compuestos de carbono. Por tanto, cuando se queman en presencia de aire producen dióxido de carbono. También hay bacterias que se alimentan de plantas y de animales muertos y que producen dióxido de carbono.
Alcanos
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos. Originalmente, ese termino era aplicado a compuestos propios de animales o vegetales, como azucares, grasas o proteínas. Sin embargo, hoy en día el termino identifica a cualquier compuesto de carbono, sea natural o artificial, a excepción de los compuestos simples, como el dióxido de carbono y los carbonatos.
El metano pertenece a una serie de hidrocarburos que reciben el nombre de alcanos.
Cada compuesto difiere del siguiente en un grupo CH2. al conjunto de compuestos, químicamente similares, en los que cada miembro de la serie difiere del siguiente de forma regular, se lo denomina serie homologa.
Los alcanos tienen todos la misma formula molecular. CNh2*n+2. El hexano, por ejemplo, es C6H14. los alcanos son hidrocarburos saturados y sus enlaces son todos sencillos. Para nombrarlos se tiene en cuenta el numero de átomos de carbono que posee su molécula. Los nombres de los alcanos se forman con la terminación -ano
La biomasa
El metano, es el mas sencillo de los alcanos. En su molécula, los cuatro átomos de hidrógeno se disponen alrededor del átomo de carbono formando un tetraedro. El metano se obtiene fermentado, en ausencia de aire, desechos orgánicos, a los que denominamos biomasa.
En esas condiciones, la biomasa es descompuesta por unas bacterias y se produce metano. El metano que se obtiene puede utilizarse como combustible, ya que su reacción con el oxigeno es muy limpia y apenas deja residuos .
El residuo que deja al fermentar la biomasa es un compuesto inodoro que puede utilizarse como fertilizante.
Muchas granjas de India y de China poseen conversores de este tipo. El ganado de estos países en vías de desarrollo proporciona el estiércol que se necesita. El metano que se obtiene se utiliza como carburante.
Las ventajas del proceso son inaudibles: el metano libera mas energía al arder que el estiércol de ganado, y el fertilizante que se recoge después del proceso es mejor que el propio estiércol. Todo son ventajas.
Isomeros
El carbono puede formar gran cantidad de compuestos. Pero ello no se debe tan solo a que puede formar largas cadenas con otros átomos de carbono, ni a que puede unirse con enlace sencillo, doble o triple. Hay un tercer factor, que es la isomería.
El butano y el metil-propano son dos compuestos cuyas propiedades químicas son diferentes. Los isomeros son compuestos que, como los dos anteriores, poseen la misma formula, siendo diferentes sus estructuras.
Propiedades físicas y químicas de los alcanos
El alquitrán contiene alcanos cuya masa molecular relativa es superior a 500 y, a pesar de ello, funde con facilidad cuando hace calor. La diferencia es notable si lo comparamos con el cloruro de sodio, cuya masa molecular relativa es 58,5 y, sin embargo, funde a 850 ºC.
Los alcanos son compuestos moleculares; los enlaces entre los átomos que forman sus moléculas son covalentes, a diferencia de lo que ocurre en los compuestos iónicos como el cloruro de sodio, en los que los enlaces son iónicos.
En los alcanos cada átomo de carbono forma cuatro enlaces simples. A dichos enlaces pueden unirse otros átomos de carbono o átomos de hidrógeno.
Los alcanos son menos de cinco átomos de carbono en su molécula son gases a temperatura ambiente.
Estos gases se utilizan como combustible y se almacenan en recipientes metálicos a presión elevada. De ese modo, se mantienen líquidos, a pesar de la temperatura, ya que, la presión obliga a las moléculas a permanecer juntas.
El punto de ebullición de los alcanos aumenta con la longitud de la cadena que forma los átomos de carbono. Ello explica que los siguientes doce, aquellos cuya molécula contiene entre 5 y 17 átomos de carbono, sean líquidos a temperatura ambiente.
Las mezclas de estos alcanos permiten obtener gasolinas, lubricantes y los aceites que se utilizan para refrigerar los motores de los coches.
Los alcanos con mas de 18 átomos de carbono son sólidos a temperatura ambiente.
Propiedades de los alcanos
Solubilidad
Los alcanos no se disuelven en agua, aunque son solubles en disolventes orgánicos, como el benceno o el tetracloromerato
Reactividad
Los alcanos son poco reactivos: los metales, los acidos, las bases o los agentes oxidantes, como el permanganato de potasio, no reaccionan con ellos, debido a que no contienen iones y sus enlaces C-C y C-H son muy fuertes. La gasolina no reacciona con el sodio, ni con el permanganato de potasio, ni con el ácido sulfúrico concentrado.
La reacción mas importante de los alcanos es la combustión. Si disponen de un buen aporte de oxigeno, los alcanos arden bien y desprenden dióxido de carbono y agua.
El propano y el butano se embotellan y se distribuyen por toda España en bombonas o se instalan depositos fijos que periódicamente se rellenan. Son los gases que se utilizan como combustible para el consumo domestico.
Reacciones con los halogenos
El cloro y el bromo son mas reactivos que el oxigeno y, por tanto, también reaccionan con los alcanos. El metano, por ejemplo, reacciona con el cloro y forma clorometano y cloruro de hidrógeno.
Uno de los átomos de hidrógeno del metano es sustituido por un átomo de cloro y se forma clorometano. Es lo que se denomina una reacción de sustitución. Si hay suficiente cloro, se pueden reemplazar mas átomos de hidrógeno por átomos de cloro. El bromo reacciona de forma parecida al cloro
