| Ciencias de Joseleg | Química | Química orgánica | Alcanos | (Introducción) (Isómeros) (Nomenclatura) (Propiedades físicas) (Obtención de los alcanos) (Usos) (Gasolina) (Referencias)
Es un líquido inflamable transparente derivado del petróleo que se utiliza
principalmente como combustible en la mayoría de los motores de combustión
interna encendidos por chispa. Se compone principalmente de compuestos
orgánicos obtenidos por la destilación fraccionada del petróleo, mejorados con
una variedad de aditivos. En promedio, un barril de petróleo crudo de 42
galones estadounidenses (160 litros) puede producir hasta aproximadamente 72
litros (19 galones estadounidenses) de gasolina después de procesarse en una
refinería de petróleo, según el ensayo de petróleo crudo y qué otros también se
extraen productos (Hancock, 1985).
Figura 9‑1. La gasolina es una mezcla de
hidrocarburos de varios tipos, y aunque los más importantes son isómeros del
octano, también presentan una mezcla de sustancias aromáticas, y sustancias
oxigenadas. Dependiendo de la calidad del refinado también puede presentar
contaminantes como óxidos de nitrógeno y azufre.
La característica de una mezcla particular de gasolina para resistir la
ignición demasiado pronto (lo que provoca detonaciones y reduce la eficiencia
en los motores alternativos) se mide por su octanaje, que se produce en varios
grados. El tetraetilo de plomo y otros compuestos de plomo, que alguna vez se
usaron ampliamente para aumentar el octanaje (Eichler, Gramlich,
Kellerhals, Tobler, & Schwikowski, 2015), ya no se usan, excepto en
aplicaciones de aviación, todoterreno y carreras de autos. Con frecuencia se
agregan otros productos químicos a la gasolina para mejorar la estabilidad
química y las características de rendimiento, controlar la corrosividad y
proporcionar limpieza al sistema de combustible. La gasolina puede contener
sustancias químicas que contienen oxígeno, como etanol, MTBE o ETBE, para
mejorar la combustión (Hancock, 1985).
La gasolina puede ingresar al medio ambiente (sin quemar), tanto en forma
líquida como vapor, por fugas y manipulación durante la producción, el
transporte y la entrega (p. ej., de tanques de almacenamiento, de derrames, etc.).
Como ejemplo de los esfuerzos para controlar tales fugas, se requiere que
muchos tanques de almacenamiento subterráneos tengan implementadas amplias
medidas para detectar y prevenir tales fugas (Sheng, Ngui, Hoou,
Hee, & Leong, 2019). La gasolina
contiene carcinógenos conocidos (Baumbach,
Sielemann, Xie, & Schmidt, 2003). Quemar 0.26 galones
estadounidenses (1 L) de gasolina emite alrededor de 5.1 libras (2.3 kg) de CO2,
un gas de efecto invernadero, que contribuye al cambio climático causado por el
hombre (McAllister, Chen,
& Fernandez-Pello, 2011).
Composición
La gasolina comercial es una mezcla de un gran número de diferentes
hidrocarburos, la mayoría alcanos lineales, pero no siempre. La gasolina se
produce para cumplir con una serie de especificaciones de rendimiento del motor
y son posibles muchas composiciones diferentes dependiendo del tipo de motor.
Por lo tanto, la composición química exacta de la gasolina no está definida. La
especificación de rendimiento también varía con la temporada, requiriendo
mezclas más volátiles (debido al butano agregado) durante el invierno, para
poder arrancar un motor frío. En la refinería, la composición varía según los
crudos a partir de los cuales se produce, el tipo de unidades de procesamiento
presentes en la refinería, cómo se operan esas unidades y qué corrientes de
hidrocarburos (mezclas) opta por usar la refinería al mezclar el producto final
(Hedlund et al.,
2019).
Figura 9‑2. La gasolina se produce en las
plantas de refinado, pero contrario a lo que se cree, no sale directamente de
las columnas de destilación fraccionada. Después de separar las fracciones principales
de la gasolina, estas deben mezclarse en proporciones apropiadas para cada tipo
de motor, y contaminantes peligrosos como los óxidos de nitrógeno y azufre
retirados lo más eficazmente posible que permita la tecnología del momento para
evitar el fenómeno de lluvia ácida.
La gasolina se produce en las refinerías de petróleo. Aproximadamente 19
galones estadounidenses (72 L) de gasolina se derivan de un barril de petróleo
crudo de 42 galones estadounidenses (160 L). El material separado del petróleo
crudo a través de la destilación, llamado gasolina virgen o de destilación
directa, no cumple con las especificaciones de los motores modernos, pero puede
combinarse con la mezcla de gasolina.
La mayor parte de una gasolina típica consiste en una mezcla homogénea de
hidrocarburos pequeños y relativamente livianos con entre 4 y 12 átomos de
carbono por molécula (comúnmente denominados C4-C12) (Owen & Coley,
1990). Es una mezcla de
parafinas (alcanos), olefinas (alquenos) y cicloalcanos (naftenos). El uso de
los términos parafina y olefina en lugar de la nomenclatura química estándar
alcano y alqueno, respectivamente, es particular de la industria petrolera. La
proporción real de moléculas en cualquier gasolina depende de:
👉 la refinería de petróleo que produce la gasolina, ya que no
todas las refinerías tienen el mismo conjunto de unidades de procesamiento;
👉 la alimentación de crudo utilizada por la refinería;
👉 el grado de la gasolina (en particular, el octanaje).
Las diversas corrientes de refinería mezcladas para producir gasolina
tienen diferentes características. Algunas corrientes importantes incluyen las
siguientes:
👉 La gasolina de destilación directa, comúnmente conocida como
nafta, se destila directamente del petróleo crudo. Una vez que la principal
fuente de combustible, su índice de bajo octanaje requería aditivos de plomo. Es bajo en compuestos
aromáticos (según el grado de la corriente de petróleo crudo) y contiene
algunos cicloalcanos (naftenos) y nada de olefinas (alquenos). Entre el 0 y el
20 por ciento de esta corriente se acumula en la gasolina terminada porque la
cantidad de esta fracción en el crudo es menor que la demanda de combustible y
el número de octanos de investigación (RON) de la fracción es demasiado bajo.
Las propiedades químicas (a saber, RON y presión de vapor Reid (RVP)) de la
gasolina de primera destilación se pueden mejorar mediante reformado e
isomerización. Sin embargo, antes de alimentar esas unidades, la nafta debe
dividirse en nafta liviana y pesada. La gasolina de destilación directa también
se puede utilizar como materia prima para los craqueadores a vapor para
producir olefinas.
👉 El reformado, producido en un reformador catalítico, tiene un
octanaje alto con un contenido aromático alto y un contenido de olefina
relativamente bajo. La mayor parte del benceno, tolueno y xileno (los llamados
hidrocarburos BTX) son más valiosos como materias primas químicas y, por lo
tanto, se eliminan en cierta medida.
👉 La gasolina craqueada catalíticamente, o nafta craqueada
catalíticamente, producida con un craqueador catalítico, tiene un octanaje
moderado, un alto contenido de olefinas y un contenido aromático moderado.
👉 El hidrocrackato (pesado, medio y ligero), producido con un
hidrocraqueador, tiene un índice de octanaje medio a bajo y niveles aromáticos
moderados.
👉 El alquilato se produce en una unidad de alquilación,
utilizando isobutano y olefinas como materias primas. El alquilato terminado no
contiene compuestos aromáticos ni olefinas y tiene un alto MON (Número de
octano del motor).
👉 El isomerato se obtiene isomerizando gasolina de destilación
directa de bajo octanaje en isoparafinas (alcanos sin cadena, como el
isooctano). Isomerate tiene un RON y MON medio, pero no tiene aromáticos ni
olefinas.
👉 El butano generalmente se mezcla en la piscina de gasolina,
aunque la cantidad de esta corriente está limitada por la especificación RVP.
Los términos anteriores son la jerga utilizada en la industria petrolera y
la terminología varía. Actualmente, muchos países establecen límites para los
aromáticos de la gasolina en general, el benceno en particular y el contenido
de olefinas (alquenos). Dichas regulaciones han llevado a una preferencia
creciente por los isómeros de alcanos, como isomeratos o alquilatos, ya que su
octanaje es mayor que el de los n-alcanos. En la Unión Europea, el límite de
benceno se establece en 1% por volumen para todos los grados de gasolina para
automóviles. Esto generalmente se logra evitando alimentar C6, en particular
ciclohexano, a la unidad reformadora, donde se convertiría en benceno. Por lo
tanto, solo se alimenta a la unidad reformadora (desulfurada) nafta virgen
pesada (HVN).
Figura 9‑3. Clair Cameron Patterson
(1922-1995). Fue un geoquímico estadounidense, uno de los más influyentes en su
especialidad, que en 1953 determinó con exactitud la edad de la Tierra en 4.550
millones de años, con un margen de error de unos 70 millones de años empleando
el método de radiometría por uranio-plomo. Durante esa investigación se
encontró con que el plomo en el ambiente interfería con sus instrumentos, y
esto conllevó a identificar a esta sustancia como un xenobiótico que no era
natural, sino que ingresaba a la atmósfera por medio del aditivo de tetraetilo
de plomo empleado en la gasolina como antidetonante para mejorar el octanaje
del motor.
La gasolina también puede contener otros compuestos orgánicos, como éteres
orgánicos (añadidos deliberadamente), además de pequeños niveles de
contaminantes, en particular compuestos organosulfurados (que normalmente se
eliminan en la refinería), así como óxidos de nitrógeno y azufre que deben
eliminarse para evitar el fenómeno de lluvia ácida (Gholami, Tomas,
Gholami, & Vakili, 2020; Irwin & Williams, 1988).
Estabilidad
La gasolina de calidad debe ser estable durante seis meses si se almacena
correctamente, pero como la gasolina es una mezcla en lugar de un solo
compuesto, se descompondrá lentamente con el tiempo debido a la separación de
los componentes. La gasolina almacenada durante un año probablemente podrá
quemarse en un motor de combustión interna sin demasiados problemas. Sin
embargo, los efectos del almacenamiento a largo plazo se harán más notorios con
cada mes que pase hasta que llegue el momento en que la gasolina deba diluirse
con cantidades cada vez mayores de combustible recién hecho para que la
gasolina más vieja pueda agotarse. Si no se diluye, se producirá un
funcionamiento inadecuado y esto puede incluir daños en el motor por fallas en
el encendido o la falta de acción adecuada del combustible dentro de un sistema
de inyección de combustible y de una computadora a bordo que intente compensar
(si corresponde al vehículo).
Lo ideal es almacenar la gasolina en un recipiente hermético (para evitar
la oxidación o que el vapor de agua se mezcle con el gas) que pueda soportar la
presión de vapor de la gasolina sin ventilación (para evitar la pérdida de las
fracciones más volátiles) a una temperatura fresca estable ( para reducir el
exceso de presión de la expansión del líquido y para reducir la velocidad de
cualquier reacción de descomposición). Cuando la gasolina no se almacena
correctamente, pueden aparecer gomas y sólidos, que pueden corroer los
componentes del sistema y acumularse en las superficies mojadas, lo que da como
resultado una condición denominada "combustible rancio". La gasolina
que contiene etanol está especialmente sujeta a la absorción de humedad
atmosférica, y luego forma gomas, sólidos o dos fases (una fase de hidrocarburo
que flota sobre una fase de agua y alcohol).
Contenido
energético
Un motor de combustión interna alimentado con gasolina obtiene energía de
la combustión de varios hidrocarburos de la gasolina con oxígeno del aire
ambiente, produciendo dióxido de carbono y agua como gases de escape. La
combustión del octano, una especie representativa, realiza la reacción química:
9.1
Por peso, la combustión de gasolina libera alrededor de 46.7 MJ/kg o por
volumen 33.6 MJ/L, cotizando el poder calorífico inferior. Las mezclas de
gasolina difieren y, por lo tanto, el contenido energético real varía según la
temporada y el productor hasta en un 1.75 por ciento más o menos que el
promedio (Sulfur & Gas,
n.d.). En promedio,
alrededor de 74 L (19.5 gal EE.UU) de gasolina están disponibles a partir de un
barril de petróleo crudo (alrededor del 46% por volumen), que varía según la
calidad del crudo y el grado de la gasolina. El resto son productos que van
desde el alquitrán hasta la nafta.
Octanaje
Los motores de encendido por chispa están diseñados para quemar gasolina en
un proceso controlado llamado deflagración. Sin embargo, la mezcla sin quemar
puede autoencenderse solo por la presión y el calor, en lugar de encenderse con
la bujía en el momento exacto, lo que provoca un aumento rápido de la presión
que puede dañar el motor. Esto a menudo se denomina detonación del motor o
detonación del gas final, lo cual genera un golpeteo característico que va
lastimando el motor. El golpeteo se puede reducir aumentando la resistencia de
la gasolina a la autoignición, que se expresa por su octanaje.
Figura 9‑4. (Izquierda) 2,2,4-trimetilpentano
o isooctano; (Derecha) n-heptano.
El octanaje se mide en relación con una mezcla de 2,2,4-trimetilpentano (un
isómero de octano llamado vulgarmente como el isooctano) y n-heptano que es el
alcano de 7 carbonos en línea. Existen diferentes convenciones para expresar
los índices de octanaje, por lo que el mismo combustible físico puede tener
varios índices de octanaje diferentes según la medida utilizada. Uno de los más
conocidos es el número de octano de investigación (RON).
El octanaje de la gasolina típica disponible en el mercado varía según el
país. En Finlandia, Suecia y Noruega, 95 RON es el estándar para gasolina
regular sin plomo y 98 RON también está disponible como una opción más cara.
En Reino Unido, más del 95% de la gasolina vendida tiene 95 RON y se
comercializa como Sin Plomo o Sin Plomo Premium. Súper sin plomo, con 97/98 RON
y combustibles de alto rendimiento de marca (por ejemplo, Shell V-Power, BP
Ultimate) con 99 RON componen el resto.
Como la ciudad más grande de Sudáfrica, Johannesburgo, está ubicada en
Highveld a 1 753 metros (5 751 pies) sobre el nivel del mar, la Asociación de
Automóviles de Sudáfrica recomienda gasolina de 95 octanos a baja altitud y de
93 octanos para usar en Johannesburgo porque "Cuanto más mayor sea la
altitud, menor será la presión del aire y menor será la necesidad de un
combustible de alto octanaje, ya que no hay una mejora real del
rendimiento", esto debido a que con menos oxígeno la probabilidad de
autoignición disminuye.
El índice de octanaje se volvió importante a medida que los militares
buscaban una mayor potencia para los motores de los aviones a fines de la
década de 1930 y en la de 1940. Una clasificación de octanaje más alta permite
una relación de compresión más alta o un impulso del supercargador y, por lo
tanto, temperaturas y presiones más altas, lo que se traduce en una mayor
potencia de salida.
Toxicidad
La gasolina ingresa al medio ambiente a través del suelo, las aguas
subterráneas, las aguas superficiales y el aire. Por lo tanto, los seres
humanos pueden estar expuestos a la gasolina a través de métodos como la
respiración, la alimentación y el contacto con la piel. Por ejemplo, usar
equipos llenos de gasolina, como podadoras de césped, beber agua contaminada
con gasolina cerca de derrames de gasolina o fugas en el suelo, trabajar en una
estación de servicio, inhalar gas volátil de gasolina al repostar en una
estación de servicio es la forma más fácil de estar expuestos a gasolina.
La ficha de datos de seguridad de la gasolina sin plomo Texan de 2003
muestra al menos 15 sustancias químicas peligrosas en diversas cantidades, como
benceno (hasta un 5 % por volumen), tolueno (hasta un 35 % por volumen),
naftaleno (hasta un 1 % por volumen), trimetilbenceno (hasta el 7 por ciento en
volumen), metil terc-butil éter (MTBE) (hasta el 18 por ciento en volumen, en
algunos estados) y una decena más. Los hidrocarburos en la gasolina
generalmente exhiben toxicidades agudas bajas, con LD50 de 700 a 2700 mg/kg
para compuestos aromáticos simples. El benceno y muchos aditivos antidetonantes
son cancerígenos (Coulehan et al.,
1983; MacFarland, 1982; Scala, 1988).
Las personas pueden estar expuestas a la gasolina en el lugar de trabajo al
tragarla, respirar los vapores, contacto con la piel y contacto con los ojos.
La gasolina es tóxica. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo
(NIOSH) también ha designado a la gasolina como carcinógeno. El contacto
físico, la ingestión o la inhalación pueden causar problemas de salud. Dado que
la ingestión de grandes cantidades de gasolina puede causar daños permanentes
en los órganos principales, se indica una llamada a un centro local de control
de envenenamiento o una visita a la sala de emergencias (Coulehan et al.,
1983; MacFarland, 1982; Scala, 1988).
Contrariamente a la idea errónea común, tragar gasolina generalmente no
requiere un tratamiento de emergencia especial, e inducir el vómito no ayuda y
puede empeorarlo. El vapor de gasolina inhalado (resoplado) puede afectar el
sistema nmervioso produciendo euforia e intoxicación. La inhalación de gasolina
se ha convertido en una epidemia en algunas comunidades más pobres y grupos
indígenas de Australia, Canadá, Nueva Zelanda y algunas islas del Pacífico. Se
cree que la práctica causa daño severo a los órganos, junto con otros efectos
como discapacidad intelectual y varios tipos de cáncer (Coulehan et al.,
1983; MacFarland, 1982; Scala, 1988).
Los gases de escape generados por la quema de gasolina no solo dañan
gravemente el medio ambiente sino también la salud de las personas. Después de
que el CO se inhala en el cuerpo humano, es muy fácil combinarlo con la
hemoglobina en la sangre y su afinidad es 300 veces mayor que la del oxígeno.
Por lo tanto, la hemoglobina en los pulmones no se combina con el oxígeno sino
con el CO, provocando que el cuerpo humano esté hipóxico, provocando dolores de
cabeza, mareos, vómitos y otros síntomas de intoxicación. En casos severos,
puede llevar a la muerte. Los hidrocarburos solo afectan al cuerpo humano
cuando su concentración es bastante alta, y su nivel de toxicidad depende de la
composición química (Agarwal et al.,
2020; Künzi et al., 2015; Westphal, Krahl, Brüning, Hallier, & Bünger,
2010).
Los hidrocarburos producidos por combustión incompleta incluyen alcanos,
aromáticos y aldehídos. Entre ellos, una concentración de metano y etano
superior a 35 g/m3 provocará pérdida del conocimiento o asfixia, una
concentración de pentano y hexano superior a 45 g/m3 tendrá un
efecto anestésico y los hidrocarburos aromáticos tendrán efectos más graves
para la salud.
Si la concentración de benceno excede las 40 ppm, puede causar leucemia y
el xileno puede causar dolor de cabeza, mareos, náuseas y vómitos. La
exposición humana a grandes cantidades de aldehídos puede causar irritación
ocular, náuseas y mareos. Además de los efectos cancerígenos, la exposición a
largo plazo puede causar daños en la piel, el hígado, los riñones y las
cataratas.
Impacto
en el ambiente
En los últimos años, con el rápido desarrollo de la economía de los
vehículos de motor, la producción y el uso de vehículos de motor han aumentado
drásticamente, y la contaminación del medio ambiente por los gases de escape de
los vehículos de motor se ha vuelto cada vez más grave. La contaminación del
aire en muchas ciudades grandes ha cambiado de la contaminación por quema de
carbón a la "contaminación de los vehículos de motor". En los Estados
Unidos, el transporte es la mayor fuente de emisiones de carbono y representa
el 30% de la huella de carbono total de los Estados Unidos. La combustión de
gasolina produce 2.35 kg/l (19.6 lb/gal EE.UU.) de dióxido de carbono, un gas
de efecto invernadero (Cui &
Levinson, 2020; Meo et al., 2019; Walsh, 2000).
Figura 9‑5. La gasolina y sus productos de combustión son
los principales contaminantes atmosféricos, lo cual involucra a la atmósfera
baja o inmediata es decir el aire que se en contacto con nosotros en una ciudad,
desde el piso hasta el rascacielos más alto. También afecta a la atmósfera alta
o general, pues al quemarse produce gases
de efecto invernadero que afectan el clima mundial.
El uso de gasolina provoca una variedad de efectos nocivos para la
población humana y para el clima en general. Los daños impuestos incluyen una
mayor tasa de muerte prematura y enfermedades, como el asma, causada por la
contaminación del aire, mayores costos de atención médica para el público en
general, menor rendimiento de los cultivos, ausencias al trabajo y a la escuela
debido a enfermedades, mayores inundaciones y otros eventos climáticos
extremos. vinculados al cambio climático global y otros costos sociales. Los
costos impuestos a la sociedad y al planeta se estiman en 3.80 dólares por
galón de gasolina, además del precio que paga el usuario en el surtidor. Los
daños a la salud y al clima causados por un vehículo a gasolina superan
ampliamente a los causados por vehículos eléctricos (Shindell, 2015).
Aproximadamente 2.353 kg/L (19,64 lb/gal EE.UU.) de dióxido de carbono (CO2)
se producen al quemar gasolina que no contiene etanol. Aproximadamente 2.682
kg/L (22,38 lb/gal EE.UU.) de CO2 se producen al quemar combustible
diésel (EIA, 2015).
La EIA de EE. UU. estima que el consumo de combustible de motor (destilado)
de gasolina y diésel de EE. UU. para el transporte en 2015 resultó en la
emisión de alrededor de 1.105 millones de toneladas de CO2 y 4.40 millones
de toneladas de CO2, respectivamente, para un total de 1.545
millones de toneladas de CO2. Este total fue equivalente al 83 % del
total de emisiones de CO2 del sector del transporte de EE. UU. y
equivalente al 29 % del total de emisiones de CO2 relacionadas con
la energía de EE. UU. en 2015 (EIA, 2015).
La mayor parte de la gasolina al por menor que se vende actualmente en los
Estados Unidos contiene aproximadamente un 10 por ciento de etanol combustible
(o E10) por volumen (EIA, 2015). La quema de E10 produce
alrededor de 2.119 kg/L (17.68 lb/gal EE.UU.) de CO2 que se emite a
partir del contenido de combustible fósil. Si se consideran las emisiones de CO2
de la combustión de etanol, se producen alrededor de 2.271 kg/l (18.95 lb/gal
EE.UU.) de CO2 cuando se quema E10.Cuando se quema etanol puro, se
producen alrededor de 1.525 kg/l (12.73 lb/gal EE.UU.) de CO2.
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