UNIDAD I. ESTEQUIOMETRÍA
1.1 Cálculo de masa molecular y factores de conversión.
1.2 Concepto de mol, número de Avogadro y leyes ponderales.
1.3 Fórmula empírica y molecular.
1.4 Relaciones masa-masa.
1.5 Cálculo.
1.5.1. Molaridad
1.5.2. Porcentual
1.5.3. Partes por millón.
UNIDAD II. QUÍMICA ORGÁNICA
2.1 Introducción a la química orgánica.
2.1.1 Diferencia entre compuestos orgánicos e inorgánicos.
2.2. Características del átomo de carbono.
2.2.1. Ubicación en la tabla periódica.
2.2.2. Estructura electrónica.
2.2.3. Tetravalencia.
2.2.4 Enlace covalente en los conpuestos del carbono.
2.2.5 Enlace sencillo, doble y triple.
2.2.6 Hibridación.
2.3. Importancia de la química orgánica.
2.3.1. Farmacéutica.
2.3.2. Textil
2.3.3. Limpieza
2.3.4. Higiene
2.3.5. Cosmetología
2.3.6. Polímeros
UNIDAD III. HIDROCARBUROS
3.1. Clasificación de los hidrocarburos.
3.1.1 Alifáticos
3.1.2. Cíclicos
3.1.3. Aromáticos
3.2. Nomenclatura
3.2.1. Isomería: de cadena, posición y geometría.
3.2.2. Radicales.
3.3. Alcanos
3.3.1.Propiedades físicas.
3.3.2. Propiedades químicas; síntesis de Wurtz.
Combustión, halogenación.
3.3.3. Cicloalcanos.
3.4. Alquenos.
3.4.1. Propiedades físicas.
3.4.2. Propiedades químicas.
Halogenación, hidratación y polimerización.
3.4.3. Cicloalquenos.
3.5. Alquinos.
3.5.1. Propiedades físicas.
3.5.2. Propiedades químicas.
UNIDAD IV. GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS
4.1. Concepto de grupo funcional.
4.2. Grupo funcional, nomenclatura y uso.
4.2.1. Alcoholes. Tipos, efectos del etanol en el organismo.
4.2.2. Éteres y epóxidos.
4.2.3. Aldehídos.
4.2.4. Cetonas
4.2.5. Ácidos carboxílicos
4.2.6. Ésteres
4.2.7. Amidas
4.2.8. Aminas
4.3. Identificación de hidrocarburos que poseen un grupo funcional.
martes, 13 de enero de 2009
PRÁCTICAS DE LABORATORIO
LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 1 PREPARACIÓN DE SOLUCIONES PORCENTUALES
SÓLIDO - LÍQUIDO
OBJETIVO:
Preparar soluciones de distintas concentraciones porcentuales.
PROCEDIMIENTO
Realiza en tu libreta los cálculos necesarios para preparar una solución de NaCl al 0.9 % obteniendo un volumen final de 250 ml.
Pesa con precisión la masa de NaCl que se calculó y deposítala con mucho cuidado en un matraz aforado.
agrega un poco de agua destilada hasta disolver completamente el soluto, después, añade agua suficiente con la piseta hasta la marca de aforo.
Tapa el matraz y mezcla con mucho cuidado.
SEGUNDA PARTE:
Realiza en tu libreta los cálculos necesarios para preparar una solución de CaCl2 al 1.5 % obteniendo un volumen final de 100 ml.
Pesa con precisión la masa de CaCl2 que se calculó y deposítala con mucho cuidado en un matraz aforado.
agrega un poco de agua destilada hasta disolver completamente el soluto, después, añade agua suficiente con la piseta hasta la marca de aforo.
Tapa el matraz y mezcla con mucho cuidado.
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 1-A PREPARACIÓN DE SOLUCIONES MOLARES
OBJETIVO:
Preparar soluciones de distinta concentración molar.
PROCEDIMIENTO
Realiza en tu libreta los cálculos necesarios para preparar una solución de HCl 0.1 Molar obteniendo un volumen final de 100 ml. El ácido clorhídrico tiene las siguientes especificaciones: 36% de pureza y densidad de 1.19 g/cm3.
Una vez calculado el volumen de HCl necesario, mide éste con una pipeta y pásalo con cuidado a un matraz aforado de 100ml que contenga 20 ml de agua destilada, agita y con ayuda de una piseta agrega más agua destilada hasta la marca de aforo.
Tapa el matraz y mezcla con mucho cuidado.
SEGUNDA PARTE:
Realiza en tu libreta los cálculos necesarios para preparar una solución de CuSO4 0.1 M obteniendo un volumen final de 100 ml.
Pesa con precisión la masa de CuSO4 que se calculó y deposítala con mucho cuidado en un matraz aforado.
agrega un poco de agua destilada hasta disolver completamente el soluto, después, añade agua suficiente con la piseta hasta la marca de aforo.
Tapa el matraz y mezcla con mucho cuidado.
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 2. Diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos.
Comparar la solubilidad, el punto de fusión y la conductividad de dos compuestos : NaCl y para-diclorobenceno.
- Solubilidad:
Para comparar la solubilidad, dispones de 4 tubos de ensaye, al tubo 1 y 2 le adicionaras agua aprox. a la mitad del tubo.
Al tubo 3 y 4 le pondrás la misma cantidad de una sustancia llamada xilol.
Coloca una pequeña cantidad de NaCl en el tubo 1 y 3, y una pequeña cantidad de p-diclorobenceno a los tubos 3 y 4.
Mezcla con cuidado y observa lo que sucede, marca con una √ en donde observes que la sustancia se disuelva completamente.
| | Tubo 1 Agua | Tubo 3 Xilol |
| NaCl | | |
| | Tubo 2 Agua | Tubo 4 Xilol |
| p-diclorobenceno | | |
a) Coloca una pequeña cantidad de p-diclorobenceno en una cápsula de porcelana, mide el tiempo que tarda en fundirse la sustancia. Al terminar, retira la cápsula con cuidado.
b) Coloca una pequeña cantidad de NaCl en una cápsula de porcelana, mide el tiempo que tarda en fundirse la sustancia. Al terminar, retira la cápsula con cuidado.
- Conductividad eléctrica:
a) Prepara una solución diluída de NaCl en un vaso de precipitados de 250 ml, comprueba si existe conductividad en la solución utilizando un equipo para dicho fin.
b) Prepara una solución diluída de Alcohol etílico con agua destilada en un vaso de precipitados de 250 ml, comprueba si existe conductividad en la solución utilizando un equipo para dicho fin.
Registra tus datos en la siguiente tabla:
| Muestra | Tiempo que tarda en fundirse | ¿Conduce la corriente eléctrica? | ¿Es soluble en agua? | ¿Es un compuesto orgánico? |
| NaCl | | | | |
| p- diclorobenceno | | | | |
LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRACTICA No. 3 ELABORACIÓN DE GEL ANTIBACTERIAL
REACTIVOS
90 ml de Alcohol etílico Desnaturalizado al 70%
0.5 g de Carbopol
0.5 ml de glicerina
0.5 ml de trietanolamina
PROCEDIMIENTO
En un vaso de precipitados, colocar el alcohol desnaturalizado y añadir poco a poco el carbopol, agitando con una varilla de vidrio hasta que se disuelva totalmente.
Una vez disuelto y perfectamente mezclado, añadir 0.5 ml de glicerina y mezclar muy bien.
Por último añadir la trietanolamina gota a gota y mezclando perfectamente con ayuda de un agitador de vidrio.
Envasar el producto y colocar una etiqueta con la fecha de caducidad (6 meses).
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 7 PREPARACIÓN DE SALICILATO DE METILO
INTRODUCCIÓN.
El salicilato de metilo es un líquido oleaginoso incoloro, amarillento, ligeramente soluble en agua, soluble en cloroformo y éter.
Sinónimo: 2-ácido hidroxibenzoico metil éster.
Usos: analgésico local, antiinflamatorio, rubefaciente tópico y en la industria de perfumería.
Precaución: la ingestión en pequeñas cantidades puede causar severo envenenamiento hasta la muerte.
PROCEDIMIENTO
En un vaso de precipitados agrega aproximadamente 200 ml de agua, formando un baño maría.
En un papel pesa 0.5 g de ácido salicílico y deposítalos en un tubo de ensayo.
Agrega 2 ml de metanol al tubo de ensayo y mezcla con cuidado.
Despacio y con mucha precaución agrega 10 gotas de ácido sulfúrico ( H2SO4 ) concentrado al tubo.
Coloca el tubo en el baño que preparaste, comienza a calentar y deja el tubo sostenido con la pinza.
Cuando el agua comience a hervir, mueve suavemente el tubo. Observa cualquier cambio de color y olor y anótalo.
Continúa calentando hasta que el baño haya hervido durante 2 minutos.
Al cabo de éste tiempo, con cuidado retira el tubo del baño maría y deja enfriar el tubo sin moverlo.
Cuando se haya solidificado el contenido, con una varilla de vidrio toma una muestra y percibe su aroma dirigiendo los vapores hacia tu nariz.
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 8 SÍNTESIS DE ÁCIDO ACETIL SALICÍLICO
OBJETIVO:
Obtener ácido acetil salicílico a partir del ácido salicílico y anhídrido acético.
INTRODUCCIÓN:
La aspirina es el analgésico más usado por todo el mundo, debido a que es eficaz, económico y las dosis usadas son mínimas ocasionando menos daño a la mucosa estomacal.
El ingrediente activo de la aspirina es el ácido acetil salicílico.
PROCEDIMIENTO:
En un papel pesar 2 gramos de ácido salicílico, colocarlo en un matraz Erlenmeyer y mezclarlo con 3 ml de anhídrido acético. Agita bien, hasta producir una mezcla homogénea.
Añade 6 gotas de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) , con lo que inmediatamente empezarás a observar la separación del ácido ácetil salicílico en forma cristalina.
Calienta en baño maría agitando vigorosamente con una varilla de vidrio hasta que se disuelva la mezcla.
Deja enfriar y posteriormente filtra el ácido acetilsalicílico.
Lava el precipitado con porciones de 5 ml de agua destilada hasta que no tenga reacción con ácido sulfúrico.
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 9 ENSAYOS CON ASPIRINA
EXPERIMENTO No.1 Pureza del ácido acetil salicílico.
Con la aspirina que obtuviste en la práctica anterior, prepara una solución con 0.1g de ácido acetil salicílico en 5 ml de alcohol y 20 ml de agua.
Agrega 20 gotas de solución de Cloruro férrico, si se produce un color violeta es una indicación de que el ácido está contaminado y no es puro.
De ser afirmativo el punto anterior, continúa lavando el precipitado con agua.
Después de algunos lavados, realiza nuevamente el ensayo como lo indican los números 1 y 2.
EXPERIMENTO No.2 Titulación de ácido acetil salicílico.
Pesa 0.5 gramos de ácido acetil salicílico y disuelve en un matraz con 30 ml de agua destilada.
Agrega 2 gotas de indicador de fenolftaleína.
Llena la bureta con la solución de NaOH al 0.1 Molar
Agrega gota a gota al matraz que contiene la aspirina, hasta observar un cambio de color. Entre gota y gota mezcla el matraz con cuidado según la indicación de tu profesor.
Anota el volumen que se gastó hasta obtener el cambio de color.
¿Por qué se neutraliza la aspirina con el hidróxido de sodio?
¿Para qué se adicionó el indicador?
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 10 Elaboración de un Jabón
INTRODUCCIÓN.
La obtención de jabón es una de las síntesis químicas mas antiguas. Fenicios, griegos y romanos ya usaban un tipo de jabón que obtenían hirviendo sebo de cabra con una pasta formada por cenizas de fuego de leña y agua (potasa).
Un jabón es una mezcla de sales de ácidos grasos de cadenas largas. Puede variar en su composición y en el método de su procesamiento:
Si se hace con aceite de oliva, es jabón de Castilla; se le puede agregar alcohol, para hacerlo transparente; se le pueden añadir perfumes, colorantes, etc.; sin embargo, químicamente, es siempre lo mismo y cumple su función en todos los casos.
A lo largo de los siglos se ha fabricado de forma artesanal, tratando las grasas, en caliente, con disoluciones de hidróxido de sodio o de potasio.
PROCEDIMIENTO.
1. Preparar una solución alcohólica de sosa cáustica (NaOH) al 30%.
2. En un vaso de precipitados verter 5 gramos de aceite de oliva ó de canola.
3. Calentar el aceite a baño maría durante 5 minutos.
4. Adicionar 5ml de solución etanólica y calentar a fuego lento.
5. Mezclar constantemente con ayuda de un agitador de vidrio durante 5 minutos más.
6. Retirar del fuego y dejar enfriar mientras se sigue agitando lentamente.
7. Al cabo de unos minutos aparecerá el jabón.
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 11 Elaboración de un polímero
Objetivo:
· Modificar las propiedades del polímero (acetato de polivinilo) para obtener un
material distinto y observar sus propiedades físicas como elasticidad, flexibilidad
y resistencia del material.
Introducción
El bórax es un compuesto químico que forma puentes o uniones entre las cadenas
poliméricas y favorece la formación de redes.
¿Qué crees que pase si lo mezclas con el polímero del pegamento? (acetato de
polivinilo).
¿Cómo afectara la viscosidad del material?
Desarrollo Experimental:
Materiales
2 vasos de precipitados
2 agitadores
Reactivos.
100 ml. de disolución de bórax al 2%.
100 ml. de pegamento blanco.
100 ml. de agua.
Colorantes vegetales.
Procedimiento.
1. Prepara la disolución de bórax disolviendo 2 g de esta sustancia en 100 ml de
agua tibia o caliente.
2. En un vaso añade una o dos gotas de un colorante vegetal distinto en cada uno de ellos para que tus productos tengan colores diferentes.
3. Añade 50 ml de resistol y 50 ml de agua y agita muy bien la mezcla
4. Poco a poco añade la disolución de bórax, si es necesario gota a gota y mezcla rápidamente.
5. Aproximadamente tendrás que añadir unos 5 ml de la solucón de bórax hasta que observes un cambio de consistencia.
En la tabla se presentan algunos ejemplos de las mezclas que puedes
hacer, pero tú puedes probar otras proporciones.
6. Una vez que el producto esté formado, sácalo del vaso y amásalo por algunos
minutos. Realiza pruebas diversas para conocer las propiedades de cada uno de
los productos formados.
Cuestionario:
1. Forma pequeñas pelotas y déjalas caer sobre la mesa. ¿Rebotan?
__________________________________________________________________
2. Coloca las pequeñas pelotas sobre una superficie plana. ¿Mantienen su forma?
__________________
¿Qué les pasa? ______________________________________
3. Dales forma cilíndrica y jala de ambos extremos. ¿Se estiran? _________ ¿Se
rompen? _________________________________________________________
4. ¿En qué vaso se formó el producto con propiedades más interesantes?
__________________________________________________________________
5. ¿Qué nombre le pondrías a tu producto? _______________________________
6. ¿Qué utilidad podría tener si lo pusieras a la venta? _______________________
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LABORATORIO DE QUÍMICA I
PRÁCTICA No. 12 DUREZA DEL AGUA.
OBJETIVO:
Observar la formación de carbonato de calcio y carbonato de magnesio mediante la precipitación de una sal insoluble a través del contacto de Jabón con agua dura.
INTRODUCCIÓN
Agua dura : es la que contiene exceso de sales y forma poca espuma con el jabón, contiene iones calcio y magnesio y es inadecuada para algunos usos domésticos e industriales.
La dureza del agua se expresa como mg /l de carbonato de calcio ( CaCO 3 ).
En química, el agua dura (por contraposición al agua blanda) es aquella que posee una dureza superior a 120 mg CaCO3/l. Es decir que contiene un alto nivel de minerales, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales metálicas.
Es un agua que no produce espuma, con el jabón. El agua dura forma un residuo grisáceo con el jabón, que a veces altera el color de la ropa sin poder lavarla correctamente, forma una dura costra en las ollas y en los grifos y, algunas veces, tienen un sabor desagradable. El agua dura contiene iones que forman precipitados con el jabón o por ebullición.
El agua dura puede volver a ser blanda, con el agregado de carbonato de sodio o potasio, para precipitarlo como sales de carbonatos.
Material :
3 tubos de ensaye grandes
Escamas de jabón neutro
Jabón líquido
2 muestras de agua potable
1 muestra de agua destilada
1 gradilla metálica
PROCEDIMIENTO
1. Numera los tubos de ensaye del número 1 al número 3.
2. En el tubo #1 coloca aprox. 5 ml de agua potable y unas escamas de jabón neutro
3. En el tubo #2 coloca aprox. 5 ml de agua destilada y unas escamas de jabón neutro
4. En el tubo #3 coloca aprox. 5 ml de agua destilada y unas gotas de jabón líquido
5. Mezcla suavemente los tres tubos, evitando la formación de espuma. NO AGITAR.
6. Deja reposar por espacio de 5 minutos y observa los resultados que obtuviste en cada tubo.
Cuestionario:
¿Por qué en el tubo #3 no se observa el precipitado que se forma en el tubo #1, si tomamos una muestra de agua del mismo suminstro?
¿Cuál es la diferencia entre un jabón neutro y un jabón líquido?
¿Qué sustancia se forma en el tubo #1 y que se manifiesta con la formación de un precipitado blanquecino ó grisáceo?
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRACTICA No. 13 ELABORACIÓN DE GEL ANTIBACTERIAL
REACTIVOS
90 ml de Alcohol etílico Desnaturalizado al 70%
0.5 g de Carbopol
0.5 ml de glicerina
0.5 ml de trietanolamina
PROCEDIMIENTO
En un vaso de precipitados, colocar el alcohol desnaturalizado y añadir poco a poco el carbopol, agitando con una varilla de vidrio hasta que se disuelva totalmente.
Una vez disuelto y perfectamente mezclado, añadir 0.5 ml de glicerina y mezclar muy bien.
Por último añadir la trietanolamina gota a gota y mezclando perfectamente con ayuda de un agitador de vidrio.
Envasar el producto y colocar una etiqueta con la fecha de caducidad (6 meses).
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LABORATORIO DE QUÍMICA II
PRÁCTICA No. 14 EXTRACCIÓN DE CAFEÍNA DE REFRESCO DE COLA
OBJETIVOS:
a) Aislar la cafeína a partir de bebidas de consumo cotidiano como son el té negro, refresco de cola y café.
b) Que el alumno revise las propiedades farmacológicas de la cafeína.
c) Comparar el rendimiento y la pureza de la cafeína aislado de diferentes productos comerciales.
INTRODUCCIÓN
El descubrimiento de la cafeína se remonta a una región de Abisnia meridional (Africa) llamada precisamente Kaffa. Según la tradición unos monjes Etíopes descubrieron al café al observar que las ovejas se ponían extremadamente alegres cuando ingerían el grano de esta planta.
Entre los refrescos más populares que contienen cafeína destacan los americanos. Estas bebidas carbonatadas, especialmente las de cola tienen un pH ácido con valores de 2 a 4.
En ésta prácticas vamos a descubrir parte de su secreto extrayendo cafeína de alguna bebida de cola.
PROCEDIMIENTO
1. Mide con una probeta 50 ml de refresco de cola y colócalo en un vaso de precipitados.
2. Agrega una pizca de bicarbonato de sodio para neutralizar el ácido benzoico presente en éstos líquidos.
3. Con un papel indicador comprueba que el pH sea neutro ó ligeramente básico (hasta pH=8).
4. Añade 8 ml de diclorometano y mezcla lentamente durante 5 minutos.
5. Separa mediante un embudo de decantación el líquido incoloro del fondo ( diclorometano + cafeína) y colócalo en un vaso de precipitado.
6. Calienta éste líquido en una cápsula de porcelana y calienta lentamente hasta que se evapore todo el líquido.
7. Apaga el mechero tan pronto como veas desaparecer la última gota de líquido pues la cafeína se sublima rápidamente y la perderás.
Cuestionario:
1. Compara la cantidad que obtuviste con las de tus compañeros y con los que trabajaron otra marca de refresco diferente a la tuya. Anota tus conclusiones.
2. ¿ La bebida de cola es una solución ó una suspensión? Explica
3. ¿Cuáles son las distintas técnicas de separación de mezclas que se utilizaron en ésta práctica? ¿en qué paso se utilizó cada una?
UNIDAD I. ESTEQUIOMETRÍA
La masa molecular de cualquier molécula se calcula sumando el peso molecular de cada uno de los átomos que conforman a la molécula.
Ejemplo: Calcular la masa molecular de la molécula de agua H2O.
Esta molécula contiene 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de Oxígeno.
El H tiene un peso molecular de 1.
El Oxígeno tiene un peso molecular de 16.
Se suma la masa atómica de 2 hidrógenos y 1 oxígeno. La suma es de 18.
El resultado se da enn UMA (Unidades de masa atómica), ya que es la referencia de peso que encontramos en la tabla periódica.
La siguiente dirección electrónica tiene una calculadora para determinar la masa molecular de cualquier molécula.
http://www.quimicaweb.net/calculadoramm/calculadora_mm.html
LEYES PONDERALES
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA O LEY DE LAVOISIER
* En toda reacción química, las cantidades en peso de los reaccionantes son iguales a las de los resultantes.
A + B -------> C + D
Peso de reactivos = Peso de los productos.
LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES O LEY DE PROUST.
* Cuando dos o más elementos se unen para formar un mismo compuesto lo hacen siempre en una relación ponderal constante.
LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES O LEY DE DALTON.
* Cuando dos o más elementos se unen para formar una serie de compuestos, si el peso de uno de ellos permancece constante y el otro varía, las cantidades de éste son múltiplos enteros de la menor de ellas.
Ejemplo: A + B --------> AB
B/B=1:1
LEY DE LAS PROPORCIONES RECÍPROCAS O EQUIVALENTES. (LEY DE RICHTER-WENZEL)
* Cuando dos elementos se combinan separadamente con un peso fijo de un tercer elemento, los pesos relativos de aquellos son los mismos que se combinan entre sí.
EJERCICIOS:
1. Determina la masa molecular de:
Li2Ba(SO4)2 Sulfato doble de litio y bario
2. ¿cuántos moles de Aluminio hay en 125 g de aluminio?
3. ¿Cuántos gramos de Au (oro) constituyen 0.25 moles del mismo?
4. ¿ Qué masa en gramos tiene un mol de Flúor?
5. ¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que contiene 43.6% de P (fósforo) y 56.4% de O(oxígeno)?
6. La glucosa, un azúcar simple, es un constituyente de la sangre humana y del fluído de los tejidos, es usada por las células como fuente principal de energía. El compuesto contiene 40% de carbono, 6.73% de hidrógeno y 53.3% de Oxígeno y tiene un peso molecular de 180.2
¿cuál es la fórmula molecular de la glucosa?
7. Se requiere preparar 250 ml de una solución al 25.5 % de glucosa. ¿qué cantidad de glucosa se debe pesar? ¿cuánta agua es necesaria?
8. Se requiere preparar una solución de NaCl al 3.5 Molar .
¿qué cantidad de NaCl se debe pesar?
Calcular la cantidad de soluto necesaria para preparar 850 ml de ésta solución.
9. La siguiente tabla contiene información acerca de la cantidad de ortofosfatos en diferentes cuerpos de agua de la República Mexicana. A partir de esta información, calcula la concentración de ortofosfatos en ppm.
Cuerpo de Agua Concentración Concentración (ppm)
Lago de Chapala 1.69 mg/L
Lago de Pátzcuaro 0.00025 mg/ml
Lago de Catemaco 0.0007 g/L
Río Balsas 850 ug/L
Río Lerma 0.0000015 kg/L
Río Pánuco 0.0025 g/L
Ejemplo: Calcular la masa molecular de la molécula de agua H2O.
Esta molécula contiene 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de Oxígeno.
El H tiene un peso molecular de 1.
El Oxígeno tiene un peso molecular de 16.
Se suma la masa atómica de 2 hidrógenos y 1 oxígeno. La suma es de 18.
El resultado se da enn UMA (Unidades de masa atómica), ya que es la referencia de peso que encontramos en la tabla periódica.
La siguiente dirección electrónica tiene una calculadora para determinar la masa molecular de cualquier molécula.
http://www.quimicaweb.net/calculadoramm/calculadora_mm.html
LEYES PONDERALES
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA O LEY DE LAVOISIER
* En toda reacción química, las cantidades en peso de los reaccionantes son iguales a las de los resultantes.
A + B -------> C + D
Peso de reactivos = Peso de los productos.
LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES O LEY DE PROUST.
* Cuando dos o más elementos se unen para formar un mismo compuesto lo hacen siempre en una relación ponderal constante.
LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES O LEY DE DALTON.
* Cuando dos o más elementos se unen para formar una serie de compuestos, si el peso de uno de ellos permancece constante y el otro varía, las cantidades de éste son múltiplos enteros de la menor de ellas.
Ejemplo: A + B --------> AB
B/B=1:1
LEY DE LAS PROPORCIONES RECÍPROCAS O EQUIVALENTES. (LEY DE RICHTER-WENZEL)
* Cuando dos elementos se combinan separadamente con un peso fijo de un tercer elemento, los pesos relativos de aquellos son los mismos que se combinan entre sí.
EJERCICIOS:
1. Determina la masa molecular de:
Li2Ba(SO4)2 Sulfato doble de litio y bario
2. ¿cuántos moles de Aluminio hay en 125 g de aluminio?
3. ¿Cuántos gramos de Au (oro) constituyen 0.25 moles del mismo?
4. ¿ Qué masa en gramos tiene un mol de Flúor?
5. ¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que contiene 43.6% de P (fósforo) y 56.4% de O(oxígeno)?
6. La glucosa, un azúcar simple, es un constituyente de la sangre humana y del fluído de los tejidos, es usada por las células como fuente principal de energía. El compuesto contiene 40% de carbono, 6.73% de hidrógeno y 53.3% de Oxígeno y tiene un peso molecular de 180.2
¿cuál es la fórmula molecular de la glucosa?
7. Se requiere preparar 250 ml de una solución al 25.5 % de glucosa. ¿qué cantidad de glucosa se debe pesar? ¿cuánta agua es necesaria?
8. Se requiere preparar una solución de NaCl al 3.5 Molar .
¿qué cantidad de NaCl se debe pesar?
Calcular la cantidad de soluto necesaria para preparar 850 ml de ésta solución.
9. La siguiente tabla contiene información acerca de la cantidad de ortofosfatos en diferentes cuerpos de agua de la República Mexicana. A partir de esta información, calcula la concentración de ortofosfatos en ppm.
Cuerpo de Agua Concentración Concentración (ppm)
Lago de Chapala 1.69 mg/L
Lago de Pátzcuaro 0.00025 mg/ml
Lago de Catemaco 0.0007 g/L
Río Balsas 850 ug/L
Río Lerma 0.0000015 kg/L
Río Pánuco 0.0025 g/L
PETROQUÍMICA Y SOCIEDAD
PETROQUÍMICA Y SOCIEDAD
INTRODUCCIÓN
¿Qué pensarían si se les propusiera talar todos los bosque del mundo, para transformar sólo el 7% de la madera en muebles y papel, y el resto convertirlo en leña y carbón?
¡Pues eso es exactamente lo que se está haciendo actualmente con el petróleo y el gas natural!
El 93% de estas materias primas se usa como combustible para producir la energía que requieren los coches, trailers, camiones, aviones, barcos, trenes, calderas, estufas, termoeléctricas, etc., y sólo el 7% se emplea para obtener productos petroquímicos.
¿Cómo se ha llegado a tal extremo? Esa es la pregunta que trataremos de resolver en este libro para dar a conocer el grado en que nuestra sociedad depende del petróleo. Pero sobre todo deseamos que el lector descubra la importancia de hacer un uso más racional de estos energéticos a fin de continuar disfrutando, en el futuro, de los beneficios obtenidos de la petroquímica.
En las próximas páginas describiremos brevemente los usos del petróleo en la antigüedad. Con la aparición del automóvil a fines del siglo pasado, se inició la transformación no sólo de los medios de transporte sino también del uso del petróleo crudo, y se hizo necesario crear las tecnologías para obtener más y mejores gasolinas, así como otros combustibles.
Indudablemente que el objetivo principal del libro será el de explicar cómo y de dónde se obtienen los materiales básicos, cómo se transforman en productos intermediarios y, finalmente, cuáles son algunos de los miles de productos que se obtienen de ellos.
Veremos cómo la petroquímica interviene en todas las necesidades fundamentales del hombre, como son el vestido, la salud, la alimentación, la vivienda y las diversiones.
Esperamos que con este pequeño libro todos tengamos mayor conciencia de la importancia del petróleo y sus derivados, a fin de tratar de salvaguardar esta riqueza natural para que las generaciones futuras también la disfruten.
I. HISTORIA DEL PETRÓLEO
El petróleo se conoce desde la prehistoria. La Biblia lo menciona como betún, o como asfalto. Por ejemplo vemos que en el Génesis, capítulo 11 versículo 3, se dice que el asfalto se usó para pegar los ladrillos de la torre de Babel; asimismo el Génesis, capítulo 4 versículo 10, nos describe cómo los reyes de Sodoma y Gomorra fueron derrotados al caer en pozos de asfalto en el valle de Siddim.
También los indígenas de la época precolombiana en América conocían y usaban el petróleo, que les servía de impermeabilizante para embarcaciones.
Durante varios siglos los chinos utilizaron el gas del petróleo para la cocción de alimentos.
Sin embargo, antes de la segunda mitad del siglo XVIII las aplicaciones que se le daban al petróleo eran muy pocas.
Fue el coronel Edwin L. Drake quien perforó el primer pozo petrolero del mundo en 1859, en Estados Unidos, logrando extraer petróleo de una profundidad de 21 metros.
También fue Drake quien ayudó a crear un mercado para el petróleo al lograr separar la kerosina del mismo. Este producto sustituyó al aceite de ballena empleado en aquella época como combustible en las lámparas, cuyo consumo estaba provocando la desaparición de estos animales.
Pero no fue sino hasta 1895, con la aparición de los primeros automóviles, que se necesitó la gasolina, ese nuevo combustible que en los años posteriores se consumiría en grandes cantidades. En vísperas de la primera Guerra Mundial, antes de 1914, ya existían en el mundo más de un millón de vehículos que usaban gasolina.
En efecto, la verdadera proliferación de automóviles se inició cuando Henry Ford lanzó en 1922 su famoso modelo "T". Ese año había 18 millones de automóviles; para 1938 el número subió a 40 millones, en 1956 a 100 millones, y a más de 170 millones para 1964. Actualmente es muy difícil estimar con exactitud cuántos cientos de millones de vehículos de gasolina existen en el mundo.
Lógicamente el consumo de petróleo crudo para satisfacer la demanda de gasolina ha crecido en la misma proporción. Se dice que en la década de 1957 a 1966 se usó casi la misma cantidad de petróleo que en los 100 años anteriores. Estas estimaciones también toman en cuenta el gasto de los aviones con motores de pistón.
Figura 1. Su majestad: el automóvil.
Posteriormente se desarrollaron los motores de turbina (jets) empleados hoy en los aviones comerciales, civiles y militares. Estos motores usan el mismo combustible de las lámparas del siglo pasado, pero con bajo contenido de azufre y baja temperatura de congelación, que se llama turbosina.
Desde luego, cuando se introdujeron los aviones de turbina, el uso de la kerosina como combustible de lámparas era casi nulo, debido al descubrimiento de la electricidad, de tal manera que en 1964 cerca del 80% del consumo total de ésta era para hacer turbosina.
Otra fracción del petróleo crudo que sirve como energético es la de los gasóleos, que antes de 1910 formaba parte de los aceites pesados que constituían los desperdicios de las refinerías. El consumo de los gasóleos como combustible se inició en 1910 cuando el almirante Fisher de la flota británica ordenó que se sustituyera el carbón por el gasóleo en todos sus barcos. El mejor argumento para tomar tal decisión lo constituyó la superioridad calorífica de éste con relación al carbón mineral, ya que el gasóleo genera aproximadamente 10 500 calorías/kg., mientras que un buen carbón sólo proporciona 7 000 calorías/kg.
Más tarde se extendió el uso de este energético en la marina mercante, en los generadores de vapor, en los hornos industriales y en la calefacción casera.
El empleo del gasóleo se extendió rápidamente a los motores diesel. A pesar de que Rudolph Diesel inventó el motor que lleva su nombre, poco después de que se desarrolló el motor de combustión interna, su aplicación no tuvo gran éxito pues estaba diseñado originalmente para trabajar con carbón pulverizado.
Figura 2. Tractores agrícolas consumidores de diesel.
Figura 3. Aviones de turbina consumidores de turbosina.
Cuando al fin se logró separar la fracción ligera de los gasóleos, a la que se le llamó diesel, el motor de Rudolph Diesel empezó a encontrar un amplio desarrollo.
La principal ventaja de los motores diesel en relación a los motores de combustión interna estriba en el hecho de que son más eficientes, ya que producen más trabajo mecánico por cada litro de combustible. Es de todos conocido que nuestros automóviles sólo aprovechan del 22 al 24% de la energía consumida, mientras que en los motores diesel este aprovechamiento es del 35%.
Por lo tanto, estos motores encontraron rápida aplicación en los barcos de la marina militar y mercante, en las locomotoras de los ferrocarriles, en los camiones pesados, y en los tractores agrícolas.
Después de este breve análisis de la historia del desarrollo y uso de los combustibles provenientes del petróleo, vemos claramente que el mayor consumidor de estos energéticos es el automóvil.
EL cuadro I nos ilustra el consumo de combustible en México durante 1985.
Cuadro 1. Consumo de combustible en México durante 1985.
Esto se debe no sólo al hecho de tener en circulación millones de vehículos con motores de combustión interna, sino a la muy baja eficiencia de sus motores, ya que desperdiciarian el 75% ciento de la energía generada, como se mencionó anteriormente.
Así pues, como el automóvil sigue siendo el "rey", la mayor parte de las refinerías petroleras éstan diseñadas para proveer de gasolina a " Su Majestad".
Después de la aparición del automóvil, el mundo empezó a moverse cada vez más aprisa, requiriendo día a día vehículos de mayor potencia, y por lo tanto mejores gasolinas.
¿En qué consisten estas mejores gasolinas? ¿Cómo se logran? ¿Cúales son sus consecuencias? ¿Qué productos químicos usados para subir el octanaje de las gasolinas son base de las fibras sintéticas? ¿Cuáles son los materiales usados para fabricar más gasolina, que a su vez sirven como materia prima para hacer detergentes sintéticos, plásticos, solventes, lubricantes, alimentos, etc.?
Éstas son algunas de las preguntas que trataremos de responder en los capítulos siguientes, no sin antes describir los orígenes del petróleo y su composición.
II. EL ORIGEN Y COMPOSICIÓN DEL PETRÓLEO
¿CÓMO SE FORMÓ EL PETRÓLEO?
EXISTEN varias teorías sobre la formación del petróleo. Sin embargo, la más aceptada es la teoría orgánica que supone que se originó por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos.
Esta materia orgánica se cubrió paulatinamente con capas cada vez más gruesas de sedimentos, al abrigo de las cuales, en determinadas condiciones de presión, temperatura y tiempo, se transformó lentamente en hidrocarburos (compuestos formados de carbón e hidrógeno), con pequeñas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, y trazas de metales como fierro, cromo, níquel y vanadio, cuya mezcla constituye el petróleo crudo.
Estas conclusiones se fundamentan en la localización de los mantos petroleros, ya que todos se encuentran en terrenos sedimentarios. Además los compuestos que forman los elementos antes mencionados son característicos de los organismos vivientes.
Ahora bien, existen personas que no aceptan esta teoría. Su principal argumento estriba en el hecho inexplicable de que si es cierto que existen más de 30 000 campos petroleros en el mundo entero, hasta ahora sólo 33 de ellos constituyen grandes yacimientos. De esos grandes yacimientos 25 se encuentran en el Medio Oriente y contienen más del 60% de las reservas probadas de nuestro planeta.
Uno se pregunta entonces: ¿Cómo es posible que tantos animales hayan muerto en menos del 1% de la corteza terrestre, que es el porcentaje que le corresponde al Medio Oriente?
Figura 4. El Medio Oriente almacena el 60% de las reservas mundiales de petróleo.
Indudablemente que la respuesta a esta pregunta, si la teoría orgánica es válida, sólo se puede encontrar en la Biblia, donde se describe al Edén como un lugar rodeado por cuatro ríos (siendo uno de ellos el Éufrates), en cuyo centro se encuentra el "Árbol de la Vida".
Esta respuesta probablemente no suena muy científica, pero ¿acaso no justifica el hecho de que el Medio Oriente contenga el cementerio de animales más grande del mundo, origen de sus reservas petroleras, si la teoría orgánica es cierta?
Naturalmente que existen otras teorías que sostienen que el petróleo es de origen inorgánico o mineral. Los científicoss soviéticos son los que más se han preocupado por probar esta hipótesis. Sin embargo estas proposiciones tampoco se han aceptado en su totalidad.
Una versión interesante de este tema es la que publicó Thomas Gold en 1986. Este científico europeo dice que el gas natural (el metano) que suele encontrarse en grandes cantidades en los yacimientos petroleros, se pudo haber generado a partir de los meteoritos que cayeron durante la formacion de la Tierra hace millones de años.
Los argumentos que presenta están basados en el hecho de que se han encontrado en varios meteoritos más de 40 productos químicos semejantes al kerógeno, que se supone es el precursor del petróleo.
Y como los últimos descubrimientos de la NASA han probado que las atmósferas de los otros planetas tienen un alto contenido de metano, no es de extrañar que esta teoría esté ganando cada día más adeptos.
Podemos concluir que a pesar de las innumerables investigaciones que se han realizado, no existe una teoría infalible que explique sin lugar a dudas el origen del petróleo pues ello implicaría poder descubrir los orígenes de la vida misma.
¿QUÉ ES EL PETRÓLEO?
Cualquiera que tenga un cierto sentido de observación puede describir el petróleo como un líquido viscoso cuyo color varía entre amarillo y pardo obscuro hasta negro, con reflejos verdes. Además tiene un olor característico y flota en el agua.
Pero si se desea saber todo lo que se puede hacer con el petróleo, esta definición no es suficiente. Es necesario profundizar el conocimiento para determinar no sólo sus propiedades físicas sino también las propiedades químicas de sus componentes.
Como dijimos anteriormente, el petróleo es una mezcla de hidrocarburos, compuestos que contienen en su estructura molecular carbono e hidrógeno principalmente.
El número de átomos de carbono y la forma en que están colocados dentro de las moléculas de los diferentes compuestos proporciona al petróleo diferentes propiedades físicas y químicas. Así tenemos que los hidrocarburos compuestos por uno a cuatro átomos de carbono son gaseosos, los que contienen de 5 a 20 son líquidos, y los de más de 20 son sólidos a la temperatura ambiente.
El petróleo crudo varía mucho en su composición, lo cual depende del tipo de yacimiento de donde provenga, pero en promedio podemos considerar que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno.
Mientras mayor sea el contenido de carbón en relación al del hidrógeno, mayor es la cantidad de productos pesados que tiene el crudo. Esto depende de la antigüedad y de algunas características de los yacimientos. No obstante, se ha comprobado que entre más viejos son, tienen más hidrocarburos gaseosos y sólidos y menos líquidos entran en su composición.
Algunos crudos contienen compuestos hasta de 30 a 40 átomos de carbono.
Figura 5. Extracción de petróleo en tierra.
Figura 6. Extracción de petróleo en el mar.
En la composición del petróleo crudo también figuran los derivados de azufre (que huelen a huevo podrido), además del carbono e hidrógeno.
Además, los crudos tienen pequeñas cantidades, del orden de partes por millón, de compuestos con átomos de nitrógeno, o de metales como el fierro, níquel, cromo, vanadio, y cobalto.
Por lo general, el petróleo tal y como se extrae de los pozos no sirve como energético ya que requiere de altas temperaturas para arder, pues el crudo en sí está compuesto de hidrocarburos de más de cinco átomos de carbono, es decir, hidrocarburos líquidos. Por lo tanto, para poder aprovecharlo como energético es necesario separarlo en diferentes fracciones que constituyen los diferentes combustibles como el gasavión, gasolina, turbosina, diesel, gasóleo ligero y gasóleo pesado.
Los métodos para llevar a cabo esta separación se describirán en el siguiente capítulo.
III. SEPARACIÓN DEL PETRÓLEO EN SUS FRACCIONES
¿CÓMO se puede separar en diferentes fracciones el petróleo? El sentido común dice que hay que calentarlo. Así, a medida que sube la temperatura, los compuestos con menos átomos de carbono en sus moléculas (y que son gaseosos) se desprenden fácilmente; después los compuestos líquidos se vaporizan y también se separan, y así, sucesivamente, se obtienen las diferentes fracciones.
En las refinerías petroleras, estas separaciones se efectúan en las torres de fraccionamiento o de destilación primaria.
Para ello, primero se calienta el crudo a 400 °C para que entre vaporizado a la torre de destilación. Aquí los vapores suben a través de pisos o compartimentos que impiden el paso de los líquidos de un nivel a otro. Al ascender por los pisos los vapores se van enfriando.
Figura 7. Refinería petrolera.
Figura 8. Principales fracciones del crudo
Este enfriamiento da lugar a que en cada uno de los pisos se vayan condensando distintas fracciones, cada una de las cuales posee una temperatura específica de licuefacción.
Los primeros vapores que se licúan son los del gasóleo pesado a 300 °C aproximadamente, después el gasóleo ligero a 200 °C; a continuación, la kerosina a 175 °C, la nafta y por último, la gasolina y los gases combustibles que salen de la torre de fraccionamiento todavía en forma de vapor a 100 °C. Esta última fracción se envía a otra torre de destilación en donde se separan los gases de la gasolina.
Ahora bien, en esta torre de fraccionamiento se destila a la presión atmosférica, o sea, sin presión. Por lo tanto, sólo se pueden separar sin descomponerse los hidrocarburos que contienen de 1 a 20 átomos de carbono.
Para poder recuperar más combustibles de los residuos de la destilación primaria es necesario pasarlos por otra torre de fraccionamiento que trabaje a alto vacío, o sea a presiones inferiores a la atmosférica para evitar su descomposición térmica, ya que los hidrocarburos se destilarán a más baja temperatura.
En la torre de vacío se obtienen sólo dos fracciones, una de destilados y otra de residuos.
De acuerdo al tipo de crudo que se esté procesando, la primera fracción es la que contiene los hidrocarburos que constituyen los aceites lubricante y las parafinas, y los residuos son los que tienen los asfaltos y el combustóleo pesado.
El cuadro 2 nos describe aproximadamente el número de átomos de carbono que contienen las diferentes fracciones antes mencionadas.
CUADRO 2. Mezcla de hidrocarburos obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo
En este cuadro incluimos los gases incondensables y el gas licuado (LP) porque éstos se encuentran disueltos en el crudo que entra a la destilación primaria, a pesar de que se suele eliminarlos al máximo en las torres de despunte que se encuentran antes de precalentar el crudo de fraccionadores.
De los gases incondensables el metano es el hidrocarburo más ligero, pues contiene sólo un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. El que sigue es el etano, que está compuesto por dos de carbono y seis de hidrógeno.
El primero es el principal componente del gas natural. Se suele vender como combustible en las ciudades, en donde se cuenta con una red de tuberías especiales para su distribución. Este combustible contiene cantidades significativas de etano.
El gas LP es el combustible que se distribuye en cilindros y tanques estacionarios para casas y edificios. Este gas está formado por hidrocarburos de tres y cuatro átomos de carbono denominados propano y butano respectivamente.
La siguiente fracción está constituida por la gasolina virgen, que se compone de hidrocarburos de cuatro a nueve átomos de carbono, la mayoría de cuyas moléculas están distribuidas en forma lineal, mientras que otras forman ciclos de cinco y seis átomos de carbono. A este tipo de compuestos se les llama parafínicos y cicloparafínicos respectivamente.
Esta gasolina, tal cual, no sirve para ser usada en los automóviles; en el siguiente capítulo se explicará por qué.
La fracción que contiene de 10 a 14 átomos de carbono tiene una temperatura de ebullición de 174 a 288 °C, que corresponde a la fracción denominada kerosina, de la cual se extrae el combustible de los aviones de turbina llamado turbosina.
La última fracción que se destila de la torre primaria es el gasóleo, que tiene un intervalo de ebullición de 250 a 310 °C y contiene de 15 a 18 átomos de carbono. De aquí se obtiene el combustible llamado diesel, que, como ya dijimos, sirve para los vehículos que usan motores diesel como los tractores, locomotoras, camiones, trailers y barcos.
De los destilados obtenidos al vacío, aquellos que por sus características no se destinen a lubricantes se usarán como materia prima para convertirlos en combustibles ligeros como el gas licuado, la gasolina de alto octano, el diesel, la kerosina y el gasóleo.
El residuo de vacío contiene la fracción de los combustóleos pesados que se usan en las calderas de las termoeléctricas.
De todo lo que hemos descrito en este capítulo, se ve claramente cómo casi el total de cada barril de petróleo que se procesa en las refinerías se destina a la fabricación de combustibles. La cantidad de gasolina virgen obtenida depende del tipo de petróleo crudo (pesado o ligero), ya que en cada caso el porcentaje de esta fracción es variable.
Como dijimos al principio, la gasolina es el combustible que tiene mayor demanda; por lo tanto, la cantidad de gasolina natural que se obtiene de cada barril siempre es insuficiente, aun cuando se destilen crudos ligeros, que llegan a tener hasta 30% de este producto. Además, las características de esta gasolina no llenan las especificaciones de octanaje necesarias para los motores de los automóviles.
Para resolver estos problemas los científicos han desarrollado una serie de procesos para producir más y mejores gasolinas a partir de otras fracciones del petróleo.
Pero para poder comprender lo anterior es necesario describir antes cómo trabaja un motor de combustión interna y qué significa el índice de octano de una gasolina, temas de los cuales hablaremos a continuación.
XIII. CONCLUSIONES
NO importa en donde estemos, sea en la cocina, en el taller, en la escuela, en la oficina, en el hospital, en el campo, en la fábrica, estamos rodeados de productos derivados de la industria petroquímica.
En términos generales se puede considerar que el gas natural, el gas LP, y varios de los hidrocarburos contenidos en las gasolinas de alto octano, son los principales proveedores de las materias primas básicas para la industria petroquímica.
Las olefinas y los aromáticos obtenidos de los productos antes mencionados son las piedras angulares sobre las que descansa la industria de los materiales sintéticos.
Indudablemente que no se cubrieron en este libro todos los aspectos de estos temas, ya que no se pretendió ser exhaustivo. Pero sí quisimos presentar los últimos descubrimientos y aplicaciones de la petroquímica para que el lector pudiera comprobar que aún hay mucho futuro en el fascinante mundo de la química del petróleo.
México es un país rico en petróleo, pero debemos comprender que para que esta riqueza natural sirva para cubrir nuestras necesidades en materia de vestido, salud, alimentación, vivienda, transporte, etc., es indispensable tener suficiente conocimiento para generar la tecnología de transformación.
Para ello hace falta el trabajo y talento tanto de científicos de todas las ramas de la ciencia, como de toda clase de personal técnico como son los químicos, bioquímicos, ingenieros de todas las especialidades, etc.
El trabajo científico nos permite establecer la comprensión y la explicación de causas, principios, procesos y leyes universales, con el fin de incrementar la relación entre el hombre y la naturaleza, independientemente del contexto político y social circundante, logrando con ello encontrar los satisfactores de necesidades comunes a la mayoría de los seres humanos. El científico no crea nada en el sentido absoluto, ya que el Creador del Universo es el que colocó al hombre en un mundo lleno de maravillas que sencillamente había que descubrir y desarrollar para solucionar los problemas que poco a poco han ido apareciendo a través de la historia humana. ¡Qué bueno que el hombre tenga el reto permanente de encontrar nuevas respuestas a sus necesidades, aplicando hoy algo que aprendió ayer, basándose en lo que otro había hecho anteayer! Es así como siempre existe la esperanza de desarrollar algo mejor, porque creemos que estamos lejos de agotar todas las posibilidades de conocimiento de nuestro planeta, sobre todo en esta área de la química del petróleo.
Por otro lado, la tecnología consiste en aplicar los conocimientos científicos y empíricos para solucionar los problemas actuales que se definen en función de las necesidades económicas, políticas o sociales de una sociedad o grupo en particular. Por lo tanto, podemos decir que el desarrollo tecnológico de un país no implica usar las tecnologías de los países desarrollados sino tratar de cubrir sus necesidades con sus propios recursos tanto humanos como materiales.
En cuanto al resto de la población, la ayuda más grande que puede proporcionarle al país es hacer un uso más racional de los energéticos como son el gas, la gasolina y la electricidad (generada con combustóleos), pues esto equivale a reducir el uso de la madera de los bosques para producir leña y carbón, a fin de poder contar con más material para hacer muebles y papel, de acuerdo a la ilustración descrita al iniciar este libro.
El pago al presente esfuerzo colectivo será el de garantizarle a las futuras generaciones el poder de disfrutar de los beneficios que brindan los productos derivados de la petroquímica en todos los aspectos de la vida cotidiana.
INTRODUCCIÓN
¿Qué pensarían si se les propusiera talar todos los bosque del mundo, para transformar sólo el 7% de la madera en muebles y papel, y el resto convertirlo en leña y carbón?
¡Pues eso es exactamente lo que se está haciendo actualmente con el petróleo y el gas natural!
El 93% de estas materias primas se usa como combustible para producir la energía que requieren los coches, trailers, camiones, aviones, barcos, trenes, calderas, estufas, termoeléctricas, etc., y sólo el 7% se emplea para obtener productos petroquímicos.
¿Cómo se ha llegado a tal extremo? Esa es la pregunta que trataremos de resolver en este libro para dar a conocer el grado en que nuestra sociedad depende del petróleo. Pero sobre todo deseamos que el lector descubra la importancia de hacer un uso más racional de estos energéticos a fin de continuar disfrutando, en el futuro, de los beneficios obtenidos de la petroquímica.
En las próximas páginas describiremos brevemente los usos del petróleo en la antigüedad. Con la aparición del automóvil a fines del siglo pasado, se inició la transformación no sólo de los medios de transporte sino también del uso del petróleo crudo, y se hizo necesario crear las tecnologías para obtener más y mejores gasolinas, así como otros combustibles.
Indudablemente que el objetivo principal del libro será el de explicar cómo y de dónde se obtienen los materiales básicos, cómo se transforman en productos intermediarios y, finalmente, cuáles son algunos de los miles de productos que se obtienen de ellos.
Veremos cómo la petroquímica interviene en todas las necesidades fundamentales del hombre, como son el vestido, la salud, la alimentación, la vivienda y las diversiones.
Esperamos que con este pequeño libro todos tengamos mayor conciencia de la importancia del petróleo y sus derivados, a fin de tratar de salvaguardar esta riqueza natural para que las generaciones futuras también la disfruten.
I. HISTORIA DEL PETRÓLEO
El petróleo se conoce desde la prehistoria. La Biblia lo menciona como betún, o como asfalto. Por ejemplo vemos que en el Génesis, capítulo 11 versículo 3, se dice que el asfalto se usó para pegar los ladrillos de la torre de Babel; asimismo el Génesis, capítulo 4 versículo 10, nos describe cómo los reyes de Sodoma y Gomorra fueron derrotados al caer en pozos de asfalto en el valle de Siddim.
También los indígenas de la época precolombiana en América conocían y usaban el petróleo, que les servía de impermeabilizante para embarcaciones.
Durante varios siglos los chinos utilizaron el gas del petróleo para la cocción de alimentos.
Sin embargo, antes de la segunda mitad del siglo XVIII las aplicaciones que se le daban al petróleo eran muy pocas.
Fue el coronel Edwin L. Drake quien perforó el primer pozo petrolero del mundo en 1859, en Estados Unidos, logrando extraer petróleo de una profundidad de 21 metros.
También fue Drake quien ayudó a crear un mercado para el petróleo al lograr separar la kerosina del mismo. Este producto sustituyó al aceite de ballena empleado en aquella época como combustible en las lámparas, cuyo consumo estaba provocando la desaparición de estos animales.
Pero no fue sino hasta 1895, con la aparición de los primeros automóviles, que se necesitó la gasolina, ese nuevo combustible que en los años posteriores se consumiría en grandes cantidades. En vísperas de la primera Guerra Mundial, antes de 1914, ya existían en el mundo más de un millón de vehículos que usaban gasolina.
En efecto, la verdadera proliferación de automóviles se inició cuando Henry Ford lanzó en 1922 su famoso modelo "T". Ese año había 18 millones de automóviles; para 1938 el número subió a 40 millones, en 1956 a 100 millones, y a más de 170 millones para 1964. Actualmente es muy difícil estimar con exactitud cuántos cientos de millones de vehículos de gasolina existen en el mundo.
Lógicamente el consumo de petróleo crudo para satisfacer la demanda de gasolina ha crecido en la misma proporción. Se dice que en la década de 1957 a 1966 se usó casi la misma cantidad de petróleo que en los 100 años anteriores. Estas estimaciones también toman en cuenta el gasto de los aviones con motores de pistón.
Figura 1. Su majestad: el automóvil.
Posteriormente se desarrollaron los motores de turbina (jets) empleados hoy en los aviones comerciales, civiles y militares. Estos motores usan el mismo combustible de las lámparas del siglo pasado, pero con bajo contenido de azufre y baja temperatura de congelación, que se llama turbosina.
Desde luego, cuando se introdujeron los aviones de turbina, el uso de la kerosina como combustible de lámparas era casi nulo, debido al descubrimiento de la electricidad, de tal manera que en 1964 cerca del 80% del consumo total de ésta era para hacer turbosina.
Otra fracción del petróleo crudo que sirve como energético es la de los gasóleos, que antes de 1910 formaba parte de los aceites pesados que constituían los desperdicios de las refinerías. El consumo de los gasóleos como combustible se inició en 1910 cuando el almirante Fisher de la flota británica ordenó que se sustituyera el carbón por el gasóleo en todos sus barcos. El mejor argumento para tomar tal decisión lo constituyó la superioridad calorífica de éste con relación al carbón mineral, ya que el gasóleo genera aproximadamente 10 500 calorías/kg., mientras que un buen carbón sólo proporciona 7 000 calorías/kg.
Más tarde se extendió el uso de este energético en la marina mercante, en los generadores de vapor, en los hornos industriales y en la calefacción casera.
El empleo del gasóleo se extendió rápidamente a los motores diesel. A pesar de que Rudolph Diesel inventó el motor que lleva su nombre, poco después de que se desarrolló el motor de combustión interna, su aplicación no tuvo gran éxito pues estaba diseñado originalmente para trabajar con carbón pulverizado.
Figura 2. Tractores agrícolas consumidores de diesel.
Figura 3. Aviones de turbina consumidores de turbosina.
Cuando al fin se logró separar la fracción ligera de los gasóleos, a la que se le llamó diesel, el motor de Rudolph Diesel empezó a encontrar un amplio desarrollo.
La principal ventaja de los motores diesel en relación a los motores de combustión interna estriba en el hecho de que son más eficientes, ya que producen más trabajo mecánico por cada litro de combustible. Es de todos conocido que nuestros automóviles sólo aprovechan del 22 al 24% de la energía consumida, mientras que en los motores diesel este aprovechamiento es del 35%.
Por lo tanto, estos motores encontraron rápida aplicación en los barcos de la marina militar y mercante, en las locomotoras de los ferrocarriles, en los camiones pesados, y en los tractores agrícolas.
Después de este breve análisis de la historia del desarrollo y uso de los combustibles provenientes del petróleo, vemos claramente que el mayor consumidor de estos energéticos es el automóvil.
EL cuadro I nos ilustra el consumo de combustible en México durante 1985.
Cuadro 1. Consumo de combustible en México durante 1985.
Esto se debe no sólo al hecho de tener en circulación millones de vehículos con motores de combustión interna, sino a la muy baja eficiencia de sus motores, ya que desperdiciarian el 75% ciento de la energía generada, como se mencionó anteriormente.
Así pues, como el automóvil sigue siendo el "rey", la mayor parte de las refinerías petroleras éstan diseñadas para proveer de gasolina a " Su Majestad".
Después de la aparición del automóvil, el mundo empezó a moverse cada vez más aprisa, requiriendo día a día vehículos de mayor potencia, y por lo tanto mejores gasolinas.
¿En qué consisten estas mejores gasolinas? ¿Cómo se logran? ¿Cúales son sus consecuencias? ¿Qué productos químicos usados para subir el octanaje de las gasolinas son base de las fibras sintéticas? ¿Cuáles son los materiales usados para fabricar más gasolina, que a su vez sirven como materia prima para hacer detergentes sintéticos, plásticos, solventes, lubricantes, alimentos, etc.?
Éstas son algunas de las preguntas que trataremos de responder en los capítulos siguientes, no sin antes describir los orígenes del petróleo y su composición.
II. EL ORIGEN Y COMPOSICIÓN DEL PETRÓLEO
¿CÓMO SE FORMÓ EL PETRÓLEO?
EXISTEN varias teorías sobre la formación del petróleo. Sin embargo, la más aceptada es la teoría orgánica que supone que se originó por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos.
Esta materia orgánica se cubrió paulatinamente con capas cada vez más gruesas de sedimentos, al abrigo de las cuales, en determinadas condiciones de presión, temperatura y tiempo, se transformó lentamente en hidrocarburos (compuestos formados de carbón e hidrógeno), con pequeñas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, y trazas de metales como fierro, cromo, níquel y vanadio, cuya mezcla constituye el petróleo crudo.
Estas conclusiones se fundamentan en la localización de los mantos petroleros, ya que todos se encuentran en terrenos sedimentarios. Además los compuestos que forman los elementos antes mencionados son característicos de los organismos vivientes.
Ahora bien, existen personas que no aceptan esta teoría. Su principal argumento estriba en el hecho inexplicable de que si es cierto que existen más de 30 000 campos petroleros en el mundo entero, hasta ahora sólo 33 de ellos constituyen grandes yacimientos. De esos grandes yacimientos 25 se encuentran en el Medio Oriente y contienen más del 60% de las reservas probadas de nuestro planeta.
Uno se pregunta entonces: ¿Cómo es posible que tantos animales hayan muerto en menos del 1% de la corteza terrestre, que es el porcentaje que le corresponde al Medio Oriente?
Figura 4. El Medio Oriente almacena el 60% de las reservas mundiales de petróleo.
Indudablemente que la respuesta a esta pregunta, si la teoría orgánica es válida, sólo se puede encontrar en la Biblia, donde se describe al Edén como un lugar rodeado por cuatro ríos (siendo uno de ellos el Éufrates), en cuyo centro se encuentra el "Árbol de la Vida".
Esta respuesta probablemente no suena muy científica, pero ¿acaso no justifica el hecho de que el Medio Oriente contenga el cementerio de animales más grande del mundo, origen de sus reservas petroleras, si la teoría orgánica es cierta?
Naturalmente que existen otras teorías que sostienen que el petróleo es de origen inorgánico o mineral. Los científicoss soviéticos son los que más se han preocupado por probar esta hipótesis. Sin embargo estas proposiciones tampoco se han aceptado en su totalidad.
Una versión interesante de este tema es la que publicó Thomas Gold en 1986. Este científico europeo dice que el gas natural (el metano) que suele encontrarse en grandes cantidades en los yacimientos petroleros, se pudo haber generado a partir de los meteoritos que cayeron durante la formacion de la Tierra hace millones de años.
Los argumentos que presenta están basados en el hecho de que se han encontrado en varios meteoritos más de 40 productos químicos semejantes al kerógeno, que se supone es el precursor del petróleo.
Y como los últimos descubrimientos de la NASA han probado que las atmósferas de los otros planetas tienen un alto contenido de metano, no es de extrañar que esta teoría esté ganando cada día más adeptos.
Podemos concluir que a pesar de las innumerables investigaciones que se han realizado, no existe una teoría infalible que explique sin lugar a dudas el origen del petróleo pues ello implicaría poder descubrir los orígenes de la vida misma.
¿QUÉ ES EL PETRÓLEO?
Cualquiera que tenga un cierto sentido de observación puede describir el petróleo como un líquido viscoso cuyo color varía entre amarillo y pardo obscuro hasta negro, con reflejos verdes. Además tiene un olor característico y flota en el agua.
Pero si se desea saber todo lo que se puede hacer con el petróleo, esta definición no es suficiente. Es necesario profundizar el conocimiento para determinar no sólo sus propiedades físicas sino también las propiedades químicas de sus componentes.
Como dijimos anteriormente, el petróleo es una mezcla de hidrocarburos, compuestos que contienen en su estructura molecular carbono e hidrógeno principalmente.
El número de átomos de carbono y la forma en que están colocados dentro de las moléculas de los diferentes compuestos proporciona al petróleo diferentes propiedades físicas y químicas. Así tenemos que los hidrocarburos compuestos por uno a cuatro átomos de carbono son gaseosos, los que contienen de 5 a 20 son líquidos, y los de más de 20 son sólidos a la temperatura ambiente.
El petróleo crudo varía mucho en su composición, lo cual depende del tipo de yacimiento de donde provenga, pero en promedio podemos considerar que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno.
Mientras mayor sea el contenido de carbón en relación al del hidrógeno, mayor es la cantidad de productos pesados que tiene el crudo. Esto depende de la antigüedad y de algunas características de los yacimientos. No obstante, se ha comprobado que entre más viejos son, tienen más hidrocarburos gaseosos y sólidos y menos líquidos entran en su composición.
Algunos crudos contienen compuestos hasta de 30 a 40 átomos de carbono.
Figura 5. Extracción de petróleo en tierra.
Figura 6. Extracción de petróleo en el mar.
En la composición del petróleo crudo también figuran los derivados de azufre (que huelen a huevo podrido), además del carbono e hidrógeno.
Además, los crudos tienen pequeñas cantidades, del orden de partes por millón, de compuestos con átomos de nitrógeno, o de metales como el fierro, níquel, cromo, vanadio, y cobalto.
Por lo general, el petróleo tal y como se extrae de los pozos no sirve como energético ya que requiere de altas temperaturas para arder, pues el crudo en sí está compuesto de hidrocarburos de más de cinco átomos de carbono, es decir, hidrocarburos líquidos. Por lo tanto, para poder aprovecharlo como energético es necesario separarlo en diferentes fracciones que constituyen los diferentes combustibles como el gasavión, gasolina, turbosina, diesel, gasóleo ligero y gasóleo pesado.
Los métodos para llevar a cabo esta separación se describirán en el siguiente capítulo.
III. SEPARACIÓN DEL PETRÓLEO EN SUS FRACCIONES
¿CÓMO se puede separar en diferentes fracciones el petróleo? El sentido común dice que hay que calentarlo. Así, a medida que sube la temperatura, los compuestos con menos átomos de carbono en sus moléculas (y que son gaseosos) se desprenden fácilmente; después los compuestos líquidos se vaporizan y también se separan, y así, sucesivamente, se obtienen las diferentes fracciones.
En las refinerías petroleras, estas separaciones se efectúan en las torres de fraccionamiento o de destilación primaria.
Para ello, primero se calienta el crudo a 400 °C para que entre vaporizado a la torre de destilación. Aquí los vapores suben a través de pisos o compartimentos que impiden el paso de los líquidos de un nivel a otro. Al ascender por los pisos los vapores se van enfriando.
Figura 7. Refinería petrolera.
Figura 8. Principales fracciones del crudo
Este enfriamiento da lugar a que en cada uno de los pisos se vayan condensando distintas fracciones, cada una de las cuales posee una temperatura específica de licuefacción.
Los primeros vapores que se licúan son los del gasóleo pesado a 300 °C aproximadamente, después el gasóleo ligero a 200 °C; a continuación, la kerosina a 175 °C, la nafta y por último, la gasolina y los gases combustibles que salen de la torre de fraccionamiento todavía en forma de vapor a 100 °C. Esta última fracción se envía a otra torre de destilación en donde se separan los gases de la gasolina.
Ahora bien, en esta torre de fraccionamiento se destila a la presión atmosférica, o sea, sin presión. Por lo tanto, sólo se pueden separar sin descomponerse los hidrocarburos que contienen de 1 a 20 átomos de carbono.
Para poder recuperar más combustibles de los residuos de la destilación primaria es necesario pasarlos por otra torre de fraccionamiento que trabaje a alto vacío, o sea a presiones inferiores a la atmosférica para evitar su descomposición térmica, ya que los hidrocarburos se destilarán a más baja temperatura.
En la torre de vacío se obtienen sólo dos fracciones, una de destilados y otra de residuos.
De acuerdo al tipo de crudo que se esté procesando, la primera fracción es la que contiene los hidrocarburos que constituyen los aceites lubricante y las parafinas, y los residuos son los que tienen los asfaltos y el combustóleo pesado.
El cuadro 2 nos describe aproximadamente el número de átomos de carbono que contienen las diferentes fracciones antes mencionadas.
CUADRO 2. Mezcla de hidrocarburos obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo
En este cuadro incluimos los gases incondensables y el gas licuado (LP) porque éstos se encuentran disueltos en el crudo que entra a la destilación primaria, a pesar de que se suele eliminarlos al máximo en las torres de despunte que se encuentran antes de precalentar el crudo de fraccionadores.
De los gases incondensables el metano es el hidrocarburo más ligero, pues contiene sólo un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. El que sigue es el etano, que está compuesto por dos de carbono y seis de hidrógeno.
El primero es el principal componente del gas natural. Se suele vender como combustible en las ciudades, en donde se cuenta con una red de tuberías especiales para su distribución. Este combustible contiene cantidades significativas de etano.
El gas LP es el combustible que se distribuye en cilindros y tanques estacionarios para casas y edificios. Este gas está formado por hidrocarburos de tres y cuatro átomos de carbono denominados propano y butano respectivamente.
La siguiente fracción está constituida por la gasolina virgen, que se compone de hidrocarburos de cuatro a nueve átomos de carbono, la mayoría de cuyas moléculas están distribuidas en forma lineal, mientras que otras forman ciclos de cinco y seis átomos de carbono. A este tipo de compuestos se les llama parafínicos y cicloparafínicos respectivamente.
Esta gasolina, tal cual, no sirve para ser usada en los automóviles; en el siguiente capítulo se explicará por qué.
La fracción que contiene de 10 a 14 átomos de carbono tiene una temperatura de ebullición de 174 a 288 °C, que corresponde a la fracción denominada kerosina, de la cual se extrae el combustible de los aviones de turbina llamado turbosina.
La última fracción que se destila de la torre primaria es el gasóleo, que tiene un intervalo de ebullición de 250 a 310 °C y contiene de 15 a 18 átomos de carbono. De aquí se obtiene el combustible llamado diesel, que, como ya dijimos, sirve para los vehículos que usan motores diesel como los tractores, locomotoras, camiones, trailers y barcos.
De los destilados obtenidos al vacío, aquellos que por sus características no se destinen a lubricantes se usarán como materia prima para convertirlos en combustibles ligeros como el gas licuado, la gasolina de alto octano, el diesel, la kerosina y el gasóleo.
El residuo de vacío contiene la fracción de los combustóleos pesados que se usan en las calderas de las termoeléctricas.
De todo lo que hemos descrito en este capítulo, se ve claramente cómo casi el total de cada barril de petróleo que se procesa en las refinerías se destina a la fabricación de combustibles. La cantidad de gasolina virgen obtenida depende del tipo de petróleo crudo (pesado o ligero), ya que en cada caso el porcentaje de esta fracción es variable.
Como dijimos al principio, la gasolina es el combustible que tiene mayor demanda; por lo tanto, la cantidad de gasolina natural que se obtiene de cada barril siempre es insuficiente, aun cuando se destilen crudos ligeros, que llegan a tener hasta 30% de este producto. Además, las características de esta gasolina no llenan las especificaciones de octanaje necesarias para los motores de los automóviles.
Para resolver estos problemas los científicos han desarrollado una serie de procesos para producir más y mejores gasolinas a partir de otras fracciones del petróleo.
Pero para poder comprender lo anterior es necesario describir antes cómo trabaja un motor de combustión interna y qué significa el índice de octano de una gasolina, temas de los cuales hablaremos a continuación.
XIII. CONCLUSIONES
NO importa en donde estemos, sea en la cocina, en el taller, en la escuela, en la oficina, en el hospital, en el campo, en la fábrica, estamos rodeados de productos derivados de la industria petroquímica.
En términos generales se puede considerar que el gas natural, el gas LP, y varios de los hidrocarburos contenidos en las gasolinas de alto octano, son los principales proveedores de las materias primas básicas para la industria petroquímica.
Las olefinas y los aromáticos obtenidos de los productos antes mencionados son las piedras angulares sobre las que descansa la industria de los materiales sintéticos.
Indudablemente que no se cubrieron en este libro todos los aspectos de estos temas, ya que no se pretendió ser exhaustivo. Pero sí quisimos presentar los últimos descubrimientos y aplicaciones de la petroquímica para que el lector pudiera comprobar que aún hay mucho futuro en el fascinante mundo de la química del petróleo.
México es un país rico en petróleo, pero debemos comprender que para que esta riqueza natural sirva para cubrir nuestras necesidades en materia de vestido, salud, alimentación, vivienda, transporte, etc., es indispensable tener suficiente conocimiento para generar la tecnología de transformación.
Para ello hace falta el trabajo y talento tanto de científicos de todas las ramas de la ciencia, como de toda clase de personal técnico como son los químicos, bioquímicos, ingenieros de todas las especialidades, etc.
El trabajo científico nos permite establecer la comprensión y la explicación de causas, principios, procesos y leyes universales, con el fin de incrementar la relación entre el hombre y la naturaleza, independientemente del contexto político y social circundante, logrando con ello encontrar los satisfactores de necesidades comunes a la mayoría de los seres humanos. El científico no crea nada en el sentido absoluto, ya que el Creador del Universo es el que colocó al hombre en un mundo lleno de maravillas que sencillamente había que descubrir y desarrollar para solucionar los problemas que poco a poco han ido apareciendo a través de la historia humana. ¡Qué bueno que el hombre tenga el reto permanente de encontrar nuevas respuestas a sus necesidades, aplicando hoy algo que aprendió ayer, basándose en lo que otro había hecho anteayer! Es así como siempre existe la esperanza de desarrollar algo mejor, porque creemos que estamos lejos de agotar todas las posibilidades de conocimiento de nuestro planeta, sobre todo en esta área de la química del petróleo.
Por otro lado, la tecnología consiste en aplicar los conocimientos científicos y empíricos para solucionar los problemas actuales que se definen en función de las necesidades económicas, políticas o sociales de una sociedad o grupo en particular. Por lo tanto, podemos decir que el desarrollo tecnológico de un país no implica usar las tecnologías de los países desarrollados sino tratar de cubrir sus necesidades con sus propios recursos tanto humanos como materiales.
En cuanto al resto de la población, la ayuda más grande que puede proporcionarle al país es hacer un uso más racional de los energéticos como son el gas, la gasolina y la electricidad (generada con combustóleos), pues esto equivale a reducir el uso de la madera de los bosques para producir leña y carbón, a fin de poder contar con más material para hacer muebles y papel, de acuerdo a la ilustración descrita al iniciar este libro.
El pago al presente esfuerzo colectivo será el de garantizarle a las futuras generaciones el poder de disfrutar de los beneficios que brindan los productos derivados de la petroquímica en todos los aspectos de la vida cotidiana.
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