1 Leyes ponderales

Del análisis de las ecuaciones de las que se dispone se extrae lo siguiente:  En la ecuación (1) aparece la glucosa, que es el reactivo necesario para llevar a cabo la reacción global. La estequiometría además coincide con la que hace falta, por lo que esta reacción se sumará como está.  En la ecuación (2) aparece el etanol, pero está en los reactivos, por lo que esta ecuación habrá que invertirla. Además, para que coincida la estequiometría, será necesario multiplicar la reacción de combustión del etanol por 2. De manera global, la ecuación (2) se deberá multiplicar por (–2).

La combinación lineal de las ecuaciones necesaria para conseguir la reacción de fermentación de la glucosa será: (1) + (2) × (–2):

(1) C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + (–2) × (2) 4 CO2 (g) + 6 H2O (l) → 2 C2H5OH (l) + 6 O2 (g)

C6H12O6 (s) → 2 CO2 (g) + 2 C2H5OH (l)

Se obtendría: C6H12O6 (s) → 2 C2H5OH (l) + 2 CO2 (g)

Esta combinación es correcta para obtener la ecuación química a la cual se quería determinar la entalpía de reacción. Por tanto, el valor correspondiente para dicha entalpía será el resultado de establecer la misma combinación con los correspondientes calores de las reacciones de combustión. ΔH 0 = ΔH c 0 glucosa + (–2) × ΔH c 0 etanol = –2813 kJ/mol + [(–2) × (– 1367 kJ/mol)] = –79 kJ/mol Cálculo de la energía desprendida en la obtención de 6,5 g de etanol: Mm etanol = 46 g/mol 6,5 g etanol × 1 mol etanol 46 g etanol × 1 mol glucosa 2 moles etanol × –79 kJ 1 mol glucosa = –5,58 kJ

Para obtener 6,5 g de etanol se liberarán 5,58 kJ de energía.

24 Calcula la entalpía estándar de hidrogenación del etino, C2H2, para dar etano, C2H6, a partir de los siguientes datos: – Entalpía estándar de combustión del etino = –1 297 kJ/mol. – Entalpía estándar de combustión de hidrógeno = –285,8 kJ/mol. – Entalpía estándar de combustión de etano = –1 550,2 kJ/mol.

Solución: –318,4 kJ/mol. 25 Determina la variación de entalpía estándar para la reacción de formación del monóxido de nitrógeno a partir de sus elementos constituyentes. Utiliza para ello la ley de Hess, combinando adecuadamente las siguientes reacciones: 1 2 N2 (g) + 3 2 H2 (g) → NH3 (g); ∆Hf 0 = –46,11 kJ/mol. H2 (g) + O2 (g) → H2O (l); ∆Hf 0 = –285,8 kJ/mol. NH3 (g) + 5 4 O2 (g) → NO (g) + 3 2 H2O (l ); ∆Hr 0 = –292,3 kJ.

Solución: 90,3 kJ/mol.

Hasta hace pocas décadas, los residuos urbanos de cualquier naturaleza, química u orgánica, eran mezclados y eliminados sin ningún tipo de control. Actualmente existe una concienciación por parte de la sociedad, de la importancia de separar estos residuos según su naturaleza y composición con el fin de que cada uno reciba el tratamiento adecuado para minimizar los efectos contaminantes.

El grupo de Transferencia de electrones en sistemas biológicos del Instituto de Bioquímica vegetal y fotosíntesis, junto con la universidad de Sevilla, investiga unas microalgas, de la familia de las diatomeas presentes en los océanos. El objetivo es el diseño de una diatomea modificada que sea capaz de crecer en ausencia de hierro, lo que supondría aumentar la producción fotosintética en el océano y contribuir así a combatir el cambio climático. A lo largo de los años, el desarrollo de la industria química ha mejorado enormemente la duración y calidad de vida de las personas. Sin embargo, la sociedad suele asociar productos e industria química con amenaza para el medioambiente.

El hecho de que muchos materiales de desecho de los procesos químicos, residuos químicos urbanos, o vertidos gaseosos fueran expulsados al medioambiente sin demasiados controles, a lo largo de los años, ha provocado algunos efectos medioambientales nocivos, que refuerzan la asociación de la industria química como perjudicial para la salud. A continuación, se describen algunos ejemplos que han sido determinantes para que la Química tome conciencia de que es de vital importancia equilibrar los procedimientos de producción de sustancias, con los de eliminación y control de residuos:

 Destrucción de la capa de ozono como consecuencia de la emisión que durante décadas se realizó a la atmósfera de gases de la familia de los clorofluorocarbonados (CFC), utilizados en pulverizadores y frigoríficos, y de gases emitidos por la industria química como los óxidos de nitrógeno. Esto provoca numerosos problemas de salud asociados con la piel, debido a la reducción del espesor de la barrera natural que constituye la capa de ozono con respecto a la radiación UV.

Radiación UV

CFCl2 CFCl3

Radical de cloro Radical de cloro libre

Ozono O3

Monóxido de cloro

O2

Figura 5.23.

Reacciones químicas que desencadenan la destrucción de la capa de ozono.

 Aumento de enfermedades de diversa naturaleza, provocadas por la exposición a sustancias químicas dañinas para la salud.

 El efecto invernadero potenciado por la gran cantidad de emisiones de

CO2 a la atmósfera, como producto de las reacciones de combustión de hidrocarburos. Este efecto contribuye en gran medida al calentamiento global.

Figura 5.24.

Reacciones químicas que potencian el efecto invernadero.

1 Parte de la radiación solar es reflejada por la superficie terrestre y parte es absorbida, calentándola. 2 Este calentamiento provoca la emisión de radiación infrarroja. Una parte se refleja al espacio como luz infrarroja o calor. 3 Otra parte de la luz infrarroja sobrecalienta la Tierra al ser absorbida por los gases de invernadero (CH4, CO2 y H2O) y quedarse en la atmósfera.

1 2

3

Estos efectos, junto con otros muchos derivados de la producción y uso de productos químicos, han sido los detonantes de que, desde hace décadas, se hayan ido revisando los efectos perniciosos que pueden llevar asociados algunos procesos, que en el pasado se desconocían. De esta manera, es el propio avance de la Química el que está intentando resolver los problemas medioambientales que genera su propia industria. Las actuaciones se llevan a cabo desde el punto de vista legislativo, en el cual se imponen leyes que las industrias deben acatar en materia de conservación del medioambiente (ISO14 000); y desde el punto de vista del proceso, en la propia industria, revisando cada una de las etapas de fabricación. A continuación, se indican algunas de estas actuaciones:  Revisión de formulaciones o protocolos de fabricación de productos, eliminando las sustancias peligrosas de las fórmulas o procesos. Se realiza sustituyendo los productos nocivos que intervienen en las fórmulas por otros que, cumpliendo las mismas propiedades, no lo sean; o haciendo reaccionar las sustancias que se obtienen como subproductos indeseables con otros reactivos con el fin de conseguir productos de reacción inocuos para la salud.  Desarrollo de aditivos que se añaden a los hidrocarburos para mejorar el rendimiento en las combustiones y minimizar así las emisiones de CO2 a la atmósfera.  Gestión de residuos en las empresas, que exige la separación y recogida de estos productos, en función de su naturaleza, en envases especiales para cada tipo de producto, con el fin de que las empresas dedicadas al tratamiento de estos residuos lo hagan adecuadamente. Por otra parte, la Química, junto con otras disciplinas como la Biología o la Tecnología, está inmersa en el desarrollo de procesos que mejoren nuestra calidad de vida pero que mantengan el equilibrio con el medioambiente, es decir, que no exijan protocolos de actuación paralelos para minimizar los efectos perniciosos que generan:  Desarrollo de fuentes de energía que no estén basadas en la combustión de hidrocarburos o en la fisión de elementos radiactivos como el uranio, que genera el problema del tratamiento de los residuos. Estas fuentes, por un lado, aprovechan recursos naturales como el sol, en los paneles solares; o el viento, en los aerogeneradores. Por otra parte, se investiga en el desarrollo del hidrógeno como combustible limpio (fig. 5.25), a nivel cotidiano, usado por ejemplo en automoción; o a gran escala con la fusión nuclear como solución energética a corto o medio plazo.  Obtención de novedosas maneras de generar combustibles como pueden ser la fabricación de estos a partir de desechos orgánicos o plásticos de difícil reciclado.  Diseño de materiales utilizados en construcción como, por ejemplo, las placas aislantes de poliestireno expandido (EPS), que hacen que las pérdidas de energía en una vivienda se minimicen (fig. 5.26).

26 Para eliminar el manganeso sobrante generado en la producción de acero, se le hace reaccionar con oxígeno en una primera etapa para obtener monóxido de manganeso. Dicho compuesto se hace reaccionar, a su vez, con sílice y se obtienen silicatos de manganeso como producto final menos contaminante. Si se tienen que eliminar 1,25 kg de manganeso, calcula: a) La cantidad de oxígeno necesaria para oxidar todo el metal. b) La masa de monóxido de manganeso que se formará a partir de la cantidad de partida de metal, suponiendo un rendimiento del 85 %.

Solución: a) 11,4 moles; b) 1 372,2 g

Entrada de hidrógeno

H

Entrada de aire filtrado

Salida de agua pura

Figura 5.25.

El hidrógeno se ioniza en el ánodo de la pila, generando protones que reaccionan con el oxígeno del aire dando lugar a vapor de agua. La energía producida en el proceso químico se aprovecha para la obtención de electricidad.

Figura 5.26.

Placas aislantes de EPS. Su uso permite un ahorro energético importante en la climatización de los edificios, además de ser un material bastante resistente que amortigua muy bien los impactos.

ANÁLISIS DE UN TEXTO

Producción de combustibles a partir de residuos plásticos de uso doméstico

Los materiales plásticos son polímeros que tienen unidades de monómeros que se repiten dentro de la estructura. Existen numerosas combinaciones que dan lugar a polímeros con una gran variedad de propiedades. Este hecho, junto con su fácil y económico procesado, los convierte en los materiales más utilizados desde hace décadas. Los plásticos se utilizan en diversos sectores como envases, agricultura, automoción, construcción, etc. Este hecho origina que se generen, a diario, toneladas de residuos que no se degradan fácilmente; esto, unido a que las materias primas de estos polímeros son derivados del petróleo, constituyen los motivos fundamentales por los cuales es muy importante la gestión, tratamiento y reciclado de estos materiales. El proceso de reciclado de plásticos no es sencillo, requiere de una buena gestión inicial en la que es necesario separar cada tipo de plástico de los demás. Las técnicas de reciclado desarrolladas hasta ahora, están diseñadas para cada tipo de material, incluso existen muchos de ellos para los que aún no se conoce la manera de reutilizarlos adecuadamente. En función del tipo de plástico del que se disponga, existen tres técnicas generales de reciclado:  Reciclado mecánico: esta técnica está basada en la separación de cada tipo de material, los cuales, una vez separados, se lavan y trituran para convertirlos en trozos más pequeños. Estos trozos se funden para volver a moldear nuevas piezas.  Reciclado químico: consiste en la degradación del plástico a muy elevada temperatura, obteniendo las moléculas sencillas que pueden ser materias primas, a su vez, para generar otros productos.  Recuperación energética: se trata de llevarlos a una incineradora en la cual se queman y, debido al elevado poder calorífico de los mismos, se obtiene energía. El reciclado químico es el que se utiliza en la producción de combustibles, concretamente, la técnica de despolimerización térmica. Esta técnica se puede realizar, dependiendo de los productos que se quieran obtener, de tres formas distintas:  Pirólisis: este proceso se lleva a cabo a temperaturas superiores a 450 °C, suficiente para poder romper enlaces entre carbonos. Permite obtener monómeros recuperados de los polímeros iniciales, pero muy contaminados con subproductos, además de obtenerse muy bajos rendimientos.  Hidrogenación: se realiza en presencia de hidrógeno a temperaturas más moderadas, pero a elevadas presiones. Esta técnica origina productos altamente saturados que pueden usarse directamente como combustibles. Permite el tratamiento con mezclas de plásticos, obteniendo hidrocarburos líquidos que se pueden usar como combustibles.  Craqueo térmico: esta técnica permite la ruptura de las cadenas poliméricas a elevadas temperaturas, entre 500 - 800 °C, en ausencia de oxígeno. El producto obtenido es una mezcla heterogénea de hidrocarburos, sólidos, líquidos y gases. Fuente: www.cedexmateriales.es

Residuo (coque) 2 %

Figura 5.27.

Producción de gasolina y diésel con plásticos de desecho.

Gas L. P. 5 % Parafina 5 % Queroseno 12 % Gasolina 48 %

Diésel 28 %

Cuestiones

1. Indica las ventajas e inconvenientes que puede tener el reciclado químico de plásticos frente al reciclado mecánico tradicionalmente utilizado.

2. ¿Qué técnica, de las tres enumeradas, crees que obtendrá mejores rendimientos en la producción de combustibles de uso doméstico?