Tema 63

El petroli és una mescla natural d'hidrocarburs que constitueix, encara hui, la principal font d'energia primària del planeta i la matèria primera de la qual procedeixen la majoria dels materials orgànics de síntesi. Estudiar la seua química significa recórrer un itinerari que va des de la geoquímica del seu origen fins a la enginyeria del refinatge, i des de la combustió que mou el transport mundial fins a la petroquímica que fabrica plàstics, fibres, medicaments i fertilitzants.

En el temari d'oposicions (cos 590-007) aquest tema s'inscriu en el bloc de química aplicada i industrial, i enllaça de manera natural amb els temes de química del carboni, hidrocarburs, energies i contaminació. El seu tractament exigeix combinar rigor químic —estructura i reactivitat dels hidrocarburs— amb una mirada tecnològica, mediambiental i social, molt adequada per a l'enfocament competencial del currículum actual. Desenvolupem a continuació les quatre grans qüestions que enuncia el títol: la química del petroli, els seus productes derivats, la contaminació associada al seu ús amb la normativa vigent i la seua comparació com a combustible amb el gas natural i el carbó.

1. Química del petroli

Origen i composició

El petroli té un origen orgànic i sedimentari. Es forma a partir de la matèria orgànica (fonamentalment restes de plàncton i algues) dipositada amb els sediments en conques marines. Enterrada i sotmesa a pressió i temperatura creixents, aquesta matèria es transforma primer en querògen (diagènesi) i, després, en assolir l'anomenada finestra del petroli (aproximadament $60\text{–}120\ ^{\circ}\mathrm{C}$), es descompon en hidrocarburs líquids i gasosos per catagènesi. El procés requereix milions d'anys, la qual cosa justifica el seu caràcter de recurs no renovable.

El cru és una mescla enormement complexa els components majoritaris de la qual són hidrocarburs, agrupats en tres grans famílies:

• Alcans o parafines ($\mathrm{C_nH_{2n+2}}$): de cadena lineal o ramificada. Són els més abundants en molts crus.
• Cicloalcans o naftens ($\mathrm{C_nH_{2n}}$): hidrocarburs de cadena tancada, com el ciclopentà i el ciclohexà.
• Aromàtics: derivats del benzé ($\mathrm{C_6H_6}$), com el toluè i els xilens, molt valorats per la seua reactivitat i el seu elevat índex d'octà.

Juntament amb ells apareixen, en proporcions menors però determinants, heterocompostos de sofre, nitrogen i oxigen, així com metalls (níquel, vanadi). El contingut de sofre defineix el cru com a dolç (baix en sofre) o àcid (alt en sofre), una dada clau per les seues implicacions ambientals. Segons la seua densitat es classifiquen en crus lleugers, mitjans o pesants, emprant l'escala API, en la qual a major grau API menor densitat.

El refinatge: separació i transformació

El cru, tal com s'extrau, no té utilitat directa: cal refinar-lo per separar les seues fraccions i transformar-les en productes de valor. La primera operació és la destil·lació fraccionada, que aprofita les diferències de punt d'ebullició. En la torre de fraccionament, el cru calfat se separa per altures: els gasos i les fraccions lleugeres (naftes) ascendeixen i condensen en la part alta, mentre que els productes pesants (gasoils, fueis, residu asfàltic) es recullen en la base.

| Fracció | Núm. aprox. de carbonis | Interval d'ebullició | |---|---|---| | Gasos (GLP) | $\mathrm{C_1\text{–}C_4}$ | $< 20\ ^{\circ}\mathrm{C}$ | | Nafta / gasolina | $\mathrm{C_5\text{–}C_{10}}$ | $40\text{–}180\ ^{\circ}\mathrm{C}$ | | Querosè | $\mathrm{C_{10}\text{–}C_{16}}$ | $180\text{–}250\ ^{\circ}\mathrm{C}$ | | Gasoil (dièsel) | $\mathrm{C_{15}\text{–}C_{20}}$ | $250\text{–}350\ ^{\circ}\mathrm{C}$ | | Fueloil i residus | $> \mathrm{C_{20}}$ | $> 350\ ^{\circ}\mathrm{C}$ |

La destil·lació no basta, perquè la demanda de fraccions lleugeres (gasolines) supera amb molt la que ofereix el cru. Per això es recorre a processos de conversió que reorganitzen les molècules:

• Craqueig (cracking): ruptura de cadenes llargues en altres més curtes. El craqueig tèrmic i, sobretot, el craqueig catalític (FCC) sobre zeolites augmenten el rendiment en gasolines. Un exemple esquemàtic:

$$\mathrm{C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}}$$

• Reformat catalític (reforming): converteix naftes de baix octanatge en aromàtics i hidrogen, elevant la qualitat antidetonant. Per exemple, la deshidrogenació del ciclohexà a benzé:

$$\mathrm{C_6H_{12} \rightarrow C_6H_6 + 3\,H_2}$$

• Isomerització: transforma alcans lineals en ramificats, de major octanatge (per exemple, $n$-butà en isobutà).
• Alquilació i polimerització: uneixen molècules xicotetes per formar components de gasolina d'alt índex d'octà.
• Hidrotractament / hidrodesulfuració: elimina el sofre en forma de sulfur d'hidrogen, $\mathrm{H_2S}$, indispensable per obtenir combustibles nets.

La qualitat d'un combustible es mesura amb índexs normalitzats. L'índex de octà quantifica la resistència d'una gasolina a la detonació (el picat del motor); es defineix assignant el valor $100$ a l'isooctà (2,2,4-trimetilpentà) i el $0$ a l'$n$-heptà. L'índex de cetà fa l'anàleg per al gasoil, mesurant la facilitat d'autoignició desitjable en el motor dièsel. Figures com Eugene Houdry (craqueig catalític) o Vladímir Ipátiev (catàlisi del petroli) van fer possible la moderna indústria del refinatge.

2. Productes derivats i la seua utilitat en el món actual

Els productes del petroli s'agrupen en dos grans destins: energètic (combustibles) i material (petroquímica).

Usos energètics

La major part del cru es destina a combustibles:

• Gasos liquats del petroli (GLP): propà i butà, per a ús domèstic i industrial.
• Gasolines: carburant dels motors d'encesa per espurna (cicle Otto).
• Querosè: combustible d'aviació (jet fuel).
• Gasoil (dièsel): motors d'encesa per compressió, transport pesant.
• Fueloil: calderes industrials, generació elèctrica i propulsió marina.

L'energia s'allibera en la combustió, una oxidació exotèrmica. Per a un alcà genèric:

$$\mathrm{C_nH_{2n+2} + \tfrac{3n+1}{2}\,O_2 \rightarrow n\,CO_2 + (n+1)\,H_2O}$$

Per exemple, per a l'octà, component representatiu de la gasolina:

$$\mathrm{2\,C_8H_{18} + 25\,O_2 \rightarrow 16\,CO_2 + 18\,H_2O}$$

Usos no energètics: lubricants, asfalts i petroquímica

A més d'ardre, el petroli és la matèria primera d'una indústria immensa:

• Lubricants i greixos, obtinguts de les fraccions pesants.
• Asfalts i betums, del residu de destil·lació, per a ferms de carreteres i impermeabilització.
• Parafines, dissolvents i ceres.

Però el gran protagonista és la petroquímica. A partir de la nafta, mitjançant craqueig amb vapor (steam cracking), s'obtenen els productes petroquímics bàsics: olefines lleugeres (etilè $\mathrm{C_2H_4}$, propilè $\mathrm{C_3H_6}$, butadiè) i aromàtics BTX (benzé, toluè, xilens). Aquestes molècules són la base de quasi tota la química orgànica industrial:

• Plàstics: polietilè, polipropilè, PVC, poliestirè, PET.
• Fibres sintètiques: niló, polièster.
• Cautxús sintètics i elastòmers.
• Detergents, dissolvents, pintures i adhesius.
• Fertilitzants i productes fitosanitaris.
• Matèries primeres farmacèutiques i multitud d'intermedis de síntesi.

La polimerització de l'etilè il·lustra aquest salt del combustible al material:

$$\mathrm{n\,C_2H_4 \rightarrow {-}(CH_2{-}CH_2){-}_n}$$

Es comprén així que el petroli siga molt més que un combustible: la societat contemporània depèn dels seus derivats en l'alimentació, la sanitat, la construcció i la informàtica. La comprensió de l'estructura del benzé, deguda a August Kekulé, va ser una fita que va obrir la porta a tota aquesta química aromàtica industrial.

3. Contaminació derivada del seu ús i normativa vigent

L'ús massiu del petroli té un elevat cost ambiental que es manifesta en totes les etapes del seu cicle: extracció, transport, refinatge i, sobretot, combustió.

Contaminants de la combustió

Encara que la combustió completa produeix $\mathrm{CO_2}$ i $\mathrm{H_2O}$, en les condicions reals dels motors i calderes es generen nombrosos contaminants:

• Diòxid de carboni ($\mathrm{CO_2}$): principal gas d'efecte hivernacle antropogènic, responsable de l'escalfament global. No és tòxic, però la seua acumulació altera el balanç radiatiu del planeta.
• Monòxid de carboni ($\mathrm{CO}$): producte de la combustió incompleta per defecte d'oxigen; tòxic, s'uneix a l'hemoglobina impedint el transport d'oxigen:

$$\mathrm{2\,C_8H_{18} + 17\,O_2 \rightarrow 16\,CO + 18\,H_2O}$$

• Òxids de sofre ($\mathrm{SO_x}$): procedeixen del sofre present en el cru. Juntament amb els de nitrogen són els causants de la pluja àcida:

$$\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}, \qquad \mathrm{2\,SO_2 + O_2 \rightarrow 2\,SO_3}$$ $$\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$$

• Òxids de nitrogen ($\mathrm{NO_x}$): es formen per l'oxidació del nitrogen de l'aire a les altes temperatures de la combustió, i participen en la pluja àcida i en la boira fotoquímica:

$$\mathrm{N_2 + O_2 \rightarrow 2\,NO}, \qquad \mathrm{2\,NO + O_2 \rightarrow 2\,NO_2}$$

• Hidrocarburs no cremats i compostos orgànics volàtils (COV): juntament amb els $\mathrm{NO_x}$ i sota la radiació solar generen ozó troposfèric, un oxidant nociu, mitjançant processos com:

$$\mathrm{NO_2 + h\nu \rightarrow NO + O}, \qquad \mathrm{O + O_2 \rightarrow O_3}$$

• Partícules en suspensió (sutja, PM$_{10}$ i PM$_{2{,}5}$), especialment en els motors dièsel, amb efectes respiratoris i carcinògens reconeguts.

Altres impactes i mesures correctores

Al marge de la combustió, destaquen els abocaments i marees negres durant el transport marítim, amb greus danys als ecosistemes costaners, i la contaminació de sòls i aqüífers. Entre les mesures correctores figuren la hidrodesulfuració dels combustibles, els catalitzadors de tres vies en els vehicles —que redueixen simultàniament $\mathrm{CO}$, $\mathrm{NO_x}$ i hidrocarburs—, segons reaccions com:

$$\mathrm{2\,CO + 2\,NO \rightarrow 2\,CO_2 + N_2}$$

i els filtres de partícules, a més de la millora de l'eficiència dels motors.

Normativa vigent

El marc regulatori és ampli i multinivell. En el pla internacional, el Protocol de Kyoto (1997) i l'Acord de París (2015) fixen objectius de reducció de gasos d'efecte hivernacle. En l'europeu, les normes Euro (Euro 6 en vigor) limiten progressivament les emissions dels vehicles, i distintes directives regulen la qualitat de l'aire i dels combustibles (contingut màxim de sofre). A Espanya, la Ley 34/2007 de calidad del aire y protección de la atmósfera i la Ley 7/2021 de cambio climático y transición energética —que preveu la reducció de vehicles amb emissions directes cap a 2040-2050— articulen la resposta nacional, en el marc del Pacte Verd Europeu i el seu objectiu de neutralitat climàtica el 2050. Aquestes polítiques impulsen la transició des dels combustibles fòssils cap a fonts renovables i l'electrificació.

4. Comparació, en la seua utilització com a combustible, amb el gas i el carbó

El petroli, el gas natural i el carbó són els tres grans combustibles fòssils. Comparteixen origen (matèria orgànica fossilitzada) però difereixen en composició, poder calorífic i impacte ambiental. La clau química resideix en la relació hidrogen/carboni de cadascun: com major és aquesta relació, més energia procedeix de la formació d'aigua i menys $\mathrm{CO_2}$ s'emet per unitat d'energia.

• Gas natural: constituït essencialment per metà ($\mathrm{CH_4}$), amb la major relació H/C ($4$). La seua combustió és neta:

$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$

• Petroli: hidrocarburs líquids amb relació H/C intermèdia (entorn de $2$).
• Carbó: sòlid, format majoritàriament per carboni amb relació H/C baixa i alt contingut en sofre i cendres:

$$\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$$

La taula resumeix les magnituds característiques (valors orientatius):

| Combustible | Estat | Poder calorífic | Emissió de $\mathrm{CO_2}$ | Sofre | |---|---|---|---|---| | Gas natural | Gas | $\sim 50\ \mathrm{MJ/kg}$ | Baixa ($\sim 56\ \mathrm{g/MJ}$) | Molt baix | | Petroli (derivats) | Líquid | $\sim 44\ \mathrm{MJ/kg}$ | Mitjana ($\sim 73\ \mathrm{g/MJ}$) | Variable | | Carbó | Sòlid | $\sim 25\text{–}30\ \mathrm{MJ/kg}$ | Alta ($\sim 95\ \mathrm{g/MJ}$) | Alt |

D'aquesta anàlisi s'extrauen conclusions clares. El gas natural és el més net i eficient per unitat d'energia: emet entorn d'un $40\ \%$ menys $\mathrm{CO_2}$ que el carbó i pràcticament no aporta $\mathrm{SO_x}$ ni partícules; el seu inconvenient és el seu caràcter gasós, que exigeix gasoductes o liquefacció (GNL) per al transport i emmagatzematge. El petroli ofereix una posició intermèdia amb l'avantatge decisiu de ser líquid: altíssima densitat energètica per volum i facilitat de maneig, la qual cosa el fa insubstituïble en el transport. El carbó, el més abundant i barat, és també el més contaminant: major emissió de $\mathrm{CO_2}$ per energia útil, sofre, metalls pesants i cendres. Per això, en la transició energètica, l'ordre de substitució prioritària va del carbó al petroli i, transitòriament, cap al gas natural com a combustible pont, abans de la descarbonització mitjançant renovables.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), els continguts d'aquest tema es distribueixen entre l'ESO i el Batxillerat. En Física i Química de l'ESO s'aborden la química del carboni, els hidrocarburs i els combustibles fòssils, així com l'impacte ambiental del seu ús, dins de sabers bàsics vinculats a la sostenibilitat. En 1r i 2n de Batxillerat (Química) es aprofundeix en l'estructura i reactivitat dels compostos orgànics, les reaccions de combustió i els polímers, la qual cosa permet tractar amb rigor el refinatge i la petroquímica.

És un tema idoni per desenvolupar la competència STEM i la competència ciutadana, ja que connecta la química amb problemes reals: canvi climàtic, transició energètica, economia circular i contaminació. Les situacions de aprenentatge poden partir de contextos pròxims —l'etiqueta energètica d'un cotxe, el preu dels carburants, una marea negra en les notícies— per mobilitzar sabers i fomentar el pensament crític i el compromís ambiental (objectius de desenvolupament sostenible).

Convé anticipar idees prèvies i errors freqüents de l'alumnat: creure que el petroli procedeix directament de restes de dinosaures; confondre combustió completa i incompleta; pensar que el $\mathrm{CO_2}$ és un contaminant tòxic igual que el $\mathrm{CO}$ (no ho és en sentit toxicològic, però sí que és el principal gas d'efecte hivernacle); o identificar tots els combustibles fòssils com igualment contaminants, sense reparar en el paper de la relació H/C. La distinció entre ús energètic i ús com a matèria primera (petroquímica) és un altre matís que sol passar desapercebut i que convé subratllar. Activitats recomanables són l'ajust de reaccions de combustió, el càlcul d'emissions de $\mathrm{CO_2}$ per kilojoule, l'anàlisi de la torre de destil·lació amb un model o simulació, i el debat argumentat sobre el model energètic.

Conclusió

El petroli és, alhora, una mescla química de gran complexitat, un pilar energètic mundial i la matèria primera de la indústria orgànica moderna. La seua química —origen sedimentari, composició en hidrocarburs i processos de refinatge com el craqueig, el reformat i la isomerització— explica l'enorme varietat de productes que d'ell s'obtenen, des dels combustibles fins als plàstics i fàrmacs. Aquest mateix ús massiu és la causa d'una contaminació de primer ordre —efecte hivernacle, pluja àcida, boira, partícules i abocaments— que la normativa internacional, europea i espanyola tracta de contenir i, a mitjà termini, superar. La comparació amb el gas natural i el carbó, ordenada per la relació hidrogen/carboni, situa el petroli en una posició intermèdia i ajuda a comprendre la lògica de la transició energètica. Es tracta, en definitiva, d'un tema que integra química orgànica, química industrial i educació ambiental, i que permet formar un alumnat capaç de prendre decisions informades sobre un dels grans reptes del segle XXI.