Tema 63

El petróleo es una mezcla natural de hidrocarburos que constituye, todavía hoy, la principal fuente de energía primaria del planeta y la materia prima de la que proceden la mayoría de los materiales orgánicos de síntesis. Estudiar su química significa recorrer un itinerario que va desde la geoquímica de su origen hasta la ingeniería del refino, y desde la combustión que mueve el transporte mundial hasta la petroquímica que fabrica plásticos, fibras, medicamentos y fertilizantes.

En el temario de oposiciones (cuerpo 590-007) este tema se inscribe en el bloque de química aplicada e industrial, y enlaza de manera natural con los temas de química del carbono, hidrocarburos, energías y contaminación. Su tratamiento exige combinar rigor químico —estructura y reactividad de los hidrocarburos— con una mirada tecnológica, medioambiental y social, muy adecuada para el enfoque competencial del currículo actual. Desarrollamos a continuación las cuatro grandes cuestiones que enuncia el título: la química del petróleo, sus productos derivados, la contaminación asociada a su uso con la normativa vigente y su comparación como combustible con el gas natural y el carbón.

1. Química del petróleo

Origen y composición

El petróleo tiene un origen orgánico y sedimentario. Se forma a partir de la materia orgánica (fundamentalmente restos de plancton y algas) depositada con los sedimentos en cuencas marinas. Enterrada y sometida a presión y temperatura crecientes, esa materia se transforma primero en querógeno (diagénesis) y, después, al alcanzar la llamada ventana del petróleo (aproximadamente $60\text{–}120\ ^{\circ}\mathrm{C}$), se descompone en hidrocarburos líquidos y gaseosos por catagénesis. El proceso requiere millones de años, lo que justifica su carácter de recurso no renovable.

El crudo es una mezcla enormemente compleja cuyos componentes mayoritarios son hidrocarburos, agrupados en tres grandes familias:

• Alcanos o parafinas ($\mathrm{C_nH_{2n+2}}$): de cadena lineal o ramificada. Son los más abundantes en muchos crudos.
• Cicloalcanos o naftenos ($\mathrm{C_nH_{2n}}$): hidrocarburos de cadena cerrada, como el ciclopentano y el ciclohexano.
• Aromáticos: derivados del benceno ($\mathrm{C_6H_6}$), como el tolueno y los xilenos, muy valorados por su reactividad y su elevado índice de octano.

Junto a ellos aparecen, en proporciones menores pero determinantes, heterocompuestos de azufre, nitrógeno y oxígeno, así como metales (níquel, vanadio). El contenido de azufre define el crudo como dulce (bajo en azufre) o ácido (alto en azufre), un dato clave por sus implicaciones ambientales. Según su densidad se clasifican en crudos ligeros, medios o pesados, empleando la escala API, en la que a mayor grado API menor densidad.

El refino: separación y transformación

El crudo, tal cual se extrae, carece de utilidad directa: hay que refinarlo para separar sus fracciones y transformarlas en productos de valor. La primera operación es la destilación fraccionada, que aprovecha las diferencias de punto de ebullición. En la torre de fractionamiento, el crudo calentado se separa por alturas: los gases y las fracciones ligeras (naftas) ascienden y condensan en lo alto, mientras que los productos pesados (gasóleos, fueles, residuo asfáltico) se recogen en la base.

La destilación no basta, porque la demanda de fracciones ligeras (gasolinas) supera con mucho la que ofrece el crudo. Por eso se recurre a procesos de conversión que reorganizan las moléculas:

• Craqueo (cracking): rotura de cadenas largas en otras más cortas. El craqueo térmico y, sobre todo, el craqueo catalítico (FCC) sobre zeolitas aumentan el rendimiento en gasolinas. Un ejemplo esquemático:

• Reformado catalítico (reforming): convierte naftas de bajo octanaje en aromáticos e hidrógeno, elevando la calidad antidetonante. Por ejemplo, la deshidrogenación del ciclohexano a benceno:

• Isomerización: transforma alcanos lineales en ramificados, de mayor octanaje (por ejemplo, $n$-butano en isobutano).
• Alquilación y polimerización: unen moléculas pequeñas para formar componentes de gasolina de alto índice de octano.
• Hidrotratamiento / hidrodesulfuración: elimina el azufre en forma de sulfuro de hidrógeno, $\mathrm{H_2S}$, indispensable para obtener combustibles limpios.

La calidad de un combustible se mide con índices normalizados. El índice de octano cuantifica la resistencia de una gasolina a la detonación (el picado del motor); se define asignando el valor $100$ al isooctano (2,2,4-trimetilpentano) y el $0$ al $n$-heptano. El índice de cetano hace lo análogo para el gasóleo, midiendo la facilidad de autoignición deseable en el motor diésel. Figuras como Eugene Houdry (craqueo catalítico) o Vladímir Ipátiev (catálisis del petróleo) hicieron posible la moderna industria del refino.

2. Productos derivados y su utilidad en el mundo actual

Los productos del petróleo se agrupan en dos grandes destinos: energético (combustibles) y material (petroquímica).

Usos energéticos

La mayor parte del crudo se destina a combustibles:

• Gases licuados del petróleo (GLP): propano y butano, para uso doméstico e industrial.
• Gasolinas: carburante de los motores de encendido por chispa (ciclo Otto).
• Queroseno: combustible de aviación (jet fuel).
• Gasóleo (diésel): motores de encendido por compresión, transporte pesado.
• Fueloil: calderas industriales, generación eléctrica y propulsión marina.

La energía se libera en la combustión, una oxidación exotérmica. Para un alcano genérico:

Por ejemplo, para el octano, componente representativo de la gasolina:

Usos no energéticos: lubricantes, asfaltos y petroquímica

Además de arder, el petróleo es la materia prima de una industria inmensa:

• Lubricantes y grasas, obtenidos de las fracciones pesadas.
• Asfaltos y betunes, del residuo de destilación, para firmes de carreteras e impermeabilización.
• Parafinas, disolventes y ceras.

Pero el gran protagonista es la petroquímica. A partir de la nafta, mediante craqueo con vapor (steam cracking), se obtienen los productos petroquímicos básicos: olefinas ligeras (etileno $\mathrm{C_2H_4}$, propileno $\mathrm{C_3H_6}$, butadieno) y aromáticos BTX (benceno, tolueno, xilenos). Estas moléculas son la base de casi toda la química orgánica industrial:

• Plásticos: polietileno, polipropileno, PVC, poliestireno, PET.
• Fibras sintéticas: nailon, poliéster.
• Cauchos sintéticos y elastómeros.
• Detergentes, disolventes, pinturas y adhesivos.
• Fertilizantes y productos fitosanitarios.
• Materias primas farmacéuticas y multitud de intermedios de síntesis.

La polimerización del etileno ilustra este salto del combustible al material:

Se comprende así que el petróleo sea mucho más que un combustible: la sociedad contemporánea depende de sus derivados en la alimentación, la sanidad, la construcción y la informática. La comprensión de la estructura del benceno, debida a August Kekulé, fue un hito que abrió la puerta a toda esta química aromática industrial.

3. Contaminación derivada de su uso y normativa vigente

El uso masivo del petróleo tiene un elevado coste ambiental que se manifiesta en todas las etapas de su ciclo: extracción, transporte, refino y, sobre todo, combustión.

Contaminantes de la combustión

Aunque la combustión completa produce $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{H_2O}$, en las condiciones reales de los motores y calderas se generan numerosos contaminantes:

• Dióxido de carbono ($\mathrm{CO_2}$): principal gas de efecto invernadero antropogénico, responsable del calentamiento global. No es tóxico, pero su acumulación altera el balance radiativo del planeta.
• Monóxido de carbono ($\mathrm{CO}$): producto de la combustión incompleta por defecto de oxígeno; tóxico, se une a la hemoglobina impidiendo el transporte de oxígeno:

• Óxidos de azufre ($\mathrm{SO_x}$): proceden del azufre presente en el crudo. Junto con los de nitrógeno son los causantes de la lluvia ácida:

• Óxidos de nitrógeno ($\mathrm{NO_x}$): se forman por la oxidación del nitrógeno del aire a las altas temperaturas de la combustión, y participan en la lluvia ácida y en el smog fotoquímico:

• Hidrocarburos inquemados y compuestos orgánicos volátiles (COV): junto con los $\mathrm{NO_x}$ y bajo la radiación solar generan ozono troposférico, un oxidante nocivo, mediante procesos como:

• Partículas en suspensión (hollín, PM$_{10}$ y PM$_{2{,}5}$), especialmente en los motores diésel, con efectos respiratorios y carcinógenos reconocidos.

Otros impactos y medidas correctoras

Al margen de la combustión, destacan los vertidos y mareas negras durante el transporte marítimo, con graves daños a los ecosistemas costeros, y la contaminación de suelos y acuíferos. Entre las medidas correctoras figuran la hidrodesulfuración de los combustibles, los catalizadores de tres vías en los vehículos —que reducen simultáneamente $\mathrm{CO}$, $\mathrm{NO_x}$ e hidrocarburos—, según reacciones como:

y los filtros de partículas, además de la mejora de la eficiencia de los motores.

Normativa vigente

El marco regulatorio es amplio y multinivel. En el plano internacional, el Protocolo de Kioto (1997) y el Acuerdo de París (2015) fijan objetivos de reducción de gases de efecto invernadero. En el europeo, las normas Euro (Euro 6 en vigor) limitan progresivamente las emisiones de los vehículos, y distintas directivas regulan la calidad del aire y de los combustibles (contenido máximo de azufre). En España, la Ley 34/2007 de calidad del aire y protección de la atmósfera y la Ley 7/2021 de cambio climático y transición energética —que prevé la reducción de vehículos con emisiones directas hacia 2040-2050— articulan la respuesta nacional, en el marco del Pacto Verde Europeo y su objetivo de neutralidad climática en 2050. Estas políticas impulsan la transición desde los combustibles fósiles hacia fuentes renovables y la electrificación.

4. Comparación, en su utilización como combustible, con el gas y el carbón

El petróleo, el gas natural y el carbón son los tres grandes combustibles fósiles. Comparten origen (materia orgánica fosilizada) pero difieren en composición, poder calorífico e impacto ambiental. La clave química reside en la relación hidrógeno/carbono de cada uno: cuanto mayor es esa relación, más energía procede de la formación de agua y menos $\mathrm{CO_2}$ se emite por unidad de energía.

• Gas natural: constituido esencialmente por metano ($\mathrm{CH_4}$), con la mayor relación H/C ($4$). Su combustión es limpia:

• Petróleo: hidrocarburos líquidos con relación H/C intermedia (en torno a $2$).
• Carbón: sólido, formado mayoritariamente por carbono con relación H/C baja y alto contenido en azufre y cenizas:

La tabla resume las magnitudes características (valores orientativos):

De este análisis se extraen conclusiones claras. El gas natural es el más limpio y eficiente por unidad de energía: emite en torno a un $40\ \%$ menos $\mathrm{CO_2}$ que el carbón y prácticamente no aporta $\mathrm{SO_x}$ ni partículas; su inconveniente es su carácter gaseoso, que exige gasoductos o licuefacción (GNL) para el transporte y almacenamiento. El petróleo ofrece una posición intermedia con la ventaja decisiva de ser líquido: altísima densidad energética por volumen y facilidad de manejo, lo que lo hace insustituible en el transporte. El carbón, el más abundante y barato, es también el más contaminante: mayor emisión de $\mathrm{CO_2}$ por energía útil, azufre, metales pesados y cenizas. Por ello, en la transición energética, el orden de sustitución prioritaria va del carbón al petróleo y, transitoriamente, hacia el gas natural como combustible puente, antes de la descarbonización mediante renovables.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de este tema se distribuyen entre la ESO y el Bachillerato. En Física y Química de la ESO se abordan la química del carbono, los hidrocarburos y los combustibles fósiles, así como el impacto ambiental de su uso, dentro de saberes básicos vinculados a la sostenibilidad. En 1.º y 2.º de Bachillerato (Química) se profundiza en la estructura y reactividad de los compuestos orgánicos, las reacciones de combustión y los polímeros, lo que permite tratar con rigor el refino y la petroquímica.

Es un tema idóneo para desarrollar la competencia STEM y la competencia ciudadana, pues conecta la química con problemas reales: cambio climático, transición energética, economía circular y contaminación. Las situaciones de aprendizaje pueden partir de contextos cercanos —la etiqueta energética de un coche, el precio de los carburantes, una marea negra en las noticias— para movilizar saberes y fomentar el pensamiento crítico y el compromiso ambiental (objetivos de desarrollo sostenible).

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes del alumnado: creer que el petróleo procede directamente de restos de dinosaurios; confundir combustión completa e incompleta; pensar que el $\mathrm{CO_2}$ es un contaminante tóxico igual que el $\mathrm{CO}$ (no lo es en sentido toxicológico, pero sí es el principal gas de efecto invernadero); o identificar todos los combustibles fósiles como igualmente contaminantes, sin reparar en el papel de la relación H/C. La distinción entre uso energético y uso como materia prima (petroquímica) es otro matiz que suele pasar desapercibido y que conviene subrayar. Actividades recomendables son el ajuste de reacciones de combustión, el cálculo de emisiones de $\mathrm{CO_2}$ por kilojulio, el análisis de la torre de destilación con un modelo o simulación, y el debate argumentado sobre el modelo energético.

Conclusión

El petróleo es, a la vez, una mezcla química de gran complejidad, un pilar energético mundial y la materia prima de la industria orgánica moderna. Su química —origen sedimentario, composición en hidrocarburos y procesos de refino como el craqueo, el reformado y la isomerización— explica la enorme variedad de productos que de él se obtienen, desde los combustibles hasta los plásticos y fármacos. Ese mismo uso masivo es la causa de una contaminación de primer orden —efecto invernadero, lluvia ácida, smog, partículas y vertidos— que la normativa internacional, europea y española trata de contener y, a medio plazo, superar. La comparación con el gas natural y el carbón, ordenada por la relación hidrógeno/carbono, sitúa al petróleo en una posición intermedia y ayuda a comprender la lógica de la transición energética. Se trata, en suma, de un tema que integra química orgánica, química industrial y educación ambiental, y que permite formar a un alumnado capaz de tomar decisiones informadas sobre uno de los grandes retos del siglo XXI.