Pero romperse no tiene por qué ser algo malo. Claro que romper un plato no es muy divertido, pero si no rompes un huevo, nunca podrás hacer una tortilla con la sabrosa clara y la yema de su interior. Romper un objeto en trozos más pequeños para hacerlo más útil se parece mucho al craqueo químico.
- Este artículo trata del craqueo en química.
- Definiremos el craqueo antes de ver su finalidad y sus productos.
- Luego exploraremos dos tipos comunes de craqueo, incluidos sus procesos.
- Por último, aprenderemos a equilibrar las ecuaciones de craqueo.
Fisuración: Definición
Cuando rompemos una galleta de Navidad, la partimos por la mitad para descubrir un chiste tonto y un sombrero de papel. Cuando rompemos un coco, somos recompensados con un festín de refrescante agua de coco. En ambos casos, rompemos un objeto más grande en trozos más pequeños para hacerlo más útil. Esto también ocurre en craqueoen química.
El craqueoquímico es el proceso de descomponer moléculas grandes en otras más pequeñas y útiles. Es un tipo de reacción de descomposición térmica.
El término craqueo se utiliza normalmente para describir la descomposición de fracciones de hidrocarburos de cadena larga del petróleo crudo en alcanos y alquenos de cadena más corta. Esto implica la ruptura de un enlace simple C-C. El craqueo de los hidrocarburos será el tema principal de nuestro artículo de hoy.
El craqueo: Objetivo
En primer lugar, ¿por qué craqueamos los hidrocarburos? Para hacerlos más valiosos económicamente.
Quizá sepas por el artículo Destilación fraccionada que muchos de nuestros hidrocarburos proceden de la destilación del petróleo crudo. La destilación fraccionada produce múltiples fracciones diferentes de hidrocarburos, cada una con fines y exigencias distintos.
- Los hidrocarburosde cadena más corta son menos viscosos y tienen puntos de ebullición bajos. Son más útiles y, por tanto, tienen una mayor demanda económica que los hidrocarburos de cadena más larga. Por ejemplo, hay una enorme demanda de nafta, una fracción que contiene hidrocarburos C6 - C12. La utilizamos para la gasolina y en la industria química.
- Los hidrocarburosde cadena larga son más viscosos y tienen puntos de ebullición altos. Son menos útiles que los hidrocarburos de cadena más corta, por lo que su demanda económica es menor. Por ejemplo, los alcanos de cadena más larga son demasiado espesos para utilizarlos como gasolina, por lo que deben emplearse en los aviones.
La utilidad de las distintas fracciones del petróleo crudo crea un problema: ¡su oferta no satisface su demanda! Por ejemplo, el petróleo crudo del Mar del Norte suele contener más de un 88% de hidrocarburos C10+ de cadena larga1. Al final, ¡nos sobran muchos hidrocarburos de cadena larga y no hay mucho que hacer con ellos!
Los hidrocarburosC10+ tienen cadenas de al menos diez átomos de carbono. Los hidrocarburos C6 - C12, como los de la nafta, tienen cadenas de entre seis y doce átomos de carbono.
Sin embargo, existe una solución. Para que las fracciones excedentarias de cadena más larga sean más valiosas económicamente, podemos craquearlas y convertirlas en productos más útiles. Los hidrocarburos producidos tienen una demanda mucho mayor y nos resultan mucho más útiles que los hidrocarburos originales de cadena más larga, por lo que el craqueo es una reacción económicamente importante. Exploremos ahora los productos del craqueo.
El craqueo: Productos
El craqueo químico descompone los hidrocarburos de cadena larga en dos tipos de hidrocarburos más pequeños:
- Alcanos de cadena corta.
- Alquenos.
El proceso es aleatorio, lo que significa que no podemos controlar exactamente con qué moléculas acab amos. Sin embargo, no importa demasiado: ambos tipos de productos nos resultan mucho más útiles que los hidrocarburos originales de cadena más larga. Con el craqueo, podemos convertirmoléculas relativamente inútiles que probablemente no utilizaríamos de otro modo enmoléculasrelativamente útiles que mejoran enormemente nuestras vidas.
Alcanos de cadena corta
El craqueo produce en primer lugaralcanos de cadena corta . Éstos, como ya sabemos, tienen mayor demanda que los hidrocarburos de cadena más larga. Se utilizan principalmente como combustibles, pero también en encendedores, aerosoles, etc.
Alquenos
El craqueo también producealquenos.
Losalquenos son hidrocarburos insaturados que contienen al menos un doble enlace C=C.
Los alquenos se consideran más útiles que los hidrocarburos originales de cadena más larga por múltiples razones:
- Los alquenos son más reactivos que los alcanos.
- Son una buena materia prima química, lo que significa que se utilizan en la industria como materiales de partida para fabricar otros productos.
- Podemos hacer reaccionar varias moléculas de alqueno para formar polímeros, como los que se utilizan en las bolsas de plástico, las botellas y la ropa de nailon.
- También utilizamos los alquenos como base para disolventes, pinturas y medicamentos.
Fig. 1 - El alqueno más simple, conocido como eteno
Para saber más sobre estos hidrocarburos, consulta Alquenos.
El craqueo: Tipos y proceso
Ya sabemos por qué es importante el craqueo y qué produce. Ahora pasaremos a hablar de los distintos tipos de craqueo.
Hay dos métodos diferentes de craqueo que se utilizan habitualmente para dividir los hidrocarburos:
- Craqueo térmico.
- Craqueo catalítico.
Como los hidrocarburos como los alcanos son relativamente poco reactivos debido a sus fuertes enlaces C-C y C-H no polares, ambos tipos de craqueo requieren condiciones especialmente duras para descomponerlos. Sin embargo, también tienen sus diferencias. Veamos ahora los tipos de craqueo.
Craqueo térmico
El craqueotérmico consiste en someter los alcanos hidrocarbonados a un calor y una presión extremos durante un breve periodo de tiempo, normalmente sólo un segundo. Se suele utilizar una temperatura muy alta de 700-1200 K y una presión alta de 7000 kPa. El alcano se divide homolíticamente, lo que significa que un electrón del par enlazado va a cada una de las nuevas moléculas formadas. Esto forma dos radicales libres.
Un radical libre es una molécula extremadamente reactiva con un electrón de la capa externa no apareado.
Los radicales libres reaccionan además para producir diversos hidrocarburos, pero sobre todo alquenos. Sin embargo, mantener unas condiciones tan extremas requiere mucho combustible. Por tanto, el craqueo térmico tiene una gran huella económica y medioambiental.
Craqueo catalítico
El craqueocatalítico se distingue del craqueo térmico porque utiliza un catalizador.
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción reduciendo la energía de activación necesaria para que se produzca una reacción.
El craqueo catalítico tiene lugar a 700K y a una presión sólo ligeramente superior a la atmosférica, pero utiliza un catalizador de cristal de zeolita. Se trata de un complejo entramado hecho de aluminio, silicio y oxígeno, con una estructura de panal para aumentar su superficie. Por desgracia, los hidrocarburos más grandes no pueden craquearse de esta forma porque son demasiado grandes para caber en el catalizador.
El craqueo catalítico produce una elevada proporción de alcanos de cadena más corta, ramificados y cíclicos, así como compuestos aromáticos como el benceno. También requiere mucho menos combustible que el craqueo térmico.
Un compuesto aromático contiene un anillo de electrones deslocalizados, a menudo conocido como anillo bencénico. Para más información, consulta Química de los aromáticos.
Comparación de los tipos de craqueo
La siguiente tabla te ayudará a resumir tus conocimientos comparando el craqueo térmico y el catalítico.
| Nombre | Térmico | Catalítico |
| Temperatura | Muy alta (700 - 1200 K) | Alta (700 K) |
| Presión | Alta (7000 kPa) | Ligeramente elevada |
| Catalizador | Ninguno | Cristal de zeolita |
| Productos | Principalmente alquenos | Mayoritariamente alcanos de cadena más corta/ramificados |
| Ventajas | Puede craquear hidrocarburos más grandesProduce una gran proporción de alquenos | Bajo coste del combustibleBajo impacto medioambiental |
| Desventajas | Alto coste del combustibleGran impacto medioambiental | No se puede utilizar para hidrocarburos más grandes |
El craqueo: Ecuaciones
El craqueo es un proceso en gran medida aleatorio. Es imposible predecir exactamente qué moléculas se producirán. Esto significa que hay múltiples ecuaciones y productos potenciales diferentes para cada reacción, y tu examinador podría ponerte a prueba de varias formas. Normalmente se tratará de encontrar un reactivo o un producto hidrocarbonado desconocido. Sin embargo, ¡es bastante fácil "descifrar" ecuaciones de craqueo! Lo importante es recordar que la ecuación tiene que estar equilibrada: los números de átomos de carbono y de átomos de hidrógeno a cada lado de la ecuación deben ser iguales.
Aquí tienes un método aproximado para empezar:
- Escribe la ecuación básica de craqueo, utilizando CxHy para representar el hidrocarburo desconocido.
- Equilibra la ecuación en términos de átomos de carbono para hallar el valor de x.
- Equilibra la ecuación en términos de átomos de hidrógeno para hallar el valor de y.
- Sustituye los valores de x e y en la ecuación para obtener la respuesta final.
Probemos.
El decano (C10H22) puede craquearse para producir octano (C8H18) y otra molécula.
- Escribe una ecuación equilibrada para la reacción.
- Nombra el segundo producto.
Para la parte a, empezaremos por escribir nuestra ecuación, utilizando CxHy para representar el producto desconocido. Actualmente tiene el siguiente aspecto
$$C_{10}H_{22}\rightarrow C_8H_{18}+C_xH_y$$
Aquí, x e y representan cantidades desconocidas de átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente. Sin embargo, podemos calcular estos valores equilibrando la ecuación.
Para hallar x, considera el carbono. Tenemos diez átomos de carbono en el lado izquierdo de la ecuación, por lo que debe haber diez átomos de carbono en el lado derecho. Ya tenemos ocho átomos de carbono en el primer producto, el octano, por lo que quedan \(10-8=2\) carbonos. Por tanto, \(x=2\).
Podemos realizar el mismo proceso con hidrógeno. Esto nos dará un valor para y. Hay veintidós átomos de hidrógeno en el lado izquierdo, por lo que necesitamos veintidós en el derecho. Ya tenemos dieciocho átomos de hidrógeno en el primer producto, el octano, por lo que quedan \(22-18=4\) hidrógenos. Por tanto, \(y=4\).
Ahora sólo tenemos que sustituir nuestros valores de x e y en la ecuación. Ésta es nuestra respuesta final
$$C_{10}H_{22}\rightarrow C_8H_{18}+C_2H_4$$
La parte b nos pide que nombremos el segundo producto. El C2H4 es un alqueno conocido como eteno.
No te preocupes si aún no sabes nombrar los alquenos: lo verás más adelante en el artículo Los alquenos.
He aquí otro ejemplo:
Un mol de alcano X se rompe para producir un mol de heptano (C7H16) y dos moles de propeno (C3H6). Deduce la fórmula de X.
Una vez más, empezaremos escribiendo una ecuación con lo que sabemos. Observa que obtenemos dos moles de propeno:
$$C_xH_y\rightarrow C_7H_{16}+2C_3H_6$$
Ahora podemos equilibrar la ecuación. El único reactante del lado izquierdo de la ecuación es X, nuestra incógnita, y por tanto sabemos que x e y deben ser iguales al número total de átomos de carbono del lado derecho. Del mismo modo, y debe ser igual al número total de átomos de hidrógeno del lado derecho.
Si nos fijamos en el carbono, hay \(7+2(3)=13\) átomos de carbono en el lado derecho de la ecuación, lo que significa que x es igual a 13. Del mismo modo, hay \(16+2(6)=28\) átomos de hidrógeno a la derecha, lo que significa que y es igual a 28. Si sustituimos estos valores en la ecuación, obtenemos la respuesta final:
$$C_{13}H_{28}\rightarrow C_7H_{16}+2C_3H_6$$
¿No te sientes muy seguro escribiendo ecuaciones equilibradas? Consulta el artículo Equilibrar ecuaciones para ver más ejemplos prácticos y consejos útiles.
Craqueo - Puntos clave
- El craqueo es una técnica química utilizada para convertir los hidrocarburos de cadena larga enalcanos y alquenos de cadena corta , más valiosos económicamente.
- Losalcanosde cadena corta se utilizan principalmente como combustibles.
- Los alqu enos se utilizan para fabricar polímeros y como materia prima química.
- El craqueo puede ser térmico o catalítico. Ambos tipos de craqueo requieren condiciones duras para romper los fuertes enlaces de los hidrocarburos de cadena larga.
- El craqueotérmico utiliza una temperatura muy alta de 700-1200 K y una presión alta de 7000kPa.
- El craqueocatalítico utiliza una temperatura alta de 700 K, una presión ligeramente elevada y un catalizador de cristal de zeolita.
- El craqueo es aleatorio y produce una mezcla de productos.
Referencias
- Aly A Hamouda, Sidra Chughtai, "Inundación de CO2 miscible para EOR en presencia de componentes de gas natural en fluidos desplazantes y desplazados", Energies 11(2):391 (febrero de 2018)
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