Degradación química del polímero
Los plásticos se derivan de materiales naturales y orgánicos como la celulosa, el carbón, el gas natural, la sal y, por supuesto, el petróleo crudo. El petróleo crudo es una mezcla compleja de miles de compuestos y necesita ser procesado antes de poder ser utilizado. La producción de plásticos comienza con la destilación del crudo en una refinería de petróleo. En ella se separa el crudo pesado en grupos de componentes más ligeros, llamados fracciones. Cada fracción es una mezcla de cadenas de hidrocarburos (compuestos químicos formados por carbono e hidrógeno), que se diferencian por el tamaño y la estructura de sus moléculas. Una de estas fracciones, la nafta, es el compuesto crucial para la producción de plásticos.
Para producir plásticos se utilizan dos procesos principales: la polimerización y la policondensación, y ambos requieren catalizadores específicos. En un reactor de polimerización, monómeros como el etileno y el propileno se unen para formar largas cadenas de polímeros. Cada polímero tiene sus propias propiedades, estructura y tamaño en función de los distintos tipos de monómeros básicos utilizados.
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Antes de los primeros años de la década de 1920, los químicos dudaban de la existencia de moléculas con pesos moleculares superiores a unos pocos miles. Este punto de vista limitado fue cuestionado por Hermann Staudinger, un químico alemán con experiencia en el estudio de compuestos naturales como el caucho y la celulosa. En contraste con la racionalización predominante de estas sustancias como agregados de pequeñas moléculas, Staudinger propuso que estaban formadas por macromoléculas compuestas por 10.000 o más átomos. Formuló una estructura polimérica para el caucho, basada en una unidad repetitiva de isopreno (denominada monómero). Por sus aportaciones a la química, Staudinger recibió el Premio Nobel en 1953. Los términos polímero y monómero derivan de las raíces griegas poly (muchos), mono (uno) y meros (parte).
El reconocimiento de que las macromoléculas poliméricas constituyen muchos materiales naturales importantes fue seguido por la creación de análogos sintéticos con diversas propiedades. De hecho, las aplicaciones de estos materiales como fibras, películas flexibles, adhesivos, pinturas resistentes y sólidos resistentes pero ligeros han transformado la sociedad moderna. En los siguientes apartados se analizan algunos ejemplos importantes de estas sustancias.
Ejemplos de polímeros de hidrocarburos
La mayor base de datos[1] de compuestos orgánicos recoge unos 10 millones de sustancias, entre las que se encuentran los compuestos procedentes de organismos vivos y los sintetizados por los químicos. El número de compuestos orgánicos potenciales se ha estimado[2] en 1060, una cifra astronómicamente alta. La existencia de tantas moléculas orgánicas es consecuencia de la capacidad de los átomos de carbono de formar hasta cuatro enlaces fuertes con otros átomos de carbono, lo que da lugar a cadenas y anillos de muy diversos tamaños, formas y complejidades.
Los alcanos, o hidrocarburos saturados, sólo contienen enlaces covalentes simples entre los átomos de carbono. Cada uno de los átomos de carbono de un alcano tiene orbitales híbridos sp3 y está unido a otros cuatro átomos, cada uno de los cuales es carbono o hidrógeno. En la figura 1 se ilustran las estructuras y modelos de Lewis del metano, el etano y el pentano. Las cadenas de carbono suelen dibujarse como líneas rectas en las estructuras de Lewis, pero hay que recordar que las estructuras de Lewis no pretenden indicar la geometría de las moléculas. Obsérvese que los átomos de carbono en los modelos estructurales (los modelos de bola y palo y de llenado de espacio) de la molécula de pentano no se encuentran en línea recta. Debido a la hibridación sp3, los ángulos de enlace en las cadenas de carbono son cercanos a 109,5°, lo que da a dichas cadenas en un alcano una forma de zigzag.
Estructura de los hidrocarburos
El plástico puede ser “sintético” o “de base biológica”. Los plásticos sintéticos se derivan del petróleo crudo, el gas natural o el carbón. Mientras que los plásticos de base biológica proceden de productos renovables como los hidratos de carbono, el almidón, las grasas y aceites vegetales, las bacterias y otras sustancias biológicas.
La gran mayoría de los plásticos que se utilizan hoy en día son sintéticos debido a la facilidad de los métodos de fabricación que implica el procesamiento del petróleo crudo. Sin embargo, la creciente demanda de las limitadas reservas de petróleo está impulsando la necesidad de nuevos plásticos a partir de recursos renovables, como la biomasa de desecho o los productos de desecho animal de la industria.
En Europa, sólo una pequeña proporción (entre el 4 y el 6%) de nuestras reservas de petróleo y gas se destina a la producción de plásticos, mientras que el resto se utiliza para el transporte, la electricidad, la calefacción y otras aplicaciones (Ref)
2. El proceso de refinado transforma el petróleo crudo en diferentes productos petrolíferos, que se convierten en productos químicos útiles, incluidos los “monómeros” (una molécula que constituye los componentes básicos de los polímeros). En el proceso de refinado, el petróleo crudo se calienta en un horno y luego se envía a la unidad de destilación, donde el crudo pesado se separa en componentes más ligeros llamados fracciones. Una de ellas, llamada nafta, es el compuesto crucial para fabricar una gran cantidad de plástico. Sin embargo, existen otros medios, como el uso de gas.