Disolventes en la Industria Química/Hidrocarburos aromáticos
Introducción
[editar]Los hidrocarburos son compuestos formados únicamente por átomos de hidrógeno y carbono, pudiéndose considerar los esqueletos a partir de los cuales y por inserción de grupos funcionales se generan formalmente todas moléculas orgánicas. En el caso de los hidrocarburos arómaticos, también conocidos por el nombre genérico de arenos (bencenos sustituidos), se trata de compuestos que presentan al menos un ciclo con dobles enlaces conjugados (alternación de enlace sencillo y doble) y con un total de 4n+2 electrones pi en el anillo, es decir, que cumplen la regla de Hückel.El ejemplo más básico y representativo de esta familia de compuestos es el benceno, sustancia con fórmula C6H6 que presenta una estructura de ciclo plano hexagonal donde los carbonos ocupan los vértices y cada uno de ellos está ligado a un hidrógeno. En esta molécula los carbonos están unidos por enlaces sencillo y doble alternadamente, pero si se realizan medidas de las longitudes de enlace se observa que todos ellos presentan una longitud intermedia entre un enlace sencillo C-C y uno doble. Esto es debido a que los 6 electrones pi presentes en el anillo están deslocalizados en la molécula (no se mantienen en un determinado enlace), este fenómeno al que se denomina aromaticidad otorga estabilidad a la molécula al permitir la existencia de varias formas resonantes.
Aunque es el fenómeno de aromaticidad el punto en común de los hidrocarburos aromáticos, el adjetivo que los caracteriza es previo al descubrimiento de su peculiar estructura electrónica y les fue asignado porque muchos de los compuestos de esta familia poseen un fuerte aroma, si bien en ocasiones no es especialmente agradable como sucede en el caso del benceno. Dentro de los hidrocarburos aromáticos se pueden definir dos subfamilias de compuestos: los hidrocarburos aromáticos monocíclicos (del inglés MAH) si poseen un único anillo de benceno y los policíclicos (PAH) cuando poseen varios. A su vez, dentro de estos últimos se encuentran los policíclicos condensados cuando los anillos comparten al menos dos carbonos con el ciclo vecino (naftaleno). Algunos ejemplos:
- Algunos arenos
-
Benceno -
Tolueno -
Cumeno -
p-Xileno -
m-Xileno -
Anilina -
Nitrobenceno -
Ácido Benzoico -
Paracetamol -
Naftaleno (PAH)
Producción
[editar]Las fuentes principales de obtención de estos compuestos son la hulla (mediante destilación) y el petróleo (mediante diversos procesos petroquímicos: destilación, alquilación). También se pueden obtener de algunas plantas como los pinos, las aromáticas o eucaliptos cuyos aceites esenciales contienen terpenos y p-cimeno. En el caso de los PAH, además de poder obtenerse controladamente con fines comerciales, se forman involuntariamente en la combustión incompleta de materia orgánica[1] (quema de carbón, gas, madera, basura, tabaco, carne asada al carbón) suponiendo un problema medioambiental y para la salud dado los efectos adversos que al menos parte de ellos han mostrado.
Propiedades Físico-químicas
[editar]Las propiedades de reactividad química vienen marcadas por la aromaticidad del anillo que hace a estas moléculas muy estables termodinámica y cinéticamente. El benceno y el resto de arenos, no dan fácilmente las reacciones típicas de adición de los sistemas insaturados (hidrogenación, hidratación, halogenación u oxidación). De hecho muchos de ellos pueden usarse como disolvente gracias a su baja actividad. En la tabla se recogen las propiedades de algunos compuestos representativos de esta familia.
| Benceno[2] | Cumeno[3] | Naftaleno[4] | Tolueno[5] | |
|---|---|---|---|---|
| Apariencia | Líquido transparente incoloro | Líquido incoloro | Sólido blanco cristalino | Líquido incoloro |
| Punto de ebullición (°C) | 80 | 152.4 | 217.9 | 111 |
| Punto de fusión (°C) | 5.5 | -96.0 | 80.2 | -95 |
| Peso Molecular(g/mol) | 78.11 | 120.19 | 128.16 | 92.13 |
| Solubilidad en agua | ligeramente soluble | insoluble | insoluble | insoluble |
| Densidad relativa (agua = 1) | 0.8765 | 0.862 | 1.0253 | 0.87 |
| Densidad de vapor relativa (aire = 1) | 2.7 | 4.2 | 4.42 | 3.1 |
| Presión de vapor (kPa a 20°C) | 10 | 10 mmHg a 38.3°C | 0.01 | 3.8 |
| Punto de inflamación (°C) | -11 | - | 80 | 4 |
| Temperatura de autoignición (°C) | 500 | - | 540 | 480 |
| Límites de explosividad (% en volumen en el aire) | 1.2-8.0 | 0.9-6.5 | 0.9-5.9 | 1.1-7.1 |
| Coeficiente de reparto octanol/agua (log Pow) | 2.13 | 3.66 | 3.3 | 2.69 |
Peligrosidad
[editar]La National Fire Prevention Association (NFPA) clasifica a la mayoría de los hidrocarburos aromáticos con un código de inflamabilidad de 3 (donde 4 significa riesgo grave). Por ello, al presentan un riesgo de ignición considerable siempre que se trabaje con ellos se debe evitar la acumulación de sus vapores y recoger inmediatamente las fugas y derrames, además de evitar la proximidad de fuentes de calor extremo. Como se puede observar en la tabla anterior para la mayoría de los hidrocarburos aromáticos los vapores son bastante más densos que el aire por lo que se extienden a ras del suelo y se puede dar la ignición en un punto distante a la fuente de la que procede la sustancia. Con el fin de evitar riesgos mayores, hay que tener en cuenta a la hora de elegir el material de trabajo que algunos de estos compuestos son buenos disolventes para plásticos y caucho (como el benceno o el tolueno).
Efectos tóxicos
[editar]La entrada al organismo de los hidrocarburos aromáticos puede darse por inhalación, ingestión y en menor cantidad por vía cutánea. Una vez dentro del organismo, éste trata de degradarlos a compuestos hidrosolubles que se conjugan con glicina, ácido glucurónico o sulfúrico para poder ser excretados por la orina, la principal ruta de eliminación de estos compuestos. En general, los bencenos con un sustituyente son más tóxicos que los que tienen dos sustituyentes alquilo, y en los que la cadena es ramificada aun es mayor la toxicidad. Esto es debido a que en el organismo se metabolizan a compuestos hidrosolubles por oxidación del anillo, pero cuando el anillo tiene sustituyentes alquílicos se oxidan estos en lugar del anillo.
Es una familia muy amplia y variada de compuestos por lo que la toxicidad varía mucho dentro de ella, aquí sólo se recogen algunos efectos tóxicos que pueden causar. Los más comunes para intoxicación aguda (dosis puntual) son la irritación de las vías respiratorias produciendo tos y dolor de garganta, también genera dolor de cabeza, náuseas, mareo, palpitaciones, desorientación, confusión e inquietud. En caso de dosis altas se puede dar incluso la pérdida de conocimiento y depresión respiratoria, pudiendo llegar a causar la muerte. En cuanto a los efectos por exposición crónica (dosis continuadas en un periodo largo de tiempo), los síntomas neurológicos pueden ser: cambios de conducta, depresión, alteraciones del estado de ánimo y cambios de personalidad y de la función intelectual y neuropatía distal. Otros efectos crónicos son sequedad, irritación y agrietamiento de la piel y dermatitis.
Hay evidencias de que varios hidrocarburos aromáticos como el benceno (cancerigeno de clase 1 según la DFG)[6] o algunos PAH son cancerígenos[7].
[8]
Para evitar los efectos nocivos para la salud debidos a la inhalación de estos compuestos en el lugar de trabajo es muy importante evitar su presencia en el aire, por lo que hay que trabajar con extracción localizada, mantener los recipientes bien cerrados cuando no se usen y adoptar las precauciones necesarias para evitar fugas o derrames. Además de estas medidas comunes, los trabajadores en contacto con estos productos tendrán que emplear equipos de protección individual (EPI´s) como mascaras, guantes, ropa de protección adecuada, etc. según indique el manual de Prevención de Riesgos Laborales.
Uso en la industria
[editar]Los principales usos de los hidrocarburos aromáticos puros son: síntesis química de plásticos (estireno), caucho sintético, pinturas, pigmentos (anilina), explosivos, alimentación (benzaldehido = condimento artificial, ácido benzoico = conservante), pesticidas (naftaleno = control de polillas y parasitos del ganado, y reactivo de partida para síntesis de insecticidas), detergentes, perfumes (anisol) y fármacos (fenol = antiséptico, acetofenona = droga hipnótica). También se usan como mezclas como disolventes y como constituyentes, en proporción variable, de la gasolina.
Algunos ejemplos de compuestos empleados como disolvente:
- Benceno: se ha empleado como disolvente en formulaciones y para extracciones de sustancias partiendo de semillas y frutos secos. También se ha usado en la fabricación de estireno, fenoles, anhídrido maleico, detergentes, explosivos, productos farmaceúticos y colorantes, y como combustible. Actualmente está prohibido su uso en las formulaciones de productos para uso doméstico y en muchos países también está prohibido su uso como disolvente y componente de los disolventes para limpieza en seco.
- Cumeno: es un buen disolvente de grasas y resinas, lo que ha llevado a usarlo en la industria como sustituyente del benceno. Se emplea como disolvente de pinturas y lacas de celulosa, como componente de alto octanaje para combustibles de aviones y como materia prima (obtención de fenol y acetona, obtención de estireno por pirolisis).
- Tolueno: disolvente de aceites, resinas, caucho, alquitrán de hulla, asfalto, brea y acetilcelulosas. Se emplea como disolvente y diluyente en pinturas, barnices de celulosa en tintas de fotograbado. Mezclado con agua forma una mezcla azeotrópica con efecto deslustrante. Se emplea en la formulación de productos de limpieza para determinadas industrias y artesanía.
Impacto ambiental
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Varios hidrocarburos aromáticos, como el benceno, tolueno o xileno, están dentro de los denominados COVs (Compuestos Orgánicos Volátiles[9][10]), uno de los principales grupos de sustancias responsables de la contaminación atmosférica ya que además de los efectos nocivos que generan per se también participan en la formación de ozono troposferico. Debido a los daños para la salud y medioambiente se ha ido estableciendo legislación para controlar las emisiones de estos COVs, en España tenemos el RD 117/2003[11] (que transpone la directiva 1999/13) que limita la emisión de COVs debido al uso de disolventes o el RD 227/2006 (transposición de Directiva 2004/42/CE[12]) que regula la emisión de COVs en determinadas pinturas, barnices y productos de renovación del acabado de vehículos.
La mayoría de estos compuestos son dañinos para los medios acuáticos y algunos, como el cumeno, para el ambiente en general (Ver referencias 2 a 5).
Sustitución por otros disolventes
[editar]En la industria se viene buscando la sustitución de sustancias tóxicas por otras que sean menos dañinos para la salud y el medio ambiente, siempre que haya una sustancia igual de eficaz y menos dañina debería tratar de llevarse a cabo la sustitución ya que es el método de prevención más eficaz[13].
[14]
En el caso del benceno si bien no es fácil sustituirlo cuando se emplea como reactivo en síntesis química si que se han ido encontrando sustitutos para la mayoría de sus usos como disolvente. El disolvente alternativo a veces no es tan buen pero el ahorro económico u otra propiedad, puede compensar su menor capacidad como disolvente. Algunos sustitutos son derivados del benceno como el tolueno o xileno, otros disolventes son el ciclohexano, hidrocarburos alifáticos (puros o mezclas), naftas, derivados del petróleo…Además, según la función del material que se quiera disolver y de que proceso industrial se trate también se pueden usar cetonas, alcoholes, esteres y derivados clorados del etileno.
Para el tolueno, cuando se emplea en los adhesivos para la industria de cuero o del mueble se puede sustituir por adhesivos al agua o empeando fusión por calor o sujección mecánica (grapas), en su uso en imprentas se puede sustituir también por agua (a presión o caliente para limpieza)y en desengrasado de materiales se puede sustituir por una disolución acuosa básica.
Referencias
[editar]- ↑ Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades http://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs69.html
- ↑ Ficha Internacional de Seguridad Química del Benceno http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Ficheros/0a100/nspn0015.pdf
- ↑ Ficha Internacional de Seguridad Química del Cumeno http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Ficheros/101a200/nspn0170.pdf
- ↑ Ficha Internacional de Seguridad Química del Naftaleno http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Ficheros/601a700/nspn0667.pdf
- ↑ Ficha Internacional de Seguridad Química del Tolueno http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Ficheros/0a100/nspn0078.pdf
- ↑ Web de la DFG http://www.dfg.de/en/service/press/press_releases/2004/index.html
- ↑ http://www.murciasalud.es/pagina.php?id=252725&idsec=1573
- ↑ ATSDR http://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs69.html
- ↑ http://www.istas.ccoo.es/ecoinformas/index.asp?idpagina=621
- ↑ http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/site/portalweb/menuitem.7e1cf46ddf59bb227a9ebe205510e1ca/?vgnextoid=22fe6d15fad28310VgnVCM1000001325e50aRCRD&vgnextchannel=36e08c43b07d4310VgnVCM1000001325e50aRCRD
- ↑ RD 117/2003 http://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2003-2515
- ↑ Directiva 2004/42/CE http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32004L0042:ES:HTML&lr=lang_es
- ↑ Guía de CCOO para delegad@s de prevención sobre "Sustitución de Sustancias Disolventes Peligrosas" http://www.istas.ccoo.es/descargas/guia%20disolventes.pdf
- ↑ http://www.istas.net/fittema/att/dif.htm
Bibliografía
[editar]- K. Peter, C. Vollhardt y N. E. Schore."Química Orgánica". Ediciones Omega (1996).
- J.L. Soto Cámara. "Química Orgánica. I. Conceptos básicos". Editorial Síntesis (1996).
- Enciclopedia de la OIT (Organización internacional del trabajo). Vol. IV. Capítulo 104.6 (2001).
Tolueno
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El tolueno tiene una fórmula molecular de C7H8 . Se obtiene del petróleo crudo y en el árbol tolú. También se produce durante la manufactura de gasolina y de otros combustibles a partir de petróleo crudo y en la manufactura de coque a partir de carbón. Químicamente se genera en la ciclodehidrogenación del n-heptano y además se obtiene como subproducto en la generación de etileno y de propeno. Algunas de sus características principales son:
- Punto de ebullición: 383,8K (111ºC)
- Viscosidad: 0,590 cP
- Solubilidad en agua: 0,47g/L H2O
El tolueno se adiciona a los combustibles (como antidetonante) y como disolvente para pinturas, revestimientos, caucho, resinas, diluyente en lacas nitrocelulósicas y en adhesivos. Es el producto de partida en la síntesis del TNT (2,4,6-trinitrotolueno), un conocido explosivo. De igual modo, el tolueno es un disolvente ampliamente utilizado en síntesis,también se puede utilizar en la fabricacion de colorante.
En cuanto a la peligrosidad, su punto de inflamación está en 277K (4ºC), y su temperatura de autoignición en 873K (600ºC), por lo que es altamente inflamable, pero se necesita una alta temperatura para que arda espontáneamente. Se trata de un disolvente nocivo, puede afectar al sistema nervioso. Es biodegradable pero tóxico para la vida acuática.