Compuesto químico más importante: Acetileno

Historia y Descubrimiento

El acetileno, el hidrocarburo alquino más simple, es un gas incoloro, inflamable e inestable con un distintivo y agradable olor. El acetileno derivado del carburo de calcio puede presentar un olor a ajo debido a trazas de fosfina generadas durante el proceso de producción. En la industria petrolera, el término "acetilenos" se usa ampliamente para abarcar productos químicos caracterizados por el enlace triple carbono-carbono. Descubierto por primera vez en 1836 por Edmund Davy (1785–1857), el acetileno se produjo involuntariamente durante sus intentos de sintetizar metal de potasio a partir de carburo de potasio (K2C2). En 1859, Marcel Morren en Francia generó acetileno empleando un arco eléctrico entre electrodos de carbono en presencia de hidrógeno. Morren denominó al gas resultante hidrógeno carbonizado. Posteriormente, Pierre Eugène-Marcelin Berthelot (1827–1907) replicó el experimento de Morren tres años después e identificó de manera concluyente al hidrógeno carbonizado como acetileno.

Preparación y Producción

El descubrimiento fortuito de un método para la producción comercial de acetileno ocurrió en 1892 a través de la experimentación involuntaria de Thomas Willson (1860–1915). Willson, dedicado a la producción de aluminio en su empresa en Spray, Carolina del Norte, buscaba generar calcio para la reducción de óxido de aluminio, Al2O3. Utilizando un horno eléctrico, combinó alquitrán de hulla y cal viva, con la intención de obtener calcio metálico. En cambio, el resultado fue una sustancia gris y quebradiza identificada como carburo de calcio, CaC2. Esta sustancia, al reaccionar con agua, producía acetileno. El avance de Willson provocó el establecimiento de numerosas plantas de acetileno tanto en Estados Unidos como en Europa en la década siguiente.

El distintivo enlace triple dentro del acetileno confiere un alto contenido energético que se libera durante la combustión. Tras el logro de Willson, Henry-Louis Le Châtelier (1850–1936) observó que la quema de acetileno y oxígeno en proporciones aproximadamente iguales generaba una llama de intensidad sin igual. El acetileno y el oxígeno puros, al combinarse, producían temperaturas de llama entre 3,000°C y 3,300°C, lo suficientemente altas para el corte de acero. El calor excepcional que emana de la combustión del acetileno no se atribuye únicamente a su calor de combustión, comparable a otros hidrocarburos, sino más bien a la naturaleza única de la llama que produce. El acetileno se quema rápidamente cuando se mezcla con oxígeno puro, generando una llama caracterizada por un cono interno concentrado. Esto resulta en la transferencia de energía dentro de un volumen confinado, logrando así temperaturas elevadas.

En la segunda mitad del siglo XIX, las antorchas de corte de metal que utilizaban hidrógeno y oxígeno eran prevalentes, con temperaturas de aproximadamente 2000°C. Sin embargo, el surgimiento de antorchas diseñadas para usar acetileno surgió a principios del siglo XX, revolucionando las prácticas de trabajo del metal. Además, el acetileno ganó una amplia aplicación en la iluminación. Lámparas portátiles para mineros, automóviles, bicicletas y linternas utilizaban una mezcla de agua y carburo de calcio para generar acetileno, produciendo una llama brillante. Las farolas, los faros y las boyas también adoptaron el acetileno para la iluminación; sin embargo, hacia 1920, su uso como fuente de luz había sido reemplazado por baterías e iluminación eléctrica.

La estabilidad del acetileno presenta un desafío significativo en su utilización. Si bien el acetileno permanece estable bajo presiones y temperaturas estándar, la exposición a presiones tan bajas como 15 libras por pulgada cuadrada (psig) puede provocar reacciones explosivas. Para mitigar esta preocupación por la estabilidad, se hacen esfuerzos para limitar el transporte de acetileno. Para aplicaciones de soldadura y corte, el acetileno se almacena en cilindros presurizados, donde se disuelve en acetona. Estos cilindros cuentan con un relleno poroso compuesto por materiales como virutas de madera, tierra de diatomeas, carbón vegetal, amianto y cemento Portland, con rellenos sintéticos también disponibles. La acetona llena los vacíos en el material poroso, permitiendo que el acetileno se presurice hasta aproximadamente 250 libras por pulgada cuadrada (psi). Este sistema presurizado, donde 1 litro de relleno puede alojar varios cientos de litros de acetileno, contribuye a estabilizar la sustancia. Es imperativo no almacenar los cilindros de acetileno de lado, ya que esto puede resultar en una distribución desigual de acetona y la formación de bolsas de acetileno.

El método convencional de producción de acetileno implica la reacción de cal y coque para generar carburo de calcio, que posteriormente se combina con agua para producir acetileno.

En la década de 1920 surgieron procesos alternativos, utilizando gas natural y productos derivados del petróleo, como la fisión térmica del metano. Este proceso implica calentar metano en un ambiente deficiente en oxígeno para evitar la combustión completa, lo que lleva a la fisión del metano en acetileno. Varios hidrocarburos, incluyendo etano, propano, etileno, pueden servir como gases de alimentación para la producción de acetileno.

Aproximadamente el 80% de la producción de acetileno se dedica a la síntesis química, con Estados Unidos consumiendo alrededor de 100,000 toneladas anualmente. Si bien el acetileno fue ampliamente utilizado en Alemania para la síntesis química en el pasado, su utilización ha disminuido debido al surgimiento del etileno como materia prima y métodos de producción más económicos. Desde el año 2000, Estados Unidos ha presenciado una reducción anual de aproximadamente 50,000 toneladas en el consumo de acetileno. La mayoría de la producción de acetileno ahora respalda la producción de 1,4-butanodiol, un componente clave en plásticos, fibras sintéticas, resinas, disolventes orgánicos y recubrimientos. El innovador proceso Reppe de Walter Reppe, que emplea acetileno en procesos químicos, está siendo reemplazado por métodos más nuevos que utilizan óxido de propileno, butadieno o butano.

El enlace triple único en el acetileno permite diversas reacciones de adición, particularmente con hidrógeno y halógenos. Por ejemplo, la reacción con cloruro de hidrógeno produce cloruro de vinilo, históricamente un precursor significativo del cloruro de polivinilo (PVC) antes de la década de 1960. Debido a la reactividad e inestabilidad del acetileno, el etileno se ha convertido en una alternativa más económica desde la década de 1950. La adición de ácidos carboxílicos al acetileno produce ésteres vinílicos, como el acetato de vinilo producido mediante la adición de ácido acético. El ácido acrílico, una vez producido usando química Reppe con acetileno, ahora se deriva más económicamente del propileno. La adición de hidrógeno catalizada al acetileno produce etileno, mientras que el acetileno mismo puede polimerizar en poliacetileno.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182