i. energÍa y transportaciÓn

Utilización de carbón como una fuente de energíaPara los años 1890, el carbón mineral reemplazó la madera

I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN

I.1. Fuentes de energía

, pcomo fuente principal de energía en los Estados Unidos. Laprimera central eléctrica de carbón fue construida en 1882, éstapermitía que una turbina de vapor rotara un generador queproducía electricidad. Posteriormente en 1884, Charles Parsonsdesarrolló la turbina de vapor de alta velocidad mas eficiente.Luego, para los años 1920, el carbón pulverizado aumentó laeficiencia y redujo el aire necesario para la combustión. Elhorno de ciclón del 1940 requirió carbón mineral de baja calidad

Charles Parsons

Turbina de vapor dey produjo menos ceniza. Recientemente, la tecnología química

ha desarrollado la combustión del “culm” (material dedesperdicio de la minería de carbón) para producir electricidady disminuir la contaminación al ambiente.

Exploración y producción de petróleoEl descubrimiento del campo de aceite de Spindletop en Tejas en1901 y la aparición del automóvil ocasionó que el petróleosuperara el uso del carbón como principal fuente de energía para

vapor de Parsons(1907)

el 1951. La tecnología química del refinamiento del petróleocrudo para separar sus diferentes fracciones químicas ha idomejorando continuamente, comenzando con la destilaciónatmosférica simple y progresando a la destilación al vacío(presión reducida), a la pirolisis y al uso de catalíticos. Laquímica ha sido instrumental, primeramente por el proceso derecuperación de petróleo crudo de las excavaciones con(“diamond drilling bits y drilling muds”) además de las

t i d l it d i t bit i ( il f h l )extracciones del aceite de esquisto bituminoso (oil-from-shale)utilizando una combinación de sustancias químicas y vapor.Además del proceso de recuperación secundario que incluye elbombeo de gas (CO2) a alta presión o soluciones acuosas en latierra.

Energía nuclearEl primer reactor nuclear fue desarrollado para uso militar en1942. Las aplicaciones de la tecnología nuclear para usospacíficos, incluyendo la generación de electricidad comenzó en1951 con el Programa de Átomos para la Paz del PresidenteEisenhower. Desde entonces, la química ha jugado un papelimportante, produciendo los materiales radioactivos utilizadoscomo combustible en los reactores, las barras de control de losreactores que regulan el flujo de neutrones del decaimientoradioactivo, el reprocesamiento del “spent fuel rods”, el manejode desperdicios radioactivos, la protección ambiental y laminimización de los efectos dañinos de la exposición a laminimización de los efectos dañinos de la exposición a laradiación. Fuentes de energía alterna

Los llamados métodos verdes de generación de energía, talescomo los molinos hidroeléctricos y geotermales, suplen menos deun por ciento de la generación de electricidad total en el mundo,sin embargo, según los economistas y la disponibilidad de recursosostenibles, éstos juegan un papel importantísimo que hay queconsiderar. A través de la química se ha desarrollado lainfraestructura para fuentes alterna tales como los panelesinfraestructura para fuentes alterna, tales como, los panelessolares para la generación termal y fotovoltaica, los héliceslivianos de carbono para la generación de viento, las turbinas demetal y concreto para las plantas hidroeléctricas y materialesresistentes a la corrosión para el aprovechamiento de fuentesgeotermales.


I.2. Almacenaje de energía eléctrica y fuentes portátiles

B t í d h blBaterías desechablesEl almacenaje de energía eléctrica fue desarrollada porAlessandro Volta a finales de los años 1700, y laquímica ha contribuido desde entonces a los adelantosde la electricidad con baterías. La celda seca decarbono-cinc de 1890 mejoró la versión de Leclanché.Se produjo comercialmente para el uso de las linternasportátiles y todavía se usan. En 1949, una nueva pastaalcalina para la batería tradicional mejoró el tiempo dealcalina para la batería tradicional mejoró el tiempo devida de las baterías y permitió su miniaturización. Estabatería alcalina inmediatamente se utilizó para losaparatos eléctricos portátiles y las cámara. Desdeentonces, nuevos modelos de baterías han sido usadostales como los de óxido de plata, óxido de mercurio olitio.

Batería de celda seca de carbono-cinc

Baterías recargablesLa batería recargable de plomo-ácido de 1859 fue unaversión comercial temprana en el que se usa unareacción química controlada que produce electricidad.Su versión mejorada en 1881 y subsiguientes adelantos

Baterías recargables

Su versión mejorada en 1881 y subsiguientes adelantoshace que continúe como la mejor batería de uso comúnpara automóviles y camiones. La primera bateríarecargable de níquel-cadmio, construida en 1899, fuemuy costosa para uso comercial. Desarrollos modernosfueron enfocados en el uso del litio. Después del intentofallido de utilizar litio metálico en los años 1980, labatería ión litio se convirtió en la aplicación común paralos teléfonos celulares y las computadoras portátileslos teléfonos celulares y las computadoras portátiles(laptops).


I.3. Materiales para carreteras y puentes

ConcretoLa construcción masiva de proyectos en la interestatalestadounidense de los años 1950 dependió fuertemente de ladureza y longevidad del concreto para las carretera y los puentes.El cemento Portland, hecho por primera vez en 1824 y patentadocomo concreto reforzado (cemento armado) por el francés,Joseph Monier en 1877, endurece lentamente “slow-sets” debidoa una reacción química compleja en el que la pasta de cementojrellena los espacios vacíos entre el particulado y otrosrevestimientos. Su durabilidad y fuerza depende del controlcuidadoso del proceso de manufactura del cemento. Añadirdistintas sustancias químicas a la mezcla de cemento inicialpuede reducir la contracción y mejora la resistencia a la corrosión.

AsfaltoEl asfalto es un material de construcción popular para carreteras porsu costo y cualidades. El asfalto natural se descubrió en 1595, perono se mezcló con brea para uso en carreteras hasta 1902. Bitumol obetún (“Bitumen”), el residuo sólido o semisólido del proceso derefinería del petróleo rápidamente reemplazó el asfalto natural parapavimentar las carreteras Recientemente se ha añadido polímerospavimentar las carreteras. Recientemente se ha añadido polímerossintéticos para mejorar las cualidades y durabilidad del asfalto.“Superpave” (el acrónimo en inglés de: Pavimentación con asfaltosuperior y de alta calidad - “Superior Performing AsphaltPavements”) es la última tecnología para convertir el asfalto en unproducto que puede resistir cargas pesadas y condiciones de climaadversas.

Metales y aleacionesEl acero se ha con ertido en el material de infraestr ct raEl acero se ha convertido en el material de infraestructuraprimaria para los puentes debido a sus cualidades defortaleza, poco peso, durabilidad, fácil manejo yconstrucción; costos bajo de edificación y resistencia adesastres naturales como los terremotos. El acero de altacalidad introducido para los años 1990 tienen unafortaleza superior y una mejor resistencia a corrosión. Otratecnología para la protección de acero en puentes es elproceso conocido como la metalización “metalizing” en elproceso conocido como la metalización metalizing , en elcual el aluminio o cinc se rocía sobre la superficie limpiadel acero para formar un revestimiento protector de 30años.

Mantenimiento y técnicas de reparaciónLa infraestructura de las carreteras deben mantenerse sin deteriorossignificativos en todo tipo de clima y por largos tiempos. Las innovacionesen la construcción y los materiales de mantenimiento han permitidointervalos de tiempo mas largos entre reconstrucción de carreteraintervalos de tiempo mas largos entre reconstrucción de carretera.Selladores para el concreto, el asfalto y el acero son importantes paraprolongar la vida útil de las carreteras. Otras sustancias químicas ymateriales poliméricos funcionan como aditivos que unen y mejoran lacalidad de las carreteras. Por ejemplo, el añadir estireno-butadieno-estirenoal asfalto resulta en menos grietas y hoyos en las carreteras asfaltadas.


I.4. Combustibles petroquímicos

Producción de gasolina desde el petróleo crudoPara mejorar la recuperación de la gasolina del petróleo crudo, lasrefinerías inicialmente usaban calor para romper las moléculasgrandes del aceite viscoso en fracciones mas pequeñas utilizandoel proceso conocido como pirólisis “thermal cracking” (1913).Como altas temperaturas también formaba productos secundariosindeseables, se usó la destilación fraccionada al vacío queoperaba a temperatura mas baja en el 1928. El uso de unjcatalítico inerte (“catalytic cracking”) en vez de temperatura altaspara obtener el rompimiento fue desarrollado por Eugene Houdryen 1936, y rápidamente revolucionó el proceso de refinería degasolina en 1937.

Refinería de aceite

Aditivos para combustibleLos motores de automóviles antiguos “detonaban” cuando se utilizabagasolina de poca calidad En 1921 se le añadió tetraetilo de plomo a lagasolina de poca calidad. En 1921, se le añadió tetraetilo de plomo a lagasolina para que los motores funcionaran con suavidad ysilenciosamente. Para el 1926, se introdujo un índice de octanaje paramedir la calidad de la gasolina (tolerancia de compresión). El uso deaditivos que contenía plomo se descontinuó en los años 1970 debido apreocupaciones ambientales. Hoy día, pequeñas cantidades desustancias químicas como (alcoholes y éteres) son añadidos a la gasolinapara mejorar el octanaje, mejorar la calidad de la gasolina (desactivadoresde metales) y reducir la fricción y el deterioro del motor (detergentes)de metales) y reducir la fricción y el deterioro del motor (detergentes).Aditivos apropiado para distintas estaciones del año son usados enalgunas áreas de preocupación geográficas, como la adición de metanolpara prevenir el congelamiento de las líneas de combustible en áreas defrío extremo.

Convertidores catalíticosLos convertidores catalíticos de dos etapas seintrodujeron en 1975 para controlar las emisiones demonóxido de carbono e hidrocarburos. Luego se introdujouna tercera etapa para limpiar los óxidos de nitrógeno delos tubos de escape. La forma en que los convertidorescatalíticos funcionan es produciendo una serie dereacciones químicas alrededor del metal, usualmente uncatalítico de platino. Los óxidos de nitrógeno seconvierten en gases de nitrógeno y oxigeno, monóxido de

b i t dió id d b lcarbono se convierte en dióxido de carbono y loshidrocarburos sin quemar en agua y dióxido de carbono.

Convertidor catalítico de tres etapas


I.5. Automotriz

Materiales avanzados para diseño, seguridad ycomodidadEl automóvil del siglo 21 no parece en lo absoluto a susantecesores, en diseño, comodidad y seguridad para lospasajeros. Los faros de alta intensidad proveen máximailuminación en las noches. La corrosión se ha reducidodramáticamente por el uso de revestimientos y materialesespeciales. Refrigerantes químicos circulan en un sistemagcerrado. El vidrio de seguridad automotriz se introdujo en1914. Hoy día, polímeros especiales cubren el vidrio parareducir su peso y el ruido, además de protección contra laradiación ultravioleta y el brillo. Innovaciones en seguridadincluyen fibras polimerizadas para los cinturones deseguridad (requeridos en los años 1960) y bolsas de aire(requeridos en 1996).

Componentes de plásticoGracias a los adelantos químicos ha ocurrido, la reducción delpeso de los automóviles al realizar la transición de metales aplásticos e identificar materiales de alto rendimiento. Despuésde la Segunda Guerra Mundial los manufactureros dede la Segunda Guerra Mundial los manufactureros deautomóviles comenzaron a utilizar polímeros sintéticos a basede petróleo para los componentes estructurales rígidos por sudureza, tenacidad y resistencia al clima. Después de la crisisenergética del 1970 se buscó un reemplazo de metales, amateriales de poco peso para mejorar la eficiencia. Lasaplicaciones de diseño incluyen: caja de auto complejasfabricadas por moldeo de inyección, parachoquestermoplásticos, fibras de polipropileno que son estable a la luztermoplásticos, fibras de polipropileno que son estable a la luzultravioleta y fácil de colorear y pinturas especiales,revestimientos, además de adhesivos.

Fibras de polipropileno

Tecnología de neumáticosProductos de hule natural apareció a principio de los 1800,pero fue impráctico por su suavidad o fragilidad en climascalientes o fríos. Un inventor americano, Charles Goodyeardesarrolló el proceso de vulcanización para el hule natural en1839, al entrecruzar el polímero con azufre. Todavía se utilizaeste proceso básico pero se añade acelerante químicos yestabilizadores. Para 1945, el gaucho sintético se estabaproduciendo comercialmente. Según aumentaba la demanda,se introducían otros materiales incluyendo el tubo interno parase introducían otros materiales incluyendo el tubo interno parareemplazar el neumático de hule sólido, revestimiento confibra natural o sintética para fortaleza, aditivos para reducir eldeterioro por uso y eventualmente entró en servicio elneumático sin tubo interno.


I.6. Aeronáutica

Globos aerostáticos o de aire caliente (“hot airballoons”)balloons )Desde 1783, cuando el primer humano voló en unglobo impulsado con aire caliente proveniente de unaflama, las innovaciones para los globos de aire calienteha sido revolucionario. El aire caliente rápidamente fuereemplazado por hidrógeno, que era mas fácil demanejar. Vuelos en globos aerostáticos se hanconvertido en un deporte popular con mas de 5000pilotos de globos en Estados Unidos. La química hacontribuido con el material de nilón duradero,económico y resistente al calor, además de latecnología del propano liquido utilizado para lapropulsión del globo.

HelioAunque los globos propulsados por hidrógeno, como el famosoHindenburg (1937), tenía una estructura sólida, la inflamabilidadHindenburg (1937), tenía una estructura sólida, la inflamabilidaddel hidrógeno siempre presentó un peligro de seguridad. En1905, dos químicos descubrieron helio natural en un pozo enKansas y este elemento raro de pronto se encontró en plenitud.Durante la Primera Guerra Mundial la tecnología química extrajo,almacenó y exportó grandes cantidades de helio. En los años1950, helio se utilizaba para soldaduras durante la construcciónde cohetes y como propulsión de combustible para los cohetes omisiles “rockets”.

Combustibles para cohetesDesde las primeras pruebas de lanzamiento de cohetes en los1920, a los satélites de comunicación de los años 1950, a lasaeronave espaciales reusable de los años 1980, el lanzamientoal espacio del ser humano es la hazaña mas asombrosa de laingeniería. El exitoso viaje al espacio depende de la alta

Desastre del Hindenburg (1937)

velocidad de propulsión que posee el cohete para superar lafuerza gravitacional de la Tierra. El primer cohete que se lanzóen 1926 utilizó combustible líquido de gasolina y oxígeno líquidocomo oxidante. Posteriormente, se ha utilizado varioscombustibles líquidos y sólidos. La aeronave espacial (“SpaceShuttle”) utiliza hidrógeno líquido como combustible pero elmotor de lanzamiento usa un combustible sólido de aluminio yperclorato de amonio como oxidante/enlazante (oxidizer/binder).

Materiales de construcción para aviones y cohetesSegún el diseño de los aviones fue evolucionando de madera ytela a materiales de ingeniería sofisticados, la tecnología químicaha provisto los materiales para cumplir con los requerimientos dediseño. Aleaciones utilizando aluminio y titanio se desarrollaronpara proveer dureza, ligereza, estabilidad a altas temperaturas yresistencia a la corrosión para los aviones. Los cohetes o misilesusan materiales con unos requisitos especiales por lascondiciones de temperatura extrema en el que se manejan Uncondiciones de temperatura extrema en el que se manejan. Unejemplo es el revestimiento especial de sitios estratégicos de lanave que la protege cuando vuelve a entrar desde el Espacio a laTierra. Después que se utilizó un compuesto exótico de zirconio,el diseño final del revestimiento utilizado fue fibras de sílicaderivado de la arena común.

i. energÍa y transportaciÓn

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