- Geoquímica
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La geoquímica es una especialidad de las ciencias naturales, que sobre la base de la geología y de la química estudia la composición y dinámica de los elementos químicos en la Tierra, determinando la abundancia absoluta y relativa, distribución y migración de los elementos entre las diferentes partes que conforman la Tierra (hidrosfera, atmósfera, biósfera y geósfera) utilizando como principales testimonios de las transformaciones los minerales y rocas componentes de la corteza terrestre, con el propósito de establecer leyes o principios en las cuales se basa tal distribución.Los elementos geoquímicos son en una escala de mayor a menor abundancia: oxigeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio.
Los objetivos de la geoquímica son:
- Determinar la abundancia absoluta y relativa de los elementos y sus especie
Contenido
Áreas de investigación
- Geoquímica orgánica: Dedicada al estudio de la distribución de la materia orgánica en la tierra y de los procesos que la controlan. Las líneas de investigación en esta área son:
La geoquímica orgánica en la génesis, migración, entrampamiento, exploración y producción de hidrocarburos. La geoquímica orgánica en el estudio del origen, distribución y caracterización de carbones. La distribución y transformación de la materia orgánica y elementos asociados en los ambientes naturales.
[Geoquímica del petróleo] [Prospección geoquímica] [Geoquímica de reservorio]
[Geoquímica de elementos traza]
[Geoquímica isotópica]: Está dedicada al estudio de la variación de la composición isotópica en materiales naturales. Las líneas de investigación en esta área son las siguientes: Geoquímica isotópica en la [datación radiométrica] de minerales y rocas. Geoquímica de [isótopo]s estables.
[Geoquímica ambiental: se dedica al estudio de la distribución de elementos químicos y de compuestos inorgánicos y orgánicos naturales y artificiales potencialmente nocivos en el ciclo exógeno, sus transformaciones en ambientes naturales. Los procesos que regulan su comportamiento y sus posibles cambios como consecuencia de la influencia antropogénica. Las líneas de investigación en esta área son: Geoquímica de [Contaminación hídrica|contaminación de aguas]. Geoquímica de [Contaminación del suelo|contaminación de suelos] y [sedimento]s. Geoquímica de [contaminación atmosférica]. Geoquímica [forens].
Historia de la Geoquímica
La geoquímica como disciplina formal incluye mucho de la historia de la química y de la geología, pero como ciencia que habla de la historia elemental en el planeta Tierra, únicamente pudo formarse una vez que se hizo real la noción del elemento químico, cuando se "penetró" la construcción atómica y en la configuración electrónica.
- año 79 Plinio el Viejo (romano): trabajó con datos exactos de diferentes minerales. Muere durante una erupción del Vesubio.
- ~ siglo X Lucas-Ben Serapion: escribió "el libro de las Piedras" (...piedras que huyen unas de otras, piedras a las cuales otras alteran...)
- años 975-1037 Avicena: escribió un tratado sobre minerales. Establece una clasificación: 1) piedras y tierras; 2) Compuestos combustibles sulfurosos; 3) Sales; 4) Metales.
- años 1711-1765 M. Lomonosov (ruso): escribió el primer tratado sobre "geoquímica" aunque no utiliza el nombre; en el libro habla de Constitución de las capas de la tierra y origen de los minerales, "peregrinación" de metales de un lugar a otro. En 1752 dicta el primer curso de Química-Física. Plantea una nueva metodología de estudio para los sistemas naturales.
- años 1711-1765 J. Berzelius (sueco): realizó los primeros análisis químicos de minerales silicatados.
- al-kīmiyaˀ (الكيمياء) o al-khīmiyaˀ (الخيمياء): término árabe que se refería a un cierto "Arte Egipcio" desarrollado por un grupo de personas selectas (sacerdotes) del imperio egipcio. El término lo utilizaban para referirse a "aquel que sabe". La palabra Al´Chímia se origina en Egipto ~ en el siglo III a. C. y se difunde en Europa en el siglo XIII por el contacto Árabe-Cristianos en las guerras de las Cruzadas. La palabra derivó a Alquimia, cuyo principal objetivo era la transmutación de un elemento en otro. Una vez que estas prácticas se establecen como ciencia verdadera, se le denomina Química.
- Uso de la palabra geoquímica por primera vez, C. F. Schönbein (1838, Universidad de Basel, Suiza). Para Schönbein la Geoquímica era el conjunto de conocimientos sobre los procesos químicos en la corteza terrestre.
Origen y formación de petróleo
Para hablar del origen del petróleo debemos hablar del Carbono, este elemento está en el cuarto grupo de la tabla periódica de los elementos, lo que significa que tiene cuatro electrones en su última orbita. El carbono se presenta en forma de uniones químicas de carbono-carbono o se combinan con otros elementos. Los elementos más estables son los que contienen ocho electrones. El Carbono asume esta configuración mediante la formación de enlaces covalentes, es decir, mediante el intercambio de electrones consigo mismo y con otros elementos, así el carbono es fácilmente reducido con hidrógeno u oxidado con oxígeno, para formar los dos compuestos de carbono más comunes en la corteza terrestre, el metano y dióxido de carbono.
La verdadera singularidad de carbono es la que le permite ser el elemento básico de toda la vida, reside en su capacidad para combinar consigo mismo para formar largas cadenas de carbono, anillos, y complejos.
El carbono ha sido la estructura básica de todas las formas de vida tal como la conocemos desde el comienzo de la vida sobre la tierra. En consecuencia, la química del carbono se la conoce como la química orgánica, mientras que la química de todos los demás elementos se llama la química inorgánica.
Así, 100 elementos de la tabla periódica se combinan entre sí para formar alrededor de 70000 compuestos inorgánicos, mientras que el carbono se combina con sí mismo y los demás para formar 4 millones de compuestos orgánicos. El carbono se encuentra en los alimentos que comemos, el aire que respiramos, la ropa que usamos, las casas que construimos, el combustible , no es el elemento más extendido en la tierra, sino que está en todas partes de la corteza.
El petróleo se origina como consecuencia de transformaciones químicas complejas de material biológico depositado en grandes cantidades en el fondo marino o lacustre junto a sedimentos minerales. Durante millones de años, estos sedimentos y los restos orgánicos atrapados, fueron sometidos a grandes presiones y altas temperaturas como consecuencia de un progresivo enterramiento, dando origen a una roca sedimentaria conocida como “roca madre”, saturada de bitúmen. La materia orgánica dominante en la formación del petróleo deriva de organismos microscópicos, conocidos como fitoplancton y zooplancton, junto con material terrígeno transportado hacia los cuerpos de agua.
La deposición rápida y activa de sedimentos de grano fino en el fondo de estos cuerpos de agua provee, por una parte, la cobertura necesaria para la conservación de la materia orgánica evitando una drástica descomposición, y por otro lado, una matriz rica en agua en la cual pueda tener lugar el proceso de diagénesis (cambios físico-químicos) de la sustancia orgánica. Entre estas transformaciones, producidas bajo la influencia de bacterias, el proceso más notable es la conversión de estructuras biológicas o biopolímeros proteínas, celulosa y lípidos), en sus componentes individuales o monómeros (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos). A medida que progresa el enterramiento, los materiales son sometidos a un paulatino calentamiento debido a la existencia de un gradiente geotérmico que en promedio asciende a 30 °C por cada km. de profundidad. Durante estos procesos, los biomonómeros comienzan a reaccionar entre ellos mismos, conformando complejas estructuras orgánicas refractarias bi-dimensionales conocidas como kerógeno. Este material, insoluble en agua y en los principales solventes, está constituido por macromoléculas aromáticas, conteniendo heteroatomos (O, S, N).
Estos procesos de transformación de la sustancia orgánica son de tipo termocatalítico, ya que las transformaciones aumentan a medida que aumenta la temperatura, dependiendo asimismo de las características superficiales de la roca sedimentaria presente. En particular, las arcillas ejercen una acción catalítica que favorece el progreso de la reacción de generación de hidrocarburos. A través de estos procesos, primero se elimina gran parte de los heteroátomos en forma de productos volátiles (CO2, H2S, N2) y sucesivamente se forman hidrocarburos cada vez más livianos quedando como residuo final una sustancia más rica en carbono, cuya estructura y constitución tiende a acercarse notablemente a la del grafito.
Más allá del estrés térmico y de los millones de años de enterramiento, las reacciones ocurren lentamente, removiendo oxígeno como dióxido de carbono y agua, transformando así el kerógeno en petróleo crudo. Cuando el enterramiento es importante, la temperatura supera los 50 o 100 °C, y el petróleo crudo puede ser transformado en gases de hidrocarburos. A muy altas temperaturas, mayores a 100 °C, la mayor parte del petróleo crudo y del gas natural, es convertida en metano. Seguido a la formación de gas y petróleo, los fluidos son movilizados desde la roca madre, migrando con mecanismos en gran parte desconocidos hacia la roca reservorio donde el petróleo se acumula constituyendo yacimientos de importancia comercial.
La química original de la materia orgánica, el ambiente de la depositación, el tiempo y el calor impuesto sobre el material biológico, determina el tipo de crudo y de gas formado. La química del petróleo y del gas puede ayudar a reconstruir la fuente original de materia orgánica y la temperatura de generación de los hidrocarburos.
El petróleo crudo formado durante largos y complejos procesos está compuesto de una mezcla de diversas sustancias, a partir de la cual se producen diversos productos refinados del petróleo (gasolina, kerosene, combustible diésel y lubricantes). Estas sustancias son mayormente compuestos de carbono e hidrógeno, por consiguiente son llamados hidrocarburos. Otros elementos, así como oxígeno, azufre y nitrógeno, pueden estar presentes en menores cantidades. También en forma de trazas puede aparecer el fósforo y metales pesados como vanadio y níquel.
A pesar de las amplias variaciones en la composición química de los crudos, la composición elemental genérica presenta la siguiente distribución aproximada: Carbono (84 a 87%), Hidrógeno (11 a 14 %) como los elementos más abundantes, Azufre (0 a 3%), Nitrógeno (0 a 2%), Oxígeno (0 a 1%) como elementos de menor importancia y elementos trazas que pueden incluir Fósforo, Vanadio y Níquel, entre otros.
Compuestos químicos del petróleo
El petróleo está compuesto principalmente por distintas tipos básicos de hidrocarburos, a saber: alcanos, cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos, en distintas proporciones que caracterizan su origen y que constituyen entre un 50 y un 90 % de la composición del petróleo. Los alcanos o parafinas, constituyen la mayoría de los hidrocarburos y están caracterizados por cadenas de átomos de carbono rectas (n-alcanos) o ramificadas (iso-alcanos). La longitud de las cadenas puede ser desde C1 (metano) hasta C40 o más. El contenido de cadenas ramificadas (isoalcanos) presentes en el petróleo crudo puede ser igual o mayor que el contenido de n-alcanos. Las ramificaciones suelen tratarse de grupos metilos (CH3) y éstos suelen inhibir las transformaciones microbianas. Alcanos comunes en el petróleo pueden ser: metano, propano e isobutano. Los cicloalcanos (cicloparafinas o naftenos) abarcan típicamente cerca de 50% del petróleo crudo (son los compuestos más abundantes). Generalmente son estables y relativamente insolubles en agua. Los naftenos más comunes son ciclopropano y ciclopentano. También, en pequeñas cantidades hay anillos con 7 u 8 átomos de carbono. Este grupo incluye asimismo algunos compuestos alquil sustituidos como por ejemplo el metil-ciclopentanos. Los hidrocarburos aromáticos o bencénicos, constituidos por núcleos de benceno y derivados alquil-sustituidos, usualmente constituyen alrededor de un 20 % del petróleo cudo. También están presentes los compuestos aromáticos polinucleares o policíclicos (PAH- polynuclear aromatic hydrocarbons). Los compuestos aromáticos son considerados como los componentes más tóxicos del petróleo crudo y se asocian a efectos crónicos y carcinógenicos. Muchos compuestos aromáticos de bajo peso son solubles en el agua, aumentando el potencial para la exposición a los recursos acuáticos. Como ejemplo de compuestos aromáticos mononucleares se puede nombrar el Benceno, Tolueno, Etilbenceno y Xileno (BTEX); y como ejemplo de compuestos aromáticos polinucleares se encuentran el naftaleno, antraceno, pireno y otros. Los alquenos (olefinas o isoparafinas) son compuestos que no se encuentran en petróleos crudos, pues son rápidamente reducidos a alcanos con la incorporación de hidrógeno. Éstos se forman normalmente durante el proceso de refinación, por ejemplo en las naftas. Los más comunes incluyen el eteno y el propeno. También pueden estar presentes compuestos como cicloalquenos o cicloolefinas. Otros compuestos: los petróleos también están caracterizados por la presencia de otros componentes, como los asfaltenos y las resinas que pueden abarcar una gran fracción del petróleo crudo, haciendo a éstos muy densos y viscosos. Los asfaltenos están formados por compuestos de cadenas largas y altos pesos moleculares (>400), no son solubles en solventes alifáticos y poseen alta polaridad. El bitumen asfáltico constituye la fracción más pesada del petróleo crudo. No-hidrocarburos: también son comunes compuestos de Nitrógeno, Azufre y Oxígeno (NSO) que, aunque están presentes en pequeñas cantidades, se hallan diseminados en todo el rango molecular. Algunos petróleos contienen S elemental, o sulfuro de hidrógeno (H2S). También el S puede estar presente en algunos hidrocarburos como por ejemplo el mercaptano (R-SH). Los compuestos del S tienden a concentrarse en las fracciones de mayor punto de ebullición, al igual que los compuestos que contienen N. La presencia de compuestos que contienen oxígeno es menos frecuente en el petróleo. Generalmente se halla presente en la forma de varios grupos funcionales, particularmente como ácidos carboxílicos.
Véase también
- Mineralogía
- Petrología
- Contaminación
- Suelo
- Sedimentología
- Química inorgánica
- Química Orgánica
- Química medioambiental
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