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La reacción de combustión de alcanos es la de mayor importancia para

este tipo de sustancias debido a la considerable cantidad de energía calorífica

que desarrolla. Las posibilidades de hacer uso de esta disipación energética

buscando satisfacer necesidades humanas básicas (como calentar o cocinar

alimentos) o para transformarla en otros tipos de energía han dado pie a que

se quemen alcanos de manera comercial (e indiscriminadamente) desde los

estructuralmente más sencillos como el metano (CH4) hasta los que poseen

alrededor de 20 carbonos en su molécula (incluso, se llega a incinerar aun

petróleo crudo, una fuente rica en este tipo de hidrocarburos).

La emisión de energía que se genera al incendiarse estas sustancias es

consecuencia de que como productos de esta reacción se forman dos

sustancias que gozan de una estabilidad termodinámica especialmente

notable: el CO2 y el H2O. Cuando por ejemplo se quema propano, que es uno

de los gases que se suministra a estufas y calentadores domésticos:

CH3CH2CH3 + 5 O2 → 4 H2O + 3 CO2

se desprenden 2220 kilojoules por mol de esta sustancia, valor energético al

que se conoce como entalpía de combustión. Una pequeña reflexión sobre esta

cifra nos permite darnos cuenta de que tras esta conversión química se

esconde una disipación de energía portentosa: esta energía está asociada a

únicamente 44 gramos de esta sustancia (el peso de 1 mol de propano). Si

consideramos que uno de los cilindros de gas de uso doméstico de 20 kg

contiene aproximadamente 455 moles de esta sustancia, la equivalencia

energética que uno de estos pequeños recipientes posee es de un poco más de

1 gigajoule, 1 x 109 joules. Considera que si toda esta energía pudiese

Índices de octano y cetano 2

transferirse íntegra e instantáneamente a un automóvil Chevy, con un peso

de aproximadamente 900 kg, alcanzaría una rapidez teórica de casi los 5400

km/h. Lo anterior es imposible debido a que, justamente debido a su

contenido energético elevado, el combustible se le administra al motor del

vehículo “gota a gota”.

México depende -desafortunadamente- de la quema de hidrocarburos

para ser energéticamente competente en sectores estratégicos como el

eléctrico. En el año de 2009 la Comisión Federal de Electricidad quemó en sus

plantas termoeléctricas 10,250 millones de metros cúbicos de gas natural (en

buena medida compuesto por metano), 9,671 millones de metros cúbicos de

combustóleo y 406 millones de metros cúbicos de diesel; la combinación de las

energías emitidas por estas tres fuentes desarrolló 249,825 gigawatts-hora,

pero como consecuencia de que en el proceso de conversión a energía eléctrica,

se sufren pérdidas de alrededor de un 75 % o más, al final lo que se obtuvo en

términos de energía eléctrica fueron solamente 104,632 gigawatts-hora

(equivalentes a 3.77 x 1017 joules) (Fig. 1). La energía obtenida por medio de

la quema de carbón, del reactor de uranio de Laguna Verde (ubicada en la

costa veracruzana, entre las ciudades de José Cardel y Vega de Alatorre) y de

fuentes renovables (obtenidas en plantas hidroeléctricas,

geotérmicas y eólicas) proporcionaron apenas 72,175 gigawatts-

hora, lo que quiere decir que casi el 60 % de la energía que

dispensa Comisión Federal de Electricidad proviene de la

quema de combustibles fósiles.

Fig.1. Balance energético

obtenido a partir de la

quema de hidrocarburos

obtenido por la CFE en el

año de 2009.

Índices de octano y cetano 3

Ante tales perspectivas, el uso eficiente de los hidrocarburos como

combustibles se convierte en una prioridad estratégica para cualquier nación.

Además de su empleo en plantas termoeléctricas, los alcanos sirven también

como combustibles para alimentar a los motores de los vehículos

automotores. Las mezclas más importantes que para tales fines se usan son

la gasolina y el gasóleo o diesel. Pemex define a las gasolinas como las

fracciones del petróleo que entran en ebullición por debajo de los 200 ºC

(hidrocarburos de menos de 12 carbonos), mientras que en el caso del diesel

sus fracciones tienen un límite de 350 ºC (entre 10 y 20 carbonos). Ambos

combustibles consisten en mezclas de alcanos que requieren cumplir con

ciertos estándares de calidad para transformar óptimamente la energía

calorífica en mecánica para que los motores desarrollen su trabajo con la

máxima eficiencia posible. La definición de eficiencia varía con respecto al

combustible que se vaya a emplear, y para definir dichos estándares se han

establecido dos escalas: la del índice de octano para las gasolinas y la del

índice de cetano para diesel.

Un motor de combustión interna que funciona con

gasolina desarrolla una eficiencia notable cuando se le alimenta

con 2,2,4-trimetilpentano o isoctano, mientras que para los

motores diesel de encendido por compresión el mejor desempeño

se logra administrando hexadecano o cetano.

Lo que por eficiencia de un combustible entendemos en términos de

estas escalas es que tanto gasolinas o como diesel deben cumplir con una

cierta capacidad para incendiarse dentro de sus respectivos motores

(capacidad definida como calidad de la ignición o poder antidetonante), y

dependiendo de ello, a una cierta mezcla se le asignará un número o índice.

Índices de octano y cetano 4

Dado que las perspectivas con rspeto a gasolina y diesel son opuestas, nos

conviene conocer un poco más en detalle lo que sucede con cada uno de estos

combustibles dentro del motor al que son suministrados para poder entender

bien a bien cómo se define la eficiencia en cada caso.

Los motores que consumen gasolina poseen una serie de cilindros

huecos dentro de los cuales una mezcla de combustible y aire entra en

ignición. La mezcla entra a ellos por medio de una válvula que

inmediatamente después de su admisión se cierra succionada por un pistón

que en ese momento se aleja; en el siguiente tiempo la mezcla gasolina-aire

será comprimida por medio del pistón que ahora asciende, y cuando la mezcla

alcanza su compresión máxima, la mezcla se incendia o explota con la ayuda

de una chispa desarrollada por un dispositivo eléctrico llamado bujía. Esto

obliga al pistón a bajar y alejarse, y cuando éste vuelva de regreso una

segunda válvula se abre para expulsar los gases de combustión generados,

cerrándose inmediatamente después y dejando la cámara interna del cilindro

lista para reiniciar un nuevo ciclo (Fig. 2).

Figura 2. Motor de gasolina de cuatro tiempos: admisión-compresión-explosión-

expulsión.

Índices de octano y cetano 5

La gasolina no debe incendiarse ni antes ni después de la etapa de

explosión, porque ello podría originar un esfuerzo no sincrónico sobre el

pistón en movimiento: por ejemplo, si explota antes, cuando el pistón

asciende, se desarrollará un esfuerzo hacia abajo sobre este último que sería

contrario al movimiento ascendente, lo cual podría dañar las bielas del

arreglo mecánico al que se encuentra sujeto el pistón: el cigüeñal (Fig. 3).

Todo esto da lugar a un golpeteo o cascabeleo que el motor resiente,

desperdiciándose de esta manera la energía que se disipa durante la

combustión y dañándolo mecánicamente. Una gasolina no debe, por tanto,

tender a la autoignición.

Figura 3. Izquierda: diagrama de un cigüeñal (eje con codos que transforma un

movimiento rectilíneo en circular) con un sistema de cuatro cilindros. Derecha,

fotografía de este sistema. Todo este sistema en un motor real se halla oculto.

Para retardar la combustión hasta la etapa deseable se adicionan a la

gasolina antidetonantes (en inglés antiknock agent). A lo largo de la historia

se han empleado muchas sustancias para este fin, y entre ellas podemos citar

al plomo tetraetilo -Pb(CH2CH3)4, hoy descontinuado debido a las emisiones

fuertemente tóxicas que con él se desarrollan y a la aparición de los

Índices de octano y cetano 6

convertidores catalíticos, al metilciclopentadieniltricarbonilmanganeso(I) o

MMT, al ferroceno, al pentacarbonilhierro(0) -Fe(CO5)-, éteres, alcoholes

(metanol, etanol) e hidrocarburos aromáticos como el tolueno -C6H5CH3-.

En contraste, en un motor diesel o de encendido por compresión lo que

se busca es que el alcano se queme de una manera rápida (esto es, que tienda

a la autoignición). Sus primeros antecedentes se remontan a la Gran Bretaña

en 1890, cuando Herbert Aykroyd Stuart lo presentó por vez primera; dos

años más tarde fue perfeccionado por Rudolf Diesel en Alemania, alcanzando

tal generalidad que hoy en día se le conoce simplemente como motor diesel.

En el motor de encendido por compresión el combustible no se inflama por

efecto de una chispa, sino por contacto con aire dentro de un cilindro que ha

alcanzado una temperatura elevada gracias a una muy elevada compresión.

Pueden identificarse, como en el motor de gasolina -al cual se le asemeja en

su diseño- cuatro tiempos también: en el primero se abre una válvula para

dejar entrar aire a un cilindro; a continuación la válvula se cierra y el aire es

comprimido por el pistón hasta alcanzar una muy elevada presión, con lo que

el aire se calienta. En ese momento es inyectada una gota de diesel y, por

efecto de la temperatura, se inflama e impulsa al pistón hacia abajo;

finalmente una segunda válvula deja salir los gases de la combustión para

que un nuevo ciclo se inicie (Fig. 4). Lo que se busca en el diesel es que en

cuanto entre en contacto con el aire se inflame inmediatamente.

El motor inventado por Diesel tiene varias ventajas sobre los de

gasolina: no necesita bujías ni sistema de encendido eléctrico, el combustible

diesel o gasóleo que usa es un componente del petróleo crudo que, si bien es

más pesado que la gasolina, es más barato que ésta. Debido a las mayores

presiones que maneja, un motor diesel es más robusto y pesado, por lo que se

le usa para mover vehículos de grandes proporciones, como camiones, barcos,

locomotoras y en sus primeras etapas, submarinos. Este motor sin embargo,

resulta inapropiado por su volumen para vehículos ligeros, como los

automóviles.

Índices de octano y cetano 7

Figura 4. Funcionamiento de un motor Diesel.

Ahora que hemos analizado cómo opera cada motor, estamos listos

para definir los índices de octano y cetano. El índice de octano en una

gasolina mide su capacidad antidetonante (esto es, que sólo explote en la

etapa en la que debe hacerlo y no antes); si tal hace una gasolina será

eficiente, y si no dará lugar a vibraciones indeseables de cascabeleo en el

vehículo y será ineficiente. Un hidrocarburo que ofrece un desempeñoóptimo

en un motor de gasolina es el 2,2,4-trimetilpentano, isooctano o simplemente

isoctano: su índice de octano u octanaje es de 100, mientras que a un alcano

particularmente deficiente en el sentido que hemos definido, el heptano, se le

califica con 0 octanos. De esta manera, empleando diversas mezclas de

isoctano y heptano es que se han podido establecer los diferentes índices de

octano -entre 0 y 100- contra los cuales se compara a la eficiencia de una

mezcla de hidrocarburos determinada a ser empleada como gasolina. Por

ejemplo, en las gasolineras del país puede verse actualmente que la gasolina

vendida como Premium de Pemex se anuncia como de 92 octanos, lo que esto

quiere decir es que su desempeño es igual al de una mezcla 92:8 volumen a

volumen de isoctano-heptano. Los fabricantes de vehículos especifican el

índice de octano mínimo del combustible que se le administrará a un

Índices de octano y cetano 8

vehículo; si en última instancia no se cuenta con este dato, debe procurarse

recargar el tanque con la gasolina de más alto octanaje disponible, evitando a

toda costa administrar aquéllas que ofrezcan un índice de octano menor al

que el fabricante especifique. Si no se cumple con esto, los esfuerzos dañinos

pueden romper las bielas con las que los pistones transfieren su esfuerzo

mecánico al cigüeñal, y uno de los daños más serios que puede sufrir un

motor es precisamente cuando se le desbiela.

Hay dos escalas en las que se mide el índice de octano, la RON (de

Research Octane Number, octanaje medido en el laboratorio de investigación)

y la MON (Motor Octane Number, medida en un motor estático). Las escalas

no varían demasiado, pero en ocasiones el índice de octano se expresa en

función de ambas. De esta manera, la gasolina Magna de Pemex por ejemplo

tiene un índice de 87 R+M/2 octanos, lo que indica que el 87 es el promedio de

los índices de octano obtenidos para tal gasolina en la escala RON y en la

MON.

En los motores diesel se ha visto que hexadecano o cetano ofrece

excelentes rendimientos al tener un periodo corto de retardo a la ignición

durante la ignición (esto es, se inflama rápido); él define precisamente al

número 100 del índice de cetano al ser particularmente eficiente en los

motores diesel. Su contraparte, el 2,3,4,5,6,7,8-heptametilnonano, tiene un

periodo largo de retardo y, debido a su deficiente desempeño, a él se le ha

asignado el mínimo de esta escala: un 15. De manera análoga a lo que ocurre

con las mezclas isoctano-heptano en las gasolinas, el índice de cetano que se

asigne a un gasóleo será el mismo que el de la correspondiente mezcla de

cetano-heptametilnonano que presente un desempeño idéntico. Los motores

diesel típicamente se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55,

ya que debajo de 38 se incrementa rápidamente el retardo de la ignición.

En las gasolinas, el índice de octano de las parafinas disminuye a

Índices de octano y cetano 9

medida que se incrementa la longitud de la cadena, mientras que en el diesel,

el índice de cetano se incrementa a medida que aumenta la longitud de la

cadena. En la Fig. 5 se representan las estructuras de los alcanos que sirven

para definir los mejores y los peores desempeños en los motores de

combustión interna.

isoctano heptano cetano 2,3,4,5,6,7,8-

heptametilnonano

Fig. 5. Hidrocarburos empleados para definir los índices de octano y cetano.

Varios hechos anecdóticos pueden citarse de todo esto: por ejemplo, en

contraste con las gasolinas Premium y Magna, de 92 y 87 octanos

respectivamente, cuando Petróleos Mexicanos se constituyó 1938 el país

consumía un solo grado de combustible con el nombre de

gasolina, la cual apenas alcanzaba los 57 octanos (no

obstante, este índice satisfacía los requerimientos de

aquéllos motores. Por otro lado, durante años se hizo famoso

el apodo de “Charrito Pemex” a las personas de piernas

cascorvas debido al logotipo de Pemex en tiempos pasados.

Finalmente, podemos citar una historia con ciertos nombres y lugares

conocidos: el año de 1899 llegó a México el ingeniero inglés Wietman D.

Pearson. Su objetivo era diseñar el gran canal del desagüe, pero acabó

interesándose por la explotación del petróleo. Con la venia del general Díaz,

se hizo de tierras e inició la explotación de pozos petroleros. Algunos le

resultaron muy abundantes, como el Potrero del Llano No. 4, en la región

Índices de octano y cetano 10

huasteca, que arrojó millones de barriles. Los pozos fueron los principales

abastecedores de petróleo del imperio británico en la Primera Guerra

Mundial y en 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania torpedeó

y hundió al buque Potrero del Llano -nombrado así en honor a esta localidad-,

lo que motivó el ingreso de México al conflicto armado. En 1908, Pearson creó

la Mexican Eagle Co., empresa que más tarde se conocería como la Compañía

Mexicana de Petróleo "El Águila"; algunos trabajadores de la empresa en el

puerto de Veracruz conformaron un equipo de beisbol cuyos uniformes fueron

rojos; así nacería a principios del siglo XX el club que hasta el día de hoy se

llama Rojos del Águila de Veracruz de la Liga Mexicana de Beisbol. Uno de

los baluartes de la compañía se construyó cerca del pueblo de Atzcapotzalco,

al noroeste de la ciudad de México, y así en 1933 se inauguraron las

flamantes instalaciones de su refinería. La propiedad sólo le duró a la

compañía 5 años y, tras la expropiación y luego de concluir los trabajos para

la ampliación de su capacidad de refinación, se inauguró en 1946 la refinería

"18 de Marzo", la cual sería cerrada por Salinas de Gortari en 1991, dejando

al país con solamente 6: Cadereyta -Héctor R. Lara Sosa-, Salamanca -

Antonio M. Amor-, Tula -Miguel Hidalgo-, Salina Cruz -Antonio Dovalí

Jaime-, Minatitlán -Lázaro Cárdenas del Río- y Ciudad Madero -Francisco I.

Madero- (Estados Unidos, con una población tres veces superior, cuenta con

149 refinerías).