Plomo tetraetilo: la solución a uno y la causa de muchos problemas nuevos

Desde la década de 1920 hasta la de 1970, la mayoría de los automóviles de gasolina en los EE. UU. utilizaban combustible con plomo mezclado. La razón de esto era reducir el efecto de detonación del motor debido a una combustión anormal en los motores de combustión interna de la época. Si bien el plomo (en forma de tetraetilo de plomo) fue eficaz en este sentido, incluso en la década de 1920 se vio la existencia de agentes antidetonantes alternativos y una incómoda conciencia de las implicaciones para la salud de la exposición al plomo.

Analizaremos qué impulsó la adopción del tetraetilo de plomo y por qué se eliminó gradualmente una vez que los problemas ambientales y relacionados con la salud se pusieron de relieve. Pero ¿qué pasa con sus efectos antidetonantes? También veremos los agentes antidetonantes alternativos que tomaron su lugar y cómo se maneja este problema de detonación del motor en estos días.

En un motor de combustión interna (ICE), lo ideal es que la mezcla de aire y combustible que se inyecta en un cilindro se encienda en el momento perfecto en el que el frente de la llama se desplazará hacia afuera desde el punto de ignición, con cada partícula de la mezcla de aire y combustible ardiendo. completamente. Esto permitirá el uso máximo de la energía en la mezcla de combustible, al mismo tiempo que provocará una carrera limpia del pistón.

En realidad, sin embargo, las bolsas de esta mezcla de combustible y aire se encenderán antes de que el frente de llamas las alcance. Estas llamadas "llamas frías" se producen debido a la compresión del pistón combinada con ligeras irregularidades en la mezcla, lo que provoca ondas de presión adicionales en el cilindro. Esto aumenta la presión del cilindro y provoca el típico ruido metálico que indica que el motor golpea. Dependiendo de cuántas de estas bolsas se enciendan fuera del frente de llama de la bujía, el resultado puede ser un mayor desgaste de los componentes o incluso su destrucción total.

Por este motivo, el octanaje del combustible es crucial, ya que esencialmente determina a qué nivel de compresión se encenderá el combustible (sin chispa). Por lo tanto, los combustibles de alto octanaje se queman con menos facilidad, pero permiten niveles de compresión mucho más altos, lo que efectivamente produce más energía. Por el contrario, los motores diésel requieren combustibles de menor octanaje, ya que solo comprimen aire; el combustible se inyecta al final del ciclo de compresión y el calor del aire comprimido enciende el combustible.

Afortunadamente, existen varias formas de prevenir este efecto de ignición prematura. Éstas incluyen:

Puede elegir el primer punto utilizando el llamado agente antidetonante, una sustancia química que eleva el octanaje del combustible al aumentar la temperatura y la presión a las que se produce la autoignición. El tetraetilo de plomo (TEL) es un ejemplo de tal agente. Su fórmula química es (CH3CH2)4Pb.

Dentro de los cilindros del motor, la función de TEL es apagar las igniciones espontáneas que ocurren fuera del frente de la llama al lidiar con los radicales pirolizados que de otro modo mantendrían la reacción en cadena de la llama fría. Aquí el plomo es el agente reactivo real, mientras que el resto del TEL sirve para permitir que se disuelva en gasolina (cortesía de sus grupos alquilo).

Al quemarse el TEL, se produce dióxido de carbono, agua y plomo:

El plomo puede reaccionar aún más con el oxígeno para formar óxido de plomo (II):

Si se dejara solo, el plomo y el óxido de plomo (II) se acumularían dentro del motor y lo destruirían. Para evitar esto, se añaden eliminadores de plomo como 1,2-dibromoetano y 1,2-dicloroetano para formar bromuro de plomo (II) y cloruro de plomo (II), respectivamente (desafortunadamente ninguno de los dos es tan bonito como el yoduro de plomo (II). Estos compuestos se eliminan fácilmente del motor durante el funcionamiento normal, desde donde se liberarían al medio ambiente.

Además del plomo, se sabía que otras dos sustancias aumentaban el octanaje de la gasolina: el etanol (C2H6O) y el benceno (C6H6). En el caso del etanol, esta propiedad de aumento del octanaje se debe a que el etanol es adecuado como sustituto completo (aunque más caro) de la gasolina. Como el etanol tiene por defecto un octanaje más alto que la mayoría de los combustibles de gasolina, mezclar un porcentaje de etanol con el combustible de gasolina hace que este último tenga un octanaje más alto, lo que logra el efecto antidetonante deseado.

El benceno es un hidrocarburo que aparece naturalmente en el petróleo crudo. Como resultado, está presente en la gasolina, donde también es responsable del característico olor dulce que se respira alrededor de las estaciones de servicio. Aunque ahora generalmente se mantiene en menos del 1% en la gasolina debido a las propiedades cancerígenas del benceno, antes de la introducción del TEL en la década de 1920 como aditivo para combustible, el benceno se consideraba un buen agente antidetonante ya que también elevaba el índice de octanaje. En la década de 1950, el TEL prácticamente había reemplazado al benceno como agente antidetonante.

El etanol se puede producir a partir de petróleo (etileno), así como de biomasa (caña de azúcar, maíz, etc.). Sin embargo, es un tipo de combustible que sólo ha gozado de gran popularidad desde la década de 1970. TEL tenía la ventaja sobre el etanol como agente antidetonante de que sólo se necesitaría una pequeña cantidad para tener el mismo efecto, pero a un costo similar. Sin embargo, TEL también tenía la ventaja adicional de poder patentar su uso como aditivo para combustible.

En última instancia, la historia nos muestra que el TEL prevalecería sobre el benceno y el etanol, y el etanol sólo resurgió en la década de 1970, durante la eliminación gradual del TEL. Como muestra la información descubierta en las últimas décadas, la razón fue una estrategia deliberada de las empresas detrás de la asociación Ethyl (General Motors, ESSO y DuPont) para enterrar la ciencia sobre los conocidos efectos nocivos del plomo, el esperado suero sanguíneo. niveles de plomo al agregar TEL a la gasolina y los efectos esperados en el medio ambiente.

Como resume este artículo de 2005 de William Kovarik (PDF), el uso de etanol como agente antidetonante era común cuando se introdujo TEL, pero a lo largo de décadas, la campaña de desinformación de Ethyl fue tan efectiva que la gente llegó a creer que TEL era el único agente antidetonante disponible. Al final, se necesitarían cincuenta años de investigación, así como desafíos científicos, judiciales y regulatorios para producir evidencia sobre los efectos nocivos del TEL, que fueron tan devastadores que la gasolina con plomo se eliminó gradualmente en la década de 1970 en los EE. UU., aunque no sin etil. Primero demandó a la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

Uno de los efectos observados por los investigadores del aumento de los niveles de plomo en el suero sanguíneo fue el de un fuerte efecto negativo en el cerebro en desarrollo, lo que lleva a un coeficiente intelectual más bajo, un control deficiente de los impulsos y problemas en la escuela. Estudios posteriores introdujeron la hipótesis de los delitos con plomo, que vincula el aumento de los delitos violentos desde la década de 1930 y la fuerte caída a principios de la década de 1990 con la exposición de los niños a niveles elevados de plomo en el suero sanguíneo, lo que habría afectado el desarrollo del cerebro.

Aunque la corporación Ethyl todavía existe hoy, el uso de TEL en la gasolina se ha reducido esencialmente a cero, aparte del uso en combustible de aviación, automóviles antiguos, etc. Como el uso de TEL es incompatible con los convertidores catalíticos debido a que el plomo es un veneno para los catalizadores, el requisito de agregar un convertidor catalítico a los automóviles nuevos a fines de la década de 1970 en Estados Unidos hizo que la desaparición del TEL para automóviles fuera una certeza. Europa, los países asiáticos, etc., también eliminaron gradualmente TEL hasta que hoy sólo una planta en el mundo todavía produce (legalmente) gasolina con plomo.

Aunque los ICE modernos tienen componentes endurecidos que pueden soportar el golpe del motor sin sufrir daños, y la mezcla de etanol con el combustible de gasolina se está volviendo cada vez más común, todavía existen otros agentes antidetonantes, como el metilciclopentadienil manganeso tricarbonilo (MMT, (C5H4CH3)Mn(CO )3) haber sido utilizado durante años en varios países.

El ferroceno (Fe(C5H5)2) también se utiliza como aditivo para combustible, como alternativa al TEL, como por ejemplo en coches antiguos. Aumentar la cantidad de 2,2,4-trimetilpentano (isooctano, también un producto derivado del petróleo) en la gasolina sirve para reducir el golpe, como lo descubrió originalmente Graham Edgar en 1926. El isooctano constituye el punto 100 en el índice de octano. escala.

Además de los aditivos para el combustible, los motores de gasolina modernos controlados digitalmente tienen mecanismos incorporados que detectan y controlan el golpe del motor ajustando el tiempo y la presión del encendido. Esto permite que el motor se ajuste automáticamente a combustibles con diferentes índices de octanaje. Por supuesto, esto conlleva su propio conjunto de desafíos, como por ejemplo este artículo de 2017 de Peyton Jones et al. Detalles titulados “Simulación estocástica y análisis de rendimiento de algoritmos de control de detonación clásicos”.

Es interesante considerar estas revelaciones y nuevas innovaciones a la luz de la transición de la industria automovilística del motor de combustión interna a los motores eléctricos, que no presentan ninguno de estos problemas. Libres del estigma de la gasolina con plomo y sus productos de combustión, será interesante ver cómo consideraremos este capítulo de la historia de la humanidad dentro de cincuenta años.

Para entonces, no tener frenado regenerativo probablemente parecería más que extraño, al igual que el ritual de repostar o recargar combustible semanal (o diario). Quizás la cuestión de las partículas finas de polvo de neumáticos y discos de freno se haya convertido en el próximo problema medioambiental.

[Fuente de la imagen principal: Tetraetilo de plomo de David Brodbeck CC-BY 2.0]