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Física y Química 3.º ESO · Masa molecular y compuestos de especial interés

Ampliación: la industria química

Objetivo: Al terminar, sabrás qué hace la industria química, de qué materias primas parte, qué productos básicos fabrica (amoníaco, ácido sulfúrico, acero, cemento, fertilizantes, plásticos, medicamentos) y para qué se usan, y valorar sus ventajas e impactos.

Explicación

¿Qué hace la industria química?

La industria química transforma materias primas en productos útiles mediante reacciones químicas. Las materias primas salen de la naturaleza: el aire, el agua, el petróleo y el gas natural, los minerales y las rocas, la sal, la madera…

Se suele dividir en dos grandes tipos:

Industria química de base: fabrica en enormes cantidades productos que usan otras industrias: amoníaco, ácido sulfúrico, acero, cemento, plásticos sin moldear…
Industria química de transformación: a partir de esos productos fabrica los que compramos: medicamentos, fertilizantes, pinturas, detergentes, cosméticos, objetos de plástico…

Productos básicos y sus usos

Producto	Se obtiene a partir de…	Se usa para…
Amoníaco, $\text{NH}_3$	nitrógeno del aire e hidrógeno	fertilizantes, productos de limpieza, explosivos
Ácido sulfúrico, $\text{H}_2\text{SO}_4$	azufre, oxígeno y agua	fertilizantes, baterías, otros productos químicos
Acero (hierro con un poco de carbono)	minerales de hierro y carbón	construcción, coches, herramientas
Cemento	caliza ( $\text{CaCO}_3$ ) y arcilla, calentadas a más de 1400 °C	hormigón y morteros para edificios y carreteras
Plásticos	petróleo y gas natural	envases, tuberías, ropa, aparatos
Fertilizantes	amoníaco, ácido sulfúrico, minerales de fósforo y potasio	aumentar las cosechas
Medicamentos	muchas materias primas distintas	curar y prevenir enfermedades

Por ejemplo, el amoníaco se fabrica uniendo el nitrógeno del aire con hidrógeno: $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$

Del laboratorio a la fábrica

Un producto nuevo pasa por varias etapas: se investiga en el laboratorio con cantidades pequeñas; se prueba en una planta piloto (una fábrica en pequeño); y, si funciona y es rentable y seguro, se fabrica en la planta industrial. En la fábrica: materias primas → reactor (donde ocurre la reacción) → separación y purificación del producto → producto final y tratamiento de los residuos.

Ventajas e impactos

La industria química nos da alimentos (fertilizantes), salud (medicamentos), agua potable (desinfectantes) y materiales. Pero también puede contaminar el aire, el agua y el suelo, y consume mucha energía. Por eso hoy se busca una química sostenible: aprovechar los residuos, reciclar, usar menos energía y sustancias menos peligrosas.

Puntos clave

La industria química transforma materias primas en productos útiles mediante reacciones químicas.
Materias primas: aire, agua, petróleo, gas natural, minerales, sal…
Industria de base (amoníaco, ácido sulfúrico, acero, cemento) e industria de transformación (medicamentos, pinturas, detergentes…).
Un proceso nuevo pasa del laboratorio a la planta piloto y después a la planta industrial.
Tiene grandes ventajas (alimentos, salud, materiales) e impactos que hay que reducir (contaminación, consumo de energía).

Errores frecuentes

ErrorPensar que la industria química solo fabrica «productos químicos» peligrosos.
Cómo corregirloFabrica también medicamentos, fertilizantes, plásticos, pinturas, cosméticos y los materiales de los edificios.
ErrorConfundir materia prima con producto.
Cómo corregirloLa materia prima es lo que entra en el proceso (aire, petróleo, caliza…); el producto es lo que sale (amoníaco, plástico, cemento…).
ErrorCreer que lo que funciona en el laboratorio se puede fabricar directamente a gran escala.
Cómo corregirloAntes hay que probarlo en una planta piloto: a gran escala cambian los costes, la seguridad y los residuos.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Del aire al bocadillo: el amoníaco situación real (cadena de productos)
El pan de tu bocadillo depende, en parte, de la industria química. Sigue la cadena: aire → amoníaco → fertilizante → trigo → pan. ¿Qué papel tiene cada paso? ¿Qué tipo de industria interviene en cada uno?

Resolución
1. Aire: contiene un 78 % de nitrógeno, $\text{N}_2$ , aproximadamente; es la materia prima.
2. Amoníaco: la industria química de base une el nitrógeno del aire con hidrógeno: $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$ .
3. Fertilizante: la industria de transformación convierte el amoníaco en abonos nitrogenados (como el nitrato de amonio o el sulfato de amonio).
4. Trigo: las plantas necesitan nitrógeno para crecer y no pueden tomarlo directamente del aire; el abono se lo aporta y las cosechas aumentan mucho.
5. Pan: la harina de ese trigo llega a la panadería.
Se calcula que, sin los fertilizantes fabricados a partir del amoníaco, la Tierra no podría alimentar a buena parte de su población actual.
Ejemplo 2. ¿Cuánto nitrógeno lleva el saco de abono? numérico (lectura de etiquetas)
En un vivero de Madrid venden sacos de 25 kg de abono con la etiqueta «NPK 15-15-15». El primer número indica el porcentaje en masa de nitrógeno. a) ¿Cuántos kilos de nitrógeno lleva el saco? b) ¿Qué representan las letras N, P y K?

Resolución
a) El 15 % de 25 kg: $m(\text{N}) = \frac{15}{100} \cdot 25\ \text{kg} = 3{,}75\ \text{kg}$ b) Son los símbolos de los tres elementos principales que necesitan las plantas: N, nitrógeno; P, fósforo; K, potasio. Los otros dos números indican la cantidad de fósforo y de potasio (expresados de una forma especial que se usa en agricultura).

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Relaciona cada producto con su materia prima principal y con un uso: Productos: 1. Amoníaco. 2. Cemento. 3. Plástico. 4. Acero. Materias primas: a) petróleo; b) mineral de hierro y carbón; c) nitrógeno del aire; d) caliza y arcilla. Usos: A) hormigón para edificios; B) fertilizantes; C) estructura de un coche; D) botellas y envases.
Ver solución
1-c-B; 2-d-A; 3-a-D; 4-b-C.
1. Amoníaco: del nitrógeno del aire (c); fertilizantes (B).
2. Cemento: de la caliza y la arcilla (d); hormigón (A).
3. Plástico: del petróleo (a); envases (D).
4. Acero: del mineral de hierro y carbón (b); coches (C).
2. Media
Clasifica estos productos según los fabrique sobre todo la industria química de base o la de transformación: ácido sulfúrico, ibuprofeno (un medicamento), amoníaco, champú, acero, pintura para paredes.

Ver solución
Base: ácido sulfúrico, amoníaco, acero. Transformación: ibuprofeno, champú, pintura.
Base (grandes cantidades, se usan para fabricar otras cosas): ácido sulfúrico, amoníaco, acero. Transformación (productos que compramos ya terminados): ibuprofeno, champú, pintura.
3. Difícil
Para fabricar cemento se calienta la caliza en hornos a más de 1400 °C y se descompone así: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ a) Calcula la masa fórmula del carbonato de calcio ( $\text{CaCO}_3$ ) y del óxido de calcio ( $\text{CaO}$ ), y la masa molecular del dióxido de carbono. b) ¿Qué porcentaje de la masa de la caliza se escapa a la atmósfera como $\text{CO}_2$ ? c) ¿Por qué se dice que la fabricación de cemento contribuye al cambio climático? Datos: C = 12 u; O = 16 u; Ca = 40 u.

Ver solución
a) CaCO₃ 100 u; CaO 56 u; CO₂ 44 u. b) El 44 %. c) Emite mucho CO₂ (de la caliza y del combustible de los hornos), un gas de efecto invernadero.
a) $M(\text{CaCO}_3) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100$ u; $M(\text{CaO}) = 40 + 16 = 56$ u; $M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44$ u. Comprobación: $56 + 44 = 100$ u. ✔ b) De cada 100 u de caliza, 44 u salen como $\text{CO}_2$ : $\dfrac{44}{100} \cdot 100 = 44\ \%$ . c) Casi la mitad de la masa de la caliza se convierte en $\text{CO}_2$ , un gas de efecto invernadero; además, los hornos queman combustibles que también lo emiten.

Para practicar más

1. Fácil
Escribe cuatro materias primas que use la industria química y, para cada una, un producto que se obtenga de ella.
Ver solución
Por ejemplo: aire → amoníaco; petróleo → plásticos; caliza → cemento; mineral de hierro → acero (también sal → cloro y sosa, agua → hidrógeno…).
Respuesta modelo:
- Aire (nitrógeno) → amoníaco.
- Petróleo → plásticos, combustibles.
- Caliza → cemento, cal.
- Mineral de hierro → acero. Otras válidas: sal común → cloro y lejía; azufre → ácido sulfúrico; gas natural → hidrógeno, plásticos.
2. Media
Un saco de 40 kg de abono tiene la etiqueta «NPK 20-10-10». ¿Cuántos kilos de nitrógeno contiene? ¿Contiene más o menos nitrógeno que un saco de 25 kg de «NPK 15-15-15»?

Ver solución
8 kg de nitrógeno; más que el otro saco (3,75 kg).
$m(\text{N}) = \dfrac{20}{100} \cdot 40\ \text{kg} = 8\ \text{kg}$ . En el saco de 25 kg al 15 %: $\dfrac{15}{100} \cdot 25 = 3{,}75$ kg. El primero lleva más nitrógeno (8 kg frente a 3,75 kg).
3. Difícil
Una empresa quiere construir una fábrica química cerca de un pueblo de la Comunidad de Madrid. Escribe dos ventajas y dos inconvenientes para el pueblo, y propón dos medidas para reducir el impacto ambiental de la fábrica.
Ver solución
Respuesta abierta: ventajas (empleo, productos útiles, actividad económica); inconvenientes (contaminación, riesgo de accidentes, tráfico de camiones); medidas (filtros, depuración de aguas, reciclaje de residuos, energías renovables, planes de emergencia).
Respuesta modelo:
- Ventajas: crea puestos de trabajo; trae actividad económica (comercios, transporte); fabrica productos útiles.
- Inconvenientes: puede contaminar el aire o el agua; riesgo de accidentes o escapes; más tráfico de camiones y ruido.
- Medidas: filtros en las chimeneas; depuradora para las aguas residuales; reciclar o reutilizar los residuos; usar energías renovables; controles y planes de emergencia; situarla a cierta distancia de las viviendas.