La única constante es la gasolina

Estimados todas/os/es 

En primer lugar quisiera pedir perdón a todos los físicos, ingenieros y químicos por la entrada de hoy. Voy a realizar muchas simplificaciones, pero la idea no es ilustrar a los lectores con mis conocimientos sino darles una herramienta útil frente a las noticias que saldrán, en primer lugar, en la prensa internacional y, luego cuando sean traducidas, en la prensa española. Todas ellas, interesadamente filtradas desde Maranello y/o Shell, sobre un nuevo carburante que hará ganador a Ferrari. Este año el termino bio-carburante está en horas bajas, la crisis económica hace que el termino bio o eco ya no nos excite como el año pasado, pero nos pondrán otro adjetivo sugerente y vacuo.

A las alturas del año que estamos todavía no sabemos muy bien cómo será la normativa del año 2012, sobre los distintos aspectos de la aerodinámica de los coches (legales, alegales, ilegales). Pero en el caso de las gasolinas, la legislación está totalmente cerrada desde hace muchos años y lo seguirá al menos hasta el 2015. El artículo 19 de las regulaciones técnicas de la Formula Uno es el encargado de esclarecer el tema de la gasolina (fuel) y como pueden comprobar tanto en 2011 como en 2014 son exactamente el mismo, palabra por palabra, incluyendo comas y, si me lo permiten, hasta en los errores tipográficos. 

Para entenderlo bien, aunque solo sea un poco, empecemos desde el principio (¡Ojo! Con un montón de simplificaciones pero sin faltar a la verdad profunda de las cosas) ¿Qué ocurre en un coche para que se mueva? Pues lo más sencillo es decir que la energía que tienen ciertas moléculas (ΔG) se transforma por culpa de una reacción química en energía cinética (ΔEc), en movimiento de algo. En el clásico motor de cuatro tiempos en la etapa 3 (que pueden ver a la izquierda) tiene lugar la reacción química, de forma explosiva.

La reacción que tiene lugar es una reducción-oxidación, comúnmente llamada combustión. Y en ella, un carburante que ha de ser gasolina, según el apartado 19.3, se oxida con el oxigeno del aire [nitrógeno (78%), oxígeno (21%), agua (0-7%)], según la norma 19.5. Luego ya tenemos fijados varios parámetros que no podemos mover. Primero, el comburente ha de ser, por narices, el oxigeno del aire, lo que impide usar cualquier otro compuesto oxidante del conjunto del arsenal que poseen los químicos orgánicos actualmente (¡Una pena!). 

¿Y qué es la gasolina? Pues es una mezcla de compuestos orgánicos, definida en el apartado 19.2 (alcanos, alquenos, alquinos y sistemas aromáticos). Lo importante es que todos son compuestos que contienen exclusivamente átomos de carbono y de hidrogeno, y la única diferencia es la presencia de enlaces simples o múltiples, entre los átomos de carbono. Incluso la cantidad de cada uno de estos compuestos, presente en la mezcla que llamamos gasolina, está establecida con límites muy estrictos, y con el protocolo y el aparato/técnica que se debe utilizar para saber si se cumple la norma 19.4.1. Solo decir que la técnica GCMS es la técnica de separación de productos por cromatografía de gases con un detector de espectrometría de masas. Para los profanos, solo decir que es el aparatito que sale con muchas lucecitas en series como CSI y que los técnicos miran en una pantalla de televisión y dicen un nombrajo raro que luego traducen a … pintura de coches, o cualquier otra cosa. Hay que recordar, también, que el error de la técnica es pequeñísimo, puede llegar a menos del 0.0001%, pero la FIA en su benevolencia permite un 0.1% de error. Ante la duda que le pregunten a Contador, y a su médico, sobre la sensibilidad de este método.

19.4.1 The composition of the petrol must comply with the specifications detailed below
Component	Units	Min	Max	Test Method
Aromatics	wt%		40*	GCMS
Olefins	wt%		17*	GCMS
Total di-olefins	wt%		1.0	GCMS
Total styrene and alkyl derivatives	wt%		1.0	GCMS
* Values corrected for fuel oxygen content.

Según lo anteriormente citado la reacción general de la etapa 3 es, simplificando el combustible o gasolina a un alcano lineal simple [para cualquier otro tipo de compuesto orgánico lo único que varía es la letra n y/o el número de enlaces (líneas que puedes ver entre las letras -) entre carbonos (C)], la que sigue: 

 La energía de la reacción, o energía de Gibbs depende de dos factores. El primero es la entalpia (ΔH), y ese valor solo depende de los enlaces que se rompen y se crean en la reacción. Como el oxigeno (O2) es el comburente por ley y las gasolinas, mezclas de compuestos orgánicos, solo tienen enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno, siempre se rompen los mismos enlaces y siempre se crean los mismos enlaces, luego desde el punto de vista de la entalpia, siempre se obtiene la misma energía. Y, como corolario, siempre se obtiene la misma velocidad (Δv), siendo redundante, el resultado es una constante. 

Alguien con pensamientos aviesos debería preguntar por el segundo término ¿Qué pasa con TΔS? Ese es el termino de la entropía, del caos, del desorden (o de la suerte, como ya explique en alguna otra entrada) y depende, a groso modo, en nuestro caso del estado físico de los reactivos y los productos. En concreto, añadimos un liquido (vaporizado, pero liquido) y un gas y obtenemos solo gases. Y siempre es igual. Luego es constante. 

Según lo anterior, para mejorar el rendimiento de los motores deberíamos cambiar la naturaleza del combustible o del carburante, pero eso está prohibido por ley. Una vez expuesta la ley, alguien podría pensar en hacer la trampa ¿Y si añadimos una pequeña cantidad de algo que cambie alguno de esos términos (entropía o entalpia de la reacción)? Si has pensado eso es que eres aficionado al aeromodelismo, y sabes que si alimentas un motor con metanol (CH3OH) y/o nitrometano (CH3NO2) el resultado es espectacular, comparándolo con el de la gasolina. 

Si pensamos en algo que transfiera mucha energía y genere muchos gases de forma instantánea debemos fijarnos en los explosivos ¿Qué tal añadir algún explosivo a las gasolinas? A parte del problema de seguridad, veremos que es imposible. Los explosivos típicos, y tópicos, aparecen a continuación. Si se fijan bien, todos se caracterizan por tener átomos de nitrógeno (N), que al final de las reacciones terminan siendo el gas nitrógeno (N2). En algunos casos, podemos distinguir muy bien la agrupación nitro (NO2), que es ideal porque sirve de fuente oxidante (comburente) de la parte carbonada del explosivo. O lo que es lo mismo, estos últimos compuestos llevan puestos encima su propio aire para no necesitar añadir nada más en la famosa reacción del principio (¡Ojo que alguno de ellos se utiliza en medicina!). 

 Lo siento, pero la adición de compuestos nitrogenados, que fue ensayada en los años ochenta con el uso de nitrometano, está totalmente prohibida. Pero no solo eso, sino que en la norma 19.3 aparece la cantidad máxima de nitrógeno que puede haber en la gasolina (0.5 gramos por cada kilogramo), y nos dicen cómo medirlo (a través de un análisis elemental según las normas ASTM D 4629). Y encima el apartito que lo mide puede llegar a tener un error de 0.000003 gramos por kilo (¡Vamos que de engañar, na’ de na’!).

19.3 The only fuel permitted is petrol having the following characteristics
Property	Units	Min	Max	Test Method
(RON+MON)/2		87.0		ASTM D 2699/D 2700
Oxygen	wt%		3.7	Elemental Analysis
Nitrogen	mg/kg		500	ASTM D 4629
Benzene	wt%		1.0	GC-MS
RVP	kPa	45	60*	EN13016-1
Lead	g/l		0.005	ASTM D 3237
Oxidation Stability	minutes	360		ASTM D 525
Sulphur	mg/kg		10	EN ISO 20846
Electrical conductivity	pS/m	200		ASTM D 2624
Final Boiling Point	ºC		210	ISO 3405
Distillation Residue	%v/v		2.0	ISO 3405
* The maximum RVP may rise to 68kPa if a minimum of 2% bio-methanol and/or bio-ethanol are included in the fuel.

La norma 19.4.4 obliga a utilizar un mínimo de 5.75% de compuestos orgánicos que provengan de seres vivos, y no se admiten compuestos nitrogenados (¿Por qué será?). 

Todavía nos queda un aspecto relacionado con la gasolina que deberíamos tratar. Y no es otro que el octanaje. En la fase 2, del motor clásico, el pistón sube comprimiendo a la mezcla reactante (gasolina vaporizada y aire en exceso) hasta el punto máximo que viene dado por la compresión de esta mezcla, donde estalla. Queda meridianamente claro que la mayor eficacia del proceso se obtiene cuando se ajusta el recorrido del pistón con la compresibilidad de la mezcla reactante ¿Y de que depende esta compresibilidad sin explosión? Pues depende de varios factores, pero uno de ellos es la naturaleza del compuesto orgánico que hay en la gasolina. 

La capacidad antidetonante de un carburante ante la compresión es lo que vulgarmente llamamos octanaje. Las medidas de distintos compuestos mostraron que 2,3,4-trimetilpentano (también llamado isooctano, por la gentucilla de los químicos orgánicos) era un compuesto que se podía comprimir fuertemente y no presentaba autodetonación, por lo que se le dio el valor de 100, o número de octano (N. O.). Por el contrario el heptano, otro alcano, mostró una autodetonación muy alta por lo que se la asigno el valor de 0. Según estas definiciones, deberíamos saber que una gasolina de 95 octanos es aquella que se comporta como una mezcla 95% de isoooctano y 5% de heptano. Lo ideal es comprimir, a la gasolina, lo máximo posible para que el motor sea lo más pequeño posible. Y que el proceso de expansión sea lo más grande posible, ya que en ese movimiento es cuando transferimos la energía de Gibbs de la reacción a energía cinética (movimiento del pistón). Llegados a este punto alguien podría pensar en utilizar solo isooctano como combustible, pero por norma está prohibido y hay que utilizar mezclas ¿Pero es posible subir el octanaje con un aditivo? La respuesta la saben todos, sí. Los más mayores aun recordarán el usar gasolina con plomo (lead). La adición de pequeñas dosis de tetraetilplomo (entorno a 0.15 gr/l) aumentaba el octanaje cerca de cuatro unidades. Pero en la norma 19.3 podemos ver que no se puede añadir este antidetonante. Eso no quiere decir que no se utilicen otros, como 2-etoxy-2-metilpropano, o su primo 2-metoxi-2-metílpropano, ambos con números de octano muy altos. Incluso se suelen añadir alcoholes, como el etanol o metanol, anquen estos no son tan efectivos. En todo caso, su adición no es discrecional, ya que la cantidad máxima de oxigeno (O) que puede tener una gasolina es del 3.7% en masa. 

Pero es que el octanaje también está limitado por el cociente (RON + MON)/2, que no puede bajar de 87. El RON es el acrónimo de Research Octane Number, o lo que es lo mismo el octanaje que se obtiene en un motor con un régimen bajo y numerosas aceleraciones, y es el númerito mágico que aparece en nuestras gasolineras. El MON es el acrónimo de Motor Octane Number, o lo que es lo mismo el octanaje que se obtiene con un motor en régimen y conducción regular (estático). 

Confió que, con esta entrada tan larga, les haya dado herramientas suficientes para saber que la gasolina es lo único que no ha cambiado en la F1 desde finales de los ochenta y que permanecerá sin cambio, y sin posibilidades de hacer trampa, durante los próximos años.