Química Ambiental
"El concepto de Química Ambiental va más allá dela mera discusión sobra la contaminación y los problemas ambientales. Pretende enfocar los conocimientos actuales en la resolución de problemas basándose en la sostenibilidad y en la prevención de la contaminación. De esta forma, se invocan constantemente disciplinas emergentes como la Ecología Industrial, la Química Verde y la Ingeniería Verde."
Stanley E. Manahan. Introducción a la Química Ambiental. Reverte. 2006
12- Calcular la masa de ozono total presente en una columna de 1 dm3 de superficie terrestre.
"El concepto de Química Ambiental va más allá dela mera discusión sobra la contaminación y los problemas ambientales. Pretende enfocar los conocimientos actuales en la resolución de problemas basándose en la sostenibilidad y en la prevención de la contaminación. De esta forma, se invocan constantemente disciplinas emergentes como la Ecología Industrial, la Química Verde y la Ingeniería Verde."
Stanley E. Manahan. Introducción a la Química Ambiental. Reverte. 2006
Química Atmosférica
1- ¿Qué gases
constituyen la mayor parte de la atmósfera de la tierra?
La
mayor parte de la atmósfera está constituida principalmente por nitrógeno
molecular N2 y oxígeno
molecular O2, y en menor cantidad por argón Ar y dióxido de carbono
CO2 y otros gases.
2- ¿Qué
rango de altitudes comprende la tropósfera? ¿Y las demás capas?
La tropósfera comprende la zona que se extiende
desde la superficie terrestre hasta una altitud variable de entre 6 km en las zonas polares, y
entre 18 y 20 en las zonas interpolares.
La estratósfera se extiende desde los 9 o 18 km , desde la tropósfera,
hasta los 50 km
de altitud. En esta capa se encuentra la “ozonósfera” que comprende desde los 15 a los 40 km de altitud.
La mesósfera va desde los 50 km hasta los 80km
aproximadamente.
La termósfera ocupa desde entre los 70 y 90 km donde termina la
mesósfera hasta los 600 km
de altura.
Y
por último, la exósfera alcanza los 10.000 km de altura,
partiendo desde la termósfera.
3- Graficar
las variaciones de temperatura en función de la altitud, en el gráfico mudo del
archivo sobre atmósfera.
4- Descubrir las principales características de cada capa.
Tropósfera:
Esta capa contiene la mayoría de los gases de la atmósfera. Concentra el 85% de
la masa. A los 500 metros iniciales se les denomina capa sucia,
debido a que allí se concentra el polvo en suspensión procedente de los
desiertos, los volcanes y la contaminación. Este polvo actúa como núcleos de
condensación que facilitan el paso del vapor de agua atmosférico a agua
líquida. La tropósfera contiene prácticamente todo el vapor de agua
atmosférico. Además, existen importantes flujos convectivos de aire, verticales
y horizontales, producidos por las diferencias de presión y temperatura que dan
lugar a los fenómenos meteorológicos (precipitaciones, viento, nubes).
El
aire de la troposfera se calienta a partir del calor emitido por la superficie
terrestre. La temperatura de la tropósfera es máxima en su parte inferior,
alrededor de 15 º C de media, y a partir de ahí comienza a descender con la
altura según un Gradiente Térmico Vertical (GTV) de 6,5 ºC de descenso cada Km que se asciende en
altura (la temperatura baja 0,65
ºC cada 100 m de altura) hasta llegar a -70 ºC aproximadamente en el límite superior
de la tropósfera, es decir, la tropopausa.
Estratósfera:
Se extiende desde la tropopausa hasta los 50
Km de altura, límite de la
estratósfera llamado estratopausa. En esta capa se genera la mayor parte del
ozono atmosférico, el cual se concentra entre los 15 y 35 Km de altitud, estando su máxima
concentración entre los 20 y 25
Km. Por dicha razón, esta zona de la estratósfera se denomina capa de ozono u
ozonósfera.
La
temperatura asciende con la altura hasta llegar próximo a los 0 ºC en
la estratopausa. Este incremento de temperatura está relacionado con la
absorción por el ozono de la radiación solar ultravioleta, por lo que esta capa
actúa como pantalla protectora frente a los perjudiciales rayos ultravioleta.
Así mismo, dentro de esta capa hay movimientos horizontales de aire, pero no
verticales como sucede en la tropósfera, tampoco hay presencia de nubes, ni
viento, pero si buena visibilidad. Estas características son sumamente
favorables para el aprovechamiento de la aeronavegación.
Mesósfera:
se extiende hasta los 80 Km. de
altura. La temperatura disminuye hasta alcanzar los 90 °C bajo cero, donde su límite superior es
llamado mesopausa. Algunos autores dicen que en esta capa se desintegran los
meteoritos por el rozamiento con las partículas de la mesosfera produciéndose
las llamadas estrellas fugaces, pero otros autores responsabilizan de este fenómeno
a la termosfera donde se alcanzan temperaturas muy altas.
Su
principal característica es que produce efectos de ionización. Es decir, gran
parte de las moléculas presentes en esta capa están ionizadas por la absorción
de las radiaciones solares de alta energía (rayos gamma, rayos X y parte de la
radiación ultravioleta), provocando que el nitrógeno y el oxígeno pierdan
electrones quedando ionizados con carga positiva; los electrones desprendidos
originan campos eléctricos por toda la capa. Por esta razón hay una mayor
cantidad de iones que moléculas en la mesosfera. Algunas de las reacciones que
se producen son las siguientes:
Es
importante conocer que la radiación ultravioleta cuenta de tres rangos:
UV a UV b UV
c
------------------->
Energía creciente
La
UV c tiene escaso alcance sobre la tierra, debido a que es filtrada por el
ozono y el oxígeno.
La capa D es la zona dentro de la mesosfera en
la cual hay una mayor concentración de iones, algunos autores la llaman
ionosfera. Debido a que es sobre
todo una respuesta a la radiación solar, desaparece durante la noche. Esta zona
es muy utilizada para las
telecomunicaciones.
La
interacción de las partículas subatómicas procedentes del Sol con los átomos
ionizados da lugar a fenómenos luminosos llamados auroras polares (aurora
boreal en polo norte y aurora austral en polo sur) que suceden cerca de los
polos magnéticos.
Termósfera: La
temperatura en esta capa de la atmósfera va ascendiendo en altura al absorber
las radiaciones de alta energía, y al aproximarse cada vez más al sol. Si el este está activo, las temperaturas pueden llegar a 1.500° C y aún
más altas. Allí existe escasa cantidad de moléculas de gas y
las mismas se encuentran
ampliamente separadas.
5- Unidades de
uso ambiental. Convertir una concentración de 32 ppmm de cualquier contaminante
a:
a)
ppm
b)
moléculas por cm3
c)
molaridad.
Considerar
una temperatura de 25°C
y una presión total de 1 atm.
a) 32 ppm: 32
moléculas de contaminante en mil millones de moléculas de aire. El contaminante
es óxido nítrico: NO.
1
x 109 molec. de aire
__________ 32 molec. NO
1 x 106 molec. de aire __________ X = 0,032 molec. de NO
Es
decir: 32 ppmm = 0,032 ppm
b) Sabemos que
22,4 lt de un gas es igual a 22.400 cm3, y contiene 6,02 x 1023 moléculas del gas.
6,02
x 1023 molec. aire
__________ 22.400 cm3
1
x 10 9 molec. de aire __________ X = 3,7 x 10 -11 cm3
3,7
x 10 -11 cm3 o 3,7 X 10-4 lt es el volumen que ocupan mil
millones de moléculas de aire.
3,7 x 10 -11 cm3 de aire _________ 32 molec. de
NO
1 cm3 de aire _________ X = 8,6 x 10 11molec. de NO
Es
decir: 8,6 x 1011 molec de NO por cm3
c) Gas
contaminante: óxido nítrico, NO. Masa = 30 gr.
6,02
x 1023 molec. NO
__________ 1 mol
32 molec. NO __________ X = 5,3 x 10-23 moles
M
= 5,3 x 10-23 moles
3,7 X 10-4 lt
M = 1,4 x 10-9 M
6- Convertir una concentración de 6 x 10-4 moléculas por cm3 a la escala de ppm y a la de moles por litro (molaridad). Suponer una temperatura de 25°C y una presión total de 1 atm.
6- Convertir una concentración de 6 x 10-4 moléculas por cm3 a la escala de ppm y a la de moles por litro (molaridad). Suponer una temperatura de 25°C y una presión total de 1 atm.
6,02 x 1023 molec. de aire __________ 22400 cm3 de contaminante
6 x 10-4 molec. de aire __________ x= 2,23 x 10-23 cm3 de contaminante
Corregimos en volumen por las condiciones normales de presión y temperatura:
V1/T1= V2/T2
V2= 2,23 x 10-23 cm3 . 298 K / 273 K
V2= 2,43 x 10-23 cm3
Entonces:
1 cm3 de aire __________ 2,43 x 10-23 cm3 de contaminante
1 x 106 cm3 de aire __________ 2,43 x 10-17 cm3 de contaminante
7- Explicar por
qué la densidad del ozono es máxima alrededor de los 25 km de altitud.
Durante
el día, el ozono se forma constantemente mediante este proceso, cuya velocidad
depende de la cantidad de luz UV y de la concentración de átomos y moléculas de
oxígeno a una determinada altitud. Al pie de la estratósfera, la abundancia de
O2 es mayor que en lo
alto, debido as que la densidad aumenta progresivamente a la que uno se
aproxima a la superficie. Sin embargo, se disocia poco ozono, ya que
prácticamente toda la luz UV solar de alta energía ha sido filtrada antes de
llegar a esta altitud. Por esta razón, la capa de ozono no se extiende
demasiado por debajo de la estratósfera, e incluso el ozono presente en la
estratósfera baja se forma a altitudes mas elevadas y es transportado allí.
En
contraste, en la parte superior de la estratósfera, la intensidad de UV-C es
mayor pero el aire es mas ligero, por tanto, se produce relativamente poco
ozono, ya que los átomos de oxígeno colisionan y reaccionan entre ellos, antes
que con las pocas moléculas de O2 que
existen intactas.
En
consecuencia, la densidad del ozono alcanza un máximo allí donde es máximo el
producto de la intensidad de UV-C y la concentración de O2. Esta
máxima densidad del ozono tiene lugar a los 25 km de altura en zonas
tropicales, 21 km
sobre latitudes medias, y 18
km en las regiones subárticas.
8- Escribir la
ecuación de la reacción por la que el ozono se forma en la estratósfera.
Encima
de la estratósfera, el aire es muy ligero y la concentración de moléculas es
tan baja que la mayor parte del oxígeno está en forma atómica, habiéndose
formado por disociación del O2 a
partir de los fotones UV-C de la luz solar. La colisión final entre átomos de
oxígeno conduce a la nueva
formación de moléculas de O2, las cuales, después de absorber más
luz solar, otra vez se disocian fotoquimícamente.
En
la misma estratósfera, la intensidad dela luz UV-C es mucho menor, ya que gran
parte es filtrada por el oxígeno que se encuentra encima, y puesto que el aire
es mas denso, la concentración de oxígeno molecular es mucho mayor. Por esta
combinación de razones, la mayor parte del oxígeno estratosférico está como O2 en lugar de oxígeno atómico. Puesto
que la concentración de oxígeno atómico es tan pequeña, el destino más probable
es sui posterior colisión con moléculas intactas de oxígeno no disociadas,
dando lugar a la formación de ozono:
O2 + O -----------> O3 + calor
9- Escribir
por lo menos dos reacciones (catalizadas y no catalizadas) que contribuyan más
significativamente a la destrucción del ozono en la estratósfera.
Algunas
reacciones no catalizadas que contribuyen significativamente ala destrucción de
la capa de ozono son:
a) La absorción
de un fotón de UV-C o UV-B por una molécula de O3 en la estratósfera da lugar a la
descomposición de esta molécula, y esto da cuenta de la mayor parte de la
destrucción del ozono en esta región de la atmósfera.
La
reacción es:
O3 + fotón UV -----------> O2 + O
Los
átomos de oxígeno producidos se encuentran en un estado electrónicamente
excitado.
b) Algunos
átomos de oxígeno reaccionan con moléculas de ozono para formar oxígeno
molecular.
O3 + O -----------> 2 O2
-
En cuanto a las reacciones catalizadas, existe un número de especies atómicas y
moleculares, designadas como “X”, que reaccionan de forma eficiente con el
ozono mediante la abstracción (remoción) de un átomo de oxígeno.
O3 + X -----------> O2 + XO
En
regiones donde la concentración de oxígeno atómico es apreciable, las moléculas
de XO reaccionan con estos átomos de oxígeno para formar O2 y regenerar X.
XO + O -----------> O2 + X
Químicamente
estos catalizadores “X” son radicales libres, los cuales son muy reactivos.
Algunos ejemplos son:
a) El radical
libre óxido nítrico (NO∙) actúa como catalizador, producto de la descomposición
del óxido nitroso:
N2O + O* -----------> 2 NO∙
El
mecanismo por el cual esta molécula destruye el ozono es:
NO∙ + O3 -----------> NO2∙ + O2
NO2∙ + O -----------> NO∙ +
O3 + O -----------> 2 O2
b) Otra reacción
de destrucción catalizada se produce con el radical libre OH∙. Este radical
se origina en la
estratósfera a partir de la reacción entre los átomos de oxígeno excitados con
moléculas de agua o metano.
O* + CH4 -----------> OH∙ + CH3
El
mecanismo de destrucción es:
OH∙ + O3 -----------> HOO∙ + O2
HOO∙ + O -----------> OH∙ + O2
O3 + O -----------> 2 O2
10- Definir el
término “sumidero” troposférico.
Se
entiende por sumidero a “cualquier proceso, actividad o mecanismo que absorbe
un gas de efecto invernadero, un aerosol o un precursor de un gas de efecto
invernadero de la atmósfera”. Por lo tanto un sumidero troposférico es aquel en
el que dicha acción se desarrolla en la tropósfera.
En
las últimas décadas se descubrió que muchos compuestos sintéticos no presentan
un sumidero troposférico, es decir, que no se descomponen por la oxidación de
los gases atmosféricos, ni se disuelven en el agua de lluvia, ni son atacados
por radicales hidroxilo, ni se descomponen fotoquímicamente por acción de la
luz visible o la radiación UV-A. Estos compuestos son muy estables químicamente
por lo que vagan durante años por la tropósfera, difundiéndose poco a poco a la
estratosfera donde se rompen por acción de la radiación UVC, pero pueden
permanecer allí mucho tiempo, tal es así que algunos pueden permanecer entre 50
y 100 años.
Entre
estos compuestos están los conocidos clorofluorocarbonos (CFC’s), los cuales
presentan sólo átomos de C, F y Cl en su constitución química. Así, compuestos
como el CFCl3 (CFC-11) y el CF2Cl2 (CFC-12) se han empleado en la formación de
espumas y como propelentes de aerosol en sprays. Otro de los CFC’s que son
preocupantes desde el punto de vista ambiental es el CF2Cl—CFCl2 (CFC-113),
utilizado como desengrasante.
11- ¿Qué
es la Unidad Dobson?
La
cantidad total de ozono atmosférico en cualquier lugar se expresa en términos
de Unidades Dobson (UD). Esta unidad equivale a un
espesor de 0,01 mm
de ozono puro a la densidad que tendría si se encontrase a la presión de 1 atm
y a una temperatura de 0 °C .
La cantidad normal de ozono atmosférico a latitudes templadas es de 350 UD; por
lo tanto, si todo el ozono se llevase a nivel del suelo, la capa de ozono puro
alcanzaría solo 3,5 mm
de espesor.
12- Calcular la masa de ozono total presente en una columna de 1 dm3 de superficie terrestre.
13- ¿Qué
significa smog fotoquímico? ¿Cuáles son los reactivos iniciales en el proceso?
La
palabra smog proviene de la contracción de lasa palabras inglesas smoke (humo) y fog (niebla).
El
smog es el mejor ejemplo de contaminación del aire, donde se producen niveles
relativamente altos de ozono a nivel del suelo como resultado de reacciones
inducidas por la luz entre los contaminantes, proceso conocido como smog fotoquímico.
El
proceso de formación de smog involucra centenares de reacciones diferentes, que
a su vez implican docenas de compuestos químicos actuando simultáneamente.
Los
principales reactivos originales en un episodio de smog fotoquímico son el
óxido nítrico, NO, los hidrocarburos no quemados que se emiten al aire, y
compuestos orgánicos volátiles (COVs). El otro ingrediente vital en un episodio
de este tipo es la luz solar, la cual sirve para incrementar la concentración
de radicales libres que participan en los procesos químicos de formación de
smog.
Los
productos finales del smog son ozono, ácido nítrico y compuestos orgánicos.
COVs + NO + O2 + luz solar ---------> O3 + HNO3 + compuestos orgánicos
Las
sustancias como el óxido nítrico, hidrocarburos y otros COVs que se emiten
inicialmente al aire se denominan contaminantes
primarios.
Ciudad de México, una de las zonas contaminadas.
14- Dé ejemplos
de contaminantes secundarios.
Aquellas
sustancias que se forman como productos del smog fotoquímico se denominan contaminantes secundarios, y pueden ser ozono, ácido nítrico, y
otros compuestos orgánicos.
15- ¿Cuáles
son las fuentes antropogénicas del SO2?
La
principal fuente antropogénica del SO2 es la combustión del carbón, un sólido
que, dependiendo del área geográfica de donde provenga, contiene entre 1 y 9 %
de azufre.
16- Definir
el término aerosol. ¿Cuáles son los efectos biológicos del material
particulado?
El
término partícula o material particulado atmosférico se refiere a cualquier
sustancia, a excepción del agua pura, presente en la atmósfera en estado sólido
o líquido por causas naturales o antropogénicas. En general, los términos
aerosol y partícula se utilizan indistintamente, definiéndose los aerosoles
como suspensiones relativamente estables de partículas sólidas y líquidas en un
gas. Por tanto, la diferencia radica en la consideración añadida del medio
gaseoso que contiene las partículas.
La materia particulada incluye tanto las partículas en suspensión como aquellas
con un diámetro aerodinámico superior a 20
mm denominadas partículas
sedimentables, que se caracterizan por permanecer en un corto periodo de tiempo
en la atmósfera.
Los aerosoles desempeñan un papel importante en la atmósfera, principalmente en
la condensación de gotas de agua y cristales de hielo, en varios ciclos
químicos y en la absorción de la radiación solar.
Entre
las fuentes naturales de aerosoles se encuentran las partículas de sal
procedentes de la espuma del mar, el polvo o las particulas de arcilla
procedentes de la erosión de las rocas, entre otros.
Las
actividades humanas también dan origen a ciertos aerosoles, que con frecuencia
se consideran contaminantes. Mayoritariamente se generan en zonas industriales
o urbanas donde la principal fuente de emisión, es debida a los motores de los
vehículos, la erosión del pavimento, frenos y neumáticos. Dentro del ámbito
industrial las fuentes de emisiones
son derivadas de la combustión de productos fósiles, la fundición de metales
como cobre o cinc, y la producción de cemento, cerámica y ladrillos entre
otros. La agricultura también representa una fuente considerable de emisión de
partículas debido al movimiento de tierras y la quema de biomasa.
La
exposición a material particulado en el aire ambiente supone unos de los
principales riesgos para la salud humana en el ámbito de la contaminación
atmosférica. Para la determinación de sus efectos es fundamental la
distribución de tamaños, ya que las partículas más pequeñas penetran con mayor
facilidad en los alvéolos pulmonares, y la composición química de las mismas,
que determina diferentes niveles de toxicidad.
Además
de sus efectos sobre la salud, el material particulado es capaz de ejercer una
marcada influencia en nuestro entorno desde una escala global, por su
influencia en el cambio climático, hasta una más local, asociada a la reducción
de la visibilidad. Asimismo, las partículas son también responsables de la
degradación de los edificios y los monumentos históricos y de la alteración de
los ecosistemas.
El
material particulado influye en el balance radiactivo absorbiendo o dispersando
la radiación solar, procesos que influyen directamente en el clima global de la
Tierra. Pese a que en un principio no era tenido en cuenta en los modelos de
análisis de cambio climático, actualmente se considera que su influencia es tan
importante como la de los gases de efecto invernadero, si bien a una escala
menor debido a su pequeño tiempo de residencia en la atmósfera.
Respecto
a los efectos del material particulado sobre los ecosistemas éstos pueden
resultar positivos o negativos, lo cual será función de la concentración y
características físico-químicas de dicho material. El depósito de partículas
ácidas puede inducir efectos negativos en la superficie terrestre y en la
vegetación, tales como acidificación y eutrofización. La deposición de
partículas sobre las plantas puede dañar la superficie de las mismas y reducir
su capacidad fotosintética, lo que deriva en un menor crecimiento.
Bibliografía
· Colin Baird. Química Ambiental. Editorial Reverté S. A. Barcelona.
2001
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