LA ATMOSFERA,COMPOSICIÓN 1. Introducción
La atmósfera y la hidrosfera de nuestro planeta hacen posible la vida. El manejo de este entorno, con el objetivo de mantener y reforzar la calidad de vida, es una de las preocupaciones más importante de nuestro tiempo. Es evidente que se requieren reformas drásticas y normas mucho más estrictas si queremos conservar la calidad de vida en nuestro mundo. Como ciudadanos, debemos participar en la instauración de leyes y reglamentos que tengan relación con el impacto sobre nuestra salud. Aun nuestras decisiones más sencillas como consumidores, requieren que valoremos los costos y los beneficios de nuestras acciones. Desafortunadamente, los impactos ambientales de las decisiones políticas no son evidentes en muchas ocasiones. Cuanto mejor comprendamos los principios químicos que fundamentan las leyes ambientales, mayores serán las oportunidades de formar juicios sólidos sobre temas económicos y políticos que afectan a nuestro entorno.
La atmósfera de la Tierra Debido a que la mayoría de nosotros no hemos estado muy alejados de la superficie terrestre, tendemos a dar por hecho las muchas formas en que la atmósfera determina el entorno en que vivimos. En esta sección examinaremos los aspectos más importantes de la atmósfera de nuestro planeta. La temperatura de la atmósfera varía de un modo complejo de acuerdo con la altitud. La atmósfera se divide en cuatro regiones, según este perfil de temperaturas. Justamente sobre la superficie, en la tropósfera, la temperatura decrece al aumentar la altitud hasta alcanzar un mínimo de 215K a 12Km. Casi toda la vida se manifiesta en la tropósfera. Vientos huracanados y brisas suaves, s uaves, lluvia, cielos soleados, todo lo que consideramos como "clima" ocurre en esta región. Aún cuando volemos en un moderno jet supersónico entre ciudades distantes, no nos salimos de la tropósfera, aunque podemos llegar a estar cerca c erca de su límite superior, llamado tropopausa. Sobre la tropopausa, la temperatura aumenta con la altitud, alcanzando un máximo de 275K a los 50Km. Esta región se llama la estratosfera. Más allá de la estratosfera están la mesósfera y la termósfera. Llas temperaturas extremas en los límites son importantes porque la mezcla de la atmósfera a través de ellos es un proceso relativamente lento. Por ejemplo, los gases contaminantes generados en la tropósfera encuentran en su camino hacia la atmósfera con gran lentitud. En contraste con los cambios de temperatura que ocurren en la atmósfera, la presión disminuye de un modo regular al aumentar la altitud. Vemos que la presión atmosférica disminuye con más rapidez a menores que a mayores altitudes. La explicación de esta característica de la atmósfera está en su compresibilidad. Como resultado de la compresibilidad de la atmósfera, la presión disminuye del valor promedio de 760mm Hg a nivel del mar a 2.3x10-3 mm Hg a 100Km y a solamente 1.0x10-6 mm de Hg a 200Km. La tropósfera y la estratosfera juntas constituyen c onstituyen el 99.9% de la masa de la atmósfera; el 75% la constituye la masa de la tropósfera.
Composición de la atmósfera terrestre
La atmósfera es un sistema extremadamente complejo. Su temperatura y presión cambian dentro de amplios límites con la altitud, como acabamos de ver. La atmósfera esta sujeta al bombardeo de radiación y de partículas con gran energía provenientes del Sol y de la radiación cósmica del espacio exterior. Esta energía tiene efectos químicos importantes, especialmente en los limites exteriores de la atmósfera. Además, debido al campo ca mpo gravitacional de la Tierra, los átomos y las moléculas más ligeros tienden a elevarse. Como resultado de setos factores, la composición de la atmósfera no es uniforme. u niforme. Aunque existen trazas de muchas sustancias, N2 y O2 constituyen constituyen alrededor del 99% de la atmósfera. Los gases nobles y el CO2 constituyen la mayor parte del resto. re sto.
El ozono, bióxido de azufre, bióxido de nitrógeno, amoniaco y monóxido de carbono, existen como gases traza en cantidades variables.Al hablar de constituyentes traza de las sustancias, s ustancias, utilizamos comúnmente partes por millón (ppm) como unidad de concentración. Cuando se aplica a sustancias en solución, partes por millón se refiere a gramos de las sustancia por millón de gramos de solución. No obstante, al tratar con gases, ga ses, una parte por millón se refiere a una parte por volumen en 1 millón de unidades de volumen y fracción molar son equivalentes. Así, 1ppm de un constituyente traza de la atmósfera indica que hay 1mol de ese constituyente en 1 millón de moles del gas total; es decir, la concentración en ppm es igual a la fracción molar multiplicada por 106 . Observe que en la tabla 1.1 se enuncia la fracción molar de CO2 en la atmósfera como 0.000330. Su concentración c oncentración en ppm es 0.000330x106 =330ppm.
Antes de considerar los procesos químicos químicos que ocurren en la atmósfera, revisemos algunas de las propiedades químicas importantes de sus dos componentes principales, N2 y O2. . Sabemos que la molécula de N2 tiene un enlace triple entre los átomos de nitrógeno. Esta unión es muy fuerte y es la responsable de la baja radiactividad del N2, , que sólo experimenta reacciones en condiciones extremas. La energía de unión O -O en O2 es mucho menor que para el N2, y el O2 es, por po r consiguiente, mucho más reactivo que el N2 . El oxígeno reacciona con muchas sustancias para formar óxidos.Los óxidos de los no metales -por ejemplo SO2 -suelen formar soluciones ácidas cuando se disuelven en agua. Los óxidos de los metales activos y de otros metales en estado de oxidación bajo, -por ejemplo- forman soluciones básicas cuando se disuelven en agua. Propiedades físicas de la atmósfera. Presión atmosférica:
Concepto, unidad de medida e isobara.es el peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre. casi la totalidad de la masa de la atmósfera se encuentra en los primeros kilómetros por encima de la superficie terrestre (debido a la fuerza de atracción gravitatoria sobre los gases), por lo que la presión atmosférica disminuye rápidamente con la altura, por ejemplo en los primeros 5 km de altura se encuentra el 50% de su masa y a los 15 km de altura se encuentra el 95% de su masa. el valor de esta presión se mide con el barómetro. a nivel del mar es 1 atmósfera o 1013 milibares, y es equivalente al peso de una columna de mercurio de 760 mm de altura y un cm de base. en los mapas meteorológicos, la presión atmosférica suele representarse mediante las isobaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión.
Temperatura:
variación de la temperatura en función de la altitud (se repetirá en la estructura de la atmósfera). el aire de la troposfera se calienta a partir del calor emitido por la superficie terrestre. La temperatura es máxima en la superficie terrestre, alrededor de d e 15 ºc 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 100m de altura) hasta llegar a -70 ºc a los 12 km de altura. a partir de aquí, la temperatura asciende con la altura hasta llegar próximo a los 0 ºc en los 50 km. este incremento de temperatura está relacionado con la absorción por el ozono de la radiación radiación solar ultravioleta. de los 50 a los 80 km de altura, la temperatura disminuye hasta alcanzar los -140 ºc; a partir de aquí, la temperatura va ascendiendo en altura al absorber las radiaciones de alta energía, pudiendo alcanzar más de 1000 ºc a unos 600 km de altura; a partir de aquí la baja densidad de gases impide la transmisión del calor y carece de sentido hablar de temperatura. curiosidad: el calor es el paso de energía de un cuerpo que está a más temperatura a otro cuerpo que está a menor temperatura.
Las reacciones de foto disociación y fotoionización que hemos explicado en las secciones anteriores, ocurren en la atmósfera superior. Estos procesos dan como resultado una absorción casi completa de la radiación solar de menos de 300nm, antes de que llegue a la tropósfera. Ya que los principales constituyentes de la tropósfera no interaccionan con la radiación de longitud de onda mayor de 300nm, las reacciones fotoquímicas que se s e efectúan en la tropósfera indican solamente constituyentes menores. En la tabla 1.3 se indican algunos importantes constituyentes menores de la tropósfera y se resumen sus fuentes más importantes, así como sus concentraciones características. Muchas de estas sustancias solamente se encuentran en pequeñas cantidades en el medio ambiente natural, pero presentan concentraciones mucho más elevadas en ciertas áreas como resultado de la actividad humana. Incluso, en algunas áreas, las concentraciones de estas sustancias se han ha n incrementado considerablemente durante los últimos 50 años. En esta sección explicaremos las características más importantes de algunas de estas sustancias y su papel químico q uímico como contaminantes del aire. Como veremos, la mayor parte se forma como resultado directo o indirecto de nuestro uso tan amplio de reacciones de combustión combustión.. Tabla 1.3 Puentes y concentraciones comunes de algunos constituyentes menores atmosféricos
Bióxido de Carbono, CO2Descomposición de la materia orgánica; 330 ppm en la tropósfera liberación en los océanos; combustión de Combustibles fósiles Monóxido de Carbono, CO Descomposición de materia orgánica; 0.05 ppm en aire no contamos-procesos industriales; combustión de nado; 1 a 50 ppm en áreas incombustibles banas con tránsito vehicular Metano, CH Descomposición de materia orgánica; 1 a 2 ppm en la tropósfera filtración de gas-natural Óxido nítrico, NO Descargas eléctricas; motores de combus- 0.01 ppm en e n aire no contaminación interna; combustión de materia nado;0.2 ppm en atmósferas orgánica. con smog Ozono, O3 Descargas eléctricas; difusión de la 0 a 0.01 ppm en aire no conta-Estratosfera; smog fotoquímico (sf) minado; o.5 ppm en sf. Bióxido de Azufre , SO2 Gases volcánicos; incendios forestles; 0 a 0.01 ppm en aire no conta-ación bacteriana; combustión de combus- minado; 0.1ª 2ppm en e n ambientibles fósiles; procesos industriales tes urbanos contaminados.tación co ntaminados.tación de minerales y otros) Se cree que la principal fuente del bromo reactivo (Br y BrO) es el bromuro procedente de la sal marina que se libera mediante reacciones fotoquímicas conocidas como la secuencia de la reacción explosiva del bromo:
Ciertos compuestos que contienen azufre se encuentran en cierto grado de la atmósfera natural, no contaminada. c ontaminada. Se originan por la descomposición de la materia orgánica por las bacterias bacterias,, en los gases volcánicos, y en otras fuentes que se mencionan en la tabla 1 La concentración en la atmósfera de compuestos que contienen azufre y que provienen de fuentes naturales es muy pequeña, comparada con la concentración en ambientes urbanos e industriales, resultado de las actividades del hombre hombre.. Los compuestos de azufre, en especial el bióxido de azufre, SO2 , se encuentran entre los gases contaminantes c ontaminantes más desagradables y peligrosos. En la tabla 1.4 se presentan pr esentan las concentraciones de varios gases contaminantes en un ambiente urbano característico (no uno muy afectado por el smog). De acuerdo con estos datos datos,, el nivel de bióxido de azufre es 0.08 ppm o más, la mitad del de l tiempo. Esta concentración es considerablemente inferior a la de otros contaminantes, sobre todo el monóxido de carbono. ca rbono. A pesar de ello, el bióxido de azufre se considera como el peligro más serio para la salud entre los contaminantes mencionados, especialmente para las personas con dificultades respiratorias. Estudios de historias médicas de grandes segmentos de población en ambientes urbanos han mostrado claramente que quienes viven en las partes más contaminadas de las ciudades, tienen niveles superiores de enfermedades respiratorias y menor expectativa de vida.
La combustión del carbón y del petróleo son responsables de un 80% del total de SO2 liberado en Estados Unidos. El grado de emisiones de SO2 en la combustión co mbustión del carbón y del petróleo petróleo,, dependen del nivel de su contenido de azufre. El petróleo quemado en las plantas de energía en las estaciones generadoras de electricidad,, producen este residuo no volátil que queda después de electricidad que se han separado por destilación por destilación las fracciones de menor punto de ebullición. Algunos tipos de petróleo, como el que proviene del Oriente Medio, es relativamente bajo en azufre, en tanto que el petróleo de Venezuela tiene un contenido de azufre relativamente elevado. Debido a nuestro interés en la contaminación con SO2 , el petróleo bajo en azufre tiene mayor demanda mayor demanda y, en consecuencia, su precio es mayor. El carbón varía considerablemente c onsiderablemente en su contenido de azufre. Gran parte del carbón que existe en el lecho oriental del Mississippi es relativamente rico en azufre, más del 6% en peso. Gran parte del carbón que queda en los estados occidentales de EUA tiene menor contenido de azufre. (Sin embargo, este carbón también tiene menor contenido calorífico por unidad de peso de carbón. De modo que la diferencia en contenido de azufre en base a la cantidad de calor producido no es tan grande como se considera a menudo. En total, se liberan más de 30 millones de toneladas de SO2 a la atmósfera en Estados Unidos cada año. Este material ocasiona un grave daño tanto a los inmuebles como a la salud humana. Sin embargo, no todo el daño es causado por el SO2 mismo; de hecho, el SO3 formado por oxidación del d el SO2 es el principal culpable. El bióxido de azufre se puede oxidar a SO3 por varías vías, dependiendo de las condiciones particulares de la atmósfera. Una vez formado el SO3 , se disuelve en gotitas de agua, formando ácido sulfúrico,
H2SO4: SO3(g) + H2O(l) H2SO4(ac) [1.10]
El agua pura tiene un pH de 7. Sin embargo, la lluvia natural tiene un pH ligeramente ácido, cercano a 6. La acidez de la lluvia proviene de la presencia en el aire de tres gases principales: dióxido de carbono (CO2), óxido nitrosos (NO) y dióxido de azufre (SO 2). Todos estos gases reaccionan con el agua, dando lugar al ácido carbónico (H2CO3), ácido nítrico (HNO3) y ácido sulfúrico (H 2SO4), respectivamente. No podemos evitar que la lluvia sea ácida: el CO2 es un producto de la descomposición orgánica, el NO proviene de las descargas eléctricas y se forma a partir de nitrógeno y oxígeno, mientras que el SO2 es emitido por los volcanes. Sin embargo, un incremente desmesurado en la concentración de estos gases trae consigo que el agua contenga más ácido y, consecuentemente, un pH menor. La presencia del ácido sulfúrico en la lluvia es responsable en gran parte del fenómeno de la lluvia ácida. (También contribuyen los óxidos de nitrógeno, que forman ácido nítrico.) Hace unos 200 años, la lluvia tenía un pH de entre 6 y 7.6. Ahora, es común regiones que la lluvia lluvia tenga un pH de entre 4 y 4.5. En los Angeles, el pH de la niebla ha bajado hasta 2, aproximadamente la acidez del jugo de limón. La lluvia ácida ha efectuado muchos lagos en Europa del norte, en el norte de Estados Unidos y en Canadá. La acidez ha reducido dramáticamente las poblaciones de peces en los lagos y los bosques circundantes.El pH de las aguas naturales más productivas está entre 6.5 y 8.5. A niveles de pH por debajo de 4.0, son destruidos todos los vertebrados, la mayor parte de los invertebrados, y muchos microorganismos.Los lagos más susceptibles al daño son los que tienen bajas concentraciones de iones básicos, como HCO3 , que los amortiguan contra cambios en el pH. Más de 300 lagos en el Estado de Nueva York no contienen peces, 140 lagos en Notario, Canadá, están deprovistos de vida. La lluvia ácida que ha provocado la muerte en estos lagos se origina a cientos de kilómetros, en el valle de Ohio y en la región de los Grandes Lagos.La lluvia ácida corroe muchos metales y materiales de construcción construcción.. Por ejemplo, el mármol y la piedra caliza, cuyo constituyente principal es CaCO3 , son fácilmente atacados por la lluvia ácida. Miles de millones de dólares se pierden cada año como resultado de la erosión debida a la contaminación con SO2 .
Obviamente deseamos reducir la cantidad de este nocivo gas que se libera en nuestro entorno. Una forma de hacerlo es eliminar el azufre del carbón y del petróleo antes de quemarlos. Actualmente esto es muy difícil y costoso por lo que no es factible tecnológicamente. No obstante, se han desarrollado varios métodos para eliminar el SO2 de los gases formados durante la combustión del carbón y del petróleo. Por ejemplo, se puede soplar piedra caliza pulverizada, CaCO3, dentro de la cámara de combustión. El carbonato (piedra caliza) se descompone en CaO y bióxido de carbono:
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) [1.11] Después la cal reacciona con SO2 formando sulfito de calcio:
CaO(s) + SO2(g) CaSO3(s) [1.12] Aproximadamente la mitad del SO2 se elimina por contacto contacto con el sólido seco. El gas de horno debe ser "distribuido" en una suspensión acuosa de cal para par a eliminar el CaSO3 y cualquier SO2 que no haya reaccionado. Este proceso, es de difícil diseño , reduce la efectividad calorífica del combustible y produce una enorme cantidad de desperdicio sólido. Una planta de energía eléctrica que satisface las necesidades de una población de 150,000 personas podría producir anualmente alrededor de 160,000 toneladas de desperdicio sólido si se equipara con el sistema de purificación que hemos descrito. Este volumen es tres veces el desperdicio normal de cenizas de una planta de estas dimensiones. Se han empleado varios esquemas para recuperar el azufre elemental o alguna otra forma química de utilidad industrial a partir del SO2, pero aún no se ha encontrado un proceso suficientemente atractivo desde el punto de vista económico, para garantizar su desarrollo en gran escala escala.. La contaminación por bióxido de azufre seguirá siendo un problema importante durante algún tiempo.
