Tranfomaciones Quimicas de la Materia
Informe de Investigación
Tema: Química Tema: Química de la Capa de Ozono.
Integrantes: Salas Jaramillo, Sebastian Villa Mayta,Alejandro Calderón Arias,Julio La Torre Sousa, Alex Estupiñán Vernazza, Claudia
Ing. Química Industrial Profesor:Juan Profesor:Juan Carlos Rodríguez
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RESUMEN El ozono O3 descubierto por Christian Friederich Schonbein en 1840, posee una masa atómica de 48 uma es mucho más denso que el oxigeno, y la mayor parte se encuentra en la estratósfera donde cumple un papel vital para proteger a los animales y plantas de la radiación ultravioleta. El ozono se forma por acción de la luz solar sobre el oxígeno. Esto lleva ocurriendo muchos millones de años, pero los compuestos naturales de nitrógeno presentes en la atmósfera parecen ser responsables de que la concentración de ozono haya permanecido a un nivel razonablemente estable. El deterioro de la capa de ozono a aumentado exponencialmente en las últimas décadas debido al uso indiscriminado de compuestos CFC (clorofluorocarbono) que están presentes en varios instrumentos de utilidad diaria, los cuales dan origen a varios de los problemas ambientales: el deterioro de la capa de ozono, el efecto de invernadero, el cambio climático y la radiación ultravioleta dañina para la piel. Todo está basado en reacciones químicas donde interactúan las moléculas y la energía de los rayos de luz que emite el sol, donde se ven muy claramente el caso de la entalpia y la energía de radiación. NOMBRE FÓRMULA
DEL GAS
CARACTERÍSTICAS
OZONO
-
- EN GRUESAS CAPAS DE
ADULTOS.
AZUL.
-CALCIFICACIÓN ACELERADA.
- UMBRAL DE OLOR: 0,03
- AFECTA A PERSONAS CON
ppm.
PROBLEMAS EN EL SISTEMA - TROPÓFERA
AFECTA
A
NIÑOS
Y
RESPIRATORIO
RADIACIÓN U.V.
-
- OXIDANTE DE ORIGEN
PULMONAR Y PRODUCE TOS,
FOTOQUÍMICO.
ESTORNUDOS, DOLOR DE
- OLOR PENETRANTE. -
SE
DESCOMPONE
GENERANDO
OXÍGENO
- LABORATORIOS
REDUCE
PECHO
Y
LA
FUNCIÓN
CONGESTIÓN
PULMONAR. -
IRRITACIÓN
OCULAR
NACIENTE.
(GRANDES
- CORROE Y DESTRUYE
CONCENTRACIONES)
LAS
MATERIAS
ORGÁNICAS. - ES VENENOSO.
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EFECTO
- GAS INCOLORO.
- EVITA EL PASO DE LA
O3
FUENTE
INTRODUCCION La tierra es única entre los planetas del Sistema Solar porque tiene una atmósfera químicamente activa y rica en oxígeno. Muchos años atrás, se desconocía la existencia y por ende la importancia de la capa de ozono que fue descubierta en 1913 por Charles Fabry y Henri Buisson, ambos físicos franceses. La existencia de esta capa de ozono es principalmente la esencia de la vida que hoy conocemos, ya que este actúa como filtro absorbiendo la radiación ultravioleta, sin ella los fotones correspondientes a esta radiación son lo suficientemente energéticos como para generar alteraciones fotoquímicas en moléculas biológicas, además tiene otra función esencial la cual es ser la fuente de calor que origina la estratificación de la atmósfera: en la estratosfera (zona tranquila) y en la troposfera (zona turbulenta). Todo lo natural tiene un objetivo primordial, lamentablemente el desarrollo de la ciencia, que ciertamente es favorable para nosotros, también causa daños ambientales que anteriormente no eran tomados en cuenta, por eso que hoy en día a causa del uso excesivo e inconsciente de especies químicas como los son los clorofluorocarbonos han generado daños difícilmente reversible a esta capa. En vista general de este informe trataremos el tema “La química de la capa de ozono” desde
distintos puntos de vista, brindando datos teóricos, consecuencias y posibles soluciones a este problema que nos involucra a todos, ya que la tierra es nuestro único hogar.
Resonancia del ozono
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OBJETIVOS Conocer la química de la capa de ozono. Deducir la entalpia de las reacciones que se presentan cíclicamente en la capa de ozono. Desarrollar un problema estequiométrico en relación al tema.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS . Ozono: Es un estado alotrópico del oxígeno,de cuya acción resulta un gas muy oxidante, se encuentra en la tropósfera, pero mayoritariamente en la estratósfera, si se respira podría causar algunos inconvenientes. Su concentración en la atmósfera se mide en Unidades Dobson (UD). Existen 2 tipos, el ozono estratosférico y el troposférico, el primero nace a partir de las radiaciones ultravioletas y la segunda, de reacciones de carácter fotoquímico. . Tropósfera: Es la primera capa de la atmósfera, está situada entre los 0 y 15 kilómetros sobre la superficie del planeta. Contiene el mayor porcentaje de la masa total de la atmósfera y se caracteriza por la densidad del aire que contiene. La temperatura y el contenido de vapor de agua en esta capa disminuyen rápidamente con la altura. La temperatura es obtenida de la Tierra a través de los procesos de conducción y convección (turbulencia) y de la radiación infrarroja. La tropósfera contiene el 99 % del vapor de agua de la atmósfera, el cual juega un papel muy importante en la regulación de la temperatura. . Estratósfera:Es la segunda capa de la atmósfera, está situada entre 15 y 50 kilómetros sobre la superficie del planeta. En esta capa la temperatura del aire se mantiene relativamente constante hasta una altitud de 25 kilómetros. Luego aumenta gradualmente hasta el límite inferior de la estratopausa (aprox. 50 kilómetros), cuyo comienzo está marcado por un descenso de temperatura. . Atmósfera:Es una capa de gases que recubre a los cuerpos celestes, en el caso de la Tierra, el nitrógeno y el oxígeno son los más comunes. Mide 966 kilómetros de grosor y está dividida en 5 capas distintas, separadas por pausas o zonas de transición . Capa de ozono (ozonósfera): Capa donde se encuentra el ozono atmosférico, situada entre los 10 y 50 kilómetros de altitud, es de vital importancia ya que disminuye los efectos de la radiación ultravioleta.
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PROCESO DE FORMACIÓN DEL OZONO El ozono es un gas que absorbe gran parte de las radiaciones solares. Se genera en la estratósfera a partir de una reacción llamada disociación por acción de la radiación U.V. Esta se muestra a continuación.
O2 + hv
2Oat ∆Ho = +495 kJ mol –1
Donde: hv: energía del fotón incidente ( Ecuación de Planck) o
∆H :Variación de entalpía (Proceso endotérmico)
Luego cuando ya se tiene el oxígeno atómico, este reacciona con otras moléculas de oxígeno, permitiendo la formación de ozono a través de un proceso exotérmico.
Oat+O2
o ∆H = –105 kJ mol –1
O3
Proceso exotérmico
El calor liberado en este proceso hace que el calor de la estratósfera vaya aumentando. Adicionalmente, el ozono se destruye también con los propios átomos de oxígeno para regenerar el oxígeno molecular siguiendo la siguiente reacción.
O3+Oat
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2O2
DESTRUCCIÓN CATALÍTICA DE LA CAPA DE OZONO El ozono se descompone lentamente. Sin embargo, su velocidad de descomposición se acelera debido a la intervención de reacciones catalíticas encadenadas. En la reacción general del ozono, este se transforma en oxigeno molecular por medio de un catalizador que está en constante regeneración. La reacción general:
X + O₃ XO + O
XO +O₂ X + O₂
Debemos saber que una molécula de X puede destruir una gran cantidad de moléculas de ozono. Esta sucesión de reacciones continuará hasta que X se inactive mediante una reacción indirecta.
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RADICALES HIDROXILO:
Este genera la destrucción del 50% de la concentración de ozono en la baja estratosfera (17- 20Km). Su formación se da mediante la siguiente reacción donde O* es un átomo de oxigeno excitado con una alta cantidad de energía como para reaccionar con el agua.
O₃ + hv (λ˂325nm) O* + H₂O
O₂ + O*
2HO*
OJO: Los átomos de oxigeno con alta energía reaccionan con una fuente de hidrógeno esencialmente con H₂O Y CH₄. Aseveramos entonces que estos radicales catalizan la eliminación de O₃ tomando de
él un átomo de oxígeno y convirtiéndolo en agua, que al mismo tiempo reacciona con un O para generar los HO*. El problema es que si aumentamos la concentración de metano atmosférico, entonces se incrementará la velocidad del proceso. CLOROFLUORCARBONOS Los CFC, que se conocen con el nombre comercial de freones o halones se han empleado como refrigerantes,espumas plásticas, propelentes para aerosoles, disolventes para limpiar tarjetas de circuitos electrónicos, incluso para la fabricación de vasos y platos. La producción de este compuesto tuvo un punto demasiado elevado en el año 1977, en EEUU, un dato aproximado fue 1.5 x 10⁶ toneladas.
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De ahí partió una gran campaña para la reducción de la producción y consumo de estos compuestos, este es el protocolo de Montreal que entró en vigor dos años después de su acuerdo en 1989. ¿Qué mal hacen estos compuestos? Los CFC son poco reactivos y por eso es que se difunden lentamente hacia la estratosfera sin sufrir transformaciones, ya en la estratosfera estos absorben la radiación UV de longitud de onda entre 175 a 220nm (Los halones no sufren oxidación e incluso los radicales OH* son incapaces de atacar estas moléculas debido a que estos carecen de átomos de hidrógeno). En la estratosfera el ozono es muy susceptible a reaccionar, en este caso el cloro excitado actúa como catalizador sobre el ozono formando monóxido de cloro más una molécula de oxígeno, luego este monóxido reacciona con un átomo de oxigeno generando un átomo de cloro y una molécula más de oxígeno.
Cl + O₃ClO
+O₂
ClO + O Cl
+ O₂
En esta reacción el ClO es un intermediario ya que se produce en la primera reacción, pero en la segunda se consume completamente. Por lo tanto, diremos que las zonas más afectadas de la capa es donde hay más cantidad de ClO. Los productos finales de irradiar a estos freones en la estratosfera son HCl y HF, estos se forman a través de muchos mecanismos, la principal es por la acción de Cl* y F* sobre las moléculas de metano que se encuentran en la troposfera (en esta reacción es que se va regenerando el catalizador Cl* constantemente)
Cl* + CH₄
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HCl + CH₃*
CLASIFICACIÓN DE LOS RAYOS UV
CICLO DE CHAPMAN Es un proceso donde la reacción al poseer una energía de activación alta: +18 kJ mol -1 nos da a entender que las pocas colisiones que tendrán, podrán generar suficiente energía para dar lugar a la formación de ozono. De lo cual podemos deducir que el ozono, se forma, se destruye y se recompone constantemente. En este proceso el ozono formado es capaz de filtrar la mayoría de rayos ultravioletas, dejando así pasar solo los que pueden ser controlados por cremas solares.
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CONCLUSIONES
Se ha podido comprender a profundidad el proceso y el grado de complejidad que se lleva a cabo en la tierra para poder formar el ozono. A lo largo de la última década, se ha tomado mayor conciencia sobre la capa de ozono y es que como se menciona en el informe, vital para la supervivencia en este planeta. Los compuestos CFC son los principales causantes, del deterioro de la capa de ozono, por las diferentes reacciones que fueron mencionadas anteriormente, sin embargo podemos ver que se usa indiscriminadamente, aún cuando se conocen las consecuencias de este. Con la ayuda de la unidad Dobson se hace más sencillo poder determinar el espesor adecuado que debería tener la capa de ozono, y así también saber, que tan peligroso es esa disminución radical en su espesor.
PROBLEMA PRÁCTICA Datos teóricos: En la estratosfera la concentración de ozono es muy baja, entonces, si lo llevamos a condiciones normales, a nivel del mar solamente ocuparía una capa de 3mm de espesor. (*) OJO: para hallar el volumen de una capa que rodea a una esfera en este caso la tierra, se puede obtener multiplicando el área de la esfera por el espesor de la capa. Radio de la tierra es 6378 Km.
¿Cuántos moles de ozono hay en la atmósfera? La cantidad de moles puede hallarse dividiendo el volumen correspondiente a ese espesor con el volumen molar, que vendría a ser 22.4L Resolución: recordar que para obtener el volumen el L, vamos a expresar la longitud de cm.
= 6.85 x 10ᶦᶟ mol 9
(*) Una unidad Dobson (DU) se define como 0.01mm de espesor del ozono en condiciones normales, entonces podríamos decir que el espesor calculado es igual a 300DU, esta vendría a ser la capa que cumple con la función de filtrar sin problemas los rayos UV, sin embargo, si este se muestra menor a los 220DU se considerará que existe el fenómen o conocido como “agujero de la capa de ozono”
PROBLEMA PRACTICA N°2 Datos teóricos: La energía de disociación para romper un enlace de una sola molécula:
N₂ = 941KJ/mol Recordar que E=h.ѵ Dónde: Constante de Planck (h) =6.626 x 10⁻ᴲ⁴Js⁻ᶦ λ: longitud de onda en nm. (Un nm es equivalente a 10⁻⁹m)
NA=6.022 x 10²ᴲ
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¿Cuál es la longitud de onda más grande que puede tener un fotón con la energía suficiente para disociar al N₂?
Primer paso: Pasar la cantidad teórica de energía de disociación a J/molécula
Luego, hacemos uso de la ecuación de Planck, donde usaremos nuestro resultado que vendría a ser la energía y la dividiremos por la constante de Planck, para obtener la frecuencia, la cual no será útil para el siguiente y último paso, donde relacionamos la longitud de onda con la velocidad de la luz.
E= h.ѵ
= 6.626 x 10⁻ᴲ⁴ Js⁻ᶦ x ѵ ѵ = 2.35 x 10ᶦ⁵ s⁻ᶦ
Finalmente: Ojo: convertir a nm
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BIBLIOGRAFIA -Repsol (Descubrir la meteorología) [En línea]. Recuperado el 22 de abril del 2014. Disponible en:
http://www.repsol.com/SE/ElTiempo/meteorologia/lacreaciondeltiempo/laatmosfera-
inf.aspx. -Química Estratosférica: La capa de ozono. Disponible en:http://www.ugr.es/~mota/Parte1Tema01.pdf -Química
de
la
Estratosfera:
La
capa
de
ozono.
Disponible
en:
http://www.ugr.es/~fgarciac/pdf_color/tema8%20%5BModo%20de%20compatibilidad%5D. pdf -Jara Benites, C. (2002). Problemas de Química y cómo resolverlos, Química ambiental y Recursos naturales (pp. 975 – 1012). Lima: Racso Editores. -Burns, R. (2003). Fundamentos de Química, Química ambiental (pp. 620 – 654). México: Pearson Education. -Thomas G. Spiro William M. Stiglliani (2003). Química Medioambiental. México: Pearson Education.
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