Química Atmosférica

En este tema, consideramos algunos aspectos de la química de nuestro ambiente, en especial sobre la atmósfera de la Tierra. Tanto la atmósfera como 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 el mundo. Como ciudadanos debemos participar en la instauración de leyes y reglamentos que tengan un impacto sobre nuestra salud, así como sobre la seguridad económica de nuestro país. Aun nuestras decisiones más sencillas como consumidores, requieren que valoremos los costos y los beneficios de nuestras acciones.

Desafortunadamente, los impactos ambientales de nuestras decisiones no son evidentes en muchas ocasiones. Cuánto mejor comprendamos los principios químicos que fundamentan las leyes fundamentan las leyes ambientales, mayores serán las oportunidades de formar juicios sólidos sobre temas económicos y políticos que afectan a nuestro entorno.

a) La atmósfera y la química atmosférica

La atmosfera consiste en una capa delgada de gases mezclados que cubren la superficie de la Tierra. Excluyendo el agua, el aire atmosférico está constituido por 78,1% (en volumen) de nitrógeno, 21,0% de oxígeno, 0,9% de argón y 0,03% de Dióxido de Carbono. Normalmente el aire contiene 1-3% de vapor de agua, además el aire contiene una gran variedad de gases a niveles de trazas, por debajo de 0,002%, como neón, helio, metano, kriptón, óxido nitroso, hidrógeno, xenón, dióxido de azufre, ozono, dióxido de nitrógeno, amoniaco y monóxido de carbono. El comportamiento de la atmósfera es consecuencia de los gases que contiene, tanto procedentes de fuentes naturales como antropogénicas y de las fuerzas físicas que actúan en ella.

Dependiendo de la temperatura, la atmósfera se divide en varias capas. De éstas, las más importantes son la troposfera, que se extiende en altitud desde la superficie de la Tierra hasta aproximadamente 11 km y la estratosfera desde esos 11 km hasta aproximadamente 50 km.

b) Importancia de la atmósfera

Sirve de capa protectora absorbiendo los rayos cósmicos del espacio y protege los organismos de sus efectos.

Mantiene una temperatura agradable.

Fuente de CO2 y O2 necesarios para la fotosíntesis y respiración celular, respectivamente.

Provee el nitrógeno que fijan las bacterias y necesitan las plantas.

Transporta el aguade los océanos a la tierra, actuando como condensador.

c) Características físicas de la atmósfera

Variación de presión y densidad con la altura.

La densidad de la atmósfera disminuye marcadamente con la altura.

El 99% de la masa de la atmósfera se encuentra a 30 km de la superficie de la Tierra.

La presión disminuye con la altura.

d) Composición de la atmósfera terrestre

La atmósfera es un sistema extremadamente complejo. Su temperatura y presión cambian dentro de amplios límites con la altitud. La atmósfera está 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 límites exteriores de la atmósfera. Además, debido al campo gravitacional de la Tierra, los átomos y las moléculas más ligeros tienden a elevarse. Como resultado de estos factores, la composición de la atmósfera no es uniforme.

En la tabla siguiente se muestra la composición del aire seco a nivel del mar. Aunque existen trazas de muchas sustancias, N2 y O2 constituyen alrededor del 99% de la atmósfera. Los gases nobles y el CO2 constituyen la mayor parte del resto. La contribución de cada componente de la atmósfera, está dado en términos de su fracción molar. Esto es simplemente el número total de moles de todos los componentes en la muestra.

Composición del aire seco cerca del nivel del mar

Componente Contenido (Fracción mol) Peso Molecular

Nitrógeno 0.78084 28.013

Oxígeno 0.20948 31.998

Argón 0.00934 39.948

Bióxido de carbono 0.000330 44.0099

Neón 0.00001818 20.183

Helio 0.00000524 04.003

Metano 0.000002 16.043

Kriptón 0.00000114 83.80

Hidrógeno 0.0000005 02.0159

Oxido Nitroso 0.0000005 44.0128

Xenón 0.000000087 131.30

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, 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, 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. En la tabla se enuncia la fracción molar de CO2 en la atmósfera como 0.000330. Su concentración en ppm es 0.000330x106 =330ppm.

Antes de considerar los procesos 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 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.

e) La Fotoquímica y algunos términos Importantes

Los aspectos de la química ambiental en la química atmosférica incluyen los efectos de la radiación solar que inducen la fotólisis de gases traza y la fotooxidación de otros gases traza oxidables de la troposfera.

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