CICLO NATURAL DEL NITRÓGENO

Transcripción

1 Texto elaborado por Velázquez R., R. y Barrón. R. (2003) Unidad 2: aire intangible; pero vital En: Guía de estudio para la asignatura de química III. ENP UNAM México. 2.2 Reactividad de los componentes del aire Algunas reacciones del N 2, O 2 y CO 2 El nitrógeno atmosférico es una molécula muy estable, sin embargo, algunas bacterias y algas a romper el triple enlace N N y pueden utilizarlo. El alemán Haber encontró que a presiones y temperaturas muy altas y en presencia de un catalizador se puede hacer reaccionar el nitrógeno con el hidrógeno y producir amoniaco. 3H 2 + N 2 (P, T y catálisis) 2NH 3 El nitrógeno a la temperatura ambiente es inerte, por lo tanto, no se combina con el oxígeno presente en el aire, sin embargo en presencia de descargas eléctricas da lugar a las siguientes reacciones: N 2 + O 2 2NO monóxido de nitrógeno 2NO + O 2 2NO 2 dióxido de nitrógeno El nitrógeno del aire no puede ser fijado directamente por plantas y animales como es el caso del bióxido de carbono ó anhídrido carbónico, ( 1 ) sino que solo se fija a través de ciertos compuestos que son sintetizados por bacterias nitrificantes que existen en los nódulos de las raíces de plantas leguminosas. ( 2 ) cuando plantas y animales mueren, su descomposición libera el nitrógeno proteico que contenían, del que una parte es convertido en amoníaco y ( 3 ) en el suelo éste se oxida por bacterias nitrosificantes en nitritos y por bacterias nitrificantes a nitratos, ( 4 ) los que posteriormente son absorbidos del suelo por las plantas, que luego ( 5 ) sirven de alimento a los animales, (6) los que al morir y descomponerse liberan parte de su nitrógeno proteico por la acción de las bacterias desnitrificantes del suelo. Esta serie de pasos constituyen el ciclo del nitrógeno en la naturaleza. Nitrógeno atmosférico es convertido en nitratos y nitritos por bacterias nitrificantes CICLO NATURAL DEL NITRÓGENO Nitratos y nitritos Son convertidos en proteínas por las plantas. En la decadencia y muerte de plantas y animales, devuelven a la atmósfera una parte de su nitrógeno proteico y el resto se transforma en amoniaco, nitratos y nitritos. Los animales se alimentan de plantas y las proteínas vegetales las convierten en proteínas animales.

2 El oxígeno es extremadamente reactivo y los compuestos más sencillos que forma son los óxidos. Se presenta en sus formas alotrópicas: oxígeno [O 2 ] y ozono [O 3 ]. Por su capacidad de aceptar dos electrones, se le conoce como un agente oxidante. Alotropía: Es la propiedad de algunos elementos que en un mismo estado físico, pueden presentar más de una forma, debido a diferentes arreglos moleculares o distinto número de átomos en la molécula. 3O 2 2O 3 CICLO DEL OXÍGENO H 2 O O 2 Radiación ultravioleta ATMÒSFERA CO 2 O 2 O 3 Plantas: fotosíntesis H 2O HIDRÒSFERA Animales y plantas: oxidación biológica BIÒSFERA LITÒSFERA Metales CO 2 + CaCO 3 Ca 2+ Sedimentos de CaCO 3 Òxidos metàlicos (1) En la biosfera hay intercambio del oxígeno entre las partes del medio ambiente. (2) Uno de los procesos importantes es la fotosíntesis, mediante el cual, las plantas verdes convierten el dióxido de carbono y el agua, activados por energía solar, en oxígeno liberándolo a la atmósfera. (3) En la capa fòtica de la hidrosfera hay oxígeno disuelto y parte de él se libera a la atmósfera. (4) El oxígeno que utilizan plantas y animales de la biosfera proviene de la atmósfera y de la hidrosfera generando una lenta oxidación biológica liberando energía que la materia viviente utiliza para sus procesos vitales. (5) Agua, dióxido de carbono y oxígeno molecular junto con las moléculas de los sistemas vivos constituyen las principales sustancias que participan en el ciclo del oxígeno. (6) Parte del oxígeno molecular de las regiones altas de la atmósfera por medio de los rayos UV genera una reacción fotoquímica que produce ozono. (7) Este ozono se descompone con rapidez en oxígeno diatómico (8) Parte del dióxido de carbono disuelto

3 en la hidrósfera es aprovechado por las plantas acuáticas durante la fotosíntesis. (9) en la litosfera el oxígeno se encuentra combinado con el silicio, aluminio y otros metales formando silicatos, óxidos metálicos, carbonatos, nitratos, fosfatos, etc. (10) Este oxígeno no se intercambia con facilidad con otras subesferas, excepto cuando el agua arrastra hacia los mares minerales disueltos en ella como carbonatos, nitratos y fosfatos. El dióxido de carbono (CO 2 ) forma parte del aire y es uno de los principales reguladores del clima en el planeta. La elevación de la concentración del CO 2 en la atmósfera provoca el efecto invernadero, con el correspondiente sobrecalentamiento de la Tierra. Este gas es empleado en la industria de bebidas: carbonatadas (refrescos), vinos, cerveza, obtención de carbonatos y bicarbonatos; como elemento de inhibición de combustión en extinguidores; como refrigerante en la industria de máquinas criogénicas y en la fabricación de hielo seco. En la naturaleza y con relación a la existencia de los seres vivos, una reacción importante del CO 2, es la fotosíntesis que se da en los vegetales verdes y es fuente de producción de oxígeno Reacciones de combustión Reacción de Combustión.- Reacción química entre un material combustible y la presencia indispensable del oxígeno como comburente, con desprendimiento de luz y calor. Ejemplo: La combustión del propano o gas doméstico C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O + energía Reacciones exotérmicas y endotérmicas De acuerdo con la energía involucrada, las reacciones se clasifican en: Reacción exotérmica: Es la que ocurre con desprendimiento de energía térmica. Reacción endotérmica: Es la que ocurre con absorción de energía térmica Calor de combustión Es la energía térmica desprendida al quemar una mol de material combustible Energías de enlace. Es la energía necesaria para formar o romper un enlace químico de una molécula. 2.3 Calidad del aire Los contaminantes atmosféricos son sustancias que normalmente se encuentran en bajas concentraciones, pero que al incrementarse producen efectos adversos en los seres vivos y en los materiales. Se denominan primarios cuando son enviados a la atmósfera como resultado de un proceso natural o como producto de la actividad humana y secundarios cuando surgen de la reacción química de algún contaminante primario. Los contaminantes primarios de la atmósfera son: óxidos de carbono (CO 2, CO), óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), plomo (Pb), clorofluorocarbonos (CFCs), hidrocarburos (HC) y partículas suspendidas (PTS),

4 mientras que los contaminantes secundarios son: ozono, nitrato de peroxiacetilo, acetileno, olefinas, aldehídos, cetonas. Puesto que los contaminantes se encuentran en la atmósfera en pequeñas cantidades (trazas), se mide su concentración en partes por millón (ppm). Si se expresa la concentración en masa su definición es: mg de soluto disuelta en un kg de disolución. Si se expresa la concentración en masa/volumen su definición es: mg de soluto (contaminante) disuelta en L de disolvente (aire). Los principales problemas atmosféricos causados por contaminantes son: destrucción de la capa de ozono, efecto invernadero, calentamiento global del planeta Tierra, inversión térmica, smog fotoquímico y lluvia ácida. El ozono que es una forma alotrópica del oxígeno de fórmula molecular O 3, se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera en la región de la ozonósfera. Destrucción de la capa de ozono: La estratosfera tiene una alta concentración de O 3 que sirve como filtro de la radiación ultravioleta (R-UV). Dicha capa de ozono está siendo destruida por la presencia de CFCs de acuerdo con las siguientes reacciones: CCl 2 F 2 CClF 2 + Cl Cl + O 3 ClO + O 2 ClO Cl + O el radical cloro vuelve a producir la reacción anterior, destruyendo otra molécula de ozono y así sucesivamente. Otros causantes de la destrucción del ozono son los gases de NOx, mediante reacciones catalíticas como las siguientes: NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O 2 O + O 3 2O 2 El efecto invernadero se debe a que algunos gases tales como CO 2, CH 4, H 2 O, NOx, CFCs que están presentes en la atmósfera, absorben parte de la radiación infrarroja (R- IR) emitida por el sol y que llega a la atmósfera provocando un aumento en la temperatura semejante a la de un invernadero. Este efecto es parte del mecanismo de regulación del clima del planeta y cuando se altera causa el sobrecalentamiento del mismo. La inversión térmica se presenta cuando la capa inferior de aire se encuentra fría y atrapada por una capa superior de aire caliente. Es normal que se presente por las mañanas en cualquier parte del mundo, sin embargo, en la Ciudad de México es frecuente, debido a las montañas que la rodean; por la noche las capas cercanas al suelo se enfrían y como no existe turbulencia o movimientos de convección del aire los contaminantes atmosféricos se acumulan. El smog fotoquímico se presenta en zonas urbanas, debido a que se concentran contaminantes (HC, NOx) en un lugar sin movimiento y en condiciones de baja humedad y de alta luminosidad.

5 La energía solar favorece reacciones químicas, como las que se tienen en la tabla, que producen aldehídos, PAN (nitrato de peroxiacetilo CH 3 COONO 2 ), formaldehído y O 3. Reacciones con óxidos de nitrógeno (NOx) NO 2 + R-UV NO + O O + O 2 O 3 O 3 + NO NO 2 + O 2 Reacciones con hidrocarburos (HC) ó (RH) RH + O RO RO + O 2 RO 3 RO 3 + RH RCHO + RCOR RO 3 + NO RO 2 + RO 2 RO 3 + O 2 RO 2 + O 3 RO 3 + NO 2 PAN La lluvia ácida es la precipitación acuosa que presenta ph menor de 5.5 como consecuencia de la formación de compuestos ácidos en la atmósfera. El ph normal del agua de lluvia es de 5.6 dependiendo del lugar, debido a que existe un equilibrio entre agua y dióxido de carbono como se muestra en la reacción química siguiente: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + H CO 3 - Los contaminantes responsables de esta problemática son los óxidos (NOx, SOx CO 2 ) que en presencia de agua y energía solar dan lugar a los respectivos ácidos. Las reacciones químicas de la formación de los ácidos son las siguientes: Óxidos de nitrógeno (NOx) N 2 + O 2 + calor 2NO 2NO + O 2 2NO 2 2NO 2 NO + O 4NO 2 + 2H 2 O + O 2 4HNO 3 Óxidos de azufre (SOx) 2SO 2 + O 2 + hv 2SO 3 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Dióxido de carbono CO 2 + H 2 O H 2 CO 3

6 La lluvia acidifica el suelo e inicia una serie de reacciones químicas entre los minerales, de tal forma que, se eliminan del suelo minerales que requieren las plantas para su crecimiento; se disminuye la capacidad de absorción de las raíces, se altera la fotosíntesis que efectúan las hojas, etc. La lluvia ácida también daña a los animales; a los mantos acuíferos a los inmuebles y monumentos que están construidos de roca caliza; etc. La escala IMECA (Indice Metropolitano de la Calidad del Aire) permite que la población conozca la calidad del aire en términos comprensibles. Si se exceden los 250 puntos IMECA se procede a aplicar medidas de Contingencia Ambiental.