Química de la atmósfera terrestre. Química Ambiental

Transcripción

1 Química de la atmósfera terrestre Química Ambiental

2 Atmósfera Es la capa de gas que rodea a un cuerpo celeste. La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea al planeta Tierra. La palabra atmósfera se deriva de las raíces griegas: atmós = vapor y sphair = esfera. Esta esfera de vapor está constituida por una mezcla de gases diferentes y partículas sólidas en suspensión, tales como polvos, sales, iones y hasta partículas nucleares en las regiones mas alejadas de la superficie terrestre.

3 Origen y evolución de la atmósfera La Tierra, en sus principios, no tenía una atmósfera gaseosa. La tierra era relativamente más pequeña y no tenía una gran fuerza de gravedad para retener los componentes gaseosos ligeros muy comunes en ese tiempo: Hidrógeno, Helio, entre otros. La tierra aumentó de tamaño y masa, y como consecuencia aumentó también su fuerza de gravedad y la capacidad de retener lo elementos gaseosos. La tierra fue suficientemente grande para retener una atmósfera.

4 Origen y evolución de la atmósfera Los gases nobles (Helio, He, Neón, Ne, Argón, Ar, Kriptón, Kr, y Xenón, Xe) fueron los primeros gases que existieron, los cuales se condensaron y formaron la tierra sólida. Estos gases deben haber estado presentes en considerables concentraciones; aunque durante el proceso de condensación la mayor parte de estos gases primarios se perdió, una parte al espacio abierto y otra parte para formar gases secundarios, tales como el Nitrógeno, N, el dióxido de Carbono y el vapor de agua. Las distintas concentraciones de los gases nobles sugieren que la atmósfera terrestre es una atmósfera secundaria.

5 Origen y evolución de la atmósfera La atmósfera secundaria: grandes cantidades de Nitrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono y con menores concentraciones de gases nobles Conforme la tierra se fue enfriando, el vapor de agua se fue condensando y precipitándose, formando los océanos; mientras que la mayor parte del dióxido de carbono formó rocas dejando libre el Nitrógeno para formar la atmósfera. El oxígeno es producido por la fotodisociación del vapor de agua (que a su vez proviene de los océanos).

6 Origen y evolución de la atmósfera El vapor de agua disociado, también produce hidrógeno, el cual por su peso ligero puede escapar fácilmente del campo gravitacional de la tierra, y perderse en el espacio exterior. El Oxígeno molecular, O2, por el contrario de mayor peso, permanece atrapado por el campo gravitacional y forma parte de los procesos de oxidación y de los procesos biológicos, tales como la respiración (consumo de O2) y la fotosíntesis (generación de O2) en la superficie terrestre. El Nitrógeno, por el contrario, proviene del interior de la tierra, principalmente a través de las erupciones volcánicas.

7 Origen y evolución de la atmósfera En los niveles atmosféricos superiores, la concentración de los gases menos pesados, tales como el Helio, y el Hidrógeno, se hace más importante. El oxido nitroso, N2O, y el metano, CH4, se originan de procesos orgánicos en la superficie terrestre. Los principales gases atmosféricos, tales como el Nitrógeno, el Oxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua, están regulados mediante los ciclos físico-químicos naturales, fuertemente influenciados por los procesos biológicos.

8 Origen y evolución de la atmósfera Al ir aumentando la concentración de Oxígeno molecular, en la atmósfera superior, absorbe radiación solar de muy alta energía, produciendo Ozono. Conforme la atmósfera fue evolucionando el Oxígeno y el Ozono fueron aumentando de concentración, pero también las distintas formas de vida fueron evolucionando. La atmósfera también ha influenciado la evolución de los continentes por medio de erosión. La atmósfera ha sido también importante en la evolución de los océanos, a través de los procesos de evaporación y precipitación.

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10 Composición de la atmósfera La composición de la atmósfera depende de: la forma en que el planeta y su atmósfera se originaron procesos físicos, químicos y biológicos que continuamente modifican los gases. Esto se puede llevar a cabo por medio de fenómenos tales como las erupciones volcánicas, que incrementan la concentración de gases en la atmósfera; mientras que las reacciones fotoquímicas entre la radiación solar y algunos gases, o simplemente el escape de los gases ligeros en el tope de la atmósfera, disminuyen las concentraciones de otros gases.

11 Composición de la atmósfera La composición química de la atmósfera empezó a ser estudiada en el siglo XVIII: Antoine Laurent Lavoisier ( ), la Ley de la Conservación de la Materia y descubrimiento de la composición del aire. Karl Wilhelm Scheele ( ), quién descubrió el Oxígeno en la atmósfera. Ambos científicos demostraron independientemente, que el aire está compuesto por una mezcla de gases con una proporción aproximada de 1/5 de Oxígeno y 4/5 de Nitrógeno.

12 Composición de la atmósfera Los primeros experimentos mostraron que la composición del aire seco y puro (es decir, sin vapor de agua, ni contaminantes) se mantiene constante y uniforme por abajo de los 80 km; es decir, la proporción relativa de cada componente varía uniformemente y se mantiene constante, esto significa que existe una considerable mezcla vertical, contrarrestando la tendencia natural de los componentes a separarse debido al efecto gravitacional.

13 Composición de la atmósfera Por arriba de los 80 km los procesos de mezcla en la atmósfera son muy pequeños, por lo que la difusión molecular domina en la distribución individual de los gases; de tal manera que los gases más pesados permanecen en niveles bajos, mientras que la concentración de gases ligeros tiende a ser más importante en niveles superiores.

14 Composición de la atmósfera La atmósfera es una mezcla de tres tipos de gaseosos: Gases permanentes Gases variables Componentes no gaseosos constituyentes

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16 Composición de la atmósfera: Gases permanentes El Nitrógeno molecular, N2, y el Oxígeno molecular, O2, forman el 99 % del volumen de la atmósfera. Estos gases son pasivos en los procesos meteorológicos, aunque el Oxígeno puede reaccionar químicamente con otros componentes o con la radiación solar, pero siempre manteniendo su proporción permanentemente. Aunque estos dos gases son los de mayor concentración en la atmósfera y el oxígeno es particularmente importante en todos los procesos biológicos, ninguno de estos gases es significativamente importante en el estudio de los fenómenos meteorológicos y climáticos.

17 Composición de la atmósfera: Gases variables Existen principalmente tres gases atmosféricos que tienen una gran importancia en los distintos procesos meteorológicos: vapor de agua dióxido de carbono ozono.

18 Composición de la atmósfera Gases variables: agua La principal fuente del vapor de agua es el océano y todos los grandes cuerpos de agua en la superficie terrestre, así como la flora y la fauna, a través del proceso de evapotranspiración. La importancia: relación directa con todos los procesos meteorológicos, con la absorción de radiación infrarroja y con el balance de calor en la atmósfera. La cantidad de vapor de agua varía considerablemente de región a región, dependiendo principalmente de su cercanía a las zonas de mayor evaporación y donde la atmósfera tiene una mayor capacidad de retención de la humedad. Ya que toda el agua proviene de la superficie terrestre, la concentración de esta decrece rápidamente con la altura.

19 Composición de la atmósfera Gases variables: agua A diferencia de los otros constituyentes, el H2O puede cambiar de estado y convertirse de vapor a líquido, formándose las gotas de lluvia y precipitarse de regreso a la superficie terrestre, siendo esta la principal causa por la que la concentración de vapor de agua disminuye drásticamente con la altura. El vapor de agua tiene una concentración máxima del orden del 4 % del volumen total de aire, cerca de la superficie de la tierra, pero es prácticamente nulo por arriba de los 15 km.

20 Composición de la atmósfera Gases variables: dióxido de carbono También absorbe radiación infrarroja terrestre. Su principal fuente es el océano, que almacena una gran cantidad, se relaciona directamente con las principales actividades humanas, tales como la combustión de hidrocarburos por la industria y la respiración, así como con la flora, en el proceso de la fotosíntesis. En el ciclo de carbono, el dióxido de carbono es el componente más importante debido a su estabilidad y a su distribución en los tres medios (aire, agua y sólido) terrestres.

21 Composición de la atmósfera Gases variables: dióxido de carbono El gas de CO2 es continuamente transferido de la atmósfera a la biosfera por el proceso de la fotosíntesis y transferido a la atmósfera por medio de la oxigenación de los compuestos y fósiles orgánicos y por la respiración de los seres vivos. El CO2 se comunica entre la atmósfera y la hidrosfera por medio del intercambio molecular en la interfase mar-aire.

22 Composición de la atmósfera Gases variables: dióxido de carbono La importancia del CO2 en la concentración y composición de la atmósfera se hace evidente en: Los distintos procesos de oxidación Su participación en la fotosíntesis Su alta solubilidad en los océanos Su rápida difusión en la atmósfera.

23 Composición de la atmósfera Gases variables: ozono Es una molécula compuesta por tres átomos de Oxígeno. El O3 se forma en la atmósfera al disociarse el Oxígeno molecular por la radiación ultravioleta en altitudes entre 20 y 70 km, con su máxima concentración en la vecindad de 20 a 30 km, en la estratosfera, y está directamente relacionada con el aumento de la temperatura en la estratopausa, a los 50 km de altura aproximadamente.

24 Composición de la atmósfera Gases variables: ozono La principal importancia de este constituyente radica en su función protectora de radiación solar ultravioleta. La concentración y existencia de estos gases variables depende fuertemente de los procesos térmicos y dinámicos de escala local, así como de las distintas actividades humanas.

25 Composición de la atmósfera Componentes no gaseosos En la atmósfera también se encuentra un gran número de componentes no gaseosos, conocidos como aerosoles, tales como las partículas volcánicas, polvos, humos, sales, etc. Las concentraciones de estos componentes pueden variar grandemente, como por ejemplo, cuando ocurre una erupción volcánica cubriendo una gran extensión de la atmósfera o sobre las ciudades industriales en que se emiten distintos contaminantes. Todos estos constituyentes tienen un efecto importante en la composición atmosférica.

26 Composición de la atmósfera Componentes no gaseosos Los aerosoles pueden ser sólidos o líquidos y son muy importantes en distintos procesos atmosféricos, tales como la formación de nubes, la precipitación la visibilidad y el balance de calor. Las principales fuentes de emisión de aerosoles son las erupciones volcánicas, la erosión de la superficie terrestre, la contaminación industrial y la evaporación de los océanos que transporta sales a la atmósfera.

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28 Composición de la atmósfera Se considera que la atmósfera, compuesta de aire seco y limpio, tiene principalmente los siguientes elementos : Nitrógeno (78.08 %), Oxígeno (20.95 %), Argón (0.93 %), dióxido de Carbono (0.03 %) y gases neutros (0.01 %). Además, en condiciones normales, el aire contiene también otros componentes tales como agua (vapor, líquido, sólido), polvos, humos, granos de polen, contaminantes químicos, sales y distintos aerosoles que flotan o están suspendidos en la atmósfera.

29 Composición de la atmósfera Estos componentes, que son altamente variables en tiempo y espacio, tienen una función muy importante en los procesos meteorológicos, particularmente el agua, los aerosoles y los contaminantes químicos, que son partículas higroscópicas, y pueden servir como núcleos de condensación, en los que se aglomeran moléculas de vapor de agua para formar gotas y finalmente sistemas de nubes.

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32 Variación en la altura de la composición de la atmósfera La composición gaseosa de la atmósfera depende principalmente de la fuerza de gravedad del planeta; de tal manera que, mientras mayor sea la fuerza de gravedad, los gases ligeros serán retenidos más fácilmente; mientras que a menor fuerza de gravedad, solo los elementos mas pesados podrán ser retenidos en el campo gravitacional del planeta y formar la atmósfera. Este concepto está representado por la velocidad de escape, ve, requerida por las moléculas para liberarse del efecto gravitacional del planeta.

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34 Variación en la altura de la composición de la atmósfera La atmósfera terrestre se encuentra en un estado de balance hidrostático; de tal manera que las componentes atmosféricas más abundantes, tales como el N2 y O2 tienen una variación exponencial en función de la altura y la temperatura. Por el contrario, los gases de menor concentración proporcional, tales como el CO2, el H2O, el O3 y el CH4, dependerán de las fuentes que los producen y de los procesos dinámicos y termodinámicos de la atmósfera, en consecuencia su distribución vertical será muy variable.

35 Variación en la altura de la composición de la atmósfera El vapor de agua y el ozono son quizás los componentes que más sufren variaciones con la altura. Ambos son muy importantes en la absorción de radiación terrestre y solar, respectivamente, y contribuyen al balance de energía en el sistema terrestre

36 Divisiones de la atmósfera terrestre Según la composición y la variación de temperatura la atmósfera terrestre se divide en varias capas: Troposfera Estratosfera Mesosfera Termosfera o ionosfera

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38 Troposfera Es la capa más delgada de la atmósfera (10 km) Los fenómenos que influyen en el clima, como la lluvia, las tormentas eléctricas o los huracanes. La temperatura disminuye casi linealmente con el incremento en la altitud.

39 Estratosfera Compuesta por nitrógeno, oxígeno y ozono. La temperatura del aire aumenta con la altitud. Este efecto de calentamiento se debe a las reacciones exotérmicas provocadas por la radiación UV del Sol. El ozono (O3) es uno de los productos de esta secuencia de reacciones. El ozono tiene la función de prevenir que los nocivos rayos UV lleguen a la superficie de la Tierra.

40 Mesosfera La concentración de ozono y otros gases es baja. La temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud.

41 Termosfera o ionosfera Es la capa más externa de la atmósfera. El aumento de temperatura en esta región se debe al bombardeo de nitrógeno y oxígeno moleculares y de especies atómicas por partículas energéticas, como los electrones y protones, provenientes del Sol.

42 Reacciones de la atmósfera

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50 El óxido nítrico NO El óxido nítrico (NO), el óxido de nitrógeno más sencillo, es una molécula con número impar de electrones, y por tanto es paramagnética. El NO es un gas incoloro (punto de ebullición de 152 C) que puede prepararse en el laboratorio haciendo reaccionar nitrito de sodio (NaNO2) con un agente reductor como el Fe2+ en un medio ácido.

51 El óxido nítrico NO Entre las fuentes ambientales del óxido nítrico se encuentran la ignición de combustibles fósiles que contienen compuestos de nitrógeno y la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno en el interior de un motor de automóvil a altas temperaturas N2(g) + O2(g) 2NO(g). Los relámpagos también contribuyen a la concentración atmosférica del NO. El óxido nítrico expuesto al aire forma con rapidez un gas color café de dióxido de nitrógeno: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) El dióxido de nitrógeno es un componente principal de la contaminación atmosférica.

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94 Contaminación atmosférica Es la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que implique trastornos o riesgos para la salud de las personas y de los demás seres vivos, provienen de cualquier naturaleza, pueden atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos materiales, y no a otras alteraciones inocuas. Los contaminantes atmosféricos pueden clasificarse como: primarios o secundarios.

95 Contaminantes atmosféricos primarios Son los contaminantes que se emiten directamente a la atmósfera como el dióxido de azufre SO2, que daña directamente la vegetación y es irritante para los pulmones.

96 Contaminantes atmosféricos secundarios Son aquellos contaminantes que se forman mediante procesos químicos atmosféricos que actúan sobre los contaminantes primarios o sobre especies no contaminantes en la atmósfera. Son importantes contaminantes secundarios el ácido sulfúrico, H2SO4, que se forma por la oxidación del SO2, el dióxido de nitrógeno NO2, que se forma al oxidarse el contaminante primario NO y el ozono, O3, que se forma a partir del oxígeno O2.

97 Contaminantes del aire En ambientes exteriores e interiores los vapores y contaminantes gaseosos aparece en diferentes concentraciones. Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos pero la principal fuente artificial es la quema de combustible fósil. La contaminación del aire interior es producida por el consumo de tabaco, el uso de ciertos materiales de construcción, productos de limpieza y muebles del hogar.

98 Contaminación del aire Los contaminantes gaseosos del aire provienen de volcanes, e industrias. El tipo más comúnmente reconocido de contaminación del aire es la niebla tóxica (smog). La niebla tóxica generalmente se refiere a una condición producida por la acción de la luz solar sobre los gases de escape de automotores y fábricas.

99 Contaminantes del aire Los contaminantes gaseosos más comunes son: El dióxido de carbono El monóxido de carbono Los hidrocarburos Los óxidos de nitrógeno Los óxidos de azufre El ozono

100 Gases contaminantes de la atmósfera: CFC Desde los años 1960, se ha demostrado que los clorofluorocarbonos (CFC, también llamados "freones") tienen efectos potencialmente negativos: contribuyen de manera muy importante a la destrucción de la capa de ozono en la estratosfera, así como a incrementar el efecto invernadero. El protocolo de Montreal puso fin a la producción de la gran mayoría de estos productos.

101 Gases contaminantes de la atmósfera: CFC Utilizados en los sistemas de refrigeración y de climatización por su fuerte poder conductor, son liberados a la atmósfera en el momento de la destrucción de los aparatos viejos. Utilizados como propelente en los aerosoles, una parte se libera en cada utilización. Los aerosoles utilizan de ahora en adelante otros gases sustitutivos, como el CO2.

102 Gases contaminantes: CO Llamado anhídrido carbonoso (sistema clásico), óxido de carbono (II) (sistema stock) o monóxido de carbono (sistema estequiométrico). Es uno de los productos de la combustión incompleta. Es peligroso para las personas y los animales, puesto que se fija en la hemoglobina de la sangre, impidiendo el transporte de oxígeno en el organismo. Además, es inodoro, y a la hora de sentir un ligero dolor de cabeza ya es demasiado tarde. Se diluye muy fácilmente en el aire ambiental, pero en un medio cerrado, su concentración lo hace muy tóxico, incluso mortal.

103 Gases contaminantes: CO Cada año, aparecen varios casos de intoxicación mortal, a causa de aparatos de combustión puestos en funcionamiento en una habitación mal ventilada. Los motores de combustión interna de los automóviles emiten monóxido de carbono a la atmósfera por lo que en las áreas muy urbanizadas tiende a haber una concentración excesiva de este gas hasta llegar a concentraciones de ppm, tasas que son peligrosas para la salud de las personas.

104 Gases contaminantes: CO2 Llamado anhídrido carbónico (sistema clásico), óxido de carbono (IV) (sistema stock), dióxido de carbono (sistema estequiométrico). La concentración de CO2 en la atmósfera está aumentando de forma constante debido al uso de carburantes fósiles como fuente de energía y es teóricamente posible demostrar que este hecho es el causante de producir un incremento de la temperatura de la Tierra - efecto invernadero-.

105 Gases contaminantes:co2 La amplitud con que este efecto puede cambiar el clima mundial depende de los datos empleados en un modelo teórico, de manera que hay modelos que predicen cambios rápidos y desastrosos del clima y otros que señalan efectos climáticos limitados. La reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera permitiría que el ciclo total del carbono alcanzara el equilibrio a través de los grandes sumideros de carbono como son el océano profundo y los sedimentos.

106 Gases contaminantes: NO Llamado óxido nítrico (sistema clásico), óxido de nitrógeno (II) (sistema stock) o monóxido de nitrógeno (sistema estequiométrico). Es un gas incoloro y poco soluble en agua que se produce por la quema de combustibles fósiles en el transporte y la industria. Se oxida muy rápidamente convirtiéndose en dióxido de nitrógeno, NO2, y posteriormente en ácido nítrico, HNO3, produciendo así lluvia ácida.

107 Gases contaminantes: SO2 Llamado anhídrido sulfuroso (sistema clásico), óxido de azufre (IV) (sistema stock), dióxido de azufre (sistema estequiométrico). La principal fuente de emisión de dióxido de azufre a la atmósfera es la combustión del carbón que contiene azufre. El SO2 resultante de la combustión del azufre se oxida y forma ácido sulfúrico, H2SO4 un componente de la llamada lluvia ácida que es nocivo para las plantas, provocando manchas donde las gotas del ácido entra en contacto con las hojas.

108 Gases contaminantes: SO2 La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con el óxidos de nitrógeno o el dióxido de azufre emitido por fábricas, centrales eléctricas y automotores que queman carbón o aceite. Esta combinación química de gases con el vapor de agua forma el ácido sulfúrico y los ácidos nítricos, sustancias que caen en el suelo en forma de precipitación o lluvia ácida.

109 Gases contaminantes: SO2 Los contaminantes que pueden formar la lluvia ácida pueden recorrer grandes distancias, y los vientos los trasladan miles de kilómetros antes de precipitarse con el rocío, la llovizna, o lluvia, el granizo, la nieve o la niebla normales del lugar, que se vuelven ácidos al combinarse con dichos gases residuales. El SO2 también ataca a los materiales de construcción que suelen estar formados por minerales carbonatados, como la piedra caliza o el mármol, formando sustancias solubles en el agua y afectando a la integridad y la vida de los edificios o esculturas.

110 Gases contaminantes: CH4 Metano Gas que se forma cuando la materia orgánica se descompone en condiciones en que hay escasez de oxígeno; esto es lo que ocurre en las ciénagas, en los pantanos y en los arrozales de los países húmedos tropicales. También se produce en los procesos de la digestión y deposición (eyección de desechos) de los animales herbívoros. El metano es un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global del planeta Tierra ya que aumenta la capacidad de retención del calor por la atmósfera.

111 Gases contaminantes: O3 Ozono Es un constituyente natural de la atmósfera, pero cuando su concentración es superior a la normal se considera como un gas contaminante. Su concentración a nivel del mar, puede oscilar alrededor de 0.01 mg/kg. Cuando la contaminación debida a los gases de escape de los automóviles es elevada y la radiación solar es intensa, el nivel de ozono aumenta y puede llegar hasta 0.1 mg/kg.

112 Gases contaminantes: O3 Las plantas pueden ser afectadas en su desarrollo por concentraciones pequeñas de ozono. El hombre también resulta afectado por el ozono a concentraciones entre 0.05 y 0.1 mg/kg, causando irritación de las fosas nasales y garganta, así como sequedad de las mucosas de las vías respiratorias superiores.

113 Algunos contaminantes provienen de fuentes naturales

114 Química de la atmósfera terrestre Química Ambiental