Acidez y ph Conocimiento del problema de la lluvia ácida Lluvia ácida. Dispersión. Reacciones químicas. Origen de los reactivos. Alcances geográficos y efectos. Grande Lagos de Norteamérica, Selva Negra de Alemania y monumentos de mármol en Roma. Concientización mundial del problema Tecnologías aplicables para evitar la lluvia ácida Resumen 2
Un átomo de hidrógeno es un protón con un electrón orbitando. Un ion hidronio es una molécula de agua (H2O) ionizada con un protón; es decir químicamente es H3O+ En términos químicos, la acidez se define como la concentración de iones hidronio en una dada solución. A mayor concentración (cantidad por unidad de volumen) de iones hidronio, mayor acidez. 3
El agua pura tiene una concentración de iones hidronio equivalente a 10-7 moles/litro (1 mol = 6,02 10 23 moléculas) El ph (potencial de hidrógeno) se define como el negativo del logaritmo de la concentración. El ph del agua pura es entonces 7. A mayor concentración se tiene menor ph, siendo ácidas las soluciones con ph < 7 y alcalinas las que tienen ph > 7 Una solución con ph 4 es 10 veces más ácida que una solución con ph 5; pues tendrá 10 veces más concentración de iones hidronio. 4
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Los efectos corrosivos del dióxido de sulfuro (SO2) disuelto en la lluvia se comprenden desde por lo menos un siglo atrás. Robert Angus Smith, químico inglés del siglo XIX, fue pionero estudiando el fenómeno en Inglaterra, Escocia y Alemania: Descubrió que la acidez de la lluvia era debida principalmente a su contenido sulfúrico Demostró que la quema de carbón, los vientos, las frecuencias y cantidades de precipitación, la proximidad a las costas y la descomposición de materias orgánicas afectaban la concentración de sulfatos en la lluvia. En 1968, el científico sueco Svante Oden demostró que debido a las trayectorias de las masas de aire y las frecuencias e intensidades de precipitaciones, los compuestos sulfurados y nitrogenados pueden transportarse distancias de hasta 2000 km, convirtiendo el problema en regional. 6
La deposición ácida es la precipitación desde la atmósfera de sustancias ácidas sobre la superficie terrestre. Involucra todo tipo de precipitaciones; es decir lluvia, nieve, niebla, etc. También puede ocurrir como deposición seca, sin que medie el agua, es decir como gases o partículas. El término científico correcto es deposición ácida y no lluvia ácida. Como las fuentes de los gases pueden estar a cientos de kilómetros de donde ocurre la lluvia ácida, el fenómeno no es solo local sino también regional; pero no llega a la escala global. 7
Los ácidos disueltos en el agua de lluvia se distribuyen a través de ríos y lagos, y mediante la percolación en suelo y las escorrentías. Escorrentía Percolación 8
El agua de lluvia es por naturaleza levemente ácida, con un ph de aproximadamente 5,6. Agua Dióxido de carbono Ácido carbónico H2O + CO2 H2CO3 La actividad del hombre ha incrementado su acidez: en zonas industriales el ph de lluvia ronda el valor 4, habiéndose detectado valores de hasta 2,6. 9
La mayor contribución a la deposición ácida proviene de los óxidos de sulfuro; principalmente dióxido de sulfuro y en menor medida los óxidos de nitrógeno, principalmente dióxido de nitrógeno y óxido nítrico (NOx) Dióxido de azufre Ácido sulfúrico óxido nítrico 2 SO2 + O2 + 2 H2O 2 H2SO4 NO + NO2 + O2 + H2O 2 HNO3 Dióxido de nitrógeno Ácido nítrico 10
H2SO4 HNO3 H+ H+ SO4-- Factor corrosivo H+ NO3-11
La principal fuente de óxidos de azufre y nitrógeno es la quema de combustibles fósiles, principalmente petróleo y carbón. Los combustibles fósiles contienen compuestos azufrados y nitrogenados, que provienen de su origen orgánico. El azufre y el nitrógeno son esenciales en la estructura de las proteínas; de ahí que los fósiles contengan estos elementos químicos. 12
En la quema de combustibles se producen reacciones químicas que forman los óxidos de azufre y nitrógeno. El azufre proviene principalmente de los fósiles mientras que el nitrógeno del aire atmosférico. Los óxidos de azufre pueden también ser de origen natural, por ejemplo volcánico, incendios forestales, etc. Sin embargo, la relación entre óxidos de azufre de origen antropogénico y de origen natural es 3:1. Análogamente, para óxidos de nitrógeno la relación es 7:1 13
Corrosión atmosférica Acidificación y corrosión del suelo Visibilidad reducida Acidificación de napas subterráneas de agua Deposición ácida Daños a plantas y crecimiento reducido de bosques Acidificación de lagos y ríos Daños a la salud 14
Mediciones de acidez en las precipitaciones de EEUU, efectuadas por el Programa Nacional de Deposición Atmosférica de EEUU. Año 2006. 15
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En algunas regiones el suelo contiene mucho granito dificultando así la degradación de los ácidos. La deposición de los ácidos agota los cationes Ca 2+, Mg 2+ y K + necesarios para los árboles, a la vez que incrementa la liberación de iones de aluminio (Al3+), los cuales ingresan a los árboles causándoles su muerte. Bavaria, Alemania. Bosque de elevada altitud dañado por lluvia ácida. Este fenómeno dio significado al nombre de Selva Negra. Foto por Spitzbergler (AccuWeather) 19
Grandes Lagos - Noreste de EEUU/ Sureste de Canadá El fondo de los lagos contiene piedra caliza, la cual no neutraliza fácilmente los ácidos. El aluminio liberado por los ácidos en el bentos causa la muerte de peces El zooplancton es el grupo de organismos más afectado 20
Estas estatuas están hechas de mármol, un tipo de piedra caliza compuesta principalmente de carbonato de calcio (CaCO3). Donde primero se estudio fue en Roma. Las piedras calizas lentamente se disuelven en presencia de H + (protones) según la reacción: CaCO3 (s) + 2 H + (ac.) Ca 2+ (ac.) + CO2 (g) + H2O 21
No es un problema grave, al menos a nivel regional. A nivel local las papeleras o pasteras liberan dióxido de azufre (SO2) y otros compuestos a la atmósfera; y podrían estar afectadas las personas vecinas a esas plantas industriales. Alto Paraná S.A. utilizaba gas hasta hace un tiempo para generar electricidad, pero actualmente utiliza fueloil proveniente de Venezuela, el cual está contaminado con azufre, pues no fue tratado para su eliminación. 22
En 1972 la Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD) inauguró un Programa Técnico Cooperativo para Medir el Transporte de Polutos por Aire a Largas Distancias firmado por once países europeos. (Argentina no es miembro). En 1972 la Conferencia de Naciones Unidas sobre el Desarrollo Humano en Estocolmo marcó el inicio de la cooperación internacional para combatir la acidificación del planeta. En 1979 se publicaron los resultados del Programa de la OECD; que en otros aspectos mencionaba que una parte sustancial de las emisiones de dióxido de azufre (SO2) era transportada por aire a cientos de kilómetros de su origen, llegando hasta otros países. Las emisiones provenientes del Reino Unido afectaban así a los lagos escandinavos y las provenientes de la República Federal Alemana a Austria. 23
En 1979 se firma la Convención sobre la Polución Transfronteriza por Aire a Largas Distancias. Originalmente lo firman 32 países europeos, la misma UE, EEUU y Canadá. Hoy son 51 países los signatarios. Al principio tanto el Reino Unido como Alemania se oponen a reducir la emisiones de estos polutos. Pero Alemania cambia de opinión cuando se descubre que parte de su riqueza forestal (Selva Negra) esta siendo dañada por emisiones provenientes del Reino Unido: Los países se comprometen a través de la Convención a: Limitar y reducir en forma gradual tanto como sea posible la polución del aire. A través del intercambio de información, investigación y monitoreo, desarrollar sin más demora políticas y estrategias para combatir las emisiones de polutos, prioritariamente de origen sulfúrico. En 1985 se adiciona un Protocolo a dicha Convención estableciéndose que las emisiones de sulfúricos deberán reducirse en al menos un 30% a más tardar en 1993; que firman 21 países. Reino Unido, Polonia, Grecia y Portugal no lo firman. 24
Limpiado del carbón: el peso específico del carbón es menor que el de los compuestos sulfurados. Se los puede separar lavándolos en medio acuoso, precipitando los compuestos sulfurados. Hidrodesulfurización del gas y productos refinados de petróleo como fuel oil, kerosene, etc.: es un proceso de catálisis química donde se forma ácido sulfhídrico H2S, que luego es capturado y convertido a ácido sulfúrico (H2SO4) que se comercia. 25
Hasta 1970 existía la técnica de neutralizar la carga con cátodos y ánodos. El dióxido de azufre (SO2) no tiene carga y por lo tanto no era retenido con esta tecnología, si bien hasta el 96% de las partículas eran retenidas. + - - + - + 26
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El ph es una medida de la concentración de protones (H+) o iones hidronio (H3O+) en una solución. El ph se mide de 0 a 14, siendo ph = 7 el ph neutro, correspondiente al agua en su estado puro ph < 7 corresponde a una solución ácida ph > 7 corresponde a una solución alcalina 28
Los compuestos causantes del fenómeno son los óxidos de azufre y de nitrógeno, provenientes principalmente de la quema de combustibles fósiles. Estos compuestos pueden ser transportados cientos de kilómetros, convirtiéndose en un problema regional. Reaccionan con oxígeno (O2) y agua (H2O) para formar ácidos sulfúrico y nítrico principal y respectivamente. 29
Contaminación de aguas dulces (por ejemplo, Grandes Lagos de Norteamérica) con impacto directo en la vida animal e indirecto a través de la liberación de iones Al3+ desde el fondo de las aguas (bentos). Contaminación del suelo con impacto en la vida vegetal (por ejemplo, Selva Negra, Alemania) por liberación de iones Al3+ provenientes de rocas. Deterioro de monumentos de mármol por acción corrosiva de los ácidos (por ejemplo, en Roma). 30
En 1985 21 países firman un Protocolo con el compromiso de reducir un 30% la emisión de óxidos de azufre para 1993. El Reino Unido, uno de los principales contaminantes, no firma. 31
Pre-combustión: Eliminación de óxidos de azufre por diferencia de peso con el carbón Catálisis química con formación de ácido sulfúrico Post-combustión: utilización de vapores de agua con polvo de piedra caliza que reacciona con los óxidos de azufre, y así precipitan estos últimos. 32