El Aire

Profesora Glenda Torres P.
Química
LA ATMÓSFERA
La atmósfera terrestre es una mezcla de gases que cubre nuestro planeta y está
sostenida por la fuerza de gravedad; esta fuerza es la que hace que los gases no
se pierdan en el universo. La atmósfera nos protege de agentes externos tales
como meteoritos, radiaciones peligrosas que provienen del sol, temperaturas
extremas, etc. Formar nuestra atmósfera fue un proceso que llevó unos 4.500
millones de años.
La atmósfera se divide en cinco
capas de distinto: espesor,
composición, temperatura y
presión,
y
estas
son:
troposfera,
estratosfera,
mesosfera,
ionosfera
y
exosfera, nombradas a medida
que se alejan de la tierra.
Las capas de la atmósfera
a) La Troposfera es la capa más cercana a la superficie de la tierra, en los
primeros 12 Km. contiene el 90% de los gases atmosféricos y la temperatura
disminuye 5,5 °C por cada mil metros de altura, sobre el nivel del mar a
1
medida que aumenta la altitud. En esta capa se producen todos los fenómenos
climáticos, tales como: la formación de nubes, lluvia, viento, tormentas
eléctricas, etc. Y la mayor parte de los fenómenos biológicos, tales como: vuelo
de los pájaros e insectos, dispersión de semillas y polen. Su espesor varía con
la latitud, siendo máximo en el Ecuador (16 Km.) y mínimo en los Polos (8
Km.).
b) La Estratosfera, se extiende desde los 12 hasta los 55 Km. sobre la
superficie terrestre. En ella se distinguen dos capas, una de 12 a 25 Km. en la
cual la temperatura permanece constante alrededor de – 50 °C y otra de 25 a
55 Km. donde la temperatura aumenta hasta los 6 °C, en esta capa la
temperatura aumenta con la altitud, esto debido en parte a reacciones
exotérmicas entre los átomos de la tenue atmósfera y los rayos ultra violeta
procedentes del Sol, éstas reacciones producen la capa de ozono. Aquí se ubica
la capa de ozono y se realiza el tránsito aéreo.
c) La mesosfera, se extiende desde los 55 hasta los 80 Km., la temperatura
disminuye en forma continua hasta los – 93 °C, es una porción de atmósfera
muy tenue, con bajísima densidad, en ella los meteoritos adquieren altas
temperaturas y la gran mayoría se volatiliza y consume. Por ella viajan los
globos sonda.
d) La Termosfera o ionosfera, se extiende desde los 80 a los 500 Km., acá la
temperatura aumenta gradualmente hasta los 1200 °C. La radiación
electromagnética del sol ioniza los gases atmosféricos, produciéndose
disociación de moléculas en átomos, ionización de átomos en iones positivos y
electrones libres. Un fenómeno asociado a la ionosfera es la “aurora boreal”.
e) La exosfera es la capa más externa de la atmósfera a partir de los 500 Km.
hasta unos 1000 Km. y es el límite entre la atmósfera y el espacio
interplanetario. Está formada por una capa de Helio y otra de Hidrógeno, más
allá se extiende una enorme banda de radiaciones.
Componentes del aire
El aire es un fluido transparente, incoloro e inodoro, buen aislante térmico y
eléctrico. El aire es una mezcla gaseosa sin olor y sin color ni sabor, que llena los
pulmones del hombre y muchos animales cada vez que respira.
Una persona adulta inhala entre 13.000 a 15.000 litros de aire por día.
Gas
Composición porcentual de
aire seco
Dependiendo de la ubicación
geográfica, se encuentran otros
compuestos a nivel de trazas, tales
como: Hidrógeno (H2), Monóxido
de dinitrógeno (N2O), Xenón (Xe),
Nitrógeno (N2)
Oxigeno (O2)
Argón (Ar)
Anhídrido Carbónico (CO2)
Neón (Ne)
Helio (He)
Metano (CH4)
Kriptón (Kr)
Composición
% en volumen
78.03
20.99
0.94
0.033
0.0015
0.000524
0.0002
0.00014
2
Ozono (O3), Dióxido de Azufre (SO2) Dióxido de Nitrógeno (NO2), Amoníaco (NH3),
Monóxido de Carbono (CO), Iodo (I2), etc.
Normalmente el aire no está seco, contiene H2O, en sus tres estados físicos, en
cantidades que van desde trazas hasta un 4 % en volumen como máximo.
Variando con la ubicación geográfica (zonas desérticas con 0 %, hasta zonas
tropicales), con la estación del año (primavera, verano, otoño o invierno), altura y
posición sobre la tierra, día o noche, etc. En el ciclo hidrológico, el agua influye
fuertemente en la generación de diversos fenómenos meteorológicos y
características del clima.
La descripción normal del contenido de vapor de agua en el aire es a través de la
Humedad Relativa del aire.
Ejemplo
Si la presión parcial de vapor de agua en el aire a 25 °C es 12,2 mmHg, la
humedad relativa del aire es comparada con la presión del vapor de agua a esa
temperatura (23,8 mmHg), valor sacado de tablas:
Humedad relativa = Presión parcial de vapor de agua x100 = 12,2 mmHg x 100 = 51,3%
Presión de vapor de agua
23,8 mmHg
Otro componente siempre presente en el aire y en cantidad variable es el Polvo
Atmosférico, constituido por: Humo, sal (zonas costeras), arena fina (desierto
y viento), cenizas, esporas, polen (primavera), microorganismos, etc.
CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES QUE
FORMAN LA ATMÓSFERA
1. El Nitrógeno, N2 ,
Es una molécula diatómica, incolora e insípida, poco reactiva (forma óxidos sólo a
alta temperatura), no es tóxico y es el componente mayoritario del aire, 78,03 %.
Como es un gas bastante inerte se usa en ambientes en que sea peligroso o
indeseable la presencia de oxígeno (por ejemplo: producción de reactivos
químicos, tratamiento de metales y componentes electrónicos, etc.).
El nitrógeno se licua a –195 °C, propiedad que en medicina sirve para congelar
muestras biológicas y se pueden conservar órganos durante un período suficiente
como para que sean transportados a fin de realizar trasplantes. En la congelación
rápida de alimentos para: su conservación, control de maduración, exportación,
etc.
3
Criogenia: estudio y utilización de materiales a temperaturas muy bajas. El
término ‘criogenia’ se usa para las temperaturas inferiores a -150 °C (123 K). Las
temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos
volátiles o por la expansión de gases confinados a presiones de entre 150 a 200
atmósferas.
Los compuestos de Nitrógeno son componentes de alimentos, fertilizantes y
explosivos (nitroglicerina). También forma parte constituyente de las proteínas.
El nitrógeno se encuentra principalmente en la atmósfera y se obtiene por
licuación del aire. En la corteza terrestre su abundancia es sólo de 0.002 %,
proveniente de los minerales NaNO3 y KNO3 (Salitre). El nitrógeno va rotando en
la atmósfera a través del ciclo del nitrógeno.
La absorción de iones de nitrogenados por las plantas a través del suelo ocurre
por la acción de bacterias que asimilan el nitrógeno a través del aire y lo
convierten en proteínas. Los suelos pobres en nitrógeno se mejoran haciendo
plantaciones de leguminosas. Los animales se comen las plantas (las proteínas),
cuando mueren, se descomponen produciendo amoníaco (NH3) que por bacterias
desnitrificadoras lo convierten en nitrógeno (N2) y otros compuestos nitrogenados
reabsorbidos por las plantas.
Las tormentas eléctricas hacen que el nitrógeno (N2)
y el oxígeno (O2)
atmosféricos, se combinen formando óxidos de nitrógeno que con las lluvias
llegan al suelo.
4
2 . El Oxígeno, O2 ,
,
Es una molécula diatómica, incolora, inodora e insípida, muy
reactivo. Está presente en el aire en un 20.99 %. Forma
compuestos con todos los elementos excepto los gases nobles de
bajo peso atómico. En la atmósfera proviene de la fotosíntesis de las plantas
verdes y del plancton marino, y es necesario para la respiración de las plantas y
de los animales. Es poco soluble en agua (0.0057 % a 10 ºC), pero se incorpora
en cantidad suficiente como para sobrellevar la vida acuática. En la corteza
terrestre es el elemento más abundante, constituye un 45,5%.
El oxígeno es un oxidante fuerte de amplia utilización en la industria, por ejemplo,
se utiliza en el tratamiento de aguas negras, como agente blanqueador en la
industria del papel, en medicina: para superar déficit respiratorio, como agente
oxidante en sopletes, en la industria del acero, etc.
Superación
respiratorio
déficit Encendedor
Equipo para respiración
en buceo
Cuando el proceso de reacción de una sustancia con oxígeno ocurre lentamente y
el calor se disipa sin aumento de la temperatura, se denomina oxidación.
El oxígeno participa en todas las reacciones de combustión. Los compuestos
combustibles, reaccionan con el oxígeno (comburente), generando los
correspondientes óxidos con liberación de calor y /o luz.
La respiración es una combustión.
El procesamiento del azúcar en el organismo humano se
realiza para producir energía.
En la combustión de metano:
CH4(g) + 2 O2(g)
→
CO2(g)
+ 2 H2O(g)
Comburente: Él Oxígeno es el responsable de que ocurran las combustiones,
éste gas “alimenta” la reacción de combustión, la que, sin la presencia de Oxígeno
no puede existir.
Combustible: El metano puede arder o tener tendencia a ello, en presencia de
oxigeno y una chispa. Existen numerosos combustibles siendo los mas utilizados
los hidrocarburos provenientes del petróleo.
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Métodos de obtención del oxígeno
a) El aire: Se licua el aire, se destila fraccionadamente, proceso del cual se
obtiene primero el nitrógeno que hierve a – 196 °C, luego el Argón a –186 °C y el
oxígeno a los – 183 °C.
b) Del agua: Al hacer pasar una corriente eléctrica
a través de agua que contenga ácido o un electrolito,
ésta se descompone en O2 e H2.
c) De sus compuestos. En general los compuestos
oxigenados tienden a liberar O2 en forma total o
parcial cuando se calientan:
2 HgO
→
2 Hg + O2
2 BaO2
→
2 BaO + O2
3.
Los Gases Nobles
Los gases nobles son monoatómicos, incoloros, inodoros e
insípidos y muy poco reactivos. La atmósfera es la única fuente
que los contiene, excepto el Helio que además, algunas veces
se ha extraído de pozos de gas natural.
Nombre Z
A
Usos y características
Helio
He
Neón
Ne
Argón
Ar
Gas de flotación en globos de investigación atmosférica o
militares y zeppelines publicitarios. No es inflamable.
Es el 2do elemento más abundante del universo
La mezcla He + O2 es usada como mezcla respirable para
2
4.002 el buceo.
El helio se congela a los 0,95 K, en estado líquido es
usado en criogenia para mantener bajas temperaturas y
en la obtención de imanes potentes.
Es un superconductor
Descargas eléctricas a través de tubos cargados con
neón, producen luz de tonalidad rojo-anaranjado, y es
10 20.179 usado para fines publicitarios, indicadores de alto voltaje,
testigos luminosos, tubos de TV.
Es usado en criogenia, se congela a los 24,6 K.
El Argón no reacciona a altas temperaturas y presiones,
por lo cual es usado en lámparas incandescentes, ya que
18 39.948 no oxida los filamentos de Wolframio. En Soldaduras y
Oxicorte. Para atmósferas inertes en la obtención de
productos químicos.
6
Kriptón
kr
Xenón
Xe
Radón
Rn
Se usa en el llenado de lámparas eléctricas y aparatos
electrónicos de varios tipos. Por ejemplo, mezclas de
36 83.800 Kriptón-Argón en lámparas fluorescentes, iluminación de
aeropuertos, proyectores de cine, etc.
El láser de kriptón es útil en la cirugía de retina en el ojo.
Es usado en emisores de luz con características
bactericidas, tubos luminosos, estroboscopios y flashes
54 131.300 fotográficos, así como tubos fluorescentes con capacidad
de excitar el láser de rubí. Es no radiactivo y capaz de
formar compuestos.
Se genera a partir de la desintegración
radiactiva del Uranio a Radio, es
radiactivo, y es un gas que traspasa
86 (222) fácilmente el cuerpo a través de los
pulmones. Se deben airear los edificios
para evitar su acumulación.
Se usa en Medicina y en la predicción de terremotos.
4. El Anhídrido Carbónico, CO2
El anhídrido carbónico, CO2, es triatómico, incoloro, inodoro
y no es tóxico.
Cuando se está en una habitación en la cual estamos
consumiendo Oxígeno, O2, y liberando CO2, se puede
provocar asfixia, pero sólo por falta de Oxígeno.
Es producido por la combustión en presencia de exceso aire (oxígeno) de
cualquier tipo de compuesto que contenga Carbono (incendios de bosques,
combustión de parafina, bencina, azúcar, etc.) o por la respiración animal y
vegetal (la fotosíntesis) y es reciclado en el ciclo del Carbono.
El Ciclo del Carbono
El consumo de CO2 (g) es
extremadamente
endotérmico, la energía
necesaria procede de la
luz solar con ayuda de la
clorofila a través de la
fotosíntesis. El océano
participa en este ciclo
atrapando
el
aire
y
generando fotosíntesis en
su fitoplancton.
De
sus
aplicaciones
tenemos que un 50% del consumo de CO2 es usado como refrigerante en forma
7
de hielo seco, por ejemplo: para congelar, conservar y transportar alimentos y un
20 % en preparación de bebidas carbonatadas. Otras aplicaciones están en
sistemas de extinción de incendios, recuperación de Petróleo en campos
petrolíferos y por supuesto los principales consumidores son las plantas.
Los principales métodos de obtención industrial de CO2 son:
a) Descomposición de Piedra Caliza , CaCO3 , por calcinación a 900 °C
CaCO3 (s)
CO2 (g) + CaO
b) Reacción de Piedra Caliza ( CaCO3 ) con ácidos
CaCO3 (s) + 2 HCl
Carbonato de calcio
(ac)
2 CO2 (g) + CaCl2 (ac)
Ácido clorhídrico
+ 2 H2O
(l)
Cloruro de calcio
c) Combustión de cualquier tipo de Carbón o compuesto que lo contenga
C (s) +
O2 (g)
CO2 (g)
Carbón
CH4 (g)
+
2 O2 (g)
CO2(g) +
2 H2O
(g)
Metano
d) Subproducto de la Fermentación en la producción de etanol
C6H12O6 + fermento
2 CO2 + 2 C2H5OH(ac)
Glucosa
C6H12O6
Etanol
+ 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + ENERGÍA
Cuando tengo una combustión con baja concentración de Oxígeno se produce CO2
y CO.
4.5 El Monóxido de carbono, CO
Es un gas incoloro, inodoro, muy tóxico y peligroso. Su
toxicidad se debe a la formación de un compuesto muy
estable con la hemoglobina de la sangre, más estable que la
unión oxígeno con hemoglobina, con lo cual se impide el
transporte de O2 en el cuerpo y se produce envenenamiento. Su desintoxicación
es muy lenta y lo más apropiado es una transfusión de sangre.
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
La calidad del aire que inhalamos es importante para la salud de nuestros
pulmones ya que de ello depende la pureza de nuestra sangre, la capacidad de
nuestro organismo para sintetizar alimentos, la eliminación de los productos
8
tóxicos, la energía de nuestros músculos, la lucidez de nuestro cerebro y en
definitiva la duración y la calidad de nuestra vida.
La atmósfera ha ido variando su composición, tanto por fenómenos naturales
como por la intervención del hombre, producto del rápido avance tecnológico, uso
y explotación de combustibles fósiles, explotación de los recursos minerales de la
tierra, rápido crecimiento de la población humana y por ende deforestación,
menor calidad del agua y del aire.
El
estudio
de
la
contaminación nos permite
generar
parámetros
de
comparación entre
el aire
limpio y el contaminado.
Entre las causas naturales de
contaminación del aire se
pueden
mencionar:
emanaciones
volcánicas,
actividad
de
géiseres
y
partículas en suspensión.
1.
Los volcanes
De los volcanes emanan sólidos (nubes de cenizas),
líquidos y gases.
Los principales gases liberados a la atmósfera
son: Nitrógeno (N2), Anhídrido carbónico (CO2),
Cloruro de Hidrógeno (HCl), Sulfuro de Hidrogeno
(H2S) y Vapor de agua.
Se cree que el 75% del azufre del aire
proviene de las emanaciones volcánicas. El
sulfuro de hidrogeno liberado a la atmósfera
reacciona con oxigeno del aire para generar anhídrido sulfuroso según la siguiente
ecuación:
2 H2S(g) + 3 O2(g) → 2 SO2(g) + 2 H2O(g)
Parte de este SO2 reacciona
con el H2S:
2 H2S(g) + SO2 → 3 S(s) +
2 H2O(g)
2. Lluvia ácida
Otra
parte
de
este
anhídrido
sulfuroso
reacciona con oxigeno para
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generar anhídrido sulfúrico el que a su vez reacciona con agua para generar ácido
sulfúrico.
Existen grandes extensiones de bosques que se han perdido debido a la lluvia
ácida.
2 SO2
+
O2
Anhídrido sulfuroso
→
2 SO3
→→
2 SO3 + H2O
Anhídrido sulfúrico
→
H2SO4
Ácido sulfúrico
Los Geiser son otra forma de actividad volcánica atenuada, son verdaderos
volcanes de vapor de agua hirviendo y que además emanan gases que contienen
azufre.
Otros aportes a la lluvia ácida son los provenientes del uso de combustibles
fósiles, debido a la emisión de anhídridos de azufre y óxidos de nitrógeno, los
cuales reaccionan con la luz del sol, la humedad y el oxígeno atmosférico
produciendo ácidos sulfúrico y nítrico:
2 SO2
+
O2
Anhídrido sulfuroso
2 NO2
→
→→
2 SO3
2 SO3 + H2O
Anhídrido sulfúrico
+ H2O
HNO3
→
H2SO4
Ácido sulfúrico
+
Ácido Nítrico
HNO2
Ácido Nitroso
La lluvia normal también es levemente ácida, tiene un pH de 5,6:
Lluvia normal
CO2
+ H2O
→
H2CO3
PH = 5,6
Ácido carbónico
La lluvia en zonas industriales puede llegar a valores muy ácidos, aprox. pH 2,5,
el cuál es mucho más ácido de lo normal y hace variar el pH del agua en ríos y
lagos, afectando la vida acuática, en suelos: dañando y hasta matando los
cultivos, y en edificaciones la acidez reacciona con los agentes básicos de las
estructuras, destruyendo monumentos, edificios y corroyendo los metales.
3. SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN
Los sólidos en suspensión aportan bastantes
problemas a la contaminación del aire ya que
estas partículas actúan como catalizadores en
reacciones
fotoquímicas,
aumentando
la
velocidad
de
formación
de
algunos
contaminantes. Estas partículas en suspensión
provienen de los vehículos motorizados, quema
de carbón y actividades industriales y
agrícolas.
4. CONTAMINACIÓN INDUSTRIAL
Es producto de los procesos de combustión de algunas industrias, sus principales
contaminantes son: SO2, ceniza, hollín y compuestos orgánicos volátiles.
Las lluvias ácidas ocurren principalmente en las grandes ciudades, especialmente
por la contaminación que producen los vehículos motorizados, las industrias y
10
los centros mineros. Las masas de aire contaminadas se desplazan a otros
lugares, generando también en esos ambientes las llamadas "lluvias ácidas".
En Chile, en 1995, en la comuna de Lo Espejo hubo un incendio en una industria
química, que dio origen a un hongo de humo negro por varias horas y causó
alarma en la población. Si bien se han hecho investigaciones y seguimientos a los
vecinos de dicha industria, no se ha comprobado daño. Sin embargo, ese episodio
desencadenó una toma de conciencia importante en la población y en las
autoridades chilenas respecto a los accidentes tóxicos, su prevención y
reparación.
5. CONTAMINACIÓN FOTOQUÍMICA
El smog fotoquímico, se forma cuando la
mezcla de óxidos de nitrógeno e
hidrocarburos volátiles emitida por los
automóviles y el oxígeno atmosférico
reaccionan, inducidos por la luz solar, en
un complejo sistema de reacciones que
acaba formando ozono.
El ozono es una molécula muy reactiva
que
sigue
reaccionando
con
otros
contaminantes presentes en el aire y forma un conjunto de varias decenas de
sustancias, como nitratos de peroxiacilo (PAN), peróxido de hidrógeno (H2O2),
radicales hidroxilo (OH), formaldehido, etc. Estas sustancias, en conjunto, pueden
producir importantes daños en las plantas, irritación ocular, problemas
respiratorios, etc.
Como la reacción de combustión de la gasolina se realiza con aire, en lugar de
oxígeno puro, se produce la siguiente reacción a altas temperaturas:
N2 (g) + O2 (g) → 2 NO (g)
El NO es precursor del de la nube de smog fotoquímico. Se oxida a NO2, el cual
absorbe la radiación de la luz solar y se descompone:
NO2 (g) + Luz UV →
NO
(g)
+ O••
Seguido de formación de ozono:
O•• + O2(g) →
O3(g)
6. LA CAPA DE OZONO Y LOS CFC
EL Ozono, O3, forma alotrópica del Oxígeno, se produce
normalmente en la estratosfera, por fotólisis en la
atmósfera de la tierra entre los 25 y 35 Km. de altura.
Alcanza una concentración de 8 ppm. Es una molécula muy
reactiva, que está en constante proceso de formación y destrucción.
Su función es vital, sirve de filtro de cierta radiación ultravioleta que en la
superficie de la tierra produce cáncer a la piel y daña los ojos.
11
Sin embargo, el ozono producido en la troposfera, es muy tóxico, provoca
irritación en la nariz, ojos garganta y bronquios, y forma parte del smog
fotoquímico (ver punto 5). Se produce en las ciudades por reacción de la luz UV
del sol con gases de Óxidos Nitrosos e Hidrocarburos, emitidos por motores de
combustión interna, industrias y plantas productoras de energía en condiciones
ambientales ideales: días cálidos, asoleados y sin viento.
El agujero en la capa de ozono
Sobre la Antártica y recientemente sobre el Ártico, el ozono estratosférico se ha
reducido considerablemente y se ha comprobado que existe un agujero en la capa
de ozono que se estaciona en la Antártica. Inicialmente se pensó que la capa de
ozono se estaba adelgazando en forma homogénea.
Los CFC
Entre los años 1970 y 1980 se observó que la capa de ozono estaba siendo
afectada por el uso creciente de los Clorofluorocarbono (CFC), utilizados
principalmente porque se pensaba que eran no tóxicos e inertes. Sin embargo
destruyen la capa de ozono estratosférico y permanecen en la atmósfera unos 100
a 120 años. Se estima que un sólo átomo de cloro puede destruir más de 100.000
moléculas de ozono antes de ser eliminado por alguna otra reacción.
Los CFC son productos industriales, inicialmente usados en sistemas de
refrigeración, sistemas de aire acondicionado, como expelentes en aerosoles,
disolventes y en la producción de embalajes, etc.
Las naciones industrializadas firmaron el acuerdo de Montreal, 1987, para
disminuir hasta eliminar la fabricación de los CFC antes del año 2000.
Se prevé que la capa de ozono podría restaurarse completamente en el año 2060,
esto, si se detienen las emisiones de químicos dañinos a la capa que contengan
cloro o bromo.
12
7. EFECTO INVERNADERO
El Efecto Invernadero es un fenómeno natural, causado por la presencia de gases
en la atmósfera, principalmente CO2, vapor de agua y metano. Los gases de
Efecto Invernadero permiten el paso de las radiaciones solares de onda corta,
calentando la superficie de la Tierra. A la vez absorben parte del calor que emana
de la superficie en forma de radiaciones infrarrojas, de mayor longitud de onda
que la luz solar. Como consecuencia, la superficie de la tierra experimenta una
variación de temperatura aproximada de –18 ºC a 15 ºC, es decir unos 33ºC en
total. A esto se le denomina Efecto Invernadero natural.
Sin este efecto invernadero natural la temperatura de la tierra sería mucho menor
y expuesta a condiciones de temperatura extremas. La vida en nuestro planeta
sería distinta. Los problemas surgen por el aumento de la concentración de los
gases que forman el invernadero natural.
La cantidad de CO2 en la atmósfera había permanecido constante durante siglos,
en unas 280 ppm (partes por
millón), pero en el último
siglo ya tenemos 350 ppm, lo
que
ha
generado
un
incremento térmico de la
tierra de 0,5 °C. 1ppm de
incremento por año equivale
a 9.109 toneladas de CO2 y
de
otros
gases
que
contribuyen al calentamiento
de la atmósfera tales como
los clorofluorocarbono (CFC),
metano (CH4) y los óxidos de
nitrógeno ( NxOx ).
La quema de combustibles
fósiles como: petróleo, gas
natural
y
hulla,
y
el
desarrollo
de
procesos
industriales han aumentado
la concentración de CO2.
Se estima que a este ritmo
de crecimiento de los gases
de invernadero, durante el
siglo XXI la temperatura
promedio de la tierra aumentará entre 1 y 3 °C. Lo cual podría traer graves
consecuencias debidas al cambio climático. La deforestación en la tierra, según
datos de Greenpeace, ocurre con pérdidas de 11,2 millones de hectáreas de
bosque nativo cada año. Los factores de esta amenaza son: los incendios, la
industria maderera, la expansión agrícola, la lluvia ácida y otros factores que
ejercen un efecto negativo en el proceso fotosintético, ya que a través de la
fotosíntesis, en nuestro país los bosques absorben 43 millones de toneladas de
CO2 y retornan a la atmósfera 32 millones de toneladas de oxígeno.
13
Contribuyente al efecto invernadero
Quema de combustibles
Fugas y vertidos
Agricultura
Procesos Industriales
Desechos
Porcentaje
55.1
21.7
14.9
4.9
3.3
8. Inversión térmica
La inversión térmica es un fenómeno meteorológico que se da en las capas bajas
de la atmósfera terrestre. Normalmente, en la troposfera existe un gradiente
térmico vertical negativo, es decir, según ascendemos, la temperatura del aire va
descendiendo.
Circulación atmosférica natural comparada con una inversión térmica
La causa más común de inversión térmica es el enfriamiento nocturno de un
estrato cercano a la tierra (causado por los cielos claros que permiten que el calor
escape de la superficie) junto con vientos suaves que no permiten que los
contaminantes se dispersen, la capa de aire frío comprime a los contaminantes
contra el suelo, la concentración de los gases tóxicos puede llegar hasta equivaler
a 14 veces más de su potencial inicial.
Históricamente, la contaminación empezó a considerarse un problema que debía
ser tomado en cuenta, solo a raíz de eventos en donde la contaminación se asoció
a condiciones de inversión térmica ocasionando la muerte de centenares de
personas.
9. Contaminación Acústica
El ruido es un fenómeno acústico causante de una sensación auditiva considerada
como molesta. Los ruidos someten al oído y al sistema nervioso del hombre a
tensiones no menos peligrosas que el humo Aviones en el despegue
200 db
de las chimeneas o el consumo de agua sirena de una ambulancia 150 db
contaminada.
Martillo neumático
120 db
Entre los trastornos que está la disminución Voz humana
60 db
de la capacidad auditiva, de la memoria,
14
problemas en el sueño, baja en el sistema inmunológico, disminución en la
concentración y en la actividad creadora.
El sonido se mide en decibeles, donde 120 es el umbral del dolor, para poder
dormir confortablemente necesitamos que haya alrededor nuestro menos de 30
decibeles.
PRINCIPALES CONTAMINANTES Y SUS EFECTOS EN SANTIAGO
La composición y calidad
del aire en Santiago, es
diferente, según la estación
del año que se trate.
Debido
a
la
situación
geográfica
de
nuestra
ciudad, existe ausencia de
vientos en otoño e invierno
lo
que
contribuye
a
intensificar los problemas
de contaminación. Por este
motivo podemos ver en
invierno, una nube de smog
que cubre Santiago y que
alcanza la altura de la virgen del cerro San Cristóbal, debido al efecto de inversión
térmica.
En verano sin embargo la nube de smog se encuentra más arriba de este cerro y
la limpieza del aire se ve favorecida por la presencia de vientos.
Entre las alternativas utilizadas para evitar “en parte” la contaminación, está el
fortalecer la utilización de energías renovables o que no sean contaminantes
atmosféricos, como: la energía nuclear, la eólica, la solar y la mareomotriz, entre
otras.
El uso de gas natural
El gas natural, está compuesto principalmente por metano, se utiliza como
combustible domestico e industrial. Produce escasa contaminación y tiene un gran
poder calorífico, se suministra por tubería y se ventila muy bien ya que es más
liviano que el aire. El uso de gas natural presenta también algunas desventajas
como por ejemplo: las instalaciones para su distribución son muy costosas, y
muchas veces el traslado de gas natural significa la intervención o destrucción de
algunos ecosistemas que trae como consecuencia la desaparición de poblaciones
vegetales y animales y, en nuestro caso, dependencia extrema de los proveedores
ya que no disponemos de esta materia prima y debemos importarla.
Por lo tanto es nuestro deber aportar para que en un futuro cercano podamos
descontaminar nuestra ciudad con nuevas energías no contaminantes.
15
Santiago de día
Santiago de noche
PROPIEDADES DE LOS
GASES
El aire es un fluido transparente, incoloro e inodoro, buen aislante térmico y
eléctrico. Es una mezcla de gases, tiene las propiedades físicas que tienen los
gases, tales como: masa, volumen y densidad. Una manifestación del peso del
aire es la Presión Atmosférica. Para describir un gas se tiene cuatro variables:
1.1 Moles (n)
Mol es una constante denominada número de Avogadro y corresponde al número
de átomos que hay exactamente en 12 gramos de C-12. Sirve para contar, es
decir, cuando se habla de 1mol se habla de:
Mol = masa (gramos)
PM (gramos/mol)
1.2 Volumen (V) = litros
El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Los gases ocupan todo el volumen
disponible del recipiente en el que se encuentran. Si el volumen de un recipiente
que contiene un gas cambia, cambia también el volumen del gas. Esta es una
propiedad ligada a la presión y la temperatura.
1.3
Presión
(P)
atmósferas
=
16
La presión atmosférica es el peso o fuerza que ejerce el aire
sobre la superficie de la tierra. E. Torricelli inventó el
barómetro de Mercurio y demostró que la presión atmosférica a
nivel del mar es capaz de sostener una columna de mercurio de
760 mmHg que corresponde a la presión de la atmósfera, es
decir la atmósfera standard (at.).
1.4 Temperatura, (T°)
La temperatura en Kelvin,
se refiere a una escala que
define el Cero absoluto
como la temperatura a la que cesaría el
movimiento traslacional de las partículas. Se
utiliza en ecuaciones de gases y se puede
relacionar fácilmente con los grados Celsius y
los
grados
Fahrenheit
.
T (K) = T ºC + 273,16
T (ºF)= 9/5 ºC + 32
TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR DE LA MATERIA
a. Un gas está compuesto de moléculas que
están
separadas
por
distancias
mucho
mayores que sus propias dimensiones. Las
moléculas se consideran puntos, es decir,
tienen masa pero su volumen es despreciable.
b. Los gases están en continuo movimiento con
dirección aleatoria y es frecuente que ocurran
choques entre ellas. Estas colisiones son
perfectamente elásticas pudiendo haber
transferencia de energía entre moléculas pero
permaneciendo inalterada la energía total del
sistema.
c. Las moléculas de los gases no ejercen entre sí fuerzas de atracción o de
repulsión.
d. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la
temperatura absoluta del gas.
17
e. Debido a que las moléculas en estado gaseoso están muy separadas
ocupando un gran volumen, son fáciles de comprimir para ocupar un
volumen menor.
f. Los gases pueden difundir, es decir, tienen la propiedad de mezclarse
gradualmente con otro gas, debido al movimiento aleatorio de las moléculas.
En la figura se observa como un gas difunde lentamente dentro de un
compartimiento donde solo hay aire, hasta mezclarse completamente.
Leyes de los Gases
2.1 Ley de velocidad de difusión
velocidad de difusión del gas A =
velocidad de difusión del gas B
PM B
PM A
Las velocidades de difusión o efusión de dos gases distintos son inversamente
proporcionales a las raíces cuadradas de sus masas molares, es decir, a mayor
masa molar de un gas indica que es más lento en difundir.
La difusión de los gases tiene muchas aplicaciones prácticas. El gas natural y el
gas licuado (butano), son inodoros, y para comercializarlo se le añaden pequeñas
cantidades de Metilmercaptano (CH3SH), el cual tiene un olor desagradable y muy
fuerte. Cuando hay una fuga, puede significar un serio peligro de explosión, en un
escape de gas podemos, percibir este oloroso compuesto.
DIFUSIÓN: es la dispersión gradual de un gas
el seno de otro. De este modo las moléculas
una sustancia se esparcen por la región
ocupada por otras moléculas, colisionando y
moviéndose aleatoriamente. Este es un
proceso muy rápido y también puede haber
difusión en el vacío.
en
de
Efusión: es el proceso que ocurre cuando un gas que está sometido a presión
escapa de un recipiente hacia el exterior por medio de un pequeño orificio o de
una membrana porosa
18
2.2 LEY DE LOS GASES IDEALES
A partir de los postulados de la teoría cinética molecular de la materia y de la
combinación de las leyes descritas anteriormente se puede escribir una ecuación
maestra para el comportamiento de los gases:
Donde:
P = Presión (at.)
V = Volumen (L)
n = numero de moles
R = constante de los gases, 0.0821 at. L / K mol
T = Temperatura (K)
2.3 Ley de Boyle
Boyle descubrió que “La presión de una cantidad fija de gas es inversamente
proporcional al volumen que ocupa, siempre y cuando se mantenga la
temperatura
constante”
lo
que
se
expresa
por
la
ecuación:
P x V = constante y a esta relación se le denomina “ley de Boyle” Pudiendo
establecerse la siguiente relación para distintos gases:
P1
x
V1 = P2
x
V2
En el cuadro se ve claramente la dependencia inversa del volumen con la presión
a temperatura constante. A medida que la presión aumenta, el volumen
disminuye.
2.4
Ley de Charles - Gay-Lussac
Ellos contribuyeron al estudio de los gases diciendo que “el volumen de una
cantidad fija de gas, mantenida a presión constante, es directamente proporcional
a
la
temperatura
absoluta
del
gas”.
Esto se expresa por medio de la siguiente ecuación:
Pudiendo establecerse la siguiente relación para distintos gases:
La figura muestra el proceso en que un aumento de temperatura, a
presión constante, lleva a un aumento del volumen. Esto ocurre porque el
aumento en la temperatura hace que las moléculas experimentan una mayor
energía cinética (velocidad) generando así el aumento de volumen.
19
2.5
Ley de Gay – Lussac
Gay – Lussac logró establecer la relación entre la presión de un gas y
su temperatura concluyendo que “si un gas se somete a calentamiento
a volumen constante, la presión del gas aumenta proporcionalmente a
la
temperatura.
Esto se expresa de la siguiente manera:
P1 = P2
Pudiendo establecerse la siguiente relación para distintos gases: T1 T2
Basándose en las tres leyes anteriormente descritas se puede establecer la ley
combinada de los gases
P1 x V1 = P2 x V2
Se expresa de la siguiente manera:
T1
T2
20
2.6 LEY DE LAS PRESIONES PARCIALES DE DALTON
Dalton dedujo que los gases es una mezcla actúan de manera mutuamente
independiente.
La presión que ejerce un componente determinado de la
P a = na . R. T
mezcla de gases, se llama presión parcial del componente.
V
Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los
gases ideales a cada componente. Así la presión parcial, Pa,
para una componente consistente en na moles está dada por:
La presión total de una mezcla de gases es igual a la P T = P a + P b + P c + …
suma de las presiones parciales de los gases
individuales.
Por ejemplo, para la reacción dada: N2 + 3 H2
2 NH3
Si se colocan tres gases en un recipiente de determinado volumen, V, se puede
considerar que cada uno de los gases ocupa todo el volumen. Si temperatura del
recipiente es constante, T, cada uno de los gases tendrá esta temperatura. La
contribución a la presión de cada componente está directamente relacionada con
el número de moles del componente y con la razón a la que las partículas chocan
con las paredes del recipiente. Dado que cada componente tiene el mismo
volumen y temperatura, las diferencias entre las presiones que ejercen se
deberán a los distintos números de moles.
La presión total es igual a la suma de las presiones parciales individuales de los
gases que forman la mezcla:
La presión parcial de un determinado gas es
Px = PT * Xgas
Fracción molar = Xgas = molesA / molesA+ moles B+ moles C+ …
LICUACIÓN DE LOS GASES
El paso por el cual un gas se convierte a líquido por efecto de la temperatura se
llama
condensación
(Licuación
de
vapores).
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Se denomina temperatura crítica a la temperatura límite para la licuación de un
gas. Por encima de esta temperatura es imposible licuar a un gas, aunque se le
someta
a
enormes
presiones.
Se llama presión crítica, a la presión que se necesita para licuar un gas cuando
éste se encuentra en su temperatura crítica.
SUSTANCIAS
T° crítica Presión crítica
Agua, H2O
356 °C
-Anhídrido Sulfuroso, SO2 175 °C
78 at.
Amoníaco, NH3
132 °C
112 at.
Anhídrido carbónico, CO2 31 °C
73 at.
Oxígeno, O2
-119 °C
50 at.
Nitrógeno, N2
-147 °C
34 at.
Éter, R-O-R
-194 °C
-Hidrógeno, H2
-240 °C
13 at.
Helio, He
-269 °C
23 at.
Procedimientos para la licuación de los gases
1. Por simple enfriamiento
Ejemplo a la presión ordinaria el anhídrido sulfuroso se licua a - 10°C.
2. Por comprensión y enfriamiento
Consiste en calentar una sustancia que desprende el gas, el cual aumenta su
presión por no poder expandirse en el interior del tubo cerrado, porque una de sus
ramas está introducida en el hielo. Con el aumento de presión y una temperatura
de 0°C el gas se licua, es decir, “para licuar un gas primero hay que comprimirlo y
luego enfriarlo o viceversa”.
22