2013

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

QUÍMICA MENCIÓN

QM-39

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EL AIRE

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA

•(del griego tropos= cambiar, girar y sphaira= esfera), alberga a casi todos los seres vivos y las actividades humanas, es la región donde los fenómenos meteorológicos corrientes ocurren, su espesor se calcula en unos 15 km promedio.

Troposfera

•(del griego stratum = capa), cubre un espesor de 50 km aproximadamente, en la estratosfera es donde se encuentra la capa de ozono que protege a los seres vivos de la mortal radiación ultravioleta.

Estratosfera

•(del griego mesos = medio) se constituye en su parte superior de aire altamente ionizado. Dentro de esta capa la temperatura desciende notablemente hasta cerca de -80 °C.

Mesosfera

•(del griego thermo = calor). Se trata de una zona de alta temperatura debido a la absorción de los rayos ultravioleta y de energías superiores, aquí se ubica la Ionósfera (aunque según algunos autores es la ionósfera la que contiene la termósfera), los iones aquí presentes se desplazan incluso a la mesosfera, permitiendo las comunicaciones de radio sin uso de satélites.

Termosfera

•(del griego exo = fuera) es la capa más externa, su espesor va de 700 a 1.200 km por sobre la superficie terrestre Exosfera

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COMPOSICIÓN DEL AIRE

Moléculas de cada sustancia por 100.000 moléculas de aire

Nitrógeno (N2) 78.083

Oxígeno (O2) 20.944

Argón (Ar) 934

Dióxido de carbono (CO2) 36

Más trazas de: neón (Ne), Helio (He), metano (CH4), kriptón (Kr), hidrógeno (H2), monóxido de

dinitrógeno (N2O), xenón (Xe), ozono (O3), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2),

amoniaco (NH3), monóxido de carbono (CO) y yodo (I2).

LA CONTAMINACIÓN Se define a un contaminante como una sustancia (no necesariamente tóxica ni nociva) presente en

cualquier estado físico dentro de una mezcla y que no corresponde a la composición original de ésta. La

concentración de esta especie extraña puede o no ser perjudicial para el medio en que se encuentre.

En otras palabras, contaminante es cualquier sustancia química en el lugar equivocado. El ozono, por

ejemplo, es un constituyente natural e importante de la estratosfera, donde protege a la Tierra de la

radiación ultravioleta, pero en la troposfera es un contaminante peligroso.

Los siete principales contaminantes del aire

Contaminante Símbolo Fuentes

Principales

Efecto Sobre la

Salud

Efectos

Ambientales

Monóxido de carbono CO Vehículos de motor

Interviene el transporte de oxígeno; lo que causa mareos y la muerte;

contribuye a enfermedades cardiacas

Leve

Hidrocarburos CnHm Vehículos de motor,

disolventes industriales

Narcótico en concentraciones altas; algunos compuestos aromáticos son carcinógenos

Precursor de aldehídos, PAN (peroxiacil nitrato)

Óxido de azufre SOx Plantas termoeléctricas

fundidoras

Irritantes del aparato respiratorio; agrava

enfermedades cardiacas y pulmonares

Reduce el rendimiento de los cultivos; precursor de lluvia ácida, partículas

de SO42-

Óxido de nitrógeno NOx Plantas termoeléctricas, vehículos de motor

Irritante del aparato respiratorio

Reduce el rendimiento de los cultivos;

precursor del ozono y la lluvia ácida produce

bruma parda

Partículas

Industrias, plantas termo- eléctricas, polvo de granjas y sitios de

construcción

Irritante del aparato respiratorio, sinergia con

SO2; contiene cancerígenos y metales tóxicos absorbidos.

Reduce la visibilidad, actúa como sustrato

catalizador de procesos fotoquímicos.

Ozono O3 Contaminante secundario producido por la acción

NO2

Irritante del aparato respiratorio; agrava

enfermedades cardiacas y pulmonares

Reduce el rendimiento de los cultivos; mata árboles (sinergia con

SO2); destruye el caucho, la pintura, etc.

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LA CONTAMINACIÓN INDUSTRIAL (SMOG INDUSTRIAL) “SMOG” (del inglés smoke = humo y fog =niebla). El aire contaminado asociado a las actividades

industriales se conoce como esmog industrial, y se caracteriza por la presencia de humo, niebla,

dióxido de azufre y material en partículas como cenizas y hollín. La mayor parte del esmog

industrial se debe a la combustión de hulla o carbón, sobre todo el que tiene alto contenido de

azufre.

La química del esmog industrial es sencilla. La hulla es principalmente carbono, pero contiene

hasta un 3% de azufre y cantidades variables de minerales. Cuando se quema, el carbono de la

hulla se oxida a dióxido de carbono y el azufre a dióxido de azufre.

C + O2 CO2

Este proceso genera calor. No todo el carbono se oxida por completo, una parte queda como

monóxido de carbono.

2 C + O2 2 CO

Una fracción más del carbono, prácticamente sin quemarse, se convierte en hollín, partículas

sólidas muy pequeñas que forman la característica nube plomiza que cubre Santiago.

MONÓXIDO DE CARBONO Cuando no hay suficiente oxígeno presente durante la combustión de carbón, petróleo o algún

otro combustible fósil, se genera monóxido de carbono, un gas invisible, inodoro e insípido. Cada

año se vierten en el aire millones de toneladas métricas de este invisible pero letal gas.

El CO ingresa al torrente sanguíneo y forma un compuesto con la hemoglobina (proteína

transportadora) más estable que el que normalmente forma ésta con el oxígeno. En

concentraciones por sobre 3000 ppm el monóxido de carbono es letal (muerte se produce por

asfixia).

CONTAMINACIÓN

ATMOSFÉRICA

CONTAMINACIÓN

INDUSTRIAL

CO, SO2, NO2/NO, PARTÍCULAS

CONTAMINACIÓN

FOTOQUÍMICA

SO3/H2SO4 , NO2/NO , O3.

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Molécula de hemoglobina y transporte de oxígeno

ÓXIDOS DE AZUFRE El azufre de la hulla también se quema, y forma dióxido de azufre, un gas asfixiante.

S + O2 SO2

El aparato respiratorio absorbe fácilmente el dióxido de azufre, una sustancia muy irritante que,

se sabe, agrava los síntomas de las personas que padecen asma, bronquitis, enfisema y otras

enfermedades pulmonares.

ÓXIDOS DE NITRÓGENO Además del dióxido de carbono, el monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados, el

escape de los automóviles contiene óxido de nitrógeno. Las plantas eléctricas que queman

combustibles fósiles son otra fuente importante de óxidos de nitrógeno. En una reacción similar a

la que ocurre en la atmósfera durante las tormentas eléctricas, el nitrógeno y el oxígeno se

combinan en las cámaras de combustión; el principal producto es el monóxido de nitrógeno (NO).

N2 + O2 2 NO

El oxígeno de la atmósfera oxida el monóxido de nitrógeno a dióxido de nitrógeno (NO2).

2 NO + O2 2 NO2

El dióxido de nitrógeno es un gas de color ámbar. Desempeña un papel vital en la formación del

esmog fotoquímico: absorbe un fotón de la luz solar y se descompone en monóxido de nitrógeno y

átomos de oxígeno reactivos.

NO2 + luz solar NO + O·

Los átomos de oxígeno reaccionan con otros componentes del escape de los automóviles y de la

atmósfera para producir diversas sustancias irritantes y tóxicas.

El esmog fotoquímico es el resultado de la acción de la luz solar sobre los óxidos de

nitrógeno emitidos por automóviles y otras fuentes de combustión a alta temperatura. Se

caracteriza por una bruma amarillenta.

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UTILIDAD DEL CONVERTIDOR CATALÍTICO

El convertidor catalítico que hoy día tienen todos los autos nuevos en Chile, es útil pues se

deshace de muchos de los gases contaminantes industriales transformándolos, mediante

oxidaciones y reducciones, en componentes normales del aire.

LA CONTAMINACIÓN FOTOQUÍMICA (SMOG FOTOQUÍMICO)

Las dos principales fuentes de la lluvia ácida son el dióxido de azufre (SO2) de las plantas

termoeléctricas y el monóxido de nitrógeno (NO) de las plantas termoeléctricas y los automóviles.

Parte del dióxido de azufre reacciona con el oxígeno del aire para formar trióxido de azufre.

2 SO2 + O2 2 SO3

Luego, el trióxido de azufre reacciona con agua para formar ácido sulfúrico

SO3 + H2O H2SO4

Diminutas gotitas de este ácido forman un aerosol que irrita las vías respiratorias aún más que el

dióxido de azufre.

•Se debe principalmente a los óxidos de azufre que emiten las plantas termoeléctricas y fundidoras y a los óxidos de nitrógeno emitidos por las plantas termoeléctricas y los automóviles. Estos ácidos a menudo recorren grandes distancias antes de precipitarse en forma de lluvia o de nieve.

LLUVIA ÁCIDA

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Los óxidos de azufre y nitrógeno (SO3 y NO2) con agua forman H2SO4 y HNO3 respectivamente.

Los ácidos caen con la lluvia, con frecuencia a cientos de kilómetros de sus fuentes, estos ácidos

corroen los metales y pueden llegar a carcomer los edificios y estatuas de piedra y mármol.

Ya vimos cómo los óxidos de azufre se convierten en ácido sulfúrico. De forma similar, los óxidos

de nitrógeno se convierten en ácido nítrico. Estos ácidos caen sobre la Tierra como lluvia ácida o

nieve ácida, o se depositan como niebla ácida o se absorben en partículas. La lluvia ácida se

define como lluvia que tiene un pH menor que 5.6.

En algunas ocasiones se ha registrado lluvia con pH cercano a 3 y niebla o nieve ácida con pH

cercano a 2.

OZONO TROPOSFÉRICO

En la mesosfera, la radiación ultravioleta de longitud de onda corta y alta energía rompe algunas

moléculas de oxígeno ordinario y produce átomos de oxígeno.

O2 U .V

2 O

Algunos de estos átomos altamente reactivos bajan por difusión hasta la estratosfera, donde

reaccionan con moléculas de oxígeno para formar ozono.

O + O2 O3 Átomo de Molécula ozono

Oxígeno de oxígeno

El ozono a su vez, absorbe rayos ultravioleta de longitud de onda mayor, aunque todavía letales y

nos protege de esta radiación dañina. Al absorber los rayos, el ozono se convierte otra vez en

moléculas de oxígeno y átomos de oxígeno, invirtiendo la reacción anterior.

O3 U.V O2 + O

Si no hay perturbaciones, la concentración de ozono se mantiene más o menos constante gracias

a estos procesos cíclicos. Sin embargo la actividad humana amenaza la existencia del escudo

protector. Antes de examinar este problema, demos una vista a los efectos del ozono en la

troposfera, donde vivimos.

•El oxígeno ordinario que respiramos se compone de moléculas de O2. El ozono es una forma alotrópica de oxígeno que consiste en moléculas de O3, es un componente natural de la estratosfera, donde protege a la Tierra de la radiación ultravioleta, que destruye la vida.

•El ozono también es un componente importante del esmog fotoquímico. Inhalado, es una sustancia tóxica y peligrosa. El ozono es un buen ejemplo de contaminante: una sustancia química fuera de lugar en el ambiente. En la estratosfera, el ozono ayuda a hacer posible la vida. En la troposfera dificulta la vida.

OZONO

TROPOSFÉRICO

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El ozono en la troposfera es un potente agente oxidante: en niveles bajos causa irritación de los

ojos; en niveles altos puede causar edema pulmonar, hemorragia e incluso la muerte. Los efectos

a largo plazo de la exposición a niveles bajos de ozono son más difíciles de evaluar.

A nivel troposférico el ozono se forma por reacciones de los óxidos de nitrógeno con el oxígeno del

aire y por oxidaciones sucesivas de moléculas de hidrocarburos volátiles.

CLOROFLUOROCARBONOS (C.F.C)

Los CFC se difunden en la estratosfera, donde la radiación ultravioleta los descompone. Los

átomos de cloro que se forman en este proceso rompen las moléculas de ozono que protegen la

tierra de la dañina radiación ultravioleta.

CF2Cl2 + luz ultravioleta CF2Cl + Cl•

Cl• + O3 ClO• + O2

•ClO + O Cl• + O2

Observe que el resultado del último paso es la formación de otro átomo de cloro que puede

romper otra molécula de ozono. El segundo y tercer paso se repiten, cíclicamente, muchas veces;

así la descomposición de una molécula de clorofluorocarbono puede causar la destrucción de

muchas moléculas de ozono, se calcula que aproximadamente una molécula de CFC puede

destruir 30 mil moléculas de ozono.

EL RADÓN

222 218 4Rn Po + He86 84 2

•Los compuestos llamados clorofluorocarbonos o CFC, se han utilizado como gases dispersores en latas de aerosoles y como refrigerantes. A temperatura ambiente, los CFC son gases o líquidos con bajo punto de ebullición.

•Son prácticamente insolubles en agua e inertes con respecto a la mayor parte de las demás sustancias. Debido a lo anterior persisten durante mucho tiempo en el entorno sin reaccionar.

CFC

•Un enigmático contaminante del aire en interiores es el Radón. Este gas noble incoloro, inodoro, insípido y químicamente inerte, es radiactivo.

•Son los productos de la desintegración del radón, llamados isótopos hijos, los que causan el problema. El Radón mismo se desintegra por emisión alfa con una vida media de 3.8 días produciendo, entre otros, Polonio radiactivo.

RADÓN

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Cuando se inhala Radón, el Polonio-218 y otros hijos, que incluyen plomo 214 y bismuto 214,

quedan atrapados en los pulmones donde su desintegración radiactiva daña seriamente los

pulmones.

El radón se desprende de manera natural de los suelos y las rocas, sobretodo del granito, los

esquistos y de minerales como menas de fosfatos y pechblenda. La fuente final son los átomos de

Uranio contenidos en estos materiales. El Radón es solo uno de varios materiales radiactivos que

se forman durante la desintegración en múltiples pasos del Uranio. Sin embargo, el Radón es

único en cuanto a que es un gas y puede escapar. Los demás son sólidos y permanecen en el

suelo y las rocas.

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FENÓMENOS CLIMÁTICOS

LA INVERSIÓN TÉRMICA Normalmente la temperatura de la atmósfera disminuye con la altura, el aire está más caliente

cerca del suelo. En las noches despejadas el suelo se enfría más rápido, sin embargo, el viento

mezcla el aire frío cerca del suelo con el aire más caliente que está arriba.

De vez en cuando, el aire se queda quieto y la capa inferior de aire frío queda atrapada por la

capa de aire caliente que está arriba. Esta condición se conoce como inversión atmosférica o

inversión térmica. Los contaminantes que hay en el aire frío también quedan atrapados cerca

del suelo, y el aire puede acumular una concentración peligrosa de contaminantes si el viento

tarda varios días en volver a soplar.

También puede ocurrir una inversión de temperatura cuando un frente cálido choca con un frente

frío. La masa de aire caliente a ser menos densa, se desliza por encima de la masa de aire frío y

produce una condición de estabilidad atmosférica, puesto que no hay movimiento vertical, el aire

frío se estanca y los contaminantes se acumulan en él.

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DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) Y CALENTAMIENTO GLOBAL

Por más limpio que sea el funcionamiento de un motor de combustión o de una fábrica, en tanto

queme carbón o derivados del petróleo, producirá dióxido de carbono. La concentración de dióxido

de carbono en la atmósfera ha aumentado en cerca de un 20% en este siglo, y sigue aumentado

de forma espontánea porque cada vez se quema más combustible fósil. Aun cuando NO se

considera al dióxido de carbono como un contaminante del aire (es un componente natural del

entorno), su elevada concentración es la principal causa del calentamiento general de la superficie

terrestre.

EL EFECTO INVERNADERO

El dióxido de carbono y otros gases producen el efecto de invernadero, esto es, permiten que los rayos

solares (luz visible) entren y calienten la superficie de la tierra, pero cuando ésta trata de devolver el

calor (radiación infrarroja) al espacio, la energía queda atrapada por las moléculas de esos gases.

En términos más sencillos, en el efecto invernadero, la luz solar que atraviesa la atmósfera se

absorbe y calienta la superficie de la tierra. La superficie caliente emite radiación infrarroja, pero

parte de esta radiación es absorbida por gases como CO2, H2O, CH4 y O3 (entre otros) y se retiene

en la atmósfera como energía calórica.

Calentamiento De la corteza Terrestre

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Las actividades humanas añaden 25.000 millones de toneladas de dióxido de carbono a la

atmósfera cada año, y 22.000 millones de toneladas provienen de la quema de combustibles

fósiles. Cerca de 15.000 millones de toneladas son fijadas por las plantas, los suelos y los

océanos, lo que deja una adición neta de 10.000 millones de toneladas al año. Por tanto la

concentración de dióxido de carbono está aumentando a razón de 1 ppm al año.

El Metano, los Clorofluorocarbonos y otros gases traza también contribuyen al efecto de invernadero.

La concentración de metano en la atmósfera ha ido en aumento desde hace unos 40 años. Aunque

estos gases están presentes en cantidades mucho más bajas que el dióxido de carbono son

mucho más eficientes en cuanto a su capacidad de atrapar calor. El vapor de agua también actúa

como gas de invernadero. Sin embargo, cuando el vapor de agua se libera a la atmósfera pronto

regresa a la Tierra como lluvia, así que es poco probable que contribuya al calentamiento global.

DMTR-QM39

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