TEMA AMPLIACIÓN C: ENERGÍA - Real Instituto de … · 2017-04-16 · Los contaminantes se...
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TEMA AMPLIACIÓN C: ENERGÍA QUÍMICA IB
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TEMA AMPLIACIÓN C: ENERGÍA QUÍMICA IB
ENERGÍA
C.1 Fuentes de energía C.2 Combustibles fósiles C.3 Fusión y fisión nuclear C.4 Energía solar C.5 Impacto medioambiental-calentamiento global
ENERGÍA
FUENTES DE ENERGÍA
Fuentes de energía: calidad y eficiencia Para considerar que una fuente de energía es buena es necesario que
además de contener una gran cantidad de energía potencial, esta pueda convertirse, a un ritmo razonable, en una forma útil de energía produciendo la mínima contaminación y cantidad de productos no deseados. Si la conversión es demasiado rápida una gran cantidad de energía se dispersa, mientras que si es demasiado lenta no será útil.
La combustión de la glucosa es una reacción exotérmica: 𝐶6𝐻12𝑂6 𝑠 + 6𝑂2 𝑔 → 6𝐶𝑂2 𝑔 + 6𝐻2𝑂 𝑙 ∆𝐻 = −2803 𝑘𝑘
Se libera la misma cantidad de energía cuando la glucosa se quema en una bomba calorimétrica que cuando es oxidada en el cuerpo humano. El ritmo más lento de oxidación en el cuerpo humano permite convertir la energía en una forma útil mientras que la oxidación rápida dispersa la energía demasiado deprisa reduciendo su calidad.
FUENTES DE ENERGÍA
El término “energía de calidad”, puede tener diferentes significados. Para las compañías energéticas el coste por unidad de energía puede ser más importante que la eficiencia. La eficiencia en la producción de energía eléctrica a partir de carbón es aproximadamente del 30%, y produce gases de efecto invernadero y contaminantes. Sin embargo, según la Agencia Internacional de Energía, el coste de producción a partir de carbón es un 7% menor que a partir de gas y un 19% menor que a partir de fuentes nucleares.
Cuanto más se degrada la calidad de la energía menos eficiente es el combustible:
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 𝑡𝑒𝑒𝑒𝑠𝑒𝑒𝑒𝑒𝑑𝑒 =𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 ú𝑡𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑝𝑑𝑝𝑒𝑒𝑑𝑒
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 𝑡𝑝𝑡𝑒𝑙 𝑒𝑒𝑡𝑒𝑝𝑑𝑝𝑒𝑒𝑑𝑒× 100
FUENTES DE ENERGÍA
Densidad de energía: la densidad de energía es una medida útil de la calidad de un combustible que compara la energía liberada por unidad de volumen de combustible.
𝑑𝑒𝑒𝑠𝑒𝑑𝑒𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 =𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 𝑙𝑒𝑙𝑒𝑒𝑒𝑑𝑒
𝑣𝑝𝑙𝑝𝑣𝑒𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑝𝑣𝑙𝑝𝑠𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑒𝑝𝑒𝑠𝑝𝑣𝑒𝑑𝑝
Energía específica: es la energía liberada por unidad de masa de combustible.
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =𝑒𝑒𝑒𝑒𝑔𝑒𝑒 𝑙𝑒𝑙𝑒𝑒𝑒𝑑𝑒
𝑣𝑒𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑝𝑣𝑙𝑝𝑠𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑒𝑝𝑒𝑠𝑝𝑣𝑒𝑑𝑝
FUENTES DE ENERGÍA
Fuentes de energía renovable:
Algunos recursos energéticos renovables son la energía solar, la energía eólica, la biomasa, el agua (mareas, corrientes, olas), energía geotérmica y pilas de combustible.
La energía geotérmica es una de las más utilizadas comercialmente, a pesar de que su eficiencia es solo del 23%. No solo es importante considerar la eficiencia si no también el coste por kw-h.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Almacenamiento de la energía procedente de la fotosíntesis: El aprovechamiento de la energía del sol mediante la fotosíntesis permitió la aparición de grandes organismos. A medida que estos organismos se fueron extinguiendo, los fuertes enlaces C-C y C-H permanecieron intactos y constituyen nuestra principal fuente de energía hoy en día.
Combustibles fósiles: la formación de combustibles fósiles es un ejemplo de un proceso de reducción (ganancia de hidrógeno/pérdida de oxígeno). Muchos combustibles fósiles contienen alcanos saturados. Durante la formación de los combustibles fósiles, los átomos de carbono se fueron saturando con hidrógeno y perdiendo enlaces con nitrógeno, azufre y oxígeno respecto a los que tenían en los organismos vivos. El enlace C-H es relativamente estable y más fuerte que el enlace C-O, C-S o C-N.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Petróleo: fraccionamiento y cracking.
Hay tres combustibles fósiles principales: carbón, gas y petróleo.
El petróleo es el más importante pero difícil de usar en su forma natural. Contiene una mezcla de hidrocarburos de diversas longitudes de cadena.
Los hidrocarburos de cadena larga poseen fuerzas intermoleculares de Van der Waals más fuertes que los de cadena corta, esto hace que sus puntos de ebullición sean diferentes y puedan utilizarse para separar el petróleo en “fracciones” de diferentes longitudes de cadena. Las diferentes fracciones se separan por destilación.
En la columna de fraccionamiento se introduce el petróleo, previamente calentado para disminuir su viscosidad, por la parte baja.
En la parte superior de la columna las temperaturas son más bajas obteniéndose las sustancias con puntos de ebullición menores (más volátiles). En la parte inferior condensan las sustancias con puntos de ebullición mayores.
COMBUSTIBLES FÓSILES
COMBUSTIBLES FÓSILES
Cracking o craqueo.
Los hidrocarburos de cadenas cortas producen una llama clara al arder y constituyen mejores carburantes. Sin embargo, en el petróleo hay más hidrocarburos de cadenas largas que cortas.
Para conseguir obtener un mayor número de hidrocarburos de cadena corta se realiza el proceso conocido como “cracking” o craqueo, que consiste en romper las cadenas más largas de elevado peso molecular en otras más cortas de menor peso molecular y menores puntos de ebullición.
Fracciones que contienen hidrocarburos de cadena larga, como la nafta, son calentadas sobre un catalizador para romperlas en hidrocarburos de cadena corta, incluidos alquenos como el eteno y los alcanos más utilizados en la gasolina, como los octanos.
Inicialmente el cracking se realizaba solo con vapor, después se han empleado catalizadores de alúmina y sílice. Hoy en día se utilizan zeolitas, que son más selectivas en la producción de hidrocarburos ramificados.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Combustibles y octanaje:
El octanaje es la escala que permite calificar el poder antidetonante de los carburantes, cuando estos son comprimidos en el cilindro que forma parte de un motor. Esta escala, también conocida como índice de octano, considera una determinada combinación de hidrocarburos como base para poder realizar la comparación correspondiente.
La gasolina es una mezcla de diferentes cadenas de alcanos alifáticos, lineales o ramificados, cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos, pero no contiene alquenos. Está compuesta por un 50% de hidrocarburos alifáticos y un 20-30% de cicloalcanos y aromáticos. La longitud y el grado de ramificación de las cadenas produce efectos sobre el octanaje:
- El octanaje aumenta con las ramificaciones.
- El octanaje disminuye con la longitud de las cadenas.
- El octanaje de los hidrocarburos aromáticos es mayor que el de hidrocarburos alifáticos de igual número de carbonos.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Reformado catalítico: este proceso consiste en modificar la estructura de las moléculas de la gasolina obtenida por destilación para mejorar sus propiedades detonantes. Se emplean altas temperaturas, presiones y catalizadores para facilitar la reacción.
Cadenas lineales de alcanos se isomerizan mediante calor y platino como catalizador:
Usando platino como catalizador con óxido de aluminio, se transforman cicloalcanos en compuestos aromáticos:
C C
H
H
H H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H CH C C C
H
H
H
H
H H
H
CH3
CH3
H2C
H2C
CH3
CH2
CH2
H2C
CH3C
C
C
H
C
C
H CH3
C H
H
H
4H2
COMBUSTIBLES FÓSILES
Energía más verde: La tecnología del petróleo ha ido evolucionando hacia desarrollos encaminados a reducir la contaminación y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Objetivo Ejemplo Ventajas
Eliminar azufre del carbón
Filtros y polímeros con receptores para compuestos de azufre
Reducción de emisiones de SO2
Combustibles con menor impacto medioambiental
Eliminar benceno y azufre; uso de convertidores catalíticos en coches
Reducción de emisiones de NOx, SO2, CO2 y benceno
Combustibles petroquímicos mezclados y alternativos
Mezclar etanol y gasolina, motores LPG o de metanol
Reducción de emisiones de CO2 NOx y CO
Desarrollo de tecnologías alternativas
Bioetanol, biodiesel, coches eléctricos, híbridos, pilas de combustible
Menor dependencia del petróleo, desarrollo de energías renovables y sostenibles
COMBUSTIBLES FÓSILES
Gasificación del carbón: Es un proceso que transforma el carbón desde su estado sólido, en un combustible gaseoso, también conocido como syngas, mediante una oxidación parcial, al que hay que retirar una serie de sustancias indeseables, como son los compuestos de S y las cenizas del carbón original, mediante técnicas bien desarrolladas.
La gasificación puede realizarse en cavidades subterráneas, abaratando costes al no necesitarse construir plantas gasificadoras y no tener que extraer el carbón a la superficie. Además el dióxido de carbono producido puede almacenarse bajo tierra en lugar de ser liberado a la atmósfera.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Los contaminantes se eliminan del gas de síntesis dejando un combustible relativamente limpio y eficiente.
La gasificación produce otros productos, incluyendo la escoria que se utiliza en materiales para techos o para la construcción de carreteras, metanol y compuestos a base de nitrógeno para fertilizantes.
La gasificación no se realiza solo con carbón, puede realizarse con madera o biomasa. Este proceso se viene realizando desde 1790.
Las reacciones que tienen lugar en el proceso de gasificación se muestran en la tabla siguiente.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Reacción Condiciones
carbón→ 𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂 𝐶 + 𝐻2
𝐶𝑂 + 𝐶𝑂2 Varios hidrocarburos
Temperatura por debajo de la de combustión, algo de oxígeno
El primer paso es la pirólisis: es una oxidación parcial.
𝐶 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝐶 + 𝐶𝑂2 → 2𝐶𝑂
𝐶𝑂 + 3𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2
Temperatura mayores, disminución de oxígeno, vapor
Este proceso es la reducción: aquí se produce gas de síntesis que puede quemarse para generar electricidad
𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2
El gas de síntesis y el resto de productos no desechables pasan a través de una cámara de enfriamiento y se retiran
El último paso es la purificación del gas y los productos aprovechables.
COMBUSTIBLES FÓSILES
Licuefacción del carbón: en este proceso al gas de síntesis filtrado y limpio se le añade agua o dióxido de carbono sobre un catalizador. Este proceso es conocido como licuefacción indirecta.
Licuefacción directa del carbón: este proceso convierte el carbón en una mezcla de hidrocarburos líquidos denominada “crudo sintético”. Aunque existen diferentes métodos, en todos ellos se añade hidrógeno al carbón, previamente disuelto en un disolvente a altas temperaturas y presiones, en presencia de un catalizador para realizar un “hidrocraqueo”.
Ambos métodos producen combustibles sintéticos, ajustando la relación carbono-hidrógeno. El proceso conocido como Fischer-Tropsch (licuefacción indirecta) puede resumirse en la siguiente ecuación:
𝑒𝐶𝑂 + (2𝑒 + 1)𝐻2 → 𝐶𝑛𝐻(2𝑛+2) + 𝑒𝐻2𝑂
Estos métodos pueden utilizar como materia prima biocarburantes en lugar de carbón para producir carburantes sintéticos de la misma forma. Ejem:
𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝐶𝑂 + 3𝐻2
El gas de síntesis así producido puede usarse para fabricar los combustibles deseados
COMBUSTIBLES FÓSILES
Combustibles “verdes”, la huella del carbono: la producción de energía a partir de la quema de combustibles produce dióxido de carbono. Se denomina huella de carbono de una reacción a la cantidad neta de dióxido de carbono producido en el proceso.
Aunque la producción de biocombustibles
es más cara, la huella de carbono
de estos es menor ya que el
dióxido de carbono es
absorbido en la fotosíntesis
durante su desarrollo.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Fusión de hidrógeno: la fusión de núcleos de hidrógeno es la fuente de la energía del sol. Esta reacción de fusión produce mucha más energía que la fisión de U-235 o Pu-239, los combustibles utilizados en los reactores nucleares.
La fusión de núcleos de hidrógeno para producir helio libera una enorme cantidad de calor y no produce residuos nucleares, pero necesita una gran cantidad de energía para iniciar la reacción.
La bomba de hidrógeno utiliza una reacción de fisión nuclear, una pequeña bomba atómica, para suministrar la energía inicial.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
La existencia de abundante combustible y la no producción de residuos nucleares hacen de la fusión una atractiva fuente de generación de energía. Sin embargo, los problemas tecnológicos que presenta son enormes, no existen materiales que puedan resistir las altas temperaturas que la fusión requiere. A pesar de ello, la investigación en la fusión sigue avanzando.
Inicialmente se creyó que la energía del sol provenía de algún tipo de reacción de combustión, o de la energía potencial gravitatoria que debido a su gran tamaño se convierte en energía térmica. De acuerdo con estas teorías el sol duraría de unos pocos miles a unos pocos millones de años. Hasta después de la teoría de la relatividad de Einstein no se comprendió la fusión nuclear.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
En el sol los núcleos de hidrógeno o protones se combinan para formar deuterio 2H, una vez formado se combina de nuevo formando núcleos de helio.
El helio consta de dos protones y dos neutrones, pero su masa es menor que la suma de las masas de éstos. A esto se le denomina defecto de masa.
La masa no se conserva, la masa perdida (defecto de masa) se transforma en energía mediante la expresión:
𝐸 = 𝑣𝑒2
Energía de enlace nuclear: es la energía necesaria para separar un núcleo en sus partículas constituyentes, protones y neutrones.
Energía de enlace por nucleón: para un elemento, es la energía de enlace nuclear dividida por el número de nucleones (protones y neutrones) del elemento en cuestión.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Energía de enlace por nucleón
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Procesos nucleares: fusión y fisión.
Uno de los mecanismos propuestos para la producción controlada de energía mediante fusión nuclear es el que implica la fusión de un núcleo de deuterio y uno de tritio:
21H + 31H → 42He + 10n
En esta reacción se libera un neutrón. Hay una diferencia significativa en la energía de enlace por nucleón entre el helio y los dos isótopos del hidrógeno. Ese defecto de masa se convierte directamente en energía. De hecho se libera tanta energía que si la reacción se lleva a cabo experimentalmente en cantidades mayores que átomo por átomo, el calor producido hace que la reacción sea difícil de retener en un recipiente.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Como podemos observar en la gráfica de energía de enlace por nucleón, el Fe tiene la configuración más estable. Los elementos que se encuentran por debajo del hierro, elementos ligeros, al fusionarse producen elementos más estables ya que la energía de enlace va en aumento.
En la otra parte, los elementos transuránidos más pesados (con número atómico por encima de 92) pueden escindirse en núcleos más ligeros mediante el proceso de fisión nuclear. Este proceso es el que tiene lugar en las centrales nucleares para producir energía eléctrica.
23592U + 10n → 141
56Ba + 9236Kr + 3 1
0n
Los neutrones producidos pueden ser utilizados para dividir más núcleos de uranio manteniéndose la reacción. Se produce una reacción en cadena.
En las centrales nucleares es necesario controlar la reacción, para ello algunos de los neutrones producidos son absorbidos mediante barras de control en el interior del reactor.
Se denomina masa crítica a la cantidad mínima de materia necesaria para que se mantenga la reacción en cadena
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Diagrama de una central nuclear
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Tipos de partículas subatómicas.
Partícula Símbolo Descripción
Alfa α Es la más masiva, solo puede desplazarse unos cm en el aire. Peligrosa por inhalación o ingesta.
Beta 𝛽 Son producto del decaimiento nuclear. Tienen un rango de unos pocos metros. Pueden quemar la piel.
Gamma 𝛾 Ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Alto poder de penetración. Pueden provocar cáncer. Bajo control son utilizadas en medicina.
Neutrón n Es emitida en las reacciones de fusión y fisión. Alta penetración, puede dañar materiales biológicos.
Positrón 𝛽+
La antipartícula del electrón.
Protón p Forma parte del núcleo atómico.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Vida media en un proceso nuclear:
La estabilidad de los núcleos depende de la relación de protones y neutrones que tenga el átomo. A medida que crece el número de protones, la repulsión electrostática es tan grande que los neutrones no son capaces de estabilizar el núcleo.
La desintegración radiactiva sigue una cinética de primer orden cuya ecuación es: 𝑁 = 𝑁0𝑒−𝜆𝑎
Donde 𝑁0 representa el contenido inicial de átomos, N el contenido actual después de haberse desintegrado durante un tiempo t
y 𝜆 es la constante de desintegración
propia de cada elemento.
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Vida media: tiempo que tarda una muestra en desintegrarse a la mitad.
𝑡12�
= 𝑡𝑙𝑒2
𝑙𝑒 𝑁0𝑁
Esta ecuación puede expresarse también como:
𝑁0 = 𝑁𝑁2𝑛𝑛 𝑣𝑎𝑎𝑎𝑣 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑎𝑣 𝑎𝑎𝑎𝑛𝑣𝑐𝑡𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
Nº vidas medias transcurrido
Cantidad restante Fracción restante
0 100% 1
1 50% ½
2 25% ¼
FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
Residuos radiactivos:
Los neutrones producidos en exceso en la fisión nuclear son absorbido por las barras de control en el reactor nuclear. Los radioisótopos utilizados en medicina e investigación pueden también usarse como material diana en estos reactores.
Sim embargo, la fisión nuclear produce gran cantidad de residuos radiactivos peligrosos que deben eliminarse de forma segura y evitar su utilización para la fabricación de armas nucleares.
Muchos productos de la fisión tienen largas vidas medias y son perjudiciales para los organismos vivos. El combustible usado y las barras de control pueden ser almacenados bajo el agua en las propias plantas nucleares.
Para el almacenamiento a largo plazo el combustible gastado está encerrado en acero rodeado por un gas inerte y cubierto de hormigón.
ENERGÍA SOLAR
Fotosíntesis: aprovechamiento de la energía solar por la clorofila.
La luz del sol es absorbida en los cloroplastos por la clorofila.
La luz visible puede ser absorbida por moléculas que tienen estructuras conjugadas con alternancia de enlaces simples y múltiples. Al absorber los fotones de la luz los electrones son excitados. En un sistema de enlaces conjugados la excitación de los electrones se produce en la longitud de onda visible de la luz.
Al retornar a su estado fundamental los electrones emiten energía que da lugar a una serie de complicadas reacciones en el proceso denominado fotosíntesis. El resultado es la transformación de dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno según la ecuación:
6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2
ENERGÍA SOLAR
El color de las flores depende de las longitudes de onda absorbidas y reflejadas. Las violetas son azules (o violetas) debido al pigmento antocianina. Los pigmentos antociánicos son los responsables de los colores de los pétalos de las flores.
ENERGÍA SOLAR
Biocombustibles
La conversión del dióxido de carbono en carbohidratos mediante la energía solar a través de la fotosíntesis produce nuestros alimentos y combustibles.
Biocombustibles, como el etanol, se obtienen del maíz por fermentación alcohólica: 𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2
El etanol así producido puede añadirse o mezclarse con gasolina.
Aunque en la fermentación se libera
dióxido de carbono, al ser éste absorbido
en la fotosíntesis se considera que el balance
total es nulo.
ENERGÍA SOLAR
Biodiesel: es otro combustible sostenible que puede sustituir al diesel. Se
produce a partir de aceites vegetales. Su mayor viscosidad supone un problema al fluir con mayor dificultad pudiendo obstruir los inyectores de combustible en los motores.
Este problema puede paliarse convirtiendo los aceites vegetales en ésteres menos viscosos mediante el proceso denominado transesterificación:
𝑇𝑒𝑒𝑔𝑙𝑒𝑒𝑇𝑒𝑒𝑑𝑝𝑠 + 𝑣𝑒𝑡𝑒𝑒𝑝𝑙 → 𝑣𝑒𝑡𝑒𝑙𝑇𝑠𝑡𝑒𝑒𝑒𝑠 𝑙𝑒𝑝𝑑𝑒𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑔𝑙𝑒𝑒𝑒𝑒𝑝𝑙
Un proceso similar de transesterificación entre un éster de cadena larga, del aceite vegetal, y un alcohol de cadena corta en medio fuertemente ácido o básico produce diferentes ésteres:
𝑅𝐶𝑂𝑂𝑅′ + 𝑅′′𝑂𝐻 → 𝑅𝐶𝑂𝑂𝑅′′ + 𝑅′𝑂𝐻
Al ser sustituido el radical alquílico más largo del éster por el más corto del alcohol, el nuevo éster será más volátil y menos viscoso.
ENERGÍA SOLAR
Las fuentes de biodiesel son muy variadas dependiendo de las materias primas disponibles: aceite de pescado, grasas animales o aceites vegetales.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Influencia humana en el cambio climático.
Existen evidencias de que el aumento en los niveles de gases de efecto invernadero en la atmósfera por la actividad humana está cambiando el clima.
El efecto invernadero natural.
Las radiaciones de más alta frecuencia procedentes del sol son absorbidas en las capas superiores de la atmósfera, permitiendo que las longitudes de onda del rango del UV, visible y más largas alcancen la superficie donde son absorbidas. Las ondas reflejadas por la superficie son de longitudes de onda superiores al infrarrojo. Estas ondas interactúan con el dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua, principales gases de efecto invernadero, que capturan esta energía haciendo que quede atrapada en la atmósfera terrestre.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
La radiación IR interacciona con los enlaces covalentes de las moléculas de gases de efecto invernadero.
Los enlaces C-H, C=O y O-H poseen frecuencias de vibración en la región del IR. La absorción de radiación provoca que las vibraciones en estos enlaces aumenten y produzcan cambios en el momento dipolar de las moléculas
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Fuentes naturales de gases de efecto invernadero.
La mayor parte del vapor de agua en la atmósfera es de origen natural y constituye el 95% de todos los gases de efecto invernadero. Hay un equilibrio natural entre el agua en la superficie de la tierra y el vapor de agua en la atmósfera. Al calentarse la tierra la cantidad de vapor de agua en la atmósfera aumenta y la absorción de más radiación IR produce un mayor calentamiento. Sin embargo, al haber más vapor condensado en las nubes se produce un bloqueo al paso de la luz solar y un enfriamiento del planeta.
Mientras la cantidad de vapor de agua en la atmósfera no cambie mucho y pueda autorregularse, el problema procederá de otros gases especialmente el dióxido de carbono. Desde la revolución industrial las emisiones de dióxido de carbono han ido creciendo exponencialmente.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Gases de efecto invernadero procedentes de las emisiones debidas a la
actividad humana. Las fuentes antropogénicas más importantes de gases de efecto invernadero son:
La quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas) para la producción de energía que origina grandes emisiones de dióxido de carbono, representa casi el 50%.
Otros gases procedentes de la actividad industrial ,como los óxidos de nitrógeno, representan aproximadamente un 25%.
La agricultura y la deforestación suponen el 25% restante. La agricultura contribuye especialmente a la concentración de metano. La deforestación aumenta la cantidad de dióxido de carbono.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Sumideros de carbono: el papel de los océanos: de todo el dióxido de carbono liberado a la atmósfera por la actividad humana, aproximadamente la mitad se mantiene en ella. El resto es eliminado en los sumideros de carbono, como los océanos.
La concentración de CO2 resultante ha ido aumentando aproximadamente un 1% al año en el período comprendido entre 1990 y 2010
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Aproximadamente el 30% del CO2 de origen antropogénico es absorbido por los océanos. El dióxido de carbono no es muy soluble, en la superficie de los océanos tiene lugar el siguiente equilibrio:
𝐶𝑂2 𝑔 ↔ 𝐶𝑂2 𝑒𝑎
Sin embargo, una vez disuelto, rápidamente se establece el equilibrio con el ácido carbónico:
𝐶𝑂2 𝑒𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑙 ↔ 𝐻2𝐶𝑂3 𝑒𝑎
El proceso anterior es levemente exotérmico, por lo que un aumento de la temperatura desplazará el equilibrio a la izquierda disminuyendo la solubilidad del dióxido de carbono en agua. Como las temperaturas son más bajas en el fondo del océano, la solubilidad es mayor en aguas profundas.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
El ácido carbónico es un ácido diprótico que se disocia según los equilibrios:
𝐻2𝐶𝑂3 𝑒𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑙 ↔ 𝐻3𝑂+ 𝑒𝑎 + 𝐻𝐶𝑂3− 𝑒𝑎
𝐻𝐶𝑂3− 𝑒𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑙 ↔ 𝐻3𝑂+ 𝑒𝑎 + 𝐶𝑂32− 𝑒𝑎
La acidez del agua dependerá de las concentraciones de las especies anteriores:
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Medidas para la reducción de gases de efecto invernadero.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Panel Intergubernamental para el cambio climático (IPCC): formado por expertos de muchos países.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Industria y producción de energía.
La captura y almacenamiento de carbono (CCS) es el proceso de captura de residuos de dióxido de carbono donde se producen, como en las centrales de producción de energía a partir de combustibles fósiles, transportándolos a un lugar de almacenamiento que impida su emisión a la atmósfera. Estos lugares de almacenamiento pueden ser formaciones geológicas subterráneas.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Algunas medidas para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero son:
Muchas centrales térmicas de carbón utilizan ya desulfuradoras que evitan la emisión de SO2
Absorción de dióxido de carbono mediante silicatos: 𝑀𝑔2𝑆𝑒𝑂4 𝑠 + 2𝐶𝑂2 𝑔 → 2𝑀𝑔𝐶𝑂3 𝑠 + 𝑆𝑒𝑂2 𝑠
La combustión de combustibles fósiles libera dióxido de carbono que previamente se almacenó bajo tierra, por lo que el cambio a alternativas de carbono neutro como el gas de síntesis es deseable.
En el reciclaje de carbono el objetivo es utilizar dióxido de carbono como materia prima para combustibles sintéticos.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Agricultura y deforestación.
El metano y N2O son los gases de efecto invernadero más producidos por la agricultura. Aunque su abundancia es mucho menor que la del dióxido de carbono su impacto es muy elevado. El metano produce 25 veces más impacto y el óxido nitroso 300 veces.
La industria ganadera produce una gran cantidad de estos gases por la descomposición anaeróbica de la materia orgánica. También se originan por el uso de fertilizantes.
El uso cuidadoso de la tierra y el reciclaje pueden reducir la huella de carbono de la agricultura. El cambio de fertilizantes a base de nitrógeno a métodos de rotación de cultivos podría aumentar el nivel de CCS y reducir las emisiones.
La deforestación para aumentar las tierras de cultivo también es nociva ya que se aumenta el uso de fertilizantes.
Utilizar espacios urbanos para el cultivo puede subvencionar algunas comunidades y reducir los costes del transporte.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Oscurecimiento global.
El humo, las partículas de polvo y las nubes reflejan la luz del sol de nuevo al espacio, causando un oscurecimiento que enfría la superficie de la tierra.
Las partículas del hollín y la ceniza pueden cambiar las propiedades de las nubes. Pequeñas gotas de agua pueden recoger las partículas en suspensión y formar nubes.
Las nubes contaminadas reflejan más la luz.
En la Unión Soviética se estimó una reducción de la radiación solar del 20% entre 1960 y 1987.
En el mundo se estima una reducción media de un 2-3% en las dos últimas décadas.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
El oscurecimiento global tiene efectos nocivos como:
Lluvia ácida producida por ciertos contaminantes.
Disminución de la evaporación del agua, que puede reducir las lluvias monzónicas y conducir a una reducción de los rendimientos de los cultivos en las zonas del mundo donde más se necesitan.
La polución local causa problemas de salud, como el asma.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL. CALENTAMIENTO GLOBAL
Los efectos del calentamiento global sobre el cambio climático.
Algunas observaciones que confirman el cambio climático son la menor cantidad de radiación que llega a la superficie de la tierra, el derretimiento del permafrosts, tormentas y huracanes devastadores, temperaturas más extremas, records de lluvias y sequías.
Drásticos cambios en el clima podrían significar cambios en los recursos hídricos y de alimentos para la
creciente población mundial
Bibliografía
BYLIKIN, S. et al. (2014) Chemistry. Great Britain: Oxford
