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La Atmósfera
La Atmósfera
La atmósfera es un sistema extremadamente complejo. Sus constituyentes gaseosos y partículas en suspensión se distribuyen de manera concéntrica y cambian a medida que nos alejamos de la superficie del planeta. Las moléculas que la constituyen están siendo constantemente bombardeadas por la radiación del sol, lo que tiene efectos químicos profundos, principalmente en las capas más externas. Por efecto del campo gravitatorio de la tierra, los átomos y moléculas que la constituyen se distribuyen de manera no homogénea y gases como el oxígeno disminuyen progresivamente cuando nos alejamos del nivel del mar. Esto es tan evidente que sobre los cinco mil metros de altitud se vuelve difícil respirar para una persona que sube desde el nivel del mar. La atmósfera se divide de acuerdo a la variación de la temperatura según la altitud en:
La troposfera es la capa más próxima al suelo. Se extiende hasta unos 11 km en promedio y posee más del 80% de la masa total del aire y casi todo el vapor de agua presente en la atmósfera. En ella, se producen todos los fenómenos climáticos. Su temperatura disminuye progresivamente al alejarse de la superficie, a un ritmo de alrededor de seis grados Celsius por kilómetro.
La estratosfera, se encuentra sobre la toposfera y está constituida por nitrógeno, oxígeno y ozono. En esta capa, a diferencia de la anterior, la temperatura aumenta con la altitud. Este calentamiento se debe a las reacciones exotérmicas que se producen al incidir la radiación solar sobre los gases constituyentes, principalmente el oxígeno. El resultado de estas reacciones ha sido la formación de la capa de ozono, la que bloquea el paso de gran parte de la radiación ultravioleta proveniente del sol. La estratosfera se extiende unos 50 kilómetros por sobre la troposfera .
La mesosfera, se ubica sobre la estratosfera; en esta capa la temperatura disminuye hasta varias decenas de grados bajo cero. La concentración de ozono y otros gases es muy baja.
La ionosfera o termosfera, como puede encontrarse en algunos textos, es la capa más externa de la atmósfera y la más extensa con cerca de 400 kilómetros.En ella, la cantidad de gases es mínima ,pero las especies moleculares de oxígeno y nitrógeno presentes son constantemente bombardeadas por partículas subatómicas de alta energía, provenientes del sol .El efecto de este bombardeo es la ionización de estas moléculas y la liberación de calor. Debido a estos fenómenos, la temperatura vuelve a aumentar en esta capa llegando a valores sobre los mil grados centígrados .Las partículas ionizadas son las responsables de que las ondas de radio se reflejen y regresen a la tierra.
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Prop.de los Gases y el Aire
Prop.de los Gases y el Aire
Nota: Los textos con fondo
corresponden al módulo electivoLa atmósfera es una mezcla de gases, cada uno de los cuales posee una densidad, masa, volumen y punto de condensación propios. Aunque no podemos verlas, las moléculas gaseosas ocupan todos los espacios que nos parecen vacíos. Estas se encuentran mucho más separadas que en los líquidos o sólidos, por lo que su densidad es muchísimo menor. Por ejemplo, la densidad del aire seco y frío es de 0,001293 g/cm3, es decir ,casi mil veces inferior a la densidad del agua (1 g/cm3).
El aire está constituido por una mezcla de gases, siendo el nitrógeno el constituyente principal; a nivel del mar, este último alcanza al 78%, mientras que el oxígeno constituye el 20,9%. Los demás gases se encuentran en concentraciones mucho más bajas: el argón representa menos del 1% de los gases atmosféricos, mientras que el dióxido de carbono representa sólo el 0,033% de los gases que forman el aire.
El nitrógeno y el oxígeno no solo se presentan en la biosfera como moléculas biatómicas estables, sino que sufren múltiples transformaciones, cambiando su estado de oxidación y formando parte de diversos compuestos. Estos procesos se denominan ciclo del nitrógeno y ciclo del oxígeno. El primero, algo menos complejo que el segundo, implica la fijación del nitrógeno por procesos biológicos e industriales, esto es, la transformación del nitrógeno molecular en compuestos nitrogenados, que al ser absorbidos por las plantas sirven para la formación de aminoácidos y otras moléculas, asimiladas, a su vez, por otros animales y transferidas a través de las cadenas tróficas. Cuando los animales y plantas mueren, microorganismos anaerobios descomponen sus tejidos y producen nitrógeno molecular a partir de nitratos; este nitrógeno vuelve a la atmósfera cerrando el ciclo.
El ciclo del oxígeno es algo mas complejo, por la gran cantidad de compuestos en que puede encontrarse. La fuente principal de oxígeno molecular es la fotosíntesis, proceso en que este es regenerado a partir de CO2 y agua. El oxígeno molecular pasa al dióxido de carbono durante la respiración de los seres vivos y la combustión,cerrando el ciclo. De todas formas, parte del oxígeno que sube a capas superiores de la atmósfera escapa momentáneamente al convertirse en ozono por efecto de la luz UV, el cual, debido a su inestabilidad, regenera el oxígeno.
• La masa del aire no es tan despreciable
Aunque el aire parece impalpable y muy ligero, unos pocos cálculos matemáticos nos pueden llevar a ver cuán grande es su masa sobre nuestras cabezas.
Si un cm3 de aire pesa 0,001293 g entonces un litro de aire pesará 1,293 g, lo que aún es muy poco. Pero si consideramos que la troposfera, más o menos densa, se extiende por unos 4 Km. tenemos cerca de 40.000 litros de aire sobre nuestra cabeza, es decir cerca de 51 kilogramos.
El barómetro fue inventado por el italiano Evangelista Torricelli (1608-1674) quien, al invertir un tubo de vidrio lleno de mercurio sobre una cubeta que contenía el mismo líquido observó, con sorpresa, que el mercurio del tubo no se derramaba, sino que bajaba hasta una altura de 760 mm sobre el nivel de la cubeta. Este valor corresponde a la presión atmosférica, medida a nivel del mar; esta se denomina presión atmosférica normal y se la iguala a 1 atmósfera. Tenga presente, entonces, que 1 atmósfera es igual a 760 mm de mercurio.• Leyes de los gases
Los gases, entre ellos el aire, pueden experimentar cambios significativos de volumen (V) cuando son sometidos a cambios de presión (P) y temperatura (T). Esta cualidad los distingue claramente de sólidos y líquidos,los que son básicamente incompresibles, aun cuando sufren discretos aumentos de volumen cuando se los calienta.Las ecuaciones que representan las relaciones entre estas variables se conocen como leyes de los gases y son el fruto del incansable trabajo experimental de los siglos 17, 18 y 19.
• Ley General de los Gases
Establece que para una masa determinada de cualquier gas, se cumple que el producto de la presión por el volumen, dividido por la temperatura, es una constante.
• Ley de Avogadro : Relación entre volumen y cantidad
El científico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) postuló en 1811,que a la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de moléculas. Por lo tanto, el volumen de cualquier gas debe ser proporcional al número de moles de moléculas presentes.
De aquí deriva la ley de Avogadro que establece que: A presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles de gas presentes.
Esto permite que en el caso de una reacción, en que los reactantes y los productos sean gases y que transcurra a temperatura y presión constante, podamos homologar los moles a volumen.
• La ecuación del gas ideal
Un gas ideal, como su nombre lo dice, es un gas hipotético,cuyo comportamiento respecto a presión, temperatura y volumen puede ser descrito completamente por la ecuación del gas ideal. En un gas ideal, las moléculas no se atraen ni repelen entre sí, y su volumen es despreciable en comparación al del recipiente que lo contiene. Aunque en la naturaleza no hay gases ideales, esta ecuación puede ser aplicada a los gases reales con bastante seguridad, cuidando controlar las condiciones del experimento, de manera que sean las mismas para las que se calculó la constante de los gases. Si trabajamos a 0ºC (273,15 K) y 1 atm de presión, muchos gases reales se comportan como un gas ideal. Bajo estas condiciones, un mol de un gas ideal ocupa un volumen de 22,414 L .A estos valores de presión y temperatura, se les conoce como temperatura y presión estándar.
Para estas condiciones y reemplazando los valores en la ecuación del gas ideal,es posible obtener la constante de los gases para esa condición, la que es 0,082057 L * atm / K * mol.
Téngase en cuenta la importancia de las unidades de la constante. Es vital, por lo tanto, convertir los grados centígrados a kelvin, y expresar el volumen en litros y la presión en atmósferas.
• Ley de Dalton de las presiones parciales
La ecuación del gas ideal, como las que le dan sustento, consideran siempre sustancias gaseosas puras, es decir, se evalúa el comportamiento de un solo gas a la vez. Pero como usted ya habrá notado la mayoría de los gases con que nos topamos a diario, partiendo por el aire, son mezclas de dos o más gases. En 1801, el físico inglés John Dalton (1766-1844) formuló una ley que establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviera solo.
• Teoría cinética molecular de los gases
La teoría de los gases explica cómo se comportan los gases, pero no explica, a nivel molecular, el por qué se comportan de esa manera. Una teoría para explicar estos fenómenos fue desarrollada durante el siglo XIX, como producto del trabajo de varios físicos; entre otros, el austriaco Ludwing Bolzmann (1844-1906) y el escocés James Maxwell (1831-1879).
A partir de estos postulados, podemos suponer que en los sólidos, la fuerza de cohesión predomina, de modo que el grado de agitación térmica es muy baja, por lo que el movimiento molecular es prácticamente solo vibracional. En los líquidos, la fuerza de cohesión y de dispersión están equilibradas, de manera que las moléculas tienen una mayor agitación térmica, disminuyendo la agitación vibracional. En los gases, en cambio, las moléculas se mueven constantemente, chocando tanto entre ellas como con las paredes del recipiente que las contiene. Como producto de la energía de estos choques, ejercen una presión sobre las paredes del contenedor, lo que da lugar a una gran agitación térmica.
Ahora podemos explicar, a la luz de la teoría cinética molecular, las leyes de los gases. Pensemos en el aumento de volumen a temperatura constante. El hecho que la temperatura permanezca constante supone que la energía cinética media de las moléculas de gas no cambia, y por tanto, la velocidad de las moléculas tampoco cambia. Pero como el volumen aumenta, las moléculas deben recorrer distancias mayores entre choques. Por lo mismo, habrá menos choques por unidad de tiempo contra las paredes del recipiente y la presión disminuirá. También podemos explicar el efecto de un aumento de temperatura a volumen constante. El incremento en la temperatura implica un aumento en la energía cinética media de las moléculas. Si el volumen no cambia, habrá más choques por unidad de tiempo y estos serán con mayor fuerza. De este modo, el modelo explica el aumento en la presión que se observa.A partir de estos postulados, podemos suponer que en los sólidos, la fuerza de cohesión predomina, de modo que el grado de agitación térmica es muy baja, por lo que el movimiento molecular es prácticamente solo vibracional. En los líquidos, la fuerza de cohesión y de dispersión están equilibradas, de manera que las moléculas tienen una mayor agitación térmica, disminuyendo la agitación vibracional. En los gases, en cambio, las moléculas se mueven constantemente, chocando tanto entre ellas como con las paredes del recipiente que las contiene. Como producto de la energía de estos choques, ejercen una presión sobre las paredes del contenedor, lo que da lugar a una gran agitación térmica.
• Propiedades químicas del aire
Los gases constituyentes del aire, así como los generados por las actividades humanas, conforman un sistema químico complejo. El nitrógeno, el constituyente principal del aire, está formado por moléculas diatómicas (N2). A temperatura y presión normal, este gas es completamente inerte. Solo reacciona a elevadas temperaturas, como las producidas por las descargas eléctricas, formando óxidos con el oxígeno. Estos óxidos, en presencia de agua, forman ácido nítrico, el que, por procesos enzimáticos asociados a determinadas plantas, es convertido a amoniaco, pudiendo ser utilizado por plantas y animales.
El oxígeno está constituido por moléculas diatómicas conformadas por dos átomos de oxígeno (O2). Este gas es poco reactivo a temperatura ambiente, pero a temperaturas elevadas, se combina fácilmente con otras sustancias. La combustión de diversas substancias en el aire es un proceso asociado a la reacción con oxígeno; por ejemplo, el papel o la madera solo pueden arder en presencia de oxígeno.
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Contaminación Atmosférica
Contaminación Atmosférica
• Cambios climáticos globales
A lo largo de historia de la tierra, ha habido múltiples cambios en el clima del planeta. En algunas épocas, el clima ha sido cálido y en otras frío, pudiendo pasar bruscamente de una condición a otra.
Durante el periodo cuaternario, se han presentado varias glaciaciones extensas, las que se han alternado con épocas de clima más benigno, similar al actual. Las diferencias en la temperatura media de la Tierra entre una época glacial y una interglacial es de sólo unos 5ºC o 6ºC . Bastan estas pequeñas diferencias para pasar de un clima con grandes casquetes glaciares extendidos por toda la Tierra a otro como el actual. Así se entiende que modificaciones relativamente pequeñas en la atmósfera, que cambien la temperatura media unos pocos grados, podrían originar transformaciones importantes y rápidas en el clima y afectar de forma muy significativa a la Tierra y a nuestro sistema de vida.
• Efecto invernadero
Dentro de un invernadero, la temperatura es más alta que en el exterior, porque parte de la energía que entra no sale o lo hace más lentamente, debido a las características de la estructura del recinto. La Tierra se comporta, en cierto modo, de manera similar, al retener parte del calor del sol gracias a algunos de los gases que constituyen su atmósfera. Si no fuera por estos gases, el calor se perdería muy rápidamente y la tierra se enfriaría. Se estima que la temperatura media de la Tierra caería en unos 30 grados, es decir, desde unos 15ºC a -15ºC, si la atmósfera no existiera.
Otros gases como el oxígeno y el nitrógeno, aunque se encuentran en proporciones mucho mayores, no son capaces de generar efecto invernadero, ya que no interactúan con la radiación infrarroja.
• Aumento de la concentración de gases con efecto invernadero
En el último siglo, la concentración de anhídrido carbónico y otros gases invernadero en la atmósfera se ha ido incrementando de manera constante, debido a la actividad humana. Primero, como efecto de la quema de bosques para despejar terrenos agrícolas; luego, por el uso de combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural. La concentración media de dióxido de carbono se ha incrementado desde unas 275 ppm antes de la revolución industrial, a 315 ppm y hasta 361 ppm a mediados de la década pasada. Los niveles de metano se han doblado en los últimos 100 años, mientras que la cantidad de óxido de dinitrógeno se incrementa en un 0.25% anual.
• Cambio climático
Aún cuando no es posible predecir con exactitud el efecto de estos cambios, se espera un aumento de la aridez de los desiertos, lo que tendría graves consecuencias en el Oriente Medio y en África, donde el agua es escasa. Por otra parte, se espera un derretimiento masivo de glaciares y de gran parte de los casquetes polares, con el consecuente aumento del nivel de las aguas.
En resumen, cientos de millones de personas verían desaparecer sus hogares bajo el agua, mientras que un número bastante mayor sería presa de los procesos de desertificación y pérdida de las tierras cultivables.
• Deterioro de la capa de ozono
El ozono que se encuentra en la estratosfera, entre los 11 y 45 kilómetros, cumple la importante función de absorber las radiaciones ultravioletas procedentes del sol, que pueden ser muy dañinas para los seres vivos. En los últimos decenios, este ozono está siendo destruido al reaccionar con átomos de cloro que cada vez son más abundantes en la estratosfera, como consecuencia de algunas actividades humanas. Este incremento es originado, principalmente, por un grupo de compuestos químicos denominados CFC (clorofluorocarbonos). Se trata de productos muy poco reactivos, por lo que fueron la solución óptima para la fabricación de compuestos refrigerantes, goma espuma, propelente de extintores y aerosoles. Sus ventajosas características los hicieron muy populares en las últimas décadas, siendo producidos en gran cantidad. Sin embargo, debido a su estabilidad química, se acumulan en la atmósfera sin ser destruidos, ascendiendo hasta la estratosfera, donde las radiaciones ultravioletas rompen las moléculas de CFC , liberando los átomos de cloro responsables de la destrucción del ozono. Los átomos de cloro pueden destruir miles de moléculas de ozono antes de regenerar una molécula de cloro, la que, por efecto de la radiación UV, puede volver a generar átomos de cloro libres, reiniciando el proceso de destrucción del ozono.
Lluvia ácida
La industria metalúrgica, así como algunas industrias o centrales térmicas que usan combustibles de baja calidad, liberan al aire atmosférico importantes cantidades de óxidos de azufre y nitrógeno. Estos contaminantes, por ser gases, pueden ser trasladados a grandes distancias por las corrientes atmosféricas, sobre todo cuando son emitidos a la atmósfera desde chimeneas muy altas, que disminuyen la contaminación en las cercanías, pero la trasladan a otros lugares.
Una parte de la contaminación regresa a la tierra, asociada a partículas de polvo (deposición seca). El resto de los óxidos de nitrógeno y azufre son convertidos en ácido nítrico y sulfúrico, los que vuelven a la tierra con las precipitaciones de lluvia o nieve (lluvia ácida).
Efectos dañinos de la lluvia ácida
Los ecosistemas acuáticos son, sin duda, los más sensibles a los cambios de pH. La reproducción de algunos animales acuáticos se altera, hasta el punto de que muchas especies de peces y anfibios no pueden subsistir en aguas con pH inferiores a 5,5. Especialmente grave es el efecto de la lluvia ácida en lagos situados en terrenos de roca no caliza, porque cuando el terreno es calcáreo, los iones alcalinos son abundantes en el suelo y neutralizan, en gran medida, la acidificación; pero si las rocas son granitos, o rocas ácidas pobres en cationes, los lagos y ríos se ven mucho más afectados por una deposición ácida que no puede ser neutralizada por la composición del suelo. El efecto sobre los ecosistemas terrestres no es tan evidente, aun cuando se la responsabiliza de la llamada “muerte de los bosques” que afecta a grandes extensiones de superficies forestales en todo el mundo. También parece afectar al ecosistema terrestre, a través de los cambios que produce en la acidez de los suelos.Un efecto distinto producido por la lluvia ácida, pero no menos nocivo e importante, es la corrosión de metales y construcciones. Muchos edificios y obras de arte situadas a la intemperie se están deteriorando a mucho mayor velocidad que antes de la industrialización, a causa de la contaminación atmosférica, especialmente la deposición ácida. Esta situación es extrema para los edificios construidos en mármol o piedra caliza, los que son literalmente solubles en ácido.
• El Smog fotoquímico
En muchas ciudades del mundo, entre ellas Santiago, uno de los principales problemas de contaminación del aire lo constituye el llamado smog fotoquímico. Con este nombre, nos referimos a una mezcla de contaminantes de origen primario (óxidos de nitrógeno e hidrocarburos) y secundarios (ozono, peroxiacilo, radicales hidroxilo ,etc.), que se forman por reacciones producidas por la luz solar, al incidir sobre los primeros. Las reacciones fotoquímicas que originan este fenómeno suceden 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 acaba formando un conjunto de varias decenas de sustancias distintas, como nitratos de peroxiacilo (PAN), peróxido de hidrógeno (H2O2), radicales hidroxilo (OH), formaldehído, etc. Estas sustancias, en conjunto, resultan extremadamente tóxicas, tanto para vegetales como animales, siendo responsables de muchas de las molestias respiratorias y oculares que sufrimos por efecto del smog. Es interesante advertir cómo el ozono, producido en la troposfera a unos 50 kilómetros de la superficie terrestre puede ser vital para nuestra supervivencia, mientras que en las zonas bajas de la troposfera puede constituir un contaminante peligroso.
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Cuadro Sinóptico
Cuadro Sinóptico
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 1
¿Cuál será la presión final de un gas que es calentado hasta los 400º C, en un recipiente cerrado de volumen constante, si su presión inicial es de 2 atmósferas a 25º C?
En este ejercicio, tenemos todos los valores que requerimos para determinar la presión final, ya que en el enunciado se nos dan las condiciones iniciales del gas respecto a su temperatura y presión y se nos advierte, además, que se encuentra confinado en un recipiente de volumen constante. Para poder aplicar las leyes de los gases, debemos considerar que este gas se comporta como un gas ideal. Como ya vimos, la mayoría de los gases reales, a concentraciones bajas, se comportan de manera muy similar a un gas ideal; luego, podemos aplicar las leyes de los gases con total tranquilidad. Si revisamos la clase, nos daremos cuenta que las condiciones del ejercicio corresponden a la relación descrita por el químico francés Gay-Lussac, quien estableció que si un gas, confinado a un volumen constante es calentado, su presión aumenta. Nótese que si el gas estuviese confinado en un recipiente en que pudiese aumentar su volumen, una jeringa, por ejemplo, este aumentaría proporcionalmente con la temperatura, mientras que la presión permanecería constante, tal y como lo describiera el científico francés Jacques Charles en 1787.
Para todos los ejercicios que involucran gases, hay que recordar que la temperatura debe ser expresada en grados Kelvin; por lo tanto, los valores entregados en el problema en grados Celsius deben ser convertidos a grados Kelvin. El cero Celsius corresponde a los 273,15º K, pero para efectos de cálculo, se aproxima a 273; luego; para las temperaturas del ejercicio:
25 + 273 = 298º K y 400 + 273 = 673º K.
Como conocemos la presión y temperatura iniciales y la temperatura final, podemos despejar la ecuación que representa la ley de Gay-Lussac.
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Donde la presión final será igual a la presión inicial, multiplicada por el cuociente entre la temperatura final e inicial.
Si reemplazamos los valores del problema en la ecuación tenemos que Pf = 2 Atm x (673/298) = 4,517 atmósferas.
Pregunta Nº 2
Una cierta cantidad de nitrógeno gaseoso ocupa un volumen de 9,0 L bajo una presión de 1 atm. Si se aumenta la presión a 1,5 atm, manteniendo la temperatura constante. ¿Cuál será el volumen de la misma masa de gas a esta nueva presión?
Par resolver este ejercicio, debemos recordar nuevamente las leyes de los gases. Según la ley de Boyle, enunciada en el siglo XVII por Robert Boyle (1627-1691), el volumen ocupado por una misma masa de gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión que soporta. Es decir, si la presión ejercida sobre un gas aumenta, el volumen del gas disminuye en la misma proporción. Nótese que aun antes de iniciar la resolución del ejercicio, si usted tiene un conocimiento claro de las leyes de los gases, puede predecir con absoluta certidumbre el sentido en que debe variar el volumen del gas. Como la presión aumenta, el volumen debe disminuir.
Pasando a la operatoria, para las condiciones iniciales y finales de presión y volumen, medidas a temperatura constante, se cumple que:
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En el caso de nuestro ejercicio, conocemos tanto la presión inicial como la final, así como el volumen inicial que ocupa el gas. Con estos datos, podemos despejar directamente desde la ecuación el volumen final.
Vf = Pi / Pf x Vi
Si reemplazamos los valores en la ecuación anterior tenemos : Vf = 1 atm / 1,5 atm * 9,0 L
lo que nos da un volumen de 6,0 L.
Nótese que, por tratarse de una ecuación en que se establecen relaciones entre cantidades similares, puede trabajarse con las unidades de presión y temperatura que le parezcan convenientes. Evidentemente, no puede mezclar unidades; luego, si la presión inicial se expresa en torr, la presión final no puede ser expresada en atmósferas y viceversa. Para el caso de los volúmenes, es válido el mismo alcance; podría trabajar con mililitros, decilitros u otras unidades, siempre y cuando se utilicen las mismas a ambos lados de la ecuación.