Unidad Nº 2: El Aire

¿Cómo está compuesto el aire?

El aire es una mezcla de gases 

Casi un 80% de las moléculas del aire son nitrógeno (exactamente un 78,1%) y aproximadamente un 21% lo constituye el oxígeno. Otros gases presentes en menores cantidades son el dióxido de carbono, (CO2) y los gases nobles como el helio (He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr) y xenón (Xe). El último exponente de la familia de los gases nobles, el radón (Rn), es un gas radiactivo que se genera de manera natural en el subsuelo y se filtra al interior de las viviendas. Este es un importante factor de riesgo en la génesis del cáncer pulmonar y es particularmente alto en ciertas zonas geográficas que contienen elevadas concentraciones de minerales de uranio.

Por otro lado, el oxígeno atmosférico sustenta la vida de los organismos aeróbicos y, por el alto grado de naturalidad en la relación que tenemos con él, solemos no valorar su vital importancia. Esto cambia, sin embargo, cuando se presentan eventos de grave contaminación atmosférica, en especial en zonas urbanas con altos niveles de emisión gaseosa y con deficientes condiciones de ventilación producidas por la escasez de vientos, a lo que se suman factores climáticos agravantes, como el de inversión térmica.

Ejercicio de conexión con el clima y la química ambiental:
Averigua sobre las características del fenómeno de inversión térmica y elabora un breve informe sobre el tema.

Contaminacion del aire
 

El aire es una fuente de recursos de la que se extraen sustancias como el oxígeno y nitrógeno, pero también es, como el agua, un recurso que se contamina fácilmente. Esto último se debe a que entre las moléculas existen grandes espacios libres que pueden fácilmente ser ocupados por otros gases, propiedad que se conoce como difusión, y que explica también por qué los gases se mezclan entre sí. Todos los gases se difunden, tanto los emitidos en diversos procesos industriales, como los provenientes de la actividad agropecuaria, que aportan considerables volúmenes de metano (CH4) y etileno (C2H4). Están, también, los gases que son emitidos en fenómenos naturales como las erupciones volcánicas y los géiseres. Las emanaciones volcánicas contienen comúnmente los gases SO2, H2S, HCl, CO2, además de vapor de agua.

Ejercicio de conexión con el cuidado del medio ambiente y con la agricultura:

Reúne información sobre el origen y la importancia de las emisiones de hidrocarburos en la ganadería y elabora un breve informe.

Un “contaminante” es una sustancia que está "fuera de lugar". Un buen ejemplo de ello puede ser el caso del gas ozono (O3). Cuando este gas se encuentra en el aire que respiramos, es decir, bajo los 25 kilómetros de altura habituales, es un contaminante que tiene un efecto dañino para la salud, por lo que en esa circunstancia se le conoce como "ozono malo". Pero el mismo gas, cuando está en la estratosfera, forma la capa que protege de los rayos ultravioletas del Sol a todas las formas de vida en la Tierra, siendo considerado, en este caso, como "ozono bueno".

Un lugar importante en la contaminación de la atmósfera es ocupado por las emisiones gaseosas resultantes de la combustión de los combustibles fósiles: gas natural, petróleo y carbón. Estos gases contaminantes son de naturaleza muy diversa. Los contaminantes más comunes son el dióxido de carbono (CO2), el monóxido de carbono (CO), y los óxidos de nitrógeno (NO), en particular NO y NO2.

Clasificación de los contaminantes:

Generalmente, se distingue entre contaminantes primarios y secundarios del aire. Los primeros son emitidos como tales, mientras que los contaminantes secundarios se forman en complejas reacciones que ocurren en la atmósfera y en las que intervienen, frecuentemente, el oxígeno atmosférico y la radiación solar.

Esquema sobre contaminantes
primarios y secundarios

Enemigos de la atmosfera

1) Efecto invernadero: un nuevo mal a nuestro medio ambiente

En los últimos años se ha intensificado el daño ambiental producido por el efecto invernadero, que es provocado por la acumulación de algunos gases en la atmósfera, tales como vapor de agua, metano y óxidos de nitrógeno, siendo el principal responsable de este fenómeno el dióxido de carbono (CO2). Las moléculas de oxígeno (O2), y de nitrógeno (N2), son transparentes a la radiación infrarroja o radiación térmica, por lo que no la absorben. Las moléculas de dióxido de carbono, en cambio, la absorben, haciendo que la energía radiante reflejada sobre la superficie terrestre sea parcialmente captada en la atmósfera. Esto eleva su temperatura y la de la Tierra, hacia donde es irradiada parte de la energía.

En la siguiente dirección puedes ver un gráfico que muestra la variación de las emisiones de dióxido de carbono, en millones de toneladas por año, discriminada por región.

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Carbon_Emission_by_Region.png

2) Debilitamiento de la capa de ozono 

¿Qué pasa con la capa de Ozono?

También resulta muy preocupante el adelgazamiento de la capa de ozono, puesto que permite que la radiación ultravioleta penetre en una mayor proporción a través de la atmósfera terrestre y aumente notablemente la incidencia de enfermedades que pueden ser fatales, como es el caso del melanoma, un tipo muy agresivo de cáncer a la piel. La radiación ultravioleta produce excitaciones de moléculas de la piel, en particular, de las que transmiten la información genética. Estas moléculas “activadas” o “excitadas” pueden reaccionar con otras modificando los genes, dando así origen a una línea de células que no tienen una función orgánica determinada y que proliferan con rapidez a expensas del tejido circundante.

El papel de la capa de ozono en la estratosfera es retener una fracción importante de la radiación ultravioleta proveniente del sol. La emisión a la atmósfera de diversos contaminantes, principalmente de los clorofluorocarbonos, ha ido destruyendo el ozono a un ritmo mucho más rápido que el de su regeneración. Es paradójico que estos compuestos hayan sido valorados durante muchos años para su uso industrial, basándose en su elevada estabilidad en la atmósfera, pero no así en la estratosfera, donde reaccionan con el ozono. En definitiva, la emisión de estos compuestos resultó ser una enorme desventaja para la preservación del medio ambiente, ya que los clorofluorocarbonos pueden alcanzar intactos las altas capas de la atmósfera, en donde son descompuestos por la radiación ultravioleta. Un solo átomo de cloro proveniente de la descomposición de una molécula de clorofluorocarbono puede destruir alrededor de 1000 moléculas de ozono antes de ser separado del ciclo.

Ejercicio de conexión con el medio ambiente:

Investiga en Internet acerca del proceso de destrucción de la capa de ozono y elabora un breve informe.

3) Lluvia ácida

¿Qué es la lluvia ácida?

Debido a que el agua de lluvia disuelve el CO2 atmosférico y reacciona con él y con óxidos de azufre y de nitrógeno (que son gases eliminados en los procesos industriales), se forman ácidos que le dan una acidez al agua cercana a un grado pH=5.

El impacto de la lluvia ácida es enorme, pues cambia el pH del suelo, afectando los cultivos, acidificando ríos y lagos, dañando tanto la vida acuática, como las construcciones y esculturas, especialmente las de mármol y de piedra. Afortunadamente en Chile el grado de acidez de la lluvia ácida no es tan extremo y por lo tanto no resulta tan dañina, pero debemos tomar las medidas necesarias para evitar que esto ocurra.

Esquema lluvia ácida

La Purificación del aire: respuesta necesaria a su contaminación

La purificación del aire es un proceso complejo. Los gases contaminantes son dispersados y diluidos por el movimiento de grandes masas de aire (vientos, corrientes de convección, etc.) y los contaminantes gaseosos más solubles en agua disminuyen su concentración atmosférica a través de diversos fenómenos climáticos (formación de neblina y lluvias, principalmente), pero también suelen contaminar los suelos y aguas.
Hemos dicho que el aire contiene cerca de una quinta parte en volumen de oxígeno, pero en el caso de las ciudades donde existe una gran contaminación, es  necesario enriquecer el  aire con más oxígeno. Una forma de poder hacerlo es disminuyendo la tala de árboles y creando más áreas verdes, que favorezcan el consumo de anhídrido carbónico y la formación de oxígeno.

Ejercicio de conexión con la biología y la salud humana:
En casos de asfixia se recurre a la reanimación por respiración boca a boca.
¿En qué consiste este tipo de respiración? ¿Cómo se ejecuta en la práctica? Pareciera ser de escasa utilidad insuflar aire espirado en los pulmones de la persona asfixiada. Busca información sobre la composición del aire inspirado y espirado, particularmente en lo que se refiere a la concentración de oxígeno.

¿Cómo se explica el comportamiento de los gases?

La Teoría Cinética Molecular de los gases asume que las moléculas son masas puntuales que se mueven con gran energía cinética.

Los postulados de esta teoría son los siguientes:

  • Toda la materia se compone de diminutas partículas denominadas moléculas.
  • Las moléculas de gas se encuentran en movimiento continuo y al azar, desplazándose en línea recta.
  • El tamaño de las moléculas es muy pequeño comparativamente con el volumen total que ocupan.
  • Existe muy baja atracción intermolecular.
  • Las moléculas de gas chocan entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene, pero estos choques se califican como elásticos dado que las moléculas mantienen la energía cinética promedio.
  • La energía cinética promedio de las moléculas es dependiente de la temperatura.

¿Cuáles son las propiedades de los gases?

  • Los gases se pueden comprimir, es decir, se puede disminuir el espacio que ocupan las moléculas aumentando la presión, o bien disminuyendo la temperatura.
  • Otra propiedad importante es que los gases se expanden y, por lo tanto, pueden aumentar el espacio que ocupan si se experimenta un aumento de temperatura o una disminución de la presión.
  • Los gases se difunden, es decir, se entremezclan las moléculas de diferentes gases.

Estas propiedades se pueden explicar por la Teoría Cinético Molecular.

Leyes de los gases 

Ley de Boyle-Mariotte

El gráfico ilustra la relación existente entre el volumen y la presión de una masa gaseosa a temperatura constante.

Gráfico

El volumen de una masa gaseosa a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión.

Gráfico

Ley de Charles

Cuando se deja caer nitrógeno líquido (-196 º C) sobre el globo, el gas que está dentro del globo se enfría y el volumen disminuye, tal como se observa en la figura.

Experimento con globos

El volumen de una masa gaseosa a presión constante es directamente proporcional a la temperatura.

Gráfico

Ley de Gay-Lussac

Para una masa fija de gas a volumen constante la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta (Kelvin).

Fórmula ley de Gay Lussac

Hipotesis de Avogadro

La masa molar de un gas tiene como unidad g/mol e indica la masa expresada en gramos de un mol, que corresponde a un conjunto de 6,022 x 1023 moléculas.

Un mol (6,022 x 1023 moléculas) de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura (presión 1 atmósfera y temperatura 0ºC o 273 K) ocupa 22,4 litros.

Ejemplos de diferentes gases

Ecuación de estado de los gases ideales

La expresión de la ecuación de estado de los gases es:

Fórmula

Donde:

  • n es el número de moles.
  • V es el volumen y debe estar expresado en litros.
  • P es la presión y debe estar expresada en atmósferas.
  • T es la temperatura y debe estar expresada en Kelvin.
  • R es la constante de proporcionalidad.

Fórmula