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PROFESORADO EN BIOLOGÍA PARA LA EDUCACIÓN SECUNDARIA
INSTITUTO SUPERIOR DE FORMACIÓN PROFESIONAL “LA MERCED” N° 8.155
MATERIA:
PROFESORA: DANIELA BARRAZA
AÑO: 2013
UNIDAD N°2: Química Atmosférica
La Atmosfera terrestre, estructura y composición química.
Química Estratosférica. La capa de O3.
Química Troposférica. La lluvia ácida.
Química en la Capa Mezcla. El smog fotoquímico.
LA ATMÓSFERA TERRESTRE
ParámetrosGravedad
Procesos biogeoquímicos
Luz solar
Naturaleza fisicoquímica de la
atmosfera a diferentes altitudes.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA ATMÓSFERA
Se toma como referencia la tropósfera y la zona baja de la estratósfera. Gases en mayor proporción, N2 (78%), O2 (21%), Ar (0,9%)
Especies gaseosas minoritarias variadas e importantes: CO2, Ne, He, CH4, Kr, H2, N2O, CO, Xe, O3.
Vapor de H2O, su concentración depende de altitud y latitud. Partículas solidas y liquidas.
Aerosol MarinoPulverización de la película marina superficial
Fertilizante natural
Sistema Tierra-Atmósfera se considera CERRADO-CONSERVATIVO
TODAS LAS ESPECIES QUÍMICAS, SI SE TRANSFORMAN, TIENEN QUE PARTICIPAR DE PROCESOS CICLICOS CON EL FIN DE QUE SE CUMPLA EL
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA
EQUILIBRIO ENERGETICO
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
EQUILIBRIO ENERGETICO Y EFECTO INVERNADERO
EQUILIBRIO ENERGETICO Y EFECTO INVERNADERO
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
De estos ciclos depende la composición química de la atmosfera.
Son transformaciones cíclicas que mantienen globalmente la concentración de las especies químicas atmosféricas tanto mayoritarias como minoritarias a niveles constantes.
Los ciclos mas importantes son los del C2 y del N2.
CICLO DEL CARBONO
El C2 es la piedra fundamental de la materia orgánica. H2
N2
S2
En la atmosfera se encuentra como CO2.
Asimilación mediante FOTOSINTESIS. Eliminación mediante Respiración.
CO2 + H2O (CH2O) + O2LUZ
CICLO DEL CARBONO
CICLO DEL CARBONO
Procesos inorgánicos que contribuyen al ciclo.
CaMgSi2O6 + H2O+ CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2
CaCO3 + H2O+ CO2 Ca +2 + 2 HCO3-
CICLO DEL NITROGENO
El N2 es un gas muy estable.
Amonificación
Nitrificación
Desnitrificación
N2 + 8 H+ +6e- 2NH4+
2NH4+ + 3 O2 2NO3- + 8H+
NO3-NO2
N2
QUÍMICA ESTRATOSFERICA. LA CAPA DE OZONO
Contaminantes solubles en H2O retornan a la superficie terrestre.
Contaminantes insolubles en H2O tienen mayor tiempo de residencia.
Barrera química de radicales OH, en el seno de la troposfera.
Barrera térmica.
En la estratosfera es donde se genera el O3, el cual tiene una función protectora.
El O3 es una especie muy reactiva.
ELIMINACIÓN DEL O3
O2 + Luz O + O(1)
O + O2 O3 + calor(2)
O + O3 2 O2 + calor(3)
O3 + Luz O2 + O(4)
Las reacciones (3) y (4) son mas lentas, por lo que se produce una acumulación de O3.
La velocidad máxima de producción de O3 se da en el Ecuador.
Una vez producido el O3 se desplaza hacia los polos y ahí se acumula.
Procesos cíclicos de eliminación del O3. X + O3 XO + O2
XO + O X + O2O3 + O 2O2
X = H, Br, Cl, OH, NO
CICLO DEL NO
CICLO DEL NO
N2O + Luz N2 + O
N2O +O 2 NO (inicia el ciclo)
N2O5 + Luz NO + NO2
HNO3+ Luz NO2 + OH NO2 + ClOClNO3
NO+ O3 NO2
NO2+ O3 NO3
CICLO DEL Cl
CICLO DEL CLORO
Cl2 + CH4
HCl + OH H2O + Cl
HCl
ClO+ NO2 ClNO3 ClLuz
ClO + H2O HClO ClLuz
Cl2 + O3 ClO
Cl2 + H2O HCl
CICLO DEL OH
CICLO DEL OH
NO2 + OH HNO3 NOLuz
ClO + HO2 HClO ClLuz
OH+ O3 HO2
H + O3 OH
H2O+ CH4 OH
EL ORIGEN DE LA POLUCIÓN EN LA ESTRATÓSFERA
N2OGas muy estable
Origen natural Procesos biogénicos
Origen antropogénico Abonos y fertilizantes sinteticos
CH4Origen natural Procesos anaeróbicos y fermentación
intestinal del ganado
Interviene en la formación de OH
Aumento del numero de reses
De Origen Natural:
ClCH3Bajo luz ultravioleta da lugar a átomos de Cloro
Erupciones volcánicas
Fuente: océanos, volcanes, incendios forestales y quema de biomasa
Introducen contaminantes directamente en la estratósfera
Emiten: vapor de H2O, HCl, ClCH3, SO2, SCO y S2C
Partículas Sólidas
Viento solar
Origina radicales OH y NO entre otros
Su intensidad determina la velocidad de la reacción (1)
La variación en su intensidad varia la composición química de gases minoritarios
EL ORIGEN DE LA POLUCIÓN EN LA ESTRATÓSFERA
De Origen Antropogénico
Disolventes volátiles organoclorados (CCl4, CH3CCl3)
Se utilizan como refrigerantes, propelentes de sprays, como disolventes, en la fabricación de plásticos, como esterilizantes, en extinntores, etc.
Los mas utilizados son el triclorofluormetano (CFC-11) y el diclorofluormetano (CFC-12), con tiempos de residencia de 70 y 120 años respectivamente.
Los compuestos Clorofluorcarbonados (CFC)
CFC
Estos compuestos se fotolizan a esa altura, liberando atomos de cloro.
CCl4, CH3CCl3
Tiempos de residencia de 57 y 10 años respectivamente.
CH3CCl3 es emitido 6 veces mas que el CCl4.
Tienen potencialidad similar para destruir el O3.
UNIDAD N°2: Química Atmosférica
La Atmosfera terrestre, estructura y composición química.
Química Estratosférica. La capa de O3.
Química Troposférica. La lluvia ácida.
Química en la Capa Mezcla. El smog fotoquímico.
LA TROPOSFERA
Se dan movimientos horizontales y verticales de las masas de aire.
Estos movimientos contribuyen a la dispersión de los contaminantes y a su disolución en la atmosfera .
Podemos hablar de movimientos masas de aire globales y locales.
MOVIMIENTOS GLOBALES
MOVIMIENTOS LOCALES
BRISA MARINA: se da en zonas costeras, durante el día por una diferencia de temperaturas el aire marino reemplaza al continental. BRISA CONTINENTAL: se da en zonas costeras, durante la noche por una diferencia de temperaturas el aire continental se dirige hacia el mar.
ISLA DE CALOR: se da en zonas urbanas.
QUÍMICIA EN LA TROPOSFERA
Existe una barrera de radicales OH que selecciona las sustancias que pueden acceder a la estratosfera.
Esta barrera se ve deteriorada por la continua emisión de contaminantes oxidables a la troposfera.
OH EN LA TROPOSFERA
Proviene principalmente del O3 estratosférico.
Las masas de aire descendentes favorecen el paso de componentes de la estratosfera a la troposfera.
El O3 se mantiene en la troposfera mediante un equilibrio entre las reacciones de eliminación y de generación.
OH EN LA TROPOSFERA
Formación de radicales OH en la troposfera:
O3 + LUZ O. + O2
O. + H2O 2 OH
OH + CO CO2 + H
OH + CH4 CH3 + H2O
HO2 + NO OH + NO2
Reacciones de interacción
Reacciones de interacción
Reacciona con Hidrocarburos de cadena corta y largaParticipa de la degradación de compuestos orgánicos parcialmente oxidados
La oxidación de CO a CO2 y del CH4 por los radicales OH determina la presencia y concentración de este en la troposfera
OXIDOS DE NITROGENOSu presencia en la atmosfera es de origen principalmente antropogénico.Emisión natural por actividad microbiana y descargas eléctricas en la atmosfera.
Los NOx reaccionan con OH para dar HNO3, retornando de esta forma a la tierra.
La vida media de estos óxidos es de apenas unas horas en verano y unos pocos días en invierno.
Por lo tanto estos óxidos se encuentran en bajas concentraciones en la atmosfera.
NITRATO PEROXIACETILO (PAN)
Actúa como deposito de óxidos de nitrógeno en la atmosfera.
Formación: CH3CHO + OH CH3CO3 + H2O
CH3CO3 radical peroxiacetilo + NO2
CH3CO3NO2A altas T° se descompone
Permanece meses en la troposfera alta, tiempo suficiente para ser transportado.
COMPUESTOS DE AZUFRE
Emisiones naturales: SH2, SC2, oxisulfuro de carbono (SCO), sulfuro de metilo y dimetilo.
Emisiones antropogénicas: SO2
SO2 tiene bajos tiempos de residencia en la atmósfera.
Finalmente el SO2 se transforma en H2SO4 al reaccionar con radicales OH, retornando a la tierra como deposición húmeda.
GENERACIÓN QUÍMICA DE LA LLUVIA ÁCIDA
La lluvia acida es a incorporación de H2SO4 y HNO3 al H2O de lluvia.
OXIDACIÓN DEL SO2 A H2SO4
FASE GASEOSA
Compuestos Oxidantes: OH, HO2, CH3O2, O3 troposférico.
SO2 + O3 SO3 + O2
SO3 + H2O H2SO4
Estas reacciones sin embargo se dan a velocidades muy bajas.
OXIDACIÓN DEL SO2 A H2SO4
FASE LIQUIDA
Se producen reacciones mucho mas rápidas que las que se dan en medio gaseoso, ya que el SO2 es muy soluble en H2O.
Compuestos oxidantes: H2O2, iones metálicos y óxidos metálicos.
SO2 + H2O H2SO3
H2SO3 + H2O2 H2SO4 + H2O
OXIDACIÓN DEL NO2 A HNO3
Compuestos Oxidantes: OH, HO2, CH3O2, O3 troposférico.
El HNO3 se forma preferentemente en la fase gaseosa debido a la baja solubilidad de este ácido en el H2O.
NO2 + O3 NO3 + O2
NO3 + NO2 N2O5
N2O5 + H2O 2 HNO3
H2SO4 y HNO3
Retornan a la tierra en forma de
Deposición Húmeda
Lluvia acida (disolución de los ácidos en el agua de lluvia)
Deposición Seca
Sedimentación de partículas solidas (sulfatos y nitratos de amonio)
El pH del H2O de la lluvia normalmente es de 5,6.
Con la contribución de los ácidos sulfúrico y nítrico, el pH de la lluvia desciende a valores entre 3,4 y 4,5 o menores.
La oxidación del SO2 es la que mas contribuye a la acidez de la lluvia ya que este es mas soluble en H2O.
El HCl es otro contribuyente a la acidez de la lluvia acida, a diferencia que este es emitido en esta forma, y reacciona liberando H+ que son los responsables de la acidez.
LOS EFECTOS DE LA LLUVIA ÁCIDA
Alteración química del suelo
Suelos con mayor predisposición a la erosión.
Profundidad del suelo y grosor de la capa de humus.
Exceso de nitratos en el suelo.
Extracción de nutrientes en plantas
Degradación de la piedra.
QUÍMICA EN LA CAPA MEZCLA Y SMOG FITOQUÍMICO
Los procesos fisicoquímicos que ocurren en la atmosfera dependen de la altitud.
En la estratosfera, los contaminantes que llegan hasta ahí permanecen durante mucho tiempo.
En a troposfera, los contaminantes que llegan hasta ahí tienen bajos tiempos de residencia, por lo que retornan a la tierra con mayor rapidez.
LA CAPA MEZCLA
Se denomina a aquella zona de la atmósfera que se encuentra en contacto con la superficie terrestre.
Los contaminantes que no logran atravesarla, retornan a la superficie terrestre en un lugar muy cercano a donde fue emitido.
Por lo tanto los efectos de la contaminación en la capa mezcla se manifiestan en área muy localizadas como centros urbanos e industriales.
EL MICROCLIMA URBANO
1. Suelo urbano:
La abundancia de paredes verticales y la absorción de parte de la radiación incidente por los materiales utilizados en la construcción modifican el poder reflejante de la radiación por parte del suelo.
CARACTERISTICAS
EL MICROCLIMA URBANO
2. Actividades Antropogénicas:
Aporte calorífico por parte del trafico, la industria, aire acondicionados, calefacciones domesticas, etc.
EL MICROCLIMA URBANO
3. Contaminantes:
Partículas solidas y aerosoles son las principales sustancias contaminantes en la atmosfera urbana.
Absorben la radiación emitida por el suelo, acentuando el efecto invernadero en la ciudad.
Estas partículas también funcionan de pantalla ante la radiación solar.
Partículas solidas en suspensión
Siguiendo los movimientos de las masas de aire forman una cúpula de bruma sobre la ciudad.
Por la noche las partículas se enfrían y forman núcleos de condensación de la humedad del aire urbano.
El vapor se condensa encima de la cúpula, formando un manto acuoso que retarda el enfriamiento de la superficie urbana.
Esta niebla impide la dispersión de las partículas que contribuirán a la contaminación del día siguiente.
EL MICROCLIMA URBANO
4. Zona de inversión térmica:
La absorción de la radiación solar incidente por parte de la capa de polución provoca que el aire a una determinada altitud de la atmosfera urbana se caliente con mayor rapidez que las capas inferiores y superiores, generando una inversión de las temperaturas.
Impide la ascensión de masas de aire contaminado.
Su extensión varia a lo largo del día y de las condiciones climáticas regionales.
MOVIMIENTOS LOCALES
ISLAS DE CALOR
Se establece la circulación de las masas de aire entre la ciudad y sus alrededores.
Se denomina así al movimiento cíclico del aire urbano que no es eficiente en disipar el calor generado en la ciudad.
Su extensión depende del relieve urbano y en general es de unas 3-5 veces la altura de los edificios.Así como no es eficiente para disipar el calor, tampoco lo es para disipar los contaminantes.
A media mañana el aire caliente de la ciudad empieza a ascender, siendo reemplazado por aire mas fresco procedente de los alrededores, con lo cual se establece una cierta circulación de aire.
Cerca de medio día la luz solar incide con fuerza tanto en las aéreas rurales como en la ciudad, de forma que las diferencias de T° son mínimas, por lo tanto la circulación de aire se debilita.
Por la tarde, la disminución del ángulo de incidencia de la luz solar, provoca un incremento de las reflexiones en las paredes del área urbana, y en consecuencia aumenta la absorción de la radiación por el relieve urbano. En este momento la diferencia de T° entre la ciudad y la rural se intensifica, aumentando así la circulación de las masas de aire.
Durante la noche, la superficie urbana se enfría e irradia calor siendo los tejados los que se enfrían mas rápido generándose así a esa altura una capa de inversión.
EL SMOG FOTOQUÍMICO
SMOG = SMOKE (HUMO) + FOG (NIEBLA)
SMOG FOTOQUÍMICO = se denomina así por que las partículas que forman parte del smog sufren transformaciones fotoquímicas debido a la presencia del sol.
PROCESOS QUÍMICOS EN LA ATMOSFERA URBANA
Los óxidos de Nitrógeno son los que inician toda la cadena de reacciones químicas durante el día.
REACCIONES QUÍMICAS DURANTE EL DÍA
(1) NO2 + LUZ NO + O
(2) NO + O3 NO2 + O2
(3) O + O2 O3
(4) RH + OH + O2 RO2 + H2O
(5) RO2 + NO NO2 + RO
RO2 + O2 + LUZ RO + O3
La reacción (5) compite con la (2) provocando una acumulación de O3.
La oxidación de Hidrocarburos presentes en la atmosfera polucionada requiere la intervención de radicales OH, los cuales se forman a través de 3 vías diferentes:
O + H2O 2 OH
HO2+ NO NO2 + OH
HNO2 + LUZ NO + OHMayor contribución de radicales OH
Formación de los radicales HO2 (hidroperoxilos).
RCHO + LUZ R + HCO
HCO + O2 HO2 + CO
Formaldehído (HCHO)Acetaldehído (CH3CHO)Acreoteína (CH2CHCHO)
Reacciones de eliminación de OH, se dan con la oxidación del SO2 y NO para dar H2SO4 Y HNO3 respectivamente.
H2SO4 Y HNO3 contribuyen a la formación de nieblas acidas que envuelven las ciudades.
QUÍMICA ATMOSFÉRICA NOCTURA
La química atmosférica nocturna genera un cierto grado de polución, influenciando determinadamente los procesos químicos que se van a desarrollar al día siguiente.
A diferencia de la química diurna, la nocturna esta protagonizada por radicales NO3.
NO + O3 NO2 + O2
NO2 + O3 NO3 + O2
Estas reacciones disminuyen la concentración de O3 hasta valores mínimos
Estas reacciones se dan durante la noche ya que de día estos compuestos se fotolisan.
NO3 NO + O2 (lentamente)
NO3 + NO 2 NO2
NO2 + NO3 N2O5
N2O5 + H2O 2 HNO3
También se da la formación de HNO2.
NO + NO2 + H2O 2 HNO2 (se fotolisa a primera hora de la mañana)
HNO2 es un suministrador matutino de radicales OH.
HNO2 + LUZ OH + NO
O3 superficialNormalmente se encuentra en equilibrio a concentraciones de 0,03 ppm.En zonas industrializadas el equilibrio se rompe y la concentración de O3 pasa a 0,12 ppm
Altas concentraciones de O3 producen efectos nocivos en la salud de la población como dolor de cabeza y sequedad de la garganta.
Su concentración en la atmosfera urbana varia con el transcurso del día.
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN URBANA SOBRE LA SALUD
La presencia de contaminantes en la capa mezcla afecta directamente los seres vivos, puesto que las personas respiran 13 Kg de aire por día y su acción dependerá de las propiedades fisicoquímicas del contaminante.
BRONQUITIS: es la inflamación del árbol bronquial, acompañada de la correspondiente irritación de las vías respiratorias y de una excesiva producción de mucosidad.
ENFISEMA: consiste en la deterioración de las paredes alveolares, las cuales se tornan rugosas y quebradizas.
AFECCIONES: irritación de distintas partes del sistema respiratorio, irritación de los ojos, alteraciones en el estado de la sangre, propensión a contraer cáncer, etc.
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN URBANA SOBRE LA SALUD
SO2: sus efectos dependerán de su concentración en la atmosfera y del receptor, así puede pasar de irritación en la garganta hasta irritación en los ojos.
NO2: en los pulmones es transformado en un compuesto cancerígeno , además a determinadas concentraciones puede causar enfisema.
Formaldehído, acroleina, PAN, o nitrato de peroxibenzoilo: en general todos ellos producen una irritación del sistema respiratorio.
CO: es conocido como gas asfixiante, este gas debido a su insolubilidad en agua es capaz de llegar hasta los alveolos y competir con el O2 por la hemoglobina, formándose la carboxihemoglobina .
Partículas Sólidas: su efecto nocivo dependerá de su tamaño y de su naturaleza química.
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN URBANA SOBRE LA VEGETACIÓN Y LOS MATERIALES
VegetaciónLas plantas absorben los contaminantes a través de los estomas, los cuales una vez en el interior pueden intervenir en procesos vitales.Las partículas solidas al depositarse sobre las hojas forman costras que dificultarán el acceso de la luz y la respiración.
SO2, produce clorosis, es decir, cambios en la coloración de las hojas (manchas blanco-amarillentas) y detiene el crecimiento.
NO2 produce necrosis en las hojas de las plantas.
O3, produce necrosis y al ingresar a la planta, provoca el cierre de los estomas, disminuyendo así la fotosíntesis.
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN URBANA SOBRE LA VEGETACIÓN Y LOS MATERIALES
Todos los materiales son susceptibles, en mayor o menor grado, a la degradación por contacto con la atmósfera.
SO2 y O3 degradan las pinturas, volviéndolas quebradizas y decolorándolas.SO2, H2S, O3 y Nox son capaces de degradar el papel, por lo cual se debe tener especial atención con documentos de valor y fotografías.
SO2, O3 y Nox dergradan las fibras textiles, produciendo su decoloración y en el caso del cuero además perderá su resistencia.Corrosión metálica, se ve favorecida por la humedad y la presencia de determinados contaminantes como SO2, HCl, Cl2, partículas sólidas, etc.
Materiales
REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN El principal foco de contaminación en una ciudad es la combustión de carburantes fósiles, que provoca la emisión de hidrocarburos, partículas sólidas, Nox , etc. La principal vía de actuación, además de potencial el uso de otras fuentes de energías alternativas no contaminantes, es purificar los combustibles, eliminando las sustancias extrañas contenidas en ellos. Se puede añadir al circuito de un motor algún tipo de reactor con determinados componentes que absorben o reaccionan con las emisiones tóxicas.
Racionalizar el trafico rodado, reduciendo así las emisiones urbanas móviles.
Eliminación el azufre proveniente de fuentes fijas de contaminación.
Eliminación de partículas sólidas, a través de diferentes procesos físicos .
MUCHAS GRACIAS
