Química Ambiental – 2º Parte

Las reacciones de fotodisociación y fotoionización que hemos explicado en las secciones anteriores, ocurren en la atmósfera superior. Estos procesos dan como resultado una absorción casi completa de la radiación solar de menos de 300nm, antes de que llegue a la tropósfera. Ya que los principales constituyentes de la tropósfera no interaccionan con la radiación de longitud de onda mayor de 300nm, las reacciones fotoquímicas que se efectúan en la tropósfera indican solamente constituyentes menores.

En la tabla 1.3 se indican algunos importantes constituyentes menores de la tropósfera y se resumen sus fuentes más importantes, así como sus concentraciones características. Muchas de estas sustancias solamente se encuentran en pequeñas cantidades en el medio ambiente natural, pero presentan concentraciones mucho más elevadas en ciertas áreas como resultado de la actividad humana. Incluso, en algunas áreas, las concentraciones de estas sustancias se han incrementado considerablemente durante los últimos 50 años. En esta sección explicaremos las características más importantes de algunas de estas sustancias y su papel químico como contaminantes del aire. Como veremos, la mayor parte se forma como resultado directo o indirecto de nuestro uso tan amplio de reacciones de combustión.

Ciertos compuestos que contienen azufre se encuentran en cierto grado de la atmósfera natural, no contaminada. Se originan por la descomposición de la materia orgánica por las bacterias, en los gases volcánicos, y en otras fuentes que se mencionan en la tabla 1.3. La concentración en la atmósfera de compuestos que contienen azufre y que provienen de fuentes naturales es muy pequeña, comparada con la concentración en ambientes urbanos e industriales, resultado de las actividades del hombre. Los compuestos de azufre, en especial el bióxido de azufre, SO2 , se encuentran entre los gases contaminantes más desagradables y peligrosos. En la tabla 1.4 se presentan las concentraciones de varios gases contaminantes en un ambiente urbano característico (no uno muy afectado por el smog). De acuerdo con estos datos, el nivel de bióxido de azufre es 0.08 ppm o más, la mitad del tiempo. Esta concentración es considerablemente inferior a la de otros contaminantes, sobre todo el monóxido de carbono. A pesar de ello, el bióxido de azufre se considera como el peligro más serio para la salud entre los contaminantes mencionados, especialmente para las personas con dificultades respiratorias. Estudios de historias médicas de grandes segmentos de población en ambientes urbanos han mostrado claramente que quienes viven en las partes más contaminadas de las ciudades, tienen niveles superiores de enfermedades respiratorias y menor expectativa de vida.

La combustión del carbón y del petróleo son responsables de un 80% del total de SO2 liberado en Estados Unidos. El grado de emisiones de SO2 en la combustión del carbón y del petróleo, dependen del nivel de su contenido de azufre. El petróleo quemado en las plantas de energía en las estaciones generadoras de electricidad, producen este residuo no volátil que queda después de que se han separado por destilación las fracciones de menor punto de ebullición. Algunos tipos de petróleo, como el que proviene del Oriente Medio, es relativamente bajo en azufre, en tanto que el petróleo de Venezuela tiene un contenido de azufre relativamente elevado. Debido a nuestro interés en la contaminación con SO2 , el petróleo bajo en azufre tiene mayor demanda y, en consecuencia, su precio es mayor.

El carbón varía considerablemente en su contenido de azufre. Gran parte del carbón que existe en el lecho oriental del Mississippi es relativamente rico en azufre, más del 6% en peso. Gran parte del carbón que queda en los estados occidentales de EUA tiene menor contenido de azufre. (Sin embargo, este carbón también tiene menor contenido calorífico por unidad de peso de carbón. De modo que la diferencia en contenido de azufre en base a la cantidad de calor producido no es tan grande como se considera a menudo.

En total, se liberan más de 30 millones de toneladas de SO2 a la atmósfera en Estados Unidos cada año. Este material ocasiona un grave daño tanto a los inmuebles como a la salud humana. Sin embargo, no todo el daño es causado por el SO2 mismo; de hecho, el SO3 formado por oxidación del SO2 es el principal culpable. El bióxido de azufre se puede oxidar a SO3 por varías vías, dependiendo de las condiciones particulares de la atmósfera. Una vez formado el SO3 , se disuelve en gotitas de agua, formando ácido sulfúrico, H2SO4:

SO3(g) + H2O(l) H2SO4(ac) [1.10]

La presencia del ácido sulfúrico en la lluvia es responsable en gran parte del fenómeno de la lluvia ácida. (También contribuyen los óxidos de nitrógeno, que forman ácido nítrico.) Hace unos 200 años, la lluvia tenía un pH de entre 6 y 7.6. Ahora, es común regiones que la lluvia tenga un pH de entre 4 y 4.5. En los Angeles, el pH de la niebla ha bajado hasta 2, aproximadamente la acidez del jugo de limón. La lluvia ácida ha efectuado muchos lagos en Europa del norte, en el norte de Estados Unidos y en Canadá. La acidez ha reducido dramáticamente las poblaciones de peces en los lagos y los bosques circundantes.

El pH de las aguas naturales más productivas está entre 6.5 y 8.5. A niveles de pH por debajo de 4.0, son destruidos todos los vertebrados, la mayor parte de los invertebrados, y muchos microorganismos.

Los lagos más susceptibles al daño son los que tienen bajas concentraciones de iones básicos, como HCO3 , que los amortiguan contra cambios en el pH. Más de 300 lagos en el Estado de Nueva York no contienen peces, 140 lagos en Notario, Canadá, están deprovistos de vida. La lluvia ácida que ha provocado la muerte en estos lagos se origina a cientos de kilómetros, en el valle de Ohio y en la región de los Grandes Lagos.

La lluvia ácida corroe muchos metales y materiales de construcción. Por ejemplo, el mármol y la piedra caliza, cuyo constituyente principal es CaCO3 , son fácilmente atacados por la lluvia ácida. Miles de millones de dólares se pierden cada año como resultado de la erosión debida a la contaminación con SO2 .

Obviamente deseamos reducir la cantidad de este nocivo gas que se libera en nuestro entorno. Una forma de hacerlo es eliminar el azufre del carbón y del petróleo antes de quemarlos. Actualmente esto es muy difícil y costoso por lo que no es factible tecnológicamente. No obstante, se han desarrollado varios métodos para eliminar el SO2 de los gases formados durante la combustión del carbón y del petróleo. Por ejemplo, se puede soplar piedra caliza pulverizada, CaCO3, dentro de la cámara de combustión. El carbonato (piedra caliza) se descompone en CaO y bióxido de carbono:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) [1.11]

Después la cal reacciona con SO2 formando sulfito de calcio:

CaO(s) + SO2(g) CaSO3(s) [1.12]

Aproximadamente la mitad del SO2 se elimina por contacto con el sólido seco. El gas de horno debe ser “distribuido” en una suspensión acuosa de cal para eliminar el CaSO3 y cualquier SO2 que no haya reaccionado. Este proceso, es de difícil diseño , reduce la efectividad calorífica del combustible y produce una enorme cantidad de desperdicio sólido. Una planta de energía eléctrica que satisface las necesidades de una población de 150,000 personas podría producir anualmente alrededor de 160,000 toneladas de desperdicio sólido si se equipara con el sistema de purificación que hemos descrito. Este volumen es tres veces el desperdicio normal de cenizas de una planta de estas dimensiones. Se han empleado varios esquemas para recuperar el azufre elemental o alguna otra forma química de utilidad industrial a partir del SO2, pero aún no se ha encontrado un proceso suficientemente atractivo desde el punto de vista económico, para garantizar su desarrollo en gran escala. La contaminación por bióxido de azufre seguirá siendo un problema importante durante algún tiempo.

El monóxido de carbono se forma por la combustión incompleta de los materiales que contienen carbono – por ejemplo, los combustibles fósiles-.

En términos de masa total, el CO es el más abundante de los gases contaminantes. El nivel de CO existente en aire no contaminado es bajo, probablemente en el orden de 0.05 a 0.1 ppm. La cantidad total estimada de CO en la atmósfera es alrededor de 5.2x1014g. Sin embargo, tan sólo en Estados Unidos se produce 1x1014g de CO cada año, casi dos terceras partes proviene de los automóviles.

El monóxido de carbono es una molécula poco reactiva y en consecuencia no encierra un riesgo directo para la vegetación o para los materiales. Sin embargo, afecta a los humanos. Tiene la capacidad poco usual de unirse con fuerza con la hemoglobina, la proteína que contiene hierro y que es responsable del transporte de oxígeno en la sangre. La hemoglobina consta de cuatro moléculas de proteína unidas entre sí para formar un conjunto. Cada molécula tiene entre sus dobleces una molécula de heme. Una molécula de hemoglobina toma en el pulmón una molécula de oxígeno, la cual reacciona con el átomo de hierro para formar la oxihemoglobina. A medida que la sangre circula, la molécula de oxígeno se libera en los tejidos que lo requieren para el metabolismo celular, esto es, para los procesos químicos que se efectúan en la célula.

También el monóxido de carbono se une de igual modo al hierro de la hemoglobina. El complejo se llama carboxihemoglobina y se representa como COHb. La afinidad de la hemoglobina humana por le CO es alrededor de 210 veces mayor que para el O2 . Como resultado, una cantidad relativamente pequeña de CO puede inactivar una fracción significativa de la hemoglobina de la sangre para el transporte de oxígeno. Por ejemplo, una persona que respira durante unas horas aire que contiene solamente 0.1% de CO sufre la conversión de hasta el 60% de la hemoglobina en COHb, reduciendo en esa proporción su capacidad transportadora de oxígeno, normal en 60%.

Bajo condiciones normales, un no formador que respira aire no contaminado tiene alrededor de 0.3 a 0.5% de COHb en el torrente sanguíneo. Esta cantidad se debe principalmente a la producción de pequeñas cantidades de CO en el curso de la química normal del organismo y de la pequeña cantidad presente en aire limpio. La exposición a concentraciones superiores de CO causa un incremento en el nivel de COHb. Esto no acontece instantáneamente, sino que requiere varias horas. Del mismo modo, cuando el nivel de CO disminuye bruscamente, sino que requiere varias horas. Del mismo modo, cuando el nivel de CO disminuye bruscamente, se requieren varias horas para la concentración de COHb bajo a un nivel menor. En la tabla 1.5 se presentan los porcentajes de COHb en la sangre, característico de varios grupos de personas.

La química de los óxidos de nitrógeno de la atmósfera es interesante debido a que estas sustancias son componentes del esmog, un fenómeno con el cuál los habitantes de las ciudades están muy familiarizados. El término esmog se refiere a una condición particularmente desagradable de contaminación en ciertos ambientes urbanos, que ocurre cuando las condiciones del clima producen una masa de aire relativamente estática. El esmog, que hizo famosa a la ciudad de Los Angeles y que es común en muchas otras áreas urbanas, se describe con más exactitud con el término esmog fotoquímico, debido a que los procesos fotoquímicos juegan un papel importante en su formación.

El óxido nítrico, NO, se forma en pequeñas cantidades en los cilindros de los motores de combustión interna por la combustión directa de nitrógeno y oxígeno:

N2(g) + O2(g) Û 2NO(g) D H = 180.kJ [1.13]

Como se sabe, la constante de equilibrio, Kp para esta reacción aumenta desde alrededor de 10-15 a 300K (aproximadamente la temperatura ambiente) a alrededor de 0.05 a 2400K (aproximadamente la temperatura dentro del cilindro de un motor durante la combustión). Así la reacción es más favorable a temperaturas superiores. Antes de la instalación de dispositivos para el control de la contaminación, los niveles típicos de emisión de NOx eran de 4g/mi. (La x puede ser 1 o 2; se forman NO y NO2, aunque predomina el NO.) Los estándares actuales de emisión de los automóviles exigen que los niveles de Nox sean menores a 1g/mi.

En el aire, el NO se oxida rápidamente en bióxido de nitrógeno, NO2:

2NO(g) + O2(g) Û 2NO2(g) D H = -113.1kJ [1.14]

La constante de equilibrio para esta reacción decrece de 1012 a 300K a casi 10-5 a 2400K. La fotodisociación del NO2 es NO y O requiere 304kJ/mol, lo cuál corresponde a un fotón de longitud de onda de 393nm. Por consiguiente con la luz del sol el NO2 sufre una disociación a NO yO:

NO2(g) + hv NO(g) + O(g) [1.15]

El oxígeno atómico que se forma sufre varias reacciones posibles, una de las cuáles forma ozono, como se describió antes

O(g) + O2(g) + M(g) O3(g) + M*(g) [1.16]

El ozono es un componente clave del smog fotoquímico. Aunque es una pantalla para la radiación ultravioleta esencial en la atmósfera superior, es un contaminante indeseable en la tropósfera. Es muy reactivo y tóxico, y el respirar aire que contiene cantidades apreciables de ozono puede ser peligroso para quienes sufren de asma, para quienes hagan ejercicio, y para los ancianos. Por consiguiente, tenemos dos problemas con el ozono: cantidades excesivas en muchos ambientes urbanos, donde es perjudicial, y disminución en la estratosfera, donde es vital.

Además de los óxidos de nitrógeno y del monóxido de carbono, un motor de automóvil también emite como contaminantes hidrocarburos que no entraron en combustión. Estos compuestos orgánicos, formados por carbono e hidrógeno, son los componentes principales de la gasolina. Un motor común, sin control efectivo de sus emisiones emite de 10 a 15g por milla se estos compuestos, Los estándares comunes requieren que las emisiones de hidrocarburos sean menores de 0.4 g/mi.

Las reacciones entre los hidrocarburos que no fueron quemados y otros contaminantes del aire crean una mezcla compleja de sustancias. En la tabla 1.6 se presentan concentraciones típicas de constituyentes traza del smog fotoquímico. Observe que el smog contiene no solamente NOx, CO, O3, y SO2, sino también una diversidad de compuestos orgánicos.

La reducción o eliminación del smog requiere que los ingredientes indispensables para su formación sean eliminados de las emisiones de los automóviles. Los convertidores catalíticos están diseñados para reducir drásticamente los niveles de dos de los ingredientes principales del smog: Nox y los hidrocarburos. No obstante, los sistemas de control de emisiones, son ineficientes en los automóviles con mal mantenimiento

Palabras clave:
Composición de la atmósfera terrestre
Las Regiones Exteriores De La Atmósfera
Fotodisociación
Fotoionización
Capa De Ozono En La Atmósfera Superior
Disminución de la capa de ozono
Química De La Tropósfera
Compuestos de Azufre y Lluvia Ácida
Monóxido de carbono
Óxidos de Nitrógeno y el esmog fotoquímico

Sergio Arteaga Segovia
IngenieroAmbiental