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). Importancia de los principales gases del aire La importancia de los principales gases del aire para el desarrollo de la vida son: - Oxígeno (O2): Molécula biatómica, es un gas incoloro. Es muy importante para todos los seres vivos, ya que permite que se realicen los siguientes procesos: - Combustión, actua como comburente. Es decir, permite que en el transcurso de una reacción, al combinarse con otras sustancias denominadas combustibles, se produzca energía manifestada en forma de luz y calor. - Oxidación. Corresponde a la unión de una sustancia con Oxígeno que ocurre lentamente y el calor desarrollado se disipa. Así ocurre con los metales cuando quedan a la intemperie. - Respiración. Es utilizado por plantas y animales en su proceso respiratorio. A través de la fotosíntesis se regenera para devolverlo a la atmósfera. 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. Dióxido de Carbono El dióxido de Carbono o anhídrido carbónico (CO2), molecula lineal y apolar, es otro gas que se recicla a través de la fotosíntesis y la respiración. Es un producto derivado de reacciones de combustión
completas de la materia orgánica. Se forma cuando la combustión se realiza en exceso de oxígeno (O2). Pertenece a la familia de compuestos inorgánicos binarios denominados óxidos ácidos. Se produce también en procesos biológicos, como la fermentación. Se utiliza en la gasificación de bebidas, como gas propulsor en los extintores y en otros aerosoles. Nitrógeno Es un gas cuya presencia en el aire permite disminuir la acción del Oxígeno en las combustiones, es decir, si el Oxígeno estuviera puro su acción sería mucho más intensa. El Nitrógeno atmosférico (N 2) puede también ser fijado por ciertas bacterias para producir compuestos nitrogenados que fertilizan el suelo. En la industria se usa en la conservación de alimentos, y en medicina para congelar tejidos y órganos vivos que pueden ser usados más tarde en investigación o en trasplantes. Gases nobles Estos gases, como el Argón (Ar), Helio (He) y Neón (Ne) son muy estables químicamente. Generalmente, el Neón es utilizado en alumbrados públicos y el Helio en los globos aerostáticos debido a su poder ascendente. 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. La atmosfera El estudio de la atmósfera se realiza en la superficie de la tierra y en el espacio, utilizando aparatos de avanzada tecnología, instalados en los satélites artificiales. Estos estudios han dilucidado sus regiones y composición química. Investigaciones científicas han permitido establecer que la atmósfera no es homogénea, en ella se pueden reconocer varias regiones que se diferencian entre sí en algunas características, como la composición, presión, temperatura y la densidad. Si consideramos la altura de la atmósfera con respecto a la superficie terrestre podemos identificar las siguientes regiones de menor a mayor altura: Troposfera: Se encuentra en unión con la superficie terrestre y posee aproximadamente el 80٪ de la masa total de la atmósfera en ella se producen el desarrollo de la vida y los fenómenos meteorológicos. Estratosfera: Se identifica por la ausencia de vapor de agua y la
presencia de la capa de ozono. Mesosfera: Es una capa de aire poco denso y frio, en lo que preponderan gases livianos. Ionosfera o termosfera: Posee una densidad muy baja, en ella se absorben las radiaciones solares de menor longitud. Exosfera: Se compone de átomos de hidrógeno y de helio que escapan constantemente al espacio. La atmósfera ejerce presión El peso de los gases que compone la atmósfera ejerce una presión sobre los cuerpos inmersos en ella y se denomina presión atmosférica. En 1643 el italiano Evangelista Torricelli realizó un experimento que permitió conocer el valor de la presión atmosférica: "Llené con Mercurio un tubo de vidrio de un metro de longitud, cerrado en uno de sus extremos, y lo introduje por su extremo abierto en una cubeta que también contenía Mercurio. El Mercurio del tubo no bajaba del todo, sino que se situaba exactamente a 760 mm por encima del nivel de la cubeta". (Ver Figura)
Torricelli demostró así que la presión del aire soporta una columna de Mercurio cuya longitud es 760 milímetros. De esta manera, la presión atmosférica normal es igual a 1 atm = 760 mm Hg 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 (CH 4) 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 SO 2, 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 (O 3). 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 NO 2. 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.
Enemigos de la atmosfera 1) Efecto ambiente
invernadero:
un
nuevo
mal
a
nuestro
medio
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 dedióxido de carbono, en millones de toneladas por año, discriminada por región.
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Carbon_Emission_by_Region.pn g 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.
La Purificación contaminación
del
aire:
respuesta
necesaria
a
su
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 Molecular.
se
pueden
explicar
por
la
Teoría
Cinético
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.
El volumen de una masa gaseosa a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión.
Ejemplo: Una muestra de gas ocupa un volumen de 1 litro a una presión de 1,25 atm. ¿Cuál será el nuevo volumen cuando la presión se reduzca a 0,75 atm a temperatura constante? P1 1,25 1,25
V1 atm ⋅ 1
V2 = 1,66 litros Ley de Charles
litro x
= =
0,75 1
P2 atm =
x
V2 V2 V2 0,75
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.
El volumen de una masa gaseosa a directamente proporcional a la temperatura.
presión
constante
es
Ejemplo: Una masa de gas ocupa un volumen de 2,5 litros a 27°C ¿cuál es el nuevo volumen de esa masa de gas, si la temperatura se eleva a 57°C? A presión constante. T1 = 27°C + 273 = 300K T2 = 57°C + 273 = 330K V1 = V2 T1 =
2,5 T2 V2
300K = 2,5 300
Ley de Gay-Lussac
x
330
= V2
=
litros = V2 330K 2,75
litros
Para una masa fija de gas a volumen constante la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta (Kelvin).
Ejemplo: Un cilindro de metal cerrado tiene aire a una presión de 900 mm Hg y 27°C ¿A qué temperatura habrá que aumentar el aire del cilindro para ejercer una presión de 1.200 mm Hg? T1 = 27°C + 273 = 300K P1 = P2 T 1 = T2 T2
900
mm 300K
= 300 x 900
luego: Hg T2
1200
= T2
1200 =
mm
400K
o
Hg 127°C
Hipótesis 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.
De esta información podemos desprender que: El volumen en condiciones normales será: el número de moles) Ejemplo un gas?
V= n × 22.4 L/ mol (n es
¿Cuál es el volumen en condiciones normales de 2 moles de
V = V = 44,8 L
2mol
×
22.4
Ecuación de estado de los gases ideales
L/
mol
La expresión de la ecuación de estado de los gases es:
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.
Ejemplo: ¿Calcular la presión de 2 moles de un gas ideal, si ocupa un volumen de 22 litros a 25°C? T = 25°C + 273 = 298K luego P = n x R x T V P = 2mol x 0,082 x 298K 22 L P= 2,22 atm