La Química
ambiental estudia los procesos químicos que tienen lugar al nivel
ambiental. Es una ciencia que aplica los principios químicos al estudio del
funcionamiento ambiental y de los impactos generados por las actividades
humanas.
Adicionalmente, la Química
ambiental diseña técnicas de prevención, mitigación y remediación de los daños
ambientales existentes. La química ambiental puede subdividirse en tres disciplinas básicas que
son:
1. Química ambiental de la
atmósfera.
2. Química ambiental de la
hidrósfera.
3. Química ambiental de la
litosfera.
Un enfoque integral de
la química ambiental requiere adicionalmente del estudio de las interrelaciones
entre los procesos químicos que ocurren en estos tres compartimientos
(atmósfera, hidrósfera, litosfera) y sus relaciones con la biósfera.
Química ambiental de la
atmósfera
La atmósfera es la capa
de gases que rodea a la Tierra; constituye un sistema muy complejo, donde la
temperatura, la presión y la composición química, varían con la altitud en
rangos muy amplios. El sol bombardea a la atmósfera con radiación y partículas de alta energía;
este hecho tiene efectos químicos muy significativos en todas las capas de la
atmósfera, pero en particular, en las capas más altas y externas.
Estratósfera
En las regiones externas de la atmósfera
ocurren reacciones de fotodisociación y fotoionización. En la región entre 12 y
50 km de altura medida desde la superficie terrestre, en la estratósfera, está
ubicada una capa que contiene mayoritariamente ozono (O3), llamada
capa de ozono.
En esta capa los movimientos verticales son mucho menos importantes que los horizontales, que
pueden llegar hasta los 200 Km por hora.
Es por eso que los aviones comerciales
suelen volar en esta zona. En esta capa, por tanto, se puede difundir un
contaminante muy rápidamente, justo lo que pasa con los CFC's que destruyen el ozono.
Capa de ozono
El ozono absorbe la radiación ultravioleta
de alta energía que proviene del sol y de no ser por la existencia de esta
capa, ninguna forma de vida conocida en el planeta, podría subsistir. El ozono se genera a
partir de una primera reacción que consiste en la disociación de la molécula de oxígeno por acción de la
radiación UV. La
reacción que tiene lugar es la siguiente
O2 + hv → 2 Oat
donde hv se refiere a la energía del
fotón incidente.
Una
reacción que tiene lugar por acción de la radiación electromagnética se denomina
reacción fotoquímica. Cualquier radiación con una longitud de onda menor o
igual a 241 nm (es decir, más energética) sería capaz de romper la molécula de oxígeno.
Fotones de menor energía (longitud de onda mayores) tan solo contribuyen a
aumentar la temperatura del oxígeno (movimiento molecular). Una vez que se
dispone de oxígeno atómico, este reacciona con otras moléculas de oxígeno circundantes,
permitiendo la formación de ozono a través de un proceso exotérmico.
Oat + O2 → O3
El ozono, a su vez, puede descomponerse
siguiendo la reacción inversa, con fotones de longitud de onda = 1139 nm.
Esto significa que la energía de
disociación es tan baja, que incluso la radiación infrarroja podría romperla. El problema
es que esa absorción por parte del ozono se lleva a cabo de forma
ineficiente, siendo muy pocas las moléculas que se disocian con estas longitudes de
onda. No obstante, el espectro de absorción del ozono muestra que absorbe
muy bien por debajo de 320 nm, lo que significa que, efectivamente,
absorbe muy bien la radiación UV, tal y como vemos que se comporta en la atmósfera,
como un filtro UV primario y absolutamente necesario para la vida en
la Tierra. Esta absorción de tan alta energía para la que le correspondería por
la termodinámica del proceso implica que el
ozono se descompone realmente hacia estados muy excitados de los
correspondientes componentes.
O3 + hv (long. de onda < 320 nm) → O2* + Oat*
Adicionalmente, el ozono se destruye
también con los propios átomos de oxígeno para regenerar el oxígeno
molecular siguiendo el proceso
O3 + Oat → 2 O2
Con todos estos procesos en marcha podemos decir
que el ozono se forma, se destruye y se recompone constantemente. Así, la
vida media de una molécula de ozono a 30 Km de altura es de media hora.
El proceso implica que el proceso
comienza con la acción de los UV-C sobre las moléculas de oxígeno, dando oxígeno
atómico. El ozono formado posteriormente filtra eficientemente los
UV-B y UV-C, más perjudiciales,
dejando pasar sólo los UV-A, que se
controlan fácilmente con cremas solares.
La razón por la que el ozono no se forma
más abajo es porque la cantidad de rayos UV-C es baja, al estar filtrados
en las capas superiores. Este proceso cíclico en el que se ve envuelto el
ozono es el llamado ciclo de Chapman.
A principios de los años 60, se identificaron
otros mecanismos de destrucción de ozono en la estratosfera. Así, existe
un número de especies X que son capaces de reaccionar con ozono de forma
eficiente para dar la siguiente reacción
O3 + X → XO + O2
Es estas regiones de la estratosfera,
donde la concentración de Oat es apreciable, las moléculas XO formadas en
el paso anterior son capaces de reaccionar con él, liberando más oxígeno
y la especie X, que se regenera para poder atacar a otra molécula de ozono,
según el proceso
XO + Oat → X + O2
La reacción global (suma) que tiene
lugar es la ya escrita anteriormente, solo que esta vez no tiene lugar de forma
directa sino a través del intermediario X.
O3 + Oat → 2 O2
La diferencia estriba en que si no
existiese X, no tendrían lugar estas reacciones paralelas de destrucción de
ozono, permitiendo una más rápida regeneración. Actuando de esta forma
regenerativa, las especies X actúan como catalizadores para la
descomposición del ozono, limitando así su capacidad protectora frente a la vida en la Tierra.
En 1970 Crutzen demostró que los
óxidos de nitrógeno destruyen al ozono a través de reacciones químicas
catalíticas. Posteriormente Molina y Rowland en 1974, evidenciaron que el cloro
de los compuestos clorofluorocarbonados (CFC), es también capaz de destruir la
capa de ozono. En 1995, los químicos atmosféricos Mario J. Molina
(mexicano), Frank S. Rowland (estadounidense) y Paul Crutzen (holandés),
ganaron el Premio Nóbel de Química por sus investigaciones sobre la destrucción y el agotamiento del ozono
en la estratósfera.
Tropósfera
La capa atmosférica
inmediata a la superficie terrestre, entre 0 a 12 km de altura, denominada
tropósfera, está compuesta principalmente por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2).
Gases tóxicos
Como resultado de las
actividades humanas, la tropósfera contiene muchas sustancias químicas
adicionales consideradas contaminantes atmosféricos como:
·
Dióxido y monóxido de carbono
(CO2 y CO).
·
Metano (CH4).
·
Óxido de nitrógeno (NO).
·
Dióxido de azufre (SO2).
·
Ozono O3 (considerado contaminante en la tropósfera)
·
Compuestos orgánicos
volátiles (COV), polvos o partículas sólidas.
Entre muchas otras
sustancias, que afectan la salud humana y de plantas y animales.
Lluvia ácida
Se llama lluvia ácida a la que se
forma cuando la humedad del aire se combina con óxidos de
nitrógeno, dióxido de azufre o trióxido de azufre emitidos
por fábricas, centrales eléctricas, calderas de calefacción y
vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo que
contengan azufre. En interacción con el agua de la lluvia,
estos gases forman ácido nítrico, ácido sulfuroso y ácido
sulfúrico.[1]
Finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones,
constituyendo la lluvia ácida.
Los contaminantes
atmosféricos primarios que dan origen a la lluvia ácida pueden recorrer grandes
distancias, siendo trasladados por el viento a cientos o miles de kilómetros
antes de precipitar en forma de rocío, lluvia, llovizna, granizo, nieve, niebla
o neblina. Cuando la precipitación se produce, puede provocar deterioro en el
medio ambiente.
La lluvia
normalmente presenta un pH de aproximadamente 5,65 (ligeramente
ácido), debido a la presencia del CO2 atmosférico, que
forma ácido carbónico, H2CO3. Se considera lluvia
ácida si presenta un pH menor que 5 y puede alcanzar el pH del vinagre (pH
3), valores que se alcanzan cuando en el aire hay uno o más de los gases
citados.
Al precipitar esta lluvia que contiene
ácidos fuertes, desencadena varios problemas ambientales como la acidificación
de los mares y de las aguas dulces. Esto causa la muerte de organismos
acuáticos; la acidificación de suelos que provoca muerte de cosechas y la
destrucción por acción química corrosiva de construcciones, puentes y
monumentos. Otros
problemas ambientales atmosféricos son el smog fotoquímico, causado
principalmente por los óxidos de nitrógeno y el ozono troposférico. Una gran parte
del SO2 (dióxido de azufre) emitido a la atmósfera procede de
la emisión natural que se produce por las erupciones volcánicas, que son
fenómenos irregulares. Sin embargo, una de las fuentes de SO2 es
la industria metalúrgica. El SO2 puede proceder también de otras
fuentes, como por ejemplo del sulfuro de dimetilo, (CH3)2S,
u otros derivados, o como sulfuro de hidrógeno, H2S. Estos
compuestos se oxidan con el dióxido atmosférico dando SO2.
Finalmente, el SO2 se oxida a SO3 (interviniendo
en la reacción radicales hidroxilo y oxígeno) y este SO3 puede
quedar disuelto en las gotas de lluvia. Las emisiones de SO2 se
generan en procesos de obtención de energía: el carbón, el petróleo y otros
combustibles fósiles contienen azufre en unas cantidades variables
(generalmente más del 1 %), y, debido a la combustión, el azufre se oxida
a dióxido de azufre.
S + O2 →
SO2
Los procesos
industriales en los que se genera SO2, por ejemplo, son los de la
industria metalúrgica. En la fase gaseosa el dióxido de azufre se
oxida por reacción con el radical hidroxilo por una reacción intermolecular.
SO2 +
OH· → HOSO2
seguida por
HOSO2·
+ O2 → H2O· + SO 3
En presencia
del agua atmosférica o sobre superficies húmedas, el trióxido de azufre (SO3)
se convierte rápidamente en ácido sulfúrico (H2SO4).
SO3(g)
+ H2O(l)
→ H2SO4(l)
Otra fuente de dióxido de azufre son las calderas de
calefacción domésticas que usan combustibles que contiene azufre (ciertos tipos
de carbón o gasóleo).
El NO se forma por reacción entre el dioxígeno y
el dinitrógeno atmosféricos a alta temperatura.
O2 +
N2 → 2 NO
Una de las fuentes más importantes es a partir de las
reacciones producidas en los motores térmicos de los automóviles y
aviones, donde se alcanzan temperaturas muy altas. Este NO se oxida con el
dioxígeno atmosférico,
O2 +
2NO → 2 NO2
y este NO2 reacciona con el agua
dando ácido nítrico (HNO3), que se disuelve en el agua.
3 NO2 +
H2O → 2 HNO3 + NO
Para evitar esta producción se usan en los automóviles
con motor de gasolina los catalizadores, que disocian el óxido de
nitrógeno antes de emitirlo a la atmósfera. Los vehículos con motor diésel no
pueden llevar catalizadores y por lo tanto, en este momento son los únicos que
producen este gas.
Calentamiento global
La
atmósfera terrestre está mayoritariamente compuesta por moléculas biatómicas:
nitrógeno, N2 (78,08 %) y oxígeno, O2(20,93 %). El restante 0,97 % está formado por argón (0,93
%), dióxido de carbono, CO2 (0,040 %), metano, CH4 (0,0002 %), N2O (0,00003 %), así como de cantidades todavía menores de CO, O3 y de gases inertes como neón, helio, etc. Además, tiene
una cantidad variable de vapor de agua. Los principales constituyentes
atmosféricos, nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y argón (Ar), no son gases de efecto invernadero
porque las moléculas que contienen dos átomos del mismo elemento, como N2 y O2, no tienen un cambio neto en la distribución de sus cargas eléctricas cuando
vibran, y los gases
monatómicos como Ar no tienen modos vibratorios. Por
lo tanto, no se ven afectados casi en su totalidad por la radiación infrarroja. Las
moléculas que producen un efecto invernadero son las que absorben la radiación
emitida por la superficie de la Tierra, que se sitúa en la zona del infrarrojo,
y que la vuelven a emitir en todas las direcciones. El vapor de agua es el
que contribuye más a este efecto. Otros gases, como el CO2, CH4, NxOy, O3 y Clorofluorocarbonos (CFC) también contribuyen
significativamente.
El
calentamiento global es producido por las altas concentraciones de CO2 atmosférico y otros
gases de efecto invernadero (GEI), los cuales absorben gran parte de la
radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra y atrapan el calor en
la tropósfera. Esto genera el cambio climático en el planeta. Es importante señalar que el efecto invernadero es un
fenómeno natural, pero la alusión frecuente a él en relación con el calentamiento global hace
creer a algunos que es en sí indeseable, y una consecuencia reciente de la
contaminación atmosférica. Hay que aclarar que el calentamiento no es atribuido
a la simple existencia, sino al aumento del efecto invernadero por encima de
sus valores naturales por acción del hombre.
