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2015 Dra. M. Sc. Mayra J. Espinoza M. ESPOCH Facultad de Ciencias 01/04/2015 Química Ambiental

Unidad I QA

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Quimica ambiental de tercer semestre

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  • 2015

    Dra. M. Sc. Mayra J. Espinoza M.

    ESPOCH Facultad de Ciencias

    01/04/2015

    Qumica Ambiental

  • QUMICA AMBIENTAL (Unidad I) Dra. M. Sc. Mayra J. Espinoza M.

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    UNIDAD I

    QUMICA AMBIENTAL: LA CIENCIA QUMICA

    SUSTENTABLE O SOSTENIBLE

    Figura 1.1 Qumica Ambiental

    1.1 Generalidades.-

    LA QUMICA

    La qumica va ms all de las frmulas y reacciones. Muchas de las cosas que ocurren a

    nuestro alrededor tienen relacin con ella. Todo lo que puedes tocar, ver u oler contienen

    una o ms sustancias qumicas. Vivimos en un mundo de sustancias qumicas: muchas de

    origen natural, y otras son sintticas. Hoy da se conocen ms de 25 millones de sustancias

    qumicas, lo que representa un aumento de 5 millones en un solo ao. Desde los vistosos

    colores de las flores hermosas, hasta los brillantes pigmentos sintticos de la ltima moda,

    los llamativos colores de las fotografas, las tintas de imprenta y las pantallas de televisin,

    la qumica se exhibe ante nuestra vista.

    Figura 1.2 Qumica

    Como se puede observar en la figura 1.2, las sustancias qumicas estn presentes en los

    alimentos, medicinas, vitaminas, pinturas, pegamentos, productos de limpieza, materiales

    de construccin, automviles, equipo electrnico y deportivo, y cualquier otra cosa que

    puedes comprar, son algunos ejemplos de los principios involucrados de esta ciencia.

    Por otro lado AMBIENTE, es el conjunto de elementos abiticos (energa solar, suelo,

    agua y aire) y bitico (organismos vivos) que lo integran. Es el entorno que nos rodea, en el

    que vivimos tanto los seres humanos como el resto de los seres vivos del planeta. De l se

    obtienen todos los recursos necesarios para el mantenimiento de la vida.

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    El mayor desafo que enfrenta la humanidad en la edad moderna es la preservacin del

    planeta Tierra, como un lugar hospitalario para la vida humana y para todas las otras formas

    de vida.

    El hombre con el fin de buscar beneficios econmicos para la supervivencia, ha

    utilizado los recursos del medio, en la mayora de los casos de forma irracional; tal prctica

    ha generado desequilibrios en los ecosistemas, ocasionando erosin de los suelos, prdida

    de la biodiversidad, aumento de sedimentos en reas ms bajas y variaciones en el regimen

    hidrolgico de algunas regiones.

    La degradacin ambiental ha sido reconocida como un problema mundial durante las

    ltimas dcadas.

    La ciencia, la qumica y la ingeniera qumica tienen un papel importante a desempear

    en la proteccin del ambiente. Muchas sustancias responsables de problemas de

    contaminacin como los conocidos COP (compuestos orgnicos persistentes) entre ellos los

    plaguicidas organoclorados han sido sintetizados por qumicos y las soluciones a estos

    problemas estn principalmente en las manos de estas mismas disciplinas. En

    reconocimiento a este hecho se ha desarrollado, a partir aproximadamente de 1970, una

    nueva subdisciplina de la qumica, la Qumica Ambiental Figura 1.1.

    La qumica ambiental debe ir ms alla de simplemente detectar los problemas

    ambientales y explicar sus fenmenos. Debe llegar a las soluciones de tales problemas y

    sobre todo encontrar las vas para evitarlos. De ah que se ha desarrollado desde mediados

    de los aos 1990 una nueva rea relacionada con la Qumica Ambiental conocida como

    Qumica Verde que se dedica a reducir los riesgos de la qumica y a dismunuir los efectos

    adversos de la prctica de la ciencia y la ingeniera qumica y el consumo de los recursos

    no renovables. Por lo que se puede decir que la Qumica Verde es la qumica sustentable o

    sostenible.

    La prcica de la Qumica Verde requiere conocer y saber sobre otra subdisciplina la

    ecologa industrial (1990) que ve los sistemas industriales como anlogos a los ecosistemas

    naturales.

    Antes de seguir avanzando con el tema que nos ocupa es importantes destacar dos

    aspectos relacionado ntimamente con la problemtica ambiental como son la Poblacin y

    los Recursos.

    POBLACIN

    Figura 1.3 La poblacin mundial

    Considerando a la poblacin como el nmero de individuos con caractersticas

    similares, que viven en un rea dada y por un tiempo determinado. Si graficamos el nmero

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    estimado de personas sobre la Tierra a travs del tiempo, la curva resultante tiene

    aproximadamente un perfil como el de la letra J. Este aumento en el tamao de la poblacin humana es un ejemplo del creciento exponencial que tiene lugar en el tiempo

    segn diferentes tasas.

    Durante los primeros aos de nuestra existencia, la poblacin humana crecio a una

    lenta tasa media de slo 0.002% al ao. Esta lenta fase temprana del crecimiento global esta

    representada por la larga parte horizontal de la curva ilustrada en la figura 1.4. Desde

    entonces a aumentado la tasa promedio anual del crecimiento exponencial. Alcanz un

    mximo de 2.06% en todo el tiempo en 1970, antes de caer alrededor de 1.8 %. Como ha

    aumentado la base poblacional est en crecimiento el nmero de personas en la Tierra ha

    crecido abruptamente y la curva de crecimiento de la poblacin ha rebasado el recodo de la

    J y subido casi verticalmente desde el eje horizontal.

    Figura 1.4 Crecimiento de la poblacin mundial 1650 - 2050

    El crecimiento de la poblacin mundial fue hacindose casi exponencial: eran mil

    millones en el ao 1804, y el doble recin en 1927. Pero en 1987 ya haba superado los

    5.000 millones; y lleg a los 6.000 en 1998. El INED (Instituto Nacional de Estudios

    Demogrficos de Francia) calcula que a este ritmo, en 2050 se acercar a 9.587 millones

    (aproximadamente 10.000) como se muestra en la figura 1. 4.

    RECURSOS

    Un recurso es cualquier cosa que obtenemos del ambiente vivo y del no vivo para

    satisfacer nuestras necesidades y deseos. Los recursos pueden ser clasificados como

    tangibles (materiales) o intangibles (no materiales). Un recurso material, o tangible, es

    aqul cuya cantidad puede medirse y cuyo abastecimiento es limitado. Son ejemplos el

    petrleo y el hierro. Un recurso no material, o intangible, es aquel cuya cantidad no puede

    ser medida. Son ejemplos la soledad, la belleza, el conocimiento, la seguridad, la alegra y

    el amor. Aunque no hay lmite terico para la cantidad de stos y otros recursos no

    materiales, su disponibilidad puede ser reducida a quedar destruida en un ambiente que en

    forma creciente se atesta y degrada.

    Algunos recursos materiales estn disponibles directamente para su uso. Son ejemplos

    el aire puro, el agua pura de corrientes y lagos, el suelo frtil y las plantas comestibles que

    crecen naturalmente. La mayora de los recursos materiales, como el petrleo, el hierro, el

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    agua fretica (agua subterrnea) y los cultivos modernos, no estn disponibles

    directamente. Llegan a ser recursos slo cuando usamos nuestro ingenio para hacerlos

    disponibles a precios accesibles. El petrleo, por ejemplo, era un misterioso lquido

    subterrneo hasta que aprendimos cmo encontrarlo y extraerlo, refinarlo para obtener

    gasolina, combustibles para calefaccin, como asfalto para carreterras y como otros

    productos; todos a precios accesibles.

    Los recursos materiales los clasificamos en no renovables, perennes (o perpetuos) y

    renovables, como se indica en la Figrura 1.5.

    Figura 1.5 Clasificacin de los Recursos Naturales

    Los recursos no renovables, o agotables, existen en cantidad fija (reservas) en varios

    lugares de la corteza terrestre, y tienen la posibilidad de renovarse slo por procesos

    geolgicos, fsicos y qumicos que tienen lugar a travs de cientos a miles de aos. Son

    ejemplos el cobre, el aluminio, el carbn y el petrleo. Clasificamos estos recursos como

    agotables debido a que se les extrae y utiliza a una velocidad mayor que la escala geolgica

    del tiempo en que se formaron.

    Un recurso perenne, o perpetuo, como la energa solar es virtualmente inagotable segn

    una escala humana de tiempo.

    Un recurso potencialmente renovable es el que tericamente puede durar en forma

    indefinida sin reducir la reserva disponible, porque es reemplazado ms rapidamente por

    procesos naturales, que los recursos no renovables. Son ejemplos los rboles de los

    bosques, pastos en la pradera, animales silvestres, agua dulce superficial de lagos y ros, la

    mayor parte del agua subterrnea, aire puro y suelo frtil. Estos recursos pueden

    Recursos

    Recursos

    No renovables

    Combustibles fsiles

    Minerales metlicos

    (Fe, Cu, Al)

    Minerales no metlicos

    (arcillas, arena,

    fosfatos)

    Recursos Perennes

    Energa solar

    Vientos, mareas,

    ros

    Recursos Potencialmente

    Renovables

    Aire no contami

    nado

    Agua no contami

    nada

    Suelo frtil

    Vegetales y

    animales

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    transformarse en no renovables si los usamos ms rpidamente de lo que son renovados por

    procesos naturales.

    1.2 Las Cinco Esferas Ambientales

    El estudio de la qumica ambiental debe definir primero lo que se entiende por medio

    ambiente. Una gran parte de la complejidad de la qumica ambiental se debe al hecho de

    que esta ciencia debe tener en cuenta cinco compartimientos o esferas del ambiente, que

    interactan y se solapan o enciman entre s, se afectan unas a las otras y experimentan

    intercambios continuos de materia y energa. Tradicionalmente la ciencia ambiental ha

    considerado el agua, el aire, la tierra y la vida, es decir, la hidrosfera, la atmsfera, la

    geosfera y la biosfera. Consideradas en su conjunto, generalmente las actividades humanas

    se perciban como perturbaciones indeseables en esas otras esferas, usando contaminacin y

    efectos generalmente adversos. Una visin as es demasiado estrecha, debindose incluir

    una quinta esfera, la antroposfera, que involucra a todas las actividades y los satisfactores

    que los humanos fabrican y hacen. Considerando a la antroposfera como una parte

    integrante del medio ambiente, los seres humanos pueden modificar sus actividades, las

    actividades antroposfricas para hacer un dao mnimo al ambiente o, incluso, para

    mejorarlo.

    1.6 Esferas ambientales

    La figura 1.6 muestra las cinco esferas del medio ambiente, incluyendo la

    antroposfera y algunas de los intercambios de materia entre ellas. A continuacin vamos a

    describirlas brevemente.

    Hidrosfera: Contiene toda el agua del planeta. Ms del 97% de sta es el agua de mar de

    los ocanos. La mayor parte del agua dulce restante est presente como hielo en las capas

    de hielo polares y en los glaciares. Una pequea fraccin del agua total est presente como

    vapor en la atmsfera. El agua dulce lquida restante, una fraccin verdaderamente

    pequea, de menos del 0.02 %, es la que se encuentra disponible para las plantas vivientes

    y otros organismos y para usos industrial y agrcola.

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    Atmsfera: Capa gaseosa muy delgada que comparada con el tamao de la Tierra. Autores

    como Molina (1995), la describen como la cscara de una manzana. La mayora de los

    gases atmosfricos se encuentran a unos pocos kilmetros sobre el nivel del mar. Adems

    de proporcionar oxgeno para los organismos vivientes, la atmsfera proporciona el dixido

    de carbono para la fotosntesis de las plantas y el nitrgeno que los organismos usan para

    hacer las protenas. La atmsfera juego una funcin protectora vital, pues absorbe la

    radiacin ultravioleta ms energtica del sol, que acabara con los organismos vivientes

    expuestos a ella.

    Geosfera: es la parte slida del planeta que incluye todas las rocas o minerales, siendo

    particularmente importante el suelo, que sostiene el crecimiento de las plantas. La litosfera

    es una capa slida relativamente delgada que se extiende desde la superficie de la Tierra

    hasta profundidades de 50 100 km. La capa exterior de la litosfera an ms delgada, conocida como corteza terrestre, est compuesta de minerales basados en silicatos.

    Biosfera: conformada por todos los organismos vivientes. En su mayor parte, estos

    organismos viven en la superficie de la geosfera, en el suelo o justamente debajo de la

    superficie del suelo. Los ocanos y otros sistemas acuosos sostienen grandes poblaciones

    de organismos. La biosfera est involucrada con la geosfera, la hidrosfera y la atmsfera

    por medio de ciclos biogeoqumicos a travs de los cuales circulan elementos como el

    nitrgeno y el carbono.

    Antroposfera: Todas las actividades y satisfactores que los seres humanos fabrican o

    hacen. Como consecuencia de las actividades humanas, la antroposfera ha desarrollado

    fuertes iteracciones con las otras esferas ambientales.

    1.3 Qumica Ambiental y sus categoras

    La qumica ambiental es definida como el estudio de las fuentes, las reacciones, el

    transporte, los efectos y destinos de las especies qumicas en el agua, el suelo, el aire, y en

    los ambientes vivos, as como los consiguientes efectos de la tecnologa sobre ellos.

    Figura 1.7 Categoras de la Qumica Ambiental

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    Hay varias categorias de la qumica ambiental altamente interconectadas y que se

    enciman Figura 1.7. La qumica acutica trata de los fenmenos y procesos qumicos en el

    agua. Los procesos qumicos acuticos estn fuertemente influenciados por los

    microorganismos en el agua, habiendo una fuerte conexin entre la hidrosfera y la biosfera

    en lo que a ellos se refiere. Los proceos qumicos acuticos ocurren principalmente en

    aguas naturales, como los ocanos, los sistemas de agua dulce, los ros y arroyos y los acuferos subterrneos. stos son lugares en los que la hidrosfera puede interactuar con la

    geosfera, la biosfera y la atmsfera y son con frecuencia objeto de influencias

    antroposfricas.

    Los procesos qumicos que se ocurren en la geosfera e involucran los minerales y sus

    interacciones con el agua, el aire y los organismos vivos se tratan en la geoqumica. Una

    rama especial de la geoqumica, la qumica del suelo, se ocupa de los procesos qumicos y

    bioqumicos que ocurren en el suelo.

    La qumica atmsferica es la rama de la qumica ambiental que consiedra los

    fenmenos qumicos en la atmsfera. Dos cosas que hacen nica esta qumica son la

    extrema dilucin de las sustancias qumicas atmosfricas importantes y la influencia de la

    fotoqumica. La fotoqumica ocurre cuando las molculas absorben fotones de alta energa

    (se excitan) y experimentan reacciones que dan lugar a una variedad de productos. Adems de las reacciones que ocurren en la fase gaseosa, muchos fenmenos qumicos

    atmosfricos importantes tienen lugar en las superficies de partculas slidas muy pequeas

    suspendidas en la atmsfera y en gotitas de lquido en la atmsfera o aerosoles.

    La bioqumica ambiental trata de los procesos mediados biolgicamente que ocurren en

    el medio ambiente.

    Aunque no hay un rea formalmente aceptada de la qumica conocida como la qumica antroposfrica, la mayor parte de la ciencia y la ingeniera qumica desarrolladas hasta la fecha tratan con la qumica llevada a cabo en la antroposfera.

    1.4 Qumica Verde

    Figura 1.8 La Qumica Verde

    La Qumica Verde puede definirse como la aplicacin de la ciencia y la manufactura

    qumicas de una manera sostenible o sustentable, segura, no contaminante y que consuma

    cantidades minmas de materiales y energa mientras se produce poco o ningn material de

    desecho. La prctica de la qumica verde empieza con el reconocimiento de que la

    produccin, mediante procesos, el uso y la disposicin eventual de los productos qumicos

    pueden causar daos cuando se realizan incorrectamente. En el cumplimiento de sus

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    objetivos, la qumica verde y la ingeniera qumica verde pueden disear modificar o

    redisear totalmente procesos qumicos y productos con el objetivo de minimizar los

    residuos y el uso o la generacin de materiales particularmente peligrosos.

    Hay varios aspectos importantes que definen la qumica verde como sostenible:

    Econmicos: A un nivel alto de complejidad, la qumica verde cuesta normalmente menos en trminos estrictamnete econmicos que la qumica tal como se prctica

    normalmente.

    Los materiales: Usando eficientemente los materiales, reciclando al mximo y con el uso mnimo de materias primas vrgenes, la qumica verde es sostenible con

    respecto a los costos y uso eficiente de materiales.

    Residuos: Reduciendo tanto como sea posible o, incluso, eliminando totalmente su produccin, la qumica verde es sostenible con respecto a los residuos.

    Los principios de la qumica verde

    Los 12 principios de la qumica verde, publicados originalmente por Paul Anastas y

    John Warner en el libro Green Chemistry: Theory and Practice (Oxford University Press,

    Nueva York, 1998), proporciona una amplia visin para los qumicos de cmo implantar la

    qumica verde. Basados en este nuevo enfoque de prevencin de la contaminacin mediante

    la concientizacin en el diseo de productos y procesos qumicos el programa de qumica

    verde de la EPA activ una iniciativa denominada Design for the Environment Program.

    Estos principios abarcan conceptos como: el diseo de procesos que maximicen los

    rendimientos de la materia prima hacia los productos deseados; el uso de sustancias

    ambientalmente seguras, incluyendo solventes, cuando ello sea posible; el diseo de

    procesos energticamente eficientes; la mejor forma de disposicin de desechos, entre

    otras.

    Los doce principios de la qumica verde son:

    Prevenir desechos: Disear las sntesis qumicas para prevenir desperdicios que limpiar o tratar.

    Disear reactivos y productos qumicos ms seguros: Disear los productos qumicos que sean realmente eficaces, de baja o nula toxicidad.

    Disear sntesis qumicas menos peligrosas: Disear mtodos de sntesis que empleen y generen baja o nula toxicidad a los seres humanos y al ambiente.

    Utilizar materias primas renovables: Utilizar materias primas y materias de base que sean renovables, en lugar de los que no lo sean. Las materias primas renovables se obtienen

    a menudo de productos agrcolas o son el desecho de otros procesos; las materias primas no

    renovables se obtienen de los combustibles fsiles (petrleo, gas natural, o carbn) o son

    explotados.

    Utilizar catalizadores, en lugar de reactivos estequiomtricos: Reducir al mnimo el desperdicio usando reacciones catalticas. Los catalizadores se utilizan en cantidades

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    pequeas y pueden llevar a cabo una reaccin muchas veces. Son preferibles a los reactivos

    estequiomtricos, que se utilizan en exceso y sirven para una sola ocasin.

    Evitar los derivados qumicos: Evitarlos mediante el uso de inhibidores o grupos de proteccin o cualquier modificacin temporal de ser posible. Los subproductos o derivados

    utilizan cantidades adicionales de reactivos generando desperdicio.

    Maximizar la economa atmica: Disear sntesis en las que el producto final contenga la mxima proporcin de los materiales de partida. Debe haber poco, o de ser posible nada de

    tomos perdidos.

    Utilizar solventes y condiciones de reaccin ms seguros: Evitar el uso de solventes, agentes de separacin u otros productos qumicos auxiliares. Si estos productos qumicos

    son necesarios, emplear productos qumicos que sean lo ms inofensivos que se pueda.

    Aumentar el rendimiento energtico:Emplear condiciones de temperatura y presin suaves o atmosfricas siempre que sea posible en los procesos qumicos.

    Disear los productos qumicos y los productos para degradar uso posterior: Disear los productos qumicos que analizan a las sustancias inofensivas y el uso posterior, de

    modo que no se acumulen en el ambiente.

    Analizar en tiempo real para prevenir la contaminacin: Incluir la supervisin y el control en tiempo real durante el proceso de sntesis para evitar o reducir al mnimo la

    formacin de subproductos.

    Minimizar el potencial de accidentes: Disear productos qumicos y sus formas (slido, lquido o gas) que permitan reducir al mnimo el potencial de accidentes qumicos

    incluyendo explosiones, fuegos y fugas al ambiente.

    1.5 La materia y sus ciclos

    Los ciclos de la materia, basados en ciclos elementales, son de suma importancia en el

    ambiente. Los ciclos globales geoqumicos pueden considerarse desde el punto de vista de

    varios depsitos o reservorios, como ocanos, sedimentos y atmsfera, unidos por

    conductos a travs de los cuales la materia se mueve continuamente. El movimiento de un tipo especfico de materia entre dos depsitos particulares puede ser reversible o

    irreversible. Los flujos de movimiento para tipos especficos de materia varan

    grandemente, como lo hacen los volmenes de tal material en un depsito especfico. Los

    ciclos de la materia ocurriran incluso en ausencia de vida en la Tierra, pero estn

    fuertemente influenciados por las formas de vida, particularmente plantas y animales. Los

    organismos en ciclos biogeoqumicos, los cuales describen la circulacin de la materia,

    particularmente nutrientes de las plantas y animales, a travs de los ecosistemas.

    Los ciclos de la materia tambin estn muy relacionados con el destino qumico y el

    transporte de contaminantes.

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    Ciclos Biogeoqumicos

    En general, los nutrimentos y la energa requeridos para el funcionamiento de los

    sistemas vivientes fluyen de manera constante, podemos decir que la misma materia se ha

    estado reciclando desde los orgenes de la vida. Puesto que hay una escasa disponibilidad

    de los nutrimentos necesarios para el desarrollo de los seres vivos, los ciclos

    biogeoqumicos juegan un papel muy importante en el funcionamiento de los sistemas

    ecolgicos.

    En el trmino ciclo biogeoqumico podemos distinguir algunos elementos. Es un

    ciclo porque es un proceso que se reinicia continuamente, en el que se producen, liberan y

    reintegran nutrimentos o sustancias qumicas necesarias para el funcionamiento de los seres

    vivos (bio). Adems, parte de dicho proceso se lleva a cabo en la corteza terrestre (geo) o

    en los factores abiticos como el suelo, las rocas o el aire. Un ciclo biogeoqumico, por

    tanto, es el proceso que sigue un nutrimento en un ecosistema para ser reutilizado. En este

    proceso participan los factores biticos y abiticos del medio.

    Para su estudio, los ciclos biogeoqumicos se clasifican en atmosfricos, cuando la

    mayor reserva de los elementos qumicos est en la atmsfera; y sedimentarios, cuando la

    reserva principal se encuentra en el suelo o las rocas. En el ciclo del agua, el ocano es la

    reserva principal.

    Figura 1.9 Ciclos Biogeoqumicos

    5.5.1 Ciclos atmosfricos o gaseosos

    Los ciclos biogeoqumicos gaseosos se caracterizan por que la circulacin de las

    sustancias qumicas es ms rpida que en los ciclos sedimentarios. Son ejemplos de ciclos

    biogeoqumicos gaseosos el carbono, el oxgeno y el nitrgeno.

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    a) Ciclo del carbono

    Figura 1.10 Ciclo del Carbono

    El carbono circula a travs del ciclo del carbono, tal como se muestra en la Figura

    1.10. Este ciclo muestra que el carbono puede estar presente como CO2 atmosfrico

    gaseoso, que constituye una porcin relativamente pequea pero muy significativa del

    carbono global.

    Figura 1.11 Ciclo del Carbono considerando las especies qumicas involucradas.

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    Algo del carbono se disuelve en el agua superficial y en el agua subterrnea como

    HCO3- CO2(acuoso) molecular. Una gran cantidad del carbono est presente en minerales,

    particularmente carbonatos de magnesio y de calcio. La fotosntesis fija C inorgnico como

    carbono biolgico, representado por {CH2O} que es un constituyente de todos las

    molculas de los seres vivos. Otra fraccin del carbono se fija como petrleo y gas natural,

    carbn y lignito. Mediante procesos industriales, los hidrocarburos se convierten en

    compuestos xenobiticos. Aunque son una cantidad muy pequea del carbono ambiental

    total, estos compuestos son particularmente significativos debido a sus efectos qumicos

    toxicolgicos.

    Un aspecto importante del ciclo del carbono, es el hecho de que constituye el ciclo

    por el cual la energa solar se transfiere a los sistemas biolgicos y, finalmente, a la

    geosfera y a la antroposfera como carbono fsil. El carbono orgnico, o biolgico, {CH2O},

    est contenido en molculas ricas en energa, que pueden reaccionar bioqumicamente con

    el oxgeno molecular, O2, para regenerar dixido de carbono y producir energa.

    Los microorganismos estn fuertemente involucrados en el ciclo del carbono, como

    mediadores de reacciones bioqumicas cruciales. Las algas fotosintticas son agentes

    predominantes en la fijacin del carbono en el agua; segn consumen CO2 para producir

    biomasa, el pH del agua aumenta, posibilitando la precipitacin de CaCO3 y

    CaCO3.MgCO3. El carbono orgnico fijado por los microorganismos se transforma en

    petrleo fsil, carbn y lignito, gracias a los procesos biogeoqumicos. Los

    microorganismos degradan el carbono orgnico de la biomasa, del petrleo y de fuentes

    xenobiticas, devolvindolo finalmente a la atmsfera como CO2, como se muestra en la

    figura 1.11.

    b) Ciclo del nitrgeno

    Figura 1.13 Ciclo del Nitrogeno

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    El nitrgeno (N2) es sumamente importante para las plantas y para la produccin de

    protenas, esenciales para la vida de los animales y del ser humano. La carne (los msculos,

    por ejemplo) son protenas. La leche y los huevos son ricos en protena, como tambin el

    frijol, la lenteja, el garbanzo y el arvejn, entre otros.

    Figura 1.14 Ciclo del Nitrgeno considerando las especies qumicas.

    Como se observa en el figura 1.14, el nitrgeno se encuentra en forma prominente en

    todas las esferas del ambiente. La atmsfera est constituida en un 78% en volumen por

    nitrgeno elemental, N2, y constituye un depsito inagotable de este elemento esencial. El

    nitrgeno aunque constituye una parte mucho menor de la biomasa que el carbono y el

    oxgeno, es un constituyente esencial de las protenas. La molcula de N2 es muy estable

    por lo que su ruptura en tomos que puedan ser incorporados a formas qumicas orgnicos e

    inorgnicas es un paso limitante en el ciclo del nitrgeno. Esto ocurre por procesos muy

    enrgicos como los relmpagos, cuyas descargas producen xidos de nitrgeno. El

    nitrgeno elemental tambin se incorpora en formas enlazadas qumicamente o se fijan por

    procesos bioqumicos mediados por los microorganismos. El nitrgeno biolgico se

    mineraliza a formas inorgnicas durante la descomposicin de la biomasa. Se fijan gandes

    cantidades de nitrgeno sintticamente bajo condiciones de alta temperatura y presin,

    segn la siguiente reaccin global:

    N2 + 3 H2 2 NH3

    La produccin de N2 y N2O gaseosos por los microorganismos y su liberacin a la

    atmsfera completa el ciclo del nitrgeno a travs de un procesos llamado desnitrificacin.

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    c) Ciclo del oxgeno

    Figura 1.15 Ciclo del oxgeno

    El oxgeno es el elemento qumico ms abundante en los seres vivos. Forma parte

    del agua y de todo tipo de molculas orgnicas. Como molcula, en forma de O2, su

    presencia en la atmsfera se debe a la actividad fotosinttica de primitivos organismos.

    Figura 1.16 Intercambio de oxgeno entre la atmsfera, la geosfera, la hidrsfera y la

    biosfera.

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    16

    Como se muestra en la figura 1.16, el ciclo del oxgeno involucra el intercambio de

    oxgeno entre la forma elemental de O2 gaseoso, contenido en el enorme reservorio que es

    la atmsfera y el O qumicamente enlazado en el CO2, el H2O, los minerales y la materia

    orgnica. Este ciclo est fuertemente ligado con otros ciclos elementales, particularmente

    con el del carbono. El oxgeno elemental se enlaza qumicamente por medio de varios

    procesos que generan energa, particularmente la combustin y los procesos metablicos en

    los organismos. Este elemento se libera en la fotosntesis y se recombina fcilmente, de

    manera que oxida a otras especies, como el carbono y el hidrgeno en la combustin de los

    combustibles fsiles, como por ejemplo el metano:

    CH4 + 2 O2 CO2 + H2O

    El oxgeno elemental tambin oxida a sustancias inorgnicas como el hierro II en sus

    formas minerales:

    4FeO + O2 2Fe2O3

    Un aspecto particularmente importante del ciclo del oxgeno es el ozono estratosfrico,

    O3. Una concentracin relativamente pequea de ozono en la estratosfera, situada arriba de

    la troposfera, a ms de 10 kilmetros de altura en la atmsfera, filtra la radiacin

    ultravioleta, protegiendo as la vida en la Tierra de los efectos dainos de esta radiacin.

    El ciclo del oxgeno se completa por el retorno del O2 a la atmsfera. La forma en que

    esto ocurre es mediante la fotosntesis a travs de las plantas.

    1.5.2 Ciclos Sedimentarios

    a) Ciclo del fosforo

    Figura 1.17 Ciclo del Fsforo

    El fsforo es un elemento que se puede encontrar en las estructuras del ADN de los

    organismos, siendo un componente esencial de los mismos. La proporcin de fsforo en la

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    17

    materia viva es relativamente pequea, aunque el papel que desempea es vital. El fsforo

    es el principal factor limitante del crecimiento para los ecosistemas, porque el ciclo del

    fsforo est principalmente relacionado con el movimiento del fsforo entre los continentes

    y los ocanos. Al contrario que en el ciclo del nitrgeno, en el del fsforo no hay fase

    gaseosa en el aire.

    Figura 1.18 Ciclo del Fsforo considerando las especies qumicas.

    El ciclo del fsforo (Figura 1.17 y 1.18), es crucial. No hay formas gaseosas

    estables comunes del fsforo, por lo que el ciclo del fsforo es endgeno. En la geosfera el

    fsforo es retenido principalmente en minerales poco solubles, como la hidroxiapatita, una

    sal de calcio, cuyos depsitos constituyen la mayor reserva de fsforo ambiental. El fsforo

    soluble de los minerales de fosfato y de otras fuentes, como los fertilizantes, es asimilado

    por las plantas e incorporado en los cidos nucleicos, que constituyen el material gentico

    de los organismo. La mineralizacin de la biomasa por la descomposicin microbiana

    devuelve el fsforo a la disolucin salina, de la que puede precipitar como materia mineral.

    La antroposfera es un depsito importante de fsforo en el ambiente. Se extraen

    grandes cantidades de fosfato de los minerales de fosfato para fertilizantes, productos

    qumicos industriales y aditivos para alimentos. El fsforo es un constituyente de algunos

    compuestos extremadamente txicos, especialmente de los insecticidas organofosforados y

    de algunos gases militares venenosos, como el tristemente clebre Sarn y el agente VX (es

    un arma qumica de guerra creada por el hombre y clasificada como un agente nervioso).

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    b) Ciclo del azufre

    Figura 1.19 Ciclo del Azufre

    Es menos importante que los otros elementos que hemos visto, pero imprescindible

    porque forma parte de las protenas.

    Su reserva fundamental es la corteza terrestre y es usado por los seres vivos en

    pequeas cantidades.

    Figura 1.20 Ciclo del Azufre considerando las especies qumicas.

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    19

    El ciclo del azufre, que se ilustra en las Figuras 1.19 y 1.20, es relativamente

    complejo porque involucra varias especies gaseosas, minerales poco solubles y varias

    especies en disolucin. Este ciclo est ligado con el del oxgeno porque el azufre se

    combina con este elemento para formar dixido de azufre gaseoso, SO2, que es un

    contaminante atmosfrico y el in sulfato, SO4-, soluble en agua. Entre las especies

    importantes involucradas en el ciclo del azufre estn el sulfuro de hidrgeno gaseoso, H2S,

    conocido ampliamente como cido sulfdrico; el sulfuro de dimetilo voltil, (CH3)2S, que es

    liberado a la atmsfera por los procesos biolgicos en los ocanos; los sulfuros minerales,

    como el PbS, abundantes en la naturaleza; el cido sulfrico, H2SO4, el principal

    constituyente de la lluvia cida y el azufre biolgicamente enlazado en las protenas que lo

    contienen.

    1.6 Impacto Humano y Contaminacin

    La demanda de una poblacin creciente, unidas con el deseo de la mayora de las

    personas de un estndar de vida material superior, traen como resultado la contaminacin

    mundial en una escala masiva, como se indica en la figura 1.21.

    Figura 1.21 Contaminacin

    Las cinco esferas ambientales principales pueden padecer de contaminacin, adems de

    estar todas ellas vinculadas a los fenmenos de polucin.

    Algunas definiciones importantes

    En algunos casos la contaminacin es un fenmeno bien definido, en otros queda en

    gran parte a juicio del espectador. Los residuos txicos de solventes organoclorados que se

    lixivian al agua de suministro, desde vertederos de residuos qumicos peligrosos, son

    contaminantes desde todos los puntos de vista. Sin embargo, la msica de rock fuerte,

    amplificada a un nivel de altos decibelios por el a veces cuestionable milagro de la

    electrnica moderna, es agradable a algunas personas, mientras que es una forma muy

    definida de contaminacin sonora para otras. Frecuentemente, el tiempo y el lugar

    determinan lo que se entiende por contaminante. El fosfato, que se debe eliminar de las

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    aguas residuales, qumicamente el mismo fosfato que el granjero, a pocos kilmetros de

    distancia, tiene que comprar a precios altos como fertilizante.

    La mayora de contaminantes son, de hecho, recursos que han terminado como

    residuos.

    Una definicin razonable considera como contaminante a una sustancia presente en

    concentraciones mayor que la natural como resultado de la actividad humana, que tiene un

    efecto perjudicial neto en el medio ambiente o sobre algo de valor en ese ambiente. Cada

    contaminante se origina en una fuente. La fuente es particularmente importante porque

    generalmente es el lugar lgico para eliminar la contaminacin. Despus de que un

    contaminante es liberado de una fuente, puede actuar sobre un receptor. El receptor es aquel

    que es afectado por la contaminacin. Las pequeas truchas que pueden morir despus de la

    exposicin al cido de la lluvia cida en el agua, tambin son receptores. Eventualmente, si

    el contaminante es duradero, puede depositarse en un sumidero, un depsito a largo plazo

    del contaminante. All permanecer durante mucho tiempo, aunque no necesariamente para

    siempre. As, una pared de calcita puede ser un sumidero o depsito para el cido sulfrico

    atmosfrico a travs de la reaccin:

    CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2

    Que fija el sulfato, quedando ste integrado en la composicin de la pared.

    1.7 Movimiento de los contaminantes en el Ambiente

    La atmsfera terrestre, pese a que su composicin es casi constante, presenta un

    equilibrio dinmico en razn de la accin de los organismos y la dinmica de los procesos

    geolgicos. De esta manera, el llamado aire puro como tal no existe ya que constantemente

    hay un intercambio entre la biomasa, la hidrsfera, la geosfera y la atmsfera.

    El trmino contaminacin o sustancia txica para el ambiente abarca todas aquellas

    especies qumicas que estando en los ecosistemas son nocivos o potencialmente nocivos

    para la vida en cualquiera de sus formas.

    El riesgo asociado al uso de la contaminacin por tales sustancias generalmente se

    evala tomando como base su impacto sobre la vida, esto es, el tamao de la amenaza que

    presenta para los sistemas biolgicos al ponerse en contacto con ellas y por la cantidad de la

    sustancia presente junto con su movilidad. Dentro de este contexto, metales como el

    mercurio o el plomo, plaguicidas como el dicloro-difeniltricloroetano, DDT, o gases como

    del SO2, SO3 y NO2 actualmente abundan y estn extensamente distribuidos en el ambiente

    y por tanto presentan problemas serios de contaminacin.

    Cuando una sustancia txica o potencialmente txica ingresa al ambiente procedente de

    cualquier fuente y permanece inalterada se le conoce como contaminante primario; si tal

    sustancia, por interaccin con otros contaminantes o con los componentes del medio, se

    transforman en otras, los nuevos txicos formados se llaman contaminantes secundarios.

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    La interaccin de un contaminante y un organismo vivo desde el punto de vista de sus

    medios de transporte puede esquematizarse as:

    Figura 1.22 Interaccin de un contaminante y un organismo vivo desde el punto de

    vista de sus medios de transporte

    De esta manera, en ltima instancia cualquier especie contaminante por diferentes

    caminos llega a afectar al hombre.

    1.8 Transporte y destino qumico

    Figura 1.23 Transporte y destino qumico

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    22

    El movimiento y destino de los contaminantes ambientales son aspectos clave en la

    determinacin de sus impactos. Esta preocupacin se trata por la disciplina conocida como

    transporte y destino qumico o transporte y destino ambiental.

    Las sustancias consideradas como contaminantes casi siempre se originan en la

    antroposfera (aunque sustancias como los gases volcnicos que contienen azufre tambin

    pueden actuar como contaminantes). Estas sustancias pueden pasar al aire, la tierra, el agua

    (superficial o subterrnea), a los sedimentos y a la biota (las plantas y los animales). El

    lugar donde tales sustancias van a parar y lo que hacen, depende de sus propiedades y de las

    condiciones del medio ambiente en que son introducidas. Como regla general, el transporte

    y destino de los contaminantes est controlado por su transporte fsico (el movimiento sin

    reaccionar o interactuar con otras fases) y su reactividad, que incluye reacciones qumicas y

    bioqumicas o interacciones fsicas con otras fases.

    Es conveniente ver el transporte y destino ambiental en funcin de tres compartimentos

    ambientales principales: 1) la atmsfera, 2) las aguas superficiales y 3) la superficie

    terrestre y el subsuelo, que incluye el suelo, los estratos minerales y las aguas subterrneas

    Transporte fsico

    Aunque hay numerosos procesos de transporte fsico, dependiendo del medio en que se

    encuentren los contaminantes, aqullos pueden dividirse en dos categoras. La primera de

    stas es la adveccin, que se debe al movimiento de masas de fluidos que simplemente

    llevan los contaminantes con ellos. La adveccin vertical de aire o agua se denomina

    conveccin. El segundo tipo de movimiento de las especies qumicas es el transporte por

    difusin o transporte de Fick, ms comunmente considerado como difusin molecular, que

    consiste en la tendencia natural de las molculas a moverse desde regiones de alta

    concentracin a las regiones de ms baja concentracin por el movimiento aleatorio de las

    molculas.

    Reactividad

    La reactividad incluye reacciones qumicas, procesos biticos, la unin a superficies y

    la liberacin desde stas. Los procesos de reactividad incluyen las dos categoras amplias

    de reacciones qumicas citadas, as como el intercambio entre fases.

    El balance de masa

    Como toda la materia, los contaminantes estn gobernados por la conservacin de la

    masa que sencillamente da cuenta de toda la materia en un contaminante, a donde quiera

    que ste se mueva y cualesquiera que sean las reacciones que pueda experimentar. Al

    considerar la conservacin de masa en el medio ambiente, es til definir un volumen de

    control como una parte del medio ambiente dentro de la cual se encuentran todas las

    fuentes y sumideros de un contaminante y a travs de cuyos lmites puede conocerse el

    movimiento del contaminante. En relacin con tal porcin del ambiente, un contaminante

    se describe por la relacin de balance de masa.

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    23

    Distribucin entre fases

    La distribucin entre fases es muy importante en el transporte y destino ambiental.

    Puede involucrar el movimiento entre los compartimentos ambientales principales o puede

    conllevar el reparto entre las fases dentro de un compartimiento ambiental.

    1.7.1 Transporte y destino qumico en la atmsfera, la hidrosfera y la geosfera.

    Aqu se trata brevemente el transporte y el destino qumico de las sustancias en la

    atmsfera, la hidrosfera y la geosfera.

    Contaminantes en la atmsfera

    Las sustancias que tienden a ser transportadas a la atmsfera son las relativamente

    voltiles. Tales sustancias incluyen las que son gases bajo las condiciones ambientales

    normales, como el xido ntrico, NO, o el monxido de carbono, CO. Se denominan

    compuestos orgnicos voltiles, COV o VOC por sus siglas en ingls (volatli organic

    compounds), a cierto nmero de compuestos orgnicos, como la gasolina y los

    clorofluorocarburos. Los compuestos orgnicos menos voltiles, que no obstante entran en

    el aire, se clasifican como compuestos orgnicos semi voltiles.

    Una consideracin importante con respecto a las sustancias que entran en la atmsfera

    es su grado de hidrofobicidad (aquellas que son repelidas por el agua) y sus opuestos, los

    compuestos hidrfilos (se disuelven fcilmente en el agua) se eliminan de la atmsfera por

    precipitacin (la lluvia). El metanol como el diclorometano son COV, el metanol es muy

    soluble en agua y es eliminado rpidamente de la atmsfera por la lluvia, mientas que el

    diclorometano es hidrfobo tiende a permanecer en el aire.

    Figura 1.24 Contaminacin de la Atmsfera

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    24

    Varios contaminantes importantes del aire estn en forma de partculas, habitualmente

    llamadas materia particulada e, incluso, se usan sus siglas en ingls, PM, por particulate

    matter. Las partculas pesadas tienden a asentarse rpidamente y depositarse en el suelo o

    en la superficie de las hojas de las plantas o paredes o techos de edificios. Las partculas

    ms ligeras tienden a permanecer en la atmsfera ms tiempo y viajar ms lejos de sus

    fuentes. Las partculas de materiales solubles en agua o con superficies hidrfilas son

    eliminadas rpidamente por la lluvia y pueden entrar en los cuerpos de agua superficiales e

    incluso subterrneos.

    Contaminantes en la hidrosfera

    Los contaminantes pueden verterse directamente al agua o pueden entrar en ella desde

    la atmsfera o por escorrenta desde el suelo. Debe considerarse tanto el agua superficial

    como el agua subterrnea. El agua subterrnea puede recoger los contaminantes desde el

    agua superficial contaminada que fluye de la superficie a los acuferos subterrneos, como

    parte del proceso de recarga.

    Figura 1.25 Contaminacin del agua

    Contaminantes en la geosfera

    El transporte de contaminantes en la geosfera ocurre principalmente por el movimiento

    de las aguas subterrneas a travs de las formaciones de rocas que componen los acuferos.

    Figura 1.26 La contaminacin del agua subterrnea por desperdicios slidos.