Cap 18 quimica ambiental

Durante los meses de invierno seforman nubes estratosféricas sobrela Antártida. Al eliminar el NO2

de la atmósfera, estas nubes reducenla formación de ClONO2 y aumen-tan la concentración de ClO, unimportante catalizador de la reduc-ción del ozono estratosférico.

Capítulo 18Química ambiental

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703

• Las regiones superiores de la atmósfera, donde la presión es muybaja, absorben gran parte de la ra-diación de alta energía provenientedel Sol mediante reacciones de fo-toionización y fotodisociación. Al eli-minar por filtración la radiación dealta energía, estos procesos hacenposible la existencia de la vida enla Tierra tal como la conocemos.

• El ozono de la estratosfera tambiénactúa como un filtro de la luz ultra-violeta de alta energía. Las activi-dades humanas han reducido lacapa de ozono al introducir en la estratosfera sustancias químicasque trastornan el ciclo natural deformación y descomposición de ozono. Destacan entre ellas losclorofluorocarbonos (CFC).

• La región más baja de la atmósfera,la troposfera, es la región donde vivimos. Muchos componentes se-cundarios de la troposfera influyenen la calidad del aire y en la acidezde la precipitación pluvial. La con-centración de estos componentessecundarios, incluso de aquellosque originan lluvia ácida y smog fo-toquímico, ha aumentado por efectode las actividades humanas.

• El dióxido de carbono es un com-ponente menor de la atmósfera par-ticularmente importante porqueactúa como gas “de invernadero”,es decir, provoca un calentamientode la atmósfera terrestre. Se piensaque la quema de combustibles fósi-les (hulla, petróleo y gas natural)duplicará para el año 2050 la con-centración atmosférica de CO2 conrespecto al nivel preindustrial. Seespera que esta duplicación provo-cará un calentamiento importantede la atmósfera, con los cambiosclimáticos consiguientes.

• Casi toda el agua de la Tierra se ha-lla en los océanos. La obtención deagua dulce del agua de mar paraconsumo humano, procesos indus-triales y uso agrícola consume mu-cha energía. Contamos con fuentesde agua dulce para satisfacer lamayor parte de nuestras necesida-des, pero estas fuentes suelen re-querir tratamientos para hacerlasaprovechables.

• La química verde es una iniciativainternacional que se propone hacercompatibles todos los productos,procesos y reacciones químicas industriales con una sociedad y unmedio sostenibles. Examinaremosalgunas reacciones y procesos queson favorables para los objetivosde la química verde.

18.1 La atmósfera de la Tierra18.2 Las regiones exteriores de la atmósfera18.3 El ozono de la atmósfera superior18.4 Química de la troposfera18.5 El océano terrestre18.6 Agua dulce18.7 Química verde

EN 1992, REPRESENTANTES de 172 países se reunieronen Río de Janeiro, Brasil, para asistir a la Conferenciade las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente yDesarrollo, reunión que se conoce como la Cumbrede la Tierra. Cinco años más tarde, en diciembre de 1997, representantes de 130 naciones se reunieron en Kyoto, Japón, para analizarlas repercusiones de las actividades humanas en el calentamiento global. De esareunión provino una iniciativa de trabajar con miras a un tratado global que, entreotras cosas, dictaría las medidas que deben tomarse para reducir las emisiones degases que provocan calentamiento global. En julio de 2001, en Bonn, Alemania,178 naciones firmaron un tratado basado en los llamados Protocolos de Kyoto.* Estosesfuerzos encaminados a atender cuestiones ambientales desde una perspectivainternacional indican que muchos de los problemas ambientales más urgentes sonde naturaleza global.

El crecimiento económico de los países, tanto desarrollados como en vías dedesarrollo, depende en grado crítico de los procesos químicos. Estos fluctúan desde eltratamiento de abastos de agua hasta procesos industriales, muchos de los cualesgeneran productos o subproductos dañinos para el ambiente. Ahora nos hallamos ensituación de poder aplicar los principios que hemos aprendido en los capítulos ante-riores a la comprensión de estos procesos. En este capítulo consideraremos algunosaspectos de la química de nuestro medio, enfocando nuestra atención en la atmósferade la Tierra y en su ambiente acuoso, conocido como hidrosfera.

Tanto la atmósfera como la hidrosfera de nuestro planeta hacen posible la vidacomo la conocemos. Por consiguiente, el manejo del ambiente de manera que se

conserve y se mejore la calidad de vida, es una de las preocupaciones másimportantes de nuestros tiempos. Nuestras decisiones cotidianas como con-

sumidores reflejan las de los dirigentes que acuden a Bonny a reuniones internacionales semejantes: debemos sope-sar los costos contra los beneficios de nuestras acciones.Desafortunadamente, las repercusiones ambientales denuestras decisiones suelen ser muy sutiles y no se mani-

fiestan de inmediato.

* Estados Unidos, casi el único entre todos los países que se negó a firmar el tratado.

» Lo que veremos «• En este capítulo presentaremos la

naturaleza de la atmósfera y de la hidrosfera terrestres, e indicare-mos algunas de las formas en quelas actividades humanas han altera-do estos vitales componentes denuestro ambiente.

• Estudiaremos los perfiles de tem-peratura y presión de la atmósferaterrestre, así como su composiciónquímica.

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704 Capítulo 18 Química ambiental

170 190 210 230 250 270 2900

10

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100

110

Temperatura (K)

(a)

Troposfera

Estratosfera

Mesosfera

Termosfera

Alt

itud

(km

)

Mesopausa

Estratopausa

Tropopausa

200 400 600 8000

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60

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80

90

100

110

Presión (torr)

(b)

Alt

itud

(km

)

» Figura 18.1 (a) Variaciones de temperatura de la atmósfera a altitudes de menos de 110 km. (b) Variaciones de la presión atmosféricacon la altitud. A 80 km la presión es de aproximadamente 0.01 torr.

18.1 La atmósfera de la Tierra

Puesto que ninguno de nosotros hemos estado muy lejos de la superficie terrestre,tendemos a dar por sentadas las múltiples formas en que la atmósfera determina elambiente en el que vivimos. En esta sección examinaremos algunas de las carac-terísticas importantes de la atmósfera de nuestro planeta.

La temperatura de la atmósfera varía de manera compleja en función de la alti-tud, como se muestra en la figura 18.1(a) ¥. La atmósfera se divide en cuatro regionessobre la base de este perfil de temperaturas. Inmediatamente encima de la superfi-cie, en la troposfera, la temperatura disminuye normalmente al aumentar la altitud,y alcanza un mínimo de alrededor de 215 K aproximadamente a los 12 km. Casitodos nosotros pasamos toda la vida en la troposfera. El rugido del viento y las brisassuaves, la lluvia, los cielos soleados —todo lo que normalmente consideramos comoel “tiempo” meteorológico— tiene lugar en esta región. Típicamente, los avionescomerciales vuelan a alrededor de 10 km (33,000 ft) sobre la superficie terrestre, auna altitud cercana al límite superior de la troposfera, en lo que se conoce comotropopausa.

Por encima de la tropopausa la temperatura aumenta con la altitud, y alcanza unmáximo de 275 K aproximadamente a los 50 km. Esta región se denomina estratos-fera. Más allá de la estratosfera se encuentran la mesosfera y la termosfera. Obsérveseen la figura 18.1 que los extremos de temperatura que constituyen las fronteras decada región se denotan mediante el sufijo -pausa. Estas fronteras son importantesporque el proceso de mezclado de los gases a través de ellas es relativamente lento.Por ejemplo, los gases contaminantes que se generan en la troposfera alcanzan la estratosfera con gran lentitud.

A diferencia de los cambios de temperatura que tienen lugar en la atmósfera, lapresión atmosférica disminuye con regularidad al aumentar la altitud, como se mues-tra en la figura 18.1(b). La presión atmosférica decae con mucho mayor rapidez abajas alturas que a las más elevadas, debido a la compresibilidad de la atmósfera. Así,por ejemplo, la presión disminuye de un valor medio de 760 torr (101 kPa) al nivel

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18.1 La atmósfera de la Tierra 705

Componente* Contenido (fracción molar) Masa molar

Nitrógeno 0.78084 28.013Oxígeno 0.20948 31.998Argón 0.00934 39.948Dióxido de carbono 0.000375 44.0099Neón 0.00001818 20.183Helio 0.00000524 4.003Metano 0.000002 16.043Criptón 0.00000114 83.80Hidrógeno 0.0000005 2.0159Óxido nitroso 0.0000005 44.0128Xenón 0.000000087 131.30

* El ozono, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, amoniaco y monóxido de carbono estánpresentes como gases traza en cantidades variables.

TABLA 18.1 Composición del aire seco cerca del nivel del mar

del mar a 2.3 � 10�3 torr (3.1 � 10�4 kPa) a 100 km, y a sólo 1.0 � 10�6 torr (1.3 �10�7 kPa) a 200 km. En conjunto, la troposfera y la estratosfera contienen 99.9% dela masa de la atmósfera, 75% de la cual está en la troposfera.

Composición de la atmósfera

La atmósfera es un sistema sumamente complejo. Su temperatura y presión fluctúancon la altitud entre límites muy amplios, como ya hemos visto. La atmósfera es bombar-deada por la radiación y las partículas de alto contenido de energía provenientes del Sol.Esta barrera de energía tiene efectos químicos profundos, en especial en las zonas másexternas de la atmósfera (Figura 18.2 »). Además, y debido al campo gravitatorio de laTierra, los átomos y moléculas más ligeros tienden a elevarse hasta la parte superior. Co-mo resultado de todos estos factores, la composición de la atmósfera no es uniforme.

La tabla 18.1 ¥ muestra la composición, en fracciones molares, del aire seco cercadel nivel del mar. Aunque están presentes trazas de muchas sustancias, el N2 y el O2constituyen alrededor de 99% de la totalidad de la atmósfera. Los gases nobles y elCO2 integran la mayor parte del resto.

Cuando se habla de trazas de componentes de sustancias, es común el uso de par-tes por millón (ppm) como unidad de concentración. Aplicado a sustancias en diso-lución acuosa, el concepto de partes por millón se refiere a los gramos de sustanciapor millón de gramos de disolución. • (Sección 13.2) Cuando se trata de gases, encambio, una parte por millón se refiere a una parte en volumen en 1 millón de unida-des de volumen de la totalidad. Puesto que el volumen (V) es proporcional a la can-tidad (n) de gas según la ecuación del gas ideal (PV � nRT), la fracción en volumeny la fracción molar son iguales. Por tanto, 1 ppm de un componente traza en la atmósfera representa 1 mol de ese componente en 1 millón de moles del gas en su to-talidad, es decir, la concentración en ppm equivale a la fracción molar multiplicadapor 106. La tabla 18.1 indica la fracción molar de CO2 en la atmósfera como 0.000375.Su concentración en ppm es de 0.000375 � 106 � 375 ppm.

Antes de considerar los procesos químicos que se llevan a cabo en la atmósfera,conviene repasar algunas de las propiedades químicas importantes de los dos com-ponentes principales de la atmósfera: N2 y O2. Recuérdese que la molécula de N2posee un triple enlace entre los átomos de nitrógeno. • (Sección 8.3) A este muyfuerte enlace se debe en gran medida la muy escasa reactividad del N2, que reac-ciona sólo en condiciones extremas. La energía de enlace del O2 (495 kJ/mol) esmucho menor que la del N2 (941 kJ), por lo que el O2 es mucho más reactivo que elN2. El oxígeno reacciona con muchas sustancias para formar óxidos. Los óxidos delos no metales, por ejemplo el SO2, forman normalmente soluciones ácidas cuandose disuelven en agua. Los óxidos de los metales activos, como el CaO, por ejemplo,forman soluciones básicas al disolverse en agua. • (Sección 7.6)

Á Figura 18.2 Aurora boreal (lucesdel norte). Este espectáculo luminosode los cielos septentrionales esproducto de las colisiones deelectrones y protones de alta velocidadprovenientes del Sol con moléculas deaire. El campo magnético de la Tierracanaliza las partículas con carga hacialas regiones polares.

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0.0011 * 106 = 1100 ppm

XH2O =PH2O

Pt=

0.80 torr735 torr

= 0.0011

PH2O = XH2OPt


EJERCICIO TIPO 18.1¿Cuál es la concentración (en partes por millón) de vapor de agua en una muestra de aire si la presión parcial del agua es de 0.80 torr y la pre-sión total del aire es de 735 torr?

SoluciónAnálisis y estrategia: Se da la presiónparcial de vapor de agua y la presión to-tal de una muestra de aire. Recuérdeseque la presión parcial de un componen-te determinado de una muestra de ga-ses está dado por el producto de sufracción molar por la presión total de lamezcla. • (Sección 10.6)

Resolución: Despejando la fracción molar de vapor de agua en la mezcla,

se obtiene

La concentración en ppm es la fracciónmolar multiplicada por 106.

EJERCICIO DE APLICACIÓNLa concentración de CO en una muestra de aire resulta ser de 4.3 ppm. ¿Cuál es la presión parcial del CO si la presión total del aire es de 695 torr?Respuesta: 3.0 � 10�3 torr

XH2O,

18.2 Las regiones exteriores de la atmósfera

Aunque la zona más externa de la atmósfera, más allá de la estratosfera, contienesólo una pequeña fracción de la masa atmosférica, forma la protección externa con-tra la lluvia de radiación y partículas de alta energía que continuamente bombardeala Tierra. Al ocurrir esto, las moléculas y átomos de las capas más altas de la atmós-fera sufren cambios químicos.

Fotodisociación

El Sol emite energía radiante de una extensa variedad de longitudes de onda. Las ra-diaciones de mayor energía y longitudes de onda más cortas de la región ultravio-leta del espectro tienen suficiente energía para provocar cambios químicos. Recuérdeseque se puede visualizar la radiación electromagnética como una corriente de fotones.• (Sección 6.2) La energía de cada fotón está dada por la relación E = hν, donde hes la constante de Planck y ν es la frecuencia de la radiación. Para que se lleve a ca-bo un cambio químico cuando la radiación incide en la atmósfera terrestre se debensatisfacer dos condiciones. Primero, debe haber fotones con la energía suficiente pa-ra llevar a cabo el proceso químico en cuestión. Segundo, las moléculas deben absor-ber estos fotones. Cuando se satisfacen ambos requisitos, la energía de los fotones seconvierte en alguna otra forma de energía dentro de la molécula.

La ruptura de un enlace químico debida a la absorción de un fotón por una mo-lécula se llama fotodisociación. La fotodisociación no forma iones. La ruptura del en-lace deja la mitad de los electrones de enlace en cada uno de los dos átomos y seforman dos partículas neutras.

Uno de los procesos más importantes que ocurren en las capas altas de la atmósfe-ra, a una altitud de más de 120 km, es la fotodisociación de la molécula de oxígeno:

O2(g) � hν 9: 2O(g) [18.1]

La energía mínima necesaria para provocar este cambio está determinada por la ener-gía de disociación del O2 (495 kJ/mol). En el EJERCICIO TIPO 18.2 se calcula la longitud de onda más larga de un fotón con la energía suficiente para disociar lamolécula de O2.

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18.2 Las regiones exteriores de la atmósfera 707

EJERCICIO TIPO 18.2¿Cuál es la longitud de onda máxima (en nanómetros) que tiene suficiente energía por fotón para disociar la molécula de O2?

SoluciónAnálisis y estrategia: Se pide determinar la longitud de onda de un fotón que tiene justamente la energía suficiente para romper el enlaceO—O del O2. Primero se debe calcular la energía necesaria para romper el enlace O—O de una molécula, para luego hallar la longitud de onda de un fotón con esta energía.

Resolución: La energía de disociación delO2 es de 495 kJ/mol. Con base en este va-lor se calcula la cantidad de energía nece-saria para romper el enlace de una solamolécula de O2:

Después se emplea la relación de Planck, E � hν, para calcular la frecuencia, ν, de unfotón que tiene esta cantidad de energía.

Por último, se calcula la longitud de ondade la luz con base en la relación entre la fre-cuencia y la longitud de onda de la luz(Sección 6.1):

Así pues, la luz ultravioleta de longitud de onda de 242 nm tiene la energía suficiente por fotón para fotodisociar una molécula de O2. Dadoque la energía de un fotón aumenta conforme su longitud de onda disminuye, cualquier fotón de longitud de onda más corta que 242 nm tendrála energía suficiente para disociar el O2.

EJERCICIO DE APLICACIÓNLa energía de enlace del N2 es de 941 kJ/mol (Tabla 8.4). ¿Cuál es la longitud de onda más larga de un fotón con la energía suficiente para di-sociar el N2?Respuesta: 127 nm

l =cn

= ¢ 3.00 * 108 m>s1.24 * 1015 >s ≤ ¢ 109 nm

1 m≤ = 242 nm

n =Eh

=8.22 * 10-19 J

6.626 * 10-34 J-s= 1.24 * 1015 s-1

¢495 * 103

Jmol≤ ¢ 1 mol

6.022 * 1023 moléculas≤ = 8.22 * 10-19

Jmolécula

Por suerte para nosotros, el O2 absorbe gran parte de la radiación de longitud deonda corta y alta energía del espectro solar antes de que alcance las regiones bajas de la atmósfera. Al hacerlo, se forma oxígeno atómico, O. A altitudes mayores la di-sociación del O2 es muy extensa. A 400 km, por ejemplo, sólo el 1% del oxígeno está en forma de O2; 99% restante es oxígeno atómico. A 130 km, el O2 y el O están prác-ticamente en la misma proporción. Por debajo de 130 km, el O2 es más abundante que el O.

La energía de disociación del N2 es muy grande (Tabla 8.4). Como se muestra en elEJERCICIO DE APLICACIÓN 18.2, solamente los fotones de longitud de onda muycorta poseen la energía suficiente para disociar el N2. Por añadidura, el N2 no absorbefácilmente los fotones, aun los que tienen suficiente energía. En consecuencia, se formamuy poco nitrógeno atómico por disociación de N2 en las capas altas de la atmósfera.

Fotoionización

En 1901 Guglielmo Marconi recibió una señal de radio en St. John’s, Terranova, quehabía sido transmitida desde Land’s End, Inglaterra, a unos 2900 km de distancia. Co-mo se pensaba que las ondas de radio viajaban en línea recta, se había supuesto que laradiocomunicación a grandes distancias sobre la Tierra era imposible. El éxito delexperimento de Marconi sugirió que, de alguna manera, la atmósfera terrestre influyeen la propagación de las ondas de radio. Su descubrimiento dio lugar a un estudiointensivo de las capas altas de la atmósfera. Alrededor de 1924 se estableció median-te estudios experimentales la existencia de electrones en la atmósfera superior.

Por cada electrón presente en las capas altas de la atmósfera debe haber un ion correspondiente con carga positiva. Los electrones de esa región de la atmósferason producto, en su mayoría, de la fotoionización de moléculas debida a la radiaciónsolar. Se produce fotoionización cuando una molécula absorbe energía y ésta provo-ca la pérdida de un electrón. Para que haya fotoionización, por tanto, la molécula debeabsorber un fotón, y éste debe tener la energía suficiente para extraer un electrón.

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Proceso Energía de ionización ( ) lmáx (nm)

1495 80.11205 99.31313 91.2890 134.5NO + hn ¡ NO+ + e-

O + hn ¡ O+ + e-O2 + hn ¡ O2

+ + e-N2 + hn ¡ N2

+ + e-

kJ/mol

TABLA 18.2 Procesos de ionización, energías de ionización y longitudesde onda máximas capaces de provocar ionización

En la tabla 18.2 Á se muestran algunos de los procesos de ionización más impor-tantes que ocurren en las capas altas de la atmósfera, cerca de los 90 km, junto conlas energías de ionización y la lmáx, que es la longitud de onda máxima de un fotóncapaz de provocar ionización. Los fotones con energía suficiente para provocar ioni-zación tienen longitudes de onda que corresponden a la región ultravioleta de altaenergía. Estas longitudes de onda se eliminan totalmente por filtración de la radia-ción que llega a la Tierra, pues las absorbe la atmósfera superior.

18.3 El ozono de la atmósfera superior

En contraste con el N2, O2 y O, que absorben fotones de longitud de onda menorque 240 nm, el ozono es el absorbente fundamental de los fotones con longitud deonda de 240 a 310 nm. Examinemos ahora la formación de ozono en las capas altasde la atmósfera y cómo absorbe fotones.

En altitudes menores de 90 km, la mayor parte de la radiación ultravioleta es capazde provocar fotoionización que ya ha sido absorbida. No obstante, la radiación ca-paz de disociar la molécula de O2 es lo suficientemente intensa como para que la fotodi-sociación del O2 (Ecuación 18.1) siga siendo importante hasta una altitud de 30 km. Enla región entre 30 y 90 km, la concentración de O2 es mucho mayor que la de oxígenoatómico. Por consiguiente, los átomos de O que se forman en esta región chocan fre-cuentemente con moléculas de O2, y el resultado es la formación de ozono, O3

[18.2]

El asterisco arriba del O3 denota que la molécula de ozono contiene un exceso deenergía. La reacción del O con el O2 para formar O3

* libera 105 kJ/mol. Es necesarioque la molécula de O3

* transfiera esta energía en un lapso muy breve, pues de lo con-trario se descompondrá nuevamente en O2 y O, por un proceso que es el inverso delque forma O3

*.Una molécula de O3

* rica en energía puede liberar el excedente de energía cho-cando con otro átomo o molécula y transfiriéndole parte de esa energía. Sea M elátomo o molécula con el que el O3

* choca. (Por lo regular M es N2 u O2, porque és-tas son las moléculas más abundantes.) La formación de O3

* y la transferencia del ex-ceso de energía a M se resumen en las ecuaciones siguientes:

[18.3]

[18.4]

[18.5]

De acuerdo con las ecuaciones 18.3 y 18.4 la velocidad de formación de O3 de-pende de dos factores que varían en sentidos opuestos al aumentar la altitud. Prime-ro, la formación de O3

*, según la ecuación 18.3, depende de la presencia de átomosde O. A altitudes bajas ya se ha absorbido la mayor parte de la radiación con ener-gía suficiente para disociar O2; por tanto, se favorece la formación de O a altitudesmayores. Segundo, ambas ecuaciones, 18.3 y 18.4, dependen de las colisiones mo-leculares. Sin embargo, la concentración de moléculas es más grande a altitudes bajas,por lo que la frecuencia de las colisiones entre O y O2 (Ecuación 18.3) y también

O(g) + O2(g) + M(g) ¡ O3(g) + M*(g) 1neta2 O3

*(g) + M(g) ¡ O3(g) + M*(g)

O(g) + O2(g) Δ O3 *(g)

O(g) + O2(g) ¡ O3 *(g)

Ejercicios con el CD-ROMOzono estratosférico(Stratospheric Ozone)

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18.3 El ozono de la atmósfera superior 709

entre O3* y M (Ecuación 18.4) es mayor a altitudes bajas. Debido a que estos proce-

sos varían con la altitud en sentidos opuestos, la máxima velocidad de formación deO3 se da en una banda a una altitud de alrededor de 50 km, cerca de la estratopausa[Figura 18.1(a)]. En conjunto, alrededor de 90% del ozono del planeta se encuen-tra en la estratosfera, entre las altitudes de 10 y 50 km.

Una vez formada, la molécula de ozono no dura mucho tiempo. El ozono es ca-paz de absorber radiación solar, que lo descompone en O2 y O. Dado que este pro-ceso sólo requiere 105 kJ/mol, los fotones de longitud de onda menor que 1140 nmtienen la energía suficiente para fotodisociar el O3. Las absorciones más intensas e im-portantes, no obstante, son de fotones de 200 a 310 nm. De no ser por la capa de ozo-no de la estratosfera, estos fotones de alta energía penetrarían hasta la superficieterrestre. La vida vegetal y animal como la conocemos no podría sobrevivir en pre-sencia de esta radiación de alta energía. La “capa de ozono” es, por consiguiente, in-dispensable para nuestro bienestar. Sin embargo, las moléculas que constituyen estaindispensable capa contra la radiación representan sólo una minúscula fracción delos átomos de oxígeno presentes en la estratosfera, porque se destruyen continuamen-te a medida que se forman.

La fotodescomposición del ozono revierte la reacción que le da origen. Así pues,se tienen un proceso cíclico de formación y descomposición de ozono que se resumecomo sigue:

Los procesos primero y tercero son fotoquímicos: emplean un fotón solar paraponer en marcha una reacción química. Los procesos segundo y cuarto son reaccio-nes químicas exotérmicas. El resultado neto de los cuatro procesos es un ciclo en elque la energía solar radiante se transforma en energía térmica. Al ciclo del ozono enla estratosfera se debe la elevación de temperatura que alcanza su máximo en la es-tratopausa, como se ilustra en la figura 18.1.

El esquema que se ha descrito de la formación y descomposición de moléculasde ozono explica algunos de los hechos acerca de la capa de ozono, aunque no todos.Se llevan a cabo muchas reacciones químicas en las que participan otras sustanciasademás del oxígeno. Asimismo, es preciso tener en cuenta los efectos de la turbulen-cia y de los vientos que mezclan la estratosfera. El cuadro resulta bastante complicado.El resultado conjunto de las reacciones de formación y eliminación de ozono, aunadasa la turbulencia atmosférica y a otros factores, es la generación de un perfil de ozonoen las capas altas de la atmósfera como el que se muestra en la figura 18.3 ¥.

O(g) + O(g) + M(g) ¡ O2(g) + M*(g) 1se desprende calor2 O3(g) + hn ¡ O2(g) + O(g)

O(g) + O2(g) + M(g) ¡ O3(g) + M*(g) 1se desprende calor2 O2(g) + hn ¡ O(g) + O(g)

1010 1011 1012 10130

10

20

30

40

50

60

70

Concentración de ozono (moléculas/cm3)

Alt

itud

(km

)

Est

rato

sfer

a

« Figura 18.3 Variación de la concentración de ozono en laatmósfera en función de la altitud.

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Reducción de la capa de ozono

En 1995 el Premio Nobel de Química fue otorgado a F. Sherwood Rowland, MarioMolina y Paul Crutzen por sus estudios del agotamiento del ozono en la estratosfe-ra. En 1970 Crutzen demostró que los óxidos de nitrógeno de origen natural destru-yen catalíticamente el ozono. Rowland y Molina reconocieron en 1974 que el cloro delos clorofluorocarbonos (CFC) puede consumir la capa de ozono que protege la su-perficie terrestre contra la radiación ultravioleta nociva. Estas sustancias, principal-mente CFCl3 (Freón 11MR) y CF2Cl2 (Freón 12MR) se han usado extensamente comopropelentes en latas de aerosoles, como gases refrigerantes y en acondicionadoresde aire, y como agentes espumantes de plásticos. Prácticamente no son reactivas enla atmósfera baja; además, son relativamente insolubles en agua y, por consiguien-te, no se eliminan de la atmósfera con la lluvia o por disolución en los océanos. Pordesgracia, la falta de reactividad que les confiere utilidad comercial también les per-mite sobrevivir en la atmósfera y difundirse tarde o temprano en la estratosfera. Seestima que hoy en día hay varios millones de toneladas de clorofluorocarbonos enla atmósfera.

Cuando se difunden en la estratosfera, los CFC quedan expuestos a la radiaciónde alta energía que provoca fotodisociación. Los enlaces C—Cl son considerable-mente más débiles que los enlaces C—F (Tabla 8.4). En consecuencia, se forman fá-cilmente átomos de cloro libres en presencia de luz de longitud de onda entre 190 y225 nm, como se muestra en la ecuación siguiente con respecto al Freón 12MR:

[18.6]

Los cálculos sugieren que la velocidad de formación de átomos de cloro es máximaa una altitud de alrededor de 30 km.

El cloro atómico reacciona rápidamente con el ozono para formar monóxido decloro (ClO) y oxígeno molecular (O2):

[18.7]

La ecuación 18.7 sigue una ecuación de velocidad de segundo orden con una cons-tante de velocidad muy grande:

[18.8]

En ciertas condiciones el ClO que se genera en la ecuación 18.7 reacciona de mo-do que regenera átomos de Cl libres. Una forma en que esto ocurre es por fotodisocia-ción del ClO:

[18.9]

Los átomos de Cl generados en la ecuación 18.9 reaccionan con más O3, de acuer-do con la ecuación 18.7. Estas dos ecuaciones conforman un ciclo de descomposi-ción de O3 en O2 catalizada por átomos de Cl, como se ve al sumar las ecuacionescomo sigue:

Esta ecuación se simplifica eliminando las especies semejantes de cada lado de laecuación para dar

[18.10]

Debido a que la velocidad de la ecuación 18.7 aumenta de forma lineal con [Cl], lavelocidad de destrucción del ozono aumenta con la cantidad de átomos de Cl. Porconsiguiente, cuanto mayor sea la cantidad de CFC que se difunde en la estratosfe-ra, tanto más rápida será la destrucción de la capa de ozono. La difusión de molécu-las de la troposfera en la estratosfera es lenta. No obstante, ya se ha observado un

2O3(g) Cl

" 3O2(g)

2Cl(g) + 2O3(g) + 2ClO(g) + 2O(g) ¡ 2Cl(g) + 2ClO(g) + 3O2(g) + 2O(g)

O(g) + O(g) ¡ O2(g)

2ClO(g) + hn ¡ 2Cl(g) + 2O(g)

2Cl(g) + 2O3(g) ¡ 2ClO(g) + 2O2(g)

ClO(g) + hn ¡ Cl(g) + O(g)

Velocidad = k [Cl][O3] k = 7.2 * 109 M-1 s-1 a 298 K

Cl(g) + O3(g) ¡ ClO(g) + O2(g)

CF2Cl2(g) + hn ¡ CF2Cl(g) + Cl(g)

Ejercicios con el CD-ROMDestrucción catalítica del ozonoestratosférico; CFC y ozonoestratosférico(Catalytic Destruction ofStratospheric Ozone, CFCs andStratospheric Ozone)

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Á Figura 18.4 Mapa del ozonototal presente en el hemisferio sur,tomado el 16 de septiembre de 2000desde un satélite en órbita. Losdistintos colores representan diferentesconcentraciones de ozono. El áreacentral, que se halla sobre la Antártida,es la de menor concentración deozono.

18.4 Química de la troposfera 711

Componente secundario Fuentes Concentraciones representativas

Dióxido de carbono, CO2 Descomposición de materia orgánica; 375 ppm en toda la troposferadesprendimiento desde el océano; quema de combustibles fósiles

Monóxido de carbono, CO Descomposición de materia orgánica; procesos 0.05 ppm en el aire no contaminado;industriales; quema de combustibles fósiles 1–50 ppm en zonas de tránsito urbano

Metano, CH4 Descomposición de materia orgánica; percolado 1.77 ppm en toda la troposferade gas natural

Óxido nítrico, NO Descargas eléctricas; motores de combustión 0.01 ppm en el aire no contaminado;interna; combustión de materia orgánica; 0.2 ppm en el smog

Ozono, O3 Descargas eléctricas; difusión desde la De 0 a 0.01 ppm en el aire no contaminado;estratosfera; smog fotoquímico 0.5 ppm en el smog fotoquímico

Dióxido de azufre, SO2 Gases volcánicos; incendios forestales; De 0 a 0.01 ppm en el aire no contaminado; acción bacteriana; quema de combustibles fósiles; 0.1-2 ppm en el ambiente urbano procesos industriales contaminado

TABLA 18.3 Fuentes y concentraciones representativas de algunos componentes atmosféricos secundarios

adelgazamiento de la capa de ozono sobre el Polo Sur, en particular durante los me-ses de septiembre y octubre (Figura 18.4 »). Los científicos también han hallado in-dicios de que el Polo Norte sufre una pérdida de ozono similar, aunque menospronunciada, a finales del invierno. También hay cada vez más indicios de cierta reduc-ción a latitudes más bajas.

Debido a los problemas ambientales asociados con los CFC, se han tomado medi-das para limitar su manufactura y uso. Un paso importante fue la firma del Protoco-lo de Montreal sobre Sustancias que Agotan la Capa de Ozono en 1987, en el que lasnaciones participantes acordaron reducir la producción de CFC. Se fijaron límitesmás estrictos en 1992, cuando representantes de aproximadamente 100 países acorda-ron prohibir la producción y uso de CFC para 1996. No obstante, y debido a que los CFCson muy poco reactivos y se difunden con tanta lentitud en la estratosfera, los cien-tíficos estiman que la destrucción del ozono continuará durante muchos años más.

¿Qué sustancias tomarán el lugar de los CFC? En este momento las principalesopciones son los hidrofluorocarbonos, que son compuestos con enlaces C—H en vezde los enlaces C—Cl de los CFC. Uno de estos compuestos, que ya se utiliza, es elCH2FCF3, conocido como HFC-134a. El cambio de los CFC a otras opciones como losHFC es costoso. Por ejemplo, el costo de modificar los equipos de acondicionamien-to de aire de edificios comerciales en Estados Unidos para hacerlos compatibles consustitutos de los CFC se estima en alrededor de 2000 millones de dólares. Además,los sustitutos actuales de los CFC son algo menos eficientes como refrigerantes y suuso consume un poco más de energía, lo que también incrementa el costo para elconsumidor. Con todo, los científicos y los organismos rectores han llegado a la con-clusión de que los costos son necesarios para proteger nuestro ambiente.

18.4 Química de la troposfera

La troposfera se compone principalmente de N2 y O2, que en conjunto constituyen99% de la atmósfera terrestre al nivel del mar (Tabla 18.1). Otros gases, aunque sóloestán presentes en concentraciones muy bajas, pueden tener efectos importantes ennuestro ambiente. La tabla 18.3 ¥ presenta una lista de las fuentes principales y lasconcentraciones representativas de algunos de los componentes secundarios impor-tantes de la troposfera. Muchas de estas sustancias están presentes en muy pequeñaproporción en el ambiente natural, pero se encuentran en concentraciones muchomayores en ciertas regiones, como resultado de las actividades humanas. En estasección estudiaremos las características más importantes de unas pocas de estas sus-tancias, así como su papel químico como contaminantes del aire. Como veremos, ca-si todas se forman como resultado directo o indirecto del uso generalizado dereacciones de combustión.

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ConcentraciónContaminante (ppm)

Monóxido de carbono 10

Hidrocarburos 3Dióxido de azufre 0.08

Óxidos de nitrógeno 0.05

Oxidantes totales(ozono y otros) 0.02

TABLA 18.4 Concentracionesmedias de contaminantesatmosféricos en una atmósferaurbana representativa

Compuestos de azufre y lluvia ácida

La atmósfera natural, no contaminada, contiene compuestos azufrados en algunaproporción. Provienen de la descomposición bacteriana de la materia orgánica, de losgases volcánicos y de otras fuentes que se indican en la tabla 18.3. La concentraciónde compuestos azufrados en la atmósfera provenientes de fuentes naturales es muypequeña en comparación con las concentraciones que se acumulan en los ambientesurbanos e industriales como resultado de las actividades humanas. Los compuestosde azufre, principalmente el dióxido de azufre, SO2, se cuentan entre los gases conta-minantes comunes más desagradables y nocivos. La tabla 18.4 « muestra las concen-traciones de diversos gases contaminantes en un ambiente urbano representativo (noen uno particularmente afectado por el smog). Según estos datos, el nivel de dióxi-do de azufre es de 0.08 ppm o más durante aproximadamente la mitad del tiempo.Esta concentración es considerablemente menor que la de otros contaminantes, en-tre los que destaca el monóxido de carbono. No obstante, se considera al SO2 comoel más serio peligro para la salud entre los contaminantes que se muestran, en espe-cial para las personas con dificultades respiratorias.

La combustión de hulla y petróleo genera alrededor de 80% del total de SO2 quese libera en Estados Unidos. La medida en que las emisiones de SO2 constituyen unproblema al quemar hulla y petróleo, depende del nivel de concentración de azu-fre. Ciertos tipos de petróleo, como el del Oriente Medio, son relativamente bajos enazufre, en tanto que otros, como el de Venezuela, tienen un mayor contenido de azufre.Debido a la preocupación acerca de la contaminación por SO2, el petróleo bajo enazufre tiene mayor demanda y es, por tanto, más costoso.

También varía el contenido de azufre de la hulla. Gran parte de la hulla del es-te del Mississippi tiene un contenido de azufre relativamente alto, de hasta 6% en ma-sa. Gran parte de la hulla de los estados occidentales de Estados Unidos tiene unmenor contenido de azufre. Esta hulla, sin embargo, también tiene un menor conte-nido calórico por unidad de masa de hulla, de modo que la diferencia de contenidode azufre por unidad de calor producida no es tan grande como se suele suponer.

En Estados Unidos se liberan cada año más de 30 millones de toneladas de SO2.(En comparación, la erupción del monte Pinatubo de las Filipinas en 1991 arrojó de15 a 30 millones de toneladas de SO2 en la atmósfera.) El dióxido de azufre mismoes nocivo tanto para la salud humana como para las propiedades; además, el SO2atmosférico se oxida a SO3 por varias rutas diferentes (como la reacción con O2 u O3).Cuando el SO3 se disuelve en agua, forma ácido sulfúrico, H2SO4:

SO3(g) � H2O(l) 9: H2SO4(ac)

Muchos de los efectos ambientales que se atribuyen al SO2 se deben en realidad alH2SO4.

La presencia de SO2 en la atmósfera y el ácido sulfúrico que produce dan por re-sultado el fenómeno de la lluvia ácida. (Los óxidos de nitrógeno, que forman ácidonítrico, también son importantes contribuyentes a la lluvia ácida.) El agua pluvialno contaminada es ácida por naturaleza y tiene en general un pH de alrededor de 5.6.La fuente principal de esta acidez natural es el CO2, que reacciona con el agua paraformar ácido carbónico, H2CO3. La lluvia ácida, sin embargo, es más ácida que elagua pluvial normal, y típicamente tiene un pH de alrededor de 4. Esta acidez haafectado a muchos lagos del norte de Europa, del norte de Estados Unidos y de Ca-nadá, reduciendo las poblaciones de peces y perjudicando otras partes de la red ecoló-gica dentro de los lagos y en los bosques circundantes.

El pH de casi todas las aguas naturales que contienen organismos vivos está entre6.5 y 8.5. A niveles de pH por debajo de 4.0, se mueren todos los vertebrados, la ma-yor parte de los invertebrados y muchos microorganismos. Los lagos más suscepti-bles de sufrir daños son los que tienen bajas concentraciones de iones básicos, comoel HCO3

�, que actúan como amortiguadores contra cambios de pH. Más de 300 lagos del estado de Nueva York no contienen peces, y 140 lagos de Ontario, Canadá,están desprovistos de vida. La lluvia ácida que parece haber acabado con los organis-mos de estos lagos tiene su origen cientos de kilómetros en dirección contraria alviento, en las regiones del valle de Ohio y de los Grandes Lagos.

Ejercicios con el CD-ROMEl dióxido de carbono se comportacomo ácido en el agua(Carbon Dioxide Behaves as anAcid in Water)

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(a)

(b)

Á Figura 18.5 (a) Esta estatua delMuseo Field en Chicago muestra losefectos de la corrosión por la lluviaácida y los contaminantesatmosféricos. (b) La misma estatua yarestaurada.


CaSO3 � SO2

Lechada acuosa

Lavador de SO2

Horno

Agua + CaO

ChimeneaCaO

S � O2

CaCO3

Aire

SO2Hulla

Lechadade CaSO3

Á Figura 18.6 Método común para eliminar SO2 del combustible quemado. La piedracaliza pulverizada se descompone en CaO, que reacciona con el SO2 para formar CaSO3. El CaSO3 y el SO2 que no ha reaccionado entran en una cámara de purificación llamadalavador, donde una lluvia de CaO y agua convierte el SO2 restante en CaSO3 y lo precipitaen un residuo acuoso conocido como lechada.

Debido a que los ácidos reaccionan con los metales y con los carbonatos, la llu-via ácida es corrosiva tanto para los metales como para los materiales de construc-ción de piedra. El mármol y la piedra caliza, por ejemplo, cuyo componente principales CaCO3, son muy vulnerables al ataque de la lluvia ácida (Figura 18.5 »). Cadaaño se pierden miles de millones de dólares a consecuencia de la corrosión debida ala contaminación con SO2.

Una forma de reducir la cantidad de SO2 que se libera en el ambiente es eliminarel azufre de la hulla y el petróleo antes de quemarlos. Lamentablemente, por ahoraesto resulta demasiado costoso para ser tecnológicamente factible. Sin embargo, sehan ideado diversos métodos para eliminar el SO2 de los gases que se desprendende la combustión de hulla y petróleo. Por ejemplo, se inyecta piedra caliza pulveri-zada (CaCO3) en los hornos de las centrales termoeléctricas, donde se descomponeen cal (CaO) y dióxido de carbono:

CaCO3(s) 9: CaO(s) � CO2(g)

El CaO reacciona entonces con el SO2 para formar sulfito de calcio:

CaO(s) � SO2(g) 9: CaSO3(s)

Las partículas sólidas de CaSO3, junto con gran parte del SO2 que no ha reacciona-do, se pueden eliminar del gas del horno haciendo pasar éste a través de una suspen-sión acuosa de cal (Figura 18.6 ¥). Sin embargo, no se elimina todo el SO2 y, dadaslas enormes cantidades de hulla y petróleo que se queman en todo el mundo, es pro-bable que la contaminación por SO2 continúe siendo un problema por algún tiempo.

Monóxido de carbono

El monóxido de carbono es producto de la combustión incompleta de materiales quecontienen carbono, como los combustibles fósiles. En términos de masa total, el COes el más abundante de todos los gases contaminantes. El nivel de CO presente en elaire no contaminado es bajo, probablemente del orden de 0.05 ppm. La cantidadtotal estimada de CO en la atmósfera es de alrededor de 5.2 × 1014 g. Tan sólo en Esta-dos Unidos, cada año se producen aproximadamente 1 × 1014 g de CO, dos tercios delos cuales provienen de los automóviles.

El monóxido de carbono es una molécula relativamente poco reactiva y, por consiguiente, no representa una amenaza directa para la vegetación o los materiales.Sin embargo, afecta a los seres humanos. Tiene la rara capacidad de unirse muy fuer-temente a la hemoglobina, la proteína de los glóbulos rojos que contiene hierro

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(a)

(b)

O

NFe

CProteína

Hemo

(c)

(b)

Á Figura 18.7 Los glóbulos rojos (a) contienen hemoglobina (b). La hemoglobinacontiene cuatro unidades de hemo, cada una de las cuales enlaza una molécula de O2(c). Cuando se expone a CO, el hemo enlaza preferentemente el CO a expensas del O2.

Á Figura 18.8 Las lámparas yestufas de queroseno llevan rótulos de advertencia respecto a su uso en espacios cerrados, como enhabitaciones interiores. La combustiónincompleta produce monóxido decarbono, CO, que es incoloro, inodoroy tóxico.

[Figura 18.7(a) Á] y que transporta el oxígeno en la sangre. La hemoglobina se com-pone de cuatro cadenas proteínicas que se mantienen débilmente agrupadas [Figura18.7(b)]. Cada cadena tiene una molécula de hemo entre sus pliegues. La estructura delhemo se muestra en la figura 18.7(c). Obsérvese que el hierro está situado en el centrode un plano formado por cuatro átomos de nitrógeno. En los pulmones, una molécu-la de hemoglobina captura una molécula de O2, la cual reacciona con el átomo de hie-rro para formar una especie llamada oxihemoglobina. Conforme la sangre circula, lamolécula de oxígeno se libera en los tejidos para ser utilizada en el metabolismocelular, es decir, en los procesos químicos que se llevan a cabo en la célula. (Véaseel recuadro de “Química y vida” sobre la sangre como disolución amortiguada en laSección 17.2.)

Al igual que el O2, el CO se une muy fuertemente al hierro de la hemoglobina.El complejo se llama carboxihemoglobina y se representa como COHb. La afinidad dela hemoglobina humana por el CO es alrededor de 210 mayor que por el O2. En con-secuencia, una cantidad relativamente pequeña de CO puede inactivar una fracciónconsiderable de la hemoglobina de la sangre para el transporte de oxígeno. Por ejem-plo, una persona que respirara aire con sólo 0.1% de CO durante algunas horas incorporaría el CO suficiente para convertir hasta el 60% de la hemoglobina en COHb,lo que reduciría la capacidad normal de transporte de oxígeno de la sangre en 60%.

En condiciones normales una persona no fumadora que respira aire no contami-nado tiene alrededor de 0.3 a 0.5% de CO en el torrente sanguíneo. Esta cantidadproviene principalmente de la producción de pequeñas cantidades de CO en el cur-so de la química normal del organismo y de la pequeña cantidad de CO presente enel aire limpio. La exposición a concentraciones mayores de CO aumenta el nivel deCOHb, lo que a su vez deja menos sitios de Hb a los que el O2 se puede unir. Si el ni-vel de COHb se eleva demasiado, el transporte de oxígeno se interrumpe efectiva-mente y sobreviene la muerte. Debido a que el CO es incoloro e inodoro, la intoxicaciónpor CO ocurre con muy pocas señales de advertencia. Los dispositivos de combus-tión mal ventilados, como las lámparas y estufas de queroseno, representan un pe-ligro potencial para la salud (Figura 18.8 «).

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Á Figura 18.9 Smog fotoquímico.El smog es producto principalmente dela acción de la luz solar en los gases de escape de los automóviles.


Año Hidrocarburos (g/mi) Óxidos de nitrógeno (g/mi)

1975 1.5 (0.9) 3.1 (2.0)1980 0.41 (0.41) 2.0 (1.0)1985 0.41 (0.41) 1.0 (0.4)1990 0.41 (0.41) 1.0 (0.4)1995 0.25 (0.25) 0.4 (0.4)2004 0.07 (0.05)

* Normas de California entre paréntesis.

TABLA 18.5 Normas nacionales de E.U.A. para emisiones de escape*

Óxidos de nitrógeno y smog fotoquímico

Los óxidos de nitrógeno son los componentes principales del smog, un fenómenoque los habitantes de las urbes conocen demasiado bien. El término smog [del ingléssmoke (humo) y fog (niebla)] se refiere a una condición particularmente desagradablede la contaminación en ciertos ambientes urbanos que se presenta cuando las con-diciones meteorológicas crean una masa de aire relativamente estancada. El smog alque diera fama Los Ángeles, pero que ahora es común en muchas otras zonas urba-nas, se describe con más exactitud como smog fotoquímico, porque ciertos procesosfotoquímicos juegan un importante papel en su formación (Figura 18.9 »).

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

[18.11]

Como se explicó en el recuadro de “La química en acción” de la sección 15.6, la cons-tante de equilibrio K de esta reacción aumenta de 10�15 a 300 K (cerca de la tempera-tura ambiente) a aproximadamente 0.05 a 2400 K (la temperatura aproximada en elcilindro de un motor durante la combustión). Así pues, la reacción es más favorablea temperaturas más altas. Antes de que se instalaran dispositivos para el control dela contaminación, los niveles típicos de emisión de NOx eran de 2.5 g/km. (La x es 1o 2, porque se forman NO y NO2, aunque el NO predomina.) Las normas actualesde emisiones de los automóviles exigen niveles de emisión de NOx de menos de0.25 g/km, pero está previsto reducirlos a sólo 0.044 para 2004. La tabla 18.5 ¥ resu-me las normas federales estadounidenses de emisiones de hidrocarburos y NOxa partir de 1975, así como las normas más estrictas que se aplican en California.

En el aire el NO se oxida rápidamente a dióxido de nitrógeno (NO2):

[18.12]

La constante de equilibrio de esta reacción disminuye de alrededor de 1012 a 300 Ka aproximadamente 10�5 a 2400 K. La fotodisociación del NO2 inicia las reaccionesasociadas con el smog fotoquímico. La disociación de NO2 en NO y O requiere304 kJ/mol, cantidad que corresponde a una longitud de onda de fotón de 393 nm.Bajo la luz solar, por tanto, el NO2 se disocia en NO y O:

[18.13]

El oxígeno atómico que se forma sufre varias reacciones posibles, una de las cualesproduce ozono, como ya se describió:

[18.14]

El ozono es un componente clave del smog fotoquímico. Aunque es un filtro de UVindispensable en las capas altas de la atmósfera, es un contaminante indeseable enla troposfera. Es sumamente reactivo y tóxico, y respirar aire con cantidades aprecia-bles de ozono puede ser especialmente peligroso para los pacientes de asma, las per-sonas que hacen ejercicio y los ancianos. Así pues, tenemos dos problemas con elozono: cantidades excesivas en muchos ambientes urbanos, donde es nocivo, y ago-tamiento en la estratosfera, donde es vital.

O(g) + O2 + M(g) ¡ O3(g) + M*(g)

NO2(g) + hn ¡ NO(g) + O(g)

2NO(g) + O2(g) Δ 2NO2(g) ¢H = - 113.1 kJ

N2(g) + O2(g) Δ 2NO(g) ¢H = 180.8 kJ

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Radiación que escapa de la atmósfera terrestre

Radiación infrarroja emitida por la Tierra

Longitudes de onda absorbidas por el CO2

Longitudes de onda absorbidas por el H2O

Longitud de onda (nm)

Inte

nsid

ad d

e la

rad

iaci

ón

(b)(a)

Longitudes de onda emitidas por la superficie terrestre

10,000 20,000 30,000

» Figura 18.10 (a) El dióxido decarbono y el agua absorben radiacióninfrarroja de ciertas longitudes deonda, lo que contribuye a impedir quela energía escape de la superficieterrestre. (b) Distribución de laslongitudes de onda absorbidas por elCO2 y el H2O en comparación con laslongitudes de onda emitidas por lasuperficie terrestre.

Además de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono, los motores de automó-vil también emiten hidrocarburos sin quemar como contaminantes. Estos compuestosorgánicos, que consisten enteramente en carbono e hidrógeno, son los componen-tes principales de la gasolina (Sección 25.1). Un motor típico sin controles de emi-siones eficaces emite de 6 a 9 g por kilómetro de estos compuestos. Las normasvigentes exigen que las emisiones de hidrocarburos sean de menos de 0.16 g/km.

Para reducir o eliminar el smog es necesario eliminar del escape de los auto-móviles los ingredientes indispensables para su formación. El propósito de losconvertidores catalíticos es reducir drásticamente los niveles de NOx e hidrocar-buros, dos de los ingredientes principales del smog (véase el recuadro de “La quími-ca en acción” de la sección 14.6). Sin embargo, los sistemas para el control deemisiones son notablemente insatisfactorios en los vehículos que no reciben un man-tenimiento adecuado.

Vapor de agua, dióxido de carbono y clima

Hemos visto cómo la atmósfera hace posible la vida en la Tierra como la conocemosal impedir el paso de la radiación nociva de longitud de onda corta. Además, laatmósfera es indispensable para mantener una temperatura razonablemente uni-forme y moderada en la superficie del planeta. Los dos componentes atmosféricos demayor importancia para mantener la temperatura de la superficie terrestre son eldióxido de carbono y el agua.

En conjunto, la Tierra está en equilibrio térmico con su entorno. Esto significaque ella irradia energía hacia el espacio a la misma tasa a la que absorbe energía delSol. El Sol tiene una temperatura de alrededor de 6000 K. Vista desde el espacio ex-terior, la Tierra es relativamente fría, con una temperatura de alrededor de 254 K. Ladistribución de las longitudes de onda de la radiación emitida por un objeto estádeterminada por su temperatura. ¿Por qué la Tierra, vista desde afuera de la atmós-fera, parece mucho más fría que la temperatura que normalmente experimentamosen su superficie? La troposfera, que es transparente a la luz visible, no lo es a la ra-diación infrarroja. La figura 18.10 ¥ muestra la distribución de la radiación proceden-te de la superficie terrestre y las longitudes de onda que el vapor de agua y el dióxidode carbono atmosféricos absorben. De acuerdo con la gráfica, estos gases atmosféri-cos absorben gran parte de la radiación que escapa de la superficie terrestre. Al hacer-lo, contribuyen a mantener una temperatura uniforme y habitable al encerrar, por asídecirlo, la radiación infrarroja que se desprende de la superficie y que percibimoscomo calor. La influencia del H2O, el CO2 y algunos otros gases atmosféricos en latemperatura del planeta se suele describir como el efecto invernadero (véase el recua-dro de “La química en acción” de la Sección 3.7).

La presión parcial de vapor de agua en la atmósfera fluctúa considerablementede un lugar a otro y de una época a otra, pero por lo general es máxima cerca de lasuperficie terrestre y decae con gran rapidez al aumentar la altitud. Debido a que elvapor de agua absorbe tan intensamente la radiación infrarroja, desempeña el papel

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1958 60 70 80 90 2000

320

330

340

350

360

Año

Con

cent

raci

ón d

e C

O2

370« Figura 18.11 La concentraciónatmosférica de CO2 ha aumentado enmás de 15% desde finales de la décadade 1950. Estos datos fueron registradosen el Observatorio Mauna Loa de Hawaimidiendo la absorción de radiacióninfrarroja. La forma de dientes de sierra de la gráfica se debe a lasvariaciones estacionales regulares de la concentración de CO2 a lo largo de cada año.

principal en el mantenimiento de la temperatura atmosférica durante la noche, cuan-do la superficie emite radiación hacia el espacio y no recibe energía solar. En los cli-mas desérticos muy secos, donde la concentración de vapor de agua es desusadamentebaja, puede hacer un calor extremo durante el día y mucho frío en la noche. En ausen-cia de una capa extensa de vapor de agua que absorba y luego irradie parte de laradiación infrarroja de vuelta a la Tierra, la superficie pierde esta radiación hacia elespacio y se enfría con gran rapidez.

El dióxido de carbono desempeña un papel secundario, aunque muy importante,en el mantenimiento de la temperatura de la superficie. La quema de combustiblesfósiles, principalmente hulla y petróleo, en todo el mundo y en una escala gigan-tesca en la era moderna ha elevado marcadamente el nivel de dióxido de carbono enla atmósfera. Mediciones efectuadas a lo largo de varias décadas muestran que laconcentración de CO2 en la atmósfera aumenta constantemente (Figura 18.11 Á). Dehecho, el nivel de CO2 ha aumentado en un 30% hasta más de 375 ppm desde la

Una perspectiva más detallada El metano como gas de invernadero

reactivas como los radicales OH, o los óxidos de nitrógeno, y final-mente produce otros gases de invernadero como el O3. Se estima quelos efectos modificadores del clima del CH4 equivalen al menos a untercio de los del CO2, y quizá hasta a la mitad. Dada esta considera-ble contribución, se podría reducir en grado importante el efecto de invernadero reduciendo las emisiones de metano o capturándolaspara usarlas como combustible.

Á Figura 18.12 Los animales rumiantes como las vacas y lasovejas producen metano en su sistema digestivo. En Australia,las ovejas y el ganado producen alrededor de 14% del total de lasemisiones de invernadero del país.

Aunque el CO2 es el principal objeto de atención, otros gases hacenen total una contribución equivalente al efecto de invernadero. Elprincipal entre ellos es el metano, CH4. Cada molécula de metanotiene alrededor de 25 veces el efecto de invernadero de una molécu-la de CO2. Los estudios del gas atmosférico atrapado hace muchotiempo en las placas de hielo de Groenlandia y la Antártida muestranque la concentración de metano en la atmósfera ha aumentadodurante la era industrial, desde valores preindustriales del orden de0.3 a 0.7 ppm al valor actual de 1.8 ppm.

Se forma metano en procesos biológicos que se llevan a caboen ambientes con poco oxígeno. Las llamadas bacterias anaerobias,que prosperan en pantanos y vertederos, cerca de las raíces de lasplantas de arroz y en el sistema digestivo de las vacas y otros ru-miantes, producen metano (Figura 18.2 »). También escapa en la atmósfera durante la extracción y el transporte de gas natural (véa-se el recuadro de “La química en acción”, Sección 10.5). Se estimaque alrededor de dos tercios de las emisiones actuales de meta-no, que aumentan a razón de 1% anual, guardan relación con las ac-tividades humanas.

El metano tiene una vida media en la atmósfera de aproxi-madamente 10 años, en tanto que el CO2 persiste durante muchomás tiempo. A primera vista esto podría parecer algo bueno, pero espreciso considerar ciertos efectos indirectos. Parte del metano se oxi-da en la estratosfera y produce vapor de agua, un potente gas deinvernadero que por lo demás está prácticamente ausente en laestratosfera. En la troposfera el metano sufre el ataque de especies

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Agua de los océanos (97.2%)

Agua restante (2.8%)

» Figura 18.13 Casi toda el agua dela Tierra está en los océanos.


época preindustrial. Se está dando un consenso entre los científicos acerca de queeste incremento ya está alterando el clima terrestre y que puede ser la causa delaumento observado en la temperatura global media del aire de 0.3°C a 0.6°C a lolargo del último siglo.

Sobre la base de las tasas actuales y futuras esperadas de consumo de combus-tibles fósiles, se espera que el nivel de CO2 atmosférico se duplique respecto a su ni-vel actual en algún momento entre 2050 y 2100. Los modelos de computadorapredicen que el resultado de este incremento será un aumento en la temperatura glo-bal media de 1°C a 3°C. Un cambio de temperatura de esta magnitud podría provo-car cambios considerables en el clima mundial. Por ser tan numerosos los factores quedeterminan el clima, no podemos predecir con certeza qué cambios se producirán.Está claro, sin embargo, que la humanidad ha adquirido el potencial para alterarsustancialmente el clima del planeta al modificar la concentración atmosférica deCO2 y de otros gases capaces de retener el calor.

18.5 El océano terrestre

El agua es el líquido más común sobre la Tierra; cubre 72% de la superficie delplaneta y es indispensable para la vida. Nuestro cuerpo contiene alrededor de 65%en masa de agua. Debido a la extensa formación de puentes de hidrógeno, el aguatiene puntos de fusión y de ebullición anormalmente altos y una gran capacidad ca-lorífica. • (Sección 11.2) A su carácter altamente polar se debe su excepcional capacidad para disolver una amplia variedad de sustancias iónicas y covalentes po-lares. Son muchas las reacciones que se llevan a cabo en agua, entre ellas algunas en las que el H2O misma es un reactivo. Recuérdese, por ejemplo, que el H2O parti-cipa en las reacciones ácido-base ya sea como donador o como receptor de protones.• (Sección 16.4) En el capítulo 20 veremos que el H2O también participa en reac-ciones de oxidación-reducción como donador o como receptor de electrones. Todasestas propiedades desempeñan un papel en nuestro ambiente.

Agua de mar

La inmensa capa de agua salada que cubre una parte tan grande del planeta está comu-nicada y, en términos generales, su composición es constante. Por esta razón los ocea-nógrafos hablan de un océano terrestre en vez de los océanos individuales que seestudian en los libros de geografía. El océano terrestre es enorme. Su volumen es de1.35 × 109 km3. Casi toda el agua de la tierra, 97.2%, está en el océano terrestre (Figura18.13 ¥). De 2.8% restante, 2.1% está en forma de casquetes de hielo y glaciares. Toda el agua dulce —de lagos, ríos y mantos freáticos— representa sólo 0.6%. Casi to-do el 0.1% restante es agua salobre (salada) como la del Gran Lago Salado de Utah.

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18.5 El océano terrestre 719

Componente iónico g/kg de agua de mar Concentración (M)

Cloruro, Cl� 19.35 0.55Sodio, Na� 10.76 0.47Sulfato, SO4

2� 2.71 0.028Magnesio, Mg2� 1.29 0.054Calcio, Ca2� 0.412 0.010Potasio, K� 0.40 0.010Dióxido de carbono* 0.106Bromuro, Br� 0.067Ácido bórico, H3BO3 0.027Estroncio, Sr2� 0.0079Fluoruro, F� 0.0013

* El CO2 está presente en el agua de mar como HCO3� y CO3

2�.

7.0 * 10-59.1 * 10-54.3 * 10-48.3 * 10-42.3 * 10-3

TABLA 18.6 Componentes iónicos del agua de mar presentes enconcentraciones de más de 0.001 g/kg (1 ppm)

El agua de mar suele describirse como agua salina. La salinidad del agua demar es la masa en gramos de sales secas presentes en 1 kg de agua de mar. En elocéano terrestre la salinidad alcanza un promedio de 35. En otras palabras, el aguade mar contiene alrededor de 3.5% en masa de sales disueltas. La lista de los elemen-tos presentes en el agua de mar es muy larga. Casi todos, sin embargo, se encuentranen concentraciones muy bajas. La tabla 18.6 Á contiene una lista de las 11 especiesiónicas más abundantes en el agua de mar.

El mar es tan vasto que si una sustancia está presente en el agua de mar en propor-ción de sólo 1000 partes por billón (ppb, esto es, 1 � 10�6 g por kilogramo de agua),ello significa que hay 5 � 109 kg de ella en el océano terrestre. No obstante, rara vezse utiliza el océano como fuente de materias primas porque el costo de extraer las sus-tancias deseadas es demasiado alto. Sólo tres sustancias se obtienen del agua de maren cantidades comercialmente importantes: cloruro de sodio, bromo y magnesio.

Desalinización

Debido a su alto contenido de sales, el agua de mar es inadecuada para consumo hu-mano y para la mayor parte de los usos que le damos al agua. En Estados Unidos elcontenido de sal de los abastos municipales de agua está restringido por los códigossanitarios a no más de alrededor de 500 ppm. Esta cantidad es muy inferior al 3.5%de sales disueltas presentes en el agua de mar y al 0.5% que contiene el agua salobreque se encuentra en el subsuelo de ciertas regiones. La extracción de sales del aguade mar o del agua salobre para hacerla aprovechable se conoce como desalinización.

El agua se puede separar de las sales disueltas por destilación (descrita en el re-cuadro de “Una perspectiva más detallada” de la Sección 13.5), porque el agua esuna sustancia volátil y las sales no lo son. El principio de la destilación es muy sim-ple, pero la realización del proceso en gran escala presenta muchos problemas. Porejemplo, conforme se destila el agua de un recipiente con agua salada, las sales se con-centran cada vez más y terminan por precipitar.

El agua de mar también se puede desalinizar por ósmosis inversa. Recuérdeseque la ósmosis es el desplazamiento neto de moléculas de disolvente, pero no de solu-to, a través de una membrana semipermeable. • (Sección 13.5) En la ósmosis el di-solvente pasa de la disolución más diluida a la más concentrada. Sin embargo, si seaplica suficiente presión externa, la ósmosis se puede detener y, a presiones aún mayo-res, se puede invertir. Cuando esto ocurre, el disolvente pasa de la disolución concen-trada a la más diluida. En una instalación moderna de ósmosis inversa se emplean

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Á Figura 18.15 Desalinizadormanual de agua Survivor-35 deKatadyn North America ModeloMROD-35-LS que funciona porósmosis inversa. Produce 4.5 L de aguapura por hora a partir de agua de mar.


Permeador

Fibras huecas de membrana semipermeable

Partículas de soluto Moléculas de agua

Fibra

Agua pura al colector

(a)

(c)

(b)

Á Figura 18.14 (a) Cuarto en el interior de una instalación desalinizadora por ósmosisinversa. (b) Cada uno de los cilindros de (a) es un permeador y contiene varios millones defibras huecas diminutas. (c) Cuando se introduce agua de mar a presión en un permeador,el agua atraviesa la pared de la fibra hacia el interior de ésta y se separa así de los iones de la sal.

diminutas fibras huecas como membrana semipermeable. Se introduce agua a presiónen las fibras y el agua desalinizada se recupera como se ilustra en la figura 18.14 Á.

La instalación industrial de desalinización más grande del mundo se encuentra enJubail, Arabia Saudita. Esta central suministra 50% del agua potable de ese paísempleando ósmosis inversa para desalinizar agua de mar del golfo Pérsico. Las insta-laciones de este tipo son cada vez más comunes en Estados Unidos. En 1992, por ejem-plo, la ciudad de Santa Bárbara, California, puso en marcha una instalación de ósmosisinversa capaz de producir 30 millones de litros de agua potable al día. Hoy en día tam-bién se dispone de desalinizadoras manuales en pequeña escala que funcionan porósmosis inversa para uso en campamentos, viajes y en el mar (Figura 18.15 «).

18.6 Agua dulce

Una persona adulta necesita beber aproximadamente de 2 litros de agua al día. EnEstados Unidos el consumo diario de agua por persona excede con mucho este nivelde subsistencia, y alcanza un promedio de alrededor de 300 L/día para consumopersonal e higiene. Se consume alrededor de 8 L/persona para cocinar y beber, 120 Lpara la limpieza (baño, lavado de ropa y limpieza del hogar), 80 L para el excusadoy 80 L para el jardín. Indirectamente se utilizan cantidades mucho mayores en laagricultura y la industria para producir alimentos y otros artículos. Por ejemplo, seutilizan aproximadamente 1 � 105 L en la manufactura de 1000 kg de acero, que esmás o menos la cantidad que hay en un automóvil promedio.

La cantidad total de agua dulce que hay en la Tierra no es una fracción muygrande del agua total presente. De hecho, el agua dulce es uno de nuestros recursos máspreciados. El agua dulce se forma por la evaporación que ocurre en los océanos y enla tierra. El vapor de agua que se acumula en la atmósfera es transportado por la circu-lación atmosférica global, y termina volviendo a la Tierra en forma de lluvia y nieve.

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18.6 Agua dulce 721

« Figura 18.16 El crecimiento dealgas y lenteja de agua en esteestanque se debe a los residuosagrícolas. Los desechos alimentan elcrecimiento de algas y hierbas queagotan el oxígeno del agua, procesoque se conoce como eutrofización. Unlago eutrófico es incapaz de sustentarla presencia de peces.

Cuando la lluvia cae y el agua corre sobre la tierra en su camino a los océanos,disuelve diversos cationes (principalmente Na�, K�, Mg2�, Ca2� y Fe2�), aniones(principalmente Cl�, SO4

� y HCO3�) y gases (principalmente O2, N2 y CO2). Cuan-

do usamos el agua, se disuelve en ella material adicional que incluye los desechos dela sociedad humana. A medida que nuestra población y la producción de contami-nantes ambientales aumentan, encontramos que debemos invertir cantidades siem-pre crecientes de dinero y recursos para garantizar el abasto de agua dulce.

Oxígeno disuelto y calidad del agua

La cantidad de O2 disuelto es un importante indicador de la calidad del agua. Elagua totalmente saturada de aire a 1 atm y 20°C contiene alrededor de 9 ppm de O2.El oxígeno es necesario para los peces y muchas otras formas de vida acuática. Lospeces de aguas frías necesitan que el agua contenga al menos 5 ppm de oxígeno di-suelto para sobrevivir. Las bacterias aerobias consumen el oxígeno disuelto para oxi-dar materiales orgánicos y satisfacer así sus necesidades de energía. De la materiaorgánica que las bacterias pueden oxidar se dice que es biodegradable. Esta oxida-ción se lleva a cabo por un complejo conjunto de reacciones químicas, y la materiaorgánica desaparece poco a poco.

Las cantidades excesivas de materiales orgánicos biodegradables en el agua sonperjudiciales porque privan al agua del oxígeno necesario para sustentar la vida ani-mal normal. Entre las fuentes típicas de estos materiales biodegradables, que se co-nocen como residuos que demandan oxígeno, están las aguas negras, los residuosindustriales de instalaciones procesadoras de alimentos y fábricas de papel, y elefluente (residuo líquido) de las empacadoras de carnes.

En presencia de oxígeno el carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y fósforo delmaterial biodegradable terminan principalmente en forma de CO2, HCO3

�, H2O,NO3

�, SO42�y fosfatos. En ocasiones la formación de estos productos de oxidación

reduce la cantidad de oxígeno disuelto hasta al punto en que las bacterias aerobiasya no sobreviven. Es entonces que las bacterias anaerobias se hacen cargo del proce-so de descomposición y forman CH4, NH3, H2S, PH3 y otros productos, varios delos cuales contribuyen al desagradable olor de ciertas aguas contaminadas.

Los nutrimentos de las plantas, en particular el nitrógeno y el fósforo, contribuyena la contaminación del agua al estimular el crecimiento excesivo de plantas acuáticas.Los resultados más visibles del crecimiento vegetal excesivo son algas flotantes yaguas turbias. Sin embargo, algo más significativo es que, cuando el crecimiento vege-tal llega a ser excesivo, la cantidad de materia vegetal muerta y en descomposiciónaumenta rápidamente, proceso que se conoce como eutrofización (Figura 18.16 ¥). Lasplantas en descomposición consumen oxígeno al ser biodegradadas, lo que origina


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Entrada de agua

Tamiz de filtración gruesa

Tanques de sedimentación

Aereación

Adición de cloro

Tanque dealmacenamiento

A los usuarios

Filtro de arena

Adición de CaO,Al2(SO4)3

Á Figura 18.17 Etapas comunes del tratamiento del agua para una red pública dedistribución de agua.


el agotamiento del oxígeno del agua. Sin una provisión suficiente de oxígeno, el agua,a su vez, es incapaz de sustentar cualquier forma de vida animal. Las fuentes más im-portantes de compuestos de nitrógeno y fósforo en el agua son las aguas negras do-mésticas (detergentes que contienen fosfatos y residuos corporales nitrogenados) y lasaguas que escurren de terrenos agrícolas (fertilizantes que contienen nitrógeno y fós-foro) y de terrenos donde se cría ganado (residuos animales nitrogenados).

Tratamiento de abastos municipales de agua

El agua necesaria para uso doméstico y agrícola y para los procesos industriales setoma de lagos, ríos y fuentes subterráneas de origen natural, o bien de represas. Granparte del agua que llega a las redes municipales de agua es agua “usada”, que ya hapasado por uno o más redes de alcantarillado o instalaciones industriales. En conse-cuencia, es necesario tratar esta agua antes de distribuirla a las tomas domésticas. Eltratamiento de aguas municipales comprende normalmente cinco etapas: filtracióngruesa, sedimentación, filtración por arena, aereación y esterilización. La figura 18.17 ¥muestra un proceso de tratamiento representativo.

Después de una filtración gruesa a través de un tamiz, se deja reposar el agua engrandes tanques de sedimentación donde se asienta la arena finamente dividida yotras partículas diminutas. Para facilitar la eliminación de las partículas muypequeñas, se puede alcalinizar primero ligeramente agregando CaO, para despuésañadir Al2(SO4)3. El sulfato de aluminio reacciona con los iones OH� para formarun precipitado gelatinoso y esponjoso de Al(OH)3 (Kps � 1.3 � 10�33). Este precipi-tado se sedimenta lentamente, arrastrando consigo las partículas en suspensión, conlo cual se elimina casi toda la materia finamente dividida y la mayor parte de lasbacterias. A continuación, se filtra el agua a través de un lecho de arena, después delo cual se puede lanzar al aire en forma de rocío para apresurar la oxidación de lassustancias orgánicas disueltas.

La etapa final de la operación consiste normalmente en tratar el agua con unagente químico para asegurar la destrucción de las bacterias. El ozono es el más efi-caz, pero se debe generar en el lugar donde se utiliza. El cloro, Cl2, es por tanto másconveniente. El cloro se puede transportar en tanques en forma de gas licuado y dosi-ficar desde los tanques, a través de un dispositivo de medición, directamente en elabasto de agua. La cantidad que se utiliza depende de la presencia de otras sustan-cias con las que el cloro podría reaccionar y de las concentraciones de bacterias yvirus por eliminar. Probablemente la acción esterilizante del cloro no se debe al Cl2mismo, sino al ácido hipocloroso, que se forma al reaccionar el cloro con el agua:

Cl2(ac) � H2O(l) 9: HClO(ac) � H�(ac) � Cl�(ac) [18.15]

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18.7 Química verde 723

Una perspectiva más detallada Ablandamiento de aguanicipales en gran escala se utiliza el proceso de cal-carbonato. Elagua se trata con cal, CaO [o cal hidratada, Ca(OH)2)] y carbonatode sodio, Na2CO3. Estas sustancias precipitan el Ca2� en forma deCaCO3 (Kps � 4.5 � 10�9) y el Mg2� como Mg(OH)2 (Kps � 1.6 � 10�12):

El intercambio de iones es un método doméstico típico paraablandar el agua. En este procedimiento se hace pasar el agua a tra-vés de un lecho de resina intercambiadora de iones: perlas de plás-tico con grupos aniónicos unidos de forma covalente como —COO�

o —SO3�. Estos grupos con carga negativa tienen iones Na� unidos

a ellos que balancean sus cargas. Los iones Ca2� y otros cationes delagua dura son atraídos por los grupos aniónicos y desplazan losiones Na�, de menor carga, hacia el agua. De este modo se intercam-bia un tipo de ion por otro. Para mantener el balance de cargas, dosiones Na� entran en el agua por cada Ca2+ extraído. Si se represen-ta la resina con su sitio aniónico como R—COO�, la ecuación delproceso se escribe como sigue:

El agua así ablandada contiene una concentración mayor de iones Na�. Aunque los iones Na� no forman precipitados ni ocasio-nan otros problemas como los que originan los cationes del aguadura, las personas preocupadas por su ingesta de sodio, como lasque padecen alta presión arterial (hipertensión), deben evitar beberagua ablandada de esta forma.

Cuando todos los iones Na� disponibles han sido desplazadosde la resina intercambiadora de iones, se regenera la resina laván-dola con una disolución concentrada de NaCl. Esto se puede haceren casa cargándoles unidades con cantidades grandes de NaCl(s),que se adquiere en las tiendas de abarrotes. La alta concentración deNa� obliga a que el equilibrio de la ecuación anterior se desplace ala izquierda, y los iones Na� toman el lugar de los cationes de aguadura, los cuales se envían al desagüe.

Ca(R ¬ COO)2(s) + 2Na+(ac)

2Na(R ¬ COO)(s) + Ca2+(ac) Δ

Mg2+(ac) + 2OH-(ac) ¡ Mg(OH)2(s)

Ca2+(ac) + CO3

2-(ac) ¡ CaCO3(s)

El agua que contiene una concentración relativamente grandede Ca2�, Mg2� y otros cationes divalentes se conoce como aguadura. Aunque la presencia de estos iones no representa en generaluna amenaza para la salud, puede hacer inadecuada el agua paraciertos usos domésticos e industriales. Por ejemplo, estos iones reac-cionan con los jabones para formar una nata de jabón insoluble, queforma los anillos de las tinas de baño. Además, pueden formarsedepósitos minerales al calentar el agua que contiene estos iones. Cuan-do se calienta agua que contiene iones calcio y iones bicarbonato,parte del dióxido de carbono escapa. En consecuencia, la disoluciónse torna menos ácida y se forma carbonato de calcio insoluble:

Ca2�(ac) + 2HCO3�(ac) 9: CaCO3(s) � CO2(g) � H2O(l)

El CaCO3 sólido recubre la superficie de los sistemas de agua ca-liente y de las teteras, y ello reduce la eficiencia de calentamiento.Estos depósitos, llamados incrustaciones (sarro), son especialmentegraves en las calderas donde se calienta agua a presión en tubos quecorren a lo largo de un horno. La formación de incrustaciones redu-ce la eficiencia de la transferencia de calor y reduce el flujo de aguapor los tubos (Figura 18.18 ¥).

La eliminación de los iones que endurecen el agua se conocecomo ablandamiento de agua. No todos los abastos municipales deagua requieren ablandamiento del agua. En los que sí es necesario, porlo general se toma el agua de fuentes subterráneas donde ha tenidoun contacto considerable con piedra caliza, CaCO3, y otros mineralesque contienen Ca2�, Mg2� y Fe2�. En el ablandamiento de aguas mu-

« Figura 18.18 Corte deun tubo de agua que haquedado recubierto en suinterior por CaCO3 y otrassales insolubles depositadaspor el agua dura.

18.7 Química verde

El crecimiento de la población humana hasta alcanzar su número actual de alrede-dor de 6000 millones ha tenido serias repercusiones en el ambiente natural. En labúsqueda de alimento y abrigo, hemos privado a regiones enteras de su flora y fau-na originales. La agricultura y la manufactura modernas han generado muchas sus-tancias dañinas para el ambiente. La explotación de minas, por ejemplo, saca a lasuperficie minerales que, con la precipitación pluvial, producen escurrimientos muyácidos que envenenan las corrientes de agua. Las actividades industriales producenresiduos que contaminan el aire y las aguas subterráneas.

Cada vez se está más consciente de que, si la humanidad ha de prosperar en elfuturo, debemos crear una sociedad sostenible; es decir, una cuyos procesos estén enequilibrio con los procesos naturales del planeta, que no libere materiales tóxicos en el ambiente y que satisfaga sus necesidades con recursos renovables. Finalmente,todo esto se debe lograr con el mínimo gasto posible de energía.

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CH3 CH3190�C, 20 atm

catalizador3O2� 3H2O�CHO OH

O

para-Xileno

C

O

Ácido tereftálico

Aunque la industria química no es sino una parte pequeña del todo, los procesosquímicos intervienen en casi todos los aspectos de la vida moderna. Por consiguien-te, la química está en el centro de los esfuerzos por alcanzar estas metas. La iniciati-va de la química verde promueve la creación y aplicación de productos y procesosquímicos compatibles con la salud humana y que preserven el ambiente. Algunos delos principios más importantes que gobiernan la química verde son los siguientes:

• Es mejor prevenir la formación de residuos que tratarlos o hacer limpieza una vezque han sido creados.

• Al sintetizar sustancias nuevas, el método que se emplee debe generar la menorcantidad posible de productos residuales. Las sustancias generadas deben serpoco o nada tóxicas para la salud humana y el ambiente.

• Los procesos químicos deben ser proyectados de modo que sean lo más eficien-tes posible en cuanto a consumo de energía, evitando temperaturas y presioneselevadas.

• Siempre que sea posible, se deben emplear catalizadores que permitan utilizarreactivos comunes y no peligrosos.

• Las materias primas de los procesos químicos deben ser recursos renovablessiempre que ello sea técnica y económicamente viable.

• Las sustancias auxiliares, como por ejemplo los disolventes, se deben eliminaro hacer lo más inocuas posibles.

Consideremos algunos de los campos donde la química verde puede mejorar lacalidad ambiental.

Disolventes y reactivos

Un importante motivo de preocupación en los procesos químicos es el uso de com-puestos orgánicos volátiles como disolventes en las reacciones. Por lo general, el di-solvente no se consume en la reacción, pero hay inevitables escapes a la atmósferaincluso en los procesos controlados con más cuidado. Además, el disolvente puedeser tóxico o descomponerse al menos en cierto grado durante la reacción, lo cual crearesiduos. El uso de fluidos supercríticos (recuadro de “La química en acción”, sección 11.4) representa una forma de sustituir el disolvente convencional por CO2, un gasno tóxico presente en la atmósfera y que se puede recuperar. La compañía químicaDu Pont, por ejemplo, ha invertido en una instalación para hacer politetrafluoroeti-leno, —[CF2CF2]n— (TeflónMR), y copolímeros con tetrafluoroetileno en CO2 líquidoo supercrítico. En este caso el CO2 sustituye a disolventes de clorofluorocarbono que,además de su costo, producen efectos dañinos en la capa de ozono de la Tierra (Sección 18.3).

Otro ejemplo es la oxidación del para-xileno para formar ácido tereftálico, que asu vez se utiliza para fabricar plástico de poli(tereftalato de etileno) (PET) y fibra po-liéster (Sección 12.2, Tabla 12.1):

Este proceso comercial requiere sobrepresión y una temperatura relativamentealta. El catalizador es una mezcla de manganeso y cobalto, el agente oxidante es oxí-geno, y el disolvente, ácido acético (CH3COOH). Un grupo de la Universidad deNottingham, Inglaterra, ha ideado otra ruta que emplea agua supercrítica como di-solvente (Tabla 11.5) y peróxido de hidrógeno como oxidante. Este otro proceso tie-ne varias ventajas potenciales, en especial la eliminación del ácido acético comodisolvente y el uso de un agente oxidante inocuo.

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Á Figura 18.19 Estos CD sefabrican de policarbonato LexanMR.


C

O

O

CH3 CH3

Sulfato de dimetilo

O OC

O

CH3 CH3

Carbonato de dimetilo

ClCH3

Cloruro de metilo

nCl nHOCl OH�

2nHCl�

C C

CH3

CH3

O C CO OC

CH3

CH3

O

O O

Bisfenol A

Policarbonato Lexan

nMR

El que pueda sustituir satisfactoriamente al proceso comercial existente es algo quedepende de muchos factores, y ello requiere más investigación.

Otra sustancia favorable para el ambiente y que es un candidato promisorio co-mo reactivo o disolvente es el carbonato de dimetilo, de carácter polar y con un pun-to de ebullición relativamente bajo (90°C). Podría sustituir a sustancias menosfavorables para el ambiente, como el sulfato de dimetilo y los halogenuros de meti-lo, como reactivo para suministrar el grupo metilo en las reacciones:

También se podría utilizar en vez de un reactivo como el fosgeno, Cl—CO—Cl. Nosólo el fosgeno mismo es tóxico; la producción de fosgeno genera CCl4 como subpro-ducto indeseable:

CO(g) � Cl2(g) 9: COCl2(g) � CCl4(g) (subproducto)

El fosgeno se usa extensamente como reactivo en reacciones de importancia co-mercial, como la formación de plásticos de policarbonato (Figura 18.19 »):

Si se pudiese sustituir el fosgeno por carbonato de dimetilo en las reacciones de es-te tipo, el subproducto de la reacción sería metanol, CH3OH, en vez de HCl.

Otros procesos

En muchos procesos importantes para la sociedad moderna se usan sustancias quí-micas que no están presentes en la naturaleza. Examinemos brevemente dos de ellos:el lavado en seco y el recubrimiento de las carrocerías de automóvil para prevenir lacorrosión, y consideremos las opciones en las que se trabaja para reducir los efectosnegativos en el ambiente.

Para el lavado en seco de prendas de vestir se utiliza típicamente un disolventeorgánico clorado como el tetracloroetileno (Cl2C==CCl2), que puede causar cáncer enlos seres humanos. El uso extendido de éste y otros disolventes afines en el lavadoen seco, limpieza de metales y otros procesos industriales ha contaminado las aguasfreáticas en ciertas zonas. Se están comercializando con éxito otros métodos de lava-do en seco que utilizan CO2 líquido, en conjunto con agentes de limpieza especiales(Figura 18.20 »).

La carrocería metálica de los autos se recubre extensamente durante su manu-factura a fin de prevenir la corrosión. Uno de los pasos clave es la formación por mé-todos electrolíticos de una capa de iones metálicos que crea una interfase entre la

Á Figura 18.20 Este aparato paralavado en seco emplea CO2supercrítico como disolvente.

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» Figura 18.21 Esta carrocería deautomóvil recibe un revestimientoprotector contra la corrosión quecontiene itrio en vez de plomo.

carrocería del vehículo y los revestimientos poliméricos que sirven como capa basepara la pintura. En el pasado, el plomo ha sido un metal de elección como ingredien-te de la mezcla de galvanoplastia. Sin embargo, el plomo es sumamente tóxico, porlo que su uso en otras pinturas y revestimientos ha sido prácticamente eliminado. LaPPG Industries, Inc., un importante productor de revestimientos para automóvil, haperfeccionado un sustituto del plomo relativamente no tóxico, de hidróxido de itrio(Figura 18.21 Á). Durante un calentamiento subsiguiente de este revestimiento, elhidróxido se transforma en el óxido y produce un revestimiento insoluble semejan-te a la cerámica.

Purificación del agua

El acceso al agua limpia es indispensable para el funcionamiento de una sociedad es-table y próspera. Hemos visto en la sección precedente que la desinfección del aguaes una etapa importante del tratamiento del agua para consumo humano. La desin-fección del agua es una de las más importantes innovaciones en materia de saludpública en la historia de la humanidad. Ha reducido espectacularmente la inciden-cia de enfermedades bacterianas transmitidas por el agua, como cólera y tifo, peroeste beneficio tiene un precio.

En 1974, científicos de Europa y de Estados Unidos descubrieron que la cloracióndel agua genera un grupo de subproductos que habían pasado inadvertidos hasta en-tonces. Estos subproductos se llaman trihalometanos (THM) porque todos ellos tienenun átomo de carbono y tres átomos de halógeno: CHCl3, CHCl2Br, CHClBr2 y CHBr3.Éstas y muchos otras sustancias orgánicas que contienen cloro y bromo son produc-to de la reacción del cloro acuoso con materiales orgánicos presentes en casi todas lasaguas naturales, así como con sustancias que son productos secundarios de la acti-vidad humana. Recuérdese que el cloro se disuelve en agua para formar HOCl, quees el agente oxidante activo • (Sección 7.8):

Cl2(g) � H2O(l) 9: HOCl(ac) � HCl(ac) [18.16]

A su vez, el HOCl reacciona con las sustancias orgánicas y forma los THMs. El bro-mo se introduce debido a la reacción del HOCl con ion bromuro disuelto:

HOCl(ac) � Br�(ac) 9: HOBr(ac) � Cl�(ac) [18.17]

El HOBr(ac) halogena las sustancias orgánicas de forma análoga al HOCl(ac).Algunos THMs y otras sustancias orgánicas halogenadas son probables carci-

nógenos, otras interfieren el sistema endocrino del organismo. En consecuencia, la

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Organización Mundial de la Salud y la EPA han impuesto límites de concentraciónde 100 a 200 μg/L (0.10 a 0.20 ppm) a la cantidad total de estas sustancias en el aguapotable. La meta es reducir los niveles de THM y sustancias afines en el abasto deagua potable preservando al mismo tiempo la eficacia antibacteriana del tratamien-to del agua. En ciertos casos la simple reducción de la concentración de cloro puedeproporcionar una desinfección adecuada y disminuir al mismo tiempo la concentra-ción de los THMs que se forman. Otros agentes oxidantes alternativos, como el ozo-no (O3) o el dióxido de cloro, producen menos sustancias halogenadas, pero tienendesventajas propias. Todos son capaces de oxidar el bromuro acuoso, como se mues-tra, por ejemplo, en el caso del ozono:

[18.18]

[18.19]

Como hemos visto, el HOBr(ac) es capaz de reaccionar con las sustancias orgánicasdisueltas para formar compuestos orgánicos halogenados. Además, en ensayos conanimales se ha demostrado que el ion bromato causa cáncer.

Por ahora no parece haber soluciones totalmente satisfactorias para sustituir lacloración. El riesgo de cáncer debido a los THMs y sustancias afines en el agua mu-nicipal es muy pequeño, sin embargo, en comparación con los riesgos que presentanel cólera, el tifo y los trastornos gastrointestinales provocados por el agua no tratada.Si el abasto de agua es más limpio desde un principio, se necesita menos desinfec-tante; de este modo se reduce el peligro de contaminación debido a la desinfección.Una vez formados los THMs, su concentración en el abasto de agua se puede reducirpor aereación porque los THMs son más volátiles que el agua. También se puedeneliminar por adsorción en carbón activado u otros adsorbentes, aunque estos proce-dimientos son costosos.

EJERCICIO INTEGRADOR RESUELTO: Asociación de conceptos(a) Los ácidos de la lluvia ácida o de otras fuentes no representan una amenaza para los lagosde zonas donde la roca es de piedra caliza (carbonato de calcio), la cual neutraliza el exceso deácido. Sin embargo, donde la roca es de granito no hay neutralización. ¿Cómo neutraliza el áci-do la piedra caliza? (b) El agua ácida se puede tratar con sustancias básicas para aumentar elpH, aunque un procedimiento de este tipo es sólo un remedio temporal. Calcule la masa míni-ma de cal, CaO, que se necesita para ajustar el pH de un lago pequeño (4.0 � 109 L) de 5.0 a 6.5.¿Por qué podría ser necesario agregar más cal?

Solución (a) El ion carbonato, que es el anión de un ácido débil, es básico. • (Secciones 16.2 y16.7) Por tanto, el ion carbonato, CO3

2�, reacciona con el H�(ac). Si la concentración de H�(ac) espequeña, el producto principal es el ion bicarbonato, HCO3

�. Si la concentración de H�(ac) es másalta, en cambio, se forma H2CO3 y se descompone en CO2 y H2O. • (Sección 4.3)

(b) Las concentraciones inicial y final de H�(ac) en el lago se obtienen de los valores de pH:

[H�]inicial � 10�5.0 � 1 � 10�5 M y [H�]final � 10�6.5 � 3 � 10�7 M

Con base en el volumen del lago, se calcula el número de moles de H�(ac) que corresponde aambos valores de pH:

(1 � 10�5 mol/L)(4.0 � 109 L) � 4 � 104 mol

(3 � 10�7 mol/L)(4.0 � 109 L) � 1 � 103 mol

Así pues, el cambio en la cantidad de H�(ac) es de 4 � 104 mol � 1 � 103 mol ≈ 4 � 104 mol.Supongamos que todo el ácido del lago está totalmente disociado, de modo que sólo es

necesario neutralizar el H�(ac) libre medido por el pH. Habrá que neutralizar al menos esa can-tidad de ácido, aunque puede haber mucho más ácido en el lago.

HOBr(ac) + 2O3(ac) ¡ BrO3

-(ac) + 2O2(ac) + H +(ac)

O3(ac) + Br-(ac) + H2O(l) ¡ HOBr(ac) + O2(ac) + OH -(ac)

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El ion óxido del CaO es muy básico. • (Sección 16.5) En la reacción de neutralización unmol de O2� reacciona con dos moles de H� para formar H2O. Por tanto, 2.9 � 104 mol de H+

requieren la siguiente cantidad en gramos de CaO:

.

Esto representa una tonelada de CaO. Esto no sería muy costoso porque el CaO es una baseeconómica que se vende a menos de 100 dólares la tonelada si se adquiere en grandes canti-dades. Sin embargo, la cantidad de CaO que hemos calculado es el mínimo absoluto que senecesita porque es probable que haya ácidos débiles en el agua que también es necesario neu-tralizar. Este procedimiento de adición de cal se ha empleado para ajustar el pH de algunoslagos pequeños dentro de los límites que los peces necesitan para vivir. El lago de este ejemplotendría aproximadamente 1.6 km de largo, más o menos la misma anchura y una profundidadpromedio de 6 m.

(4 * 104 mol H+)a1 mol CaO2 mol H+ b a 56.1 CaO

1 mol CaOb = 1 * 106 g CaO

Resumen y términos clave

Secciones 18.1 y 18.2 En estas secciones se examinaron las propiedades físicas y químicas de la atmósfera terrestre. Lascomplejas variaciones térmicas de la atmósfera dan origen acuatro regiones, cada una con propiedades características. Lamás baja de estas regiones, la troposfera, se extiende desde la superficie hasta una altitud de aproximadamente 12 km.Arriba de la troposfera, en orden de altitud creciente, están laestratosfera, la mesosfera y la termosfera. En los límites supe-riores de la atmósfera sólo las especies químicas más simplessobreviven al bombardeo de partículas y radiación de altaenergía provenientes del Sol. El peso molecular medio de laatmósfera a grandes altitudes es menor que en la superficieterrestre porque los átomos y moléculas más ligeros se difun-den hacia arriba y a causa de la fotodisociación, que es laruptura de enlaces de moléculas debida a la absorción de luz.La absorción de radiación también origina la formación deiones por fotoionización.

Sección 18.3 La reacción entre oxígeno atómico y O2 pro-duce ozono en las capas altas de la atmósfera. El ozono mis-mo se descompone por absorción de un fotón o al reaccionarcon una especie activa como NO. Los clorofluorocarbonossufren fotodisociación en la estratosfera y forman cloro atómi-co, que es capaz de destruir catalíticamente el ozono. Una notoria reducción del nivel de ozono en la atmósfera supe-rior tendría serias consecuencias adversas porque la capa deozono suprime por filtración ciertas longitudes de onda de luz ultravioleta que no elimina ningún otro componente atmosférico.

Sección 18.4 En la troposfera la química de los componentestraza de la atmósfera es de primordial importancia. Muchos deestos componentes secundarios son contaminantes. El dióxi-do de azufre es uno de los ejemplos más nocivos y extendi-dos. Se oxida en el aire para formar trióxido de azufre, el cualforma ácido sulfúrico al disolverse en el agua. Los óxidos deazufre son de los principales contribuyentes a la lluvia ácida.Un método para prevenir el escape de SO2 de las actividades

industriales consiste en hacer reaccionar el SO2 con CaO paraformar sulfito de calcio (CaSO3).

El monóxido de carbono se encuentra en altas concen-traciones en el escape de los motores de automóvil y en elhumo de los cigarrillos. El CO representa un peligro para lasalud porque forma un fuerte enlace con la hemoglobina yreduce así la capacidad de la sangre para transportar oxígenodesde los pulmones.

El smog fotoquímico es una compleja mezcla de com-ponentes en la que los óxidos de nitrógeno y el ozono desem-peñan importantes papeles. Los componentes del smog segeneran principalmente en los motores de automóvil, y elcontrol del smog consiste en gran medida en regular las emi-siones de los autos.

El dióxido de carbono y el agua son los principales com-ponentes de la atmósfera que absorben fuertemente la ra-diación infrarroja. Por consiguiente, el CO2 y el H2O sonfundamentales para mantener la temperatura del planeta. Lasconcentraciones de CO2 y otros de los llamados “gases deinvernadero” en la atmósfera ejercen, por tanto, una impor-tante influencia en el clima mundial. Como resultado de laextensa quema de combustibles fósiles (hulla, petróleo y gasnatural), el nivel de dióxido de carbono en la atmósferaaumenta continuamente.

Sección 18.5 El agua de mar contiene alrededor de 3.5% enmasa de sales disueltas y se dice que tiene una salinidad de35. Debido a que casi toda el agua del planeta está en losocéanos, es probable que en un momento dado los seres hu-manos recurran a los mares para obtener agua dulce. Ladesalinización es la eliminación de sales disueltas del agua demar o del agua salobre a fin de hacerla apropiada para el con-sumo humano. La desalación se consigue por destilación opor ósmosis inversa.

Sección 18.6 El agua dulce contiene muchas sustancias di-sueltas, entre ellas oxígeno, que es necesario para los peces yotras formas de vida acuática. Las sustancias que las bacterias

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Ejercicios 729

descomponen se describen como biodegradables. Debido aque la oxidación de sustancias biodegradables por bacteriasaerobias consume oxígeno, estas sustancias se conocen comoresiduos que demandan oxígeno. La presencia en el agua deun exceso de residuos que demandan oxígeno puede agotarel oxígeno disuelto a un grado suficiente para matar a los pe-ces y producir olores desagradables. Los nutrimentos de lasplantas contribuyen al problema porque estimulan el cre-cimiento de plantas que, al morir, se convierten en residuosque demandan oxígeno.

El agua de las fuentes de agua dulce disponibles puederequerir tratamiento antes de destinarla a usos domésticos.Las diversas etapas que se aplican en el tratamiento de aguasmunicipales incluyen filtración gruesa, sedimentación, filtra-ción en arena, aereación, esterilización y a veces ablandamien-to. El ablandamiento del agua es necesario cuando ésta contiene

iones como Mg2� y Ca2�, que reaccionan con el jabón paraformar nata de jabón. El agua que contiene iones de este tipose conoce como agua dura. En ocasiones se emplea el proce-so de cal-carbonato, que consiste en agregar CaO y Na2CO3al agua dura, en el ablandamiento de aguas municipales engran escala. En las viviendas individuales habitualmente serecurre al intercambio de iones, un proceso por el que losiones de agua dura se intercambian por iones Na�.

Sección 18.7 La iniciativa de la química verde promueve lacreación y aplicación de productos y procesos químicos com-patibles con la salud humana y que contribuyan a preservarel ambiente. Los campos donde la química verde puede mejo-rar la calidad ambiental incluyen la selección de disolventesy reactivos para las reacciones químicas, la invención de otrosprocesos y las mejoras a los sistemas y prácticas existentes.

Ejercicios

La atmósfera terrestre18.1 (a) ¿Cuál es la base primordial de la división de la atmós-

fera en diferentes regiones? (b) Nombre las regiones de laatmósfera, indicando el intervalo de altitud de cada una.

18.2 (a) ¿Qué nombre se da a la frontera entre la troposfera yla estratosfera? (b) ¿Cómo se determinan las fronterasentre las regiones de la atmósfera? (c) Explique por quéla estratosfera, con un espesor de más de 32 km, tiene unamasa total menor que la troposfera, cuyo espesor es demenos de 16 km.

18.3 La concentración de ozono que se ha medido en la ciudadde México es de 0.37 ppm. Calcule la presión parcial deozono a esta concentración si la presión atmosférica esde 650 torr.

18.4 Con base en los datos de la tabla 18.1 calcule las presionesparciales de dióxido de carbono y argón cuando la pre-sión atmosférica total es de 98.6 kPa.

18.5 La concentración promedio estimada de monóxido decarbono en el aire de Estados Unidos en 1991 fue de 6.0ppm. Calcule el número de moléculas de CO en 1.0 L deeste aire a una presión de 745 torr y a una temperaturade 17°C.

18.6 (a) Con base en los datos de la tabla 18.1, ¿cuál es la con-centración de neón en la atmósfera en ppm? (b) ¿Cuál esla concentración de neón en la atmósfera en moléculaspor L, suponiendo una presión atmosférica de 743 torr yuna temperatura de 295°C?

La atmósfera superior: ozono18.7 La energía de disociación típica de un enlace carbono-

bromo es de alrededor de 210 kJ/mol. ¿Cuál es la longi-tud de onda máxima de los fotones capaces de disociar elenlace C—Br?

18.8 En el CF3Cl la energía de disociación del enlace C—Cl esde 339 kJ/mol. En el CCl4 la energía de disociación delenlace C—Cl es de 293 kJ/mol. ¿Cuál es el intervalo delongitud de onda de los fotones capaces de romper unenlace C—Cl en una molécula pero no en la otra?

18.9 Explique, con base en las necesidades de energía, por quéla fotodisociación del oxígeno es más importante que sufotoionización a altitudes por debajo de 90 km.

18.10 Cite dos razones por las que la fotodisociación del N2 esun proceso relativamente poco importante en compara-ción con la fotodisociación del O2.

18.11 (a) ¿Por qué es más alta la temperatura de la estratosferacerca de la estratopausa que en la tropopausa? (b) Expli-que cómo se forma ozono en la estratosfera.

18.12 (a) ¿Cuál es el mecanismo principal de generación de áto-mos de oxígeno a una altitud de 120 km? (b) ¿Por qué losátomos de oxígeno existen durante más tiempo a unaaltitud de 120 km que a una de 50 km? (c) En la superficieterrestre, ¿cuál es la trascendencia biológica de la capaestratosférica de ozono?

18.13 ¿Qué es un hidrofluorocarbono? ¿Por qué son estos com-puestos potencialmente menos dañinos para la capa deozono que los CFC?

18.14 Dibuje la estructura de Lewis del clorofluorocarbonoCFC-11, CFCl3. ¿Qué características químicas de esta sustan-cia le permiten agotar efectivamente el ozono atmosférico?

18.15 (a) ¿Por qué el flúor presente en los clorofluorocarbonosno participa en el agotamiento de la capa de ozono? (b) ¿Cuáles son las formas químicas en las que existe elcloro en la estratosfera luego de la ruptura del enlace car-bono-cloro?

18.16 ¿Esperaría usted que la sustancia CFBr3 fuese eficaz paraagotar la capa de ozono, suponiendo que está presenteen la estratosfera? Explique su respuesta.

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SO3H3C C

CH3

H

(CH2)9

Química de la troposfera18.17 ¿Cuáles son los principales efectos adversos para la salud

de cada uno de los contaminantes siguientes? (a) CO;(b) SO2; (c) O3

18.18 Compare las concentraciones típicas de CO, SO2 y NO enel aire no contaminado (Tabla 18.3) y en el aire urbano(Tabla 18.4), e indique en cada caso al menos una posiblefuente de los altos valores de la tabla 18.4.

18.19 Con respecto a cada uno de los gases siguientes, elaboreuna lista de fuentes naturales conocidas o posibles: (a) CH4;(b) SO2; (c) NO; (d) CO.

18.20 ¿Por qué es ácida por naturaleza la precipitación pluvial,incluso en ausencia de gases contaminantes como el SO3?

18.21 (a) Formule una ecuación química que describa el ataquede la lluvia ácida a la piedra caliza, CaCO3. (b) Si se trata-se de una escultura de piedra caliza para formar una capasuperficial de sulfato de calcio, ¿ayudaría esto a retardarlos efectos de la lluvia ácida? Explique su respuesta.

18.22 La primera etapa de la corrosión del hierro en la atmós-fera es su oxidación a Fe2�. (a) Escriba una ecuación quí-mica balanceada para mostrar la reacción del hierro conla lluvia ácida. (b) ¿Sería de esperar que ocurriese unareacción del mismo tipo en una superficie de plata? Ex-plique su respuesta

18.23 Los combustibles para automóvil a base de alcohol origi-nan la producción de formaldehído (CH2O) en los gasesde escape. El formaldehído sufre fotodisociación y contri-buye así al smog fotoquímico:

CH2O � hν 9: CHO � HLa longitud de onda máxima de la luz capaz de provocaresta reacción es de 335 nm. (a) ¿En qué parte del espectroelectromagnético se encuentra la luz de esta longitud deonda? (b) ¿Cuál es la energía máxima, en kJ/mol, de unenlace que puede ser roto por la absorción de un fotón deluz de 335 nm? (c) Compare su respuesta del inciso (b)con el valor apropiado de la tabla 8.4. ¿Qué concluye us-ted acerca de la energía del enlace C—H del formaldehído?

18.24 Una importante reacción en la formación del smog foto-químico es la fotodisociación de NO2:

NO2 � hν 9: NO(g) � O(g)

La longitud de onda máxima capaz de provocar esta reac-ción es de 420 nm. (a) ¿En qué parte del espectro electro-magnético se encuentra la luz de esta longitud de onda?(b) ¿Cuál es la energía máxima, en kJ/mol, de un enlaceque puede ser roto por la absorción de un fotón de luzde 420 nm?

18.25 Explique por qué las crecientes concentraciones de CO2en la atmósfera influyen en la cantidad de energía queescapa de la Tierra, pero no en la cantidad que entra pro-veniente del Sol.

18.26 (a) Con respecto a la absorción de energía radiante, ¿quédistingue a un gas de invernadero de los gases que noson de este tipo? (b) El CH4 es un gas de invernadero, pe-ro no el Ar. ¿Cómo podría explicar la estructura molecu-lar del CH4 el hecho de que sea un gas de invernadero?

El océano terrestre18.27 ¿Cuál es la molaridad de Na� en una disolución de NaCl

cuya salinidad es de 5.3 si la disolución tiene una densi-dad de 1.03 g/mL?

18.28 El fósforo está presente en el agua de mar en proporciónde 0.07 ppm en masa. Si el fósforo se encuentra en forma defosfato, PO4

3�, calcule la concentración molar correspon-diente de fosfato.

18.29 Una primera etapa de la recuperación de magnesio delagua de mar es la precipitación de Mg(OH)2 con CaO:Mg2�(ac) � CaO(s) � H2O(l) 9:

Mg(OH)2(s) � Ca2�(ac)¿Qué masa de CaO se necesita para precipitar 5.0 � 106 gde Mg(OH)2?

18.30 Suponiendo una eficiencia de recuperación de 10%,¿cuántos litros de agua de mar es necesario procesar pa-ra obtener 108 kg de bromo en un proceso comercial de

producción, si se supone la concentración de ion bromu-ro citada en la tabla 18.6?

[18.31] Suponga que se desea aplicar la ósmosis inversa para re-ducir el contenido de sal de un agua salobre con una con-centración total de sales 0.22 M a un valor de 0.01 M, a finde poder aprovecharla para consumo humano. ¿Cuál esla presión mínima que es necesario aplicar en los permea-dores (Figura 18.14) para alcanzar esta meta, suponiendoque el proceso se lleva a cabo a 298 K? [Pista: Consultela Sección 13.5.]

[18.32] Suponga que un aparato portátil de ósmosis inversa co-mo el que se muestra en la figura 18.15 trabaja con aguade mar, cuyas concentraciones de iones componentes seenumeran en la tabla 18.6, y que el agua desalinada quesale de él tiene una molaridad efectiva de 0.02 M. ¿Quépresión mínima se debe aplicar por bombeo manual a305 K para que se lleve a cabo la ósmosis inversa? [Pista:Consulte la Sección 13.5.]

Agua dulce18.33 Enumere los productos comunes que se forman cuando

un material orgánico que contiene los elementos carbono,hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno se descompone (a) en condiciones aerobias; (b) en condiciones anaerobias.

18.34 (a) Explique por qué la concentración de oxígeno disueltoen el agua dulce es un importante indicador de la calidaddel agua. (b) ¿Cómo influye un aumento de temperatu-ra en la solubilidad del oxígeno en agua?

18.35 El anión orgánico siguiente se encuentra en casi todos losdetergentes:

Suponga que el anión sufre descomposición aerobia comosigue:

2C18H29SO3�(ac) � 51O2(ac) 9:

36CO2(ac) � 28H2O(l) � 2H�(ac) � 2SO42�(ac)

¿Qué masa total de O2 se necesita para biodegradar 1.0 gde esta sustancia?

18.36 La masa promedio diaria de O2 que consumen las aguasnegras que se descargan en Estados Unidos es de 59 gpor persona. ¿Cuántos litros de agua con 9 ppm de O2quedan totalmente privados de oxígeno en 1 día por unapoblación de 85,000 personas?

18.37 Formule una ecuación química balanceada para describircómo se eliminan los iones magnesio en el tratamientode aguas por adición de cal hidratada, Ca(OH)2.

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Ejercicios 731

�H2C CH2

CH2

CH2H2C

OOHCl

C

O �

OCl

OH

O

Ácido 3-cloroperbenzoico Ácido 3-clorobenzoicoCetona

H2C

CH2

CH2

H2C

H2C

C

O

O

Lactona

18.38 (a) ¿A cuáles de las especies siguientes podría debersela dureza de un abasto de agua? Ca2�; K�; Mg2�; Fe2�;Na�; (b) ¿Qué propiedades de un ion determinan si con-tribuye o no a la dureza del agua?

18.39 ¿Cuántos moles de Ca(OH)2 y Na2CO3 se deben agregarpara ablandar 1.0 � 103 L de agua en la que [Ca2�] � 5.0� 10�4 M y [HCO3

�] � 7.0 × 10�4 M?18.40 La concentración de Ca2+ en un abasto de agua en par-

ticular es de 5.7 � 10�3 M. La concentración de ion bi-carbonato, HCO3

�, en la misma agua es de 1.7 � 10�3 M.¿Qué masa de Ca(OH)2 y de Na2CO3 se debe agregar a5.0 � 107 L de esta agua para reducir el nivel de Ca2� al20% de su nivel original?

18.41 ¿Con qué propósito se agrega Al2(SO4)3 al agua lige-ramente básica en el curso de un tratamiento del agua?

18.42 Se suele emplear sulfato ferroso (FeSO4) como coagulan-te en la purificación del agua. La sal de hierro(II) se di-suelve en el agua por purificar, donde el oxígeno disueltola oxida luego al estado de hierro(III), con lo cual se forma Fe(OH)3 gelatinoso, suponiendo que el pH estéarriba de aproximadamente 6. Escriba las ecuaciones quí-micas balanceadas de la oxidación del Fe2� a Fe3� por eloxígeno disuelto, y de la formación de Fe(OH)3(s) por reacción del Fe3�(ac) con HCO3

�(ac).

Química verde18.43 Uno de los principios de la química verde es que es mejor

prevenir la formación de residuos que limpiarlos una vezque se han formado. ¿Qué relación existe, en su caso, en-tre este principio y la eficiencia en el uso de la energía?

18.44 Comente cómo pueden los catalizadores aumentar laeficiencia de los procesos en cuanto a consumo de energía.

18.45 Explique por qué el uso de carbonato de dimetilo en vezde fosgeno es congruente con el primer principio de laquímica verde, el cual afirma que es mejor evitar la pro-ducción de residuos que hallar formas de limpiarlos unavez generados.

18.46 La reacción de Baeyer-Villiger es una reacción orgánicaclásica de oxidación para convertir cetonas en lactonas,como en el ejemplo que sigue:

Esta reacción se utiliza en la manufactura de plásticos yproductos farmacéuticos. Sin embargo, el ácido 3-cloroper-benzóico presenta cierta sensibilidad a los choques y espropenso a estallar. Además, el ácido 3-clorobenzóico es un producto residual. Se trabaja en otro proceso que em-plea peróxido de hidrógeno y un catalizador consistenteen estaño depositado dentro de un soporte sólido. El ca-talizador se recupera fácilmente de la mezcla de reacción.(a) ¿Cuál esperaría usted que fuese el otro producto deoxidación de la cetona a lactona con peróxido de hidró-geno? (b) ¿Qué principios de la química verde se aplicanal utilizar el proceso propuesto?

18.51 Los halones son fluorocarbonos que contienen bromo, como el CBrF3. Se usan extensamente como agentes espu-mantes para combatir incendios. Al igual que los CFC, loshalones son muy poco reactivos y con el tiempo llegan adifundirse en la estratosfera. (a) Con base en los datos dela tabla 8.4, ¿esperaría usted que hubiese fotodisociaciónde átomos de Br en la estratosfera? (b) Proponga unmecanismo por el que la presencia de halones en la estra-tosfera pudiese provocar el agotamiento del ozono es-tratosférico.

[18.52] El radical hidroxilo, OH, se forma a altitudes bajas por lareacción de átomos de oxígeno excitados con agua:

O*(g) � H2O(g) 9: 2OH(g)

Una vez producido, el radical hidroxilo es muy reactivo. Ex-plique por qué cada una de las series de reacciones siguien-tes tiene un efecto en la contaminación de la troposfera:

(a)(b)

OOH + NO ¡ OH + NO2

OH + CO + O2 ¡ CO2 + OOHOH + NO2 ¡ HNO3

Ejercicios adicionales18.47 Un amigo suyo ha leído recientemente acerca de los si-

guientes conceptos en artículos periodísticos y le gusta-ría saber de qué se trata: (a) lluvia ácida; (b) gas deinvernadero; (c) smog fotoquímico; (d) agotamiento delozono. Proporcione una explicación breve de cada térmi-no e identifique una o dos de las sustancias químicas aso-ciadas a él.

18.48 Suponga que en otro planeta la atmósfera se compone de17% de Ar, 38% de CH4 y 45% de O2. ¿Cuál es la masamolar media en la superficie? ¿Cuál es la masa molar me-dia a la altitud a la que todo el O2 se fotodisocia?

18.49 Si en promedio una molécula de O3 “vive” sólo de 100 a200 segundos en la estratosfera antes de disociarse, ¿có-mo es que el O3 brinda protección contra la radiación ul-travioleta?

18.50 Muestre cómo se pueden sumar las ecuaciones 18.7 y 18.9para dar la ecuación 18.10. (Puede ser necesario multipli-car una de las reacciones por un factor para que se su-men correctamente.)


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(c)

18.53 Con base en el principio de Le Châtelier, explique porqué la constante de equilibrio de la formación de NO a par-tir de N2 y O2 aumenta con la temperatura, en tanto quela constante de equilibrio de la formación de NO2 a par-tir de NO y O2 disminuye al aumentar la temperatura.

18.54 La afinidad del monóxido de carbono por la hemoglobi-na es aproximadamente 210 veces mayor que la del O2.Suponga que una persona inhala aire que contiene 112ppm de CO. Si toda la hemoglobina que sale de los pul-mones transporta ya sea oxígeno o CO, calcule la frac-ción que está en forma de carboxihemoglobina.

18.55 El gas natural se compone principalmente de metano,CH4(g). (a) Escriba una ecuación química balanceada dela combustión completa del metano para producir CO2(g)como único producto que contiene carbono. (b) Escribauna ecuación química balanceada de la combustión in-completa del metano para producir CO(g) como únicoproducto que contiene carbono. (c) A 25°C y a una presiónde 1 atm, ¿cuál es la cantidad mínima de aire seco que senecesita para transformar totalmente 1.0 L de CH4(g) enCO2(g)? Se ha utilizado gas natural junto con un cataliza-dor para eliminar el NO y el NO2 de una corriente de gasindustrial. ¿Cuáles son los productos probables de las reac-ciones del CH4 con NO y NO2 en esas condiciones?

18.56 Una de las posibles consecuencias del calentamiento globales un aumento en la temperatura del agua de los océanos.Los océanos funcionan como un “sumidero” de CO2 aldisolver grandes cantidades de él. (a) ¿Cómo influiría enla solubilidad del CO2 en los océanos un aumento en latemperatura del agua? (b) Comente las implicaciones desu respuesta al inciso (a) respecto al problema del calen-tamiento global.

OOCH3 + NO ¡ OCH3 + NO2

CH3 + O2 ¡ OOCH3

OH + CH4 ¡ H2O + CH3 18.57 La energía solar que incide en la Tierra alcanza en prome-dio 169 watts por metro cuadrado. La energía irradiadapor la superficie terrestre equivale en promedio a 390watts por metro cuadrado. Al comparar estos números,cabría esperar que el planeta se enfriase rápidamente; sinembargo, no ocurre así. ¿Por qué?

18.58 Escriba las ecuaciones químicas balanceadas de las reac-ciones siguientes: (a) La molécula de óxido nítrico sufrefotodisociación en las capas altas de la atmósfera. (b) Lamolécula de óxido nítrico sufre fotoionización en las ca-pas altas de la atmósfera. (c) El óxido nítrico es oxidadopor el ozono en la estratosfera. (d) El dióxido de nitróge-no se disuelve en agua para formar ácido nítrico y óxidonítrico.

18.59 (a) Explique por qué precipita Mg(OH)2 cuando se agregaion CO3

2� a una disolución que contiene Mg2�. (b) ¿Pre-cipitará Mg(OH)2 al agregar 4.0 g de Na2CO3 a 1.00 Lde una disolución que contiene 125 ppm de Mg2�?

18.60 Describa algunos de los pros y contras de usar cloro envez de ozono como agente desinfectante de abastos mu-nicipales de agua.

18.61 La tecnología de blanqueo de pulpa actualmente en usoen la industria del papel utiliza cloro como agente oxi-dante. Desde la perspectiva de la química verde, y dadolo que ha leído en este capítulo, ¿cuáles son los inconve-nientes de un proceso de este tipo?

[18.62] Se ha señalado recientemente que puede haber más NOen la troposfera en comparación con el pasado debido aluso masivo de compuestos nitrogenados en los fertilizan-tes. Suponiendo que el NO llega a difundirse con el tiem-po en la estratosfera, ¿cómo podría influir esto en lascondiciones de vida en la Tierra? Con ayuda del índice deeste texto, consulte la química de los óxidos de nitróge-no. ¿Qué rutas químicas podría seguir el NO en la tro-posfera.

Ejercicios integrados18.63 La concentración promedio estimada de NO2 en el aire de

Estados Unidos en 1994 fue de 0.021 ppm. (a) Calcule lapresión parcial del NO2 en una muestra de este aire cuan-do la presión atmosférica es de 745 torr (99.1 kPa). (b) ¿Cuántas moléculas de NO2 están presentes en estascondiciones a 20°C en una habitación que mide 4.57 m �4.27 m � 2.44 m?

[18.64] En 1986 la central termoeléctrica de la compañía GeorgiaPower en Taylorsville, Georgia, quemó 8,376,726 tonela-das de hulla, un récord nacional en aquella época. (a) Su-poniendo que la hulla contenía 83% de carbono y 2.5%de azufre y que la combustión fue completa, calcule elnúmero de toneladas de dióxido de carbono y de dióxi-do de azufre producidas por la central durante ese año.(b) Si se pudiera eliminar el 55% del SO2 por reacción conCaO pulverizado para formar CaSO3, ¿cuántas toneladasde CaSO3 se producirían?

18.65 El abasto de agua de una ciudad del centro de EstadosUnidos tiene las siguientes impurezas: arena gruesa;partículas finamente divididas; ion nitrato; trihalome-tanos; fósforo disuelto en forma de fosfatos; cepas bac-terianas potencialmente nocivas; sustancias orgánicasdisueltas. ¿Cuáles de los siguientes procesos o agentes,en su caso, son eficaces para eliminar cada una de estas

impurezas: filtración de la arena gruesa; filtración con car-bón activado; aereación; ozonización; precipitación conhidróxido de aluminio?

18.66 La concentración de H2O en la estratosfera es de alrede-dor de 5 ppm. El H2O sufre fotodisociación como sigue:

(a) Con base en la tabla 8.4, calcule la longitud de ondanecesaria para provocar esta disociación.

(b) El radical hidroxilo, OH, reacciona con el ozono de lasdos formas siguientes:

¿Qué reacción global es el resultado de estas dos reac-ciones elementales? ¿Cuál es el catalizador de lareacción global? Explique su respuesta.

18.67 Las entalpías estándar de formación de ClO y de ClO2son de 101 y 102 kJ/mol, respectivamente. Con base enestos datos y en los datos termodinámicos del apéndiceC, calcule el cambio global de entalpía de cada etapa delciclo catalítico siguiente:

ClO2(g) + O(g) ¡ ClO(g) + O2(g)

ClO(g) + O3(g) ¡ ClO2(g) + O2(g)

HO2(g) + O(g) ¡ OH(g) + O2(g)

OH(g) + O3(g) ¡ HO2(g) + O2(g)

H2O(g) ¡ H(g) + OH(g)

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Ejercicios con el CD-ROM 733

¿Cuál es el cambio de entalpía de la reacción global resul-tante de estas dos etapas?

18.68 La razón principal del alto costo de la destilación comométodo para purificar agua es la gran cantidad de ener-gía que se necesita para calentar y vaporizar el agua.(a) Con base en la densidad, el calor específico y el calorde vaporización del agua del apéndice B, calcule la can-tidad de energía necesaria para evaporar 1 galón de aguaque inicialmente está a 20°C. (b) Si la energía se obtienede electricidad que cuesta 0.085 dólares por kwh, calcu-le su costo. (c) Si el agua destilada se vende en las tiendasa 1.26 dólares por galón, ¿qué porcentaje del precio deventa representa el costo de la energía?

[18.69] Una reacción que contribuye al agotamiento del ozonoen la estratosfera es la reacción directa de los átomos deoxígeno con el ozono:

A 298 K la constante de velocidad de esta reacción es de4.8 � 105 M�1s�1. (a) Con base en las unidades de la cons-tante de velocidad, escriba la ecuación de velocidad pro-bable de esta reacción. (b) ¿Es de esperar que esta reacciónse lleve a cabo en un solo paso elemental? Explique porqué. (c) Con base en la magnitud de la constante de ve-locidad, ¿es de esperar que la energía de activación deesta reacción sea grande, o bien pequeña? Explique surespuesta. (d) Use los valores de ΔH°f del apéndice C para estimar el cambio de entalpía de esta reacción.¿Elevaría o reduciría esta reacción la temperatura de laestratosfera?

[18.70] Suponga que forma una mezcla en equilibrio de N2, O2 yNO a una temperatura de 2400 K

Si la mezcla de reacción original consiste en aire al niveldel mar y a 1.0 atm en un recipiente de 1.0 L, ¿cuál es la

N2(g) + O2(g) Δ 2NO(g) Keq = 0.05

O(g) + O3(g) ¡ 2O2(g)

presión parcial de NO en el equilibrio a 2400 K? ¿Cuál esla concentración de NO en ppm?

18.71 El dióxido de nitrógeno (NO2) es la única especie gaseosaimportante de las capas bajas de la atmósfera que absorbeluz visible. (a) Escriba la estructura o estructuras de Lewisdel NO2. (b) ¿Cómo explica esta estructura el hecho deque el NO2 se dimeriza para formar N2O4? Con base enlo que pueda hallar en el texto acerca de esta reacción dedimerización, ¿es de esperar que el NO2 que se forma enun ambiente urbano esté en forma de dímero? Expliquesu respuesta. (c) ¿Qué productos esperaría usted, en sucaso, de la reacción del NO2 con CO? (d) ¿Es de esperarque el NO2 generado en un ambiente urbano emigre a laestratosfera? Explique su respuesta.

[18.72] Si el pH de 2.54 cm de precipitación pluvial en 3883 km2

es de 2.5, ¿cuántos kilogramos de H2SO4 están presentes,suponiendo que éste es el único ácido que contribuye al pH?

[18.73] La constante de la ley de Henry del CO2 en agua a 25°Ces de 3.1 � 10�2 M/atm. (a) ¿Cuál es la solubilidad delCO2 en agua a esta temperatura si la disolución está encontacto con aire a la presión atmosférica normal? (b) Suponga que todo este CO2 está en forma de H2CO3,producto de la reacción entre el CO2 y el H2O:

CO2(ac) + H2O(l) 9: H2CO3(ac)

¿Cuál es el pH de esta disolución?[18.74] La precipitación de Al(OH)3 (Kps � 1.3 � 10�33) se

emplea a veces para purificar agua. (a) Estime el pH alque se iniciará la precipitación si se agregan 2.0 lb deAl2(SO4)3 a 1000 gal de agua. (b) ¿Aproximadamentecuántas libras de CaO se deben agregar al agua paraalcanzar este pH?

Ejercicios con el CD-ROM

18.75 La formación de moléculas de ozono en la estratosfera semuestra en el vídeo Ozono estratosférico (StratosphericOzone, eCapítulo 18.2). (a) Describa este proceso, inclu-yendo las ecuaciones que resulten apropiadas. (b) Ex-plique por qué el proceso que se describe en el inciso (a)no ocurre en la misma medida en la troposfera que en laestratosfera.

18.76 El vídeo Ozono estratosférico (Stratospheric Ozone, eCa-pítulo 18.2) muestra dos formas posibles de disociaciónde una molécula de ozono. (a) Describa ambos procesos.(b) ¿Cuál de ellos protege a la Tierra de la radiación da-ñina?

18.77 El vídeo Destrucción catalítica del ozono estratosférico(Catalytic Destruction of Stratospheric Ozone, eCapítu-lo 18.3) muestra cómo el NO reduce la concentración deozono catalizando su descomposición. Con base en el ví-deo, describa cómo influiría en la concentración de ozo-no una concentración mayor de NO2 en la estratosfera.Explique su razonamiento y utilice las ecuaciones queconsidere necesarias.

18.78 El vídeo Los CFC y el ozono estratosférico (CFCs andStratospheric Ozone, eCapítulo 18.3) representa los clo-rofluorocarbonos como moléculas muy estables. (a) Silos CFC son tan estables, ¿por qué se les considera co-mo un problema grave en la atmósfera superior? (b) Silos países del mundo dejasen por completo de producirCFC, sus efectos en las capas altas de la atmósfera con-tinuarían durante décadas. Explique por qué.

18.79 En el ejercicio 18.20 usted explicó por qué la precipita-ción pluvial es ácida incluso en ausencia de contaminan-tes, como el SO2 gaseoso, y el vídeo El dióxido de carbonose comporta como un ácido en agua (Carbon DioxideBehaves as an Acid in Water, eCapítulo 18.4) muestracómo el CO2 acidifica el agua. Compare las concentra-ciones atmosféricas típicas (Tabla 18.3) de CO2 y de SO2,que se oxida a SO3 en la troposfera. ¿Cuál de estos gasestendría mayor influencia en el pH de la precipitaciónpluvial? Explique su respuesta.

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Cap 18 quimica ambiental