Temas Selectos de Química
Maestra: Margarita Graciela Lezama Cohen
CCH SUR
UNAM
QUÍMICA I Y II
MARIO MOLINA
La Atmósfera y los CFC
MARIO MOLINA-PASQUEL Y HENRIQUEZ
Nació en la Ciudad de México en 1943 y es ingeniero químico egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México (1965); posteriormente realizó estudios de posgrado en la Universidad de Friburgo, Alemania (1967) y recibió un doctorado en Fisicoquímica de la Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos (1972).
Es un pionero y uno de los principales investigadores a nivel mundial de la química atmosférica. Fue coautor, junto con F.S. Rowland en 1974, del artículo original prediciendo el adelgazamiento de la capa de ozono como consecuencia de la emisión de ciertos gases industriales, los clorofluorocarburos (CFC), que les mereció el Premio Nobel de Química. Asimismo, sus investigaciones y publicaciones sobre el tema condujeron al Protocolo de Montreal de las Naciones Unidas, el primer tratado internacional que ha enfrentado con efectividad un problema ambiental de escala global y de origen antropogénico.
El Profesor Molina y su grupo de investigación publicaron una serie de artículos entre 1976 y 1986 que identificaron las propiedades químicas de compuestos que juegan un papel esencial en la descomposición del ozono de la estratosfera. Subsecuentemente demostraron en el laboratorio la existencia de una nueva clase de reacciones químicas que ocurren en la superficie de partículas de hielo incluyendo aquellas que están presentes en la atmósfera. También propusieron y demostraron en el laboratorio una nueva secuencia de reacciones catalíticas que explican la mayor parte de la destrucción del ozono en la estratosfera polar. Fue profesor en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en el periodo 1989-2004; profesor e investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México entre 1967 y 1968; de la Universidad de California, Irvine, entre 1975 y 1979 y del Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto Tecnológico de California (CALTECH) en el periodo 1982 a 1989.
El Profesor Molina es miembro de la Academia Nacional de Ciencias y del Instituto de Medicina de los Estados Unidos, y durante ocho años fue uno de los 21 científicos que formaron parte del Consejo de Asesores de Ciencia y Tecnología del Presidente Barack Obama (PCAST); previamente había estado en el mismo Consejo del Presidente Bill Clinton.
Igualmente, el Profesor Molina es miembro distinguido de la Pontificia Academia de las Ciencias del Vaticano, del Colegio Nacional, la Academia Mexicana de Ciencias y la Academia Mexicana de Ingeniería, entre otras. Por su labor y contribución a la Ciencia ha recibido numerosos galardones, incluyendo más de 40 doctorados Honoris Causa, el Premio Tyler de Energía y Ecología en 1983, el Premio Sasakawa de las Naciones Unidas en 1999, el Premio Nobel de Química en 1995, el Premio Campeones de la Tierra que otorga Naciones Unidas y es el primer mexicano en recibir la Medalla Presidencial de la Libertad de Estados Unidos.
Actualmente, el Profesor Molina es investigador de la Universidad de California en San Diego (UCSD), donde forma parte del Departamento de Química y Bioquímica y del Instituto de Oceanografía SCRIPPS, una de las instituciones líderes en la investigación de los fenómenos asociados al Cambio Climático.
En México, preside desde 2005 un centro de investigación y promoción de políticas públicas que lleva su nombre, donde realiza estudios estratégicos sobre energía y medio ambiente, particularmente en los campos de cambio climático y calidad del aire.
El Dr. Molina ha investigado la química de la contaminación atmosférica en la baja atmósfera y está involucrado en trabajos interdisciplinarios colaborando con expertos para enfrentar el problema de la degradación de la calidad del aire en las grandes ciudades del planeta, especialmente grupos de contaminantes del aire en zonas urbanas, realizando importantes aportes al conocimiento y la solución de la contaminación atmosférica de la Zona Metropolitana del Valle de México.
Recientemente, el Dr. Molina ha enfocado gran parte de su labor a la política de la ciencia conectada con el creciente problema del cambio climático e impulsando acciones globales a favor del desarrollo sustentable a la par de un desarrollo económico vigoroso.
El Dr. Molina está casado con la Sra. Guadalupe Álvarez y reside principalmente en la Ciudad de México.
Artículo original prediciendo el adelgazamiento de la capa de ozono como consecuencia de la emisión de ciertos gases industriales, los clorofluorocarburos (CFC).
Molina, M.J., and F.S. Rowland, Stratospheric sink for chlorofluoromethanes-chlorine atom catalyzed destruction of ozone, Nature, 249, 810, 1974
Atmósfera
La atmósfera es una fina capa de gases que rodea a la Tierra. Esta capa gaseosa sella el planeta y lo protege del vacío del espacio, de la radiación electromagnética emitida por el Sol y de pequeños objetos que vuelan a través del cosmos, como los meteoroides. También contiene el oxígeno (O2), ese gas esencial que respiramos y que nos permite sobrevivir.
Atmósfera primitiva
Se cree que la Tierra se formó hace unos 5 mil millones de años y que muchos de los gases de nuestra atmósfera fueron expulsados al aire por los primeros volcanes; durante los primeros 500 millones de años habría habido poco o nada de oxígeno libre alrededor de la Tierra. El oxígeno libre consiste en moléculas de oxígeno no unidas a otro elemento, por ejempolo el carbono (para formar dióxido de carbono) o el hidrógeno (para formar agua).
Hace mil millones de años, los primeros organismos acuáticos llamados algas verdeazuladas comenzaron a usar la energía del Sol para dividir las moléculas de agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2), recombinándolas en compuestos orgánicos y oxígeno molecular (O2). Este proceso de conversión de energía solar se conoce como fotosíntesis.
En lo alto de la atmósfera, algunas moléculas de oxígeno (O2) absorbieron energía de los rayos ultravioleta (UV) del Sol y se dividieron para formar átomos individuales de oxígeno. Estos átomos se combinaron con el oxígeno restante y formaron moléculas de ozono (O3), un gas capaz de absorber los rayos UV. La capa de ozono que rodea la Tierra actúa como escudo protector contra la radiación UV.
El aire que respiramos está compuesto por un 78% de nitrógeno (N2), un 21% de oxígeno (O2), 0.9% de argón (Ar) y 0.04% de dióxido de carbono (CO2). El resto está compuesto por elementos llamados oligoelementos, que incluyen vapor de agua, ozono y otras partículas / moléculas que flotan alrededor.
Temperatura de la atmósfera
En la atmósfera de la Tierra, la temperatura varía considerablemente a diferentes alturas. Las temperaturas más frías se encuentran cerca de la mesopausa, a aproximadamente 80 km sobre la superficie, alcanzando valores tan bajos como -100 °C o -148 °F. En contraste, algunas de las temperaturas más cálidas se pueden encontrar en la termosfera, que recibe una fuerte radiación ionizante al nivel de los cinturones de radiación de Van Allen. Las temperaturas en la termosfera superior pueden oscilar entre 500 ° C (932 ° F) y 2.000 ° C (3.632 ° F).
La temperatura promedio global del planeta oscila alrededor de 15 grados Celsius.
Otras características de la atmósfera
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La atmósfera de la Tierra tiene alrededor de 480 kilómetros de espesor, pero la mayor parte de su masa se encuentra en los primeros 16 km desde la superficie.
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La atmósfera actúa como un filtro gigantesco que repele a la mayoría de las radiaciones ultravioletas y absorbe parcialmente los rayos cálidos del sol. La radiación ultravioleta es dañina para los seres vivos, de hecho es la causante de las quemaduras solares. Por su parte, el calor solar que atraviesa la atmosfera es necesario para toda la vida en la Tierra.
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Los límites entre las capas atmosféricas no están claramente definidos, y cambian según la latitud y la estación.
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Esta capa terrestre está tan dispersa que apenas la notamos, pero su peso es igual al de una capa de agua de más de 10 metros de profundidad que cubre todo el planeta. Los últimos 30 kilómetros de la atmósfera contienen aproximadamente el 98% de su masa. La atmósfera (aire) es mucho más delgada a gran altura.
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No existe un límite claro entre la atmósfera y el espacio, sin embargo los científicos concuerdan en que la atmósfera y el espacio exterior se encuentran en una línea imaginaria, llamada línea Karman, que se ubica a unos 100 km de la superficie.
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No existe atmósfera en el espacio.
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Otros planetas y lunas tienen atmósferas, sin embargo son muy diferentes a la atmósfera terrestre; algunos no tienen atmósferas en absoluto.
Estructura y capas de la atmósfera
La atmósfera de la Tierra tiene una estructura en capas. Enumerando desde el suelo hacia el cielo, las capas de la atmósfera son:
la troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. Otra capa, llamada ionosfera, se extiende desde la mesosfera a la exosfera. Más allá de la exosfera está el espacio exterior.
Troposfera
La troposfera es la capa atmosférica más baja. En promedio, se extiende desde el suelo hasta unos 10 kilómetros de altura. Casi todo el clima se desarrolla en la troposfera, ya que contiene el mayor volumen de vapor de agua de la atmósfera.
Estratosfera
La estratosfera se extiende desde la tropopausa, el límite superior de la troposfera, hasta aproximadamente 50 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. La estratosfera es crucial para la vida en la Tierra porque contiene pequeñas cantidades de ozono, una forma de oxígeno que impide que los dañinos rayos UV lleguen a la Tierra; la región dentro de la estratosfera donde se encuentra esta delgada capa se llama capa de ozono.
Mesosfera
La mesosfera se extiende desde la estratopausa (el límite superior de la estratosfera) a unos 85 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. La mayoría de las estrellas fugaces tienen el tamaño de un grano de arena y se queman antes de entrar en la estratosfera o la troposfera. Sin embargo, en la mesosfera se pueden ver estrellas fugaces, meteoros ardientes, polvo y rocas del espacio exterior.
Ionosfera
La ionosfera se extiende desde la mitad superior de la mesosfera hasta la exosfera. Esta capa atmosférica conduce la electricidad, absorbe las ondas de radio de alta frecuencia y refleja las partículas del viento solar. En esta capa se crean las auroras, llamadas también luces del Norte y del Sur.
Termosfera
La termosfera es la capa más gruesa de la atmósfera. Contiene los gases más ligeros, principalmente oxígeno, helio e hidrógeno. El Telescopio Espacial Hubble y la Estación Espacial Internacional (ISS) orbitan la Tierra en la termosfera.
Exosfera
En el límite superior de la exosfera, la ionosfera se fusiona con el espacio interplanetario o espacio entre los planetas. Muchos satélites meteorológicos orbitan la Tierra en la exosfera.
Función e importancia de la atmósfera
Sin la atmósfera, la Tierra se parecería mucho más a la Luna.
Los gases atmosféricos, especialmente el dióxido de carbono (CO2) y el oxígeno (O2), son extremadamente importantes para los organismos vivos. La atmósfera hace posible la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas usan el dióxido de carbono (CO2) y crean oxígeno (O2). Al crear oxígeno y alimentos, las plantas han creado un entorno favorable para los animales. En la respiración, los animales usan oxígeno para convertir el azúcar en energía alimenticia.
Por otra parte, la atmósfera es un importante reservorio de agua. Debido al ciclo hidrológico, el agua pasa mucho tiempo en la atmósfera, principalmente como vapor de agua.
El ozono en la atmósfera hace posible la vida en la Tierra. El ozono en la atmósfera superior absorbe la radiación ultravioleta (UV) de alta energía proveniente del Sol, protegiendo a todos los seres vivos del planeta. Sin ozono, solo las formas de vida más simples podrían vivir en la Tierra.
La atmósfera mantiene la temperatura de la Tierra estable y moderada. Junto con los océanos, la atmósfera mantiene las temperaturas del planeta dentro de un rango aceptable. Sin una capa atmosférica, las temperaturas de la Tierra serían demasiado frías por la noche y abrasadoras durante el día.
Tambié proporciona un medio para que las ondas viajen. La atmósfera está compuesta de gases que ocupan espacio y transmiten energía. Las ondas sonoras se encuentran entre los tipos de energía que viajan a través de la atmósfera. Sin ella, no podríamos escuchar un solo sonido, la Tierra sería tan silenciosa como el espacio exterior. En adición, ningún insecto, pájaro o avión podría volar, porque no habría atmósfera para sostenerlos.
Contaminación del aire
La contaminación del aire suele ser un problema ambiental que se ha ido agravando con el paso de los años y tiene múltiples causas; producto de la vida industrial de todo el planeta.
Combustibles fósiles
Una de las máximas fuentes contaminantes del aire, son los combustibles fósiles; tales como la energía que emanan los automóviles por su combustible; el cual va emitiendo dióxido de carbono que va ascendiendo hasta la capa atmosférica.
Las fuentes de energía y la emisión de combustibles fósiles no solo tienen descarga desde los automóviles; sino también desde las fábricas y plantas de energía eléctrica.
Chimeneas industriales
Son dos tipos de contaminación las que existen cuando se habla de una fuente industrial. El primer tipo contaminante es el provocado por la emisión del humo de hornos y máquinas industriales. Sin embargo, esta clase contaminante se ha reducido notoriamente dado el reemplazo del carbón y el petróleo por la energía eléctrica.
El segundo tipo contaminante relacionado con la actividad industrial, se asocia al mal control de sus combustibles emanados; guiándose hacia la exacerbación de los problemas atmosféricos y con ello de la vitalidad de todos los seres vivos.
Industria química
Los productos de las diferentes industrias van asumiendo su trabajo con una buena cantidad de procesos químicos; los cuales agregan más elementos contaminantes en torno a la toxicidad del ambiente que varían en cuanto a rango de peligrosidad.
El mal funcionamiento de las plantas industriales; van envenenando el aire de forma progresiva sin tener un límite, llegando a provocar catástrofes ambientales; ante la aparición de distintos efectos climáticos cambiantes que pueden llegar a ser permanentes si no se toma una acción determinada.
Quema de basura
El depósito de basura en las áreas especiales dejadas por el hombre; va asumiendo una gran cantidad de inconvenientes que implican la salubridad del ambiente y de todos los habitantes; incluyendo animales, flores y seres humanos.
Aquellos basurales que están a cielo abierto; generan una gran dimensión de contaminación del aire que repercute en el planeta con el paso del tiempo.
Poco a poco se va avanzando siempre y cuando se recurra al reciclaje; pero en condiciones contrarias, la utilización de materiales contaminantes van dejando efectos malignos en todos los entornos naturales.
Los Clorofluorocarbonos (CFC).
Poseen una capacidad de supervivencia en la atmósfera, de 50 a 100 años. Con el correr de los años alcanzan la estratosfera donde son disociados por la radiación ultravioleta, liberando el cloro de su composición y dando comienzo al proceso de destrucción del ozono.
Se encuentran en los aparatos de aire acondicionado, neveras, aerosoles y utilizados también en diversos procesos industriales, los clorofluorocarbonos, conocidos internacionalmente por las siglas CFC, son el mayor culpable del agujero de la capa de ozono.
Esta capa de la estratosfera resulta esencial para la vida en la Tierra pues la protege de la radiación ultravioleta que, de no ser absorbida en gran parte por este gas, llegaría en una cantidad perjudicial para la vida.
Durante los últimos lustros, la capa de ozono ha disminuido de manera alarmante, de ahí que se haya reglamentado el uso de los CFC y buscado sustitutos con urgencia. Su problema es sencillo: contienen cloro, elemento muy activo, que al reaccionar con el ozono lo destruye.
El cloro de los CFC llega a la estratosfera – situada entre 15 y 20 kilómetros de altura -. La causa de ello es que la molécula de CFC actúa como protectora del cloro e impide que reaccione antes.
Los CFC son hidrocarburos en los cuales los átomos de hidrógeno han sido sustituidos, totalmente o en parte, por átomos de Cloro y de Flúor. Cada CFC posee un número característico de átomos de cloro y flúor, moléculas muy estables, por ello el cloro asciende hasta la estratosfera, protegido como parte de los CFC.
Pero al llegar a allí, donde la protección del ozono es menor, arriba una radiación ultravioleta de una longitud de onda que descompone el CFC.
Curiosamente, el propio ozono ha evitado que la radiación ultravioleta destruya antes los CFC y ha colaborado para que la molécula que le destruirá llegue hasta la estratosfera.
Allí, el CFC se descompone y se libera un átomo de cloro que a su vez reacciona con el Ozono y produce oxígeno y un óxido de cloro (ClO). Este último reacciona con varios átomos de Oxígeno, que vuelven a dejar un átomo de color suelto, y el ciclo se repite.
Asimismo, la destrucción de la molécula de CFC ha liberado también un compuesto con electrones libres, que, a su vez, buscan moléculas con las cuales reaccionar.
El resultado es nefasto. Los átomos de cloro pueden llevar a cabo estas reacciones durante decenios y en ocasiones durante un siglo o más. Por esa razón, una cantidad de CFC, aunque se parezca modesta, resulta nociva.
Consecuencias de la contaminación del aire
Las consecuencias de la contaminación del aire se resumen en efectos sobre el bienestar de las personas, los daños o alteraciones en el ecosistema y la sensibilidad atmosférica que provoca los cambios climáticos.
Lluvia ácida
La acumulación de vapores y gases tóxicos en el aire producen la formación de ácidos que caen con el agua de las lluvias dañando los cultivos, erosionando los suelos, edificaciones, esculturas y monumentos naturales, alterando la población animal y vegetal, y por supuesto al hombre.
Los contaminantes primarios que originan la lluvia ácida suelen recorrer distancias grandes, trasladándose en el viento durante miles de kilómetros antes de precipitarse en forma de lluvia, granizo o llovizna, lo que deteriora el medio ambiente en sus distintos sistemas.
Efectos nocivos para la salud respiratoria
Los agentes contaminantes inciden directamente en la función pulmonar y aumento en las estadísticas de ataques cardíacos produciendo graves afecciones respiratorios y enfermedades mortales como el cáncer de pulmón.
Sin duda, esto significa un deterioro en la salud física y mental de las personas, ya que el padecimiento de enfermedades respiratorias crónicas repercute en la capacidad respiratoria de las personas y los niveles de oxígeno en la sangre.
Esto deriva en un empobreciendo de la capacidad intelectual, evidenciada por la disminución de la memoria, problemas para coordinar y generar ideas, así como una disminución también del rendimiento físico.
Efecto invernadero
Es el fenómeno mediante el cual los gases presentes en la capa atmosférica retienen el calor emitido por la Tierra. Esta acumulación de temperatura proviene de la radiación solar y al rebotar sobre la superficie terrestre queda atrapado en la muralla de gases.
Los gases responsables de este fenómeno son precisamente los dos agentes más tóxicos en el aire: el dióxido de carbono y el metano. La evidencia científica ha demostrado que el efecto invernadero es el causante del calentamiento global.
Daños irreversibles en la piel
Se ha demostrado que la contaminación del aire incidió en el aumento de cáncer de piel en los últimos años, especialmente en las regiones donde se está reducida la capa de ozono, lo que permite el acceso directo de los rayos ultravioletas con mayor intensidad en la Tierra, aumentando los daños por el sol en la piel de las personas.
Efecto Smog
Traducido al español como efecto boina, este fenómeno producido por el aire contaminado genera una inversión en la temperatura del planeta, es decir que las altas presiones crean una barrera y el aire frío se queda atrapado en las capas bajas, mientras que la capa superior está a altas temperaturas.
El coctel alérgico que se forma con el efecto smog está compuesto de polen y gases tóxicos aumentando a gran escala el número de personas alérgicas que desarrollan irritación en los tejidos pulmonares por la inhalación de estos agentes contaminantes.
Daños en los campos
La contaminación del aire afecta directamente la agricultura porque las plantas desarrollan una alta sensibilidad a los agentes contaminantes que flotan en el aire que deteriora la calidad de los cultivos.
Irónicamente, la agricultura y la ganadería aportan el 40% de gases de amoniaco que contaminan el aire. Dichas emisiones son causadas por la ganadería, fertilizantes y la deforestación indiscriminada .).
Deterioro de los materiales
La combinación de los gases tóxicos que cada día desmejoran la calidad del aire que respiramos afecta al mismo tiempo los materiales utilizados en la construcción y otras superficies, disminuyendo la resistencia de los mismos.
Sensibilidad química múltiple
En los acondicionadores de aire, solventes de limpieza, refrigeradores domésticos e industriales y aerosoles, se usan de forma indiscriminada los clorofluorocarbonos.
Estos generan una degradación ambiental porque disminuyen la capa de ozono desarrollando enfermedades en el individuo que afectan la calidad de vida en la familia y sociedad, dando lugar a nuevos procesos infecciosos difíciles de diagnosticar y tratar (Castillo 2014).
Extinción de especies animales
La contaminación del aire genera alteraciones en el equilibrio de los ecosistemas produciendo una variación en el número de especies de flora y fauna, aumentando unas especies y disminuyendo radicalmente otras, alterando así el equilibrio delicado de la naturaleza.
Mala calidad del aire en los espacios cerrados
Numerosos agentes contaminantes del aire presentes en la atmósfera pueden contaminar, de igual forma, el ambiente intradomiciliario, es decir, el aire que respiramos dentro de nuestros hogares.
Aunque la calidad del aire atmosférico se divide de forma equitativa entre los miembros de la comunidad, la contaminación del aire intradomiciliario depende en gran parte del nivel socioeconómico de la familia y los hábitos que estos posean.
Si entre los miembros de la familia hay fumadores activos que fuman dentro de la casa, la calidad del aire será bastante deficiente; asimismo, actividades como la combustión de kerosene, gas propano, entre otros, puede causar diferentes efectos en la salud de los miembros de la familia.