1.5: Algunos Esenciales de la Química de la Zona Superficial de la Tierra

1.5.1 Introducción

Creo que se puede hacer un buen caso de que las tres características sobresalientes del ambiente químico de la zona cercana a la superficie de la Tierra son que

(1) está inundado de agua;
(2) está ampliamente oxigenado, y
(3) involucra al elemento químico carbono de varias maneras importantes.

1.5.2 El Papel del Agua

Casi todas las reacciones químicas que son importantes en la zona superficial de la Tierra tienen lugar en un medio acuoso. El agua es el gran medio de reacción para los procesos químicos cercanos a la superficie en la Tierra. (Las excepciones importantes son ciertas reacciones gaseosas en la atmósfera inferior de la Tierra, que no nos preocuparán en este curso. Eso trae en todo otro campo de la ciencia: la química atmosférica.)

El agua a menudo se describe como el solvente universal. Más específicamente, el agua disuelve muchas más sustancias que cualquier otro líquido, en gran parte porque los iones hidrógeno e iones hidroxilo, así como las propias moléculas polares de agua, pueden insinuarse en los cristales iónicos de los que está compuesta la mayor parte de la Tierra sólida.

Las reacciones químicas del tipo que son importantes en los materiales sólidos cercanos a la superficie de la Tierra simplemente no ocurren en un medio sin agua. Todo lo que necesitas hacer para convencerte de eso es comparar las tasas de procesos de meteorización en la Tierra (habrá una sección larga sobre eso en el siguiente capítulo) con procesos de meteorización en un cuerpo planetario seco como la Luna. Todas las reacciones importantes por las cuales los minerales primarios de las rocas ígneas y metamórficas se descomponen en otros minerales, los cuales son sable bajo condiciones de la superficie terrestre, junto con materiales disueltos, son alojadas por el agua.

1.5.3 El Papel del Oxígeno

La evidencia geológica es buena de que la atmósfera terrestre ha contenido abundante oxígeno durante aproximadamente la segunda mitad del tiempo geológico. En la actualidad, la atmósfera de la Tierra consiste en alrededor del veinte por ciento de oxígeno, en volumen. Sabes, por supuesto, que el oxígeno es esencial para la vida animal en la Tierra. Lo que probablemente sea menos obvio para usted es que la presencia de ese oxígeno significa que los compuestos químicos en estado reducido que se exponen a las condiciones de la superficie terrestre son muy susceptibles a la oxidación. Esto es especialmente cierto de los minerales formadores de roca que contienen iones hierro ferroso (Fe2+). Cuando tales rocas sufren meteorización en la salsa de la Tierra, sobre lo cual aprenderás en el próximo capítulo, el hierro ferroso se oxida a hierro férrico (Fe3+).

También, el material orgánico (los tejidos de plantas y animales), que consiste en una gran variedad de compuestos químicos compuestos principalmente por carbono e hidrógeno, se oxidan de nuevo a dióxido de carbono y agua cuando se exponen a las aguas ricas en oxígeno de la superficie de la Tierra. Solo en lugares donde el material que contiene hierro ferroso y el material orgánico están sellados del ambiente oxidante pueden estos materiales sobrevivir en el estado reducido. Esto sucede, por ejemplo, en lugares como los fondos de los lagos o el fondo marino donde los materiales son rápidamente enterrados bajo sedimentos de grano fino (lodos), que son en gran parte impermeables al paso de las aguas superficiales. Bajo tales condiciones, todo el oxígeno se consume durante la oxidación, dejando intactas cantidades variables de los materiales reducidos. En cuanto a los materiales orgánicos, las consecuencias para la sociedad humana son enormes: ¡ese es el origen de todos los combustibles fósiles que quemamos en el mundo de hoy!

1.5.4 El papel del carbono

Este es un buen lugar para algunos comentarios sobre el importante papel del dióxido de carbono en el ambiente superficial de la Tierra. El dióxido de carbono, un gas, el CO2, es un componente menor —pero extremadamente significativo— de la atmósfera terrestre. La concentración promedio de CO2 en la atmósfera moderna pero preindustrial es (¡era!) alrededor de 280 partes por millón (ppm), o alrededor del tres por ciento, en volumen. Como consecuencia de nuestra quema de combustibles fósiles, ahora sube alrededor de 370 ppm y está subiendo rápidamente.

El dióxido de carbono tiene un papel esencial en la atmósfera terrestre: después del vapor de agua, es el gas de efecto invernadero más importante, como se describió en una sección anterior de este capítulo. (Y, a diferencia del vapor de agua, que es una variable dependiente en el sentido de que su concentración en la atmósfera es en sí misma una función de variedad de procesos atmosféricos, la concentración de dióxido de carbono es, hoy en día al menos, una variable independiente, en el sentido de que la humanidad está actuando para elevar su concentración independientemente de los procesos atmosféricos.)

El dióxido de carbono, al igual que los otros gases atmosféricos, se disuelve en el agua. Para una concentración dada de dióxido de carbono en la atmósfera, existe una concentración de equilibrio correspondiente de dióxido de carbono disuelto en aguas expuestas a la atmósfera. Por cierto, esa concentración depende de la temperatura del sistema de dióxido de carbono-agua: cuanto mayor sea la temperatura, menor será la concentración de equilibrio. También depende fuertemente de la presión, como sabe bien cualquiera que haya abierto una botella de champán, pero ese no es un factor importante en el comportamiento del dióxido de carbono en el ambiente superficial de la Tierra debido a que la presión atmosférica varía solo en un rango pequeño.

El dióxido de carbono disuelto en agua reacciona con el agua para formar un ácido débil, ácido carbónico, H2CO3, según la reacción

CO2 + H2O ⇔ H2CO3

A su vez, el ácido carbónico se disocia para formar iones hidrógeno e iones bicarbonato, según la reacción

HCO3 ⇔ H+ + HCO3-

La consecuencia es que las aguas naturales de la Tierra en contacto con la atmósfera son ligeramente ácidas, con un pH entre 5 y 6. Esa acidez natural juega un papel importante en la meteorización química de la roca, como verás en el siguiente capítulo.