10.1: Más que solo aire para respirar

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Un mar de gas

Vivimos y respiramos en la atmósfera, un mar de gas que consiste principalmente en los elementales O ₂ y N ₂. Las propiedades fundamentales de los gases determinan las propiedades de la atmósfera. Recordemos que los gases consisten en moléculas y (en el caso de los gases nobles) átomos con grandes cantidades de espacio entre ellos. Las moléculas de gas están en constante movimiento rápido, lo que hace que los gases ejerzan presión. El movimiento de las moléculas de gas se vuelve más rápido con el aumento de la temperatura. Este movimiento también significa que las moléculas de gas se mueven por un proceso llamado difusión. Las relaciones entre la cantidad de gas en moles, su volumen, temperatura y presión pueden ser calculadas por las leyes de gas discutidas en la Sección 10.2.

Mientras que el agua de mar en el océano tiene un volumen bien definido y una superficie distinta, no puede decirse lo mismo de la masa de gases que comprende la atmósfera. Aunque la mayor parte de la atmósfera se encuentra a pocos kilómetros de la superficie de la Tierra, no hay un punto distinto a mayor altitud donde termina la atmósfera. En cambio, el aire se vuelve progresivamente más delgado al aumentar la altitud. Esto es notable para los humanos que han viajado a mayores altitudes en montañas donde el aire más delgado dificulta más la respiración. En efecto, los escaladores que escalan los picos más altos de las montañas suelen llevar oxígeno para ayudar a respirar.

Composición Atmosférica

¿Qué es el aire? A nuestro nivel, es una mezcla de gases de composición uniforme, a excepción del vapor de agua, que compone 1-3% de la atmósfera en volumen, y algunos de los gases traza, como el dióxido de azufre contaminante. En base seca, el aire es 78.1% (en volumen) de nitrógeno, 21.0% de oxígeno, 0.9% de argón y 0.04% de dióxido de carbono. Normalmente, el aire es de 1— 3% de vapor de agua por volumen. Los gases traza a niveles inferiores a 0.002% en el aire incluyen amoníaco, monóxido de carbono, helio, hidrógeno, kriptón, metano, neón, dióxido de nitrógeno, óxido nitroso, ozono, dióxido de azufre y xenón.

Por un amplio margen, el oxígeno y el nitrógeno son los gases más abundantes en la atmósfera. Debido a la extremadamente alta estabilidad y baja reactividad de la molécula de N ₂, la química del nitrógeno elemental atmosférico es singularmente poco excitante, aunque las moléculas de nitrógeno son los “terceros cuerpos” más comunes que absorben el exceso de energía de las reacciones químicas atmosféricas, previniendo productos de reacciones de adición en la atmósfera de desmoronarse. Los óxidos de nitrógeno participan activamente en las reacciones químicas atmosféricas. El nitrógeno elemental es un importante gas comercial extraído de la atmósfera por bacterias fijadoras de nitrógeno y en la síntesis industrial de amoníaco.

El oxígeno es una especie reactiva en la atmósfera que reacciona para producir productos de oxidación a partir de gases oxidables en la atmósfera. Dos de estas especies que son particularmente importantes son el gas dióxido de azufre, SO ₂, e hidrocarburos contaminantes. O molecular ₂ no reacciona con estas sustancias directamente sino solo indirectamente a través de la acción de intermedios reactivos, especialmente radical hidroxilo, HO•.

Un fenómeno químico atmosférico de importancia crucial que involucra oxígeno es la formación de ozono estratosférico, O ₃. La formación de este gas en la estratosfera se discute en la Sección 2.13 y se muestra en las Reacciones 2.13.1 y 2.13.2.

El oxígeno en la atmósfera se consume en la quema de hidrocarburos y otros combustibles que contienen carbono. También se consume cuando los minerales oxidables sufren meteorización química, tal

\[\ce{4FeO + O2 \rightarrow 2 Fe2O3}\]

Todo el oxígeno en la atmósfera fue originalmente colocado allí por fotosíntesis mostrada por

\[\ce{CO2 + H2O +} h \nu \rightarrow \ce{(CH2O) + O2}\]

donde {CH ₂ O} es una fórmula genérica que representa biomasa

A diferencia del oxígeno molecular, que puede sufrir fotodisociación directa en la estratosfera, la molécula N ₂ muy estable no encuentra radiación ultravioleta suficientemente energética como para provocar su fotodisociación a altitudes por debajo de los 100 km. Sin embargo, el dióxido de nitrógeno, NO ₂, experimenta fácilmente fotodisociación en la troposfera.

\[\ce{NO2 +} h \nu \rightarrow \ce{ NO + O}\]

para generar átomos de O altamente reactivos. Estos a su vez pueden atacar los hidrocarburos en la atmósfera, lo que lleva a la formación de smog fotoquímico discutido más adelante en este capítulo.