REACCIONES QUÍMICAS EN LA ATMÓSFERA
Características químicas de los elementos de la atmósfera
La atmósfera está compuesta ...
Las regiones exteriores de la atmósfera
Aunque la porción exterior de la atmósfera, más arriba de la estratósfera,
contien...
La ruptura de un enlace químico que resulta de la absorción de la energía
de un fotón por una molécula se llama fotodisoci...
FOTOIONIZACIÓN
A finales de 1800 se creía que las ondas de radio viajaban en línea recta, por
esto, durante mucho tiempo s...
CAPA DE OZONO EN LA ATMÓSFERA SUPERIOR
A diferencia del nitrógeno molecular (N2), el O2 y el O, absorben fotones con
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Las colisiones frecuentes favorecen la formación de O3 . Debido a la
concentración de moléculas, que es mayor a altitudes ...
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Clase 2 reacciones químicas en la atmósfera

  1. 1. REACCIONES QUÍMICAS EN LA ATMÓSFERA Características químicas de los elementos de la atmósfera La atmósfera está compuesta por 78% de Nitrógeno (N) y 21% de Oxígeno (O). El 1% restante lo forman: argón (0,9%), dióxido de carbono (0,03%),vapor de agua, y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, kriptón y xenón. Antes de considerar los procesos químicos que ocurren en la atmósfera, revisemos algunas de las propiedades químicas importantes de sus dos componentes principales, N2 (Nitrógeno molecular) y O2.(Oxígeno molecular). Sabemos que la molécula de N2 tiene un enlace triple entre los dos átomos de nitrógeno (N≡N). Esta unión es muy fuerte y es la responsable de que la molécula de N2 no reaccione fácilmente con otras moléculas. La molécula de O2 posee un enlace simple O – O y la energía de unión de O2 es mucho menor que para el N2 , y por consiguiente el O2 reacciona más fácilmente que el N2 . El oxígeno reacciona con muchas sustancias para formar óxidos. Espectro solar La luz solar posee un espectro muy amplio de longitudes de ondas, las cuales no todas son dañinas para la vida en la tierra, pero aquellas que causan daño, deben ser eliminadas antes de llegar a la superficie terrestre. Para eliminarlas, en la atmósfera ocurren dos procesos: la fotodisociación y la fotoionización. Verde Amaril violeta azul Verde amarillo Naranja Rojo
  2. 2. Las regiones exteriores de la atmósfera Aunque la porción exterior de la atmósfera, más arriba de la estratósfera, contiene solamente una pequeña fracción de la masa de la atmósfera, juega un papel importante en la determinación de las condiciones de vida en la superficie terrestre. Esta capa superior forma una defensa externa contra el peligro de la radiación solar y las partículas de alta energía que bombardean continuamente al planeta. A medida que esto sucede, las moléculas y los átomos de la atmósfera superior experimentan cambios químicos. FOTODISOCIACIÓN La fotodisociación es muy común en los estratos más altos de la atmósfera terrestre. Los protones altamente energéticos provenientes del Sol (fotones) predominan ahí y reciben una poderosa influencia química de la atmósfera superior, lo cual es bueno para nosotros puesto que gran parte de la radiación más dañina del Sol, especialmente en la parte ultravioleta del espectro de la luz solar, se absorbe mucho antes de que alcance el suelo, donde puede dañar los seres humanos y otros seres vivos. El sol emite energía radiante dentro de límites muy amplios de longitudes de onda. Mientras más corta es la longitud de onda, más alta es la energía de las radiaciones, como en la zona del ultravioleta del espectro. Esta tipo de longitudes de onda tienen suficiente energía para ocasionar cambios químicos. Para que ocurra un cambio químico cuando la radiación llega a la atmósfera de la Tierra, se deben cumplir dos condiciones. Primero, debe haber fotones (protones cargados positivamente con energía proveniente del sol) con suficiente energía para llevar a cabo un proceso químico determinado. Segundo, las moléculas deben absorber estos fotones. Este requisito significa que la energía de los fotones se convierte en otra forma de energía dentro de la molécula.
  3. 3. La ruptura de un enlace químico que resulta de la absorción de la energía de un fotón por una molécula se llama fotodisociación. Uno de los procesos más importantes que ocurren en la atmósfera superior, por arriba de los 120Km, es la fotodisociación de la molécula de oxígeno: O2 + hv (energía en forma de fotones) 2 O (2 átomos de oxígeno) Ecuación [1.1] La segunda condición que se debe satisfacer antes de que la disociación se lleve a cabo, es que el fotón debe ser absorbido por O2. Afortunadamente para nosotros, el O2 absorbe gran parte de la radiación de alta energía de longitud de onda corta, proveniente del espectro solar, antes de que llegue a la atmósfera inferior. Al hacerlo se forma el oxígeno atómico, O. A grandes altitudes, la disociación del O2 es muy importante. A 400 Km, solamente el 1% del oxígeno está en forma de O2; el otro 99% está en forma de oxígeno atómico. A 130Km, O2 y O son igualmente abundantes. Por debajo de esta altura, O2 es más abundante que O. Debido a la energía de disociación del enlace de N2 , que es muy elevada, solamente los fotones de longitud de onda muy corta poseen suficiente energía para disociar está molécula. Además, N2 no absorbe fácilmente los fotones, aun cuando éstos tengan suficiente energía. El resultado general es que en la atmósfera superior se forma muy poco nitrógeno atómico debido a la disociación de N2 . La fotodisociación cumple un papel fundamental en la formación de ozono estratosférico. A través de la fotodisociación, el oxígeno molecular (O2) se divide en dos átomos de oxígeno. Entonces, estos átomos de oxígeno se combinan con otras moléculas de oxígeno para formar ozono (O3).
  4. 4. FOTOIONIZACIÓN A finales de 1800 se creía que las ondas de radio viajaban en línea recta, por esto, durante mucho tiempo se supuso que la comunicación por radio sobre la Tierra era imposible a grandes distancias. Marconi en 1901 llevó a cabo un experimento que sugirió que la atmósfera terrestre afectaba sustancialmente la propagación de las ondas de radio. Recibió en EEUU, una señal de radio transmitida desde Inglaterra, a 2900 Km de distancia. Su descubrimiento dio lugar estudios posteriores de la atmósfera superior. En 1924, mediante estudios experimentales se estableció la existencia de electrones (cargados negativamente) en la atmósfera superior, que como sabemos actualmente colaboran con la propagación de las ondas de radio, para la transmisión de información en celulares, radios, satélites y televisión. Además de la utilidad práctica (en las telecomunicaciones) que tiene la ionización, ésta colabora en la absorción de los protones provenientes del sol, dañinos para la vida en el planeta tierra. Por cada electrón que existe en la atmósfera superior (ionósfera), hay un ión correspondiente con carga positiva. La presencia de los electrones en la atmósfera superior se debe principalmente a la fotoionización de moléculas, causada por la radiación solar. Para que se efectúe la fotoionización, un fotón debe ser absorbido por una molécula, y este fotón debe tener energía suficiente para remover al electrón de energía más elevada. Los fotones con energías suficientes para causar ionización, tienen longitudes de onda en la región de alta energía del ultravioleta. Estas longitudes de onda son eliminadas (filtradas) completamente de la radiación que llega a la Tierra, como resultado de su absorción por la atmósfera superior, mediante la fotoionización.
  5. 5. CAPA DE OZONO EN LA ATMÓSFERA SUPERIOR A diferencia del nitrógeno molecular (N2), el O2 y el O, absorben fotones con longitudes de onda menores de 240nm. Mientras que el ozono (O3) es la sustancia más importante ya que absorbe fotones con longitudes de onda de 240 a 310nm. Consideremos cómo se forma el ozono en la atmósfera superior y cómo absorbe los fotones. A altitudes inferiores a los 90 Km (debajo de la ionósfera), la mayor parte de la radiación de longitud de onda corta capaz de producir fotoionización ya ha sido absorbida. La radiación capaz de disociar la molécula de O2 es tan intensa, que provoca la disociación de O2 [Ecuación 1.1] por debajo de los 30Km. Los procesos químicos que ocurren después de la fotodisociación de O2 en la región por debajo de 90Km, son muy diferentes de los procesos que ocurren a mayores altitudes. En la mesósfera y la estratósfera, la concentración de O2 es mucho mayor que la de oxígeno atómico. Por consiguiente, los átomos de O que se forman en la mesósfera y la estratósfera sufren colisiones frecuentes con moléculas de O2. Estas colisiones llevan a la formación del ozono, O3 : O + O2 O * 3 [1.2] El asterisco sobre O * 3 significa que la molécula de ozono contiene un exceso de energía. La reacción de O con O2 para formar O3 da como resultado la liberación de energía. Esta energía se debe eliminar de la molécula de O3 en un tiempo muy corto, o simplemente separa de nuevo la molécula en O2 y O. Esta descomposición es el proceso inverso del que formó el O3 . Las moléculas de O3 pueden liberar la energía en exceso chocando con otro átomo u otra molécula (normalmente N2 , N, O2 u O debido a que éstas son las moléculas y átomos más abundantes) y transfiriendo el exceso de energía a ellas.
  6. 6. Las colisiones frecuentes favorecen la formación de O3 . Debido a la concentración de moléculas, que es mayor a altitudes menores la mayor parte de la radiación con suficiente energía para disociar O2 ha sido absorbida. Por consiguiente, la mayor velocidad de formación de O3 ocurre alrededor de 50Km de altitud. La molécula de ozono, una vez formada, no dura mucho. El ozono es capaz de absorber la radiación solar, lo que resulta en su descomposición en O2 y O. Debido a que solamente se requieren de poca energía para este proceso, los fotones de longitud de onda menor de 1140nm tienen suficiente energía para disociar el O3 . Las absorciones más fuertes y más importantes, sin embargo, son las de fotones de 200 a 310nm. Si no fuera por la capa de ozono en la estratósfera, estos fotones de alta energía penetrarían a la superficie de la Tierra. La vida vegetal y animal como la conocemos no podía sobrevivir en presencia de esta radiación de energía tan elevada. El "escudo ozono" es, por consiguiente, para nuestro bienestar. Se debe notar, sin embargo, que las moléculas de ozono que forman este escudo indispensable contra la radiación, representa solamente una fracción de los átomos de oxígeno que existen en la estratósfera. Esto se debe a que las moléculas de ozono se destruyen continuamente a medida que se forman. La fotodescomposición del ozono invierte la reacción que origina su formación. Tenemos así un proceso cíclico de formación y descomposición de ozono.
  7. 7. Las colisiones frecuentes favorecen la formación de O3 . Debido a la concentración de moléculas, que es mayor a altitudes menores la mayor parte de la radiación con suficiente energía para disociar O2 ha sido absorbida. Por consiguiente, la mayor velocidad de formación de O3 ocurre alrededor de 50Km de altitud. La molécula de ozono, una vez formada, no dura mucho. El ozono es capaz de absorber la radiación solar, lo que resulta en su descomposición en O2 y O. Debido a que solamente se requieren de poca energía para este proceso, los fotones de longitud de onda menor de 1140nm tienen suficiente energía para disociar el O3 . Las absorciones más fuertes y más importantes, sin embargo, son las de fotones de 200 a 310nm. Si no fuera por la capa de ozono en la estratósfera, estos fotones de alta energía penetrarían a la superficie de la Tierra. La vida vegetal y animal como la conocemos no podía sobrevivir en presencia de esta radiación de energía tan elevada. El "escudo ozono" es, por consiguiente, para nuestro bienestar. Se debe notar, sin embargo, que las moléculas de ozono que forman este escudo indispensable contra la radiación, representa solamente una fracción de los átomos de oxígeno que existen en la estratósfera. Esto se debe a que las moléculas de ozono se destruyen continuamente a medida que se forman. La fotodescomposición del ozono invierte la reacción que origina su formación. Tenemos así un proceso cíclico de formación y descomposición de ozono.

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