Química Ambiental: Contaminación, Crisis y Soluciones

Química Ambiental

Es la parte de la Química que trata de abordar los problemas ambientales desde un punto de vista químico.

Estudia:

  • Los fenómenos de contaminación de aire, agua y suelo.
  • La forma de llegar a las soluciones de estos problemas.
  • Y encontrar las vías para evitarlos.

Forma de estudio:

Se realiza con el estudio de:

  • Propiedades, características y procesos principales que ocurren de forma natural en un ambiente no contaminado.
  • Fenómenos de contaminación más frecuentes, sus causas y sus efectos.
  • Parámetros para cuantificar estos efectos y soluciones técnicas para minimizarlos.

¿Por qué la acción humana ha alterado el equilibrio existente en la naturaleza?

  • Época de nomadismo.
  • Hombre sedentario.
  • Revolución industrial a partir del siglo XVIII («Hombre industrial»).
  • Situación actual («Hombre tecnológico»).

¿Es cierto que, actualmente, hay una crisis ambiental?

Indicadores de la crisis:

  • Cambio climático.
  • Deterioro de suelo.
  • Pérdida de especies.
  • Aspectos socioeconómicos.
  • Grave contaminación de las aguas, aire y suelos.
  • Incremento de los accidentes medioambientales graves.

¿Cuáles son sus causas?

  • Grado y tipo de desarrollo de la sociedad.
  • Concentraciones urbanas e industriales.
  • Exigencias del avance tecnológico.
  • Demanda de recursos primarios, principalmente energéticos y minerales.

Control de los problemas ambientales. Etapas:

  1. La naturaleza se bastaba a sí misma para resolver las alteraciones antropogénicas que se ocasionaban.
  2. Prohibición de la producción de compuestos contaminantes o a la limitación de su uso.
  3. Estrategia de reducción de vertido y a tomar medidas encaminadas a evitar su dispersión, o bien a tratar de transformar las sustancias problemáticas en especies más inocuas.
  4. Prevención de la contaminación (estrategia actual), sobre todo en el campo de la industria.

Química ambiental:

El estudio de las fuentes, las reacciones, el transporte, los efectos y destinos de las especies químicas en el agua, el suelo, el aire, y en los ambientes vivos, así como los consiguientes efectos de la tecnología sobre ellos.

Categorías de la Química Ambiental:

  • La química acuática.
  • La geoquímica.
  • La química atmosférica.
  • La bioquímica ambiental.

Química verde:

Aplicación de la ciencia y la manufactura químicas de una manera sostenible, segura, no contaminante y que consuma cantidades mínimas de materiales y energía mientras se produce poco o ningún material de desecho.

Principios:

  1. La prevención en la generación de desechos es mucho mejor que la estabilización de éstos.
  2. Asegurarse de que, en la medida de lo posible, todos los materiales involucrados en hacer un producto se incorporen al producto final.
  3. Debe evitarse el uso o la generación de sustancias que ponen en riesgo a los seres humanos y al medio ambiente.
  4. Los productos químicos deben ser tan eficaces como sea posible para el propósito para el que fueron fabricados, pero con la mínima toxicidad.
  5. El uso de sustancias auxiliares debe minimizarse y, preferentemente, evitarse totalmente.
  6. Debe minimizarse el consumo de energía.
  7. Deben usarse materias primas renovables en lugar de suministros agotables.
  8. Debe evitarse en la medida de lo posible el uso de grupos protectores en la síntesis de productos químicos.
  9. Los reactivos deben ser tan selectivos como sea posible para su función específica.
  10. Los productos que una vez utilizados se dispersan en el medio ambiente deben diseñarse para que se descompongan rápidamente en productos inocuos.
  11. La práctica exitosa de la química verde requiere técnicas de seguimiento o evaluación del proceso en tiempo real, acopladas con el control del proceso.
  12. Es mejor evitar el uso o la generación de sustancias que probablemente reaccionen con violencia, produzcan quemaduras, desarrollen presiones excesivas o, de alguna forma, causen incidentes no previstos en el proceso de manufactura o, incluso, accidentes.

Ciclos biogeoquímicos:

Transformaciones de carácter cíclico que, de una forma global, mantienen la concentración de las especies atmosféricas, especialmente las mayoritarias, en unos niveles prácticamente constantes. Es importante conocer estos ciclos para comprender la importancia de la contaminación atmosférica.

Absorción o captura de CO2:

  • Fotosíntesis: CO2 (g) + H2O –> materia orgánica + O2
  • Disolución.

Emisión o devolución de CO2 a la atmósfera:

  • Procesos de respiración, descomposición y combustión (procesos naturales).
  • Emisión antropogénica:
    • Utilización masiva de combustibles fósiles.
    • Deforestación (disminuye la actividad fotosintética).
    • Otras actividades industriales (descomposición de calizas para la producción masiva de cemento).

Contaminante:

Una sustancia presente en concentración mayor que la natural como resultado de la actividad humana, que tiene un efecto perjudicial neto en el medio ambiente o sobre algo de valor en ese ambiente.

Atmósfera

Capas de la Atmósfera:

  • Troposfera (~12 km). Contiene ~ el 75% de la masa total de la atmósfera y prácticamente todo el vapor de agua y todos los aerosoles.
  • Estratosfera (hasta unos 50 km). Contiene la mayor parte del ozono atmosférico.
  • Mesosfera (hasta unos 90 ó 100 km). Las concentraciones de vapor de agua y ozono son insignificantes y por el contrario hay una mayor presencia de gases ligeros.
  • Termosfera ó Ionosfera (su límite superior de altura no está definido). Por encima de los 100 km, la atmósfera se ve afectada por rayos X y radiación ultravioleta, lo que causa la ionización de muchas especies, como el oxígeno y el nitrógeno moleculares. En esta capa se produce mucha actividad fotoquímica.
  • Exosfera y Magnetosfera (la base de la exosfera se encuentra entre unos 500-750 km). Está formada mayoritariamente por átomos e iones de oxígeno, hidrógeno y helio. La magnetosfera se extiende a partir de los 2000 km y en ella solo hay electrones y protones debido a la captura, por el campo magnético terrestre, de partículas ionizadas procedentes del sol y de radiación cósmica.

Composición de la Atmósfera:

  • Homosfera: Parte de la atmósfera de composición más homogénea en cuanto a constituyentes gaseosos (por debajo de unos 90 km, es decir, comprende la Troposfera, la Estratosfera y la Mesosfera).
  • Heterosfera: Parte de la atmósfera situada por encima de la Homosfera. En esta zona se producen cambios importantes en la composición química (abundan iones y especies disociadas), a consecuencia de la absorción de luz más energética.
  • Quimiosfera: Comprende la Mesosfera y la Estratosfera. En esta zona se desarrolla una gran actividad fotoquímica.

Reacciones fotoquímicas:

Tienen lugar como consecuencia de la absorción de fotones de radiación electromagnética del sol, mayoritariamente en la región UV del espectro, por las moléculas del aire.

Aspectos básicos de la fotoquímica:

  • Energía de un fotón: E = hv.
  • La radiación UV: tiene mayor v que la luz visible.
  • Estado excitado*: O3 + hv (420 nm) –> O* + O2.
  • Radicales libres: O* + H2O –> HO + HO (muy reactivos).
  • Tercer cuerpo, M: O + O2 + M –> O3 + M.

Reacciones del oxígeno atmosférico:

  • Oxígeno diatómico, O2: interviene en las reacciones del ciclo.
  • Oxígeno atómico, O:
    • O2 + hv –> O + O.
    • O3 + hv –> O* + O2.
  • Ozono, O3:
    • El ozono se produce a través de una reacción fotoquímica: O2 + hv –> O + O, seguida por una reacción de tres cuerpos: O + O2 + M –> O3 + M.
    • Cumple una función protectora vital en la estratosfera.
    • Es un contaminante indeseable en la troposfera.

Reacciones del nitrógeno atmosférico:

  • Nitrógeno molecular, N2: interviene en las reacciones del ciclo.
  • Nitrógeno atómico, N se produce por reacciones fotoquímicas: N2 + h –> N + N.
  • Ión N2+ se genera por fotoionización en la atmósfera: N2 + h –> N2+ + e–.
  • Ión NO+.
  • NO2: se disocia fotoquímicamente con rapidez a NO y oxígeno atómico reactivo: NO2 + h –> NO + O.