jueves, 24 de noviembre de 2016

Universidad Nacional Autónoma de México
Escuela Nacional Preparatoria, 5
“José Vasconcelos”


Calidad del Aire


                             Química III (526)
                            Profa.: Castro Chávez, María de Jesús                         Alumnos: Carreón Escalante, Mario.
                                     Córdova Villalobos, Jessica Montserrat.
                   Cortés Reséndiz, José Ángel.
                              Sánchez Aguilar, David Graciano. 
                                Equipo: Quarks
       Fecha de entrega: 25/11/2016

2.3.1. Contaminantes

¿Qué es un contaminante?
Un contaminante es cualquier factor cuya presencia en un determinado ambiente y circunstancia, constituyan o desencadenen contaminación. Es la sustancia, o forma de energía que normalmente no está presente en el medio ambiente marino, al menos en los niveles que se encuentran con frecuencia y que aparentemente no causan efectos nocivos, Si la concentración se incrementa con el tiempo puede producir efectos nocivos.



Principales contaminantes
Por su naturaleza:
·         Físicos.
·         Químicos.
·         Biológicos

Contaminantes físicos.
El ruido.
Sonido molesto capaz de crear malestar psicológico o fisiológico, temporal o permanente (en casos extremos el sonido puede llegar a matar: bombas sónicas).
Su origen:
§  Natural y antrópico.
Su percepción:
§  Influyen factores ambientales y psicológicos.
§  Depende de tipos de superficies, obstáculos, vegetación.
§  El silencio roto.
§  La habituación al sonido de fondo (campanas, tráfico,…)..
Su corrección:
§  Estudio de superficies de rodamiento: asfalto, empedrado, etc.
§  Estudio de ubicación de aeropuertos e infraestructuras como autovías.
§  Regulación de horarios: carga y descarga, recogida de basuras,
§  Pantallas acústicas: metálicas, vidrio, arbóreas, soterramiento,
§  Aislamiento acústico de viviendas.

Contaminación lumínica.
La luz empieza a ser considerada como agente contaminante. El exceso de luz nocturna genera alteraciones en los biorritmos de la fauna y de las personas.
     Supone un despilfarro de energía, en muchas ocasiones innecesario en publicidad, iluminación artística de edificios, exceso de iluminación en calles y plazas, autovías, polígonos industriales sin construir, etc.
     No nos deja disfrutar de las estrellas en kilómetros a la redonda. La sociedad española es especialmente derrochadora en este capítulo comparado con otras ciudades europeas y americanas.

Prevención y corrección:
Las farolas y puntos de luz que emiten luz en todas direcciones con intensidades desproporcionadas, con lámparas antiguas deberían ser sustituidas por lámparas que emiten hacia el suelo y con sistemas más modernos como Leds.
Ahorro de energía subsiguiente.



Contaminantes químicos.
Sustancias químicas emitidas a la atmósfera: coches, industrias, aerosoles, volátiles, etc., (antrópicas en su inmensa mayoría, incluso se pueden considerar de este modo las flatulencias de las vacas de nuestras ganaderías extensivas).
     Al ser gases o disolverse en el aire se denominan emisiones.
     Los contaminantes emitidos se denominan primarios.
     Los que se forman por reacciones posteriores entre ellos: secundarios.
     Emisión es la cantidad de contaminante vertido a la atmósfera en un período determinado desde un foco, mientras que la inmisión es la concentración de contaminantes a nivel del suelo. Hoy se emplea más el término «calidad de aire ambiente». La inmisión vendrá determinada por la diferencia entre los emitidos y producidos en la misma y los que se eliminan a través de los procesos de autodepuración por deposición, precipitación y absorción por el suelo, el agua y la vegetación.
     La mayoría de estos procesos tienen lugar en la troposfera, ocasionalmente sustancias muy estables alcanzan la estratosfera. Los movimientos están determinados por:
·         Las condiciones climatológicas del lugar, los vientos dominantes y la orografía.

     Y por condiciones locales como:
·         Inversiones térmicas en los valles.
·         Las brisas marinas
·         Las islas térmicas que son las grandes ciudades.

     Los principales contaminantes químicos son 2:
v  Monóxido de carbono (CO)
     De forma natural se produce por emisión de los océanos, descomposición del metano. Y de forma artificial por la combustión incompleta de hidrocarburos y materia orgánica en general:
·         Motores mal regulados, braseros, hogueras, estufas de carbón o leña, tabaco, materiales plásticos y del hogar (es muy peligroso en un Incendio lento).
     Es altamente tóxico para los animales. Es 200 veces más afín para la hemoglobina que el oxígeno y forma carboxihemoglobina. Causa muertes accidentales cada año.
     Durante su proceso de lenta oxidación en la atmósfera contribuye a la formación de ozono troposférico.

v  Óxidos de nitrógeno (NxO)
Existen varios tipos de óxidos de nitrógeno.
     El más peligroso es el NO2 que proviene de la combustión de hidrocarburos (especialmente en vehículos diésel), y la fabricación de fertilizantes. Olor asfixiante, color pardo rojizo. Tóxico, irritante de las vías respiratorias, disminuye la función pulmonar.
     Dicho óxido sufre reacciones fotoquímicas secundarias:
2 NO + O2  2 NO2
O3 + NO2  NO3 + O2
NO3 + NO2  N2O5
N2O5 + H2O  2 HNO3

     Lo que constituye lluvia ácida (el 30 % es por este motivo). Además contribuye a la formación de partículas (PM) y de ozono. Produce corrosión de metales y rocas, acidificación y eutrofización de suelos y aguas. Es difícil controlar su emisión ya que el aire que entra en los motores está formado en un 78% por nitrógeno.


Contaminantes biológicos.
Los contaminantes biológicos son seres vivos, con un determinado ciclo de vida que, al penetrar en el ser humano, ocasionan enfermedades de tipo infeccioso o parasitario.
     Son generados principalmente por esporas de microorganismos, heces de ácaros del polvo que producen alergias, polen, que es producido principalmente por plantas anemógamas como el olivo, gramíneas, cupresáceas, urticáceas. Producen alergias.



Fuentes de contaminación primaria, secundaria y terciaria.
Los contaminantes primarios
Son los que proceden directamente de las fuentes de emisión, como chimeneas, tubos de escape de los automóviles, etc. Algunos de los contaminantes primarios más comunes son el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), los óxidos nitrógeno (NOx).

Los contaminantes secundarios
Son el resultado de las reacciones químicas entre los diferentes contaminantes primarios o entre los contaminantes primarios y otros elementos comunes en la atmósfera. Ejemplos de contaminantes secundarios son el ácido sulfúrico (H2SO4), al ácido nítrico (HNO3).

El contaminante terciario
Son elementos traza son especialmente peligrosos y hay que tenerlos en cuenta en todo análisis ambiental:
Ø  Los radionúclidos: las radiaciones emitidas por elementos radioactivos  se pueden clasificar en tres tipos: Radiación alfa que son núcleos con cargas positivas, Radiación beta que son electrones con carga negativa y Radiación gamma que son fotones de alta energía que acompañan a la radiación alfa y beta. El elemento radioactivo más abundante que podemos encontrar es el uranio 235U que es el que se usa como combustible en la energía nuclear. También es muy abundante el Plutonio 239Pu que se usa mucho en armamento nuclear. En cuanto a las fuentes de radiación naturales, la más importante es el Radón 222Rn que aparece en determinados terrenos.

Ø  Los metales pesados: este nuevo tipo de contaminante es muy peligroso ya que estos elementos no son degradados ni química ni biológicamente. Los más importantes son el Mercurio (Hg) y el Plomo (Pb). Los podemos agrupar en dos grupos: Los que no tienen ninguna función en el organismo (Cd, Pb, Hg) y los que son tóxicos solo cuando superan una concentración determinada (el resto). Aparecen debido a la minería, al uso de combustibles fósiles, a la industria metalúrgica y electrónica. También aparecen en artículos de consumo como son las pilas y baterías, pinturas, tintas, catalizadores, aditivos de combustión y lubricantes. Se encuentran en partículas de polvo atmosférico, disueltos en el agua, en el suelo y en los sedimentos marinos.



Bibliografía

miércoles, 23 de noviembre de 2016

2.3.2. Partes por millón (ppm)

Partes por millón (ppm).
Es una unidad de medida de concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de la sustancia (agente, etc) que hay por cada millón de unidades del conjunto.
     Ppm significa partes por millón, es decir, los mg (miligramos) que hay en un kg de disolución; como la densidad del agua es 1, 1 kg de solución tiene un volumen de aproximadamente 1 litro, los ppm son también los mg de una sustancia en un litro.
     Es similar al concepto de porcentaje. El 1% sería una parte de 100 (102) mientras que 1 ppm sería un aparte de 106. La equivalencia entre porcentaje y ppm es la siguiente:
     Equivalencia 1 ppm en porcentaje o equivalencia 1 % en ppm.
     Siguiendo el mismo razonamiento, los ppm también son los gramos que contiene cada metro cúbico, g/m3.
     Para calcular los ppm se divide el peso en mg por el volumen en litros, por  ejemplo, una disolución de 15 gramos (g) en 3 metros cúbicos de agua:
15 g x 1000 mg/g = 15000 mg
3 m3 x 1000 l/m3 = 3000 l
Concentración: 15000 / 3000 = 5 mg/l = 5 ppm

     Además, una característica muy importante de las partes por millón es que son ratios o fracciones entre dos valores sin una unidad de medida que los relacione, es decir, es una comparación directa cantidad-por-cantidad. En este sentido, ppm no está reconocido en el Sistema Internacional de Unidades (SI), como no lo están tampoco los porcentajes.
     Por ejemplo, una concentración en el SI de 1 mg/kg sería equivalente a una concentración de 1 ppm, ya que un mg es una millonésima parte de 1 kg.

Ejemplos de uso: medida de concentraciones.
El uso más habitual de ppm es en análisis químico para la medida de concentraciones muy diluidas. También se utiliza en otros campos de la ciencia, por ejemplo en física e ingeniería, para expresar la medida de algunos fenómenos proporcionales. A continuación veremos algunos de los ejemplos de uso más comunes.

PPM EN MASA/MASA.
La concentración en partes por millón expresada en masa/masa se calcula dividiendo la masa del soluto (ms) entre la masa de la disolución (md, suma de la masa del soluto y la masa del disolvente), ambas expresadas en la misma unidad y multiplicadas por 106 (1 millón). Se suele nombrar como ppmm:



     Por ejemplo, podemos expresar ambas masas en gramos. Si a 1500 g de agua le añadimos 0.01 g de un soluto:
Cppm = (0.01 / 1500.01) × 106 = 6.66 ppmm
     Por tanto, una disolución de 0.01 g en 1500 g de disolvente tiene una concentración de 6.66 ppm. En el SI sería equivalente a una concentración de 6.66 mg/kg (1 ppm = 1 mg/kg).
     Cómo la mayoría de las veces que se utilizan las partes por millón el soluto está muy diluido, es común que se desprecie en el denominador y simplemente se divida la masa del soluto entre la masa del disolvente.
     Si no conocemos la masa de disolvente pero conocemos su volumen y su densidad, se puede calcular la masa como el volumen por la densidad, ya que la densidad (ρ, kg/m3 en el SI) es:



Recuerda que si el disolvente es agua, la densidad es prácticamente igual a 1 kg/L, lo que quiere decir que 1 L de agua tiene una masa aproximadamente igual 1 kg. Por tanto, si 1 ppm =  mg/kg, en el caso del agua sería equivalente 1 mg/L.

PPM EN VOLUMEN/VOLUMEN.
La expresión de una concentración en partes por millón volumen-volumen es similar a la expresión masa-masa. Se obtiene dividiendo el volumen de soluto (Vs) entre el volumen de la disolución (Vd, volumen del soluto más el volumen del disolvente) y se multiplica por 106. Se suele nombrar como ppmv:



     Por ejemplo, si disolvemos 1 ml de acetona en 2 L de agua (2 L = 2000 ml):
C(volumen/volumen) = ( 1 / 2001 ) x 106 = 499.75 ppmv
     En el Sistema Internacional de Unidades sería equivalente a 499.75 μl/L (1 ppm = 1 μl/L), ya que un μl es una millonésima parte de 1 L.
     Uno de los ejemplos más comunes del uso de partes por millón en volumen/volumen es para medir concentraciones en el aire. Por ejemplo, en esta noticia (http://www.elperiodico.com/es/noticias/medio-ambiente/co2-atmosfera-supera-nuevo-record-4166896) se puede leer como la concentración media de CO2 en la atmósfera terrestre superó las 400 ppm. Esto quiere decir que cada litro de aire contiene 400 μl de CO2, o lo que es lo mismo, que el 0.04 % de la atmósfera es CO2 (recuerda que 1 ppm = 0.0001 %).

PPM EN MASA/VOLUMEN.
Muchas veces la concentración se expresa como masa de soluto en un determinado volumen de disolución. Las partes por millón en masa/volumen se calculan dividiendo la masa del soluto en gramos entre el volumen de disolución en mililitros y se multiplica por 106:



     Qué sería equivalente a la masa del soluto en mg entre el volumen en litros:



     En el caso del agua, o cualquier otro disolvente de densidad igual a 1 kg/L, sabemos que 1 kg tiene un volumen de 1 L. Para otros disolventes podemos obtener su volumen en litros si conocemos su masa y densidad. Por ejemplo, tenemos 0.5 mg de soluto y 0.2 kg de un disolvente de densidad de 0.95 kg/L. El volumen en litros del disolvente sería:
V = 0.2 / 0.95 = 0.21 L
     Y la concentración en ppm masa/volumen sería:
C (masa/volumen) = 0.5 / 0.21 = 2.38 ppm

Ejemplos
1.- Para medir la calidad del aire se utilizan las unidades ppm (partes por millón) y ppb (partes por billón). Ejemplos de niveles peligrosos:
Ø  9 ppm de Monóxido de carbono (CO): 9 litros de CO en 1 millón de litros de aire.
Ø  5 ppb de Monóxido de nitrógeno (NO): 5 litros de NO en 1.000 millones de litros de aire.
2.- En un control sanitario se detectan 5 mg de mercurio (Hg) en un pescado de 1,5 kg. Calcular la concentración:
Peso de mercurio = 5 mg = 5 ·10-6 kg
Peso del pescado = 1,5 kg
ppm = (5 · 10-6 / 1,5) · 106 = 7,5 ppm

Ejercicios
1.- El agua de mar contiene 4 ppb de oro. Calcular la cantidad de agua de mar que tendríamos que destilar para obtener 1 kg de oro. Dato: densidad del agua = 1,025 kg/l.


2.- Calcular las ppm de 80 mg de ion sulfato (SO42−) en 5 litros de agua.



Bibliografía




2.3.3. Ozono y alotropía

¿Qué es el ozono?
En las regiones más altas de la atmosfera, parte del oxígeno molecular se convierte en una molécula con tres átomos llamada ozono O3;  propiciada por la  energía de la radiación ultravioleta, por lo cual se dice que es una reacción fotoquímica
     El ozono es una molécula formada por tres átomos de oxígeno, por lo que es una forma alotrópica del oxígeno; es un gas de color azul pálido, y al licuarse forma un líquido azul oscuro.
     Químicamente es muy activo, es un oxidante muy fuerte, por lo que se usa como germicida (mata organismo infecciosos). Diluido se utiliza para esterilizar el agua, purificar el aire y llevar acabo reacciones de oxidación en química orgánica. Se descompone rápidamente el oxígeno a temperaturas mayores que 100°C y a temperatura ambiente en presencia de catalizadores como el dióxido de manganeso MnO2.
     El ozono absorbe las radiaciones ultravioleta de 300 nanómetros de longitud de onda, la cual es mortífera sobre los seres vivos. Los rayos ultravioleta tipo B de 280 a 320 nanómetros producen mutaciones genéticas en el ADN lo que propicia el cáncer de piel, melanoma y cataratas. Además debilita el sistema inmunológico de los organismos, lo que los hace propensos a enfermedades como la: gripe, la influenza, el asma y disminuye el proceso de fotosíntesis de las plantas y por lo tanto la producción de alimentos. Se calcula que hay 12 ppm de ozono en la atmósfera.
     El ozono ayuda a conservar la vida en dos sentidos:
§  Al absorber las radiaciones ultravioleta
§  Al contribuir a mantener el equilibrio térmico de la atmósfera

Ozono bueno
El ozono "bueno" se encuentra en la naturaleza a aproximadamente 10 a 30 millas sobre la superficie terrestre. Nos protege de los rayos ultravioleta del sol. Parte de la capa de ozono bueno desapareció por sustancias químicas fabricadas por el hombre. Sin suficiente ozono bueno, las personas pueden exponerse a demasiada radiación ultravioleta. Eso puede aumentar el riesgo de cáncer en la piel, cataratas y problemas en el sistema inmunitario.

Ozono malo
El ozono "malo" se encuentra al nivel del suelo. Se forma cuando los contaminantes de los automóviles, las fábricas y otras fuentes reaccionan químicamente con la luz del sol. Es el componente principal del smog. Suele ser peor en verano. Respirar el ozono malo puede ser dañino. Provoca tos, irritación en la garganta, empeoramiento de condiciones como asma, bronquitis y enfisema y hasta daños pulmonares permanentes, si la exposición a éste es habitual.

Papel del ozono en la contaminación
Entre los 19 y los 23 kilómetros por sobre la superficie terrestre, en la estratosfera, un delgado escudo de gas, la capa de ozono, rodea a la Tierra y la protege de los peligrosos rayos del sol.
     El ozono se produce mediante el efecto de la luz solar sobre el oxígeno y es la única sustancia en la atmósfera que puede absorber la dañina radiación ultravioleta (UV-B) proveniente del sol. Este delgado escudo hace posible la vida en la tierra.
     Desde 1974, los científicos nos han advertido acerca de una potencial crisis global como resultado de la progresiva destrucción de la capa de ozono causada por sustancias químicas hechas por el hombre, tales como los clorofluorocarbonos (CFCs).
     Le tomó al mundo demasiado tiempo entender estas advertencias tempranas.
     Hoy, la comunidad internacional es tan sólo un mero espectador, que año a año ve desaparecer la capa de ozono a través de los informes sobre su disminución y sobre los comprometedores incrementos de radiación ultravioleta y los daños acumulados en diversos organismos vivos.



Daños a la salud por el ozono
El ozono puede irritar su sistema respiratorio, provocándole la tos, causándole irritación en la garganta y/o una sensación incómoda en su pecho.
     El ozono puede reducir la función pulmonar y hacer más difícil la respiración profunda y vigorosa normal. Cuando esto sucede, usted podrá notar que la respiración comienza a sentirse incómoda. Si se encuentra haciendo ejercicios o trabajando al aire libre, podrá notar que está respirando es más rápida y superficialmente que lo normal.
     El ozono puede empeorar el asma. Cuando los niveles de ozono son altos, más personas con asma tienen ataques que requieren atención médica o el uso adicional de medicamentos. Una razón por la cual esto sucede es que el ozono hace que las personas sean más susceptibles a los alérgenos, los agentes que provocan los ataques de asma. Otros efectos severos para los asmáticos son función pulmonar reducida y la irritación que el ozono causa al sistema respiratorio.
     El ozono puede inflamar y dañar las células que forran los pulmones. Al cabo de unos pocos días, las células dañadas son reemplazadas y las células viejas se desprenden muy de la manera en que su piel se exfolia después de una quemadura de sol.
     El ozono puede empeorar las enfermedades pulmonares crónicas tales como el enfisema y la bronquitis y reducir la capacidad del sistema inmunológico para defender al sistema respiratorio de las infecciones bacterianas.
     El ozono puede causar daño permanente al pulmón. Repetido daño a corto plazo en los pulmones en desarrollo de los niños puede resultar en una función pulmonar reducida en edad adulta. En los adultos, la exposición al ozono puede acelerar la disminución natural de la función pulmonar que ocurre como parte del proceso normal de envejecimiento.


Alotropía
Es la propiedad que los átomos tienen de originar una o más sustancias simples y diferentes, a través del intercambio de electrones. Esta variación recibe el nombre de variedades alotrópicas del elemento. Las formas alotrópicas de un elemento químico pueden, pues, diferir una de la otra por la atomicidad o entonces por la estructura cristalina.
Ejemplos
a)   Carbono: diamante, grafito, fullereno, son las formas alotrópicas del elemento químico del carbono. Estas sustancias difieren entre sí por la estructura cristalina, es decir, por la forma de sus cristales. La forma de unir a los átomos de carbono es diferente en todos estos tres compuestos, es decir, se diferencian en el retículo cristalino.


b) Oxígeno: el gas oxígeno y ozono difieren uno del otro en la atomicidad, esto es, en el número de átomos que forma la molécula. Decimos entonces que el gas oxígeno y el ozono son las formas alotrópicas del elemento químico oxígeno. El oxígeno existe en el aire atmosférico, siendo un gas indispensable a nuestra respiración. El ozono es un gas que envuelve la atmósfera terrestre, protegiéndonos de los rayos ultravioleta del sol. Debido a sus propiedades germicidas, el ozono es utilizado como purificador de agua potable.


c) Fósforo: las variedades alotrópicas más comunes de este elemento son el fósforo rojo y el fósforo blanco, que difieren entre sí por la atomicidad.

d) Azufre: el elemento químico azufre posee formas alotrópicas, como, por ejemplo, azufre rómbico y azufre monoclínico, que difiere uno de otro por la estructura cristalina. Esas dos variaciones son formadas por moléculas con ocho átomos y son representadas por la fórmula S8, aunque los cristales de dos variedades sean diferentes.



Bibliografía