INTRODUCCION Cualquier persona que haya tenido la oportunidad de observar una pequeña fracción de las maravillas naturales de nuestro planeta estará de acuerdo en que vivimos en un mundo maravilloso. La majestuosidad de muestras montañas, ríos, lagos y todos los recursos naturales de nuestro país son una muestra fehaciente de ello. Desafortunadamente estos recursos están siendo amenazados por un amplio rango de actividades humanas. En un esfuerzo por aumentar la producción agrícola en tiempos cortos, muchas tierras han sido cultivadas inadecuadamente dando lugar a una erosión extrema que amenaza estas zonas cultivables. Muchos habitantes de grandes
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
INTRODUCCION
Cualquier persona que haya tenido la oportunidad de observar una
pequeña fracción de las maravillas naturales de nuestro planeta estará de
acuerdo en que vivimos en un mundo maravilloso. La majestuosidad de
muestras montañas, ríos, lagos y todos los recursos naturales de nuestro
país son una muestra fehaciente de ello.
Desafortunadamente estos recursos están siendo amenazados por un
amplio rango de actividades humanas. En un esfuerzo por aumentar la
producción agrícola en tiempos cortos, muchas tierras han sido cultivadas
inadecuadamente dando lugar a una erosión extrema que amenaza estas
zonas cultivables. Muchos habitantes de grandes ciudades están de
acuerdo en el que respirar un aire puro es una comodidad muy rara en
estos lugares. En áreas industrializadas las aguas subterráneas usadas
como fuentes de agua para consumo están siendo amenazadas por el
movimiento de lixiviados y de desechos a través de los acuíferos. La
protección de nuestro ambiente debe ser alta prioridad porque de ella
depende la preservación de la humanidad.
Para poder combatir las amenazas a nuestro ambiente, es necesario
entender la naturaleza y la magnitud de los problemas involucrados.
Para poder discutir estos problemas es esencial, reconocer que la ciencia y
la tecnología deben realizar un papel muy importante en la solución de
problemas ambientales, a través de una adecuada aplicación de la ciencia
y la tecnología. Bajo la dirección de gente con una conciencia ambiental
bien fuerte y con un conocimiento básico de las ciencias ambientales, la
humanidad sobrevivirá con los recursos limitados de este planeta.
2
1. QUIMICA AMBIENTAL
La Química Ambiental es el estudio de las fuentes, reacciones, transporte,
efecto y destinos de las especies químicas en el agua, el aire y suelo como
también de la influencia de la actividad humana sobre estos procesos. En
resumen : La Química Ambiental es la ciencia de los fenómenos químicos
en el ambiente.
1.1. AGUA, AIRE SUELO Y VIDA
Es conveniente dividir la Química Ambiental en áreas que involucren la
química de la hidrosfera, la litosfera, la atmósfera y la biosfera. (Figura 1)
La HIDROSFERA se refiere al agua en todas sus formas incluye los
océanos, lagos, ríos, reservorios, nevados, glaciares, capas de hielo
polares y aguas subterráneas. Para el estudio de la Química Ambiental,
sin embargo el agua en estado líquido y las reacciones de las especies
químicas en ella son de gran importancia.
La LITOSFERA incluye las partes externas de la tierra sólida en general.
El término se refiere a los materiales encontrados en la corteza terrestre y
3
a la mezcla compleja y variable de minerales, materia orgánica, agua y
aire presente en el suelo. Esta parte es extremadamente delgada
comparada con la tierra, con una amplitud de 5 - 40 Km. En lo que
concierne a la Química Ambiental, el suelo es la parte más significativa
de la litosfera.
La ATMOSFERA es la cubierta de gases alrededor de la tierra. La
atmósfera se subdivide en diferentes regiones dependiendo de la altitud.
La Química Atmosférica varía en gran proporción con la altitud, la
exposición a la radiación solar, la carga poluente y otros factores.
El término BIOSFERA se refiere a la vida. Incluye organismos vivos y
sus alrededores inmediatos. La biosfera está influenciada enormemente
por la química del ambiente y en su turno ejerce una influencia poderosa
sobre la química de muchos ambientes especialmente la litosfera e
hidrosfera.
La actividad biológica es responsable de la composición presente en la
atmósfera (especialmente alto OD y bajo CO2) y las plantas aún influyen
sobre la atmósfera por ejemplo emitiendo terpenos los cuales forman una
clase de smog.
FIGURA 1. Areas de la Química Ambiental
4
5
QUIMICAAMBIENTAL
HIDROSFERA
ATMOSFERA
BIOSFERA LITOSFERA
2. QUIMIODINAMICA O DINAMICA QUIMICA
Si un compuesto químico es introducido en el ambiente, existe una cierta
probabilidad de que pueda moverse del sitio donde fue liberado. La
distribución de algunos químicos puede ser global en extensión. Esto
podría dar lugar a su distribución sobre una amplia zona geográfica o
podrá involucrar su habilidad de moverse en el ambiente. Es posible que
los problemas asociados con la distribución de los químicos en el
ambiente puedan ser evitados o al menos minimizados si las propiedades
quimiodinámicas de cada compuesto fueran bien conocidas y entendidas
cuando el compuesto fue introducido por primera vez. Sin embargo
habiendo encarado ya el problema, se encuentra el incentivo para subrayar
los conceptos y obtener la información necesaria para definir el
fenómeno. Tal ejercicio suministrará un entendimiento de las situaciones
presentes y dará las bases para hacer predicciones las cuales eliminarán
problemas futuros. Las diferentes rutas se muestran en la figura 2.
Primero que todo, ellos pueden moverse en cada sección; por ejemplo un
químico introducido en un ambiente acuático puede moverse a la
extensión que el agua se esté moviendo, ya sea que el químico se halle en
solución o no, o se halle adsorbido sobre una partícula.
6
FIGURA 2. Proceso por el cual los compuestos son distribuidos
en el ambiente
7
INTRODUCCION DE QUIMICOS
ATMOSFERA
SUELO AGUA
PlantasAnimales
Este tipo de movimiento en el agua puede ser definido por los parámetros
hidrológicos apropiados. El químico puede también encontrar un camino
en la atmósfera donde puede ser transportado en las corrientes
atmosféricas y en esta situación los fenómenos metereológicos pueden
determinar la velocidad y dirección del movimiento. Una situación similar
prevalece en la sección biológica, donde la distribución de un químico en
un animal o planta depende del proceso de transporte en el organismo. En
un animal podría ser el sistema vascular, en una planta dependerá del
transporte de savia.
En un contexto global, el transporte de un químico en un ecosistema debe
tener alguna relación con el flujo de masa en el sistema, puesto que el
químico se mueve con los constituyentes alimenticios de varios
componentes en el ecosistema.
El movimiento de un químico en el suelo es algo diferente de los ejemplos
citados anteriormente. En el suelo el movimiento del químico está
acompañado principalmente por un proceso de difusión o transporte de
masa. Las partículas del suelo por ellas mismas pueden moverse en el aire
o en el ambiente acuosos y absorber partículas con ellas; en los últimos
casos, este movimiento será una función de estos factores que gobiernan
el movimiento en el aire o en agua. En estas situaciones el químico se está
moviendo a una sección, el movimiento es principalmente una función de
las características de los procesos de transporte de la sección. El efecto de
las características del químico que es transportado son mínimas.
8
Cuando se está interesado en la tendencia de un químico a moverse entre
secciones, el papel de las propiedades químicas del material llega a ser
más significativa. Los parámetros determinantes son los factores
termodinámicos y cinéticos relacionados con las transformaciones.
En sistemas naturales, no se trata con sistemas en equilibrio
verdaderamente reversibles, sin embargo, el asumir un equilibrio puede
suministrar alguna indicación de la tendencia de una transformación en
particular entre secciones.
Si consideramos varias interfases se pueden enumerar las propiedades del
químico que en definitiva van a definir su movimiento entre estas
secciones.
2.1. INTERFASES
AGUA - AIRE Esta interfase se relaciona con la presión de vapor del
compuesto y su solubilidad en el agua.
AGUA - SUELO El movimiento de un químico a través de esta
interfase es principalmente el proceso de adsorción -
desorción, involucra la solubilidad del químico en el
agua y los factores que influyen su adsorción sobre la
fase sólida. La solubilidad, el coeficiente de partición y
9
los calores de solución llegan a ser significativos en
esta parte.
SUELO - AIRE Este es probablemente el sistema más complejo en que
se relaciona tanto la adsorción del químico sobre la
superficie del suelo, su presión de vapor, la influencia
del agua y también el efecto del movimiento del
químico en la interfase aire - suelo.
FISICA - Esta interfase es distinta de las otras tres en que se
BIOLOGICA relaciona con el movimiento de un químico a través de
una membrana; un proceso de adsorción en contraste a
una situación de adsorción superficial.
Esta discusión nos lleva a concluir que el movimiento de un químico en el
ambiente debe considerar los siguientes tópicos:
Adsorción Interfase Suelo - Agua
Movimiento a través del suelo
Evaporación Interfase Aire - Agua
10
Absorción
Con el énfasis primordial de la definición de como las propiedades del
químico están involucradas en estos procesos diferentes. El siguiente
planteamiento se usa para discutir cada tópico:
1. Cada proceso debe ser definido lo más concienzudamente posible.
2. Las propiedades del químico que determinan su respuesta es esos
procesos deben ser enfatizadas.
3. El significado global de estos factores en la distribución ambiental de
los químicos debe ser evaluado.
En conclusión: El objetivo primario es predecir la distribución de un
compuesto en el ambiente basado sobre sus propiedades químicas. Este
tratamiento se ha denominado QUIMIODINAMICA.
3. AGUA : CALIDAD, CANTIDAD Y QUIMICA
11
A lo largo de la historia, la calidad y la cantidad de agua disponible para
los humanos han sido factores de vital importancia para determinar su
uso. Muchas civilizaciones han desaparecido por falta de agua resultante
de cambios climáticos, cuyas variaciones y precipitaciones han causado
problemas. En el Africa de la década de los 80’s fuertes sequías trajeron
consigo cosechas catastróficas y desolación. En 1993 en los Estados
Unidos lluvias extensas entre los ríos Misouri y Misissipi causaron daños
en gran escala.
En el pasado la enfermedades de origen hídrico como el cólera y la fiebre
Tifoidea mataron millones de personas. Algunas de estas enfermedades
aún causan una gran miseria en países menos desarrollados.
La Química Acuática es la rama de la Química Ambiental que trata los
fenómenos químicos en el agua; puede considerar las aguas subterráneas
y agua de ríos, lagos, estuarios, océanos, como también los fenómenos
que determinan la distribución y circulación de las especies químicas en
aguas naturales. Las reacciones químicas que ocurren en el agua y las
especies químicas encontradas en ella son fuertemente influenciadas por
el ambiente en el cual el agua se encuentra. La Química del agua
expuesta a la atmósfera es bastante diferente del agua en el fondo de un
lago, los microorganismos juegan un papel esencial en la determinación
de la composición química del agua. Luego, al discutir la Química del
12
agua, es necesario considerar muchos factores generales que influyen en
su química.
3.1. FUENTES Y USOS DEL AGUA : CICLO HIDROLOGICO
El suministro de agua del mundo es encontrado en las cinco partes del
Ciclo Hidrológico (Figura 3). Una gran proporción del agua es
encontrada en los océanos; otra fracción está presente como vapor de
agua en la atmósfera (nube); y algún agua está contenida en el estado
sólido como hielo y nieve en páramos, glaciares y en capas de hielos
polares. El agua superficial se encuentra en lagos, corrientes, reservorios y
las aguas subterráneas localizadas en acuíferos bajo tierra.
Existe una conexión muy fuerte entre la Hidrosfera, donde el agua se
encuentra y la Litosfera, la cual es la parte de la Geosfera accesible al
agua. Las actividades humanas afectan a ambas partes. Por ejemplo, la
FIGURA 3. Ciclo Hidrológico.
13
alteración de la tierra para la conversión de un terreno o bosque para la
agricultura o para intensificación de la producción agrícola puede reducir
la capa vegetal, disminuir la transpiración (pérdida de vapor de agua por
las plantas) y afectar el microclima.
14
El resultado es el aumento de lluvias, escorrentía, erosión y acumulación
de las sales en cuerpos de agua. El ciclo de los nutrientes puede ser
acelerado, contribuyendo al enriquecimiento de nutrientes de las aguas
superficiales. Esto sin duda puede afectar profundamente las
características biológicas de cuerpos de agua.
El agua que los humanos usamos proviene de aguas superficiales y
subterráneas cuyas fuentes pueden variar sustancialmente una de otra. En
regiones áridas una pequeña fracción de suministro de agua proviene del
océano, fuente que llegará a ser más importante como suministro de agua
en el mundo debido a la demanda.
3.2. LAS PROPIEDADES DE AGUA, UNA SUSTANCIA UNICA
El agua tiene un número de propiedades únicas que son esenciales para
vivir, muchas de las cuales son debidas a su habilidad para formar puentes
de hidrógeno, estas características están asumidas en la tabla No.1.
TABLA No. 1. ALGUNAS PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DEL AGUA Y SU SIGNIFICADO BIOLOGICO AMBIENTAL
PROPIEDADCOMPARACION CON LIQUIDOS
NORMALESSIGNIFICADO
Estado
Capacidad Calorífica
Líquido preferible que gas
Muy alta
Suministra vida media
Modera las temperaturas ambientales, gran medio de transporte de calor
15
Calor de fusión Latente
Calor de Vaporización Latente
Densidad
Tensión Superficial
Constante Dieléctrica
Hidratación
Disociación
Transparencia
Calor de Conducción
Muy alto
Muy alto
Máxima a 4 °C (Agua pura)
Muy alta
Muy alta
Muy extensa
Muy pequeña
Alta
Muy alto
Efecto moderado tiende a estabilizar el estado líquido
Efecto moderado importante en la Física Atmosférica y en el balance Precipitación - Evaporación
Congelamiento desde la superficie y controla la distribución de temperatura y circulación en cuerpos de agua
Importante en fenómenos de superficie, formación de gotas en la atmósfera y muchos procesos fisiológicos incluyendo el transporte a través de biomembranas
Buen solvente
Buen solvente y movilizador de poluentes en el ambiente, altera la bioquímica de solutos
Suministra un medio neutro pero con alguna disponibilidad de iones H+ y OH-
Engrosa la zona Eufática biológicamente productiva
Puede suministrar importantes mecanismos de trasferencia de calor en sistemas estancados como células
El agua es un excelente solvente para muchos materiales; este es el medio
de transporte básico para nutrientes y productos de desecho en el proceso
de la vida. Su constante dieléctrica extremadamente alta en relación con
otros líquidos tiene un efecto muy profundo sobre sus propiedades como
solvente, ya que muchos materiales iónicos se disocian en ella. Con
excepción del amoníaco líquido, el agua posee la capacidad calorífica más
alta que cualquier otro líquido o sólido, 1 cal/grado. Debido a esto, se
requiere una gran cantidad de calor para cambiar apreciablemente la
16
temperatura de una masa de agua. Además, un cuerpo de agua puede
traer un efecto estabilizante sobre la temperatura de regiones geográficas
cercanas. Esta propiedad previene también los cambios bruscos de
temperatura en cuerpos de agua y protege los organismos acuáticos de
choques abruptos de temperatura. El calor extremo de vaporizaación del
agua, 585 cal/g a 20 C, también estabiliza la temperatura de cuerpos en
las regiones geográficas circundantes. Esto también influye en la
transferencia de calor y vapor de agua entre los cuerpos de agua y la
atmósfera. El agua tiene su máxima densidad a 4 C, a una temperatura
por encima de su punto de congelación. La afortunada consecuencia de
este hecho es que el hielo flota, de tal manera que gran cantidad de
cuerpos de agua pueden congelarse. Además, el patrón de circulación
vertical en lagos, un factor determinante en su química y biología, es
gobernado por la relación densidad - temperatura, única en el agua.
4. FUNDAMENTOS DE QUIMICA ACUATICA
Los fenómenos Químicos Ambientales Acuáticos involucran procesos que
incluyen reacciones ácido - básicas, solubilidad, oxidacción - reducción y
17
de complejos (gráfica 1). Estos fenómenos son discutidos desde el punto
de vista termodinámico usual, pero es importante tener en cuenta que la
cinética (velocidad de reacción) es muy importante en la química del
agua. Los procesos biológicos juegan un papel importante en la química
acuática. Por ejemplo, las algas en su proceso fotosintético pueden elevar
al pH del agua removiendo el CO2 (acuoso) y convirtiendo el ión HCO3-
en el ión CO3= el cual reacciona con el Ca para precipitar CaCO3.
4.1. ALCALINIDAD
La capacidad del agua de aceptar iones H+ (protones) se denomina
Alcalinidad. La alcalinidad es importante en el tratamiento del agua y en
la química y biología de las aguas naturales. Frecuentemente, la
alcalinidad del agua debe ser conocida para calcular la cantidad de
químicos que deben ser adicionados para tratar el agua.
Un agua con alta alcalinidad a menudo tiene un alto valor de pH y
contiene generalmente alto contenido de sólidos disueltos. Esta
característica es contraproducente para agua que va ser utilizada en
calderas, procesamiento de alimentos y sistemas de aguas municipales.
La alcalinidad sirve como buffer de pH y un reservorio para carbono
inorgánico, luego ayuda a determinar la habilidad del agua para soportar
el crecimiento de algas y otras vidas acuáticas, luego puede ser usado
18
como una medida de la fertilidad del agua. Generalmente, las especies
responsables de la alcalinidad en el agua son el ión bicarbonato (HCO3-),
el ión carbonato (CO3=) y el ión hidroxilo (OH-)
HCO3- + H+ CO2 + H2O
CO3= + H+ HCO3
-
OH- + H+ H2O
Otras bases contribuyen en menor proporción a la alcalinidad como el
amoníaco y las bases conjugadas de los ácidos fosfórico, silícico, bórico y
ácidos orgánicos.
A valores de pH por debajo de 7.0 unidades, la [H+] disminuye la
alcalinidad y su concentración debe ser sustraída de la alcalinidad total.
Además la siguiente ecuación es la ecuación completa para la alcalinidad
en un medio donde la contribución es de HCO3-, CO3
= y OH-:
[Alcalinidad] = [HCO3-] + 2 [CO3
=] + [OH-] - [H+]
La alcalinidad es expresada generalmente como Alcalinidad a la
Fenolftaleína, correspondiente a la titulación con ácido a un pH al cual el
HCO3- es la especie carbonatada predominante (pH = 8,3), o Alcalinidad
Total, correspondiente a la titulación con ácido al punto del indicador de
naranja de metilo (pH = 4,3) donde la especies carbonato y bicarbonato
han sido convertidas a CO2.
19
Es importante distinguir entre alta basicidad, manifestada por un elevado
valor de pH y una alta alcalinidad, la capacidad de aceptar H+, mientras el
pH es un factor de intensidad, la alcalinidad es un factor de capacidad.
4.2. ACIDEZ Y DIOXIDO DE CARBONO EN EL AGUA
La acidez aplicada a las aguas naturales y aguas residuales, es la
capacidad del agua de neutralizar OH-, aunque virtualmente toda agua
tiene algo de alcalinidad, el agua ácida no es frecuentemente encontrada
excepto en casos de contaminación severa. La acidez generalmente resulta
de la presencia de ácidos débiles, particularmente CO2, pero algunas
veces incluye otros tales como H3PO4, H2S, proteínas y ácidos grasos. El
Fe+3, ión metálico acídico puede contribuir también a la acidez, al igual
que iones metálicos hidratados como el Al(H2O)6+3.
Desde el punto de vista de la contaminación, los ácidos fuertes son los
principales contribuyentes de la acidez. El término Acidez Mineral Libre
es aplicado a ácidos fuertes como el H2SO4 y el HCl en el agua.
El agua residual de minas de carbón es un poluente común del agua que
contiene una apreciable cantidad de acidez mineral libre. La acidez total
es determinada por titulación con base al punto de la
fenolftaleína
20
(pH = 8,3) y la acidez mineral libre es determinada por titulación con base
al punto de cambio de la naranja de metilo (pH = 4,3).
4.2.1. DIOXIDO DE CARBONO EN EL AGUA
El más importante ácido débil en el agua es el dióxido de carbono, CO2.
Debido a su presencia en el aire y su producción en la degradación de la
materia orgánica, el CO2 disuelto se halla presente en todas las aguas
naturales y residuales. La lluvia de una atmósfera no contaminada es
altamente ácida debido a la presencia de CO2 disuelto. El CO2 y sus
productos de ionización, el ión bicarbonato (HCO3-) y el ión carbonato
(CO3=) tiene una gran importancia en la química del agua. Muchos
minerales son depositados como sales del ión carbonato.
El equilibrio del CO2 disuelto con el CO2 gaseoso en la atmósfera:
CO2 (acuoso) CO2 (atmosférico)
y el equilibrio del ión CO3= entre la solución acuática y minerales
carbonatados sólidos:
MCO3 M+2 + CO3=
tiene un fuerte efecto amortiguador sobre el pH del agua.
21
4.3. CALCIO Y OTROS METALES EN EL AGUA
Los iones metálicos M+ existen en el agua en numerosas formas. El ión
metálico Ca+2 por ejemplo, no puede existir como una entidad separada en
el agua. Para asegurar su estabilidad máxima en sus orbitales
electrónicos, los iones metálicos en el agua son enlazados o coordinados a
otras especies. Estas especies pueden ser moléculas de agua o bases
fuertes que se hallan presentes. Además, los iones metálicos en solución
acuosa pueden estar presentes como formas de cationes metálicos
hidratados M(H2O)x+n.
Los iones metálicos en solución acuosa buscan alcanzar un estado de
máxima estabilidad a través de reacciones químicas que incluyen:
Acidos y Bases
Fe (H2O)6+3 Fe (OH) (H2O)5
+2 + H+
Precipitación
Fe (H2O)6+3 Fe (OH)3(s) + 3 H2O + 3 H+
Oxido - Reducción
Fe (H2O)6+2 Fe (OH)3(s) + 3 H2O + e- + 3 H+
22
4.3.1. CALCIO EN EL AGUA
De los cationes que se encuentran en las aguas naturales, el calcio
generalmente presenta la concentración más alta.
La química del calcio, aunque un poco complicada es más simple que la
de los metales de transición encontrados en el agua. El calcio es un
elemento clave en muchos procesos geoquímicos. La fuente primaria de
ión calcio en el agua la constituyen los minerales, entre estos minerales se
encuentra el CaSO42H2O, CaSO4, dolomita CaMg(CO3)2, la calcita y
aragonita.
El ión calcio, junto con el manganeso y a veces el ión hierro (II), aportan
la dureza del agua. La manifestación más común de dureza en el agua es
la formación de precipitado por jabón en aguas duras. La dureza temporal
es debida a la presencia de calcio y ión bicarbonato y puede ser eliminada
por ebullición del agua,
Ca+2 + 2 HCO3- CaCO3 (S) + CO2 (g) + H2O
al aumentar la temperatura se puede forzar esta reacción a la derecha
liberando CO2 gaseoso y se formará un precipitado de carbonato de calcio
en el agua de ebullición con dureza temporal.
23
El análisis de dureza se realiza comúnmente en aguas naturales y en aguas
potables y de cierto uso industrial. El rango de la dureza varía de cero a
varios cientos y hasta miles de partes por millón. Aunque los niveles de
aceptabilidad varían de acuerdo con el deseo del consumidor, se ha
aceptado como clasificación general:
Suave (o Blanda) 50 mg/L CaCO3
Moderadamente dura 50 - 150 mg/L CaCO3
Dura 150 - 300 mg/L CaCO3
Muy dura 300 mg/L CaCO3
4.4. OTRAS ESPECIES QUIMICAS EN EL AGUA
Existen otras especies químicas que se hallan presentes en el agua
naturalmente, y son también importantes. Algunas de ellas pueden ser
contaminantes. Estas especies químicas y sus fuentes, comportamiento y
significado en las aguas naturales se resumen en la tabla 2.
24
25
5. MATERIA Y CICLOS DE LA MATERIA
26
Los ciclos de la materia basados a menudo en los ciclos elementales, son
de importancia sobresaliente en el ambiente. Los ciclos geoquímicos
globales pueden ser mirados desde el punto de vista de varios reservorios,
tales como océanos, sedimentos y la atmósfera, conectados por conductos
a través de los cuales la materia se mueve continuamente. El movimiento
de una clase específica de materia entre dos reservorios particulares puede
ser reversible o irreversible. El flujo de movimiento para una clase
específica de materia puede variar como lo hace el contenido de tal
materia en un reservorio específico.
Los ciclos de la materia pueden ocurrir aunque haya ausencia de vida
sobre la tierra, pero están fuertemente influenciados por las formas de
vida, particularmente plantas y microorganismos. Los organismos
participan en CICLOS BIOGEOQUIMICOS, los cuales descubren la
circulación de la materia, particularmente nutrientes de plantas y animales
a través de los ecosistemas. Como parte del ciclo del carbono, el carbono
atmosférico como CO2 es fijado como biomasa y como parte del ciclo del
nitrógeno, el N2 es fijado en la materia orgánica. El inverso de este tipo de
procesos es la MINERALIZACION en la cual los elementos enlazados
biológicamente retornan a sus estados inorgánicos.
La figura 3A, muestra un ciclo general con las cinco (5) esferas o
reservorios en los cuales puede estar contenida la materia. Las actividades
humanas tiene tan fuerte influencia sobre los ciclos materiales que es útil
27
referirse a la ANTROSFERA con cualquier otra esfera como reservorio
de materiales.
Algunas de las numerosas posibilidades de intercambio de materiales se
resumen en la tabla 3.
TABLA 3. Intercambio de materiales entre las posibles esferas de la atmósfera.
A
DESDE
ATMOSFERA HIDROSFERA BIOSFERA GEOSFERA ANTROSFERA
Atmósfera __ H2O O2H2S
PartículasSO2, CO2
Hidrosfera H2O __ {CH2O} Solutos minerales
Contaminantes del agua
Biosfera O2, CO2 H2O __ Nutrientes minerales
Fertilizantes
Geosfera H2O H2O Materia orgánica
__ Residuos peligrosos
Antrosfera O2, N2 H2O Alimento Minerales __
FIGURA 3A. Ciclo General mostrando el intercambio de materia entre
la Atmósfera, Biosfera, Antrosfera, Geosfera e Hidrosfera.
28
5.1. CICLOS ENDOGENICOS Y EXOGENICOS
Los ciclos materiales pueden ser divididos principalmente en CICLOS
ENDOGENICOS, los cuales predominantemente involucran rocas
29
ATMOSFERA (At)
ANTROSFERA (An)
BIOSFERA (Bi)
GEOSFERA (GE) HIGROSFERA
(Hy)
Bi An
Bi An
Ge Hy
Ge Hy
Bi Ge
BiGe
At An
AtAn
BiAt
BiAt
AnHy
An Hy
Ge An
Ge An
Bi Hy
BiHy
Ge At
Ge At
At Hy
At Hy
superficiales de varias clases y CICLOS EXOGENICOS, los cuales
ocurren ampliamente en la superficie terrestre y usualmente tienen un
componente atmosférico. Estas dos clases de ciclos se representan en la
figura 4. En general, el sedimento y el suelo pueden ser mirados como
compartidos entre los dos ciclos y constituyen una interfase predominante
entre ellos.
Muchos de los ciclos biogeoquímicos pueden ser descritos como CICLOS
ELEMENTALES involucrando nutrientes, tales como el carbono,
nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre. Muchos son ciclos Exogénicos en
los cuales el elemento de interés gasta parte de su ciclo en la atmósfera O2
para oxígeno, N2 para nitrógeno y CO2 para el carbono. Otros, como el
fósforo no tienen componente gaseoso y son ciclos Endogénicos. Todos
los ciclos sedimentarios involucran soluciones salinas y soluciones del
suelo que contienen sustancias disueltas lixiviadas por arrastre de
materiales, estas sustancias pueden ser depositadas como formaciones
minerales o pueden ser tomadas por los organismos como nutrientes.
FIGURA 4. DIAGRAMA GENERAL DE LOS CICLOS EXOGENICO
Y ENDOGENICO
30
DIAGRAMA CICLO EXOGENICO
5.2. CICLO DEL CARBONO
El carbono circula a través del ciclo del carbono mostrado en la figura 5.
Este ciclo muestra que el carbono puede estar presente como CO2 gaseoso
atmosférico, constituyendo una parte relativamente pequeña pero
31
ATMOSFERA
BIOSFERA
HYDROSFERA
SEDIMENTOS
ROCAS SEDIMENTARIAS
ROCA IGNEA
MAGMA
ROCAMETAMORFICA
DIAGRAMA CICLO ENDOGENICO
S U E L O
altamente significante del carbono global. Una parte de este carbono se
disuelve en las aguas superficiales y aguas subterráneas como HCO3- o
CO2 (acuoso). Una gran cantidad de carbón está presente en minerales
particularmente carbonato de calcio y magnesio como CaCO3. La
fotosíntesis fija el carbono inorgánico como carbón biológico
representado como {CH2O}, el cual es un constituyente de todas las
moléculas vivas. Otra fracción del carbón es fijada como petróleo y gas
natural con una gran cantidad como hidrocarburos, carbón lignita,
representados como CxH2x. Los procesos manufactureros son utilizados
para convertir hidrocarburos en compuestos xenobióticos con grupos
funcionales que contienen halógenos, oxígeno, nitrógeno, fósforo o
azufre. Aunque ellos son una cantidad muy pequeña del carbono
ambiental, estos compuestos son particularmente significativos debido a
sus efectos químicos toxicológicos.
Un aspecto muy importante del ciclo del carbono es que es el ciclo por el
cual la energía solar es transferida a los sistemas biológicos y
ultimadamente a la geosfera y antrosfera como carbón fósil y aceites
FIGURA 10. CICLO DEL CARBONO
32
fósiles. El carbono orgánico o carbón biológico {CH2O} está contenido
en moléculas ricas en energía que pueden reaccionar con el oxígeno
molecular, O2 para regenerar CO2 y producir energía. Esto puede ocurrir
bioquímicamente en un organismo a través de la respiración aeróbia o
33
puede como combustión cuando la madera o los aceites fósiles se
queman.
Los microorganismos están fuertemente involucrados en el ciclo del
carbono, mediante reacciones bioquímicas. Las algas fotosintéticas son
las que predominantemente fijan carbono en el agua; como consumen
CO2, el pH se eleva dando lugar a la precipitación de CaCO3 y
CaCO3.MgCO3. El carbono orgánico fijado por microorganismos es
transformado por los procesos bioquímicos a petróleo fósil, Kerosene,
carbón y lignita. Los microorganismos degradan el carbono orgánico
desde la biomasa, petróleo y fuentes xenobióticas para retornar finalmente
a la atmósfera como CO2.
Los hidrocarburos tales como el aceite crudo y algunos hidrocarburos
sintéticos son degradados por microorganismos. Este es un mecanismo
importante para eliminar hidrocarburos contaminantes tales como los que
accidentalmente son esparcidos sobre el suelo o el agua. La
Biodegradación puede ser usada para tratar compuestos que contienen
carbono en residuos peligrosos.
5.3. CICLO DEL NITROGENO
Como se muestra en la figura 6, el nitrógeno ocurre predominantemente
en todas las esferas del ambiente. La atmósfera es de 78% en volumen,
34
nitrógeno elemental, N2, y constituye un inexhaustible reservorio de este
elemento. El nitrógeno aunque constituye mucho menos de la biomasa
que el oxígeno y el carbono, es el constituyente esencial de las proteínas.
La molécula de N2 es muy estable así que al descomponerse en átomos
pueden ser incorporados con formas químicas orgánicas e inorgánicas
constituyendo la etapa limitante de su ciclo. Esto mediante procesos
altamente energéticos con descargas luminosas que producen óxidos de
nitrógeno. El N2 elemental es también incorporado en formas enlazadas
químicamente o fijado por procesos bioquímicos mediante
microorganismos. El nitrógeno biológico es mineralizado a la forma
inorgánica, durante la destrucción de la biomasa. El nitrógeno pude ser
fijado sintéticamente a altas temperaturas con condiciones de alta presión
de acuerdo con la siguiente reacción:
N2 + 3 H2 2NH3
La producción de N2 gaseoso y N2O por microorganismos y la evolución
de estos gases a la atmósfera completan el ciclo del nitrógeno a través del
proceso de DENITRIFICACION.
FIGURA 6. CICLO DEL NITRÓGENO
35
5.3.1.TRANSFORMACIONES MICROBIALES DEL NITROGENO
Algunas de las reacciones químicas más importantes llevadas a cabo por
microorganismos en los ambientes acuáticos y del suelo son las que
36
involucran compuestos nitrogenados. Ellas están resumidas en este otro
ciclo del nitrógeno, figura 7. Este ciclo descubre los procesos dinámicos a
través de los cuales el nitrógeno es intercambiado entre la atmósfera,
materia orgánica y compuestos inorgánicos. Este es uno de los procesos
dinámicos más vitales de la naturaleza.
El ciclo del nitrógeno comprende las siguientes transformaciones
bioquímicas:
Fijación de Nitrógeno, donde el nitrógeno molecular es fijado como
nitrógeno orgánico; Nitrificación, procesos de oxidación de amoníaco a
nitratos; Reducción de Nitrato, proceso en el cual el ión nitrato es
reducido a otros compuestos en estado de oxidación menor y
Denitrificación o sea la reducción de nitrato y nitrito a N2 con la resultante
pérdida de nitrógeno gaseoso a la atmósfera.
FIGURA 7. CICLO MICROBIAL DEL NITRÓGENO
37
5.3.2. FIJACION DE NITRÓGENO
38
El proceso microbial completo para la fijación del nitrógeno, el
enlazamiento del nitrógeno atmosférico en una forma químicamente
combinada, es actualmente
3 {CH2O} + 2 N2 + 3 H2O + 4 H+ 3 CO2 + 4 NH4+
bastante complicada y no completamente entendido. La fijación biológica
del nitrógeno es un proceso bioquímico clave en el ambiente y es esencial
para el crecimiento de las plantas en ausencia de fertilizantes sintéticos.
Sólo unos pocos microorganismos acuáticos tienen la capacidad de fijar el
nitrógeno atmosférico. Entre las bacterias acuáticas que poseen esta
capacidad, están las bacterias fotosintéticas AZOTOBACTERIAS, varias
especies de CLOSTRIDIUM y las cianobacterias llamadas también algas
azul-verdosas.
En muchos sistemas de aguas naturales, sin embargo, la fracción del
nitrógeno fijado por los microorganismos en el agua relativo a lo
originado por descomposición de la materia orgánica, escorrentía de
fertilizantes y otras fuentes externas es muy baja. La bacteria más
conocida e importante en la fracción de nitrógeno es la RHIZOBIUM, la
cual posee una relación simbiótica con plantas leguminosas como la
alfalfa. Esta bacteria se halla en los nódulos de las raíces de las
leguminosas.
39
5.3.3. NITRIFICACION
El proceso de Nitrificación es decir la conversión de N(III) a N (V) es
muy común y extremadamente importante en el agua y en el suelo. El
nitrógeno acuático en equilibrio termodinámico con el aire está en el
estado de oxidación +5 como NO3-, mientras que en muchos compuestos
biológicos, el nitrógeno está presente como N (III), tales como -NH2 en
aminoácidos. La constante de equilibrio para la reacción de nitrificación
completa escrita para un mol de electrones;
¼ O2 + 1/8 NH4+ 1/8 NO3
- + ¼ H+ + 1/8 H2O
es 107.59, así que la reacción es altamente favorable desde el punto de vista
termodinámico.
La nitrificación es especialmente importante en la naturaleza debido a que
el N2 es absorbido por las plantas como nitrito. Cuando se aplican
fertilizantes en forma de sales de amonio o hidróxido de amonio, la
transformación microbial a nitrato posibilita la máxima asimilación de
nitrógeno por las plantas.
En la naturaleza, la nitrificación está catalizada por dos grupos de
bacterias, NITROSOMAS y NITROBACTERIAS. Las Nitrosomonas
realizan la transición de amoniaco a nitrato,
40
NitrosomonasNH3 + 3/2 O2 H+ + NO2
- + H2O
mientras las Nitrobacterias llevan a cabo la oxidación de nitrito a nitrato:
NitrobacteriasNO2
- + ½ O2 NO3-
Estos dos tipos de bacterias altamente especializadas son obligadamente
aerobias, esto es funcionan solamente en presencia de oxígeno.
5.3.4. REDUCCION DE NITRATO
La reducción de nitrato se refiere al proceso microbial por el cual el
nitrógeno en compuestos químicos es reducido a un estado de oxidación
menor. En ausencia de oxígeno, el nitrato puede ser usado por algunas
bacterias como un receptor de electrones alterno.
El nitrógeno es el componente esencial de las proteínas y cualquier
organismo que utilice nitrógeno de nitrato para la síntesis de proteínas
debe primero reducir el nitrógeno al estado de oxidación (III).
Generalmente, cuando el ión nitrato funciona como un aceptor de
electrones, el producto es NO2- :
½ NO3- + ¼ {CH2O} ½ NO2
- + ¼ H2O + ¼ CO2
41
El rendimiento de energía libre por electrón mol es solamente 2/3 del
rendimiento cuando el oxígeno es el oxidante, sin embargo el ión nitrato
es buen receptor de electrones en ausencia de O2. Uno de los factores
limitantes del uso del ión nitrato en esta función es su relativamente baja
concentración en muchos aguas. Además el NO2- es relativamente tóxico
y tiende a inhibir el crecimiento de muchas bacterias luego de alcanzar
cierto nivel.
5.3.5. DENITRIFICACION
Un caso especial muy importante de reducción de nitrato es la
Denitrificación en el cual el nitrógeno reducido es un gas que contiene N,
usualmente N2. A pH de 7.00 unidades el G por mol de la reacción es
orgánicos hacia un río o lago. Por ejemplo, este fenómeno es el
responsable de la presencia de herbicidas en sedimentos que contienen
partículas de suelo contaminadas erosionadas desde suelos agrícolas a
como también algunos compuestos orgánicos son arrastrados a los
sedimentos por los sobrantes de organismos o por heces de zooplancton
que han acumulado contaminantes orgánicos.
La materia particulada suspendida afecta la movilidad de compuestos
orgánicos adsorbidos sobre partículas. Además, la materia orgánica
adsorbida lleva a cabo la degradación química y biodegradación a
diferentes velocidades y rutas comparadas con la materia orgánica en
solución. Pocos estudios se han realizado sobre la interacción de coloides
naturales y los orgánicos. Se requieren estudios adicionales para entender
la toxicidad, transporte y degradación de contaminantes orgánicos en
aguas naturales.
Existe por supuesto, una amplia variedad de compuestos orgánicos que
llegan al agua. Como se puede esperar ellos reaccionan con los
67
sedimentos por diferentes medios, el tipo y fuerza de enlace varía con el
tipo de compuesto. Los tipos de sedimentos mas comunes considerados
por su habilidad de enlazamiento orgánico son las arcillas, sustancias
orgánicas (húmicas) y húmico-arcillosas las cuales actúan como
intercambiadores catiónicos. Además estos materiales adsorben
compuestos orgánicos catiónicos a través e intercambio iónico. Este es un
mecanismo de sorción fuerte, el cual reduce grandemente la movilidad y
la actividad biológica del compuesto orgánico. Cuando son adsorbidos
por arcillas, los compuestos orgánicos catiónicos se mantienen entre las
capas de la estructura mineral de la arcilla y aquí su actividad biológica es
cero.
Puesto que muchos sedimentos pierden sus sitios de intercambio aniónico,
los orgánicos cargados negativamente no son sostenidos muy fuertemente.
Luego, estos compuestos son relativamente móviles en el agua, y su
actividad biológica y biodegradabilidad permanece alta en el agua a pesar
de la presencia de sólidos.
El grado de sorción de compuestos orgánicos es generalmente
inversamente proporcional a la solubilidad en el agua. Los compuestos
más solubles en agua tienden a ser tomados fuertemente por materiales
sólidos lipofílicos. Los compuestos con alta presión de vapor pueden salir
del agua o de los sólidos por evaporación, cuando esto sucede las
reacciones fotoquímicas juegan un papel importante en su degradación.
68
El herbicida 2,4 D (2,4 ácido-diclorofenoxiacético) ha sido estudiado
extensamente en sus reacciones de sorción. Muchos de estos estudios
tratan con minerales arcillosos puros, pero donde suelos y sedimentos
tienen comúnmente un componente complejo ácido fulvico-arcilla. La
adsorción del 2,4-D sobre un complejo puede ser descrita usando la
ecuación Freundlinch tipo isoterma:
X = K C’
donde X es la cantidad adsorbida por unidad de peso del sólido, C es la
concentración del 2,4-D en equilibrio y n y k constantes. Estos valores se
determinan graficando Log X versus Log C, si la ecuación de Freundlinch
se cumple, la gráfica dará una linea recta con n como pendiente como el
intercepto de Log K.
La sorción del 2,4-D sobre un complejo orgánico arcilloso a 5 C dió un
valor de n de 0.76 y Log K de .0815; a 25 C n fue 0.83 y Log K fue
0.716.
La adsorción de hidrocarburos no volátiles por sedimentos remueve estos
materiales del contacto con organismos acuáticos pero también retarda su
biodegradación. Las plantas acuáticas producen algunos hidrocarburos
que son encontrados en sedimentos. Obviamente, el retener la materia
orgánica por material suspendido o sedimentado en el agua es un
fenómeno importante. Si no fuera por este fenómeno, los pesticidas en el
agua serían mucho más tóxicos. La biodegradación es disminuida
69
apreciablemente, sin embargo por la adsorción por un sólido y la
influencia resultante en su biodegradación es una consideración
importante en la licencia de nuevos pesticidas.
6.6. GASES EN EL AGUA INTERSTICIAL
El agua atrapada en los sedimentos es llamada Intersticial, tal agua puede
tener concentración de soluto diferente de los del cuerpo de agua
principal. Las aguas intersticiales son un reservorio importante de gases
en sistemas de aguas naturales. Generalmente, las concentraciones de
gases en estas aguas son diferentes a las del cuerpo de agua global.
7. CONTAMINACION DEL AGUA
El agua es el usual recipiente de contaminación humana en nuestro
ambiente. El es comúnmente el vehículo de la contaminación y también a
menudo la hidrosfera es el depósito final de la contaminación (Figura 12).
70
Existen algunas razones para esto. Para colocar un contaminante en la
atmósfera usualmente se requiere una gran cantidad de energía de
gasificación, combustión, vaporización o de pulverización. Sin embargo
para colocar un poluente en la hidrosfera o litosfera se requiere muy poca
energía. Un poluente es tóxico o al menos dañino para los organismos que
lo producen, luego la contaminación debe ser transportada de su punto de
origen. Los poluentes son altamente móviles en la atmósfera y casi
inmóviles en la litosfera. Los contaminantes tales como residuos sólidos,
depositados en la litosfera tienden a no dispersarse y acumularse sino
simplemente a ocupar todo el espacio donde los colocaron. Sin embargo
los contaminantes en la hidrosfera son también móviles y rápidamente
transportados de su punto de ya estén solubles o dispersos.
FIGURA 12. Trayectorias de la contaminación.
71
7.1. QUIMICA DE LA CONTAMINACION DEL AGUA
Los contaminantes en el agua ya sean naturales o antropogénicos, pueden
ser divididos en las siguientes categorías:
1. Naturales Ejemplos: Nitrato, fosfato
2. Materia Orgánica Residuos domésticos o industriales
3. Sustancias Indeseables Aceites
4. Venenos Mercurio, fenoles, pesticidas
Los nutrientes aceleran el crecimiento de organismos y pueden producir
la eutroficación; la degradación de la materia orgánica puede consumir el
suministro de oxígeno disuelto vital en el agua (DBO, DQO). Como
sustancias indeseables se catalogan aquellas que producen color en las
72
aguas, aumentan su turbiedad, o cubren su superficie, sedimentos y
orillas. Finalmente existen químicos que son específicamente dañinos
para la vida acuática y otros organismos, incluyendo el hombre que puede
llegar a estar en contacto con ellos o ingerirlos. Los contaminantes
también pueden alterar el pH de las aguas e impartirle olores y sabores
indeseables. Debido a que no puede ser cuantificado, algunos científicos
niegan la calidad estética del agua y otras formas de daño ambiental, ya
que este es el aspecto de deterioro ambiental más obvio para el público en
general.
Además de ser contaminada químicamente el agua puede ser
térmicamente afectada y esta forma de contaminación puede traer
consecuencias químicas desastrosas tales como la reducción de oxígeno
disuelto.
Algunas actividades humanas son notoriamente serios contaminantes del
agua. Examinaremos algunos rápidamente tales como desechos
industriales, producción de pulpa y papel, drenaje de ácido de minas,
detergentes y finalmente aguas negras.
7.1.1. RESIDUOS INDUSTRIALES
La industria no solamente usa enormes cantidades de agua, 3.4 % de la
precipitación anual, fracción solamente igualada por uso en irrigación y
cerca de seis veces el uso municipal, sino que algunas industrias han sido
73
reconocidas como serios contaminantes (Tabla No. 5 y No. 6). Estas
incluyen la industria agrícola y el procesamiento de alimentos, la industria
de fermentación, la producción, fabricación y terminado de metales,
textiles y colorantes, pulpa y papel, industria petroquímica. La tabla No. 4
muestra la cantidad de algunos efluentes industriales, mientras la tabla
No. 7, indica las fuentes de metales pesados en las principales industrias.
TABLA No. 5. VALORES ESTIMADOS DE AGUAS RESIDUALES
DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES ANTES DE TRATAMIENTO
INDUSTRIA
AGUAS RESIDUALES (Galones * 1012)
DEMANDA BIOQUUIMICA DE
OXIGENO (Libras * 106)
SOLIDOS SEDIMENTABLES Y
SUSPENDIDOS (Libras *106)
Alimenticia
Textil
Papel y Subproductos
Química y Subproductos
Carbón y Petróleo
Caucho y Plásticos
Metalurgia
Maquinarias
690
140
1900
3700
1300
160
4300
150
4300
890
5900
9700
500
40
480
60
6600
__
3000
1900
460
50
4700
50
74
Eléctrica
Transportadora
Otras
91
240
450
70
120
390
20
__
930
TOTAL 13100 22000 18000Doméstica
(120 millones de personas)
5300 a 7300 b 8800 c
Donde:a= Número de personas 120 galones/persona/día 365 díasb= Número de personas 1/6 lb/persona/día 365 díasc= Número de personas 1/5 lb/persona/día 365 días
TABLA No. 6. COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES, SUS EFECTOS Y FUENTES TÍPICAS
GRUPO EFECTOS FUENTES1. BIOOXIDABLES : Expresadas como DBO
El amoníaco es particularmente importante como una base en la atmósfera
porque es la única base presente soluble en agua a niveles significativos.
Disuelto en gotas de agua atmosférica, juega un fuerte papel en la
naturaleza neutralización de ácidos:
NH3 (ac) + HNO3 (ac) NH4NO3 (ac)
NH3 (ac) + H2SO4 (ac) NH4HSO4 (ac)
136
Estas reacciones tienen tres efectos:
1. Resultan como ión NH4+ en sales sólidas o disueltas
2. Sirve en parte para neutralizar constituyentes ácidos
3. Produce sales de amonio relativamente corrosivas.
10.7. PARTICULAS ATMOSFERICAS
Las partículas atmosféricas son componentes significativos de la
atmósfera particularmente de la troposfera. Las partículas de tamaño
coloidal en la atmósfera se llaman AEROSOLES, estas partículas se
originan en la naturaleza de Sprays, humus, polvo y de la evaporación de
materiales orgánicos proveniente de la vegetación. Otras partículas típicas
de origen natural son bacterias, niebla, granos de polen y cenizas
volcánicas.
Muchos fenómenos importantes en la atmósfera involucran partículas
aerosoles, incluyendo el fenómeno de electrificación, formación de nubes
y de niebla. Las partículas ayudan a determinar el balance de calor de la
atmósfera de la tierra por luz reflectiva. Probablemente la más importante
función de las partículas en la atmósfera es su acción como núcleo para la
formación de cristales de hielo y gotas de agua.
En la figura 20, se ilustran partículas que se hayan involucradas en
muchas reacciones químicas en la atmósfera. Las reacciones de
137
neutralización, las cuales ocurren más rápidamente en solución pueden
llevarse a cabo en gotas de agua suspendidas en la atmósfera. Partículas
pequeñas de óxidos metálicos y carbón tienen un efecto catalítico sobre
los reacciones de oxidación . Las partículas también participan en
reacciones de oxidación inducidas por luz.
10.8. GASES INORGANICOS CONTAMINANTES
Un gran número de gases inorgánicos contaminantes entran a la atmósfera
como resultado de las actividades humanas. Los que son adicionados en
mayor cantidad son CO, SO2, NO Y NO2 (estas cantidades son
relativamente pequeñas, comparadas a la cantidad de CO2 en la
atmósfera). Otros gases inorgánicos contaminantes incluyen al NH3, N2O,
N2O5, H2S, Cl2, HCl y HF. Cantidades sustanciales de algunos de estos
gases penetran a la atmósfera cada año por las actividades humanas.
FIGURA 20. Partículas involucradas en Reacciones Químicas en la
Atmósfera
138
En general, las emisiones atmosféricas de monóxido de carbono y óxidos
de nitrógeno son del orden de uno a varios cientos de millones de
toneladas al año.
10.9. REACCIONES DEL OXIGENO ATMOSFERICO
Algunas de las reacciones de intercambio de oxígeno entre la atmósfera,
litosfera, hidrosfera y biosfera se resumen en la figura 8 y en el capitulo 5,
donde se describe ampliamente el ciclo del oxígeno.
139
10.10. REACCIONES DEL NITROGENO ATMOSFERICO
El 78 % en volumen del nitrógeno contenido en la atmósfera constituye
un gran reservorio de este elemento esencial. El ciclo del nitrógeno
(figura 6) y el nitrógeno fijado por microorganismos se discuten en el
capitulo 5.
A diferencia del oxígeno, el cual es casi disociado completamente a la
forma monoatómica en regiones altas de la termosfera, el nitrógeno
molecular no es rápidamente disociado por la radiación ultravioleta. Sin
embargo, a altitudes que exceden aproximadamente 100 km, el nitrógeno
atómico es producido por reacciones fotoquímicas:
N2 + h N + N
Otras reacciones que pueden producir nitrógeno monoatómico son:
N2+ + O NO+ + N
NO+ + e- N + O+
O+ + N2 NO+ + N
Como se muestra en las reacciones anteriores, NO es involucrado en la
remoción del O3 estratosférico y es regenerado por la reacción de NO2 con
el O atómico un precursor de la formación de ozono. El ión NO+ formado
de NO, es una de las especies iónicas predominantes en la región E de la
140
Ionosfera. La secuencia de reacciones en las cuales NO+ es formada es la
siguiente:
N2 + h N2+ + e-
N2+ + O NO+ + N
En la región D más baja de la Ionosfera, la cual se extiende 50 Km a
85 Km de altitud, el NO+ se produce directamente por radiación de
ionización:
NO + h NO+ + e-
En la parte más baja de esta región, las especies iónicas N2+ se forman a
través de la acción de rayos cósmicos galácticos:
N2 + h N2+ + e-
Los óxidos de nitrógeno contaminantes particularmente NO2, son especies
claves involucradas en la contaminación del aire y en la formación del
smog fotoquímico. Por ejemplo, el NO2 es rápidamente disociado
fotoquímicamente a NO y a nitrógeno atómico reactivo:
NO2 + h NO + O
141
Esta reacción es el proceso fotoquímico primario más importante
involucrado en la formación del smog.
10.11. EL CO ATMOSFERICO
Se conoce que el tiempo de vida del monóxido de carbono en la atmósfera
no es largo, tal vez del orden de 4 meses. El CO es removido de la
atmósfera por la reacción con el radical hidroxilo HO:
CO + HO CO2 + H
La reacción produce un radical hidroxiperoxilo como producto:
O2 + H + M HOO + M
El HO es regenerado de HOO por las siguientes reacciones:
HOO + NO HO + NO2
HOO + HOO H2O2 + O2
La última reacción es seguida por la disociación fotoquímica del H2O2
para regenerar el HO:
142
H2O2 + h 2 HO
El metano está también involucrado a través del ciclo atmosférico que
relaciona CO, HO y CH4.
Los microorganismos del suelo actúan para remover el CO de la
atmósfera. Además el suelo es un depósito para el monóxido de carbono.
10.12. REACCIONES DEL DIOXIDO DE AZUFRE EN LA
ATMOSFERA
Las reacciones químicas atmosféricas del SO2 pueden estar influenciadas
por muchos factores, que incluyen la temperatura, humedad, intensidad de
luz, transporte atmosférico y características de superficie de el material
particulado. Al igual que otros contaminantes gaseosos, el dióxido de
azufre reacciona para formar materia particulada, la cual se sedimenta
desde la atmósfera por la lluvia u otros procesos. Se conoce que altos
niveles de contaminación del aire están acompañados por el aumento
marcado de partículas de aerosoles y con una consiguiente reducción de
visibilidad, se cree que los aerosoles son productos de las reacciones del
dióxido de azufre. Cualquiera que sea el proceso involucrado, mucho del
143
SO2 en la atmósfera es finalmente oxidado a ácido sulfúrico y sales de
sulfato, particularmente sales de amonio. Los sulfatos tiene gran potencial
para inducir cambios climáticos lo cual es tenido en cuenta al considerar
el control de este gas.
Algunos de los medios posibles en los cuales el SO2 puede reaccionar en
la atmósfera son:
1. Reacciones fotoquímicas
2. Reacciones químicas y fotoquímicas en presencia de óxidos de N y/o
hidrocarburos particularmente alquenos
3. Procesos químicos en gotas de agua, particularmente conteniendo sales
metálicas y amonio, y
4. Reacciones sobre partículas sólidas
Se debe tener en cuenta que la atmósfera es un sistema altamente
dinámico y con grandes variaciones en temperatura, composición,
humedad, intensidad luminosa.
Las reacciones fotoquímicas son probablemente involucradas en algunos
procesos resultantes en la oxidación del SO2. La luz con por arriba de
218 nm no es lo suficientemente energética para lograr la fotodisociación
del SO2, así que las reacciones fotoquímicas directas en la troposfera no
son significativas.
144
La presencia de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno aumentan
considerablemente la velocidad de oxidación del SO2 atmosférico. Los
hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y la luz ultravioleta son ingredientes
necesarios para la formación del smog fotoquímico.
La reacción más importante en fase gaseosa que conlleva a la oxidación
del SO2 es la adición del radical HO,
HO + SO2 HOSO2
formando un radical libre reactivo el cual es eventualmente convertido a
sulfato.
En atmósferas secas, es probable que el dióxido de azufre se oxide por
reacciones que ocurren dentro de gotas de agua de aerosoles. Si {O}
representa un agente oxidante como H2O2, HO3 o O3 y S (IV) es SO2 (ac),
HSO3 (ac) y SO3-2 (ac), la reacción que ocurre es :
{O} (ac) + S (IV) (ac) 2 H+ + SO2=
En ausencia de especies catalíticas, la reacción con el O2 molecular
disuelto,
½ O2 (ac) + SO2 (ac) + H2O H2SO4 (ac)
145
es muy lenta para ser significativa.
El peróxido de hidrógeno es un agente oxidante importante en la
atmósfera, el reacciona con el SO2 disuelto de acuerdo con la siguiente
reacción:
SO2 (ac) + H2O2 (ac) H2SO4 (ac)
para producir ácido sulfúrico.
El ozono, oxida el SO2 en el agua. La reacción más rápida es con el ión
sulfito,
SO3-2
(ac) + O3 (ac) + H2O SO4-2 (ac) + O2
Las reacciones más lentas son con HSO3- (ac) y SO2 (ac).
10.13. LLUVIA ACIDA
Como se ha discutido anteriormente, mucho de los óxidos de S y N que
entren a la atmósfera son convertidos a ácido sulfúrico y ácido nítrico
respectivamente. Cuando estos ácidos se combinan con el HCl
proveniente de emisiones industriales, causan una precipitación ácida o
146
lluvia ácida, el cual es un gran problema de contaminación en algunas
áreas.
Las cabeceras de los ríos y lagos de alta altitud son especialmente
susceptibles a los efectos de la lluvia ácida y pueden afectar los peces y
otras formas de vida acuática. Otros efectos son la reducción de los
bosques y productividad de cultivos, lixiviación de nutrientes, cationes y
metales pesados de suelo, rocas, disolución de metales tales como plomo
y cobre de sistemas de distribución de agua, corrosión de metales y
disolución de las superficies calcáreas de edificios y monumentos.
Como resultado de su amplia distribución y efectos, la lluvia ácida es un
contaminante del aire que puede llegar a ser un peligro para la atmósfera
total.
El dióxido de azufre, SO2 contribuye más a esta precipitación acídica que
el CO2 presente en niveles altos en la atmósfera por dos razones: La
primera es que el SO2 es significativamente más soluble en agua como lo
indica la constante de Henry de 3.8 x 10-2 mol x L-1 x atm. En segundo
lugar el valor Ka,1 para el SO2 (ac)
SO2 (ac) + H2O H+ + HSO3-
[H+] [HSO3-]
Ka,1 = ________________ = 1.7 x 10-2
[SO2]
147
es 4 veces mayor en magnitud que el valor de 4045 x 10-7 para el CO2.
Aunque la lluvia ácida puede originarse de la emisión directa de ácidos
fuertes, tales como el HCl gaseoso o el H2SO4, mucha de ella es un
contaminante secundario del aire producido por la oxidación atmosférica
de gases formadores de ácidos como los siguientes:
Reacción totalSO2 + ½ O2 + H2O {2 H+ + SO4
=} (ac)
en varias etapas
Reacción total2 NO2 + ½ O2 + H2O 2 {H+ + NO3
-} (ac)
en varias etapas
Reacciones químicas como estas juegan un papel dominante en la
determinación de la naturaleza, transporte y destino de la precipitación
ácida. Como resultado de tales reacciones las propiedades químicas
(acidez, habilidad de reaccionar con otras sustancias) y las propiedades
físicas (volatilidad, solubilidad) de los contaminantes acídicos
atmosféricos son alterados drásticamente.
148
BIBLIOGRAFIA
ALBAIGES J. Analytical Techniques in Environmental chemistry. Pergamon Press 1978
DEININGER, R.A. Models for Environmental pollution control. Ann Arbor Science Publishers Inc. Michigan 1973
EDWARDS, G; KELLY, J.; MAYS, P. Ozone, acidic precipitation, and soil mangnesium impacts on soil and loblolly pine seedling nutrient status after three growing seasons. Water, air, soil pollut. 1992, 63(3-4), 281-94. Eng.
FAUST, SAMUEL D., “Fate of Organic Pesticides in the Aquatic Enviroment”, American Chemical Socety, Washington, D. C., 1972
FAUST S.D., ALY O.M., “Chemistry of the Natural Waters", butter worths. Stoneham, Ma. 1981.
FORD, D. L., ELLER, J. M., GLOYNA, E. F., “Analytical Parameters of Petrchemical and Refinery Wastewaters”, Journal WPCF, 1971, 43 (8), 1712 - 1723 p.
FORSTNER, U. Contaminated Sediments. Springer-Verlag, Berlin 1989
HAMILTON, C.L. Chemistry in the Environmental. W.H. Erceman and Company San Francisco. 1973
149
HAMILTON F.L., SIMPSON G.S., Cálculos de Química Analítica, McGraw-Hill, New York. 1964.
HORNE, R.A. The chemistry of our Environmental-John Wiley & Sons. Inc. Canada 1978
KIETH L.H. Identification and Analysis of organic pollutants in water. Ann Arbor Science. 1981
MANAHAN, STANLEY E., Enviromental Chemistry, 6th edition, Boston, 1994
MOORE, J.W., MOORE, E.A. Environmental Chemistry. Academic Press, Inc. New York, 1976.
NYER, EVON K. ; KRAMER, VICTORIA, VALKENBURG, N. Biochemical effects on contaminant fate and transport. Ground-water monit. Rev. 1991, 11 (2), 80-2 Eng.
PURVES, D. Trace-element contamination of the Environment. Elsevier Scientific Publishing Company Amsterdam. 1977
RIZWANUL, H. FREED, V.H. Environmental Dynamics of Pesticides. Plenum Press, New York 1974
SCHWARTZ, S.E. Trace atmospheric constituents, properties, transformations, and fates. Advances in Environmental Science and techniology- Wiley Sciences Volumen 12, 1982.
SNOEYINK V.L., JENKINS D., Water Chemistry, John Wiley and Sons, New York. 1980
STUMM W. MORGAN J., Aquatic Chemistry, Wiley - Interscience, New York, 1970.
150
THE CHEMICAL Society. Environmental Chemistry. Vol 1 Specialist Periodical Reports, Burlington House, London W1V OBN, 1975
TINSLEY, Y. J., Chemical Concepts in Pollutant Behavior a Wiley - Interscience Publication, Oregon, State University, Corvallis, 1979