Fundamentos de la Química Atmosférica y Reacciones Fotoquímicas
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Atmosférica P6: Reacciones en la Atmósfera P2
Moléculas eléctricamente excitadas
Se producen cuando las moléculas estables absorben radiación electromagnética en las regiones visible o UV. La molécula excitada puede perder su exceso de energía por distintos mecanismos:
- Proceso fotofísico: La molécula vuelve a su estado fundamental.
- Proceso fotoquímico: La molécula sufre una reacción química.
Mecanismos de pérdida de energía
- Luminiscencia: Pérdida de energía por emisión de radiación electromagnética.
- Transferencia de energía intermolecular: Una especie excitada transfiere energía a otra especie.
- Transferencia de energía intramolecular: La energía se transfiere dentro de la misma molécula.
Radicales libres y procesos secundarios
Los radicales libres son átomos o grupos de átomos con electrones no apareados, lo que los hace altamente reactivos y con tiempos de vida generalmente cortos. Pueden formar parte de reacciones en cadena donde uno o más productos son radicales.
Los procesos secundarios ocurren cuando los productos de los procesos fotoquímicos (iones o radicales libres, a veces en estado excitado) inician otras reacciones químicas adicionales.
Leyes fundamentales de la fotoquímica
- Ley de absorción: Solo aquellas radiaciones que son absorbidas pueden producir cambios químicos.
- Ley energética: Para que una radiación luminosa actúe eficazmente, debe poseer una energía al menos igual a la necesaria para la transformación química.
- Ley de la equivalencia fotoquímica (Ley de Einstein): Por cada fotón absorbido, corresponde una molécula descompuesta o combinada en la etapa primaria.
La estratosfera y la capa de ozono
En la estratosfera, el ozono y el oxígeno absorben la mayor parte de la radiación UV de onda corta (entre 200 y 300 nm). La liberación de 90 kJ/mol produce una gran cantidad de calor, razón por la cual la estratosfera es más caliente que la capa superior de la tropopausa.
El espesor de la capa de ozono varía globalmente: es menor cerca del ecuador y mayor hacia los polos. También fluctúa estacionalmente (más gruesa en primavera, más delgada en otoño) debido a patrones de circulación atmosférica e intensidad solar.
Reacciones del nitrógeno en la atmósfera
La atmósfera es un gran reservorio de nitrógeno. Algunos microorganismos y los relámpagos son capaces de fijarlo. Los principales óxidos presentes son N₂O, NO, NO₂ y el radical NO₃. La química de estos óxidos es crucial en la formación del smog fotoquímico.
- N₂O: Gas hilarante, no influye en las reacciones troposféricas.
- NO y NO₂: Involucrados en el deterioro de la calidad del aire.
Smog fotoquímico
Se denomina así a la contaminación del aire por ozono y otros compuestos originados en reacciones fotoquímicas. Se caracteriza por un color parduzco, visibilidad reducida, irritación ocular y deterioro de materiales. La formación de compuestos oxidantes, especialmente el ozono, es indicativa de este fenómeno.
Los COV's (hidrocarburos no quemados, disolventes, isopreno, limoneno, pineno) reaccionan con la luz solar para formar PAN y PBN.
Reacciones globales del smog
- Reacción primaria: NO₂ + hν → NO + O (λ < 398 nm)
- Especies de oxígeno: O₂ + O + M → O₃ + M; O₃ + NO → NO₂ + O₂
- Radicales libres orgánicos: O + COV's → R•; O₃ + COV's → R•
- Propagación y terminación: ROO• + NO → NO₂ + RO•; NO₂ + RO• → Productos (PAN, PBN)
Destrucción de la capa de ozono
La reacción global de destrucción es:
O₃ + NO → NO₂ + O₂
NO₂ + O• → NO + O₂
Reacción global: O₃ + O• → 2O₂