Química Ambiental · Air
Química atmosférica
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con química atmosférica? Escanea el problema.
Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.
Después, Scan Standard: /mes
Lo que aprenderás
- Explain how stratospheric ozone forms and is destroyed, including the Chapman reactions and chlorine catalytic cycles.
- Draw fishhook mechanisms for the radical steps that oxidise methane, convert NO to NO₂ and make nitric and sulfuric acids.
- Explain how sunlight, NOx and volatile organic compounds produce tropospheric ozone and photochemical smog.
- Trace sulfur and nitrogen oxides to the acids in acid rain and calculate the pH of unpolluted rain.
- Decide which gases absorb infrared radiation from the vibrational modes that change their dipole moment.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (7 partes)
El ozono en la estratosfera
En la estratosfera, la luz ultravioleta de longitud de onda inferior a unos 240 nm divide el O₂ en dos átomos de oxígeno. Cada átomo de O se adiciona al O₂ en una colisión de tres cuerpos (O + O₂ + M → O₃ + M); el tercer cuerpo M, normalmente N₂, se lleva el exceso de energía. El ozono absorbe UV-B y UV-C y se descompone en O₂ + O, y la reacción O + O₃ → 2 O₂ elimina oxígeno impar. Estas cuatro reacciones de Chapman explican por qué existe una capa de ozono, pero predicen más ozono del que se mide: los ciclos catalíticos también lo destruyen.
Ciclos catalíticos del cloro
Los CFC, como el CF₂Cl₂, son inertes en la atmósfera baja, por lo que alcanzan la estratosfera, donde la UV de longitud de onda corta rompe un enlace C–Cl y libera un átomo de cloro. Cl• + O₃ → ClO• + O₂ y luego ClO• + O → Cl• + O₂: el cambio neto es O₃ + O → 2 O₂ y el átomo de cloro se regenera, de modo que un solo átomo destruye miles de moléculas de ozono. La mayor parte del cloro está almacenada en reservorios, HCl y nitrato de cloro (ClONO₂). En el invierno polar estos reaccionan sobre las partículas de nubes estratosféricas polares para dar Cl₂, que la luz solar de primavera divide en átomos de cloro; entonces el ciclo del dímero de ClO destruye ozono sin necesidad de átomos de O.
El radical hidroxilo y las flechas de anzuelo
En la atmósfera baja, HO• es el principal oxidante. Se forma cuando la fotólisis UV del ozono da un átomo de oxígeno excitado que reacciona con el agua. HO• le quita un átomo de hidrógeno al metano: un electrón del enlace C–H se aparea con el electrón del radical para formar el enlace O–H del agua, y el otro queda sobre el carbono como CH₃•. Las flechas de anzuelo muestran estos movimientos de un solo electrón. Después, CH₃• se combina con O₂, dibujado como el biradical •O–O•, para dar el radical metilperoxi CH₃OO•.
Los NOx y el smog fotoquímico
Los motores producen NO a partir de N₂ y O₂ a alta temperatura. La luz solar divide el NO₂ en NO y un átomo de O que forma ozono, pero la reacción NO + O₃ → NO₂ + O₂ lo elimina de nuevo, así que los NOx por sí solos no pueden acumular ozono. Los radicales peroxi (HO₂•, CH₃OO•) formados a partir de compuestos orgánicos volátiles convierten NO en NO₂ sin consumir ozono, por lo que el ozono se acumula en las tardes soleadas. El nitrato de peroxiacetilo (PAN) es un irritante ocular típico que se forma en el smog.
Lluvia ácida
La lluvia pura en equilibrio con el CO₂ atmosférico ya es ligeramente ácida, con un pH de alrededor de 5,6. La lluvia ácida contiene los ácidos fuertes H₂SO₄ y HNO₃. El SO₂ se oxida por acción de HO• y da HOSO₂•, que el O₂ convierte en SO₃; el SO₃ se adiciona al agua para dar ácido sulfúrico. El NO₂ se combina con HO• para dar ácido nítrico. La caliza (CaCO₃) neutraliza el ácido, por lo que los lagos sobre granito son los más vulnerables, y los depuradores de las centrales eléctricas usan caliza para eliminar el SO₂.
Gases de efecto invernadero
Una molécula absorbe radiación infrarroja solo mediante vibraciones que cambian su momento dipolar. El N₂, el O₂ y el Ar no tienen ninguna vibración de ese tipo, por lo que son transparentes a la luz infrarroja que emite la Tierra (máximo cerca de 10 μm). El CO₂ tiene cuatro modos de vibración (3N − 5 para una molécula lineal); su tensión simétrica es inactiva en el IR, mientras que la tensión asimétrica y las dos flexiones absorben, con la flexión cerca de 667 cm⁻¹ (15 μm). El CH₄, el N₂O, el H₂O y los halocarbonos también absorben. El centro de la banda de 15 μm del CO₂ ya está casi saturado, por lo que cada molécula adicional de CO₂ tiene un efecto pequeño; los gases traza cuyas bandas están lejos de la saturación, sobre todo los que absorben en la ventana de 8–13 μm o cerca de ella, donde el CO₂ y el H₂O absorben poco, tienen efectos mucho mayores por molécula.
Lo que conviene recordar
La química atmosférica es química radicalaria impulsada por la luz solar: la fotólisis genera átomos y radicales, los ciclos catalíticos (Cl, NO, HO) regeneran sus portadores, HO• oxida el metano, el SO₂ y el NO₂, y las vibraciones que cambian un dipolo deciden qué gases atrapan la radiación infrarroja.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Dibuja el mecanismo 9
Ozono estratosférico
- El ciclo del dímero de ClO en el agujero de ozono polarDibuja los pasos radicalarios por los que dos radicales ClO se dimerizan, el dímero se fotoliza y ambos átomos de cloro se regeneran con liberación de O₂.
- ClO• y NO₂ forman el reservorio de nitrato de cloroDibuja la combinación radicalaria del monóxido de cloro con NO₂ que almacena el cloro activo como nitrato de cloro.
Radicales troposféricos y smog
- HO₂• convierte NO en NO₂ y regenera HO•Dibuja el mecanismo con flechas de anzuelo por el que el radical hidroperoxilo oxida NO a NO₂ y regenera el radical hidroxilo.
- Oxidación del metano por el radical hidroxilo hasta el radical metilperoxiloDibuja el mecanismo con flechas de anzuelo por el que el radical hidroxilo sustrae un átomo de hidrógeno del metano y el radical metilo se combina después con O₂.
- El radical metoxilo y el O₂ dan formaldehído y HO₂•Dibuja el mecanismo con flechas de anzuelo por el que el O₂ sustrae un átomo de hidrógeno del radical metoxilo para dar formaldehído y el radical hidroperoxilo.
- El radical metilperoxilo convierte NO en NO₂Dibuja el mecanismo con flechas de anzuelo por el que el radical metilperoxilo oxida NO a NO₂ y se convierte en el radical metoxilo.
Lluvia ácida
- El radical hidroxilo y el NO₂ se combinan para dar ácido nítricoDibuja la combinación radicalaria del radical hidroxilo con NO₂ que forma ácido nítrico en el aire contaminado.
- El O₂ convierte el radical HOSO₂• en SO₃Dibuja el mecanismo con flechas de anzuelo por el cual el O₂ le quita el átomo de hidrógeno al HOSO₂•, formado a partir de SO₂ y el radical hidroxilo, para dar SO₃ y HO₂•.
- Hidratación del trióxido de azufre a ácido sulfúricoDibuja el mecanismo polar por el cual el agua se adiciona al trióxido de azufre para dar ácido sulfúrico.
Predice el producto 5
Ozono estratosférico
- ¿Qué le hace la luz UV al CF₂Cl₂?Predice los productos de la fotólisis estratosférica de un CFC a partir de las fuerzas de enlace relativas.
- Reacción neta del ciclo del cloroSuma los pasos del ciclo catalítico Cl/ClO para hallar su reacción neta y el catalizador.
Lluvia ácida
- El ácido principal del carbón con alto contenido de azufrePredice el ácido fuerte que se forma en la lluvia a favor del viento de las plantas que queman carbón con alto contenido de azufre.
- ¿Qué lago sufre más la lluvia ácida?Predice cómo el carbonato de la roca madre controla la sensibilidad de un lago a la lluvia ácida.
Radicales troposféricos y smog
- ¿De dónde proviene el radical hidroxilo?Identifica la secuencia de reacciones que produce el radical hidroxilo en la troposfera.
Clasificar 5
Gases de efecto invernadero
- ¿Qué vibración del CO₂ es inactiva en el IR?Clasifica los modos de vibración del CO₂ como activos o inactivos en el IR a partir de los cambios de dipolo.
Ozono estratosférico
- ¿Qué reacción de Chapman forma ozono?Identifica la reacción de Chapman que forma ozono y el papel del tercer cuerpo.
- El reservorio de cloro que contiene nitrógenoDistingue una especie de reservorio de cloro de los gases fuente de cloro y de nitrógeno.
Radicales troposféricos y smog
- Identifica el nitrato de peroxiacetiloReconoce la estructura del nitrato de peroxiacetilo (PAN) a partir de su formación desde el radical acetilperoxi y el NO₂.
- ¿Smog fotoquímico o sulfuroso?Clasifica un episodio de smog como fotoquímico o sulfuroso según sus condiciones y contaminantes.
Comparar 4
Gases de efecto invernadero
- Ordena los gases del aire secoOrdena los principales gases del aire seco por abundancia y relaciona la abundancia con la importancia en el efecto invernadero.
- Ordena por tiempo de vida atmosféricoOrdena especies atmosféricas por tiempo de vida según la rapidez con que las eliminan el radical hidroxilo o la luz UV.
Ozono estratosférico
- ¿Qué sustituto agota menos el ozono?Explica por qué un enlace C–H hace que un HCFC agote menos el ozono que un CFC.
Radicales troposféricos y smog
- ¿A qué gas ataca más rápido el HO•?Predice las velocidades relativas de la abstracción de hidrógeno por HO• a partir de las fuerzas de los enlaces C–H.
Calcular 7
Gases de efecto invernadero
- Longitud de onda de la banda de flexión del CO₂Convierte el número de onda de la banda de flexión del CO₂ en una longitud de onda en micrómetros.
- Modos de vibración del CO₂Cuenta los modos de vibración de una molécula triatómica lineal con la regla 3N − 5.
- CO₂ equivalente de una fuga de metanoConvierte una emisión de metano a CO₂ equivalente usando su potencial de calentamiento global.
Lluvia ácida
- pH de la lluvia no contaminadaCalcula el pH de la lluvia en equilibrio con el CO₂ atmosférico a partir de la ley de Henry y Ka1.
- Estado de oxidación del nitrógeno en el ácido nítricoAsigna el estado de oxidación del nitrógeno en el ácido nítrico formado a partir de NOx.
- Electrones perdidos cuando el SO₂ se convierte en ácido sulfúricoUsa los estados de oxidación para contar los electrones perdidos cuando el SO₂ se oxida a ácido sulfúrico.
Ozono estratosférico
- Longitud de onda más larga capaz de dividir el O₂Calcula la longitud de onda más larga de un fotón capaz de romper el enlace O=O a partir de su energía de enlace.
Encuentra el error 2
Ozono estratosférico
- Por qué el modelo de Chapman predice demasiado ozonoDiagnostica los procesos de pérdida de ozono que faltan cuando las reacciones de Chapman por sí solas sobreestiman el ozono.
Lluvia ácida
- Encuentra el error en la ecuación de un estudianteDiagnostica por qué la hidratación del SO₂ por sí sola no puede dar ácido sulfúrico.
Interpreta la evidencia 2
Gases de efecto invernadero
- Dónde alcanza su máximo la emisión infrarroja de la TierraUsa la ley de Wien para ubicar el máximo de la emisión térmica de la Tierra y relacionarlo con las bandas de absorción de los gases de efecto invernadero.
Radicales troposféricos y smog
- Interpretar un día de datos de smogInterpreta la secuencia temporal de los máximos de NO, NO₂ y ozono durante un día de smog.
Planea una síntesis 1
- Cómo eliminar el SO₂ de la chimenea de una central eléctricaElige un método químico para eliminar el SO₂ de los gases de combustión de una central eléctrica.
Explica por qué 5
Gases de efecto invernadero
- ¿Por qué el N₂ no es un gas de efecto invernadero?Explica por qué un gas diatómico homonuclear no puede absorber radiación infrarroja.
- Por qué importa más una molécula extra de metanoExplica por qué añadir una molécula de metano calienta más que añadir una molécula de CO₂.
Ozono estratosférico
- Por qué el agujero de ozono está sobre la AntártidaExplica cómo las nubes estratosféricas polares convierten el cloro de reservorio en cloro activo.
Radicales troposféricos y smog
- De dónde viene el átomo de oxígeno cerca del sueloExplica por qué el ozono cerca del suelo se forma por la fotólisis del NO₂ y no por la del O₂.
- Por qué el smog necesita compuestos orgánicosExplica cómo los radicales peroxi de los compuestos orgánicos volátiles permiten que el ozono se acumule.
¿Atascado con química atmosférica? Escanea el problema.
Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.
Después, Scan Standard: /mes