Química del ambiente

Ximena Díaz, Ph.D.

Evaluación

• Prácticas de laboratorio 2• Deberes 2• Trabajo 3• Examen 3

Total 10

Práctica de laboratorio

• Departamento de Metalurgia ExtractivaEscuela Politécnica Nacional

(detrás de la Politécnica Salesiana, altope de la Veintimilla)– Mandil– Charla de seguridad en laboratorio– Reporte individual de cada práctica

Práctica de laboratorio

Reporte de laboratorio• Objetivo• Introducción

– Generalidades sobre técnica empleada– Equipos– Usos

• Metodología experimental– Procedimiento– Esquema del equipo

• Resultados• Observaciones y conclusiones

– metodología– equipos– seguridad en el laboratorio– resultados

• Bibliografía

Química

• La química está ligada a todos los elementosambientales y al ser humano– en el aire que respiramos– en el agua que usamos– en el suelo donde crecemos nuestros alimentos– en nuestro cuerpo, que es la fábrica química más

sofisticada que existe con un increíble número deprocesos químicos complejos que ocurren

Química

• Actualmente hay una granpreocupación por las consecuencias deluso y mal-uso de actividades químicasque amenazan al medioambiente demanera global– El informe del IPCC (Intergovernmental

Panel on Climate Change) de Febrero,2007, establece que el incremento de CO2en la atmósfera en los últimos 50 años esde origen antropogénico

Química

– Acidificación de los océanos, porincremento del CO2 antropogénico

• CO2 + H2O --> H2CO3

• La lluvia ácida - SO2 y NOx• SO2 + 1/2O2 + H2O --> H2SO4

• 2NO2 + H2O --> HNO3 + HNO2

– El agujero de la capa de ozono (O3)

Recuperación de la capa de O3

Química

• Problemas ambientales locales– Incremento de la polución, por exceso de

contaminantes gaseosos que se desechana la atmósfera

– Decremento de la calidad de los ríos porcontaminación con metales pesados

– Incremento de la salinidad de los suelospor uso excesivo de químicos, entre otrosfactores

Química Ambiental

• Es el estudio de los fenómenos químicos ybioquímicos que ocurren en el ambiente

• Puede definirse como el estudio de lasfuentes, reacciones, transporte, efectos ydestino de las especies químicas en el medioambiente: aire, suelo y agua; y el efecto de laactividad humana en éstos

Química Ambiental

• Una disciplina relacionada es laToxicología química, que es la químicade las sustancias tóxicas con énfasis ensus interacciones con los sistemasvivos

Química Ambiental

• Provee un marco de trabajo muy bueno parael estudio de la química debido a que topatodas las subdivisiones de la química

• Debe estudiar:– química orgánica– química analítica– físico-química– fotoquímica– geoquímica– biología química

Mini-curso de química

Materia y los bloques que laforman

• Toda materia está compuesta solamente dealrededor de 100 elementos

• Cada elemento está constituido porpequeñas entidades llamadas átomos

• Todos los átomos del mismo elemento secomportan químicamente de manera idéntica

• Atomos son los bloques fundamentales de lamateria

Atomos• Atomos están formados por 3 clases de

partículas básicas:

protones => tienen carga positiva

neutrones => no tienen carga

protones y neutrones forman el núcleo

electrones => tienen carga negativa y se mueven en órbitas alrededor del núcleo

Atomos

protones y neutrones tienen pesos comparables, muy altos (1673 x 10–23 g) => forman núcleos muy densos electrones => muy pequeños y muy livianos (9,1 x 10–28 g)

Unidades:• 1 amu (unidad de masa atómica) (= 1 dalton) =

1/12 masa de un núcleo de carbón-12• 1 dalton = 1.67 x 10-24 g

Atomos

Si un electrón pesara igual que una moneda de 10 ctvun protón pesaría igual que un galón de leche !

Neutrones y protones tiene casi las mismas masas

Atomos

1 protón 2 protones 6 protones1 electrón 2 electrones 6 electrones0 neutrón 2 neutrones 6 neutrones

Atomos tienen igual número de protones y electrones

Usualmente átomos tienen igual número de protones y neutrones

Adicionar un protón hace que se tenga una nueva clase de átomo

Adicionar un neutrón se tiene otro isótopo del mismo elemento

Atomos

Atomos y elementos• El número de protones en el núcleo del

átomo de un elemento es el númeroatómico

• Los números atómicos van incrementandodesde 1 para el H hasta 118. Cada unodenota un elemento diferente

• Cada elemento tiene un nombre y unsímbolo químico, Carbón (C); Hidrógeno (H)

• Cada elemento tiene una masa atómica(peso atómico), que es la masa promedio detodos los átomos del elemento, incluyendovarios isótopos que puede tener

Tabla periódica

• Muy útil para entender la química y predecirel comportamiento químico

• Clasifica los elementos en orden creciente asu peso atómico => Filas: períodos

• Propiedades de elementos se repitenperiódicamente

• Elementos con propiedades similares estánarriba o abajo del elemento agrupados enGrupos (columnas)

Tabla periódica - algunascaracterísticas

• Los grupos o “familias” que tienen propiedadesdiferentes pueden clasificarse:– alcalinos (Grupo IA, valencia +1)– alcalino térreos (Grupo IIA, valencia +2)– no-metales (concentrados en escalera en la derecha, de

Grupos IIIA - VII A)– del boro (Grupo IIIA, valencia +3)– del carbono (Grupo IVA, valencia +2, +4)– del nitrógeno (Grupo VA, valencias +1, +3, +5)– del oxígeno (Grupo VIA, valencia -2, +2, +4, +6)– del flúor (Grupo VIIA, valencia -1, +1, +3, +5, +7)– gases nobles (Grupo VIIIA, valencia 0)– metales de transición (Grupo B)

Tabla periódica - algunascaracterísticas

• Gases nobles, existen individualmentecomo elementos

• Demás elementos requieren enlacesquímicos con otros o consigo mismo,para formar compuestos y existir

H H

H2

H H

O

H2O

Isótopos

Isótopos

• Aunque los átomos del mismo elemento sonquímicamente idénticos, átomos de lamayoría de elementos consisten en 2 o másisótopos que tienen diferente número deneutrones en el núcleo, por tanto tienediferente masa atómica

• Tienen diferentes propiedades físicas• Algunos isótopos son comunes y estables,

otros inestables, otros muy raros

Isótopos del carbón

2.4 segundosnilcarbón-15

0.74 segundonilcarbón-16

5730 añostrazascarbón-14(radioactivo)

estable13.0033541.11%carbón-13

estable12exactamente

(por definición)

98.89%carbón-12

tiempo devida

masa delisótopo (Da)

abundanciaisótoposnaturales

isótopo

Isótopos

• Abundancias son las huellas (fingerprints)que pueden usarse para determinar losorígenes de las muestras– compuestos naturales vs. sintéticos– materiales radioactivos del mercado negro– objetos de origen extraterrestre– edad de los objetos

Espectrometría de masas• Se usa para determinar por análisis las

masas isotópicas y su abundancia

Espectrometría de masas

Isótopos estables - Usos• Edad

δ18O2 (0/00), δ18O2/δ16O2 - aguas subterráneas, hielode glaciares (glaciación)

– 16O, 18O, 17O– 18O/16O provee registro de temperatura de tiempos

antiguos– 18O requiere más energía para vaporización y se

condensa antes que el 16O– Agua 10-15oC más fría que la actual, representa

glaciación

Isótopos estables - Usos• Tipos de plantas como indicadores del cambio

climático• 3C/4C - Pasto (grass)

– 3C y 4C emplean diferentes sistemas de fotosíntesis– En clima seco 4C hace mejor uso del agua que 3C– 4C incluye mayor parte de cereales y plantas usadas

ahora como biocombustibles– Con mayor cantidad de CO2, pasto tipo 3C

aumentará mientras pasto 4C (ahora dominante)puede decrecer su producción

Isótopos estables - Usos• Evolución de especies según dieta• 3C/4C - Pasto (grass)

– 3C y 4C han sido dominantes en diversas épocasprehistóricas (pe, 4C emergió hace 30M añoscuando [CO2] decreció en la atmósfera

– Análisis de dientes de paleoanimales y animalesmodernos, permite identificar tipos de dietas

– Biólogos y geólogos evolutivos estudian la influenciade la dieta en la evolución de algunos mamíferos

Isótopos• Hay isótopos radioactivos o radioisótopos

que tienen núcleos inestables que emitenpartículas cargadas y rayos gamma en formade radioactividad– Uranio, Plutonio, Radio

• Esta emisión de radioactividad provoca undecaimiento radioactivo que cambia losátomos de un determinado elemento y formaátomos de otro elemento

Radioactividad• Los elementos pesados son radioactivos• Se han determinado 3 tipos de radiación:

– partículas alfa (α)– partículas beta (β)– rayos gamma (γ)

partículas α y β producen decaimiento radioactivo

Radioactividad

Detección

Radioactividad• partículas alfa (α)

– compuesta por 2 protones + 2neutrones = núcleo de He

– tiene carga positiva (porprotones)

– por su elevada masa, tiene unrango corto de acción por loque es el menos peligroso

– sin embargo, es sumamentepeligroso si es ingerido

Radioactividad• partículas beta (β)

– son electrones del núcleo– tiene carga negativa– mayor rango de penetración

que partículas α pero menosque la radiación γ

– sin embargo, es sumamentepeligroso si es ingerido

Radioactividad• radiación gamma (γ)

• compuesta de rayoselectromagnéticos.

• se distingue de los rayos X soloporque procede del núcleo

• Mayoría de rayos γ tienen mayorenergía que rayos X por mayorcapacidad de penetración en lamateria

• Tipo de radiación útil parapropósitos médicos, pero muypeligroso por su habilidad parapenetrar mayores profundidadesdel material

Radioactividad

poder de penetración en la materia

Decaimiento radioactivo• Cuando un átomo radiactivo emite una

partícula alfa, la masa del átomo resultantedisminuye en cuatro unidades y el númeroatómico en dos.

• Cuando un átomo radiactivo emite unapartícula beta, el número atómico aumentaen una unidad y la masa atómica semantiene constante.

• Cuando un núcleo excitado emite radiacióngamma, no varían ni su masa ni su númeroatómico, solo pierde una cantidad de energía

Decaimiento de laradioactividad

Decaimiento de laradioactividad

Uranio

0,0055%

246.000

234U

99,27%0,72%Abundancia

Partes de balas, misilesCorazas para tanques

ContrapesosGlace cerámicos (color)

Combustibleplanta nuclear (2-

3% U) y armas(> 90%U)

Uso

DU (depleted U - Uagotado)

Enriqueci-miento

Vida media(años)

4.470 millones

238U

U enriquecido

700 million

235U

Usos - isótopos radioactivos• Edad

14C - edad piezas arqueológicas; aguassubterráneas

- abundancia natural: trazas (10-10 %) en laatmósfera

- vida media de 5730 ± 40 años- radioactivo- se produce en la atmósfera superior de una

reacción que involucra 14N y decaimiento β- con O2 forma CO2 radioactivo que es fijado en las

plantas por fotosíntesis, o se incorpora a lageoquímica de las aguas

- pruebas nucleares en la atmósfera en añosrecientes (50-60s) han afectado su concentración

Usos - isótopos radioactivos

• EdadEdad de personas nacidas después de 1943haciendo análisis de 14C en dientes

En depósitos de petróleo y contaminación porpetróleo, análisis de radioisótopos de C e H (14C y3H), da información del origen de loshidrocarburos del petróleo, identificación de lafuente y grado de alteración de la degradación

Usos - isótopos radioactivos

• Edad (100 años hasta menos de 1 año)datación de sedimentos210Pb (Plomo) - hasta 100 - 200 años

• Velocidad de sedimentación en el fondo deun lago u océano210Pb no soportado

• Sedimentación reciente o resuspensión desedimentos7Be (Berilo) - menos de 1 año234Th (Torio) - menos de 1 año

222Rn

222Rn 222Rn 210Pb

210Pb

210Pb T1/2 = 22 yrs210Pb T1/2 = 22 yrs

Radon emissions from

land surface

Emisiones de Radón desdela superficie terrestre

Unsupported 210Pb210Pb – 226Ra

210Pb226Ra

7Be 7Be 7Be 7Be 7Be

DE

PTH

, IN

CM

MO

DEL

ED D

ATE

WIT

H 2

CM

AC

TIVE

LAY

ER

NO RESUSPENSION

NO RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

NO RESUSPENSION

7Be half life = 53 days

ACTIVE RESUSPENSION

210Pb 210Pb 210Pb 210 Pb

NO RESUSPENSION

NO RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

238U 234Th

DE

PTH

, IN

CM

MO

DEL

ED D

ATE

WIT

H 2

CM

AC

TIVE

LAY

ER

NO RESUSPENSION

NO RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

ACTIVE RESUSPENSION

NO RESUSPENSION

234Th half life = 24 days

ACTIVE RESUSPENSION

234Th, dpm/g