Contaminantes del aire: primarios, secundarios, lluvia ácida, esmog y efecto invernadero

La contaminación atmosférica es la presencia en el aire de sustancias en cantidades que alteran su composición natural y dañan la salud, a los seres vivos o los materiales. La producen principalmente los vehículos, las industrias, las centrales eléctricas, los incendios y algunas actividades domésticas y agropecuarias, aunque también hay fuentes naturales, como los volcanes.

Los contaminantes se dividen en primarios y secundarios.

Contaminantes primarios

Son los que se emiten directamente desde su fuente y permanecen en la atmósfera tal como salieron. Para evaluar la calidad del aire se miden sobre todo los óxidos de azufre, el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos, las partículas y el plomo.

Óxidos de azufre

El dióxido de azufre ($\ce{SO2}$) se produce al quemar combustibles con azufre (carbón, combustóleo, diésel), al fundir minerales de sulfuro y en las erupciones volcánicas. En el aire se oxida a $\ce{SO3}$, que con el agua forma ácido sulfúrico:

$$\ce{S + O2 -> SO2}$$

$$\ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}$$

$$\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$$

Irrita las vías respiratorias y es el principal responsable de la lluvia ácida.

Óxidos de carbono

• Monóxido de carbono ($\ce{CO}$): es el más peligroso de los contaminantes primarios. No tiene color ni olor y se une a la hemoglobina de la sangre con más fuerza que el oxígeno, así que impide que este llegue a las células y puede causar la muerte por asfixia. Se produce en la combustión incompleta, sobre todo en los motores de los autos.
• Dióxido de carbono ($\ce{CO2}$): no es tóxico en las concentraciones del aire, pero es el principal gas de efecto invernadero. Se produce en toda combustión.

$$\ce{C + O2 -> CO2} \qquad\qquad \ce{2C + O2 -> 2CO}$$

Óxidos de nitrógeno

A las altas temperaturas de los motores y de las tormentas eléctricas, el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionan y forman monóxido de nitrógeno ($\ce{NO}$), que después se oxida a dióxido de nitrógeno ($\ce{NO2}$), un gas café, tóxico y sofocante:

$$\ce{N2 + O2 -> 2NO}$$

$$\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$$

El $\ce{NO2}$ reacciona con el agua y forma ácido nítrico ($\ce{HNO3}$), que también contribuye a la lluvia ácida. Además, participa en la formación del esmog.

Hidrocarburos

Provienen de la evaporación de la gasolina, de las fugas de gas y de la combustión incompleta. Algunos, como el benceno y el benzopireno, son cancerígenos. Con la luz solar reaccionan con los óxidos de nitrógeno y forman contaminantes secundarios.

Partículas suspendidas

Polvo, hollín, humo y cenizas. Las más peligrosas son las más pequeñas: las PM10 (menores de 10 micrómetros) y, sobre todo, las PM2.5 (menores de 2.5 micrómetros), que penetran hasta los pulmones y la sangre.

Plomo

Antes se agregaba tetraetilo de plomo a la gasolina para mejorar su octanaje, y el plomo salía por el escape. Es tóxico para el sistema nervioso, sobre todo en los niños. En México se eliminó de la gasolina en 1997.

Contaminantes secundarios

Se forman en la atmósfera por reacciones químicas entre contaminantes primarios, muchas veces impulsadas por la luz solar (reacciones fotoquímicas).

• Ozono troposférico ($\ce{O3}$): se forma cerca del suelo a partir de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos con la luz del Sol. Es un gas picante que irrita los ojos y los pulmones. En la estratosfera el ozono es benéfico, pero en el aire que respiramos es un contaminante.
• Nitrato de peroxiacetilo (PAN): se forma en el esmog fotoquímico; irrita los ojos y daña las plantas.
• Ácidos sulfúrico y nítrico: se forman a partir de los óxidos de azufre y de nitrógeno.

Fenómenos relacionados con la contaminación

Lluvia ácida

El agua de lluvia normal es ligeramente ácida (pH cercano a 5.6) porque disuelve un poco de $\ce{CO2}$. Cuando arrastra ácido sulfúrico y ácido nítrico, su pH baja aún más. La lluvia ácida acidifica lagos y suelos, mata peces y árboles y corroe los edificios y monumentos de mármol y piedra caliza:

$$\ce{CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + CO2 + H2O}$$

Efecto invernadero

La Tierra recibe energía del Sol y emite parte de ella como radiación infrarroja (calor). Gases como el $\ce{CO2}$, el metano ($\ce{CH4}$), el vapor de agua y el óxido nitroso ($\ce{N2O}$) absorben esa radiación y mantienen el planeta caliente. Sin este efecto natural, la temperatura media sería de unos −18 °C.

El problema es que la quema de combustibles fósiles y la deforestación han aumentado mucho la cantidad de estos gases. Se retiene más calor y la temperatura global sube: es el calentamiento global, que provoca deshielo de los polos, aumento del nivel del mar y eventos climáticos extremos.

Destrucción de la capa de ozono

Los clorofluorocarbonos (CFC), como el freón 11 ($\ce{CFCl3}$) y el freón 12 ($\ce{CF2Cl2}$), se usaban en refrigeradores, aires acondicionados y aerosoles. Son muy estables, así que suben sin cambios hasta la estratosfera, donde la luz ultravioleta los rompe y libera átomos de cloro. Cada átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono:

$$\ce{Cl + O3 -> ClO + O2} \qquad\qquad \ce{ClO + O -> Cl + O2}$$

Al adelgazarse la capa de ozono, llega más radiación ultravioleta a la superficie, que causa cáncer de piel y cataratas. Desde el Protocolo de Montreal (1987), los CFC se han sustituido y la capa de ozono se recupera poco a poco.

Esmog fotoquímico

Es una neblina café amarillenta que se forma en las ciudades soleadas con mucho tránsito, cuando los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos reaccionan con la luz ultravioleta del Sol. Contiene ozono, PAN y aldehídos; irrita los ojos y las vías respiratorias y daña las plantas.

Inversión térmica

Normalmente, la temperatura del aire disminuye con la altura: el aire caliente del suelo sube y se lleva los contaminantes. En una inversión térmica, una capa de aire caliente queda encima de una capa de aire frío. El aire frío, más denso, no puede subir, y la capa caliente actúa como una «tapadera» que atrapa los contaminantes cerca del suelo. Es frecuente en las mañanas frías de invierno en valles rodeados de montañas, como el Valle de México.

En la gráfica, la línea que empieza en 24 °C es el perfil normal: la temperatura baja con la altura. En la que empieza en 8 °C, la temperatura sube en los primeros 600 m: esa es la capa de inversión.

Cómo se mide y se reduce la contaminación

En la Ciudad de México, la calidad del aire se informa con el Índice de Calidad del Aire y Riesgos a la Salud, y cuando el ozono o las partículas rebasan ciertos niveles se activan contingencias ambientales. Algunas medidas para reducir la contaminación son los convertidores catalíticos de los autos, la verificación vehicular, el uso del transporte público y la bicicleta, y las energías limpias.

Comprueba lo aprendido

1. ¿Qué ácido contiene principalmente la lluvia ácida?Ver respuestaOcultar respuesta

Ácido sulfúrico ($\ce{H2SO4}$), formado a partir del $\ce{SO2}$; también ácido nítrico.

2. ¿Cuál es la diferencia entre un contaminante primario y uno secundario?Ver respuestaOcultar respuesta

El primario se emite directamente desde su fuente (CO, SO₂, NO); el secundario se forma en la atmósfera por reacciones entre primarios (ozono troposférico, PAN).

3. ¿Por qué empeora la contaminación durante una inversión térmica?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque el aire frío del suelo queda atrapado bajo una capa de aire caliente y no puede subir, así que los contaminantes no se dispersan.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos sobre el aire

Referencias

• Hill, J. W. y Kolb, D. K. (1999). Química para el nuevo milenio (8.ª ed.). Pearson Educación.
• Garritz, A. y Chamizo, J. A. (2001). Tú y la química. Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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