INTRODUCCIÓN

 LA MOTIVACIÓN fundamental que permitió la sobrevivencia del hombre fue la búsqueda de la mejor satisfacción de sus necesidades primordiales.

En nuestra sociedad actual, el avance tecnológico es enorme y en la obtención de satisfactores se ha perseguido generalmente el máximo beneficio, con el menor costo y esfuerzo. La acumulación de industrias, automóviles y otras fuentes de contaminación ha cumplido con aumentar la producción de bienes, pero a un enorme costo social, ya que ha originado una contaminación del ambiente que es incompatible con la salud humana y la sobrevivencia del ecosistema en que vivimos. En las grandes urbes el fenómeno de la contaminación es crítico.

Sin comida, podemos vivir cerca de un mes. Sin agua, sólo unos cuantos días. Pero sin aire, moriríamos en minutos. Un aire envenenado es tan nocivo como la ausencia del mismo. En lugar de llevar oxígeno a nuestras células, la hemoglobina transporta veneno.

Quizá el caso más notorio en la historia de la contaminación ocurrió la semana del 4 al 10 de diciembre de 1952, cuando una masa de aire frío cubrió la ciudad de Londres. Debido a la baja temperatura, gran parte de la población prendió sus estufas de carbón, y la industria y la circulación de vehículos no se detuvieron. El día 6, la luz del Sol apenas penetraba la densa nube de contaminantes, que no podía salir del valle del Támesis debido a la menor temperatura de la masa superior de aire. La incidencia de ataques al corazón y las dificultades respiratorias creció. Cuando al fin el viento despejó el cielo, se estima que unas 4 000 personas habían muerto por razones atribuibles al fenómeno.

Ésta y otras catástrofes similares han hecho tomar conciencia a diversos sectores de la población, aunque muchos otros aún ignoran las letales consecuencias de la contaminación.



Vale la pena aclarar que la mano del hombre y la era tecnológica no son los únicos culpables de la impureza del aire. Se estima que cuatro erupciones volcánicas recientes (Krakatoa, 1883; Katami, 1912; Hekla, 1947; y Chichón, 1982) han arrojado más gases y partículas a la atmósfera que el hombre a lo largo de su historia.

En este capítulo revisaremos los aspectos químicos más relevantes de la contaminación atmosférica. Iniciamos con la descripción de la atmósfera, para luego considerar los diversos contaminantes y sus efectos y, finalmente, citar las medidas más generalizadas para su control.

LA   ATMÓSFERA

La atmósfera que rodea la Tierra es una delgada capa degases. Hasta unos 30 km de altura, el aire constituye un 99% del peso total de la atmósfera. Sólo existe el suficiente oxígeno para la subsistencia vital a alturas menores de los 6 km sobre el nivel del mar, y en los océanos (biosfera).
La atmósfera se estructura en capas que se encuentran a diferentes temperaturas y compuestas por distintos gases:

a) La troposfera, entre 0 y 10 km sobre el nivel del mar, dentro de la cual se desarrolla la vida aérea.

b) La estratosfera, hasta 80 km de altura, es un "aire" muy enrarecido, con mucha menor densidad. En ella existe una capa de ozono, O3, de unos 20 km de altura, que resulta esencial para la vida. Esta capa es una especie de "escudo" que protege a la Tierra de radiaciones solares letales, conocidas como rayos ultravioleta.

c) La ionosfera, que se extiende hasta unos 500 km hacia arriba, donde la concentración de materia es aún menor. Recibe su nombre debido a que la radiación ultravioleta y otros fenómenos eléctricos producen la ionización de sus componentes. Por lo tanto, allí existen iones. Estos son los responsables de que las ondas de radio "reboten" hacia la Tierra, lo que hace posible la comunicación radiofónica.

Para efectos de análisis de la contaminación, prestaremos atención a la troposfera y a la capa de ozono (O3) en la estratosfera.

Cerca de la superficie de la Tierra, la composición del aire es la que se presenta en el cuadro V.1.
Si se desea obtener el porcentaje en volumen a partir de ppm, hay que dividir entre 10 000. Entonces, fundamentalmente, el aire consiste de 78% en volumen de N2, 21% de O2 y 1% de argón.

ppm= número de moléculas en un millón de moléculas de aire

Co₂ + H₂O +Luz Solar ----> Azucares + Almidón + Oxigeno

Generó gran cantidad de oxígeno. Mucho hierro de la corteza se oxidó, formándose los minerales que hoy usamos para extraer el hierro. La creciente presencia de O2 y su conversión en O3 hizo posible que la superficie del planeta fuera menos inhóspita. Al proliferar la vida en el mar y en la tierra se formó la actual atmósfera, con una quinta parte de O2.

La contaminación del aire proviene de la adición de sustancias que alteran su composición normal y producen efectos nocivos en las personas, animales y otros sistemas

Entre los fenómenos atmosféricos hay dos que guardan relación con la contaminación: a) la inversión térmica; y b) las reacciones fotoquímicas. Veamos cada uno de ellos.

Inversión térmica

El aire frío es más denso que el caliente. Cuando sobre una ciudad circula una corriente fría, ésta empuja el aire que se encuentra debajo, produciendo un ligero calentamiento por compresión. Por así decirlo, el aire frío atrapa a aquél sobre la ciudad y no permite la salida de los contaminantes generados. Unos pocos días en esta situación bastan para generar una crisis de contaminación.

Veamos por qué se conoce a este efecto como "inversión térmica".

En condiciones normales, la temperatura del aire crece conforme más cerca esté de la superficie. Al penetrar una capa de aire frío, esta tendencia se rompe; aquél se sitúa entre el aire tibio y comprime al que está por debajo. El fenómeno queda claro en la figura.

Como puede observarse, existe una pequeña zona donde la temperatura crece con la altura, una inversión respecto a la normalidad.
En Londres (1952), una inversión térmica de varios días junto con la continua emisión de SO2 y CO2 como producto de la combustión del carbón de coque, provocó el venenoso smog.

Smog fotoquímico

Existe un cierto tipo de reacciones que tienen lugar gracias a la presencia de la luz: las reacciones fotoquímicas. Un ejemplo es la fotosíntesis, ya mencionada, y otro la reacción que ocurre en las películas fotográficas, cuando el obturador de la cámara se abre durante una fracción de segundo.





Óxidos de azufre

Se producen cuando el azufre elemental o sus compuestos se queman en el aire.

S +O₂ ---> SO<sub>2

Parte del SO2 proviene de erupciones volcánicas (originalmente como H2S), así como de la acción de bacterias sobre la materia orgánica.

La otra parte es atribuible al hombre, por las siguientes acciones, entre otras: a) quemar carbón de coque con alto contenido de azufre; b) extraer metales de sulfuros; c) quemar combustibles sin reformar (diesel y combustóleo); y d) fabricar ácido sulfúrico.

Estudios recientes realizados en el D.F., demuestran que el pH de toda el agua de lluvia es menor que 5.5 (valor menor al de una atmósfera limpia), de ahí que debido a la contaminación, en lugar de agua, sobre nuestra ciudad "llueve ácido".

Los medios químicos son los más eficientes para eliminar el SO2. Puede quemarse la piedra caliza para obtener óxido de calcio.</sub>

CaCo₃ --->CaO + CO₂

y usarlo para eliminar SO2, mediante la reacción: 

CaO+ SO₂ --->CaSO₃ sulfito de calcio

El SO2 tiene un tiempo corto de residencia en la atmósfera. En presencia de oxígeno y de luz se oxida a SO3:
 

2SO₂ +O₂ --->2SO₃

El trióxido también es peligroso, pues reacciona con el agua para dar ácido sulfúrico, sumamente corrosivo, 

SO₃ + H₂O --->H₂SO₄

Con la lluvia, el SO2 y el SO3 son "lavados" de la atmósfera y se vierten sobre ríos y mares en forma de ácidos: 

H₂SO₃ y H₂SO₄

Con ello, la acidez aumenta, la vida acuática se daña, se provocan corrosión y deslaves. Con esta "lluvia ácida" se dañan incluso las construcciones, debido a la reacción

H₂SO₄ + CaCO₃ (cal) --->CaSO₄ + H₂O

Óxidos de N2

La presencia mayoritaria de N2 en el aire y la necesidad de este elemento para la síntesis de proteínas en los seres vivos marcan la gran importancia del nitrógeno en la biosfera.

Entre los óxidos de nitrógeno, el NO2 es el de mayor interés para efectos de la contaminación. Una fuente de NO2 está constituida por los motores de los vehículos. En la cámara de combustión se alcanzan temperaturas tan elevadas que N2 y O2 (del aire) se combinan, dando lugar a varios óxidos de nitrógeno.

Lo interesante por analizar, además de sus posibles efectos nocivos directos, es el papel que desempeñan en el llamado ciclo de nitrógeno. Un desbalance en dicho ciclo puede dar lugar a una catástrofe en la que se haga imposible la vida en la Tierra.

Veamos cómo llegan a la atmósfera los óxidos de nitrógeno. En cualquier proceso de combustión en el aire (o en tormentas eléctricas) se forma cierta cantidad de NO:

N₂ + O₂ ---> luz ---> 2NO

A éste no se le considera peligroso para la salud, pero reacciona rápidamente con el oxígeno del aire, produciéndose NO2, un gas de color café, sofocante, con toxicidad directa en los pulmones:

2NO + O₂ ---> 2NO₂

El NO2 reacciona con el vapor de agua: 

2NO₂ + H₂O --->  HNO₃              +              HNO₂
                                   ácido nítrico                ácido nitroso

y con el oxígeno y el agua de la atmósfera: 

4NO₂ + 2H₂O + O₂ ---> 4HNO₃

Dando un carácter ácido al aire atmosférico, el que pasa al suelo al llover.

Óxidos de carbono

El más nocivo es, sin duda, el monóxido, CO. Es un veneno letal, pues interfiere en el transporte del oxígeno a las células del organismo.

La hemoglobina de la sangre toma el oxígeno del aire alveolar:

O₂ + hemoglobina --->oxohemoglobina

peor si allí existe CO, esté puede tomar el lugar del oxígeno:

CO + hemoglobina ---> carboxihemoglobina

Lo grave es que la carboxihemoglobina es 140 veces más estable que la oxihemoglobina, así que las moléculas de hemoglobina que se combinan con CO quedan inútiles para el transporte de oxígeno, pues ese monóxido de carbono bloquea la entrada de O2. Conforme las moléculas de hemoglobina son inhabilitadas por el CO, no les es posible transportar O2 a las células y sobreviene la muerte por asfixia.

El CO es incoloro e inodoro pero venenoso

Una concentración de 30 ppm de CO durante 8 horas basta para provocar fuerte dolor de cabeza y náuseas.
Es normal que en las grandes ciudades se tengan niveles prolongados de 30 ppm o más en las calles transitadas, pues una fuente de CO es la combustión realizada en los automóviles.


Cuando los autos no tienen ningún control para reducir la emisión de CO, por cada 100 litros de gasolina quemada se generan unos 30 gramos de monóxido de carbono.

En 1982 ocurrió una intoxicación masiva notable en la ciudad de México, cuando cientos de coches querían salir al mismo tiempo de un estacionamiento subterráneo. La emisión de CO y la lentitud del sistema de cobro propiciaron lo que pudo convertirse en una catástrofe, de no ser porque el cobrador resolvió dejar salir a los vehículos sin pagar.

El otro óxido de carbono, el CO2, es el contaminante en mayor proporción en la atmósfera. Sus efectos no son tan graves como los del monóxido, y como la propia naturaleza logra eliminarlo eficazmente, no causa ningún problema agudo de contaminación.

Los vegetales controlan el nivel de CO2 en la atmósfera al emplearlo para sintetizar carbohidratos:
                         Luz
6CO₂ + 6 H₂O  -------------------> C₆H₁₂O₆ + 6O₂

                         Clorofila           Glucosa


Si el proceso de fotosíntesis se detuviera, bastarían 2 000 años para que desapareciera todo el oxígeno de la atmósfera.

Recientemente ha preocupado el hecho de que la cantidad de CO2 en la atmósfera parece ir en aumento, como se observa en el siguiente cuadro.

Aumento de la cantidad de CO2 en la atmósfera
Año	CO2
1900	296 ppm
1980	320 ppm

La razón de ello es que el CO2 absorbe fácilmente la radiación calorífica que la Tierra emite debido a la entrada de los rayos solares a su superficie. A este fenómeno se le conoce como "efecto de invernadero", pues el vidrio o plástico de un invernadero cumple la función de no permitir la salida del calor, con lo que se logra que aun en lugares fríos puedan cultivar plantas tropicales.

Así, se teme que si sigue creciendo el nivel de CO2 atmosférico, el calor empiece a acumularse en la Tierra, y que la temperatura del planeta aumente hasta hacerlo inhabitable, derritiéndose antes los casquetes polares y aumentando la altura del nivel del mar en varios metros.

El transporte, una de las mayores fuentes de óxidos de carbono

Las reacciones de formación de CO y CO2 a partir de gasolina (octanos), junto con sus cocientes volumétricos de oxígeno a combustible, son:

                                                         Relación
                                                                          (O₂/ C₈ H₁₈)
2C₈ H₁₈ + 25O₂ ---> 16CO₂ + 18H₂O             12.5


2C₈ H₁₈ + 17O₂ ---> 16CO + 18H₂O                  8.5

Así, cuando la gasolina se quema con poco aire, tiene lugar preferentemente la segunda reacción, mientras que si existe exceso de aire se produce la primera. De esta forma, es recomendable que el pistón reciba más de 12.5 moléculas de O2 por cada molécula de gasolina. Así, es mínimo el CO producido.

Los coches, camiones y aviones cuentan, desde hace pocos años, con mecanismos para reducir la emisión de contaminantes. Estos son, entre otros:

• Carburador rediseñado
• Convertidor CO CO2
• Reductor de emisiones de óxidos de nitrógeno
• Bomba de inyección de aire
• Motor que funciona con gasolina sin plomo

Hidrocarburos

Ya se mencionó que la presencia de hidrocarburos en el aire conlleva la formación de peligrosos contaminantes secundarios, como el NPA.

La gasolina se escapa de cuatro partes del coche: carburador, escape, cárter y tanque. La mitad de los hidrocarburos se escapan debido a la mala afinación

En las ciudades, la mayor fuente de hidrocarburos proviene de la evaporación de la gasolina. Varios hidrocarburos aromáticos son cancerígenos (su inhalación provoca muerte por cáncer a los ratones de laboratorio).

Los hidrocarburos no saturados, como el etileno, intervienen en las reacciones fotoquímicas que crean el smog, ya que producen aldehídos:


                                                         O
                                                          II

2H₂C = C H₂ + O₂ ---> 2 C H₃  --- C---H

 

Etileno                             acetaldehído

Plomo

Su presencia en la atmósfera se debe a la adición de tetraetilo de plomo en las gasolinas (para elevar su octanaje). Dentro del pistón, debido a la alta temperatura, se forma el óxido de plomo, PbO2.

Como éste es un sólido no volátil, que daña las bujías, a la gasolina también se le adicionan algunos hidrocarburos dorados, para que se forme PbCl2, que sí es volátil, y salga del pistón, hacia la atmósfera.

El plomo y sus sales son tóxicos para el organismo y llegan a afectar el sistema nervioso central. Afortunadamente, el cuerpo humano logra deshacerse de unos 230 g de plomo cada día, pero si la cantidad que entra es mayor, se acumula y provoca intoxicación.

Pb: puede entrar en el organismo a través de la piel

Ozono

El ozono, O3, es el gas picante e irritante que a menudo se percibe cerca de los motores eléctricos. Ya mencionamos que se forma en la atmósfera baja debido a reacciones fotoquímicas, de manera que es un contaminante secundario.
Sin embargo, como parte de la estratosfera, nos es indispensable para detener los rayos ultravioletas que provienen del Sol.

El ozono es un escudo protector de la vida

Recientemente se ha descubierto que ciertos compuestos producidos por el hombre llegan a la estratosfera y pueden destruir el ozono. Se trata de los cloro fluoralcanos, también conocidos como freones:

CCl₂ F_{2 (} freón 12 ₎  y  CCl₃ F ( freón 11 )

los cuales se han venido usando como líquidos refrigerantes e impulsores en latas de aerosoles. Como son muy volátiles e inertes, permanecen entre 10 y 30 000 años en la atmósfera, por lo que llegan a difundirse hasta la estratosfera, donde se localiza la capa de ozono. Allí reaccionan fotoquímicamente y producen átomos de cloro:

CCI₃F ---> CCI₂F + CI

CCI₂F₂ ---> CCIF₂ ·+ CI

Ese cloro estratosférico destruye el ozono:

                            CI · + O₃ ---> CIO · + O₂

                            CIO · + O --->CI · + O₂

Suma                         O + O₃ --->2O₂

Se ha estimado que si el ozono estratosférico se redujera en 1%, habría 2% más casos de cáncer en la piel, debido a la mayor cantidad de rayos ultravioleta que llegarían a la superficie de la Tierra.

Desde fines de los años setenta, se detecta cada año, durante los meses de septiembre y octubre, una disminución drástica de la concentración de ozono estratosférico sobre la Antártida, a la que se denomina desde entonces el "hoyo de ozono".

De acuerdo con la interpretación más aceptada, en el invierno del hemisferio sur se forma un cinturón de vientos en la estratosfera, a 66 grados latitud sur. Al llegar la primavera, ese vórtice aísla el aire sobre el Polo Sur y evita la entrada del más cálido proveniente de las latitudes medias. La temperatura reducida permite la activación de los productos químicos clorofluorados que destruyen el ozono.

El hallazgo reciente (Nature, 16 de noviembre de 1989) es que existe también un anillo de bajo ozono alrededor del hoyo antártico, según indican los resultados de diversos vuelos de medición realizados desde la base de Punta Arenas, Chile.

Si el estudio posterior verifica tal pérdida de ozono alrededor del hoyo, los científicos habrán de estudiar sus causas y mecanismos. Recordemos que la vida en la Tierra pudo originarse y podrá persistir gracias a esta capa estratosférica protectora.

Partículas

Para finalizar, revisaremos brevemente la contaminación de polvos suspendidos.

Cuando una partícula pequeña (o, en general, cualquier otro cuerpo sólido) cae en el aire, inicialmente se acelera, pero en virtud de una fuerza de resistencia alcanza después una velocidad constante, llamada velocidad terminal.

En el vacío todos los cuerpos caen acelerados, pero esto no sucede cuando caen en el aire

Cuanto más pequeña es la partícula, su velocidad terminal es menor. Por ejemplo, una que tuviera radio de 1 µ necesitaría dos horas y media para caer 30 cm (en aire inmóvil). En pocas palabras, estos polvos finos se encuentran suspendidos en el aire, forman parte de él, y esa mezcla aire-partículas es un aerosol.

Al respirar, muchas partículas entran por nuestros orificios nasales. Sin embargo, podemos sobrevivir gracias a un eficaz mecanismo eliminador en nuestro sistema respiratorio. La mayor porción de las partículas es detenida antes de llegar a los alvéolos. No obstante, las que tienen diámetros menores que 5 mm pueden llegar hasta el espacio alveolar y depositarse. Allí existen células "limpiadoras" que se mueven para englobar el polvo extraño y transportarlo hasta los ganglios linfáticos.

La partícula puede disolverse en los líquidos celulares y distribuirse por el organismo, pero si no es soluble permanece en el pulmón o en el sistema linfático, produce inflamaciones y, cuando se acumulan, llegan a provocar dificultades respiratorias y cardiacas.

En especial, las partículas que contienen sílice o metales son las más peligrosas.
Así, lo importante para evitar la contaminación por polvos es no enviar a la atmósfera las partículas con diámetros pequeños (menores de 7 µ).