Manual de Físico-Química 1º Bach

Tema: Lluvia ácida

TEMARIO FISICO-QUÍMICA 1º BACHILLERATO BLOQUE 3: REACCIONES QUÍMICAS

LLUVIA ÁCIDA

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Tema: Lluvia ácida

¿Qué es y para qué sirve? Lluvia ácida En el otro tema de esta unidad (nylon), hemos visto la utilidad de la química para crear nuevos materiales más baratos y con mejores propiedades que los ya conocidos. Estos materiales han cambiado nuestra vida para mejor, y sin ellos nuestra calidad de vida disminuiría drásticamente. Pero es indudable que la química también tiene efectos negativos, que hay que conocer y subsanar. El tema de hoy trata de un problema que produce la contaminación, la lluvia ácida, sus consecuencias y cómo se trata de solucionar. Al funcionar, las centrales térmicas, fábricas y vehículos emiten gases como óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y trióxido de azufre. Estos gases se combinan con la humedad del aire (por ejemplo en las nubes) y forman ácidos nítrico, sulfuroso y sulfúrico. El viento puede arrastrar estos ácidos muy lejos del sitio donde se produjeron. Cuando llueve, el agua arrastra los ácidos y puede causar problemas muy graves. Por ejemplo, se sabe que los óxidos de azufre producidos en las cuencas industriales alemanas dieron lugar a precipitaciones de lluvia ácida en Suecia, produciendo la muerte de peces en los lagos y también de árboles. Estos problemas se producen no sólo en Europa sino en todas partes del mundo.

¿Puedes formular las reacciones de la lluvia ácida?

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El dióxido de azufre se combina con agua para dar ácido sulfuroso (nótese que en estas reacciones y las siguientes, el número de átomos a la izquierda de la flecha es igual que a la derecha): SO2 + H2O → H2SO3 El trióxido de azufre se combina con agua para dar ácido sulfúrico (que es el potente salfumán, con que desatascamos tuberías). SO2 + H2O → H2SO4 El óxido nitroso (NO) se forma por reacción entre el nitrógeno y el oxígeno del aire a altas temperaturas (por ejemplo, en los motores de coches y aviones). Luego se combina con el oxígeno del aire para dar dióxido de nitrógeno (NO2) y éste se combina con agua para dar ácido nítrico (que se ha usado para limpiar material de vidrio cuando los limpiadores tradicionales fallaban). N2 + O2 → 2 NO 2NO + O2 → 2 NO2 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO Por culpa de estos ácidos, la lluvia, que tiene normalmente un pH (acidez) de 5.7 (ligeramente ácida), pasa a tener un pH menor de 3 (como el del vinagre). Si esta lluvia cae sobre un bosque, acidifica de tal forma el terreno, que puede llegar a matar las plantas, sobre todo los árboles. Si la lluvia cae sobre un lago, puede matar los peces. Si cae sobre una catedral o sobre un monumento hecho con mármol o piedra caliza, puede corroerlo por completo. Así, la catedral de Colonia (Alemania) sufrió daños tan graves en 1960-1980 por la contaminación que si no se hubiera puesto remedio con restricción de tráfico y con restauración urgente, habría probablemente desaparecido. ¿Puedes formular qué pasa cuando el ácido sulfúrico y el ácido nítrico reaccionan con la piedra caliza (CaCO3)?

¡Exacto! Lo que ocurre con el ácido sulfúrico es lo siguiente: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2CO3 H2CO3 → H2O + CO2 La piedra caliza reacciona con el salfumán para dar sulfato cálcico, que es un material poco consistente, con lo que la piedra se degrada. Y por otra parte, se genera ácido carbónico, que se descompone en agua y en dióxido de carbono, el gas de los refrescos. ¡Imaginad, la catedral convertida en burbujitas! Y con el ácido nítrico ocurre algo parecido, sólo que esta vez se forma nitrato cálcico (un buen abono): CaCO3 + 2 HNO3 → Ca(NO3)2 + H2CO3 H2CO3 → H2O + CO2 3

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Pero esto no queda ahí. Los ácidos también pueden reaccionar con estructuras metálicas, como el hierro de los puentes, si no están bien protegidos. Hay que decir que en general los metales forman capas protectoras de óxidos metálicos en su superficie, pero un ácido puede corroerlas (sobre todo en presencia de humedad), y si llega al metal: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 ¿Qué quiere decir esta ecuación?

El hierro metálico reacciona para dar una sal (sulfato de hierro) que se deshace fácilmente. Así, un puente puede corroerse y caer, si no tiene buen mantenimiento. Y lo mismo edificios (vigas), depósitos, etc etc. Por otra parte, notemos que también se produce hidrógeno. Esto ocurre porque el metal se oxida, cediendo sus electrones al protón del ácido, que se reduce a hidrógeno. ¿Y cómo podemos solucionar este problema? Una vez que se entendieron las causas de la lluvia ácida, pudieron tomarse medidas:  Reducir las emisiones de SO2, SO3 y NOx de las industrias (filtros, sustitución de petróleo por gas natural como combustible, penalizaciones legales, etc)  Usar catalizadores en los coches de gasolina (no vale para diesel) que disocian los óxidos de nitrógeno antes de que lleguen a la atmósfera.  Usar menos coches y más transporte público (por ejemplo convirtiendo en peatonales las calles del centro de las ciudades).  Controles de contaminación.  Si la lluvia ácida cae en un lago, contrarrestar con sustancias básicas Pero vamos a ver las reacciones de la lluvia ácida en la práctica.

Las manos en la masa ¿Por qué la lluvia normal es un poco ácida? Para este experimento necesitaremos: Papel indicador de pH Coca-Cola o un refresco similar Gaseosa Tal vez con este listado de materiales ya lo estéis adivinando: la lluvia normal es un poco ácida porque lleva disuelto CO2, que reacciona con el agua de la atmósfera para dar ácido carbónico: H2CO3 → H2O + CO2

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Vamos a echar en un vaso un poco de agua mineral y en otro un poco de Coca-Cola. Ahora en cada uno de ellos metemos una pequeña tira de papel indicador de pH. El papel se vuelve de un color determinado según la acidez del líquido donde se meta. En la foto podemos ver que los rollos de papel de pH llevan una escala de colores para que podamos comparar el nuestro con el de la escala. Si metemos el papel en agua mineral, probablemente tome un color verde, correspondiente a un pH neutro. ¡Pero si lo metemos en Coca-Cola, el pH es de tres! ¿Será que la Coca-Cola, además del ácido carbónico, tiene algún ingrediente secreto? Volvemos a repetir el experimento con una botella de gaseosa (agua y CO2). ¡El pH sigue siendo 3! Lo que demuestra que incluso un ácido débil como el carbónico, si está muy concentrado (no olvidemos que el CO2 está a presión en la botella), puede generar una acidez considerable. En la lluvia está menos concentrado y por eso el pH es de 5.05.7. Por debajo de 5.0 se considera que la lluvia es ácida.

Efectos de la lluvia ácida, o ¿en qué se parece un huevo a una catedral? Para este experimento necesitaremos: Una cáscara de huevo Un vaso (mejor si es transparente) Vinagre Bueno, ¿en qué se parece un huevo a una catedral? Está claro que no es en el tamaño ni en la forma. En lo que se parecen es en la composición: ambos están constituidos por carbonato cálcico. ¿Y en qué se parece el vinagre a la lluvia ácida? En que es un ácido, y tiene un pH similar (3), pero podemos manejarlo sin precauciones especiales.

Vamos a meter la cáscara de huevo en vinagre a ver qué pasa. Casa hora lo sacamos y lo frotamos ligeramente con una toalla de papel. Veremos que poco a poco va desapareciendo la cáscara hasta que no queda nada, y se ve la membrana interna del huevo. Ya hemos visto la reacción del carbonato cálcico con el ácido sulfúrico. ¿Podrias deducir la reacción con el vinagre (ácido acético, AcOH)?

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Perfecto, es: CaCO3 + 2AcOH → Ca(OAc)2 + H2CO3 La reacción es prácticamente irreversible, porque el H2CO3 se disocia en agua y CO2 gaseoso, que se pierde en la atmósfera. ¡Por eso las catedrales se degradan tan rápido con la lluvia ácida!

A las 2 h

A las 10 h

A las 24 h

Efectos de la lluvia ácida sobre estructuras metálicas Si hay tiempo de sobra (por ejemplo, en un proyecto de investigación) podemos poner un clavo, grapas, etc al aire, en agua, en salmuera y en soluciones diluidas de distintos ácidos (ej. vinagre, ácido clorhídrico, etc) y ver qué pasa con el tiempo. Pero si se trata de una práctica corta, podemos ver muy bien qué ocurre con:  Papel de aluminio (envolver sándwiches)  Solución diluida (10%) de ácido clorhídrico. OJO! Comprar soluciones comerciales diluidas. La solución comercial concentrada es del 37%, es corrosiva y emana vapores de HCl. Si el profesor sólo tiene ésa, debe diluirla con agua antes del experimento (usar guantes). Para ello abrirá la botella bajo un extractor de humos y echará una parte de ácido en tres partes de agua.  Guantes (aunque trabajemos con soluciones muy diluidas, usar guantes y lavarse si hay salpicaduras)  Un Erlemeyer o un frasco de vidrio  Una espátula. Se echa un poco de ácido clorhídrico diluido en un Erlenmeyer, y se le echa un trozo de papel de aluminio. Escachar con la espátula para asegurarnos que la lámina de aluminio queda totalmente cubierta por la solución ácida. En menos de una hora se forma una solución lechosa de cloruro de aluminio y al cabo de otra hora ¡se vuelve transparente y se ven burbujas de un gas! ¡El aluminio ha desaparecido! ¿Puedes deducir qué reacción ocurre?

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De forma similar a lo que ocurría con el hierro:1 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

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Esta ecuación es más complicada que las anteriores. Para ajustarla, suponemos que partimos de un átomo de aluminio y ajustamos todo lo demás, aunque tengamos que utilizar fracciones. Así, si tenemos un aluminio tendremos un AlCl3. Pero ello quiere decir que partimos de 3 HCl. Y si partimos de 3 HCl tendremos al final 3 átomos de hidrógeno, es decir 3(H2)/2 : Al + 3HCl → AlCl3 + 3/2 H2 Para que no queden fracciones multiplicamos todo por el denominador de la fracción, o sea 2:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

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PROYECTO FCT-14-8256 8