Aire I. Química. QUÍM.

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Química

Composición del aire. El a. atmosférico es una mezcla de gases que rodea a la Tierra, siendo sus componentes más abundantes el nitrógeno, el oxígeno y el argón y formando parte del mismo en menor proporción los otros gases inertes (v. GASES II), el anhídrido carbónico y el hidrógeno. Además de estos constituyentes fijos, cuya proporción permanece prácticamente constante en las capas bajas de la atmósfera (v.), contiene el a. otros gases como vapor de agua, ozono (v. OXÍGENO), hidruros volátiles y productos de combustión. Así el a. contiene cantidades variables de SH2, NH3, CH4, C2H2 (muchas veces productos de fermentaciones) y CO, S02, N02, que son productos de combustión. Estas "impurezas" del a. pueden tener mucha importancia química, unas veces por presentarse en yacimientos que permiten una explotación industrial antes de su dilución (p. ej., el gas natural de Lack, que contiene 15% de SH2, permite la recuperación de cantidades muy grandes de azufre) y otras por modificar la reactividad del a. (participación de la humedad en los procesos de corrosión). La composición del a. permanece constante en los 100 Km. más bajos por lo menos. Se han realizado determinaciones de la proporción, nitrógeno/argón ’mediante espectrómetros de masa incorporados a cohetes (v. ESPECTROMETRÍA DE MASAS), que han demostrado que permanece constante dicha relación hasta al menos 137 Km. de altura a pesar de que por efectos gravitatorios se debería esperar un enriquecimiento en los gases más ligeros. Esta constancia de composición debe atribuirse a fenómenos de convección y turbulencia, aparte de que el estado estacionario se establezca con intervención de una serie de ciclos biológicos. Las proporciones de los constituyentes fijos del a. son:

ElementoVolúmenes %Peso

Nitrógeno ... ... ... ... ... ...78,0875,46

Oxígeno ... ... ... ... ... ...20,9523,19

Gases inertes ... ... ... ... ...0,941,30

C02... ... ... ... ... ... ... ...0,030,05

Hidrógeno ... ... ... ... ... ...trazastrazas

El 0,94% correspondiente a los gases inertes se descompone en: helio, 1,8103°ló; neón, 5,24?104°10; argón, 0,930ó; criptón, l,1.104%, y xenón, 1.105%.

Sin embargo, la composición constante del a. no implica que represente un estado de equilibrio, sino más bien un estado estacionario, en el que una serie de procesos cíclicos liberan los componentes fundamentales a la misma velocidad que son consumidos como consecuencia de otras reacciones químicas en que participan. Así, p. ej., por lo que respecta al oxígeno la litosfera contiene cantidades suficientes de materias oxidables (compuestos orgánicos, sulfuros metálicos, óxidos derivados de estados bajos de oxidación) para que, si se alcanzase el estado de equilibrio, la presión de 02 quedase reducida a un valor insignificante. El ciclo más importante del oxígeno está idategrado por su liberación durante la fotosíntesis (v.) a partir de C02, H2O y energía, mientras que su consumo más importante se produce en los procesos de respiración, combustión y fermentación, que liberan C02. Sin embargo, la composición constante respecto al C02, que abunda lo mismo en los desiertos que en las zonas de abundante vegetación, requiere un proceso de homogeneización por las corrientes de a. La constancia en la proporción de nitrógeno se debe al ciclo del nitrógeno, en el que a partir del nitrógeno atmosférico se forma nitrógeno orgánico por la acción de bacterias (v.) nitrificantes, pasando después el nitrógeno orgánico a nitrógeno amoniacal por los procesos de putrefacción, el cual por oxidación (v.) pasa a nitrógeno nitroso y nítrico, que por las bacterias desnitrificantes vuelve a pasar a nitrógeno atmosférico. La acción de las descargas eléctricas da origen a la formación de nitrógeno nítrico y contribuye al ciclo. En parte, los nitratos quedan convertidos en productos inertes y se separan del ciclo, pero su solubilidad hace que su acumulación sea mínima. Por ello artificialmente la industria de los fertilizantes (v. ABONOS Y FERTILIZANTES) se esfuerza en modificar la distribución del nitrógeno asimilable. A pesar del incremento constante que experimenta, se ha de tener en cuenta que el depósito de N2 atmosférico se ha evaluado en 3.800 billones de toneladas y ello pone bien de manifiesto lo poco que la industria puede alterar la distribución global (v. NITRóGENO II).

En cuanto al hidrógeno (v.), su pequeña concentración estacionaria debe representar la situación correspondiente a la liberación a través de la litosfera y la pérdida hacia los espacios interestelares, ya que las moléculas de hidrógeno, con velocidades medias del orden de 11,2 Km/seg. se sustraen a la acción gravitatoria de la Tierra. Aun cuando la composición del a. permanezca constante en las capas bajas, es indudable que con la altura se produce un enrarecimiento y por último un cambio continuo de la composición. En el a. en condiciones normales existen 31019 MOl/cm3. A unos 125 Km. de altura aún contiene 1,41012 y a 550 Km., 1,7101. Se supone que por encima de 900 Km. la Tierra está rodeada de una capa de hidrógeno sumamente enrarecido.

Algunos de los componentes variables del a. proceden de las reacciones químicas que se producen en el mismo, muchas veces entre sus componentes. Así el nitrógeno y el oxígeno reaccionan en el seno de las descargas eléctricas durante las tormentas con producción de NO, el cual forma N02 con. el oxígeno y se transforma posteriormente en ácido nítrico y nitratos (v. ÁCIDOS V; NITRITOS Y NITRATOS). El oxígeno experimenta cambios muy importantes en función de la altura. Por encima de 100 Km. se presenta en forma atómica muy reactiva, a consecuencia de la acción de radiaciones. En la ionosfera (v. ATMÓSFERA) se encuentra fundamentalmente en forma de O+ y 02+. Bajo la influencia de las radiaciones ultravioleta de corta longitud de onda se transforma en ozono (03). A nivel del mar la concentración de 03 es muy baja, habitualmente inferior a 2108 volúmenes por vol. de a., aunque en ciertas áreas pueda alcanzar hasta 100.108, pero al aumentar la altura la concentración se incrementa considerablemente para. llegar a un máximo a unos 25 Km., siendo la capa concentrada un absorbente eficaz de las radiaciones ultravióleta de longitud de onda inferior a 300 mu,, letales para los seres vivos.

Propiedades físicas del aire. Entre las propiedades físicas más importantes del a. mencionamos las siguientes: Peso molecular aparente... ... ...28,97

Peso de un litro en C.N. ... ... ...1,2928 g.

Densidad (líquido, 21% 02) ... ...0,879g/ml.

Calor de vaporización (íd.) ... ...49,0cal/g.

Calor específico...............0,2402 cal/g o C.

Temperatura crítica ... ... ... ...140,7° C.

Presión crítica ... ... ... ... ... ...37,2atlas.

Densidad crítica ... ... ... ... ...0,31g/cm3 Propiedades químicas del aire. Las propiedades químicas del a. son análogas a las de sus componentes, dotados de impedimentos cinéticos que los hacen relativamente inertes en condiciones normales de temperatura. Así, aun cuando son posibles un gran número de reacciones de oxidación por el oxígeno del a. en disolución, son relativamente pocas las que se producen rápidamente (p. ej., las que tienen lugar con el Cr++, Ti+++, V++, cloruro cuproso amoniacal, pirogalol alcalino) y se pueden usar en el análisis del a. El nitrógeno, mucho más inerte aún, no hace más que atenuar el vigor de las reacciones del oxígeno. A temperaturas elevadas las reacciones del a. son debidas al oxígeno (v. COMBUSTIÓN).

Aplicaciones de los gases del aire. Con independencia de su papel trascendental en los procesos biológicos (respiración), los gases del a. constituyen materias primas fundamentales en la industria química. La síntesis de fertilizantes nitrogenados y. en particular del amoniaco fue el proceso que constituyó el estímulo inicial para la separación de los componentes del a. en gran escala. Aunque inicialmente el nitrógeno era el objeto fundamental de la separación, dado que la distribución o transporte del oxígeno es costosa y muchos de los procesos para los que es necesario el oxígeno se pueden realizar con a., lo cierto es que en los países industrializados se ha producido una enorme expansión en la utilización del oxígeno y funcionan instalaciones con una producción diaria de más de 200 t. de oxígeno del 95% (1,5105 m3 de gas), que se emplea en siderurgia, donde un aumento de un 1 % en el contenido de oxígeno del a. insuflado en los convertidores permite elevar la temperatura de la operación con aumento de la eficacia del proceso. También se usa a. enriquecido en oxígeno, p. ej., en la gasificación de los carbones de bajo contenido y lignitos (v. CARBóN), obteniéndose en presencia de vapor de agua gas de síntesis, libre de gases inertes, que se aplica en la síntesis de FischerTropsch de metanol e hidrocarburos (v.). La separación se logra mediante licuación (v. II) y destilación (v.), con lo cual se separan también los gases inertes. El argón está siendo sumamente utilizado como atmósfera inerte en operaciones metalúrgicas. Los restantes gases inertes, aunque son mucho menos abundantes, se obtienen como subproductos de la destilación del a. líquido.

V. t.: OXÍGENO; NITRÓGENO; GASES II; ATMÓSFERA.

J. BELTRÁN MARTINEZ.

BIBL.: H. S. W. MASSEY, The upper atmosphere, Nueva York 1959; STANFORD RESEARCH INSTITUTE, Chemical reactions in the lower and upper atmosphere, Nueva York 1962; H. J. SANDERS, Chemistry and the atmosphere. "Chemical and Engineering Nerosu 13 (1966).