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Agujero de Ozono, la Cinética de Reacciones 1) El Agujero de ozono El ozono se forma en la estratosfera por reacción de moléculas de oxígeno con átomos de oxígeno. Estos a su vez son producidos por disociación de moléculas de oxígeno, proceso que requiere mucha energía, suministrada por una parte de la componente ultravioleta de la luz del sol. O2 + hn (ultravioleta) ® 2O (1) Los átomos de oxígeno así producidos son muy reactivos y pueden desaparecer a través de las siguientes reacciones: O + O2 ® O3 (2) O + O ® O2 (3) O + O3 ® 2O2 (4) La reacción (2) es la fuente de todo el ozono en la estratosfera y las reacciones (4) y (5) son reacciones que lo destruyen. O3 + hn (ultravioleta) ® O + O2 (5) Esta última reacción es la que hace que el ozono actúe como filtro de la parte de la radiación ultravioleta, que no había sido previamente eliminada por el O2 y el N2. Sin O3 en la atmósfera no podría existir la vida en la tierra. Si ocurrieran solamente estas reacciones se llegaría a un estado estacionario en el cual la velocidad de formación de ozono es igual a la velocidad de descomposición, y su concentración sería constante. La idea de estado estacionario se puede mostrar con mucha claridad con agua saliendo por una canilla y llenando un lavatorio, y al mismo tiempo el agua saliendo por el desagüe. En el estado estacionario, la velocidad de entrada de agua al lavatorio es igual a la velocidad de desagote, y el nivel se mantiene constante. Se puede cambiar este nivel, abriendo más o menos la canilla o con un caño de desagote de mayor o menor diámetro.
Pero el ozono puede ser destruido también por otras reacciones, entre las que se destaca la que ocurre con átomos de cloro. Estos son producidos por la acción de la luz ultravioleta sobre los ahora ya famosos compuestos cloro-fluorcarbonados, como por ejemplo la siguiente: CF2Cl2 + hn (ultravioleta) ® CF2Cl + Cl (6) El átomo de cloro destruye moléculas de ozono a través de un ciclo catalítico. Cl + O3 ® ClO + O2 (7) ClO + O ® Cl + O2 (8) O3 + O ® 2 O2 (9) De modo que ahora tenemos dos reacciones que destruyen al ozono: O + O3 ® 2O2 (4) y Cl + O3 ® ClO + O2 (7) La concentración de átomos de cloro en la estratosfera es mucho menor que la de átomos de oxígeno. ¿Es entonces importante la reacción (7)? Para poder contestar esta pregunta debemos saber algo sobre la velocidad con que ocurren ambas reacciones. Si la reacción de Cl con O3 fuera mucho más lenta que la de O con O3, no sería preocupante la presencia de átomos de cloro. Los químicos demostraron que a las condiciones de presión y temperatura similares a las de la estratosfera, la reacción de O3 con átomos de cloro es 1500 veces más rápida que la reacción con átomos de O. Aún teniendo en cuenta el efecto de que en la estratosfera la concentración de átomos de cloro es mucho menor que la de átomos de oxígeno, la reacción con átomos de cloro sigue siendo suficientemente rápida como para contribuir en gran medida a la remoción de ozono. Peor aún, los átomos de cloro son regenerados a través del ciclo catalítico ya mencionado (ecuaciones 7 y 8). Se calcula que un átomo de cloro puede eliminar un millón de moléculas de ozono. Debido a ésta y otras reacciones de destrucción del ozono se establecen nuevos estados estacionarios, pero con concentraciones menores de ozono que la original, dado que la reacción de producción sigue siendo la misma. Resumiendo, podemos decir que por millones de años había una cierta concentración de ozono en la estratosfera, debido a la reacción de formación (2) y reacciones naturales de destrucción, tales como la (4) y la (5). En las últimas décadas aparecen otras reacciones de descomposición no naturales, debido a la presencia en la estratosfera de sustancias antropogénicas, entre las que se destacan los cloro-fluorcarbonados. Dado que la reacción de producción de ozono sigue siendo la misma, la concentración del estado estacionario en la estratosfera disminuye. Vemos en consecuencia que el título "Agujero de Ozono" en realidad es inadecuado, dado que el ozono no desaparece, sino que su concentración disminuye, siendo entonces menor el poder protector frente a la radiación UV del sol. Un nombre más apropiado sería "Disminución de la concentración de ozono en la estratosfera". 2) La Cinética de Reacciones Químicas Si queremos profundizar un poco más en los aspectos fisicoquímicos de las reacciones químicas de "destrucción" del ozono (4 y 7), debemos recordar el concepto de energía de activación. Este concepto es muy importante cuando se comparan las velocidades de dos reacciones competitivas que ocurren bajo condiciones similares. En la figura se muestra esquemáticamente la energía de los sistemas O + O3 y Cl + O3, a medida que progresa la reacción, hasta la formación de los productos.
A esta altura ustedes seguramente se preguntarán qué tiene que ver todo esto con las elecciones... ¡Aquí va! 3) Las Elecciones Se puede hacer la siguiente analogía para comprender mejor el fenómeno de las reacciones competitivas de destrucción del ozono con O y Cl respectivamente. En un pueblo con 50.000 votantes habrá elecciones, con dos partidos postulados, digamos los partidos azul y rojo. El partido azul tiene 100 voluntarios haciendo propaganda, mientras que el rojo tiene solamente 2. Pero estos voluntarios tienen distintas metodologías para convencer a los votantes. Los del partido azul pueden convencer a 10 personas por hora para que voten por su partido, mientras que los del partido rojo son mucho más eficientes, ya que son capaces de convencer a 15.000 personas por hora para votar a su partido. a) Se puede preguntar a los alumnos qué partido ganará seguramente las elecciones. b) En esta analogía con las reacciones de descomposición del ozono en la estratosfera con O y Cl, ¿qué está representado
Adaptado del libro "Salters Advanced Chemistry". Chemistry Storylines. Heinemann, Londres. 1994.
Notas La concentración de gases en la atmósfera se indica normalmente en partes por millón (p.p.m.), pero en el caso del ozono se utiliza una unidad especial, el Dobson. Un Dobson es la cantidad de ozono que produce una capa de gas de espesor 0,01 mm a nivel del mar, considerando que la presión y la temperatura son 1 atm y 20ºC respectivamente. La concentración normal de ozono es aproximadamente 350 unidades Dobson.
Imágenes Agujero
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