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Física y Química 3.º ESO · La química, la sociedad y el medio ambiente

Las reacciones de la lluvia ácida y del aumento del CO₂

Objetivo: Al terminar, sabrás escribir y ajustar las reacciones que originan la lluvia ácida y el aumento del CO₂, y calcular la masa de CO₂ que se emite al quemar un combustible.

Explicación

La lluvia ácida: de los combustibles a los ácidos

El agua de lluvia normal es ligeramente ácida, pero cuando el aire contiene óxidos de azufre y de nitrógeno, estos reaccionan con el oxígeno y el agua de la atmósfera y forman ácidos fuertes, que caen con la lluvia, la nieve o la niebla.

1. Óxidos de azufre. El carbón y algunos derivados del petróleo contienen azufre. Al quemarlos (centrales térmicas, calderas de carbón o de gasóleo), el azufre forma dióxido de azufre: S+O2→SO2\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2 En la atmósfera, el SO2\text{SO}_2 se transforma lentamente en trióxido de azufre, que con el agua forma ácido sulfúrico: 2 SO2+O2→2 SO32\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3 SO3+H2O→H2SO4\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 (Una parte del SO2\text{SO}_2 reacciona directamente con el agua y forma ácido sulfuroso: SO2+H2O→H2SO3\text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3.)

2. Óxidos de nitrógeno. En los motores y las calderas se alcanzan temperaturas tan altas que el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionan entre sí: N2+O2→2 NO\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{NO} 2 NO+O2→2 NO22\,\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{NO}_2 El dióxido de nitrógeno (gas pardo, el de la «boina» de contaminación) forma con el oxígeno y el agua ácido nítrico (ecuación simplificada): 4 NO2+O2+2 H2O→4 HNO34\,\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\,\text{HNO}_3

3. Efectos. Los ácidos dañan las hojas de los árboles, acidifican lagos y suelos y atacan la piedra caliza y el mármol (carbonato de calcio) de edificios y estatuas: CaCO3+H2SO4→CaSO4+CO2+H2O\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CaSO}_4 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}

El aumento del dióxido de carbono

Todos los combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados, gas natural) contienen carbono. Al quemarlos, todo ese carbono acaba como CO2\text{CO}_2:

Combustible Combustión ajustada
Carbón (casi todo carbono) C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2
Gas natural (metano) CH4+2 O2→CO2+2 H2O\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}
Butano (bombonas) 2 C4H10+13 O2→8 CO2+10 H2O2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}
Gasolina (octano) 2 C8H18+25 O2→16 CO2+18 H2O2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \rightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}

Con los cálculos masa-masa podemos saber cuánto CO2\text{CO}_2 se emite: ¡la masa de CO2\text{CO}_2 es unas tres veces la del combustible quemado!, porque cada átomo de carbono (12 u) se lleva dos de oxígeno del aire (32 u). Antes de la industrialización había unas 280 partes por millón (ppm) de CO2\text{CO}_2 en el aire; hoy hay más de 420 ppm.

Soluciones con química

  • Quitar el azufre de los combustibles y poner filtros en las chimeneas, que retienen el SO2\text{SO}_2.
  • Catalizadores en los coches: transforman los óxidos de nitrógeno en N2\text{N}_2.
  • Usar menos combustibles fósiles: energías renovables, ahorro energético, transporte público, coches eléctricos.
  • Neutralizar con caliza los lagos y suelos acidificados.

Puntos clave

  • Azufre de los combustibles: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ (ácido sulfúrico).
  • Nitrógeno del aire en los motores: N₂ → NO → NO₂ → HNO₃ (ácido nítrico).
  • Los ácidos de la lluvia atacan el mármol y la caliza: CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + CO₂ + H₂O.
  • Toda combustión de un combustible fósil produce CO₂; con la ecuación ajustada se calcula cuánto.
  • Quemar un combustible produce una masa de CO₂ mayor que la del combustible, porque se suma el oxígeno del aire.

Errores frecuentes

  • ErrorPensar que el nitrógeno de los óxidos de nitrógeno viene del combustible.

    Cómo corregirloViene sobre todo del aire: a la temperatura del motor, el N₂ y el O₂ del aire reaccionan entre sí.

  • ErrorCreer que al quemar 1 kg de combustible no puede salir más de 1 kg de CO₂.

    Cómo corregirloSe suma el oxígeno del aire: 1 kg de metano da 2,75 kg de CO₂. La masa se conserva contando todos los reactivos.

  • ErrorEscribir las ecuaciones sin ajustar.

    Cómo corregirloComprueba siempre que hay el mismo número de átomos de cada elemento a los dos lados.

Ejemplos resueltos

  1. Ejemplo 1. Una central térmica de carbón situación real

    Una central térmica quema carbón que contiene un poco de azufre. A cientos de kilómetros, en un bosque, la lluvia es ácida y los árboles pierden las hojas. Escribe, en orden, las reacciones que explican cómo el azufre del carbón acaba convertido en ácido sulfúrico en la lluvia.

    Resolución

    1. Al quemar el carbón, el azufre arde: S+O2→SO2\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2.
    2. El SO2\text{SO}_2 sale por la chimenea y el viento lo transporta lejos. En la atmósfera reacciona con el oxígeno: 2 SO2+O2→2 SO32\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3.
    3. El SO3\text{SO}_3 se combina con el agua de las nubes: SO3+H2O→H2SO4\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4. El ácido sulfúrico cae con la lluvia. Por eso la lluvia ácida es un problema que no respeta fronteras: se produce lejos de donde se emiten los gases.

  2. Ejemplo 2. ¿Cuánto CO₂ emite una bombona de butano? numérico (cálculo masa-masa)

    Una bombona de butano doméstica contiene 12,5 kg de butano, C4H10\text{C}_4\text{H}_{10}. ¿Qué masa de dióxido de carbono se emite al quemarla entera? Datos: H = 1 u; C = 12 u; O = 16 u.

    Resolución

    1. Ecuación ajustada: 2 C4H10+13 O2→8 CO2+10 H2O2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}
    2. Masas molares: M(C4H10)=4⋅12+10⋅1=58M(\text{C}_4\text{H}_{10}) = 4 \cdot 12 + 10 \cdot 1 = 58 g/mol; M(CO2)=12+2⋅16=44M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 g/mol.
    3. Moles de butano: n=12 500 g58 g/mol≈215,5n = \dfrac{12\,500\ \text{g}}{58\ \text{g/mol}} \approx 215{,}5 mol.
    4. Proporción butano : CO2\text{CO}_2 = 2 : 8 = 1 : 4 → n(CO2)=4⋅215,5≈862n(\text{CO}_2) = 4 \cdot 215{,}5 \approx 862 mol.
    5. m(CO2)=862⋅44≈37 930m(\text{CO}_2) = 862 \cdot 44 \approx 37\,930 g ≈37,9\approx 37{,}9 kg.

    ¡Casi 38 kg de CO2\text{CO}_2 a partir de 12,5 kg de butano! El resto de la masa viene del oxígeno del aire.

  3. Ejemplo 3. La curva del CO₂ gráfico (datos reales aproximados)

    Desde 1958 se mide el CO2\text{CO}_2 del aire en el observatorio de Mauna Loa (Hawái). La gráfica muestra valores medios aproximados de algunos años:

    Año 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
    CO2\text{CO}_2 (ppm) 317 326 339 354 370 390 414

    a) ¿Cuánto aumentó el CO2\text{CO}_2 en la década 1960–1970? ¿Y en 2010–2020? b) ¿Qué se deduce? c) Estima el valor para 2030 si sigue la tendencia.

    195019601970198019902000201020202030300325350375400425450AñoCO₂ en la atmósfera (ppm)

    Resolución

    a) 1960–1970: 326−317=9326 - 317 = 9 ppm. 2010–2020: 414−390=24414 - 390 = 24 ppm. b) El CO2\text{CO}_2 no solo aumenta: aumenta cada vez más deprisa (los puntos forman una curva cada vez más inclinada), porque cada década se queman más combustibles fósiles. c) Si en la década 2020–2030 sube al menos lo mismo que en la anterior (24 ppm) o algo más, en 2030 habría unos 440 ppm (es una estimación).

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

  1. 1. Fácil

    Completa la cadena de la lluvia ácida de origen nitrogenado y ajusta las ecuaciones: a) _ N2\text{N}_2 + _ O2\text{O}_2 →\rightarrow _ NO (en el motor) b) _ NO + _ O2\text{O}_2 →\rightarrow _ NO2\text{NO}_2 c) ¿Qué ácido se forma al final?

    Ver solución

    a) 1, 1, 2. b) 2, 1, 2. c) Ácido nítrico, HNO₃.

    a) N2+O2→2 NO\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{NO} b) 2 NO+O2→2 NO22\,\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{NO}_2 c) Ácido nítrico, HNO3\text{HNO}_3, al reaccionar el NO2\text{NO}_2 con el oxígeno y el agua de la atmósfera.

  2. 2. Media

    Ajusta la reacción del ácido sulfúrico de la lluvia ácida con el mármol (carbonato de calcio) y explica por qué las estatuas de mármol de las ciudades se van «deshaciendo»: _ CaCO3\text{CaCO}_3 + _ H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4 →\rightarrow _ CaSO4\text{CaSO}_4 + _ CO2\text{CO}_2 + _ H2O\text{H}_2\text{O}

    Ver solución

    Ya está ajustada (1, 1, 1, 1, 1). El mármol se transforma en sulfato de calcio, que se disuelve y se desprende.

    Contamos: Ca 1 = 1; C 1 = 1; S 1 = 1; H 2 = 2; O 3+4=73 + 4 = 7 y 4+2+1=74 + 2 + 1 = 7. Está ajustada con todos los coeficientes iguales a 1: CaCO3+H2SO4→CaSO4+CO2+H2O\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CaSO}_4 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} El carbonato de calcio del mármol se transforma en sulfato de calcio, una sustancia distinta, más blanda y algo soluble, que el agua de lluvia va arrastrando. Además se desprende CO2\text{CO}_2. Por eso las estatuas pierden detalles y forman costras.

  3. 3. Media

    El gas natural de las calefacciones es casi todo metano: CH4+2 O2→CO2+2 H2O\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}. a) ¿Qué masa de CO2\text{CO}_2 se forma al quemar 16 g de metano? b) ¿Y al quemar 1 kg? Datos: H = 1 u; C = 12 u; O = 16 u.

    Ver solución

    a) 44 g. b) 2,75 kg.

    M(CH4)=12+4=16M(\text{CH}_4) = 12 + 4 = 16 g/mol; M(CO2)=44M(\text{CO}_2) = 44 g/mol. Según la ecuación, 1 mol de metano (16 g) da 1 mol de CO2\text{CO}_2 (44 g). a) 44 g. b) m(CO2)=1 kg⋅4416=2,75m(\text{CO}_2) = 1\ \text{kg} \cdot \dfrac{44}{16} = 2{,}75 kg.

  4. 4. Media

    ¿Por qué los catalizadores de los coches y los filtros de las chimeneas de las centrales ayudan a reducir la lluvia ácida, pero no el aumento del efecto invernadero?

    Ver solución

    Eliminan NO y SO₂ (causa de la lluvia ácida), pero no el CO₂, que se sigue formando en toda combustión.

    Los catalizadores transforman los óxidos de nitrógeno en N2\text{N}_2, y los filtros retienen el SO2\text{SO}_2: así se emiten menos gases que forman ácidos. Pero el CO2\text{CO}_2 es un producto inevitable de quemar cualquier combustible que contenga carbono (C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2): el catalizador no lo elimina (incluso transforma el CO en CO2\text{CO}_2). Para emitir menos CO2\text{CO}_2 hay que quemar menos combustibles fósiles.

  5. 5. Difícil

    Compara el CO2\text{CO}_2 que se emite al quemar 1 kg de carbón (supón que es carbono puro) y 1 kg de metano. ¿Cuál emite más CO2\text{CO}_2 por kilo quemado? Datos: H = 1 u; C = 12 u; O = 16 u.

    Ver solución

    Carbón: unos 3,67 kg de CO₂; metano: 2,75 kg. Emite más el carbón.

    • Carbón: C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2. 12 kg de C dan 44 kg de CO2\text{CO}_2: m=1⋅4412≈3,67m = 1 \cdot \dfrac{44}{12} \approx 3{,}67 kg.
    • Metano: CH4+2 O2→CO2+2 H2O\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}. 16 kg dan 44 kg: m=1⋅4416=2,75m = 1 \cdot \dfrac{44}{16} = 2{,}75 kg. Por cada kilo quemado, el carbón emite más CO2\text{CO}_2: en el metano, parte de la masa es hidrógeno, que forma agua y no CO2\text{CO}_2.

Para practicar más

  1. 1. Fácil

    Escribe las tres reacciones por las que el azufre de un combustible se convierte en ácido sulfúrico en la atmósfera. Indica qué tipo de reacción (síntesis o descomposición) es cada una.

    Ver solución

    S + O₂ → SO₂; 2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Las tres son síntesis.

    1. S+O2→SO2\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2
    2. 2 SO2+O2→2 SO32\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3
    3. SO3+H2O→H2SO4\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 Las tres son síntesis: dos sustancias forman una sola.

  2. 2. Media

    Ajusta la combustión del octano, el principal componente de la gasolina: _ C8H18\text{C}_8\text{H}_{18} + _ O2\text{O}_2 →\rightarrow _ CO2\text{CO}_2 + _ H2O\text{H}_2\text{O}

    Ver solución

    2, 25, 16, 18.

    1. Carbono: 8 C ⇒\Rightarrow 8 CO2\text{CO}_2. Hidrógeno: 18 H ⇒\Rightarrow 9 H2O\text{H}_2\text{O}.
    2. Oxígeno a la derecha: 8⋅2+9=258 \cdot 2 + 9 = 25 átomos ⇒\Rightarrow 252\tfrac{25}{2} O2\text{O}_2.
    3. Multiplicamos todo por 2 para que no haya fracciones: 2 C8H18+25 O2→16 CO2+18 H2O2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \rightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O} Comprobación: C 16 = 16; H 36 = 36; O 50 = 32+1832 + 18. ✔

  3. 3. Difícil

    Un coche de gasolina consume 6 L cada 100 km. La gasolina tiene una densidad de 0,75 kg/L; supón que es todo octano. a) ¿Qué masa de gasolina gasta en 100 km? b) ¿Qué masa de CO2\text{CO}_2 emite en 100 km? c) ¿Cuántos gramos de CO2\text{CO}_2 por kilómetro? Datos: H = 1 u; C = 12 u; O = 16 u. Ecuación: 2 C8H18+25 O2→16 CO2+18 H2O2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \rightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}

    Ver solución

    a) 4,5 kg. b) Unos 13,9 kg. c) Unos 139 g/km.

    a) m=6 L⋅0,75 kg/L=4,5m = 6\ \text{L} \cdot 0{,}75\ \text{kg/L} = 4{,}5 kg. b) M(C8H18)=8⋅12+18=114M(\text{C}_8\text{H}_{18}) = 8 \cdot 12 + 18 = 114 g/mol; M(CO2)=44M(\text{CO}_2) = 44 g/mol. Según la ecuación, 2⋅114=2282 \cdot 114 = 228 kg de octano dan 16⋅44=70416 \cdot 44 = 704 kg de CO2\text{CO}_2: m(CO2)=4,5 kg⋅704228≈13,9 kgm(\text{CO}_2) = 4{,}5\ \text{kg} \cdot \frac{704}{228} \approx 13{,}9\ \text{kg} c) 13 900 g100 km≈139 g/km\dfrac{13\,900\ \text{g}}{100\ \text{km}} \approx 139\ \text{g/km}. Es del orden de lo que indican las fichas técnicas de muchos coches de gasolina.

  4. 4. Media

    Propón cuatro medidas para reducir la lluvia ácida y el CO2\text{CO}_2 en una gran ciudad como Madrid. Para cada una, indica qué sustancia se deja de emitir y en qué reacción se forma esa sustancia.

    Ver solución

    Respuesta abierta: transporte público/eléctrico (menos NO, NO₂ y CO₂), calderas de gas en vez de carbón o gasóleo (menos SO₂ y CO₂), catalizadores (menos NO), energías renovables (menos CO₂).

    Respuesta modelo:

    1. Más transporte público, bici y coches eléctricos: menos óxidos de nitrógeno (N2+O2→2 NO\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{NO} en el motor) y menos CO2\text{CO}_2 (combustión de la gasolina).
    2. Cambiar calderas de carbón o gasóleo por otras más limpias (o bombas de calor): menos SO2\text{SO}_2 (S+O2→SO2\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2) y menos CO2\text{CO}_2.
    3. Catalizadores en todos los vehículos: transforman el NO en N2\text{N}_2.
    4. Energías renovables (solar, eólica) para la electricidad: no hay combustión y no se forma CO2\text{CO}_2.

  5. 5. Media

    Con los datos de Mauna Loa (317 ppm en 1960 y 414 ppm en 2020) y sabiendo que antes de la industrialización había unas 280 ppm: a) ¿Cuánto aumentó el CO2\text{CO}_2 entre 1960 y 2020? ¿Qué porcentaje supone respecto a 1960? b) ¿Cuántas veces más CO2\text{CO}_2 había en 2020 que antes de la industrialización?

    Ver solución

    a) 97 ppm, un 31 % más aproximadamente. b) Unas 1,5 veces (un 48 % más).

    a) 414−317=97414 - 317 = 97 ppm. Porcentaje: 97317⋅100≈31 %\dfrac{97}{317} \cdot 100 \approx 31\ \%. b) 414280≈1,48\dfrac{414}{280} \approx 1{,}48: casi 1,5 veces más, es decir, un 48 % más que antes de la industrialización.

¿Cómo te ha ido con esta lección?