Capítulo VIII

LA ATMÓSFERA

~Atmósfera y aire.~ El término atmósfera se aplica a la envoltura gaseosa que rodea la Tierra. El término aire se utiliza generalmente para referirse a una porción limitada de esta envoltura, aunque a menudo ambas palabras se emplean indistintamente. Ya se han hecho muchas referencias a la composición y propiedades de la atmósfera. Ahora es necesario recopilar estas afirmaciones y discutirlas con algo más de detalle.

~El aire considerado anteriormente como un elemento.~ Al igual que el agua, el aire fue considerado en un principio como de carácter elemental. Hacia finales del siglo XVIII, Scheele, Priestley y Lavoisier demostraron mediante sus experimentos que es una mezcla de al menos dos gases, los que hoy llamamos oxígeno y nitrógeno. Al quemar sustancias en un volumen cerrado de aire y observar la contracción del volumen debida a la eliminación del oxígeno, pudieron determinar con cierta precisión los volúmenes relativos de oxígeno y nitrógeno presentes en el aire.

~Los componentes de la atmósfera.~ Los componentes de la atmósfera pueden dividirse en dos grupos generales: aquellos que son esenciales para la vida y aquellos que no lo son.

1. Componentes esenciales para la vida. Además del oxígeno y el nitrógeno, al menos otras dos sustancias, a saber, el dióxido de carbono y el vapor de agua, deben estar presentes en la atmósfera para que la vida pueda existir. El primero de ellos es un compuesto gaseoso de carbono y oxígeno con la fórmula CO{2}. Sus propiedades se discutirán en detalle en el capítulo sobre los compuestos del carbono. Su presencia en el aire puede demostrarse haciendo que el aire burbujee a través de una solución de hidróxido de calcio (Ca(OH){2}), comúnmente llamada agua de cal. El dióxido de carbono se combina con el hidróxido de calcio de acuerdo con la siguiente ecuación:

Ca(OH){2} + CO{2} = CaCO{3} + H{2}O.

El carbonato de calcio resultante (CaCO{3}) es insoluble en agua y se separa en forma de un polvo blanco, lo que hace que la solución adquiera un aspecto lechoso.

La presencia de vapor de agua se muestra fácilmente por su condensación en objetos fríos, así como por el hecho de que un poco de cloruro de calcio, al exponerse al aire, se humedece e incluso puede disolverse en el agua absorbida del aire.

2. Componentes no esenciales para la vida. Además de los componentes esenciales, el aire contiene pequeños porcentajes de varios otros gases, cuya presencia, hasta donde se sabe, no es esencial para la vida. Esta lista incluye los elementos raros: argón, helio, neón, criptón y xenón; también hidrógeno, amoníaco, peróxido de hidrógeno y probablemente ozono. También están presentes ciertas formas diminutas de vida (gérmenes), siendo la descomposición de la materia orgánica debida a su presencia.

~Función de cada uno de los componentes esenciales.~ (1) El oxígeno sostiene directamente la vida a través de la respiración. (2) El nitrógeno, debido a su inactividad, sirve para diluir el oxígeno, y aunque, en contra de las ideas antiguas, es posible que la vida pudiera continuar existiendo en ausencia del nitrógeno atmosférico, las condiciones de vida serían completamente diferentes. Además, el nitrógeno es un componente esencial de toda la vida animal y vegetal. Antes se suponía que ni los animales ni las plantas podían asimilar el nitrógeno libre, pero recientemente se ha demostrado que las plantas de al menos un orden natural, las leguminosas, a las que pertenecen los frijoles, guisantes y trébol, tienen la capacidad de asimilar directamente el nitrógeno libre de la atmósfera. Esto se logra mediante grupos de bacterias que forman colonias en pequeños nódulos en las raíces de las plantas. Estas bacterias probablemente ayudan en la absorción del nitrógeno al transformar el nitrógeno libre en compuestos que la planta puede asimilar. La figura 27 muestra los nódulos en las raíces de una variedad de frijol. (3) La presencia de vapor de agua en el aire es necesaria para evitar la evaporación excesiva tanto en plantas como en animales. (4) El dióxido de carbono es un alimento esencial para las plantas.

~El análisis cuantitativo del aire.~ Se han ideado varios métodos diferentes para determinar los porcentajes de los componentes presentes en la atmósfera. Entre ellos se encuentran los siguientes.

1. Determinación del oxígeno. (1) El oxígeno se extrae de un volumen medido de aire encerrado en un tubo, mediante fósforo.

Para realizar la determinación, se llena un tubo graduado con agua y se invierte en un recipiente con agua. Se introduce aire en el tubo hasta llenarlo parcialmente con el gas. Se observa cuidadosamente el volumen del aire encerrado y se reduce a condiciones estándar. Un pequeño trozo de fósforo se sujeta a un alambre y se introduce en el tubo, como se muestra en la figura 28. Después de algunas horas, el oxígeno del aire encerrado se habrá combinado con el fósforo, y el agua subirá para ocupar su lugar. Se retira el fósforo y se vuelve a anotar el volumen, reduciéndolo a condiciones estándar. La contracción en el volumen del aire es igual al volumen de oxígeno absorbido.

(2) El oxígeno también puede estimarse haciendo pasar un volumen medido de aire a través de un tubo que contiene cobre calentado a alta temperatura. El oxígeno del aire se combina con el cobre para formar óxido de cobre (CuO). Por lo tanto, el aumento en el peso del cobre es igual al peso del oxígeno en el volumen de aire tomado.

(3) Un método más preciso es el siguiente. Se llena un tubo eudiómetro con mercurio y se invierte en un recipiente con el mismo líquido. Luego se introduce en el tubo una cantidad conveniente de aire y se anota con precisión su volumen. A continuación se introduce más hidrógeno del necesario para combinarse con el oxígeno presente en el aire encerrado, y nuevamente se anota el volumen con precisión. La mezcla se hace explotar mediante una chispa eléctrica y se vuelve a tomar el volumen. Restando este volumen del volumen total de aire e hidrógeno se obtiene la contracción en el volumen debida a la unión del oxígeno y el hidrógeno. El volumen ocupado por el agua formada por la unión de los dos gases es tan pequeño que puede despreciarse en el cálculo. Dado que el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la proporción 1:2 en volumen, es evidente que la contracción en el volumen debida a la combinación es igual al volumen ocupado por el oxígeno en el aire contenido en el tubo, más el doble de este volumen de hidrógeno. En otras palabras, un tercio de la contracción total es igual al volumen ocupado por el oxígeno en el aire encerrado. El siguiente ejemplo lo aclarará:

Volumen de aire en el tubo 50.0 cc. Volumen después de introducir hidrógeno 80.0 Volumen después de la combinación de oxígeno e hidrógeno 48.5 Contracción en el volumen debida a la combinación (80 cc.-48.5 cc.) 31.5 Volumen de oxígeno en 50 cc. de aire (1/3 de 31.5) 10.5

Todos estos métodos coinciden en mostrar que 100 volúmenes de aire seco contienen aproximadamente 21 volúmenes de oxígeno.

2. Determinación del nitrógeno. Si el gas que queda después de eliminar el oxígeno de una porción de aire se hace pasar sobre magnesio calentado, se extrae el nitrógeno, quedando el argón y los demás elementos raros. Así puede demostrarse que de los 79 volúmenes de gas que quedan después de eliminar el oxígeno de 100 volúmenes de aire, aproximadamente 78 son nitrógeno y 0.93 argón. Los otros elementos están presentes en cantidades tan pequeñas que pueden ser despreciados.

3. Determinación del dióxido de carbono. El porcentaje de dióxido de carbono en un volumen dado de aire puede determinarse haciendo pasar el aire sobre hidróxido de calcio o algún otro compuesto que se combine con el dióxido de carbono. El aumento en el peso del hidróxido es igual al peso del dióxido de carbono absorbido. La cantidad presente en el aire normal al aire libre es de 3 a 4 partes en volumen por cada 10,000 volúmenes de aire, o aproximadamente 0.04%.

4. Determinación del vapor de agua. El vapor de agua presente en un volumen dado de aire puede determinarse haciendo pasar el aire sobre cloruro de calcio (u otro compuesto con gran afinidad por el agua) y observando el aumento en el peso del cloruro. La cantidad presente varía no solo según la localidad, sino que hay una gran variación de un día a otro en la misma localidad debido a los vientos y los cambios de temperatura.

~Procesos que afectan la composición del aire.~ Los más importantes de estos procesos son los siguientes.

1. Respiración. En el proceso de la respiración, parte del oxígeno del aire inhalado es absorbido por la sangre y transportado a todas las partes del cuerpo, donde se combina con el carbono de los tejidos desgastados. Los productos de la oxidación son llevados de regreso a los pulmones y exhalados en forma de dióxido de carbono. La cantidad exhalada por un adulto promedia unos 20 litros por hora. Por lo tanto, en una habitación mal ventilada ocupada por varias personas, la cantidad de dióxido de carbono aumenta rápidamente. Aunque este gas no es venenoso a menos que esté presente en grandes cantidades, el aire que contiene más de 15 partes en 10,000 no es apto para la respiración.

2. Combustión. Todas las formas comunes de combustible contienen grandes porcentajes de carbono. Al arder, este carbono se combina con el oxígeno del aire, formando dióxido de carbono. Por lo tanto, la combustión y la respiración tienden a disminuir la cantidad de oxígeno en el aire y a aumentar la cantidad de dióxido de carbono.

3. Acción de las plantas. Las plantas tienen la capacidad, cuando están expuestas a la luz solar, de absorber dióxido de carbono del aire, retener el carbono y devolver al menos una parte del oxígeno al aire. Se observará que estos cambios son justamente lo opuesto a los que producen los procesos de respiración y combustión.

~Efecto venenoso del aire exhalado.~ Las diferencias en los porcentajes de oxígeno, dióxido de carbono y humedad presentes en el aire inhalado y exhalado se muestran en los siguientes análisis.

AIRE INHALADO AIRE EXHALADO Oxígeno 21.00% 16.00% Dióxido de carbono 0.04 4.38 Humedad variable saturada

El mal olor del aire respirado se debe a la presencia de cierta cantidad de materia orgánica. Es posible que esta materia orgánica, más que el dióxido de carbono, sea la responsable de los efectos perjudiciales que siguen a la respiración de aire impuro. Sin embargo, la cantidad de tales impurezas orgánicas presentes puede juzgarse por la cantidad de dióxido de carbono presente, ya que ambos se exhalan juntos.

~El ciclo del carbono en la naturaleza.~ Bajo la influencia de la luz solar, el dióxido de carbono absorbido del aire por las plantas reacciona con el agua y pequeñas cantidades de otras sustancias absorbidas del suelo para formar compuestos complejos de carbono que constituyen la parte esencial del tejido vegetal. Esta reacción va acompañada de la liberación de oxígeno, que se devuelve al aire. Los compuestos resultantes de estos cambios son mucho más ricos en contenido energético que las sustancias de las que se forman; por lo tanto, se debe haber absorbido cierta cantidad de energía en su formación. La fuente de esta energía son los rayos solares.

Si la planta se quema, los cambios que ocurrieron en la formación de los compuestos presentes se revierten en gran medida. El carbono y el hidrógeno presentes se combinan con el oxígeno tomado del aire para formar dióxido de carbono y agua, mientras que la energía absorbida de los rayos solares se libera en forma de energía calórica. Si, por otro lado, la planta se utiliza como alimento, los compuestos presentes se emplean en la formación de los tejidos del cuerpo. Cuando este tejido se descompone, los cambios que experimenta son muy similares a los que ocurren cuando la planta se quema. El carbono y el hidrógeno se combinan con el oxígeno inhalado para formar dióxido de carbono y agua, que se exhalan. La energía poseída por las sustancias complejas se libera en parte en forma de energía calórica, que mantiene la temperatura corporal, y en parte en las diversas formas de energía muscular. El carbono originalmente absorbido del aire por la planta en forma de dióxido de carbono es así devuelto al aire y está listo para repetir el ciclo de cambios.

~La composición del aire es constante.~ A pesar de los cambios que ocurren constantemente y que tienden a alterar la composición del aire, los resultados de numerosas análisis de aire recolectado en campos abiertos muestran que los porcentajes de oxígeno y nitrógeno, así como de dióxido de carbono, son casi constantes. De hecho, los porcentajes de oxígeno y nitrógeno son tan constantes que ha surgido la pregunta de si estos dos elementos no estarán combinados en el aire, formando un compuesto químico definido. Que no están combinados, sino simplemente mezclados, puede demostrarse de varias maneras, entre las cuales están las siguientes.

1. Cuando el aire se disuelve en agua, se ha encontrado que la proporción de oxígeno a nitrógeno en el aire disuelto ya no es 21:78, sino más bien 35:65. Si fuera un compuesto químico, la proporción de oxígeno a nitrógeno no cambiaría al disolverse en agua.

2. Un compuesto químico en forma líquida tiene un punto de ebullición definido. El agua, por ejemplo, hierve a 100 grados. Además, el vapor que así se forma tiene la misma composición que el agua. El punto de ebullición del aire líquido, en cambio, se eleva gradualmente a medida que el líquido hierve, escapando primero el nitrógeno seguido del oxígeno. Si ambos estuvieran combinados, se evaporarían juntos en la proporción en que se encuentran en el aire.

~Por qué el aire tiene una composición constante.~ Si el aire es una mezcla y ocurren constantemente cambios que tienden a modificar su composición, ¿cómo se explica entonces la constancia de composición que revelan los análisis? Esto se explica por varios hechos. (1) Los cambios causados por los procesos de combustión y respiración, por un lado, y la acción de las plantas, por otro, tienden a equilibrarse entre sí. (2) Los vientos mantienen el aire en constante movimiento y así evitan cambios locales. (3) El volumen del aire es tan vasto y los cambios que ocurren son tan pequeños en comparación con la cantidad total de aire que no pueden detectarse fácilmente. (4) Finalmente, debe notarse que solo el aire recolectado en campos abiertos muestra esta constancia en la composición. El aire en una habitación mal ventilada ocupada por varias personas cambia rápidamente de composición.

~Las propiedades del aire.~ Dado que el aire está compuesto principalmente por una mezcla de oxígeno y nitrógeno, cuyos elementos ya se han discutido, sus propiedades pueden inferirse en gran medida de las de estos dos gases. Un litro pesa 1.2923 g. Así, es 14.38 veces más pesado que el hidrógeno. Al nivel del mar ejerce una presión promedio suficiente para sostener una columna de mercurio de 760 mm de altura. Esta se toma como la presión estándar para determinar los volúmenes de los gases así como los puntos de ebullición de los líquidos. El agua puede hacerse hervir a cualquier temperatura entre 0 grados y bastante por encima de 100 grados simplemente variando la presión. Solo cuando la presión sobre ella es igual a la presión normal de la atmósfera al nivel del mar, como lo indica una lectura barométrica de 760 mm, hierve a 100 grados.

~Preparación de aire líquido.~ Se ha señalado que tanto el oxígeno como el nitrógeno pueden obtenerse en estado líquido enfriando fuertemente los gases y aplicándoles gran presión. Dado que el aire es en gran parte una mezcla de estos dos gases, puede licuarse por los mismos métodos.

Los métodos para licuar el aire se han simplificado mucho, ya que la baja temperatura requerida se obtiene permitiendo que una porción del aire comprimido se expanda. La expansión de un gas siempre va acompañada de la absorción de calor. Al licuar el aire, el aparato está construido de modo que el calor absorbido se retira del aire ya sometido a gran presión. Este proceso se continúa hasta que la temperatura desciende al punto de licuefacción.

~El bulbo de Dewar.~ No es posible conservar el aire en estado líquido en un recipiente cerrado, debido a la enorme presión que ejerce en su tendencia a pasar al estado gaseoso. Sin embargo, puede conservarse durante algunas horas o incluso días antes de evaporarse completamente, simplemente colocándolo en un recipiente abierto rodeado de un material no conductor. El recipiente más eficiente para este propósito es el bulbo de Dewar que se muestra en la Fig. 29. El aire se extrae del espacio entre las dos paredes, haciéndolo así no conductor.

~Propiedades y usos del aire líquido.~ Cuando se prepara por primera vez, el aire líquido es turbio debido a la presencia de partículas de dióxido de carbono sólido. Estas pueden ser filtradas, dejando un líquido de color ligeramente azulado. Comienza a hervir a unos -190 grados, escapando primero el nitrógeno, seguido gradualmente por el oxígeno, siendo las últimas porciones casi oxígeno puro. Actualmente, el oxígeno se prepara en cierta medida de esta manera para fines comerciales.

La temperatura extremadamente baja del aire líquido puede deducirse del hecho de que el mercurio, al ser enfriado por él, se congela en una masa tan dura que puede usarse para clavar clavos.

El aire líquido se utiliza en la preparación de oxígeno y como agente refrigerante en el estudio de las propiedades de la materia a bajas temperaturas. Así se ha descubierto que los elementos a temperaturas extremadamente bajas pierden en gran medida su actividad química.

EJERCICIOS

1. Cuando el oxígeno y el nitrógeno se mezclan en la proporción en que existen en la atmósfera, no se libera ni se absorbe calor durante el proceso. ¿Qué punto importante sugiere esto?

2. ¿Qué componente esencial del aire se encuentra en mayor cantidad en los distritos industriales que en el campo abierto?

3. ¿Puedes sugerir alguna razón por la cual el crecimiento del trébol en un campo mejora el suelo?

4. ¿Por qué las paredes internas de un bulbo de Dewar a veces están recubiertas con una película de plata?

5. ¿A qué se debe el color azul del aire líquido? ¿Aumenta la intensidad de este color al dejarlo reposar?

6. Cuando se coloca hielo en un recipiente que contiene aire líquido, este último hierve violentamente. Explica.

7. Tomando los volúmenes de oxígeno y nitrógeno en 100 volúmenes de aire como 21 y 78 respectivamente, calcula los porcentajes de estos elementos presentes por peso.

8. ¿Sería la combustión más intensa en el aire líquido que en la sustancia gaseosa?

9. Se encontró que un tubo que contenía cloruro de calcio pesaba 30.1293 g. Se hizo pasar a través de él un volumen de aire que pesaba 15.2134 g, después de lo cual el peso del tubo resultó ser de 30.3405 g. ¿Cuál era el porcentaje de humedad presente en el aire?

10. Diez litros de aire medidos a 20 grados y 740 mm se hicieron pasar a través de agua de cal, lo que provocó la precipitación de 0.0102 g de CaCO{3}. Determine el número de volúmenes de dióxido de carbono en 10,000 volúmenes de aire.