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Bloque H · Reacciones químicas y química orgánica

Tema 58

Principales procesos químicos en el agua y en el aire. Influencia en el medio ambiente. El agua, recurso limitado: contaminación y depuración. Procedimientos para determinar la contaminación del agua y del aire.

Por , profesor de Física y Química en Secundaria

La química ambiental estudia los procesos químicos que ocurren en los grandes compartimentos del planeta —la hidrosfera y la atmósfera— y la forma en que la actividad humana los altera. Este tema aborda, en primer lugar, los procesos químicos naturales que gobiernan el agua y el aire; a continuación, su influencia sobre el medio ambiente cuando se ven perturbados; después, el problema del agua como recurso limitado, con su contaminación y depuración; y, por último, los procedimientos analíticos para determinar el grado de contaminación de ambos medios.

Su interés en el temario de oposiciones es doble. Por un lado, integra conocimientos de equilibrio químico, ácido-base, redox y cinética aplicados a sistemas reales. Por otro, conecta directamente con la educación ambiental y la sostenibilidad, ejes transversales del currículo LOMLOE. Conviene recordar que fue Svante Arrhenius quien, ya en 1896, cuantificó por primera vez el efecto del CO2\mathrm{CO_2} atmosférico sobre la temperatura terrestre, y que Mario Molina, F. Sherwood Rowland y Paul Crutzen recibieron el Premio Nobel de Química de 1995 por explicar la química de destrucción de la capa de ozono.

1. Principales procesos químicos en el agua y en el aire

Procesos químicos en el agua

El agua es un disolvente excepcional por su carácter polar y su capacidad de formar enlaces de hidrógeno. En el medio acuático natural coexisten varios tipos de procesos:

Autoionización. El agua se disocia ligeramente estableciendo el equilibrio que fija la escala de pH:

2 H2O⇌H3O++OH−,Kw=[H3O+][OH−]=1,0×10−14 (25 ∘C)2\,\mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_3O^+} + \mathrm{OH^-}, \qquad K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1{,}0\times 10^{-14}\ (25\,^\circ\mathrm{C})

Equilibrio carbonato-bicarbonato. El CO2\mathrm{CO_2} atmosférico se disuelve y reacciona con el agua, gobernando el pH y la capacidad tampón de ríos, lagos y océanos:

CO2+H2O⇌H2CO3⇌H++HCO3−⇌2 H++CO32−\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}

Este sistema es el principal tampón natural de las aguas y explica su resistencia a cambios bruscos de pH.

Dureza del agua. Las aguas que atraviesan terrenos calcáreos disuelven carbonatos gracias al CO2\mathrm{CO_2}, incorporando iones Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} y Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}:

CaCO3+CO2+H2O⇌Ca2++2 HCO3−\mathrm{CaCO_3} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{HCO_3^-}

El desplazamiento de este equilibrio explica tanto la formación de estalactitas como las incrustaciones de cal en tuberías y calderas.

Procesos redox y oxígeno disuelto. El oxígeno disuelto (OD) es imprescindible para la vida acuática. Los procesos de oxidación de la materia orgánica lo consumen, y su concentración regula el estado de un ecosistema acuático. También son relevantes la hidrólisis de sales y la solubilización de gases (ley de Henry).

Procesos químicos en el aire

La atmósfera seca está formada por N2\mathrm{N_2} (≈78 %\approx 78\,\%), O2\mathrm{O_2} (≈21 %\approx 21\,\%), Ar\mathrm{Ar} (≈0,9 %\approx 0{,}9\,\%) y trazas de CO2\mathrm{CO_2} y otros gases. En ella predominan los procesos fotoquímicos, iniciados por la radiación solar.

Formación y destrucción del ozono estratosférico (ciclo de Chapman). En la estratosfera, la radiación ultravioleta disocia el oxígeno molecular y forma ozono, que a su vez filtra la radiación UV:

O2+hν→2 O,O+O2→O3\mathrm{O_2} + h\nu \rightarrow 2\,\mathrm{O}, \qquad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}

Oxidación de nitrógeno y azufre. En procesos de combustión a alta temperatura se forman óxidos de nitrógeno, y el azufre presente en los combustibles origina óxidos de azufre:

N2+O2→2 NO,S+O2→SO2\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{NO}, \qquad \mathrm{S} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{SO_2}

Estos óxidos son la semilla de fenómenos contaminantes que se analizan en el apartado siguiente.

2. Influencia en el medio ambiente

La alteración de los procesos anteriores por las emisiones antropogénicas genera los grandes problemas ambientales de escala global y regional.

Efecto invernadero y cambio climático

Determinados gases —CO2\mathrm{CO_2}, CH4\mathrm{CH_4}, N2O\mathrm{N_2O}, vapor de agua y los halocarbonos— son transparentes a la radiación solar visible pero absorben la radiación infrarroja reemitida por la superficie terrestre, reteniendo calor. Es un fenómeno natural e imprescindible (sin él, la temperatura media sería de unos −18 ∘C-18\,^\circ\mathrm{C}), pero su intensificación por la quema de combustibles fósiles produce el calentamiento global. La combustión completa de un hidrocarburo ilustra la fuente principal:

CxHy+(x+y4)O2→x CO2+y2 H2O\mathrm{C_x H_y} + \left(x+\tfrac{y}{4}\right)\mathrm{O_2} \rightarrow x\,\mathrm{CO_2} + \tfrac{y}{2}\,\mathrm{H_2O}

Lluvia ácida

Los óxidos de azufre y de nitrógeno se oxidan en la atmósfera y reaccionan con el agua formando ácido sulfúrico y ácido nítrico, que precipitan disminuyendo el pH de la lluvia por debajo de 5,65{,}6:

2 SO2+O2→2 SO3,SO3+H2O→H2SO42\,\mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_3}, \qquad \mathrm{SO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4} 3 NO2+H2O→2 HNO3+NO3\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{HNO_3} + \mathrm{NO}

La lluvia ácida acidifica suelos y aguas, daña la vegetación (especialmente los bosques de coníferas) y corroe monumentos de piedra caliza y mármol.

Destrucción de la capa de ozono

Los clorofluorocarbonos (CFC), muy estables, alcanzan la estratosfera, donde la radiación UV libera átomos de cloro que catalizan la destrucción del ozono en un ciclo que se repite miles de veces:

CFCl3+hν→CFCl2+Cl\mathrm{CFCl_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{CFCl_2} + \mathrm{Cl} Cl+O3→ClO+O2,ClO+O→Cl+O2\mathrm{Cl} + \mathrm{O_3} \rightarrow \mathrm{ClO} + \mathrm{O_2}, \qquad \mathrm{ClO} + \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Cl} + \mathrm{O_2}

El átomo de cloro se regenera y actúa como catalizador, de modo que una sola molécula puede destruir una enorme cantidad de ozono. El Protocolo de Montreal (1987) prohibió progresivamente los CFC.

Smog fotoquímico y eutrofización

En ambientes urbanos soleados, los NOx\mathrm{NO_x} y los compuestos orgánicos volátiles originan ozono troposférico (contaminante, a diferencia del estratosférico) mediante fotólisis:

NO2+hν→NO+O,O+O2→O3\mathrm{NO_2} + h\nu \rightarrow \mathrm{NO} + \mathrm{O}, \qquad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}

En las aguas, el exceso de nutrientes (nitratos y fosfatos procedentes de fertilizantes y detergentes) provoca la eutrofización: proliferación de algas, consumo del oxígeno disuelto y muerte de la fauna acuática.

Efecto invernadero frente a destrucción de la capa de ozonoDos esquemas. En el primero, la radiacion visible atraviesa una capa de gases de efecto invernadero y llega al suelo, que reemite radiacion infrarroja; esta es absorbida por la capa y devuelta hacia la superficie. En el segundo, la capa de ozono absorbe la radiacion ultravioleta, salvo en la zona donde los clorofluorocarbonos, al liberar cloro, la han destruido: alli la ultravioleta llega hasta el suelo.CO₂ · CH₄ · N₂Osuperficie terrestreradiación visibleinfrarrojoabsorbido y reemitido hacia abajocapa de ozono (O₃)UVUVel O₃ absorbe la UVsuperficie terrestreCFC → Cl·Efecto invernadero · troposferaDestrucción del ozono · estratosfera
Figura 1. Dos problemas atmosféricos distintos y con frecuencia confundidos. El efecto invernadero ocurre en la troposfera: los gases dejan pasar la radiación visible y absorben el infrarrojo que reemite el suelo. La destrucción del ozono ocurre en la estratosfera: los CFC liberan cloro que destruye el O₃ y deja pasar la radiación ultravioleta. Elaboración propia

3. El agua, recurso limitado: contaminación y depuración

Un recurso escaso

Aunque el agua cubre el 71 %71\,\% de la superficie terrestre, solo el ≈2,5 %\approx 2{,}5\,\% es agua dulce, y la mayor parte está retenida en glaciares y acuíferos profundos. El agua dulce accesible y renovable representa una fracción mínima, distribuida de forma muy desigual. Por eso se considera un recurso limitado cuya gestión sostenible es un objetivo prioritario (ODS 6 de la Agenda 2030).

Tipos de contaminación

Los contaminantes del agua se agrupan en:

  • Físicos: sólidos en suspensión, turbidez, contaminación térmica, color.
  • Químicos: materia orgánica biodegradable, nutrientes (NO3−\mathrm{NO_3^-}, PO43−\mathrm{PO_4^{3-}}), metales pesados (Pb\mathrm{Pb}, Hg\mathrm{Hg}, Cd\mathrm{Cd}), hidrocarburos, pesticidas y microplásticos.
  • Biológicos: microorganismos patógenos (bacterias, virus, protozoos).

Depuración de aguas residuales (EDAR)

Las estaciones depuradoras devuelven el agua residual al medio en condiciones aceptables mediante etapas sucesivas:

  1. Pretratamiento: desbaste, desarenado y desengrasado para retirar sólidos gruesos, arenas y grasas.
  2. Tratamiento primario (físico-químico): decantación de sólidos sedimentables; a veces coagulación-floculación con sales de aluminio o hierro.
  3. Tratamiento secundario (biológico): microorganismos aerobios oxidan la materia orgánica disuelta en reactores de fangos activos. Incluye la nitrificación, que transforma el amonio en nitrato:
NH4++2 O2→NO3−+2 H++H2O\mathrm{NH_4^+} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{H_2O}
  1. Tratamiento terciario: eliminación de nutrientes, desinfección y afino para reutilización.
Etapas de una estación depuradora de aguas residualesCadena de cuatro bloques. El agua residual entra en el pretratamiento, donde se retiran solidos gruesos, arenas y grasas; pasa al tratamiento primario, de decantacion y floculacion; despues al secundario, biologico, con fangos activos y nitrificacion; y por ultimo al terciario, que elimina nutrientes y desinfecta antes de devolver el agua al medio.PretratamientoPrimarioSecundarioTerciarioagua residualagua depuradadesbaste · arenasy grasasdecantación desólidos · floculaciónfangos activosnitrificaciónnutrientesy desinfecciónfísico → físico-químico → biológico → afino
Figura 2. Línea de tratamiento de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR). Cada etapa retira un tipo de carga contaminante: primero los sólidos gruesos, después los sedimentables, luego la materia orgánica disuelta por vía biológica y, por último, los nutrientes y los patógenos. Elaboración propia

Potabilización (ETAP)

Para convertir agua bruta en potable, las estaciones de tratamiento aplican coagulación-floculación, decantación, filtración y, finalmente, desinfección. La cloración se basa en el poder oxidante del ácido hipocloroso:

Cl2+H2O⇌HClO+H++Cl−\mathrm{Cl_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{HClO} + \mathrm{H^+} + \mathrm{Cl^-}

Alternativas modernas son la ozonización y la radiación ultravioleta, que no dejan subproductos organoclorados.

4. Procedimientos para determinar la contaminación del agua y del aire

Análisis de la contaminación del agua

El estado de un agua se evalúa mediante parámetros normalizados:

  • pH y conductividad: medidas potenciométricas rápidas del carácter ácido-base y del contenido iónico total.
  • Oxígeno disuelto (OD): medido con sonda electroquímica o por el método Winkler (yodometría).
  • Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5\mathrm{DBO_5}): oxígeno consumido por los microorganismos al degradar la materia orgánica durante 5 días a 20 ∘C20\,^\circ\mathrm{C}; mide la carga orgánica biodegradable.
  • Demanda química de oxígeno (DQO): oxígeno equivalente consumido al oxidar la materia orgánica con un oxidante fuerte (dicromato potásico en medio ácido):
Cr2O72−+14 H++6 e−→2 Cr3++7 H2O\mathrm{Cr_2O_7^{2-}} + 14\,\mathrm{H^+} + 6\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{Cr^{3+}} + 7\,\mathrm{H_2O}

La relación DBO/DQO informa sobre la biodegradabilidad del vertido.

  • Sólidos en suspensión, nitratos, fosfatos y metales pesados: determinados por espectrofotometría UV-visible, absorción atómica, ICP o cromatografía iónica.

Análisis de la contaminación del aire

La calidad del aire se controla con redes de estaciones que miden en continuo los contaminantes regulados:

  • Partículas en suspensión (PM10\mathrm{PM_{10}} y PM2,5\mathrm{PM_{2{,}5}}): medidas por gravimetría o atenuación de radiación beta.
  • SO2\mathrm{SO_2}: fluorescencia ultravioleta.
  • NOx\mathrm{NO_x}: quimioluminiscencia.
  • CO\mathrm{CO}: absorción de radiación infrarroja no dispersiva (NDIR).
  • O3\mathrm{O_3}: fotometría de absorción ultravioleta.

Estas técnicas permiten comparar las concentraciones con los valores límite fijados por la normativa europea y activar protocolos de aviso a la población.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), estos contenidos se abordan en la materia de Física y Química de la ESO y se profundizan en las materias de Bachillerato, integrándose además con Biología y Geología y con los saberes transversales de educación ambiental y sostenibilidad. El tema conecta con los sentidos del saber físico-químico relativos a la materia, las reacciones y su impacto, y es idóneo para desarrollar la competencia STEM y la conciencia ecosocial.

Se presta especialmente a situaciones de aprendizaje contextualizadas: análisis del agua de la localidad, estudio del ciclo del agua urbano, medida del pH de la lluvia, o interpretación de índices de calidad del aire. El trabajo experimental —valoraciones ácido-base, medida de pH, ensayos de dureza— desarrolla la indagación científica.

Conviene anticipar las ideas previas y errores frecuentes: confundir el efecto invernadero (troposférico, por CO2\mathrm{CO_2}) con el agujero de la capa de ozono (estratosférico, por CFC), que son fenómenos independientes; creer que todo el ozono es contaminante (es beneficioso en la estratosfera y perjudicial en la troposfera); o identificar “agua transparente” con “agua potable”. Aclarar estas confusiones y usar datos reales de estaciones de medida refuerza el pensamiento crítico frente a la información ambiental.

Conclusión

Los procesos químicos del agua y del aire —equilibrios ácido-base y carbonato-bicarbonato, reacciones redox y procesos fotoquímicos— sostienen los ciclos naturales del planeta. Su alteración por la actividad humana desencadena el efecto invernadero, la lluvia ácida, la destrucción de la capa de ozono y el smog fotoquímico, mientras que la presión sobre el agua, recurso limitado, exige sistemas de depuración y potabilización cada vez más eficientes. Los procedimientos analíticos —desde la DBO5\mathrm{DBO_5} y la DQO hasta la quimioluminiscencia o la absorción atómica— permiten cuantificar la contaminación y fundamentar la toma de decisiones. Comprender esta química es hoy una herramienta imprescindible para la sostenibilidad y una vía privilegiada para educar en el rigor científico y en el compromiso ambiental.

Bibliografía
  1. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. y Bissonnette, C. (2017). Química general (11.ª ed.). Pearson.
  2. Chang, R. y Goldsby, K. A. (2020). Química (13.ª ed.). McGraw-Hill.
  3. Baird, C. y Cann, M. (2014). Química ambiental (2.ª ed.). Reverté.
  4. Manahan, S. E. (2007). Introducción a la química ambiental. Reverté / UNAM.
  5. Orden de 9 de septiembre de 1993 (BOE núm. 226), por la que se aprueban los temarios del cuerpo de Profesores de Enseñanza Secundaria, especialidad Física y Química (590-007).
  6. Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, currículo de Educación Secundaria Obligatoria (Física y Química, LOMLOE).