Universitat de les Illes BalearsDepartament de Química
Química OrgànicaDr. Pere M. Deyà
Química a l’atmosfera:
sense ella, la vida a la terra no seria
possible
el forat dela capa d’ozò
Unitats Dobson (UD): 2.69x1020 molècules/m2
¿ ?
1.- composició química de l’atmosfera2.- radiacions
3.- cicles biogeoquímics
12
50
80
km500
troposfera
estratosfera
mesosfera
termosferao ionosfera
exosfera
tropopausa
estratopausa
mesopausa
atmosfera
capa d’ozò
hom
osfe
rahe
tero
sfer
a
20001
12
50
80
km500
troposfera
estratosfera
mesosfera
termosferao ionosfera
exosfera
0-60 100 ºC
tropopausa
estratopausa
mesopausa
capa d’ozò
-60ºC
-2ºC
-92ºC
1200ºC
2000
p
10-1 p
10-3 p
10-4 p
10-6 p
pressióatmosfèrica
[H2O] ↑aerosols
75% massa
[O3] ↑
[gasos lleugers]
[espèciesionitzades]
[O2+, N2+, O, H, He]
Composició química de les atmosferes dels planetes del sistema solar i del Sol (% volum)
T(K) H2 He H2O CO2 N2 O2 CH4 Ar
Sol 5760 89 11 1·10-1 - - - 6·10-2 -
Venus
Terra
Mart
732
288
223
1·10-3
5,3·10-5
-
2·10-3
5,2·10-4
-
2·10-3
0 - 4
3·10-2
96,5
3,4·10-2
95,3
3,5
78,1
2,7
2·10-3
20,9
1,3·10-1
6·10-5
1,7·10-4
7·10-3
9,3·10-1
1,6
Júpiter
Saturn
Urà
Neptú
170
130
59,4
59,3
90
96
85
85
10
4
15
15
5·10-4
5·10-4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2,4·10-1
2·10-1
<1·10-5
3·10-3
-
-
-
-
Atmosfera primàriaCH4 - NH3 - H2O
radiació: ona electromagnètica
λ
8
E
B
Les ones electromagnètiques són ones transversals en les quals, el camp elèctric i el magnètic són perpendiculars entre sí i, a la vegada, perpendiculars a la direcció de propagació
Les ones electromagnètiques transporten energia però no materia i no necessiten cap mitjà material per a la seva propagació.
λ λ E = h ·ν = h · cλ
2
E = h ·ν = h · cλ
λ
ESPECTREELECTROMAGNÈTIC
10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 102 104
raigs γpm
raigs Xnm
UVnm
IRμm
microonesmm
ones de radiom km
ona curta
ona llarga
λ (m)
radiacions
radiació solar
radiació terrestre
1 nm = 10-9 m1 µm = 103 nm
atmosfera: composicióGasos anys de
permanència % volum
PERMANENTSnitrògenoxígenargóaltres gasos nobles
106
5·103
-He (107)
78,0820,950,93
0,0008
VARIABLESdiòxid de carbonimonòxid de dinitrògenozòvapor d’aigua
1582
10 dies
0,030,000020,000002
0 - 5 H2O
CO2
O2
N2OO3
100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm
H2O (0-5 %)
0
1
CO2 (0,03 %)
0
1
O2 (20,95 %)O3 (0,000002 %)O2 O3
0
1
longitud d’ona
N2O(0,00002%)
0
1
atmosfera: absorció d’energia
100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm
H2O (0-5 %)
0
1
CO2 (0,03 %)
0
1
O2 (20,95 %)O3 (0,000002 %)O2 O3
0
1
longitud d’ona
N2O(0,00002%)
0
1
atmosfera: absorció d’energia
AtmosferaTerrestre
0
1
400100 200 800 2000 4000 20000 nm8000
longitud d’ona
atmosfera: absorció d’energia
14
CH4 N2OCFCs HCFCs O3
IRUV
9% UV 43% VIS 48% IR
0
1 AtmosferaTerrestreO3O2
H2OCO2
processos fotoquímicsL’absorció de radiació per les substàncias químiques pot provocar tres tipus d’espècies:
Molècules excitades electrònicament
• M + hν (UV, VIS) → M*Radicals lliures
• radical hidroxil: HO·Ions
• la llum UV pot formar ions que són les espècies predominants en la ionosfera
incidència de radiació solar
10-17 km
50 km
85 km
500 km1.200ºC
-92ºC
-2ºC
-56ºC
UV
(λ >
340
nm
), V
IS, I
R
UV
(λ < 100 nm)
UV
(λ =
200
- 3
00 n
m)
[O] 99% >> [O2] 1%
[O] 50% = [O2] 50%
[O] < [O2]
[O] << [O2]màxim O3
[O2] 99% >> [O] 1%
dispersió (aerosols): 7%reflexió (niguls): 24%reflexió (terra): 4%
absorció (atmosfera): 17%absorció (niguls): 1%
radiació incident: 45-50%
emissió de radiació terrestre
10-17 km
50 km
85 km
500 km1.200ºC
-92ºC
-2ºC
-56ºC
IR (4.000 <λ < 30.000 nm)[O] 99% >> [O2] 1%
[O] 50% = [O2] 50%
[O] < [O2]
[O] << [O2]màxim O3
[O2] 99% >> [O] 1%
IR
cicle de l’ozò estratosfèric
O2 (g) + hν (∼242 nm) → 2 O (g)(a)
O (g) + O2 (g) + M (g) → O3 (g) + M* (g) + Q(b)
O3 (g) + hν (240<λ<310 nm) → O2 (g) + O (g)(c)
O (g) + O (g) + M (g) → O2 (g) + M* + Q(d)
O O
O Q
Q
O
OO
cicle de l’ozò estratosfèric
O2 (g) + hν (∼242 nm) → 2 O (g)(a)
O (g) + O2 (g) + M (g) → O3 (g) + M* (g) + Q(b)
O3 (g) + hν (240<λ<310 nm) → O2 (g) + O (g)(c)
O (g) + O (g) + M (g) → O2 (g) + M* + Q(d)
[O3] = constant
alteració per CFCs i anàlegs
Cl CF
ClF
Freó 12
Freó 113
C CF
FF
ClCl
Cl
139 anys
92 anys
Excel·lents propietats tèrmiques• fluids refrigerants• propelents• agents emulsionants d’escumes aïllants• agents de neteja
Reactivitat química molt baixa• gran estabilitat• llarga permanència en la atmosfera
Cl CF
ClF
Freó 12 139 anys
troposfera
estratosfera
C ClClF
F
OO
O
O
alteració per CFCs i anàlegs
Freó 12 139 anys
troposfera
estratosfera
OO
O
O
alteració per CFCs i anàlegs
Cl
cada àtom de Cl alliberat del CFC pot destruir 100.000
molècules d’ O3
alteració per CFCs i anàlegsAcords CFCs Halons HCFCs
1987Montreal
1990 cong. 19861994 red. 20%1999 red. 50%
1990Londres
2000 eliminació 1992 cong. 19861995 red. 50%2000 eliminació
1993Copenhague
1996 cessament producció
1996 cessament producció i consum
1996 limit prod.2020 eliminació
U.E.1993
1995eliminació
1994 cessament producció i consum
2004 red. 35%2015 cessament producció
efecte hivernacle
100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm
Espectre d’absorció
de la AtmosferaTerrestre0
1
radiació solar a 5.760 K
radiació terrestre a 255 K
O3O2CO2
H2OO3
CO2
H2O
efecte hivernacle natural
O3O2
CO2H2O
288 K
255 K
efecte hivernacle antropogènic
CO2H2O
288 K
255 K
8.000 - 12.000 nm
H2OCO2 CH4
CFCs
HCFC
s
efecte hivernacle antropogènic
1750 1800 1850 1900 1950 2000270
290
310
330
1750 1800 1850 1900 1950 20000,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,8
[CO2] (ppm)
[CH4] (ppm)
Mauna LoaGel
Gel
efecte hivernacle antropogènicN2O
agriculturacrema de
combustibles fòssils
CFCsrefrigerants
aerosolsescuma plàstica
HCFCsrefrigerants líquids
SF6aïllants
elèctrics
efecte hivernacle ¿antropogènic?
Temperatures globals
mitjana quinquennalmitjana anual
Varia
ció
de
tem
per
atur
a (º
C)
Any NASA, 2008
efecte hivernacle antropogènic
1000 1500 1900
Periode medieval càlid
Petita edat de gel
( )
anys enrere
δ18
O/16
O
Ho
locè
∼9ºC
CALOR
FRED
16.000
10.000
anys enrere
δ18
O/16
O
2.000
700
100
800 ka
atapuercahomo
heidelberg
400 ka
homo sapiens
<50 kane
and
erth
al
200 ka
milions d’anys enrere
∆T
(ºC
)
5 milions d’anys de canvi climàtic
(dades de sediments)
refredament progressiu més amplitud de fluctuació
anys x 1000
pleistocè
cicles biogeoquímicsLa composició de l’atmosfera depén dels processos bio i geoquímics que impliquen els diferents elements. Els cicles més importants són:
• cicle del carboni (C)
• cicle del nitrògen (N)
• cicle del sofre (S)
• cicle de l’oxigen (O)
3
cicle del carboni
combustibles fòssils
matèriaorgànica
CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←
CaCO3 Ca(HCO3)2 (aq)→←CO2 dissolt
reserves de carboni
1 roquescalcàries
2
3
4CO2
cicle del carboni
combustibles fòssils
matèriaorgànica
CO2 CO2, CO, CH4
COCH4
CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←
CaCO3 Ca(HCO3)2→←
CH4
emissió de carboni
des
com
pos
ició
resp
iraci
ó y
desc
ompo
sici
órespiració y
descomposició
combustió
desc
ompo
sici
ó
CO2 dissolt
cicle del carboni
combustibles fòssils
matèriaorgànica
CO2COCH4
CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←
CaCO3 Ca(HCO3)2→←
absorció de carboni
foto
sínt
esi
fotosíntesi
dissoluc
ió
CO2 dissolt
cicle del carboni
combustibles fòssils
matèriaorgànica
CO2COCH4
CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←
CaCO3 Ca(HCO3)2→←
emissió antropogènica
comb
ustió
desforestació
combustió ineficient
de biomassa
CO2 dissolt
fotosíntesi
38
CO2 + H2O (CH2O)x + O2desforestació
bosc amazònic torberes
llum + temperatura
cicle del carboni
combustibles fòssils
matèriaorgànica
CO2 CO2, CO, CH4
COCH4
CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←
CaCO3 Ca(HCO3)2→←
CH4
CO2 dissolt
cicle del carboni: xifres
Absorció de carboni:• producció de vegetació:
57 Gtm/any
• absorció per oceans: 92.2 Gtm/any
• absorció per la terra: 2.3 Gtm/any
Fonts de carboni:• respiració animal/vegetal:
55.5 Gtm/any
• oceans: 90.5 Gtm/any
• combustions: 6.4 Gtm/any
• Canvis utilització de la terra: 1.2 Gtm/any
40
Font: The First State of the Carbon Cycle Report, U.S. Climate Change Science
Program
cicle del carboni: xifres
41
Emissions
Acumulacionsemissions de combustibles fòssilsemissió neta dels canvis d’ús de terresacumulació indefinidaacumulació atmosfèricacaptació oceànica
Font: Woods Hole Research Center, 2009
6,4 Gtm/any
2 Gtm/any
2,2 Gtm/any
4 Gtm/any
2,3 Gtm/any
cicle del carboni: xifres
42
milions d’anys abans
0
2000
8000
4000
6000
CO
2 (p
pm
V)
-600
concentració actual
Què pensa el mon “científic”?“Una abrumadora evidència científica demostra que les emissions de CO2 provenents de combustibles fòssils han causat el canvi climàtic. És vital reduir dramàticament aquestes emissions per reduir el risc de futurs efectes devastadors” • 80% energia deriva dels combustibles fòssils.
• Hi han prou reserves de combustibles fòssils, especialment de carbó (2/3 a EEUU, URSS, India i Xina)
• Aquests països difícilment canviaràn la seva política sobre el carbó => ÉS IMPRESCINDIBLE PERSEGUIR AGRESSIVAMENT LA CAPTURA I EMMAGATZEMAMENT DEL CO2 EMÈS.
• EEUU: 3.400.000.000$ invertits
43
Steven ChuSecretari d’Energia (EEUU)Premi Nobel de física (1997)
Science (2009)
captura i emmagatzemament del CO2
44
Injecció de CO2 supercrític
Planta de producció d’energia a partir de carbó o petroli i planta de captura-separació de CO2.
2
Extraccióde Gas
1
1pou de la mina
mina de carbó a cel obert
Extracció de carbó
3 Transport de CO2
Injecció CO21
CO2 líquid flotant Magatzem
de CO2
5
producció gas/petroliCO2 injectatCO2 emmagatzemat
Opcions geològiques d’emmagatzematge1 dipòsits de gas/petroli empobrits2 ús de CO2 per extraure gas/petroli3 formacions salines profundes (a) sobre el mar, (b) a terra4 ús de CO2 per extraure metà de llits de carbó
Kaniow (Polonya)
inici: 2004 final: 2005760 tm de CO2
injecció sobre capes de carbó a 1.100 m de profunditat.S’està monitoritzant el procés.
Saskatcheuan(Canada)
inici: 2000 1.000.000 tm de CO2/anyinjecció del CO2 d’una planta elèctrica a un pou de petroli actiu per impulsar la seva extracció
Price,Utah (EEUU)
In Salah (Argelia)
inici: 2004 1.200.000 tm de CO2/anyinjecció del CO2 comprimit a un dipòsit ple d’aigua a 1.800 m de profunditat
inici: 2009 3.300.000 tm de CO2
El CO2 es separat de gas natural i injectat a un dipòsit d’aigua salada a 2.300 m de profunditat
Barrow Island(Australia)
Tianjin (Xina)
inici: finals 2016 1.000.000 tm de CO2
El CO2 provenent de carbó gasificat s’utilitzarà en l’extracció de petroli
PROJECTES SEGREST I
EMMAGATZEMATGE DE CARBONI
Sleipner West,(Noruega)
Berlin, (Alemanya)
Química amb CO2
47
CO2
H2N
O
NH2
CH3OH
H2
NH3
OO
O
O
ONa
OH
COONa
O
R
R
O
O
O
n
El CO2 és un reactiu verd, però les reaccions químiques industrials amb CO2 no ajudaràn a
minimitzar l’efecte hivernacle ...
1. La fixació química de CO2 no necessàriament redueix el CO2 total, perquè necessitam energia per fer les reaccions...
2. Hi ha un problema d’escalat ...3. Els productes orgànics en els quals hem fixat
el CO2, generalment emetran CO2 quan siguin utilitzats ...
reflexió final ... no exactament química
48
moltes
gràcies
Universitat de les Illes Balears