Unidad 2 parte 2
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2B-1 z: onda y partículas de energ Se visualiza la radiación constituida por partículas o cuantos de energía llamadas fotones (teoría cuántica). En realidad, la radiación tiene un carácter dual: (i) modelo ondulatorio ( onda ) (ii) modelo cuántico
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2B-1
Luz: onda y partículas de energía
Se visualiza la radiación constituida por partículas o
cuantos de energía llamadas fotones (teoría
cuántica).
En realidad, la radiación tiene un carácter dual:
(i) modelo ondulatorio ( onda )
(ii) modelo cuántico ( partícula )
2B-2
Movimiento Ondulatorio
Longitud de onda: largaFrecuencia : baja
Longitud de onda: cortaFrecuencia : alta
1 ciclo
2B-3
Longitud de onda
Longitud de onda es la distancia entre sucesivos peaks. Tiene unidades de longitud
Se denota por la letra griega lambda (l)
Nuestros ojos son sensibles a luz con 400*10-9 [m] < l < 700*10-9 [m]
Se usa la unidad nanometro [nm]:
1[nm] = 1*10-9 [m]
2B-4
Frecuencia
Frecuencia de la luz es el número de ondas
que pasan por un punto fijo en 1[segundo].
Tiene unidades [s-1] = [Hertz]
Se denota por la letra griega nu (n)
2B-5
donde c : constante de velocidad de la luz igual a 3*10 8 [m / s]
A menor l , mayor n. Para luz roja l = 700[nm] y n = 4,3*1014
[Hz] ;Para luz violeta l = 400[nm] y n = 7,5*1014
[Hz]
Relación entre frecuencia y longitud de onda
n = c / ln = c / l
2B-6
Rango visible del espectro electromagnético
Se extiende desde
400[nm] (color violeta)
hasta 700[nm] (color rojo)
2B-7
E = h n = h c / l
E = energía de un fotón
n = frecuencia de la radiación
h = constante de Planck = 6,63x10-34 [ J s ]
c = velocidad de la luz.
Luz: onda y partículas de energía
2B-8
Energía de fotones
Onda radio FM con n =100 [megahertz] (100x106 [s-1]):
Radiación solar UV de 300 [nm] (n = 1,0x1015 [s-1]):
E2 / E1 = 10x106 O sea, la energía de un fotón de luz UV es
10 [millones] de veces mayor que la de un fotón de radio.
E1 = 6,63x10-34 [Js] x 100 x 106 [s-1] = 6,63x10-26 [J]
E2 = 6,63x10-34 [Js] x 1 x 1015 [s-1] = 6,63x10-19 [J]
2B-9
Ondas de luz
Cada 1 [segundo] se convierten 5 [millones de toneladas] de materia del Sol, en energía que es irradiada al espacio
La radiación que nos alcanza consta de múltiples componentes.
Los prismas descomponen la luz solar en un espectro de colores
Cada color puede identificarse por su correspondiente longitud de onda
Distribución de Energía en la Radiación Solar
2B-11
Intensidad de la radiación solar
53 % : radiación IR39 % : luz visible8 % : luz UV
Al graficar la intensidad relativa de la radiación
solar como función de l, se aprecia que la mayor
intensidad ocurre en la región visible.
Los porcentajes de la energía total emitida por el
sol son:
Sensibilidad Biológica v/s Longitud de Onda UV
2B-13
Efectos biológicos de radiación UV
El impacto de la radiación UV en seres vivientes
depende de:
intensidad radiación UV
sensibilidad de organismos a radiación UV
Información gráfica muestra que la radiación solar
de l < 300 [nm] es totalmente filtrada en la
atmósfera por O2 y O3.
Energía Solar v/s Longitud de Onda UV
2B-15
Distribución de energía en la radiación solar
El Sol emite radiación infrarroja, visible, ultravioleta, y cósmica, en diferentes intensidades
Rango radiación solar UV:
200[nm] < l < 400 [nm]
Desde el punto de vista de sus efectos biológicos se distinguen
tres bandas UV:
UVA : UV larga, o luz negra; 320[nm] < l < 400 [nm]
UVB : UV media, o bronceante; 280[nm]< l < 320 [nm]
UVC : UV corta, o germicida; 200[nm]< l < 280[ nm]
2B-16
Pantalla atmosférica Oxígeno (O2) - Ozono (O3)
Gran parte de la radiación UV es bloqueada por los
alótropos de oxígeno presentes en la atmósfera.
El O2 estratosférico protege la superficie terrestre de
radiación UV de alta energía (l<242 [nm]) mediante la
reacción:
O2 + fotón 2 Ol < 242 [nm]
2B-17
Pantalla atmosférica Oxígeno (O2) - Ozono (O3)
Si O2 fuera el único absorbedor UV de la
atmósfera, la superficie de la tierra y sus criaturas aún
estarían bombardeadas por radiación dañina en el
rango 242 - 320 [nm].
2B-18
Se nota que:
(i) O3 es más reactivo que O2
(ii) los enlaces son más débiles en O3 que en O2.
O3 + fotón O2 + Ol < 320 [nm]
El O3 juega su rol protector mediante la reacción:
Pantalla atmosférica Oxígeno (O2) - Ozono (O3)
2B-19
Distribución de O3 en la atmósfera
Se ha graficado la concentración de O3 en la
atmósfera en función de la altitud
Se aprecia que la mayor concentración de O3 ocurre
entre 10 y 30 [Km], con un máximo a 20 [Km]
El 91 % del O3 de la tierra se encuentra en la
estratósfera, entre 10 y 50 [Km]
Concentración de O3 a varias alturas
2B-21
Ozono estratosférico: su formación y destrucción
Cada día se forman 300 [millones] de toneladas de O3
estratosférico, y se destruyen otros 300 [millones] de toneladas
Existe un estado estacionario donde la concentración de ozono permanece constante
El ciclo de Chapman explica cómo se obtiene el estado estacionario del O3
El ciclo de Chapman, propuesto en 1930, consta de 4 reacciones, es conceptualmente correcto pero incompleto, ya que existen varios otros factores
Ciclo de Chapman
2B-23
Deficiencias del mecanismo de Chapman
Desde hace 40 [años] se miden las concentraciones
de O3
Estas mediciones muestran concentraciones de O3 más
bajas que las predichas por el mecanismo de
Chapman
O sea, los procesos que determinan la concentración
de estado estacionario de O3 son más complejos e
incluyen otras reacciones
2B-24
El agujero en la capa de O3
La concentración de estado estacionario de O3 en la
estratósfera es menor que la predicha por el modelo de
Chapman
Esto se debe a las rutas de destrucción de O3 catalizadas por
H2O, NO y otras especies químicas naturales en la atmósfera
Sin embargo, estas rutas no permiten explicar totalmente la
disminución de la concentración de O3 registrada desde 1970
2B-25
Clorofluoro carbonos:Implicados en la destrucción de O3
Un trabajo de Sherwood Rowland y Mario Molina, realizado
en 1974, identificó a los CFC’s como responsables de este
fenómeno
En 1995 se les dio el Premio Nobel de Química por estas
investigaciones.
Los clorofluoro carbonos son compuestos sintéticos formados
por Cl, F y C
Los CFC’s más usados son CCl2F2 y CCl3F, conocidos como
CFC-12 y CFC-11
2B-26Sherwood Rowland & Mario Molina
Premios Nobel de Química 1995
2B-27
Propiedades y usos de Clorofluoro carbonos
CFC’s se comenzaron a usar como
refrigerantes en 1930, reemplazando al
amoníaco y al dióxido de azufre (compuestos
tóxicos y corrosivos).
CFC’s son muy inertes, no inflamables ni
tóxicos.
2B-28
Luego se usaron como:
Propelentes en productos tipo aerosoles.
Solventes para grasas y aceites.
Esterilizadores de instrumentos médicos.
En la industria del plástico expandido.
Extintores de incendio.
Propiedades y usos de Clorofluoro carbonos
2B-29
Freón 11 Freón 12
Compuestos clorofluorocarbonados
(CFC’s)
2B-30
Interacción de CFC’s con Ozono
CCl2F2 + fotón CClF2 + Cl
Cl + O3 ClO + O2
ClO + O Cl + O2
Cl + O3 + ClO + O ClO + Cl + 2O2
2B-31
Interacción de CFC’s con O3
Una molécula promedio de CCl2F2 persistirá 120
[años] en la atmósfera antes de ser destruida
En sólo 5 [años] una molécula típica penetra la
estratósfera donde fotones UV de alta energía
rompen los fuertes enlaces C-Cl, y liberan átomos
de Cl muy reactivos
CCl2F2 + fotón UV =====> CClF2 + Cl
2B-32
Un simple átomo de Cl puede destruir
100.000 moléculas de O3 antes de
ser arrastrado a la atmósfera por los vientos.
Interacción de CFC’s con O3
2B-33
La pérdida de O3 sobre el polo sur es
dramática
El agujero en la capa de O3 aumenta cada
año
El nivel actual de O3 sobre el polo es menos
de la mitad del valor que tenía en 1970
El agujero en la capa de O3
2B-34
Clima en la región del hoyo de ozono antártico
La parte baja de la estratósfera del polo sur es la región
más fría del planeta
Durante el invierno antártico (Junio-Septiembre) vientos
circulares impiden que entre aire más tibio a la región y se
llega a temperaturas de -90 [ºC].
El vapor de agua estratosférico congela en pequeñas nubes
de cristales de hielo.
2B-35
¿ Qué produce el hoyo de O3 antártico ?
Reacciones químicas en la superficie de estos
cristales atacan moléculas de ClNO2 y HCl y generan
especies reactivas como HOCl y Cl2
En Octubre, al salir el sol, la radiación rompe el
HOCl y Cl2 y libera los reactivos átomos de Cl
Los átomos de Cl catalizan la destrucción de O3 y
explican el hoyo de O3 antártico
2B-36
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s
u En Estados Unidos se prohibió
parcialmente el uso de CFC’s:
â En 1978, como propelente para tarros de
aerosoles
â En 1990, como agente espumante para
plásticos
2B-37
En 1987 muchas naciones firmaron el
Protocolo de Montreal sobre Sustancias que
Dañan la Capa de Ozono, donde se acordó
reducir la producción de CFC’s; y llegar en
1998 a la mitad del nivel producido en 1986
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s
2B-38
En 1990, 100 naciones acordaron en
Londres prohibir el uso de CFC’s desde el
año 2000
En 1992 se ordenó detener la producción de
CFC’s en Estados Unidos desde 1996
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s
