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Diferenciado M2 · Química (profundización)
Química ambiental y cambio climático · Cambio climático y equilibrios químicos en los sistemas naturales

Equilibrios químicos en océanos y atmósfera

El océano frente a las costas de Chile es una de las zonas pesqueras más productivas del mundo, y también uno de los lugares donde se estudia con más atención cómo cambia la química del mar. Cada año el océano absorbe una parte importante del CO₂ que emitimos. ¿Qué le pasa a ese gas cuando entra al agua? ¿Y por qué una diferencia de solo 0,1 en el pH puede amenazar a un choro, un ostión o un coral?

El efecto invernadero y los gases que lo causan

La Tierra recibe radiación del Sol, sobre todo visible. La superficie se calienta y devuelve energía al espacio como radiación infrarroja. Algunos gases de la atmósfera absorben parte de esa radiación infrarroja y la reemiten en todas direcciones, incluida la superficie. Eso es el efecto invernadero.

Esquema del efecto invernadero: radiación solar que llega, infrarrojo que sale desde la superficie y parte que la atmósfera devuelve hacia abajo. Superficie terrestre Atmósfera con CO₂, CH₄, H₂O Luz solar Infrarrojo al espacio Infrarrojo devuelto

Este efecto es natural y necesario: sin él, la temperatura media del planeta sería bajo los 0 °C. El problema aparece cuando aumenta la concentración de estos gases.

¿Por qué algunos gases absorben infrarrojo y otros no? Las moléculas vibran. Si al vibrar cambia su momento dipolar (la distribución de carga), pueden absorber radiación infrarroja de la frecuencia justa.

  • El CO₂ es lineal y simétrico, pero al doblarse o estirarse asimétricamente aparece un dipolo temporal: absorbe infrarrojo.

  • El CH₄ y el N₂O también cambian su dipolo al vibrar: son gases de efecto invernadero.

  • El N₂ y el O₂ son moléculas diatómicas con átomos iguales: al vibrar (estirarse) no generan dipolo, así que no absorben infrarrojo. Lo mismo el Ar, que es monoatómico.

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Dos de los gases siguientes son gases de efecto invernadero: $\text{N}2$, $\text{CH}4$, $\text{O}2$, $\text{CO}2$, $\text{Ar}$. Identifica cuáles son y explica…

Dos de los gases siguientes son gases de efecto invernadero: $\text{N}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{O}_2$, $\text{CO}_2$, $\text{Ar}$. Identifica cuáles son y explica brevemente qué hace que un gas contribuya al efecto invernadero.

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El CO₂ entra al mar: un equilibrio dinámico

Cuando el CO₂ del aire entra en contacto con el agua del mar, parte se disuelve y reacciona con el agua:

$$\text{CO}_2(g) \rightleftharpoons \text{CO}_2(aq)$$ $$\text{CO}_2(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3(aq)$$

La doble flecha indica un equilibrio dinámico: la reacción directa y la inversa ocurren a la vez y con la misma velocidad. Por eso las concentraciones se mantienen constantes, aunque las moléculas no dejan de pasar del aire al agua y del agua al aire. Una flecha simple diría que la reacción termina en un solo sentido, y no es así.

Como el sistema está en equilibrio, responde a los cambios según el principio de Le Châtelier: si se perturba, se desplaza en el sentido que contrarresta la perturbación.

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Cuando el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en el agua del mar, forma ácido carbónico según el equilibrio…

Cuando el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en el agua del mar, forma ácido carbónico según el equilibrio $\text{CO}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3(aq)$. Explica con tus palabras qué significa que esta reacción sea un equilibrio químico y por qué se usa la doble flecha en lugar de una flecha simple.

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Acidificación del océano

El ácido carbónico es un ácido débil y se disocia en dos etapas:

$$\text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$$ $$\text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$

En ambas etapas se libera H⁺. Como $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, más H⁺ significa menor pH. Eso es la acidificación oceánica. Ojo: el agua de mar sigue siendo ligeramente básica (pH cercano a 8); lo que ocurre es que baja su pH, no que pase a ser ácida.

Cadena de equilibrios: CO₂ del aire, CO₂ disuelto, ácido carbónico, bicarbonato y carbonato, con liberación de H⁺ en cada etapa. CO₂(g) CO₂(aq) H₂CO₃ HCO₃⁻ CO₃²⁻ ⇌ ⇌ ⇌ ⇌ + H⁺ + H⁺ Más CO₂ → más H⁺ → pH más bajo

¿Por qué 0,1 unidades de pH importan?

El pH es una escala logarítmica: cada unidad es un factor 10 en $[\text{H}^+]$.

Una baja pequeña en el pH es un cambio grande en la concentración de H⁺, y a los organismos marinos les importa la concentración real, no el número del pH.

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Se llama acidificación oceánica a la disminución del pH del agua de mar provocada por el aumento del $\text{CO}2$ atmosférico. Indica qué ion aumenta su concentración en…

Se llama acidificación oceánica a la disminución del pH del agua de mar provocada por el aumento del $\text{CO}_2$ atmosférico. Indica qué ion aumenta su concentración en el agua cuando el ácido carbónico se disocia, y explica por qué su aumento hace bajar el pH.

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Una muestra de agua de mar tiene pH $8{,}2$ y otra, tomada en la misma zona décadas después, tiene pH $8{,}1$. Calcula en qué factor aumentó la concentración de…

Una muestra de agua de mar tiene pH $8{,}2$ y otra, tomada en la misma zona décadas después, tiene pH $8{,}1$. Calcula en qué factor aumentó la concentración de $\text{H}^+$ entre ambas muestras y explica por qué una diferencia de solo $0{,}1$ unidades de pH es relevante. Recuerda que $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$ y que $10^{0{,}1} \approx 1{,}26$.

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Carbonato y organismos calcificadores

Ostiones, ostras, erizos, choros, corales y muchos organismos del plancton construyen conchas y esqueletos de carbonato de calcio, que se forma desde los iones del agua:

$$\text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{CaCO}_3(s)$$

¿Qué pasa con el ion carbonato cuando sube el CO₂? Aplica Le Châtelier a la segunda disociación:

$$\text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$

El CO₂ extra aumenta el H⁺ en el agua. Para contrarrestar ese aumento, este equilibrio se desplaza hacia la izquierda: el H⁺ reacciona con $\text{CO}_3^{2-}$ y forma $\text{HCO}_3^-$. Resultado: disminuye la concentración de carbonato disponible.

Juntando los tres equilibrios: menos $\text{CO}_3^{2-}$ implica que $\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-}$ se desplaza hacia la derecha (el sólido se disuelve para reponer el carbonato) y que formar conchas cuesta más. Esto se relaciona con el producto de solubilidad: si $Q_{ps} < K_{ps}$, el sólido tiende a disolverse.

Cadena de efectos: más CO₂ atmosférico, más H⁺ en el agua, menos carbonato disponible y disolución parcial del carbonato de calcio de las conchas. ↑ CO₂ ↑ H⁺ ↓ CO₃²⁻ CaCO₃ se disuelve → → → Conchas y esqueletos más difíciles de formar

Las larvas y los organismos jóvenes son los más vulnerables, porque forman sus conchas con muy poca reserva. Esto afecta a la acuicultura y a las pesquerías del litoral chileno, y a toda la red trófica que depende de ellas. Las aguas frías, como las de la corriente de Humboldt, disuelven más CO₂ y tienen de por sí menos carbonato, por lo que son especialmente sensibles.

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El ácido carbónico del mar se disocia en etapas: $\text{H}2\text{CO}3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}3^-$…

El ácido carbónico del mar se disocia en etapas:

$\text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

$\text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$

Los organismos como ostras, erizos y corales usan el ion carbonato para formar sus conchas y esqueletos de $\text{CaCO}_3$. Usando el principio de Le Châtelier, explica por qué el aumento de $\text{CO}_2$ disuelto disminuye la disponibilidad de $\text{CO}_3^{2-}$ en el agua.

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El océano absorbe una parte importante del $\text{CO}2$ emitido por las actividades humanas, lo que atenúa el calentamiento atmosférico pero acidifica el agua. Considera…

El océano absorbe una parte importante del $\text{CO}_2$ emitido por las actividades humanas, lo que atenúa el calentamiento atmosférico pero acidifica el agua. Considera el sistema:

$\text{CO}_2(g) \rightleftharpoons \text{CO}_2(aq)$

$\text{CO}_2(aq) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

$\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-}$

Argumenta, relacionando los tres equilibrios, cómo el aumento de $\text{CO}_2$ atmosférico puede disolver parcialmente estructuras de carbonato de calcio. Luego explica por qué esto afecta de forma particular a los organismos de aguas frías, como las de la corriente de Humboldt, donde el $\text{CO}_2$ es más soluble.

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Temperatura y retroalimentación del océano

La solubilidad de un gas en agua disminuye al aumentar la temperatura. Lo notas en una bebida: destapada y tibia pierde su gas más rápido que fría.

Aplicado al mar: si la temperatura superficial sube, el equilibrio $\text{CO}_2(g) \rightleftharpoons \text{CO}_2(aq)$ se desplaza hacia la izquierda (el gas se hace menos soluble). El océano absorbe menos CO₂, o incluso libera parte del que tenía disuelto.

Esto genera una retroalimentación positiva:

  1. Aumenta el CO₂ atmosférico, se intensifica el efecto invernadero y el mar se calienta.

  2. El mar caliente disuelve menos CO₂.

  3. Queda más CO₂ en la atmósfera, que calienta aún más.

Ciclo de retroalimentación positiva: más CO₂ en el aire calienta el mar, el mar caliente disuelve menos CO₂ y deja más en la atmósfera. ↑ CO₂ atmosférico ↑ temperatura del mar ↓ solubilidad del CO₂ → ↙ ↖
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La solubilidad de un gas en agua disminuye al aumentar la temperatura. Un grupo de estudiantes de un liceo de Valparaíso quiere predecir qué ocurre con el $\text{CO}2$…

La solubilidad de un gas en agua disminuye al aumentar la temperatura. Un grupo de estudiantes de un liceo de Valparaíso quiere predecir qué ocurre con el $\text{CO}_2$ disuelto en el océano si la temperatura superficial del mar sube. Describe qué sucedería con la cantidad de $\text{CO}_2$ disuelto y qué consecuencia tendría esto sobre la concentración de $\text{CO}_2$ en la atmósfera.

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Efecto invernadero natural e intensificado

Sin efecto invernadero natural, la Tierra sería demasiado fría para la vida tal como la conocemos. El problema es la intensificación: al aumentar el CO₂ (y el CH₄, y el N₂O) se absorbe más infrarrojo y la atmósfera devuelve más energía a la superficie.

Natural Intensificado
Concentración de gases Estable durante milenios Crece por quema de combustibles y otras actividades
Balance de energía Energía que entra ≈ energía que sale Sale menos de la que entra
Temperatura media Estable Aumenta

Mecanismo molecular: el CO₂ al vibrar (se dobla o se estira asimétricamente) cambia su dipolo y absorbe fotones infrarrojos de ciertas frecuencias; después reemite esa energía en todas direcciones. El N₂, al estirarse, no genera dipolo y no interactúa con el infrarrojo.

Si el CO₂ siguiera creciendo, el balance de energía quedaría desequilibrado: más energía retenida, calentamiento. Y por la retroalimentación del océano (menor solubilidad con la temperatura), una parte de ese CO₂ no sería absorbida por el mar, de modo que el aumento atmosférico se aceleraría. Al mismo tiempo, el CO₂ que sí entra seguiría acidificando el agua.

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Un informe señala que el efecto invernadero natural es necesario para la vida, pero que su intensificación por actividades humanas es problemática. Compara ambas…

Un informe señala que el efecto invernadero natural es necesario para la vida, pero que su intensificación por actividades humanas es problemática. Compara ambas situaciones: describe el mecanismo molecular por el cual el $\text{CO}_2$ absorbe radiación infrarroja, explica por qué el $\text{N}_2$ no lo hace y analiza qué ocurriría con el balance de energía de la Tierra si la concentración de $\text{CO}_2$ se mantuviera creciendo, considerando además la retroalimentación del océano que libera $\text{CO}_2$ al calentarse.

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Vuelve al principio: el CO₂ que el océano absorbe se disuelve y libera H⁺, lo que baja el pH (aunque sea «solo» 0,1 unidades, equivale a un 26 % más de H⁺) y deja menos carbonato para las conchas de ostiones, erizos y corales.

Resumen

  • El CO₂, el CH₄ y el N₂O son gases de efecto invernadero porque su vibración cambia el momento dipolar y absorben infrarrojo; el N₂, el O₂ y el Ar no.

  • El CO₂ y el mar forman equilibrios dinámicos: $\text{CO}_2(g)\rightleftharpoons\text{CO}_2(aq)$ y $\text{CO}_2(aq)+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{H}_2\text{CO}_3$.

  • La disociación del H₂CO₃ libera H⁺: el pH baja (acidificación). Una baja de 0,1 en el pH es un aumento de ~26 % en $[\text{H}^+]$.

  • Más H⁺ desplaza $\text{HCO}_3^-\rightleftharpoons\text{H}^++\text{CO}_3^{2-}$ hacia la izquierda: hay menos carbonato y el CaCO₃ se forma con dificultad o se disuelve.

  • Al calentarse el mar, el CO₂ es menos soluble: el océano libera CO₂ y se refuerza el calentamiento (retroalimentación positiva).

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