Tema 58

La química ambiental estudia els processos químics que ocorren en els grans compartiments del planeta —la hidrosfera i l'atmosfera— i la forma en què l'activitat humana els altera. Aquest tema aborda, en primer lloc, els processos químics naturals que governen l'aigua i l'aire; a continuació, la seua influència sobre el medi ambient quan es veuen pertorbats; després, el problema de l'aigua com a recurs limitat, amb la seua contaminació i depuració; i, finalment, els procediments analítics per determinar el grau de contaminació de tots dos mitjans.

El seu interés en el temari d'oposicions és doble. D'una banda, integra coneixements d'equilibri químic, àcid-base, redox i cinètica aplicats a sistemes reals. D'altra banda, connecta directament amb l'educació ambiental i la sostenibilitat, eixos transversals del currículum LOMLOE. Convé recordar que va ser Svante Arrhenius qui, ja el 1896, va quantificar per primera vegada l'efecte del $\mathrm{CO_2}$ atmosfèric sobre la temperatura terrestre, i que Mario Molina, F. Sherwood Rowland i Paul Crutzen van rebre el Premi Nobel de Química de 1995 per explicar la química de destrucció de la capa d'ozó.

1. Principals processos químics en l'aigua i en l'aire

Processos químics en l'aigua

L'aigua és un dissolvent excepcional pel seu caràcter polar i la seua capacitat de formar enllaços d'hidrogen. En el medi aquàtic natural coexisteixen diversos tipus de processos:

Autoionització. L'aigua es dissocia lleugerament establint l'equilibri que fixa l'escala de pH:

$$2\,\mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_3O^+} + \mathrm{OH^-}, \qquad K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1{,}0\times 10^{-14}\ (25\,^\circ\mathrm{C})$$

Equilibri carbonat-bicarbonat. El $\mathrm{CO_2}$ atmosfèric es dissol i reacciona amb l'aigua, governant el pH i la capacitat tampó de rius, llacs i oceans:

$$\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}$$

Aquest sistema és el principal tampó natural de les aigües i explica la seua resistència a canvis bruscos de pH.

Duresa de l'aigua. Les aigües que travessen terrenys calcaris dissolen carbonats gràcies al $\mathrm{CO_2}$, incorporant ions $\mathrm{Ca^{2+}}$ i $\mathrm{Mg^{2+}}$:

$$\mathrm{CaCO_3} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{HCO_3^-}$$

El desplaçament d'aquest equilibri explica tant la formació d'estalactites com les incrustacions de calç en canonades i calderes.

Processos redox i oxigen dissolt. L'oxigen dissolt (OD) és imprescindible per a la vida aquàtica. Els processos d'oxidació de la matèria orgànica el consumeixen, i la seua concentració regula l'estat d'un ecosistema aquàtic. També són rellevants la hidròlisi de sals i la solubilització de gasos (llei de Henry).

Processos químics en l'aire

L'atmosfera seca està formada per $\mathrm{N_2}$ ($\approx 78\,\%$), $\mathrm{O_2}$ ($\approx 21\,\%$), $\mathrm{Ar}$ ($\approx 0{,}9\,\%$) i traces de $\mathrm{CO_2}$ i altres gasos. En ella predominen els processos fotoquímics, iniciats per la radiació solar.

Formació i destrucció de l'ozó estratosfèric (cicle de Chapman). En l'estratosfera, la radiació ultraviolada dissocia l'oxigen molecular i forma ozó, que al seu torn filtra la radiació UV:

$$\mathrm{O_2} + h\nu \rightarrow 2\,\mathrm{O}, \qquad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$$

Oxidació de nitrogen i sofre. En processos de combustió a alta temperatura es formen òxids de nitrogen, i el sofre present en els combustibles origina òxids de sofre:

$$\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{NO}, \qquad \mathrm{S} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{SO_2}$$

Aquests òxids són la llavor de fenòmens contaminants que s'analitzen en l'apartat següent.

2. Influència en el medi ambient

L'alteració dels processos anteriors per les emissions antropogèniques genera els grans problemes ambientals d'escala global i regional.

Efecte hivernacle i canvi climàtic

Determinats gasos —$\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$, vapor d'aigua i els halocarburs— són transparents a la radiació solar visible però absorbeixen la radiació infraroja reemesa per la superfície terrestre, retenint calor. És un fenomen natural i imprescindible (sense ell, la temperatura mitjana seria d'uns $-18\,^\circ\mathrm{C}$), però la seua intensificació per la crema de combustibles fòssils produeix l'escalfament global. La combustió completa d'un hidrocarbur il·lustra la font principal:

$$\mathrm{C_x H_y} + \left(x+\tfrac{y}{4}\right)\mathrm{O_2} \rightarrow x\,\mathrm{CO_2} + \tfrac{y}{2}\,\mathrm{H_2O}$$

Pluja àcida

Els òxids de sofre i de nitrogen s'oxiden en l'atmosfera i reaccionen amb l'aigua formant àcid sulfúric i àcid nítric, que precipiten disminuint el pH de la pluja per davall de $5{,}6$:

$$2\,\mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_3}, \qquad \mathrm{SO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}$$ $$3\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{HNO_3} + \mathrm{NO}$$

La pluja àcida acidifica sòls i aigües, danya la vegetació (especialment els boscos de coníferes) i corroeix monuments de pedra calcària i marbre.

Destrucció de la capa d'ozó

Els clorofluorocarburs (CFC), molt estables, arriben a l'estratosfera, on la radiació UV allibera àtoms de clor que catalitzen la destrucció de l'ozó en un cicle que es repeteix milers de vegades:

$$\mathrm{CFCl_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{CFCl_2} + \mathrm{Cl}$$ $$\mathrm{Cl} + \mathrm{O_3} \rightarrow \mathrm{ClO} + \mathrm{O_2}, \qquad \mathrm{ClO} + \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Cl} + \mathrm{O_2}$$

L'àtom de clor es regenera i actua com a catalitzador, de manera que una sola molècula pot destruir una enorme quantitat d'ozó. El Protocol de Montreal (1987) va prohibir progressivament els CFC.

Boira fotoquímica i eutrofització

En ambients urbans assolellats, els $\mathrm{NO_x}$ i els compostos orgànics volàtils originen ozó troposfèric (contaminant, a diferència de l'estratosfèric) mitjançant fotòlisi:

$$\mathrm{NO_2} + h\nu \rightarrow \mathrm{NO} + \mathrm{O}, \qquad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$$

En les aigües, l'excés de nutrients (nitrats i fosfats procedents de fertilitzants i detergents) provoca l'eutrofització: proliferació d'algues, consum de l'oxigen dissolt i mort de la fauna aquàtica.

3. L'aigua, recurs limitat: contaminació i depuració

Un recurs escàs

Encara que l'aigua cobreix el $71\,\%$ de la superfície terrestre, només el $\approx 2{,}5\,\%$ és aigua dolça, i la major part està retinguda en glaceres i aqüífers profunds. L'aigua dolça accessible i renovable representa una fracció mínima, distribuïda de forma molt desigual. Per això es considera un recurs limitat la gestió sostenible del qual és un objectiu prioritari (ODS 6 de l'Agenda 2030).

Tipus de contaminació

Els contaminants de l'aigua s'agrupen en:

• Físics: sòlids en suspensió, terbolesa, contaminació tèrmica, color.
• Químics: matèria orgànica biodegradable, nutrients ($\mathrm{NO_3^-}$, $\mathrm{PO_4^{3-}}$), metalls pesants ($\mathrm{Pb}$, $\mathrm{Hg}$, $\mathrm{Cd}$), hidrocarburs, pesticides i microplàstics.
• Biològics: microorganismes patògens (bacteris, virus, protozous).

Depuració d'aigües residuals (EDAR)

Les estacions depuradores tornen l'aigua residual al medi en condicions acceptables mitjançant etapes successives:

1. Pretractament: desbast, dessorratge i desgreixatge per retirar sòlids grossos, arenes i greixos.
2. Tractament primari (fisicoquímic): decantació de sòlids sedimentables; de vegades coagulació-floculació amb sals d'alumini o ferro.
3. Tractament secundari (biològic): microorganismes aerobis oxiden la matèria orgànica dissolta en reactors de fangs actius. Inclou la nitrificació, que transforma l'amoni en nitrat:

$$\mathrm{NH_4^+} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{H^+} + \mathrm{H_2O}$$

4. Tractament terciari: eliminació de nutrients, desinfecció i afinat per a reutilització.

Potabilització (ETAP)

Per convertir aigua bruta en potable, les estacions de tractament apliquen coagulació-floculació, decantació, filtració i, finalment, desinfecció. La cloració es basa en el poder oxidant de l'àcid hipoclorós:

$$\mathrm{Cl_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{HClO} + \mathrm{H^+} + \mathrm{Cl^-}$$

Alternatives modernes són l'ozonització i la radiació ultraviolada, que no deixen subproductes organoclorats.

4. Procediments per determinar la contaminació de l'aigua i de l'aire

Anàlisi de la contaminació de l'aigua

L'estat d'una aigua s'avalua mitjançant paràmetres normalitzats:

• pH i conductivitat: mesures potenciomètriques ràpides del caràcter àcid-base i del contingut iònic total.
• Oxigen dissolt (OD): mesurat amb sonda electroquímica o pel mètode Winkler (iodometria).
• Demanda bioquímica d'oxigen ($\mathrm{DBO_5}$): oxigen consumit pels microorganismes en degradar la matèria orgànica durant 5 dies a $20\,^\circ\mathrm{C}$; mesura la càrrega orgànica biodegradable.
• Demanda química d'oxigen (DQO): oxigen equivalent consumit en oxidar la matèria orgànica amb un oxidant fort (dicromat potàssic en medi àcid):

$$\mathrm{Cr_2O_7^{2-}} + 14\,\mathrm{H^+} + 6\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{Cr^{3+}} + 7\,\mathrm{H_2O}$$

La relació DBO/DQO informa sobre la biodegradabilitat de l'abocament.

• Sòlids en suspensió, nitrats, fosfats i metalls pesants: determinats per espectrofotometria UV-visible, absorció atòmica, ICP o cromatografia iònica.

Anàlisi de la contaminació de l'aire

La qualitat de l'aire es controla amb xarxes d'estacions que mesuren en continu els contaminants regulats:

• Partícules en suspensió ($\mathrm{PM_{10}}$ i $\mathrm{PM_{2{,}5}}$): mesurades per gravimetria o atenuació de radiació beta.
• $\mathrm{SO_2}$: fluorescència ultraviolada.
• $\mathrm{NO_x}$: quimioluminescència.
• $\mathrm{CO}$: absorció de radiació infraroja no dispersiva (NDIR).
• $\mathrm{O_3}$: fotometria d'absorció ultraviolada.

Aquestes tècniques permeten comparar les concentracions amb els valors límit fixats per la normativa europea i activar protocols d'avís a la població.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), aquests continguts s'aborden en la matèria de Física i Química de l'ESO i s'aprofundeixen en les matèries de Batxillerat, integrant-se a més amb Biologia i Geologia i amb els sabers transversals d'educació ambiental i sostenibilitat. El tema connecta amb els sentits del saber fisicoquímic relatius a la matèria, les reaccions i el seu impacte, i és idoni per desenvolupar la competència STEM i la consciència ecosocial.

Es presta especialment a situacions d'aprenentatge contextualitzades: anàlisi de l'aigua de la localitat, estudi del cicle de l'aigua urbà, mesura del pH de la pluja, o interpretació d'índexs de qualitat de l'aire. El treball experimental —valoracions àcid-base, mesura de pH, assajos de duresa— desenvolupa la indagació científica.

Convé anticipar les idees prèvies i errors freqüents: confondre l'efecte hivernacle (troposfèric, per $\mathrm{CO_2}$) amb el forat de la capa d'ozó (estratosfèric, per CFC), que són fenòmens independents; creure que tot l'ozó és contaminant (és beneficiós en l'estratosfera i perjudicial en la troposfera); o identificar "aigua transparent" amb "aigua potable". Aclarir aquestes confusions i usar dades reals d'estacions de mesura reforça el pensament crític enfront de la informació ambiental.

Conclusió

Els processos químics de l'aigua i de l'aire —equilibris àcid-base i carbonat-bicarbonat, reaccions redox i processos fotoquímics— sostenen els cicles naturals del planeta. La seua alteració per l'activitat humana desencadena l'efecte hivernacle, la pluja àcida, la destrucció de la capa d'ozó i la boira fotoquímica, mentre que la pressió sobre l'aigua, recurs limitat, exigeix sistemes de depuració i potabilització cada vegada més eficients. Els procediments analítics —des de la $\mathrm{DBO_5}$ i la DQO fins a la quimioluminescència o l'absorció atòmica— permeten quantificar la contaminació i fonamentar la presa de decisions. Comprendre aquesta química és hui una eina imprescindible per a la sostenibilitat i una via privilegiada per educar en el rigor científic i en el compromís ambiental.