Esructura molecular del ozono

OZONO

Jorge Pascual de Pedro

Economñia del medio ambiente

Esructura molecular del ozono.

La molécula de ozono, O3, es un sistema sencillo, compuesto por tres átomos de oxígeno.

Un átomo de oxígeno central, está enlazado a los otros dos átomos de O de forma que los dos enlaces forman entre sí un ángulo de casi 120º.

Explicar la estructura electrónica de la molécula, es decir, como se enlazan los tres átomos para alcanzar una estructura estable es notablemente más complicado. De acuerdo con los principios más básicos de la mecánica cuántica (regla del octeto de Lewis), cada átomo en una molécula estable tiene que tener exactamente 8 electrones de valencia (la capa de valencia es el nivel electrónico de mayor energía de un átomo que tiene por lo menos un electrón).

La estructura electrónica del átomo de oxígeno es 1s2 2s2 2p4 (el valor 1 ó 2 representa el nivel electrónico, la letra es el tipo de orbital, y el superíndice es el número de electrones dentro de ese orbital). El nivel de valencia del átomo de oxígeno es el 2, donde tiene 6 electrones.

Para conseguir los dos electrones que le faltan para su estabilidad, el oxígeno forma enlaces covalentes (compartiendo electrones con otros átomos) o iónicos (captando o cediendo electrones). A su vez, los enlaces pueden ser simples (se comparten 2 electrones), dobles (se comparten 4 electrones), o triples (se comparten 6 electrones). La estructura del ozono presenta un problema para explicar el enlace a partir de este modelo sencillo.

El átomo de oxígeno central forma dos enlaces simples, uno con cada uno de los oxígenos laterales, pero estos no forman más que un enlace, así que no acaban de completar su última capa. En realidad, no existe una única estructura, sino 2, para justificar el enlace en el ozono:

Si se analiza la estructura 1, comprobamos que cada uno de los oxígenos tiene 8 electrones rodeándole. Cada o alrededor de O representa un electrón. Por cada enlace (¾) hay que contar dos electrones. De esta forma, se tiene:

Como se puede ver, en la estructura 1 existe enlace simple entre los oxígenos 1 y 2 y enlace doble entre los oxígenos 2 y 3. En este caso, la distancia entre los oxígenos 1 y 2 debería ser mayor que entre 2 y 3, ya que el enlace doble es más fuerte, y por tanto más corto, que el enlace doble. Sin embargo, las longitudes medidas de ambos enlaces son idénticas, de 1.28 Å.

Los enlaces entre los oxígenos son iguales. Es obvio que si analizamos la estructura 2, los tres oxígenos cumplen también la regla de Lewis. Las dos estructuras son equivalentes, pero la estructura real es intermedia entre las dos representadas, sin que exista un modelo de enlace sencillo para poder representarla.

Cuando una molécula, como es el caso del O3, necesita más de una estructura electrónica (ideal) para poder explicarse, se dice que presenta resonancia. La doble flecha entre las dos estructuras indica que hay resonancia y que la molécula real es una mezcla de las dos representadas.

El ángulo de enlace de la molécula es en realidad de 117º y los dos enlaces son idénticos. La distancia de enlace de 1.28 Å que se observa en el ozono es intermedia entre los 1.48 Å del enlace sencillo O-O y los 1.21 Å del enlace doble O=O. Esto indica que el enlace en el ozono es considerablemente más fuerte que un enlace sencillo y algo más débil que un enlace doble.

Formación de ozono

La producción de ozono ocurre principalmente a través de la fotólisis de oxígeno molecular. Existe una disociación molecular de oxígeno (O2) en átomos simples de este (O). Este proceso es producido por la radiación de onda corta de luz ultravioleta (UV). Luego, estos átomos simples (O) al unirse con una molécula de oxígeno (O2) forman ozono (O3).

La regeneración del ozono es muy importante, sin la cual el Agujero Antártico no sería un fenómeno cíclico. Gracias a la formación de ozono, los niveles sobre la Antártida se normalizan entre fines de diciembre y fines de julio.

Existen dos mecanismos para preparar ozono a partir de oxígeno (dioxígeno, O2). Se puede hacer fotoquímicamente, mediante radiación UV que designaremos hn, o mediante una descarga eléctrica, representada como DV, siendo 285 kJ / mol el calor absorbido en la reacción (a presión constante de 1 atm. y a 25ºC):

Ésta es una cantidad de calor considerablemente grande, lo que índica que el ozono es mucho más inestable que el oxígeno. De hecho, el ozono es explosivo y fuertemente oxidante.

Debido a su poder oxidante, el ozono ataca a todos los metales excepto al platino y al oro. Precisamente, una de las formas comunes de detectar este peligroso gas, se basa en la reacción de oxidación del mercurio (Hg) en un capilar de vidrio:

Dado que el mercurio es líquido, al formarse el óxido de mercurio, HgO, que es sólido, se puede percibir cómo el mercurio deja de fluir por el capilar y se deposita un sustrato sólido sobre las paredes del mismo.

El carácter oxidante del ozono es la base de muchas de sus aplicaciones y de su acción nociva sobre los seres vivos. En efecto, el ozono es una especie sumamente perjudicial para los seres vivos. Su olor irritante permite detectarlo aún en concentraciones muy pequeñas, de 0.01 ppm (1 ppm significa una parte por millón, luego ¡basta una partícula de ozono por cada 100 millones de partículas para que podamos percibirlo!). En concentraciones de entre 0.1 a 1 ppm sus efectos tóxicos se empiezan a notar, provocando fuertes dolores de cabeza, ardor e irritación de las vías respiratorias.

En términos médicos, causa alteraciones de la densidad del tejido pulmonar, irritaciones del epitelio traqueal y bronquial, enfisema. Parece pues paradójico que un gas tan tóxico como el ozono pueda ser esencial para posibilitar la vida en el planeta. Sin embargo, no existe tal paradoja, dado que el ozono juega su papel protector en la estratosfera, a partir del mecanismo que vamos a explicar a continuación.

La capa de Ozono en la estratosfera. Formación y destrucción de ozono

Este término es utilizado para designar la capa estratosférica que protege la Tierra de la radiación ultravioleta perniciosa. Se extiende la capa de ozono atmosférico por encima de la capa limítrofe del planeta (troposfera). La vida en la Tierra ha sido protegida, durante miles de millones de años, por una capa de veneno, vital en la atmósfera. Esta capa, compuesta de ozono, sirve de escudo para proteger a la Tierra contra las dañinas radiaciones ultravioletas del Sol; si desapareciera, estas radiaciones esterilizarían la superficie del globo y aniquilarían toda la vida terrestre.

En la troposfera (cerca de la superficie de la Tierra), el ozono es un contaminante que causa muchos problemas; forma parte del smog fotoquímico, y del complejo de contaminantes conocido vulgarmente como la lluvia ácida.

Pero en la estratosfera (de 15 a 50 km sobre la superficie de la Tierra), se encuentra la mayor parte de este gas de tal manera que entre los 15 y 25 Km. esta el 75% y constituye lo que se llama la capa de ozono.

Este gas azulado y de fuerte olor, es tan importante para la vida como el propio oxígeno. Este filtro es suficiente para bloquear casi todas las dañinas radiaciones ultravioletas del Sol.

La energía radiante de menor longitud de onda, llamada UV-C, es letal para todas las formas de vida y es bloqueada por el oxigeno y nitrógeno atómico; la radiación UV-A, de mayor longitud, es relativamente inofensiva y pasa casi en su totalidad a través de la capa; entre ambas, la UV-B es menos letal que la UV-C, pero es peligrosa, y es absorbida en su mayor parte

La acción de sustancias químicas tales como los CFCs están provocando cambios en este escudo protector. El resultado es que están apareciendo lugares en que la capa de ozono se encuentra deteriorada por una destrucción de este elemento provocada por el cloro proveniente de los CFCs.

La estratosfera, como se puede ver en la figura, es la segunda capa más baja de la atmósfera y se extiende, normalmente, desde los 10 hasta los 50 km de altitud sobre el nivel del mar. La distinción entre unas y otras capas de la atmósfera se debe al cambio de comportamiento de la temperatura frente a la altitud. En la figura se aprecia que alternan capas en las que la temperatura disminuye al aumentar la altitud (troposfera, mesosfera) con otras en las que la temperatura aumenta con la altitud (estratosfera y termosfera). El aumento de temperatura con la altitud que se observa en la estratosfera se debe precisamente al ozono y a la acción de la radiación solar. Esto se puede justificar a partir de los mecanismos de creación y destrucción del ozono a partir de la radiación UV-vis (regiones UV-visible del espectro electromagnético).

Los procesos que constituyen los mecanismos de creación y destrucción son:

Como se ve, en el proceso 1, la molécula de oxígeno se rompe por la acción de radiación de longitud de onda, menor de 240 nm, que corresponde a la región UV del espectro electromagnético. Por otra parte, en la reacción 2 la molécula de oxígeno reacciona con un átomo de oxígeno liberado en 1, en presencia de un tercer cuerpo, M, que absorbe el exceso de energía de la colisión, para generar una molécula de ozono, O3. El tercer cuerpo, M, puede ser una molécula de otra especie presente en la estratosfera, y no sufre cambio alguno en la reacción.

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