La atmosfera terrestre està composta per diferents tipus d'elements químics que formen un embolcall gasós al voltant del planeta. Aquesta capa de gasos és la que fa possible la vida tal com la coneixem, ja que ens protegeix de les condicions hostils de l'espai, que resultarien letals per als éssers vius.
Els gasos de l'atmosfera són molt importants per a la vitalitat de la Terra. Hi ha molts tipus diferents, però és possible calcular quin gas és present a major proporció i quin volum ocupa respecte a la resta. Comprendre aquesta composició és clau per entendre fenòmens com el clima, el cicle de l'aigua i equilibri ecològic global.
Dins de l'atmosfera es troben diversos gasos fonamentals per al suport de la vida, com el nitrogen, el argó i oxigen, que, a més, són els que es troben a més abundància. Tot i això, també hi ha altres components, com el diòxid de carboni, el vapor d'aigua i traces de nombrosos gasos, que exerceixen funcions essencials encara que estiguin presents en petites quantitats.
Què és l'atmosfera?
L'atmosfera és un conjunt de gasos que conformen la capa menys densa i més externa del planeta Terra. Aquests gasos varien la seva composició relativa depenent de la alçada, Ja que les pressions i les temperatures canvien a mesura que puja. De forma col·loquial, a la part més propera a la superfície se la coneix com “aire”.Aquesta zona s'estén aproximadament en els primers 11 quilòmetres d'alçada partint des del nivell del mar (o l'oceà), regió que forma part de la troposfera, on es concentra la major part de l'aire que respirem i es desenvolupa gairebé tot el temps atmosfèric.
En aquestes capes baixes de l'atmosfera, els principals gasos presents són el nitrogen (N₂), amb al voltant del 78% del volum total, seguit pel oxigen (O₂), que representa prop del 21%, I el argó (Ar), amb aproximadament el 0,93%. Més avall a l'escala d'abundància es troben el diòxid de carboni (CO₂), el neó, el heli, el metà, el criptó, el hidrogen i altres gasos traça, així com el vapor d'aigua, la proporció del qual és molt variable segons la regió i les condicions climàtiques.
L'atmosfera té grans qualitats protectores davant d'amenaces provinents de l'espai. Per exemple, la majoria dels meteorits es desintegren en entrar en contacte amb les capes superiors de gasos a causa de la fricció ia l'escalfament. A més, actua com una mena de escudo enfront de la radiació ultraviolada procedent del Sol. Una part d'aquesta radiació és absorbida pel ozó (O₃) present a l'estratosfera, evitant danys severs als teixits dels éssers humans, animals i plantes.
Al llarg de la història de la Terra, l'atmosfera se n'ha anat transformant a causa de l'activitat de les diferents espècies que l'han habitada. Els éssers humans, per exemple, respiren oxigen i, en exhalar, expulsen diòxid de carboni, que és utilitzat per les plantes durant la fotosíntesi; al seu torn, les plantes alliberen oxigen, tancant així un cicle biogeoquímic fonamental. L'atmosfera també treballa en conjunt amb la hidrosfera (les aigües del planeta) ajudant a regular la temperatura, suavitzant els canvis bruscos que podrien provocar el dia i la nit o les estacions de l'any.
Una altra funció essencial de l'atmosfera és el seu paper al cicle de l'aigua. El vapor d'aigua s'evapora des d'oceans, rius, llacs i terres, s'eleva, es condensa formant núvols i finalment cau en forma de precipitació. Aquest procés manté els ecosistemes, alimenta els aqüífers i permet l'existència de climes diversos a tot el planeta.
Els principals gasos de l'atmosfera
Com hem esmentat, l'atmosfera es conforma de diferents tipus de gasos, dels quals alguns ocupen major espai que altres. A continuació s'ofereix una llista ordenada d'aquests gasos segons la vostra abundància, juntament amb una explicació més detallada de la seva funció i importància dins del sistema terrestre.
nitrogen
El nitrogen és el gas més abundant de l'atmosfera, doncs conforma aproximadament el 78% de tot el volum. És un element químic representat per la lletra N, amb nombre atòmic 7 y pes atòmic aproximat 14,01. A temperatura ambient, es troba principalment en forma de molècula diatòmica N₂, que és un gas incolor, inodor e insípid.
El nitrogen molecular presenta un triple enllaç covalent (N≡N), un dels més forts que es coneixen en química. Aquesta característica li confereix una gran estabilitat i ho fa relativament inert en condicions normals, és a dir, no reacciona fàcilment amb altres elements. A causa d'aquesta estabilitat, perquè el nitrogen reaccioni i formi compostos es requereixen sovint condicions especials, com a altes temperatures, pressions elevades o la presència de catalitzadors.
Encara que el nitrogen atmosfèric sigui tan abundant, la majoria dels organismes no el poden utilitzar directament en forma de N₂. No obstant això, aquest element és essencial per a la vida: forma part dels aminoàcids, De les proteïnes i dels àcids nucleics com l'ADN i l'ARN, que contenen la informació genètica de tots els éssers vius.
oxigen
L'oxigen ocupa el Segon Lloc entre els gasos més abundants de l'atmosfera, ja que representa al voltant del 21% de la mateixa. La seva nombre atòmic és 8, més gran que el del nitrogen, i es representa amb la lletra O. En la forma diatòmica (O₂), és el gas que sustenta la vida de la majoria dels organismes aeròbics terrestres.
Es tracta d'un agent oxidant molt potent i posseeix una de les electronegativitats més altes de tots els elements químics, cosa que significa que atrau amb força els electrons quan forma enllaços. L'oxigen és necessari per als processos de respiració cel·lular, en què els éssers vius obtenen energia dels nutrients. També és component de les molècules de ADN, moltes enzims i una gran varietat de compostos orgànics i inorgànics.
A l'atmosfera també es troba una forma especial d'oxigen, el ozó (O₃), concentrat principalment a la capa d'ozó de l'estratosfera. Aquesta forma triatòmica és crucial perquè absorbeix i reflecteix bona part de la radiació ultraviolada d'alta energia, protegint així la superfície terrestre de danys biològics severs.
argó
L'argó compon aproximadament el 0,93% de tot l´aire atmosfèric. El nom prové del grec, on s'escriu 'args', Que significa “inactiu”, pel fet que és un gas que gairebé no reacciona amb altres elements químics. Es classifica com un gas noble, es representa amb les lletres Ar i posseeix nombre atòmic 18És un gas. incolor, inodor i químicament molt inert.
La seva inèrcia química ho fa molt útil en nombroses aplicacions tecnològiques. S'usa, per exemple, en bombetes de llum incandescent per prevenir l'oxidació del filament, per protegir soldadures davant del contacte amb l'oxigen de l'aire, com a gas aïllant a doble vidre (finestres amb dos panells de vidre) i com atmosfera inert en processos on cal evitar reaccions indesitjades.
Encara que l'argó es considera un asfixiant simple (perquè pot desplaçar l'oxigen en espais tancats si es troba en grans concentracions) no és tòxic en si mateix. La precaució principal és garantir sempre una ventilació adequada quan es manipula en ambients confinats.
Sent aquests els tres primers i els principals gasos que conformen l'atmosfera, els segueixen uns altres en menor proporció, com el diòxid de carboni (CO₂), el neó, el heli, el metà, el criptó i hidrogen. També apareixen quantitats molt petites de compostos com el òxid nitrós o el monòxid de carboni, entre molts altres gasos traça.
Altres gasos i elements comuns de l'atmosfera
El nitrogen, l'oxigen i l'argó són els tres gasos més abundants a l'atmosfera, però hi ha altres components que, tot i estar presents a baixes concentracions, resulten imprescindibles per mantenir la vida i el clima del planeta.
Un d'ells és el diòxid de carboni (CO₂). Encara que constitueix únicament al voltant del 0,04% de l'atmosfera terrestre (aproximadament 410 ppm i amb variacions recents per activitat humana), és un component clau a la fotosíntesi i en altres processos metabòlics. Les plantes i altres organismes autòtrofs utilitzen CO₂ per convertir la energia solar en energia química aprofitable.
El vapor d'aigua (H₂O) és un altre component essencial. Encara que la seva proporció és variable (pot anar des de gairebé zero fins a diversos punts percentuals), és fonamental per a la formació de núvols, precipitacions i fenòmens meteorològics. A més, actua com un gas d'efecte hivernacle, ajudant a mantenir la temperatura mitjana del planeta dins de rangs compatibles amb la vida.
També trobem el ozó (O₃) en concentracions petites, però decisives. A l'estratosfera, l'ozó forma una capa protectora que absorbeix gran part de la radiació ultraviolada d'alta energia. En canvi, a nivell del terra, l'ozó es pot convertir en un contaminant perjudicial per a la salut respiratòria.
Entre els gasos traça, les abundàncies aproximades (i variables) són: neó ~18 ppm (0,0018%), heli ~5,2 ppm (0,00052%), metà ~1,8–1,9 ppm (0,00018–0,00019%), criptó ~1,1 ppm (0,00011%) i hidrogen ~0,55 ppm (0,000055%). Aquestes xifres són aproximades i poden variar lleugerament segons mesuraments i èpoques, però serveixen per apreciar com menys abundants són aquests gasos davant del nitrogen o l'oxigen.
Altres gasos com el metà (CH₄), el òxid nitrós (N₂O) i diversos compostos orgànics volàtils també formen part de l'atmosfera. Encara que la seva concentració és molt petita, tenen un efecte notable al balanç radiatiu del planeta ia la química atmosfèrica, pel que es consideren gasos d'efecte hivernacle de gran rellevància.
Quin és el gas més abundant de l'atmosfera terrestre?
El nitrogen és el gas més abundant de l'atmosfera terrestre, formant a prop de les tres quartes parts del volum total. Aquesta presència massiva converteix el nitrogen en un component indispensable per a lequilibri global del planeta. Encara que no intervé de forma directa en la respiració com l'oxigen, el seu paper a la biologia, l' indústria i als cicles naturals és crucial.
El nitrogen de l'atmosfera és la principal reserva d'aquest element per a la biosfera. Tot i que plantes i animals no poden aprofitar el N₂ directament, diversos processos naturals, com el cicle de l'nitrogen, permeten transformar-ho en formes químiques que sí que poden ser utilitzades pels éssers vius, assegurant així la seva presència en proteïnes, àcids nucleics i altres compostos fonamentals.
Com que el nitrogen és el gas més abundant de l'atmosfera terrestre ja que resulta necessari per al suport de la vida, convé aprofundir més en les característiques, l'origen, el cicle natural i les aplicacions a la vida diària ia la indústria moderna.
etimologia
El nom “nitrogen” prové del llatí “Nitrium”, relacionat amb la idea de “generar” o “gens”. Aquest terme li va ser atorgat pel metge i químic Daniel Rutherford, qui, mitjançant un experiment el 1772, va aconseguir absorbir l'oxigen i el diòxid de carboni continguts en una mostra d'aire, deixant com a element residual el nitrogen. Encara que el descobriment formal s'atribueix a Rutherford, hi ha indicis que alquimistes de l'Edat Mitjana ja feien servir compostos nitrogenats en els seus experiments, segons es desprèn d'alguns escrits antics.
El nitrogen es pot obtenir de l'atmosfera mitjançant liqüefacció de l'aire i posterior destil·lació fraccionada. Com que l'atmosfera és una reserva pràcticament inesgotable d'aquest gas, aquests processos permeten disposar de grans quantitats de nitrogen d'una forma eficient, tant en estat gasós com en forma de nitrogen líquid, amb múltiples usos tècnics i industrials.
Propietats físiques i químiques del nitrogen
A temperatura ambient, el nitrogen és un gas diatòmic (N₂) incolor, inodor e insípid. presenta un punt d'ebullició molt baix (al voltant de -195,8 °C) i un punt de fusió proper a -210 °C. Aquestes propietats criogèniques permeten que, en forma líquida, s'utilitzi àmpliament com a refrigerant en nombroses aplicacions.
Químicament, el nitrogen molecular és extremadament estable a causa del triple enllaç N≡N. Aquesta estabilitat fa que, en condicions normals, sigui poc reactiu, requerint altes temperatures, descàrregues elèctriques o catalitzadors específics per trencar aquest enllaç i permetre la formació de nous compostos. No obstant això, quan s'aconsegueix activar, el nitrogen pot donar lloc a una gran varietat de substàncies, moltes amb gran rellevància biològica i industrial.
Pel que fa a la seva estructura electrònica, el nitrogen presenta una configuració 1s² 2s² 2p³, amb cinc electrons a la seva capa de valència. Això us permet formar fins tres enllaços covalents amb altres àtoms, cosa que explica el seu paper central en la formació de compostos com els aminoàcids, amines, nitrils i molts altres grups funcionals en química orgànica i inorgànica.
cicle natural
L'anomenat cicle de l'nitrogen és un procés biogeoquímic mitjançant el qual aquest element circula entre l'atmosfera, el terra, l'aigua i els éssers vius. Les bacteris fixadors de nitrogen exerceixen un paper primordial en convertir el N₂ atmosfèric, que és inert, en formes químiques com el amoni (NH₄⁺) i nitrat (NO₃⁻), que sí que poden ser absorbides per les plantes.
Les plantes aprofiten aquests compostos nitrogenats per créixer i desenvolupar els teixits. En servir d'aliment per als animals herbívors, el nitrogen passa a la cadena tròfica. Aquests animals, al seu torn, són consumits per carnívors y omnívors, estenent la presència de nitrogen per tot l'ecosistema. Les deixalles orgàniques ( femta, orina, restes de plantes i animals morts) són descompostes per bacteris i altres microorganismes, que converteixen de nou aquests compostos en amoni i altres substàncies.
Finalment, altres bacteris del sòl duen a terme desnitrificació, procés pel qual el nitrat es transforma en dinitrogen (N₂) i torna a l'atmosfera. D'aquesta manera, es tanca el cicle del nitrogen, garantint-ne una circulació contínua d'aquest element entre els diferents compartiments del planeta.
Usos de l'nitrogen
El nitrogen s'utilitza de forma massiva a la indústria per a la producció de amoníac (NH₃) mitjançant el procés Haver-Bosch, que combina nitrogen atmosfèric amb hidrogen a alta pressió i temperatura en presència de catalitzadors. L'amoníac així obtingut és la base de la fabricació de la majoria dels fertilitzants nitrogenats, fonamentals per a lagricultura moderna i per sostenir la producció daliments a gran escala.
A la vida quotidiana, l'amoníac i els seus derivats es troben en una gran varietat de productes: des de netejadors domèstics fins additius industrials. Així mateix, el nitrogen intervé en l'obtenció de substàncies com plàstics, resines sintètiques i altres materials que formen part d'innombrables objectes d'ús diari.
El nitrogen líquid és àmpliament utilitzat en aplicacions de refrigeració i criogènia. Gràcies al seu baixíssim punt d'ebullició, es fa servir per conservar aliments, emmagatzemar mostres biològiques (com cèl·lules, teixits o esperma), realitzar procediments mèdics com la crioteràpia i en múltiples processos industrials on cal mantenir temperatures extremadament baixes. És important, però, manipular-lo amb gran precaució, ja que el seu contacte directe pot causar cremades per fred molt severes (de vegades descrites col·loquialment com que «crema» o «derret» la pell), lesions per congelació o asfíxia si desplaça l'oxigen en espais confinats.
El nitrogen també s'usa com a atmosfera inert en nombrosos processos industrials. Per exemple, s'introdueix a tancs, canonades o recipients on es vol desplaçar l'oxigen per evitar oxidacions, explosions o reaccions indesitjades. A la indústria alimentària, el nitrogen s'utilitza per a envasar productes i perllongar-ne la vida útil, ja que redueix el deteriorament oxidatiu dels aliments.
A més del seu paper en l'obtenció d'amoníac i altres compostos nitrogenats, el nitrogen està relacionat amb la formació i la transformació d'altres gasos. Per exemple, el metà pot formar-se per processos biològics (metanogènesi microbiana) o per reaccions químiques industrials com la reacció de Sabatier (reducció de CO₂ amb H₂ per obtenir CH₄ i H₂O). Aquestes vies expliquen, en part, la presència i origen de certs gasos atmosfèrics en diferents contextos.
En segon lloc, el nitrogen serveix per produir altres compostos importants com a certs òxids de nitrogen (NOx), el àcid nítric (HNO₃) i nombroses substàncies que intervenen en la fabricació de explosius, colorants, drogues i fertilitzants d'alta eficiència. Aquests usos industrials i químics demostren la rellevància del nitrogen més enllà de la mera presència a l'aire.
Efectes de l'nitrogen en la salut
El nitrogen, tal com es troba a l'aire que respirem (N₂), és en principi no tòxic i compleix la funció de diluir l'oxigen, evitant que aquest sigui massa concentrat i es produeixin reaccions oxidatives excessives a l'organisme. No obstant això, el consum indirecte de compostos nitrogenats procedents de fertilitzants, aliments processats o productes derivats del nitrogen pot tenir certs efectes sobre la salut humana.
Donat l'ús generalitzat de fertilitzants nitrogenats a l'agricultura i la presència de substàncies nitrogenades a plàstics, additius alimentaris i altres productes, les persones poden estar exposades a formes de nitrogen que no són tan innòcues com el N₂ atmosfèric. En particular, alguns compostos com els nitrits y nitrats, Així com les nitrosamines que es poden formar a partir d'ells, han estat objecte d'estudi pels possibles efectes negatius.
Alguns dels efectes poden ser els següents:
- Ocasiona un baix nivell d'emmagatzematge al cos de La vitamina A quan certs compostos nitrogenats es consumeixen en excés.
- Pot provocar la disminució del transport d'oxigen a la sang, especialment quan es formen substàncies com la metahemoglobina a partir de nitrits.
- Accelera la producció de nitrosamines, les quals es consideren un dels principals components relacionats amb diversos tipus de càncer, especialment quan es combinen nitrits amb compostos orgànics en determinades condicions.
- És un factor determinant per a certes alteracions en la funció de la glàndula tiroide quan l'exposició a nitrats i altres compostos és elevada i sostinguda.
A més d'aquests efectes químics indirectes, és important recordar que el nitrogen en forma de N₂, encara que no sigui tòxic, pot actuar com a gas asfixiant simple si desplaça l'oxigen en un espai tancat. En entorns industrials on s'utilitza nitrogen pur per generar atmosferes inerts, la manca d'oxigen pot conduir a hipòxia i pèrdua de consciència si no es prenen les mesures de seguretat adequades.
Comprendre que l'atmosfera està dominada pel nitrogen, Seguit pel oxigen, el argó i altres gasos en quantitats menors, permet apreciar millor com se sostenen la vida, el clima i als cicles biogeoquímics del planeta. El paper del nitrogen com a gas més abundant s'estén des de la química fonamental i la biologia molecular fins a la indústria, l'agricultura i la salut pública, fet que el converteix en un dels elements més importants per al funcionament de la Terra.