Clase 6 · Efecto invernadero
Por qué el CO₂ sí y el N₂ no
Submicroscópico
Idea central. Una molécula absorbe radiación infrarroja solamente si al vibrar cambia la distribución de carga; por eso el CO₂ absorbe y el N₂ no.
Qué necesitás traer
- Clase 5: Entra visible, sale infrarrojo
- Unidad 4 del programa
Recordatorio corto: la superficie de la Tierra emite radiación infrarroja (clase 5). De la Unidad 4 necesitás las fórmulas de las sustancias y la idea de que los átomos de una molécula están unidos por enlaces.
Desarrollo
El hecho a explicar
La mayor parte del gas de la atmósfera es nitrógeno ($\mathrm{N_2}$) y oxígeno ($\mathrm{O_2}$), y esos dos gases no absorben la radiación infrarroja que emite la Tierra. En cambio, gases que están en cantidades mucho menores, como el dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano y el óxido nitroso, sí la absorben (UCAR Center for Science Education, The Greenhouse Effect).
Eso pide una explicación: si no es la cantidad, ¿qué tienen esas moléculas que no tengan las de $\mathrm{N_2}$ y $\mathrm{O_2}$?
Qué es vibrar
Los átomos de una molécula no están quietos: los enlaces se estiran y se acortan, y los ángulos se abren y se cierran. Eso es una vibración molecular. Hay dos formas básicas:
| Tipo de vibración | Qué hacen los átomos |
|---|---|
| Estiramiento | Los átomos unidos se acercan y se alejan a lo largo del enlace |
| Flexión | La molécula se dobla: cambia el ángulo entre los enlaces |
En una molécula con más de dos átomos, el estiramiento puede ser simétrico (los dos extremos se alejan del centro a la vez) o asimétrico (uno se acerca mientras el otro se aleja).
El criterio de absorción
Dentro de una molécula hay zonas con un poco más de carga negativa y zonas con un poco más de carga positiva. Esa es su distribución de carga. El criterio es este:
Una molécula absorbe radiación infrarroja solo si, al vibrar, cambia su distribución de carga.
Fuente: LibreTexts Chemistry, Infrared: Theory («un criterio para la absorción infrarroja es un cambio neto en la distribución de carga de la molécula mientras vibra»). La expresión «distribución de carga» reemplaza a «momento dipolar», que queda fuera de esta clase.
Molécula por molécula
| Molécula | Forma, en palabras | Vibraciones posibles | ¿Cambia la distribución de carga al vibrar? | ¿Absorbe IR? |
|---|---|---|---|---|
| $\mathrm{N_2}$ | Dos átomos iguales en línea | Solo estiramiento | No: los dos átomos son iguales y la carga sigue repartida igual | No |
| $\mathrm{O_2}$ | Dos átomos iguales en línea | Solo estiramiento | No, por la misma razón | No |
| $\mathrm{CO_2}$ | Tres átomos en línea, el carbono en el medio | Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y flexión | En el simétrico no; en el asimétrico y en la flexión sí | Sí |
| $\mathrm{H_2O}$ | Tres átomos en ángulo, como una V | Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y flexión | Sí, en las tres | Sí |
| $\mathrm{CH_4}$ | Un carbono en el centro y cuatro hidrógenos alrededor | Dato a completar: las fuentes leídas no describen sus vibraciones | Sí | |
| $\mathrm{N_2O}$ | Tres átomos en línea | Dato a completar: las fuentes leídas no describen sus vibraciones | Sí | |
El caso del $\mathrm{CO_2}$ muestra que el criterio no es «tener tres átomos»: el mismo $\mathrm{CO_2}$ tiene una vibración que no absorbe (la simétrica, donde los cambios de los dos lados se compensan) y otras que sí. Lo que decide es si la vibración cambia la distribución de carga.
Por qué la manta no alcanza
Se suele decir que los gases de efecto invernadero «atrapan el calor como una manta». La imagen falla en lo principal. Lo que ocurre son dos pasos:
- Absorción: la molécula absorbe infrarrojo y vibra.
- Reemisión: la molécula vuelve a emitir esa radiación, en cualquier dirección: hacia el espacio, hacia otra molécula o de vuelta hacia la superficie (UCAR, The Greenhouse Effect).
| Manta | Gas de efecto invernadero | |
|---|---|---|
| Qué hace | Frena el paso del aire caliente alrededor del cuerpo | Absorbe infrarrojo y lo vuelve a emitir |
| ¿Guarda la energía? | Se la describe como si la «guardara» | No: la reemite |
| Hacia dónde va la energía | — | En todas las direcciones; una parte vuelve a la superficie |
La parte que vuelve hacia abajo es la que explica que la superficie esté más templada. Una manta no emite radiación hacia vos: por eso es una analogía que falla.
Ozono e invernadero no son lo mismo
| Ozono estratosférico | Gases de efecto invernadero |
|---|---|
| Absorbe ultravioleta que llega del Sol | Absorben infrarrojo que emite la Tierra |
| Problema: el agujero de ozono deja pasar más UV | Problema: más gas, más infrarrojo reemitido hacia la superficie |
Animación
Descripción de la animación
En la pantalla hay dos moléculas. A la izquierda, una de nitrógeno, $\mathrm{N_2}$: dos esferas iguales unidas por un enlace. A la derecha, una de dióxido de carbono, $\mathrm{CO_2}$: tres esferas en fila, con el carbono en el medio y un oxígeno a cada lado. Un cartel fijo aclara que los colores solo sirven para distinguir los elementos.
Primero llega a la molécula de nitrógeno una onda de radiación infrarroja, dibujada como una línea ondulada con su rótulo. La molécula vibra: sus dos átomos se acercan y se alejan una y otra vez. Alrededor de la molécula hay una sombra que representa cómo está repartida su carga, y esa sombra no cambia mientras vibra, porque los dos átomos son iguales. La onda sigue de largo sin quedarse. Un rótulo dice que, como la distribución de carga no cambia, el nitrógeno no absorbe el infrarrojo.
Después la onda llega a la molécula de dióxido de carbono, que puede vibrar de tres maneras, mostradas una por vez. En la primera, los dos oxígenos se alejan del carbono al mismo tiempo, en forma simétrica: la sombra de carga no cambia y la molécula no absorbe. En la segunda, un oxígeno se acerca mientras el otro se aleja: la sombra de carga oscila de un lado a otro, y la onda desaparece al llegar, porque la molécula la absorbe. En la tercera, la molécula se dobla como una V que se abre y se cierra: otra vez la carga cambia y la molécula absorbe.
Luego aparece el rótulo «absorbe y vuelve a emitir». Desde la molécula de dióxido de carbono salen nuevas ondas infrarrojas en distintas direcciones: hacia arriba, hacia los costados y también hacia abajo, hacia una franja que representa la superficie de la Tierra. La molécula no se agranda ni se «llena»: no guarda la energía, la reemite.
La animación termina con el criterio escrito en pantalla: una molécula absorbe radiación infrarroja solo si, al vibrar, cambia su distribución de carga. Por eso el dióxido de carbono absorbe y el nitrógeno no.
Fuentes de la animación: LibreTexts Chemistry, Infrared: Theory; UCAR, The Greenhouse Effect. Esquema, no está a escala real.
Láminas para descargar
No es una manta
Actividades
1. Agregar CO₂ o agregar N₂
Imaginá dos experimentos: en uno se agrega $\mathrm{CO_2}$ a la atmósfera; en el otro, la misma cantidad de $\mathrm{N_2}$. Explicá por escrito por qué solo el primero cambiaría la temperatura media de la superficie. Tu explicación tiene que:
- usar el criterio de absorción (distribución de carga al vibrar);
- nombrar los dos pasos, absorción y reemisión;
- decir qué parte de la radiación reemitida llega a la superficie.
2. El gas más abundante
Afirmación a defender: el $\mathrm{N_2}$ es el gas más abundante de la atmósfera y aun así no contribuye al efecto invernadero.
Autoevaluación
Diez preguntas, porque es la clase con más ideas nuevas del bloque. Al elegir una opción aparece una explicación: leela aunque hayas acertado.
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