Qué necesitás traer
- Clase 4: Ciclo rápido y ciclo lento
- Unidad 4 del programa
Recordatorio corto: el carbono pasa de un reservorio a otro por flujos, en un circuito rápido y otro lento, y en cada tramo viaja en una sustancia distinta: $\mathrm{CO_2}$, azúcares, $\mathrm{CaCO_3}$ (clase 4). De la Unidad 4 traés cómo se lee una fórmula (qué átomos y cuántos de cada uno) y qué es una ecuación química.
Desarrollo
Leer la explicación
La ecuación como flujo
Un flujo del ciclo del carbono se puede escribir como una ecuación química. La leemos así:
| Parte de la ecuación | Qué representa en el ciclo |
|---|---|
| Izquierda (reactivos) | Las sustancias tal como están en el reservorio de origen |
| Flecha | El proceso: el flujo |
| Derecha (productos) | Las sustancias tal como llegan al reservorio de destino |
| Números delante de cada fórmula (coeficientes) | Cuántas moléculas de cada sustancia participan |
Una ecuación está balanceada cuando de cada elemento hay la misma cantidad de átomos a los dos lados. Eso no es una regla de escritura: dice que en la reacción los átomos se reacomodan en otras sustancias, sin crearse ni destruirse.
Las cuatro reacciones
1. Combustión del metano (gas natural)
$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$
| Elemento | Izquierda | Derecha |
|---|---|---|
| C | 1 (en $\mathrm{CH_4}$) | 1 (en $\mathrm{CO_2}$) |
| H | 4 (en $\mathrm{CH_4}$) | $2 \times 2 = 4$ (en $\mathrm{2\,H_2O}$) |
| O | $2 \times 2 = 4$ (en $\mathrm{2\,O_2}$) | $2 + 2 = 4$ ($\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{2\,H_2O}$) |
2. Fotosíntesis
$$\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{\ \text{luz}\ } C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$$
| Elemento | Izquierda | Derecha |
|---|---|---|
| C | 6 (en $\mathrm{6\,CO_2}$) | 6 (en $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$) |
| H | $6 \times 2 = 12$ | 12 |
| O | $12 + 6 = 18$ | $6 + 12 = 18$ |
La palabra «luz» sobre la flecha indica que la reacción ocurre solo si la planta recibe luz.
3. Respiración
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$$
| Elemento | Izquierda | Derecha |
|---|---|---|
| C | 6 | 6 |
| H | 12 | $6 \times 2 = 12$ |
| O | $6 + 12 = 18$ | $12 + 6 = 18$ |
4. Liberación de CO₂ desde la roca caliza (vulcanismo)
$$\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{\ \text{calor}\ } CaO + CO_2}$$
| Elemento | Izquierda | Derecha |
|---|---|---|
| Ca | 1 | 1 |
| C | 1 | 1 |
| O | 3 | $1 + 2 = 3$ |
Los volcanes liberan $\mathrm{CO_2}$ que estaba guardado en las rocas. Lo que pasa adentro de la Tierra es más complicado que una sola reacción: esta ecuación es un modelo simplificado que muestra de dónde sale ese carbono (la caliza, $\mathrm{CaCO_3}$, de la clase 4) cuando la roca se calienta mucho.
Fuentes: NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle (fotosíntesis y respiración como procesos inversos, carbono de rocas liberado por volcanes, caliza); Ciclo de carbono.pdf, diap. 9 ($\mathrm{CaCO_3}$, erupciones). Las fórmulas y el balanceo son de la Unidad 4.
Fuentes y sumideros
Mirando el $\mathrm{CO_2}$ de la atmósfera, un proceso es fuente si le agrega $\mathrm{CO_2}$ (aparece a la derecha de la ecuación) y es sumidero si se lo quita (aparece a la izquierda).
| Proceso | Ecuación | Para el CO₂ atmosférico | Reservorio de origen → destino del carbono | Circuito |
|---|---|---|---|---|
| Combustión de metano | $\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$ | Fuente | Combustibles fósiles → atmósfera (todos los fósiles más el cemento: 9,4 GtC/año) | Pasa carbono del lento al rápido |
| Fotosíntesis | $\mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2}$ | Sumidero | Atmósfera → vegetación (113 GtC/año) | Rápido |
| Respiración | $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O}$ | Fuente | Seres vivos → atmósfera (111,1 GtC/año, con fuego) | Rápido |
| Vulcanismo | $\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}$ (modelo) | Fuente | Rocas → atmósfera (0,1 GtC/año) | Lento |
La combustión y el vulcanismo son fuentes los dos, pero no son lo mismo: el vulcanismo mueve unos 0,1 GtC por año y la quema de combustibles fósiles y el cemento, unos 9,4 (IPCC, Fig. 5.12).
¿La fotosíntesis es la combustión al revés?
| Fotosíntesis | Respiración | Combustión de metano | |
|---|---|---|---|
| Sustancia con carbono que participa | Produce glucosa | Consume glucosa | Consume metano |
| Coeficientes | 6 : 6 → 1 : 6 | 1 : 6 → 6 : 6 | 1 : 2 → 1 : 2 |
| Qué la hace ocurrir | Luz | Ocurre dentro de los seres vivos | Una chispa o llama la inicia |
Si das vuelta la ecuación de la fotosíntesis obtenés la de la respiración, no la de la combustión de metano: tienen sustancias y coeficientes distintos. Las tres se parecen en que intercambian carbono entre una sustancia con carbono y el $\mathrm{CO_2}$.
El ser humano y los combustibles fósiles
A partir del siglo XVIII, con la Revolución Industrial, aumentó muchísimo la quema de carbón y, con ella, las emisiones de gases de efecto invernadero. Después se sumaron otros combustibles fósiles para producir energía y recursos. Industrias, fábricas, trenes, autos, electrodomésticos y aviones necesitan energía para funcionar, y la forma principal de obtenerla, sobre todo antes del siglo XXI, fue quemar combustibles fósiles.
Qué es quemar un combustible
Quemar un combustible es una reacción química entre un combustible y un comburente, que por lo general es el oxígeno del aire. Esa reacción se llama combustión: produce calor y luz, que son las formas de energía que se aprovechan, y libera gases, principalmente dióxido de carbono y vapor de agua.
$$\text{combustible} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}_{(g)} + \text{energía (calor y luz)}$$
Combustibles comunes son la nafta, el gas y el carbón. Las reacciones de combustión de esta clase (metano, propano) son casos de este esquema: por eso relacionamos la quema de combustibles fósiles con la emisión de GEI.
Dependencia fósil, deforestación y población
La industrialización generó una dependencia de la energía fósil en el transporte, la agricultura industrial, la ganadería industrial, las fábricas e industrias y las plantas eléctricas. Además:
- Deforestación. Al eliminar árboles se elimina un almacén de CO₂ y también la producción de oxígeno, necesario para respirar.
- Los árboles controlan el CO₂: por medio de la fotosíntesis absorben dióxido de carbono y liberan oxígeno.
- Población. Más población significa una mayor necesidad de recursos.
Al aumentar los GEI en la atmósfera por las emisiones y la deforestación, el planeta retiene más calor: las acciones humanas aumentaron el efecto invernadero y eso ocasiona el cambio climático.
Para pensar: ¿cuál es la porción más grande de la torta? ¿Qué clase de este sitio trata justamente ese sector? (Pista: clases 21 a 23.)
Fuente: presentación del docente Un invernadero gigante (Canva), diap. 22 a 30 y 40.
Animación
Descripción de la animación
Los flujos del ciclo del carbono se pueden escribir como reacciones químicas, y cuando lo hacés aparece algo que vale la pena mirar con atención.
La fotosíntesis toma dióxido de carbono y agua y produce materia orgánica y oxígeno: saca carbono del aire, así que es un sumidero. La respiración hace lo contrario: toma materia orgánica y oxígeno y produce dióxido de carbono y agua. Es una fuente. La descomposición hace exactamente lo mismo que la respiración, solo que a cargo de bacterias y hongos. Y la combustión, otra vez, toma un combustible y oxígeno y produce dióxido de carbono y agua.
Fijate en las tres últimas: la ecuación es prácticamente la misma. Lo que cambia no es la química que ocurre, es de qué reservorio salió el carbono que se está quemando.
Por eso quemar un tronco no es lo mismo que quemar nafta, aunque la reacción se escriba casi igual. El tronco devuelve a la atmósfera carbono que la planta había sacado del aire hace unos años: vuelve a un circuito que ya lo tenía contado. La nafta devuelve carbono que estuvo guardado millones de años en el circuito lento: mete en el circuito rápido carbono que no estaba en él.
Así que la etiqueta de fuente o sumidero no se la pone la ecuación sola. Hace falta saber de dónde venía el carbono y adónde va.
Fuentes de la animación: ecuaciones globales de fotosíntesis, respiración y combustión de cualquier texto de química general; la distinción entre carbono biogénico y fósil sigue a IPCC (2021), AR6 WG1, capítulo 5. Esquema, no está a escala real.
Simuladores para esta clase
Opcional: simuladores interactivos que van con el tema de esta clase. Se pueden abrir antes o después de la explicación.
Clase 8
Calculadora de PCG (CO₂ equivalente)
Simulador del prof. Federico Garberi: pasá cantidades de gases a CO₂ equivalente.
Abrir el simulador →
Clase 5
Lo que rompe el equilibrio
Subí el caudal de emisiones y mirá cómo se reparte entre atmósfera, océano y tierra.
Abrir el simulador →
Clase 3
Reservorios y flujos: dónde está el carbono
Elegí un reservorio y fijate cuánto tarda en renovar su carbono.
Abrir el simulador →
Láminas para descargar
Fuentes y sumideros
Actividades
1. Balanceo guiado: el propano de la garrafa
El gas de las garrafas es sobre todo propano, $\mathrm{C_3H_8}$. Al quemarse con oxígeno produce dióxido de carbono y agua. Partí de la ecuación sin balancear:
$$\mathrm{C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O}$$
- Carbono. ¿Cuántos C hay a la izquierda? Poné el coeficiente del $\mathrm{CO_2}$ para que haya los mismos a la derecha.
- Hidrógeno. ¿Cuántos H hay a la izquierda? Cada $\mathrm{H_2O}$ tiene 2. Poné el coeficiente del agua.
- Oxígeno. Contá los O de la derecha (en el $\mathrm{CO_2}$ y en el agua). Cada $\mathrm{O_2}$ tiene 2. Poné el coeficiente del oxígeno.
- Verificación. Completá la tabla con el conteo final:
| Elemento | Izquierda | Derecha | ¿Iguales? |
|---|---|---|---|
| C | … | … | … |
| H | … | … | … |
| O | … | … | … |
Ver la ecuación balanceada para comparar
$$\mathrm{C_3H_8 + 5\,O_2 \rightarrow 3\,CO_2 + 4\,H_2O}$$
C: 3 a la izquierda, 3 a la derecha. H: 8 a la izquierda, $4 \times 2 = 8$ a la derecha. O: $5 \times 2 = 10$ a la izquierda, $3 \times 2 + 4 = 10$ a la derecha.
2. De la ecuación al mundo
Elegí una de las cuatro reacciones de la clase (o la del propano) y respondé, sin repetir la ecuación:
- ¿Qué se vería o se podría medir en el mundo real mientras ocurre? (Pensá en una planta, una hornalla, un volcán, tu respiración.)
- ¿Qué reservorio pierde masa de carbono y cuál la gana? Usá la tabla de fuentes y sumideros.
- ¿Qué fórmula de la ecuación te dice dónde estaba el carbono antes y cuál dónde está después?
3. El carbono no se crea
Afirmación a defender: la ecuación de la combustión demuestra que quemar combustibles no crea carbono.
Autoevaluación
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación: leela aunque hayas acertado.
Cargando preguntas…