¿Por qué el dióxido de carbono no se hunde en el aire si otros gases densos sí lo hacen?

Question

¿Por qué el dióxido de carbono no se hunde en el aire si otros gases densos sí lo hacen?

Evidentemente, no nos asfixiamos porque el dióxido de carbono se hunda hasta el fondo de la atmósfera y desplace al oxígeno y, sin embargo, hay gases que sí se hunden. Esto suele ser un problema en las minas de carbón. Las capas inferiores pueden llenarse de gas irrespirable.

He aquí una demostración un "barco" flotando en hexafluoruro de azufre.

Pregunta

Dada una mezcla de dos gases no reactivos entre sí, ¿qué propiedad determina que el gas más denso se hunda hasta el fondo?

Answer 1

Los gases son todos miscible . Si inicialmente están separadas y son adyacentes, no se mezclan instantáneamente, pero una vez mezcladas (proceso que se produce por difusión molecular y se acelera por agitación macroscópica o convección, igual que en el caso de los líquidos), no se vuelven a mezclar espontáneamente.

Durante el tiempo que transcurre antes de que se produzca una mezcla sustancial, los gases se comportan de forma parecida a la que se puede imaginar para los líquidos inmiscibles, por ejemplo, el agua que se asienta debajo del petróleo. Si un gas pesado se introduce en un entorno en un forma pura o algo pura (de algún tipo de depósito), se inicialmente se hunden y desplazan a los gases más ligeros. Se trata de un peligro real con el dióxido de carbono introducido de repente, pero no con el dióxido de carbono que lleva mucho tiempo en la atmósfera.

En la fase gaseosa mixta, la composición varía con la altura debido a la energía potencial gravitatoria de las distintas moléculas, pero todos los componentes están presentes a todas las alturas, y a escala humana la variación es pequeña. En equilibrio, la distancia vertical a lo largo de la cual la densidad de un gas dado cambia sustancialmente se denomina altura de la escala y es de ~8 km para el nitrógeno, ~7 km para el oxígeno y ~5 km para el dióxido de carbono (en condiciones terrestres). Incluso para el hexafluoruro de azufre es de ~1,5 km. A medida que se desciende, todos componentes se hacen gradualmente más densos, los más pesados más rápidamente.

Además, como se ha señalado en un comentario, la atmósfera exterior no está en equilibrio, sino que tiene mucho movimiento turbulento, por lo que incluso estas variaciones graduales en la composición que podrían observarse en condiciones controladas son lavado en condiciones naturales.

Answer 2

Porque la separación estricta de los gases sólo se produce si inicialmente los tenemos en su forma pura. Entonces, debido a la diferencia de densidad de los fluidos gaseosos puros, el más denso cae hacia abajo (la fuerza de flotación no es lo suficientemente fuerte como para mantenerlo a una altura fija).

Si la columna de gas estuviera aislada y se mantuviera a temperatura constante, cada una de las especies gaseosas que la componen acabaría distribuyéndose a lo largo de toda la columna, con una densidad numérica (concentración) que disminuiría con la altura $h$ según la función

$$ c(h) =c_0 e^{-\frac{mgh}{kT}}\tag{*} $$ donde $m$ es la masa de la molécula. Esto se deduce de la ley de la distribución de probabilidad de Boltzmann: probabilidad de que un estado tenga energía $E$ es proporcional a $e^{-\frac{E}{kT}}$ .

La separación brusca de la mezcla a escala molecular en fluidos puros no se produce. Con el tiempo, algunos gases más ligeros alcanzarán incluso la mayor profundidad del gas más pesado y en cada altura se establece cierta proporción de mezcla constante.

El nitrógeno molecular tiene masa 28, mientras que el oxígeno tiene masa 32, por lo que (*) predice que, en equilibrio, la densidad del oxígeno varía más en el suelo que la densidad del nitrógeno. Por tanto, es el oxígeno el que tiende a "permanecer más bajo".

Answer 3

[editar] Como se ha dicho en otras respuestas los gases en equilibrio se mezclan completamente por difusión. La fuerza impulsora de la segregación o mezcla, que en los líquidos es la diferencia de interacción entre moléculas similares y diferentes, no existe. En un gas, las moléculas sólo chocan y no se pegan. Para moléculas con diferente peso en un campo gravitatorio simplemente habrá un perfil de altura diferente. Esta es también la razón por la que moléculas más pesadas que el aire, como los cfk, son capaces de alcanzar la capa de ozono. Lejos del equilibrio los gases pueden segregarse. Dicha segregación puede ser potenciada por la gravedad para gases de peso muy diferente.

N $_2$ y O $_2$ tienen una masa de 28 y 32 u.a. respectivamente. A temperatura ambiente y en condiciones atmosféricas inestables, esta diferencia es demasiado pequeña para la segregación gravitacional. Lo mismo ocurre con el CO (28 u.a.). CO $_2$ sin embargo pesa 44 u.a. y puede sustituir al aire en condiciones de estancamiento, como en minas y pozos. Aparte de eso, sólo conozco un incidente mortal, cuando un lago de cráter sobresaturado en Camerún liberó repentinamente una gran cantidad de CO $_2$ . SF $_6$ es bastante pesado pesa 140 u.a. por lo que permanece segregado gravitacionalmente durante más tiempo. En lugares mal ventilados, el radón radiactivo (222 y 220 u.a.) que emerge del hormigón supone un riesgo.

Answer 4

Todas las respuestas hasta ahora parecen haber pasado por alto la razón más obvia: los gases más pesados no suelen asentarse en el fondo de la atmósfera porque ésta se agita continuamente. Es eso que se llama clima.

Incluso en recintos cerrados hay gradientes de temperatura, personas en movimiento y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado diseñados para mantener el aire mezclado. Quizá si se pudiera crear un recinto sin estos elementos, se podría medir un gradiente de concentración, pero dudo que existan muchos en la vida real.

Aunque estas cosas ocurren. Cuando un gas más pesado como el CO2 se libera en un punto bajo, tarda algún tiempo en mezclarse con el resto de la atmósfera. Véase, por ejemplo, el desastre del lago Nyos: https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Nyos_disaster

Answer 5

$\mathrm{CO}_2$ hace hundirse en el aire si es convenientemente puro. En particular, se puede tomar un frasco de $\mathrm{CO}_2$ y se vierte como un líquido sobre algo ardiendo, como una vela, y puedes ver cómo lo asfixia.

Entonces, ¿por qué el ambiente no $\mathrm{CO}_2$ ¿todo se hunde? La respuesta está en lo de "convenientemente puro". Verás, $\mathrm{CO}_2$ como cualquier gas en una mezcla gas-gas, sufrirá difusión ya que sus moléculas, debido a su movimiento térmico, se abren paso entre las moléculas de otros gases como el nitrógeno y el oxígeno, que son los componentes dominantes del aire de la Tierra. Como resultado, con el tiempo $\mathrm{CO}_2$ manta que descansa en el suelo se expandirá lentamente hacia arriba, mezclándose con otros gases, hasta que finalmente se disuelva en el resto del aire. Además, una vez que la mezcla la diluya lo suficiente como para que su densidad deje de ser superior a la de los demás gases, se elevará entonces como era de esperar, concluyendo rápidamente el proceso de mezcla al formarse turbulencias que lo rematan.

Ambiente $\mathrm{CO}_2$ ya se encuentra en su estado de "máxima disolución", por lo que a un aproximado equilibrio (modulo factores, tales como el bombeo incesante de la misma por las fábricas artificiales y centrales eléctricas, y otros incendios, pero la importancia de estos depende de la escala de tiempo en cuestión). Por tanto, no sale del aire sin más.