Composición del aire seco

¿Qué porcentaje de cada gas hay en el aire seco?

El aire que se toma como referencia en estas cifras es aire limpio y sin vapor de agua. En ese aire, el nitrógeno ocupa 78% del volumen y el oxígeno 21%. El 1% que falta es una mezcla de otros gases: el argón es el grueso, con 0,9%, y detrás van huellas de dióxido de carbono, metano, hidrógeno y helio, entre otros. El vapor de agua sí está en la atmósfera real, pero se cuenta aparte: lo normal es de 0,01% a 4% del volumen, y con mucha humedad puede subir a 5%. ¹

Nitrógeno

En condiciones ordinarias el nitrógeno es un gas incoloro, sin olor y sin sabor. Hierve a 77 K y se congela a 63 K. Casi todo el nitrógeno puro de la industria sale de la destilación fraccionada del aire líquido. Por volumen, la atmósfera es 78% de ese gas: hay más de 20 millones de toneladas de nitrógeno sobre cada milla cuadrada de superficie terrestre. Entra en las proteínas y en el material genético de plantas y animales, pero la molécula $\mathrm{N_2}$ casi no reacciona a temperatura ambiente. El enlace triple entre los dos átomos es muy fuerte. A esa temperatura las reacciones comunes se limitan al litio, que forma $\mathrm{Li_3N}$, a algunos complejos de metales de transición y a las bacterias que fijan nitrógeno. ²

Esa poca reactividad explica el papel del nitrógeno en la mezcla. El oxígeno es el que mantiene la combustión. El óxido nitroso, al calentarse, suelta una mezcla en la que un tercio es oxígeno y aviva una astilla más que el aire, porque el aire solo trae cerca de una quinta parte de oxígeno. El nitrógeno diluye esa parte reactiva. ²

Oxígeno

El oxígeno de la corteza terrestre, combinado sobre todo con silicio, es cerca de la mitad de la masa de esa corteza. En el aire va como $\mathrm{O_2}$ y, en mucha menor cantidad, como ozono, $\mathrm{O_3}$. Forma cerca del 20% de la masa del aire. A temperatura ordinaria también es incoloro, sin olor y sin sabor, y es un poco más denso que el aire. Se disuelve poco en agua: 49 mL de gas en 1 L a condiciones estándar. Esa poca solubilidad basta para la vida acuática. ³

Casi todo el oxígeno que se aísla en la industria también sale del aire. Se enfría y se comprime hasta licuarlo. Al dejar que el líquido se entibie, el oxígeno, con punto de ebullición de 90 K, se separa del nitrógeno, que hierve a 77 K. Los demás componentes se pueden apartar en el mismo proceso porque hierven a temperaturas distintas. Plantas y animales usan el oxígeno del aire en la respiración, y los combustibles lo usan en la combustión. ³

Qué no mezclar

El 78% y el 21% son de volumen, en aire seco. El "cerca del 20%" del oxígeno es de masa. Los dos datos conviven: no se sustituyen. Si el aire está húmedo, el vapor ocupa parte del volumen total y el reparto seco ya no describe esa muestra tal cual. El argón cabe en el porcentaje, pero estas fichas no le asignan reacciones propias. ^{1 3}

Ideas clave

• El aire seco y limpio es 78% nitrógeno y 21% oxígeno por volumen. El 1% restante es sobre todo argón, 0,9%, más gases en huella. ¹
• El vapor de agua va de 0,01% a 4% del volumen en condiciones normales, y puede llegar a 5% si el aire está muy húmedo. No está dentro del 78% ni del 21%. ¹
• El $\mathrm{N_2}$ es incoloro, sin olor y sin sabor. Hierve a 77 K, se congela a 63 K y su triple enlace lo hace poco reactivo a temperatura ambiente. ²
• El $\mathrm{O_2}$ es cerca del 20% de la masa del aire, hierve a 90 K y se separa del nitrógeno al entibiar el aire líquido. En volumen, el aire trae cerca de una quinta parte de oxígeno. ^{3 2}
• El oxígeno mantiene la respiración y la combustión. El nitrógeno es el gas mayoritario y el que se obtiene en más cantidad al destilar el aire. ^{2 3}

Ejemplos resueltos

Volúmenes en 200 L de aire seco

Un tanque se llena con 200 L de aire seco y limpio, medidos en las mismas condiciones. El nitrógeno ocupa $0{,}78 \times 200 = 156$ L. El oxígeno ocupa $0{,}21 \times 200 = 42$ L. El argón, al 0,9%, ocupa $0{,}009 \times 200 = 1{,}8$ L. Los 0,2 L que faltan para 200 L son la huella de los otros gases. Si el reactivo pide el gas mayoritario, la respuesta es el nitrógeno, no el oxígeno. ¹

Qué gas sale primero del aire líquido

Se licúa una muestra de aire y luego se deja entibiar. El nitrógeno hierve a 77 K y el oxígeno a 90 K. Al subir la temperatura, el nitrógeno pasa a gas primero. El oxígeno permanece líquido un tramo más. Por eso la destilación fraccionada del aire líquido es la vía industrial de los dos gases. No hace falta una reacción química para separarlos: basta la diferencia de puntos de ebullición. ^{2 3}

Una muestra húmeda no usa el 78% tal cual

Una masa de aire junto al suelo trae 3% de vapor de agua por volumen. Ese 3% cabe en el intervalo normal, que llega a 4%. Los porcentajes 78% y 21% describen el aire seco, así que no se aplican al volumen total de esta muestra húmeda. Primero se aparta el vapor. El reparto de nitrógeno y oxígeno se lee sobre lo que queda seco. ¹

Errores comunes

• Invertir los porcentajes y decir que el aire seco es 78% oxígeno. El 78% es nitrógeno.
• Tomar el 20% de masa del oxígeno como si fuera el porcentaje en volumen. En volumen la cifra de estas fichas es 21%, y "una quinta parte" es la comparación del libro con el oxígeno del aire.
• Meter el vapor de agua dentro del 78% o del 21%. Esos dos números son del aire seco.
• Tratar el argón como un gas que se quema o que se respira. En el reparto es el tercero, y es inerte.
• Creer que el nitrógeno "no está" porque no se nota al respirar. Es el componente mayor, y por eso diluye al oxígeno.

Cómo lo pregunta el examen

El reactivo suele pedir el gas más abundante o el par de porcentajes del aire seco. La respuesta de volumen es nitrógeno 78% y oxígeno 21%. Si preguntan por qué el nitrógeno casi no reacciona, la causa es el triple enlace, no que "no esté en el aire". Si comparan aire líquido que se entibia, sale primero el que hierve más bajo: el nitrógeno, a 77 K. Una opción que pone al oxígeno como 78%, o que suma el vapor de agua dentro de ese 78%, se descarta con la definición de aire seco.

Resumen

• Aire seco y limpio: 78% $\mathrm{N_2}$ y 21% $\mathrm{O_2}$ por volumen.
• El 1% restante es sobre todo argón, 0,9%, más huellas de otros gases.
• El vapor de agua va aparte: en general 0,01% a 4%, y hasta 5% con mucha humedad.
• El $\mathrm{N_2}$ hierve a 77 K y el $\mathrm{O_2}$ a 90 K. Al entibiar el aire líquido sale primero el nitrógeno.
• El oxígeno es cerca de una quinta parte del volumen y cerca del 20% de la masa. El triple enlace deja al nitrógeno poco reactivo a temperatura ambiente.