QUÍMICA
AMBIENTAL
Fábio Nunes
Douglas Medeiros
14443
14437
QUI-102 Prof.Élcio Barrak
Atmosfera Terrestre
• Temperatura e Pressão
A atmosfera terrestre apresenta variações
de temperatura média conforme a altitude.
Para fins de estudo, ela é dividida em
camadas, conforme as mudanças de
tendência nessas variações térmicas:
Os limites entre as camadas são nomeados
pelo prefixo da camada imediatamente
inferior e o sufixo pausa: o primeiro limite é a
tropopausa, acima da troposfera.
Cada camada tem composição distinta. Isso
provoca variações por exemplo na
velocidade de subida de um gás emitido na
superfície.
A pressão também varia conforme a altitude,
porém, de maneira uniforme:
Isso ocorre
em função da
força aplicada
pela massa da
coluna de ar
sob ação da
gravidade.
Isso pode ser
melhor
compreendido
a partir da
seguinte
imagem:
Para se ter uma idéia da compressão
causada pela coluna de ar, considere-se que
os 50 km iniciais (troposfera e estratosfera)
detêm 99,9% da massa total da atmosfera; os
primeiros 12 km (troposfera) correspondem a
75% dessa massa.
Não existe um altura limite, um “fim” da
atmosfera. Define-se apenas que, após a
termosfera (que vai a até cerca de 640 km)
existe a exosfera, na qual a densidade é tão
insignificante, aliada à alta temperatura
(devida à alta absorção de radiação
eletromagnética), e à ação gravitacional tão
fraca, que muitas moléculas “escapam”.
Assim, é relativamente impossível (e
desnecessário) definir uma altura limite. O
que se determina é que a exosfera é a faixa
de transição entre a atmosfera e o espaço
sideral.
• Composição da Atmosfera
Sob a ação do campo magnético da Terra, e
atingida por diversos raios cósmicos, boa parte
deles vindos do Sol, a atmosfera é uma
mistura de diversos elementos e compostos,
os quais formam um complexo sistema físicoquímico. Desse modo, a atmosfera funciona
como um filtro, especificando apenas algumas
faixas de freqüência de ondas do espectro
eletromagnético que atingem a superfície do
planeta. Isso é substancial para a manutenção
da vida na Terra, e compreender como
funciona esse sistema é muito importante para
que se possa preservá-lo.
Devido a esse sistema, a composição da
atmosfera é heterogênea, com camadas
compostas por gases distintos. É isso que
provoca a existência de diferentes
tendências de variação de temperatura
conforme a altitude, bem como a separação
em camadas e sua nomenclatura.
A tabela a seguir mostra os componentes da
mistura da atmosfera e suas proporções.
Composto
Fórmula
mínima
Proporção (em %)
Massa molar (em g/mol)
Nitrogênio
N2
78,084
28,013
Oxigênio
O2
20,948
31,998
Argônio
Ar
0,934
39,948
Dióxido de Carbono
CO2
0,0375
44,0099
Neônio
Ne
0,001818
20,183
Hélio
He
0,000524
4,003
Metano
CH4
0,0002
16,043
Criptônio
Kr
0,000114
83,80
Hidrogênio
H2
0,00005
2,0159
Óxido Nitroso
N2O
0,00005
44,0128
Xenônio
Xe
0,0000087
131,30
Os demais gases (ozônio, dióxido de enxofre, dióxido de
nitrogênio, amônia e monóxido de carbono) estão ausentes da
tabela por apresentarem concentração variável.
Alta atmosfera
Nas camadas superiores da atmosfera, é
absorvida boa parte das partículas mais
energéticas, o que protege a superfície terrestre
de efeitos nocivos aos seres vivos. Essa
absorção se dá por meio de diversos processos
químicos.
• Fotodissociação
O Sol emite muitas freqüências eletromagnéticas
distintas. As mais altas, na faixa do ultravioleta,
têm energia suficiente para quebrar as ligações
intermoleculares. Esse fenômeno, chamado de
fotodissociação, ao contrário do que possa
parecer, não gera íons, mas sim átomos neutros,
cuja energia necessária para estabilização foi
adquirida destas radiações. A energia de cada
fóton obedece à relação de Planck:
E = h∙,
onde E é a energia do fóton, h a constante de
Planck (6,626∙10-34 J∙s), e  a freqüência do fóton.
Com essa equação, estabelece-se a relação entre
a energia de dissociação das moléculas e a
freqüência de vibração de um fóton que é
suficiente para quebrar suas ligações.
A mais comum das fotodissociações é a do
oxigênio, que ocorre nas altitudes superiores a 120
km:
O2(g) + h → 2 O(g)
Por possuir uma ligação tripla, a energia de ligação
do N2 é muito mais forte do O2. Isso faz com que
muito pouco nitrogênio atômico se forme.
• Fotoionização
Estudos experimentais comprovaram a existência de
elétrons na alta atmosfera. Esses elétrons livres em
grandes altitudes proporcionam a reflexão de
algumas ondas, como as de rádio. É esse fenômeno
que permite a transmissão de algumas ondas por
todo o planeta, como ocorre por exemplo com as
freqüências de ondas curtas, nas quais pode-se
ouvir emissoras de rádio de todo o globo, as quais
exploram essas freqüências há muitas décadas.
A existência desses elétrons está associada a íons
originados pela saída desses elétrons. A energia de
um elétron num átomo ou molécula é “substituída”
pela energia de um fóton. Esse é o processo de
fotoionização, que ocorre em altitudes maiores que
90 km e impede que estas freqüências de radiação
alcancem o solo. Os fótons “compatíveis” com esse
processo estão na faixa de energia mais alta do
ultravioleta. A tabela revela as principais
fotoionizações existentes, a energia necessária
para ionização e o comprimento de onda λ máximo
para que o fóton consiga provocar a saída do
elétron.
Energia de ionização (kJ/mol)
λmáx (nm)
N2 + h → N2+ + e-
1495
80,1
O2 + h → O2+ + e-
1205
99,3
O + h → O+ + e-
1313
91,2
NO + h → NO+ + e-
890
134,5
Processo
Camada de ozônio
Na região de 30 km a 90 km, a concentração de
oxigênio atômico (O) é muito maior que a de
oxigênio molecular (O2). Isso faz com que
freqüentemente essas partículas se choquem,
originando o ozônio (O3), conforme a equação:
O(g) + O2(g) → O3*(g)
O asterisco indica excesso de energia, que deve
ser transferida a uma molécula M (em geral N2 ou
O2, as mais abundantes). Caso isso não ocorra, a
molécula se desfaz, no processo inverso. A
transferência de energia para a molécula M é
descrita pelas reações:
O(g) + O2(g) ↔ O3*(g)
O3*(g) + M(g) ↔ O3(g) + M*(g)
________________________________
O(g) + O2(g) + M(g) ↔ O3(g) + M*(g)
Dois fatores influenciam a velocidade de
formação do ozônio: abundância de átomos
de O, que cresce com a altitude; e a
probabilidade de colisão entre as moléculas,
que cresce com a pressão, ao diminuir a
altitude. Como esses fatores crescem em
sentido oposto, existe um ponto, onde a ação
do dois é a melhor combinação, um “ponto
ótimo”: 50 km. Por isso, 90% do Ozônio da
atmosfera está concentrado entre 10 e 50 km
de altitude.
A energia de ligação do ozônio é de apenas
105 kJ/mol. Por isso ele facilmente sofre
fotodissociação. Isso absorve mais uma boa leva
de radiação, preservando a vida no planeta.
A partir das reações apresentadas, pode-se
depreender o ciclo do ozônio:
O2(g) + h → 2 O(g)
O(g) + O2(g) + M(g) → O3(g) + M*(g) (libera calor)
O3(g) + h → O2(g) + O(g)
2 O(g) + M(g) → O2(g) + M*(g) (libera calor)
As primeira e terceira reações são
fotoquímicas. As demais são exotérmicas.
Esse ciclo, portanto, transforma energia solar
radiante em calor. A esse fato deve-se o pico
de temperatura aos 50 km de altitude, na
estratopausa.
Outras inúmeras reações e eventos também
interferem na distribuição do ozônio, que
terminam por obedecer ao gráfico:
• Diminuição da camada de ozônio
A constatação de que certos gases – os CFCs,
ou clorofluorcarbonos – emitidos pelas
atividades humanas causavam a destruição da
preciosa camada de ozônio foi tão relevante e
bem aceita que os autores foram indicados a
receber o Prêmio Nobel de Química de 1995.
Além disso, provocou uma mudança em muitos
processos industriais, os quais substituiram
esses gases, que eram utilizados como
propelentes de aerossóis, gás refrigerante em
sistemas de resfriamento e espumante para
plásticos.
Duas características desses gases - serem insolúveis e
relativamente inertes - foram proveitosas em seu uso
comercial. Por outro lado, tornaram-nos grandes vilões
da atmosfera, pois eles não são removidos da
atmosfera pela chuva e, como dificilmente reagem na
baixa atmosfera, sobem, atingindo a estratosfera, onde
está a camada de ozônio.
Embora os acordos internacionais tenham feito cessar
as emissões de CFC, o prejuízo total ainda está longe
de ser conhecido, pois sendo de lenta dissociação,
estima-se que ainda hoje milhões de toneladas desses
gases estejam aguardando a sua vez de aumentar o
“buraco” na camada de ozônio.
Os dois principais CFCs são o CFCl3 (Freon11TM) e o CF2Cl2 (Freon-12TM). As ligações C-Cl
são mais fracas que as C-F, e portanto, sofrem
fotodissociação mais facilmente, liberando cloro
atômico na atmosfera. O cloro reage facilmente
com o ozônio:
Cl(g) + O3(g) → ClO(g) + O2(g)
Por fotodissociação, o ClO se decompõe:
ClO(g) → Cl(g) + O(g)
Unindo as equações, determina-se um ciclo para o
cloro: decomposição catalisada de O3(g) em O2(g):
2 Cl(g) + 2 O3(g) → 2 ClO(g) + 2 O2(g)
2 ClO(g) + hv → 2 Cl(g) + 2 O(g)
O(g) + O(g) → O2(g)
_________________________________________
2 Cl(g) + 2 O3(g) + 2 ClO(g) + 2 O(g) → 2 Cl(g) + 2 ClO(g)
+ 3 O2(g) + 2 O(g)
Eliminando-se as partículas que não se alteram:
Cl
2 O3(g) → 3 O2(g)
Comprovado os malefícios do uso de CFCs, é
necessário substitui-los. A principal alternativa
encontrada é o uso de hidrofluorcarbonos, ou
HFCs, os quais substituem o cloro pelo hidrogênio.
O composto mais utiizado é o CH2FCF3, conhecido
como HFC-134a. Essa alternativa não apresenta
um rendimento tão bom quanto o dos CFCs, mas,
num raro consenso ambiental internacional, eles
não podem mais ser utilizados, mesmo que
aumentem os custos.
A química da troposfera
A chuva ácida é caracterizada por um pH abaixo de 4,5. É
causada pelo enxofre proveniente das impurezas da queima dos
combustíveis fósseis e pelo nitrogênio do ar, que se combinam com o
oxigênio para formar dióxido de enxofre e dióxido de nitrogênio. Estes
se difundem pela atmosfera e reagem com a água para formar ácido
sulfúrico e ácido nítrico, que são solúveis em água. Um pouco de ácido
clorídrico também é formado.
As chuvas normais têm um pH de aproximadamente 5,6, que é
levemente ácido. Essa acidez natural é causada pela dissociação do
dióxido de carbono em água, formando o ácido carbônico, segundo a
reação:
CO2(g)
+
H2O(l)
H2CO3(l)
Compostos de enxofre e chuva ácida
Origens
• Naturais
Emissões de vulcões e processos de decomposição orgânica
realizado por bactérias.
• Influência humana
Indústrias, usinas termelétricas e automóveis.
Reações de formação:
S(s) + O2(g)
2 SO2(g) + O2(g)
SO3(g) + H2O(l)
SO2(g)
2 SO3(g)
H2SO4(aq)
Outros componentes importantes da chuva ácida são os óxidos
de nitrogênio que quando em reação com a água acabam por formar o
ácido nítrico.
Efeitos da chuva ácida
• Aumento nos níveis de acidez dos rios e lagos, causando morte de
peixes e outros animais aquáticos.
• Aumento na circulação de metais pesados nas águas dos rios, o
que, por exemplo, inibe o crescimento do fitoplâncton.
• Acúmulo de íons tóxicos no solo.
• Corrosão de materiais metálicos e de construção cívil.
• etc.
Soluções
• Remoção do SO2 dos gases da combustão através da injeção de
calcário.
CaCO3(s)
CaO(s) + CO2(g)
• O CaO reage com o SO2 e forma sulfito de cálcio.
CaO(s) + SO2(g)
CaSO3(s)
• As partículas sólidas de CaSO3 e boa parte do SO2 inalterados são
removidos do gás da combustão por uma suspensão aquosa de cal.
Existem também as formas tradicionais relacionadas à diminuição
da emissão de poluentes, bem como a substituição da matriz elétrica de
alguns países, e ainda as recentes pesquisas à cerca de combustíveis
que sejam menos poluentes do que os derivados do petróleo.
Ainda com relação a esta questão apresentada, podemos citar
que têm sido criadas leis e realizados encontros de escala mundial para
rediscutir a participação de cada país no processo de contenção da
emissão de gases poluentes.
Monóxido de carbono
• É o mais abundante dos gases poluentes.
• Incolor e inodoro.
• Causa grande risco à saúde humana por possuir maior afinidade com
a hemoglobina do sangue do que o O2, o que acaba por comprometer
a respiração.
Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica
A névoa fotoquímica é basicamente uma massa de ar
composta por NOx que se mantém próxima à superfície de grandes
centros urbanos devido à emissão desse gás principalmente por
motores a combustão.
• O NO forma-se nos motores de combustão interna.
N2(g) + O2(g)
2 NO(g)
• No ar, o NO é oxidado a NO2, que inicia as reações associadas com a
névoa fotoquímica.
• Outro componente fundamental da névoa fotoquímica é o O3, por ser
um poluente indesejável na troposfera e também possuir alta
reatividade e toxicidade.
NO2(g) + h
O(g) + O2(g) + M(g)
NO(g) + O(g)
O3 + M*(g)
Vapor de água, dióxido de carbono e clima
• A atmosfera tem um papel essencial na manutenção da temperatura na
Terra.
• O dióxido de carbono e o vapor de água são os componentes
atmosféricos mais importantes na manutenção da temperatura. Eles são
responsáveis pela absorção de determinados comprimentos de onda de
radiação infravermelha.
• O planeta está em balanço térmico, isto quer dizer que a energia que a
Terra irradia para o espaço está numa velocidade igual à que esta
absorve.
Metano como gás de efeito estufa
• Cada molécula de CH4 tem aproximadamente 25 vezes o efeito
estufa de uma molécula de CO2.
• Também escapa na extração e transporte de gás natural.
• Na troposfera, o metano é atacado por espécies reativas como
radicais OH, ou óxidos de nitrogênio, eventualmente produzindo
outros gases de efeito estufa, como o O3.
Oceano do mundo
Água do mar
• 97,5% da água do planeta está
nos oceanos.
• A salinidade da água do mar é
em média 35 g/L, o que a
torna imprópria para consumo.
• Existem muitas substâncias
dissolvidas no oceano, mas
ele não é usado como fonte de
matéria prima, pois o custo de
extração é muito alto.
Dessalinização
A dessalinização é um processo contínuo e natural,
alimentador do ciclo hidrológico, que se comporta como um sistema
físico, fechado, seqüencial e dinâmico. Neste sistema, devido à
ação da energia solar, ocorre a evaporação de um grande volume
de água dos oceanos, dos mares e dos continentes. Os sais
permanecem na solução e os vapores, por condensação, vão
formar as nuvens, as quais originam as chuvas e outras formas de
precipitação. Esta água doce, por gravidade, volta aos oceanos e
mares, alimentando os rios, os lagos, as lagoas, que, devido à
dinâmica do processo, reassimilam uma nova carga salina e, assim,
todo o ciclo continua. Por necessidade de sobrevivência, o homem
copiou a Natureza e desenvolveu métodos e técnicas de
dessalinização das águas com elevado conteúdo salino para obter
água doce.
Tipos:
• Osmose reversa: Quando há pressão sobre a solução, a água e o
sal são separados.
• Dessalinização térmica: Quando a água salgada é evaporada
artificialmente e depois condensada. Esse processo separa a água e o
sal, pois este não é carregado no processo de evaporação. Isto ocorre
na natureza, pois sempre que a água do mar evapora, os sais
permanecem e a água das nuvens não é salgada.
• Congelamento: Outro processo envolve o congelamento da água,
pois somente a água pode ser congelada (os sais não congelam junto).
Esse processo nunca foi testado em larga escala por não ser viável
aparentemente. O que se pode fazer é descongelar a água que já está
congelada nas calotas polares.
• Destilação simples: a água salgada é aquecida até no seu microondas
(100ºC), quando se transforma em vapor de água, depois passa por um
condensador onde condensa, formando-se assim água "doce".
Esquema simplificado da Osmose reversa:
Pressão Osmótica
Água pura
Água salgada
Membrana semi-permeável
Água doce
• Um adulto precisa beber aproximadamente 2 litros de água por dia,
mas consumimos uma média de 300 litros por dia.
• Quando usamos água, ela se torna carregada com materiais adicionais
dissolvidos, em sua maior parte orgânicos.
• Se a população e a produção de poluentes ambientais aumentam,
verificamos que devemos gastar quantidades cada vez maiores de
recursos financeiros para garantir o fornecimento de água doce.
Oxigênio dissolvido e qualidade da água
• A quantidade de O2 na água é um importante indicador de sua
qualidade (9 ppm a 20ºC).
• As bactérias aeróbicas consomem oxigênio para oxidar os materiais
biodegradáveis.
• Os vegetais decadentes consomem O2, por serem biodegradáveis,
levando à exaustão do O2 na água. O que torna insustentável a
manutenção da vida animal.
• As fontes mais importantes de nitrogênio e fósforo são: esgotos
domésticos, agricultura e pecuária.
Tratamento de fontes de água municipais
• Boa parte da água da rede de abastecimento é água “usada”, isto
é, a água que já circulou por um ou mais de um sistema de esgotos
ou de processos industriais.
• Etapas: filtração grossa, sedimentação, filtração em areia, aeração
e esterilização.
Abrandamento da água
• A água com íons Ca2+ e Mg2+ e outros cátions divalentes é chamada
água dura.
• Esses íons não são prejudiciais à saúde, porém tornam a água
imprópria para o uso doméstico e industrial.
• A remoção desses íons é chamada abrandamento da água.
• O processo calcário-barrilha é bastante adotado no abrandamento. A
água é tratada com calcário, CaO e cinzas de barrilha, Na2CO3.
• Existe também o processo da troca iônica, em que a água dura passa
por um leito de resina de troca iônica.
Química Verde
A questão da sustentabilidade no que se refere ao
uso dos recursos naturais e à necessidade de
proteção à Natureza é uma tendência atual mais
do que justificada. Processos industriais limpos e
pouco ou nada dependentes de matéria-prima
natural são valorizados, tornando algumas
certificações ambientais de respeito ao meioambiente muito cobiçadas, como a ISO 14000.
Muitos processos químicos industriais, podem
ser “otimizados”, na intenção de evitar a
produção de resíduos poluentes. Um dos
principais compostos substitutos utilizados
atualmente é o dióxido carbônico (CO2), que
substitui por exemplo solventes CFCs ou
clorocarbonetos cancerígenos (Cl2C=CCl2, por
exemplo) em reações químicas industriais. O
CO2 é interessante por já ser um dos
componentes da atmosfera e apresentar baixo
impacto ambiental.
Há inúmeros exemplos de substituição, que
podem visar também metais pesados.
• Purificação de Água
A adição de compostos para potabilização de
água pode gerar alguns produtos suspeitos de
causar doenças ou desregular o sistema
endócrino humano. Por isso foi limitado em 200
ppb a adição destes compostos em água
potável.
Ainda não se conhecem alternativas para esses
compostos, mas aceita-se sua utilização devido
à probabilidade de causarem doenças ser muito
menor do que a de contaminação por microorganismos através da água.
Referências bibliográficas
• http://pt.wikipedia.org/wiki/Atmosfera
• http://www.google.com/search?hl=en&client=firefoxa&rls=org.mozilla%3AptBR%3Aofficial&hs=bkF&q=termosfera&btnG=Search&lr=lang_pt
• http://www.passeiweb.com/saiba_mais/voce_sabia/atmosfera_terres
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• http://64.233.169.104/search?q=cache:SomGIbN7EjkJ:www.cefetsc.
edu.br/~meteoro/HP_CEFET/biblioteca_virtual/modulo1/mef/mef03.
doc+ionosfera+termosfera+exosfera&hl=en&ct=clnk&cd=2&lr=lang_
pt&client=firefox-a
• http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap1/cap1-2.html