QUÍMICA AMBIENTAL

1. QUÍMICA AMBIENTAL Fábio Nunes 14443 Douglas Medeiros 14437 QUI-102 Prof.Élcio Barrak

2. 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:

4. 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:

5. 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:

7. 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.

8. 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.

9. 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 físico-químico. 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.

10. 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.

11. Os demais gases (ozônio, dióxido de enxofre, dióxido de nitrogênio, amônia e monóxido de carbono) estão ausentes da tabela por apresentarem concentração variável.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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:

18. 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)

19. 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.

20. 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)

21. 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:

23. 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.

24. 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.

25. Os dois principais CFCs são o CFCl3 (Freon-11TM) 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)

26. 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)

27. 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.

28. 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)

29. 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) SO2(g) 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) SO3(g) + H2O(l) H2SO4(aq)

30. Outros componentes importantes da chuva ácida são os óxidos de nitrogênio que quando em reação com a água acabam por formar o ácido nítrico.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímicaA 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 NO(g) + O(g) O(g) + O2(g) + M(g) O3 + M*(g)

36. 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.

38. 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.

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. 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.

47. 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 meio-ambiente muito cobiçadas, como a ISO 14000.

48. 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.

49. 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 micro- organismos através da água.

50. Referências bibliográficas • http://pt.wikipedia.org/wiki/Atmosfera • http://www.google.com/search?hl=en&client=firefox-a&rls=org.mozilla%3Apt-BR%3Aofficial&hs=bkF&q=termosfera&btnG=Search&lr=lang_pt • http://www.passeiweb.com/saiba_mais/voce_sabia/atmosfera_terrestre • 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