2.3.2 reações fotoquímicas na atmosfera reacoes fotoquimicas na... · são muitas as reações...
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2.3.2 Reações
fotoquímicas na
atmosfera
Adaptado pelo Prof. Luís Perna
2.3.2 Reações fotoquímicas na atmosfera
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Reações fotoquímicas
As transformações químicas desencadeadas pela luz (ultravioleta,
visível ou infravermelha) são chamadas reações fotoquímicas.
As reações fotoquímicas mais importantes são as que têm lugar na
fotossíntese, globalmente representada por:
6 CO2+ 6 H
2O + energia → C
6H12O6+ 6 O
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É um processo complexo no qual seres vivos contendo clorofila
utilizam a luz solar para produzir glicose.
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Fotodissociação
A dissociação de moléculas é um tipo de transformação em que há
quebra de ligações, considerando-se, neste caso, que os eletrões
da ligação são igualmente divididos pelas espécies resultantes dessa
quebra.
Por exemplo, para uma molécula X2:
Trata-se de um processo endoenergético, isto é, que requer energia.
Quando o processo é provocado por luz chama-se fotodissociação.
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Fotodissociação
São muitas as reações de fotodissociação que ocorrem na atmosfera
terrestre. Elas explicam a ação da atmosfera como filtro de radiação.
Por exemplo, as moléculas N2 e O2, ao absorverem radiação
ultravioleta de alta energia, sofrem dissociação:
A luz ultravioleta de mais baixa energia é em grande parte filtrada
pelo ozono estratosférico, O3, e vai provocar:
N2g → N g + N g ∆H = 945 kJ/mol
O2g → O g + O g ∆H = 498 kJ/mol
O3g → O
2g + O g ∆H = 373 kJ/mol
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Fotodissociação
As moléculas com energia de ligação maior são mais estáveis e é
necessária radiação de maior energia para dissociar as suas ligações.
Maior energia de
ligação
Mais difícil quebrar a ligação
Maior estabilidade
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Fotoionização
A formação de iões é genericamente designada por ionização.
Pode ocorrer por remoção de um eletrão (e−) a partir de um átomo,
por exemplo X, formando-se um ião monopositivo, X+:
Trata-se sempre de um processo endoenergético, isto é, que
requer energia. Quando é provocado por luz chama-se
fotoionização.
Este tipo de reação ocorre frequentemente na termosfera e envolve
maior energia do que a necessária para as fotodissociações.
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Fotoionização
A ação da atmosfera como filtro de luz UV de alta energia envolve
ionização de átomos e moléculas.
Por exemplo:
N → N++ e− ∆H = 1385 kJ/mol
O → O++ e− ∆H = 1313 kJ/mol
O2→ O
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++ e− ∆H = 1205 kJ/mol
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Radicais livres
As reações químicas de fotodissociação dão origem a radicais
livres ou radicais, que são espécies químicas (átomos, moléculas ou
iões) com eletrões desemparelhados.
Analisando a configuração eletrónica, é possível verificar se um átomo
ou um ião é radical, basta que haja orbitais semipreenchidas.
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Radicais livres
As espécies poliatómicas são radicais se tiverem um número ímpar
de eletrões. A maioria das espécies poliatómicas com número par de
eletrões não são radicais.
Por terem eletrões desemparelhados, os radicais são, de um modo
geral, espécies químicas muito reativas.
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Exemplos da formação de radicais livres
O radical O• forma-se por fotodissociação de moléculas de O2.
O2 O• + O•
Por ação da radiação UV
Oxigénio molecular Oxigénio atómico
O radical H• forma-se por fotodissociação dos hidrocarbonetos emitidos pela atmosfera,um exemplo, o metano CH4.
H3C - H CH3• + H•
Por ação da radiação UV
Metano
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Por lado, os radicais O•e H• podem ligar-se formando o radical hidroxilo HO•
O• + H• HO•
Existem muitas reações que dão origem ao radical hidroxilo. Para além do exemploanterior, vejamos outros exemplos:
Exemplos da formação de radicais livres
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O radical livre de cloro forma-se
a partir da molécula de
clorometano (CH3Cl). Esta
molécula forma-se naturalmente
na Troposfera a partir dos
oceanos e dos fogos florestais.
Na Estratosfera abundam as
radiações UV que destroem as
ligações covalentes, formando
átomos com eletrões
desemparelhados, denominados
radicais livres.
Exemplos da formação de radicais livres
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Ozono estratosférico
O ozono está misturado com
os outros gases atmosféricos,
formando uma camada de
importância vital para o
nosso planeta, pois atua
como filtro de radiação.
Esta camada concentra-se
em torno dos 30 km acima do
nível do mar.
Estratosfera (30 km de altitude) -localização da camada de ozono.
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Ozono estratosférico e ozono troposférico
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Ozono estratosférico
A ligação na molécula de oxigénio é relativamente forte, sendo
necessários 498 kJ/mol para a dissociar. Só a luz ultravioleta de maior
energia que chega à estratosfera consegue dissociar esta molécula:
Formação do ozono:
Os radicais O• originados neste processo estão na base da formação
do ozono:
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Formação do Ozono na estratosfera
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Destruição natural do Ozono na estratosfera
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Formação e destruição do Ozono na estratosfera
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Ozono estratosférico
Embora diversos gases presentes na atmosfera atuem como filtro de
radiação, o papel do ozono estratosférico tem sido realçado por
questões ambientais, uma vez que esse gás é muito menos abundante
e pode ser facilmente destruído por ação humana.
O problema da diminuição da camada de ozono (o chamado buraco
na camada de ozono) é uma questão ambiental da maior importância.
A redução da camada de ozono permite que maior quantidade de
radiações atinja a superfície da Terra.
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Ozono estratosférico
Como já foi dito, o ozono na estratosfera tanto se forma como se
decompõe:
A concentração de ozono permanece aproximadamente constante,
uma vez que a sua formação e destruição ocorrem à mesma
velocidade.
Formação do ozono:
Decomposição do ozono:
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Ozono estratosférico
A atividade humana pode originar na estratosfera outros radicais
livres, além do radical oxigénio, O , capazes de reagirem com o ozono
e de desequilibrarem este sistema.
Uma das reações mais importantes é aquela que se dá com o radical
livre cloro, Cℓ :
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Absorção de radiação
Efeito QuímicoFotólises – Reações Químicas por ação da luz
Efeito TérmicoAumento da Energia cinética –
aumento da temperatura
Dissociação de partículas Ionização de partículas
Formação de radicais livres
HO, O, Cl , Br
(Efeitos nefastos ao corpo humano)
Formação de iões
O+, O2+, NO+
(Desviam ondas rádio)
1 2
1- Ocorre na Estratosfera por ação da radiação UVB, radiação menos energética.
2- Ocorre na Termosfera por ação das radiações UVC, radiação mais energética.
Resumo da formação de radicais e de iões por absorção de radiação
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Troposfera
10 -16 Km
Estratosfera50 Km
Mesosfera85 Km
Termosfera
500 Km
Radiação solar incidente
IV, V
ísiv
el e
UV
-A
Até
à s
up
erf
ície
da
Terr
a
UV
-Bat
é 5
0 K
m UV
-C
até
20
0 K
m
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Clorofluorocarbonetos
A atividade humana provoca a emissão para a atmosfera de
substâncias capazes de produzirem radicais livres em abundância.
Estas substâncias estão hoje identificadas: são os
clorofluorocarbonetos, haloalcanos derivados do metano (CH4) e
do etano (C2H6), a que vulgarmente chamamos CFC.
Por exemplo:
triclorofluorometano diclorodifluorometano
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Os CFC’s e a destruição do ozono
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Os CFC’s e a destruição do ozono
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Os CFC’s e a destruição do ozono
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Buraco do ozono
O buraco do ozono tem vindo a diminuir, graças ao empenho da
comunidade internacional na redução das emissões de CFC.
Através do gráfico é possivel
prever que a recuperação total
da camada de ozono só
ocorrerá dentro de algumas
décadas.
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Ozono na troposfera
A legislação estabelece parâmetros de qualidade do ar para o ozono.
A seguinte tabela mostra os valores limite para o ozono na
troposfera e medidas a adotar.
Limiar de informação ao público Limiar de alerta
180 µg/m3 240 µg/m3
Nível acima do qual uma exposição de curta duração apresenta riscos para a saúde de grupos mais sensíveis (crianças, idosos e pessoas com problemas respiratórios).
Divulgação imediata de informação sobre riscos da exposição e medidas de proteção (por exemplo, reduzir atividades ao ar livre).
Nível acima do qual uma exposição de curta duração apresenta riscos para a saúde.
Adoção imediata de medidas para suspender ou limitar a emissão de poluentes (por exemplo, proibição de tráfego automóvel ou de certas atividades industriais).
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As camadas da atmosfera e fenómenos mais importantes
A tabela apresenta as diferentes camadas da atmosfera e resume os
principais fenómenos relacionados com a interação entre radiação e
matéria que ocorrem nas diferentes camadas da atmosfera.
Camadada atmosfera
AltitudeFenómenos mais
importantes
Exosfera
Termosfera
Mesosfera
Troposfera
Estratosfera
Acima de 500 km
Atividade química reduzida
Praticamente não existe matéria
Filtro de UV de alta energia e UV-C mais energéticas
(reações de fotoionização)
De 50 km a 80 km
De 80 km a 500 km
Até cerca de 15 km
De 15 km a 50 kmFiltro de UV-C e UV-B pelo
oxigénio e ozono (reações de fotodissociação)
Penetração de UV-APoluição atmosférica
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UD - Unidade Dobson - Mede a concentração de ozono na atmosfera.
1 UD = 0,01 mm de ozono em condições normais de temperatura e pressão.
Em que unidades se mede a concentração de Ozono
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O Dobson (DU) é a unidade de medida da concentração
de ozono (O3).
Utiliza-se esta unidade em memória do cientista britânico
G. M. B. Dobson que nos anos 20 do século passado
desenvolveu um espectrofotómetro para a medição
operacional da quantidade total de ozono a partir da
análise do espectro da radiação solar ultravioleta.
Esta unidade corresponde ao valor de 2,69 × 1020 moléculas de ozono por metro quadrado.
O ozono localiza-se entre os 15 e os 35 quilómetros de altitude e tem cerca de 20 km de
espessura, onde se encontram aproximadamente 90% do ozono atmosférico.
Se fosse possível, separar o ozono e tê-lo em condições PTN, formar-se-ia uma fina camada,
com cerca de 3 mm de espessura ou seja aproximadamente 300 unidades Dobson.
Como se mede a concentração de Ozono
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TPC
• Fazer os exercícios da página 196 e 197 que ficaram por fazer:
Reações fotoquímicas na atmosfera