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Aula 6 – Poluição Atmosférica Parte I

Prof. Julio C. J. Silva

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas

Depto. de Química

Juiz de Fora, 2019

QUI 163 – Química do Meio Ambiente

Introdução • Poluentes partículas maiores concentram-

se próximo ao solo (gravidade).

• No caso de gases maior complexidade

• Material particulado diminui a penetração da luz afetando o clima por meios físicos

• Gases: afetam o clima por reações químicas

Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

– O termo dispersão atmosférica é usado para referir-se ao espalhamento de poluentes gasosos devido aos efeitos convectivos e turbulentos do escoamento atmosférico.

– A dispersão é resultado de mecanismos de transporte rápidos e irregulares.

– Os contaminantes quando introduzidos no ar, são transportados pelo vento e simultaneamente se misturam na atmosfera turbulenta.

– Durante a dispersão, os contaminantes podem sofrer reações químicas que os transformam de contaminantes primários (procedentes diretamente das fontes de emissão) em contaminantes secundários (originados por reações químicas entre os contaminantes primários e os componentes normais presentes na atmosfera) ou podem ser depositados no solo por via seca ou úmida. Os contaminantes do ar podem ser removidos da atmosfera por três mecanismos a saber:

Dispersão atmosférica de contaminantes

• Deposição úmida

• Deposição seca

• Reação química de partículas ou gases

Principais Fontes de Poluição

• Origem natural vulcões, marinhas, pólen, queimadas, microorganismos (últimas: acentuadas pela ação humana)

• Origem antropogênica processos industriais diversos (químicos, de combustão, refinamento...) nucleares ou atômicos, atividades agrárias e minerárias, etc.

Combustão • Processos de combustão São as grandes fontes de

energia e emissão de compostos para atmosfera

• Centros urbanos: – Maior consumo de energia – Países ricos – Alta tecnologia combustão (forma antiga de fornecer

energia)

• Aumento dos processos de combustão: – Alteração da composição da atmosfera Receptor – Química atmosférica previsão – Energia Produção, conservação e minimização do uso – Resíduos lixo nuclear

Combustão

Combustão

partículas maiores concentram-se próximo ao solo

partículas maiores concentram-se próximo ao solo

partículas maiores concentram-se próximo ao solo

Combustão

Combustão

Lixo Nuclear

Combustão

• Processos de combustão:

• Combustível + ar (N2+O2) gases (NO + SO2 + CO2) + MPTS

– MPTS

– Gases depende do material (C, H, O, S)

– NOx Independe do material

Fumaça (visíveis)

PM10, PM2,5 (invisíveis)

Poluentes Primários • Material Particulado partículas e líquidos emitidos para a

atmosfera por fontes diversas (fábricas, plantas, veículos, construções, etc.). Inclui fumaças, cinzas, poeiras, pólen, esporos... Reduz a visibilidade e as menores se alojam nos pulmões e outros tecidos

• Dióxido Sulfúrico (SO2) gás incolor e corrosivo originário de processos de combustão. No ar: SO3 que, em contato com a água H2SO4 (ácido sulfúrico)

• Óxido nitroso (N2O) Emitido por fontes naturais (bactérias) e pela reação entre N2 e O3. Gás de efeito estufa

• Óxido nítrico (NO) Emitido por fontes naturais (microorganismos) e pela combustão. Na atmosfera é oxidado a NO2 pelo O3 e O2.

• Óxido de Nitrogênio (NO2) gás avermelhado, odor irritante, reduz a visibilidade. Formado quando há oxidação de componentes nitrosos (NO e NO2); altas concentrações: problemas no coração e pulmões. Em presença de umidade: HNO3 (ácido nítrico)

Poluentes Primários

• Monóxido de Carbono (CO) gás incolor, inodoro e altamente venenoso causa enjôos, reflexos retardados e compromete o transporte de oxigênio pelo sangue, podendo levar à morte.

• Intoxicação – Minha namorada morreu por causa de uma churrasqueira - BBC.com

– Intoxicação por inalação de monóxido de carbono mata família em Sabrosa

– Último Segundo - iG @ https://ultimosegundo.ig.com.br/mundo/2018-02-19/casal-morre-carro-sexo.html

“Um casal morreu sufocado enquanto fazia sexo, dentro de um carro na cidade de Bottrop, na Alemanha. De acordo com o portal Metro , os corpos do homem,

de 39 anos, e da mulher, de 44, foram encontrados, nus, na última terça-feira (13), em um veículo estacionado em uma garagem no oeste do país europeu”

Poluentes Secundários

• Produzidos na atmosfera quando ocorrem certas reações químicas poluentes primários em contato com a luz solar geram centenas de componentes químicos danosos reações fotoquímicas – Ozônio (O3) na troposfera é altamente danoso. Formado a

partir de hidrocarbonetos inexistentes na estratosfera (assim como o átomo O inexiste na troposfera).

– Piores episódios de concentração de O3 verão e de dia (luz). Causa irritação nos olhos, pulmões e câncer. Compromete o crescimento de culturas agrícolas, danifica materiais (borracha, pintura, plástico), ...

– Ácidos diversos: comprometem a saúde e causam corrosões em diversos materiais

• HNO3 (ácido nítrico)

• H2SO4 (ácido sulfúrico), ...

Formação dos NOx

• NOx (NO + NO2) Presentes em locais onde ocorreu combustão

• Reação: N2 (78%) + O2 (21%) → 2NO

• Exercício

• A) Demonstre matematicamente que a quantidade NO formado a partir de N2 e O2 é insignificante.

• Dados: • Go NO = 86,7 kJ, 25oC

• R = 8,314 JK-1

• Resposta 3,2 x 10 kPa

• B) Se um combustível queima no ar, algum NO é formado. Calcule a concentração de NO em equilíbrio (ao nível do mar) a uma temperatura de 1.727 oC. • Resposta 0,223 kPa

Reações fotoquímicas

• Reações químicas energia térmica

• Reações fotoquímicas Radiação (E = h.)

NO2 + h. NO + O

NOx e a formação de poluentes secundários

NO + O3 → NO2 + O2

NO + RO2* → NO2 + RO* (alcoxila)

NO2 + h ( 430 nm) → NO + O

O + O2 → O3

(Estado fotoestacionário)

O3 = 40 ppb (sem poluição)

O3 = 500 ppb (com poluição)

Exercício • Porque um gás como o CO2 tem sua emissão controlada por

acordos internacionais, ao passo que o gás NO2 depende da legislação de cada país emissor?

Smog Fotoquímico

Smog fotoquímico (smoke + fog)

• Smog fotoquímico é a poluição do ar, sobretudo em áreas urbanas, por ozônio e outros compostos originados por reações fotoquímicas, reações químicas causadas pela luz solar. O efeito visível disto é uma camada roxa acinzentada na atmosfera.

• Descobiu-se esse tipo de smog pela primeira vez em Los Angeles, na década de 1940, e costuma-se acontecer em cidades com uma grande movimentação de veículos, que causam grande acumulação de óxido nítrico (NO) e compostos orgânicos voláteis (COVs).

• A mistura de poluentes no ar, no Smog fotoquímico, pode conter:

• Óxidos de nitrogênio, como o dióxido de nitrogênio

• Ozônio troposférico

• Compostos orgânicos voláteis (VOCs)

• Nitrato de peroxilacetila (PAN)

• Aldeídos

Smog fotoquímico

• Condições Muito sol e pouco vento

• Efeitos desconforto visual (oxidantes, aldeídos, PAN)

• Período inverno

– Período crítico para dispersão de poluentes

– Pouco vento

– Dias claros com poucas nuvens (insolação)

• O smog fotoquímico é resultado da quebra do estado fotoestacionário

• Reações:

– NO2 + h → NO + O

– O + O2 → O3

– NO + O3 → NO2 + O2

• Acumulo de O3 e NO2:

– NO + RO2. → NO2 + RO.

• Formação de peróxidos:

– Compostos orgânicos voláteis (COV) emitidos por organismos vivos e atividades humanas

– Peróxidos COV(hidrocarbonetos, aldeídos, cetonas) + Oxidante (O2, HO., PAN, H2O2, O, etc.)

Smog fotoquímico

Inversão Térmica

Chuva Ácida

Um dos problemas ambientais mais graves que muitas regiões do mundo vêm enfrentando atualmente é a chuva ácida.

O fenômeno da chuva ácida foi descoberto por Argus Smith, na Grã-Bretanha, em meados de 1800, mas permaneceu esquecido até os anos 50. Ele refere-se à precipitação mais ácida que a chuva natural ligeiramente ácida devido à presença de dióxido de carbono atmosférico dissolvido, que forma ácido carbônico:

CO2(g) + H2O(aq) H2CO3(aq)

Em seguida, o H2CO3 se ioniza parcialmente liberando íon hidrogênio com a resultante redução no pH do sistema:

H2CO3(aq) H+ + HCO3-

Chuva Ácida

Devido a essa fonte de acidez, o pH da chuva “natural”, não poluída, é de cerca de 5,6 Apenas a chuva que é apreciavelmente mais ácida que isso, com pH menor que 5 é considerada chuva “ácida”.

Tendo em vista a presença de quantidades de traço de ácidos fortes naturais

O que leva a acidez da chuva em ar puro a um nível um pouco mais alto que aqueles existentes pela presença apenas de dióxido de carbono

Ácidos fortes, como o HCl, liberados por erupções vulcânicas podem produzir temporariamente chuva ácida “natural” em regiões como o Alasca e

a Nova Zelândia

Chuva Ácida

Os dois ácidos predominantes na chuva ácida são os ácidos sulfúrico, H2SO4, e o ácido nítrico, HNO3. Em termos gerais, a chuva ácida precipita-se segundo a direção do vento

Em um local distante da fonte dos poluentes primários (SO2 e NOx)

Os ácidos são gerados durante o transporte da massa de ar que contém os poluentes.

A chuva ácida é um problema de poluição que não respeita nem estados nem fronteiras nacionais em razão do deslocamento de longa distância

que sofrem com frequência os poluentes atmosféricos

Chuva Ácida • Reações do nitrogênio

– Dia:

• NO2 + HO. → HNO3

– Noite:

• NO2 + O3 → NO3. + O2

• NO2 + NO3. → N2O5

• N2O5 + H2O → 2HNO3

• Reações do enxofre

• SO2 + HO. → HSO3

• HSO3 + O2 → HO2 + SO3

• SO3 + H2O → H2SO4

• Reações do enxofre (aquoso)

• SO2(g) + H2O(aq) → H2SO3(aq)

• 2H2SO3 + O2 → 2H2SO4(aq) (Catalizador: MPTS –

Fe(III), Mn(II))

Chuva Ácida

Efeitos da Chuva Ácida

Nas Florestas

Tem sido percebido pelos cientistas ao longo dos anos, que em muitas

florestas as árvores não crescem como deveriam e as folhas, em vez de estarem verdes e normais, ficam castanhas e acabam caindo

Os investigadores acreditam que o principal fator responsável pelos danos causados às plantas e a morte de muitas florestas é a chuva ácida

A chuva ácida não é responsável direta da morte das árvores O que ocorre geralmente é que a árvore enfraquece e as suas folhas

morrem, limitando assim os nutrientes de que precisa ou envenenando o solo com substâncias tóxicas

De acordo com os cientistas, a água acidificada dissolve os nutrientes que estão no solo e arrasta-os rapidamente antes que as plantas os possam utilizar para crescer

Efeitos da Chuva Ácida

A chuva ácida pode causar ainda a liberação de algumas substâncias tóxicas como o alumínio no solo, prejudicando sua fertilidade As proteções das folhas são destruídas quando são banhadas por nuvens ácidas, e suas folhas acabam ficando danificadas e com manchas castanhas Uma vez que as árvores estejam enfraquecidas serão mais

facilmente atacadas por doenças e insetos

Efeito da precipitação ácida sobre uma floresta (Alemanha, 1970 - 1983)

Efeitos da Chuva Ácida

Efeitos da Chuva Ácida

Nas Águas A maioria dos rios e lagos possuem um pH entre 6 e 8 O pH dos lagos no entanto pode atingir valores aproximados a 5 quando

os solos e a água não têm a capacidade de neutralizar a chuva ácida

Todos os organismos que vivem em meios aquáticos poderão morrer por consequência deste fenômeno

Os sapos suportam as variações de pH maiores e poderiam resistir, mas se o seu alimento também desaparecer acabarão morrendo.

À medida que a acidez dos lagos aumenta os peixes vão desaparecendo

Mesmo que alguns mais resistentes consigam sobreviver, é muito

difícil que a sua continuidade esteja assegurada uma vez que os seus ovos não têm hipóteses de eclodir

Efeitos da Chuva Ácida

Diagrama mostrando a tolerância à acidez de algumas espécies

Em construções

Efeitos da Chuva Ácida

A chuva ácida pode ser responsável pela corrosão de pedra, metal ou tinta

Praticamente todos os materiais se degradam gradualmente quando expostos à chuva e ao vento

A chuva ácida acelera esse processo, destruindo estátuas, prédios ou monumentos

O principal constituinte dos mármores, os quais são utilizados na construção de prédios e monumentos, é o calcário (Carbonato de cálcio) reage com os

ácidos contribuintes da acidez da chuva ácida como na reação a seguir:

Efeito da precipitação ácida numa estátua em calcário

Efeitos da Chuva Ácida

Chuva Ácida (Efeitos Globais)

Referências • Google

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• Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e

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