Aula 6

Química da Atmosfera - Parte I

1. Composição química e a poluição da atmosfera 2. “Regiões da atmosfera”

3. Transporte de substâncias e os Ciclos biogeoquímicos

Prof. Rafael Arromba de Sousa

Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química

Juiz de Fora, 1o semestre de 2016

Química Ambiental

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Introdução

“Pode-se assumir, com boa aproximação, que nosso planeta

é um sistema fechado em termos de fluxos de massa,

sem entrada ou saída de material”

É importante conhecer as características da atmosfera Não poluir a atmosfera considerando que os poluentes se diluem ao serem dispersados ...

2

A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a Terra, sendo formada por diferentes gases que se distribuem em “camadas”

Formação da atmosfera:

No início da formação do planeta Terra: atmosfera composta por gases como metano, amônia, vapor de água e gás carbônico - resultantes das constantes erupções vulcânicas e de colisões de meteoros na superfície

Em uma “segunda fase”, surgiram os primeiros organismos vivos que realizaram fotossíntese, absorvendo o gás carbônico da atmosfera e transformando-o em oxigênio.

6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + H2O

(Glicose)

“Ocorreu a maior transformação causada no planeta pelos organismos vivos: a atmosfera tornou-se “cheia” de oxigênio”

3

Introdução – Definição e Histórico

Introdução - Composição química geral

A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse período a atmosfera sofreu modificações que permitiram o

surgimento e manutenção da vida

Dados da provável composição (%) da atmosfera terrestre antes e após o

aparecimento de vida

Gás Vênus Marte Terra* Terra

CO2 96,5 95 98 0,035

N2 3,5 2,7 1,9 79

O2 Traços 0,13 Traços 21

Argônio Traços 1,6 0,1 1,0

* Composição provável antes do aparecimento da vida no planeta

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Característica da atmosfera que favorece a vida: caráter oxidante

21% de gás oxigênio (coexiste com formas reduzidas como monóxido de carbono e óxido nitroso)

A composição geral é resultado da “vida” que vem se desenvolvendo

O teor de oxigênio é quase todo produto da fotossíntese Outras fontes contribuem com menos de um bilionésimo do estoque de O2 que respiramos

Introdução - Composição química geral

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- Contém 80% dos gases atmosféricos - Th máx - 600C - Fenômenos

meteorológicos

- Moléculas de O3

- T de - 60 até 00C (abs de UV)

- Menos moléculas - T chegam a – 1000C

(camada mais fria)

- Diferentes espécies - T chegam em 12000C (Abs de radiação de

alta energia)

Atmosfera – Composição química e as camadas

ou

Termosfera

Ordem e dimensão das camadas:

6

Composição gasosa de cada camada:

7

Absorç

ão d

o

ultra

vio

leta

de a

lta

potê

ncia

λ<

220nm

Absorç

ão d

o u

ltra

vio

leta

de 2

00

<λ<

330 n

m

Ultra

vio

leta

, vis

ível e infr

averm

en

lho

, λ>

33

0 n

m

Funções protetoras ... - Evita os impactos de corpos celestes (meteoros) - Mantem parte do calor solar, impedindo sua imediata irradiação

para o espaço - Impede variações bruscas de temperatura e radiações

extremamente energéticas, favorecendo a vida terrestre - Atua como um condensador que transporta água dos oceanos

aos continentes

Atmosfera - Importância

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Troposfera ... É a camada importante para a sobrevivência dos seres aeróbios

CARACTERÍSTICAS

Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera Composição variada - Gases* - Líquidos - Sólidos

Tabela 1. Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984).

Substâncias Concentração em ppm Concentração em µg/m3

Nitrogênio (N2) 780 840.00 8.95 x 108

Oxigênio (O2) 209 460.00 2.74 x 108

Argônio (Ar) 9 340.00 1.52 x 107

Dióxido de Carbono (CO2) 315.00 5.67 x 105

Neônio (Ne) 18.00 1.49 x 104

Hélio (He) 5.20 8.50 x 102

Metano (CH4) 1.20 7.87 x 102

Criptônio (Kr) 1.10 3.43 x 103

Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50 9.00 x 102

Hidrogênio (H2) 0.50 4.13 x 101

Xenônio (Xe) 0.08 4.29 x 102

Existem também milhares de constituintes-traço

170 tipos de interações químicas (estimativa)

(*) Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984) 9

Troposfera É a camada importante para a sobrevivência dos seres aeróbios

OUTRAS CARACTERÍSTICAS Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera Composição variada (gases, líquidos e sólidos) Materiais líquidos e sólidos em suspensão - Origem natural (vulcões, queimadas) - Origem antropogênica (poluição)

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Ação humana Modificações significativas a partir da Revolução industrial POLUIÇÃO:

chuva ácida, efeito estufa e depleção da camada de ozônio

Atmosfera - Efeitos da poluição

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na troposfera na

estratroposfera

Exemplos de FATOS HISTÓRICOS relacionados à POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA:

- Dez. 1930 Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5 dias ( 63 mortos e doenças em cerca de 6000 pessoas )

- Out. 1948 o mesmo em Donova (Pensilvânia, EUA): 20 mortos e quase metade da população ficou “doente”

- Dez. 1952 Londres: durante 5 dias ocorreram 4000 mortes (outros episódios na cidade em 1953 e 1962)

- 1953, 1963, 1966 episódios de forte poluição em Nova York

A partir desses episódios alguns países passaram a legislar, regulamentar e implementar tecnologias para redução da poluição

No BRASIL graves problemas ocorreram na cidade de Cubatão

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Atmosfera - Efeitos da poluição

Contexto econômico e ambiental da poluição atmosférica:

1) O crescimento populacional altera constantemente a atmosfera

– Por meio do lançamento de gases e partículas ...

– Modificando as trocas de água e energia, alterando a quím. atmosférica

• Substituindo/removendo a cobertura natural que barram os ventos

• Reduzindo a quantidade de água evaporada, aumentando o fluxo de calor sensível

• Mudando a circulação local e o ângulo de recebimento da luz solar

2) Existem diferentes tipos de poluentes

Compreendem partículas e gases em concentrações que colocam em perigo a saúde dos organismos, alterando a dinâmica ambiental e dos processos físicos 13

Atmosfera - Efeitos da poluição

Partículas

Partículas maiores concentram-se próximas ao solo (gravidade)

Em geral, diminuem a penetração da luz afetando o clima por meio de efeitos físicos

Características gerais dos poluentes

Gases poluentes afetam o clima por meio de reações químicas

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Atmosfera - Efeitos da poluição

Os poluentes têm efeitos sobre a saúde !

PARTÍCULAS FINAS

alergias respiratórias em geral, silicose e câncer de pulmão

Espirros, tosse, dor de garganta, bronquite

PARTÍCULAS ORGÂNICAS:

câncer, mutação genética e malformação de fetos

EMISSÕES GASOSAS

Agravamento das alergias respiratórias

Dor de cabeça

Falta de ar

Arritmia

“Chuva ácida” ...

Irritação nos olhos e Redução de visibilidade

15

16

http://pibid-bio-uepg.blogspot.com.br/2012/05/meio-ambiente-impactos-

ambientais-e.html; acessado 08-10-14

Poluentes na Atmosfera...

Demandam uso de tecnologias de controle e de minimização da poluição

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

ALÉM DISSO, a dispersão é resultado de mecanismos de transporte rápidos e irregulares

Os contaminantes são carreados pelo vento e naturalmente se misturam na atmosfera turbulenta

Durante a dispersão, os contaminantes podem sofrer reações químicas - Contaminantes primários transformam-se em Contaminantes secundários - São depositados no solo ou na água (por via seca ou úmida)

Atmosfera - Transporte de substâncias

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Dispersão atmosférica de contaminantes

Atmosfera - Transporte de substâncias

Exemplos de alguns poluentes importantes na atmosfera

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1) Poluentes gasosos

2) Poluentes particulados e gasosos de acordo com a fonte

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Leva os contaminantes para outros locais (distantes das fontes)

Os poluentes podem ser removidos, naturalmente, por:

- Deposição úmida

- Deposição seca

- Reações químicas com partículas ou outros gases

Sobre a dispersão atmosférica de contaminantes

Atmosfera - Transporte de substâncias

20

Exemplificando a dispersão atmosférica de contaminantes

Atmosfera - Transporte de substâncias

21

Substâncias persistentes (origem natural ou não) podem ficar

“circulando” no ambiente:

MAS, também ocorrem transformações químicas, favorecidas pelos Ciclos Biogeoquímicos

• Atmosfera REATOR

Oxigênio [componente extremamente reativo], compostos em pequenas concentrações [reagentes ou catalisadores] e luz solar [energia]

• Produtos de reações atmosféricas concentração dos reagentes, temperatura, catalisadores e reatividade da molécula

• Tempo de residência desses produtos tempo médio de permanência do composto na atmosfera

Atmosfera - Transporte de substâncias

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Ciclos Biogeoquímicos

Atmosfera - Transporte de substâncias

São os conjuntos de reações químicas e as mudanças de fases que fazem

com que substâncias permeiem os diferentes ecossistemas

Ex: Questão do CO2

CO2 atmosférico é fixado pelas plantas (fotossíntese) MAS reemitido pela

respiração

TENDÊNCIA: concentrações “constantes” de substâncias nos ecossistemas

em equilíbrio

MAS no caso do CO2 e outros gases alterações (atividades antropogênicas)

Ex: Queima de combustíveis fósseis

Aumenta em ~4,3% ao ano a emissão de Carbono na atmosfera

Compostos de Carbono CICLO DO CARBONO (foco: CO2 atmosférico)

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Atmosfera – Ciclo do carbono

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Atmosfera – Ciclo do carbono

“Fixação” de carbono por meio dos vegetais (consomem CO2) e animais (consome C6H12O6) Reemissão por meio de processos naturais (decomposição) e queima de combustíveis fósseis

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Atmosfera – Ciclo do nitrogênio

Espécies de N2 (inertes) e NOx (associados a problemas ambientais)

Transformação de N2

em outros compostos:

NH3

NH4+

NO2-

NO3-

N2

- Espécie mais abundante da

atmosfera

- Não é aproveitado pelos seres

vivos NESTA FORMA (exceção

para algumas bactérias)

- Outras formas: REATIVAS ...

NOx = NO + NO2

- Chuva ácida

- Depleção da camada de ozônio

(Próxima aula...)

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Amônio

(NH4+)

Nitritos

(NO2-)

(NO3-)

Ciclo do nitrogênio Complexo (reações desconhecidas)

• Relâmpagos Transformam N inerte em N reativo:

N2 + O2 → 2NO

• 3/2 H2 + ½ N2 NH3 (Haber-Bosch) * Indústria de fertilizantes

* Substituinte dos CFCs

* Aditivo em petroquímicas

• Nitrificação:

• Desnitrificação:

Atmosfera – Ciclo do nitrogênio

Reações químicas

2 NH4+ + 3 O2 2 NO2

- + 2H2O + 4H+

2 NO2- + O2 2 NO3

-

NO3- NO2

- NO N2O N2 27

Atmosfera – Ciclo do enxofre

Chuva ácida

(próxima aula)

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Principal

contribuição

Dimetilsulfeto

Compostos de enxofre: várias fontes e vários estados de oxidação

SO2 combustíveis fósseis (atividades antropogênicas grandes quantidades)

Hemisfério Norte maior concentração do que no hemisfério Sul

(países ricos queimam mais combustíveis fósseis)

H2S águas ou regiões úmidas do continente (reações anaeróbias)

Dimetilsulfeto emitido por fitoplancton na superfície dos oceanos

SO42- dissolvido na água e presente na atmosfera (“spray oceânico”)

Quando as partículas tem diâmetro < 10 µm constituem o “aerossol de sulfato” podem penetrar nos pulmões e causar doenças respiratórias (sulfatos provenientes de poluição)

São responsáveis por mudanças climáticas (interagem com a luz solar causando alterações de temperatura)

Atmosfera – Ciclo do enxofre

29

DÚVIDAS

???

30

2) Em relação ao fluxo de CO2 entre os diferentes compartimentos, seria possível calcular as estimativas de troca? 3) O pH da água favorece a dissolução do CO2 atmosférico? De que forma?

QUESTÕES - RELACIONANDO A QUÍMICA AQUÁTICA E ATMOSFÉRICA:

1) Quais são as principais formas químicas de transporte de carbono entre os

vários compartimentos da biosfera?

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4) Quais são os estados de oxidação em que o enxofre pode ser encontrado nos compostos principais do Ciclo do enxofre? E quais os compostos mais solúveis em água?

Referências

• Rocha, J. C; Rosa, A. H. e Cardoso, A. A, Introdução à Química Ambiental, Porto Alegre Bookman, 2004

• Baird, C. Química Ambiental; Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera, 2 ed, Porto Alegre, Bookman, 2002

• http://biologiatualizada.blogspot.com.br/2012/01/fotossintese.html, acessada 22-06-13

• http://www.brasilescola.com/historiag/revolucao-industrial.htm, acessado 22-06-13

• http://envolverde.com.br/saude/qualidade-do-ar/poluicao-do-ar-mata-pelo-menos-dois-milhoes-de-pessoas-por-ano-no-mundo-diz-oms/, acessado 23-06-13

• Nascentes, C. C; Costa, L. M. Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011

• Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e Tempo de Vida. Monografia.

UFES

• Mozeto, A. Química Atmosférica: A química sobre nossas cabeças. Cadernos Temáticos de Química Nova

na Escola. 2001

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