estudando sobre o planeta terra

Irene Cristina de Mello

ESTUDANDO SOBRE O PLANETA TERRA

André L A Martins de Oliveira

Lydia M P Lemos dos Santos

Sérgio Roberto de Paulo

Cuiabá , 2010

LICENCIATURA PLENA EM CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA - UAB - UFMT

Estudando sobrE oPlanEta tErra

Instituto de FísicaAv. Fernando Correa da Costa, s/nº

Campus UniversitárioCuiabá, MT - CEP.: 78060-900

Tel.: (65) 3615-8737www.fisica.ufmt.br/ead

Autores

Irene Crist ina de M e lloDepto. de Química/ICET–UFMT

Lydia M aria Parente Lemos dos SantosDepto. de Química/ICET–UFMT

André Luis Arabe M ar tins de O liveiraGeoresearch do Brasil Ltda.

Sérgio Rober to de PauloInstituto de Física/UFMT

Estudando sobrE oPlanEta tErra

Co r P o E d i t o r i a l

• Den ise Vargas

• Carlos r inalD i

• iramaia Jorge Cabral De Paulo

• mar ia luC ia CaVall i neDer

ProJeto gráfiCo: PAU Lo H. Z . A R R U dA / Ed UA R d o H. Z . A R R U dA

reV i são: d E N I S E VA R g A S

seCretar ia : N E U Z A M A R I A J o R g E C A B R A L

Co P y R I g H T © 2010 UAB

FICHA CATALOGRÁFICA

ISBN: 978-85-8018-007-7

Mello, Irene Cristina de. Estudando Sobre o Planeta Terra./ Irene Cristina de Mello; Lydia Maria P. L. dos Santos, André Luís Arabe M. de Oliveira, Sérgio Roberto de Paulo.Cuiabá: UAB/UFMT, 2010.

1.Planeta Terra. 2.Hidrosfera. 3.Estrutura da Terra. 4.Atmosfera. I.Santos, Lydia Maria P.L dos. II.Oliveira, André Luís Arabe M. de. III.Paulo, Sérgio Roberto de. IV. Título.

CDU 550.3

M527e

s u m á r i o

iXUAB| Ciências Naturais e Matemática | Fundamentos Epistemológicos |

1. E s t r u t u r a d a tE r r a : da s u P E r f í C i E a o C E n t r o

2 . E s t r u t u r a d a tE r r a : H i d r o s f E r a

3. E s t r u t u r a d a tE r r a : at m o s f E r a

r E f E r ê n C i a s b i b l i o g r á f i C a s

01

29

69

105

P r E fá C i o

XiUAB| Ciências Naturais e Matemática | Fundamentos Epistemológicos |

O lugar em que vivemos, que denominamos muitas vezes apenas como Mundo ou Planeta Azul, já foi uma pequena massa de poeira. Mas, atualmente, com cerca de 4.6 mil milhões de anos o nosso planeta Terra é o terceiro planeta a partir do Sol e o quinto maior do Sistema Solar, sendo o mais massivo dos quatro planetas rochosos registrados pela ciência contemporânea. Não se trata de um simples planeta, mas aquele que abriga os seres humanos e milhões de outras espécies de seres vivos, sendo, até o momento, considerado cientificamente o único com existência de vida conhecida em todo o universo, o que o torna ainda muito mais especial. Os seus minerais, em conjunto com os produtos da biosfera, fornecem recursos que são necessários para suportar toda a população humana habitante. Diante disso, fica evidente a importância de ampliarmos os nossos conhecimentos sobre esse planeta, para que possamos aprender como preservá-lo e desse modo garantir a manutenção da vida. Portanto, convidamos você a ampliar um pouco mais os seus conhecimentos sobre o fascinante Planeta Azul.

UAB| Ciências Naturais e Matemática | Estudando Sobre a Terra | 1

1E s t r u t u r a d a tE r r a:

d a s u P E r f í C i E a o C E n t r o

Pa r a i n i C i a r a n o s s a C o n v E r s a , va m o s r E f l E t i r : vo C ê j á Pa r o u Pa r a P E n s a r C o m o é o i n t E r i o r d a t E r r a?

Por meio de estudos das propriedades físicas da terra, com a utilização da Geofísica, podemos enten-der as estruturas no interior terrestre. E, utilizando a velocidade das ondas sísmicas, podemos calcular, dentre outras coisas, a densidade das camadas principais e suas subdivisões, buscando, posteriormente, a identidade das rochas presentes nessas camadas.

Geofísica é uma ciência voltada à compreensão da estrutura, composição e dinâmica do planeta Terra, sob a ótica da Física. Consiste basicamente na aplicação de conhecimentos e medidas da física ao estudo da Terra, especialmente pela reflexão sísmica, refração, gravidade, magnetismo, eletricidade, eletromagnetismo e métodos radioativos.

Uma onda sísmica é uma onda que se propaga através da Terra, geralmente como consequência de um sismo, que pode ser natural ou induzido.

O sismo é um fenômeno de vibração brusca e passageira da superfície terrestre, resultante de movimentos subterrâ-neos de placas rochosas, de atividades vulcânicas, de abatimento de cavernas ou por deslocamento de gases no interior da terra. Um exemplo é o terremoto. Em relação ao sismo induzido são aqueles associados às ações humanas, como exemplo, explosões e quedas de grandes estruturas.

Fonte: http://pt.wikipedia.org


2 | Ciências Naturais e Matemática | UAB

As ondas sísmicas quando emitidas, seja por eventos naturais como terremotos ou mesmo pelo homem, mediante explosões, se propagam em todas as direções, de-pendendo da onda, podem ou não atravessar intervalos líquidos. Sismógrafos, devida-mente posicionados podem detectar essas ondas, pois as mesmas apresentam compor-tamentos diferenciados quando encontram camadas de rocha heterogêneas, ou seja, com diferentes densidades, composição mineralógica, química e parâmetros elásticos (compressibilidade e rigidez). Isso permite identificar as diferentes partes da terra, con-forme mostram as figuras 1A e 1B.

NÚCLEO

NÚCLEO

ZONA DE TRANSIÇÃO

MANTOINFERIOR

INTE RNO

EXTERNO

MANTO SUPERIOR

Profundidade em Km

4001050

2885

5145

6370

Atmosfera (N2O2)Hidrosfera (H2O)

+ Biosfera (H,O,C,N)

Crosta:continental:25-90Km, graníticaoceânica: 5-11Km, basáltica

ferro + sulfeto de ferro (líquido)

liga de ferro-níquel (sólido)

silicatos de magnésio (e ferro)

Figura 1b – a estrutura interna da terra

[Fonte: the open uniVersitY. os reCursos FísiCos da terra – bloCo 1. Campinas: sp, 1994]

Figura 1a – a estrutura interna da terra

[Fonte: teXeira, w. et al. deCiFrando a terra. são paulo: oFiCinas de teXtos, 2000]

CROSTA

NÚCLEO

NÚCLEO

MANTO TRANSICIONAL

MANTO INFERIOR

INTERNO

EXTERNO

D”

MANTO SUPERIORZONA DE BAIXA VELOCIDADE

CONTINENTAL 30-80KmOCEÂNICA 5-10KM

Profundidade em Km

400

650

2900

5100

6400

Descotinuidade de Mohorivicic

Descotinuidade de Gutenberg

E a C r o s ta tE r r E s t r E? o q u E s E r i a? Co m o é f o r m a d a?

A crosta terrestre é a porção rígida e externa que envolve a terra, onde podemos encontrar desde rochas sedimentares, rochas ígneas e rochas metamórficas, bem como seus subprodutos. Essa porção divide-se em crosta continental e crosta oceânica, essa última por sua vez, assentada sobre o manto (ver figura 1A e 1B).

Segundo informações geofísicas e também das exposições rochosas, a crosta con-


tinental pode chegar a 80 quilômetros de espessura, apresentando rochas de compo-sição granito-gnaisse, predominantemente. Nas regiões mais antigas e estáveis, ou seja, nos crátons, a profundidade pode variar de 30 a 40 quilômetros, passando a 60-80 quilômetros nas grandes cadeias de montanhas, como os Andes da América do Sul e os Himalaias na Ásia (ver figura 2).

Figura 2: estrutura da Crosta Continental[Fonte: teXeira, w. et al. deCiFrando a terra. são paulo: oFiCinas de teXtos, 2000].

VpKm/s materiais

4-5

5, 5-6

~7

6-7

8

Cro

sta

Supe

rior

Cro

sta

Infe

rior

Manto Superior

de Conraddescontinuidade

descontinuidade

migmatitos

granitosxistos

sedimentos

Moho

materiais Km zona0

10–

20–

30–

Supe

rior

/Ep

izon

aIn

term

ediá

ria/

Mes

ozon

aIn

feri

or/

Cat

azon

a

NÍV

EL C

RUST

AL

gnaisses

anfibolitos

migmatitosintrusões máficas

rochas máficas/ultramáficas

gnaisse

granitos

xistos

sedimentos vulcânicos

a estrutura da Crosta Continen-tal sugerida pela VeloCidades das ondas p

b estrutura da Crosta Continental sugerida pelas obserVações de seções Crustais eXpostas

o b s E r va ç ã o i m P o r ta n t E

Durante um sismo, dois tipos de ondas são observados: Tipo “p” e tipo “s”.As ondas “p” ou primárias, possuem velocidades de propagação maior do que

do tipo “s”, vibram paralelamente à direção da onda e se propagam no ar, na água e em corpos sólidos. As ondas do tipo “s” ou secundárias, são ondas transversais ou cizalhantes e se propagam somente em corpos sólidos.


A passagem de uma zona para outra é evidenciada por meio de um leve aumento na velocidade sísmica, chamado de descontinuidade de Conrad, mostrando rochas me-nos densas no topo e rochas mais densas na base.

A crosta oceânica é bem mais delgada, variando de 5 a 10 quilômetros e se cons-titui predominantemente por rochas vulcânicas e plutônicas máficas (rochas ricas em minerais de ferro e magnésio).

o m a n t o d a tE r r a

O limite crosta-manto é marcado por uma brusca variação das propriedades elá-ticas do manto, denominada descontinuidade de Mohorovicic (ver figura 1A). Abaixo dessa descontinuidade, situa-se o manto superior, que se estende até 400 quilômetros de profundidade (ver figura 1B). As densidades encontradas nesse intervalo variam de 3,2 g/cm³ no topo a 3,7 g/cm³ na base (ver figura 3). As rochas terrestres com densida-de equivalente para esse intervalo seriam as ultramáficas, ricas em olivina magnesiana e os piroxênios (rochas peridotitos e eclogitos).

Figura 03 – tabela de den-sidade de alguns minerais e

VeloCidade de ondas

Mineral

Rocha

Densidade, g/cm3

CP (km/s)

Quartzo 2,65Feldspato potássico 2,57Plagioclásio 2,64Olivina magnesiana 3,3Clinopiroxênio

Granito

3,3

6

Ortopiroxênio

Gabro

3,4

7

Granada

Peridotito

3,6

8

Um gnaisse é uma rocha de origem metamórfica, resultante da deformação de rochas igneas ou sedimentares. Algumas das rochas mais antigas do mundo são gnaisses. Sua compo-

sição é de diversos minerais, mais de 20% de feldspato potássico, plagioclásio, e ainda quartzo e biotita. Rocha de grande variação mineralógica e grau metamórfico, é amplamente empregada como brita na construção civil e pavimentação além do uso ornamental

Um exemplo de formação rochosa em gnaisse é o Pão de Açúcar, localizado na cidade do Rio de Janeiro, Brasil.

Fontes: http://pt.wikipedia.org; manual de mine-ralogia dana-hurlbut (1983).

pão de açuCar - rio de Janeiro


O manto transicional localiza-se entre 400 km e 650 km de profundidade e ca-racteriza-se por apresentar maiores densidades que o manto superior (ver figura 1A). Esse aumento de densidade estaria diretamente relacionado a pressões maiores, onde minerais de mesma composição química mudariam de estruturas menos densas, para estruturas mais densas, com menor espaço livre entre os íons constituintes. [Íon: é uma espécie química eletricamente carregada, geralmente um átomo ou molécula que perdeu ou ganhou elétrons].

Importante observar que, quanto mais densa a rocha, maior a velocidade de propagação das ondas sísmicas.

O manto inferior, compreende profundidades entre 650 km e 2900 km. Limita-se com o núcleo externo, através da descontinuidade de Gutenberg. Essa descontinuidade deve-se ao fato das ondas transversais (tipo S) atravessarem o manto e não atravessarem o núcleo, mostrando se tratar de um meio rígido para outro meio líquido. Esse inter-valo é composto predominantemente por silicatos ferromagnesianos com estruturas densas e em menor proporção por silicatos cálcio-aluminosos, óxidos de magnésio, ferro e alumínio. Na base do manto inferior, entre 2600 km a 2900 km, situa-se a Zona D (ver figura 1A), que é a zona considerada anômala por se tratar de uma diminuição da velocidade das ondas sísmicas com o aumento da profundidade. A origem dessa zona ainda é especulativa.

o n ú C l E o d a tE r r a

Localizado abaixo da descontinuidade de Gutenberg, o núcleo externo líquido com-preende as profundidades entre 2900 km e 5100 km e apresentou densidade, calculada em função da velocidade das ondas sísmicas, em torno de 10 g/cm³, diferente do núcleo interno sólido (5100 km – 6400 km), que apresentou densidade em torno do 11,5 g/cm³ (ver figura 1A).

Comparando a densidade do núcleo interno, compreendemos que se trata predo-minantemente de uma liga metálica de ferro e níquel. O núcleo externo, também seria formado pela mesma liga, entretanto, a densidade mais baixa seria o reflexo da incor-poração de elementos de número atômicos baixo, como hidrogênio, oxigênio, sódio, magnésio e enxofre.

o s m i n E r a i s E r o C H a s C o n s t i t u i n t E s d a C r o s ta t E r r E s t r E

Como dissemos anteriormente, a crosta terrestre é constituída por rochas ígneas, metamórficas e sedimentares e essas rochas são constituídas por uma mis-tura de minerais. Por ocuparem porções profundas da crosta, os estudos em deter-minados tipos rochosos foram feitos por meio de suas exposições, graças à combina-ção de forças geológicas internas. Podemos citar como exemplo, o soerguimento de determinados corpos (formação de montanhas), ataques erosivos e vulcanismos, que trazem para a superfície fragmentos das partes profundas da crosta e do manto. Outro método utilizado, em menor proporção, devido ao alto custo, é a sondagem; tanto nos continentes, como nos oceanos (profundidade máxima perfurada com sonda em torno de 8.000 metros) (Fonte: The Open University. Os recursos físicos da Terra – Bloco 1. Campinas: SP, 1994).

pão de açuCar - rio de Janeiro


Figura 4 - diagrama mostrando as proporções aproXimadas dos prinCipais elemen-tos químiCos nas prinCipais Camadas da terraFonte: the open uniVersitY. os reCursos FísiCos da terra – bloCo 1. Campinas: sp, 1994

(d) núCleomassa = 1,94 X 1024 kg (32,4%)

S = 14%

Ni = 5,2% outros = 0,4%

Fe = 80,4%

(a) terra Como um todomassa = 5,98 X 1024 kg (100%)

O = 32%

Mg = 12,5%

Fe = 25% Si = 14,5%

outros = 8%

S = 8%

(b) Crostamassa = 2,40 X 1022 kg (0,4%)

Si = 27,4%

O = 45,2%

Ca = 5,1%Na = 2,3%K = 1,7%Ti = 0,7%outros = 1%

Mg = 2,8%

Fe = 5,8%

Al = 8%

(c) mantomassa = 4,02 X 1024 kg (67,2%)

O = 44%

Na = 0,8%Ca = 1,7%

outros = 1%Al = 1,6%

Fe = 9,9%

Si = 22,4%

Mg =

18,6%

Na atualidade conhecemos cerca de 2400 minerais e a mistura desses minerais, associado a um determinado meio, formam as rochas abaixo:

Rochas ígneas: minerais se cristalizam a partir de um estado fundido (magma);Rochas metamórficas: altas pressões e altas temperaturas dentro da terra, provo-

cando reações químicas em minerais preexistentes;Rochas sedimentares: resultado de processos erosivos (vento, água ou gelo) de ro-

chas mais antigas (podem ser rochas ígneas, metamórficas e até mesmo sedimentares), transportados, depositados e cimentados, formando rochas sedimentares.

A figura 04 apresenta um diagrama que resume as composições químicas das principais camadas na Terra.


Figura 5b – arranJo espaCial dos íons na+ e Cl- no mineral halita[Fonte: teXeira, w. et al. deCiFrando a terra. são paulo: oFiCinas de teXtos, 2000].

ClNa

a

c

bCl

Na

o q u E s ã o r o C H a s E m i n E r a i s?

Mineral é um elemento ou um composto químico, resultante de processos inor-gânicos, de composição química geralmente definida e encontrado naturalmente na crosta e em corpos extraterrestres. Os minerais em geral, são sólidos. Somente a água e o mercúrio se apresentam no estado líquido, em condições normais de pressão e tem-peratura. A composição química e as propriedades cristalográficas bem definidas do mineral faz com que ele seja único dentro do reino mineral e, assim, receba um nome característico.

São chamados de elementos nativos, minerais constituídos por apenas um elemen-to, como, por exemplo, o ouro (Au), carbono (C) e a prata (Ag). Quando os elementos se combinam formando compostos de dois ou mais elementos, são chamados de mine-rais compostos e os exemplos incluem a Galena (PbS) , Pirita (FeS2), Calcita (CaCo3) e muitos outros minerais (Fontes: Leinz, V. Geologia Geral. São Paulo: Editora Na-cional, 1978 e Texeira, W. et al. Decifrando a Terra. SP: Oficinas de Textos, 2000) . A figura 5A mostra imagens de alguns minerais e a figura 5B mostra o arranjo espacial dos íons Na+ e Cl-, no composto NaCl (Halita), mostrando a célula unitária que resulta no hábito cristalino em cubos, geralmente apresentado pelo mineral.

Figura 5a: - imagens de alguns minerais

galena (pbs)Cristais de CalCita (CaCo3)pirita (Fes2)


at i v i d a d E

1) Observe uma escola, uma sala de aula qualquer e relacione os minerais presentes.2) Para que os minerais galena, calcita e pirita são utilizados?

Co m o o C o r r E a f o r m a ç ã o d a s r o C H a s?

Quando uma associação de minerais se unem por diferentes motivos geológicos, ocorre a formação da rocha. Chamamos de minério, quando a rocha apresenta minerais com importância econômica.

ag o r a va m o s E n t E n d E r C o m o o C o r r E a f o r m a ç ã o d o s m i n E r a i s?

Primeiramente é preciso entender que os minerais podem ser formados no interior ou fora da terra. A origem de um mineral está condicionada aos ingredientes químicos e às condições de pressão e temperatura reinantes no ambiente de formação.

Os minerais podem se formar por um processo de fusão, quando associado a um material rochoso fundido, denominado magma, ou por vapores, sem passar pelo está-gio líquido. Como exemplo, podemos citar a formação de cristais de enxofre a partir das fumarolas de atividades vulcânicas (fumaça do vulcão). Outro fator importante, está ligado diretamente ao metamorfismo, onde minerais cristalizados, são modifica-dos por pressão e temperatura. Esses materiais tornam-se instáveis nessa nova condi-ção e se recristalizam (mudam o estado cristalino) em uma nova estrutura cristalina mais estável, sem ocorrer fusão do mineral original (ex: metamorfismo de baixo grau) (Fonte: Texeira, W. et al. Decifrando a Terra. SP: Oficinas de Textos, 2000).

Em relação a minerais relacionados a rochas sedimentares químicas, podemos citar a cristalização de substâncias a partir de soluções aquosas a baixas temperaturas (inferiores a 100°C). Como exemplo podemos citar os evaporitos (ex: anidrita, gipso e halita), onde uma solução salina se evapora, precipitando primeiramente os sais menos solúveis e posteriormente os mais solúveis.

C l a s s i f i C a ç ã d o d o s m i n E r a i s

RECORDANDO: Íons são átomos que, por um motivo qual-quer, perderam ou ganharam elétrons. Quando um átomo perde elétrons tor-na-se um íon positivo ou cátion, pas-sando a ter excesso de cargas positivas.

Contrariamente, ao ganhar elétrons, torna-se um íon negativo ou

ânion.

Baseado em características similares como sistema de crista-lização, usos e composição química, os minerais podem ser agrupa-dos. Normalmente, nos livros de mineralogia descritiva, usa-se o critério químico baseado na natureza do radical aniônico do mine-ral. Usando a barita como exemplo, BaSO4, o radical aniônico é o SO4² – (quimicamente chamado de sulfato), assim sendo, a barita será classificada como sulfato.


PRÁTICA PEDAGÓGICA: Propondo atividades de ensino com os MineraisApós ler os textos recomendados e realizar as atividades, organize uma aula

ou um projeto, com os seus alunos do ensino fundamental, em que se proponha o estudo dos minerais mais conhecidos e sua importância sócio-econômica.

LEITURA RECOMENDADA (PARADIDÁTICO)

Canto, Eduardo Leite do. Mine-rais, Minérios, Metais. De onde vêm? Para onde vão? São Paulo: Editora Moderna, 1996.

PARA SABER MAISConsulte: DANA-HURLBUT.

Manual de Mineralogia. Rio de Ja-neiro: LTC, 1983.

Por que não usamos o Cátion para classificar os minerais? Estudos mostram que mi-nerais com o mesmo radical aniônico possuem propriedades fisiológicas e morfológicas muito mais semelhantes entre si, tendem a se formar por processos físico-químico semelhantes e ocorrem associados uns aos outros na natureza. A tabela 1 mostra a classificação simplificada dos minerais.

Tabela 01: classificação simplificada dos minerais

Elementos nativos

Classe mineral

Sufetos

Sulfossais

Óxidos

Halóides

Carbonatos

Nitratos

Boratos

Sulfatos e Cromatos

Fosfatos, Arseniatos e Vanadatos

Tungstatos e Molibidatos

Ouro e Enxofre

eXemplo mineral

Galena e Pirita

Tetraedrita e Enargita

Hematita e Cassiterita

Halita e Fluorita

Calcita e Dolomita

Salitre e Salitra do Chile

Bórax e Kernita

Barita e Gipsita

Apatita e Lazulita

Scheelita e Wolframita

Formula químiCa do mineral

Au e S

PbS e FeS2

Cu12Sb4S13 e Cu3AsS4

Fe2O3 e SnO2

NaCl e CaF2

CaCo3 e {CaMg(CO3)2}

KNO3 e NaNO3

Na2B4O . 10H2O e Na2B4O7 . 4H2O

BaSO4 e CaSO4 . 2H2O

Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3 eMgAl2(OH)2(PO4)2

CaWO4 e (Fe.Mn)WO4

Com algumas exceções de menor significação, todos os minerais que formam as rochas ígneas são silicatos, constituindo assim, bem mais de 90% da crosta terrestre.

O Grupo dos Silicatos são subdivididos de acordo com o grau de polimerização dos tetraedros SiO4

+ e, consequentemente, pela razão Si:O dos ânions (ver tabela 02).


Segundo manual de mineralogia (Dana-Hurlbut, 1983), os prefixos das classes dos silicatos se derivam do grego: neso = ilha; soro = grupo; ciclo = anel; ino = cadeia ou fio; phyllo = folha; tecto = estrutura tridimensional (observe a tabela 02).

n o m E n C l at u r a d o s m i n E r a i s

Desde 1959 a tarefa de normatizar a criação de novas espécies minerais e sua nomenclatura vinha sendo realizada pela CNMMN, que significa Comis-são para Novos Minerais e Nomes de Minerais (em língua inglesa: Commission on New Minerals and Mineral Names). Entretanto, em Julho de 2006, essa Co-missão se fundiu com a Comissão para a Classificação dos Minerais, (em in-glês: Commission on Classification of Minerals), dando origem à Comissão para a Classificação e Nomenclatura de Novos Minerais (Commission on New Mine-rals, Nomenclature and Classification (CNMNC), passando a ser a responsável pela realização das tarefas. (Fonte: Dicionário Pro. Nomenclatura dos Minerais. Disponível em http://www.dicionario.pro.br/dicionario/index.php/Nomenclatura_dos_Minerais Acesso em Novembro de 2009.)

tabela 02: grupo de siliCatos

SiO4

Mg3(Si4O10)(OH)2

Mg2(Si2O6) eCa2Mg5(Si8O22)(OH)2

Be3Al2(Si6O18)

Zn4(Si2O7)(OH) . H2O

(Mg,Fe)2SiO4

Fórmula Química do Minel

Exemplo MineralArranjo dosTetraedros

Classe Mineral

Nesossilicatos

Sorossilicatos

Ciclossilicatos

Inossilicatos

Filossilicatos

Tectossilicatos

Isolados

Duplo

Anéis

Cadeias (Simples e Duplas)

Folhas

Estruturas Tridimensionais

Olivina

Hemimorfita

Berilo

Piroxênio Enstatita e Anfibólio Tremolita

Talco

Quartzo

No Brasil, usamos a terminação “ita” para os novos minerais e “ito” para as ro-chas. Por vezes, essa regra não é respeitada, para o caso de rochas conhecidas a um longo tempo, cujo nome está consagrado.

Quando um mineral é descoberto, as seguintes recomendações devem ser segui-das:


• O nome deve indicar a localização geográfica de sua descoberta. Exemplo: moscovita, em derivação a vidro de moscóvia, antiga Rússia;

• Que o nome indique suas propriedades físicas. Exemplo: tetraedrita, devido ao hábito tetraédrico;

• Que o nome indique a presença de um elemento químico predominante. Exemplo: arsenopirita, cuprita e molibdenita;

• Em homenagem a uma pessoa. Exemplo: andradita, em homenagem ao geó-logo e patriarca da independência José Bonifácio de Andrada e Silva.

O termo variedade é utilizado quando ocorrem pequenas variações químicas na composição de um determinado mineral e, nesse caso, o mineral não recebe um novo nome. Por exemplo, quando parte do zinco do mineral esfalerita (ZnS) é substituído por ferro (Zn,Fe)S, origina-se uma variedade de esfalerita rica em ferro. (Fonte: TE-XEIRA, W. et al. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficinas de Textos, 2000. p.34)

i d E n t i f i C a ç ã o d o s m i n E r a i s

A composição química e estrutura cristalina dos minerais refletem em suas pro-priedades físicas e morfológicas, caracterizando-os. Muitos minerais podem ser reco-nhecidos rapidamente pela vista ou determinados por simples ensaio, na grande maioria das vezes. Abaixo apresentamos os parâmetros a serem considerados na identificação dos minerais:

Hábito cristalino: é a forma externa habitual exibida pelo mineral. O hábito de um mineral é o reflexo de sua estrutura cristalina e será melhor observado quando os minerais se desenvolvem em condições geológicas ideais. Como exemplo, podemos citar o hábito cúbico da pirita;

transparência: esses minerais são divididos em transparentes, translúcidos e opacos e estão diretamente relacionados a espessura do mineral. Os minerais transparen-tes não absorvem a luz. Já os translúcidos, absorvem parcialmente, dificultando a observação de suas características. Dessa forma, diminuímos a espessura desses minerais, por meio da confecção de lâminas delgadas, tornando-os transparentes. Quando determinados minerais absorvem totalmente a luz, independente da espes-sura, são chamados de opacos. Por exemplo: elementos nativos metálicos, óxidos e sulfetos;

brilHo: é a quantidade de luz refletida pela superfície do mineral. São divididos em brilho metálico, quando possuem aparência metálica (minerais opacos e de traço escuro) e não metálico, quando não apresentam aparência metálica (minerais claros com traços de coloração clara ou sem cor). Quando trabalhamos com um mineral de brilho não metálico, os seguintes termos podem ser usados:

Brilho vítreo: brilho do vidro (ex: quartzo)Brilho resinoso: com aparência de resina (ex: esfalerita)Brilho nacarado: aparência iridescente de uma pérola


Brilho gorduroso: como se o mineral estivesse coberto por uma camada fina de óleo (ex: nefelina)

Brilho adamantino: como o nome diz, brilho do diamante Observação: vale ressaltar que muitos minerais metálicos quando oxidados perdem parcialmente o brilho metálico, como no caso da pirita que quando oxidada se trans-forma em limonita.cor: a cor de um mineral resulta na absorção seletiva da luz e os principais fatores que

colaboram para absorção seletiva são presenças de elementos químicos de transição (ferro, cobre, níquel, cromo, vanádio etc) na composição química do mineral, defei-tos na sua estrutura atômica e a presença de pequenas inclusões minerais dispersas. São chamados de minerais idiocromáticos, minerais com cores bem características, como o amarelo do enxofre. Outros minerais por apresentar cores variadas, como a turmalina e o quartzo, são chamados de alocromáticos.

traço: é a cor que o mineral deixa ao ser riscado em uma placa. Normalmente usa-se uma placa de porcelana branca (com dureza aproximadamente 7 na Escala de Mohs). Vale lembrar que, se o mineral em estudo for mais duro que a porcelana, é a porce-lana que será riscada e não o mineral.

Essa propriedade é bastante útil na identificação de minerais opacos ou ferrosos, que apresentam geralmente traços coloridos. Um exemplo bastante comum é o traço vermelho da hematita (Fe2O3). A figura 06 mostra vários minerais com os seus res-pectivos traços.

cor do mineral cor do mineral cor do traço cor do traço

PretoVermelho

Cinza

Amarelo-dourado

Vermelho-marrom

Amarelo

Calcopiritaamarelo-ouro

Cinabaritapreto-avermelhada

Molibdenitaprateada

Auripigmentoamarelo

Hematitamarrom

Crocoítamarrom-avermelhada

Figura 06 – minerais e seus traços

[Fonte: atlas Visuais. a terra. são paulo: editora átiCa, 2008]


123456789

1

2

3

4

5

6

789

10

A Escala de Mohs quantifica a dureza dos minerais, isto é, a resistência que um determina-do mineral oferece ao risco, ou seja, a retirada de partículas da sua superfície.

Talco, (pode ser arranhado facilmente com a unha)

Gipsita (ou Gesso), (pode ser arranhado com unha com um pouco mais de dificuldade)

Calcita, (pode ser arranhado com uma moeda de cobre)

Fluorita, (pode ser arranhada com uma faca de cozinha)

Apatita, (pode ser arranhada dificilmente com uma faca de cozinha)

Feldspato / Ortoclásio, (pode ser arranhado com uma liga de aço)

Quartzo, (capaz de arranhar o vidro. Ex.: Ametista)

Topázio, (Capaz de arranhar o quartzo)

Corindon, (Capaz de arranhar o Topázio)

Diamante, (Mineral mais duro que existe, pode arranhar qualquer outro e é arranhado apenas por outro diamante)

Dureza Mineral Fórmula Química

A escala de dureza Mohs é usada em mineralogia, no entanto, existem outras escalas de dureza utilizadas em ciência dos materiais.


C

Mg3Si4O10(OH)2

CaSO4•2H2O

CaCO3

CaF2

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

KAlSi3O8

SiO2

Al2SiO4(OH-,F-)2

Al2O3

PE nsE E r EsPo n da:O giz risca o quadro ou é o quadro que risca o giz?

Por quê?


Dureza: dureza é a possibilidade de um mineral ser riscado por um outro mineral. Quanto mais forte for as forças de união entre os átomos do arranjo cristalino, mais duro será o mineral. A lâmina de aço apresenta dureza entre 5 e 5.5, desta forma, o canivete passou a ser uma boa ferramenta para testar determinados minerais, abaixo desse valor de dureza. Para classificar a dureza, usamos a escala de Mohs, conforme visto anteriormente, em homenagem ao mineralogista australiano F.Mohs. Essa escala se baseia na dureza crescente de 10 minerais, iniciando pelo talco (Dureza 01), passando pelo gipso, calcita, fluorita, apatita, ortoclásio, quartzo, topázio, co-ríndon e diamante (dureza 10).

Fratura: denomina-se fratura, a forma como o mineral se rompe. As fraturas são clas-sificadas em conchoidal: fratura com superfície lisa e curva, semelhante à superfície interna de uma concha, muito comum nos minerais de quartzo; fratura fibrosa ou estilhaçada: quando o mineral se rompe mostrando estilhaços ou fibras; fratura serri-lhada: quando o mineral se rompe formando uma superfície serrilhada, com bordas cortantes; fratura desigual ou irregular: superfícies rugosas e irregular.

Clivagem: se aplicarmos uma força em um determinado mineral e o mesmo se romper, produzindo uma superfície plana definida, chamamos de clivagem, caso contrário, ocorreu uma fratura. As clivagens podem ocorrer em uma ou mais direções e se classificam em perfeita, boa e imperfeita.

Figura 07 – esCala de mohs de dureza[Fonte: atlas Visuais. a terra. são paulo: editora átiCa, 2008]

Curiosidade:Dureza da unha = 2,5

Dureza de uma moeda de cobre = 3.0Dureza do aço de uma lima = 6.5

1 – Talco2 – Gipso

4 – Fluorita5 – Apatita3 – Calcita 6 – Ortoclásio

9 – Coríndon7 – Quartzo

10 – Diamante8 – Topázio


Figura 8 - CliVagens

Tenacidade: é a resistência que um mineral oferece ao ser rompido, esmagado, curvado ou rasgado, resumindo, é a sua coesão. Os termos usados para as várias espécies de tenacidades são:

Quebradiço: mineral que se rompe ou pulveriza com facilidade;Maleável: quando o mineral pode ser transformado em finas lâminas;Séctil: quando um mineral pode ser cortado com o canivete;Dúctil: o mineral pode ser estirado para formar fios;Flexível: quando dobramos um mineral e o mesmo não retoma para a posição

inicial;Elástico: após dobrarmos um mineral, ele retoma sua posição inicial;

Densidade relativa: determinada por uma balança especial, onde o mineral é pesado primeiramente no ar, posteriormente, esse mesmo mineral é submerso em um determinado volume de água. A divisão do valor do peso do mineral no ar pelo volume de água deslocado por este mineral é igual à densidade do mineral em estudo. Exemplo: Peso Ar/ Volume deslocado = D (g/cm³).

A densidade relativa da maioria dos minerais formadores de rochas oscila entre 2,5 e 3,3.

CliVagem

CliVagem ao longo de um plano

CliVagem ao longo de quatro planos

CliVagem ao longo de dois planos

CliVagem ao longo de três planos

Clivagem segundoquatro orientações,formando um cristalpriramidal duplo

Clivagem segundotrês orientações,formando umbloco cúbicoClivagem

segundo umaorientação

Clivagemhorizontal

Geminação: é a propriedade de certos cristais aparecerem intercrescidos de ma-neira regular. A geminação pode ser simples, por exemplo, dois indivíduos intercrescidos, ou múltipla, chamada de polissintética. Muitas vezes, o tipo de geminação pode diagnosticar o mineral. A estaurolita, pertencente à família dos silicatos, se enquadra nesse diagnóstico.

Figura 09 – Cristal geminado de estaurolita


Propriedades elétricas e magnéticas: dizemos que um mineral é um bom con-dutor de eletricidade, quando o mesmo apresenta ligações atômicas totalmente metálicas, como os metais nativos: ouro, prata e cobre. Quando os minerais apresentam estruturas atômicas parcialmente metálicas, como nos sulfetos, dizemos semicondutores. Os minerais que apresentam ligações covalentes e iônicas, são denominados não condutores. Piezoeletricidade e piroeletricida-de são propriedades elétricas especiais. Piezoeletricidade é a propriedade de

determinados minerais em transformar uma pressão mecânica em carga elé-trica. Essa propriedade faz com que o quartzo seja um mineral muito utilizado pela indústria eletroeletrônica (no controle de rádio freqüência). Piroeletricidade é a eletricidade originada pelo aumento do calor, esses minerais quando aquecidos emitem uma corrente elétrica. A turmalina apresenta essa propriedade e é utilizada para medidas de temperatura dos altos fornos. Quando um mineral no seu estado natural é atraído por um ímã, é considerado magnético. A magnetita (Fe3O4) e a pirrotita (Fe(1-x)S), são considerados magnéticos. Outros minerais, principalmente os que contêm ferro, podem apresentar suscetibilidades magnéticas na presença de um ímã mais poderoso, como o eletroímã.

u n i d a d E s f o r m a d o r a s d a C r o s ta

Rochas são produtos consolidados, resultante da união natural de minerais. De-pendendo da força de ligação entre os grãos constituintes, a rocha pode ser dura ou branda, esse fator é primordial para diferenciar rochas de sedimentos, como areia da praia (conjunto de minerais soltos). Quando nos referimos a estrutura da rocha, esta-mos falando do seu aspecto geral externo, dessa forma a rocha pode ser maciça, com cavidades, apresentando minerais distribuídos de forma orientada ou não.

Outro aspecto importante e mais detalhado é a textura da rocha, pois nela obser-vamos o tamanho, forma e como se relacionam os cristais ou grãos constituintes.

Quando dizemos minerais essenciais, estamos tratando dos que estão sempre presentes, com abundância em determinada rocha e suas proporções irão determinar o seu nome. Já os minerais acessórios podem ou não estar presentes, sem que isso mo-difique a classificação da rocha em estudo.

As rochas formadas por minerais agregados pertencentes à mesma espécie mine-ralógica, são denominadas de monominerálicas. Como exemplo, podemos citar os cal-cários, mármores e quartzitos. As rochas pluriminerálicas, como o próprio nome diz, são constituídas de espécies diferentes. São exemplos de pluriminerálicas: os granitos, gabros e ganisses. [TEXEIRA, W. et al. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficinas de Textos, 2000].

Figura 10 - magnetita[Fonte: sChumann, w. guia dos minerais. lisboa, portugal: edito-rial presença, 2001]

Faça uma pesquisa e apresente a diferença

entre Cristal e Cristalino.


C l a s s i f i C a ç ã o d a s r o C H a s

De acordo com seu modo de formação na natureza, as rochas se classificam em três grandes grupos:

Rochas Ígneas ou magmáticas: essas rochas são derivadas diretas do resfriamento do magma (material rochoso fundido). Quando o magma extravasa ou chega à super-fície e se resfria, a rocha é chamada de extrusiva ou vulcânica. O basalto é a rocha vulcânica mais conhecida.

Entretanto, quando o magma se resfria no interior da terra, a rocha resultante é chamada de intrusiva, o granito é seu representante mais abundante.

Figura 11 – basalto[Fonte: sChumann, w. guia dos minerais. lisboa, portugal: editorial presença, 2001]

Figura 12 – granito[Fonte: sChumann, w. guia dos minerais. lisboa, portu-gal: editorial presença, 2001]

o b s E r va ç ã o i m P o r ta n t E

Escala de Wentworth (fração granulométrica)• Argila – menor que 4nm• Silte – entre 4nm e 64nm• Areia – maior que 64nm e menor que 2mm• Grânulo – maior que 2mm e menor que 4mm• Seixo – maior que 4mm e menor que 64mm• Bloco ou Calhau – maior que 64mm e menor que 256mm• Matação – maior que 256mm


at i v i d a d E

Diferencie basaltos e granitos, pesquisando estrututas, texturas e contituição minera-lógica dos mesmos.

Rochas Sedimentares: as rochas sedimentares são constituídas de sedimentos de outras rochas, podendo ser ígneas, metamórficas ou até mesmo sedimentares. Através do intemperismo, são liberadas partículas e/ou compostos químicos dissolvidos, esse material é transportado pela ação dos ventos, águas e geleiras e depositados. Poste-riormente, ocorre o processo de compactação e/ou cimentação, unindo as partículas de sedimentos em rochas sedimentares. O nome dado ao processo de união das partículas sedimentares é litificação ou diagênese.

As rochas sedimentares são divididas em clásticas e químicas. As rochas clás-ticas são constituídas por partículas (clastos) preexistentes e classificadas de acordo com o tamanho das mesmas. As rochas sedimentares químicas são formadas pela precipitação de sais como os carbonatos, cloretos e sulfatos, bem como minerais alcalinos (Na e K) e alcalinos terrosos (Mg e Ca).

Depósitos sedimentares de origem orgânica são acúmulos de matéria orgânica tais como restos de vegetais, conchas de animais, excremento de aves etc. Esses materiais, após serem compactados geram respectivamente, turfa, coquina e guano e são considerados pseudo-rochas, pois seus agregados não são minerais.

im Po r tantEIntemperismo constitui o conjunto de processos operantes na superfí-

cie terrestre que ocasionam a decomposição dos minerais das rochas, graças à ação de agentes atmosféricos e biológicos.

(Fonte: leinz, V. geologia geral. são paulo: editora naCional, 1978)

ComoPoDemos reConheCer se a roCha é i ntrus iVa ou ex trus iVa?

Basta avaliar a sua textura, pois o resfriamento do magma no interior da terra é lento, assim sendo, os minerais pertencentes a esse magma tem tempo para crescerem e se tornar facilmente visível. Alguns cristais podem alcançar vários centímetros e são chamados de pórfiros.

O resfriamento do magma na superfície é muito rápido, dessa forma, os minerais presentes, geralmente, não tem tempo suficiente para crescerem de forma a se torna-rem cristais facilmente visível, assim, a rocha extrusiva tende a apresentar uma textura granulométrica fina.


Rochas Metamórficas: quando rochas ígneas ou sedimentares são submetidas a aumen-tos de pressão e temperatura, sem que o ponto de fusão dos seus minerais seja atin-gido (700-800°C), caso isso aconteça, a rocha se transformará em magma. Xistos e gnaisses são os tipos de rochas metamórficas mais comuns. O processo de formação das rochas metamórficas ocorre de duas maneiras: Metamorfismo Regional e Meta-morfismo de contato.

Durante o metamorfismo regional, enormes volumes de rochas são afetados, e o resultado se estende por dezenas de milhares de quilômetros cúbicos. Observa-se esse fenômeno, no processo de formação de cadeias de montanha, como o Hima-laia. Durante esse processo, grandes pacotes de rochas ígneas e sedimentares são submetidos a altas temperaturas e enormes pressões, deformando a rocha preexis-tente. Devido às fortes pressões dirigidas, durante o metamorfismo regional, as rochas envolvidas no evento, apresentam um arranjo orientado de minerais planares e colunares. Dependendo dos valores alcançados pela variação de pressão e tempe-ratura, os metamorfismos regionais se classificam em baixo, médio e alto grau.

O processo chamado de metamorfismo de contato ocorre quando o magma, an-tes de solidificar, entra em contato com rochas mais frias, cozinhando as mesmas. (Fonte: THE OPEN UNIVERSITY. Os recursos físicos da Terra – Bloco 1. Campinas: SP, 1994, p.27-42).

o C i C l o d a s r o C H a s

Trata-se de um processo contínuo onde rochas antigas são renovadas. Vamos re-cordar os 3 grupos de rochas: rocha ígneas, sedimentares e metamórficas. As rochas íg-neas são formadas pela solidificação do magma, as sedimentares se originam através da compactação dos sedimentos, processo esse denominado de litificação. As rochas metamórficas têm origem quando rochas ígneas, sedimentares e até mesmo rochas me-tamórficas, são expostas a altas pressões e temperaturas. Todas as rochas citadas acima podem ser expostas na superfície terrestre por processos de movimentação crustal e/ou atividade vulcânica. Uma vez exposta na superfície, as rochas serão atacadas pelo intemperismo e reduzidas a fragmentos de rocha (sedimentos). Esses fragmentos se-

d i s t r i b u i ç ã o E r E l a ç ã o d a s r o C H a s n a C r o s ta t E r r E s t r E

Quando nos referimos à crosta terrestre, estamos falando da camada sólida exter-na do planeta. A crosta se divide em continental, que corresponde às áreas continentais emersas, e crosta oceânica, que constitui o fundo oceânico. Estudos mostram que 95% do volume da crosta é constituído por rochas cristalinas, ou seja, rochas ígneas e me-tamórficas, sobrando apenas 5% de rochas sedimentares. Entretanto, quando falamos em distribuição de rochas na superfície, os números se modificam para 75% de rochas sedimentares e 25% de rochas cristalinas, isso significa que sobre as rochas cristalinas, ocorre uma fina camada de rochas sedimentares. [Fonte: TEXEIRA, W. et al. Deci-frando a Terra. São Paulo: Oficinas de Textos, 2000. p. 39].


rão transportados pelas águas, ventos e geleiras e depositados em diferentes ambientes (lagos,desertos, deltas e no fundo dos oceanos). Parte desse material irá sofrer litifica-ção e vai se transformar em rocha sedimentar.

A rocha sedimentar pode retornar à superfície por movimentação crustal ou ser levada ao interior da terra, onde as altas temperaturas e pressão irão transformá-la em rocha metamórfica ou até mesmo em magma, dependendo das temperaturas e pressões reinantes, esse mesmo processo pode acontecer com rochas metamórficas e ígneas. E novamente, quando essas rochas forem expostas à superfície, o ciclo se recomeça (ver figura 13 representativa do ciclo e estágio das rochas)

A geleira erode a rocha e carrega

partículas até o rio

MontanhaA queda-d’água

erode a rocha

Em volta do magma a rocha é transformada pelo calor e forma rocha metamórfica

O calor intenso do magma ascendente funde parte da rocha encaixante

A rocha sedimentar triturada e dobrada transforma-se em rocha metamórfica

Magma ejetado como lava, que se solidifica para for-mar rocha ígnea

Fluxo delava

Condutorprincipal

Cratera

Lava

Condutorsecundário

Cinza

Figura 13 – CiClo das roChas

[Fonte: atlas Visuais. a terra. são paulo: editora átiCa, 2008]


O rio erode o fundo do vale e carrega as partículas de rocha a jusante

Camadas de sedimentos comprimidas e cimentadas para formar rocha sedimentar

As particulas mais leves acumulam-se nos fundos oceânicos para formar camadas de sedimentos

Taludecontinental

Plataformacontinental

Partículas mais pesadas de rocha depositadas na plataforma continetal

Partículas de rocha depositadas no delta

As partículas de rocha depositadas pelo vento formam dunas e areia

As partículas de rocha se depositam como sedimentos no lago

roChaígnea

sedimentos

magma

roChametamórFiCa roCha

sedimentar

Intemperismo, trasnporte e deposição

Com

pres

são

e cim

enta

ção

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o)

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Calor e pressão (metamorfismo)

Calo

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PEtrÓlEoH i s t Ó r i C o

Conforme registros bíblicos, os babilônicos usavam o asfalto para assentar tijolos e, os Fenícios, o betume para calafetar as embarcações. Os egípcios o usavam em larga escala, tanto para pavimentação de estradas, como para embalsamar os mortos e na construção das pirâmides.

Tanto os gregos, como os romanos, usavam o petróleo para fins bélicos. No Novo Mundo, o petróleo era conhecido pelos índios pré-colombianos, que o utilizavam para decorar e impermeabilizar seus potes de cerâmica. Os incas, os maias e outras civili-zações antigas, também estavam familiarizados com o petróleo e o aproveitavam para diversos fins.

O petróleo era retirado de exsudação natural (surgência), encontradas em todo continente.

tabela 03 – ClassiFiCação utilitária simpliFiCada das substânCias minerais: alguns eXemplos[Fonte: teXeira, w. et al. deCiFrando a terra. são paulo: oFiCinas de teXtos, 2000]

metáliCos

não-metáliCos

Ferrosos ferro, manganês, cromo, molibdênio, ní-quel, cobalto, wolfrâmio, vanádio

ferroligas

Não-ferrosos cobre, chumbo. zinco, estanhobásicosalumínio, magnésio, titânio, beríliolevesouro, prata, platina

areia, cascalho, rochas industriais, britaenxofre, fluorita, sais, pirita, cromitafosfatos, potássio, nitratocalcário, argila, gipsitaargilas, feldspato, sílicacromita, magnésita, argilas, sílicacóridon, diamante, granada, quartzitoamianto, micacarbonatos, fluoritabarita, acre, titâniodiamante, rubi, turmalina

preciososberílio, césio, lítio, etc.raros

materiais de contruçãomateriais para indústria químicafertilizantescimento

refratáriosabrasivosisolantesfundentespigmentosgemas

cerâmica

u n i d a d E d o s m i n E r a i s E r o C H a s

Os minerais e rochas são de grande importância para o conforto e bem estar da humanidade. A tabela 03, exemplifica as diversas formas e áreas de aplicação desses minerais.


P E t r Ó l E o E s E u s C o n s t i t u i n t E s

Do latim petra (pedra) e oleum (óleo), o petróleo é um líquido oleoso, inflamável, normalmente com densidade menor que a água. Sua cor varia desde o incolor até o preto, passando por verde e marrom.

O petróleo é constituído basicamente, por uma mistura de compostos químicos orgânicos (hidrocarbonetos). Quando a mistura contém uma maior porcentagem de moléculas pequenas, seu estado físico é gasoso e quando a mistura contém moléculas maiores, seu estado físico é líquido, isso dentro das condições normais de pressão e temperatura. É praticamente impossível separar as centenas de componentes químicos encontrados no petróleo.

Através da ebulição, são obtidas frações típicas de petróleo, conforme tabela abai-xo.

A moderna era do petróleo iniciou-se quando o norte-americano, conhecido como Coronel Drake, encontrou petróleo a cerca de 20 metros de profundidade no oeste da Pensilvânia, utilizando uma máquina perfuratriz para a construção do poço. À época, a sua descoberta causou tamanha sensação, que em apenas um ano 15 refinarias de pe-tróleo foram instaladas na região. A diferença do petróleo encontrado em profundida-de, com relação ao petróleo aflorante naturalmente, é a presença de seus componentes voláteis, também chamado de petróleo leve.

No Brasil, a história do petróleo começa em 1858, quando o Marquês de Olinda assina o decreto n° 2.266 concedendo a José Barros Pimentel o direito de extrair mi-neral betuminoso para fabricação de querosene, em terrenos situados às margens do Rio Marau, na então província da Bahia. No ano seguinte, durante a construção da Estrada de Ferro Leste Brasileiro, o inglês Samuel Allport, observou gotejamento de óleo em Lobato, no subúrbio de Salvador.

Entretanto, as primeiras pesquisas relacionadas ao petróleo, ocorreram em Alagos em 1891. Somente em 1897, foi perfurado o primeiro poço brasileiro em Bofete, no estado de São Paulo. Esse poço atingiu a profundidade de 448m e produziu 0,5m³ de óleo.

Em 1919 foi criado o Serviço Geológico e Mineralógico do Brasil, que perfurou sem sucesso 63 poços em vários estados do Brasil (Pará, Alagoas, Bahia, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

Em 1939, sob a jurisdição do recém criado Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), o Brasil descobre petróleo no poço de Lobato, na Bahia. O poço foi perfurado com uma sonda rotativa e encontrou petróleo a uma profundidade de 210 m, apesar de ter sido considerado antieconômico, os resultados foram de fundamental importância para o desenvolvimento das atividades petrolíferas no país. O primeiro campo comercial foi descoberto em 1941, em Candeias, no Estado da Bahía.

No governo Vargas, mais especificamente em 1953, foi instituído o monopólio estatal do petróleo com a criação da Petrobras, dando partida decisiva nas pesquisas de petróleo.


o r i g E m d o P E t r Ó l E o (r o C H a f o n t E)

A teoria mais aceita para a origem do petróleo é a orgânica, ou seja, tanto o pe-tróleo como o gás natural são combustíveis fósseis, a exemplo do carvão. Sua origem se dá a partir de matéria orgânica (principalmente algas), soterradas juntamente com sedimentos lacustres ou marinhos.

Após o soterramento em ambientes que impedem a oxidação da matéria orgânica

tabela 05 – análise elementar do óleo Cru típiCo (% em peso)

Hidrogênio 11-14%Carbono 83-87%Enxofre 0,06-8%Nitrogênio 0,11-1,7%Oxigênio 0,1-2%Metais Até 0,3%

tabela 04 – Frações típiCas de petróleo[Fonte: thomas, J. e. Fundamentos de engenharia de petróleo. rio de Janeiro: interCiên-Cia, petrobras, 2001]

Os óleos obtidos de diferentes reservatórios de petróleo possuem características diferentes, entretanto, todos possuem análises semelhantes às da tabela a seguir:

Fração

Gás liquefeito de petróleo - GLP

Querosene

Gasolina

Gasóleo pesado

Lubrificantes

Resíduo

Gasóleo leve

Gás residual

Composição aproximada

Temperatura de ebulição (oC)

175 –235

Acima de 510

305 – 400

400 – 510

235 – 305

iluminação.combustível de aviões a jato.

combustível, maté-ria-prima p/ lubrifi-cantes.

asfalto, piche, imper-meabilizantes.

óleos lubrificantes.

diesel, fornos.

40 – 175 C5 – C10

C11 – C12

C38 +

C26 – C38

C18 – C25

C13 – C17

C1 – C2

C3 – C4

combustível de auto-móveis, solvente.

gás combustível en-garrafado. Uso do-méstico e industrial.

Até 40

Usos

gás combustível.


Figura 14 - esquema simpliFiCado da Formação de hidroCarbonetos em Função da proFundidade

0

1

2

3

4

Óleo

Gás

Hidrocarbonetos geradosPr

ofun

dida

de (k

m)

Met

agên

ese

Con

tagê

nese

Dia

gêne

se

Zon

a de G

ásZ

ona I

mat

ura

Zon

a de G

ás

e Óleo

A grande diferença entre a formação de carvão mineral e dos hidrocarbonetos está na matéria-prima, isso é, material lenhoso para o carvão e algas para os hidrocar-bonetos.

m i g r a ç ã o d o P E t r Ó l E o

Imaginem uma rocha formada por sedimentos finos, ricos em matéria orgânica (rocha fonte), soterrados a uma profundidade mínima de 500 m. A pressão exercida pelo peso das camadas sobre essa rocha, bem como a temperatura, induz que os hi-drocarbonetos presentes nos poros dessa rocha migrem para cima, em um ambiente de menor pressão e maior porosidade.

e posterior aumento da carga sedimentar (pressão), a temperatura se eleva e a matéria orgânica vai perdendo componentes voláteis até se transformar em hidrocarboneto. Normalmente, o petróleo e o gás coexistem, porém dependendo das condições de pres-são e temperatura poderemos encontrar maior quantidade de um ou de outro.

A figura 14 mostra as modificações da matéria orgânica em hidrocarboneto com o incremento da profundidade e, consequentemente, das condições de pressão e tem-peratura.


Figura 16 - eXemplos de trapas: (a) dobra antiClinal, (b) Falha, (C) disCordânCia[Fonte: teXeira, w. et al. deCiFrando a terra. são paulo: oFiCinas de teXtos, 2000]

a Cb

ÓleoRocha Reservatória

Rocha Geradora

Rocha CapeadoraÓleo

Rocha ReservatóriaDiscordância

Rocha Geradora

Rocha Capeadora

Rocha CapeadoraÓleoRocha ReservatóriaRocha Geradora

Rocha Capeadora

Rocha Capeadora

Cu r i o s i d a d EE M F U N ç ã o d A d I F E R E N ç A d E d E N S I d A d E S , q UA N d o P R E -

S E N T E S N o S R E S E R VAT ó R I o S , o g Á S o C U PA A P o R ç ã o S U P E -R I o R , S E g U I d o P E L o P E T R ó L E o N A P o R ç ã o I N T E R M E d I Á R I A E

P E L A Á g UA N A P o R ç ã o B A S A L .

r o C H a s E l a n t E o u C a P E a d o r a s

Em seu caminho migratório para a superfície, o hidrocarboneto pode encontrar uma barreira impermeável e irá se acumular logo abaixo dessa rocha, denominada selante ou capeadora. Não esquecer que a rocha onde o hidrocarboneto ficou acu-mulado é a rocha reservatório. Diversos tipos de rocha podem ter esse papel, por exemplo folhelhos, argilitos, sal etc.

Quando o sistema de bloqueio do hidrocarboneto (rocha reservatório e rocha capeadora), é associado a uma estrutura geológica, chamamos de armadilha ou trapa.

As armadilhas têm basicamente duas origens distintas: estratigráficas ou estrutu-ral, mas podem ter diversas formas, algumas, conforme figura 16.

0,17 cm.Carbonato

Feldspato

miCaargila

quartzo

óleo

Figura 15 - miCroFotograFia de uma roCha-reserVatório Contendo óleo[Fonte: thomas, J. e. Fundamentos de engenharia de petróleo. rio de Janeiro: interCiênCia, petrobras, 2001]

r o C H a r E s E r vat Ó r i o

O petróleo, após ser gerado e ter migrado, é eventualmente acumula-do em uma rocha que é chamada de reservatório. Qualquer rocha pode servir de reservatório, desde que a mesma tenha espaços vazios em seu interior denominados poros e que es-ses poros se comuniquem com outros poros, atribuindo à rocha a caracte-rística de permeabilidade. Rochas que não apresentam porosidade e/ou permeabilidade, podem vir a se tornar reservatório desde que natu-ralmente fraturadas.


Pr átiC a PE dagÓg iC a

Visite a página da Petrobras na internet: http://www2.petrobras.com.br/presal/10--perguntas/ e entenda muitas coisas, como por exemplo, qual o volume estimado de óleo encontrado nas acumulações do pré-sal descobertas até agora, as recentes descobertas na camada pré-sal são economicamente viáveis etc. A partir dessa leitura, proponha um projeto sobre o tema Petróleo para ser trabalhado com os alunos da educação básica.

vo C ê j á o u v i u fa l a r E m P r é -sa l?

Esse tema, Pré-Sal, constitui-se ainda em novidade, mas podemos definir Pré-Sal como um conjunto de grandes reservatórios de petróleo e gás natural, mais antigo que a ca-mada de sal neoapitiniano, que está localizado na região litorânea entre os estados de Santa Catarina e Espírito Santo, em uma área de aproximadamente 800 km. Trata-se de uma definição da geologia, que significa que a camada foi depositada antes do sal. Importante ressaltar que, essas reservas encontram-se abaixo da camada de sal, por isso recebeu esse nome e teriam se formado há mais de 100 milhões de anos, a partir da decomposição de materiais orgânicos, à época em que os continentes se separaram.

E s u b s a l? o q u E s i g n i f i C a?

O termo subsal, que também é uma definição geoló-gica, significa que a rocha reservatória está abaixo do sal, não necessariamente sendo uma camada mais antiga, pois devido o sal ser extremamente maleável, o mesmo pode se movimentar criando “línguas” sobre uma camada mais jovem que ele. Este tipo de formação é conhecida como

sal alóctone.

(Fonte: http://pt.wikipedia.org)

tE ma Par a dE batE

Quais serão as contribuições da descoberta do Pré-Sal para o desenvolvimento nacional?



H i d r o s f E r a

a á g u a d a v i d a . . . a v i d a d a á g u a n o P l a n E ta tE r r a

Os oceanos, lagos e cursos de água, a água contida no interior da crosta e a existente na atmosfera formam, em conjunto, a parte líquida da Terra, denominada de hidrosfera. Distribui-se na atmosfera e na parte superficial da crosta até uma profundidade de aproximadamente 10 km abaixo da interface atmosfera/crosta.

A água é a substância de maior quantidade na superfície do planeta, participando dos seus processos físico-químicos como a dissolução de materiais terrestres e do transporte de partículas. Do total de 5,10 X 108 Km2 da superfície da terra, 3,10 X 108 Km2 são cobertos por oceanos, enquanto 1,85 X 108 Km2 de terra firme.

Pelos dados acima qual é a proporção entre a superficie marítima e a terra firme?

Considerando que cerca de 2,5 X 106 Km2 das terras firmes são cobertas por rios e lagos e até 1,5 X 107 Km2 por geleiras, qual a proporção entre a superfície marí-tima e as terras emersas?

A Terra é chamada de planeta azul quando vista do espaço devido a cor da água. Por que a água dos oceanos é azul ?

rio amazonas


A cor da água é um assunto controverso de estudos científicos e equívocos po-pulares. Normalmente diz-se que a água pura é inodora, insípida e incolor. As duas primeiras qualidades são verdadeiras mas a terceira é um grande equívoco popular. Embora quantidades relativamente pequenas de água sejam observadas pelos humanos como transparente, a água pura líquida tem uma cor levemente azul, que se torna um azul intenso quando a espessura da amostra observada aumenta. A cor azul é causada pela absorção seletiva e espalhamento do espectro de luz. Impurezas dissolvidas ou suspensas na água pode dar a água diferentes aparências coloridas.

A água é que mantém a vida sobre a Terra, através da fotossíntese, produzindo biomassa pela reação química conhecida entre CO2 e H2O. Sabemos que a fotossín-tese é o processo através do qual as plantas clorofiladas, e alguns outros organismos, como microalgas, as cianófitas (algas verde-azuladas) e diversas bactérias, trans-formam a energia luminosa em energia química através da equação simplificada do processo:

6H2O + 6CO2 6O2 +C6H12O6

Qual é o nome (usual ou oficial) do composto: C6H12O6?

Co m o f o i o r i g i n a d a a á g u a l í q u i d a n o P l a n E ta?

A origem da água na história da formação da Terra está relacionada com a forma-ção da atmosfera através da degaseificação.

O que é degaseificação? É o processo físico de liberação lenta de gases por um sólido ou líquido. Esse processo pode incluir a sublimação e a evaporação que são transição de fases de uma substância para a fase gasosa, assim como a desorção que infiltra por fendas ou volumes internos os produtos gasosos de lentas reações químicas. Esse fenomeno atuante até hoje, iniciou na fase de resfriamento geral da Terra, após a fase inicial de fusão parcial. Nesse resfriamento gradativo e formação de rochas ígneas, foram liberados gases, principalmente, vapor de água (H2O) e dióxido de carbono (CO2), entre vários outros, como subprodutos voláteis da cristalização do magma. Os geólogos defendem que praticamente todo o volume de água que compõe hoje a hi-drosfera foi gerada na primeira fase de resfriamento da Terra. A geração de água sob a forma de vapor é observada atualmente em erupções vulcânicas, sendo chamada de água juvenil, respeitando esta mais provável hipótese da origem da água.

o C i C l o H i d r o l Ó g i C o

O constante intercâmbio entre os reservatórios de água tais como os oceanos, geleiras, rios e lagos, vapor d’agua, água subterrânea e a água contida nos organismos vivos compreende o ciclo d’água ou ciclo hidrológico, dinamizado pela energia solar,


Em ambientes glaciais como se deve dar o retorno da água para a atmosfera?

Fonte: www.suderhsa.pr.goV.br

Circulação Atmosférica EnergiaSolar

Vapor de água

Oceanos

Lago

Subdução

Água em rochasmetamórficas Ciclo hidrológico lento: dinâmica interna

Ciclo hidrológico rápido: dinâmica externa

Água do mar

Água subterrânea

Fluidoshidrotermais

gases vulcânicos

Vulca

nism

o

NevePrecipitaçãometeórica

chuva

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os

Escoamento superfi cial em rios

Infi ltração

Interf

ace ág

ua do

ceág

ua sa

lgada

representando o processo da dinâmica externa mais importante da Terra.Podemos iniciar com o fenomeno da precipitação meteórica, que é a condensação

de gotículas a partir do vapor de água presente na atmosfera, resultando nas chuvas. Quando o vapor de água transforma-se diretamente em sólido, em cristais de gelo, e estes se ajuntam atingindo tamanho e peso suficientes, haverá a formação de granizo ou neve, responsáveis pelas geleiras nas calotas polares e nos cumes das montanhas. Através da evaporação, parte da precipitação retorna para a atmosfera. Esta fração evaporada adiciona-se ao vapor de água formado sobre o solo e aquele liberado pelos processos dos organismos, principalmente as plantas, através da respiração. Todas estes processos de vaporização são denominados de evapotranspiração. A evaporação no caso é causada pela radiação solar e vento e a transpiração pela vegetação. A evapo-transpiração em área florestadas de clima quente e úmido é responsável por até 70% da precipitação.


água subterrânea. O escoamento superficial, se origina de pequenos filetes de água, convergindo para os córregos e rios, constituindo a rede de drenagem. Também com raras exceções, tem como destino final os oceanos. Parte da água de infiltração pode retornar à superfície através de nascentes, alimentando o escoamento superficial.

Ao longo do trajeto geral do escoamento superficial nas áreas emersas e principal-mente nos oceanos ocorre a evaporação, realimentando o vapor de água atmosférico, completando assim o ciclo hidrológico.

A seguir se encontra uma tabela da distribuição de água nos principais reservató-rios naturais.

Nas florestas há uma significativa parcela da precipitação que pode ser retida sobre folhas e caules, sofrendo a evaporação posteriormente. Este processo é chamado de interceptação.

Fonte: karmann i., 2003

Percentual do Volume Total

Volume(106 x km3)Tipo de reservatório

Oceanos e mares

Águas subterrâneas 60

0,0130

0,007

0,0006

0,2

2 semanas a 10.000 anos

2 semanas a 1 ano

10 dias

1 semana

2 semanas a 10 anos

Geleiras e neves eternas 30

4

< 0,01

< 0,01

94

2 10 a 1.000 anos

4.000 anos

Umidade nos solos

Biosfera

Atmosfera

Lagos, rios, pântanas e reservatórios artificiais

1.370

Tempo médio de permanência

Como a interceptação pode reduzir a ação ero-

siva das chuvas?

Dois caminhos podem ser seguidos pelas gotas das chuvas que caem sobre o solo: a infiltração e o escoamento superfi-cial. A infiltração depende principalmente do tipo de solo. A água, direcionada pela força gravitacional, tende a preencher os vazios no subsolo, seguindo em profundidade até o corpo de


Simulando nuvens, chuva, neblina, orvalho e geada: uma ativida-de para o desenvolvimento dos conceitos relativos aos fenômenos

naturais do ciclo da água

Esta atividade é recomendada para a compreensão dos fenômenos naturais da água para o Ensino Fundamental – 5ª a 9ª. séries. É uma atividade que requer mate-riais simples e que ao mesmo tempo trabalha com profundidade os conceitos relativos às mudanças de estado físico.

d E s E n v o lv i m E n t o

Como visto, a água dos oceanos, rios e lagos está sempre evaporando e o vapor d’água fica misturado com o ar. A água retorna na forma de nuvens , chuva, neblina, orvalho e geada. Como ocorrem estes fenômenos?

Material: 2 copos de vidro; sal de cozinha; um pequeno espelho; gelo picado; 1 colher de sopa; papel absorvente; água gelada

1. Usando papel absorvente, enxugue bem o copo por fora e coloque água gelada no seu interior. O que você observa no lado de fora do copo?

2. Para ter certeza de sua resposta, passe o dedo do lado de fora do copo. A água que está na parte de fora do copo veio de dentro? Por quê?

3. Aproxime de sua boca o espelho e sopre sobre ele até embaçá-lo. Passe o dedo sobre o espelho. O espelho está molhado? De onde pode ter vindo a água que se depositou sobre o espelho?

4. Pegue o outro copo e enxugue-o bem por fora. Coloque nele gelo picado e sal em camadas alternadas até a metade da altura. Misture bem. Deixe o copo em repouso durante 3 minutos.

5. Pegue no copo pela borda e examine-o por fora. Raspando com a unha, você percebe bem o gelo que depositou aí.

d i s C u t i n d o a at i v i d a d E

Com relação ao primeiro item do procedimento, as paredes do copo não são po-rosas – assim, a água não pode tê-la atravessado. A água que apareceu no lado de fora do copo só pode ter vindo do ar, pois somente o ar está junto ao copo, por fora. A água estava no estado gasoso, misturada com o ar. Nesse estado nós não pudemos vê-la. Só a vimos quando passou para o estado líquido, formando gotinhas grudadas no copo, pelo lado de fora. O vapor d’água passou para o estado líquido porque o copo estava frio e esfriou o ar em torno dele.

A água que se depositou sobre o espelho estava no ar que saiu de seus pulmões. O ar que expiramos é quente e contém muito vapor d’água. Quando esse vapor encontra o espelho, resfria-se e passa para o estado líquido.

Por que quando está chovendo, os vidros dentro do carro, com janelas fechadas, ficam todos embaçados?

s u g E s tã o Pa r a at i v i d a d E P E d a g Ó g i C a


E a á g u a n o u n i v E r s o?

A água também é encontrada na forma de vapor ou de gelo, na atmosfera de algu-mas estrelas nas nuvens moleculares interestelares, em vários satélites do sistema solar, nos cometas e também nos planetas. A água é formada a partir dos átomos de hidro-gênio e de oxigênio. É interessante que o hidrogênio representa mais de 70% da massa do universo visível, enquanto o oxigênio constitui apenas 1% dela. Para que ocorra a formação de água é necessário condições especiais, como uma alta densidade e a uma temperatura que não ultrapasse a alguns milhares de graus centígrados. As radiações ultravioletas, quando muito intensas, podem destruir as moléculas de água, fenômeno provavelmente responsável pela perda de cinco sextos da água existente no Planeta Marte. Essas condições se mostram relativamente raras no Universo, o que resulta que apenas 1 a 10 milionésimos de sua massa são constituídos de água (BRANCO, 1995).

Po r q u E s E fa l a d a C r i s E m u n d i a l d a fa lta d E á g u a?

Segundo estudiosos (www.revistasdaságuas.pgr.mpf.gov.br) três principais problemas agravam o quadro de disponibilidade hídrica mundial:

1. A degradação dos mananciais;2. O aumento exponencial e desordenado da demanda;3. O descompasso entre a distribuição das disponibilidades hídricas e a locali-

zação das demandas, pois as águas estão distribuídas de forma heterogênea, tanto no tempo como no espaço geográfico.

Assim, a escassez hídrica tem gerado instabilidades e conflitos econômicos e socioambientais, os quais tendem piorar com o tempo. Por isso é determinante que a água seja tratada como um recurso estratégico, para que o seu uso sustentável seja controlável no seu uso racional, no fortalecimento institucional, em marcos regulató-rios, no planejamento e gestão integrada, na disponibilidade de recursos financeiros, e, principalmente, no respeito ao princípio de que todos têm direito à água de qualidade, um bem fundamental à vida.

Mais de 1 bilhão de pessoas no mundo não têm água suficiente para suprir as suas demandas domésticas. Estima-se que, em 30 anos, haverá 5,5 bilhões de pessoas viven-do em áreas com moderada ou elevada escassez de água. Estima-se que o crescimento populacional aumentou três vezes no decorrer do século XX, passando de 2 para 6 bilhões de habitantes. Nesse mesmo período, a demanda de água aumentou sete vezes, isto é, passou de 580 km³/ano para aproximadamente 4.000 km³/ano.

A escassez hídrica é cada vez mais crítica em alguns países como: Arábia Saudita, Bélgica, Burundi, Cabo Verde, Cingapura, Egito, Kuwait, Líbia, Jordânia e Tailândia.

O Brasil, dispõe de cerca de 12% de toda a água doce do planeta, cerca de 89% do volume total estão concentrados nas regiões Norte e Centro-Oeste, onde estão lo-calizadas apenas 14,5% da população. Para as regiões Nordeste, Sudeste e Sul, onde estão distribuídos 85,5% da população, há disponível apenas 11% do potencial hídrico do país.


BORJA (1997) ao estudar cinco localidades de Salvador, constatou que o consu-mo variava de 40 a 729L/hab.dia, sendo que a de menor consumo em uma ocupação de renda baixa e o de maior consumo verificado no bairro onde reside população de alta renda.

A Agenda Global, entre seus objetivos, propôs que fosse garantido, até o ano 2000, o acesso a pelo menos 40 litros per capita por dia de água potável a toda popula-ção urbana e que 75 por cento desta, tenha o acesso de serviços de saneamento próprios ou comunitários (AGENDA 21, 1992). O Banco Mundial e a OMS, afirmam que o suprimento mínimo de água deve ser de 20 a 40 litros/hab.dia (GONÇALVES, 2006, apud www.medindoágua.wordpress.com.br)

A definição de uma quantidade mínima de água suficiente para suprir a demanda residencial é um assunto polêmico e complexo, envolvendo aspectos sociais, culturais, regionais e econômicos, inclusive relacionados à sustentabilidade dos sistemas de abas-tecimento. Assim, apesar de defendida por vários pesquisadores, entidades e organiza-ções, até hoje não se estabeleceu uma cota mínima a ser garantida a todos os cidadãos (GLEICK, 1996; MATOS, 2007, apud www.medindoagua.worpress.com.br).

Documento da ONU mostra que enquanto a demanda de água foi de 2 mil Km3 na década de 1970, em 2000 passou para 55 mil Km3. A maior parte desse aumento foi destinada à agricultura, que usa 70 % de água doce do planeta.

Você sabia que são necessários, até o produto orgânico estar pronto para o consumo, de:

• 200 litros de água, em média, para cultivar uma espiga de milho?• 1300 litros de água,em média, para obtenção de cada Kg de carne bovina?• 150 litros de água, em média, para a obtenção de uma cenoura?

Co m o i d E n t i f i C a r a P r E s E n ç a d E á g u a n o s m at E r i a i s?

• Papel de Cobalto : uma maneira de identificar a presença da água nos ma-teriais

Podemos identificar a presença da água através do papel de cobalto. Do que consiste este papel?

Este papel é obtido através de um banho da solução de cloreto de cobalto (0,01mol/L) em um papel de filtro.


Vamos verificar a presença de água em alguns materiais?

Material necessário: tiras de papel de cobalto; pedaços de fruta, de verdura, leite, acetona comercial, álcool 72 G/L, gasolina.

Procedimento: Em cada material encoste uma tira de papel de cobalto. Qual (is) material (is) contém água?

Segundo pesquisa realizada por ALMEIDA (2007), o percentual do consumo médio de água nos diversos equipamentos domiciliares são:

Equipamentos Percentual

Pia de cozinha 33Lavatório 10Chuveiro 28Tanque de roupas 5Descarga 8Torneira externa 3Máquina de lavar roupas 12

at i v i d a d E

Como se dá a detecção de água através do cloreto de cobalto?O produto de combinação de certas substâncias, principalmente sais, com

um número variável, mas definido de moléculas de água, denomina-se hidrato. A essa água, que faz parte da estrutura do cristal, se usa dar o nome de água de cristalização, e o sal que a contém é um sal hidratado. Quando na estrutura do cristal não há água de cristalização, dizemos que o mesmo está anidro. O cloreto de cobalto anidro CoCl2 é azul, enquanto que os sais hidratados do cloreto de cobalto são roxo CoCl2·2H2O e rosa CoCl2·6H2O.

Baseando-se nestas diferentes características é que o papel de cloreto de cobalto é um ótimo detetor de água. Este papel quando anidro, ou seja sem a pre-sença de água, é azul. Se esta coloração alterar para roxo ou rosa, provavelmente existirá água suficiente no ambiente no qual o papel esteja em contato.


Co m o r E C i C l a r a á g u a d E n t r o d E C a s a?

ág u a r E C i C l a d a d E n t r o d E C a s a .

Um projeto simples, que dá bons resultados tanto para o meio ambiente quan-to para o bolso de quem o aplica. Assim é o sistema de reaproveitamento de água doméstica inventado pelo casal Nicolau e Josita Priante. Reciclando a água usada pela máquina de lavar para a descarga dos sanitários, o sistema, desenvolvido a partir de 1998, gera uma economia de cerca de 9 mil litros de água por mês para os seus inventores. A ideia tem dado tão certo que já ganhou o apoio da UFMT e foi considerada um projeto de excelência pelo Prêmio Finep de Ação Tecnológica de 2002.

Com o tempo, o balde e a caixa de descarga foram aposentados. O casal de-senvolveu um sistema que facilitou o reúso. A água da máquina de lavar é levada por canos para uma caixa d’água de 500 litros. Um motor joga essa água para ou-tra caixa de 1.000 litros que fica em cima da casa. Dessa última, sai o encanamen-to para a descarga do banheiro, num sistema independente daquele que transporta água potável. A caixa principal da casa, embora ligada à caixa de reúso, fica isolada por meio de uma boia, para não ser contaminada. A descarga, por sua vez, está garantida mesmo que não se lave muita roupa. Nesse caso, a boia se abre e a caixa principal abastece os banheiros.(www.metaong.info)

O casal Nicolau e Josita Priante, ambos professores, respec-tivamente de Física e de Filosofia da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), desenvolveram a partir de um projeto simples.

Um vaso sanitário comum consome em torno de 8 litros de água por des-carga, enquanto uma lavagem completa em máquina de lavar roupas consome cerca de 200 litros, sendo que 2/3 dessa água é utilizada para o enxágue da roupa. Verifica-se, assim, o uso de água com alta qualidade e pureza para permitir lava-gem e higiene de materiais e outro em que o líquido serve apenas como veículo para transporte de matéria orgânica em suspensão, portanto, sem as mesmas exi-gências de pureza do primeiro uso. O primeiro uso acarreta um consumo elevado de água de qualidade, enquanto o segundo admite utilização de água de qualidade bastante inferior.

A figura a seguir, ilustra o sistema de reúso de água do enxágue da roupa para descargas domésticas. Somente a água do enxágue durante a lavagem da roupa é utilizada nas descargas, pois, dessa forma, não é necessária a construção de sistema de tratamento da água. A água da lavagem da roupa tem grande quantidade de


sabão e de impurezas e, se armazenada sem tratamento, exala mau cheiro, sendo imprópria, mesmo para o uso em descargas domésticas. Na residência dos inven-tores desse sistema, a lavagem da roupa é feita em uma máquina tipo “tanquinho”, cuja água, mais suja, é utilizada para irrigar árvores do jardim. O enxágue é feito em uma lavadora de roupa automática comum, cuja água é armazenada para a reutilização na descarga doméstica. Dessa forma, em princípio, somente nas resi-dências que utilizassem duas máquinas conviria implantar esse sistema. Essa seria uma limitação, por exemplo, para se utilizar sistemas semelhantes em prédios de apartamentos, que normalmente possuem somente uma máquina de lavar roupa automática. Para superar essa limitação do sistema de reutilização de água, se desenvolveu um dispositivo automático de separação das águas da lavagem da do enxágue, que pode ser adaptado em qualquer máquina de lavar roupa existente no mercado.

esquema do sistema de reuso da água

Água da Máquina de Lavar


o u t r a s a lt E r n at i va s Pa r a m i n i m i z a r o C o n s u m o d E á g u a

1. Durante o banho, feche a torneira enquanto se ensaboa.2. Enquanto escovar os dentes ou fizer a barba, mantenha a torneira fechada.3. Conserte vazamentos em torneiras, vasos sanitários e canos.4. Deixe talheres e pratos de molho, e use água corrente só no enxágue.5. Durante a lavagem de roupas, use a água corrente somente no enxágue.6. Aproveite o que sobrou de água com sabão para lavar quintais.7. Não regue as plantas em horas quentes do dia, prefira a noite ou o início do

dia.8. Regue a base das plantas e não as folhas.9. Utilize cobertura morta, como palha ou folhas, sobre a terra de canteiros e

jardins, para um tempo maior de retenção da água no solo.

a s P r o P r i E d a d E s P E C u l i a r E s d a á g u a E d E t E r m i n a n t E s n a v i d a d o P l a n E ta

A água possui propriedades peculiares que a tornam diferentes das outras subs-tâncias, a ponto de ser considerada como uma das substâncias vitais mais importantes. Na realidade é difícil pensar na vida sem a presença de água.

q u a i s s ã o E s ta s P r o P r i E d a d E s?

Por exemplo enquanto em outras substâncias a fase sólida possui maior densidade, o gelo (água sólida), é menos denso que a água líquida. A água também possui alta capacidade calorífica. Essas são duas propriedades determinantes para a existência da vida.

A grande causa dessa diferença com as outras substâncias está relacionada com as ligações químicas dos átomos da água, e das suas interações intermoleculares e par-ticularmente as ligações de hidrogênio. Nesse momento vamos fazer uma pausa para relembrar-nos dos princípais conceitos e princípios das ligações químicas

at i v i d a d E

O que você pode fazer para contribuir com a preserva-ção da água: no banheiro, na cozinha, na lavanderia?


tr a n s m u ta ç ã o

Um elemento só pode ser transformado em outro, um processo conhecido na an-tiguidade como transmutação, sob circunstâncias muito distantes da nossa experiên-cia, como por exemplo em temperaturas extremamente altas, próximas à temperatura da superfície do Sol, ou bombardeamento de um elemento por outro, dentre outras. Nem calor, luz, eletricidade, som, magnetismo, nem nenhuma outra forma comum de energia, não importando o quão intensa ela seja, pode produzir esta mudança em um elemento.

Embora cientistas tivessem observado as mudanças que os radioisótopos naturais sofrem, como fizeram Becquerel e os Curie, até 1919 ninguém havia planejado e exe-cutado uma transformação nuclear artificial que convertesse um isótopo estável de um elemento em outro elemento. Nesse ano, Ernest Rutherford publicou um artigo sobre a primeira transformação artificial de um elemento em outro. Pelo bombardeamento do nitrogênio-14, um isótopo estável (e o mais comum) do nitrogênio, com partículas a emitidas pelo elemento rádio, Rutherford transformou átomos de nitrogênio em

átomos de oxigênio. No processo, o núcleo de nitrogênio absorve os dois prótons e

Adaptação Freire, E. D.; Santos, L. M. P. L.; Alves,B.V. – Fascículo 3- “Transformações Físicas e Químicas” – Tomo 2 – NEAD/UFMT

1. E l E m E n t o s s E C o m b i n a m Pa r a f o r m a r C o m P o s t o s

Elementos são as substâncias essenciais da química, compostos por átomos.Hoje, nós reconhecemos a existência de 118 elementos diferentes, incluindo hi-

drogênio, oxigênio, ouro, cálcio, zinco, ferro, urânio, sódio, cloro, fósforo, hélio e enxofre. Nenhum deles pode ser decomposto ou convertido em uma substância mais simples por qualquer forma de energia com que nós lidamos no nosso dia-a-dia.

va m o s r E C o r d a r o s f u n d a m E n t o s d a s l i g a ç õ E s q u í m i C a s?

Recorde e aprofunde nos doze tópicos que resumidamente trazem os fundamentos das ligações químicas e que será preciso para compreender as

propriedades físicas e químicas da água.

Existem hoje 118 elementos identificados e reconhecidos pela IUPAC (União In-ternacional de Química Pura e Aplicada), órgão que normatiza os nomes dos ele-mentos e compostos químicos. Os elementos a partir do urânio não têm ocorrência natural e foram sintetizados em reações nucleares. Todos são radioativos e sofrem decomposição espontânea, sendo que alguns têm meia-vida da ordem de frações de segundos e somente foram sintetizados em pequeníssimas quantidades, o que dificulta o estudo de suas propriedades. Alguns destes elementos podem ter sido formados no início da Terra, mas devido à sua pequena meia-vida, já decaíram e, portanto, não mais existem na natureza.

1.


dois nêutrons da partícula a e então perde um próton com um ganho bruto de 3 uni-dades no número de massa e de uma unidade no número atômico. Este processo resultou na transformação de um elemento em outro, segundo a equação:

N He O H714

24

817

11

$+ +

Um dos propósitos da alquimia (vide fascículo 1 pág 53), uma prática mística que precedeu a química e em muitos aspectos abriu caminho para ela, era a transmuta-ção de uma substância elementar em outra. Os alquimistas procuravam especialmente converter um metal comum e barato como o chumbo no precioso ouro. Através das transformações nucleares como a realizada por Rutherford, o sonho “alquímico” foi realizado, mas sem alcançar a promessa de riqueza que os antigos procuravam. Ao invés do chumbo, é usada a platina, metal bastante caro, como metal de partida para a obtenção do ouro e além disso o custo da platina altamente purificada, necessária para a transmutação moderna, é muito maior do que o valor do ouro que pode ser produzido desta forma!

É importante enfatizar a diferença entre reação química e reação nuclear. Em uma reação química ocorre somente um re-arranjo dos átomos (vide item 5.3 deste fascículo) enquanto em uma reação nuclear ocorre a transmu-tação (ou a transforma-ção) de um elemento em outro, ocorre alteração no núcleo do átomo.

tabela periódiCaFonte: www.wikipédia.org

Metais alcalinosMetais alcalino-terrososMetais de transiçãoLantanídiosActinídiosMetais representativosSemimetais Não-metaisHalogêniosGases nobres

1

2

3

4

56

7

Períodogrupo#


2.

3.

2 . a d i s t r i b u i ç ã o d o s E l é t r o n s n o s át o m o s

NeutronsPrótons

ElétronsNúcleo

K L M N O P Q

Os Elétrons dos átomos dos elementos químicos conhecidos até hoje são distri-buídos em 7 camadas. A tabela abaixo mostra o número máximo de elétrons que cada camada pode conter:

Os Elétrons da última camada, chamada também de camada de valência, são os que participam das ligações químicas.

NCamadaNúmero máximo de elétrons

2L8

4N32

6P18

3M18

1K2

5O32

7Q8

Os elétrons, partículas elé-tricas negativas dos átomos, participam interativamente das ligações qímicas. Estão distribuídos em torno do núcleo dos átomos, em ca-madas ou níveis de energia.

Os níveis de energia foram numerados a partir do núcleo atômico, através de números inteiros, designa-dos pela letra n (n=1, n=2,...), e podem ser também repre-sentados pelas letras maiús-culas, K, L, M, ... Quanto maior o valor de n, maior a energia deste nível.

3. m o d E l o r u t H E r f o r d – b o H r E a d i s t r i b u i ç ã o E l E t r ô n i C a

Os grupos da Tabela Periódica, antes eram chamadas de “família“. Os elementos do mesmo grupo tem o mesmo número de elétrons na “camada de valência“, camada


mais externa. Existem 18 grupos, sendo que o elemento químico hidrogênio é o único que não se enquadra em nenhum grupo e está localizado em sua posição apenas por ter o número átomico 1, isto é, com apenas um eletron na última camada, não sendo metal como os outros elementos desse grupo.

Alguns grupos da tabela periódica recebem alguns nomes particulares além dos números que os designam:

• Grupo 1 – Hidrogênio e Metais Alcalinos: H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr.

O nome desta família advém do fato destes metais formarem compostos com ca-racterísticas alcalinas (básicas). O termo álcali foi muito usado pelos árabes medievais para indicar as características de sódio e potássio obtidos das cinzas das plantas.

• Grupo 2 – Metais Alcalios Terrosos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

São semelhantes aos alcalinos e foram denominados terrosos por serem encontra-dos nas terras.

• Grupo 16 – Calcogênios: O, S, Se, Te, Po.

A designação deste grupo vem do grego (cahkos = mineral), uma vez que muitos compostos de O e S com os metais têm importância como minerais.

• Grupo 17 – Halogênios: F, Cl, Br, I, At

O termo halogênio deriva do grego (hals = sal e gennan = engendrar, formadores de sais) devido ao fato destes elementos formarem sais com os metais com relativa fa-cilidade.

• Grupo 18 – Gases Nobres: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

Todos são gases, muito pouco reativos. O neônio e o argônio são virtualmente gases inertes. As reações químicas envolvendo esses dois elementos são poucas e raras. Da mesma forma o kriptônio e o xenônio são gases com reatividade extremamente baixa. Daí a denominação deste grupo de elementos de gases nobres. Todos juntos, esses gases (exceção feita ao radônio) formam aproximadamente 0,92% da atmosfera.

Se observarmos a distribuição dos átomos neutros de cada grupo, podemos notar que todos possuem o mesmo número de elétrons na última camada (último nível):


• Grupo 2 – todos os elementos desse grupo possuem 2 na última camada:

K L M N O PLi 2 1Na 2 8 1K 2 8 8 1Rb 2 8 18 8 1Cs 2 8 18 18 8 1

• Grupo 1 – todos os elementos deste grupo possuem 1 elétron na última camada:

K L M N O PBe 2 2Mg 2 8 2Ca 2 8 8 2 Sr 2 8 18 8 2Ba 2 8 18 18 8 2

K L M N B 2 3Al 2 8 3Ga 2 8 18 3

K L M NO 2 6S 2 8 6Se 2 8 18 6

• Grupo 13 – possuem 3 elétrons na última camada:


K L L N OF 2 7Cl 2 8 7Br 2 8 18 7I 2 8 18 18 7



• Grupo 18 – possuem 8 elétrons na última camada (com exceção do gás hélio He, pois a camada K só pode ter 2 elétrons no máximo):

Como será visto no estudo das ligações químicas, os elétrons da última camada determinam as propriedades químicas dos elementos e o tipo de ligação que eles for-marão. Por esta razão, elementos de um mesmo grupo da tabela apresentam proprieda-des químicas semelhantes e formam compostos com fórmulas semelhantes.

É importante ressaltarmos neste momento que a tabela periódica é uma ferra-menta indispensável no estudo da química. Assim o comportamento químico de um elemento pode ser previsto de acordo com a sua posição na tabela periódica.

Mas não podemos nos esquecer que um dado elemento não se comporta de acordo com a tabela e sim que a tabela é que foi estruturada de acordo com o comportamento dos elementos.

K L M N OHe 2Ne 2 8Ar 2 8 8Kr 2 8 18 8Xe 2 8 18 18 8

4.4 . a C o m b i n a ç ã o d o s át o m o s d o s E l E m E n t o s

Os átomos dos elementos combinados uns aos outros formam a água, o ar, comi-da, roupas, casas, medicamentos e nossos próprios corpos. A tabela a seguir apresenta alguns dos elementos que formam o nosso corpo.

Pela combinação precisa, em proporções bem definidas, dois ou mais elementos podem formar uma substância pura, conhecida como composto.

Por exemplo, o sal de cozinha, é uma substância pura formada pela combinação de dois elementos, o sódio e o cloro. O açúcar é outra substância pura formada pela combinação de três elementos, carbono, hidrogênio e oxigênio.

Qualquer composto pode ser decomposto em seus elementos individuais, alguns pela ação do calor ou luz, alguns pela corrente elétrica e alguns por reação com algum outro composto ou com um elemento.

As características dos elementos mudam quando eles se ligam a outros através das ligações químicas.

Nós podemos constatar isso no nosso dia-a-dia. O carbono é o elemento consti-tuinte do carvão que usamos nas churrasqueiras. O oxigênio do ar é o gás que suporta a vida e é consumido quando alguma coisa queima. Quando nós acendemos o carvão,


tabela - elementos representatiVos do Corpo humano.

ElementosQuantidade em

gramas presente no corpo de uma pessoa de 60 Kg em média

Localização no Corpo e Função Fonte Alimentar (exemplos)

Cálcio 1300 ossos e dentes leite e seus derivados

Cloro 90 é o principal ânion celular e combinado ao hidrogênio forma o ácido do suco gástrico.

sal de cozinha

Cobalto traços componente da vitamina B12 carne, fígado, leite e seus derivados

Cobre traços componentes de muitas enzimas nozes, fígado e rim

Iodo traços tiróide frutos do mar, sal iodatado

Ferro 2 células vermelhas do sangue fígado, frutas, gema de ovo

Magnésio 20 é o segundo cátion nas células, ossos vegetais folhosos

Fósforo 690 componente do ATP, agente de liberação de energia celular.

carne, ovos, leite e derivados

Potássio 200 regula o balanço de água nas células grande variedade de alimentos.

Sódio 60 regula o balanço de água no corpo sal de cozinha

Zinco traços ossos e diversas enzimas frutos do mar, carne, fígado, ovos, leite, grãos.

o elemento carbono e o elemento oxigênio do ar se combinam para produzir dióxido de carbono (também conhecido como gás carbônico).

Diferentemente do carbono, o dióxido de carbono é um gás incolor e diferente do oxigênio, o dióxido de carbono não é capaz de sustentar a vida e nem alimenta o fogo. Ao contrário, o dióxido de carbono é muito usado para apagar o fogo (é usado como carga para extintor de incêndios).

As características do carbono e do oxigênio se transformam quando eles se com-binaram para formar dióxido de carbono.

Diversos outros exemplos podem ser observados no nosso dia-a-dia. Peguemos uma esponja de aço usada em cozinha para lavar panelas. Estas esponjas são compostas de ferro em filamentos bem finos. Conforme estas esponjas são umedecidas e expostas ao ar, o ferro reage lentamente com o oxigênio do ar para formar óxidos de ferro, cha-mados de ferrugem.

O ferro elementar é atraído por ímãs. Aproxime um ímã da esponja seca e sinta como eles se atraem (você pode usar por exemplo um daqueles imãs da geladeira). Dei-xe uma esponja umedecida (se quiser adicione uma pequena porção de sal para acelerar o processo) exposta ao ar. Em pouco tempo você irá verificar que ela está enferrujando. Se testar periodicamente esta esponja enferrujada com o imã verá que a atração vai diminuindo até acabar totalmente.


O ferro é atraído pelo ímã, porém os seus compostos como o óxido de ferro não são. Outra propriedade que se altera quando a esponja de aço enferruja é a sua resistên-cia. A esponja enferrujada (óxidos de ferro) se desmancha facilmente ao ser esfregada ao alumínio, perdendo assim sua função como esponja.

Porque as substâncias apresentam características diferentes?Por que algumas substâncias são capazes de conduzir eletricidade enquanto outras

são isolantes?A necessidade de fornecer respostas a essas e várias outras perguntas que podería-

mos formular a respeito das propriedades das substâncias químicas, levou os cientistas a estudarem as razões pelas quais os elementos se combinam para formar novas substân-cias e de que forma isto acontece. Estes estudos culminaram na elaboração de teorias que tentam explicar as ligações químicas.

questões para reFleXão: Pense em exemplos de reações químicas que você observa

no seu dia-a-dia e comente como as propriedades das substâncias formadas diferem das substâncias originais.

at i v i d a d E P r át i C a - Co n d u t i v i d a d E E l é t r i C a d E s o l u ç õ E s

Material necessário• umalanternacompilhas• 3esponjasdeplástico• água• saldecozinha• açúcar• papelabsorvente

Coloque as pilhas na lanterna e acenda-a. A seguir, retire a tampa rosqueada do fundo da lan-terna. Molhe uma das esponjas com água pura, outra com água e açúcar e a última com água e sal. Coloque a lanterna sem a tampa em pé so-bre as esponjas conforme, ilustra a figura. Seque com papel absorvente o fundo da lanterna antes de passar de um esponja para outra. Observe em que casos a lâmpada se acende ao colocar a lan-terna em contato com as esponjas. Tente explicar o observado.

LanternaAcesa

EsponjasUmidecidas

Filamentoelétrico

Pilha Pilha

Passagem de elétrons

Interruptor


6.

5. E s t r u t u r a s E l E t r ô n i C a s E P r o P r i E d a d E s q u í m i C a s

As estruturas eletrônicas do sódio e cloro são grandemente responsáveis pela ha-bilidade do cloreto de sódio em conduzir eletricidade.

Ao considerarmos as estruturas eletrônicas, estaremos focalizando somente os elétrons da última camada, ou seja da camada mais externa, denominada camada de valência. O número de elétrons na camada de valência determina, em grande extensão, as propriedades e a reatividade de um elemento em particular.

Utilizaremos uma forma simplificada para representar os elementos mostrando sua estrutura eletrônica, chamada de estrutura de Lewis, na qual escrevemos o símbolo do elemento químico e arranjamos os elétrons ao seu redor como pontos.

tabela das estruturas lewis dos primeiros 20 elementos da tabela periódiCa

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca

Como já mencionamos anteriormente, os gases nobres foram assim denominados devido à sua baixa tendência de formar compostos (isto é, baixa reatividade). Existem na natureza somente como gases monoatômicos, não ligados a nenhum outro elemen-to, nem a si mesmos. Os demais elementos em sua maioria só são encontrados na natu-reza na forma combinada e são capazes de formar inúmeros compostos.

Uma vez que elementos que se situam em um mesmo grupo da tabela periódica apresentam comportamento químico semelhante e formam compostos químicos com fórmulas também semelhantes e considerando que os elementos de um mesmo grupo têm o mesmo número de elétrons na última camada, devemos concluir que as caracte-rísticas químicas de um elemento devem depender em grande parte da sua configura-ção eletrônica da última camada.

6. m a s P o r q u E o s E l E m E n t o s s E l i g a m Pa r a f o r m a r C o m P o s t o s?

Os átomos se ligam de modo a atingirem maior estabilidade do que quando estão isolados, seguindo a tendência geral dos sistemas físicos de assumirem sempre o estado de mínima energia.

Podemos tentar explicar a baixa reatividade dos gases nobres, notando que todos (com exceção do hélio) possuem 8 elétrons na última camada. Poderíamos então su-


7.

A regra do octeto só se aplica rigorosamente aos elementos representativos da tabela periódica, e ain-da assim apresenta exce-ções. Esta regra no entan-to é muito útil como uma primeira aproximação no estudo das ligações quí-micas e das propriedades dos elementos.

7. a l i g a ç ã o i ô n i C a

Observemos agora o grupo dos metais alcalinos, no qual todos os elementos têm um único elétron na camada de valência. A perda deste elétron deixa estes elementos com a camada mais externa com configuração idêntica à do gás nobre anterior a eles na tabela. Por exemplo o potássio (Z=19) e o sódio (Z=11) ao perderem seu elétron mais externo ficam com a configuração do gás nobre anterior a eles na tabela, ou o argônio (Z=18) e o neônio (Z=10) respectivamente:

gerir que uma camada de valência com 8 elétrons marca um elemento com baixa ou nenhuma reatividade, ou seja, que um elemento que tenha (ou adquira) 8 elétrons na última camada é (ou torna-se) inerte. Concluiríamos assim, que um átomo que adquira a estrutura eletrônica de um gás nobre tem sua reatividade grandemente reduzida.

A generalização destas conclusões nos leva à chamada regra do octeto: “os átomos reagem de modo a adquirirem 8 elétrons na sua camada de valência”.

Dependendo dos elementos que se combinam para formar um composto, a li-gação formada entre eles pode, de uma maneira geral, ser classificada como ligação iônica, covalente ou metálica.

K L M N K L M

19K 2 8 8 1 18Ar 2 8 8

K L M K L

11Na 2 8 1 10Ne 2 8

Todos os metais alcalinos são bastante reativos. Por exemplo, cada um desses me-tais reage com água produzindo hidrogênio, gás altamente inflamável. O calor liberado nesta reação pode provocar a explosão do hidrogênio em contato com o ar.

Examinemos agora os halogênios (grupo 17), cuja camada de valência possui 7 elétrons. Se estes elementos receberem 1 elétron ficarão com a configuração do gás nobre adjacente a eles na tabela periódica. Vejamos o cloro por exemplo:

K L M K L M

17Cl 2 8 7 18Ar 2 8 8


Exemplificando:

A transferência de um ou mais elétrons de um elemento para outro converte en-tão, os átomos em íons. Os compostos formados pela atração entre os íons de carga oposta são denominados de compostos iônicos e o tipo de ligação química formada entre os dois elementos é a ligação iônica. No nosso exemplo, a transferência de um elétron do sódio para o cloro resulta no composto iônico cloreto de sódio (NaCl). Neste tipo de ligação teremos sempre um elemento com tendência a perder elétrons (metal) ligando-se a outro que pode receber elétrons (não-metal).

Podemos, neste momento, notar um importante uso da tabela periódica. A partir da compreensão da construção da tabela periódica podemos prever que elementos po-dem reagir entre si e que tipo de compostos eles formam. Uma vez que cada elemento da família dos metais alcalinos contém somente um elétron na sua camada de valência e que cada halogênio pode atingir o octeto pela adição de um elétron à sua camada de valência, qualquer dos metais alcalinos pode reagir com qualquer halogênio para formar um composto iônico, como o NaCl. Poderíamos então prever a existência dos diversos compostos resultantes da reação do potássio com cada um dos halogênios - KF, KCl, KBr e KI. Ou então prever a existência dos diversos compostos resultantes da reação do cloro com os metais alcalinos: LiCl, NaCl, KCl, RbCl e CsCl.

A representação Na+ e Cl- é a forma de indicarmos a formação de íons que ocorre quando um elemento perde ou ganha elétrons (partícula de carga negativa).

Um átomo neutro de sódio possui 11 prótons (11 cargas positivas) e 11 elétrons (11 cargas negativas). Ao perder um elétron fica então com 11 cargas positivas e 10 cargas negativas, dando assim uma carga elétrica líquida +1, sendo representado por Na+ (cátion sódio). O átomo neutro de cloro possui 17 prótons e 17 elétrons. Ao receber 1 elétron fica com 17 prótons e 18 elétrons resultando em uma carga líquida -1, sendo então representado por Cl- (ânion de cloro ou ânion cloreto).

Nax + Cl Na + Cl

A partir dessas constatações poderíamos esperar então que um metal alcalino reagisse com um halogênio, onde o metal alcalino doasse seu elétron mais externo para o halogênio, ficando ambos com 8 elétrons na camada de valência.

A reação do sódio elementar (sódio metálico) com o cloro elementar (gás cloro) produz cloreto de sódio representado por NaCl com grande liberação de energia. O cloreto de sódio é o nosso conhecido sal de cozinha, composto extremamente estável.

Esta reação pode ser então escrita usando as fórmulas de Lewis:

átomo de sódio (Na)

átomo de cloro (Cl)

cátion de sódio (Na+)

âniom de cloro (Cl-)

Na + Cl Na+ + Cl-

-+x


Neste ponto alguém pode perguntar porque os metais alcalinos não podem ganhar 7 elétrons para formar o octeto ou porque então os halogênios não podem perder seus 7 elétrons deixando sua camada mais externa com o octeto.Se o sódio ganhasse 7 elétrons para completar o octeto ficaria com uma carga elé-trica líquida -7. Uma vez que cargas de mesmo sinal se repelem, a acumulação de 7 cargas negativas em um mesmo átomo resultaria em uma partícula muito instável. A perda de somente um elétron externo formando o cátion Na+, com uma única carga positiva produz uma partícula muito mais estável do que a que resultaria do ganho de 7 elétrons. O mesmo se aplica ao cloro. A partícula que se forma pelo ga-nho de 1 elétron é muito mais estável do que aquela resultante da perda de 7 elétrons transformando-o em um íon de carga +7.

questões de FiXação:Escreva outras fórmulas de compostos iônicos formados por

reação de um metal alcalino com um halogênio.

Em todos os exemplos citados ocorria a transferência de somente 1 elétron de um átomo para outro. Entretanto, encontramos casos em que ocorre a transferência de mais de 1 elétron. Vejamos por exemplo a ligação entre o cálcio (metal) e o flúor (não-metal), cujas configurações eletrônicas são:

K L M N20Ca 2 8 8 29F 2 7

O cálcio precisa perder dois elétrons para ficar com 8 elétrons na última camada, enquanto o flúor precisa receber somente 1. Desta forma serão necessários dois átomos de flúor para receber os dois elétrons de cada átomo de cálcio:

F FCa + Ca2+ + F F

ou Ca + 2 F Ca2+F2- (CaF2)

questões para reFleXão:

Você seria capaz de formar compostos entre elementos do grupo dos metais alcalino–terrosos e elementos do grupo dos halogênios e prever suas respectivas fórmulas?

E entre os metais alcalinos e o oxigênio ou o enxofre?

-

-


8.

9.

8 . E s t r u t u r a d o s C o m P o s t o s i ô n i C o s

Os cristais de cloreto de sódio que sacudimos nos nossos saleiros são formados por iguais quantidades de íons de cloro e sódio. Cristais são estruturas sólidas bem defi-nidas de substâncias que se formam pelo arranjo tridimensional de íons ou moléculas.

Compostos iônicos são sempre substâncias sólidas formadas pelo arranjo em três dimensões dos ânions e cátions de modo que cada íon esteja sempre próximo a íons de cargas opostas, maximizando assim a atração entre eles:

estrutura de Cristal de Cloreto de sódio.Fonte: http://qmCmarCelo.blogspot.Com/2010/01/sal-de-Cozinha-parte-1.html

As fórmulas químicas de compostos iônicos nos indicam a proporção em que os íons se jun-tam nos cristais. O NaCl por exemplo tem 1 íon sódio para cada íon cloro. Já o CaCl2 tem 2 íons cloro para cada íon cálcio.

9. l i g a ç ã o C o va l E n t E

Voltemos agora à atividade prática sobre a condutividade elétrica de soluções. Quando o cloreto de sódio é dissolvido em água, os cátions (Na+) e os ânions (Cl-) se separam e podem se movimentar livremente na solução. Assim quando colocamos as duas pontas do fio na solução de sal de cozinha, os íons se movimentam transportando corrente elétrica através da solução e fazendo a lâmpada acender.

Vimos também que a solução de açúcar (sacarose) bem como a água, não condu-zem corrente elétrica, de onde podemos concluir que não existem íons nestas soluções.

A sacarose é portanto um não-eletrólito e não é formada por íons. A sacarose, a água pura e muitas outras substâncias são constituídas de moléculas que são por sua vez formadas por átomos ligados firmemente através de outro tipo de ligação química, diferente da ligação iônica, chamada de ligação covalente.

A ligação covalente consiste no compartilhamento de um par de elétrons por dois átomos. A água, representada pela fórmula H2O, é formada por dois átomos de hidro-gênio ligados a um átomo de oxigênio.

A configuração eletrônica desses dois elementos é:


K L

1H 1

8O 2 6

Uma vez que a água não é um eletrólito alguma força diferente da atração iônica deve ligar o hidrogênio ao oxigênio. Esta força é chamada de ligação covalente.

O hidrogênio não libera seu único elétron facilmente como os metais alcalinos. Como resultado não ocorre a transferência completa de elétrons de um átomo para outro na formação da água.

Ao contrário, o oxigênio e o hidrogênio compartilham seus elétrons de valência para adquirir configuração de gás nobre.

O átomo de hidrogênio tem 1 elétron na primei-ra camada (K). Como esta camada pode conter no máximo 2 elétrons, o hidrogênio nunca poderá ficar com 8 elétrons na sua camada de valência. Assim, a sua configura-ção mais estável ocorre quando esta camada está completa (2 elétrons) ou seja, quando adquire a configuração do gás nobre imediatamente posterior a ele na tabela, o hélio. pares eletrônicos

H + O + H H O H compartilhados

Cada hidrogênio compartilha um par eletrônico com o oxigênio. Desta forma cada hidrogênio fica com dois elétrons na camada de valência (similar ao hélio) e o oxigênio fica com oito elétrons na sua camada mais externa.

Os elementos da molécula de água são mantidos unidos a partir do comparti-lhamento de dois pares eletrônicos. Cada par consiste em um elétron da camada de valência do oxigênio e um elétron da camada de valência do hidrogênio.

A ligação covalente pode ser representada como um par de pontos entre dois áto-mos H : O : H ou como um traço H−O−H (também chamada de fórmula estrutural), onde o traço representa um par de elétrons compartilhado.

Diferentemente dos cristais de um composto iônico que agregam quantidades enormes de cátions e ânions unidos por forças eletrostáticas, as moléculas são discretas consistindo geralmente de estruturas químicas pequenas mantidas unidas por ligações covalentes. Assim, enquanto as fórmulas químicas de compostos iônicos representam a proporção dos átomos na estrutura cristalina, as fórmulas dos compostos covalentes mostram o número real de átomos que formam as moléculas.

Vejamos alguns exemplos de compostos covalentes:

• gás cloro - Cl2 - gás amarelo esverdeado usado como bactericida

17Cl: 2 8 7 - necessita de 1 elétron para atingir o octeto

Cl Cl

ClCl

os dois átomos irão compartilhar o par eletrônico assinalado

fórmula estrutural


• gás carbônico - CO2 - gás que expelimos na respiração e que se forma na queima de matérias orgânicas como por exemplo o petróleo, madeira e álcool

6C: 2 4 - necessita de 4 elétrons8O: 2 6 - necessita de 2 elétrons

O = C = O

Cada par eletrônico compartilhado forma uma ligação covalente. Assim o átomo de carbono forma 2 ligações com cada átomo de oxigênio, também chamada de ligação dupla.

• nitrogênio - N2 - forma 80% em volume da atmosfera da Terra

7N: 2 5 - necessita de 3 elétrons

O C O cada átomo de oxigênio compartilha 2 pares eletrônicos com o átomo de carbono

fórmula estrutural

NN

N N

formam-se três ligações covalentes entre os dois átomos de nitrogênio, chamada de ligação tripla

fórmula estrutural

Inúmeros são os exemplos que poderiam ser apresentados aqui. Através da ativi-dade prática descrita a seguir, você poderá prever a fórmula de muitas substâncias.

at i v i d a d E P r át i C a - b u r a C o q u í m i C o

Este é um jogo de cartas, onde se exercita a seriação de sequências definidas pelo número de “ligações” que cada carta pode fazer, número este representado no canto esquerdo superior da carta. Cada carta conterá o símbolo de um dos elementos representativos mais simples e um número que corresponderá ao número de ligações que ele poderá fazer. Faz-se uma analogia dessas cartas com os elementos representativos mais simples da tabela periódica, e as sequências corresponderão a compostos que podem ser formados por estes elementos. O baralho é constituído de 52 cartas, sendo 14 cartas de 0 He ; 18 de 1 H ; 5 de 2 O ; 5 de 3 N ; 5 de 4 C e 5 de 1 F

Material necessário:• cartolinaoupapelcartão;• tesouraecaneta.


Procedimento:

Recorte a cartolina em retângulos de aproximadamente 7cm x 4 cm. Escreva o símbolo dos elementos em letras grandes no centro da carta e no canto esquerdo superior o número de ligações que o elemento pode fazer. Faça para cada elemento o número de cartas especificados acima.

RegRas do jogo:

1. Poderão participar 2 jogadores.2. Cada jogador receberá 10 cartas.3. Serão distribuídos também mais dois conjuntos de 5 cartas que comporão os “biri-

bas”. O restante do baralho irá constituir o bolo de cartas. Colocá-lo no centro da mesa de face para baixo.

4. Um dos jogadores inicia o jogo comprando uma carta do bolo de cartas e juntando-as às demais que já possui. Escolhe então entre suas cartas uma para descartar na mesa. A seguir será a vez do outro jogador, que poderá então comprar uma carta do bolo ou do descarte. Assim os jogadores se alteram consecutivamente.

5. Cada jogador poderá, durante sua vez de jogar, abaixar sequências de cartas que obedeçam ao número de ligações que cada carta poderá fazer. Assim a carta 1H determina que o elemento representado pela letra H poderá fazer somente uma liga-ção. A carta 3N mostra que o elemento representado pela letra N fará 3 ligações. A carta He, sem nenhum número, não poderá ligar-se a nenhuma outra carta, só podendo ser descartada.

6. Cartas como 2O ; 3N ou 4C poderão ligar-se a mais de uma carta até satis-fazer suas ligações. Por exemplo, a carta 4C poderá ligar-se ao 2O , gastando assim duas ligações e então ligar-se a outras duas cartas de 1H . Assim teríamos a sequência:

1H 4C 2O

1H

7. Atenção: Existe uma exceção: A carta 4C poderá também ligar-se a uma única carta de 2O formando o CO, composto conhecido como monóxido de carbono.

8. Quando um jogador acaba suas cartas abaixando as seqüências possíveis, pegará o biriba, continuando a jogar normalmente.

9. O jogador que acabar novamente com as suas cartas após pegar o biriba, encerrará o jogo, ganhando 20 pontos.

10. As cartas das sequências abaixadas por cada jogador serão também contadas de acor-do com as numerações respectivas. Os pontos das cartas que sobrarem na mão serão descontados do total de pontos.

11. Ganhará o jogo aquele que tiver maior número de pontos.


Esta ligação é então chamada de covalente polar, uma vez que o par eletrônico fica mais “próximo” do elemento mais eletronegativo.

Em uma ligação iônica ocorre a transferência de um elétron de um elemento para outro. Na ligação covalente polar não ocorre a transferência do elétron, porém o com-partilhamento do par eletrônico não é igual entre os dois elementos. Então a ligação covalente polar pode ser entendida como um intermediário entre a ligação iônica e a ligação covalente apolar, onde o par eletrônico é igualmente compartilhado pelos dois elementos.

Linus Pauling (1901- 1994) propôs uma escala de eletronegatividade que permite comparar os elementos em termos de sua afinidade por elétrons.

Assim, quando dois elementos se ligam, quanto maior a diferença de eletronega-tividade entre eles mais polar será a ligação. Ou, se a diferença for muito grande, então a ligação será iônica.

tabela de eletronegatiVidade de pauling de alguns elementos:Li0,98

Be1,57

B2,04

C2,55

N3,04

O3,44

F3,98

Na0,93

Mg1,31

Al1,61

Si1,90

P2,19

S2,58

Cl3,16

K0,82

Ca1,00

10.

H Cl H Cl

10. Po l a r i d a d E d a l i g a ç ã o C o va l E n t E

A ligação covalente pode ocorrer então entre elementos iguais como o O2 e N2 mostrados acima. Nesse caso, sendo iguais, os dois elementos compartilham igual-mente o par eletrônico. Esta ligação é chamada de covalente apolar.

Já, quando a ligação ocorre entre dois elementos diferentes, cada um vai atrair o par eletrônico com “força” diferente. O átomo que atrai os elétrons com mais intensi-dade é dito mais eletronegativo.

Vejamos o exemplo do HCl:

O cloro atrai os elétrons mais intensamente do que o hidrogênio, por isso diz-se que o cloro é mais eletronegativo do que o hidrogênio.

O C O

A polaridade de uma molécula dependerá da existência de ligações polares e da geometria da molécula. Podemos citar dois exemplos: o CO2 e a H2O. A geometria da molécula de CO2 é linear :


As ligações carbono/oxigênio são polares, pois o oxigênio é mais eletro-negativo do que o carbono. Usando uma seta para indicar a polaridade das ligações, indicando o sentido do elemento mais eletronegativo, vemos que as duas ligações polares no CO2 têm mesma direção e sentidos contrários, cancelando-se. Deste modo, apesar das ligações polares a molécula de CO2 é apolar.

A medida da polaridade de uma molécula é chamada de momento di-polar. Diferentemente do gás carbônico, a molécula da água não é linear e sim angular:

H

H

O

Os momentos dipolares das ligações O - H não se cancelam, pois não têm a mesma direção, resultando em uma molécula polar.

Vocês já se perguntaram alguma vez por que a água e o óleo não se misturam? A água é uma substância bastante polar, enquanto o óleo tem características apolares. Duas substâncias polares como a água e o álcool por exemplo, se misturam completamente e não conseguimos distinguir a água do álcool quando misturados. Já, uma substância polar e uma apolar não se misturam, ou se misturam em proporção muito pequena, como no caso da

Parte hidrofílica re-pele substâncias apo-lares como os óleos e gorduras mas atrai moléculas de água.c

to

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

ch

Na

Parte hidrofóbica re-pele água mas atrai óleos e gorduras.

Figura 14 - moléCu-la de detergente ou sabão

Os termos hidrofóbico e hidrofílico referem-se a substâncias que têm aversão ou afinidade pela água, respectivamente.

água e do óleo, e podemos ver as duas fases distintas.E por que o detergente ou sabão permite solubilizar óleos e gorduras em água? A

molécula do detergente ou sabão é uma molécula longa que possui duas extremidades com características diferentes: uma longa cadeia apolar de átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes (parte hidrofóbica) e uma extremidade com caracterís-ticas de ligação iônica entre um átomo de oxigênio e um íon metálico, em geral o sódio (parte hidrofílica).

11.11. l i g a ç ã o m E tá l i C a

Antes de discutirmos a ligação nos metais, responda às questões abaixo:1. Você seria capaz de enumerar algumas propriedades características dos me-

tais? Dê exemplos de objetos metálicos que você usa no seu dia-a-dia.2. De que são feitos os fios elétricos?3. O que acontece quando você coloca no fogo uma panela metálica que tenha

cabo também de metal? Como você faria para segurar essa panela?


Figura 17 - modelo da liga-ção metáliCa

íon metálico

nuvem eletrônica

+++++

+++++

+++++

+++++

+++++

As principais propriedades específicas usadas como critério para classificar os ele-mentos conhecidos como metais são:

• condutividade elétrica - por serem bons condutores de eletricidade, os metais são usados nos fios elétricos. Geralmente os fios são feitos de cobre recoberto por plástico. Você seria capaz de dizer para que serve este revestimento?

• condutividade térmica - os metais são utilizados na fabricação de panelas e de ferros de passar roupa por serem bons condutores de calor.

• brilho e cor - a cor característica dos metais é a cor cinzenta (com exceção do cobre e do ouro que são dourados); os metais são brilhantes quando polidos.

• estado físico - com exceção do mercúrio que é líquido na temperatura ambien-te (25°C), todos os outros metais são sólidos nessas condições.

O modelo proposto para a ligação nos metais, denominado “Modelo do gás ele-trônico”, partiu da observação de que os metais eram capazes de conduzir eletricidade

sem sofrerem alterações externas. Como a corrente elétrica consiste na movimentação de elétrons, o me-tal deve possuir elétrons com alta mobilidade para ser bom condutor.

Segundo este modelo, um metal na sua forma mais simples é constituído por átomos de somente um elemento. Estes átomos estão arranjados regular-mente no espaço, sendo que os elétrons de sua camada mais externa são móveis, formando o chamado “gás eletrônico”, conforme ilustra a figura ao lado.

Este conjunto de elétrons “móveis” atraem os íons positivos (que são os átomos menos seus elétrons mais externos), mantendo-os unidos. Assim, como os

compostos iônicos, os metais também não são formados por moléculas e sim por uma estrutura regular tridimensional de átomos.

A presença dessa nuvem eletrônica ao longo de toda a estrutura, na qual os elé-trons podem se “mover” livremente, explica a alta condutividade elétrica e térmica dos metais.

a C o r r E n t E E l é t r i C a n o s m E ta i s E a s “o l a s ” n o s E s tá d i o s d E f u t E b o l

Há uma importante diferença entre a condução de eletricidade (corrente elé-trica) nas soluções e nos metais (fios elétricos). Nas soluções, os íons (cargas elétricas)

se deslocam em direção ao polo positivo e ao polo negativo, dependendo do seu sinal. Esse deslocamento é real, havendo depósito de material nos polos. Você pode verificar isso, pela mudança de cor dos eletrodos, ou raspando-os e depois fazendo análise quí-mica para identificar que material foi depositado ali.


No caso da condução nos metais, não há condução de cargas elétricas de um polo para o outro, como por exemplo do interruptor da tomada para a lâmpada de nossa casa. Aqui, a corrente não pode ser pensada como um fluido que vai de um lugar para outro através do fio elétrico, ou seja, o fio elétrico não pode ser considerado como um “cano de água”. Na verdade neste caso, devemos pensar a corrente elétrica como uma onda, isto é, como uma “ola” que os torcedores fazem nos estádios de futebol. Nenhum torcedor sai correndo em volta do estádio para fazer a ola. Ele apenas se levanta e grita quanto chega a sua vez. Uma onda, é assim, é uma perturbação que se propaga.

É isso o que acontece com a “corrente” elétrica nos metais. Ela não é uma corrente no sentido de um fluxo contínuo de matéria. A corrente elétrica nos metais é uma per-turbação que se propaga como se o fio fosse o estádio de futebol e os elétrons “livres” fossem os torcedores. Esses elétrons, chamados de elétrons de condução (nuvem ele-trônica) são os mais externos e estão fracamente ligados ao núcleo. Assim, eles podem oscilar em torno de uma posição de equilíbrio original transmitindo a perturbação para o átomo vizinho e assim por diante.

12 . o q u E é l i g a ç ã o d E H i d r o g ê n i o?

O hidrogênio de uma molécula de água , além de fazer uma ligação covalente com o oxigênio de sua respectiva molécula, associa-se através de uma ligação mais fraca com o par de eletrons não ligantes do oxigênio de uma molécula vizinha. Esta intera-ção relativamente forte é denominada de ligação de hidrogênio. Estas ligações podem ocorrer também em moléculas que tenham um hidrogênio ou mais, ligados com um dos átomos: O (oxigênio), F (flúor) e N (nitrogênio).

12.

Essa atração entre o átomo de H de uma mo-lécula e o átomo de O de outra, produz a associação das moléculas de água tanto no estado sólido como no estado líquido. Na figura abaixo, temos uma re-presentação dessa interação, ocorrida na água. O átomo de hidrogênio, pode ser considerado como igualmente ligado a ambos. Como resultado desta ligação de hidrogênio forma-se uma “molécula gi-gante” em que cada O é rodeado por quatro átomos de H (a fórmula mínima continua a ser H2O, por-que dos quatro H ao redor de um dado O, somente a metade de cada H pertence ao O. A existência de quatro átomos de H ao redor de cada átomo de O é obtida pelos estudos de raios X com o gelo. Também demostram que os átomos de oxigênio ao redor de um dado O estão localizados nos vértices de um tetraedro regular.

HH

HH O O

Ligação de hidrogênio

ligação de hidrogênioFonte: www.simbiotiCa.org


H

H

HH

H

H

HH

H

O

O O

O

O

+

+

+

+

-

--

-

H

Por causa deste arranjo tetraédrico, a estrutura do gelo (água sólida) se estende em três dimensões.

Os círculos maiores e vermelhos representam os átomos de oxigênio, cada um dos quais rodeado tetraedricamente por quatro átomos de hidrogênio, representados pelos círculos brancos. Um fato interessante desta estrutura é que ela contem canais hexago-nais (como um favo de mel) e, por causa dessa disposição espacial, o gelo tem uma densidade relativamente pequena. Conforme os

dados abaixo, podemos verificar que a água líquida é mais densa que o gelo :

“moléCula gigante” de águaFonte: www.simbiotiCa.org

estrutura do gelo.Fonte: www.simbiotiCa.org

Quando o gelo se funde, esta estrutura fica parcialmente destruída, e as moléculas se agru-pam mais compactamente, o que leva a formação de um líquido mais denso que o sólido.

Temperatura EstadoFísico

Densidade(g/mL)

0 Sólido 0,917 3,98 líquido 1,00010 líquido 0,999 720 líquido 0,99830 líquido 0,996

at i v i d a d E

Uma outra característica relevante da água, a qual se deve a variação da den-sidade, é sua dilatação anômala. Ao contrário do que muita gente pensa, a água se comporta como qualquer substância para intervalos de temperatura que vão de 4°C a 100°C. Ou seja, se aquecida, dilata; se resfriada, contrai. Entretanto no intervalo de 4°C a 0°C ocorre o oposto, ou seja, se eleva a temperatura ela se contrai e ao resfriar-se se dilata. Baseando-se no arranjo molecular da água justifique tal fenômeno.


u m f E n ô m E n o q u E g a r a n t E a v i d a a q u át i C a n o s l a g o s C o n g E l a d o s

Por conta desse comportamento, a água permite a vida dos organismos aquáticos nos lagos congelados. Quando a temperatura ambiente abaixa a ponto da água solidi-ficar-se, inicia-se o congelamento na superfície do lago. Como o gelo é menos denso que a água, o mesmo fica sobre a superfície da grande massa natural de água, isolando do ar frio, o líquido que lhe fica abaixo, não permitindo seu congelamento. Os peixes e plantas aquáticas dependem deste efeito para sobreviver nestes rigorosos invernos. Sem este efeito isolante da superfície do lago, toda a água se solidificaria e os peixes e plantas não sobreviveriam.

a a lta C a Pa C i d a d E C a l o r í f i C a d a á g u a

A capacidade calorífica elevada da água também é explicada pelas ligações de hidrogênio. Para que ocorra a elevação da temperatura da água é necessário aumentar a energia cinética das moléculas, o que implica em romper as ligações de hidrogênio. O calor de fusão e o calor de vaporização são altos pela mesma razão; é necessário maior energia para romper as ligações de hidrogênio. Vejamos através da tabela abaixo, as propriedades térmicas da água e de algumas substâncias:

Substância Fórmula Ponto de Fu-são (C)

Ponto de Ebulição (C)

Capacidade Calorífica do Líquido( J/g. C)

Calor de Va-porização( J/g)

Água H2O 0 100 4,18 2.257Etanol C2H5OH -117 78 2,24 854Benzeno C6H6 6 80 1,63 395Mercúrio Hg -39 357 0,14 295

Justifique baseando-se nas ligações químicas e nas forças intermoleculares:a) O Etanol apresentar o menor ponto de fusão entre as substâncias.b) O Mercúrio apresentar o maior ponto de ebulição entre as substâncias.c) O maior calor de vaporização da água , apesar do etanol também formar ligações

de hidrogênio.

O calor de vaporização da água tem um papel fundamental no clima da Terra. Por ter um calor específico alto, a água demora para aquecer e também para resfriar. As águas superficiais ao evaporar-se absorve cerca de 30% da energia solar que atinge a superfície da Terra. Esta energia é liberada quando o vapor de água se condensa. Dessa forma, a água circula nos solos e as fontes das águas são restabelecidas.

O alto calor específico da água é responsável pela manutenção da temperatura do corpo humano estável, por volta dos 36º C.


a á g u a : o s o lv E n t E u n i v E r s a l?

A água é o solvente mais comum tanto na natureza como num laboratório quími-co. Não é porém , um solvente universal , pois muitas substâncias são essencialmente insolúveis em água.

A importância da água para os seres vivos, reside no fato da maioria das subs-tâncias por eles absorvidas e todas as reações do seu metabolismo serem feitas por via aquosa (meio fisiológico). Isso acontece porque a água, é relativamente inerte nesses meios e por possuir a propriedade de dissolver um número muito grande de substân-cias minerais (inorgânicas) e orgânicas, ácidas ou básicas, sólidas, líquidas ou gasosas, facilitando assim a sua penetração, através das membranas celulares tanto de vegetais quanto de animais e o seu transporte por todo o organismo.

É difícil imaginar a vida sem água. A maior parte da composição das células é constituída de água; as substâncias químicas absorvidas do meio, especialmente os sais minerais, devem estar na forma de soluções aquosas para atravessar as membranas ce-lulares; a excreção de produtos tóxicos exige água; o transporte interno dos alimentos e metabólicos, pela seiva ou pelo sangue, ocorre em meio aquoso; a regulação interna da temperatura, em alguns animais é feita pela transpiração, ou seja, eliminação de água.

Como podemos, perceber a água está presente nos meios físicos e biológicos no seu estado puro ou participando como solvente de muitas soluções indispensáveis à manutenção e continuidade da vida em todos os seus aspectos.

Tendo todo este grau de importância, não quer dizer, voltando a frisar, que a água dissolva todas as substâncias. É até difícil prever a solubilidade das substâncias na água, pois são inúmeros os fatores que influenciam (estrutura molecular , polari-dade das moléculas ..) No caso da água, a situação é extremamente complexa, pois as interações e ligações moleculares são bem fortes. A água como solvente polar não dissolve substâncias apolares ou pouco polares, tais como o metano, hidrocarbonetos, compostos de carbono com longa cadeia apolar. Nestes casos a água interage tão fra-camente com o soluto apolar que não há liberação de energia suficiente para romper as interações e ligações das moléculas de água.

a) Classifique cada líquido do tubo de ensaio ao lado como apolar ou polar b) Justifique a disposição dos líquidos

C6H14

H2O

CCl4


Outros solutos moleculares, tais como a amônia NH3, etanol C2H5OH, já são muito solúveis em água, por poderem formar ligações de hidrogênio com a água.

Determinadas substâncias iônicas, tais como alguns sais conseguem solubilizar na água. Por exemplo, no caso do cloreto de sódio , as atrações íons-água, também chamados de íons solvatados ( Na+ - H2O ; Cl-- H2O) são suficientemente grandes para vencer a energia reticular e o NaCl (sal de cozinha) é bastante solúvel.

Cristal de NaCl

Na+

Cl-

Moléculade água

Íonssolvatados

Uma solução de água bem conhecida é a água dura. Esta solução tem certos íons metálicos, como Ca+2 e Mg+2. Estes íons reagem com os sabões – que são sais de sódio de ácidos orgânicos- dando precipitado pesado de sais de cálcio e de magnésio. Este precipitado se firma nos tecidos lavados e aos tanques (anel de sujeira). A remoção des-ses íons é chamada de abrandamento.

Po r q u E a á g u a f o r m a u m a m E m b r a n a E m s u a s u P E r f í C i E a P o n t o d E u m i n s E t o C a m i n H a r s o b r E E l a?

Os líquidos apresentam um fenômeno muito interessante em sua superfície: a tensão superficial. É um efeito que ocorre na camada superficial do mesmo, o que leva a sua superfície a se comportar como uma membrana elástica. As moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas e, por isso, a resultante das forças que atuam sobre cada molécula é praticamente nula. As moléculas da superfície do líquido, entretanto, sofrem apenas atração lateral e in-ferior. Esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície, que faz a mesma comportar-se como uma película elástica.

Graças a tensão superficial da água, insetos podem caminhar sobre a mesma e até mesmo podemos fazer uma agulha boiar sobre a mesma.

o Fenómeno da solVatação ióniCa .;Fonte: http://proFs.CCems.pt/olgaFranCo/10ano/biomoleCulas.htm


Vamos realizar algumas atividades?

» atiVidade 1 – Uma agulha pode flutuar ?

Material: 1 agulha de costura; 1 copo cheio de água; 1 pedaço de arame n. 12 (15 cm)Modo de fazer:

1. Dobre o arame de modo a dar-lhe o aspecto de um garfo bem curvo para sustentar a agulha de costura.

2. Com auxílio do arame dobrado, procure colocar a agulha na superfície de água. Retire o arame cuidadosamente, afastando-o para baixo sem tocar na agulha.

Esta atividade pode ser realizada para crianças a partir do 3º. Ano. É inútil tentar discutir mais detalhadamente o fenômeno da tensão superficial. Os alunos provavelmente se contentarão com a afirmação de que a superfície da água se com-porta como uma membrana esticada.

» atiVidade 2 – O giz em pó pode permanecer na superfície da água?

Material: 1 copo de vidro; 1 lápis; 1 gilete ou tesoura; 1 pedaço de gizModo de fazer:

1. Coloque água num copo até pouco mais da metade e espere que a superfície fique sem movimento.

2. Raspe um pedaço de giz com uma ponta de uma tesoura ou com uma gilete, deixando que o pó caia sobre a superfície da água.

3. Observe abaixo da superfície líquida e verá que embora algumas partículas caiam no fundo do copo, a maioria permanece em cima.

4. Em seguida, sem tocar no copo, perfure a superfície da água com a ponta bem fina de um lápis e observe o que acontece com o pó de giz.

5. Finalmente agite o líquido todo e observe o que aconteceu. Aprofundando...

Inicialmente, a grande maioria das partículas de giz permanece na superfície em virtude de esta se comparar como uma película (tensão superficial). Quando se perfura a membrana, muitas partículas afundam porque a membrana se rompe neste lugar. Ao agitar-se todo o líquido, rompendo a membrana em muitos pontos, a maioria das partículas vai ao fundo.

» atiVidade 3 – Como tornar a “membrana” superficial mais fraca?

Com o auxílio de um detergente, iremos tornar a membrana superficial mais fraca.


Material: 1 bacia pequena; 1 conta-gotas; 1 tesoura ou gilete; 1 pedaço de giz; 1 pires de chá; detergente ou sabão.Modo de fazer:

1. Antes de iniciar o experimento, corte um pedaço de sabão, ponha-o no pires com água e procure dissolvê-lo.

2. Coloque água no copo até ultrapassar metade da altura.3. Raspe giz (seco) com uma tesoura, ou uma gilete, espalhando o pó sobre a

superfície da água.4. Com o conta-gotas a curta distância, pingue água com sabão, fazendo-a des-

cer pelas paredes internas do copo, ou bacia. Em seguida pingue outra gota no centro do copo. Observe o que acontece.

Aprofundando...Antes de pingar a água de sabão, ou a solução de detergente, o pó de giz mantém-

se na superfície da água. No lugar onde é gotejada a água com sabão, o pó de giz afasta-se para os lados. O que acontece é que a água com sabão diminui a tensão no local por ela atingido.

» atiVidade 4 – O palito mágico

Através do fenômeno de tensão superficial e do fenômeno de enfraquecimento da membrana superficial da água, verificados nestas atividades, iremos tornar um pa-lito “mágico”.Material: 1 palito dental; detergente; 1 copo com água; 1 tachinhaModo de fazer:

• Parte 1 – Uma tachinha pode boiar na água?Encha com água um copo até a sua borda. Através de um clipes faça uma alça

para que você cuidadosamente coloque a tachinha com a cabeça encostada na água. Por que a tachinha boiou na água?

• Parte II – Um palito mágicoUmedeça uma extremidade do palito com detergente incolor. “Fure” várias vezes

a película da água com a extremidade que está sem o detergente. A tachinha afundou? A seguir “fure” a película da água com a extremidade do palito que está molhada com detergente. A tachinha afundou? Por quê?

Por que, considerando as interações intermoleculares, que a solução de água com sabão diminui a tensão superficial da água?


a C a P i l a r i d a d E E a C a Pa C i d a d E d a á g u a d E s E l o C o m o v E r .

A capilaridade é um fenômeno físico que permite que a água consiga subir até a mais alta folha de uma árvore, contrariando a atração gravitacional da Terra.

Como que ocorre? Para entendermos melhor vamos realizar a atividade: Por que a água sobe?

at i v i d a d E – Po r q u E a á g u a s o b E?

Material: vários tubos de plásticos de diâmetros diferentes; um copo com água com algum corante.

Modo de fazer: 1- Introduza uma das pontas de cada tubinho na água colorida;2- Verifique se a água sobe até a mesma altura, em todos os tubinhos;

Interpretando....As moléculas da parede do tubo atraem as da água. Por isso elas começam a subir

pelas paredes. Entretanto, como todas as moléculas de água estão atraídas entre si, as demais também são arrastadas para cima, formando-se uma coluna de água que come-ça a subir.

Com o tempo, a coluna aumenta e por isso vai ficando cada vez mais pesada. Até que o seu peso é tão grande que a força de atração do vidro não consegue puxar mais água, parando a coluna de subir.

Você deve ter observado que no tubo mais fino a água subiu mais. Por quê?No tubo mais estreito, a coluna de água que se forma também é mais estreita. Por

isso, só quando ela fica muito alta é que seu peso se torna tão grande que as moléculas de vidro não conseguem puxar mais água.

Ao longo desse nosso singelo estudo sobre a água, enfocando sua origem no Uni-verso, no Planeta Terra, sua própria vida, sua dinâmica sobre a vida do Planeta, suas propriedades perfeitas e inigualáveis, permitindo a compreensão deste elemento tão vital e perfeito da Criação , vale a pena refletirmos um pouco sobre a nossa responsabi-lidade diante do uso e consumo da água, como cita Frei Pilato Pereira:

De acordo com o estudo acima, quais devem ser as dimensões dos diâmetros dos tubos capilares existentes numa árvore, para que a água consiga chegar até o topo da mesma? Existem outros fenômenos físicos, além da capilaridade, que justifiquem este fato?


“ Precisamos olhar para a água, admirar mais a sua beleza, se encantar mais por ela, procurar saber um pouco mais de seu mistério e reco-

nhecer o quanto ela é importante. Também é preciso dizer não à degradação, ao desperdício e à poluição que a água vem

sofrendo. É preciso dizer, com veemência, um sonoro não ao projeto de transformar a água em sim-

ples mercadoria. Porque ela é um dom de Deus, um precioso bem comum. E so-

mos desafiados a garantir água, dignidade e paz para todos,

em todas as partes do mundo, hoje e no

futuro.”

eCologia e espiritualidade – www.FranCisCanos.org.br


Vista da terra do espaço, reVelando a espessura da atmosFera – Foto: blog.sCCsCienCe.Com


at m o s f E r a

A atmosfera é uma camada de substâncias gasosas que envolve a su-perfície da Terra. Embora para um ser humano ela seja espessa, relativa-mente ao tamanho da Terra tem uma espessura muito fina, comparável a uma camada de verniz sobre um móvel.

Não se pode dizer que a espessura da atmosfera tenha um va-lor definido, pois ela é mais densa próxima da superfície da Terra, tornando-se gradativamente menos densa conforme aumenta a al-titude.

Embora a associemos com o oxigênio que respiramos, esse gás não é o mais abundante na atmosfera. Sua composição se constitui de aproximadamente 78% de nitrogênio (N2), 21% de oxigênio (O2) e o restante de outras substâncias como o gás carbônico (CO2), 0,4%, e vapor d’água (H2O), cuja concen-tração é bastante variável de região para região e dependen-te das condições meteorológicas.

Um conceito fundamental para a compreensão da atmosfera é o de pressão. Sabemos, por exemplo, que baixas pressões estão associadas à chuva e que quando a seleção brasileira joga na Bolívia, tem que lidar com condições de baixa pressão. Cientificamente, pressão (P) é definida como uma força (F) aplicada sobre uma área superficial (A), ou seja:

PAF

=

No caso da atmosfera, a força é o peso de uma coluna de ar sobre uma certa área. Ao ní-vel do mar, a pressão do ar é de 1 atmosfera, um valor que equivale a aproximadamen-te 100.000 Newtons por metro quadrado.


Como 1 Newton equivale a força que fazemos ao erguer um objeto de 100 gramas, 1 atmosfera equivale a pressão exercida por 10 toneladas sobre um metro quadrado! Po-demos suportar tal pressão porque a pressão interna do nosso corpo é similar.

Contudo, o que permite a permanência da atmosfera em torno da Terra e provoca tal pressão? A resposta a essa questão está relacionada com a gravidade. Conforme visto no fascículo A Origem do Universo, a massa da Terra gera gravidade. Assim existe uma força gravitacional entre a Terra e os objetos sobre a sua superfície. O mesmo acontece com as moléculas de ar. A gravidade da Terra retém o ar em torno da sua superfície e o comprime, resultando na pressão observada experimentalmente.

Essa é uma questão importante, pois algumas pessoas apresentam a concepção de que o que provoca a gravidade é a atmosfera. No entanto, é exatamente o contrário.

Uma amostra da relação entre gravidade e atmosfera é a configuração da atmos-fera de outros planetas e astros. A Lua, por exemplo, não possui atmosfera porque sua gravidade é muito baixa. As moléculas de gases ao redor de planetas e outros astros do sistema solar recebem energia devido à radiação vinda do Sol. Elas absorvem parte des-sa energia ao aumentarem a sua velocidade. Ao contrário das moléculas de um sólido, as de um gás estão livres para se deslocarem. Na Terra, ao nível do mar, as moléculas presentes no ar se deslocam com uma velocidade típica de aproximadamente 400 m/s. Isso não significa que elas mantêm essa velocidade sempre em linha reta, pois estão continuamente colidindo umas contra as outras e desviando de direção de propagação, num processo conhecido como difusão. Quanto maior for a energia absorvida do Sol e quanto menor a gravidade, maior será a tendência das moléculas a escaparem do plane-ta/astro. Na Lua, qualquer molécula de gases típicos do sistema solar terá a tendência de se difundir para fora de seu campo de atração gravitacional. Por outro lado, quanto maior for a gravidade, maior será o poder de retenção de gases. Assim, planetas como Júpiter, Saturno, Urano e Netuno são capazes de reter gases leves como o hidrogênio (H2) e o hélio (He), que não são retidos pela Terra.

Contudo, a pressão atmosférica não é constante em relação à altitude. É natural pensar que as moléculas que estão mais “em baixo” (mais próximas à superfície da Ter-ra) estejam submetidas a uma pressão maior, uma vez que há uma maior quantidade de outras moléculas em altitudes superiores comprimindo-as. Assim é intuitivo concluir que a pressão deve diminuir com a altitude. Conforme já mencionado, ao nível do mar, a pressão é de 1 atmosfera. Esse valor cai pela metade para uma altitude de apro-ximadamente 5.500 metros. Para 8.400 metros (um pouco mais que altura do monte Everest – o mais alto do mundo), a pressão é de 1/3 de atmosfera e para 16.000 metros, a pressão vale cerca de 1/10 de atmosfera.

A densidade do ar, por sua vez, dada em massa de ar por unidade de volume, tam-bém diminui com a altitude, tendo um comportamento similar ao da pressão.


o Co n C E i t o d E d E n s i d a d E

Substâncias diferentes, quer estejam no estado sólido, líquido ou gasoso, têm diferentes densidades.

A densidade pode ser medida de acordo com a sua definição, ou seja, aferindo-se a massa e o volume da substância e dividindo os valores obtidos um pelo outro. No caso de um líquido, podemos colocar uma certa quantidade num frasco graduado, obtendo assim o seu volume. A massa pode ser aferida colocando-se o frasco vazio e com a substância numa balança.

A densidade é um conceito que está relacionado com a flutuação dos corpos. Um corpo tende a flutuar se a sua densidade for menor que a do meio onde se encontra. Assim, o balão flutua porque a sua densidade é menor que a do ar. O iceberg flutua porque a densidade do gelo é menor que a da água.

Do ponto de vista científico, densidade corresponde à quantidade de matéria men-surada em unidades de massa, por volume do espaço ocupado. Assim, sua unidade pode ser expressa em quilos por metro cú-bico (Kg/m3), gramas por centímetro cúbico (g/cm3), ou mesmo gramas por litro (g/l), além de outras menos utilizadas. Lembrar que em um litro tem-se 1000 cm3 e cabem 1000 litros num volume de 1 m3.

dVm

=



P E s o E P r E s s ã o at m o s f é r i C a

Diferentemente da linguagem popular, a ciência define peso como sendo uma força. Estamos habituados a nos referirmos ao nosso peso como sendo a massa do nosso corpo. Assim, quando subimos numa balança, dizemos que vamos nos “pesar”. Quando alguém nos pergunta o nosso “peso”, dizemos que é tantos quilos. Do ponto de vista da ciência essa terminologia não está correta. Quando subimos numa balança, vamos aferir a nossa massa, e não nosso peso. É a nossa massa que pode ser expressa em quilos, que é a unidade padrão para essa quantidade.

Nosso peso corresponde à força que exercemos sobre a balança devido à gravida-de. A unidade utilizada para o peso, portanto, é a mesma da força, ou seja, o Newton (N). De acordo com as leis de Newton, quando a massa é constante, uma força pode ser dada pelo produto entre a massa e a aceleração. No caso do peso, será o produto entre a massa e a aceleração da gravidade (g), ou a aceleração que um corpo em queda livre tem próximo da superfície da Terra:

Pe mg=

Ao nível do mar, g vale aproximadamente 9,8 metros por segundo (m/s2), ou, para utilizar um número mais “redondo”, 10 m/s2. Isso significa que uma pessoa com 60 kg tem um peso equivalente a 60 x 10 = 600N. O peso de um pacote de bolachas de 100g é 1N e um pacote de um quilo de feijão, 10N. Assim, a força que devemos fazer para erguer 1kg de feijão é 10N.

Já pressão, equivale a uma força aplicada sobre uma área (P = F/A). O valor ex-perimental aproximado para a pressão atmosférica ao nível do mar é 100.000 N/m2 ou Pascal (Pa), que é a unidade padrão para a pressão. A que massa esse valor correspon-deria sobre uma área de 1 m2? Se partirmos da expressão

PAF

=

e, no lugar de F, substituirmos pela força peso:

PAmg

=

podemos isolar a massa:

mgAP

=

e, então, substituindo os valores (A = 1m2, P = 100.000Pa, g = 10m/s2):

. .m x kg10

1 100 000 10 000= =

Ou seja, a pressão atmosférica corresponde ao peso de um corpo de 10 toneladas sobre uma área de 1m2.


to r r i C E l l i E a P r E s s ã o at m o s f é r i C a

Um dos métodos pioneiros de se medir a pressão atmosférica foi desenvolvido pelo físico e matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), em 1643. Reconhecido como o primeiro barômetro (apa-relho para medir a pressão atmosférica), o dispositivo desenvolvido por Torricelli consistia de um tubo transparente graduado com um dos ex-tremos abertos contendo mercúrio, parcialmente mergulhado numa ba-cia também contendo mercúrio.

O mercúrio entra em equilíbrio estático quando a pressão propor-cionada pela coluna no interior do tubo se iguala à pressão atmosférica. Isso acontece porque a pressão atmosférica, que atua sobre a superfície do mercúrio contido na bacia, tende a empurrar o mercúrio para dentro do tubo, enquanto que o peso da coluna de mercúrio dentro do tubo faz com que ele tenda a escoar para dentro da bacia. Ao nível do mar, a coluna de mercúrio estaciona a 76 cm (ou 760 mm) da superfície da substância na bacia.

É intuitivo imaginar que, se o dispositivo for colocado numa altitude maior (a bordo de um balão, por exemplo), a altura da coluna de mercúrio será menor. Para uma altitude de 16.000 metros, onde a pressão é cerca de 1/10 de atmosfera, o tamanho da coluna deverá ser de 76 mm.

Tal método de se medir a pressão, deu origem a uma unidade ainda hoje bastante utilizada: mm Hg (milímetros de mercúrio).

Uma outra unidade bastante utilizada para mensu-rar a pressão é o milibar (mbar). Essa unidade é oriunda do bar, o qual equivale a aproximadamente 1 atm (mais exatamente, 1 atm corresponde a 1,01325 bar). Assim, a pressão de 1 atm equivale a 1013,25 mbar.

at i v i d a d E

Qual a pressão que um transatlântico de 50.000 toneladas exerce sobre a superfície do mar, considerando que sua área inferior é igual a 4.000 m2? Qual a pressão exercida pela ponta de um prego de 1 mm2 quando um martelo exerce sobre ele uma força de 100 N? Compare os dois resultados explicando o porquê um valor é maior ou menor que o outro. OBS: Há a necessidade de converter 1 mm2 para um valor correspondente a metros quadrados, pois o metro é a unidade padrão para o comprimento. Como podemos saber que fração de 1 m2 correspon-de a 1 mm2?

eVangelista torriCelli Fonte: wikimedia

esquema do método utili-zado por torriCelli para a medida da pressão atmos-FériCa.

vácuo

Hg

ar

h = 76 cm


Pa r t i ç ã o d E E n E r g i a n a at m o s f E r a

Os fenômenos atmosféricos afetam diretamente nossa vida, uma vez que é na atmosfera que habitamos. Fenômenos como tempestades, furacões, inundações e secas provocam uma grande quantidade de mortes anualmente. Além disso, do regime de ventos e chuva, depende as safras que se constituem na base da alimentação da huma-nidade. Compreender como se processam tais fenômenos é fundamental.

O principal fator envolvido nos fenômenos atmosféricos é o processo de distri-buição (partição) de energia. Energia é algo que não pode ser criado do nada, nem destruído. Basicamente todos os fenômenos dinâmicos da natureza são manifestações de processos de transformação, de energia. Entende-se por transformação um processo em que energia de um determinado tipo é convertida em outro.

Fica claro então que existem diversos tipos de energia. Muitos deles são frequen-temente mencionados no cotidiano, como a energia elétrica e a nuclear.

A principal fonte de energia da atmosfera é o Sol. A radiação eletromagnética emitida pelo Sol se propaga através do espaço e chega à Terra transportando energia. Uma pequena parte dessa energia é absorvida pelo ar (Eaa). Outra parte passa pela at-mosfera atingindo o solo, a superfície do mar e o dossel da vegetação (Eta). Então, uma fração dessa segunda parte é refletida de volta para o espaço (Er) outra fração (Eas) é absorvida pelo solo, água do mar e lagos, vegetação e vapor de água presente na atmos-fera. Na Terra atual, esta última é a maior fração, correspondendo a aproximadamente 60% da radiação total incidente, contudo, esse valor muda ao longo de dezenas de milhares de anos em função das glaciações.

Assim, de maneira simplificada, pode-se dizer que a radiação solar passa pelo ar, atingindo a superfície da Terra, aquecendo-a. Dessa forma, genericamente, a tempera-tura ambiente é maior ao nível do mar do que no topo das montanhas. Se o ar absor-vesse mais significativamente a radiação solar incidente, possivelmente a temperatura ao nível do mar seria a menor.

Embora o ar não absorva significativamente a radiação incidente, o calor gerado pela interação da radiação com a superfície da Terra é transferido para a atmosfera, aquecendo-a. Assim, considera-se um fluxo de calor que aquece a atmosfera, o qual é chamado fluxo de calor sensível (H). Calor sensível (Qs) é o termo designado para uma quantidade de energia que aquece uma determinada substância. Pode-se observar, en-tão, que o conceito calor, do ponto de vista científico, se refere a um tipo específico de energia. Dessa forma, o calor pode ser mensurado em Joules ou calorias.

Existe uma relação entre o calor sensível e a variação de temperatura, ∆Τ, sofrida por uma certa quantidade de massa, m, de uma determinada substância:

Q mc Ts D=

Essa equação denota que tanto a variação de temperatura quanto a massa, são diretamente proporcionais a Qs. Isso significa que, se duplicarmos a quantidade de substância, precisaremos do dobro de energia para aquecê-la e, para elevarmos a tem-


peratura duas vezes mais, necessitaremos também do dobro de energia.A quantidade c é chamada calor específico, a qual designa a quantidade de calor para

elevar em um grau a temperatura de um quilo da substância. c é uma constante para uma dada substância que se encontra num estado físico determinado. Por exemplo, o calor específico da água é 4.180 J/kg°C. Isso significa que são necessários 4.180 Joules para elevar a temperatura de um quilograma de água em um grau. Quanto maior for c, mais energia será necessário transferir para a substância para elevar sua temperatura e, correspondentemente, mais energia será liberada no seu resfriamento.

Calor espeCíFiCo de algumas substânCias.

Substância Calor específico( J/kg°C)

Calor específico(cal/g°C)

Água 4.180 1,0Álcool 2.510 0,6

Alumínio 920 0,22Ar 1.000 0,24

Chumbo 130 0,031Ferro 460 0,11Gelo 2.090 0,5

Madeira 1.760 0,42Nitrogênio 1.050 0,25

Rochas 880 0,21Vidro 670 0,16

Na tabela de valores de calores específicos apresentada nesta página, pode-se ob-servar que a água tem um valor alto de c quando se compara com o de outras subs-tâncias. Pode-se observar, também, que os metais, genericamente falando, têm valores relativamente baixos de c. Isso está estreitamente relacionado com importantes pro-priedades dos materiais. O fato de c ser pequeno para os metais significa que esse tipo de material tem baixa capacidade de retenção de calor. Assim, os metais são facilmente aquecidos e também têm tendência a se esfriar com maior facilidade – em geral, mais rapidamente. Notar também que o calor específico do gelo é diferente do da água, o que significa que c depende do estado físico da substância.

No estudo da atmosfera, é particularmente importante o calor específico do ar. De acordo com a tabela, são necessários 1000 Joules para aquecer, em um grau, um quilograma de ar. Como a densidade do ar (ao nível do mar) é aproximadamente 1,2 quilogramas por metro cúbico, são necessários 1200 J para aquecer um metro cúbico de ar. Isso não significa que se essa quantidade de energia chegar a uma porção com esse volume de ar, sua temperatura subirá um grau, uma vez que o ar pode não absorver essa energia em sua totalidade, mas apenas parcialmente. De qualquer forma, nossa experi-ência diária é que no início do dia o ar de fato se aquece e se resfria à noite.

Tem-se, portanto, que parte da energia solar que chega à superfície da Terra é con-sumida no aquecimento do ar. Contudo, em geral para ambientes que não são desérticos,


++

-

representação esquemátiCa de uma moléCula de água. o posiCio-namento assimétriCo dos átomos de hidrogênio (representados em branCo) Faz Com que a moléCula seJa Fortemente polar. Figura: CiênCia hoJe.

esse não é o principal consumo de energia: normalmente, a principal componente da partição de energia na atmosfera é o fluxo de calor latente.

Denomina-se calor latente (QL) a quantidade de energia que é consumida ou libera-da quando uma substância muda de estado físico, ou seja, quando passa do estado sólido para líquido (ou vice-versa), ou de líquido para gasoso (ou vice-versa), etc.

Do ponto de vista microscópico, a diferença entre diversos estados físicos de uma substância específica está nas ligações moleculares. No sólido, essas ligações são relativa-mente fortes, enquanto que nos gases, praticamente inexistem.

As ligações intra e intermoleculares correspondem a uma espécie de estoque de energia. Quando elas se rompem ou enfraquecem, uma quantidade correspondente de energia é liberada. É dessa maneira que o corpo humano extrai energia dos alimentos. Contudo, para romper as ligações químicas intermoleculares, é necessário fornecer ener-gia à molécula. Assim sendo, a passagem do estado líquido para o gasoso consome ener-gia. Essa energia consumida se transforma em energia cinética das moléculas, dada por

E mv21

c2

=

onde m é a massa da molécula e v sua velocidade.Na atmosfera, uma importante componente da partição de energia é representada

pela mudança de estado da água. Na água líquida, as ligações intermoleculares (fre-quentemente chamadas “pontes de hidrogênio”) são bastante fortes, o que exige uma quantidade relativamente grande de energia para rompê-las.

Como é de conhecimento comum, a molécula de água é constituída por dois átomos de hidrogênio (H) e um de oxigênio (O)(daí a denominação “H dois O” ou

H2O). O átomo de oxigênio fica ao centro da molécula, ladeado pelos dois átomos de hidrogênio. Contudo, esses não se encontram diametralmente opostos,

isto é, formando um ângulo de 180° entre si, mas sim um ângulo de 104° (ver figura). Como o oxigênio tem uma tendência a atrair os elétrons dos

átomos de hidrogênio, a molécula apresenta uma carga líquida negativa nas imediações do átomo de oxigênio e cargas líquidas positivas nas proximidades dos átomos de hidrogênio, ou seja, a molécula é eletri-camente polarizada. Assim sendo, ela pode atrair eletricamente (ver sobre a força eletromagnética no fascículo Origem do Universo), outras moléculas.

A polaridade elétrica da água está relacionada com algumas das mais comuns experiências do cotidiano, como por exemplo o fato de que, quando tomamos chuva, ficamos molhados. “Ficar molhado”

significa que moléculas de água ficam “grudadas” na superfície de nosso corpo e roupas. O que impede que toda a água que atinge o nosso corpo escorra ime-

diatamente para o chão sob a força da gravidade é justamente a força elétrica que


estabelece uma atração entre a molécula de água e as moléculas de nossa pele.

Macroscopicamente, a quantidade de energia necessária para transformar uma quantidade em massa, m, de uma substância num estado físico para outro estado é denominada calor latente:

A quantidade L é denominada constante de calor latente e seu valor depende da substância e do tipo de mudança de estado físico (se é de sólido para líquido, fusão, ou de líquido para vapor, vaporização, etc.).

Calor latente de Vaporização de algumas substânCias.Substância L (J/kg) L (cal/g)

Água 2.250.000 540

Álcool 853.000 204

Ferro 6.270.000 1500

Mercúrio 293.000 70

Ouro 1.570.000 376Oxigênio 213.000 51

Dentre as substâncias que, ao nível do mar e a temperatura ambiente, são líqui-das, a água é uma das que possuem maior valor de calor latente de vaporização. Isso significa que, para a água evaporar, é necessário um grande consumo de energia (2,25 mega Joules por quilo – ver tabela). É por isso que, no fogão, a água demora para eva-porar totalmente, e é por isso também que a água é utilizada em refrigeração, como por exemplo no radiador dos carros. A água absorve a energia térmica liberada pelo motor, impedindo que sua temperatura aumente descontroladamente, mantendo-a em torno de 100°C, que é a temperatura de vaporização da água.

Na atmosfera, a água não necessariamente se encontra na forma de vapor. Há também quantidades mensuráveis de água líquida em suspensão, na forma de peque-nas gotículas, que, por possuírem pequena massa, se difundem através do ar sem ne-cessariamente se precipitar. A passagem dessas gotículas para o estado de vapor pode consumir grande quantidade de energia do ambiente. É por esse motivo que, quando chove, o ambiente é refrigerado.

O fluxo de energia solar que chega à atmosfera (ou por incidência direta ou pelo calor vindo da superfície da Terra) é particionado em duas partes principais: fluxo de calor sensível, H, como já mencionado, e fluxo de calor latente, Le, que é fruto da va-porização das gotículas de água presentes no ar. Conforme surge o Sol, no início da manhã, tais fluxos aparecem, aumentando de intensidade até a parte mediana do dia, diminuindo de intensidade conforme o Sol se põe (ver gráficos).

representação esquemátiCa das ligações químiCas de hidrogênio

em moléCulas de água. as ligações intermoleCulares estão represen-

tadas por linhas interrompidas. as esFeras Vermelhas representam

átomos de oXigênio e as branCas, hidrogênio. Figura: wikipédia.


FluXos de Calor sensíVel (h) e latente (le), ao longo do dia, medidos nos períodos de ChuVa (wet), seCa (drY) e períodos in-termediários ChuVa-seCa (wer-drY) e seCa-ChuVa (drY-wet), em regiões de pastagem e Floresta do estado de mato grosso. dados: programa de pós-gra-duação em FísiCa ambiental – uniVersidade Federal de mato grosso.

O valor do fluxo de radiação solar incidente no topo da atmosfera, ao meio dia e próximo do equador, é aproximadamente 1370 W/m2 (significa que chegam 1370 Joules em cada segundo em cada metro quadrado de sessão transversal). Desses, na latitude onde se encontra o estado de Mato Grosso, ao meio dia, cerca de 800 W/m2 são transfe-ridos para a atmosfera, sendo que, nesse horário, H assume valores entre 100 e 250 W/m2 e Le valores entre 180 e 400 W/m2.

Quanto maior a quantidade de água na atmosfera, maior a tendência de Le assumir valores superiores a H. Isso significa que a partição de energia está ligada à umidade relativa. Essa grandeza é definida como sendo a concentração de água num determinado volume de ar com relação à concentração máxima (saturação) de água. A concentração máxima é o valor limite a partir do qual se inicia a precipitação, correspondente ao valor de 100% de umidade relativa.

Assim, quanto maior for a umidade relativa num ambiente, maior deve ser o valor de Le, menor sendo a razão de Bowen. Nessa condição, resta menos energia na forma de H. Como H está relacionado ao aumento de temperatura do ar, menor deve ser a temperatura ambiente. Dessa forma, tem-se que, em geral, quanto maior for a umidade, menor será a temperatura.

Ao longo do dia, a umidade tende também a variar. Para um dia sem chuvas, em geral a temperatura é máxima no meio do dia, correspondentemente a umidade será mínima nesse horário (ver gráficos). É claro que essa é uma descrição simplificada, uma vez que temperatura e umidade são fatores que dependem de muitas outras variáveis.


médias horárias de tempe-ratura e umidade medidas em região de pastagem e Flores-ta no estado de mato gros-so. “drY” signiFiCa período de seCa e “wet” período de ChuVas. dados: programa de pós-graduação em FísiCa ambiental – uniVersidade Federal de mato grosso.

at i v i d a d E s

1. Leitura de gráficos: Observando a última figura desta seção, responda: Em que horário acontecem os valores máximos e mínimos dos gráficos E, F, G e H? Quais são os valores de umidade e temperatura ao meio-dia, para o período de seca? E para o período de chuvas?

2. Calcule a quantidade de energia necessária para:a) Elevar a temperatura de uma barra de ferro de 10 kg em dois graus Celsius.b) Elevar a temperatura de 200 g de álcool em dois graus Celsius.c) Evaporar 1 kg de álcool e 1 kg de água.

3. Faça um resumo esquemático das transformações possíveis que a radiação solar sofre na atmosfera.


o b s E r va ç ã o

Os esquemas de átomos e moléculas representados neste e em outros fascículos são meras ilustrações pictóricas que enfatizam algumas de suas pro-

priedades. Como não é possível obter observações diretas dos átomos (alguns equi-pamentos, como o microscópio de tunelamento, obtêm imagens indiretas), não se pode afirmar com segurança qual a sua real aparência. Por exemplo, não tem sentido se falar em cores dos átomos, embora se utilize desenhos coloridos para representá-los.

u n i d a d E s d E E n E r g i a E P o t ê n C i a

A energia pode ser medida utilizando diversas maneiras diferentes. Para mensurá-la, diversas quantidades padrões, ou unidades, podem ser empregadas. As mais utiliza-das no dia-a-dia são o Joule (o padrão internacional) e a caloria, que é muito utilizada na área de nutrição. Note que Joule é escrito em letra maiúscula enquanto caloria é em minúscula. Isso se deve ao fato que a palavra Joule corresponde ao sobrenome de um importante cientista que, no passado, contribuiu significativamente para a construção do conceito científico de energia: James Prescott Joule (1818-1889). Joule foi um dos principais descobridores de que a energia se manifesta de várias formas e que quanti-dades de energia podem se transformar de uma forma para outra.

A quantidade de energia correspondente a um Joule, 1J, adotada pelo Sistema de Medidas Internacional (SI) equivale aproximadamente à energia consumida ao elevar uma massa de 100 gramas a uma altura de 1 metro. Proporcionalmente, a energia que gastamos ao elevar um pacote de 1kg de feijão a um metro de altura é aproximadamen-te 10J.

A energia gasta para elevar um objeto de massa m a uma altura h corresponde a uma quantidade conhecida como energia potencial gravitacional, que equivale a:

E mghpg =

Ou seja, a energia potencial gravitacional corresponde ao produto entre a massa do objeto, m, a aceleração que um corpo apresente em queda livre próximo à superfí-cie – comumente chamada aceleração gravitacional, g, e a altura, h. O valor de g é uma constante aproximadamente igual a 9,8 m/s2.

Para constatar que necessitamos de 10J para erguer um objeto de 1kg numa altura de 1m, basta multiplicar 1 kg por 9,8 por 1m. O resultado equivale a 9,8J, ou aproxi-madamente 10J.

Outra unidade bastante utilizada é a caloria (cal). Uma caloria corresponde a aproximadamente 4,18J. Assim sendo, para erguer um objeto de 1kg numa altura de 1m, necessitamos:

,,

2,3cal4 189 8

=


Em condições normais, o metabolismo de uma pessoa de estatura média consome diariamente uma quantidade de energia correspondente a 2.500kcal (2.500 quilocalo-rias ou 2.500.000 calorias). Por esse motivo, deve-se consumir uma quantidade equiva-lente de energia, na forma de alimentos, diariamente. Essa quantidade de energia seria suficiente para elevar em um metro

,. .

2 32500000 1 086 957=

pacotes de feijão. Assim sendo, é razoável que um trabalhador, na tarefa de carregar um caminhão, não precise parar para comer antes de terminar o serviço. Já o consu-mo de uma inocente bolachinha recheada típica, fornece uma quantidade de energia de 40kcal, o suficiente para que uma pessoa de 60kg suba uma escada de 284m, uma altura equivalente a da Torre Eiffel.

Isso pode ser constatado pelo seguinte cálculo:40kcal corresponde a 40.000 x 4,18 = 167.200J. Sabendo-se que Epg = mgh e subs-tituindo os valores:

. ,,

.x xh hx

m167 200 60 9 860 9 8167 200 284(= = =

É preciso entender que esse valor se trata apenas de uma estimativa idealizada. Na realidade, se de fato alguém for subir de escada a Torre Eiffel, terá que gastar energia de outras formas, como manter o metabolismo do corpo – que vai se acelerar devido ao esforço da subida – ou mesmo para balançar os braços – um movimento quase inevitá-vel quando caminhamos.

Ao realizar esse tipo de cálculo, é necessário tomar cuidado com as unidades. Na equação Epg = mgh, se a massa estiver sendo dada em quilos, g em metros por segun-do ao quadrado e h em metros, a energia deve ser expressa em Joules. Isso acontece porque as unidades metro, segundo e kg são unidades do Sistema Internacional (SI). Assim sendo, deve-se utilizar a unidade do SI também para a energia. Não se pode, numa mesma expressão matemática, utilizar quantidades com diferentes sistemas de unidades.

Outra variável que tem relação estreita com a energia é a POTÊNCIA (Po). Potência é a energia consumida ou recebida num certo intervalo de tempo. Matema-

ticamente, é a razão entre a energia e o tempo:

PotE

=

uma dessas bolaChas pode proVer uma pessoa de ener-gia suFiCiente para subir na torre eiFFel.


Sua unidade é o Watt (W), no SI, em homenagem ao cientista escocês James Watt (1736-1819). Por exemplo, uma lâmpada de 100W consome uma quantidade de energia igual a 100J por segundo. Se fosse possível converter toda

essa energia na realização do trabalho de carregar um caminhão, cuja carroce-ria estivesse a um metro do chão, poderíamos carregar 10kg por segundo.

Vimos anteriormente que a energia consumida pelo metabolismo hu-mano é aproximadamente 2.500kcal por dia. Para que não haja acúmulo indefinido de energia, o corpo deve perder também aproximadamente a

mesma quantidade diária. Predominantemente, o organismo huma-no, bem como de animais e plantas, dissipa a energia utilizada nos

processos metabólicos na forma de emissão eletromagnética. Isso significa que também brilhamos como uma lâmpada. Con-tudo, a radiação emitida pelo corpo não é visível: encontra-se

predominantemente na região do infravermelho (ver fascículo Origem do Universo).

Considerando que a quantidade de segundo existentes num dia é 60x60x24, a potência tipicamente dissipada pelo corpo humano, portanto, corresponde a:

. . ,Po

x xx

W60 60 24

2 500 000 4 18120= =

Ou seja, nossa perda de energia devido ao metabolismo é equivalente ao de uma lâmpada de 120W.

at i v i d a d E s

1) Buscar na internet quais são as unidades do Sistema Internacional para as variáveis: Pressão, peso, força, massa, tempo, comprimento, energia e potência.

2) Calcular a quantidade de energia que um homem de 90 kg gastaria para escalar o pico do Everest, situado a 8.000 metros do nível do mar. Obser-ve o teor energético existente nas embalagens de comida disponíveis na sua residência e responda quanta comida este homem necessitaria ingerir para desenvolver esse esforço. Se o homem demora 10 dias na escalada, qual foi a potência consumida?

imagem obtida por uma Câmera espeCial que trans-Forma radiação inFraVermelha em Cores: www.inFraredCamerasinC.Com


E f E i t o E s t u fa n at u r a l

Uma componente importante dos processos de partição de energia na atmosfera diz respeito à dinâmica da radiação infravermelha. Quando a radiação solar incide so-bre a superfície da Terra, bem como oceano e vegetação, parte dessa radiação é absor-vida. Essa energia contribui para o aquecimento dos componentes sólidos e líquidos do solo/oceanos/vegetação. Do ponto de vista microscópico, aquecer um material significa

O gráfico ao lado representa o espectro de emissão do Sol, ou seja, o quanto de radiação o Sol emite em cada faixa do espectro eletromagnético, em função do comprimento de onda, m, da radiação.A leitura do gráfico deve ser feita da se-guinte forma: Digamos que desejamos saber o quanto de raciação o Sol emite num comprimento de onda de 0,8 mn. Seguido a linha vertical cujo extremo inferior é 0,8 no gráfico, observa-se que o ponto de intersecção dessa linha com uma linha horizontal que pas-sa sobre a curva está no valor 60.000 no eixo vertical. Portanto, o Sol emite 60.000 /W cm m2n para esse compri-mento de onda. Observe que o máximo de emissão ocorre em0,5 mn , valor correspondente à cor amarela na faixa visível do espectro eletromagnético.

l E i t u r a d E g r á f i C o s d E d i s t r i b u i ç ã o

Um gráfico de distribuição, ou sim-plesmente espectro, consiste num meio de visualizar as quantidades corres-pondentes a cada valor de um conjun-to de valores possíveis para um dado fenômeno ou propriedade de um sis-tema.

espeCtro de emissão de radiação do sol


aumentar o movimento de vibração de suas moléculas. Essa oscilação se caracteriza pela oscilação dos átomos em torno de determinados pontos.

A oscilação molecular resulta na emissão de radiação em diversas faixas do espec-tro eletromagnético (ver fascículo Origem do Universo), contudo, para as moléculas com mais de dois átomos (não estão incluídos, por exemplo, o oxigênio e o nitrogênio, que são os principais componentes da atmosfera), na temperatura ambiente da Terra, essa emissão se dá predominantemente na faixa do infravermelho.

Praticamente todos os sólidos e líquidos presentes na Terra emitem continua-mente radiação infravermelha. Comumente tal fenômeno é identificado como emissão de calor. De fato, existe uma relação entre a emissão de radiação por um corpo e sua temperatura, dada pela Lei de Stefan-Boltzmann:

TIV4p fv=

onde ξIV é o fluxo de energia na forma de radiação emitida por uma unidade de área da superfície do corpo ou sistema (em unidades de W/m2), ε é a emissividade, um parâ-metro constante com valor entre 0 e 1 e que depende do tipo de material que constitui o corpo, T é a temperatura dada em Kelvin (T corresponde à temperatura na superfície do objeto ou sistema, não sua temperatura interior) e v a constante de Stefan-Boltz-mann, que vale 5,67x10-8 W/m2K4.

A Lei de Stefan-Boltzmann expressa o fato de que a emissão de radiação de um corpo é proporcional à sua temperatura (na escala Kelvin) à quarta potência. Isso sig-nifica que a quantidade de energia emitida é muito sensível com relação à temperatura do corpo e, como maior a temperatura, maior a energia interna do corpo, significa que a emissão de radiação se constitui numa formidável forma de regulação de temperatu-ra: Se um corpo tem grande quantidade de energia interna, sua temperatura será alta, consequentemente emitirá muita energia, tendendo a se resfriar rapidamente. Quanto maior a temperatura, mais rápido se dará o resfriamento. Obviamente essa relação de-sempenha um papel importante na regulação da temperatura da Terra.

Através da Lei de Stefan-Boltzmann é possível se estimar a temperatura da su-perfície de um planeta, bastando igualar o fluxo de radiação solar que chega ao planeta com o fluxo de emissão dado pela expressão acima. Considera-se, assim, que o planeta emite uma quantidade de energia equivalente a que recebe. Tem-se então:

( )a T a A F4 12 4 2r v r= -

Nessa expressão, considera-se ε=1 e alguns fatores geométricos. Para estimar o fluxo total de emissão pela superfície da Terra, deve-se multiplicar vT4 pela área su-perficial do planeta: 4πa2, onde a é o raio da Terra. Já o fluxo de ra- diação solar, F (=1370 W/m2), chega em apenas um dos lados do planeta (nos locais onde é noite, ob-viamente, não está havendo incidência de radiação solar), assim, devemos multiplicar F pela área projetada da Terra, que é a área de um círculo: πa2. Finalmente, A representa o albedo da Terra, ou seja, a fração da energia solar incidente que é refletida por sua superfície (que é influenciado principalmente pela presença de nuvens e neve, os quais possuem alta refletância). O fator 1-A, portanto, representa a fração da energia solar


que é absorvida pela Terra. O valor mais aceito hoje em dia para o albedo da Terra é 0,39, mas como estamos fazendo um cálculo simplificado considerando apenas a su-perfície da Terra sem nuvens, vamos adotar o valor 0,3.

Isolando-se agora a temperatura na equação acima:

( )T

A F4

14

v-

e, substituindo os valores:

( ,( , )

Tx

K4 5 67 101 0 3 1370

25584=

-=-

Na escala Celsius, essa temperatura corresponde a 255-273=-18°C. Ou seja, a temperatura média da Terra seria de 18 graus Celsius negativos.

Contudo, esse valor não corresponde à realidade. Medidas realizadas em estações meteorológicas espalhadas pela superfície da Terra levam ao valor de 14°C, nos dias de hoje. Esse valor inclui a temperatura média anual de pontos localizados no equador bem como pontos próximos aos polos, levando-se em conta também todas as estações. Entre -18°C e 14°C tem-se uma diferença de 32°C. Essa diferença se deve ao assim

desenho esquemátiCo representando o eFeito estuFa. Figura: JaCob zugman e Carlos alberto martins - wqestuFa.Vilabol.uol.Com.br.

ondasCurtas

ondaslongas

raiosinFraVermelho

ondas CurtasaqueCem o Chão ar aqueCido

sobe na estuFa

chamado Efeito Estufa.O termo vem do princípio de funcionali-

dade das estufas utilizadas no cultivo de algu-mas espécies de plantas, que, geralmente, são feitas de vidro ou plástico transparente. Esses materiais são, obviamente, transparentes, mas ser “transparente” significa apenas que a radiação, na faixa da luz visível, os atravessa com certa facili-dade. Contudo, isso não se dá com a radiação na fai-xa do infravermelho, que se situa entre 0,75 e 1000 µm (lembrar que 1 µm – 1 mícron – correspon-de a 1x10-6 metros). Os materiais “transpa-rentes” são, em geral, parcialmente “opacos” para a radiação infravermelha. Numa estufa (ver figura), as paredes e teto transparentes permitem a passagem da radiação solar, que incide no solo e outros objetos situados no seu interior, os quais se aquecem e emitem radiação infravermelha. Esta, por sua vez, não atravessa integralmente as paredes e teto. A retenção da radiação faz com que a temperatura no interior da estufa se ele-ve, ficando maior que no meio externo. O mesmo acontece quando deixamos o carro estacionado exposto ao Sol, por exemplo, e


Comparação entre a aparênCia da terra na FaiXa do VisíVel (es-querda), onde áFriCa e península arábiCa são obserVáVeis e na FaiXa do inFraVermelho (direita). note que nesse último Caso a terra pareCe ter uma atmosFera espessa não permitindo a Visão de sua superFíCie. Fotos: nasa.

Outro conhecimento importante diz respeito aos espectros de emissão de radiação do Sol e da Terra.

espeCtros de emissão de radiação eletromagnétiCa, em Função do Comprimento de onda, do sol (esquer-da) e da terra (direita). Figuras: (esquerda) instituto naCional de pesquisas espaCiais (inpe); (direita) lasp.Colorado.edu - laboratorY oF astrophYsiCs and spaCe phYsiCs.

com a atmosfera da Terra.A atmosfera contém gases que também

absorvem parcialmente a radiação infraver-melha: Trata-se dos assim chamados gases de efeito estufa, que são substâncias cujas molé-culas têm mais que dois átomos (gases dia-tômicos, como o oxigênio, O2, e o nitrogênio, N2, não realizam efeito estufa).

A principal substância gasosa presen-te na atmosfera que realiza efeito estufa é o vapor d’água. A água, como as outras subs-tâncias de efeito estufa, absorve a radiação

infravermelha aumentando sua vibração molecular. Tal absorção faz com que nem toda a quantidade de energia, emitida pela superfície da Terra, retorne ao espaço, acumulan-do energia na atmosfera e contribuindo, dessa forma, para uma adição na temperatura média da Terra em torno de 30°C. Assim, o efeito estufa é um fenômeno benéfico para a vida no planeta, uma vez que, se não existisse, a temperatura média estaria em torno de 18°C negativos, ou seja, abaixo do ponto de congelamento da água, condição essa que tornaria a existência da vida – pelo menos nos continentes – implausível.

O papel do efeito estufa pode ser “visualizado” comparando-se a aparência da Terra na região visível do espectro eletromagnético (ou seja, da forma que a Terra pode ser vista do espaço) e a aparência registrada por satélites equipados com detectores de radiação infravermelha.


Embora o Sol seja brilhante, ele é conhecido como um exemplo de algo denomi-nado corpo negro que, por definição, trata-se de um objeto que apenas emite e/ou absor-ve energia, ou seja, nada reflete. Uma característica fundamental de um corpo negro é o seu espectro de emissão, que tem o mesmo perfil do referente ao Sol, parecendo uma montanha com superfície lisa inclinada para a esquerda (ver figura). Portanto, o espectro apresenta um máximo que, no caso do Sol, coincide com um valor próximo de 0,5 µm (ou 500 nm). Esse máximo coincide mais ou menos com a cor predominante do objeto. 0,5 µm está próximo ao comprimento de onda relativo à cor amarela, predomi-nante na aparência do Sol. Existe uma relação entre o valor do comprimento de onda relativo ao máximo do espectro (λmax) e a temperatura do corpo, conhecida por Lei de Wien, que aproximadamente pode ser expressa por:

( )max mT

m2900m n

n=

expressando-se λmax em microns.Note que a temperatura é inversamente proporcional a λmax, significando que,

quanto maior a temperatura do corpo, menor λmax. Essa relação descreve diversos fenô-menos observados há séculos, como por exemplo a aparência do ferro numa fundição. À temperatura ambiente, o ferro, da mesma forma que outros sólidos, emite radiação no infravermelho (λ> 0,75 µm), contudo, à medida em que é aquecido numa fornalha, de acordo com a Lei de Wien, o comprimento de onda de emissão predominante di-minui. Como a faixa do visível corresponde a comprimentos de onda menores que a infravermelha, com o aquecimento, o ferro passa a emitir radiação visível (para que seja possível ver a olho nu a radiação emitida pelo ferro não é estritamente necessário que λmax esteja no visível, mas que uma parte do espectro atinja essa região do espectro ele-tromagnético). Se o aquecimento continuar, a cor muda: primeiro, ele passa a “brilhar” na cor vermelha, depois alaranjado, amarela e azul, conforme λmax for diminuindo.

Nas siderúrgicas, para se medir a temperatura do ferro em fundição, já que não se pode utilizar um termômetro de coluna de mercúrio, por razões óbvias, utiliza-se aparelhos que medem o comprimento de onda da radiação emitida.

Pode-se estimar, também, a temperatura na superfície do Sol utilizando a Lei de Wien. Como λmax no caso do Sol é aproximadamente 0,5, a temperatura será:

,T K

0 52900 5800= =

Então, sabe-se que a temperatura na superfície do Sol é superior a 5000°C.Ao contrário do espectro de emissão do Sol, o da Terra não apresenta um con-

torno suave (ver figura). Note como a linha o representando no gráfico é entrecortada em quase toda a sua extensão. Tais entrecortes são provocados pela presença de vapor d’água na atmosfera. Conforme já mencionado, a molécula de água é constituída de um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio dispostos num ângulo de 104°. Esse tipo de estrutura faz com que a molécula possa vibrar de muitos modos diferentes, cada modo de vibração corresponde a um conjunto de comprimentos de onda, cuja radiação


a molécula pode emitir ou absorver. Imagine três esferas conectadas por duas molas, formando um ângulo de 104° totalmente livres para vibrar.

Imagine quantos movimentos diferentes são possíveis para cada esfera. Embora seja apenas uma analogia concreta, essa comparação ajuda-nos a compreender que a molécula pode absorver radiação em muitos comprimentos de onda diferentes, daí o aspecto entrecortado do espectro.

Note também que a faixa de comprimentos de onda do espectro da Terra corres-ponde a valores superiores aos do Sol, sendo que λmax para a Terra está em torno de 20 µm, na faixa do infravermelho, o que é coerente com a Lei de Wien, dado que a temperatura superficial da Terra é inferior à do Sol.

Como, então, a água presente na atmosfera absorve radiação infravermelha, ela realiza efeito estufa, impedindo que toda a radiação emitida pela superfície da Terra se dissipe através do espaço.

O espectro de emissão é uma espécie de impressão digital do planeta. Através dele, pode-se inferir quais serão os gases presentes na atmosfera do planeta. Note que não é necessário se deslocar ao planeta para fazer essa análise, basta detectar a sua radiação que chega à Terra. Assim, podemos saber, por exemplo, que não há água na

atmosfera de Marte, pois o seu espectro não é tão entrecortado quanto o da Terra.

Outro detalhe importan-te no espectro de emissão da Terra é as “falhas” existentes em torno de 10 e 15 µm, que se deve à presença, na atmosfera de ozônio (O3) e gás carbônico (CO2), respectivamente. Note que, no gráfico, a curva expe-rimenta uma “depressão” nas proximidades desses dois valo-res. Tal depressão corresponde a uma faixa do espectro que a Terra emite menos radiação do que seria esperado se o efeito estufa não existisse. Ao con-trário da água, as moléculas de ozônio e gás carbônico apresen-tam poucos modos de vibração.

Isso se deve ao fato de que as moléculas de gás carbônico são lineares (os átomos de oxigênio estão diametralmente opostos em relação ao átomo de carbono, que ocupa o centro) e de que, nas moléculas de ozônio, os três átomos de oxigênio possuem a mes-ma massa, o que limita o número de diferentes modos de vibração (trata-se, digamos, de uma molécula “mais equilibrada”).

espeCtro de emissão de radiação de marte (mars) Comparado Com o da terra (erde). Figura original em alemão. www.John-dalY.Com.


A contribuição do gás carbônico para o efeito estufa é particularmente importante uma vez que sua concentração na atmosfera vem aumentando progressivamente, prin-cipalmente após a revolução industrial. A contribuição desse gás no efeito total pode ser estimada dividindo-se a área da depressão do gráfico situada em torno de 15 µm em relação à área total sob a curva do espectro. Contudo, o tema referente ao aumento do efeito estufa e o quadro das mudanças climáticas globais será abordado em outro fascículo.

P E s q u i s a s o b r E E s P E C t r ô m E t r o s (princípio de funcionamento)

http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/detectores.htm

at i v i d a d E s

1. Observe a chama de uma vela. Faça uma descrição da distribuição espacial de cores da chama indicando os locais onde a temperatura é maior e menor.

2. Pelo espectro de emissão de Marte é possível afirmar que não há quantidade significativa de oxigênio em sua atmosfera. De que forma é possível concluir isso?

3. Acesse a seguinte página da internet: http://www.las.inpe.br/~cesar/Infra-red/detectores.htm

Após ler o conteúdo, elabore um pequeno texto explicando como funciona um espec-trômetro.

4. Calcule o fluxo de energia emitida por um corpo numa temperatura de 1000 K e uma emissividade de 0,5.

5. Qual será o comprimento de onda emitido predominantemente por esse cor-po? Esse comprimento de onda corresponde a que faixa do espectro eletro-magnético?


E s C a l a s d E t E m P E r at u r a

No Brasil, as medidas de temperatura são comumente expressas na escala Celsius (°C) – também denominada centígrada – cujo nome foi dado em homena-gem ao astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744). Quando dizemos que nossa temperatura interna é 36 graus, estamos utilizando essa escala. Tal escala estabe-lece como critério o valor zero para o ponto de fusão do gelo, isto é, a temperatura em que o gelo se transforma em água à pressão de 1 atm. Também se baseia na adoção do valor 100 (daí o nome centígrado) para o ponto de vaporização da água (a 1 atm).

Contudo, nas leis da ciência e nas equações matemáticas que as expressam, a temperatura é dada na escala absoluta, ou Kelvin (K). A diferença fundamental com relação à escala Celsius, é que, na Kelvin, já que existe uma relação proporcional entre a temperatura e a quantidade de energia presente num sistema, o valor zero é considerado como a condição em que a energia interna de um sistema é pratica-mente nula. Tal valor corresponde a 273,16 graus negativos na escala Celsius.

Assim sendo, nunca se espera que a temperatura de qualquer sistema seja inferior a 273,16 graus Celsius negativos. Mesmo no espaço profundo, longe de qualquer estrela (ver fascículo Origem do Universo), a temperatura é aproximada-mente igual a 3K (ou -270°C), devido à radiação de fundo.

Matematicamente, a relação entre a temperatura em graus Celsius e Kelvin pode ser dada por:

( ) ( ) ,T K T C 273 16o= =

ou com uma maior aproximação:

( ) ( )T K T C 273o= +

C a m a d a s d a at m o s f E r a

Devido a algumas características diferenciadas da atmosfera em diferentes altitu-des, tradicionalmente ela é subdividida em camadas. No fascículo Sistema Solar foi fei-ta uma pequena introdução ao assunto, com uma breve descrição das camadas. Agora serão descritos alguns processos que ocorrem nessas camadas.

Não há uma divisão exata, no sentido de que cada camada se inicia e termine numa altitude muito bem definida. O conceito de camadas da atmosfera deve ser en-tendido como uma referência qualitativa para as diferenças nas dinâmicas dos processos que ocorrem em altitudes distintas. Contudo, um bom caminho para se compreender o porquê de tal diferenciação, é a observação do perfil da temperatura da atmosfera ao longo da altitude.

Conforme já mencionado, devido ao fato do Sol aquecer a superfície da Terra e o calor fluir de baixo para cima, a temperatura decresce para altitudes cada vez maio-


res. Contudo, esse comportamento somente se verifica até uma altitude de aproximadamente 20 km – altitude conhecida por tropopausa, onde a temperatura é cerca de 50°C negativos. A camada da atmosfera situada abaixo de 20 km é chamada troposfera. Acima de 20 km, se encontra a estra-tosfera, onde a temperatura cresce com a altitude. O limite superior da estratosfera é a estratopausa, situada a cerca de 50 km, onde a temperatura é aproximadamente igual a 0°C. Acima da estrato-pausa está a mesosfera, onde a temperatura decres-ce com a altitude, até aproximadamente 90 km, onde se situa a mesopausa, com uma temperatura em torno de 100°C negativos. Finalmente, acima da mesopausa está a termosfera, com um perfil de temperatura novamente crescente com a altitude.

Deve-se entender, entretanto, que os valores de temperatura ao longo da altitude variam com a hora do dia, estação do ano, posição geográfica e fenômenos atmosféricos. É importante também levar-se em conta que, na termosfera, o conceito de temperatura é um tanto abstrato, uma vez que esse conceito está voltado a descrever o estado térmico de uma porção macroscópica de matéria, contendo um número muito grande de moléculas. Na termosfera, o número de molé-culas de ar já é bastante reduzido. Assim os valores de temperatura atribuídos à ter-mosfera podem não condizer exatamente com a sensação térmica que experimentaria uma pessoa que lá estivesse, mas dizem mais respeito à concentração de energia de uma parcela de ar.

De um modo geral, o perfil complexo da temperatura descrito acima advém de processos de transferência de energia envolvendo diferentes substâncias que se concen-tram predominantemente em diferentes altitudes. Devido à gravidade da Terra, qual-quer substância tende a se concentrar mais nas proximidades da sua superfície, o que quer dizer que à medida que se aumenta a altitude, a concentração de gases é cada vez maior. Contudo, a atmosfera é constituída por gases cujas moléculas possuem massas diferentes. Assim, a tendência é que os de maior massa se concentrem, numa pequena proporção, mais nas proximidades da superfície, “empurrando” parcialmente os de me-nor massa para maiores altitudes. Além desse fator, existe outro que muda mais signi-ficativamente a distribuição de gases ao longo da altitude: a radiação ultravioleta vinda do Sol quebra moléculas de alguns gases presentes na atmosfera, os quais, por meio de reações químicas, se transformam em outros gases. Isso ocorre principalmente com o ozônio (O3) presente no ar. Note que, se observarmos o espectro de emissão do Sol, constataremos que há emissão na faixa do espectro eletromagnético correspondente a

temperatura média da atmosFera em Função da altitude. Figura: gaVe - banCo de itens, ministério de eduCação de

portugal - bi.gaVe.min-edu.pt.

-123 -73 -23 270

20

40

60

80

100

Troposfera

Tropopausa

Estratosfera

Estratopausa

Mesosfera

Mesopausa

Termosfera

Alt

itud

e (k

m)

Temperatura (oC)


comprimentos de onda menores que 0,3 µm, que corresponde à radiação ultravioleta.Nas proximidades da estratopausa é onde se concentra predominantemente as

moléculas de ozônio. A incidência de radiação ultravioleta faz com que ocorra uma série complexa de reações envolvendo o oxigênio (O2) e o ozônio (O3), que, de modo simplificado, podem ser representadas por:

(1) O2 + radiação UV → O + O(2) O3 + O + M → O2 + M(3) O3 + O2 + M → O3 + M(4) O + O3 → 2O2

(5) O3 + radiação UV → O2 + O

Tal conjunto de reações faz com que exista uma dinâmica de criação e destruição de moléculas de ozônio, que se concentram na estratopausa por uma combinação de fatores: massa das moléculas de O3, quantidade de radiação ultravioleta, velocidade das reações expostas acima, etc.

Uma leitura dessas reações pode levar a uma melhor compreensão dos processos envolvidos: Na reação (1), a radiação ultravioleta dissocia moléculas de oxigênio (é claro que isso ocorre com uma fração pequena do número total de O2 presente na atmos-fera), transformando-a em dois átomos separados. Em (2), moléculas de ozônio (O3) já presentes no ar, reagem com átomos de oxigênio dissociados, na presença de outras moléculas (M), que são necessárias para que a reação ocorra, produzindo novas molé-culas de O2. Em (3), moléculas de ozônio e oxigênio reagem, também na presença de outras moléculas, produzindo novas moléculas de ozônio. Em (4), átomos dissociados de oxigênio reagem com ozônio, produzindo moléculas de oxigênio. Finalmente, em (5), a radiação ultravioleta dissocia moléculas de ozônio em moléculas e átomos disso-ciados de oxigênio.

Essa última reação é bastante importante, uma vez que a fotodissociação das mo-léculas de ozônio acaba consumindo significativamente a quantidade de radiação ul-travioleta que atravessa a atmosfera, minimizando a incidência desse tipo de radiação na superfície da Terra. Como a radiação ultravioleta pode provocar o câncer de pele, a manutenção da quantidade de ozônio é uma questão importante para a saúde pública. A emissão de gases CFCs na atmosfera, tem provocado a diminuição das concentra-ções de ozônio na atmosfera, formando uma região particularmente tênue em termos de concentração de ozônio sobre a Antártida (“buraco” da camada de ozônio). Contu-do, esse tema será tratado em outro fascículo.

É importante compreender que efeito estufa e o papel da camada de ozônio são fenômenos distintos. O efeito estufa envolve o papel o gás carbônico (CO2), além de outras substâncias, na absorção de radiação infravermelha, contribuindo para a eleva-ção da temperatura média da troposfera. A camada de ozônio (O3) absorve a radiação ultravioleta, protegendo parcialmente a superfície da Terra da incidência desse tipo de radiação.

O efeito estufa natural e a fotodissociação das moléculas de ozônio são os prin-


cipais fenômenos responsáveis pelo perfil da temperatura da atmosfera ao longo da altitude. O efeito estufa é mais intenso na troposfera que na estratosfera. A retenção do calor vindo da superfície da Terra, proporcionada pelos gases de efeito estufa, impede parcialmente que calor chegue na estratosfera, o que desempenha um efeito líquido de resfriamento. Por outro lado, a fotodissociação do ozônio gera calor, contribuindo com um efeito de aquecimento. Na estratopausa, esse efeito é dominante, o que resulta no fato de que a temperatura nessa altitude (próxima de 50 km) seja mais alta que a esperada se esse fenômeno não existisse. Isso faz com que, na estratosfera, a temperatura seja crescente com relação à altitude, voltando a ser decrescente na mesosfera.

Na termosfera, a temperatura é crescente com a altitude. Isso se deve ao fato de que o fator dominante na partição de energia nessa camada é a própria radiação solar incidente. Nessa região, a temperatura é um reflexo direto da concentração de energia em cada porção de ar, assim a temperatura deve ser maior para maiores altitudes, ou seja, quanto mais “próximo” do Sol. É lógico concluir, então, que o perfil da temperatura na termosfera deve ser significa-tivamente diferente à noite.

at i v i d a d E

Produza um texto des-crevendo os fenômenos rela-cionados ao efeito estufa e ao buraco na camada de ozônio, bem como suas consequências. Destaque as diferenças entre os dois fenômenos.

Po r q u E o C é u é a z u l?

Todas as pessoas sabem que, durante o dia, a cor predominante do céu é o azul. Como isso é possível se a cor predominante da radiação emitida pelo Sol é a amare-la? A cor azulada do céu deve-se ao fenômeno da dispersão da radiação. Dispersão é o termo que designa a alteração da trajetória da luz ou de qualquer tipo de radia-ção devido à interação com a matéria. No caso da atmosfera, essa interação se dá com as moléculas do ar. Dependendo do diâmetro dessas moléculas, a dispersão da luz é maior para determinados comprimentos de onda. As faixas do espectro visível com menor comprimento de onda se desviam mais ao interagir com as moléculas de ar. Esse é um comportamento genérico da radiação visível e pode ser obser-vado experimentalmente utilizando um prisma (um objeto transparente na forma de cunha) – ver figura. Devido a esse fenômeno, a luz visível, para um observador inserido na atmosfera, chega de todas as direções, enquanto que as outras cores – principalmente o amarelo, incidem com menor desvio, ou seja, na direção em que se encontra o Sol. Assim, somente veremos o amarelo, durante o dia, olhando diretamente para o Sol.

Durante o pôr–do–Sol, o céu assume uma aparência ala-ranjada. Isso se deve ao fato de que a radiação solar tem que atravessar uma camada maior de atmosfera, então, a dispersão maior do azul faz com que essa cor seja absorvida na sua maior parte antes de chegar até o observador, restando apenas as cores de maior comprimento de onda, próximas ao vermelho.

dispersão da luz por um prisma. note que a radiação azul soFre um desVio maior que a Vermelha. Foto: uniVersitY oF tennessee - http://eleCtron9.phYs.utk.edu.


As nuvens são classificadas da seguinte forma:

• stratus: São nuvens baixas (até 1000 m). Em geral abrangem uma área grande quando comparada com a sua espessura. Normalmente têm colo-ração acinzentada e são responsáveis por chuvas fracas (ou garoas). Podem se apresentar como nevoeiro quando atingem o solo.

• nimbostratus: São maiores, mais escuras e espessas que as stratus. São responsáveis por chuvas contínuas de longa duração. Situam-se em altitu-des de até 2000 m.

• stratoCumulus: São arredondadas, brancas ou cinzentas, e associadas a chuvas fracas.

• Cumulus: Têm aparência semelhante às stratocumulus, mas são menores. Têm aparência de chumaços de algodão.

• Cumuluninbus: São nuvens que podem se desenvolver até grandes alti-tudes (superiores a 20 km), em forma de bigorna, e que estão associadas a chuvas densas e trovoadas.

n u v E n s

Ao olharmos para o céu podemos ver nuvens de diversos formatos, sendo comum a brincadeira de encontrar formas de objetos conhecidos. A ciência, contudo, classifica as nuvens segundo critérios baseados na dinâmica com que são formadas, altitudes típicas em que se encontram, além de características visuais. Dependendo dessas ca-racterísticas, as nuvens recebem diferentes denominações.

tipos de nuVens, de aCordo Com sua altitude. imagem: thomson higher eduCation (traduzido).

7000 m

2000 m

Stratus Stratocumulus Cumulus

CumulonimbusNúvens medianas

Núvens altas

Núvens baixas

Nimbostratus

Altocumulus

Altocumulus

Cirrus

Cirrostratus

Cirrocumulus

Precipitação Constante Pancadas de chuva

(Sol parcialmente visível)

(Auréola ao redor do Sol)


• altostratus: São nuvens esparsas, formadas por cristais de gelo, que se situam a uma altitude de aproximadamente 5000 metros.

• altoCumulus: Refere-se a conjuntos de nuvens pequenas e arredondadas, que podem dar ao céu um aspecto de um rebanho de carneiros, situando-se a uma altitude semelhante às altostratus.

• Cirrostratus: Têm aparência contínua de um lençol esbranquiçado fino que, por vezes, pode cobrir grandes extensões do céu.

• CirroCumulus: Da mesma forma que as altocumulus, as cirrocumulus se constituem em conjuntos de blocos de nuvens, contudo, menores e numa altitude maior (superior a 6000 metros).

• Cirrus: SÃO NUVENS Muito altas (8000 metros), finas, formadas por cristais de gelo, com aparência de cabelos brancos.

Conforme é bem conhecido, as nuvens se formam a partir da evaporação da água contida na superfície da Terra, contudo, as nuvens não são predominantemente consti-tuídas de água na forma de vapor, mas na forma líquida e mesmo sólida (gelo), uma vez que é baixa a temperatura da atmosfera nas altitudes típicas de nuvens. Uma vez que as moléculas de água são eletricamente polares, elas são capazes de se atraírem, formando gotículas ou mesmo pequeninos flocos de neve. Em outras palavras, as cargas elétricas positivas e negativas constituídas pelos núcleos (positivos) e elétrons (negativos) das moléculas não estão distribuídas uniformemente, o que faz com que cada molécula possua uma extremidade com uma carga negativa maior e a outra extremidade com uma maior carga positiva. Isso faz com que as moléculas possam “grudar” umas nas outras. Desta forma, uma nuvem é constituída por pequenas gotículas (que dão a uma nuvem um aspecto acinzentado) ou flocos de neve (aspecto branco). Contudo, o vento e a turbulência do ar fazem com que tais gotículas/flocos não sejam grandes o suficiente para precipitarem em direção ao solo.

Como as moléculas dos gases que constituem o ar têm energia e estão em mo-vimento, elas se chocam contra qualquer corpúsculo que esteja em suspensão no ar, fazendo com que ele não se precipite imediatamente em direção ao solo, por efeito da gravidade, e também com que o tempo que permanece em suspensão seja inversamente proporcional à sua massa, ou tamanho. Assim, corpúsculos tão pequenos quanto um micrômetro (1 µm = 10-6 m), ou menores, podem permanecer longos períodos de tem-po em suspensão no ar. Os corpúsculos que têm essas propriedades são denominados aerossóis.

Há diversos tipos de aerossóis, como os corpúsculos constituintes da fumaça e da poluição industrial; partículas de sais, matéria orgânica exalada pela vegetação, poeira e as próprias gotículas de água em suspensão.

Existe uma importante relação entre os aerossóis e a chuva. A precipitação (ou mesmo nevasca) somente é possível se as gotículas de água (ou flocos de neve) se aglo-merarem, formando um conjunto cuja massa seja suficientemente grande para preci-pitar. Os aerossóis desempenham o papel de núcleos de aglutinação cujo resultado é a formação de uma gota, ou granizo ou um floco de neve, que constitui a chuva ou a nevasca. Contudo, não é qualquer tipo de aerossol que pode desempenhar esse papel.

tipos de nuVens, de aCordo Com sua altitude. imagem: thomson higher eduCation (traduzido).


fE n ô m E n o s at m o s f é r i C o s

A atmosfera da Terra não é estática. Uma série de fenômenos dinâmicos se pro-cessam concomitantemente, fazendo com que o ar esteja permanentemente em movi-mento. Cada um desses fenômenos possui características próprias, com agentes dife-renciados. Nesta seção, alguns dos principais serão brevemente descritos.

Na tabela de calores específicos exposta na seção “partição de energia na atmos-fera”, pode ser verificado que diferentes materiais possuem diferentes capacidades de absorver e emitir energia. Conforme já foi comentado, a água possui alta capacidade calorífica, o que significa que ele se aquece e resfria mais lentamente que outros ma-teriais, em particular o próprio solo. Isso faz com que a água do mar e de lagos esteja mais quente, no início da noite, que o solo e, no início do dia, mais fria. A troca de calor entre água/ar e solo/ar faz com que o ar sobre a água também esteja mais quente que o ar sobre o solo no início da noite. Isso provoca uma corrente de ar ascendente sobre a água, formando uma zona de baixa pressão. Já sobre a terra (mais fria) forma-

desloCamento de ar oCeano/terra (brisa). imagem: wikipédia.

Normalmente, os aerossóis emitidos pelas árvores se constituem em bons núcleos de aglutinação, contribuindo para que, por exemplo, as chuvas sejam intensas sobre as florestas tropicais. Outros tipos de aerossóis têm um papel inverso: o de inibir chuvas.

É o caso, por exemplo, dos aerossóis constituintes das queimadas.Outro papel importante das nuvens tem aspecto radiativo, ou seja,

nuvens brancas refletem a luz do Sol e nuvens escuras absorvem radia-ção solar, transformando em calor. Isso faz com que, dependendo das circunstâncias, as nuvens têm papel de aquecer ou esfriar uma deter-minada porção de ar. A contribuição das nuvens no balanço global de energia da Terra ainda não é bem conhecida, contudo, levando-se em conta que as nuvens mais altas sejam de aparência esbranquiçada e que, vista do espaço, a Terra apresenta uma cobertura de nuvens relativa-mente clara, há que se concluir que, de um modo geral, as nuvens de-vem ter um papel relevante em tornar a temperatura global na superfície do planeta mais fria do que em condições onde não houvesse nuvens.

at i v i d a d E

Descreva o que pode ocorrer com a intensidade de chuvas na região amazô-nica com o desmatamento e intensificação do número de queimadas, explicitando os processos que influenciam o índice pluviométrico.

ar frio ar quente

pressão alta

oceano

pressão baixa

terra

brisa

ar frioar quente

pressão alta

oceano

pressão baixa

terra

brisa


Esse é um exemplo típico de que a pressão e temperatura da atmosfera da Terra não são uniformes. Como a Terra possui um movimento de rotação, algu-mas zonas de maior e menor pressão se alternam num ciclo de 24 horas. Já outras dependem da latitude, uma vez que a in-cidência da radiação solar é mais direta nas regiões do equador que nos pólos.

A rotação da Terra também pro-voca um fenômeno denominado Efeito Coriolis, em homenagem a Gaspard-Gustave Co-riolis (1792-1843), o qual descobriu que este mo-vimento influencia a direção do deslocamento do ar. Devido a esse efeito, os furacões no hemisfério norte tendem a rotacionar no sentido anti-horário, quando vistos de fora da Terra, enquanto que os ciclones no hemisfério sul tendem a girar no senti-do horário. Isso pode ser compreendido intuitiva-mente imaginando o que acontece com uma subs-tância gasosa (ou seja, mais ou menos livre para se mover) sobre uma esfera girante.

A geração de furacões e ciclones na atmosfera é um processo que advém de um valor de energia relativamente grande presente numa certa quan-tidade de ar. Quando essa energia ultrapassa cer-to valor limite, parte desse valor é convertido em energia cinética das moléculas de ar, formando o furacão. Isso em geral acontece quando a superfície (do solo ou do mar) se encontra numa significativa diferença de temperatura em relação à troposfera como um todo. Nessas condições, comumente há forte deslocamento de ar ascendente, o que provo-ca uma movimentação intensa de ar, originando o fenômeno.

CiClone Catarina – 27 de março de 2004. Foto: wikipédia.

FuraCão katrina – 29 de agosto de 2005.Foto: wikipédia.

-se uma corrente descendente de ar, con-comitantemente com uma zona de alta pressão. Consequentemente, haverá nes-se horário um deslocamento de ar, vinda da terra para a água, constituindo o que normalmente é chamado de brisa.


Os furacões e ciclones podem atingir um diâmetro de alguns milhares de quilô-metros (ver figuras), durando cerca de 3 a 5 dias para se dis-sipar. Durante esse período, eles podem se deslocar mi-lhares de quilômetros quase que invariavelmente de leste para oeste, devido à rotação da Terra. Normalmente tais fenômenos são originados so-bre a água do mar. Próximo à superfície, eles se manifestam na forma de tempestades e ventos superiores a 100 km/h.

Outra classe de fenômenos semelhante é a dos tornados. Normalmente represen-tam tempestades de menor extensão geográfica, mas de alta intensidade, manifestan-do-se, próximo da superfície, na forma típica de um cone. Provocam danos localizados, mas intensos.

Danos provocados por fenômenos atmosféricos não são significativos apenas quando a atmosfera se torna turbulenta e com ventos fortes. Em determinadas cir-cunstâncias pode ocorrer o contrário, ou seja, a atmosfera se tornar, localmente, ex-tremamente estática. É o caso, por exemplo, das inversões térmicas. Normalmente, na troposfera, a temperatura diminui com a altitude, numa proporção de 6 a 10 graus por quilômetro. Isso gera correntes ascendentes típicas que têm um importante papel na dispersão de poluentes. Contudo, sob certas condições, o gradiente de temperatura pode se inverter. Isso pode ocorrer, por exemplo, nas grandes cidades, onde na super-fície existe uma grande quantidade de construções (concreto, cimento, tijolos). Tais materiais têm baixa capacidade calorífica, o que significa que se resfriam muito rápido no início da noite. Como a dispersão de calor através do ar pode não se dar de forma tão rápida quanto o resfriamento do concreto, forma-se uma camada de ar próxima da superfície mais fria que para altitudes acima de 1 km, ou ainda menores. Nessas con-dições, cessam-se as correntes ascendentes e a dispersão de poluentes, constituindo um problema para a saúde pública.

tornado Categoria F3 FotograFado em dakota do sul, eua.Foto: Carsten peter, national geographiC


desenho mostrando o perFil dos Ventos predominantes sobre a su-perFíCie da terra. Figura: http://oCeanmotion.org.

desenho esquemátiCo mostrando as prinCi-

pais Células de rota-ção da atmosFera. o

tamanho das Células Foi eXagerado para

permitir a Visualização. na Verdade, elas são eXtremamente Finas,

situadas no interior da Fina Camada atmosFéri-Ca que enVolVe a terra.

Fonte: wikipedia.

C i r C u l a ç ã o g E r a l d a at m o s f E r a

Outro resultado do efeito Coriolis é que a di-reção predominante dos ventos depende da latitude. Estudos em laboratório demonstraram que, em ga-ses contidos em recipientes em rotação, há o apare-cimento de “células” girantes, ou seja, é estabelecida uma dinâmica em que partes do gás rotacionam em sentidos diferentes. O número de células depende da velocidade de rotação, da temperatura (energia) e das características do gás. Na atmosfera da Terra, de-vido a sua velocidade de rotação, incidência de radiação solar e efeito Coriolis, existem três células principais em cada hemisfério (embora outras células menores não permanen-tes apareçam frequentemente dependendo das condições ambientais): as células Polar, a de Ferrel e a de Hadley (ver figura). A primeira, como o nome já sugere, existe na região polar, a última na região equatorial e a segunda em latitudes intermediárias. O sentido de rotação das células faz com que, próximo à superfície, o vento predominante se desloque, no hemisfério sul, para o norte na região polar, para o sul na região inter-mediária e para o norte na região tropical.

Além de serem influenciados pelas células Polar, de Ferrel e Hadley, os ventos atmosféricos predominantes são influenciados diretamente pela força de Coriolis, que

é tão mais intensa quanto mais próxima dos polos, fa-zendo com que as correntes predominantes de

ar nas proximidades da superfície tenham uma forma sinuosa, tal qual represen-

tada na figura.Tal perfil do vento influencia

o clima e a cobertura de nuvens, cujo formato, sobre o Brasil, tem um perfil predominante de um alongamento orientado como uma faixa que se estende de no-roeste a sudeste, num formato se-

melhante ao das setas indicadas na figura (ver imagens de satélite).


Outros fatores, no entanto, podem in-fluenciar regionalmente a direção e o sentido predominantes dos ventos. Na região Centro-Oeste, por exemplo, que se situa na faixa entre 0 e 30° de latitude sul, os ventos predominantes, de acordo com a figura, devem ser de sudeste para noroeste. Contudo, a presença da Flores-ta Amazônica ao norte influencia significati-vamente o sentido do deslocamento do vento. O solo amazônico possui grande quantidade de água devido ao alto índice pluviométrico da região e também devido ao grande poder de retenção de água representado pela rede de raízes das árvores de grande porte da floresta. As árvores, além de contribuírem para o alto índice pluviométrico devido à emissão de aeros-sóis que constituem núcleos de aglutinação para a formação de gotas de chuva, liberam para a atmosfera, por meio do processo de evapotrans-piração, uma grande quantidade de gotículas de água que, ao se transformarem em vapor no ar, absorvem grande quantidade de energia, cons-

tituindo o fluxo de calor latente, que, em condições típicas, resfria o ar a uma taxa média diária de aproximadamente 100 Joules por segundo por metro quadrado. Esse processo torna a massa de ar sobre a Amazônia mais fria que a da região do cerrado centro-oeste, fazendo com que ventos de noroeste para sudeste sejam comuns na região.

Outro fator que influencia globalmente os ventos é o fato de que, da mesma forma que existem células rotacionais na atmosfera, há regiões com diferentes níveis de pres-

são. A pressão de uma dada região é influencia-da pela presença de superfície sólida ou presença dos oceanos, bem como incidência de radiação solar, presença de vegetação e pelos padrões es-tabelecidos pela força de Coriolis. Em geral, as zonas de alta pressão se situam predominante-mente sobre o mar (cores vermelha e alaranja-da na figura). Sobre os continentes, regiões de alta pressão estão associadas com a presença de desertos, como o deserto do Saara no norte da África, por exemplo (ver mapa), bem como o deserto do Gobi no centro da Ásia e sudeste da Austrália. Deve-se levar em conta que, como os ventos sopram de regiões de maior para menor pressão, as chuvas têm dificuldade em chegar a regiões de alta pressão.

imagem de satélite reConstituída da Cobertura de nuVens em 26 de abril de 2007 sobre a amériCa do sul. imagem de satélite: CpteC/inpe.

imagem de satélite reConstituída mostrando a Co-bertura de nuVens em 29 de maio de 2009. imagem de satélite: bhtempo.blogspot.Com.


No Brasil, a aridez do sertão nor-destino brasileiro também está asso-ciada à presença de uma região de alta pressão. Na figura da América do Sul, nesta seção, há uma série de linhas re-presentando isobáricas, ou seja, conjun-to de pontos onde a pressão assume um mesmo valor. Observe como há uma zona de alta pressão entre as regiões nordeste e centro-oeste no dia 14 de março de 2010. Muito provavelmente, não houve chuvas nesse local durante esse dia.

mapa da pressão atmosFériCa global ao níVel do mar no dia 14 de março de 2010. imagem: Florida state uniVersitY.

Algumas zonas de alta pressão são relativamente estáveis, outras se deslocam de lugar até algumas centenas de quilômetros durante o ano e outras, ainda, desaparecem e dão lugar a zonas de baixa pressão. É o caso, por exemplo, das zonas que dão lugar às monções, chuvas de alta intensidade que se concentram no verão asiático.

linhas isobáriCas so-bre a amériCa do sul. notar a região de alta pressão, 1020 mb, que, em 14/03/2010, se enContraVa entre as regiões nordeste e Centro-oeste. imagem: www.FindloCalweather.Com

zonas de alta (h) e baiXa (l) pressão na superFíCie da terra em Janeiro (esquerda) e Julho (direita). note que, enquanto que as três regiões prinCipais de alta pressão no hemisFério sul ConserVam suas posições (embora mudem de tamanho), na parte Central da ásia, há uma zona de alta pressão em Janeiro que é substituída por uma zona de baiXa pressão em Julho. imagem: www.andaman.org.


at i v i d a d E

Produza um texto descrevendo o clima nas diversas regiões brasilei-ras, bem como os fatores que os influenciam.


r E f E r ê n C i a s b i b l i o g r á f i C a s

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estudando sobre o planeta terra

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