Aula 4 – Química da Atmosfera

Profa. Lílian Silva

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

Depto. de Química

Juiz de For a, 2018

Química do Meio Ambiente

Atmosfera A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a

Terra, sendo formada de diferentes gases.

Formação ? No início da formação do planeta Terra, a atmosfera era composta

basicamente por gases - Metano, amônia, nitrito, vapor de água e gás carbônico - resultantes das constantes erupções e colisões de meteoros na superfície da Terra primitiva.

Em uma segunda fase, surgem os primeiros organismos vivos que realizam fotossíntese absorvendo o gás carbônico da atmosfera e transformando-o em oxigênio.

6 CO2 + 12 H2O C6H 12O6 + 6 O2 + H2O

(Glicose)

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

Atmosfera

A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse período a atmosfera sofreu modificações que permitiram a vida em nosso planeta.

Tabela 1 - Dados da provável composição da atmosfera terrestre antes e após o aparecimento de vida em nosso planeta

Gás Vênus Marte Terra* Terra

CO2 96,5 95 98 0,035

N2 3,5 2,7 1,9 79

O2 Traços 0,13 Traços 21

Argônio Traços 1,6 0,1 1,0

*Composição provável antes do aparecimento da vida no planeta

Atmosfera Nossa atmosfera está em constante modificação: somente a

essas modificações podemos ter vida em uma atmosfera tão

oxidante

21% de oxigênio coexistindo com espécies reduzidas como

metano, amônia, monóxido de carbono e óxido nitroso

A composição geral é resultado da “vida”

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

Atmosfera

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

meteorológicos

- Moléculas de O3

- T de - 60 até 00C (abs de UV)

- Menos moléculas - T chegam a – 1000C

(camada mais fria)

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

alta energia)

Ordem e dimensão das camadas:

Co

mp

osi

ção

gas

osa

de

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a:

Ultra

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Atmosfera

A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a Terra, sendo formada de diferentes gases.

A atmosfera, entre outras funções protege a superfície da Terra:

Impactos de corpos celestes (meteoros) Mantêm parte do calor solar impedindo sua imediata irradiação para

o espaço. Impede variações bruscas de temperaturas permitindo a vida

terrestre.

Atmosfera Troposfera Fundamental para a sobrevivência dos seres vivos aeróbios

Concentra a maioria dos estudos sobre poluição

Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera

Composição: diferentes quantidades de materiais líquidos e sólidos em suspensão, que entram na atmosfera de forma natural (vulcões, queimadas) ou antropogênica (poluição)

Gases*

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

Substâncias Concentração em ppm Concentração em µg/m3

Nitrogênio (N2) 780 840.00 8.95 x 108

Oxigênio (O2) 209 460.00 2.74 x 108

Argônio (Ar) 9 340.00 1.52 x 107

Dióxido de Carbono (CO2) 315.00 5.67 x 105

Neônio (Ne) 18.00 1.49 x 104

Hélio (He) 5.20 8.50 x 102

Metano (CH4) 1.20 7.87 x 102

Criptônio (Kr) 1.10 3.43 x 103

Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50 9.00 x 102

Hidrogênio (H2) 0.50 4.13 x 101

Xenônio (Xe) 0.08 4.29 x 102

Existem também milhares de

constituintes-traço 170 tipos de

interações químicas (estimativa)

(*) Composição média do ar seco no nível do mar

(SEINFELD, 1984)

Atmosfera

“A partir de meados do século XVIII, com a Revolução Industrial, aumentou muito a poluição do ar. A queima do carvão mineral despejava

na atmosfera das cidades industriais européias, toneladas de poluentes. A partir deste momento, o ser humano teve que conviver com o

ar poluído e com todas os prejuízos advindos deste "progresso". Atualmente, quase todas as grandes cidades do mundo sofrem os efeitos

daninhos da poluição do ar. Cidades como São Paulo, Tóquio, Nova Iorque e Cidade do México estão na lista das mais poluídas do

mundo”

Ação humana chuva ácida, efeito estufa e depleção da camada de ozônio

na Troposfera na

Estratosposfera

Atmosfera

Exemplos de FATOS HISTÓRICOS relacionados à POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA:

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

Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=blyN42zpAYM

Out. 1948 o mesmo em Donova, Pensilvânia (EUA): 20 mortos e quase metade da população (6000 pessoas) doente

Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=IKDpNTNm1Cc

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

Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=pX4uqLIJn5c

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

Atmosfera

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

poluição

(América Latina, Ásia e África eventos freqüentes)

No BRASIL graves problemas ocorreram na cidade de Cubatão:

“Vale da Morte” na década de 1980

HOJE: “Cidade-símbolo da Recuperação Ambiental”!

Mais detalhes: http://colunas.revistaepoca.globo.com/planeta/2012/08/14/como-

cubatao-deixou-de-ser-o-vale-da-morte/

Atmosfera Contexto econômico e ambiental da poluição atmosférica:

1) O crescimento populacional altera constantemente a atmosfera

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

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

• Substituindo/removendo a cobertura natural que barram os ventos

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

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

Atmosfera

2) Existência de diferentes tipos de poluentes

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

Atmosfera (Efeitos da Poluição)

Poluentes: características gerais

Partículas

Partículas maiores concentram-se próximas ao solo (gravidade)

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

Gases poluentes danificar as construções e afetam o clima por meio de reações químicas que ocorrem na atmosfera

Problemas de saúde ...

Os poluentes atmosféricos têm efeitos sobre a saúde !

PARTÍCULAS FINAS alergias respiratórias em geral, silicose e câncer de pulmão Espirros, tosse, dor de garganta, bronquite PARTÍCULAS “ORGÂNICAS” câncer, mutação genética e malformação de fetos EMISSÕES GASOSAS EM GERAL Agravamento das alergias respiratórias Dor de cabeça Falta de ar Arritmia “Chuva ácida” ... Irritação nos olhos e Redução de visibilidade

Dispersão atmosférica de contaminantes

O termo dispersão atmosférica é usado para referir-se ao espalhamento de poluentes gasosos devido aos efeitos convectivos e turbulentos do escoamento atmosférico. A dispersão é resultado de mecanismos de transporte rápidos e irregulares Os contaminantes quando introduzidos no ar, são transportados pelo vento e simultaneamente se misturam na atmosfera turbulenta. Durante a dispersão: os contaminantes podem sofrer reações químicas que os transformam de contaminantes primários (procedentes diretamente das fontes de emissão) em contaminantes secundários (originados por reações químicas entre os contaminantes primários e os componentes normais presentes na atmosfera)

Podem ser depositados no solo por via seca ou úmida.

Dispersão atmosférica de contaminantes

• Deposição úmida

• Deposição seca

• Reação química de partículas ou gases

Os contaminantes do ar podem ser removidos da atmosfera por três mecanismos a saber:

Dispersão atmosférica de contaminantes

Um outro problema: A dispersão atmosférica de contaminantes leva os contaminantes para outros locais (distantes das fontes)

Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

Substâncias persistentes (origem natural ou não) podem ficar “circulando” no ambiente

Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

Exemplos de alguns poluentes importantes na atmosfera

1) Poluentes gasosos

Atmosfera 2) Poluentes (particulados e gasosos) de acordo com a fonte

FONTE PARTICULADOS EMISSÕES GASOSAS

Caldeiras e fornos industriais

Cinzas e fuligem NOX, SO2, CO, aldeídos, Ácidos orgânicos,

benzopireno

Motores de combustão interna

Fuligem CO, NOX, aldeídos, hidrocarbonetos,

benzopireno

Metalurgia e química do coque

Pó e óxidos de ferro NOX, SO2, CO, NH3, compostos de flúor,

substâncias orgânicas

Indústria alimentícia pó NH3, H2S, misturas multicomponentes de compostos orgânicos

Alguns exemplos ...

Transformações químicas na atmosfera

• Atmosfera REATOR

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

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

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

Tempo de residência

Taxa de entrada

da espécie

Taxa de saída

da espécie

Taxa de introdução ou emissão da espécie

Taxa de remoção

da espécie

Taxa de acumulação

da espécie em um volume imaginário

+ - - =

Principais Fontes de Poluição

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

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

Principais Fontes de Poluição Poluentes Primários

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

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

• Óxidos Nitrosos (NOx) vermelho-amarronzado, reduz a visibilidade. Formado quando há oxidação de componentes nitrosos ( NO NO2); altas concentrações: problemas no coração e pulmões. Em presença de umidade: HNO3 (ácido nítrico)

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

Principais Fontes de Poluição Poluentes Primários

• Material Particulado

Principais Fontes de Poluição • Material Particulado

Principais Fontes de Poluição Poluentes Secundários

• produzidos na atmosfera quando ocorrem certas reações químicas de poluentes primários em contato com a luz solar e geram centenas de componentes químicos danosos reações fotoquímicas

– Ozônio (O3) na troposfera é altamente danoso. Formado a partir de hidrocarbonetos inexistentes na estratosfera (assim como o átomo de O inexiste na troposfera).

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

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

• HNO3 (ácido nítrico)

• H2SO4 (ácido sulfúrico), ...

Ciclos biogequímicos Os ciclos biogeoquímicos são processos naturais que por diversos meios reciclam vários elementos em diferentes formas químicas do meio ambiente para os organismos E depois, fazem o processo contrário, ou seja, trazem esses elementos dos organismos para o meio ambiente. Um ciclo biogeoquímico pode ser entendido como sendo o movimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra.

Os caminhos percorridos ciclicamente entre o meio abiótico e o biótico pela água e por elementos químicos conhecidos, como C, S, O, P, Ca e N, constituem os chamados ciclos biogeoquímicos.

Ciclos biogequímicos

O estudo desses ciclos se torna cada vez mais importante, como, por exemplo, para avaliar o impacto ambiental que um material potencialmente perigoso, possa vir a causar no meio ambiente e nos seres vivos que dependem direta ou indiretamente desse meio para garantir a sua sobrevivência.

Ciclos biogequímicos

Principais:

– Ciclo do carbono (CO2)

– Ciclo do nitrogênio (NxO, NOx)

– Ciclo do enxofre (SOx,H2S e (CHx)yS)

Ciclo do Carbono

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

Ciclo do Carbono O carbono é um elemento químico de grande importância para os seres vivos, pois participa da composição química de todos os componentes orgânicos e de uma grande parcela dos inorgânicos também. O gás carbônico se encontra na atmosfera numa concentração bem baixa, aproximadamente 0,03% e, em proporções semelhantes dissolvido na parte superficial dos mares, oceanos, rios e lagos.

Removido da atmosfera pela fotossíntese, o carbono do CO2 incorpora-se aos seres vivos quando os vegetais, utilizando o CO2 do ar, ou os carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água, realizam a fotossíntese. Dessa maneira, o carbono desses compostos é utilizado na síntese de compostos orgânicos, que vão suprir os seres vivos.

Um outro mecanismo de retorno do carbono ao ambiente é por intermédio da combustão de combustíveis fosséis (gasolina, óleo diesel, gás natural). Além desse, a queima de florestas é uma outra forma de devolução, mas vale ressaltar que esse método pode acarretar sérios danos ao ambiente, ocasionando grandes variações no ecossistema global do planeta. Ex: Queima de combustíveis fósseis Aumenta em ~4,3% ao ano a emissão de Carbono na atmosfera

Ciclo do Carbono

Ciclo do Carbono CO2 atmosférico:

monitoração desde 1750 (Siple Station) até os dias atuais (Mauna Loa, desde 1958)

https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/full.html, acessado 19-09-17

Ciclo do Nitrogênio O nitrogênio é um elemento químico que entra na constituição de duas importantíssimas classes de moléculas orgânicas : proteínas e ácidos nucleicos.

Embora esteja presente em grande quantidade no ar (cerca de 79%), na forma de N2 , poucos seres vivos os assimilam nessa forma.

Apenas alguns tipos de bactérias, conseguem capturar o N2, utilizando-o na síntese de moléculas orgânicas nitrogenadas.

O nitrogênio utilizável pelos seres vivos é o combinado pelo hidrogênio na forma de amônia (NH3)

A transformação de N2 em NH3 é chamada de fixação. Fenômenos físicos, como os relâmpagos e faíscas elétricas, são processos fixadores de nitrogênio. A produção de amônia por esses fenômenos atmosféricos é pequeniníssima, sendo praticamente negligenciável em face às necessidades dos seres vivos. A fixação de nitrogênio por esses meios é denominada fixação física.

Outra forma de fixação de nitrogênio é a fixação industrial, realizada por indústrias de fertilizantes, onde se consegue uma elevada taxa de fixação de nitrogênio. 3/2 H2 + ½ N2 NH3 (Haber-Bosch)

Ciclo do Nitrogênio

Quando os decompositores começam a atuar sobre a matéria orgânica nitrogenada (proteínas do húmus, por exemplo), liberam diversos resíduos para o ambiente, entre eles a amônia (NH3).

Ciclo do Nitrogênio

Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido de amônio que ionizando-se produz o íon amônio (NH4

+) e hidroxila.

NH3 + H2O NH4OH NH4+ + OH-

A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos nitrogenados, que por sua vez são liberados para o ambiente ou oxidados a nitrato.

A conversão dos íons amônio em nitrito e nitrato é conhecida por Nitrificação , que ocorre pela ação de bactérias nitrificantes.

O processo de nitrificação pode ser dividido em duas etapas:

Nitrosação : A amônia é transformada em nitrito (NO2–):

2 NH3 + O2 2HNO2 + 2 H2O + Energia

Nitração : Ocorre a transformação do íon nitrito em íon nitrato (NO3

–): 2HNO2 + 2O2 2HNO3 + Energia

Os nitratos, quando liberados para o solo, podem ser absorvidos e metabolizados pelas plantas.

Ciclo do Nitrogênio

Assim, o ciclo do nitrogênio envolve três processos: • Nitrosação: Conversão de íons amônio em nitritos; • Nitração: Conversão de nitritos em nitratos; • Nitrificação: Conversão de íons amônio em nitratos.

• Desnitrificação: NO3- NO2

- NO N2O N2

Aparentemente indesejável, a desnitrificação é necessária porque, se não ocorresse, a concentração de nitratos no solo aumentaria de maneira desastrosa.

Ciclo do Nitrogênio

Ciclo do Nitrogênio

Ciclo do Enxofre O enxofre apresenta um ciclo que passa entre o ar e os sedimentos, sendo que existe um grande depósito na crosta terrestre e nos sedimentos e um depósito menor na atmosfera.

No reservatório terrestre

Os microrganismos têm função preponderante, pois realizam a oxidação ou redução química.

Dessas reações, resulta a recuperação do enxofre dos sedimentos mais profundos.

Na crosta e na atmosfera, paralelamente, ocorrem processos geoquímicos e meteorológicos, tais como erosão, ação da chuva, além de processos biológicos de produção e decomposição.

Ciclo do Enxofre Os sulfatos (SO4

−) constituem a forma mais oxidada, sendo incorporada pelos organismos autótrofos para fazerem parte da constituição das proteínas, pois o enxofre é constituinte de certos aminoácidos. O dióxido de enxofre (SO2) normalmente constitui um passo transitório no ciclo.

Na maioria dos ambientes aparece uma concentração relativamente

baixa desse composto

-Todavia, com o aumento da poluição industrial, cada vez mais são produzidos óxidos de enxofre, que, por sua vez, afetam esse ciclo. - Com as emissões industriais, a concentração de automóveis e a queima de carvão nas termoelétricas, o SO2 tem sido encontrado cada vez em maior concentração no ambiente, principalmente em grandes centros urbanos.

Ciclo do Enxofre

Ciclo do Enxofre

Ciclo do Enxofre • Enxofre Diferentes estados de oxidação (-2 até +6)

• Compostos de enxofre:

– SO2 combustão - combustíveis fósseis

(atividades antropogênicas grandes quantidades)

Hemisfério Norte maior concentração do que no hemisfério Sul

(países ricos queimam mais combustíveis fósseis)

– H2S águas ou regiões úmidas do continente (condições anaeróbias)

– DMS (Dimetilsulfeto) emitidos por fitoplancton na superfície do oceano

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

Quando as partículas tem diâmetro < 10 µm (MP10)constituem o “aerossol de sulfato” podem penetrar nos pulmões e causar doenças respiratórias (sulfatos provenientes de poluição)

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

Referências

- Rocha, J. C; Rosa, A. H. e Cardoso, A. A, Introdução à Química Ambiental, Porto Alegre Bookman, 2004 - Baird, C. Química Ambiental; Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera, 2 ed, Porto Alegre, Bookman, 2002 - http://biologiatualizada.blogspot.com.br/2012/01/fotossintese.html, acessada 22-06-13 - http://www.brasilescola.com/historiag/revolucao-industrial.htm, acessado 22-06-13 - http://envolverde.com.br/saude/qualidade-do-ar/poluicao-do-ar-mata-pelo-menos-dois-milhoes-de-pessoas-por-ano-no-mundo-diz-oms/, acessado 23-06-13 -Nascentes, C. C; Costa, L. M. Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011 -Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e Tempo de Vida. Monografia. UFES

- Mozeto, A. Química Atmosférica: A química sobre nossas cabeças. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola. 2001 -Miller, G. T. Ciência Ambiental, São Paulo: Thomson Learning, 2007.

-Rosa, R. S., Messias, R. A., Ambrozini, B., Rezende, M. O., Importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável, Universidade de São Paulo e Instituto de Química da São Carlos, São Carlos, 2003.