Interacção da Radiação com a Matéria
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- Pedro Henrique Franca Mascarenhas
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1 Interacção da Radiação com a Matéria Já sabemos que: As radiações eletromagnéticas têm comportamento ondulatório e corpuscular. Cada radiação apresenta as suas características individuais; Os corpúsculos de luz denominam-se fotões; Cada fotão transporta um quantum de energia; Os corpos emitem radiações e, quanto maior for a sua temperatura maior será a energia das radiações emitidas. A temperatura à superfície do Sol é 6000ºC logo emite essencialmente na zona do visível. Felizmente só uma parte da luz do Sol atravessa a atmosfera alguns gases da atmosfera funcionam como filtros solares.
2 Interacção da Radiação com a Matéria Dependendo dos materiais com os quais vai interagir a radiação pode sofrer um dos 3 fenómenos: O que acontece quando a radiação solar atinge a atmosfera da Terra? Absorvida Refletida Transmitida A absorção de energia pelas espécies (átomos, moléculas ou iões), dependendo da energia que absorvem pode conduzir à: excitação das espécies (troposfera e estratosfera); ionização (essencialmente na ionosfera)
3 Interacção da Radiação com a Matéria O que sucede aos átomos e às moléculas excitadas? Tornam-se mais reativas. Podem reagir com outras moléculas, ionizar-se, decompor-se originando iões ou radicais, etc.
4 Formação de radicais Energia de dissociação Para se dissociar, cada molécula precisa de um valor mínimo de energia, que se chama energia de dissociação.
5 A radiação UV é uma gama importante do espetro eletromagnético. Estratosfera O 2 ; O 3 Termosfera O 2 ; N 2 termosfera Aging - envelhecimento Burning - queimadura
6 Radiação ultravioleta Radiação UV-A: é a menos energética. É pouco retida pela atmosfera e penetra na pele humana, podendo causar danos em profundidade. Radiação UV-B: é perigosa para o ser humano, sendo responsável pelas queimaduras solares (eritreia). É retida em grande parte pelo ozono (O 3 ) estratosférico e também pelo oxigénio (0 2 ) Radiação UV-C: é a mais energética e, por isso, a mais perigosa para o ser humano. Felizmente é praticamente toda absorvida pelo oxigénio (0 2 ) e azoto (N 2 ) presentes na termosfera.
7 Radiação infravermelha A radiação IV também é uma gama importante do espetro eletromagnético. Parte da radiação IV proveniente do Sol é filtrada pelo vapor de água (H 2 0) e dióxido de carbono (C0 2 ) existente na atmosfera. Estes dois gases desempenham um papel fundamental no efeito de estufa.
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9 Efeito de Estufa 1. A radiação visível e parte da radiação UV atravessam a atmosfera e incidem na Terra aquecendo a sua superfície. 2. Como resultado desse aquecimento a superfície terrestre emite energia sob a forma de radiação IV. 3.Os gases com efeito de estufa (GEE) que deixam passar a radiação solar vão contudo absorver grande parte da radiação IV emitida pela Terra ocorrendo a excitação das moléculas desses GEE.
10 Consequências do efeito de estufa Parte da radiação (IV) resultante da desexcitação do CO 2 é reemitida para o exterior mas outra parte é enviada para a superfície da Terra o que contribui para um acréscimo da sua temperatura.
11 Principais Gases com efeito de estufa O Protocolo de Quioto determina sete gases cujas emissões devem ser reduzidas: CO 2 - Dióxido de Carbono N 2 O - Óxido nitroso CH 4 - Metano CFCs Clorofluorcarbonetos HFCs - Hidrofluorcarbonetos PFCs - Perfluorcarbonetos SF 6 - Hexafluoreto de enxofre Toronto Conference on the Changing Atmosphere, no Canadá (outubro de 1988)
12 Parâmetros que influenciam a temperatura da atmosfera A temperatura da atmosfera depende de dois parâmetros: Da proximidade em relação ao solo. Das radiações solares que a atravessam. Ao entrarem na atmosfera terrestre, as radiações colidem com as partículas aí existentes, transferindo para elas a energia que transportam.
13 Efeitos produzidos pela absorção de energia A absorção de energia pode causar dois efeitos: Efeito térmico. As partículas utilizam a energia absorvida para aumentar a sua energia cinética, o que faz aumentar a sua temperatura. Efeito químico. As partículas absorvem a energia das radiações a qual servirá para desencadear reações químicas.
14 Efeito químico da radiação solar As partículas absorvem as radiações solares que servem para: - quebrar ligações dentro das moléculas. - ionizar átomos ou moléculas. Estas reacções químicas desencadeadas pela acção da luz chamam-se reacções fotoquímicas ou fotólise.
15 Efeito químico da radiação solar As reações químicas que levam à rutura de ligações dentro das moléculas ocorrem, principalmente, na parte superior da troposfera e na estratosfera. Da dissociação destas moléculas resultam espécies muito reativas por terem um eletrão desemparelhado representado por ( ) Essas espécies chama-se radicais livres: OH O Cl Br
16 Formação de radicais λ= nm
17 Formação de radicais Na troposfera O radical OH é um dos mais abundantes na troposfera; é muito reativo; Pode desencadear reações inflamatórias, envelhecimento e a longo prazo mutações nas células. Na estratosfera No entanto os radicais OH degradam a maioria dos hidrocarbonetos na atmosfera e intervêm na formação do ozono e na conversão dos óxidos de azoto. São portanto excelentes agentes de limpeza da atmosfera. Na estratosfera formam-se radicais derivados de compostos clorados e bromados ou pela reação dos átomos de cloro com o ozono (o que diminui a camada de O 3 )
18 Formação de radicais Por ação da radiação UV A partir dos fogos florestais e dos oceanos libertam-se para a atmosfera compostos clorados como o CH 3 Cl que ao absorverem radiação UV podem formar radicais muito reativos capazes de perturbar os equilíbrios existentes na atmosfera.
19 Formação de radicais As radiações provenientes do Sol vão sendo absorvidas à medida que vão penetrando na atmosfera. A camada de Ozono estratosférico desempenha um papel importante nesta função. UV λ<240 nm Na estratosfera as radiações UV mais próximas do visível são absorvidas pelo ozono, decompondo-se este em oxigénio atómico e molecular UV λ= nm Se não existisse O 2 e O 3 as radiações UV chegariam à Terra com elevada intensidade destruindo a vida no planeta
20 As radiações absorvidas na parte de cima da troposfera têm energia suficiente para dissociar grande parte das moléculas de gases aí existentes, mas não para as ionizar. Eis a razão porque aí se formam preferencialmente radicais livres. B C A
21 Formação de iões Termosfera e Mesosfera Na Termosfera, e em menor grau na Mesosfera, as radiações absorvidas são mais energéticas, radiações UV de energia superior a 9,9 x 10-19, suficientes para formar iões. A energia radiante que ao chocar com uma molécula é superior à necessária para a ionização da molécula fica disponível para aumentar a energia cinética das partículas, Ec, após a reação fotoquímica. Assim se explica que a termosfera seja a camada da atmosfera onde as partículas atingem a temperatura mais elevada.
22 Formação de iões Termosfera e Mesosfera Para uma mesma espécie a energia de dissociação é inferior às energia de ionização dessa espécie.
23 Espécies químicas presentes na Termosfera Na Termosfera verifica-se: - A ionização das partículas existentes formação, sobretudo, de e mas também de O + ; - Aumento da energia cinética destas partículas, devido ao excesso de energia absorvida relativamente ao efeito químico, dissociação e ionização. Na termosfera para além das moléculas de e de e dos correspondentes radicais livres, há uma elevada quantidade de iões positivos e de eletrões livres daí a parte inferior da termosfera ser designada por Ionosfera.
24 Formação de iões na Termosfera A ação da atmosfera como filtro de radiação UV-C pode ser explicada por diversas reações de ionização, de átomos e moléculas que ocorrem na termosfera, como por exemplo: absorção 1313 kj/mol absorção 1205 kj/mol absorção 890 kj/mol Estas reações ocorrem à custa da absorção de energia das radiações ultravioleta e explicam a capacidade filtrante da atmosfera para as radiações UV-C. A posterior captura de eletrões por parte dos iões faz-se à custa de libertação de energia sob a forma de calor. A absorção de energia com valores superiores à energia de ionização conduz a uma maior energia dos iões e dos eletrões ejetados. Estes dois fenómenos explicam as elevadas temperaturas na termosfera IMPORTANTE
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