QUÍMICA. A Ciência Central. David P. White by Pearson Education. Capítulo 18

Transcrição

1 QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Química ambiental David P. White

2 Atmosfera da Terra A temperatura da atmosfera é uma complicada função de altitude.

3 Atmosfera da Terra Abaixo de uma altitude de 10 km (troposfera) a temperatura diminui de 290 K para 215 K enquanto a altitude aumenta. Na estratosfera (10 km - 50 km) a temperatura aumenta de 215 K para 275 K. Na mesosfera (50 km - 85 km) a temperatura diminui (275 K para 190 K) e na termosfera (> 85 km) a temperatura aumenta. A variação da pressão com a altitude é mais simples: a pressão diminui enquanto a altitude aumenta.

4 Atmosfera da Terra A 80 km a pressão é de cerca de 0,01 torr. Aos limites entre as regiões são dados o sufixo pausa. Há lenta mistura de gases entre as regiões na atmosfera. Composição da atmosfera A atmosfera terrestre é afetada pela temperatura e pela pressão, bem como pela gravidade.

5 Atmosfera da Terra Composição da atmosfera As moléculas e os átomos mais leves são encontrados em altitudes maiores. Os dois mais importantes componentes da atmosfera são o nitrogênio, i N 2, e o oxigênio, i O 2.

6 Atmosfera da Terra

7 Regiões externas da atmosfera Lembre-se E = Fotodissociação hc hν = λ logo, quanto maior a freqüência, menor o comprimento de onda e maior a energia de radiação. Para que uma reação química induzida por radiação ocorra, os fótons devem ter energia suficiente para quebrar as ligações necessárias, ái e as moléculas l devem absorver os fótons. A fotodissociação é a quebra de uma ligação química induzida por radiação.

8 Regiões externas da atmosfera Fotodissociação Na atmosfera superior, a fotodissociação provoca a formação de átomos de oxigênio: O 2 (g) + hν 2O(g) Fotoionização A fotoionização é a ionização de moléculas (e átomos) provocada pela radiação.

9 Regiões externas da atmosfera Fotoionização 1924: os elétrons foram descobertos na atmosfera superior. Portanto, os cátions devem estar presentes na atmosfera superior. A fotoionização ocorre quando uma molécula absorve um fóton de energia suficiente i para remover um elétron. Os comprimentos de onda da luz que provocam fotoionização e fotodissociação são filtrados pela atmosfera.

10 O ozônio na parte superior da atmosfera O ozônio absorve fótons com comprimento de onda entre 240 e 310 nm. A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (concentração máxima de ozônio a uma altitude de 20 km). Entre 30 e 90 km a fotodissociação de oxigênio é possível: O 2 (g)+hν 2O(g)

11 O ozônio na parte superior da atmosfera Os átomos de oxigênio podem colidir com moléclas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia, O 3 *: O(g) + O 2 (g) O 3 *(g) O ozônio excitado pode desprender energia pela decomposição em átomos e moléculas de oxigênio (a reação inversa) ou pela transferência de energia para M (geralmente N 2 ou O 2 2) ): O 3 *(g) + M(g) O 3 (g) + M*(g) O(g)+O 2 (g) O 3 *(g)

12 O ozônio na parte superior da atmosfera A formação de ozônio na atmosfera depende da presença de O(g). A baixas altitudes, a radiação com energia suficiente para a formação de O(g) é absorvida. A liberação de energia do O 3 * depende de colisões, as quais geralmente ocorrem a baixas altitudes. A associação de efeitos significa ifi a formação máxima de ozônio na estratosfera.

13 O ozônio na parte superior da atmosfera

14 O ozônio na parte superior da atmosfera Diminuição da camada de ozônio Em outubro de 1994 o mapa do ozônio presente no hemisfério sul mostrou um buraco sobre a Antártida. Em 1995 o Prêmio Nobel de química foi concedido a F. Sherwood Rowland, Mario Molina e Paul lcrutzen por seus estudos sobre a diminuição do ozônio na estratosfera.

15 O ozônio na parte superior da atmosfera Diminuição da camada de ozônio Em 1974 Rowland e Molina mostraram que o cloro dos clorofluorocarbonos (CFCs) destróem a camada de ozônio catalizando a formação de ClO e O 2.

16 O ozônio na parte superior da atmosfera Diminuição i i da camada de ozônio Na estratosfera, os CFCs sofrem quebra fotoquímica de uma ligação C-Cl: Cl: CF 2 Cl 2 (g) + hν CF 2 Cl(g) + Cl(g) (ideal a 30 km). Subseqüentemente: Cl(g) + O 3 (g) ClO(g) + O 2 (g) velocidade = k[cl][o[ 3 3], k = 7, M -1 s -1 a 298 K. Além disso, o ClO gerado também produz Cl: 2ClO(g) O 2(g) + 2Cl(g) levando à reação global 2O 3 (g) 3O 2 (g).

17 A química e a troposfera A troposfera consititui-se principalmente de O 2 e N 2. Apesar de outros gases estarem presentes em baixas concentrações, seus efeitos no ambiente podem ser profundos. Compostos de enxofre e chuva ácida O dióxido de enxofre, SO 2, é produzido pela combustão de petróleo e carvão (e por outros meios).

18 A química e a troposfera Compostos de enxofre e chuva ácida O SO 2 é oxidado em SO 3, que reage com água para produzir ácido sufúrico (chuva ácida): SO 3 (g) + H 2 O(l) H 2 SO 4 (aq) Mais de 30 milhões de toneladas de SO 2 são liberadas, por ano, na atmosfera nos Estados Unidos. Os óxidos de nitrogênio i também contribuem para a chuva ácida através da formação de ácido nítrico. Aá água da chuva normal ltem um ph Hde aproximadamente 5,6 56 (devido ao H 2 CO 3 produzido a partir do CO 2 ).

19 A química e a troposfera Compostos de enxofre e chuva ácida A chuva ácida tem um ph de aproximadamente 4, enquanto o ph de águas naturais contendo organismos vivos é de 6,5 a 8,5. Águas naturais com um ph abaixo de 4 não conseguem manter a vida. A remoção do enxofre do petróleo e do carvão antes da sua utilização é muito cara. Portanto, o SO 2 é removido do combustível com a combustão.

20 A química e a troposfera Compostos de enxofre e chuva ácida O SO 2 é normalmente removido do combustível (petróleo e carvão) da seguinte maneira: o calcário em pó se decompõe em CaO; o CaO reage com SO 2 para formar CaSO 3 em uma fornalha; o CaSO 3 e o SO 2 que não reagiram são passados em um depurador d de gás (câmara de purificação), onde o SO 2 é convertido em CaSO 3 através de jatos de CaO; o CSO CaSO 3 é precipitado it em uma pasta fluida aquosa.

21 A química e a troposfera Compostos de enxofre e chuva ácida

22 A química e a troposfera Monóxido de carbono O CO é produzido através da combustão incompleta de combustíveis. Cerca de g de CO são produzidos nos Estados Unidos por ano (principalmente i por automóveis). O CO se liga irreversivelmente ao Fe da hemoglobina. (A ligação do CO à hemoglobina é cerca de 210 vezes mais forte do que a ligação com o oxigênio.)

23 A química e a troposfera Monóxido de carbono A hemoglobina é responsável pelo transporte do oxigênio: nos pulmões, o CO 2 é liberado do Fe da hemoglobina e o O 2 se liga ao Fe (formando a oxiemoglobina); nos tecidos, o O 2 é liberado e o CO 2 se liga ao ferro; quando o CO se liga ao Fe da hemoglobina, carboxiemoglobin, COHb, ele não pode ser deslocado d pelo O 2 ou pelo CO 2 ; conseqüentemente, em concentrações suficientes, o CO pode impedir o transporte t de oxigênio i em sistemas vivos.

24 A química e a troposfera Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica A névoa fotoquímica é o resultado de reações fotoquímicas em poluentes. Nos motores de automóveis, forma-se o NO como a seguir: No ar N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) ΔH = kj 2NO(g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) ΔH = kj A 393 nm (comprimento de onda da luz solar), o NO 2 se decompõe NO 2 (g) + hν NO(g) + O(g)

25 A química e a troposfera Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica O O produzido pela fotodissociação do NO 2 pode reagir com O 2 para formar O 3, o qual é o componente-chave chave da névoa fotoquímica O(g)+O O 2 (g) +M(g) O 3 (g)+m*(g) (g). Na troposfera, o ozônio é indesejável, uma vez que O 3 é tóxico e reativo. Vapor de água, dióxido de carbono e clima Há um balanço térmico entre a Terra e suas vizinhanças.

26 A química e a troposfera Vapor de água, dióxido de carbono e clima A radiação é emitida da Terra na mesma proporção em que é absorvida pela Terra. A troposfera é transparente à luz visível. Entretanto, a troposfera não é transparente à radiação IV (calor). Portanto, a troposfera isola a Terra, fazendo com que ela pareça mais fria de fora do que na superfície.

27 A química e a troposfera Vapor de água, dióxido de carbono e clima O CO 2 e a H 2 O absorvem a radiação IV que saem da superfície terrestre. À noite, a Terra emite radiação. O vapor de água é responsável pela manutenção da radiação IV no planeta. O nível de dióxido de carbono na Terra tem aumentado nos últimos anos.

28 A química e a troposfera Vapor de água, dióxido de carbono e clima

29 A química e a troposfera Vapor de água, dióxido de carbono e clima

30 A química e a troposfera Vapor de água, dióxido de carbono e clima Grande parte do aumento é devido à queima de combustíveis. Especula-se que o aumento da concentração de CO 2 tem resultado em um aquecimento gradual da superfície terrestre. Estima-se se que entre 2050 e 2100 a concentração de CO 2 terá dobrado. Isso irá resultar em um aumento na temperatura global de 1 a 3 C.

31 O oceano do mundo Água do mar 72 % da superfície terrestre é coberta por água. O volume dos oceanos do mundo é de 1, km 3. 97,2 % da água terrestre está nos oceanos. Salinidade: massa de sais secos em 1 kg de água do mar. A salinidade média da água do mar é de aproximadamente 35. A maioria i dos elementos na água do mar estão presentes apenas em quantidades pequenas. ON NaCl, OBr - e OM Mg 2+ são obtidos comercialmente da água do mar.

32 O oceano do mundo

33 O oceano do mundo Dessalinização A água, para ser potável, deve conter menos que 500 ppm de sais dissolvidos (água pública dos Estados Unidos). Dessalinização: remoção de sais da água do mar. Método comum: osmose reversa (energia intensiva). Osmose: transporte através de uma membrana semipermeável. Osmose: passagem de moléculas de solvente. Não é recomendável para a dessalinização. Osmose reversa: sob pressão aplicada, o solvente passa de uma solução mais concentrada para uma solução mais diluída.

34 O oceano do mundo Dessalinização Em uma usina de dessalinização por osmose reversa, cada cilindro é chamado permeador. A água do mar é introduzida sob pressão e passa através das paredes de fibra, para dentro das fibras, e é separada dos íons.

35 Água doce Um adulto precisa beber cerca de 2 L de água potável por dia. Nos Estados Unidos, uma pessoa normal usa aproximadamente 300 L de água doce por dia. A indústria usa ainda mais água doce do que isso (por exemplo, cerca de 10 5 L de água são utilizados para se fabricar aço suficiente para um carro. À medida que a água flui sobre a Terra, ela dissolve muitas substâncias. Água doce normalmente contém alguns íons (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Fe 2+, Cl -, SO 2-4, e HCO 3- ) e gases dissolvidos (O 2, N 2, e CO 2 ).

36 Água doce Oxigênio dissolvido e qualidade da água A água completamente saturada com ar à 1 atm e 20 C tem 9 ppm de O 2 dissolvido nela. Os peixes de água fria necessitam de cerca de 5 ppm de oxigênio dissolvido para sobreviverem. Bactérias aeróbicas consomem oxigênio i para oxidar material orgânico biodegradável. Materiais biodegradáveis são materiais inúteis que requerem oxigênio. Por exemplo, esgoto, lixo industrial proveniente de usinas de processamento de alimentos e de fábricas de papel p e efluentes de usinas de empacotamento de carnes.

37 Água doce Oxigênio dissolvido e qualidade da água As bactérias aeróbicas oxidam material orgânco em CO 2, HCO 3-, H ), NO 3-, SO e fosfato. Uma vez que o nível de oxigênio diminui, a bactéria aeróbica não sobrevive. As bactérias anaeróbicas completam o processo de decomposição, formando CH 4, NH 3, H 2 S, PH 3 e outros produtos com odores desagradáveis. dá Eutroficação é o aumento de matéria vegetal decomposta e em decomposição resultante do crescimento excessivo de vegetais.

38 Água doce Tratamento de fontes de água municipais Existem cinco etapas: Filtração grossa. Ocorre quando a água é captada do lago, rio ou reservatório. Sedimentação. A água é deixada parada para que as partículas sólidas (por exemplo, areia) possam decantar. Adiciona-se CaO eal 2 (SO 4 ) 3 para a remoção de componentes como bactérias. Isso produz um precipitado ii gelatinoso de Al(OH) 3, que se deposita lentamente, carregando consigo pequenas partículas.

39 Água doce Tratamento de fontes de água municipais Filtragem de areia. A água é filtrada através de um manto de areia para remover o Al(OH) 3 e o que tenha sido adicionado a ele. Aeração. O ar oxida qualquer material orgânico. Esterilização. O cloro é normalmente usado porque ele forma HClO(aq) em solução,,que mata as bactérias.

40 Água doce Tratamento de fontes de água municipais

41 A química verde A indústria química reconheceu que é importante utilizar processos e produtos químicos convenientes ao meio ambiente. Existem vários objetivos para a química verde: Evitar o lixo, em vez de limpá-lo posteriormente. Sintetizar novos produtos minimizando a sobra. Planejar processos eficientes i em termos de energia. Usar catalisadores tanto quanto possível. A matéria-prima deve ser renovável. Eliminar solventes tanto quanto possível.

42 A química verde Solventes e reagentes Muitas moléculas orgânicas utilizadas como solventes são voláteis e podem causar danos ambientais. Além disso, muitos solventes são tóxicos. O CO 2 líquido ou supercrítico é um solvente não-tóxico que tem muitas aplicações em potencial. A Du Pont usa o CO 2 supercrítico íi para fazer Teflon, em vez dos solventes clorofluorocarbono, prejudiciais ao ambiente.

43 A química verde Solventes e reagentes A água supercrítica pode ser usada para fazer o plástico e a fibra de poliéster PET. O policarbonato Lexan, os revestimentos em CDs, poderiam ser produzidos a partir do carbonato de dimetila, il em vez do correntemente utilizado fosgênio, que é muito tóxico. Outros processos O CO 2 líquido é normalmente usado na indústria de lavagem a seco como uma alternativa para o Cl 2 C=CCl 2, que é tóxico.

44 A química verde Outros processos O Ítrio está sendo utilizado no lugar do chumbo na pintura de automóveis. Purificação de água Quando o Cl 2 é utilizado para o tratamento t t de água, freqüentemente se produz alguns trialometanos (THM), os quais podem não ser detectados. Suspeita-se que os THMs sejam carcinógenos. O ozônio e o ClO 2 poderiam ser utilizados como alternativas, mas eles não são completamente seguros. A purificação verde da água é ainda uma questão em aberto.

45 Fim do : Química ambiental