2.3.2 Reações fotoquímicas na atmosfera

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1 2.3.2 Reações fotoquímicas na atmosfera Adaptado pelo Prof. Luís Perna Reações fotoquímicas As transformações químicas desencadeadas pela luz (ultravioleta, visível ou infravermelha) são chamadas reações fotoquímicas. As reações fotoquímicas mais importantes são as que têm lugar na fotossíntese, globalmente representada por: 6 CO H 2 O + energia C 6 H 12 O O 2 É um processo complexo no qual seres vivos contendo clorofila utilizam a luz solar para produzir glicose. 2 1

2 Fotodissociação A dissociação de moléculas é um tipo de transformação em que há quebra de ligações, considerando-se, neste caso, que os eletrões da ligação são igualmente divididos pelas espécies resultantes dessa quebra. Por exemplo, para uma molécula X 2 : Trata-se de um processo endoenergético, isto é, que requer energia. Quando o processo é provocado por luz chama-se fotodissociação. 3 Fotodissociação São muitas as reações de fotodissociação que ocorrem na atmosfera terrestre. Elas explicam a ação da atmosfera como filtro de radiação. Por exemplo, as moléculas N 2 e O 2, ao absorverem radiação ultravioleta de alta energia, sofrem dissociação: N 2 g N g + N g H = 945 kj/mol O 2 g O g + O g H = 498 kj/mol A luz ultravioleta de mais baixa energia é em grande parte filtrada pelo ozono estratosférico, O 3, e vai provocar: O 3 g O 2 g + O g H = 373 kj/mol 4 2

3 Fotodissociação As moléculas com energia de ligação maior são mais estáveis e é necessária radiação de maior energia para dissociar as suas ligações. Maior energia de ligação Mais difícil quebrar a ligação Maior estabilidade 5 Fotoionização A formação de iões é genericamente designada por ionização. Pode ocorrer por remoção de um eletrão (e ) a partir de um átomo, por exemplo X, formando-se um ião monopositivo, X + : Trata-se sempre de um processo endoenergético, isto é, que requer energia. Quando é provocado por luz chama-se fotoionização. Este tipo de reação ocorre frequentemente na termosfera e envolve maior energia do que a necessária para as fotodissociações. 6 3

4 Fotoionização A ação da atmosfera como filtro de luz UV de alta energia envolve ionização de átomos e moléculas. Por exemplo: N N + + e O O + + e + O 2 O 2 + e H = 1385 kj/mol H = 1313 kj/mol H = 1205 kj/mol 7 Radicais livres As reações químicas de fotodissociação dão origem a radicais livres ou radicais, que são espécies químicas (átomos, moléculas ou iões) com eletrões desemparelhados. Analisando a configuração eletrónica, é possível verificar se um átomo ou um ião é radical, basta que haja orbitais semipreenchidas. 8 4

5 Radicais livres As espécies poliatómicas são radicais se tiverem um número ímpar de eletrões. A maioria das espécies poliatómicas com número par de eletrões não são radicais. Por terem eletrões desemparelhados, os radicais são, de um modo geral, espécies químicas muito reativas. 9 Exemplos da formação de radicais livres O radical O forma-se por fotodissociação de moléculas de O 2. O 2 Por ação da radiação UV O + O Oxigénio molecular Oxigénio atómico O radical H forma-se por fotodissociação dos hidrocarbonetos emitidos pela atmosfera, um exemplo, o metano CH 4. H 3 C - H Metano Por ação da radiação UV CH 3 + H 10 5

6 Exemplos da formação de radicais livres Por lado, os radicais O e H podem ligar-se formando o radical hidroxilo HO O + H HO Existem muitas reações que dão origem ao radical hidroxilo. Para além do exemplo anterior, vejamos outros exemplos: 11 Exemplos da formação de radicais livres O radical livre de cloro forma-se a partir da molécula de clorometano (CH 3 Cl). Esta molécula forma-se naturalmente na Troposfera a partir dos oceanos e dos fogos florestais. Na Estratosfera abundam as radiações UV que destroem as ligações covalentes, formando átomos com eletrões desemparelhados, denominados radicais livres. 12 6

7 Ozono estratosférico O ozono está misturado com os outros gases atmosféricos, formando uma camada de importância vital para o nosso planeta, pois atua como filtro de radiação. Esta camada concentra-se em torno dos 30 km acima do nível do mar. Estratosfera (30 km de altitude) - localização da camada de ozono. 13 Ozono estratosférico e ozono troposférico 14 7

8 Ozono estratosférico Formação do ozono: A ligação na molécula de oxigénio é relativamente forte, sendo necessários 498 kj/mol para a dissociar. Só a luz ultravioleta de maior energia que chega à estratosfera consegue dissociar esta molécula: Os radicais O originados neste processo estão na base da formação do ozono: 15 Formação do Ozono na estratosfera 16 8

9 Destruição natural do Ozono na estratosfera 17 Formação e destruição do Ozono na estratosfera 18 9

10 Ozono estratosférico Embora diversos gases presentes na atmosfera atuem como filtro de radiação, o papel do ozono estratosférico tem sido realçado por questões ambientais, uma vez que esse gás é muito menos abundante e pode ser facilmente destruído por ação humana. O problema da diminuição da camada de ozono (o chamado buraco na camada de ozono) é uma questão ambiental da maior importância. A redução da camada de ozono permite que maior quantidade de radiações atinja a superfície da Terra. 19 Ozono estratosférico Como já foi dito, o ozono na estratosfera tanto se forma como se decompõe: Formação do ozono: Decomposição do ozono: A concentração de ozono permanece aproximadamente constante, uma vez que a sua formação e destruição ocorrem à mesma velocidade

11 Ozono estratosférico A atividade humana pode originar na estratosfera outros radicais livres, além do radical oxigénio, O, capazes de reagirem com o ozono e de desequilibrarem este sistema. Uma das reações mais importantes é aquela que se dá com o radical livre cloro, Cl : 21 Resumo da formação de radicais e de iões por absorção de radiação Absorção de radiação Efeito Químico Fotólises Reações Químicas por ação da luz 1 2 Efeito Térmico Aumento da Energia cinética aumento da temperatura Dissociação de partículas Formação de radicais livres HO, O, Cl, Br (Efeitos nefastos ao corpo humano) Ionização de partículas Formação de iões O +, O 2+, NO + (Desviam ondas rádio) 1- Ocorre na Estratosfera por ação da radiação UVB, radiação menos energética. 2- Ocorre na Termosfera por ação das radiações UVC, radiação mais energética

12 IV, Vísivel e UV-A Até à superfície da Terra UV-B até 50 Km UV-C até 200 Km Radiação solar incidente 500 Km Termosfera Mesosfera Estratosfera Troposfera 85 Km 50 Km Km 23 Clorofluorocarbonetos A atividade humana provoca a emissão para a atmosfera de substâncias capazes de produzirem radicais livres em abundância. Estas substâncias estão hoje identificadas: são os clorofluorocarbonetos, haloalcanos derivados do metano (CH 4 ) e do etano (C 2 H 6 ), a que vulgarmente chamamos CFC. Por exemplo: triclorofluorometano diclorodifluorometano 24 12

13 Os CFC s e a destruição do ozono 25 Os CFC s e a destruição do ozono 26 13

14 Os CFC s e a destruição do ozono 27 Buraco do ozono O buraco do ozono tem vindo a diminuir, graças ao empenho da comunidade internacional na redução das emissões de CFC. Através do gráfico é possivel prever que a recuperação total da camada de ozono só ocorrerá dentro de algumas décadas

15 Ozono na troposfera A legislação estabelece parâmetros de qualidade do ar para o ozono. A seguinte tabela mostra os valores limite para o ozono na troposfera e medidas a adotar. Limiar de informação ao público Limiar de alerta 180 µg/m µg/m 3 Nível acima do qual uma exposição de curta duração apresenta riscos para a saúde de grupos mais sensíveis (crianças, idosos e pessoas com problemas respiratórios). Divulgação imediata de informação sobre riscos da exposição e medidas de proteção (por exemplo, reduzir atividades ao ar livre). Nível acima do qual uma exposição de curta duração apresenta riscos para a saúde. Adoção imediata de medidas para suspender ou limitar a emissão de poluentes (por exemplo, proibição de tráfego automóvel ou de certas atividades industriais). 29 As camadas da atmosfera e fenómenos mais importantes A tabela apresenta as diferentes camadas da atmosfera e resume os principais fenómenos relacionados com a interação entre radiação e matéria que ocorrem nas diferentes camadas da atmosfera. Camada da atmosfera Exosfera Termosfera Mesosfera Estratosfera Troposfera Altitude Acima de 500 km De 80 km a 500 km De 50 km a 80 km De 15 km a 50 km Até cerca de 15 km Fenómenos mais importantes Praticamente não existe matéria Filtro de UV de alta energia e UV-C mais energéticas (reações de fotoionização) Atividade química reduzida Filtro de UV-C e UV-B pelo oxigénio e ozono (reações de fotodissociação) Penetração de UV-A Poluição atmosférica 30 15

16 Em que unidades se mede a concentração de Ozono UD - Unidade Dobson - Mede a concentração de ozono na atmosfera. 1 UD = 0,01 mm de ozono em condições normais de temperatura e pressão. 31 Como se mede a concentração de Ozono O Dobson (DU) é a unidade de medida da concentração de ozono (O 3 ). Utiliza-se esta unidade em memória do cientista britânico G. M. B. Dobson que nos anos 20 do século passado desenvolveu um espectrofotómetro para a medição operacional da quantidade total de ozono a partir da análise do espectro da radiação solar ultravioleta. Esta unidade corresponde ao valor de 2, moléculas de ozono por metro quadrado. O ozono localiza-se entre os 15 e os 35 quilómetros de altitude e tem cerca de 20 km de espessura, onde se encontram aproximadamente 90% do ozono atmosférico. Se fosse possível, separar o ozono e tê-lo em condições PTN, formar-se-ia uma fina camada, com cerca de 3 mm de espessura ou seja aproximadamente 300 unidades Dobson

17 TPC Fazer os exercícios da página 196 e 197 que ficaram por fazer: Reações fotoquímicas na atmosfera 33 17