Química Analítica Ambiental

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química Química Analítica Ambiental Aula 5 Química da Atmosfera Profa. Lílian Silva Juiz de For a, 2013

2 Introdução 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 CO 2 96, ,035 N 2 3,5 2,7 1,9 79 O 2 Traços 0,13 Traços 21 Argônio Traços 1,6 0,1 1,0 *Composição provável antes do aparecimento da vida no planeta

3 Introdução 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 química da Terra é fruto da vida que se desenvolveu no planeta O oxigênio que compõe a atmosfera é quase todo produto da fotossíntese Outras fontes fotoquímicas inorgânicas de produção de oxigênio juntas, contribuem com menos de um bilionésimo do estoque de O 2 que respiramos.

4 Introdução Ação humana Revolução industrial (Poluição fotoquímica, chuva ácida e efeito estufa) 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

5 Introdução Exemplos: Dez Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5 dias 63 mortos e doenças em 6000 pessoas Out o mesmo em Donova, Pensilvânia (EUA): 20 mortos e quase metade da população (6000 pessoas) doentes Dez Londres: em 5 dias, 4000 mortes (outros episódios na cidade em 1953 e 1962) 1953,1963,1966 episódios de forte poluição em Nova York a partir desses episódios alguns países passaram a legislar, regulamentar e implementar tecnologias para redução da poluição. América Latina, Ásia e África eventos freqüentes. Brasil graves problemas com destaque para Cubatão.

6 Introdução População altera a atmosfera: lançando gases e partículas, modificando as trocas de água e energia causando problemas imediatos e / ou de maior duração (substituição/remoção total da cobertura natural, desvio/tubulação da drenagem, estruturas verticais 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 Poluição presença de partículas e gases em concentrações que colocam em perigo a saúde dos organismos, alterando a dinâmica ambiental e dos processos físicos

7 Introdução Poluentes partículas maiores concentram-se próximo ao solo (gravidade). No caso de gases maior complexidade Material particulado diminui a penetração da luz afetando o clima por meios físicos gases: afetam o clima por reações químicas

8 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. Então, em uma segunda fase, surgem os primeiros organismos vivos que realizam fotossíntese absorvendo o gás carbônico da atmosfera e transformando-o em oxigênio. Com isso acontece uma das maiores transformações causadas no planeta por algum organismo vivo: a atmosfera torna-se cheia de oxigênio. 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 + H 2 O (Glicose)

9 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: A - Impactos de corpos celestes (meteoros) B - Mantêm parte do calor solar impedindo sua imediata irradiação para o espaço. C - Impede variações bruscas de temperaturas permitindo a vida terrestre.

10 Atmosfera T pode atingir até C T atinge até C T de C até 0 0 C Contém 80% dos gases atmosféricos T de C

11 Atmosfera (distribuição de Temperatura)

12 Atmosfera Troposfera Do nível do mar até 6 a 16 km (6 a 8 km nos pólos e 12 a 14 no equador). É nesta camada que se processam todos os fenómenos meteorológicos. Na troposfera a temperatura diminui com a altitude (decresce 6,5ºC por cada 1000 metros). Estratosfera (elevação) aquecimento do ar na região entre 20 e 35km, próximo à camada de ozônio (fotoquímica). Mesosfera (diminuição de -5º a -95º) por causa do afastamento do calor vindo da camada de ozônio, pela ausencia de gases ou nuvens que possam absorver a energia solar. Termosfera (Elevação -95º a mais de 1000º) por causa da absorção dos raios ultravioleta pelo oxigênio atômico. Onde os meteoros se desintegram. Exosfera Temperatura não precisa (estima-se que supere os 1600º)

13 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 entre seus componentes, diferentes quantidades de materiais líquidos e sólidos em suspensão, que entram na atmosfera de forma natural (vulcões, queimadas) ou antropogênica (poluição)

14 Atmosfera 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 irregulares. mecanismos de transporte rápidos e 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) ou podem ser depositados no solo por via seca ou úmida. Os contaminantes do ar podem ser removidos da atmosfera por três mecanismos a saber:

15 Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes Deposição úmida Deposição seca Reação química de partículas ou gases

16 Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

17 Atmosfera Composição da atmosfera quimicamente estável e constante nas últimas centenas de milhões de anos Todas as questões que envolvem o delicado balanço da vida em nosso planta (poluição/camada de ozônio, chuva ácida) são conseqüências de interações químicas que envolvem os componentes minoritários Troposfera os milhares de constituintes-traço da atmosfera possibilitam cerca de 170 espécies de interações químicas (muitas naturais); na estratosfera: 40

18 Atmosfera Tabela 1. Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984). Substâncias Concentração em ppm Concentração em µg/m 3 Nitrogênio (N 2) x 10 8 Oxigênio (O 2 ) x 10 8 Argônio (Ar) x 10 7 Dióxido de Carbono (CO 2 ) x 10 5 Neônio (Ne) x 10 4 Hélio (He) x 10 2 Metano (CH 4 ) x 10 2 Criptônio (Kr) x 10 3 Óxido de Nitrogênio (N 2 O) x 10 2 Hidrogênio (H 2 ) x 10 1 Xenônio (Xe) x 10 2

19 Atmosfera

20 Transformações químicas na atmosfera Atmosfera Reator (Oxigênio [componente extremamente reativo], compostos em pequenas concentrações, [reagentes ou catalizadores] e luz solar [energia]) Cinética de reação concentração dos reagentes, temperatura, catalisador e reatividade da molécula Tempo de residência tempo médio de permanência do composto na atmosfera

21 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

22 Tempo de residência

23 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.

24 Poluentes Primários Principais Fontes de Poluição 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 (SO 2 ) gás incolor e corrosivo originário de processos de combustão. No ar: SO 3 que, em contato com a água H 2 SO 4 (ácido sulfúrico) Óxidos Nitrosos (NO x ) vermelho-amarronzado, reduz a visibilidade. Formado quando há oxidação de componentes nitrosos ( NO NO 2 ); altas concentrações: problemas no coração e pulmões. Em presença de umidade: HNO 3 (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

25 Principais Fontes de Poluição Poluentes Primários Material Particulado

26 Principais Fontes de Poluição Material Particulado

27 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 (O 3 ) 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 O 3 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 HNO 3 (ácido nítrico) H 2 SO 4 (ácido sulfúrico),...

28 Ciclos biogequímicos Principais: Ciclo do carbono (CO 2 ) Ciclo do nitrogênio (N x O, NO x ) Ciclo do enxofre (SO x,h 2 S e (CH x ) y S

29 Ciclo do Carbono

30 Ciclo do Carbono

31 Ciclo do Carbono

32 Ciclo do Nitrogênio

33 Ciclo do Nitrogênio

34 Ciclo do Nitrogênio Nitrogênio macro elemento vital a vida (aminoácidos formadores das proteínas) Disponibilidade agregados a rochas ou na forma de N 2. Apenas 0,02% na forma biodisponivel às plantas N 2 Inerte (Excessão) alguns tipos de bactérias N reativo H, C ou O Relâmpagos Tranforma N inerte em N reativo : N 2 + O 2 2NO

35 Ciclo do Nitrogênio N reativo Agricultura (NPK) NH 3 Fonte de nitrogênio (NPK N 2 + 3H 2 2NH 3(g) ). NH 3 Gás de refrigeração (CFC s) Produção Antropogênica (intencional): 80 Tg/ano (NPK) Antropogênica (não intencional): 60 Tg/ano (combustão) Natural (litosfera): 8 Tg/ano (NH3) Natural (hidrofesra): 15 Tg/ano (NH3) Ciclo do nitrogênio Complexo (efeitos desconhecidos)

36 Ciclo do Enxofre

37 Ciclo do Enxofre

38 Ciclo do Enxofre Enxofre Diferentes estados de oxidação (-2 até +6) Compostos de enxofre: SO 2 combustão H 2 S águas ou regiões úmidas do continente (condições anaeróbias) DMS emitidos por fitoplancton na superfície do oceano SO 4 dissolvido na água e presente na atmosfera (spray oceânico) S-antropogênico: combustíveis fósseis Hemisfério norte maior concentração Hemisfério sul menor concentração Chuva ácida SO 2 SO 4 (fotoquímica) Emissão naturais Tg/ano Emissão antropogênicas Tg/ano