1. Evolução da atmosfera Breve história O nosso planeta está envolvido por uma camada gasosa atmosfera cuja espessura é de aproximadamente 1110 km (+- 1/5 do raio terrestre). Esta camada gasosa tem várias funções: A pouca espessura da atmosfera comparada com o raio terrestre. protege a Terra um pouco no caso de queda de meteoritos; mantém a temperatura amena, sem que seja gélida durante a noite, nem extremamente quente durante o dia; contém oxigénio essencial à respiração.
1.1. Composição da atmosfera ao longo dos tempos Atmosfera original Há cerca de 5 mil milhões de anos que se iniciou a formação do Sistema Solar. Durante alguns milhões de anos a Terra foi crescendo com uma espessa camada de gases cósmicos, como o hidrogénio e o hélio a rodear um núcleo denso. Possivelmente esta atmosfera perdeu-se por combustão devido à intensa actividade solar.
Atmosfera secundária primitiva À medida que a Terra foi arrefecendo, formou uma pequena crosta sólida no seu exterior sem atmosfera a envolvê-la. A actividade radioactiva de alguns elementos que existiam no interior da Terra gerou energia suficiente para fundir os materiais aí existentes, permitindo que os mais densos, como o ferro e o níquel, passassem a formar o núcleo interior e os menos densos viessem para as camadas mais exteriores. Estes materiais fundidos, em intensa actividade, começaram a ser ejectados para a superfície, através da crosta, permitindo a saída de gases existentes no interior da Terra. E assim se iniciou há 4,6 mil milhões de anos, a formação de uma atmosfera secundária derivada da própria Terra.
Constituição da atmosfera há cerca de 4,6 mil milhões de anos atrás 40% N 2 CO 2 35% 30% H 2 O 25% % 20% 15% 10% 5% CH 4 NH 3 0% Azoto Dióxido de carbono Vapor de água Metano Amoníaco Evolução da atmosfera primitiva O arrefecimento da Terra provocou a condensação do vapor de água, tendo a chuva originado os oceanos e dissolvido grande parte do dióxido de carbono. Dióxido de carbono e vapor de água passaram, assim, a ser gases vestigiais na atmosfera.
Também o metano e o amoníaco praticamente desapareceram, destruídos por acção da radiação solar. Ao mesmo tempo iniciou-se a formação do oxigénio O 2 Por acção das radiações UV vindas do Sol, e devido ao facto da atmosfera actual não oferecer ainda nenhuma protecção a estas, a água transformou-se em oxigénio e hidrogénio. Este último acabou por escapar para o espaço pois é constituído por moléculas muito pequenas que conseguiram escapar à gravidade da Terra. UV H2O( g ) 2H2( g) O2( g ) 2 + A água existente no estado liquido permitiu a fotossíntese das cianobactérias, os primeiros seres capazes de sintetizar a matéria que os constitui, a partir de água e dióxido de carbono. luz _ solar H2O( g ) + 6CO2( g ) C6H12O6( aq) 6O2 ( g ) 6 +
A atmosfera primitiva deu origem, há cerca de 2,3 mil milhões de anos, a uma atmosfera praticamente constituida por azoto % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% N 2 quase 100% vestígios CO 2 H 2 O O 2 Azoto Dióxido de carbono Vapor de água oxigénio A quantidade de oxigénio na atmosfera foi aumentado sucessivamente a partir da fotossíntese de seres vivos mais complexos que as cianobactérias. Tornando-se rica para a existência de seres vivos terrestres e, há cerca de 1,5 mil milhões de anos, a sua percentagem passou a ser semelhante à actual.
A atmosfera actual Actualmente os gases mais abundantes são: Azoto (78,1%) Oxigénio (21,0%) Árgon (1%) Constituição da atmosfera actual 80% 70% Cerca de 78,1 % N 2 60% 50% % 40% 30% 20% 10% O 2 Cerca de 21,0% Ar Cerca de 0,9% Vestígios 0% Azoto oxigénio Árgon Outros
O oxigénio atmosférico e a vida na Terra A partir do oxigénio atmosférico, O 2, foi-se formando o ozono, O 3. As reacções de formação de O 3 e a sua decomposição utilizam radiações UV C e UV B muito energéticas. UV A (400 320 nm, também chamada de "luz negra" ou onda longa) UV B (320 280 nm, também chamada de onda média) UV C (280-100 nm, também chamada de UV curta ou "germicida") O + UV O + O O 2 * + O 2 O 3 * * O oxigénio é essencial para a respiração dos seres vivos aeróbios e existe na percentagem adequada: Uma percentagem menor tornaria a vida difícil; Uma percentagem maior encurtaria o tempo de vida;
O azoto atmosférico e a vida na Terra O azoto desempenha um papel muito importante na vida deste planeta, na medida em que: É um moderador doa acção do oxigénio, pois é uma substância bastante inerte. É essencial para o crescimento dos seres vivos, pois este entra na constituição dos aminoácidos, unidades estruturais das proteínas. Certas bactérias que existem nas raízes das leguminosas encarregam-se de retirar o azoto da atmosfera para produzirem compostos azotados, que serão absorvidos nas plantas e depois pelos animais que delas se alimentam. A industria também retira o azoto da atmosfera para produzir adubos azotados que tornam o solo mais fértil. O azoto passa de novo para a atmosfera quando a matéria orgânica se decompõe. O nitrato de sódio (nitrato do Chile) usase como nutriente de azoto para os solos Ciclo do azoto
O vapor de água e o dióxido de carbono atmosféricos O vapor de água existente na atmosfera provém da evaporação da água dos oceanos, mares, rios e lagos. Em contacto com as camadas mais frias da atmosfera o vapor condensa podendo solidificar formando nuvens. A precipitação (na forma de chuva neve ou granizo) devolve a água aos locais originais. Tudo isto constitui o ciclo da água que permite a transferência de energia entre a superfície da Terra e a camada mais baixa da atmosfera. Ciclo da água
O dióxido de carbono atmosférico é essencial à vida, pois é a matéria prima para a fotossíntese das plantas, e é reposto na atmosfera através da respiração dos seres vivos. fotossíntese O dióxido de carbono e o vapor de água têm um papel muito importante como reguladores do clima. As moléculas destas substâncias absorvem as radiações IV emitidas pela superfície terrestre, impedindo que se escapem para o espaço. Assim a temperatura do ar aumenta, originando o que se chama Efeito de estufa. Efeito de estufa
1.2. Constituintes vestigiais da atmosfera Componentes naturais e antropogénicos Na atmosfera actual, não poluída, maioritariamente constituída por azoto, N 2, oxigénio O 2, e árgon, A r, existem em percentagem muito menor, que varia de local para local e com o momento da medição, dióxido de carbono, CO 2, vapor de água, H 2 O, metano, CH 4, óxidos de azoto, N 2 O, NO, NO 2, monóxido de carbono, CO, e, ainda o néon, Ne, hélio, He, kripton, Kr, xénon, Xe, e hidrogénio, H. Gases vestigiais (partes por milhão em volume): 80% 70% 60% 50% Constituição da atmosfera actual Cerca de 78,1 % CO 2 367 ppm Ne 18 ppm He 5 ppm CH 4 1,8 ppm Kr 1,1 ppm H 2 0,5 ppm % 40% 30% Cerca de 21,0% NO 2, NO, N 2 O 0,303 ppm CO 0,1 ppm 20% 10% Cerca de 0,9% Vestígios Xe 367 ppm 0% Azoto oxigénio Árgon Outros
Todos estes componentes são de origem natural, mas existem muitos que resultam da actividade do ser humano como o dióxido e monóxido de carbono. Ainda existem outros componentes na atmosfera que resultam apenas da actividade humana como os clorofluorocarbonetos CFC s que são usados nos sprays, frigoríficos e nos aparelhos de ar condicionado. Estes gases resultantes da actividade humana dizem-se de origem antropogénica. Clorofluorocarbonetos Variação da concentração dos componentes vestigiais A concentração destes componentes tem sofrido variações pois devido à actividade natural da Terra e humana, passaram a ser produzidos a uma velocidade maior do que aquela em que são consumidos e a sua concentração aumenta obrigatoriamente, o que os torna prejudiciais para os seres vivos, transformando-os em poluentes.
Os vulcões são a principal causa natural de emissão para a atmosfera de gases poluentes tais como o SO 2 (dióxido de enxofre) e CO (monóxido de carbono). Principais poluentes de origem antropogénica, suas fontes e consequências
Toxicidade letal Um aumento exagerado e repentino da concentração de determinados gases na atmosfera pode torná-la tóxica nesse local. Substância tóxica: uma substância é tóxica quando a sua ingestão, inalação ou contacto com a pele produz alterações graves no estado de saúde dos seres vivos. A toxicidade pode ser: Crónica: quando não origina a morte imediata, mas provoca perturbações que decorrem da acumulação dos seus efeitos a longo prazo. Esta não pode ser quantificada. Aguda: provoca a morte em 24 horas. Esta pode ser quantificada através da dose letal DL 50 dose que produz morte. DL 50 : a dose letal (DL 50 ) de uma substância corresponde à massa de substância necessária para provocar a morte, ao fim de determinado tempo, a 50% dos organismos vivos da espécie testada. O seu valor exprime-se em miligramas de produto tóxico por quilograma de massa corporal. Repara que um individuo ingira a dose letal para a sua massa e espécie tem 50% de que esta lhe provoque a morte. E abaixo desta dose para uma determinada substância estão associados efeitos tóxicos que é importante conhecer.
Para a mesma espécie, quanto menor for o valor de DL 50 de uma substância mais tóxica esta é. A toxicidade de uma substância depende da forma de exposição do organismo A toxicidade é diferente de espécie para espécie.
Smog ou nevoeiro fotoquímico: ocorre em zonas com maiores problemas de poluição, designadamente áreas urbanas e industriais. A reacção de gases proveniente da combustão industrial, automóvel e doméstica (principalmente óxidos de azoto, compostos orgânicos voláteis não metânicos, monóxido de carbono e metano) com a luz solar produz o chamado nevoeiro fotoquímico, cuja característica principal é a presença de ozono na troposfera. Os valores mais elevados ocorrem usualmente nos dias de maior luminosidade e de grande estabilidade atmosférica junto à superfície, visto favorecerem a acumulação destes poluentes em certas zonas. A visibilidade reduz-se à medida que aumenta a quantidade de partículas poluentes, formando uma bruma (no caso de ar seco) ou actuando como núcleos de condensação para a formação de neblina ou nevoeiro (no caso de ar húmido).a palavra "smog" foi inventada para descrever a combinação de fumo (smoke) e nevoeiro (fog) que envolvia Londres durante os anos cinquenta e que vitimou milhares de pessoas.
2. Atmosfera: temperatura, pressão e densidade 2.1. Temperatura e estrutura da atmosfera As camadas da atmosfera Ao longo dos seus 1110 km de extensão a temperatura da atmosfera não tem variação regular com a altitude. Por vezes a temperatura diminui à medida que a altitude aumenta e, outras vezes, a temperatura aumenta com a altitude. Os cientistas dividem a atmosfera em cinco camadas concêntricas, baseando-se nas suas variações de temperatura características: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. Os seus limites correspondem aos valores máximos e mínimos de temperatura
A radiação solar e as temperaturas da atmosfera As radiações ultravioleta, absorvidas pelo oxigénio (O 2 ) e pelo ozono (O 3 ), estratosféricos, produzem reacções químicas que libertam calor, aumentando ai a temperatura do ar. Alguma radiação infravermelha é absorvida pelas moléculas de água (H 2 O) e dióxido de carbono (CO 2 ), do ar, aquecendo-o. Sendo a maior parte absorvida pela superfície terrestre. Destinos da radiação solar que atinge a atmosfera terrestre Destinos da radiação emitida pela superfície terrestre
Características das camadas da atmosfera
2.2. Volume dos gases e número de partículas Número de Avogadro e mole No laboratório e noutras situações concretas, lidamos com amostras compostas por um grande número de átomos ou moléculas. Os químicos têm por isso uma unidade especial para exprimir esses grandes números. Esta ideia de uma unidade para indicar um certo número de objectos não é nova. O par (2), a dúzia (12), meiadúzia (6) e a grosa (144) são unidades comuns. A unidade de quantidade, em química, do Sistema Internacional (SI) é a mole (mol), que é a quantidade de matéria que contém tantas unidades elementares (átomos, moléculas ou outras partículas) quantos átomos de carbono existentes em exactamente 12 gramas de carbono-12. E corresponde a 6,022x1023 partículas. 1 mole = 6,022x1023 partículas Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1856). Físico italiano, nascido em Turim.
Massa molar Uma mole de átomos de carbono-12 tem uma massa exactamente de 12 gramas e contém 6,022x10 23. Esta massa é a chamada massa molar do carbono-12, pois é a massa de uma mole de átomos desse isótopo. Repara que quando a massa molar do carbono-12, é expressa em gramas, é numericamente igual à massa atómica relativa (A r ) desse isótopo. O mesmo acontece com outros elementos: A massa atómica relativa (A r ) do sódio (Na) é 22,99 u.m.a e a sua massa molar é 22,99 g.mol -1 ; A massa atómica relativa (A r ) do cobre (Cu) é 63,55 u.m.a. e sua massa molar é 63,55 g.mol -1. Se soubermos a massa atómica relativa de um elemento, saberemos também a sua massa molar.