Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Química Ambiental Aula 6 Química da Atmosfera - Parte I 1. Composição química e a poluição da atmosfera 2. Regiões da atmosfera 3. Transporte de substâncias e os Ciclos biogeoquímicos Prof. Rafael Arromba de Sousa Juiz de Fora, 2 o semestre de 2017 1
O que vocês já sabem?? 1. Composição química e a poluição da atmosfera 2. Regiões da atmosfera 3. Transporte de substâncias e os Ciclos biogeoquímicos 2
Introdução Pode-se assumir, com boa aproximação, que nosso planeta é um sistema fechado em termos de fluxos de massa, sem entrada ou saída de material 3
Introdução Pode-se assumir, com boa aproximação, que nosso planeta é um sistema fechado em termos de fluxos de massa, sem entrada ou saída de material Importante não poluir a mesma considerando que os poluentes se diluem Necessidade de se conhecer as características da atmosfera 4
Introdução Definição e Histórico A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a Terra, sendo formada por diferentes gases que se distribuem em camadas Formação? No início da formação do planeta Terra: atmosfera composta por gases como metano, amônia, vapor de água e gás carbônico - resultantes das constantes erupções vulcânicas e de colisões de meteoros na superfície Em uma segunda fase, surgiram os primeiros organismos vivos que realizaram fotossíntese, absorvendo o gás carbônico da atmosfera e transformando-o em oxigênio 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + H 2 O (Glicose) Ocorreu a maior transformação causada no planeta pelos organismos vivos: a atmosfera tornou-se cheia de oxigênio 5
Introdução - Composição química geral A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse período a atmosfera sofreu modificações que permitiram o surgimento e manutenção da vida Dados da provável composição (%) da atmosfera terrestre antes e após o aparecimento de vida Gás Vênus Marte Terra* Terra CO 2 96,5 95 98 0,035 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 6
Introdução - Composição química geral ENTÃO... Característica da atmosfera que favorece a vida: caráter oxidante 21% de gás oxigênio (coexiste com formas reduzidas de oxigênio, como monóxido de carbono e óxido nitroso) A composição geral é resultado da vida que vem se desenvolvendo : O teor de oxigênio é quase todo produto da fotossíntese Outras fontes contribuem com menos de um bilionésimo do estoque de O 2 que respiramos 7
Atmosfera Composição química x camadas Ordem e dimensão das camadas: ou Termosfera - Diferentes espécies - T chegam em 1200 0 C (Abs de radiação de alta energia) - Menos moléculas - T chegam a 100 0 C (camada mais fria) - Moléculas de O 3 - T de - 60 até 0 0 C (abs de UV) - Contém 80% dos gases atmosféricos - T h máx - 60 0 C - Fenômenos meteorológicos 8
Composição gasosa de cada camada: Ultravioleta, visível e infravermenlho, λ>330 nm Absorção do ultravioleta de 200 <λ< 330 nm Absorção do ultravioleta de alta potência λ< 220nm 9
Atmosfera Importância?? 10
Atmosfera Importância Funções protetoras... - Evita os impactos de corpos celestes (meteoros) - Mantem parte do calor solar, impedindo sua imediata irradiação para o espaço - Impede variações bruscas de temperatura e radiações extremamente energéticas, favorecendo a vida terrestre - Atua como um condensador que transporta água dos oceanos aos continentes (Ciclo hidrológico) 11
Troposfera... É a camada importante para a sobrevivência dos seres aeróbios CARACTERÍSTICAS Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera Composição variada - Gases* - Líquidos - Sólidos Tabela 1. Composição média do ar seco no nível do mar ( Substâncias Concentração em ppm Nitrogênio (N 2) 780 840.00 Oxigênio (O 2 ) 209 460.00 Argônio (Ar) 9 340.00 Dióxido de Carbono (CO 2 ) 315.00 Neônio (Ne) 18.00 Hélio (He) 5.20 Metano (CH 4 ) 1.20 Criptônio (Kr) 1.10 Óxido de Nitrogênio (N 2 O) 0.50 Hidrogênio (H 2 ) 0.50 Xenônio (Xe) 0.08 Existem também milhares de constituintes-traço 170 tipos de interações químicas (estimativa) (*) Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984) 12
Troposfera É a camada importante para a sobrevivência dos seres aeróbios OUTRAS CARACTERÍSTICAS Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera Composição variada (gases, líquidos e sólidos) Materiais líquidos e sólidos em suspensão - Origem natural (vulcões, queimadas) - Origem antropogênica (poluição...) 13
Atmosfera - Efeitos da poluição Ação humana Modificações significativas a partir da Revolução industrial chuva ácida, efeito estufa e depleção da camada de ozônio na Troposfera na Estratosposfera 14
Atmosfera - Efeitos da poluição Exemplos de FATOS HISTÓRICOS relacionados à POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA: - Dez. 1930 Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5 dias ( 63 mortos e doenças em cerca de 6000 pessoas ) Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=blyn42zpaym - Out. 1948 o mesmo em Donora (Pensilvânia, EUA): 20 mortos e quase metade da população ficou doente Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=ikdpntnm1cc - Dez. 1952 Londres: durante 5 dias ocorreram 4000 mortes (outros episódios na cidade em 1953 e 1962) Mais detalhes: www.youtube.com/watch?v=px4uqlijn5c - 1953, 1963, 1966 episódios de forte poluição em Nova York 15
Atmosfera - Efeitos da poluição Exemplos de FATOS HISTÓRICOS relacionados à POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA: - Dez. 1930 Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5 dias ( 63 mortos e doenças em cerca de 6000 pessoas ) - Out. 1948 o mesmo em Donova (Pensilvânia, EUA): 20 mortos e quase metade da população ficou doente - Dez. 1952 Londres: durante 5 dias ocorreram 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 No BRASIL graves problemas ocorreram na cidade de Cubatão: Vale da Morte na década de 1980 HOJE: Cidade-símbolo da Recuperação Ambiental! Mais detalhes: http://colunas.revistaepoca.globo.com/planeta/2012/08/14/comocubatao-deixou-de-ser-o-vale-da-morte/ 16
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Atmosfera - Efeitos da poluição Contexto econômico e ambiental da poluição atmosférica: 1) O crescimento populacional altera constantemente a atmosfera Por meio do lançamento de gases e partículas... Modificando as trocas de água e energia, alterando a quím. atmosférica Substituindo/removendo a cobertura natural 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 2) Existência de diferentes tipos de poluentes Compreendem partículas e gases em concentrações que colocam em perigo a saúde dos organismos, alterando a dinâmica ambiental e dos processos físicos 18
Atmosfera - Efeitos da poluição Poluentes: características gerais Partículas Partículas maiores concentramse próximas ao solo (gravidade) Em geral, diminuem a penetração da luz afetando o clima por meio de efeitos físicos Gases poluentes danificar as construções e afetam o clima por meio de reações químicas que ocorrem na atmosfera Problemas de saúde... 19
Os poluentes atmosféricos têm efeitos sobre a saúde! PARTÍCULAS FINAS alergias respiratórias em geral, silicose e câncer de pulmão Espirros, tosse, dor de garganta, bronquite PARTÍCULAS ORGÂNICAS câncer, mutação genética e malformação de fetos EMISSÕES GASOSAS EM GERAL Agravamento das alergias respiratórias Dor de cabeça Falta de ar Arritmia Chuva ácida... Irritação nos olhos e Redução de visibilidade 20
Atmosfera - Transporte de substâncias 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 OU SEJA, a dispersão é resultado de mecanismos de transporte rápidos e irregulares : Os contaminantes são carreados pelo vento e naturalmente se misturam na atmosfera turbulenta Durante a dispersão, os contaminantes podem sofrer reações químicas - Contaminantes primários transformam-se em Contaminantes secundários - São depositados no solo ou na água (por via seca ou úmida) 21
Atmosfera - Transporte de substâncias Dispersão atmosférica de contaminantes Exemplos de alguns poluentes importantes na atmosfera 1) Poluentes gasosos 22
2) Poluentes (particulados e gasosos) de acordo com a fonte FONTE PARTICULADOS EMISSÕES GASOSAS Caldeiras e fornos industriais Motores de combustão interna Metalurgia e química do coque Cinzas e fuligem Fuligem NO X, SO 2, CO, aldeídos, Ácidos orgânicos, benzopireno CO, NO X, aldeídos, hidrocarbonetos, benzopireno Pó e óxidos de ferro NO X, SO 2, CO, NH 3, compostos de flúor, substâncias orgânicas Indústria alimentícia pó NH 3, H 2 S, misturas multicomponentes de compostos orgânicos Alguns exemplos... 23
Atmosfera - Transporte de substâncias Um outro problema: A dispersão atmosférica de contaminantes leva os contaminantes para outros locais (distantes das fontes) Por outro lado: Os poluentes podem ser removidos, naturalmente, por: - Deposição úmida - Deposição seca - Reações químicas com partículas ou outros gases 24
Atmosfera - Transporte de substâncias Exemplificando a dispersão atmosférica de contaminantes Substâncias persistentes (origem natural ou não) podem ficar circulando no ambiente 25
Atmosfera - Transporte de substâncias MAS, também ocorrem transformações químicas, favorecidas pelos Ciclos Biogeoquímicos... Atmosfera REATOR Oxigênio [componente extremamente reativo], compostos em pequenas concentrações [reagentes ou catalisadores] e luz solar [energia] Produtos de reações atmosféricas dependem da concentração dos reagentes, temperatura, catalisadores e reatividade da molécula Tempo de residência desses produtos tempo médio de permanência do composto na atmosfera 26
Atmosfera - Transporte de substâncias Ciclos Biogeoquímicos? São os conjuntos de reações químicas e as mudanças de fases que fazem com que substâncias permeiem os diferentes ecossistemas Ex: Questão do CO 2 CO 2 atmosférico é fixado pelas plantas (fotossíntese) MAS reemitido pela respiração TENDÊNCIA: concentrações constantes de substâncias nos ecossistemas em equilíbrio MAS no caso do CO 2 e outros gases alterações significativas (atividades antropogênicas) Ex: Queima de combustíveis fósseis Aumenta em ~4,3% ao ano a emissão de Carbono na atmosfera Compostos de Carbono CICLO DO CARBONO (foco: CO 2 atmosférico) 27
Atmosfera Ciclo do carbono CO 2 atmosférico: monitoração desde 1750 (Siple Station) até os dias atuais (Mauna Loa, desde 1958) https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/full.html, acessado 19-09-17 28
Atmosfera Ciclo do carbono Fonte: http://www.ib.usp.br/~delitti/projeto/rhavena/index.htm, acesso 01-05-17 Fixação de carbono por meio dos vegetais (consomem CO 2 ) e animais (consome C 6 H 12 O 6 ) Reemissão por meio de processos naturais (decomposição) e queima de combustíveis fósseis 29
Atmosfera Ciclo do nitrogênio Espécies de N 2 (inertes) e NOx (associados a problemas ambientais) N 2 - Espécie mais abundante da atmosfera - Não é aproveitado pelos seres vivos NESTA FORMA (exceção para algumas bactérias) - Outras formas: REATIVAS... NO x = NO + NO 2 - Chuva ácida - Depleção da camada de ozônio (Próxima aula...) (NO 3- ) Transformação de N 2 em outros compostos: NH 3 NH 4 + NO 2 - NO 3 - Amônio (NH 4+ ) Nitritos (NO 2- ) 30
Atmosfera Ciclo do nitrogênio Reações químicas Ciclo do nitrogênio Complexo (reações desconhecidas) Relâmpagos Transformam N inerte em N reativo : N 2 + O 2 2NO 3/2 H 2 + ½ N 2 NH 3 (Haber-Bosch) * Indústria de fertilizantes * Substituinte dos CFCs * Aditivo em petroquímicas Nitrificação: 2 NH 4 + + 3 O 2 2 NO 2 - + 2H 2 O + 4H + 2 NO 2 - + O 2 2 NO 3 - Desnitrificação: NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 31
Atmosfera Ciclo do enxofre Chuva ácida próxima aula... Principal contribuição Dimetilsulfeto 32
Atmosfera Ciclo do enxofre Compostos de enxofre: várias fontes e vários estados de oxidação SO 2 combustíveis fósseis (atividades antropogênicas grandes quantidades) Hemisfério Norte maior concentração do que no hemisfério Sul (países ricos queimam mais combustíveis fósseis) H 2 S águas ou regiões úmidas do continente (reações anaeróbias) Dimetilsulfeto emitido por fitoplancton na superfície dos oceanos SO 4 2- dissolvido na água e presente na atmosfera ( spray oceânico ) Quando as partículas tem diâmetro < 10 µm (MP 10 )constituem o aerossol de sulfato podem penetrar nos pulmões e causar doenças respiratórias (sulfatos provenientes de poluição) São responsáveis por mudanças climáticas (interagem com a luz solar causando alterações de temperatura) 33
Existem Diversos Poluentes na Atmosfera... Demandam uso de POLÍTICAS e TECNOLOGIAS de controle e de minimização da poluição Legislações e Sistemas de Créditos de Poluição Lâmpadas de iluminação mais eficientes Uso mais frequente de gás natural Uso de energia renovável OMS: mais de 1,1 bilhão de pessoas vive em áreas urbanas onde o ar exterior não é saudável! 34
Para casa... QUESTÕES - RELACIONANDO A QUÍMICA AQUÁTICA E ATMOSFÉRICA: 1) Quais são as principais formas químicas de transporte de carbono entre os vários compartimentos da biosfera? 2) Em relação ao fluxo de CO 2 entre os diferentes compartimentos, seria possível calcular as estimativas de troca? 3) O ph da água favorece a dissolução do CO 2 atmosférico? De que forma? 4) Quais são os estados de oxidação em que o enxofre pode ser encontrado nos compostos principais do Ciclo do enxofre? E quais os compostos mais solúveis em água? VÍDEO Entrevista com o Prof. Sérgio Correa (UERJ): https://www.youtube.com/watch?v=3almryekpni 35
Demais Referências Utilizadas Rocha, J. C; Rosa, A. H. e Cardoso, A. A, Introdução à Química Ambiental, Porto Alegre Bookman, 2004 Baird, C. Química Ambiental; Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera, 2 ed, Porto Alegre, Bookman, 2002 http://biologiatualizada.blogspot.com.br/2012/01/fotossintese.html, acessada 22-06-13 http://www.brasilescola.com/historiag/revolucao-industrial.htm, acessado 22-06-13 http://envolverde.com.br/saude/qualidade-do-ar/poluicao-do-ar-mata-pelo-menos-dois-milhoes-depessoas-por-ano-no-mundo-diz-oms/, acessado 23-06-13 Nascentes, C. C; Costa, L. M. Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011 Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e Tempo de Vida. Monografia. UFES Mozeto, A. Química Atmosférica: A química sobre nossas cabeças. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola. 2001 Miller, G. T. Ciência Ambiental, São Paulo: Thomson Learning, 2007. 36