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Aula S08

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

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Instituto de Ciências ExatasDepartamento de Química

Juiz de Fora, 2013

Química Ambiental

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Introdução

� É importante conhecer ascaracterísticas da atmosfera

� Não poluir a atmosferaconsiderando que os poluentes sediluem ao serem dispersados

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“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”

Introdução - Composição química geral

Tem origem a aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse período 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

CO2 96,5 95 98 0,035

N2 3,5 2,7 1,9 79

O2 Traços 0,13 Traços 21

Argônio Traços 1,6 0,1 1,0

* Composição provável antes do aparecimento da vida no planeta 3

Característica da atmosfera que favorecem a vida: caráter oxidante

21% de gás oxigênio coexiste com espécies reduzidas como metano, amônia, 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

O2 que respiramos

Introdução - Composição química geral

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Ação humana ⇒⇒⇒⇒ Modificações significativas a partir da Revolução industrial

Poluição:chuva ácida, efeito estufa e depleção da camada de ozônio

Introdução - Contexto ambiental da poluição

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Exemplos de FATOS HISTÓRICOS relacionados à POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA:

- Dez. 1930 �� Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5dias (63 mortos e doenças em cerca de 6000 pessoas)

- Out. 1948 �� o mesmo em Donova, Pensilvânia, EUA (20 mortos e quasemetade da população ficou “doente”)

- Dez. 1952 �� Londres: durante 5 dias ocorreram 4000 mortes (outrosepisódios 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


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Alguns conceitos relacionados à poluição atmosférica

1) O crescimento populacional altera constantemente a atmosfera

– Lançamento de gases e partículas

– Modificando as trocas de água e energia

• Substituindo/removendo a cobertura natural que barram osventos

• Reduzindo a quantidade de água evaporada, aumentando o fluxode calor sensível

• Mudando a circulação local e o ângulo de recebimento da luz solar

2) Poluentes são partículas e gases em concentrações que colocam emperigo a saúde dos organismos, alterando a dinâmica ambiental e dosprocessos físicos


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Partículas maiores concentram-sepróxima ao solo (gravidade)

Materiais particulados diminuem apenetração da luz afetando o clima pormeio de efeitos físicos

Alguns conceitos relacionados à poluição atmosférica

Características gerais dos poluentes

Gases poluentes afetam o clima por meio de reações químicas


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Atmosfera - Propriedades físico-químicas e regiões

A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a Terra, sendo formada por diferentes gases que se distribuem em “camadas”

Formação da atmosfera:

No início da formação do planeta Terra: atmosfera composta metano,amônia, nitrito, vapor de água e gás carbônico - resultantes das constanteserupções vulcânicas e de colisões de meteoros na superfície

Em uma “segunda fase”, surgiram os primeiros organismos vivos querealizaram fotossíntese, absorvendo o gás carbônico da atmosfera etransformando-o em oxigênio.

6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + H2O

(Glicose)

Ocorreu a maior transformação causada no planeta pelos organismos vivos: a atmosfera tornou-se “cheia” de oxigênio

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Importância

� Funções protetoras da superfície da Terra

A) Evita os impactos de corpos celestes (meteoros)

B) Mantem parte do calor solar, impedindo sua imediatairradiação para o espaço

C) Impede variações bruscas de temperatura e radiações extremamente energéticas, favorecendo a vida terrestre

D) Atua como um condensador que transporta água dos oceanos aos continentes


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- Contém 80% dos gases atmosféricos- Th máx ∼∼∼∼ - 600C

- Moléculas de O3

- T de - 60 até 00C

- Menos moléculas - T chegam a – 1000C

- Abs de radiação de alta energia- T chegam em 12000C


ou

Termosfera

Ordem e dimensão das camadas:

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Composição gasosa de cada camada:

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Troposfera

• A temperatura diminui com a altitude (decresce 6,5 0C a cada 1000 metros)• É nesta camada que se processam todos os fenómenos meteorológicos e o

transporte aéreo

Estratosfera

• Ocorrem T superiores devido à absorção de radiação UV por moléculas de O3

Mesosfera

• É a camada mais fria da atmosfera (poucas espécies absorvedoras)

Termosfera

• Diferentes espécies que absorvem radiação UV (altíssimas temperaturas)


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TroposferaÉ a camada importante para a sobrevivência dos seresaeróbios

OUTRAS CARACTERÍSTICAS

� Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera


Representação da LITOSFERA , também chamada de crosta terrestre

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� Forte interação com aLitosfera e com a Hidrosfera

� Composição variada

- Gases*

- Líquidos

- Sólidos

Substâncias Concentração em ppm

Nitrogênio (N2) 780 840.00

Oxigênio (O2) 209 460.00

Argônio (Ar) 9 340.00

Dióxido de Carbono (CO2) 315.00

Neônio (Ne) 18.00

Hélio (He) 5.20

Metano (CH4) 1.20

Criptônio (Kr) 1.10

Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50

Hidrogênio (H2) 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)15



� 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)

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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

ALÉM DISSO, a dispersão é resultado de mecanismos de transporte rápidos eirregulares

� Os contaminantes são carreados pelo vento e naturalmente semisturam na atmosfera turbulenta

� Durante a dispersão, os contaminantes podem sofrer reaçõesquímicas

- Contaminantes primários transformam-se em Contaminantessecundários

- São depositados no solo ou na água (por via seca ou úmida)

Atmosfera - Transporte de substâncias

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� Os poluentes podem ser removidos por:

- Deposição úmida

- Deposição seca

- Reações químicas com partículas ou outros gases



Exemplo de alguns poluentes importantes na atmosfera

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�� Substâncias persistentes (origem natural ou não) podem ficar “circulando” no ambiente:

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MAS, também ocorrem transformações químicas, facilitadas pelos Ciclos Biogeoquímicos

• Atmosfera ⇒⇒⇒⇒ REATOR (Oxigênio [componente extremamentereativo], compostos em pequenas concentrações, [reagentesou catalisadores] e luz solar [energia])

• PRODUTOS de reações atmosféricas ⇒⇒⇒⇒ concentração dosreagentes, temperatura, catalisadores e reatividade damolécula

• Tempo de residência desses produtos ⇒⇒⇒⇒ tempo médio depermanência do composto na atmosfera


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Ciclos Biogeoquímicos


São o conjunto de reações químicas e as mudanças de fase que fazem com que substâncias permeiem os diferentes ecossistemas

Ex: Questão do CO2

CO2 atmosférico é fixado pelas plantas (fotossíntese) e reemitidopela respiração

� TENDÊNCIA: concentrações “constantes” de substâncias nos ecossistemas

em equilíbrio

MAS no caso do CO2 e outros gases � alterações (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: CO2 atmosférico)21

WORLDWORLDRESOURCESRESO URCES

INST ITUTEINST ITUTE

Data Source: C.D. Keel ing and T.P. Whorf, Atmospheric CO2 Concentrations (ppmv) deri ved from in s itu ai r samples col lec ted at Mauna LoaObservatory, Hawaii , Sc ripps Ins titute of Oceanography, August 1998. A. Neftel et al, H istoric al CO2 Record from the Siple Station IceCore, Phys ics Insti tute, University of Bern, Switzerland, September 1994. See http://cdiac .esd.ornl.gov/trends/co2/contents .htm

Atmospheric carbon dioxide (CO2)concentrations (1750 to present)

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

1750 1800 1850 1900 1950 2000

parts p

er

millio

n v

olu

me

Mauna Loa (1958-present)

Siple Stat ion (1750-)

Atmosfera – Ciclo do carbono

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� “Fixação” de carbono por meio dos vegetais (consomem CO2) e animais (consomem C6H12O6)� Reemissão por meio de processos naturais (decomposição) e queima de combustíveis fósseis

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� Em relação ao fluxo de CO2 entre os diferentes compartimentos, seria possível calcularas estimativas de troca ?

� O pH da água favorece a dissolução do CO2 atmosférico? De que forma ?

ALGUMAS QUESTÕES PARA PENSAR...

� Quais são as principais formas químicas de transporte de carbono entre os

vários compartimentos da biosfera ?

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Atmosfera – Ciclo do nitrogênio

Espécies de N2 (inertes) x NOx* (associadas a problemas ambientais)

Transformação de N2em outros compostos:

NH3NH4

+

NO2-

NO3-

N2

- Espécie mais abundante daatmosfera- Não é aproveitado pelos seres

vivos NESTA FORMA (exceçãopara algumas bactérias)

- Outras formas: REATIVAS

(*) NOx = NO + NO2

- Chuva ácida- Depleção da camada de ozônio(Próxima aula ...)

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Ciclo do nitrogênio �� Complexo (efeitos desconhecidos)

• Relâmpagos ⇒ Transforma N inerte em N reativo:

N2 + O2 → 2NO

• 3/2 H2 + ½ N2 NH3 (Haber-Bosch) * Indústria de fertilizantes

* Substituinte dos CFCs

* Aditivo em petroquímicas

• Nitrificação:

• Desnitrificação:

Atmosfera – Ciclo do nitrogênio

Reações químicas

2 NH4+ + 3 O2 � 2 NO2

- + 2H2O + 4H+

2 NO2- + O2 � 2 NO3

-

NO3- � NO2

- � NO � N2O � N226

Atmosfera – Ciclo do enxofre

Chuva ácida

(próxima aula)

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Compostos de enxofre (estados de oxidação (-2 até +6) e suas fontes

�� SO2 ⇒ combustíveis fósseis (atividades antropogênicas � grandesquantidades)

Hemisfério Norte ⇒ maior concentração que hemisfério Sul

(países ricos queimam mais combustíveis fósseis)

�� H2S ⇒ águas ou regiões úmidas do continente (reações anaeróbias)

�� Dimetilsulfeto⇒ emitido por fitoplancton na superfície dos oceanos

�� SO42- ⇒ dissolvido na água e presente na atmosfera (“spray oceânico”)

Quando as partículas tem diâmetro < 10 mm constituem o “aerosol de sulfato”

podem penetrar nos pulmões e causar doenças respiratórias (sulfatos

provenientes de poluição)

�� Responsáveis por mudanças climáticas (interagem com a luz solar

causando alterações de temperatura)

Atmosfera – Ciclo do enxofre

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Aula S09

Química da Atmosfera - Parte IIPRINCIPAIS PROBLEMAS AMBIENTAIS E

AS REAÇÕES QUÍMICAS ENVOLVIDAS

1. Chuva ácida

2. Efeito estufa

3. Depleção da camada de ozônio

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Referências

• 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-de-pessoas-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

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