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A Química do Ambiente
Introdução
• As actividades humanas afectam o meio ambiente
• O crescimento económico depende de processos
químicos
– e.g. água potável, utilização de energia, síntese química, etc.
• Cimeira da Terra – Brasil 1992
• 1997 – Encontro de Quioto
• 2001 – Bona – Assinatura dos “protocolos de Quioto”
– Protocolos concebidos para o estabelecimento
regulamentações ambientais internacionais.
de
Tópicos
• Atmosfera da Terra
– Ozono
– Chuva ácida
– Efeito de estufa
• O Oceano
• Água
• Química “verde”
Atmosfera da Terra
Existem quatro zonas.
A temperatura e a
pressão da atmosfera
variam com a altitude.
Vivemos na troposfera.
Jactos voam a esta
altitude.
Chapter 18
Atmosfera terrestre
• A atmosfera da Terra é afectada pela temperatura e pela
pressão assim como pela gravidade.
• Átomos e moléculas mais leves encontram-se a altitudes
maiores . Quanto menos O2, mais “fino” é o ar.
• Troposfera e estratosfera contêm 99.9% do total de
massa da atmosfera, estando cerca de 75% na troposfera.
• Há uma lenta e ligeira mistura de gases entre as regiões
da atmosfera.
• Os dois componentes princiais da atmosfera são o azoto,
N2, e o oxigénio, O2.
Regiões externas da atmosfera
• Contêm uma pequeníssima percentagem da massa
atmosférica. Pressão baixa!
• Formam a defesa externa contra a radiação e as partículas
muito energéticas do espaço.
- Fotodissociação, fotoionização
Fotodissociação
• Fotodissocação: quebra de ligações induzida pela
radiação.
hc
E  h 

Quanto mais elevada for a frequência, menor é o comprimento
de onda e mais elevada é a energia da radiação.
• Para uma reacção ser induzida pela radiação é necessário
que os fotões possuam energia suficente para quebrar as
ligações; é necessário que as moléculas absorvam os
fotões.
Fotodissociação
• Nas regiões superiores da atmosfera (acima de 120km), a
fotodissociação origina a formação de átomos de
oxigénio:
O2(g) + h  2O(g)
O minímo de energia necessária para esta mudança é
determinada pela energia de dissociação de O2
(495kJ/mol).
• A dissociação de O2 é muito extensa a altitudes elevadas:
a 400 km só 1% do oxigénio é O2 e a 130km, cerca de
50% é O2.
Fotoionização
• É a ionização das moléculas (e átomos) causada pela
radiação.
• Em 1924 foram descobertos electrões na atmosfera
superior; Então também catiões devem estar presentes
nessa região (para balanço das cargas).
• Fotoionização ocorre quando a molécula absorve um
fotão com energia suficiente para remover um electrão.
• Comprimentos de onda que causam fotoionização e
fotodissociação são filtrados pela atmosfera (ocorrem
principlamente em zonas afastadas da superfície
terrestre).
Ozono na atmosfera superior
• O ozono (O3) absorve fotões com um comprimento de
onda (cdo) entre 240 e 310 nm. (N2, O2 e O absorvem
cdo menores que 240nm)
• Maior parte do ozono está localizado na estratosfera (a
cerca de 20 km).
• Nas regiões entre 30-90km a fotodissociação do oxigénio
molecular é possível:
O2(g) + h  2O(g)
Ozono na atmosfera superior
• Os átomos de oxigénio podem colidir com moléculas de
oxigénio e formam ozono com excesso de energia, O3*:
O(g) + O2(g)  O3*(g) (105kJ/mol)
• As moléculas excitadas de ozono podem perder energia
decompondo-se em átomos e moléculas de oxigénio
(reacção inversa)
O(g) + O2(g)
O3*(g)
ou transferindo a energia para M (normalmente N2 ou
O2):
O3*(g) + M(g)  O3(g) + M*(g)
Ozono na atmosfera superior
• 90% do ozono da Terra encontra-se na estratosfera, entre
os 10 e os 50 km de altitude.
• cdo menores que 1140 nm podem fotodissociar O3
(energia de ligação 105kJ/mol).
• O2(g) + hv  O(g) + O(g)
O(g) + O2(g)  O3(g) + M*(g) (energia libertada)
O3(g) + hv  O2(g) + O(g)
O(g) + O(g) + M*(g)  O2(g) + M*(g) (energia
libertada)
• Ciclo natural
Depleção do ozono
• Em 1970, Crutzen mostrou que óxidos de
nitrogénio, que ocorrem naturalmente, podem
cataliticamente destruir o ozono.
• Em 1974 Rowland e Molina mostraram que os
clorofluorcarbonetos (CFCs)
diminuem a camada de ozono ao catalizarem a
formação de ClO e O2.
Depleção do ozono
• Em 1994 visualizou-se
sobre a Antártica um
buraco na camada de
ozono
• Em 1995 o Prémio Nobel
da Química foi atribuído a
F. Sherwood Rowland,
Mario Molina, e Paul
Crutzen pelos seus estudos
sobre a diminuição da
camada de ozono
Clorofluorcarbonetos (CFCs)
•
-
Principalmente CFCl3 e CF2Cl2 :
usados em latas de spray,
como gases de refrigeração,
em ar condicionado,
formação de plásticos
• Não são reactivos na baixa atmosfera, são insolúveis em
água.
• Difundem lentamente para a estratosfera.
• Vários milhões de toneladas estão actualmente presentes
na atmosfera.
Os CFC e a diminuição da camada
de ozono
Na estratosfera, CFCs sofrem fotodissociação da ligação C-Cl :
CF2Cl2(g) + h  CF2Cl(g) + Cl(g)
– Consequentemente:
Cl(g) + O3(g)  ClO(g) + O2(g)
– Adicionalmente o ClO produz também Cl :
2ClO(g)  O2(g) + 2Cl(g)
A Química na Troposfera
• Troposfera: essencialmente constituída por O2 e N2
(99%).
• Apesar de outros gases estarem presentes em baixas
concentrações os seus efeitos no ambiente podem ser
profundos.
• O dióxido de enxofre, SO2, é largamente produzido por
cobustão de petróleo e carvão.
• SO2 é oxidado em SO3 ao reagir com O2 ou O3 e
podendo este reagir com água e produzir ácido sulfúrico:
SO3(g) + H2O(l)  H2SO4(aq)
Compostos de enxofre e chuva ácida
• Mais de 30MT ,por ano, de SO2 são lançadas na atomosfera
pelos Estados Unidos da América .
• Os óxidos de nitrogénio também contribuem para as chuvas
ácidas (ácidos nítricos e sulfúrico).
• A água da chuva normal apresenta um pH de cerca de 5.6
(devido ao H2CO3 produzido a partir do CO2).
• A chuva ácida tem um pH de 4, enquanto o pH de águas
naturais que têm formas de vida se situa entre 6.5 e 8.5.
Óxidos de nitrogénio e o smog
O smog fotoquímico (“a nuvem castanha”) é o resultado
de reacções fotoquímicas nos poluentes.
• No motor dos carros, forma-se NO :
N2(g) + O2(g)
2NO(g) H = 180.8 kJ
• No ar, acontece a rápida oxidação do NO:
2NO(g) + O2(g)
2NO2(g) H = -113.1 kJ
• O NO2 decompoe-se quando sujeito a cdo da ordem do
393nm (cdo da luz solar)
NO2(g) + h  NO(g) + O(g)
Óxidos de nitrogénio e o smog
• O oxigénio produzido por fotodissocaição do NO2 pode
reagir com O2 e formar O3, o qual é o componnete
chave do smog.
O(g) + O2(g) + M(g)  O3(g) + M*(g)
• Na troposfera o ozono é indesejável visto ser tóxico e
muito reactivo.
• Ozono…demasiado no smog, insuficiente na estratosfera.
Vapor de água, CO2 e clima
• Existe um balanço térmico entre a Terra e a sua
vizinhança.
• Radiação é emitida a partir da Terra na mesma taxa em
que á absorvida.
• A troposfera é transparente à luz visível.
• No entanto, a troposfera não é transparente à radiação
Infravermelha (IV).
• Então, a troposfera isola a Terra fazendo com que esta
pareça mais fria do exterior do que, realmente está, à
superfície.
Vapor de água, CO2 e clima
• As moléculas de água
e de dióxido de carbono
absorvem radiação IV evitando que todo o calor se
escape do planeta.
• O nível de dióxido de carbono tem vindo a aumentar nos
últimos anos. A Terra pode aquecer demasiado.
Perfil histórico de CO2
Houve um aumento
de 15% desde 1950,
essencialmente
devido à indústria
• Um aquecimento global excessivo, devido ao aumento
exponencial da concentração de CO2 , pode resultar no
degelo dos glaciares e consequente subida do nível da
água do mar.
O Mundo dos Oceanos
• 72 % da superfície terrestre está coberta de água.
• 97.2% da água do planeta é salgada , volume: 1.35  109
km3. Só cerca de 0.6% consiste em água doce e destes
apenas 0,1% são potáveis
• Salinidade: massa (em g) de sais em 1 kg de água do mar.
Média: 35.
• Maioria dos elementos na água do mar apenas estão
presentes em pequenas quantidades (vestigiais).
• Comercialmente o, NaCl,os iões Br- and Mg2+ são
obtidos a partir da água do mar.
Dessalinização
Remoção dos sais da água
• Método comum: osmose inversa .
– Sob uma enorme pressão os solventes movem-se de soluções
concentradas para soluções diluídas (envolvido muito consumo
de energia).
Química “verde”
• A indústria reconheceu a importância do uso de alguns
químicos em determinados processos, de3 forma a:
•
•
•
•
•
Evitar desperdícios,
Diminuir gastos energéticos,
Usar catalisadores,
Usar materiais renováveis,
Eliminar uso de solventes, tanto quanto possível.