Aula 5 – Química da Atmosfera

Profa. Lílian Silva

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas

Depto. de Química

Juiz de For a, 2013

Química Analítica Ambiental

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

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

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

O2 que respiramos.

Introdução

“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”

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

Introdução

• Exemplos:

– Dez. 1930 Vale de Meuse, Bélgica: grossa camada de poluição por 5 dias 63 mortos e doenças em 6000 pessoas

– Out. 1948 o mesmo em Donova, Pensilvânia (EUA): 20 mortos e quase metade da população (6000 pessoas) doentes

– Dez. 1952 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.

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

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

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 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + H2O

(Glicose)

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.

Atmosfera

Contém 80%

dos gases

atmosféricos

T de - 600C

T de - 600C

até 00C

T atinge até

– 1000C

T pode atingir

até 12000C

Atmosfera (distribuição de Temperatura)

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)

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)

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 mecanismos de transporte rápidos e irregulares. 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:

Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

• Deposição úmida

• Deposição seca

• Reação química de partículas ou gases

Atmosfera Dispersão atmosférica de contaminantes

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

Atmosfera

Tabela 1. Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984).

Substâncias Concentração em ppm Concentração em µg/m3

Nitrogênio (N2) 780 840.00 8.95 x 108

Oxigênio (O2) 209 460.00 2.74 x 108

Argônio (Ar) 9 340.00 1.52 x 107

Dióxido de Carbono (CO2) 315.00 5.67 x 105

Neônio (Ne) 18.00 1.49 x 104

Hélio (He) 5.20 8.50 x 102

Metano (CH4) 1.20 7.87 x 102

Criptônio (Kr) 1.10 3.43 x 103

Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50 9.00 x 102

Hidrogênio (H2) 0.50 4.13 x 101

Xenônio (Xe) 0.08 4.29 x 102

Atmosfera

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

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

+ - - =

Tempo de residência

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.

Principais Fontes de Poluição Poluentes Primários

• 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 (SO2) gás incolor e corrosivo originário de processos de combustão. No ar: SO3 que, em contato com a água H2SO4 (ácido sulfúrico)

• Óxidos Nitrosos (NOx) vermelho-amarronzado, reduz a visibilidade. Formado quando há oxidação de componentes nitrosos ( NO NO2); altas concentrações: problemas no coração e pulmões. Em presença de umidade: HNO3 (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

Principais Fontes de Poluição Poluentes Primários

• Material Particulado

Principais Fontes de Poluição • Material Particulado

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 (O3) 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 O3 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

• HNO3 (ácido nítrico)

• H2SO4 (ácido sulfúrico), ...

Ciclos biogequímicos

• Principais:

– Ciclo do carbono (CO2)

– Ciclo do nitrogênio (NxO, NOx)

– Ciclo do enxofre (SOx,H2S e (CHx)yS

Ciclo do Carbono

Ciclo do Carbono

Ciclo do Carbono

Ciclo do Nitrogênio

Ciclo do Nitrogênio

Ciclo do Nitrogênio

• Nitrogênio macro elemento vital a vida (aminoácidos formadores das proteínas)

• Disponibilidade agregados a rochas ou na forma de N2. Apenas 0,02% na forma biodisponivel às plantas

• N2 Inerte (Excessão) alguns tipos de bactérias

• N reativo H, C ou O

• Relâmpagos Tranforma Ninerte em Nreativo:

N2 + O2 → 2NO

Ciclo do Nitrogênio

• N reativo Agricultura (NPK)

• NH3 Fonte de nitrogênio (NPK N2 + 3H2 2NH3(g)).

• NH3 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)

Ciclo do Enxofre

Ciclo do Enxofre

Ciclo do Enxofre

• Enxofre Diferentes estados de oxidação (-2 até +6)

• Compostos de enxofre:

– SO2 combustão

– H2S águas ou regiões úmidas do continente (condições anaeróbias)

– DMS emitidos por fitoplancton na superfície do oceano

– SO4 dissolvido na água e presente na atmosfera (spray oceânico)

• S-antropogênico: – combustíveis fósseis

– Hemisfério norte maior concentração

– Hemisfério sul menor concentração

– Chuva ácida SO2 → SO4 (fotoquímica)

• Emissão naturais 40 - 85 Tg/ano

• Emissão antropogênicas 73 – 80 Tg/ano