Ambiental
Elaborado por Dr. DEJENE AYELE TESSEMA
African Virtual University
Informação
Este documento foi publicado de acordo com as condições do Creative Commons http://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons
Atribuição
http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ Licença (abreviatura “cc-by”), Versão 2.5.
Índice
I. Química Ambiental ____________________________________ 3
II. Pré-requisitos ou Conhecimento do Curso _____________________ 3 III. Tempo ____________________________________________________ 3 IV. Materiais _________________________________________________ 3 V. Fundamentos do Módulo ______________________________________ 3 VI. Conteúdo _________________________________________________ 4 6.1 Avaliação ___________________________________________ 4 6.2 Esboço _____________________________________________ 4 6.3 Organização Gráfica _____________________________________ 6
VII. Objectivo (s) Geral (ais) _______________________________________ 6
VIII. Actividades Específicas da Aprendizagem ____________________ 7 IX. Actividades de Ensino e Aprendizagem __________________________ 8 X. Actividades de Aprendizagem _________________________________ 13
XI. Glossário ______________________________________________ 89
XII. Leituras obrigatórias ________________________ 90
XIII. Lista de Conexões Úteis ________________________________ 93 XIV. Síntese do Módulo ____________________________________ 98 XV. Avaliação Sumativa ______________________________________ 99
XVI. Referências _____________________________________________ 107 XVII. Autor Principal do Módulo _________________________________ 108 XVIII. Registos do Estudante ____________________________________ 108
I. Química ambiental
Por Dr. Dejene Ayele Tessema
II. Pré-requisitos ou Conhecimento do manual
Antes de iniciar este manual, os estudantes devem rever as seguintes unidades do manual, de Introdução à química.
- Leis e propriedades dos gases
- Soluções e unidades de concentração - Equilíbrio químico
- Equilíbrio iónico
- Reacções ácido-bases e equilíbrio
III. Tempo requerido para cada unidade
Unidade I. O Ambiente (25 hrs)
Unidade II. Química atmosférica e poluição de Ar (35 hrs) Unidade III. Química aquática e poluição de Água (35 hrs) Unidade IV. Química e Poluição do Solo (25 hrs)
IV. Materiais
Para todas as unidades neste módulo os estudantes precisam de:
• Computador com facilidade de Internet para acessar às conexões e fazer cópia de materiais livres.
• CD-ROM que acompanha este módulo para leituras de suplementos e conferir respostas dos exercícios cedidos em cada uma das actividades de aprendizagem.
V. Fundamentos do módulo
De que é que o manual trata?
Quantias volumosas de substâncias químicas produzidas por indústrias modernas dão ao reino animal um padrão sem precedente de qualidade de vida. Porém, isto também mostra o preço da degradação ambiental. Para dar um contributo para a melhoria da qualidade ambiental, os indivíduos precisam de ter algum conhecimento sobre a química ambiental. Espera-se que os professores de química conheçam e transmitam à sociedade, conhecimentos sobre o ambiente através dos seus estudantes.
A meta geral deste manual é promover uma compreensão dos processos químicos fundamentais que são centrais para uma gama de problemas ambientais importantes e utilizar este conhecimento para fazer avaliações críticas destes problemas. As metas específicas incluem:
- Uma compreensão da química da camada de ozono da estratosfera e dos importantes processos de desgaste de ozono;
- Uma compreensão da química dos importantes processos da troposfera incluindo o smog fotoquímico e chuvas ácidas;
- Uma compreensão das bases físicas do efeito estufa e das fontes, e emissão dos gases de estufa;
- Uma compreensão da natureza, reactividade e destinos ambientais das substâncias químicas orgânicas tóxicas;
- Uma compreensão das implicações sociais de alguns problemas ambientais.
VI. Conteúdo
6.1. Avaliação do MóduloEm geral, este módulo aplica os princípios fundamentais de química para proporcionar um entendimento da fonte, destino, e reactividade dos compostos na natureza e ambientes poluídos. A primeira unidade discute e familiariza os estudantes com as várias divisões do ambiente e explica as possíveis consequências do uso excessivo dos recursos naturais para a partir disso fazer uma avaliação das consequências catastróficas da negligência da atitude humana. As unidades subsequentes dão ênfase a hidrosfera, atmosfera e a terra. Os assuntos ambientais que serão discutidos incluem as camadas atmosféricas e as reacções químicas que decorrem na atmosfera; desgaste do ozono; poluentes atmosféricos e suas fontes; efeito estufa e chuvas ácidas; mudanças climáticas; água e suas propriedades especiais; reacções químicas em solução aquosa; poluição de água e fontes de poluição; Solo – sua formação, características e poluição.
6.2 Estrutura do Módulo
Unidade I. O Meio Ambiente (25 hrs) • Introdução
• Consumo dos recursos naturais
• Aumento populacional e o meio ambiente • Urbanização e o meio ambiente
Unidade II. Química Atmosférica e a poluição do Ar (35 hrs) Química atmosférica
• Introdução
• A Atmosfera da Terra
• Temperatura e as camadas Atmosféricas
• Características das Principais Regiões da Atmosfera • Reacções Químicas Atmosféricas
Poluição Aérea
• Classificação dos Poluentes do Ar, • Maiores Fontes de Poluentes do Ar, • Poluição Aérea e Chuva Ácida,
• Poluição Aérea e Degradação da camada de Ozono, • Aquecimento Global,
• Resolução de Problemas
Unidade III. Química Aquática e poluição de Água (35 hrs) Química aquática
• Propriedades da água
• Reacções Químicas em solução aquosa • Dissolução de gases em água
• Fenómeno Ácido-base em solução aquosa • Reacções de Complexação em solução aquosa Poluição da Água
• Qualidade da Água
• Natureza e tipos de poluentes de água • Caracterização dos Desperdícios de Águas • Controle da Poluição da Água
• Exigências de qualidade da Água
Unidade IV. Química do Solo e Poluição (25 hrs) Química do solo • Introdução • Composição do Solo • Formação do Solo • Características do Solo • Classificação do Solo • Erosão do Solo
Poluição do Solo
• Fontes de Poluição do Solo • Efeitos da Poluição do Solo • Controle da Poluição do Solo
6.3 Organização Gráfica
Química
Ambiental
Química Atmosférica Química do Solo Química Aquática Poluição do Ar Poluição da Água Poluição do SoloVII. Objectivo geral
Este módulo versa sobre assuntos ambientais e sobretudo a química que está por detrás disso. Ele exige que se aplique o conhecimento de química para entender os assuntos ambientais. A meta deste curso é proporcionar-lhe conhecimentos sobre como um químico pode melhorar a qualidade ambiental.
VIII. Objectivos específicos de aprendizagem
Unidade Objectivo (s) de Aprendizagem
1. O Meio Ambiente Familiarizar os estudantes com as várias
divisões do ambiente e explicar as possíveis consequências do uso inadequado dos recursos naturais para com isso avaliar as consequências catastróficas da negligência das atitudes humanas. 2. Química atmosférica e
poluição do Ar
Explicar a composição dos gases no meio ambiente, a variação vertical da temperatura atmosférica e a química responsável pela variação observada, processos como; degradação da camada de ozono, efeito estufa, aquecimento global. 3. Química aquática e
Poluição aquática
Prover um entendendo fundamental dos processos químicos orgânicos e inorgânicos controlando a composição química do ambiente aquático e o destino dos poluentes no ambiente aquático. 4. Química do Solo e Poluição Familiarizar os estudantes com a principal a constituição do solo e o modo como ele é
formado.
Introduzir algumas características importantes do solo, sua classificação e os vários modos como os solos são poluídos.
IX. Actividades de Ensino e aprendizagem
9.1 Pré-avaliaçãoTítulo
Teste diagnóstico para módulo de Química Ambiental.
Justificativa
Pretende-se com este teste, avaliar o nível dos seus conhecimentos de química que são os pré-requisitos para uma aprendizagem próspera deste módulo.
Questões
1. Uma solução contém 15g de sacarose (açúcar de mesa) e 60 g de água. Qual é o percentual em massa (massa/massa%) da solução de sacarose?
a) 20% b) 2% c) 0.2% d) 5%
2. Qual é a molaridade de uma solução preparada quando se acrescenta a água 11g de CaCl2 para
perfazer 100 ml de solução?
A) 0.1 M B) 0.01 M C) 11.0 M D) 1.0 M
3. Uma solução tem [H3O+] igual a 1x10-5. Qual é a concentração dos iões OH- da solução? a) 1.0x10-5 b) 1.0x10-8 c) 1.0x10-9 d) 1.0x10 - 7
4. Uma solução de amónio tem [OH -] igual à 1x10-3. Qual é o pH da solução de amónio?
a) 8 b) 11 c) 3 d) 1.0 x 10-11
5. A parte da Terra na qual os humanos vivem e donde eles extraem a maioria dos seus alimentos, minerais e combustíveis é conhecido como:
6. O processo através do qual, as plantas fixam energia solar e carbono do CO2 atmosférico na forma de energia da biomassa, representado por (CH2O), é conhecido como:
a) Fixação b) Carbonização - solar c) Transpiração d) Fotossíntese
7. Quando uma mistura de gases entra em contacto com uma superfície líquida, a solubilidade de referido gás no líquido:
a) É proporcional à temperatura do líquido;
b) É proporcional à pressão parcial do gás em contacto com o líquido; c) É proporcional à pressão total exercida pela mistura de gases; d) Nenhum.
8. Qual é o produto gasoso formado na combustão completa de um combustível fóssil?
a) Gás carbónico b) Monóxido de carbono c) Carbono d) Nitrogénio
9. Qual é o gás que na atmosfera contribui maioritariamente para o efeito estufa?
a) Hidrogénio b) Nitrogénio c) Gás carbónico d) Monóxido de carbono
10. Qual destes fenómenos causa uma redução na camada de ozono? a) Aumento da queima de combustíveis fósseis;
b) Aumento do smog fotoquímico em cidades;
c) Aumento da temperatura do mar devido ao efeito estufa;
d) Aumento do uso de substâncias químicas em refrigeradores e aerossol. 11. Qual dos fenómenos evidenciam um provável efeito estufa?
a) Aumento da seca em regiões de África;
b) Aumento de área de gelo nas regiões polares do Sul;
c) Crescimento defeituoso das folhas de árvores da Europa do norte; d) Diminuição do banco de peixe no Oceano Atlântico.
12. O padrão de qualidade do ar para monóxido de carbono (baseado em 8hr de medida) é 9 ppm. Quando este padrão é expresso em mg/m3 a 1 atm e 250C, o seu valor será:
13. A atmosfera terrestre é uma camada de gases que cercam o planeta Terra e se mantém por gravidade da Terra. Qual dos gases seguintes é proporcionalmente maior?
a) Oxigénio b) Nitrogénio c) Hidrogénio d) Gás carbónico
14. A solubilidade de carbonato de cálcio pode ser calculada como se mostra:
O pH de CaCO3 nas condições de equilíbrio em água, na ausência de ar = 9.95 e a [Ca2+]= 1.26x10-4, enquanto quando na presença de ar o pH = 8.40 e a [Ca2+] = 3.98x10-4. A razão para o aumento observado da [Ca2 +] é:
a) Dissolução de CaCO3 pelo CO2 atmosférico dissolvido na água;
b) Um deslocamento do equilíbrio à direita devido ao aumento da pressão;
c) Um deslocamento do equilíbrio à direita devido a dissolução de O2 atmosférico;
d) Nenhuma das alternativas.
15. Quando se move do nível do mar a altitudes mais altas, a temperatura atmosférica: a) Diminui sucessivamente;
b) Aumenta sucessivamente;
c) Diminui e aumenta alternadamente; d) Permanece constante.
16. Qual dos seguinte fenómenos é a razão para a preocupação da redução das concentrações de ozono da estratosfera?
a) Câncer adicional devido a radiações UV adicionais que alcançam a superfície da terra; b) Aumento de ozono na troposfera, que é um risco para a saúde dos humanos;
c) O efeito de radiação de UV que alcança a superfície da terra em cianobacterias, bactérias das quais várias espécies de planta economicamente importantes dependem para a retenção de nitrogénio;
d) Todas as alternativas.
17. A causa global da degradação da camada de ozono é associada com:
a) A presença de clorofluorcarbonetos e relacionado a halocarbonetos que servem de fonte de gases de cloro;
b) Um aumento dos gases de efeito estufa; c) Um aumento da radiação UV solar;
18. Água tem várias propriedades únicas. Um destas propriedades únicas determina a transferência de calor entre a atmosfera e os corpos de água. Qual das seguintes se refere a essa propriedade?
a) Elevada constante dieléctrica de qualquer líquido comum; b) Elevado calor de evaporação que qualquer outro material; c) Máxima densidade como um líquido à 4oC;
d) Elevada constante dieléctrica de qualquer líquido comum.
19. Aldeídos são moléculas altamente reactivas presentes no meio ambiente que também podem ser produzidos durante a biotransformação de senobiótica e do metabolismo endogénico. Qual das seguintes estruturas moleculares representa um aldeído?
a) b) c) d)
20. A Degradação bacteriana do desperdício da biomassa da água, {CH2O}, pode ocorrer
aerobiamente ou anaerobiamente. Qual das seguintes equações representa a degradação anaeróbia da biomassa?
Respostas 1. a) 20% 2. d) 1.0 M 3. c) 1.0 x 10-9 4. b) 11 5. b) Geosfera 6. d) Fotossíntese
7. b) É proporcional à pressão parcial do gás em contacto com o líquido. 8. a) Gás carbónico
9. c) Gás carbónico
10. d) Aumento no uso de substâncias químicas em refrigeradores e aerossol 11. a) aumento da seca em partes de África
12. d) 10.3 mg/m3
13. b) Nitrogénio
14. a) Dissolução de CaCO3 por CO2 atmosférico dissolvido na água
15. c) Diminui e aumenta alternadamente 16. d) Todas as alternativas
17. a) A presença de clorofluorcarbonetos e relacionado a halocarbonetos que servem de fonte de gases de cloro.
18. b) Elevado calor de evaporação que qualquer outro material 19. c)
20. C) 2 CH2O CO2 + CH4
Comentário Pedagógico Para Estudantes
Querido estudante, o pré-teste anterior serve para testar seus conhecimentos sobre alguns conceitos gerais da química como: cálculo de concentração, cálculo de pH, solubilidade e equilíbrio, química orgânica e alguns conceitos gerais da química ambiental, que são obrigatórios para a compreensão deste módulo de Química Ambiental. Se você tiver menos que 50% dos pontos neste teste, é aconselhado a fazer uma revisão dos capítulos mencionados antes que você proceda ao próximo capítulo.
X. Actividade de aprendizagem
Actividade de Aprendizagem 1
O Meio ambiente
Resumo da Actividade de Aprendizagem
Proporcionar ao estudante uma perspicácia clara dos componentes do ambiente. Esta actividade de aprendizagem apresenta uma avaliação da definição do ambiente e as partes que constituem o ambiente. Impactos ecológicos de uso inadequado dos recursos naturais, os impactos ambientais de industrialização, para além de descrever também o crescimento populacional e urbanização.
No fim desta actividade de aprendizagem o estudante deve ser capaz de: • Descrever as várias partes do ambiente;
• Discutir as consequências ambientais do consumo dos recursos naturais; • Descrever os impactos ambientais do aumento populacional e urbanização; • Discutir a influência da industrialização na poluição ambiental.
Lista de Leituras Relevantes
Carl H. Snyder; Substâncias químicas, Poluição, e o Ambiente, o significado da poluição, em A Química Extraordinária de Coisas Ordinárias, terceira edição, John Wiley & Filhos, Inc, 1998.
Manahan, Stanley E. “Ciência Ambiental, Tecnologia, e Química” Química ambiental, 2000,
Química ambiental, http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml
Lista de recursos Relevantes
Computador com facilidade de Internet para acessar às conexões e fazer cópia de materiais livres.
CD-ROM que acompanha este módulo para leituras de suplementos e conferir respostas dos exercícios cedidos em cada uma das actividades de aprendizagem.
Lista de Conexões Úteis
Introdução à Ciência Ambiental, Livro de ensino Revolucionados: Fazendo a conexão fora de Livros em http://www.textbookrevolution.org/earth-ciências
Recursos aquáticos, Tratamento de água residual, Combustíveis Fósseis, em Livro De
Química Virtual, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html
Pesquisa de Geobioquímica Ambiental, em Recursos para professores de Química, Textos digitais, em http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml.
Esta ligação proporciona uma avaliação da “química ambiental” em seu mais
largo contexto: a evolução química e constituição da litosfera, hidrosfera, atmosfera, e biosfera.
1.1. Introdução
Unidade I. O Meio Ambiente (25 hrs)
• Introdução
• Consumo de recursos naturais
• Aumento Populacional e o Meio Ambiente • Urbanização e o Meio Ambiente
• Industrialização e o Meio Ambiente
Todos os factores externos que afectam um organismo podem ser definidos como meio ambiente. Estes factores podem ser organismos vivos ou organismos não vivos variáveis, como água, solo, clima, luz e oxigénio.
O meio ambiente nunca é estático. As forças físicas mudam continuamente a superfície da terra como temperatura, a acção de ondas e fenómenos naturais como vulcões. Ao mesmo tempo que introduzem gases, vapor e poeira na atmosfera. Os organismos vivos também desempenham um papel dinâmico como a respiração, excreção e no final de contas a morte e a deterioração, reciclando os elementos constituintes do seu meio ambiente.
Da mesma maneira que as substâncias familiares do nosso universo físico são divididas em sólidos, líquidos e gases, por conveniência o nosso ambiente físico pode ser dividido em: a atmosfera, a geosfera, a hidrosfera, a biosfera, a troposfera e toda a fauna e a flora. Isto é ilustrado como segue, usando vários compartimentos do ambiente como entidades
1.1.1 A Atmosfera
A atmosfera é o envelope de gases que cerca o corpo sólido do planeta.
Embora tenha uma espessura de cerca de mais de 1100 km, é sobre a metade que a sua massa está concentrada, abaixo de 5.6 km.
A atmosfera:
• É uma manta protectora que cria vida na Terra e a protege do ambiente hostil do espaço exterior;
• É a fonte de dióxido de carbono para fotossíntese da planta e de oxigénio para a respiração; • Proporciona o nitrogénio que as bactérias fixadoras de nitrogénio e plantas produtoras industriais de amónio usam para produzir a ligação química do nitrogénio, como componente essencial de moléculas da vida;
• Transporta água dos oceanos para a terra, agindo assim como condensador dos raios solares;
• Tem uma função protectora vital, enquanto absorvedor da radiação ultravioleta prejudicial do sol e estabilizando a temperatura de Terra.
1.1.2 A Hidrosfera
A hidrosfera é a camada de água que, na forma de oceanos, cobre aproximadamente 70.8 por cento da superfície da terra.
Água:
• Cobre aproximadamente 70% da superfície da Terra e acima de 97% desta água existe dentro de oceanos;
• Ocorre em todas as esferas do ambiente – em oceanos como um vasto reservatório de água salgada, na terra como água de superfície em lagos e rios; no subterrâneo como lençóis de água; na atmosfera como vapor de água; nos icebergs polares como gelo sólido e em muitos segmentos da troposfera como em caldeiras ou água de sistemas de distribuição municipal; • É uma parte essencial de todos os sistemas vivos e é o meio no qual evoluem e existem vidas;
• Transporta energia e matéria em várias esferas do ambiente;
• Constituintes solúveis de lixívia de matéria mineral e o seu transporte para o oceano ou seu depósito como minerais de pouca distância das suas fontes; ?
• Leva nutrientes de planta do solo para o corpo das plantas por via das raízes de planta; • Absorve energia solar em oceanos e esta energia é levada como calor latente e liberta para a terra quando evapora dos oceanos. A liberação acompanhante de calor latente proporciona uma grande fracção de energia que é transportada das regiões equatoriais para os pólos terrestres e poderes das tempestades.
1.1.3 A Geosfera
A geosfera é a parte da Terra na qual os humanos vivem e da qual eles extraem a maioria dos seus alimentos, minerais e combustíveis. É dividida em camadas que inclue o sólido, camada interna rica em ferro, camada exterior fundida e a litosfera – que consiste num manto superior e a crosta.
Fig 1.1. Estrutura interna da terra
Ciência ambiental é maioritariamente dedicada a litosfera.
• A litosfera, estende a profundidades de 100 km e inclui duas porções — a crosta e o manto superior.
• A crosta (parte exterior da terra) é a camada que é acessível aos humanos e está extremamente fina quando comparada ao diâmetro da terra, variando de 5 a 40 km de espessura.
1.1.4 A Biosfera
A Biosfera é a zona da terra relativamente fina de ar, solo e água que são capazes de apoiar a vida, variando de cerca de 10 km na atmosfera para a zona mais profunda do oceano. A vida nesta zona depende da energia solar e da circulação do calor e de nutrientes essenciais. A biosfera
• É virtualmente composta pela geosfera e hidrosfera na camada mais fina onde estas esferas ambientais se conectam com a atmosfera;
• Influencia fortemente, e em troca é influenciada fortemente por outras partes do ambiente;
• Influencia fortemente os corpos de água, produzindo biomassa necessária para a vida na água e mediante reacções de oxidação-redução na água;
• É envolvida por processos atmosféricos que quebram as rochas na geosfera convertendo a matéria rochosa do solo.
Camada interna Camada interna Descontinuidade de Gutenberg
Manto mais baixo Zona de transição Manto superior Descontinuidade de Mohorovich Crosta Litosfera Astenosfera Zona de transição
• É baseado em fotossíntese de planta que fixa a energia solar (h) e carbono de CO2 atmosférico na forma de biomassa de alta energia, representada como {CH2O}:
1.1.5 A Troposfera
Este é um nome dado a parte do ambiente “feito” ou modificado pelo homem e usado para as suas actividades. De certeza, há alguma ambiguidade associada a esta definição. Claramente, a construção de uma fábrica usa-se para o processamento de uma parte da atmosfera, como num oceano o navio usado para o transporte de bens é feito numa fábrica. O oceano no qual ocorrem os movimentos do navio pertence a hidrosfera, mas é claramente usado pelos homens.
A Troposfera
• É uma forte interconexão da biosfera.
• Como forte influenciador da biosfera, muda-lhe drasticamente. Por exemplo, a destruição dos habitats da vida selvagem resulta na extinção de vasto número de espécies, em alguns casos mesmo antes destes serem descobertos; a bioengenharia de organismos com recombinação tecnológica de DNA e as mais velhas técnicas de selecção e hibridação estão causando grandes mudanças nas características dos organismos e promete resultar até mesmo em alterações mais notáveis no futuro. • É da responsabilidade do Homem fazer tais mudanças de forma inteligente, proteger e recriar a biosfera.
1.1.6 A Flora e a Fauna
Os termos fauna e flora são nomes colectivos dados a animais e plantas respectivamente. Há uma interacção contínua entre as várias secções do ambiente: a flora e fauna. Uma comunidade de organismos que interagem mutuamente e o seu meio ambiente no qual há troca de materiais de maneira largamente cíclica é conhecida como ecossistema. O ambiente no qual um organismo particular vive é designado habitat.
Nós temos assim, para uma grande discussão, as diferentes partes da atmosfera. Embora para a conveniência do nosso estudo dividamos o ambiente em secções diferentes, existe uma interacção ilimitada entre estas partes. Toda a parte do ambiente é sujeita a mudanças drásticas devido ao uso inadequado dos recursos naturais pelo humano.
1.2 Consumo dos Recursos Naturais
Nos últimos dois séculos e meio, a revolução industrial mudou a face do planeta pelo uso dos recursos naturais a uma velocidade alarmante, especialmente combustível fóssil. Todos os anos, o consumo dos recursos naturais aumenta com o aumento da população humana e os padrões de vida eleva.
De seguida nós discutiremos as possíveis consequências ambientais que acompanham o elevado consumo dos recursos naturais pelo Homem: combustível fóssil, madeira de florestas, água, solo e energia.
1.2.1 Combustível Fóssil
Combustíveis fósseis, que incluem o petróleo, o carvão e o gás natural são substâncias ricas em energia que se formam pela soterração, por vários anos, de plantas e microorganismos. Eles proporcionam a maior parte da energia usada pela sociedade industrial moderna. A gasolina que abastece o nosso carro, o carvão que dá poder a muitas máquinas eléctricas, e o gás natural que aquece as nossas casas, são todos combustíveis fósseis.
Combustíveis fósseis são largamente compostos por hidrocarbonetos que são formados por organismos vivos que são soterrados debaixo de camadas de sedimentos por milhões de anos. Estes combustíveis são extraídos da crosta terrestre e refinados em produtos derivados do combustível, como gasolina, petróleo, e querosene. Alguns destes hidrocarbonetos também podem ser processados para a produção de plásticos, substâncias químicas, lubrificantes e outros produtos não combustíveis. Os combustíveis fósseis comuns e geralmente mais usados são o petróleo, o carvão e o gás natural.
Uma vez extraído e processado, o combustível fóssil pode ser directamente queimado, tanto como energia para os carros como para calor nas casas, ou ainda pode ser queimado para a geração da corrente eléctrica.
Quais são as consequências?
Dentro do último século, a concentração do gás carbónico na atmosfera aumentou dramaticamente, em grande parte, por causa da prática da queima de combustíveis fósseis. Isto resultou num aumento da temperatura global. As consequências do tal aumento da temperatura podem ser muito perigosas. Os níveis do mar subirão, inundando completamente um número de nações de ilhas e inundando muitas cidades costeiras. Muitas espécies de plantas e animais provavelmente poderão ser forçadas a se extinguir, as regiões agrícolas serão destruídas e a frequência da seca provavelmente aumente.
1.2.2 Floresta
Florestas são muito importantes para manter o equilíbrio ecológico e proporcionar muitos benefícios ambientais. Além de madeira e produtos de papel, a floresta proporciona habitat à vida selvagem, previne a inundação e a erosão do solo, promove a existência de ar limpo e água, e contém uma tremenda biodiversidade. As florestas são também uma importante arma de defesa contra as mudanças climáticas globais. As florestas produzem vidas que fornecem oxigénio e consomem dióxido de carbono, a combinação mais responsável pelo efeito estufa pela fotossíntese reduzindo assim os efeitos de efeito estufa
A B
Fig. 1.2. Desmatamento causa desertificação (A) Uma floresta conservada (B).
Florestas proporcionam habitat para uma larga variedade de plantas e animais e executam muitas outras funções importantes que afectam os Homens. O palio da floresta (as copas das árvores) e o sistema de raízes proporcionam filtros naturais para a água de lagos e rios que nós usamos. Quando chove o palio da floresta intercepta e redistribui a precipitação que pode causar inundação e erosão, usando a parte superior do solo. Alguns dos fluxos de precipitação descem sobre os troncos ou caules, o resto é filtrado pelos ramos e folhas. O palio também pode capturar nevoeiro, no qual se distribui a vegetação e o solo. As florestas também aumentam a habilidade da terra para armazenar água.
1.2.3 O Solo
Solo, uma mistura de minerais, plantas e materiais animais, é essencial para o crescimento da maioria das plantas e é o recurso básico para produção agrícola. No processo de desenvolvimento da terra e remoção da vegetação que mantém a água e o solo, a erosão devasta mundialmente a terra. O rápido desmatamento que acontece nos trópicos é, especialmente danificando, porque a camada fina da terra que permanece frágil é rapidamente destruída quando exposta a chuvas tropicais pesadas. Globalmente, a agricultura perfaz 28 por cento de quase 2 biliões de hectares de terra que é degradada pelas actividades humanas; a super população animal é responsável por 34 por cento e o desmatamento é responsável por 29 por cento.
1.2.4 A Água
Recursos de água doce limpa são essenciais para beber, tomar banho, cozinhar, irrigação, Indústria, e para a sobrevivência da planta e animal. Devido ao uso inadequado da maioria das fontes de água doce, estas causam a poluição e a degradação do ecossistema – água subterrânea (a água localiza-se debaixo da superfície de terra), reservatórios e rios – estão debaixo de uma severa e crescente tensão ambiental. Cerca de 95 por cento dos esgotos urbanos nos países em desenvolvimento é descarregado em águas da superfície como rios e portos (ser tratado).
Cerca de 65 por cento da água doce global é usada na agricultura e 25 por cento é usada na indústria. A conservação da água doce requer uma redução de práticas esbanjadoras, a irrigação ineficiente, reformas na agricultura e indústria, e controle rígido da poluição mundial.
1.2.5 Energia
O ser humano produz e usa energia ao longo da história. O Homem usa a energia para a produção industrial, transporte, aquecimento, esfriamento, cozinha e iluminação. A energia mundial provida depende de recursos diferentes. Combustíveis tradicionais como por exemplo lenha e desperdício animal, são fontes significantes de energia de muitos países em desenvolvimento. Combustíveis fósseis fornecem mais de 90 por cento da produção global de energia, mas eles causam a poluição do ar e são considerados como sendo recursos problemáticos.
Um dos factores mais significantes que agravaram a degradação ambiental é o crescimento populacional. A demanda para o acréscimo do alimento e habitação que acompanham o crescimento populacional, aumenta o desflorestamento, cultivo de mais terra, o uso de fertilizantes, o desvio de rios e urbanização. Estas actividades contribuem subsequentemente para o desequilíbrio ecológico global e para a poluição ambiental. Nas unidades seguintes, nós discutiremos de forma breve os impactos do crescimento populacional sobre o ambiente.
1.3 Crescimento Populacional e o Meio Ambiente
A população mundial está aumentando a uma velocidade alarmante. De 1930 até a actualidade, cresceu de 2 biliões a 5.3 biliões. E espera-se que suba novamente até mais de 8 biliões em 2050. A demanda do crescimento populacional culmina com o desejo da maioria das pessoas para um padrão de vida material mais alto resultando numa escala elevada de poluição mundial.
Problemas ambientais conduzem à escassez de comida, água limpa, materiais para abrigo e outros recursos essenciais. Como as florestas, o solo, o ar e a água, são degradados, as pessoas que vivem directamente à base desses recursos naturais sofrem mais com os efeitos.
A degradação ambiental global pode resultar de uma variedade de factores, incluindo a superpopulação e o uso inadequado da terra e outros recursos. Por exemplo, uso intensivo da agricultura, diminui a fertilidade do solo, assim os rendimentos da colheita decresce. A degradação ambiental também é o resultado da poluição. A poluição industrial inclui a mineração, geração de energia e a produção química. Outras fontes principais de poluição incluem automóveis e fertilizantes agrícolas.
Em países em desenvolvimento, o desflorestamento é a razão particular do efeito ambiental devastador. Muitas pessoas rurais, particularmente de regiões tropicais, dependem das florestas como fonte de retirada de alimentos e outros recursos, e o desflorestamento danifica ou elimina estes materiais. As florestas também absorvem muitos poluentes e água das chuvas; sem florestas, a poluição aumenta e aumentam as inundações diminuindo a utilidade das áreas desflorestadas.
O manejamento de terras pobres e a população crescente são factores que promovem o aumento da irrigação cultivo impróprio ou super cultivo e o aumento de números de vidas
Desde os últimos anos a urbanização de áreas rurais aumentou. Como a agricultura, muitos serviços locais tradicionais e a indústria em pequena escala dão lugar a indústrias modernas urbanas, e relacionam o comércio com o desenho das cidades que se baseia nos recursos de uma área para a extracção do seu próprio alimento e de bens por comercializar ou processar em fábrica. A urbanização está entre os factores mais significantes que agravam a degradação ambiental. Na subunidade seguinte, nós discutiremos de forma resumida os impactos da urbanização sobre o ambiente.
1.4 Urbanização e o Meio Ambiente
Demograficamente, o termo urbanização denota uma redistribuição da população da zona rural para a urbana. O século XX testemunhou uma urbanização rápida da população mundial. A proporção global da população urbana subiu dramaticamente de 13% (220 milhões) em 1900 para 49% (3.2 biliões) em 2005. Também se projecta que o crescimento suba provavelmente até 60% (4.9 biliões) antes das 2030.
A urbanização acontece naturalmente com o esforço no sentido de melhorar as oportunidades de emprego, educação, alojamento e transporte, e reduzir as despesas de transporte e viagens diárias. Viver em cidades permite que os indivíduos e as famílias levem vantagens das oportunidades de proximidade, diversidade e competição do mercado. Com um próprio planeamento e visão a longo prazo, os padrões de determinação oferecem economias de escala e isso pode reduzir a pressão sobre os recursos naturais pelo crescimento populacional e aumentar a eficácia energética. Desde que as pessoas vivam juntas e necessitem de menos espaços dentro das cidades, cada individuo requererá infra-estruturas menos críticas tais como esgotos, electricidade e estradas, do que em comunidades descentralizadas. Porém, com esse conjunto de benefícios sociais e económicos da urbanização vêm vários distúrbios ao ambiente.
Em décadas recentes, valiosas terras de cultivo enfrentaram ameaças causadas pela urbanização de áreas rurais. As principais terras agrícolas foram transformadas em subdivisões e pavimentadas para criar parques de estacionamento e ruas. Um crescimento urbano desorientado conduz à necessidade de criar mais rodovias. Num círculo contínuo e vicioso, a disponibilidade de sistemas rodoviários novos pressupõe mais desenvolvimento. O resultado final deste padrão de desenvolvimento será a redução de uma área de cultivo de produtos agrícolas.
As cidades do mundo são responsáveis por 75 por cento de consumo de energia global, 80 por cento de emissões de gás de estufa e uma parte desproporcionada de uso de recursos como alimentos, madeira e aço. Devido a estes factos, muitas cidades, na experiência mundial, são responsáveis pela poluição do ar como resultado da rápida industrialização e do aumento do parque automóvel. Calcula-se que a poluição mundial do ar urbano é a principal causa de cerca de um milhão de mortes prematuras a cada ano.
1.5 Industrialização e o Meio Ambiente
A população mundial está aumentando a uma velocidade alarmante. Desde 1930 até ao presente subiu de 2 biliões a 5.3 biliões. E espera-se que suba novamente até mais de 8 biliões em 2050. A demanda do crescimento populacional, está relacionada com o desejo da maioria das pessoas de ter um padrão de vida material mais alto o que intensifica a industrialização. Estas actividades industriais, com ajuda das tecnologias modernas, proporcionam alimento, abrigo e bens que o homem necessita para a sua sobrevivência e o seu bem-estar.
Os processos de produção industrial podem consistir na síntese de uma substância química a partir da sua matéria-prima, proveniente da separação de metal ou plástico, ou qualquer outra coisa necessária para a síntese de um certo produto. Cada um destes processos tem consigo um potencial para causar a poluição significativa do ar e da água, e produzir desperdícios perigosos. Quanto mais cedo o desenho de um processo industrial prever o seu desenvolvimento tendo em conta as questões ambientais, mais “amigo do ambiente” será o processo industrial.
Durante os últimos 30 anos, a produção industrial foi uma fonte principal de poluição nas áreas urbanas e um significante condutor para a intensificação do uso dos recursos.
1.5.1 Poluição Ambiental como Resultado da Industrialização
Tente responder as seguintes perguntas estimulantes antes de você começar a leitura das notas dadas nesta subunidade e a seguir vai para o texto para encontrar as respostas. Você alguma vez viu o ar de uma grande cidade tornando-se nublado no céu? Como é que você pensa que é composto tal ar nublado? Como é formado?
1.5.1.1 Smog e Chuva Ácida
A maioria da poluição do ar provém de uma actividade humana: queima de combustíveis fósseis – gás natural, carvão e óleo – para obter energia para processos industriais e automóveis. Isto resulta numa emissão de uma quantidade enorme de compostos químicos prejudiciais como gás carbónico, monóxido de carbono, óxidos de nitrogénio, dióxido de enxofre e partículas – incluindo minúsculo sólido dos aditivos da gasolina – chamado material particulado. Várias substâncias orgânicas voláteis (VOCs), geradas da combustão incompleta na queima de combustíveis, também vão ao ar.
O gás carbónico é um dos gases que contribui significativamente para o aquecimento global. As emissões de dióxido de enxofre e de óxido de nitrogénio são as principais causas das chuvas ácidas em muitas partes do mundo. O dióxido de enxofre e óxidos de nitrogénio emitidos para a atmosfera, são absorvidos pela chuva formando ácido sulfúrico e ácido nítrico. Estes ácidos são prejudiciais para os pulmões e atacam qualquer material feito de calcário, mármore ou metal.
Smog (Fumaça) é um tipo de poluição de ar produzido quando a luz solar age sobre os
gases lançados pelos automóveis formando substâncias prejudiciais como ozono (O3),
aldeídos e peroxiaceytilnitatro (PAN). Antes do desgaste do automóvel, a maioria do smog provém da queima de carvão.
Devido ao poder luminoso solar, os óxidos de nitrogénio e os compostos orgânicas voláteis reagem na atmosfera produzindo o smog fotoquímico. O ozono quando em camadas atmosféricas mais baixas é um veneno – ele danifica a vegetação, mata árvores, irrita os tecidos pulmonares e ataca a borracha.
O smog deteriora a visão e torna a actividade ao ar livre desagradável. Os efeitos do smog são desastrosos tanto para crianças assim como para pessoas mais velhas que sofrem de asma ou de doenças de coração. Smog, pode causar dificuldades respiratórias, dores de cabeça e vertigem. Em casos extremos, o smog pode conduzir para doenças e mortes em massa, principalmente pelo envenenamento por monóxido de carbono.
1.5.1.2 Poluição do Solo e da Água
A agricultura e indústria mineira contribuem profundamente para a poluição do solo e da água. A agricultura mudou rapidamente vastas áreas florestais e vegetativas em terras cultiváveis.
As minas perturbam os aquíferos de águas subterrâneas. A água que sai das minas pode ser poluída. A Pirite, FeS2, é um mineral que geralmente está associado ao carvão. Quando
associado ao carvão condiciona um dos efeitos mais comuns e prejudiciais nos cursos de água, pois quando este mineral está exposto ao ar é oxidado a ácido sulfúrico por acção bacteriana produzindo água ácida da mina.
Quando os materiais mineiros são processados, vários outros processos benéficos são empregues na separação da fracção útil do minério, deixando resíduos de dejectos que carregam consigo várias substâncias químicas que poluem o solo e as correntes circunvizinhas de água. Por exemplo, os resíduos deixados pelos processos benéficos da
produção de carvão são frequentemente enriquecidos em pirite, FeS2, que é oxidado
microbiologicamente e quimicamente para produzir ácido, danificando e drenando (água ácida da mina) que pode poluir o solo, águas superficiais e subterrâneas.
1.5.1.3 Mudanças climáticas
As actividades humanas estão alcançando um ponto no qual estas podem estar afectando adversamente o clima. O efeito estufa, causado pela emissão de grandes quantidades de gás carbónico, e outros gases de estufa à atmosfera resulta numa mudança climática significativa. Outra forma é pela libertação de gases, particularmente clorofluorcarbonetos, que pode causar a destruição vital da estratosfera de ozono.
Avaliação Formativo
1. A parte do geosfera que entra em contacto directo com a atmosfera é:
a) Camada exterior, b) Manto mais baixo, c) Manto superior, d) Nenhuma
2. A camada da geosfera que é a mais afectada pela actividade humana é: a) Litosfera b) Manto superior c) Manto mais baixo d) Camada exterior
3. A zona relativamente fina da atmosfera, geosfera e hidrosfera que são capazes de suportar a vida é conhecida como:
a) Troposfera b) Biosfera c) Ambiente d) Litosfera
4 Qual dos seguintes factores não contribui para o efeito estufa?
a) Desflorestamento c) Uso de combustíveis fósseis como fonte de energia b) Reflorestamento d) a & b
5. Uma degradação global do ambiente pode resultar em: a) Super população
b) Existência de grandes áreas cobertas por florestas naturais c) Agricultura intensiva
d) Protecção da vida selvagem
6. Comparando as concentrações descentralizadas humanas, qual dos seguinte factos constitui vantagem da urbanização com respeito ao ambiente?
a) Reduzir a pressão sobre os recursos naturais e aumentar a eficiência energética b) Maior exigência das infra-estruturas básicas por pessoa
c) Conversão das principais terras agrícolas em parques de estacionamento e ruas d) Rápida industrialização e aumentado do parque automóvel
7. As principais emissões que causam as chuvas ácidas em muitas partes o mundo são:
a) Oxigénio e dióxido de carbono c) metano e dióxido de carbono
b) Dióxido de enxofre e óxido de nitrogénio d) monóxido de carbono e dióxido de carbono
8. Hoje, a principal fonte de smog na maioria das regiões é:
a) Fertilizantes e praguicidas usados nas práticas agrícolas modernas b) Gases poluentes que evaporam de grandes correntes de água c) Disposição insegura de poluentes orgânicos voláteis
d) Combustão da gasolina em automóveis
9. Qual dos seguintes factores não é um efeito do smog?
a) Torna difícil a respiração c) Pode causar morte
b) Causa dores de cabeça d) Nenhum
10. A exposição da Pirite ao ar conduz à formação de:
a) Enxofre c) Ácido nítrico
b) Ácido sulfúrico d) Ácido clorídrico
Respostas 1. d) Nenhum 2. a) Litosfera 3. b) Biosfera 4. b) Reflorestamento 5. c) Agricultura intensiva
6. a) Reduzir a pressão sobre os recursos naturais e aumento na eficiência energética. 7. b) Dióxido de enxofre e óxido de nitrogénio
8. d) Combustão da gasolina em automóveis 9. d) Nenhum
Actividade de Aprendizagem 2
Química Atmosférica e poluição do Ar
Resumo da Actividade de Aprendizagem
A atmosfera proporciona uma ligação directa entre a actividade industrial, a biosfera, a litosfera, o oceano e os seres humanos. Como estudante de química ambiental, você deve ser capaz de focalizar assuntos actuais como: mudanças climáticas, poluição de ar, o destino de emissões industriais, desgaste da camada de ozono na ciência atmosférica a um nível alto.
Então, ao completar esta secção você deve ser capaz de:
• Explicar a extensão de química atmosférica e descrever a composição da atmosfera terrestre;
• Explicar as regiões da atmosfera definidas à base da temperatura; • Discutir as características das principais regiões da atmosfera; • Descrever as reacções químicas que ocorrem na atmosfera;
• Definir a poluição do ar e descrever as suas fontes naturais e antropogénicas; • Explicar os vários modos de classificação dos poluentes do ar;
• Explicar a relação entre a poluição do ar e a chuva ácida;
• Descrever a influência da poluição do ar no desgaste da camada de ozono e no aquecimento global.
Lista de Leituras Pertinentes
A.R. MEETHAM. D. W. Assente, e S. Cayton, Poluição Atmosférica, 3º ed. Nova York: A Companhia de MacMillan, 1964.
Carl H. Snyder; Substâncias químicas, Poluição e o Ambiente, o significado da poluição, em A Química Extraordinária de Coisas Ordinárias, terceira edição, John Wiley & Filhos, Inc, 1998,
Assuntos ambientais, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html,
J. Greyson, Carbono, Poluente de Nitrogénio e de Enxofre e sua Determinação no Ar e Água. Nova Iorque: Marcel Dekker, 1990.
Lista de recursos pertinentes
• Computador com facilidade de Internet para acessar às conexões e fazer cópia de materiais livres.
• CD-ROM que acompanha este módulo para leituras de suplementos e conferir respostas dos exercícios cedidos em cada uma das actividades de aprendizagem.
Lista de ligações úteis e pertinentes
Efeito estufa, chuva ácida, Desgaste da camada de Ozono, em Livro de Química VIRTUAL, no http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html
Efeito estufa e Mudanças Climáticas, no http://www.gcrio.org/gwcc/index.htm, apresenta discussões pertinentes em partes um e dois. A parte um discute o mecanismo da queima do carvão, óleo e gás natural libertando CO2 para a atmosfera, resultando no
efeito estufa. Além disso, são também enfatizadas outras actividades humanas que contribuem para o efeito estufa.
A segunda parte discute os impactos do efeito estufa. É profundamente descrito como é que o aquecimento, o esfriamento, o uso de água e o nível da água do mar são afectados pelo efeito estufa, e o efeito de uma grande ou rápida mudança climática sobre as plantas e animais num ambiente natural.
Tarefas de Leitura
a) Rever o capítulo de leis de gás no seu módulo de química geral. b) Ler capítulo 9 em Manahan.
c) Ler o documento “Comp-R-poluentes do ar” nas leituras obrigatórias para aprender mais sobre a formação de óxidos na atmosfera.
Unidade II: Química Atmosférica e poluição do Ar (35 hrs)
Química atmosférica • Introdução
• A Atmosfera Terra
• Temperatura e as camadas Atmosféricas
• Características das Principais Regiões da Atmosfera • Reacções Químicas Atmosféricas
Poluição do Ar
• Classificação dos Poluentes de Ar; • Maiores Fontes de Poluição do Ar; • Poluição do Ar e Chuvas Ácidas; • Poluição do Ar e Desgaste do Ozono; • Efeito estufa;
2.1 Química Atmosférica
O Homem induziu a poluição Atmosférica
Poluição é a mudança da atmosfera terrestre de forma que deixe entrar mais radiação solar prejudicial. O aumento da temperatura, conhecido como efeito estufa, afecta a provisão mundial de alimento, altera o nível do mar, torna a temperatura mais extrema, e aumenta a difusão de doenças tropicais.
Como professor de química, espera-se que você contribua para a solução do aquecimento global causado pela poluição atmosférica. Você deverá ser capaz de descrever a composição atmosférica, o principal contribuinte para a poluição atmosférica e a forma como estes poluentes são acumulados na atmosfera. Nesta unidade, discutiremos a química da atmosfera e os principais poluentes da atmosfera; descrever o modo como estes poluentes são formados e acumulados na atmosfera; e as ameaças colocadas pelos poluentes.
2.1.1 Introdução
Química atmosférica: é a parte da ciência atmosférica na qual a química da atmosfera da Terra e de outros planetas são estudados.
A composição e a química da atmosfera são importantes por várias razões, mas principalmente por causa das interacções entre a atmosfera e os organismos vivos. A composição da atmosfera terrestre foi mudada pelas actividades humanas e algumas destas mudanças são prejudiciais à saúde do homem, às colheitas e ao ecossistema. Exemplos de problemas que foram identificados através da química atmosférica incluem a chuva ácida, smog fotoquímico e efeito estufa. A química atmosférica procura entender as causas destes problemas, através da obtenção de um entendimento teórico destes, permitindo testar possíveis soluções e os efeitos das mudanças das políticas governamentais de avaliação.
2.1.2 Atmosfera Terrestre
A atmosfera da terra é uma camada de gases que cercam o planeta Terra e retida pela gravidade da Terra. Contém aproximadamente 78% de nitrogénio, 21% de oxigénio, 0.93% de árgon, 0.04% de gases carbónicos, e o resto são quantidades de outros gases além de vapor de água.
Esta mistura de gases é geralmente conhecida como ar. A atmosfera protege a vida na Terra absorvendo radiação UV solar e reduzindo temperaturas extremas entre o dia e a noite.
Os gases ozono, vapor de água, e gás carbónico são componentes secundários da atmosfera, mas eles têm um efeito enorme na Terra absorvendo radiação. O ozono nas camadas superiores da atmosfera filtra a luz ultravioleta de aproximadamente 360 nm que são perigosos para os organismos vivos. Na troposfera o ozono é um poluente indesejável. Ele é tóxico para os animais e plantas e também danifica materiais.
A atmosfera fica lentamente mais fina e diminui em espaço. Neste sentido, não há nenhum limite definido entre a atmosfera e espaço exterior. Setenta e cinco por cento da massa da atmosfera ocupa 11 km da superfície planetária.
2.1.3 Temperatura e as camadas Atmosféricas
Embora a pressão atmosférica diminua de um modo regular a altitudes mais altas, o gráfico da temperatura em função da altitude é muito complexo. A temperatura da atmosfera terrestre varia com a altitude e a relação matemática entre a temperatura e a altitude varia entre as várias camadas atmosféricas:
Quatro regiões da atmosfera: a troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera, foram definidas na base da curva de temperatura ilustrada na figura 2.1.
A Troposfera é a região mais próxima da superfície da terra. Esta é a região entre a superfície da terra e 7 km de altitude aos pólos e 17 km ao equador com alguma variação devido a factores de temperatura. A temperatura do ar baixa uniformemente com a altitude a uma velocidade de aproximadamente 6.5° Centígrado por 1000 metros. O topo é alcançado a uma média de temperatura de -56.5°C.
Na estratosfera, a temperatura permanece constante com altura nos primeiros 9 quilómetros (chamada camada isoterma) e depois aumenta.
Sobre a estratosfera, na região de aproximadamente 50 a 80 km, a temperatura novamente diminui na mesosfera. A atmosfera alcança suas temperaturas mais baixas (cerca de -90°C) na camada mais alta da mesosfera (uma altura de cerca de 80km).
A atmosfera superior é caracterizada pela presença de níveis significantes de electrões e iões positivos. Por causa das condições rarefeitas, estes iões podem existir na atmosfera superior por períodos longos antes da recombinação para formar espécies neutras. À altitudes de aproximadamente 50 km e mais, os iões são tão prevalecentes que a região é chamada ionosfera. A luz ultravioleta é a produtora primária de iões na ionosfera. Na escuridão, os iões positivos lentamente recombinam-se com os electrões livres. O processo é mais rápido em regiões baixas da ionosfera onde a concentração de espécies é relativamente alta.
A temperatura atmosférica novamente aumenta na termosfera. A temperatura nesta camada pode ser tão alta até 1200°C.
Os limites entre estas regiões são designados tropopausa, estratopause, mesopausa e termopausa. A temperatura comum da atmosfera na superfície da Terra é de 14 °C. Os aviões de passageiros voam regularmente próximo do topo da troposfera a altitudes de 10 a 12 km, e o registo de altitude mundial para aeronave é de 37.65 km - asperamente no meio da estratosfera.
2.1.4 Características das Principais Regiões da atmosfera
2.1.4.1 A Troposfera
Esta é a região próxima da superfície da Terra. Exclui vapor de água, os maiores componentes gasosos da atmosfera nesta região são N2 (78.1%), O2 (21%), Ar (0.9%), CO2
(0.03%) e quantidades variáveis de CH4, NO2, CO, N2O, H2, SO2, Kr, Ne e O3.
Aproximadamente 80% da massa total da atmosfera nesta camada é contida na atmosfera. Na troposfera, a temperatura do ar decresce uniformemente com altitude a uma velocidade de aproximadamente 6.5° Centígrado por 1000 metros. O topo é alcançado a uma temperatura comum de -56.5°C.
2.1.4.2 A Estratosfera
A estratosfera contém aproximadamente 19.9% da massa total da atmosfera. A camada fina da estratosfera superior (conhecida como a camada de ozono) tem uma elevada concentração de ozono.
O ozono absorve a luz ultravioleta muito fortemente na região de 220-330 nm. Assim, o ozono converte a energia da radiação para aquecer e é responsável pela temperatura máxima encontrada no limite entre a estratosfera e a mesosfera a uma altitude de aproximadamente 50 km.
A região de máxima concentração de ozono é encontrada a uma distância de 25-30 km acima da estratosfera onde pode alcançar 10 ppm. Porém, a temperatura máxima acontece a uma altitude mais alta. Isto acontece devido ao facto de que o ozono é um absorvente efectivo da radiação UV e a maioria desta radiação é absorvida na estratosfera superior onde gera calor. Só uma pequena fracção alcança as mais baixas altitudes, onde o ozono está mais concentrado e que permanece relativamente fria.
Esta camada é a principal responsável pela absorção da radiação ultravioleta do sol. As temperaturas mais altas são encontradas em regiões superiores da estratosfera, isso acontece por causa da localizada concentração de moléculas do gás ozono. As moléculas de ozono absorvem os raios UV criando energia em forma de calor que aquece a estratosfera.
2.1.4.3 A Mesosfera
Mesosfera: A camada a seguir a estratosfera é conhecida como o Mesosfera e esta camada tem uma extensão de aproximadamente 50 a 80 km. Ela está separada do termosfera por uma camada fina conhecida como o mesopause.
A temperatura vai diminuindo da mesosfera a atmosfera alcançando temperaturas mais frias (aproximadamente -90°C) no fim da mesosfera (a uma altura de cerca de 80km).
2.1.4.4 A Termosfera
Esta é parte da atmosfera que está a 80 km de altitude. No espaço exterior da termosfera, a maioria das partículas consistem em átomos únicos, H, Ele, e O etc. A altitudes baixas (200 - 100 km), estão presentes moléculas de diatómicas N2, O2, NO, etc. As temperaturas altas
nesta camada são geradas pela absorção da intensa radiação solar através de moléculas de oxigénio (O2).
Nesta região da atmosfera, a temperatura parece extrema, a quantidade de energia calorífica envolvida é muito pequena. As moléculas que podem armazenar calor são pequenas em quantidade. (Nota: esse calor armazenado é directamente proporcional a quantidade de substância).
O ar na termosfera é extremamente franzino com grandes distâncias entre as moléculas gasosas. Isto torna o processo de medição da temperatura da termosfera muito difícil com um termómetro.
2.1.5 Reacções químicas na Atmosfera
Dois componentes de extrema importância na química atmosférica são a energia radiante do sol, predominantemente na região ultravioleta do espectro e o radical hidróxilo, HO•. O primeiro proporciona um modo para bombear um nível elevado de energia numa única molécula de gás para começar uma série de reacções químicas atmosféricas e o segundo é o mais importante reagente intermediário dos fenómenos químicos atmosféricos diários. Dióxido de nitrogénio, NO2, é uma das espécies fotoquímicas mais activas presentes numa
atmosfera poluída. Uma espécie como NO2 pode absorver a luz para produzir uma
molécula electricamente excitada.
Uma molécula electricamente excitada é uma molécula que absorveu energia de radiação electromagnética na região do UV-visível do espectro.
Moléculas electricamente excitadas, radicais livres e iões que consistem em átomos electricamente carregados ou fragmentos moleculares são as três espécies reactivas relativamente instáveis que são encontradas na atmosfera. Eles são fortemente envolvidos em processos químicos atmosféricos.
A) Formação de Radicais Livres
Radicais livres são átomos ou grupos de átomos com electrões desemparelhados. Tais espécies podem ser produzidos pela acção da radiação electromagnética enérgica em átomos neutros ou moléculas. As fortes tendências de emparelhando dos electrões desemparelhados tornam os radicais livres altamente reactivos e são envolvidos com muita significância com os fenómenos químicos atmosféricos.
O radical de hidroxilo, HO•, é a única espécie intermediária reactiva mais importante em processos químicos atmosféricos. É formado através de vários mecanismos. À altitudes altas é produzido através da fotólise da água:
Numa troposfera relativamente não poluída, o radical hidróxilo é produzido como resultado da fotólise de ozono,
O radical Hidróxilo é retirado da troposfera através da reacção com metano ou monóxido de carbono:
O átomo de hidrogénio produzido na segunda reacção reage com O2 para produzir radical
hidroperóxilo que em troca pode reagir com outro radical hidroperóxilo ou hidróxilo.
ou reacções com regeneração do radical de hidróxilo:
B) Reacções Ácido – Base na Atmosfera
A atmosfera é ligeiramente ácida por causa da presença de um baixo nível de dióxido de carbono que se dissolve nas gotinhas de água da atmosfera e se dissocia ligeiramente:
Em termos de poluição, pese embora, ácidos fortes, HNO3 e H2SO4, formados pela
oxidação atmosférica de óxidos de N, SO2 e H2S são mais importantes porque eles
conduzem à formação de chuva ácida que é prejudicial.
Espécies básicas são relativamente menos comuns na atmosfera. Particularmente óxido de cálcio, hidróxido e carbonato podem ser obtidos na atmosfera a partir de cinza e rochas e pode reagir com ácidos como mostra a seguinte reacção:
A espécie básica mais importante na atmosfera é a fase gasosa de amoníaco, NH3. A
principal fonte de amoníaco atmosférico é a biodegradação de nitrogénio constituinte da matéria biológica e bactérias redutoras de nitrato:
O amoníaco é a única base solúvel em água presente em níveis significantes na atmosfera. Isto faz dele uma base particularmente importante no ar. Quando dissolvido nas gotinhas de água da atmosfera, desempenha um papel importante, neutralizando os ácidos atmosféricos:
C) Reacções de Oxigénio na Atmosfera
Além de O2, a atmosfera superior contém átomos de oxigénio, O; moléculas de oxigénio
excitadas, O2*; e ozono, O3. Oxigénio atómico, O, é principalmente estável na termosfera
onde a atmosfera é rarefeita, assim as colisões dos três corpos necessários para que a reacção química de oxigénio atómico ocorra raramente acontece. Oxigénio atómico é produzido por uma reacção de fotoquímica:
À altitudes que excedem aproximadamente 80 km, o peso molecular comum do ar é mais baixo que 28.97 g/mole observado ao nível do mar por causa da elevada concentração de oxigénio atómico. Esta condição divide a atmosfera numa secção mais baixa com um peso molecular uniforme (homosfera) e uma região mais alta com peso molecular não uniforme (heterosfera).
O oxigénio molecular e átomos de oxigénio excitados (O*) são produzidos devido a fotolise de ozono atmosférico
ou através de reacções químicas altamente enérgicas como:
Iões de oxigénio, O+, que podem ser produzidos por radiação ultravioleta que age sobre os átomos de oxigénio,
é o ião positivo predominante em algumas regiões da ionosfera. Pode reagir com oxigénio molecular ou nitrogénio para formar outros iões positivos:
Em regiões de intermediário da ionosfera o O2+ é produzido pela absorção da radiação
ultravioleta de comprimentos de onda de 17-103 nm.
e pela reacção entre N2+e O2:
O ozono atmosférico é produzido pela dissociação fotoquímica de oxigénio molecular seguido de três reacção sucessivas
na qual M é a outra espécie, como a molécula de N2 ou O2, que absorve o excesso de
energia emitida pela reacção e permite que a molécula de ozono fique unida.
Além de sofrer decomposição pela acção da radiação ultravioleta, o ozono da estratosfera reage com oxigénio atómico, radical hidróxilo e NO:
O radical HO• é regenerado do radical HOO• como mostra a seguinte reacção,
D) Reacções de Nitrogénio na Atmosfera
Diferentes ? do oxigénio, as moléculas de nitrogénio não se dissociam facilmente pela acção da radiação ultravioleta.
Porém, à altitudes que ultrapassam aproximadamente 100 km, o nitrogénio atómico é produzido através de reacções fotoquímicas:
Outras reacções que podem produzir nitrogénio monoatómico são:
Em regiões acima de 105 km da ionosfera ocorre uma sequência de reacções plausível da qual se forma o NO+:
Em regiões mais baixas da ionosfera que se estende de aproximadamente 50 km a 85 km de altitude, o NO+ é produzido directamente da ionização pela radiação:
Nota: Tente resolver o exercício seguinte e confira a resposta no arquivo ‘Comp-R -Resp-para-exer ' no CD que o acompanha.
Exercício 1
1. Emissões de gases como óxidos de nitrogénio são conhecidas como contribuintes para a formação do ozono atmosférico.
Mostre o mecanismo para a formação de ozono a partir deste gás. Mostre a relação entre óxidos de nitrogénio favoráveis para a formação e destruição de ozono atmosférico.
E) Dióxido de Carbono Atmosférico
Embora, só aproximadamente 0.035% (350 ppm) de ar consista em gás carbónico, ele é a espécie atmosférica “não poluente” de maior preocupação. Contudo, quimicamente e fotoquimicamente é uma espécie comparativamente insignificante por causa da sua baixa e relativa concentração e baixa reactividade fotoquímica. Uma das reacções fotoquímicas significantes que sofre, e uma fonte principal de CO à altitudes mais altas, é a fotodissociação de CO2 pela energia da radiação UV solar na estratosfera:
F) Água da Atmosfera
O conteúdo de vapor de água do troposfera normalmente encontra-se no intervalo de 1–3% por volume, com uma média global de cerca de 1%. Porém, o ar pode conter no mínimo 0.1% ou máximo 5% de água. A percentagem de água na atmosfera diminui rapidamente com o aumento da altitude.
O frio da tropopausa serve como barreira para o movimento da água na estratosfera. Assim, pouca água é transferida da troposfera para a estratosfera, e a principal fonte de água na estratosfera é a oxidação fotoquímica de metano:
A água produzida serve como fonte de radicais hidróxilos da estratosfera como mostra a seguinte reacção:
2.2 Poluição do Ar
A poluição do ar pode ser definida como a adição de substâncias prejudiciais para a atmosfera resultando em danos ao ambiente, saúde humana e a qualidade de vida. A poluição do ar causa problemas respiratórios e provoca câncer. Prejudica as plantas, animais e os ecossistemas nos quais eles vivem. Alguns poluentes do ar voltam a Terra em forma de chuva ácida e neve, que corroem estátuas e edifícios, danificam colheitas e florestas e torna os lagos e fluxos de água inadequados para o peixe e vida de outras plantas e animais.
Fig 2.2. Um cidade africana poluída
Poluentes que resultam especialmente do uso da combustão como fonte de energia: óxidos de enxofre, óxidos de nitrogénio e monóxido de carbono.
2.2.1 Classificação dos Poluentes do Ar
Há vários modos para classificar os poluentes de ar. Geralmente eles são classificados com base em: 1) diferenças nas suas características físicas ou químicas, 2) pela sua origem, 3) pela natureza dos efeitos que deles advêm, 4) pelo seu estado legal.
1) Baseando nas diferenças das suas características físicas ou químicas
Aerossóis: - são partículas minúsculas dispersas no gás e inclui partículas líquidas e sólidas. A terminologia da poluição do ar relativamente aos aerossóis atmosféricos inclui pós, poeira, fumos, neblinas, névoas, material particulado, smog, fumaça e fuligem. Gases e vapores: - são compostos por moléculas extensas separadas, livres e em movimento que se expande para preencher um recipiente maior e exercer pressão em todas as direcções. A substância é um verdadeiro gás se for largamente retirado do estado líquido (i.e. a temperatura da substância está abaixo do seu ponto crítico). O vapor é uma substância no estado gasoso que não está longe de ser um líquido (i.e. pode ser relativamente fácil condensar a um líquido).
2) Baseado na sua origem
Poluentes do ar são classificados de modo diferente baseado na sua origem. Estes são: A) Fontes Móveis e Estacionárias
As fontes móveis de emissões incluem automóveis, comboios e aviões enquanto as fontes estacionárias incluem todas as outras fontes. Energia eléctrica, indústrias químicas, faixa profunda de ar e operações de extracção de vapores do solo são exemplos de fontes estacionárias.
B) Directo e Indirecto
Uma fonte directa emite poluente directamente enquanto fontes indirectas não emitem directamente os poluentes mas atrai fontes móveis (por exemplo o supermercado, estádio de atletismo).
C) Fonte de ponto e fonte Área
Uma fonte de ponto é definida como uma fonte estacionária cujas emissões têm um impacto significativo na qualidade do ar. Fonte área é aquela que, individualmente não tem impacto significante sobre a qualidade de ar mas, é significante quando em conjunto (por exemplo queimadas descontroladas).
3) Baseado no modo como os poluentes chegam a atmosfera
Poluentes de ar são classificados como poluentes primários e secundários baseados no modo como estes chegam a atmosfera.
Poluentes primários são aqueles que são emitidos directamente para atmosfera de uma fonte identificável. Os exemplos incluem o monóxido de carbono e dióxido de enxofre. Poluentes secundários, de outro lado, são aqueles que são produzidos como resultado de reacções químicas na atmosfera. Por exemplo, ozono, que é o componente principal do smog urbano, formado como resultado de reacções fotoquímicas entre óxidos de nitrogénio, VOCs e outros componentes atmosféricos, é um poluente secundário. No caso de poluentes secundários, os seus percursores são geralmente regulados.
4) Baseado no seu estado legal
Baseado na forma como eles são regulados ou o seu estado legal, seis poluentes foram identificados pelo EPA como poluentes porque eles são ambos comuns e prejudiciais a saúde humana. São eles: material particulado com diâmetros de menor ou igual a10µm
(PM10), dióxido de enxofre, monóxido de carbono, dióxido de nitrogénio, ozono e
chumbo. Para cada poluente, a EPA estabeleceu um padrão de qualidade primário e secundário para o ambiente aéreo. O propósito do padrão primário é proteger a saúde pública enquanto o padrão secundário é fixado para proteger o bem-estar público de efeitos adversos. Colectivamente, estes padrões são conhecidos como Padrão Nacional de Qualidade do Ambiente Aéreo (ou NAAQS).
