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 de regulamentações ambientais internacionais.

Tópicos

• Atmosfera da Terra– Ozono– Chuva ácida– Efeito de estufa

• O Oceano• Água • Química “verde”

Chapter 18

Existem quatro zonas.

A temperatura e a pressão da atmosfera variam com a altitude.

Vivemos na troposfera.

Atmosfera da Terra

Jactos voam a esta altitude.

• 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.

Atmosfera terrestre

• 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

Regiões externas da atmosfera

• 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

hchE

Quanto mais elevada for a frequência, menor é o comprimento de onda e mais elevada é a energia da radiação.

• Fotodissocação: quebra de ligações induzida pela radiação.

• 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.

Fotodissociação

• 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).

Fotoionização

• 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)

ou transferindo a energia para M (normalmente N2 ou O2):O(g) + O2(g) O3*(g)

Ozono na atmosfera superior

O3*(g) + M(g) O3(g) + M*(g)

• 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

Ozono na atmosfera superior

• 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

Depleção do ozono

• 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.

Clorofluorcarbonetos (CFCs)

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)

Os CFC e a diminuição da camada de ozono

• 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)

A Química na Troposfera

• 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.

Compostos de enxofre e chuva ácida

O smog fotoquímico (“a nuvem castanha”) é o resultado de reacções fotoquímicas nos poluentes.

• No motor dos carros, forma-se NO :

• No ar, acontece a rápida oxidação do NO:

• 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

N2(g) + O2(g) 2NO(g) H = 180.8 kJ

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) H = -113.1 kJ

• 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.

Óxidos de nitrogénio e o smog

• 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.

Vapor de água, CO2 e clima

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.

• 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.

O Mundo dos Oceanos

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).

Dessalinização

• 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.

Química “verde”