Capítulo 18Capítulo 18
QUÍMICAA Ciência Central
9ª Edição
Capítulo 18© 2005 by Pearson Education
Química ambientalQuímica ambiental
David P. White
• A temperatura da atmosfera é uma
Atmosfera da TerraAtmosfera da Terra
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atmosfera é uma complicada função de altitude.
• Abaixo de uma altitude de 10 km (troposfera) a temperatura diminui de 290 K para 215 K enquanto a altitude aumenta.
• Na estratosfera (10 km - 50 km) a temperatura aumenta de 215 K para 275 K.
Atmosfera da TerraAtmosfera da Terra
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para 275 K.
• Na mesosfera (50 km - 85 km) a temperatura diminui (275 K para 190 K) e na termosfera (> 85 km) a temperatura aumenta.
• A variação da pressão com a altitude é mais simples: a pressão diminui enquanto a altitude aumenta.
• A 80 km a pressão é de cerca de 0,01 torr.
• Aos limites entre as regiões são dados o sufixo –pausa.
• Há lenta mistura de gases entre as regiões na atmosfera.
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• Há lenta mistura de gases entre as regiões na atmosfera.
Composição da atmosfera• A atmosfera terrestre é afetada pela temperatura e pela pressão,
bem como pela gravidade.
Composição da atmosfera• As moléculas e os átomos mais leves são encontrados em altitudes
maiores.
• Os dois mais importantes componentes da atmosfera são o nitrogênio, N , e o oxigênio, O .
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nitrogênio, N2, e o oxigênio, O2.
Fotodissociação• Lembre-se
λ=ν=hc
hE
Regiões externasRegiões externasda atmosferada atmosfera
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logo, quanto maior a freqüência, menor o comprimento de onda e maior a energia de radiação.
• Para que uma reação química induzida por radiação ocorra, os fótons devem ter energia suficiente para quebrar as ligações necessárias, e as moléculas devem absorver os fótons.
• A fotodissociação é a quebra de uma ligação química induzida por radiação.
Fotodissociação• Na atmosfera superior, a fotodissociação provoca a formação de
átomos de oxigênio:
O2(g) + hν → 2O(g)
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Fotoionização• A fotoionização é a ionização de moléculas (e átomos) provocada
pela radiação.
Fotoionização• 1924: os elétrons foram descobertos na atmosfera superior.
Portanto, os cátions devem estar presentes na atmosfera superior.
• A fotoionização ocorre quando uma molécula absorve um fóton de energia suficiente para remover um elétron.
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energia suficiente para remover um elétron.
• Os comprimentos de onda da luz que provocam fotoionização e fotodissociação são filtrados pela atmosfera.
• O ozônio absorve fótons com comprimento de onda entre 240 e 310 nm.
• A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (concentração máxima de ozônio a uma altitude de 20 km).
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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máxima de ozônio a uma altitude de 20 km).
• Entre 30 e 90 km a fotodissociação de oxigênio é possível:
O2(g) + hν → 2O(g)
• Os átomos de oxigênio podem colidir com moléclas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia, O3*:
O(g) + O2(g) → O3*(g)
• O ozônio excitado pode desprender energia pela decomposição em
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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• O ozônio excitado pode desprender energia pela decomposição em átomos e moléculas de oxigênio (a reação inversa) ou pela transferência de energia para M (geralmente N2 ou O2):
O3*(g) + M(g) → O3(g) + M*(g)
O(g) + O2(g) O3*(g)
• A formação de ozônio na atmosfera depende da presença de O(g).
• A baixas altitudes, a radiação com energia suficiente para a formação de O(g) é absorvida.
• A liberação de energia do O * depende de colisões, as quais
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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• A liberação de energia do O3* depende de colisões, as quais geralmente ocorrem a baixas altitudes.
• A associação de efeitos significa a formação máxima de ozônio na estratosfera.
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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Diminuição da camada de ozônio• Em outubro de 1994 o mapa do ozônio presente no hemisfério sul
mostrou um buraco sobre a Antártida.
• Em 1995 o Prêmio Nobel de química foi concedido a F. Sherwood Rowland, Mario Molina e Paul Crutzen por seus estudos sobre a
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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Rowland, Mario Molina e Paul Crutzen por seus estudos sobre a diminuição do ozônio na estratosfera.
Diminuição da camada de ozônio• Em 1974 Rowland e Molina mostraram que o cloro dos
clorofluorocarbonos (CFCs) destróem a camada de ozônio catalizando a formação de ClO e O2.
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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Diminuição da camada de ozônio• Na estratosfera, os CFCs sofrem quebra fotoquímica de uma
ligação C-Cl:CF2Cl2(g) + hν → CF2Cl(g) + Cl(g) (ideal a 30 km).
Subseqüentemente:
O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera
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Subseqüentemente:Cl(g) + O3(g) → ClO(g) + O2(g)
velocidade = k[Cl][O3], k = 7,2 × 109M-1s-1 a 298 K.Além disso, o ClO gerado também produz Cl:
2ClO(g) → O2(g) + 2Cl(g)levando à reação global
2O3(g) → 3O2(g).
• A troposfera consititui-se principalmente de O2 e N2.
• Apesar de outros gases estarem presentes em baixas concentrações, seus efeitos no ambiente podem ser profundos.
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Compostos de enxofre e chuva ácida• O dióxido de enxofre, SO2, é produzido pela combustão de
petróleo e carvão (e por outros meios).
Compostos de enxofre e chuva ácida• O SO2 é oxidado em SO3, que reage com água para produzir ácido
sufúrico (chuva ácida):
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)
• Mais de 30 milhões de toneladas de SO são liberadas, por ano, na
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• Mais de 30 milhões de toneladas de SO2 são liberadas, por ano, na atmosfera nos Estados Unidos.
• Os óxidos de nitrogênio também contribuem para a chuva ácida através da formação de ácido nítrico.
• A água da chuva normal tem um pH de aproximadamente 5,6 (devido ao H2CO3 produzido a partir do CO2).
Compostos de enxofre e chuva ácida• A chuva ácida tem um pH de aproximadamente 4, enquanto o pH
de águas naturais contendo organismos vivos é de 6,5 a 8,5.
• Águas naturais com um pH abaixo de 4 não conseguem manter a vida.
A química e a troposferaA química e a troposfera
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vida.
• A remoção do enxofre do petróleo e do carvão antes da sua utilização é muito cara. Portanto, o SO2 é removido do combustível com a combustão.
Compostos de enxofre e chuva ácida• O SO2 é normalmente removido do combustível (petróleo e
carvão) da seguinte maneira:
– o calcário em pó se decompõe em CaO;
– o CaO reage com SO para formar CaSO em uma fornalha;
A química e a troposferaA química e a troposfera
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– o CaO reage com SO2 para formar CaSO3 em uma fornalha;
– o CaSO3 e o SO2 que não reagiram são passados em um depurador de gás (câmara de purificação), onde o SO2 é convertido em CaSO3 através de jatos de CaO;
– o CaSO3 é precipitado em uma pasta fluida aquosa.
Compostos de enxofre e chuva ácida
A química e a troposferaA química e a troposfera
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Monóxido de carbono• O CO é produzido através da combustão incompleta de
combustíveis.
• Cerca de 1014 g de CO são produzidos nos Estados Unidos por ano (principalmente por automóveis).
A química e a troposferaA química e a troposfera
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(principalmente por automóveis).
• O CO se liga irreversivelmente ao Fe da hemoglobina. (A ligação do CO à hemoglobina é cerca de 210 vezes mais forte do que a ligação com o oxigênio.)
Monóxido de carbono• A hemoglobina é responsável pelo transporte do oxigênio:
– nos pulmões, o CO2 é liberado do Fe da hemoglobina e o O2 se liga ao Fe (formando a oxiemoglobina);
– nos tecidos, o O é liberado e o CO se liga ao ferro;
A química e a troposferaA química e a troposfera
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– nos tecidos, o O2 é liberado e o CO2 se liga ao ferro;
– quando o CO se liga ao Fe da hemoglobina, carboxiemoglobin, COHb, ele não pode ser deslocado pelo O2 ou pelo CO2;
– conseqüentemente, em concentrações suficientes, o CO pode impedir o transporte de oxigênio em sistemas vivos.
Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica• A névoa fotoquímica é o resultado de reações fotoquímicas em
poluentes.• Nos motores de automóveis, forma-se o NO como a seguir:
N2(g) + O2(g) 2NO(g) ∆H = 180.8 kJ
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• No ar
• A 393 nm (comprimento de onda da luz solar), o NO2 se decompõeNO2(g) + hν → NO(g) + O(g)
N2(g) + O2(g) 2NO(g) ∆H = 180.8 kJ
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) ∆H = -113.1 kJ
Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica• O O produzido pela fotodissociação do NO2 pode reagir com O2
para formar O3, o qual é o componente-chave da névoa fotoquímica
O(g) + O2(g) + M(g) → O3(g) + M*(g).
A química e a troposferaA química e a troposfera
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O(g) + O2(g) + M(g) → O3(g) + M*(g).
• Na troposfera, o ozônio é indesejável, uma vez que O3 é tóxico e reativo.
Vapor de água, dióxido de carbono e clima• Há um balanço térmico entre a Terra e suas vizinhanças.
Vapor de água, dióxido de carbono e clima• A radiação é emitida da Terra na mesma proporção em que é
absorvida pela Terra.
• A troposfera é transparente à luz visível.
• Entretanto, a troposfera não é transparente à radiação IV (calor).
A química e a troposferaA química e a troposfera
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• Entretanto, a troposfera não é transparente à radiação IV (calor).
• Portanto, a troposfera isola a Terra, fazendo com que ela pareça mais fria de fora do que na superfície.
Vapor de água, dióxido de carbono e clima• O CO2 e a H2O absorvem a radiação IV que saem da superfície
terrestre.
• À noite, a Terra emite radiação. O vapor de água é responsável pela manutenção da radiação IV no planeta.
A química e a troposferaA química e a troposfera
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manutenção da radiação IV no planeta.
• O nível de dióxido de carbono na Terra tem aumentado nos últimos anos.
Vapor de água, dióxido de carbono e clima
A química e a troposferaA química e a troposfera
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A química e a troposferaA química e a troposfera
Vapor de água, dióxido de carbono e clima
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Vapor de água, dióxido de carbono e clima• Grande parte do aumento é devido à queima de combustíveis.
• Especula-se que o aumento da concentração de CO2 tem resultado em um aquecimento gradual da superfície terrestre.
• Estima-se que entre 2050 e 2100 a concentração de CO2 terá
A química e a troposferaA química e a troposfera
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• Estima-se que entre 2050 e 2100 a concentração de CO2 terá dobrado. Isso irá resultar em um aumento na temperatura global de 1 a 3 °C.
Água do mar• 72 % da superfície terrestre é coberta por água.
• O volume dos oceanos do mundo é de 1,35 × 109 km3.
• 97,2 % da água terrestre está nos oceanos.
• Salinidade: massa de sais secos em 1 kg de água do mar. A
O oceano do mundoO oceano do mundo
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• Salinidade: massa de sais secos em 1 kg de água do mar. A salinidade média da água do mar é de aproximadamente 35.
• A maioria dos elementos na água do mar estão presentes apenas em quantidades pequenas.
• O NaCl, O Br- e O Mg2+ são obtidos comercialmente da água do mar.
Dessalinização• A água, para ser potável, deve conter menos que 500 ppm de sais
dissolvidos (água pública dos Estados Unidos).
• Dessalinização: remoção de sais da água do mar.
• Método comum: osmose reversa (energia intensiva).
O oceano do mundoO oceano do mundo
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• Método comum: osmose reversa (energia intensiva).– Osmose: transporte através de uma membrana semipermeável.– Osmose: passagem de moléculas de solvente. Não é
recomendável para a dessalinização.– Osmose reversa: sob pressão aplicada, o solvente passa de uma
solução mais concentrada para uma solução mais diluída.
Dessalinização– Em uma usina de dessalinização por osmose reversa, cada
cilindro é chamado permeador.
– A água do mar é introduzida sob pressão e passa através das paredes de fibra, para dentro das fibras, e é separada dos íons.
O oceano do mundoO oceano do mundo
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paredes de fibra, para dentro das fibras, e é separada dos íons.
• Um adulto precisa beber cerca de 2 L de água potável por dia.
• Nos Estados Unidos, uma pessoa normal usa aproximadamente 300 L de água doce por dia.
• A indústria usa ainda mais água doce do que isso (por exemplo,
Água doceÁgua doce
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• A indústria usa ainda mais água doce do que isso (por exemplo, cerca de 105 L de água são utilizados para se fabricar aço suficiente para um carro.
• À medida que a água flui sobre a Terra, ela dissolve muitas substâncias.
• Água doce normalmente contém alguns íons (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Cl-, SO4
2-, e HCO3-) e gases dissolvidos (O2, N2, e CO2).
Oxigênio dissolvido e qualidade da água• A água completamente saturada com ar à 1 atm e 20°C tem 9 ppm
de O2 dissolvido nela.
• Os peixes de água fria necessitam de cerca de 5 ppm de oxigênio dissolvido para sobreviverem.
• Bactérias aeróbicas consomem oxigênio para oxidar material
Água doceÁgua doce
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• Bactérias aeróbicas consomem oxigênio para oxidar material orgânico biodegradável.
• Materiais biodegradáveis são materiais inúteis que requerem oxigênio. Por exemplo, esgoto, lixo industrial proveniente de usinas de processamento de alimentos e de fábricas de papel e efluentes de usinas de empacotamento de carnes.
Oxigênio dissolvido e qualidade da água• As bactérias aeróbicas oxidam material orgânco em CO2, HCO3
-, H2), NO3
-, SO42- e fosfato.
• Uma vez que o nível de oxigênio diminui, a bactéria aeróbica não sobrevive.
Água doceÁgua doce
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• As bactérias anaeróbicas completam o processo de decomposição, formando CH4, NH3, H2S, PH3 e outros produtos com odores desagradáveis.
• Eutroficação é o aumento de matéria vegetal decomposta e em decomposição resultante do crescimento excessivo de vegetais.
Tratamento de fontes de água municipais• Existem cinco etapas:
– Filtração grossa. Ocorre quando a água é captada do lago, rioou reservatório.
– Sedimentação. A água é deixada parada para que as partículas
Água doceÁgua doce
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– Sedimentação. A água é deixada parada para que as partículassólidas (por exemplo, areia) possam decantar. Adiciona-se CaOe Al2(SO4)3 para a remoção de componentes como bactérias.Isso produz um precipitado gelatinoso de Al(OH)3, que sedeposita lentamente, carregando consigo pequenas partículas.
Tratamento de fontes de água municipais
• Filtragem de areia. A água é filtrada através de um manto de areia para remover o Al(OH)3 e o que tenha sido adicionado a ele.
– Aeração. O ar oxida qualquer material orgânico.
Água doceÁgua doce
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– Aeração. O ar oxida qualquer material orgânico.
– Esterilização. O cloro é normalmente usado porque ele formaHClO(aq) em solução, que mata as bactérias.
• A indústria química reconheceu que é importante utilizar processos e produtos químicos convenientes ao meio ambiente.
• Existem vários objetivos para a química verde:• Evitar o lixo, em vez de limpá-lo posteriormente.
A química verdeA química verde
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• Evitar o lixo, em vez de limpá-lo posteriormente.• Sintetizar novos produtos minimizando a sobra.• Planejar processos eficientes em termos de energia.• Usar catalisadores tanto quanto possível.• A matéria-prima deve ser renovável.• Eliminar solventes tanto quanto possível.
Solventes e reagentes• Muitas moléculas orgânicas utilizadas como solventes são voláteis
e podem causar danos ambientais.
• Além disso, muitos solventes são tóxicos.
• O CO líquido ou supercrítico é um solvente não-tóxico que tem
A química verdeA química verde
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• O CO2 líquido ou supercrítico é um solvente não-tóxico que tem muitas aplicações em potencial.
• A Du Pont usa o CO2 supercrítico para fazer Teflon™, em vez dos solventes clorofluorocarbono, prejudiciais ao ambiente.
Solventes e reagentes• A água supercrítica pode ser usada para fazer o plástico e a fibra de
poliéster PET.
• O policarbonato Lexan™, os revestimentos em CDs, poderiam ser produzidos a partir do carbonato de dimetila, em vez do
A química verdeA química verde
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produzidos a partir do carbonato de dimetila, em vez do correntemente utilizado fosgênio, que é muito tóxico.
Outros processos• O CO2 líquido é normalmente usado na indústria de lavagem a
seco como uma alternativa para o Cl2C=CCl2, que é tóxico.
Outros processos• O Ítrio está sendo utilizado no lugar do chumbo na pintura de
automóveis.
Purificação de água• Quando o Cl é utilizado para o tratamento de água,
A química verdeA química verde
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• Quando o Cl2 é utilizado para o tratamento de água, freqüentemente se produz alguns trialometanos (THM), os quais podem não ser detectados.
• Suspeita-se que os THMs sejam carcinógenos.• O ozônio e o ClO2 poderiam ser utilizados como alternativas, mas
eles não são completamente seguros.• A purificação verde da água é ainda uma questão em aberto.
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