quÍmica - unesp · 2013-03-17 · • a troposfera é transparente à luz visível. • entretanto...

QUÍMICAA Ciência Central

9ª Edição9 Edição

Capítulo 18Capítulo 18Química ambientalQuímica ambiental

David P. White

Capítulo 18© 2005 by Pearson Education

Atmosfera da TerraAtmosfera da Terra

• A temperatura da atmosfera é uma complicada função de altitudealtitude.



• 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 275 Kpara 275 K.

• Na mesosfera (50 km - 85 km) a temperatura diminui (275 K para 190 K) e na termosfera (> 85 km) a temperatura aumenta190 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 aumentadiminui 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.g g

Composição da atmosferaComposição da atmosfera• A atmosfera terrestre é afetada pela temperatura e pela pressão,

bem como pela gravidadebem 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

i ê i N i ê i Onitrogênio, N2, e o oxigênio, O2.


Regiões externasRegiões externasda atmosferada atmosferada atmosferada atmosfera

Fotodissociação• Lembre-se

hcλ

=ν=hchE

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

á i lé l d b fótnecessárias, e as moléculas devem absorver os fótons.• A fotodissociação é a quebra de uma ligação química induzida por

radiação


radiação.


Fotodissociação• Na atmosfera superior, a fotodissociação provoca a formação de

átomos de oxigênio:O2(g) + hν → 2O(g)

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

i fi i léenergia suficiente para remover um elétron.• Os comprimentos de onda da luz que provocam fotoionização e

fotodissociação são filtrados pela atmosferafotodissociação são filtrados pela atmosfera.


O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosferasuperior da atmosferasuperior da atmosfera

• O ozônio absorve fótons com comprimento de onda entre 240 e 310 nm310 nm.

• A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (concentração máxima de ozônio a uma altitude de 20 km)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)O2(g) + hν → 2O(g)



• Os átomos de oxigênio podem colidir com moléclas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia O *: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 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):g p (g 2 2)

O3*(g) + M(g) → O3(g) + M*(g)O3 (g) (g) → O3(g) (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 O3* depende de colisões, as quais

geralmente ocorrem a baixas altitudes.A i d f i i ifi f á i d ô i• A associação de efeitos significa a formação máxima de ozônio na estratosfera.



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

R l d M i M li P l C d bRowland, Mario Molina e Paul Crutzen por seus estudos sobre a diminuição do ozônio na estratosfera.


O ozônio na parteO ozônio na partesuperior da atmosferasuperior da atmosfera

Diminuição da camada de ozônio

superior da atmosferasuperior da atmosferaç

• 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

Di i i ã d d d ô i

superior da atmosferasuperior da atmosfera

Diminuição da camada de ozônio• Na estratosfera, os CFCs sofrem quebra fotoquímica de uma

ligação C Cl:ligação C-Cl:CF2Cl2(g) + hν → CF2Cl(g) + Cl(g) (ideal a 30 km).

Subseqüentemente:Subseqüentemente:Cl(g) + O3(g) → ClO(g) + O2(g)

velocidade = k[Cl][O3], k = 7,2 × 109 M-1s-1 a 298 K.[ ][ 3], ,Além disso, o ClO gerado também produz Cl:

2ClO(g) → O2(g) + 2Cl(g)2levando à reação global

2O3(g) → 3O2(g).


A química e a troposferaA química e a troposferaq pq p

• 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.

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 SO2 são liberadas, por ano, na atmosfera nos Estados Unidos. O ó id d i ê i bé ib h á id• Os óxidos de nitrogênio também contribuem para a chuva ácida através da formação de ácido nítrico.A á d h l t H d i d t 5 6• 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

idvida.• A remoção do enxofre do petróleo e do carvão antes da sua

utilização é muito cara Portanto o SO é removido doutilização 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 SO2 para formar CaSO3 em uma fornalha;– o CaSO3 e o SO2 que não reagiram são passados em um

d d d á ( â d ifi ) d SO édepurador de gás (câmara de purificação), onde o SO2 é convertido em CaSO3 através de jatos de CaO;

C SO é i it d t fl id– o CaSO3 é precipitado em uma pasta fluida aquosa.


A química e a troposferaA química e a troposfera

Compostos de enxofre e chuva ácida

q pq p

Compostos de enxofre e chuva ácida



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

( i i l ó i )(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 ado 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 O2 é liberado e o CO2 se liga ao ferro;– quando o CO se liga ao Fe da hemoglobina, carboxiemoglobin,

CO b l d d l d l O l COCOHb, ele não pode ser deslocado pelo O2 ou pelo CO2;– conseqüentemente, em concentrações suficientes, o CO pode

i di t t d i ê i i t iimpedir o transporte de oxigênio em sistemas vivos.



Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica

q pq p

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:

N (g) + O (g) 2NO(g) ΔH = 180 8 kJ

• No ar

N2(g) + O2(g) 2NO(g) ΔH = 180.8 kJ

• A 393 nm (comprimento de onda da luz solar) o NO se decompõe

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) ΔH = -113.1 kJ

• A 393 nm (comprimento de onda da luz solar), o NO2 se decompõeNO2(g) + hν → NO(g) + O(g)



Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica

q pq p

Óxidos de nitrogênio e névoa fotoquímica• O O produzido pela fotodissociação do NO2 pode reagir com O2

para formar O o qual é o componente chave da névoapara formar O3, o qual é o componente-chave da névoa fotoquímica

O(g) + O2(g) + M(g) → O3(g) + M*(g)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 climaVapor 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

q pq p

Vapor de água, dióxido de carbono e clima• A radiação é emitida da Terra na mesma proporção em que é

absorvida pela Terraabsorvida pela Terra.• A troposfera é transparente à luz visível.• Entretanto a troposfera não é transparente à radiação IV (calor)• 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 superfíciemais fria de fora do que na superfície.




q pq p

Vapor de água, dióxido de carbono e clima• O CO2 e a H2O absorvem a radiação IV que saem da superfície

terrestreterrestre.• À noite, a Terra emite radiação. O vapor de água é responsável pela

manutenção da radiação IV no planetamanutenção da radiação IV no planeta.• O nível de dióxido de carbono na Terra tem aumentado nos últimos

anos.




q pq p

Vapor de água, dióxido de carbono e clima



Vapor de água, dióxido de carbono e climap g ,




q pq p

Vapor de água, dióxido de carbono e clima• Grande parte do aumento é devido à queima de combustíveis.

E l t d t ã d CO t lt d• 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 CO terá• 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.


O oceano do mundoO oceano do mundo

Á dÁgua 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

salinidade média da água do mar é de aproximadamente 35.A i i d l á d ã• A maioria dos elementos na água do mar estão presentes apenas em quantidades pequenas.O N Cl O B O M 2+ ã btid i l t d á d• O NaCl, O Br- e O Mg2+ são obtidos comercialmente da água do mar.



DessalinizaçãoDessalinização• A água, para ser potável, deve conter menos que 500 ppm de sais

dissolvidos (água pública dos Estados Unidos)dissolvidos (água pública dos Estados Unidos).• Dessalinização: remoção de sais da água do mar.• Método comum: osmose reversa (energia intensiva)• Método comum: osmose reversa (energia intensiva).

– Osmose: transporte através de uma membrana semipermeável.– Osmose: passagem de moléculas de solvente Não éOsmose: 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 ç p

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.


Água doceÁgua docegg

• Um adulto precisa beber cerca de 2 L de água potável por dia.N E t d U id l i d t• 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• 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.p

• 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).


Água doceÁgua doce

Oxigênio dissolvido e qualidade da água

gg

g q g• 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.é i óbi i ê i id i l• Bactérias aeróbicas consomem oxigênio para oxidar material

orgânico biodegradável.• Materiais biodegradáveis são materiais inúteis que requerem• 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 p p pefluentes de usinas de empacotamento de carnes.



Oxigênio dissolvido e qualidade da água

gg

g q g• As bactérias aeróbicas oxidam material orgânco em CO2, HCO3

-, H2), NO3

-, SO42- e fosfato.2 3 4

• Uma vez que o nível de oxigênio diminui, a bactéria aeróbica não sobrevive.

• As bactérias anaeróbicas completam o processo de decomposição, formando CH4, NH3, H2S, PH3 e outros produtos com odores d dá idesagradáveis.

• Eutroficação é o aumento de matéria vegetal decomposta e em decomposição res ltante do crescimento e cessi o de egetaisdecomposição resultante do crescimento excessivo de vegetais.



Tratamento de fontes de água municipais

gg

g p• Existem cinco etapas:

– Filtração grossa. Ocorre quando a água é captada do lago, rioFiltração grossa. Ocorre quando a água é captada do lago, rioou reservatório.

– Sedimentação. A água é deixada parada para que as partículasç g p p q psólidas (por exemplo, areia) possam decantar. Adiciona-se CaOe Al2(SO4)3 para a remoção de componentes como bactérias.I d i i d l i d Al(OH)Isso produz um precipitado gelatinoso de Al(OH)3, que sedeposita lentamente, carregando consigo pequenas partículas.




gg

g p

• Filtragem de areia A água é filtrada através de um manto de areia• 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.Aeração. O ar oxida qualquer material orgânico.– Esterilização. O cloro é normalmente usado porque ele forma

HClO(aq) em solução, que mata as bactérias.( q) ç , q




gg



A química verdeA química verdeqq

• 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.• Sintetizar novos produtos minimizando a sobra.

Pl j fi i t t d i• Planejar processos eficientes em termos de energia.• Usar catalisadores tanto quanto possível.• A matéria prima deve ser renovável• 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 CO2 líquido ou supercrítico é um solvente não-tóxico que tem

muitas aplicações em potencial.A CO í i f fl d• 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

d id i d b d di il dproduzidos 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.


A química verdeA química verde

O t

qq

Outros processos• O Ítrio está sendo utilizado no lugar do chumbo na pintura de

automóveisautomóveis.

Purificação de águaQ d Cl é tili d t t t d á• Quando o Cl2 é utilizado para o tratamento de água, freqüentemente se produz alguns trialometanos (THM), os quais podem não ser detectados.p

• 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.


Fi d C ít l 18Fi d C ít l 18Fim do Capítulo 18:Fim do Capítulo 18:Química ambientalQuímica ambientalQQ


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