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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


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.



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.



• 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 .



nitrogênio, N2, e o oxigênio, O2.



Fotodissociação• Lembre-se

λ=ν=hc

hE

Regiões externasRegiões externasda atmosferada atmosfera


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)



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.



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


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 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



• 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.



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



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.



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:



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.

A química e a troposferaA química e a troposfera


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



• 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.



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;



– 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



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).



(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;



– 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



• 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).



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).



• 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.



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




Vapor de água, dióxido de carbono e clima


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



• 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


• 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).



• 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.



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


• 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



• 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.



• 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



– 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.



– Aeração. O ar oxida qualquer material orgânico.

– Esterilização. O cloro é normalmente usado porque ele formaHClO(aq) em solução, que mata as bactérias.

Tratamento de fontes de água municipais



• 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


• 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



• 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



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,



• 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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