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Aula 5 – Química Atmosférica(Ciclos biogeoquímicos)
Julio C. J. Silva
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Instituto de Ciências Exatas
Depto. de Química
Juiz de Fora, 2019
Química Ambiental
AtmosferaA atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a
Terra, fundamental para os seres vivos
➔ Mantém as condições ideais na superfície para a criação e manutenção davida
➔ Fornece CO2 (fotossíntese) e N2 (essencial na construção de bioméculas)
A atmosfera, entre outras funções protege a superfície da Terra:
➔ Impactos de corpos celestes (meteoros)
➔ Radiação cósmica de alta energia
➔ Mantêm parte do calor solar impedindo sua imediata irradiação para oespaço.
➔ Impede variações bruscas de temperaturas permitindo a vida terrestre.
Atmosfera→ A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse
período a atmosfera sofreu modificações que permitiram a vida emnosso planeta.
• Composição da atmosfera quimicamente estável e constante nasúltimas centenas de milhões de anos
Atmosfera→ Nossa atmosfera está em constante modificação: somente aessas modificações podemos ter vida em uma atmosfera tãooxidante
21% de oxigênio coexistindo com espécies reduzidas como metano, amônia, monóxido de carbono e óxido nitroso
➔ A composição geral é resultado da “vida” que vem se desenvolvendo:
O teor de oxigênio é quase todo produto da fotossíntese
Outras fontes contribuem com menos de um bilionésimo do estoque de O2 que respiramos
Atmosfera(gradientes de temperatura)
❑ Troposfera• Do nível do mar até 6 a 16 km (6 a 8 km nos pólos e 12 a 14 km no
equador).• Na troposfera a temperatura diminui com a altitude (decresce 6,5ºC por
cada 1000 metros)• Concentra 85-90% da massa total de ar
❑ Estratosfera (elevação da temperatura)• Aquecimento do ar na região entre 20 e 35km, de vido a reações
fotoquímicas (O3 - O2).• 90% do O3 da atmosfera (responsável por filtrar a radiação UV do sol)
❑ Mesosfera (diminuição de -5º a -95º)• A T (C0) cai devido ao afastamento do calor vindo da camada de ozônio• A T (C0) cai pela ausência de gases ou nuvens que possam absorver a
energia solar.• Onde os meteoros se desintegram
❑ Termosfera (Elevação -95º a mais de 1000º)• T aumenta devido a absorção dos raios ultravioleta pelo oxigênio
atômico.
Atmosfera❖ Troposfera
➔ Instável e dinâmica (correntes de convecção)
➔ Reações químicas
➔ Mecanismos de remoção
➔ Fenômenos climáticos e meteorológicos
➔ Troposfera/Estratosfera Concentra a maioria dos estudossobre poluição
• Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera
• Composição: diferentes quantidades de materiais líquidos e sólidos emsuspensão, que entram na atmosfera de forma natural (vulcões,queimadas) ou antropogênica (poluição)
• Milhares de constituintes-traço da atmosfera possibilitam cerca de 170espécies de interações químicas (muitas naturais); na estratosfera: 40
Atmosfera• Massa seca total da atmosfera (anual) 5,13 x 1018 Kg• Composição majoritária (99,9%) N2, O2 e Argônio
• Componentes minoritários Responsáveis pelas interaçõesquímicas envolvem o delicado balanço da vida em nosso planta(poluição/camada de ozônio, chuva ácida)
• Fração minoritária (< 0,1%): CO, CO2, He, Ne, Kr, CH4, H2, O3,NOx (NO + NO2) e NH3, entre outros.
• Desempenham papel fundamental em diversos processos químicose biológicos e mecanismos, tais como a regulação da temperaturado planeta.
• Poluentes Fontes biogênicas e antrópicas
• SOx, C, Hidrocarbonetos não metânicos (HCNM), oxidantes,aerossóis de metais, partículas sólidas e substancias radioativas
Tabela 1. Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984).
Substâncias Concentração em ppm Concentração em µg/m3
Nitrogênio (N2) 780 840.00 8.95 x 108
Oxigênio (O2) 209 460.00 2.74 x 108
Argônio (Ar) 9 340.00 1.52 x 107
Dióxido de Carbono (CO2) 315.00 5.67 x 105
Neônio (Ne) 18.00 1.49 x 104
Hélio (He) 5.20 8.50 x 102
Metano (CH4) 1.20 7.87 x 102
Criptônio (Kr) 1.10 3.43 x 103
Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50 9.00 x 102
Hidrogênio (H2) 0.50 4.13 x 101
Xenônio (Xe) 0.08 4.29 x 102
Composição média do ar seco no nível do mar (SEINFELD, 1984)
Transformações químicas na atmosfera
❑ Atmosfera REATOR
• Oxigênio (componente extremamente reativo),compostos em pequenas concentrações (reagentes oucatalisadores) e luz solar (energia)
❑ Produtos de reações atmosféricas
• Dependem da concentração dos reagentes,temperatura, catalisadores e reatividade da molécula
❑ Tempo de residência desses produtos
• Tempo médio de permanência do composto naatmosfera
Ciclos biogeoquímicos
➔ Os ciclos biogeoquímicos:
• Processos naturais que por diversos meios reciclam várioselementos em diferentes formas químicas do meio ambiente paraos organismos
• E depois, fazem o processo contrário, ou seja, trazem esseselementos dos organismos para o meio ambiente.
➔ Um ciclo biogeoquímico pode ser entendido como sendo omovimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementosquímicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera.
➔ Os caminhos percorridos ciclicamente entre o meio abiótico e obiótico pela água e por elementos químicos conhecidos, como C, S,O, P, Ca e N, constituem os chamados ciclos biogeoquímicos.
Ciclos biogeoquímicos
O estudo desses ciclos se torna cada vez maisimportante, como, por exemplo, para avaliar o impactoambiental que um material potencialmente perigoso, possavir a causar no meio ambiente e nos seres vivos quedependem direta ou indiretamente desse meio paragarantir a sua sobrevivência.
Ciclos biogequímicos
Principais:
• Ciclo do carbono (CO2, CH4, CO, Hidrocarbonetos não metânicos (HCNM))
– Ciclo do nitrogênio (NxO, NOx)
– Ciclo do enxofre (SOx,H2S e (CHx)yS)
Ciclo do Carbono
➔ O carbono é um elemento químico de grande importância para osseres vivos, pois participa da composição química de todos oscomponentes orgânicos e de uma grande parcela dos inorgânicostambém.
➔ O gás carbônico se encontra na atmosfera numa concentraçãobaixa, aproximadamente 0,03% e, em proporções semelhantesdissolvido na parte superficial dos mares, oceanos, rios e lagos.
➔ Removido da atmosfera pela fotossíntese, o carbono do CO2
incorpora-se aos seres vivos quando os vegetais, utilizando o CO2 doar, ou os carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água, realizam afotossíntese.
➔ Dessa maneira, o carbono desses compostos é utilizado na síntesede compostos orgânicos, que vão suprir os seres vivos.
Um outro mecanismo de retorno do carbono ao ambiente é por intermédio da combustão de combustíveis fósseis (gasolina, óleo diesel,
gás natural)
Combustível + O2 CO2 + H2O
Queimadas e processos de desflorestamentos
Ex: Queima de combustíveis fósseis
Aumenta em ~4,3% ao ano a emissão de Carbono na atmosfera
Ciclo do Carbono
Introdução de 3,3 GtC, líquidas, como CO2, estão sendo introduzidos na atmosfera do planeta a cada ano, com consequências globais sobre o clima, as quais vem sendo amplamente discutidas em
diversos foros.
CO2 atmosférico:
Monitorado desde 1750 (Siple Station) até os dias atuais (Mauna Loa, desde 1958)
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/full.html, acessado 19-09-17
❑ Equilíbrio CO2 entre a Atmosfera e biosfera:
❑ Fixação” de carbono:
→Biomassa (folhas, caules, raízes, etc.) Produção primária líquida(PPL)
→Consumo da biomassa por organismos heterotróficos (consomemC6H12O6) Emissão de CO2 (respiração)
→ Reemissão por meio de processos naturais (decomposição)
Ciclo do Carbono
❑ Fixação” de carbono pelos oceanos:
→ Equilíbrio gás-líquido:
• CO2(g) CO2(aq) (H = 3,4 x 10-2 mol L-1 atm-1)
• CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq) (K = 2,0 x 10-3)
• H2CO3(aq) + H2O(l) HCO-3(aq) + H3O+ (K = 4,3 x 10-7)
• HCO-3(aq) + H2O(l) CO-2
3(aq) + H3O+ (K = 4,7 x 10-11)
• CO-23(aq) + Ca+2
(aq) CaCO3(s) (Esqueletos, carapaças, conchas,formação/dissolução de rochas/sedimentos)
Sua decomposição ao longo de milhões de anos leva à formação de depósitos ricos em hidrocarbonetos (e.g. petróleo) e carvão
Ciclo do Carbono
Ciclo do Nitrogênio
➔O nitrogênio é um elemento químico que entra na constituição de duasimportantíssimas classes de moléculas orgânicas: proteínas e ácidosnucleicos (DNA).
➔ Embora esteja presente em grande quantidade no ar (cerca de 79%), na forma de N2 , poucos seres vivos os assimilam nessa forma (baixa reatividade).
➔ Apenas alguns tipos de bactérias, conseguem capturar o N2, utilizando-ona síntese de moléculas orgânicas nitrogenadas.
O nitrogênio utilizável pelos seres vivos é o combinado na forma de aminoácidos, proteínas, íons amônio (NH4
+) e nitrato (NO3-)
➔Fixação processo de transformação de N2 em compostosde nitrogênio
➔Fixação biológica Conversão de N2 a amônia (NH3) ou íonsamonio (NH4
+).
Redução catalisada por enzima
N2 → NH4+
(Rhizobium/nitrogenase)
➔ 90% de toda fixação natural de N2
➔ Ecossistemas aquáticos cianobactérias.
Ciclo do Nitrogênio
➔ Fixação atmosférica Transformação de N2 em NH3 através defenômenos físicos, como os relâmpagos e faíscas elétricas
A produção de amônia por esses fenômenos atmosféricos é pequena, sendo praticamente negligenciável em face às necessidades dos
seres vivos.
➔Fixação industrial Fixação de nitrogênio realizada porindústrias de fertilizantes, onde se consegue uma elevada taxa defixação de nitrogênio.
(Haber-Bosch)• Alto consumo de energia• Fonte de H é o gás natural (CH4)• Baixa eficiência de aplicação• Poluição
Ciclo do Nitrogênio
➔ Nitrificação A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduosnitrogenados, que por sua vez são liberados para o ambiente ou oxidados anitrato.
A conversão dos íons amônio em nitrito e nitrato que ocorre pela ação de bactérias nitrificantes
Bactérias/Plantas/Algas Convertem compostos inorgânicos em compostos orgânicos (cadeia alimentar)
Ciclo do Nitrogênio
➔ Excreção Em processos de respiração celular, a MO étransformada, retornando ao solo como excremento e podem serabsorvidos pelas plantas (adubo)
Ciclo do Nitrogênio
➔Decomposição Quando os organismos morrem,bactérias começam a atuar sobre a matéria orgânicanitrogenada (proteínas do húmus, por exemplo), liberandodiversos resíduos para o ambiente, entre eles a amônia(NH3), nitrato (NO3) e nitrogênio (N2).
➔Desnitrificação NO3-→ NO2
-→ NO → N2O → N2
➔Aparentemente indesejável, a desnitrificação é necessáriaporque, se não ocorresse, a concentração de nitratos nosolo aumentaria de maneira desastrosa.
Ciclo do Nitrogênio
Ciclo do Enxofre (S)➔ Elemento reativo grande número de compostos de enxofre (S).
➔NOx (-2) a (+6)
➔Elemento essencial organismos vivos assimilam e emitem compostos deenxofre
➔ O ciclo biogeoquímico do enxofre compreende um conjunto detransformações entre as espécies de enxofre presentes na litosfera,hidrosfera, atmosfera e biosfera
➔Compostos de enxofre gasosos:• SO2 combustão
• H2S águas ou regiões úmidas do continente (condições anaeróbias),emissões vulcânicas, oceânicas, a partir de solos e vegetação, queima dabiomassa e emissões industriais.
• Dimetilsulfeto (DMS) emitidos por fitoplanctons na superfície dooceano
• SO4-2 forma mais comum de enxofre encontrado na água (agregado a
partículas de água (spray))
Ciclo do Enxofre (S)
➔ Compostos reduzidos de enxofre, principalmente o sulfeto de hidrogênio(H2S), são formados por atividade bacteriana anaeróbica, no processo deoxidação de carbono orgânico a dióxido de carbono e redução de sulfato(SO4
2-) a sulfeto (S2-).
➔Parte deste, ao reagir com íons metálicos é fixado na litosfera, na formade rochas e sedimentos.
➔Compostos reduzidos de enxofre como o sulfeto de hidrogênio (H2S), odimetilsulfeto (CH3SCH3 ou DMS), o sulfeto de carbonila (COS) e odissulfeto de carbono (CS2) são voláteis e rapidamente escapam para aatmosfera.
➔A transformação destes compostos na troposfera (oxidante) exibetendência aos estados de oxidação mais altos
➔ Conversão das espécies de S(IV) a S(VI)
• Concentração de espécies oxidantes (O2,O3, H2O2, radicais livres (OH• e HO2•) eespécies de nitrogênio, NO, NO2, HONO,HNO3.)
• Íons metálicos (Fe(III) e Mn(II)
aerossol atmosférico provenientes daerosão dos solos, indústrias metalúrgicas,de construção e emissões veiculares
• tamanho e composição da gota e condiçõesmeteorológicas.
(SO42- dissolvido)
Ciclo do Enxofre• Atividades humanas (antropogênicas) SO2
– Queima de combustíveis fósseis
– Queima de biomassa
– Maior concentração em países ricos
• Hemisfério norte maior concentração
• Hemisfério sul menor concentração
– SO2 → SO4 Chuva ácida
• Emissão naturais 40 - 85 Tg/ano
• Emissão antropogênicas 73 – 80 Tg/ano
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- Baird, C. Química Ambiental; Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera, 2 ed, Porto Alegre, Bookman, 2002
- http://biologiatualizada.blogspot.com.br/2012/01/fotossintese.html, acessada 22-06-13
- http://www.brasilescola.com/historiag/revolucao-industrial.htm, acessado 22-06-13
- http://envolverde.com.br/saude/qualidade-do-ar/poluicao-do-ar-mata-pelo-menos-dois-milhoes-de-pessoas-por-ano-no-mundo-diz-oms/, acessado 23-06-13
-Nascentes, C. C; Costa, L. M. Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011
-Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e Tempo de Vida.Monografia. UFES
- Mozeto, A. Química Atmosférica: A química sobre nossas cabeças. Cadernos Temáticos deQuímica Nova na Escola. 2001
-Miller, G. T. Ciência Ambiental, São Paulo: Thomson Learning, 2007.
-Rosa, R. S., Messias, R. A., Ambrozini, B., Rezende, M. O., Importância da compreensão dosciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável, Universidade de São Paulo eInstituto de Química da São Carlos, São Carlos, 2003.