aula 3. Atmosfera

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
QUÍMICA DA ATMOSFERA
 
Docente: Caryna J. Correr Frachello
Rocha, J. C. et al. Introdução à Química Ambiental, 2ª ed. 2004
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ATMOSFERA
“envelope gasoso, como se fosse um manto, que protege a vida na terra” 
Dividida em camadas (propriedades Químicas e físicas)
Interferem diretamente na temperatura de acordo com a altura
A atmosfera absorve a maior parte da radiação eletromagnética do sol e somente a radiação na região de 300 – 2500 nm (UV, VIS e IV) e ondas de rádio são transmitidas aos seres vivos.
É essencial na manutenção do balanço de calor na Terra, absorvendo a radiação IV emitida pelo sol e aquela reemitida pela Terra.
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ATMOSFERA
A aparência constante da atmosfera revela um estado estacionário que é muito dependente dos fenômenos naturais que ocorrem na superfície do planeta:
Atividades vulcânicas;
ventos
Precipitações pluviais;
Evaporação de águas pluviais.
Estado Estacionário: é utilizado quando a quantidade de um material é constante em um compartimento, mas que está sempre reposto com novo material.
Equilíbrio: utilizado quando a quantidade de um material em um compartimento for mantida pelo mesmo material.
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Principais regiões da Atmosfera
T Altitude 
Mol. de O3 absorvem radiação UV 
↑ altitude ↑ T
Espécies como O2+ e NO+ 
Esp. Iônicas e Atômicas
abs,, radiação de alta energia,  200 nm (1200°C)
Mol. de N2, O2, CO2, H2O 
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TROPOSFERA
Mantém contato direto com a crosta terrestre e com os seres vivos
Proporciona o ambiente básico para a sobrevivência dos organismos aeróbicos
A maioria dos estudos sobre a poluição se refere a troposfera
Intensa movimentação e transformação dos componentes gasosos e das partículas emitidas pelos oceanos e continentes
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ATMOSFERA
Composição
Material sólido:
Poeira em suspenção;
Pólen;
Micro-organismos
Material líquido
Vapor d’agua, nuvens, neblinas e chuvas
Gases:
78% nitrogênio (N2);
21% oxigênio (O2);
1% restante:
- CH4, H2, NO2, SO2, 03 e os gases nobres
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ATMOSFERA
Transformações químicas na atmosfera
Tendem a manter a composição em estado estacionário
Os diversos compostos são transformados em espécies mais solúveis em água, favorecendo seu retorno à litosfera (chuva)
Gases
78% nitrogênio (N2);
21% oxigênio (O2);
1% restante:
- CO2, CH4, H2, NO2, SO2, 03 e os gases nobres
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Transformações químicas na atmosfera
Oxigênio;
Outros compostos que podem atuar como reagentes ou catalisadores 
Luz solar (fotocatálise)
atmosfera
Reações podem ser rápidas ou mais lentas
Concentração dos reagentes;
Temperatura;
Catalisador;
Reatividade da molécula
Grande reator químico
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Transformações químicas na atmosfera
Tempo médio de permanência do composto na atmosfera
compostos
Importantíssimo
Raio de ação de um composto, tomando-se como base o local que ocorreu a emissão.
Capacidade de reagir estabelecida (tempo de residência)
tempo de residência: Valor médio de referência e pode mudar dependendo das condições ambientais 
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Transformações químicas na atmosfera
Pode atuar somente na região que o vento conseguir levá-lo nessas 24 horas
Quilômetros de distância
NO2 – dióxido de nitrogênio
Tempo de residência: 1 dia
Pode atuar em toda atmosfera do planeta quando emitido em qualquer ponto da superfície terrestre
CO2 – dióxido de carbono
Tempo de residência: 4 anos
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Transformações químicas na atmosfera
Naturais:
Vulcões;
Superfície do mar
Fontes
Alimentação dos compostos químicos
Naturais
Antrópicas
Poluente primário: chega a atmosfera pela emissão direta por fonte natural ou antrópica
- Pontual;
- Difusa;
- Móvel;
- Fixa
Antrópicas:
Chaminé
Poluente secundário: produto da reação de compostos presentes na atmosfera
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Processos de emissão, transformação e saída da atmosfera envolvem reações químicas ou mudanças de fase passando pelos vários ecossistemas terrestres, envolvendo inclusive os seres vivos. 
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Transformações químicas na atmosfera
Fontes
Sorvedouros
HCl + NH3 → NH4Cl
- Chuva (deposição úmida)
- Vento (deposição seca)
Processos de consumo dos componentes que nela chegam
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Processos de emissão, transformação e saída da atmosfera envolvem reações químicas ou mudanças de fase passando pelos vários ecossistemas terrestres, envolvendo inclusive os seres vivos. 
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Poluentes Primários, são aqueles que são emitidos diretamente pelas fontes para a atmosfera, sendo expelidos diretamente por estas (p.ex. os gases que provêm do tubo de escape de um veículo automóvel ou de uma chaminé de uma fábrica).
 Exemplos: monóxido de carbono (CO), óxidos de azoto (NOx) constituídos pelo monóxido de azoto (NO) e pelo dióxido de azoto (NO2), dióxido de enxofre (SO2) ou as partículas em suspensão 
Poluentes Secundários, os que resultam de reações químicas que ocorrem na atmosfera e onde participam alguns poluentes primários. Exemplo: o ozônio troposférico (O3), o qual resulta de reações fotoquímicas, isto é realizadas na presença de luz solar, que se estabelecem entre os óxidos de azoto, o monóxido de carbono ou os Compostos Orgânicos Voláteis 
Classificação dos poluentes
De acordo com a origem: a) Primários b) Secundários
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Fontes de poluição atmosférica:
 2.1) Fontes naturais: poluição originada por fenômenos biológicos e geoquímicos como é o caso das reações químicas na atmosfera. 2.2) Fontes antropogênicas: poluição originada pela atividade humana (industrial ou urbana): a) Fontes estacionárias (ou fixas): combustão, processo industrial, queima de resíduos sólidos.
 b) Fontes móveis: veículos automotores, barcos, trens, etc.
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FONTES DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
FONTES MÚLTIPLAS podem ser FIXAS ou MÓVEIS, geralmente se dispersam pela comunidade, oferecendo grande dificuldade de serem avaliadas na base de fonte por fonte 
Ex: Carros
Ex: Casas 
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FONTES DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
FONTES ESPECÍFICAS são FIXAS em determinado território, ocupam na comunidade área relativamente limitada e permitem uma avaliação na base de fonte por fonte 
Ex: Indústrias 
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POLUIÇÃO DO AR NAS ATMOSFERAS URBANAS
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A poluição natural é originada por fenômenos físicos, biológicos e geoquímicos.
	Entre as fontes naturais podemos apontar o solo, a vegetação (polinização), os oceanos, vulcões e fontes naturais de líquidos, gases e vapores, descargas elétricas atmosféricas, etc 
FONTES DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
FONTES NATURAIS
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FONTES DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
FONTES NATURAIS
Lago da Paz – república dos Camarões (21/08/1986)
Gás sulfídrico, monóxido de carbono, dióxido de carbono e ácido sulfúrico (anidrido sulfuroso).
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HAVAI - KILAUEA
Setembro 2004 – emissão de 2500 toneladas de enxofre por dia
Ativo desde 1983
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Cinco compostos significam mais de 90% do problema da contaminação atmosférica:
	1. Monóxido de carbono (CO);
	2. Óxidos de nitrogênio (NOx);
	3. Hidrocarbonetos (HC);
	4. Óxidos de enxofre (Sox);
	5. Partículas 
QUALIDADE DO AR
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 - POEIRAS: São partículas sólidas produzidas por manipulação, esmagamento, trituração e desintegração da matéria orgânica ou inorgânica, tais como rochas, minérios, etc. - FUMOS: são partículas sólidas resultantes da condensação ou (re)sublimação de gases. Têm diâmetro médio inferior 0,5 µm. -NÉVOAS: são gotículas líquidas em suspensão, produzidas pela condensação dos gases ou pela passagem de um líquido a estado de dispersão. - VAPOR: é a forma gasosa de substâncias normalmente sólidas ou líquidas (a 25 0C e 760 mmHg) que podem voltar a estes estados por aumento da pressão ou por dimunuição da temperatura. - GASES: são normalmente fluidos sem forma que ocupam o espaço que os contêm e só podem liquefazer-se ou solidificar-se sob a ação combinada de aumento de pressão e redução da temperatura.
Algumas definições importantes*
 Os problemas causados pela poluição atmosférica começaram a ser melhor estudados a partir da revolução industrial quando a fumaça e as cinzas emitidas pela combustão de carvão e madeira começaram incomodar a população dos centros industriais.
 Segundo Seinfeld e Pandis (1998), dentre os principais poluentes atmosféricos destacam-se os óxidos de nitrogênio. Monóxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2). O NO e o NO2 estão ligados diretamente na produção de ácido nítrico (HNO3 ) principal responsável pela chuva ácida e o nitrato de peroxiacetila (PAN) um dos componentes do “smog” fotoquímico e eles participam ainda no ciclo do ozônio.
Combustão de materiais e a poluição atmosférica
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ÓXIDOS DE NITROGÊNIO
Somente: N2O, NO, NO2,
Quantidades significativas 
Combinações
N2O, NO, NO2, NO3, N2O3, N2O4, N2O5
Funções relevantes na atmosfera
N2O – óxido de dinitrogênio
-gás incolor
-Emitido por fontes naturais: ação bacteriana e reação de N2 e O3 na atmosfera;
-gás estufa: contribui para reter calor na atmosfera terrestre
NO – óxido nitrico
-gás incolor e inodoro
-Emitido por fontes naturais: ação bacteriana;
-Emitido por fontes antrópicas: comum em processo de combustão
-Atmosfera: oxidado rapidamente por O3 e mais lentamente por O2 formando o N2O 
NO2 – dióxido de nitrogênio
-gás avermelhado com odor irritante
- Principal poluente secundário, mesmo sendo emitido diretamente em pequenas quantidades;
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FORMAÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO - COMBUSTÃO
Oxigênio e nitrogênio são muito estáveis e a reação praticamente não ocorre
A grande quantidade de N na atmosfera é uma evidência da estabilidade do gás N2, com possível reação: 
N2 + O2  2NO
Temperatura** 1.727°C ou 2.000K
A reação pode ocorrer com formação significativa do óxido de nítrico 
**A temperatura favorece que o nitrogênio da atmosfera reaja com o oxigênio, quanto maior a temperatura mais produto formado
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RADIAÇÃO SOLAR RECEBIDA NA TERRA
 A radiação solar recebida na terra é refletida, retrodifundida e absorvida por várias componentes:
 6% é retrodifundida para o espaço pelo próprio ar,
 20% é refletida pelas nuvens,
 4% pela superfície do Globo,
- 3% da radiação solar é absorvida pelas nuvens,
16% é absorvida pelo vapor de água, as poeiras e outros componentes no ar. 
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RADIAÇÃO SOLAR RECEBIDA NA TERRA
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REACÃO FOTOQUÍMICA
A radiação solar influencia os processos químicos na atmosfera quando interage com espécies químicas fotorreceptoras. Os resultados desta interação são denominados reações fotoquímicas e se dividem em:
 Fotólise (fotodissociação),
 Rearranjos intramoleculares,
 Fotoisomerização,
 Reações fotossensibilizadas.
 Dentre esses processos o mais importante para a química atmosférica é a fotólise, que pode ser representada pela equação:
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ENERGIA DE UM QUANTUM DE LUZ
De acordo com lei de Marx K.E.L. Planck, a energia de um fóton de luz de freqüência ע é:
ε = h  
h é a constante de Planck, que é igual a 6,626 x 10-34 Js.
 Frequencia da luz
Quanto   a energia associada ao fóton
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NOx, formação de poluentes secundários
NOx (NO e NO2)
-desempenham um papel fundamental na formação de novos compostos para a atmosfera;
Oxidação do NO na atmosfera:
O NO2, na presença da luz solar (ε = h  ), sofre dissociação oposta:
Dissociação do NO2;
Regeneração do NO e O3
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Estado estacionário
Taxas iguais de formação e destruiução do NO2
Nesta situação:
Niveis de ozônio tendem a permanecer em nível baixo, sem poluição (30-40 ppb)
Niveis de ozônio tendem a aumentar a concentração, com poluição (500 ppb)
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OXIDANTES NA ATMOSFERA
Oxidantes: Retiram elétrons da outra espécie
Principais oxidantes encontrados na atmosfera:
O3, H2O2, HO ˙, HO2, radical nitrato (NO3˙), nitrato de peroxiacetila (PAN)
Importância para a química atmosférica
Modificadores da composição química;
Interferem na qualidade do ar;
Alguns compostos podem influir no balanço térmico da atmosfera
 Ozônio é responsável pelo início de todas as cadeias de oxidação primárias que ocorrem na atmosfera natural
Desempenham papel fundamental de limpeza da atmosfera
Atuam como detergentes, solubilizam a sujeira para ser removida pela água
O processo de oxidação produz sempre moléculas mais solúveis em água, facilitando sua remoção pela água da chuva
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COMO A CAMADA DE OZÔNIO PROTEGE A TERRA?
Quimicamente temos:
COMO SE FORMA O BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO?
Os CFCs sobem lentamente para camadas superiores à camada de ozônio. Os raios ultravioletas decompõe os CFCs, liberando átomos de Cloro (Cl). O cloro como é mais denso, desce, voltando para a camada de ozônio, destruindo-o.
Quimicamente temos
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OXIDANTES NA ATMOSFERA
Reações:
 O radical HO ˙ é formado pela fotólise do ozônio em presença de vapor de água: 
 O radical HO ˙ pode ser formado pela fotodecomposição de compostos carbonílicos, como formaldeído em presença de NO: 
 O H2O2 é formado pela recombinação de hidroxil peróxido: 
 O radical NO3˙ é instável em presença de luz solar, só existe durante a noite e sua formação ocorre via reação entre ozônio e dióxido de nitrogênio: 
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FORMAÇÃO DE POLUENTES SECUNDÁRIOS- smog fotoquímico
É uma combinação de fumaça e de nevoeiro em áreas urbano-industriais.
A sua formação é favorecida pelos focos de poluição, que aumentam o número de núcleos de condensação (poeiras ou partículas diversas) na atmosfera saturada ou quase saturada.
Pequim – China – Agosto de 2005
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Smog
As consequências são:
Inversão térmica – é uma mudança abrupta de temperatura devido à inversão das camadas de ar frias e quentes. A camada de ar fria, por ser mais pesada, acaba descendo e ficando numa região próxima a superfície terrestre, retendo os poluentes. O ar quente, por ser mais leve, fica numa camada superior, impedindo a dispersão dos poluentes.
Provoca problemas respiratórios e cardíacos.
Concentração de fumaça na superfície.
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smog
Período mais crítico do ano é no inverno, pois as condições metereológicas são pouco favoráveis à dispersão dos poluentes atmosféricos – ar mais denso
Resultado da quebra do estado fotoestacionário:
Formação do oxigênio atômico por fotodissociação do dióxido de nitrogênio:
Reação de formação do ozônio:
Reação de decomposição do ozônio e formação do NO2:
Ocorre o acúmulo de ozônio na troposfera quando outros compostos competem com a última reação consumindo ou acumulando o NO 
Tóxico: -crescimento das plantas é afetado, diminuindo a produtividade agrícola. 
-Irritante aos olhos, diminuição na capacidade pulmonar
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Variação da composição dos gases atmosféricos relacionados com o smog fotoquímico ao longo do dia.
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ACÕES PREVENTIVAS REDUZEM A CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES
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CONTROLE DE EMISSÃO DE POLUENTES POR VEÍCULOS AUTOMOTORES
Uso de combustíveis menos poluidores, o gás natural por exemplo
Instalação de catalisadores: oxida os COV formando CO2 e H2O e reduzindo NOx, gerando nitrogênio gasoso.
Operação e manutenção adequadas do veículo, visando o bom funcionamento do mesmo
Rodízio de carros
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CONTROLE DE EMISSÃO DE POLUENTES PELAS INDÚSTRIAS
Altura adequada das chaminés de indústrias, em função das condições de dispersão dos poluentes
Uso de matérias primas e combustíveis que resultem em resíduos gasosos menos poluidores
Melhoria da combustão: quanto mais completa a combustão, menor a emissão de poluentes
Instalação de filtros nas chaminés
Tratamento de resíduos químicos
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O QUE PODEMOS FAZER PARA CONTRIBUIR COM A DIMINUIÇÃO DE POLUENTES?
Evitar queimar compostos orgânicos ou lixo de um modo geral
Plantar mais árvores
Reduzir o lixo
Fazer vistorias constantes em seus veículos e se empresário, em suas indústrias.
Prefira organizar um sistema de caronas, diminuindo o volume de carros nas ruas
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ACOMPANHE A EVOLUÇÃO DO BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO (1980-)*
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O PROTOCOLO DE KYOTO (1997)
 Acordo internacional, assinado por 84 países, em 1997, em Kyoto no Japão, que estabelece, entre 2008 e 2012, a redução de 5,2% dos gases-estufa, em relação aos níveis em 1990.
METAS DE REDUÇÃO
Países da União Européia – 8%
Estados Unidos – 7%
Japão – 6%
Para a China e os países em desenvolvimento, como Brasil, Índia e México, ainda não foram estabelecidos níveis de redução
Balão com os dizeres “Bush & Co. = desastre ambiental” na Patagônia (Argentina) em protesto contra os E.U.A
No ano de 2009 o presidente Barack Obama, encaminhou o Protocolo de Quioto para ser ratificado pelo Senado
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FOTOQUÍMICA
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Antes de falar de fotólise ( falaremos de planck)
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Antes de falar de fotólise ( falaremos de planck)
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