Aula-2-Q.-Ambiental - química da estratosfera

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Química Ambiental 
 Aula 2 
Química da Estratosfera
Universidade Federal de Lavras
Departamento de Química
Prof. Fabiano Magalhães
mgfabiano@yahoo.com.br
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A Atmosfera Terrestre
 Atmosfera Terrestre
Atmosfera Terrestre
Espaço exterior
Aurora boreal
Até 20 km
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 Temperatura
A Atmosfera Terrestre
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 Atmosfera Terrestre
 É uma fina camada de gases sem cheiro, sem cor e sem gosto, presa à Terra pela força da gravidade.
 Protege a vida na Terra:
 pela absorção de radiação ultravioleta (muito energética)
impedindo grandes variações de temperatura (efeito estufa).
A Atmosfera Terrestre
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 Composição
A Atmosfera Terrestre
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 A atmosfera Terrestre sempre foi assim???
 Quais fatores ou fenômenos contribuem para sua composição???
 A vida sustenta a atmosfera ou a atmosfera sustenta a vida???
Nada do que foi será
De novo do jeito que já foi um dia
Tudo passa tudo sempre passará....
Tudo o que se vê não é
Igual ao que a gente viu há um segundo
Tudo muda o tempo todo no mundo.....
Nelson Motta/Lulu Santos
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A Atmosfera Terrestre
 A atmosfera Terrestre sempre foi assim???
 Quais fatores ou fenômenos contribuem para sua composição???
 A vida sustenta a atmosfera ou a atmosfera sustenta a vida???
Tabela: Composição da atmosfera e condições ambientais
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A Atmosfera Terrestre
 A vida sustenta a atmosfera ou a atmosfera sustenta a vida???
“Hipótese de Gaia”: a vida desempenha papel fundamental em criar e manter as condições ambientais do planeta.
 Os seres vivos tem condições de modificar e transformar o planeta, sempre em busca de condições ideais para a sustentação da vida.
 O planeta Terra apresenta comportamento de um ser vivo.
Hoje nosso planeta depende da inter-relação entre a vida/atmosfera/litosfera/hidrosfera.
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A Química da Estratosfera
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A Química da Estratosfera
 Estratosfera (20 a 50 Km)
 A temperatura aumenta (-50 a 10 0C) – Por que???
 A radiação ultravioleta é “filtrada” pelos gases
 Camada de ozônio (O3)
 Difusão da luz solar
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A Química da Estratosfera
 Camada de Ozônio
 Ozônio (O3)
 - Gás a temperatura ambiente;
 - Pode provocar problemas respiratórios;
 - Altamente reativo e oxidante... 
 Unidade de concentração
 Unidade Dobson (UD): equivalente a espessura de 0,01 mm de O3 puro a 1 atm e a 0 0C. 
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A Química da Estratosfera
 Camada de Ozônio
 Concentração de O3 estratosférico
450 UD
Região tropical: 250 UD (onde é produzido)
450 UD
Ventos estratosféricos transportam parte do O3 produzido nas regiões tropicais para as regiões polares.
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A Química da Estratosfera
 Camada de Ozônio
 Concentração de O3 estratosférico
Por que a concentração de O3 é maior nesta região?
Por que a temperatura aumenta na estratosfera?
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A Química da Estratosfera
 Camada de Ozônio
 Variação da concentração de O3 estratosférico durante o ano
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 Camada de Ozônio
 Buraco na Camada de Ozônio
 Pólo Sul
 Setembro a novembro (primavera)
- Aumento do buraco na Camada de Ozônio
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A Química da Estratosfera
 Buraco na Camada de Ozônio
Fenômeno natural ???
- 1986: expedição americana à Antártida
- Cloro é o principal causador 
Governantes se mobilizaram no sentido de, gradualmente, interromper a fabricação de produtos químicos capazes de piorar a situação.
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 Buraco na Camada de Ozônio
Pesquisas em regiões não polares
Concentração de O3 diminui em toda a extensão do Planeta Terra
Danos à saúde
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 Absorção de Luz por Moléculas
A Química da Camada de Ozônio
 Depleção e formação do O3 está relacionado com a absorção das radiações solares por produtos gasosos presentes na estratosfera.
 Substâncias diferentes absorvem diferentes comprimentos de onda da radiação solar.
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 Absorção da Luz Solar pelo O2
A Química da Camada de Ozônio
 Absorve a luz com  entre 60 a 220 nm 
 Protege a vida na Terra 
  maior do que 250 nm praticamente não absorve
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 Absorção da Luz Solar pelo O3
A Química da Camada de Ozônio
 Situado na parte média e inferior da estratosfera 
 Absorve a luz com  entre 220 a 290 nm (UV-C)
 Absorve pouca radiação entre 290 e 320 nm (UV-B)
 Protege a vida na Terra 
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 Absorção da Luz Solar pelo O3
A Química da Camada de Ozônio
 Absorve pouca radiação entre 290 e 320 nm (UV-B)
 Protege a vida na Terra 
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 Absorção da Luz Solar pelo O3
A Química da Camada de Ozônio
 O3 “filtra cerca de 70 a 90% da radiação UV-B;
 Cerca de 10 a 30% da radiação UV-B chega na superfície Terrestre;
 CO2 absorve radiações UV-A (320 a 400 nm);
 Teor de CO2 é muito baixo  UV-A não é absorvida significativamente;
 UV-A é menos prejudicial a saúde.
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 Absorção da Luz Solar pelo O2 e O3
A Química da Camada de Ozônio
Completa diminuição das radiações com  < 300 nm;
Absorve toda a radiação UV-C e parte da UV-B
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 Conseqüências Biológicas da Depleção do O3
A Química da Camada de Ozônio
Redução de 1% do teor de O3 estratosférico
Aumento de 2% na intensidade de UV-B 
 Queimaduras e câncer de pele
 Sistema imunológico humano
 Crescimento de plantas
 Problemas na visão (catarata) 
Como a radiação UV-B causa o câncer de pele??
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A Química da Camada de Ozônio
Como a radiação UV-B causa o câncer de pele??
Espectro de absorção do DNA e intensidade da luz solar ao nível da superfície vs comprimento de onda
Pessoas de pele clara possuem um máximo absorção em 300 nm
Maior o risco de câncer de pele
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A Química da Camada de Ozônio
Estima-se que, para cada 1% da diminuição do ozônio
Ocorrerá um aumento de 1 a 2% na incidência de câncer maligno de pele
O câncer de pele pode demorar até 40 anos para sua manifestação
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A Química da Camada de Ozônio
Qual a composição de um protetor solar?
Como funcionam???
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A Química da Camada de Ozônio
A Formação e Destruição Não Catalítica do Ozônio
O + O2  O3 + calor
Onde e como o oxigênio atômico é formado?
Onde e como o ozônio é formado?
Por que a temperatura aumenta na estratosfera???
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A Química da Camada de Ozônio
A Formação e Destruição Não Catalítica do Ozônio
O + O2  O3 + calor
Onde e como o oxigênio atômico é formado?
Onde e como o ozônio é formado?
Por que a temperatura aumenta na estratosfera???
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A Química da Camada de Ozônio
Ciclo de Chapman
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A Química da Camada de Ozônio
Processo Catalítico de Destruição do Ozônio 
Mecanismo 1
X + O3  XO + O2
XO + O  X + O2
 O3 + O  2O2 
 Catalisador é regenerado
 A reação global é lenta, porém o catalisador aumenta a velocidade da reação
 A parte inferior da estratosfera o mecanismo 1 é lento  baixa [O]
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A Química da Camada de Ozônio
Destruição do Ozônio em atmosfera não poluída
 N2O: origem na troposfera  migra para a estratosfera
N2O + O*  2NO 
O3 + UV-C  O* + O*2
NO  catalisador no mecanismo 1
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A Química da Camada de Ozônio
Destruição do Ozônio quando a [X] for alta
X + O3  XO + O2
X’ + O3  X’O + O2
XO + X’O  X + X’ + O2
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A Química da Camada de Ozônio
Processo Catalítico de Destruição do Ozônio 
Mecanismo 1
X + O3  XO + O2
XO + O  X + O2
 O3 + O  2O2 
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A Química da Camada de Ozônio
Cloro e Bromo Atômicos como Catalisadores X
 Gases sintéticos que contém Cl ou Br tem aumentado significativamente a depleção do O3
 CH3Cl e CH3Br (natural): formado pela reação entre íons Cl- e Br- com a matéria orgânica em decomposição (vegetais)
 Fontes de gases contendo Cl ou Br
 Gases contendo Cl ou Br são estáveis e migram até a estratosfera
Como o Cl e o Br atômicos são formados??
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A Química da Camada de Ozônio
Cloro e Bromo Atômicos como Catalisadores X
 Cloreto de hidrogênio - HCl 
 Nitrato de cloro - ClONO2
 Formas inativas de cloro na estratosfera
 A maior parte do cloro estratosférico se encontra na forma inativa
 Um átomo de Cl
ou de Br pode destruir cerca de 10 mil moléculas de O3
 As espécies HBr e BrONO2 são formados, porém sofrem decomposição fotoquímica pela radiação solar
 Concentração de gases com Br é muito menor do que com Cl
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A Química da Camada de Ozônio
Cloro e Bromo Atômicos como Catalisadores X
 Quando o HCl e o HBr extratosférico migram para a troposfera superior, estes se dissolvem em gotículas de água e voltam à superfície Terrestre com a chuva
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A Química da Camada de Ozônio
Buraco de Ozônio na Antártida
 1985: teor de O3 diminui em até 50% durante alguns meses devido a ação do Cl
 Buraco tem aparecido deste 1979
 Período: setembro a novembro – primavera (Polo Sul)
Por que este fenômeno ocorre durante este período?
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A Química da Camada de Ozônio
Buraco de Ozônio na Antártida
 Aumento no teor de Cl e ClO : espécies ativas 
 Como ocorre o aumento do teor de espécies ativas? 
 Inverno: período de escuridão
 Queda de temperatura: falta de radiação solar 
	Decomposição: O2 + UV-C  2O
			O3 + UV-B  O + O2
			O2 + O  O3 + calor
- Ocorre a condensação de gotículas de H2O e solução de H2SO4 e HNO3
Reações não ocorrem
[O] diminui
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A Química da Camada de Ozônio
Buraco de Ozônio na Antártida
 Produz um vórtice
 Queda na temperatura  diminuição da pressão do ar estratosférico
 Reações na superfície de cristais de gelo geram Cl2 – responsável pela depleção do ozônio
Massa de ar dotada de um movimento de giro em que a velocidade pode atingir 300 km/h
Ocorre a condensação de gases e H2O: nuvens estratosféricas polares (NEP)
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A Química da Camada de Ozônio
Buraco de Ozônio na Antártida
+ HNO3
Cl-(aq) + HClO  Cl2(g) + OH-(aq)
ClONO2 + HCl  Cl2 + HNO3
Cl2 + UV  2Cl
HNO3 + UV  NO2 + OH
HClO + UV  OH + Cl
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A Química da Camada de Ozônio
Compostos Químicos que Causam a Destruição do O3
 Compostos orgânicos antropogênicos contendo cloro ou bromo
 Clorofluorcarbonetos (CFCs): contém cloro, flúor e carbono
 São estáveis
 - não reagem com gases na troposfera
 - são insolúveis em água – não retornam à superfície Terrestre por meio da chuva
 Na estratosfera: fotólise pela luz UV
- Formam radicais Cl 
 Década 80 cerca de 1 milhão de toneladas/ano de CFCs foram emitidas
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A Química da Camada de Ozônio
Clorofluorcarbonetos - CFCs
 Atóxico, não inflamável e não reativo
 Possuem grande aplicação em diferentes áreas
 CFC-12 (CF2Cl2): anos 30 substituiu os gases tóxicos NH3 e SO2 (refrigeradores)
CFC-12 como agente expansivo
Ar condicionado de automóveis emitiam até 0,5Kg CFC-12/ano/veículo
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A Química da Camada de Ozônio
Clorofluorcarbonetos - CFCs
CFC-12 como agente expansivo
 CFC-12 substituído por pentano
 CO2 - utilizado como agente expansivo pela Dow Chemical
Substituídos por
Dow Chemical Company – condecorada com o Presidential Green Chemistry Chalenge Award (1996)
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A Química da Camada de Ozônio
Clorofluorcarbonetos - CFCs
 CFC-11 (CFCl3)
 Ponto ebulição próximo a temperatura ambiente
 Utilizado na fabricação de espumas
CFC-11 e CFC-12
Propelentes em aerossóis
Substituído por butano
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A Química da Camada de Ozônio
Clorofluorcarbonetos - CFCs
 Fotólise dos CFCs na estratosfera
CF2Cl2 + UV-C  CF2Cl + Cl 
 CFCs não absorvem  > 290 nm
 Fotólise ocorre com  < 220 nm
 Tempo de vida:
	- CFC-11 é de 60 anos
	- CFC-12 é de 105 anos
Outros compostos clorados que foram muito utilizados: CCl4, CH3CCl3, halons (CF3Br, CF2BrCl – subst. livres de H que contém Br).
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A Química da Camada de Ozônio
Substitutos dos CFCs
 Hidrocloroflurcarbonetos - HCFCs
OH + CHF2Cl  H2O + CF2Cl 
 A maior parte dos HCFCs são destruídos na troposfera
 HCFC-22 ou CFC-22 – CHF2Cl
CF2Cl    CO2 + HCl + HF
 Potencial 15% maior para destruir o O3 do que o CFC-11, porém o tempo de vida dele é de 15 anos
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A Química da Camada de Ozônio
Substitutos dos CFCs
 Hidrocloroflurcarbonetos - HCFCs
 CH3CFCl2 e CH3CF2Cl: possuem propriedades muito similares a dos CFCs, porém são inflamáveis – riscos para algumas aplicações
 Principais substitutos dos CFCs e HCFCs
 Décadas para serem atacados pelos radicais OH
 HCF-134a – CH2FCF4
	- usado em refrigeradores
 Hidroflurcarbonetos - HFCs
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A Química da Camada de Ozônio
Substitutos dos CFCs
 Degradação dos HCFs
	- F (atômico) reage rapidamente com o CH4
	- HF: não reage com o OH formando F (reação endotérmica)
	- forma ácido trifluoracético – TFA (CF3COOH)
	 - Dissolve nas águas das chuvas
	 - Acúmulo no solo
	 - Danos à saúde e ao meio ambiente 
 Hidroflurcarbonetos - HFCs
O flúor estratosférico é desativado muito rápido, portanto não contribui significativamente para a destruição do O3
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A Química da Camada de Ozônio
Substitutos dos CFCs
 Degradação dos HCFs
	- F (atômico) reage rapidamente com o CH4
	- HF: não reage com o OH formando F (reação endotérmica)
	- forma ácido trifluoracético – TFA (CF3COOH)
	 - Dissolve nas águas das chuvas
	 - Acúmulo no solo
	 - Danos à saúde e ao meio ambiente 
 Hidroflurcarbonetos - HFCs
O flúor estratosférico é desativado muito rápido, portanto não contribui significativamente para a destruição do O3
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A Química da Camada de Ozônio
Acordos Internacionais sobre a Produção de CFCs
 Mostraram que o Cl poderia destruir o ozônio troposférico
 1995: ganharam Premio Nobel de Química
 Década 60
Sherwood Rowland e Mario Molina
 Década 70
CFCs foram proibidos nos aerossóis – América do Norte 
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A Química da Camada de Ozônio
Acordos Internacionais sobre a Produção de CFCs
 Tratado de Montreal (1987)
Todos os produtos químicos que contribuem para a depleção do ozônio devem ser gradualmente proibidos em todas as nações.
 Países desenvolvidos: 
	- a produção legal dos CFCs terminou em 1995
	- produção de HCFCs até 2030 
 Países em desenvolvimento 
	- prazo até 2010 para eliminar a produção de CFCs
	- HCFCs o prazo é até 2040
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