“ A Química da Atmosfera” Física e Química A – 10º CT3

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A Química da atmosfera

Como se formam os iões na termosfera e na mesosfera? A termosfera é uma zona de grande actividade química, onde moléculas como o O2, H2, N2, etc.. se ionizam devido à absorção de radiação de energia elevada(λ< 220 nm). Atendendo a este facto, esta camada é muitas vezes designada, por ionosfera. O aumento de temperatura que se verifica nesta região deve-se ao bombardeamento do azoto e do oxigénio molecular e de espécies atómicas por partículas de energia elevada, como electrões e protões, provenientes do Sol e que originam as seguintes reacções, onde se formam iões. O → O+ + 1e- N → N+ + 1 e- O + O+ → O2

+ N+ + O2 → NO+ + O N+ + NO → N2

+ + O As partículas ionizadas nestes processos são responsáveis pela reflexão, para a Terra, das ondas de rádio, facto muito importante para as comunicações. É também nesta zona da alta atmosfera que ocorrem dois fenómenos deslumbrantes, um de origem natural e outro ocasionado pelas viagens espaciais; referimo-nos à aurora boreal e aurora austral e ao brilho da cauda dos vaivéns espaciais.

Como se forma o radical livre HO. na troposfera? Como o vapor de água está presente na baixa troposfera e a fotólise do ozono produz oxigénio atómico no estado fundamental (O) e no estado excitado (O*). hν hν O3 O + O2 e O3 O* + O2 Ocasionalmente, o oxigénio excitado (O*) reage com o vapor de água, originando dois radicais hidroxilos. H2O + O* 2HO●

Esta reacção é a principal fonte de radicais HO. na troposfera. O radical hidroxilo não reage com nenhum dos principais constituintes da atmosfera, como N2, O2,CO2 ou H2O, apesar de ser a espécie mais reactiva na troposfera. O radical hidroxilo reage com a maior parte das espécies vestigiais da atmosfera. O metano, por exemplo, é removido da atmosfera por reacção com o HO. e por oxidação microbiana na superfície d solo.

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Outra fonte de produção de HO., na troposfera, é a fotólise do ácido nitroso (HNO2), resultante de óxidos de azoto, na presença de água, e de átomos de oxigénio excitados hν HO-NO HO● + NO● Como se forma o radical HO. na estratosfera? Na estratosfera temos como principais fontes de radicais HO. as reacções: H2O H + HO●

H + H2O H2 + HO●

H + O2 HO● + O● O● + H2O 2HO● Não são apenas os radicais livres HO● e Cl● que podem levar à destruição do ozono estratosférico. Este processo também pode ser desencadeado por outros radicais como, por exemplo, o radical Br●. A partir do Br2 formam-se radicais livres Br● hν Br2 Br● + Br● Uma vez formados, estes radicais vão reagir com o hidrogénio (H2), originando os radicais H. , além de se formar HBr: Br● + H2 HBr + H●

H● + Br2 HBr + Br● Como se forma o ozono estratosférico? As radiações provenientes do Sol vão sendo absorvidas à medida que vão penetrando na atmosfera. A camada de ozono existente na estratosfera desempenha um papel importante nesta função. A formação do ozono pode ser explicada através das seguintes reacções: UV, λ<240 nm O2 O + O O + O2 O3 Esta reacção é exotérmica e só ocorre com intervenção de uma molécula inerte, tal como o N2, que absorve o calor libertado mas não se consome na reacção.

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Assim esta reacção será representada pela equação: O + O2 + M O3 + M* Em que M* representa M excitado (com energia). Esta reacção é mais lenta a maiores altitudes, onde a atmosfera é menos densa. Como é destruído o ozono estratosférico? A molécula excitada, M*, transfere o excesso de energia para uma molécula de ozono, regenerando o oxigénio molecular: M* + O3 O2 + O● + M A molécula O2 é regenerada, ficando livre para intervir novamente na reacção. Uma outra maneira de o ozono ser destruído é por acção de radiações ultravioleta. Quando a radiação entra na estratosfera, as radiações UV mais próximas do visível são absorvidas pelo ozono, abundante nesta zona da estratosfera, decompondo-se em moléculas e átomos de oxigénio no estado excitado. UV(λ <320 nm) O3 O2

● + O● UV, λ = 203 – 302 nm O● + O3 2 O2 Estas reacções de destruição do ozono são mais rápidas a maiores altitudes, porque aí a concentração de oxigénio atómico é maior e a radiação UV é mais intensa. A formação de dioxigénio a partir do ozono é a causa da elevação de temperatura á medida que a altitude aumenta na estratosfera, atingindo um valor máximo a cerca de 50 km, apesar de a concentração de O3 ser máxima à volta de 25-30 km de altitude. Se não existisse oxigénio e ozono na estratosfera, estas radiações UV chegariam à Terra com elevada intensidade, destruindo a vida no planeta. A presença de ozono na estratosfera constitui, assim, um filtro para estas radiações, absorvendo cerca de 95% das radiações UV mais perigosas (UV – B), que atingem a estratosfera, protegendo os seres vivos da sua acção nefasta. A presença do ozono estratosférico é essencial à vida na Terra. Existem compostos, chamados”inimigos do ozono”, muitos deles produzidos pelo ser humano, que destroem o ozono estratosférico. Em meados dos anos 50 do século XX, iniciou-se a medida das quantidades de ozono estratosférico, como um meio de melhorar as previsões meteorológicas. Em fins dos anos 60, verificou-se que as quantidades de ozono junto do Pólo Sul tinham diminuído. Nos anos 80, confirmou-se a destruição progressiva do ozono, com a sua consequente rarefação designada por buraco do ozono. Esta diminuição de espessura da camada de ozono facilita a passagem das radiações UV para a superfície terrestre e deve-se principalmente à presença de substâncias libertadas na troposfera que atingem a estratosfera e interferem com o ozono.

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Em 1985, as medições do ozono estratosférico via satélite demonstraram a existência do buraco do ozono na Antárctida e no ano seguinte confirmou-se a existência de outro buraco do ozono no Árctico. A principal ameaça do ozono estratosférico deve-se a reacções de moléculas de ozono com bromo ou cloro atómicos, que provêm de um grupo de compostos, os fréons ou CFC, muito estáveis na troposfera, mas que na estratosfera se dissociam sob a acção da luz originando radicais muito reactivos. CCl2F2 F2ClC● + Cl●

Os radicais Cl● são muito reactivos e vão reagir com o ozono originando monóxido de cloro e oxigénio. Cl● + O3 ClO● + O2 O monóxido de cloro reagindo com oxigénio atómico, que abunda na estratosfera, origina, de novo o cloro atómico. ClO● + O Cl● + O2 Através destas duas equações deduz-se que, os átomos de cloro não vão ser consumidos. Funcionam como catalisadores. Cada átomo de cloro pode destruir cerca de 100 000 moléculas de O3 antes de ser removido da atmosfera por outra reacção. A reacção global resultante das duas reacções anteriores pode ser representada pela seguinte equação. O3 + O 2 O2 Há outras substâncias que funcionam como catalisadores da reacção de decomposição do ozono, nomeadamente, as que produzem radicais livres: H● ; HO●, NO● e Br●