A Química e a Atmosfera

Constituição da atmosfera terrestre Efeitos do solo e da radiação solar na temperatura da atmosfera
Formação de radicais livres e energia de dissociação Formação de iões e energia de ionização
A atmosfera como filtro solar O ozono na estratosfera
A degradação da camada de ozono  

 

 

 

Constituição da atmosfera actual

A atmosfera é a mistura de gases que envolve a Terra e que acompanha os seus movimentos de rotação e translação. O limite da atmosfera é de cerca de 1000 km acima do nível do mar, mas 99% da massa que constitui a atmosfera localiza-se abaixo dos 40 km de altitude.

O nosso planeta possui um raio médio de 6300 km pelo que concluímos que a camada gasosa que nos envolve é bastante fina, possuindo, no entanto, um papel fundamental na manutenção da vida na Terra, nomeadamente intervalos de temperatura aceitáveis para a maioria dos organismos vivos e existência de água no estado líquido.

A atmosfera é composta pelas seguintes camadas:

Troposfera (até cerca de 15 km de altitude)

- Varia entre 8 km (pólos) até 15 km (equador) e contém 80% em massa dos gases atmosféricos.
- O ar diminui de temperatura com a altitude, até atingir cerca de -60ºC.
- A zona limite designa-se por tropopausa, de temperatura constante.

Estratosfera (de 15 km a 50 km)

- Contém a camada de ozono.
- A temperatura aumenta desde -60ºC até cerca de 0ºC, devendo-se este aumento à interacção química e térmica entre a radiação solar e os gases aí existentes, sendo as radiações por isso responsáveis radiações UV, de energia compreendida entre 6,6 x 10-19 J e 9,9 x 10-19 J.
- A zona limite designa-se por estratopausa, de temperatura constante.

Mesosfera (de 50 km a 80 km)

- Camada mais fria da atmosfera, diminuindo, de novo, a temperatura com a altitude, atingindo os -100ºC, pois a absorção de radiação solar é muito fraca.
- A zona limite designa-se por mesopausa.

Termosfera (de 80 km a 800 km)

- Atingem-se as temperaturas mais elevadas, podendo atingir-se os 2000ºC, devido à absorção das radiações de energia superior a 9,9 x 10-19 J, verificando-se, novamente, a conjugação dos efeitos térmico e químico das radiações.

Exosfera (mais de 800 km acima do nível do mar)

- Parte exterior da atmosfera e que se dilui no espaço

Passagem de um meteoro pelas várias camadas atmosféricas

As diversas camadas da atmosfera terrestre

 

Ao conjunto da mesosfera superior e da termosfera dá-se o nome de ionosfera, porque essa região possui muitas partículas carregadas electricamente, como iões e electrões livres, produzidas por fotoionização dos gases atmosféricos, que arranca electrões às moléculas desses gases.

A aurora boreal resulta da interacção de partículas carregadas, electrões e protões com elevada energia cinética emitidos pelo Sol, o "vento solar", com os gases da atmosfera, nomeadamente com as moléculas e átomos das camadas superiores da atmosfera, transformando-os em iões excitados. É o regresso a estados de energia mais baixa que resulta na emissão de radiação verde, vermelha, azul e violeta.

Uma aurora boreal

 

A maior parte dos gases atmosféricos encontram-se na camada mais perto do solo, a troposfera, que é constituída por 21% de oxigénio, O2 , 78% de azoto, N2 , e quase 1% de árgon, Ar, sendo esta composição expressa em , percentagem volúmica, uma vez que se trata de uma mistura homogénea , isto é:

Em menor quantidade existem dióxido de carbono, CO2 , e vapor de água, H2O , e a restante composição, vestigial, inclui hidrogénio, H2 , hélio, He , metano, CH4 , krípton, Kr , xénon, Xe , e óxido de diazoto, N2O.

O oxigénio é fundamental na atmosfera porque os animais e as plantas precisam dele para viver e sem ele não haveria camada de ozono (O3).

O azoto é um moderador da acção química do oxigénio, uma acção oxidante, pois as suas moléculas são muito pouco reactivas.

É indispensável na alimentação e no crescimento dos seres vivos, sendo absorvido pelas plantas, que o transformam em compostos azotados, passando através da cadeia alimentar, entrando na composição de proteínas e ácidos nucleicos.

O azoto retirado da atmosfera é, posteriormente, reposto, através da acção de organismos anaeróbicos que decompõem plantas e animais mortos, produzindo azoto que se escapa para a atmosfera, completando o ciclo do azoto.

O vapor de água e o dióxido de carbono, apesar de existirem em quantidades mínimas na atmosfera, participam nos processos biológicos que dão vida aos organismos, como a fotossíntese, e exercem um papel fundamental na regulação do clima da Terra.

A água é um meio de transporte natural da energia entre a atmosfera e a superfície da Terra, através das sucessivas evaporações e condensações, que constituem o ciclo da água.

O dióxido de carbono, para além de ser imprescindível no processo da fotossíntese, é responsável pelo efeito de estufa na Terra, retendo uma parte da radiação reflectida pela Terra, aquecendo a atmosfera e a superfície terrestre, razão pela qual o nosso planeta possui temperaturas amenas.

Existem outros contribuintes para o efeito de estufa, embora em menor escala, como o metano, o dióxido de enxofre, o dióxido de azoto e a própria água.

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Efeitos do solo e da radiação solar na temperatura da atmosfera terrestre

A temperatura da atmosfera depende de dois parâmetros:

- proximidade em relação ao solo

- radiações solares que a atravessam

Como o solo emite radiações IV para a atmosfera, o ar junto ao solo é mais quente e vai arrefecendo com o aumento de altitude.

As radiações solares influenciam a temperatura da atmosfera na medida em que, ao entrarem, interagem com as partículas existentes, transferindo para elas a energia que transportam.
Esta absorção de energia pode causar:

- efeito térmico

As partículas utilizam a energia absorvida para aumentar a sua energia cinética, o que, consequentemente, faz aumentar a temperatura, uma vez que esta é uma medida da energia cinética média das partículas existentes.

- efeito químico

As partículas absorvem a energia das radiações a fim de desencadear reacções químicas.

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Formação de radicais livres na atmosfera e energia de dissociação de uma molécula

O efeito químico da radiação solar manifesta-se na quebra de ligações químicas nas moléculas e na ionização de átomos ou moléculas.

As reacções químicas desencadeadas pela acção da radiação solar designam-se por reacções fotoquímicas ou fotólises.

Na estratosfera não existe vida porque a abundância de radiações UV destruiria as moléculas dos seres vivos. Nessa zona da atmosfera, as ligações covalentes, ligações em que há partilha de electrões, podem ser destruídas, originando átomos ou grupos de átomos com electrões desemparelhados, a que chamamos radicais. Ficando disponíveis para novas reacções, estas partículas tomam o nome de radicais livres, e que são partículas muito reactivas.

As reacções fotoquímicas que levam à ruptura de ligações são dissociações de moléculas, e que ocorrem na parte superior da troposfera e na estratosfera, das quais resultam os radicais livres, como o OH*, O*, Cl* ou o Br*, podem ser esquematizadas a seguir:

O2 ----» O* + O* (por acção da radiação UV o oxigénio molecular dissocia-se em oxigénio atómico)

H3C-H ----» CH3* + H* (por acção da radiação UV o metano, um hidrocarboneto, dissocia-se nos radicais metil e hidrogénio atómico)

H3C-Cl ----» CH3* + Cl* (por acção da radiação UV o clorometano, um hidrocarboneto, dissocia-se nos radicais metil e cloro atómico)

H3C-Br ----» CH3* + Br* (por acção da radiação UV o bromometano, um hidrocarboneto, dissocia-se nos radicais metil e bromo atómico)

O* + H* ----» OH* (formação do radical hidróxilo, muito reactivo e um dos mais abundantes)

Cada molécula, para se dissociar, necessita de um valor mínimo de energia, designada por energia de dissociação.

Por exemplo, a energia de dissociação da molécula de HCl é 7,2 x 10-19 J, isto é, para quebrar a ligação covalente entre o átomo H e o átomo Cl é necessário que a radiação que nela incida tenha a energia de 7,2 x 10-19 J (radiação UV).

HCl + 7,2 x 10-19 J ----» H* + Cl*

Se a radiação incidente possuir energia superior a 7,2 x 10-19 J, o excesso de energia reverte como energia cinética das partículas formadas e esse aumento de energia cinética traduz-se num aumento de temperatura dessas partículas.

Se a radiação incidente possuir energia inferior a 7,2 x 10-19 J, a radiação não é absorvida e nada acontece.

Na tabela seguinte indicam-se alguns valores de energias de dissociação.

molécula dissociação energia de dissociação
N2 N2 ----» N* + N* 1,6 x 10-18 J
O2 O2 ----» O* + O* 8,3 x 10-19 J
HCl HCl ----» H* + Cl* 7,2 x 10-19 J
ClO ClO ----» Cl* + O* 3,4 x 10-19 J
BrO BrO ----» Br* + O* 3,9 x 10-19 J

Tabela 1 - Energias de dissociação de algumas espécies químicas moleculares

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Formação de iões na atmosfera e energia de ionização de uma partícula

Se houver uma ionização, a energia da radiação solar absorvida pelas partículas é utilizada para a remoção de um electrão, ficando cada partícula com carga +1.

Se esta radiação tiver energia igual ou superior à energia mínima de remoção, a radiação solar consegue retirar um electrão à partícula, ionizando-a.

Essa energia mínima de remoção designa-se por energia de 1ª ionização (E1) e na tabela seguinte temos alguns exemplos.

partícula energia de 1ª ionização
N2 2,5 x 10-18 J
O2 1,9 x 10-18 J
N* 2,3 x 10-18 J
O* 2,2 x 10-18 J

Tabela 2 - Energias de 1ª ionização de algumas espécies químicas

 

Aplicação

1. Esquematiza a ionização de cada uma das partículas anteriores.

2. Exprime as energias de 1ª ionização indicadas em kJ mol-1. (Dado: NA = 6,02 x 1023 mol-1)

 

Devido ao facto das energias de ionização serem relativamente elevadas, as ionizações são mais frequentes na termosfera e menos frequentes na mesosfera.

Apesar destas camadas da atmosfera serem muito pouco densas, os gases aí predominantes são o azoto (N2) e o oxigénio (O2). São eles que absorvem a radiação solar e que se ionizam.
Podem ocorrer também dissociações seguidas de ionizações.

(Recorda que, numa ionização, se a radiação incidente na partícula for superior ao valor mínimo para provocar a remoção de um electrão, o excesso de energia reverte para o electrão na forma de energia cinética).

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A atmosfera como filtro da radiação solar

As radiações absorvidas na parte superior da troposfera e na estratosfera são radiações UV de energia compreendida entre 6,6 x 10-19 J e 9,9 x 10-19 J.

Os gases que absorvem estas radiações são, principalmente, o oxigénio (O2) e o ozono (O3). Podem também absorver estas radiações os CFCs, os compostos de bromo, os óxidos de azoto,...

Estas radiações absorvidas possuem energia suficiente para dissociar as moléculas dos gases aí existentes, mas não para as ionizar. Formam-se assim, preferencialmente, radicais livres.

Representação esquemática das camadas da atmosfera, com a respectiva indicação da variação da pressão e da temperatura em função da altitude

 

Na mesosfera superior e na termosfera, as radiações absorvidas possuem energia superior a 9,9 x 10-19 J, o que já vai provocar ionização. Se se compararem os valores das Tabelas 1 e 2, concluímos que as energias de ionização são superiores às de dissociação, o que implica que os processos de ionização ocorram aqui.

Assim, na termosfera verifica-se:

- a dissociação das moléculas N2 e O2 e a formação dos respectivos radicais livres N* e O*
- a ionização das partículas existentes - formação, principalmente, de N2+ e O2+ e O*+
- o aumento da energia cinética destas partículas, devido ao excesso de energia absorvida relativamente ao efeito químico (dissociação ou ionização)

Ecinética = Eradiação absorvida - Enecessária para o efeito químico

Existe então, na termosfera, e também na mesosfera superior, para além de moléculas e correspondentes radicais livres, uma grande quantidade de iões positivos e de electrões livres, pelo que a esta região da atmosfera podemos chamar, como já foi indicado, ionosfera.

 

A atmosfera como filtro da radiação solar

A presença de algumas espécies químicas na atmosfera evita que certas radiações emitidas pelo Sol cheguem à superfície terrestre, ou pelo menos minimizam substancialmente a sua chegada

 

Conclusão: A atmosfera funciona como um filtro da radiação solar, deixando passar as radiações de energia mais baixa, absorvendo (retendo) as de energia mais elevada.

O que aconteceria se assim não fosse?

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O ozono na estratosfera

Cerca de 90% do ozono presente na atmosfera encontra-se na estratosfera.

Mecanismo de formação do ozono

1) Fotodissociação das moléculas de oxigénio (O2) por acção das radiações UV

O2 ----» O* + O* (reacção 1)

2) Combinação do radical oxigénio (O*) com moléculas de oxigénio (O2)

O* + O2 ----» O3 (reacção 2)

Mas o ozono formado é também decomposto por dois processos:

Processo 1) Fotodissociação das moléculas de ozono

O3 ----» O* + O2 (reacção 3)

Processo 2) Reacção dos radicais livres de oxigénio com as moléculas de ozono

O* + O3 ----» 2O2 (reacção 4)

O esquema seguinte traduz estas 4 reacções.

equilíbrio dinâmico da formação/decomposição do ozono

Estas reacções de formação e decomposição do ozono prosseguem (ou deviam prosseguir) com igual velocidade, devido ao equilíbrio dinâmico que deveria manter constante a concentração do ozono na atmosfera.

O* + O2 «----» O3 (equilíbrio químico)

É vulgar dar o nome de "camada de ozono" à quantidade de ozono na estratosfera.

Apesar de reduzida, a quantidade de ozono é suficiente para absorver as radiações ultravioletas de energia compreendida entre 6,6 x 10-19 J e 9,9 x 10-19 J, deixando passar a radiação visível e infravermelha, bem como a radiação ultravioleta de energia abaixo de 6,6 x 10-19 J.

a protecção do ozono

 

Curiosidade

Se todo o ozono fosse agrupado numa única camada gasosa, em torno da Terra, e em condições PTN, a sua espessura seria apenas de 3 mm!...

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A degradação da camada de ozono

Substâncias que influenciam o equilíbrio de formação e decomposição do ozono

Existia um equilíbrio dinâmico, entre a formação e a decomposição do ozono, com velocidades iguais, que mantinha constante a concentração do ozono na atmosfera terrestre.

Quando a velocidade com que o ozono se decompõe se torna maior que a velocidade com que é formado, este equilíbrio dinâmico é alterado.

Certas substâncias, presentes na estratosfera, mesmo em muito pequena quantidade, aceleram a reacção de decomposição do ozono, actuando como catalisadores, como os óxidos de azoto e substâncias que originam radicais Cl*, como os CFCs.

A destruição do ozono

Atendendo à expressão "buraco na camada de ozono" podemos ser levados a pensar que existe um buraco no sentido estrito da palavra. Não. Existe sim é uma diminuição da concentração de ozono para valores muito abaixo dos normais.

É grave a situação?

Através desse "buraco", que corresponde a uma zona onde existe uma muito menor capacidade de filtração da radiação UV, passam raios UV que, não sendo absorvidos pelo ozono, contribuem para o aquecimento do planeta, alterando o clima, podendo interagir com as moléculas orgânicas, podendo comprometer a manutenção da vida no planeta e, a curto prazo, estando na base do aumento de incidência de cancros de pele na espécie humana.

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Bibliografia:

Mendonça, Lucinda ; Dantas, Mª da Conceição ; Ramalho, Marta Duarte ; Jogo de Partículas, Química, Ciências Físico-Químicas 10º ano, Texto Editora, pág.s 136-138 , 168-173 e 177-178.

Paiva, João ; Ferreira, António José ; Ventura, Graça ; Fiolhais, Manuel ; Fiolhais, Carlos ; 10 Q, Química, Ciências Físico-Químicas 10º ano, Texto Editora, pág.s 142, 144, 145 e 163-172.