Química ambiental: campo de estudo e aplicações

A química ambiental estuda os processos químicos que ocorrem em níveis ambientais. É uma ciência que aplica princípios químicos ao estudo do funcionamento ambiental e dos impactos gerados pelas atividades humanas.

Além disso, a química ambiental projeta técnicas para prevenção, mitigação e remediação de danos ambientais existentes.

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Figura 1. Esquema da atmosfera da Terra, hidrosfera, litosfera e biosfera. Fonte: Bojana Petrović [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

A química ambiental pode ser subdividida em três disciplinas básicas que são:

  1. Química ambiental da atmosfera.
  2. Química ambiental da hidrosfera.
  3. Química ambiental do solo.

Uma abordagem abrangente da química ambiental requer adicionalmente o estudo das inter-relações entre os processos químicos que ocorrem nesses três compartimentos (atmosfera, hidrosfera, solo) e suas relações com a biosfera.

Química ambiental da atmosfera

A atmosfera é a camada de gases que circunda a Terra; Constitui um sistema muito complexo, onde temperatura, pressão e composição química variam com a altitude em faixas muito amplas.

O sol bombardeia a atmosfera com radiação e partículas de alta energia; Esse fato tem efeitos químicos muito significativos em todas as camadas da atmosfera, mas em particular nas camadas superior e externa.

-Estratosfera

Nas regiões externas da atmosfera, ocorrem reações de fotodissociação e fotoionização. Na região entre 30 e 90 km de altura medida a partir da superfície da Terra, na estratosfera, está localizada uma camada que contém principalmente ozônio (O 3 ), chamada camada de ozônio.

Camada de ozônio

O ozônio absorve a radiação ultravioleta de alta energia que vem do sol e, se não fosse a existência dessa camada, nenhum modo de vida conhecido no planeta poderia subsistir.

Em 1995, os químicos atmosféricos Mario J. Molina (mexicano), Frank S. Rowland (americano) e Paul Crutzen (holandês) ganharam o Prêmio Nobel de Química por suas pesquisas sobre a destruição e o esgotamento do ozônio na estratosfera .

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Figura 2. Esquema de destruição do ozônio. De nasa.gov

Em 1970, Crutzen demonstrou que os óxidos de nitrogênio destroem o ozônio através de reações químicas catalíticas. Mais tarde, Molina e Rowland, em 1974, mostraram que o cloro dos compostos de clorofluorocarbono (CFCs) também é capaz de destruir a camada de ozônio.

-Troposfera

A camada atmosférica imediatamente acima da superfície da Terra, entre 0 e 12 km de altura, chamada troposfera, é composta principalmente de nitrogênio (N 2 ) e oxigênio (O 2 ).

Gases tóxicos

Como resultado das atividades humanas, a troposfera contém muitos produtos químicos adicionais considerados poluentes do ar, como:

  • Dióxido de carbono e monóxido (CO 2 e CO).
  • Metano (CH 4 ).
  • Óxido de nitrogênio (NO).
  • Dióxido de enxofre (SO 2 ).
  • Ozônio O 3 (considerado contaminante na troposfera)
  • Compostos orgânicos voláteis (COV), pós ou partículas sólidas.

Entre muitas outras substâncias, que afetam a saúde humana, vegetal e animal.

Chuva ácida

Óxidos de enxofre (SO 2 e SO 3 ) e óxidos de nitrogênio, como óxido nitroso (NO 2 ), causam outro problema ambiental chamado chuva ácida.

Esses óxidos, presentes na troposfera principalmente como produtos da combustão de combustíveis fósseis nas atividades industriais e no transporte, reagem com a água da chuva produzindo ácido sulfúrico e ácido nítrico, com a consequente precipitação ácida.

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Figura 3. Esquema de chuva ácida. Fonte: Alfredsito94 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Quando esta chuva, que contém ácidos fortes, precipita, desencadeia vários problemas ambientais, como a acidificação dos mares e a água doce. Isso causa a morte de organismos aquáticos; a acidificação de solos que causa a morte de culturas e a destruição por ação química corrosiva de edifícios, pontes e monumentos.

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Outros problemas ambientais atmosféricos são a poluição fotoquímica, causada principalmente por óxidos de nitrogênio e ozônio troposférico

Aquecimento global

O aquecimento global é produzido por altas concentrações de CO 2 atmosférico e outros gases de efeito estufa (GEE), que absorvem grande parte da radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra e retêm o calor na troposfera. Isso gera mudanças climáticas no planeta.

Química ambiental da hidrosfera

A hidrosfera é composta por todos os corpos de água da Terra: superfície ou pântanos – oceanos, lagos, rios, nascentes – e subterrâneos ou aquíferos.

-A água doce

A água é a substância líquida mais comum no planeta, cobre 75% da superfície da Terra e é absolutamente essencial para a vida.

Todas as formas de vida dependem de água doce (definida como água com teor de sal inferior a 0,01%). 97% da água do planeta é água salgada.

Dos 3% restantes de água doce, 87% estão em:

  • Os pólos da Terra (que estão derretendo e derramando nos mares devido ao aquecimento global).
  • As geleiras (também em processo de desaparecimento).
  • Águas Subterrâneas
  • Água sob a forma de vapor presente na atmosfera.

Apenas 0,4% da água doce total do planeta está disponível para consumo. A evaporação da água dos oceanos e a precipitação das chuvas fornecem continuamente essa pequena porcentagem.

A química ambiental da água estuda os processos químicos que ocorrem no ciclo da água ou no ciclo hidrológico e também desenvolve tecnologias para purificação de água para consumo humano, tratamento de águas residuais industriais e urbanas, dessalinização da água do mar, reciclagem e salvar esse recurso, entre outros.

-O ciclo da Agua

O ciclo da água na Terra consiste em três processos principais: evaporação, condensação e precipitação, dos quais derivam três circuitos:

  1. Escoamento superficial
  2. A evapotranspiração das plantas
  3. A infiltração, na qual a água passa para os níveis subterrâneos (freáticos), circula pelos canais do aquífero e flui pelas nascentes, fontes ou poços.

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Figura 4. Ciclo da água. Fonte: Wasserkreislauf.png: De: Benutzer: Trabalho colaborativo: moyogo [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) ou GFDL (http: //www.gnu .org / copyleft / fdl.html)], via Wikimedia Commons

– Impactos antropológicos no ciclo da água

A atividade humana tem impactos no ciclo da água; Algumas das causas e efeitos da ação antropológica são as seguintes:

Modificação da superfície da Terra

É gerado pela destruição de florestas e campos com desmatamento. Isso afeta o ciclo da água, eliminando a evapotranspiração (ingestão de água pelas plantas e retornando ao meio ambiente por transpiração e evaporação) e aumentando o escoamento.

O aumento do escoamento superficial provoca aumento do fluxo do rio e inundações.

A urbanização também modifica a superfície do solo e afeta o ciclo da água, porque o solo poroso é substituído por cimento e asfalto impermeável, o que impossibilita a infiltração.

Poluição do ciclo da água

O ciclo da água envolve toda a biosfera e, consequentemente, os resíduos gerados pelo ser humano, são incorporados a esse ciclo por diferentes processos.

Poluentes químicos do ar são incorporados à chuva. Os agroquímicos aplicados ao solo sofrem lixiviados e infiltração nos aqüíferos ou drenam para rios, lagos e mares.

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Também o desperdício de gorduras e óleos e os lixiviados dos aterros sanitários são arrastados por infiltração para as águas subterrâneas.

Extração de água com cheque especial em recursos hídricos

Essas práticas de cheque especial produzem o esgotamento das reservas de água subterrânea e subterrânea, afetam os ecossistemas e produzem subsidência local do solo.

Química ambiental do solo

Os solos são um dos fatores mais importantes no equilíbrio da biosfera. Fornecem ancoragem, água e nutrientes às plantas, produtoras das cadeias tróficas terrestres.

O chão

O solo pode ser definido como um ecossistema trifásico complexo e dinâmico: uma fase sólida de suporte mineral e orgânico, uma fase líquida aquosa e uma fase gasosa; caracterizado por possuir uma fauna e flora particulares (bactérias, fungos, vírus, plantas, insetos, nematóides, protozoários).

As propriedades do solo estão mudando constantemente devido às condições ambientais e à atividade biológica que se desenvolve nele.

Impactos antropológicos no terreno

A degradação da terra é um processo que diminui a capacidade produtiva do solo, capaz de produzir uma mudança profunda e negativa no ecossistema.

Os fatores que causam a degradação do solo são: clima, fisiografia, litologia, vegetação e ação humana.

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Figura 5. Solo degradado. Fonte: pexels.com

Pela ação humana pode ocorrer:

  • Degradação física do solo (por exemplo, compactação por práticas inadequadas de cultivo e pecuária).
  • Degradação química do solo (acidificação, alcalinização, salinização, contaminação com agroquímicos, efluentes da atividade industrial e urbana, derramamentos de óleo, entre outros).
  • Degradação biológica do solo (menor teor de matéria orgânica, degradação da cobertura vegetal, perda de microrganismos fixadores de nitrogênio, entre outros).

Relação químico-ambiente

A química ambiental estuda os diferentes processos químicos que ocorrem nos três compartimentos ambientais: atmosfera, hidrosfera e solo. É interessante revisar uma abordagem adicional a um modelo químico simples, que tenta explicar as transferências globais de matéria que ocorrem no ambiente.

-Modelo Garrels e Lerman

Garrels e Lerman (1981), desenvolveram um modelo simplificado da biogeoquímica da superfície da Terra, que estuda as interações entre a atmosfera, a hidrosfera, a crosta terrestre e os compartimentos da biosfera.

O modelo de Garrels e Lerman considera sete principais minerais constituintes do planeta:

  1. Gesso (CaSO 4 )
  2. Pirita (FeS 2 )
  3. Carbonato de cálcio (CaCO 3 )
  4. Carbonato de magnésio (MgCO 3 )
  5. Silicato de magnésio (MgSiO 3 )
  6. Óxido férrico (Fe 2 O 3 )
  7. Dióxido de silício (SiO 2 )

O material orgânico constituinte da biosfera (ambos mortos e vivos), é representado como CH 2 O, o qual é a composição estequiométrica aproximada dos tecidos vivos.

No modelo de Garrels e Lerman, as mudanças geológicas são estudadas como transferências líquidas de matéria entre esses oito componentes do planeta, por meio de reações químicas e um balanço líquido de conservação de massa.

O acúmulo de CO 2 na atmosfera

Por exemplo, o problema do acúmulo de CO 2 na atmosfera é estudado neste modelo, dizendo o seguinte: atualmente estamos queimando carbono orgânico armazenado na biosfera, como carvão, petróleo e gás natural depositado no subsolo em tempos geológicos passados .

Uma consequência desta queima intensiva de combustíveis fósseis, a concentração de CO 2 ambiente está a aumentar.

Aumentando as concentrações de CO 2 na atmosfera é porque a taxa de combustão do carbono fóssil, excede a taxa de absorção do carbono por os outros componentes do sistema terrestre bioquímico (como são organismos fotossintéticos e hidrosfera, por exemplo).

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Dessa forma, a emissão de CO 2 na atmosfera devido às atividades humanas excede o sistema de regulação que modula as mudanças na Terra.

O tamanho da biosfera

O modelo desenvolvido por Garrels e Lerman também considera que o tamanho da biosfera aumenta e diminui como resultado do equilíbrio entre a fotossíntese e a respiração.

Durante a história da vida na Terra, a massa da biosfera aumentou em estágios com altas taxas de fotossíntese. Isso resultou em um armazenamento líquido de carbono orgânico e emissão de oxigênio:

CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2

De respiração como a actividade metabólica de microorganismos e animais superiores, converte novamente carbono orgânica em dióxido de carbono (CO 2 ) e ua (H 2 O), ou seja, inverte a reacção química acima.

A presença de água, o armazenamento de carbono orgânico e a produção de oxigênio molecular são fundamentais para a existência da vida.

Aplicações da química ambiental

A química ambiental oferece soluções para a prevenção, mitigação e remediação de danos ambientais causados ​​pela atividade humana. Entre algumas dessas soluções, podemos citar:

  • O design de novos materiais chamados MOF´s ( Metal Organic Frameworks ). Estas são altamente porosos e têm capacidade para: absorver e reter CO 2 , obtendo-se H 2 O vapor e ar deserto áreas de armazenamento H 2 em pequenos recipientes.
  • A conversão de resíduos em matérias-primas. Por exemplo, o uso de pneus gastos na produção de grama artificial ou solas de sapatos. Também o uso de resíduos de poda de culturas, na geração de biogás ou bioetanol.
  • A síntese química dos substitutos do CFC.
  • O desenvolvimento de energias alternativas, como células de hidrogênio, para a geração de eletricidade não poluente.
  • Controle de poluição do ar, com filtros inertes e filtros reativos.
  • Dessalinização da água do mar por osmose reversa.
  • Desenvolvimento de novos materiais para a floculação de substâncias coloidais suspensas na água (processo de purificação).
  • A reversão da eutrofização dos lagos.
  • O desenvolvimento da “química verde”, uma tendência que propõe a substituição de compostos químicos tóxicos por compostos menos tóxicos e procedimentos químicos “ambientalmente amigáveis”. Por exemplo, é aplicado no uso de solventes e matérias-primas menos tóxicas, na indústria, na lavagem a seco de lavanderias, entre outros.

Referências

  1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. e Cantrell, CA (1985). Mecanismos químicos de geração de ácido na troposfera. Nature, 317 (6032), pp. 27–35. doi: 10.1038 / 317027a0.
  2. Crutzen, PJ (1970). A influência dos óxidos de nitrogênio no conteúdo atmosférico. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
  3. Garrels, RM e Lerman, A. (1981). Ciclos fanerozóicos de carbono e enxofre sedimentares. Anais da Academia Natural de Ciências. USA 78: 4,652-4,656.
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  7. Molina, MJ e Rowland, FS (1974). Dissipador estratosférico para clorofluorometanos: Destruição do ozônio catalisada por átomos de cloro. Natureza 249: 810-812.
  8. Morel, FM e Hering, JM (2000). Princípios e Aplicações da Química Aquática. Nova York: John Wiley.
  9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., e Goliff, WS (2011). Uma revisão da química atmosférica troposférica e dos mecanismos químicos da fase gasosa para modelagem da qualidade do ar. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001

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