Introdução à Química da Atmosfera-Ciência, Vida e Sobrevivência, 2ª edição

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Introdução à Química da Atmosfera ‒ Ciência, Vida e Sobrevivência apresenta um estudo didático da atmosfera, com destaque para os impactos ambientais provocados pela ação do homem, como mudanças climáticas, poluição atmosférica e desmatamento desenfreado. _x000D_
Dividido em cinco partes, apresenta respectivamente aspectos gerais, reações fotoquímicas e químicas, experimentos laboratoriais e aspectos legais relativos à Química da Atmosfera. Houve a inclusão de um capítulo sobre a Legislação pertinente à atmosfera, bem como as tentativas globais ou internacionais – reuniões, convenções, protocolos (incluindo o Protocolo de Kyoto) – para criar Normas de Proteção da Atmosfera. Para aprofundar o aprendizado, há muitos exercícios resolvidos e dezenas de figuras ilustrativas. _x000D_
Atualmente, Introdução à Química da Atmosfera ‒ Ciência, Vida e Sobrevivência é um dos poucos livros em português sobre o tema. É indicado para estudantes de graduação em Engenharia Química e Química, e aos demais interessados em preservação da atmosfera e dos impactos da ação do homem no nosso planeta. _x000D_
O livro recebeu o prêmio Jabuti, oferecido pela Câmara Brasileira do Livro, em 2009, na categoria Ciências Exatas, Tecnologia e Informática.

 

15 capítulos

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Capítulo 1 - Aspectos Gerais da Atmosfera

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Parte I

Aspectos Gerais da Atmosfera

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Aspectos Gerais da Atmosfera

capítulo

1

1.1 Origem

1.1 Origem

A

atmosfera teve três momentos da sua história que influenciaram sua formação e constituição. O primeiro foi o período que antecedeu o aparecimento da vida sobre a Terra. O segundo, o surgimento da vida na forma de seres autotróficos e heterotróficos. O terceiro momento, que se estende aos dias de hoje, é o aparecimento do ser humano com suas máquinas e seus inventos.

Primeiro momento

A origem do sistema solar e, junto com ele, a do planeta Terra, ainda não está bem explicada. Existem várias teorias, entre elas a do “big bang”, a da condensação de uma nuvem interestelar de gases e poeiras. Contudo, independentemente da origem do planeta Terra, sabe-se que, no seu começo, havia uma atividade vulcânica muito forte. Acredita-se em um “inverno vulcânico” que teria auxiliado no resfriamento da crosta terrestre. Ao longo dos milhões de anos, foram se estabilizando e se definindo a litosfera com sua crosta, a hidrosfera e a atmosfera; os três componentes do planeta, sempre em permanente atividade, em si e entre si.

 

Capítulo 2 - Transferência de Energia e de Massa na Atmosfera

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Transferência de

Energia e de Massa na Atmosfera

capítulo

2

2.1 Formas de Transferência e de

Transporte de Energia

2.1.1 Conceitos

2.1

Formas de Transferência e de Transporte de Energia

2.1.1 Conceitos

O

Sol é a fonte natural mais importante de energia, que chega ao planeta

Terra por radiação na forma de energia eletromagnética. Neste estudo, esta saída de energia (emissão) da fonte Sol e chegada ao planeta

Terra são tratadas como transferência de energia por radiação.

Ao incidir na água (do mar, rios, lagos etc.), parte da energia eletromagnética do Sol é absorvida pela molécula de água, que, agora com maior energia cinética, desliga-se da fase líquida e “evapora”. Portanto, essa molécula de água absorve energia, excita-se, evapora, vai para a atmosfera, condensa em vapor, forma uma nuvem que o vento leva para o alto da serra. Lá, resfria, condensa em gotículas maiores e precipita na forma de chuva (ou granizo, ou neve), liberando energia para a atmosfera. Neste estudo, esse fenômeno físico é denominado transferência de energia com transporte de massa, pois está associado a uma quantidade de massa que se movimenta no processo de transferência.

 

Capítulo 3 - Interação da Radiação Eletromagnética com a Atmosfera

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Interação da Radiação

Eletromagnética com a Atmosfera

3.1 Introdução

A

química da atmosfera apresenta reações de caráter fotoquímico, e/ ou meramente químico, por meio das quais se formou e se mantém num estado de equilíbrio dinâmico que, segundo o princípio de Le

Chatelier, tende a se desfazer das ações antrópicas que ferem seus equilíbrios milenarmente estabelecidos.

As reações fotoquímicas na atmosfera são reações que sem a presença da radiação eletromagnética não se dão. A interação entre a radiação eletromagnética e a matéria se dá por meio de frações quantizadas de energia com a matéria, denominadas quanta (ou quantum no singular). Dependendo da energia do quantum da radiação, a interação pode ser com o núcleo dos átomos (raios cósmicos) ou com a eletrosfera, e, elétrons de valência (raios X, ultravioleta, visível etc.). Primeiramente, será analisada a composição da radiação eletromagnética

(a radiação solar). Depois, os principais tipos de situações em que se encontra o elétron na matéria, o elétron na eletrosfera do átomo, na molécula com seus estados quânticos, para somente depois analisar as interações: excitação eletrônica, ionização e a formação de radicais.

 

Capítulo 4 - Ciclos Biogeoquímicos dos Principais Componentes da Atmosfera

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capítulo

Ciclos

Biogeoquímicos dos Principais

Componentes da

Atmosfera

4

4.1 Introdução

4.2 Ciclo do Nitrogênio

4.2.1 Fixação do nitrogênio atmosférico

4.2.2 Amonificação e nitrificação

4.2.3 Desnitrificação

4.2.4 Principais compostos nitrogenados da atmosfera e seus destinos

4.3 Ciclo do Oxigênio

4.3.1 Aspectos gerais

4.3.2 Ciclo do oxigênio

4.1 Introdução

A

natureza é dinâmica e nos seus mais variados aspectos encontra-se em permanentes transformações. Os promotores destas transformações são diversos. Alguns dependem de fatores internos, isto é, da própria estrutura, entre eles: desequilíbrios físicos, químicos e biológicos, que tendem a um “estado de equilíbrio”. Outros, também naturais, são de ordem externa, como por exemplo a radiação solar, interações gravitacionais etc. Um terceiro promotor destas transformações, que até pouco tempo era inexpressivo, é a atividade antrópica – a ação do homem. Lavoisier (França, 1743-1790), considerado o pai da química moderna, em seus experimentos e observações, concluiu:

 

Capítulo 5 - Cinética de Reações Químicas da Atmosfera

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Cinética de Reações

Químicas da

Atmosfera

capítulo

5

5.1 Introdução

5.1 Introdução

O

universo é um sistema dinâmico que tende a um “estado de equilíbrio” também dinâmico. Para a ideia de movimento, de mover, a maioria dos idiomas, entre eles a língua portuguesa, muitas vezes utiliza o termo grego kinein, kinesis (ação de mover-se) que gera o prefixo cine, do qual se chega ao adjetivo “cinético(a)”. Portanto, o termo “cinético” traz, no seu bojo, a ideia de

“movimento”. Assim, a teoria cinética dos gases trata das propriedades resultantes do movimento das moléculas que os compõem.

No presente estudo, trata-se de analisar a “reação química” na qual reagentes desaparecem e produ­tos aparecem. Nesta transformação química, existe um movimento de partículas que é abordado como cinética química.

A Cinética Química estuda a velocidade das reações, bem como os fatores que a alteram. Seu estudo também permite a compreensão dos mecanismos por que passa a interação dos reagentes para chegar aos produtos.

 

Capítulo 6 - Particulados da Atmosfera

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Parte II

Reações Químicas e

Fotoquímicas da Atmosfera

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Particulados da

Atmosfera

capítulo

6

6.1 Aspectos Gerais

6.1

O

Aspectos Gerais

s “particulados da atmosfera” são partículas (corpúsculos) que se apresentam dispersas na atmosfera com dimensões que, conforme alguns autores, variam de 100 µm a 0,002 µm. Outros autores ampliam a faixa; de 500 µm (0,5 mm) a dimensões moleculares (0,0001 a 0,001 µm). Como na maioria das vezes apresentam tamanhos que se encontram abaixo do limite de visibilidade do olho humano (±90 µm), são considerados esféricos, e, por isto, a dimensão destas partículas refere-se ao diâmetro das mesmas (representado por

φ). Entre estes particulados encontram-se corpos abióticos e corpos bióticos. A

Figura 6.1 apresenta alguns exemplos de particulados atmosféricos com a respectiva faixa de dimensão.

 

Capítulo 7 - Compostos Inorgânicos Gasosos da Atmosfera

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Compostos

Inorgânicos Gasosos da Atmosfera

capítulo

7

7.1 Aspectos Gerais

7.1

P

7.2 Monóxido de Carbono, CO

7.2.1 Origem e fonte

7.2.2 Destino do CO atmosférico

7.2.3 Efeitos no ser humano

7.2.4 Controle do CO

Aspectos Gerais

elo conceito da Química, os compostos inorgânicos são todos os compostos resultantes da combinação, ou não, dos elementos químicos, dentre os quais têm-se 92 estáveis, que começam com hidrogênio H(Z=1) e vão até o urânio

U(Z=92), com exceção dos derivados do carbono C(Z=6) que originam os compostos da Química Orgânica. Porém, ainda são considerados compostos inorgânicos os

óxidos de carbono (CO, CO2) e os carbonatos (CO32–).

Os compostos inorgânicos gasosos da atmosfera são compostos de origem geoquímica, biogênica e antropogênica. A origem geoquímica corresponde aos fenômenos da natureza, como ação de vulcões, da luz etc.; a biogênica implica a participação de processos vitais, e a antropogênica quando aparece nos processos a ação do homem.

 

Capítulo 8 - Compostos Orgânicos Gasosos da Atmosfera

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Compostos

Orgânicos Gasosos da Atmosfera

capítulo

8

8.1 Aspectos Gerais

8.1.1 Conceitos

8.1.2 Condições ambientes e estado físico de uma substância

8.1 Aspectos Gerais

A

ntes de entrar no conteúdo propriamente dito, é necessário explicar, conceituar e definir melhor alguns termos utilizados na unidade.

8.1.1 Conceitos

É muito comum falar em elemento(s) traço(s) componente(s) de alguma matriz, seja

água, solo, ou ar, entre outras. A especificação “traço” caracteriza concentrações muito pequenas (ou baixas) da ordem de 10–6 g do elemento por grama da matriz

(ppm = partes por milhão) ou menores. O termo “elemento” em química define uma identidade caracterizada por um número atômico (número de prótons = Z) e um certo número de nêutrons. Na natureza, têm-se 92 elementos estáveis, começando com o H (Z = 1) ao U (Z = 92). Além destes, há os elementos instáveis, que, emitindo partículas alfa, beta e gama, decaem radioativamente e transmutam-se em outros estáveis. Na realidade, estes elementos traços encontram-se combinados com outros, como, por exemplo, o oxigênio, formando óxidos.

 

Capítulo 9 - Smog Fotoquímico

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capítulo

Smog Fotoquímico

9

9.1 Introdução

9.1 Introdução

D

isse certo autor, a invenção do fogo pode ser considerada a origem da poluição da atmosfera pela ação do homem (Seigneur, 2005). Na realidade, o domínio do fogo é uma consequência da capacidade criativa do ser humano. Esta capacidade criativa associada à ambição e à busca do suprimento das necessidades básicas do homem é que conduziram o ambiente ao estado em que se encontra hoje.

A ambição humana, seja em termos de pessoa (indivíduo), de grupo (associação, cidade, etnia, estado etc.), de nação, é, por assim dizer, o motor que conduz a mudanças, inovações, criações, enfim ao desenvolvimento. Contudo, neste processo

é necessário que alguns princípios básicos de respeito aos outros e ao meio sejam impostos e respeitados, caso contrário chega-se aos conflitos e à poluição.

A sobrevivência do ser humano e a sua busca impõem uma série de necessidades, tais como: água, alimentos, energia, roupa, habitação, estradas, meios de transporte, entre outros, que levam o homem a interferir no meio ambiente e ter com ele um passivo ambiental.

 

Capítulo 10 - O Ozônio da Atmosfera

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capítulo

O Ozônio da

Atmosfera

10

10.1 Aspectos Gerais

10.2 Propriedades do Ozônio

10.1 Aspectos Gerais

O

oxigênio foi abordado no Capítulo 4 – Ciclos Biogeoquímicos dos

Principais Componentes da Atmosfera ao estudar os ciclos dos constituintes da atmosfera não poluída. O assunto não foi esgotado, por isto será retomado aqui e analisado no tocante aos aspectos ambientais e à influência de sua forma alotrópica – o OZÔNIO.

Conforme estudado nos capítulos iniciais, a atmosfera, no princípio, tinha caráter redutor, isto é, o oxigênio não se encontrava presente. Só depois do surgimento da vida, na forma de seres autotróficos, dentro da água, onde se encontravam protegidos da radiação ultravioleta, ele começou a ser liberado para a atmosfera, conforme a Reação (R-10.1).

luz visível

H2O + CO2  →  CH2Obiomassa + O2(g)

organismo autotrófico

(R-10.1)

Apenas em 1774 é que o ser humano tomou conhecimento do oxigênio, quando o químico inglês Priestley o descobriu; logo em seguida, o sueco Scheele também o identificou e o batizou com o nome de “ar vital”. Porém, foi Lavoisier que estabeleceu seu papel capital nos fenômenos da combustão e da respiração dos seres aeróbicos.

 

Capítulo 11 - Ar (Atmosfera) do Solo

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Ar (Atmosfera) do Solo

capítulo

11

11.1 Introdução

11.1 Introdução

O

planeta Terra é constituído de três partes: a atmosfera, a hidrosfera e a geosfera. Estas interagem entre si de forma permanente mediante a agentes físicos, químicos e biológicos. Dessa interação permanente surgiu o solo. Este continua em constantes transformações, pois as interações não param de acontecer, além de que a ação antrópica tem agilizado, de forma assustadora, muitos processos. Portanto, a hidrosfera, geosfera e atmosfera não são sistemas isolados no planeta Terra. Existe um intercâmbio entre os três sistemas: um interfere na dinâmica física, química e biológica do outro, refletindo na biota local e global, constituindo a biosfera.

A geosfera consiste na parte sólida do planeta Terra. Em sua superfície encontra-se o solo, acessível diariamente ao homem.

O solo é uma mistura de compostos minerais e orgânicos, formado pela ação de agentes físicos, químicos e biológicos, inicialmente sobre a rocha primária e depois, também, sobre todo o perfil do solo. A ação desses agentes forma no perfil do solo faixas horizontais, denominadas horizontes. Cada horizonte possui características próprias.

 

Capítulo 12 - O Laboratório e o Estudo da Atmosfera

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Parte III

Experimentos Laboratoriais em

Química da Atmosfera

Quantum = hv =

hc

Raia espectral

-5

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+5

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O Laboratório e o

Estudo da Atmosfera

12.1 Introdução

12.2 Experimento 1: Determinação da

Abundância de Oxigênio no Ar e da Velocidade de Reação de

Oxidação do Ferro

12.2.1 Aspectos teóricos

12.2.2 Procedimentos

12.2.3 Resultados e cálculos

12.3 Experimento 2: Dispersão da Luz por Partículas Coloidais – Efeito

Tyndall

12.3.1 Aspectos teóricos

12.3.2 Procedimentos

12.3.3 Resultados e discussão

12.4 Experimento 3: Determinação do pH da Água da Chuva

12.4.1 Aspectos teóricos

12.4.2 Procedimentos

12.4.3 Resultados

12.4.4 Cálculos

12.5 Experimento 4: Acidez da

Atmosfera e Meio Ambiente

12.5.1 Aspectos teóricos

12.5.2 Procedimentos

 

Capítulo 13 - Equilíbrio Dinâmico: Vida, Atmosfera e Biosfera

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Parte IV

A Vida, a Atmosfera e a Biosfera

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Equilíbrio

Dinâmico: Vida,

Atmosfera e Biosfera

capítulo

13

13.1 Introdução

13.2 Sinais de Vida no Universo

13.2.1 Conceito de Universo

13.2.2 Localização do planeta

Terra e vida no universo

13.1 Introdução

13.3 Teorias da Origem e Primeiras

Formas de Vida no Planeta Terra

que é a vida? Você já se fez essa pergunta, ou a fez a algum homem de

Ciência? Qual foi a resposta? Aliás, teve resposta?

Hoje em dia, toda criança que frequenta a escola primária leva para casa uma tarefa (experimento) muito simples, da Disciplina de Ciências, a qual deve ser implantada, observada por certo tempo, com descrição do que acontece. É o começo do futuro caminho da Pesquisa em Ciências da Natureza.

A experiência é a seguinte:

Em três copos descartáveis (ou garrafas de plástico de um litro cortadas a meia altura) deve-se colocar terra moída, até dois dedos da borda. Em um dos copos, semeam-se dois ou três grãos de feijão; em outro, dois a três grãos de milho; e no terceiro, dois a três grãos de trigo. Diariamente deve-se regar com um pouco de água e deixá-los em uma bandeja, em local arejado e iluminado durante o dia. Observa-se ao longo de um mês ou mais e registram-se os fenômenos que ocorrem.

 

Capítulo 14 - Atmosfera: Preocupação da Sociedade e Legislação Pertinente

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Parte V

Aspectos Legais da Química da Atmosfera

O ar é essencial para o homem vermelho, pois todas as coisas compartilham do mesmo sopro — o animal, o homem, todos compartilham o mesmo sopro. Parece que o homem branco não sente o ar que respira. (...) Se lhe vendermos nossa terra, vocês devem mantê-la intacta e sagrada, como um lugar onde até mesmo o homem branco possa saborear o vento açucarado pelas flores dos prados. (...) Ensinem às suas crianças o que ensinamos às nossas, que a terra é nossa mãe.

Trecho da Carta do Cacique Seattle, 1854.

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Atmosfera:

Preocupação da Sociedade e Legislação

Pertinente

14.1 Introdução

O ser humano reflete em seu comportamento os interesses mais profundos do seu ego. Ao viver em comunidades, forma grupos, instituições, associações, com os mais variados objetivos e interesses. A convivência pacífica do indivíduo, do grupo, da associação em sociedade exige normas, regras, enfim, leis, para que o direito de todos, bem como o dever de cada um para com todos, seja garantido.

 

Anexos

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A Carta de Seattle

anexo

1

Em 1854, o presidente dos Estados Unidos fez a uma tribo indígena a proposta de comprar grande parte de suas terras, oferecendo, em contrapartida, a concessão de uma outra “reserva”. O texto da resposta do chefe Seattle foi tão importante que, até hoje, a ONU (Programa para o Meio Ambiente) o distribui para que a humanidade tome conhecimento.

Como é que se pode comprar ou vender o céu, o calor da terra? Essa ideia nos parece estranha. Se não possuímos o frescor do ar e o brilho da água, como é possível comprá-los?

Cada pedaço desta terra é sagrado para meu povo. Cada ramo brilhante de um pinheiro, cada punhado de areia das praias, a penumbra na floresta densa, cada clareira e inseto a zumbir são sagrados na memória e experiência de meu povo. A seiva que percorre o corpo das árvores carrega consigo as lembranças do homem vermelho.

Os mortos do homem branco esquecem sua terra de origem quando vão caminhar entre as estrelas.

 

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