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Termoquímica: a energia nas transformações químicas · O ozono na estratosfera

Formação e decomposição do ozono

Num dia de praia no Algarve, o protetor solar ajuda a proteger a pele da radiação ultravioleta (UV). Mas, a 15–35 km de altitude, existe um «protetor» natural muito mais eficaz: a camada de ozono. Como é que ela se forma, como é que se mantém e como é que a podemos estragar?

O ozono, um gás com duas faces

O ozono, $\text{O}_3$, é formado por três átomos de oxigénio. O oxigénio que respiramos é $\text{O}_2$ (dois átomos). Ambos são formas diferentes do mesmo elemento.

A estratosfera estende-se, aproximadamente, dos 15 km aos 50 km de altitude. A maior concentração de ozono encontra-se entre os 15 km e os 35 km: é a camada de ozono. Ela absorve a maior parte da radiação UV emitida pelo Sol, que danifica o ADN das células e pode causar cancro de pele e lesões nos olhos.

Esquema das camadas da atmosfera: troposfera até 15 km com ozono poluente e estratosfera de 15 a 35 km com a camada de ozono que absorve a radiação UV. Solo 15 km ≈ 50 km Troposfera O₃ é poluente Camada de ozono (15–35 km) Estratosfera Radiação UV do Sol

Mas o ozono tem duas faces. Junto ao solo, na troposfera, é um poluente: forma-se a partir dos gases dos automóveis e das indústrias, irrita as vias respiratórias e prejudica as plantas. É o mesmo gás, mas o seu efeito depende de onde está.

Pratica★☆☆Por começar
O ozono, O₃, forma uma camada na estratosfera, a cerca de 15 a 35 km de altitude, que absorve a maior parte da radiação ultravioleta (UV) emitida pelo Sol. a) Indica a…

O ozono, O₃, forma uma camada na estratosfera, a cerca de 15 a 35 km de altitude, que absorve a maior parte da radiação ultravioleta (UV) emitida pelo Sol.

  1. a) Indica a função protetora da camada de ozono para os seres vivos à superfície da Terra.
  2. b) Escreve a equação química acertada da formação global do ozono a partir do oxigénio: $\text{O}_2\ \text{(g)} \rightarrow \text{O}_3\ \text{(g)}$.
  3. c) Nas cidades, o ozono ao nível do solo é um poluente indesejável. Explica por que o mesmo gás é benéfico na estratosfera e prejudicial na troposfera.
Resolver

Como se forma e se decompõe o ozono

Na estratosfera, o ozono não é um gás «guardado»: forma-se e decompõe-se continuamente, num ciclo alimentado pela radiação UV.

  1. Fotólise do oxigénio: uma molécula de $\text{O}_2$ absorve radiação UV e quebra-se em dois átomos de oxigénio:

$\text{O}_2 + \text{radiação UV} \rightarrow 2\ \text{O}\cdot$

  1. Formação do ozono: um átomo de oxigénio liga-se a uma molécula de $\text{O}_2$:

$\text{O}\cdot + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3$

  1. Decomposição do ozono: o ozono absorve radiação UV e quebra-se:

$\text{O}_3 + \text{radiação UV} \rightarrow \text{O}_2 + \text{O}\cdot$

As etapas 1 e 3 são reações fotoquímicas: só ocorrem porque a luz fornece a energia necessária para quebrar ligações. Cada vez que o ozono absorve um fotão UV, esta energia é gasta na quebra da ligação e não chega à superfície.

Ciclo do ozono: O₂ origina dois átomos O· por ação da radiação UV, O· e O₂ formam O₃, e O₃ decompõe-se por ação da radiação UV em O₂ e O·. O₂ 2 O· (radicais) O₃ (ozono) 1. UV 2. O· + O₂ 3. UV

Como a formação (etapas 1 e 2) e a decomposição (etapa 3) ocorrem a velocidades semelhantes, a quantidade de ozono mantém-se aproximadamente constante: a camada de ozono está num estado estacionário. A equação global da formação do ozono a partir do oxigénio, acertada, é:

$$3\ \text{O}_2\ \text{(g)} \rightarrow 2\ \text{O}_3\ \text{(g)}$$
Pratica★★☆Por começar
A formação e a decomposição do ozono na estratosfera resumem-se num ciclo mantido pela radiação UV do Sol, como se mostra na figura: etapa 1:…

A formação e a decomposição do ozono na estratosfera resumem-se num ciclo mantido pela radiação UV do Sol, como se mostra na figura:

etapa 1: $\text{O}_2 + \text{radiação UV} \rightarrow 2\ \text{O}\cdot$ (fotólise do oxigénio)

etapa 2: $\text{O}\cdot + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3$

etapa 3: $\text{O}_3 + \text{radiação UV} \rightarrow \text{O}_2 + \text{O}\cdot$

O₂ oxigénio 2 O· radicais livres O₃ ozono radiação UV + O₂ radiação UV
  1. a) Identifica as etapas do ciclo que são reações fotoquímicas, justificando.
  2. b) Os átomos de oxigénio livres, O·, são radicais livres: têm eletrões por emparelhar e são muito reativos. Explica por que razão existem na estratosfera apenas em quantidades muito pequenas.
  3. c) Somando as três etapas, verifica o que acontece ao balanço global de ozono e de radicais e explica como este ciclo absorve continuamente radiação UV sem que o ozono se esgote, num equilíbrio dinâmico.
Resolver

Radicais livres

Um átomo de oxigénio livre tem eletrões desemparelhados: nem todos os seus eletrões de valência estão em pares. Uma espécie com eletrões desemparelhados chama-se radical livre, e representa-se com um ponto: $\text{O}\cdot$, $\text{Cl}\cdot$, $\text{ClO}\cdot$.

Os radicais livres são muito reativos: procuram emparelhar o eletrão e atingir uma configuração mais estável, formando ligações com outras espécies. Por isso existem só durante um tempo curto: reagem logo (por exemplo, $\text{O}\cdot$ com $\text{O}_2$). Na estratosfera, a radiação UV é intensa e vai produzindo novos radicais continuamente.

Nos seres vivos, os radicais livres também reagem com moléculas das células e contribuem para o seu envelhecimento.

Os CFC e a destruição do ozono

Os CFC (clorofluorocarbonetos) foram usados durante décadas em frigoríficos e sprays. São muito estáveis, por isso não se degradam na troposfera e acabam por subir até à estratosfera. Aí, a radiação UV quebra-os e liberta átomos de cloro, $\text{Cl}\cdot$, que são radicais livres.

O cloro destrói o ozono em cadeia:

$$\text{Cl}\cdot + \text{O}_3 \rightarrow \text{ClO}\cdot + \text{O}_2$$ $$\text{ClO}\cdot + \text{O}\cdot \rightarrow \text{Cl}\cdot + \text{O}_2$$

O cloro não é consumido: é regenerado na segunda etapa e não aparece na equação global. Por isso funciona como catalisador: acelera a destruição do ozono sem se gastar. Assim, um único átomo de cloro pode destruir milhares de moléculas de $\text{O}_3$ antes de reagir com outra espécie que o retire do ciclo.

Ciclo catalítico do cloro: Cl· reage com O₃ formando ClO· e O₂; ClO· reage com O· regenerando Cl· e formando O₂. Cl· ClO· + O₃ → + O₂ + O· → + O₂
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Os CFC (clorofluorocarbonetos), usados durante décadas em frigoríficos e sprays, sobem até à estratosfera, onde a radiação UV liberta deles átomos de cloro. O cloro…

Os CFC (clorofluorocarbonetos), usados durante décadas em frigoríficos e sprays, sobem até à estratosfera, onde a radiação UV liberta deles átomos de cloro. O cloro livre destrói o ozono em cadeia:

$\text{Cl}\cdot + \text{O}_3 \rightarrow \text{ClO}\cdot + \text{O}_2$

$\text{ClO}\cdot + \text{O}\cdot \rightarrow \text{Cl}\cdot + \text{O}_2$

  1. a) Escreve a equação global que resulta da soma das duas etapas.
  2. b) Explica por que razão o cloro atua como catalisador nesta destruição e como um único átomo de cloro pode destruir milhares de moléculas de ozono antes de ser removido da estratosfera.
  3. c) Relaciona a proibição dos CFC, decidida no Protocolo de Montreal (1987) e aplicada na União Europeia, com a recuperação gradual da camada de ozono observada sobre a Antártida nas últimas décadas e com o facto de o IPMA continuar a divulgar o índice UV nas previsões para Portugal.
Resolver

Em resumo

  • O ozono estratosférico (15–35 km) absorve a maior parte da radiação UV; ao nível do solo é um poluente.

  • Ciclo do ozono: $\text{O}_2 \xrightarrow{UV} 2\ \text{O}\cdot$; $\text{O}\cdot + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3$; $\text{O}_3 \xrightarrow{UV} \text{O}_2 + \text{O}\cdot$. As etapas com UV são reações fotoquímicas.

  • Equação global de formação: $3\ \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{O}_3$.

  • Radicais livres têm eletrões desemparelhados e são muito reativos.

  • O cloro libertado pelos CFC destrói o ozono em cadeia: atua como catalisador, pois é regenerado.

De volta ao início: a camada de ozono protege-nos porque o próprio ciclo de formação e decomposição absorve a radiação UV; os CFC ameaçam-na porque o cloro destrói milhares de moléculas de ozono.

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