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Ciclos Biogeoquimicos - Trabalho de Química Ambiental ...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

21353661

QUÍMICA AMBIENTAL CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

MANAUS – AM 2018/1 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

21353661

QUÍMICA AMBIENTAL CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Atividade solicitada pela profa. º Dra. Tereza Cristina para obtenção de nota parcial e conhecimento na disciplina Química Ambiental em 2018/1

MANAUS – AM 2018/1 2

SUMÁRIO 1.

INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 4

2.

O QUE SÃO CICLOS BIOGEOQUÍMICOS ........................................................... 4

3.

PROCESSOS QUE OCORREM EM CADA CICLO BIOGEOQUÍMICO ............ 4

3.1.

ÁGUA .................................................................................................................... 4

3.2.

OXIGÊNIO ............................................................................................................ 5

3.3.

CARBONO ............................................................................................................ 5

3.4.

NITROGÊNIO ...................................................................................................... 6

3.5.

ENXOFRE............................................................................................................. 7

3.6.

FÓSFORO ............................................................................................................. 7

4.

LISTA DE ESPÉCIES QUÍMICAS PRINCIPAIS E REAÇÕES ENVOLVIDAS . 8

5. INFLUÊNCIAS ANTROOGÊNICAS. ONDE E COMO OCORRE A ALTERAÇÃO .................................................................................................................. 8 6.

CONCLUSÃO ........................................................................................................ 11

7.

REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 11

3

1. INTRODUÇÃO O planeta Terra recebe um contínuo fluxo de radiação solar que é aproveitado como energia interna pela biosfera e como energia externa pelas camadas sólida, líquida e gasosa do planeta, que são a litosfera, hidrosfera e atmosfera. A circulação de matéria que se produz como consequência do recebimento dessa energia solar acontece em circuitos fechados. Tais circuitos da matéria são denominados ciclos biogeoquímicos. Os seis principais ciclos biogeoquímicos são os da carbono, nitrogênio, fósforo, enxofre, oxigênio e o da água. Ao longo dessa atividade serão tratados cada um desses seis ciclos, assim como as reações envolvidas no mesmos e ainda os efeitos das atividades antropogênicas sobre esses ciclos, onde e como ocorrem.

2. O QUE SÃO CICLOS BIOGEOQUÍMICOS É o modo pelo qual um elemento ou um composto como água, por exemplo flui entre os vários seres vivos e o meio ambiente. Esse nome relaciona a geologia, a química e a biologia os quais formam esse ciclo. Existem seis ciclos biogeoquímicos os quais serão abordados ao longo dessa atividade. São eles: ciclo da água, do oxigênio, do carbono, do nitrogênio, do enxofre e do fósforo. Cada um desses ciclos possui extrema importância para a manutenção do ambiente vivo, apresentando-se em sua forma sólida, líquida e/ou gasosa. Esses ciclos não acontecem isoladamente, e o ciclo da água é particularmente importante para os outros ciclos biogeoquímicos. Por exemplo, o movimento da água é importante para a lixiviação do nitrogênio e do fosfato em rios (Robert Bear, et al).

3. PROCESSOS QUE OCORREM EM CADA CICLO BIOGEOQUÍMICO 3.1.

ÁGUA

Os vários processos que envolvem o ciclo da água são: evaporação e sublimação, condensação e precipitação, fluxo subterrâneo de água, escoamento superficial e fusão de neve e fluxo de fluxo. O ciclo da água descreve como a água se evapora da superfície da terra, aumenta para a atmosfera, esfria e se condensa na chuva ou neve nas nuvens e cai novamente na superfície como precipitação. A água que cai em terra se reúne em rios e lagos, solo e camadas de rocha porosas, e uma grande parte dela volta para os oceanos, onde mais uma vez se evaporará. O ciclismo da água dentro e fora da atmosfera é um aspecto significativo dos padrões climáticos na Terra. O ciclo é conduzido pela energia do sol enquanto aquece os oceanos e outras águas superficiais. Isso leva à evaporação da água superficial líquida para vapor de água e sublimação, que é de gelo para vapor de água, movendo assim grandes quantidades de água par a atmosfera. Ao longo do tempo, 4

este vapor de água se condensa em nuvens como gotículas líquidas ou congeladas e eventualmente precipitam (chuva ou neve), que retorna água para a superfície da terra. A chuva atingindo a superfície da Terra pode evaporar novamente, fluir sobre a superfície ou percolar no chão. O mais facilmente observado é o escoamento superficial: o fluxo de água fresca, tanto da chuva como do gelo derretido. O escoamento pode atravessar riachos e lagos para os oceanos ou fluir diretamente para os próprios oceanos.

3.2.

OXIGÊNIO

Há a circulação de oxigênio em várias formas através da natureza. Livre no ar e dissolvido em água, o oxigênio está em segundo lugar apenas com nitrogênio em abundância entre elementos não combinados na atmosfera. Plantas e animais usam oxigênio para respirar e devolvê-lo ao ar e à água como dióxido de carbono (CO2). O CO2 é então absorvido por algas e plantas verdes terrestres e convertido em carboidratos durante o processo de fotossíntese, o oxigênio é um subproduto. As águas do mundo são os principais geradores de oxigênio da biosfera; suas algas são estimadas para substituir cerca de 90% de todo o oxigênio usado. O oxigênio está envolvido em algum grau em todos os outros ciclos biogeoquímicos. Por exemplo, ao longo do tempo, os detritos de organismos vivos transferem compostos contendo oxigênio, como carbonatos de cálcio para a litosfera.

3.3.

CARBONO

O carbono é o quarto elemento mais abundante em organismos vivos. O carbono está presente em todas as moléculas orgânicas, e seu papel na estrutura das macromoléculas é primordial para os organismos vivos. Os compostos de carbono contêm energia e muitos desses compostos de plantas e algas permaneceram armazenados como carbono fosilizado, que os humanos usam como combustível. O ciclo do carbono é mais facilmente estudado como dois subciclos interligados: um relacionado à troca rápida de carbono entre os organismos vivos e o outro que trata do ciclo a longo prazo do carbono através de processos geológicos.

3.3.1. O Ciclo de Carbono Biológico O dióxido de carbono é o bloco de construção básico que os autotróficos usam para construir compostos de alto teor de carbono e alta energia, como a glicose. A energia aproveitada a partir do Sol é usada por esses organismos para formar os laços covalentes que ligam átomos de carbono juntos. Essas ligações químicas armazenam essa energia para uso posterior no processo de respiração. A maioria dos autótrofos terrestres obtém o seu dióxido de carbono diretamente da atmosfera, enquanto os autótrofos marinhos o adquirem na forma dissolvida (ácido carbônico, HCO3-). No entanto, o dióxido de carbono é adquirido, um subproduto de fixação de carbono em compostos orgânicos é 5

oxigênio. Os organismos fotossintéticos são responsáveis por manter aproximadamente 21% do teor de oxigênio da atmosfera que observamos hoje. Os parceiros na troca de carbono biológico são heterotróficos (especialmente os consumidores primários, em grande parte herbívoros). Heterótrofos adquirem os compostos de carbono de alta energia dos autotróficos, consumindo-os e quebrando-os pela respiração para obter energia celular, como a ATP. O tipo mais eficiente de respiração, respiração aeróbica, requer oxigênio obtido da atmosfera ou dissolvido em água. Assim, há uma troca constante de oxigênio e dióxido de carbono entre os autótrofos (que precisam do carbono) e os heterótrofos (que precisam do oxigênio).

3.3.2. Ciclo de carbono biogeoquímico Conforme afirmado, a atmosfera é um grande reservatório de carbono na forma de dióxido de carbono que é essencial para o processo de fotossíntese. O nível de dióxido de carbono na atmosfera é muito influenciado pelo reservatório de carbono nos oceanos. A troca de carbono entre a atmosfera e reservatórios de água influencia quanto carbono é encontrado em cada um, e cada um afeta o outro reciprocamente. O dióxido de carbono (CO2) da atmosfera se dissolve em água e, ao contrário do oxigênio e nitrogênio gasoso, reage com moléculas de água para formar compostos iónicos. Alguns desses íons combinam com íons de cálcio na água do mar para formar carbonato de cálcio (CaCO3), um componente importante das conchas de organismos marinhos. Estes organismos eventualmente formam sedimentos no fundo do oceano. Ao longo do tempo geológico, o carbonato de cálcio forma calcário, que compreende o maior reservatório de carbono da Terra. Em terra, o carbono é armazenado no solo como carbono orgânico como resultado da decomposição de organismos vivos ou de intempéries de rochas terrestres e minerais. Mais profundamente no solo, em terra e no mar, são combustíveis fósseis, os restos anaerobicamente decompostos de plantas que levam milhões de anos para formar. Os combustíveis fósseis são considerados recursos não renováveis porque o uso deles excede em muito sua taxa de formação. Um recurso não renovável é regenerado muito devagar ou não. Outra maneira de o carbono entrar na atmosfera é de terra (incluindo terra abaixo da superfície do oceano) pela erupção de vulcões e outros sistemas geotérmicos. Os sedimentos de carbono do fundo do oceano são ocupados profundamente na Terra pelo processo de subdução: o movimento de uma placa tectônica abaixo de outra. O carbono é liberado como dióxido de carbono quando um vulcão entra em erupção ou de aberturas hidrotermais vulcânicas.

3.4.

NITROGÊNIO

Embora esta molécula compreende aproximadamente 78 por cento da atmosfera. O nitrogênio entra no mundo vivo através de bactérias de vida livre e simbióticas, que incorporam nitrogênio em suas macromoléculas através da fixação de nitrogênio (conversão de N2). As cianobactérias vivem na maioria dos ecossistemas aquáticos onde a luz solar está presente; Eles desempenham um papel fundamental na fixação de 6

nitrogênio. As cianobactérias são capazes de usar fontes inorgânicas de nitrogênio para "consertar" o nitrogênio. Rhizobiumas bactérias vivem simbióticamente nos nódulos das raízes das leguminosas (como ervilhas, feijões e amendoim) e fornecem-lhes o nitrogênio orgânico que eles precisam. As bactérias de vida livre, como Azotobacter , também são importantes fixadores de nitrogênio. O nitrogênio que entra nos sistemas vivos por fixação de nitrogênio é eventualmente convertido de nitrogênio orgânico de volta para nitrogênio gasoso por bactérias. Esse processo ocorre em três etapas nos sistemas terrestres: amonificação, nitrificação e desnitrificação. Primeiro, o processo de amônia converte resíduos nitrogênicos de animais vivos ou dos restos de animais mortos em amônio (NH4 +) por certas bactérias e fungos. Em segundo lugar, este amónio é então convertido em nitritos (NO2-) por bactérias nitrificantes, tais como Nitrosomonas, através da nitrificação. Posteriormente, os nitritos são convertidos em nitratos (NO3-) por organismos semelhantes. Por fim, o processo de desnitrificação ocorre, pelo que as bactérias, como Pseudomonas e Clostridium, convertem os nitratos em nitrogênio gasoso, permitindo que ele entre novamente na atmosfera.

3.5.

ENXOFRE

Em terra, o enxofre é depositado de quatro formas principais: precipitação, precipitação direta da atmosfera, intemperismo e aberturas geotérmicas. O enxofre atmosférico é encontrado na forma de dióxido de enxofre (SO2), e à medida que a chuva cai pela atmosfera, o enxofre é dissolvido na forma de ácido sulfúrico fraco (H2SO4). O enxofre também pode cair diretamente da atmosfera em um processo chamado Fallout. Além disso, como o tempo de enxofre contendo azoto, o enxofre é liberado no solo. Essas rochas são originárias de sedimentos oceânicos que são movidos para a terra pela elevação geológica de sedimentos oceânicos. Os ecossistemas terrestres podem então fazer uso desses sulfatos de solo (SO42-), que entram na rede alimentar sendo absorvidos pelas raízes das plantas. Quando estas plantas se decompõem e morrem, o enxofre é liberado de volta à atmosfera como gás de sulfeto de hidrogênio (H2S).

3.6.

FÓSFORO

O fósforo ocorre na natureza como o íon fosfato (PO4 3-). Além do escoamento do fosfato como resultado da atividade humana, o escoamento superficial natural ocorre quando é lixiviado da rocha contendo fosfato por intemperismo, enviando assim fosfatos para rios, lagos e oceano. Esta pedra tem suas origens no oceano. Os sedimentos oceânicos que contêm fosfatos são principalmente provenientes dos corpos de organismos oceânicos e de suas excreções. Contudo, cinzas vulcânicas, aerossóis e pó mineral também podem ser fontes importantes de fosfato. Este sedimento é então movido para pousar ao longo do tempo geológico pela elevação da superfície da Terra. O fósforo também é trocado reciprocamente entre o fosfato dissolvido no oceano e organismos marinhos. O movimento do fosfato do oceano para a terra e através do solo 7

é extremamente lento, com o íon fosfato médio com um tempo de residência oceânico entre 20.000 e 100.000 anos.

4. LISTA DE ESPÉCIES QUÍMICAS PRINCIPAIS E REAÇÕES ENVOLVIDAS NITROGÊNIO: Amonização: Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido de amônio que ionizando produz o íon Amônio (NH4+) e Hidroxila: NH3 + H2O → NH4OH → NH4+ + OH-

Nitrificação: Nitrosação: A Amônia é transformada em Nitrito

2 NH3 + O2 → 2 HNO2 + 2 H2O + Energia

Nitração: Ocorre a transformação do íon Nitrito em íon Nitrato (NO3 -)

2 HNO2 + 2 O2 → 2 HNO3 + Energia

5. INFLUÊNCIAS ANTROOGÊNICAS. ONDE E COMO OCORRE A ALTERAÇÃO 5.1.

ÁGUA

Além de ser o líquido indispensável ao desempenho das funções vitais de todo os seres vivos, a água é utilizada em diversas atividades humanas. Segue abaixo algumas dessas atividades: - Atividades Domésticas: Em nossa casa, utilizamos a Água não só para beber, mas também para: Cozinhar os alimentos, os banhos diários e outras práticas de higiene pessoal, dar descargas nos vasos sanitários e outras limpezas domésticas. - Na Navegação: (por água calma e por água turbulentas.) Na Água dos rios e lagos, navegam embarcações que transportam: Turistas para passeios; passageiros em trânsito; pequenas cargas, etc.; Outros tipos de embarcações são feitos especialmente para navegar em grandes rios, como o Amazonas e o São Francisco. 8

- Na produção de Energia Elétrica A força da Água inicialmente é preciso saber que: A energia elétrica resultante da força da água é conseguida nas Usinas Hidrelétricas; as Usinas Hidrelétricas utilizam a energia da Água em movimento para obter energia elétrica, a construção de uma barragem na Usina é necessária para represar a Água dos rios. A Água da represa é canalizada e conduzida com grande velocidade às turbinas, que são todas metálicas com palhetas. Quando a Água toca as palhetas, a turbina começa a girar: Esse movimento é transmitido para outra peça muito importante, chamada Gerador. - Nas Indústrias: Nas Indústrias, a Água é usada para fabricar uma grande variedade de produtos. Exemplo: Bebidas em geral, como refrigerantes, remédio principalmente os líquidos, perfumes e cosméticos em geral

5.2.

OXIGÊNIO

A liberação de gases de aviões supersônicos e clorofluorcarbonetos (CFC’s) é uma atividade que causa a destruição da camada de ozônio, pode desencadear problemas sérios como a redução da atividade fotossintética e o aumento da incidência de câncer de pele, catarata e problemas relacionados à imunidade.

5.3.

NITROGÊNIO

A atividade humana pode liberar nitrogênio no ambiente por dois meios principais: a combustão de combustíveis fósseis, que libera diferentes óxidos de nitrogênio e o uso de fertilizantes artificiais (que contêm compostos de nitrogênio e fósforo) na agricultura, que são então lavados em lagos, riachos e rios pelo escoamento superficial. Além disso, o nitrogênio gasoso tem uma larga aplicação na indústria, destacando-se as indústrias química, alimentar, elétrica, metalúrgica e eletrônica. Segue abaixo um pouco da influência antropogênica em cada uma dessas indústrias: - Na indústria química: é usado para diluir gases reagentes, aumentar o rendimento de algumas reações, diminuir o risco de fogo ou explosão de certas reações ou, ainda, evitar a oxidação, decomposição ou hidrólise de reagentes ou produtos. - Na indústria alimentar: é frequentemente utilizado para evitar a oxidação de certos desperdícios ou ainda para inibir o desenvolvimento de bolores e insetos. - Na indústria elétrica: é usado para evitar oxidações e reações químicas indesejáveis. Pode também ser usada na pressurização do revestimento de cabos elétricos, em lasers e como blindagem de motores. - Na indústria metalúrgica: usa-se em grandes quantidades para evitar a oxidação de certos metais ou a carbonização em processos de soldadura. - Indústria eletrônica: usa-se azoto líquido na refrigeração de componentes eletrônicos.

9

Além dessas aplicações industriais, o nitrogênio é também utilizado em diversas outras áreas, como a Crio biologia, que o utiliza na forma líquida para preservar sangue, medula óssea, tecidos, órgãos e sêmen. 5.4.

CARBONO

O dióxido de carbono também é adicionado à atmosfera pelas práticas de criação de animais dos seres humanos. O grande número de animais terrestres criados para alimentar a população humana crescente da Terra resulta em níveis aumentados de dióxido de carbono na atmosfera causados por sua respiração. 5.5.

FÓSFORO

O fósforo elementar é utilizado em diversas aplicações pirotécnicas (fogo de artifício, projéteis luminosos ou nos vulgarmente denominados fósforos), na indústria metalúrgica para formar ligas metálicas como o bronze fosforoso, na fabricação de inseticidas ou como aditivo de óleos industriais. O ácido fosfórico é usado como aditivo de certas bebidas bem como na limpeza de metais ou como agente de fosfatização. Mas é na forma de sais fosfatos que se encontram as maiores aplicações. A indústria de fertilizantes absorve a quase totalidade dos fosfatos extraídos das rochas. Há vários tipos de fertilizantes obtidos com base nos fosfatos, estando estes normalmente misturados com potassa ou sais de amônio. Os sais fosfatos também são usados no fabrico de detergentes sintéticos (polifosfato de sódio) e em dentifrícios (fosfato de cálcio).

5.6.

ENXOFRE

Entre as reações comuns do enxofre, destaca-se a reação com as olefinas, que possuem grande importância tecnológica, uma vez que são base do processo designado por vulcanização da borracha natural e sintética. Entre os compostos de enxofre, os principais, no aspecto industrial, são: - O dióxido de enxofre, que é um gás obtido por combustão do enxofre ao ar, de cheiro sufocante e que é utilizado na fabricação do ácido sulfúrico e em operações de branqueamento; - o sulfureto de hidrogênio, também conhecido como gás sulfídrico, extremamente venenoso, com cheiro característico a ovos podres, que se comporta como um ácido fraco em solução aquosa e forma sulfuretos corados pouco solúveis com a maior parte dos metais, sendo assim utilizados em análises químicas; - ...