Capítulo 1-Mahanan

Capítulo 1-Mahanan

(Parte 1 de 4)

Manahan. Stanley E. Fundamentos de Química Ambiental Sétima Edição

Capítulo 1- CIÊNCIA AMBIENTAL, TECNOLOGIA, E QUÍMICA 1.1 O QUE É CIÊNCIA AMBIENTAL?

Este livro é sobre a química ambiental. Para entender este tópico, é importante ter alguma apreciação da ciência ambiental com um todo. Ciência ambiental em seu sentido mais amplo é a ciência das complexas interações que ocorrem os ambientes terrestres, atmosféricos, aquáticos, vivos e antropológicos. Ela inclui todas as disciplinas, tais como química, biologia, ecologia, sociologia, e governo, que afeta ou descreve essas interações. Para os fins deste livro, a ciência ambiental será definida como o estudo da terra, ar, água e ambientes de vida, e os efeitos da tecnologia neles. Para um grau significante, a ciência ambiental evoluiu a partir de investigações das maneiras pelas quais, e os locais em, os organismos vivos realizam seus ciclos de vida. Esta é a disciplina da história natural, que em tempos recentes evoluiu para ecologia, o estudo de fatores ambientais que afetam os organismos e como os organismos interage com esses fatores e uns com os outros. 1

Para melhor ou para o pior, o ambienta em que todos os humanos devem viver foi afetado irreversivelmente pela tecnologia. Portanto, a tecnologia é considerada fortemente neste livro em termos de como ela afeta o ambiente e nos caminhos pelos quais, aplicada inteligentemente por aqueles conhecedores da ciência ambiental, pode servir, em vez de danificar, esta Terra sobre a qual todos os seres vivos dependem para o seu bem-estar e sua existência.

O Ambiente

Ar, água, terra, vida, e tecnologia estão fortemente interconectados como mostrado na Figura 1.1. Portanto, em um sentido este figura resume e define o tema do resto deste livro.

Figura 1.1 Ilustração das relações fechadas entre os ambientes aéreo, aquático, e terrestre uns com os outros e com os sistemas vivos, bem como a conexão com a tecnologia (a antroposfera).

Tradicionalmente, a ciência ambiental foi dividida entre o estudo da atmosfera, da hidrosfera, da geosfera, e da biosfera. A atmosfera é a fina camada de gases que cobre a superfície terrestre. Além de seu papel como um reservatório de gases, a atmosfera modera a temperatura da Terra, absorve energia e radiação ultravioleta prejudicial do sol, transporta energia longe das regiões equatoriais, e serve como um caminho para o movimento fase-vapor da água no ciclo hidrológico. A hidrosfera contém a água da Terra. Mais de 97% da água da Terra está nos oceanos, e a maioria da parte restante da água doce está na forma de gelo. Portanto, apenas uma porcentagem relativamente pequena do total de água na Terra está atualmente envolvida com os processos terrestres, atmosféricos, e biológicos. Exclusivo da água do mar, a água que circula entre os processos ambientais e os ciclos ocorre na atmosfera, subterrâneo como águas subterrâneas, e como água da superfície em córregos, rios, lagos, lagoas e reservatórios. A geosfera consiste da terra sólida, incluindo o solo, que suporta a maioria da vida das plantas. A parte da geosfera que é diretamente envolvida com os processos ambientais através do contato com a atmosfera, a hidrosfera, e coisas vivas é a litosfera sólida. A litosfera varia de 50 a 100 km de espessura. A parte mais importante, em relação de como as interações com as outras esferas do ambiente estão interessados, é sua fina camada exterior composta em grande parte de silicatos mais leves, baseados em minerais e chamados de crosta. Todas as entidades vivas sobre a Terra compõem a biosfera. Os organismos vivos e os aspectos do ambiente pertencentes diretamente a eles são chamados bióticos, e as outras porções do ambiente são abióticas.

Para uma grande extensão, as fortes interações entre os organismos vivos e as várias esferas do ambiente abiótico são melhores descritos por ciclos da matéria que envolvem processos e fenômenos biológicos, químicos, e geológicos. Tais ciclos são chamados ciclos biogeoquímicos, e serão discutidos em mais detalhes na Seção 1.6 e em outro lugar deste livro.

1.2 QUÍMICA AMBIENTAL E A BIOQUÍMICA AMBIENTAL

A química ambiental engloba muitos tópicos diversos. Ela pode envolver um estudo de reações Freon na estratosfera ou uma análise de depósito de PCB em sedimentos dos oceanos. Ela também cobre a química e a bioquímica de voláteis e compostos organometálicos solúveis biossintetizados por bactérias anaeróbicas. Literalmente, centenas de outros exemplos de fenômenos químicos ambientais poderiam ser dados. Química ambiental pode ser definida como o estudo das fontes, reações, transporte, efeitos e fatos das espécies químicas em água, solo, ar, e ambientes de vida, e os efeitos da tecnologia nos mesmos.

A química ambiental não é uma nova disciplina. Excelente trabalho neste campo foi feito durante a maior parte do século. Até cerca de 1970, a maior parte deste trabalho foi feito por departamentos acadêmicos ou outros grupos industriais que estavam principalmente preocupados com a química. Muito do que foi realizado por pessoas cuja educação básica não era em química. Assim, quando pesticidas eram sintetizados, biologistas observaram em primeira mão algumas das conseqüências indesejáveis de seu uso. Quando detergentes foram formulados, engenheiros sanitários ficaram surpresos ao ver o tratamento de esgoto das plantas dos tanques de aeração desaparecer sob manta de metros de espessura de espuma, enquanto limnologistas (limnologia: ciência que estuda água interiores, independentemente de suas origens, mas verificando as dimensões e concentrações de sais, em relação aos fluxos de matéria e energia e suas comunidades bióticas) perguntavam-se porque lagos anteriormente normais, de repente tornaram-se sufocantes com cianobactérias fétidas. Apesar destes efeitos ambientais de longa data, e ainda mais problemas recentes e sérios, tais como resíduos perigosos, relativamente poucos químicos tem sido expostos a lidarem com material de química ambiental como parte de sua educação.

Química Ambiental e o Químico Ambiental

Uma tendência encorajadora está em anos recentes, muitos químicos têm começado a se envolverem profundamente com a investigação de problemas ambientais. Departamentos acadêmicos químicos descobriram que os cursos de química ambiental atraem os estudantes, e muitos estudantes de graduação são atraídos para a pesquisa em química ambiental. O auxílio de anúncios incluiu números significantes de vagas para químicos ambientais entre as subdisciplinas mais tradicionais da química. As indústrias descobriram que químicos ambientais bem treinados podiam, pelo menos, ajudar a evitar dificuldades com agências reguladoras, e na melhor das hipóteses são fundamentais no desenvolvimento de rentáveis produtos e processos controladores de poluição.

Alguma experiência em química ambiental deve fazer parte da formação de todos os alunos de química. O químico ecologicamente analfabeto pode ser perigoso. Químicos devem estar cientes dos possíveis efeitos que seus produtos e processos podem ter sobre o ambiente. Portanto, uma tentativa séria de resolver problemas ambientais deve envolver o uso extensivo de químicos e processos químicos.

Existem algumas coisas que a química ambiental não é. Não é apenas a mesma química velha com uma capa e título diferentes. Por causa de suas idéias com sistemas naturais, é mais complicada e difícil que a química “pura”. Os estudantes algumas vezes encontram dificuldade em entender, e alguns professores tradicionalistas acham impossível. Acostumados aos conceitos claros, relativamente simples, bem definidos, porém os sistemas, muitas vezes irrealistas, podem encontrar a química ambiental mal delineada, vaga e confusa. Mais, na maioria das vezes, é impossível chegar a uma resposta simples para um problema de química ambiental. Mas, com a construção cada vez maior do conhecimento, o químico ambiental pode fazer suposições a respeito de como os sistemas ambientais se comportarão.

Análise Química em Química Ambiental

Um dos maiores desafios da química ambiental é a determinação da natureza e quantificação das espécies poluentes no ambiente. Assim, a análise química é uma etapa vital na pesquisa da química ambiental. A dificuldade da análise para muitos poluentes químicos pode ser terrível. Níveis significantes de poluentes atmosféricos podem consistir de menos que um micrograma por metro cúbico de ar. Para muitos poluentes aquáticos uma parte por milhão por peso (essencialmente 1 miligrama por litro) é um valor muito alto. Níveis ambientalmente significantes de alguns poluentes podem ser apenas poucos partes por trilhão. Assim, é obvio que a análise química usada para o estudo de alguns sistemas ambientais que requerem um limite de detecção muito baixo.

Mas, a química ambiental não é o mesmo que a química analítica; que é apenas uma das muitas subdisciplinas que estão envolvidas no estudo da química do ambiente. Embora uma abordagem “força-bruta” para o controle ambiental, envolvendo tentativas de controlar cada nicho ambiental para todos os possíveis poluentes, aumenta o emprego para químicos e levanta vendas de equipamentos analíticos, é um meio de desperdício para detectar e resolver problemas ambientais, reduzindo-se em um exercício irracional na coleção de números marginalmente úteis. Aquela responsabilidade para a proteção ambiental deve ser mais esperta que isso. A fim de a química ter uma máxima contribuição para a solução de problemas ambientais, o químico deve trabalhar para o entendimento da natureza, reações, e transporte de espécies químicas no ambiente. A química analítica é uma parte fundamental e crucial deste empreendimento.

Bioquímica Ambiental

A preocupação final da ambiental é com a vida em si. A disciplina que lida especificamente com os efeitos das espécies químicas ambientais na vida é a bioquímica ambiental. Uma área relacionada, a química toxicológica, é a química das substâncias tóxicas com ênfase em suas interações com tecidos biológicos e organismos vivos. 2 A química toxicológica, que é discutida em detalhes nos Capítulos 2 e 23, lidam com a natureza química e as reações de substâncias tóxicas que envolve suas origens, usos e aspectos químicos de exposição, fatos e eliminação.

1.3 ÁGUA, AR, TERRA, VIDA E TECNOLOGIA

À luz das definições acima, é a nova possibilidade para considerar a química ambiental do ponto de vista das interações entre água, ar, terra, vida e a antroposfera esboçadas na Figura 1.1. Essas cinco “esferas” ambientais e as interrelações entre elas estão resumidas nesta seção. Além disso, os capítulos em que cada um desses tópicos é discutido em grandes detalhes são designados aqui.

Água e a Hidrosfera

Água, com uma enganosamente fórmula química simples de H2O, é uma substância vitalmente importante em todas as partes do ambiente. A água cobre 70% da superfície terrestre. Ela ocupa em todas as esferas do ambiente _ nos oceanos como uma vasta reserva de água salgada, em terra como água de superfície em lagos e rios, debaixo da terra como água subterrânea, na atmosfera como vapor de água, nas calotas polares como gelo sólido, e em muitos segmentos da antroposfera tais como em caldeiras ou sistemas de distribuição de água municipal. A água é uma parte essencial de todos os sistemas vivos e é o meio pelo qual a vida evoluiu e no qual a vida existe.

Energia e matéria são carregadas através de várias esferas do ambiente pela água. A água lixivia constituintes solúveis da matéria mineral e os carrega para o oceano ou os leva como depósitos minerais a alguma distância de suas fontes. A água carrega os nutrientes das plantas do solo para os corpos das plantas por meio de suas raízes. A energia solar absorvida pela evaporação da água do oceano é carregada como calor latente e lançado em seu interior. O lançamento acompanhado de calor latente fornece uma grande fração de energia que é transportada das regiões equatoriais para os pólos da Terra e tempestades de grandes poderes.

A água é obviamente um tópico importante em ciências ambientais. Na química ambiental é discutida em detalhes nos Capítulos 3-8.

Ar e a Atmosfera

A atmosfera é uma cobertura protetora que nutre a vida sobre a Terra e a protege do ambiente hostil do espaço sideral. É a fonte de dióxido de carbono para a fotossíntese das plantas e do oxigênio para a respiração. Ela fornece o nitrogênio que a bactéria fixadora de nitrogênio e as plantas industriais de manufatura de amônia usam para produzir nitrogênio quimicamente ligado, um componente essencial para as moléculas vivas. Como uma parte básica do ciclo hidrológico (Capítulo 3, Figura 3.1), a atmosfera transporta água dos oceanos para a terra, assim atuando como o condensador em um vasto motor a energia solar. A atmosfera serve uma função vital de proteção, absorvendo a prejudicial radiação ultravioleta do Sol e estabilizando a temperatura da Terra.

A ciência atmosférica lida como o movimento das massas de ar na atmosfera, balanço térmico atmosférico, e a composição e reações químicas da atmosfera. A química atmosférica é vista neste livro nos Capítulos 9-14.

Terra

A geosfera, ou Terra sólida, discutida no geral no Capítulo 15, é aquela parte da

Terra sobre a qual os humanos vivem e da qual eles extraem a maior parte de sua comida, minerais e combustíveis. A terra é dividida em camadas, incluindo o núcleo interno sólido rico em ferro, o núcleo exterior em fusão, manto e crosta. A ciência ambiental é mais preocupada com a litosfera, que consiste do manto e da crosta. Esta última é a pele exterior da Terra que é acessível aos seres humanos. É extremamente fina comparada como o diâmetro da Terra, variando de 5 a 40 km de espessura.

A geologia é a ciência da geosfera. Como tal, ela diz respeito principalmente a porção mineral sólida da crosta terrestre. Mas ela deve também considerar a água, que está envolvida no intemperismo das rochas e na produção da formação mineral; a atmosfera e o clima, que têm profundos efeitos sobre a geosfera e na troca de matéria e energia com ela; e os sistemas vivos, que existe em grande parte da geosfera e que por sua vez tem efeitos significantes sobre ela. A ciência geológica usa a química na forma da geoquímica para explicar a natureza e o comportamento dos materiais geológicos e físicos para explicar seu comportamento mecânico, e a biologia para explicar as mútuas interações entre a geosfera e a biosfera.3 A tecnologia moderna, por exemplo a habilidade para mover grandes quantidades de poeira e rocha ao redor, tem uma profunda influência na geosfera.

A parte mais importante da geosfera da vida sobre a terra é o solo formado pela ação desintegrativa do intemperismo de processos físicos, geoquímicos e biológicos sobre a rocha. É o meio no qual as plantas crescem, e praticamente todos os organismos terrestres dependem dele para a sua existência. A produtividade do solo é fortemente afetada pelas condições ambientais e poluentes. Por causa da importância do solo, todo o Capítulo 16 é devotado a ele.

Vida

A biologia é a ciência da vida. É baseada nas espécies químicas biologicamente sintetizadas, muitas das quais existem como grandes moléculas chamadas macromoléculas. Como seres vivos, a preocupação final dos humanos como seu ambiente é a interação entre o ambiente como a vida. Portanto, a ciência biológica é um componente chave da ciência ambiental e química ambiental.

O papel da vida na ciência ambiental é discutida em numerosas partes deste livro.

Por exemplo, os efeitos cruciais dos microorganismos na química aquática são vistos no Capítulo 6, “Bioquímica de Microbianos Aquáticos”. No Capítulo 21, “Bioquímica Ambiental”, direcionada a bioquímica como a sua aplicação para o ambiente. Os efeitos sobre os seres vivos de substâncias tóxicas, muitas das quais são poluentes ambientais estão direcionadas no Capítulo 2, “Química Toxicológica”, e Capítulo 23, “Química Toxicológica de Substâncias Químicas”. Outros capítulos discutem aspectos da interação de sistemas vivos com várias partes do ambiente.

A Antroposfera e Tecnologia

Tecnologia refere-se aos meios pelos quais os humanos fazem as coisas com materiais e energia. Na era moderna, tecnologia é uma larga extensão de produtos de engenharia baseados em princípios científicos. A ciência lida com a descoberta, explicação, e desenvolvimento de teorias pertencentes aos fenômenos naturais inter-relacionados com energia, matéria, tempo e espaço. Baseados nos conhecimentos fundamentais da ciência, a engenharia fornece os planos e meios para alcançar objetivos práticos e específicos. A tecnologia usa esses planos para alcançar os objetivos desejados.

É essencial considerar tecnologia, engenharia, e atividades industriais no estudo da ciência ambiental por causa da enorme influência que eles têm sobre o ambiente. Os humanos usarão a tecnologia para fornecer a comida, abrigo e bens de que necessitam para seu bem-estar e sobrevivência. O desafio é entrelaçar a tecnologia com considerações do meio ambiente e a ecologia tal que os dois são mutuamente vantajosos e não em oposição um ao outro.

A tecnologia, aplicada corretamente, é uma influência enormemente positiva para a proteção ambiental. É mais óbvio que tal aplicação é no controle da poluição do ar e da água. Tão necessárias quanto medidas de “fim-do-tubo” (assume-se que os resíduos são inevitáveis e procura-se apenas reduzir o impacto do seu lançamento no meio ambiente. Para isto se gasta energia e outros insumos) são para o controle da poluição do ar e da água, é muito melhor usar a tecnologia na manufatura de processos para prevenir a formação de poluentes. A tecnologia está sendo usada crescentemente para desenvolver processos altamente eficientes de conversão de energia, utilização de fontes de energia renováveis, e conversão de matérias-primas a produtos acabados, com mínima geração de subprodutos, resíduos perigosos. Na área de transportes, a tecnologia aplicada apropriadamente em áreas tais como transporte altamente rápido por trem pode aumentar enormemente a velocidade, eficiência energética, e segurança dos meios para o transporte de pessoas e bens.

Até muito recentemente, avanços tecnológicos foram feitos grandemente sem cuidados como impactos ambientais. Agora, no entanto, o maior desafio tecnológicos é conciliar a tecnologia com as conseqüências ambientais. A sobrevivência da humanidade e do planeta que a suporta agora requer que a interação estabelecida de duas vias entre ciência e tecnologia torne-se uma relação de três vias, incluindo a proteção ambiental.

1.4 ECOLOGIA E A BIOSFERA

A Biosfera

A biosfera é o nome dado a parte do ambiente que consiste de organismos e material biológico vivo. Praticamente toda a biosfera está contida pela geosfera e hidrosfera na fina faixa onde essas esferas ambientais estão em interface com a atmosfera. Há algumas formas de vida especializadas a extremas profundidades no oceano, mas esses são ainda relativamente próximos da interface atmosférica.

A biosfera influencia fortemente, e por sua vez é fortemente influenciada pelas outras partes do meio ambiente. Acredita-se que os organismos foram responsáveis pela conversão da atmosfera original da Terra, reduzindo uma atmosfera rica em oxigênio, em um processo que também resultou na formação de depósitos maciços de minerais oxidados, tais como ferro em depósitos de Fe2O3. Organismos fotossintéticos removem o CO2 da atmosfera, portanto prevenindo o efeito estufa descontrolado na superfície terrestre. Organismos influenciam fortemente no ciclo da água, produzindo a biomassa necessária para a vida na água e mediando as reações de oxidação-redução na água. Organismos são fortemente envolvidos com processos de intemperismo que quebram as rochas na geosfera e converte matéria rochosa em solo. Liquens, consistindo de combinações simbióticas (mutuamente vantajosas) entre algas e fungos, ataca fortemente as rochas; eles secretam espécies químicas que dissolvem lentamente a superfície rochosa e retém a umidade da superfície que promove o intemperismo na rocha.

A biosfera é baseada sobre a fotossíntese da planta, que fixa a energia solar (hv) e carbono do CO2 atmosférico na forma de biomassa de alta energia, representada como {CH2O}:

Ao fazê-lo, a função de plantas e algas como organismos autotróficos, aqueles que utilizam a luz solar ou energia química para fixar elementos simples, materiais inorgânicos não- vivos em complexas moléculas da vida que compõem os organismos vivos. O processo oposto, biodegradação, quebra a biomassa quer na presença de oxigênio (respiração aeróbica),

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