O documento discute os ciclos biogeoquímicos do carbono, nitrogênio e enxofre na atmosfera. Apresenta as principais camadas da atmosfera e seus gradientes de temperatura. Explica como o carbono é reciclado através da fotossíntese, combustão e decomposição, enquanto o nitrogênio é fixado por bactérias e indústrias e reciclado através da nitrificação e desnitrificação.

1. Aula 5 – Química Atmosférica
(Ciclos biogeoquímicos)
Julio C. J. Silva
Juiz de Fora, 2019
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Instituto de Ciências Exatas
Depto. de Química
Química Ambiental

2. Atmosfera
A atmosfera terrestre é uma fina camada gasosa que envolve a
Terra, fundamental para os seres vivos
 Mantém as condições ideais na superfície para a criação e manutenção da
vida
 Fornece CO2 (fotossíntese) e N2 (essencial na construção de bioméculas)
A atmosfera, entre outras funções protege a superfície da Terra:
 Impactos de corpos celestes (meteoros)
 Radiação cósmica de alta energia
 Mantêm parte do calor solar impedindo sua imediata irradiação para o
espaço.
 Impede variações bruscas de temperaturas permitindo a vida terrestre.

3. Atmosfera
 A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos e ao longo desse
período a atmosfera sofreu modificações que permitiram a vida em
nosso planeta.
• Composição da atmosfera  quimicamente estável e constante nas
últimas centenas de milhões de anos

4. Atmosfera
 Nossa atmosfera está em constante modificação: somente a
essas modificações podemos ter vida em uma atmosfera tão
oxidante
21% de oxigênio coexistindo com espécies reduzidas como
metano, amônia, monóxido de carbono e óxido nitroso
 A composição geral é resultado da “vida” que vem se desenvolvendo:
O teor de oxigênio é quase todo produto da fotossíntese
Outras fontes contribuem com menos de um bilionésimo do estoque de
O2 que respiramos

5. Atmosfera

6. Atmosfera
(gradientes de temperatura)
 Troposfera
• Do nível do mar até 6 a 16 km (6 a 8 km nos pólos e 12 a 14 km no
equador).
• Na troposfera a temperatura diminui com a altitude (decresce 6,5ºC por
cada 1000 metros)
• Concentra 85-90% da massa total de ar
 Estratosfera (elevação da temperatura)
• Aquecimento do ar na região entre 20 e 35km, de vido a reações
fotoquímicas (O3 - O2).
• 90% do O3 da atmosfera (responsável por filtrar a radiação UV do sol)
 Mesosfera (diminuição de -5º a -95º)
• A T (C0) cai devido ao afastamento do calor vindo da camada de ozônio
• A T (C0) cai pela ausência de gases ou nuvens que possam absorver a
energia solar.
• Onde os meteoros se desintegram
 Termosfera (Elevação -95º a mais de 1000º)
• T aumenta devido a absorção dos raios ultravioleta pelo oxigênio
atômico.

7. Ordem e dimensão das camadas

8. v
v

9. Atmosfera
 Troposfera
 Instável e dinâmica (correntes de convecção)
 Reações químicas
 Mecanismos de remoção
 Fenômenos climáticos e meteorológicos
 Troposfera/Estratosfera  Concentra a maioria dos estudos
sobre poluição
 Forte interação com a Litosfera e com a Hidrosfera
 Composição: diferentes quantidades de materiais líquidos e sólidos em
suspensão, que entram na atmosfera de forma natural (vulcões,
queimadas) ou antropogênica (poluição)
 Milhares de constituintes-traço da atmosfera possibilitam cerca de 170
espécies de interações químicas (muitas naturais); na estratosfera: 40

10. Atmosfera
• Massa seca total da atmosfera (anual)  5,13 x 1018 Kg
• Composição majoritária (99,9%)  N2, O2 e Argônio
• Componentes minoritários  Responsáveis pelas interações
químicas envolvem o delicado balanço da vida em nosso planta
(poluição/camada de ozônio, chuva ácida)
• Fração minoritária (< 0,1%): CO, CO2, He, Ne, Kr, CH4, H2, O3,
NOx (NO + NO2) e NH3, entre outros.
• Desempenham papel fundamental em diversos processos químicos
e biológicos e mecanismos, tais como a regulação da temperatura
do planeta.
• Poluentes  Fontes biogênicas e antrópicas
• SOx, C, Hidrocarbonetos não metânicos (HCNM), oxidantes,
aerossóis de metais, partículas sólidas e substancias radioativas

11. Substâncias Concentração em ppm
Nitrogênio (N2) 780 840.00
Oxigênio (O2) 209 460.00
Argônio (Ar) 9 340.00
Dióxido de Carbono (CO2) 315.00
Neônio (Ne) 18.00
Hélio (He) 5.20
Metano (CH4) 1.20
Criptônio (Kr) 1.10
Óxido de Nitrogênio (N2O) 0.50
Hidrogênio (H2) 0.50
Xenônio (Xe) 0.08
Composição média do ar seco no nível do mar
(SEINFELD, 1984)

12. Transformações químicas na atmosfera
 Atmosfera  REATOR
• Oxigênio (componente extremamente reativo),
compostos em pequenas concentrações (reagentes ou
catalisadores) e luz solar (energia)
 Produtos de reações atmosféricas
• Dependem da concentração dos reagentes,
temperatura, catalisadores e reatividade da molécula
 Tempo de residência desses produtos
• Tempo médio de permanência do
atmosfera
composto na

13. Tempo de residência

14. Ciclos biogeoquímicos
 Os ciclos biogeoquímicos:
• Processos naturais que por diversos meios reciclam vários
elementos em diferentes formas químicas do meio ambiente para
os organismos
• E depois, fazem o processo contrário, ou seja, trazem esses
elementos dos organismos para o meio ambiente.
 Um ciclo biogeoquímico pode ser entendido como sendo o
movimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementos
químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera.
 Os caminhos percorridos ciclicamente entre o meio abiótico e o
biótico pela água e por elementos químicos conhecidos, como C, S,
O, P, Ca e N, constituem os chamados ciclos biogeoquímicos.

15. Ciclos biogeoquímicos
O estudo desses ciclos se torna cada vez mais
importante, como, por exemplo, para avaliar o impacto
ambiental que um material potencialmente perigoso, possa
vir a causar no meio ambiente e nos seres vivos que
dependem direta ou indiretamente desse meio para
garantir a sua sobrevivência.

16. Ciclos biogeoquímicos

17. Ciclos biogequímicos
Principais:
• Ciclo do carbono (CO2, CH4, CO, Hidrocarbonetos não
metânicos (HCNM))
– Ciclo do nitrogênio (NxO, NOx)
– Ciclo do enxofre (SOx,H2S e (CHx)yS)

18. Ciclo do Carbono
 O carbono é um elemento químico de grande importância para os
seres vivos, pois participa da composição química de todos os
componentes orgânicos e de uma grande parcela dos inorgânicos
também.
 O gás carbônico se encontra na atmosfera numa concentração
baixa, aproximadamente 0,03% e, em proporções semelhantes
dissolvido na parte superficial dos mares, oceanos, rios e lagos.
 Removido da atmosfera pela fotossíntese, o carbono do CO2
incorpora-se aos seres vivos quando os vegetais, utilizando o CO2 do
ar, ou os carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água, realizam a
fotossíntese.
 Dessa maneira, o carbono desses compostos é utilizado na síntese
de compostos orgânicos, que vão suprir os seres vivos.

19. Um outro mecanismo de retorno do carbono ao ambiente é por
intermédio da combustão de combustíveis fósseis (gasolina, óleo diesel,
gás natural)
Combustível + O2 CO2 + H2O
Queimadas e processos de desflorestamentos
Introdução de 3,3 GtC, líquidas, como CO2, estão sendo
introduzidos na atmosfera do planeta a cada ano, com consequências
globais sobre o clima, as quais vem sendo amplamente discutidas em
diversos foros.
Ex: Queima de combustíveis fósseis
Aumenta em ~4,3% ao ano a emissão de Carbono na atmosfera
Ciclo do Carbono

20. CO2 atmosférico:
Monitorado desde 1750 (Siple Station) até os dias atuais
(Mauna Loa, desde 1958)
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/full.html, acessado 19-09-17

21.  Equilíbrio CO2 entre a Atmosfera e biosfera:
 Fixação” de carbono:
Biomassa (folhas, caules, raízes, etc.)  Produção primária líquida
(PPL)
Consumo da biomassa por organismos heterotróficos (consomem
C6H12O6)  Emissão de CO2 (respiração)
 Reemissão por meio de processos naturais (decomposição)
Ciclo do Carbono

22.  Fixação” de carbono pelos oceanos:
 Equilíbrio gás-líquido:
CO2(g)
• CO2(aq) (H = 3,4 x 10-2 mol L-1 atm-1)
H2CO3(aq) (K = 2,0 x 10-3)
HCO- + H O+ (K = 4,3 x 10-7)
3(aq) 3
CO-2
3(aq) + H3O+ (K = 4,7 x 10-11)
•
• CO2(aq) + H2O(l)
H2CO3(aq) + H2O(l)
• HCO- + H O
3(aq) 2 (l)
• CO-2
3(aq) + Ca+2
(aq) CaCO3(s) (Esqueletos, carapaças, conchas,
formação/dissolução de rochas/sedimentos)
Sua decomposição ao longo de milhões de anos leva à formação de
depósitos ricos em hidrocarbonetos (e.g. petróleo) e carvão
Ciclo do Carbono

23. Ciclo do Carbono

24. Ciclo do Nitrogênio
O nitrogênio é um elemento químico que entra na constituição de duas
importantíssimas classes de moléculas orgânicas: proteínas e ácidos
nucleicos (DNA).
 Embora esteja presente em grande quantidade no ar (cerca de 79%), na
forma de N2 , poucos seres vivos os assimilam nessa forma (baixa
reatividade).
 Apenas alguns tipos de bactérias, conseguem capturar o N2, utilizando-o
na síntese de moléculas orgânicas nitrogenadas.
O nitrogênio utilizável pelos seres vivos é o combinado na forma de
aminoácidos, proteínas, íons amônio (NH4
+) e nitrato (NO3
-)

25. Fixação  processo de transformação de N2 em compostos
de nitrogênio
Fixação biológica  Conversão de N2 a amônia (NH3) ou íons
4
amonio (NH +).
Redução catalisada por enzima
4
N2  NH +
(Rhizobium/nitrogenase)
 90% de toda fixação natural de N2
 Ecossistemas aquáticos  cianobactérias.
Ciclo do Nitrogênio

26.  Fixação atmosférica  Transformação de N2 em NH3 através de
fenômenos físicos, como os relâmpagos e faíscas elétricas
A produção de amônia por esses fenômenos atmosféricos é pequena,
sendo praticamente negligenciável em face às necessidades dos
seres vivos.
Fixação industrial  Fixação de nitrogênio realizada por
indústrias de fertilizantes, onde se consegue uma elevada taxa de
fixação de nitrogênio.
(Haber-Bosch)
• Alto consumo de energia
• Fonte de H é o gás natural (CH4)
• Baixa eficiência de aplicação
• Poluição
Ciclo do Nitrogênio

27. Processo Haber-Bosch

28.  Nitrificação  A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos
nitrogenados, que por sua vez são liberados para o ambiente ou oxidados a
nitrato.
A conversão dos íons amônio em nitrito e nitrato que ocorre pela ação de
bactérias nitrificantes
Bactérias/Plantas/Algas  Convertem compostos inorgânicos em compostos
orgânicos (cadeia alimentar)
Ciclo do Nitrogênio

29.  Excreção  Em processos de respiração celular, a MO é
transformada, retornando ao solo como excremento e podem ser
absorvidos pelas plantas (adubo)
Ciclo do Nitrogênio

30. Decomposição  Quando os organismos morrem,
bactérias começam a atuar sobre a matéria orgânica
nitrogenada (proteínas do húmus, por exemplo), liberando
diversos resíduos para o ambiente, entre eles a amônia
(NH3), nitrato (NO3) e nitrogênio (N2).
Desnitrificação  NO3  NO2  NO  N2O  N2
- -
Aparentemente indesejável, a desnitrificação é necessária
porque, se não ocorresse, a concentração de nitratos no
solo aumentaria de maneira desastrosa.
Ciclo do Nitrogênio

32. Ciclo do Nitrogênio

33. Ciclo do Enxofre (S)
 Elemento reativo  grande número de compostos de enxofre (S).
NOx  (-2) a (+6)
Elemento essencial  organismos vivos assimilam e emitem compostos de
enxofre
 O ciclo biogeoquímico do enxofre compreende um conjunto de
transformações entre as espécies de enxofre presentes na litosfera,
hidrosfera, atmosfera e biosfera
Compostos de enxofre gasosos:
• SO2  combustão
• H2S  águas ou regiões úmidas do continente (condições anaeróbias),
emissões vulcânicas, oceânicas, a partir de solos e vegetação, queima da
biomassa e emissões industriais.
• Dimetilsulfeto (DMS)  emitidos por fitoplanctons na superfície do
oceano
• SO4
-2  forma mais comum de enxofre encontrado na água (agregado a
partículas de água (spray))

34. Ciclo do Enxofre (S)
 Compostos reduzidos de enxofre, principalmente o sulfeto de hidrogênio
(H2S), são formados por atividade bacteriana anaeróbica, no processo de
oxidação de carbono orgânico a dióxido de carbono e redução de sulfato
(SO4
2-) a sulfeto (S2-).
Parte deste, ao reagir com íons metálicos é fixado na litosfera, na forma
de rochas e sedimentos.
Compostos reduzidos de enxofre como o sulfeto de hidrogênio (H2S), o
dimetilsulfeto (CH3SCH3 ou DMS), o sulfeto de carbonila (COS) e o
dissulfeto de carbono (CS2) são voláteis e rapidamente escapam para a
atmosfera.
A transformação destes compostos na troposfera (oxidante) exibe
tendência aos estados de oxidação mais altos

35. Ciclo do Enxofre (S)

36.  Conversão das espécies de S(IV) a S(VI)
• Concentração de espécies oxidantes (O2,
O3, H2O2, radicais livres (OH• e HO2•) e
espécies de nitrogênio, NO, NO2, HONO,
HNO3.)
• Íons metálicos (Fe(III) e Mn(II) 
aerossol atmosférico provenientes da
erosão dos solos, indústrias metalúrgicas,
de construção e emissões veiculares
• tamanho e composição da gota e condições
meteorológicas.
(SO4
2- dissolvido)

37. Ciclo do Enxofre
• Atividades humanas (antropogênicas)  SO2
– Queima de combustíveis fósseis
– Queima de biomassa
– Maior concentração em países ricos
• Hemisfério norte  maior concentração
• Hemisfério sul  menor concentração
– SO2 → SO4  Chuva ácida
• Emissão naturais  40 - 85 Tg/ano
• Emissão antropogênicas  73 – 80 Tg/ano

38. Ciclo do Enxofre

39. Ciclo do Enxofre

40. Referências
-Rocha, J. C; Rosa, A. H. e Cardoso, A. A, Introdução à Química Ambiental, Porto Alegre
Bookman, 2004
- Baird, C. Química Ambiental; Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera, 2
ed, Porto Alegre, Bookman, 2002
- http://biologiatualizada.blogspot.com.br/2012/01/fotossintese.html, acessada 22-06-13
- http://www.brasilescola.com/historiag/revolucao-industrial.htm, acessado 22-06-13
- http://envolverde.com.br/saude/qualidade-do-ar/poluicao-do-ar-mata-pelo-menos-dois-
milhoes-de-pessoas-por-ano-no-mundo-diz-oms/, acessado 23-06-13
-Nascentes, C. C; Costa, L. M. Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011
-Maioli, O.L.G., Nascimento, G.N. Composição da Atmosfera, Ciclos Globais e Tempo de Vida.
Monografia. UFES
-Mozeto, A. Química Atmosférica: A química sobre nossas cabeças. Cadernos Temáticos de
Química Nova na Escola. 2001
-Miller, G. T. Ciência Ambiental, São Paulo: Thomson Learning, 2007.
-Rosa, R. S., Messias, R. A., Ambrozini, B., Rezende, M. O., Importância da compreensão dos
ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável, Universidade de São Paulo e
Instituto de Química da São Carlos, São Carlos, 2003.