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Física e Química 10.º ano
Química
Reações fotoquímicas
10Q
Reações fotoquímicas
As transformações químicas desencadeadas pela luz (visível ou invisível)
são chamadas reações fotoquímicas.
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são, talvez, as que tem lugar na
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globalmente representado por:
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A fonte de energia ocorre por
fotossíntese
1
A fotossíntese é responsável pela quase totalidade
do O2 presente na atmosfera terrestre.
10Q
Reações fotoquímicas
Características da atmosfera terrestre como, por exemplo, a temperatura, e
fenómenos como as auroras boreais, estão relacionados com a interação da
radiação com a matéria.
Auroras boreais
2
10Q
Reações fotoquímicas
As excitações, dissociações e ionizações de moléculas ou de átomos são
processos que resultam da absorção de luz e explicam a atuação da
atmosfera como filtro de radiações.
As moléculas de N2 e O2 na atmosfera sofrem dissociação por absorção de
radiação ultravioleta de alta energia:
N2 (g) → N (g) + N (g) ΔH = 945 kJ mol−1
O2 (g) → O (g) + O (g) ΔH = 498 kJ mol−1
10Q
Reações fotoquímicas
N2 (g) → N (g) + N (g) ΔH = 945 kJ mol−1
O2 (g) → O (g) + O (g) ΔH = 498 kJ mol−1
A dissociação é um processo endoenergético, isto é, requer absorção de
energia.
Por ser provocada pela luz chama-se fotodissociação.
10Q
Reações fotoquímicas
Nas camadas superiores da atmosfera existem eletrões.
Esses eletrões resultam da fotoionização de moléculas e de átomos por
absorção de radiação de energia superior à envolvida na dissociação
como, por exemplo:
N2 (g) → N2
+ (g) + e− ΔH = 1495 kJ mol−1
O (g) → O+ (g) + e− ΔH = 1313 kJ mol−1
O2 (g) → O2
+ (g) + e− ΔH = 1205 kJ mol−1
10Q
Radicais
Átomos, moléculas ou iões com eletrões desemparelhados chamam-se radicais, também
conhecidos por radicais livres.
São exemplos todas as entidades químicas com um numero impar de eletrões, como o
cloro, Cℓ, o hidroxilo, HO, o cloreto de oxigénio, OCℓ, o dinitrogénio(1+), N2
+, e outros.
Há radicais com um número par de eletrões como, por exemplo, o oxigénio, O; o dioxigénio,
O2, e o dinitrogénio (2+), N2
2+.
Por terem eletrões desemparelhados, os radicais são muito reativos.
10Q
Radicais
Analisando a configuração eletrónica é possível verificar se há eletrões
desemparelhados pela existência de orbitais semipreenchidas.
Oxigénio, O
1s2 2s2 2px
2 2py
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dois eletrões desemparelhados, 2•:
radical O2•
Oxigénio(1+), O+
1s2 2s2 2px
1 2py
1 2pz
1
três eletrões desemparelhados, 3•,
e carga +1: radical O(3•)+
Na escrita simbólica, se pretendemos indicar tratar-se de um radical usamos o sinal •.
Se o número de eletrões desemparelhados for superior a 1, escrevemos a sua esquerda o
algarismo correspondente.
10Q
Ozono estratosférico
O ozono, O3, está misturado com outros gases atmosféricos, formando uma camada de
importância vital para o nosso planeta, pois atua como filtro de radiação ultravioleta.
Esta camada, situada na estratosfera,
concentra-se em torno dos 30 km acima do
nível do mar e é conhecida como camada
de ozono.
Camada de ozono
3
Se o único gás fosse O3, e com uma
distribuição uniforme, a espessura da
camada de ozono, nas condições PTN,
seria apenas cerca de 3 mm!
10Q
Ozono estratosférico
A formação de ozono na estratosfera resulta de uma reação fotoquímica, por ação de
radicais O •.
A ligação na molécula de dioxigénio e relativamente forte, sendo 498 kJ/mol a energia de
ligação.
Só a luz ultravioleta de maior energia, UV-C, que chega a estratosfera consegue
dissociar as moléculas de dioxigénio, O2:
O2 → O + O
Os radicais O • originados neste processo estão na base da formação do ozono:
O + O2 → O3
10Q
Ozono troposférico
1ª etapa
2ª etapa
10Q
Ozono estratosférico
A molécula de ozono, com energia de ligação 373 kJ/mol, também se dissocia por ação de luz
ultravioleta, sendo neste caso necessária radiação de menor energia, UV-B.
Ocorre a reação química de decomposição do ozono, que é inversa da
anterior:
O3 → O + O2
A quebra de ligações em O2 e O3 é possível devido à absorção de UV-C e UV-B, o que
impede que essas radiações atinjam a superfície da Terra.
A camada de ozono é filtro gasoso que deixa passar radiação solar visível e
infravermelha, por exemplo, mas que absorve radiação UV-C e UV-B.
10Q
Ozono estratosférico
O problema da diminuição da concentração do ozono estratosférico (conhecido por buraco
na camada de ozono) é uma questão ambiental da maior importância.
A diminuição, ou seja, a rarefação do ozono na
estratosfera permite que mais radiação ultravioleta
de maior energia atinja a superfície da Terra.
O aumento de radiações UV é prejudicial para
muitas formas de vida, incluindo a humana. Rarefação do ozono sobre o polo norte
em março de 2020
4
10Q
Ozono estratosférico
O ozono na estratosfera tanto se forma como se decompõe:
O3 → O + O2
O + O2 → O3
Formação do ozono
Decomposição do ozono
Globalmente podemos considerar duas etapas na formação do ozono estratosférico, e a
reação global que representa a sua formação e dissociação, o ciclo do ozono,
representada por:
3 O2 2 O3
10Q
Este processo cíclico, da formação e decomposição do ozono, também conhecido por ciclo
de Chapman, faria prever que a concentração de ozono na estratosfera permanecesse
praticamente constante ao longo do tempo.
Nos anos 80 do sec. XX, valores muito baixos da concentração de O3 na estratosfera
alarmaram a comunidade internacional.
Ozono estratosférico
Em 1995, o prémio Nobel da Química, atribuído ao químico mexicano Mário Molina
(1943-2020) e a dois outros cientistas, reconhecia investigação feita sobre o efeito dos
CFC (compostos de carbono, fluor e cloro), na destruição da camada de ozono.
10Q
Os CFC, muito estáveis na troposfera, foram no passado usados de forma intensiva em
sistemas de refrigeração, por exemplo, e foram chegando a estratosfera.
Ozono estratosférico
Foram assinados protocolos internacionais visando a proibição gradual da produção e
comercialização de CFC (compostos de carbono, fluor e cloro).
Na estratosfera estes compostos podem sofrer fotodissociação por ação de luz ultravioleta, e
formar radicais, como acontece, por exemplo, com um CFC chamado triclorofluorometano:
CCℓ3 F → CCℓ2 F•+Cℓ•
10Q
Ozono estratosférico
O radical Cℓ•, por sua vez, reage com o ozono, destruindo-o:
Cℓ• + O3 → OCℓ• + O2
OCℓ• + O → Cℓ• + O2
Cℓ• + O3 → OCℓ• + O2
OCℓ• + O → ...
Estas são reações em cadeia, durante as quais o radical Cℓ• é regenerado e destrói uma
nova molécula de ozono, podendo um só radical de cloro desencadear a eliminação de
milhares de moléculas de ozono.
10Q
Ozono estratosférico
O ozono é importante na estratosfera, desempenhando a função de filtro de luz
ultravioleta, sendo indispensável à existência de vida na Terra.
Se na estratosfera importa recuperar
níveis de ozono com referência a 1960,
na troposfera a presença desse gás é
indesejável.
Previsão para a recuperação da camada de ozono
4
10Q
Ozono troposférico
Da totalidade do ozono na atmosfera, cerca de 10% e encontrado na troposfera.
Na troposfera o ozono é considerado um
poluente atmosférico, com efeitos nocivos e
agressivos para a saúde humana e para o
ambiente.
Provoca danos nas mucosas e problemas
respiratórios que se agravam com o aumento
da sua concentração no ar, devido ao seu
elevado poder oxidante.
10Q
Ozono troposférico
Na legislação estão estabelecidos valores de referência para a concentração de ozono na
troposfera relacionados com a proteção da saúde humana e dos ecossistemas:
Valores legislados
Limiar de
informação
Limiar de alerta Valor alvo, limite a longo prazo
180 µg/m3 240 µg/m3 120 µg/m3
Na troposfera não há fontes naturais emissoras de O3.
O ozono é o resultado indireto de fontes poluentes de natureza antropogénica.
10Q
Ozono troposférico
Poluição, temperaturas elevadas, luz e radicais favorecem a formação de O3 a partir do
oxigénio do ar perto de equipamentos, como fotocopiadoras ou computadores, e de poluentes
como óxidos de nitrogénio, monóxido de carbono e compostos orgânicos voláteis, VOC.
Devido ao seu elevado poder oxidante,
o ozono tem aplicações em processos
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Q20 - Reações fotoquímicas.pdf

  • 1. Física e Química 10.º ano Química Reações fotoquímicas
  • 2. 10Q Reações fotoquímicas As transformações químicas desencadeadas pela luz (visível ou invisível) são chamadas reações fotoquímicas. As mais importantes reações fotoquímicas são, talvez, as que tem lugar na fotossíntese, um processo complexo globalmente representado por: 6 CO2 (g) + 6 H2O (ℓ) → C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g) A fonte de energia ocorre por fotossíntese 1 A fotossíntese é responsável pela quase totalidade do O2 presente na atmosfera terrestre.
  • 3. 10Q Reações fotoquímicas Características da atmosfera terrestre como, por exemplo, a temperatura, e fenómenos como as auroras boreais, estão relacionados com a interação da radiação com a matéria. Auroras boreais 2
  • 4. 10Q Reações fotoquímicas As excitações, dissociações e ionizações de moléculas ou de átomos são processos que resultam da absorção de luz e explicam a atuação da atmosfera como filtro de radiações. As moléculas de N2 e O2 na atmosfera sofrem dissociação por absorção de radiação ultravioleta de alta energia: N2 (g) → N (g) + N (g) ΔH = 945 kJ mol−1 O2 (g) → O (g) + O (g) ΔH = 498 kJ mol−1
  • 5. 10Q Reações fotoquímicas N2 (g) → N (g) + N (g) ΔH = 945 kJ mol−1 O2 (g) → O (g) + O (g) ΔH = 498 kJ mol−1 A dissociação é um processo endoenergético, isto é, requer absorção de energia. Por ser provocada pela luz chama-se fotodissociação.
  • 6. 10Q Reações fotoquímicas Nas camadas superiores da atmosfera existem eletrões. Esses eletrões resultam da fotoionização de moléculas e de átomos por absorção de radiação de energia superior à envolvida na dissociação como, por exemplo: N2 (g) → N2 + (g) + e− ΔH = 1495 kJ mol−1 O (g) → O+ (g) + e− ΔH = 1313 kJ mol−1 O2 (g) → O2 + (g) + e− ΔH = 1205 kJ mol−1
  • 7. 10Q Radicais Átomos, moléculas ou iões com eletrões desemparelhados chamam-se radicais, também conhecidos por radicais livres. São exemplos todas as entidades químicas com um numero impar de eletrões, como o cloro, Cℓ, o hidroxilo, HO, o cloreto de oxigénio, OCℓ, o dinitrogénio(1+), N2 +, e outros. Há radicais com um número par de eletrões como, por exemplo, o oxigénio, O; o dioxigénio, O2, e o dinitrogénio (2+), N2 2+. Por terem eletrões desemparelhados, os radicais são muito reativos.
  • 8. 10Q Radicais Analisando a configuração eletrónica é possível verificar se há eletrões desemparelhados pela existência de orbitais semipreenchidas. Oxigénio, O 1s2 2s2 2px 2 2py 1 2pz 1 dois eletrões desemparelhados, 2•: radical O2• Oxigénio(1+), O+ 1s2 2s2 2px 1 2py 1 2pz 1 três eletrões desemparelhados, 3•, e carga +1: radical O(3•)+ Na escrita simbólica, se pretendemos indicar tratar-se de um radical usamos o sinal •. Se o número de eletrões desemparelhados for superior a 1, escrevemos a sua esquerda o algarismo correspondente.
  • 9. 10Q Ozono estratosférico O ozono, O3, está misturado com outros gases atmosféricos, formando uma camada de importância vital para o nosso planeta, pois atua como filtro de radiação ultravioleta. Esta camada, situada na estratosfera, concentra-se em torno dos 30 km acima do nível do mar e é conhecida como camada de ozono. Camada de ozono 3 Se o único gás fosse O3, e com uma distribuição uniforme, a espessura da camada de ozono, nas condições PTN, seria apenas cerca de 3 mm!
  • 10. 10Q Ozono estratosférico A formação de ozono na estratosfera resulta de uma reação fotoquímica, por ação de radicais O •. A ligação na molécula de dioxigénio e relativamente forte, sendo 498 kJ/mol a energia de ligação. Só a luz ultravioleta de maior energia, UV-C, que chega a estratosfera consegue dissociar as moléculas de dioxigénio, O2: O2 → O + O Os radicais O • originados neste processo estão na base da formação do ozono: O + O2 → O3
  • 12. 10Q Ozono estratosférico A molécula de ozono, com energia de ligação 373 kJ/mol, também se dissocia por ação de luz ultravioleta, sendo neste caso necessária radiação de menor energia, UV-B. Ocorre a reação química de decomposição do ozono, que é inversa da anterior: O3 → O + O2 A quebra de ligações em O2 e O3 é possível devido à absorção de UV-C e UV-B, o que impede que essas radiações atinjam a superfície da Terra. A camada de ozono é filtro gasoso que deixa passar radiação solar visível e infravermelha, por exemplo, mas que absorve radiação UV-C e UV-B.
  • 13. 10Q Ozono estratosférico O problema da diminuição da concentração do ozono estratosférico (conhecido por buraco na camada de ozono) é uma questão ambiental da maior importância. A diminuição, ou seja, a rarefação do ozono na estratosfera permite que mais radiação ultravioleta de maior energia atinja a superfície da Terra. O aumento de radiações UV é prejudicial para muitas formas de vida, incluindo a humana. Rarefação do ozono sobre o polo norte em março de 2020 4
  • 14. 10Q Ozono estratosférico O ozono na estratosfera tanto se forma como se decompõe: O3 → O + O2 O + O2 → O3 Formação do ozono Decomposição do ozono Globalmente podemos considerar duas etapas na formação do ozono estratosférico, e a reação global que representa a sua formação e dissociação, o ciclo do ozono, representada por: 3 O2 2 O3
  • 15. 10Q Este processo cíclico, da formação e decomposição do ozono, também conhecido por ciclo de Chapman, faria prever que a concentração de ozono na estratosfera permanecesse praticamente constante ao longo do tempo. Nos anos 80 do sec. XX, valores muito baixos da concentração de O3 na estratosfera alarmaram a comunidade internacional. Ozono estratosférico Em 1995, o prémio Nobel da Química, atribuído ao químico mexicano Mário Molina (1943-2020) e a dois outros cientistas, reconhecia investigação feita sobre o efeito dos CFC (compostos de carbono, fluor e cloro), na destruição da camada de ozono.
  • 16. 10Q Os CFC, muito estáveis na troposfera, foram no passado usados de forma intensiva em sistemas de refrigeração, por exemplo, e foram chegando a estratosfera. Ozono estratosférico Foram assinados protocolos internacionais visando a proibição gradual da produção e comercialização de CFC (compostos de carbono, fluor e cloro). Na estratosfera estes compostos podem sofrer fotodissociação por ação de luz ultravioleta, e formar radicais, como acontece, por exemplo, com um CFC chamado triclorofluorometano: CCℓ3 F → CCℓ2 F•+Cℓ•
  • 17. 10Q Ozono estratosférico O radical Cℓ•, por sua vez, reage com o ozono, destruindo-o: Cℓ• + O3 → OCℓ• + O2 OCℓ• + O → Cℓ• + O2 Cℓ• + O3 → OCℓ• + O2 OCℓ• + O → ... Estas são reações em cadeia, durante as quais o radical Cℓ• é regenerado e destrói uma nova molécula de ozono, podendo um só radical de cloro desencadear a eliminação de milhares de moléculas de ozono.
  • 18. 10Q Ozono estratosférico O ozono é importante na estratosfera, desempenhando a função de filtro de luz ultravioleta, sendo indispensável à existência de vida na Terra. Se na estratosfera importa recuperar níveis de ozono com referência a 1960, na troposfera a presença desse gás é indesejável. Previsão para a recuperação da camada de ozono 4
  • 19. 10Q Ozono troposférico Da totalidade do ozono na atmosfera, cerca de 10% e encontrado na troposfera. Na troposfera o ozono é considerado um poluente atmosférico, com efeitos nocivos e agressivos para a saúde humana e para o ambiente. Provoca danos nas mucosas e problemas respiratórios que se agravam com o aumento da sua concentração no ar, devido ao seu elevado poder oxidante.
  • 20. 10Q Ozono troposférico Na legislação estão estabelecidos valores de referência para a concentração de ozono na troposfera relacionados com a proteção da saúde humana e dos ecossistemas: Valores legislados Limiar de informação Limiar de alerta Valor alvo, limite a longo prazo 180 µg/m3 240 µg/m3 120 µg/m3 Na troposfera não há fontes naturais emissoras de O3. O ozono é o resultado indireto de fontes poluentes de natureza antropogénica.
  • 21. 10Q Ozono troposférico Poluição, temperaturas elevadas, luz e radicais favorecem a formação de O3 a partir do oxigénio do ar perto de equipamentos, como fotocopiadoras ou computadores, e de poluentes como óxidos de nitrogénio, monóxido de carbono e compostos orgânicos voláteis, VOC. Devido ao seu elevado poder oxidante, o ozono tem aplicações em processos de esterilização, descontaminação e purificação de espaços e materiais, alimentos, água e ar. Dispositivo de esterilização hospitalar 5