Química no Contexto - Ar Atmosférico e Solo

Ar atmosférico: o gás da vida

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Copyright © Adelaide Maria Vieira Viveiros Todos os direitos reservados.

Proibida a reprodução total ou parcial, de qualquer forma e por qualquer meio mecânico ou eletrônico, inclusive através de fotocópias e de gravações, sem a expressa permissão do autor. Todo o conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do autor.

Editor Responsável: Thiago da Cruz Schoba Coordenador Editorial: João Lucas da Cruz Schoba Capa: Editora Schoba / Francis Manolio Diagramação: Editora Schoba / Júnia Noronha Revisão: Milze Maria Sacramento Carvalho Ilustrações: Mônica Andrade Maia Brito Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Viveiros, Adelaide Química no contexto / Adelaide Viveiros. -Salto, SP : Editora Schoba, 2011.

ISBN 978-85-8013-076-8 1. Química - Estudo e ensino I. Título.

11-08313

CDD-540.7

Índices para catálogo sistemático: 1. Química : Estudo e ensino 540.7

Editora Schoba Ltda Rua Melvin Jones, 223 - Vila Roma - Salto - São Paulo CEP 13321-441 Fone/Fax: (11) 4029.0326 E-mail: atendimento@editoraschoba.com.br www.editoraschoba.com.br

Dedico esse livro a Reiko Isuyama (em mem贸ria), grande amiga, minha mestra em qu铆mica no contexto e Mariana e Daniel, meus filhos, meus amigos.

Agradeço...

Às pessoas citadas a seguir, não somente pela contribuição responsável e valiosa de cada um em sua área de competência, mas principalmente, pelo carinho dedicado ao trabalho e pelo apoio pessoal em muitos dos momentos difíceis. A citação dos nomes está em ordem alfabética, pois a importância da contribuição de cada um é imensurável.

Adriano Costa Sá, autor do logotipo “Química no Contexto”.

Carlos Daniel Silva da Silva, pela revisão técnica e pedagógica.

Denise dos Santos Sá, pela revisão técnica.

Editora Schoba, pela confiança depositada e pelo excelente trabalho realizado.

Josanaide Sant’Ana Ribeiro Teixeira, pela revisão técnica com ênfase na Química Orgânica.

José Petronílio Lopes Cedraz, pela revisão técnica.

Marcelo Álison Souza dos Santos, pela revisão técnica.

Márcio de Jesus Silva, pela montagem das estruturas dos compostos orgânicos.

Martins Dias de Cerqueira, pela revisão técnica com ênfase na bioquímica.

Milze Maria Sacramento Carvalho, pela revisão de redação.

Miguel Fascio dos Santos Filho, pela revisão técnica.

Mônica Andrade Maia Brito, autora de todos os desenhos.

Tadeu Antônio de Campos Costa, pela montagem das estruturas dos compostos orgânicos.

Zênis Novais da Rocha, pela revisão técnica com ênfase na eletroquímica.

Quero ainda expressar um agradecimento especial a José Petronílio Lopes Cedraz, meu amigo e responsável por eu ter escrito esse livro.

Prefácio

Conhecendo Química no Contexto...

Livro didático destinado ao estudo de Química no ensino médio. É também adequado para estudos em disciplinas de prática de ensino dos cursos de graduação em Química e em cursos de formação de professores para o ensino de Ciências no nível fundamental. Além disso, pode ser usado em cursos de formação continuada de professores de Química.

Química no Contexto, porém, não é apenas um livro, é também uma proposta que visa a mudança do ensino de uma Química meramente informativa para uma Química formativa. A abordagem contextualizada permite que o aluno associe o conteúdo estudado com a sua vida, uma vez que os contextos aqui escolhidos, ÁGUA, AR ATMOSFÉRICO, SOLO, COMBUSTÍVEIS E ALIMENTOS, fazem parte da vida de qualquer cidadão. Isso foi planejado justamente para que as pessoas compreendam a utilidade do estudo de Química. Os conteúdos foram distribuídos por esses cinco contextos e inseridos de modo que o aluno aprenda a usar Química para entender melhor o contexto e a usar o contexto para compreender a Química.

Química no Contexto é também um investimento no desenvolvimento autônomo e significativo do trabalho docente. É um reconhe11

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Química no Contexto

cimento de que o professor pode arriscar e inovar, conhecer e propor novas trajetórias para a melhoria do seu trabalho.

Enfim, além da contribuição profissional, Química no Contexto envolve aspectos pessoais, uma vez que, para a autora, Química no Contexto é um sonho realizado!

Como está estruturado?

Química no Contexto é constituído de cinco unidades, sendo uma no Volume 1, duas no Volume 2 e duas no Volume 3. Cada unidade aborda um ou dois dos temas escolhidos e consta do seguinte:

1. Texto sobre o tema: Esse texto é dividido em partes e relata sobre o contexto – ÁGUA, AR ATMOSFÉRICO, SOLO, COMBUSTÍVEIS ou ALIMENTOS –. Ele está escrito de tal forma que, ao lê-lo, já se começa a fazer a conexão entre o contexto e os conteúdos de qQuímica que são estudados nessa unidade. A relação desses conteúdos e os objetivos do contexto também são apresentados, para uma melhor orientação do leitor.

Ao longo da descrição do tema, algumas palavras são escritas em itálico, com um número como sobrescrito à esquerda. Logo em seguida, aparece uma caixa de texto intitulada Informação, na qual é dado o significado dessa palavra, apenas para que o leitor possa continuar a leitura do texto com o entendimento químico adequado. Para algumas dessas palavras, o significado químico é mais aprofundado ao se estudar o conteúdo específico adequado.

Ao final de cada parte do texto, tem-se uma seção denominada Agora tente responder, a qual consta de perguntas sobre o que foi escrito com relação ao tema. O objetivo desta seção é estimular o leitor a repensar no que leu, pois ele pode responder a todas essas perguntas apenas com o que está escrito no texto.

2. Apoios: Denomina-se de apoio, cada capítulo no qual um dado conteúdo de Química, que foi inserido no texto ou que será útil

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para entender o tema, é trabalhado num nível de detalhamento adequado para o ensino médio. No início de cada apoio são apresentados: (i) itens detalhando o que vai ser estudado, isto é, os conteúdos de química; (ii) itens descrevendo para que estudar esse conteúdo, ou seja, os objetivos. No final de cada apoio, são apresentados, numa seção denominada O que estudamos, itens mostrando a relação do que foi estudado com os objetivos propostos.

Em cada apoio, são apresentados exercícios resolvidos e propostos. Os exercícios resolvidos aparecem, inseridos no texto e após um dado item, numa seção denominada Entendendo Melhor. A resolução é detalhada e discutida. Os exercícios propostos aparecem em dois momentos: (I) inseridos no texto numa seção denominada Faça, você sabe; (II) no fim do apoio, numa seção denominada Faça Mais, você sabe. Aqueles inseridos no texto são, em geral, muito semelhantes aos apresentados no Entendendo Melhor e vêm logo em seguida desses; para alguns daqueles que vêm no fim do texto, são dadas orientações para a resolução. Todos os exercícios propostos estão resolvidos no Livro do Professor.

Além do texto sobre o tema e dos apoios, QUÍMICA NO CONTEXTO apresenta as seções denominadas Experimentando para aprender mais e Aprendendo Mais. Em Experimentando para aprender mais, encontram-se experimentos que podem ser feitos como demonstrações, em sala de aula, e que foram propostos com o objetivo de contribuir para melhorar a compreensão do conteúdo de química que está sendo estudado. No Livro do Professor, encontramse informações mais detalhadas sobre como realizar os experimentos e como trabalhar os conteúdos de Química neles inseridos. A seção Aprendendo Mais foi escrita com dois objetivos: (i) Apresentar aspectos químicos sobre alguns temas, apenas para ampliar o conhecimento do leitor do ponto de vista social e ambiental; (ii) Apresentar, separadamente, alguns conteúdos de Química que não se encaixavam em nenhum apoio ou que, se tratados no apoio adequado, poderia torná-lo longo e cansativo.

Sumário

1. AR ATMOSFÉRICO Parte 1: O que é o gás que respiramos?..................................................................15 Objetivos: Reconhecer a importância do ar para a vida na Terra.

Entender que o ar é matéria e, portanto, tem massa, energia e ocupa um lugar no espaço.

Parte 2: Como os químicos descrevem a composição do ar?.......................21 Objetivos: Entender que o ar atmosférico é uma mistura de substâncias químicas.

Parte 3: Um pouco mais sobre a Química e o ar atmosférico.......................23 Objetivos: Reconhecer que o ar atmosférico contém substâncias que participam de reações químicas importantes para os seres vivos.

Parte 4: Vamos entender mais o ar atmosférico?..............................................27 Objetivos: Reconhecer que o ar atmosférico é uma mistura de gases.

Parte 5: Como o homem modifica o ar atmosférico?.......................................31 Objetivos: Identificar alguns dos mais importantes poluentes do ar atmosférico, suas origens e suas consequências.

II. CONTEÚDOS DE QUÍMICA Apoio 13: Matéria: Modelo Cinético-Molecular..................................................51 Apoio 14: Formas das Espécies Poliatômicas: Geometrias Moleculares................................................................................................67 Apoio 15: Fase Gasosa: A matéria desorganizada!............................................81 Apoio 16: Reações Químicas: transformando substâncias!.......................105 15

Apoio 17: SOx e NOx: Os ácidos da chuva?..........................................................131 Experimentando, para aprender mais (V).............................................................. 159

2. SOLO Parte 1: Solo: a parte sólida da superfície da Terra.......................................167 Objetivos: Conhecer a formação e o perfil do solo. Identificar o que se chama de solo e de subsolo.

Parte 2: Solo: fonte de nutrientes para as plantas..........................................173 Objetivos: Reconhecer o solo como fonte de nutrientes para as plantas. Entender a importância do uso de fertilizantes. Entender a importância de controlar a acidez do solo Parte 3: Solo: fonte de minerais..............................................................................181 Objetivos: Conhecer o papel de defensivos no cultivo de plantas e entender problemas relacionados aos seus usos.

Conhecer métodos alternativos de cultivo da terra.

Parte 4: Como o homem está cuidando da litosfera?....................................185 Objetivos: Reconhecer o subsolo como principal fonte de minerais.

Identificar minerais como sais, óxidos e metais.

II. CONTEÚDOS DE QUÍMICA Apoio 18: Sólidos: a matéria organizada?..........................................................195 Apoio 19: Sólidos Iônicos: Formação e interação de íons...........................205 Experimentando, para aprender mais (VI)............................................................ 219 Apoio 20: Sais e Óxidos: Duas classes de compostos....................................225 Experimentando, para aprender mais (VII)........................................................... 247 Apoio 21: Minerais e Metais: Oxidantes e redutores....................................253 Experimentando, para aprender mais (VIII)......................................................... 301

IIi. bibliografia Referências Bibliográficas..........................................................................................307 16

Parte 1

O que é o gás que respiramos?

O ar atmosférico, esse gás que nos mantém vivos, entra em nossos pulmões como uma mistura de várias substâncias, dentre as quais as mais abundantes são nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio e água. A composição normal do ar seco é 78% de nitrogênio (N2), 21% de oxigênio (O2), 0,9% de argônio (Ar), 0,035% de dióxido de carbono (CO2). O pouquinho que resta para completar 100% consiste de uma mistura de outras substâncias como neônio (Ne), metano (CH4), criptônio (Kr), óxidos de nitrogênio (NOx), xenônio (Xe), vapor d’água (H2O). Ar úmido contém mais vapor d’água que ar seco. Ar poluído contém gases tais como monóxido de carbono (CO), dióxido de enxofre (SO2) e uma quantidade maior de óxidos de nitrogênio e de dióxido de carbono, os quais são provenientes principalmente da exaustão de carros e das chaminés de fábricas.

Nitrogênio, N2, é a substância mais abundante na atmosfera e constitui cerca de 3/4 do ar que inalamos. Entretanto, ele não é utilizado pelos seres vivos, sendo portanto, exalado sem sofrer qualquer alteração. Embora o elemento nitrogênio (N) seja essencial para a vida e faça parte de todos os seres vivos (é um elemento componente das proteínas), muitas plantas e animais não o usam diretamente a partir do ar atmosférico. O homem, então, usa o nitrogênio do ar para pro17

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Química no Contexto

duzir compostos nitrogenados, os quais são usados como fertilizantes para as plantas. Portanto, o ser humano e outros animais adquirem o nitrogênio (N) de que precisam por meio da alimentação.

São os 21% de oxigênio (O2) do ar que são diretamente essenciais para a vida e sem os quais nós não viveríamos mais que uns poucos minutos. Quase todos os seres vivos necessitam de oxigênio para ser utilizado na respiração. Neste processo, o oxigênio entra em nossos corpos, passa pelos pulmões e, depois, reage com nutrientes que são ingeridos na alimentação, liberando, assim, a energia necessária para processos vitais.

Respiração:

Oxigênio + Glicose

W

→

Dióxido de Carbono + Água + Energia (R1)

Discuta:

A atmosfera contém 21% de oxigênio. Nesse ambiente, um cigarro queima em cerca de 5 minutos. A queima e os processos metabólicos são reações com o oxigênio. Como você imagina que seria a vida na Terra se a quantidade de oxigênio fosse aumentada para 40%?

A quantidade de dióxido de carbono no ar atmosférico é tão pequena (0,035%) que é comum expressar sua concentração como trezentos e cinquenta partes por milhão, 350 ppm, ou trezentos e cinquenta miligramas por quilograma de ar, abreviados como 350 mg/kg (sobre modos de expressar a concentração, ver apoio 12, vol.1). Mas essa pequena quantidade de dióxido de carbono na atmosfera terrestre é de fundamental importância para as plantas. Por meio da fotossíntese, as plantas utilizam esse gás do ar para produzir os alimentos necessários para o seu crescimento.

Fotossíntese:

Dióxido de Carbono + Água + Energia

→

Glicose + Oxigênio (R2)

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Ar atmosférico: o gás da vida

A FIGURA 1 mostra um esquema dos processos naturais da respiração e da fotossíntese, além de outros processos através dos quais compostos de carbono são formados e utilizados, portanto, processos que compõem o ciclo do carbono na natureza:

(1)

(2)

Bactérias FIGURA 1 – Ciclo Natural do Carbono

(1) Combustíveis fósseis são compostos que contêm carbono na sua composição.

(2) Decomposição da matéria vegetal ou animal (matéria orgânica) produz compostos de carbono.

Analise a figura 1 e,

1. Identifique processos através dos quais o dióxido de carbono, CO2, é retirado da atmosfera. Identifique também processos através dos quais o dióxido de carbono é eliminado para a atmosfera.

2. Descreva os processos identificados no item 1.

3. Analise os processos identificados no item 1 e tente fazer um ciclo, semelhante ao da FIGURA 1, para o oxigênio.

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Química no Contexto

A composição e as características físicas (pressão e temperatura) da atmosfera terrestre mudam com a altitude, criando quatro regiões distintas. A Figura 2 mostra as regiões da atmosfera.

Figura 2 – Regiões da Atmosfera

Após analisar a figura 2, identifique as regiões da atmosfera e diga:

I) Qual é a mais próxima da superfície da Terra?

II) Em qual delas está a camada de ozônio?

A concentração dos gases na atmosfera, quantidade de um dado gás por unidade de volume, diminui com o aumento da altitude, pois o espaço ocupado pela massa gasosa aumenta. Diz-se que o ar fica mais rarefeito, ou seja, menos denso nas camadas mais altas da atmosfera (sobre concentração, ver apoio 12 e sobre densidade, ver apoio 05, vol.1). O peso de todos os gases juntos em um determinado ponto sobre a superfície da Terra ou em algum lugar na própria atmosfera, gera a pressão atmosférica naquele ponto. Ao nível do mar, a massa de ar sobre um dado ponto produz a mesma pressão que uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura, a 0oC. Assim, a pressão atmosférica, ao

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nível do mar, é igual a setecentos e sessenta milímetros de mercúrio (760 mmHg), o que equivale a uma pressão de 1 atmosfera (1 atm).

Só existe vida sobre a Terra por causa da atmosfera. Ela atua como um cobertor ao redor do planeta, protegendo do sol e fornecendo as condições necessárias para que animais e plantas possam viver.

W

Discuta:

Como seria a Terra se não existisse a atmosfera?

Outros planetas também têm atmosferas, mas são bem diferentes daquela da Terra. Por exemplo, sobre Vênus, o ar é mais denso e a pressão é cerca de 100 vezes maior que a da Terra. Assim, em Vênus o calor do sol fica armazenado e a temperatura atinge 480 oC. É tão quente que não existe água líquida. Já em Marte, a atmosfera é menos densa que na Terra, e a temperatura chega até cerca de −120 oC; lá também não existe água líquida.

@ Teoria e Prática

Para provar que o ar ocupa um lugar no espaço, faça o experimento 1 descrito no Experimentando para aprender mais (IV).

? Agora tente responder

1. O que é vapor de água?

2. O que é ar poluído?

3. “Ar puro” é uma substância? Por quê?

4. Como o ser humano adquire o nitrogênio necessário para a sua existência?

5. O oxigênio entra nos nossos pulmões na forma de substância ou de mistura? Discuta sua resposta.

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Química no Contexto

6. O que é pressão atmosférica?

7. Com base no que você já sabe sobre algumas propriedades físicas da água (ver Água: o líquido mais importante), diga por que em Vênus e em Marte não existe água líquida.

Parte 2

Como os químicos descrevem a composição do ar?

O ar que respiramos, seja ele puro ou poluído, é uma mistura de gases. Como o ar, quase toda a matéria que nós encontramos na nossa vida diária está na forma de mistura. A água que bebemos, os alimentos que comemos, os combustíveis mais usados, o nosso próprio corpo são misturas de substâncias. Por isso é preciso entender um pouco mais sobre o modo como os químicos descrevem a composição dos diferentes tipos de matéria (ver o início desse assunto no apoio 01, vol.1).

Oxigênio, nitrogênio e cada um dos componentes do ar atmosférico se comportam, na mistura gasosa, do mesmo modo que quando estão sozinhos. Por exemplo, o oxigênio participa do processo de respiração já os outros componentes do ar, não. O comportamento do oxigênio puro ou quando misturado com os outros componentes do ar, na respiração, é o mesmo. Isso mostra que as propriedades de cada componente de uma mistura não se modificam. Em Química, mistura é uma combinação física de duas ou mais substâncias, que podem estar presentes em quantidades variáveis (ver o significado químico da palavra “física” no apoio 05, item 5.1, vol.1).

Cabe lembrar que a matéria não se apresenta apenas como mistura (ver apoio 01, vol.1). Por exemplo, os dois componentes mais 23

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Química no Contexto

abundantes do ar atmosférico, os gases nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) não são misturas, são substâncias, substâncias simples. Além de misturas e substâncias simples, há também um terceiro e muito importante tipo de matéria: as substâncias compostas ou simplesmente compostos.

Por exemplo, o dióxido de carbono, CO2, um dos gases componentes do ar atmosférico e a água, H2O, são substâncias compostas. O que diferencia substâncias simples de compostas é a composição do constituinte: o das substâncias simples é formado por um único elemento químico e o dos compostos, por mais de um elemento químico. Água, dióxido de carbono, gás oxigênio e gás nitrogênio, além de milhões de outras substâncias, são formados de moléculas, ou seja, seus constituintes têm um número finito de átomos do mesmo ou de diferentes elementos químicos. Uma molécula é, pois, uma partícula com um número finito de átomos e que tem existência independente na substância. Exemplos: CO2, O2, N2, H2O, CH4, C2H5OH (etanol), C12H22O11 (sacarose) etc.

? Agora tente responder

1. O que os químicos entendem por “mistura”?

2. O que é substância simples? Use os gases oxigênio, O2, e nitrogênio, N2, para ilustrar sua resposta.

3. Por que o dióxido de carbono, CO2, é uma substância composta?

4. De acordo com o modelo químico da matéria, discuta a diferença entre substância simples e composta. Use os gases oxigênio, O2, e dióxido de carbono, CO2, para ilustrar sua resposta.

5. De acordo com o modelo químico da matéria, discuta a diferença entre mistura e substância composta. Use o ar atmosférico e a água, H2O, para ilustrar sua resposta.