A química da camada de ozônio
Sabemos que o sol é essencial para existência da vida na Terra. No entanto, a energia que ele emite é muito intensa. Mas, felizmente, não é toda radiação emitida pelo sol que chega até a superfície da Terra, mas somente a com comprimentos de onda que variam entre aproximadamente 320 a 2.500 nm e as ondas de rádio. O restante não consegue atravessar as moléculas de gases que compõem a atmosfera.
Durante a evolução da Terra, a composição da atmosfera mudou muito. Atualmente, ela é, praticamente, composta por gases como nitrogênio (78%) e oxigênio (21%) - o 1% restante é formado por argônio (0,9%), dióxido de carbono (0,3%), vapor de água, hidrogênio, ozônio, metano, monóxido de carbono, hélio, neônio, criptônio, xenônio e outros gases emitidos pelo homem, através da industrialização e de outros processos.
Vários gases contribuem para absorver a radiação do ultravioleta, como o ozônio, por exemplo, que absorve a radiação eletromagnética emitida pelo sol com comprimentos de onda menores que 320 nm. Isto é fundamental para a existência da vida na Terra, já que esta radiação atua sobre o DNA das células!
O oxigênio (O2) expelido pelas plantas é um dos principais constituintes da atmosfera e também é utilizado para produzir o ozônio (O3). O oxigênio é uma molécula diatômica que contribui para filtrar esta energia do sol, absorvendo radiação do ultravioleta com comprimento de onda que varia entre 70 e 250 nm.
O O3, situado acima da estratosfera, filtra a maior parte da radiação ultravioleta que é emitida pelo sol. Além disso, a radiação ultravioleta com comprimentos de onda mais curtos que 120 nm também é filtrada na estratosfera e acima dela pelo N2. Desta forma, a radiação com comprimentos de onda mais curtos que 220 nm não atinge a superfície da Terra.
Verifique na animação ao lado as camadas da atmosfera.
O O2 é incapaz de filtrar toda a radiação do ultravioleta que é prejudicial aos organismos vivos. Por isso, a radiação emitida pelo sol com comprimentos de onda que variam de 220 a 320 nm também deve ser filtrada, o que é feito, principalmente, pelas moléculas de O3, que estão espalhadas pela estratosfera. O ozônio está presente em pequenas concentrações em toda a atmosfera, sendo que a quantidade normal de ozônio estratosférico, em latitudes onde predominam climas temperados, é de cerca de 350 UD.
Como as moléculas de ozônio são formadas? Quais são os processos que estão envolvidos para que se forme uma camada de ozônio na atmosfera?
Observe a animação ao lado. É possível verificar que, para formar o ozônio, o oxigênio se dissocia absorvendo fótons da região do ultravioleta. Então, os átomos de oxigênio formados podem reagir com as moléculas de O2 formando o O3. Desta forma, se uma molécula de O2 absorver um fóton com comprimento de onda 241 nm ou menor, a energia absorvida será utilizada para que elétrons do estado fundamental sejam deslocados até o estado excitado. Como o estado excitado é instável, este elétron tende a voltar, convertendo o excesso de energia que foi absorvida na forma de calor. Este, por sua vez, é então distribuído entre as moléculas vizinhas aumentando, assim, as colisões entre elas. Tudo isso leva as moléculas de O2 a se dissociarem.
A colisão de um átomo de oxigênio (O) com uma molécula de oxigênio (O2) pode levar à formação de O3:
O + O2 —> O3 + calor
Todas as moléculas de ozônio da atmosfera são sintetizadas desta forma. Assim, enquanto a radiação do sol está incidindo sobre a atmosfera, o ozônio está sendo formado. Por outro lado, o nitrogênio é capaz de absorver o excesso de calor que é gerado na colisão entre o oxigênio atômico e molecular para produzir ozônio:
O + O2 + N2 —> O3 + N2 + calor
A liberação de calor através dessa reação faz com que a temperatura se eleve na região da atmosfera, onde são formadas as moléculas de ozônio, em relação às regiões acima e abaixo dela. A este fenômeno dá-se o nome de inversão térmica.
Variação da concentração de ozônio x temperatura / variação da concentração de ozônio x altura
E por que isso acontece? Por que não há transferência de calor de uma região da atmosfera para outra até se igualar a temperatura?
Como um gás frio é mais denso que um quente, ele não se eleva espontaneamente devido à força de gravidade; como resultado, não há condução de calor. Isto pode ser verificado na figura ao lado, onde estão ilustrados dois gráficos de variação de concentração do ozônio com a altura e com a temperatura na atmosfera.
O ozônio absorve a radiação com comprimentos de onda < 320 nm para que seus elétrons sejam deslocados para o estado excitado, o que pode levar a uma dissociação, formando novamente a molécula e o átomo de oxigênio.
Na animação abaixo, você entenderá algumas das reações que ocorrem na camada de ozônio. Verifique que os átomos de oxigênio produzidos na reação do ozônio com a radiação da região do ultravioleta podem reagir subsequentemente com moléculas de oxigênio para formar novamente o ozônio; alguns reagem com o ozônio, formando duas moléculas de oxigênio. Mas, como essa reação é muito lenta, geralmente, ela não ocorre.
Como há uma grande quantidade de oxigênio na atmosfera que está constantemente recebendo a radiação energética do sol, de que maneira a camada de ozônio está diminuindo? Por que não se forma mais ozônio na atmosfera? Por que todas as moléculas de oxigênio não estão dissociadas? Como se organizam estes gases na atmosfera?