Conteúdos e temas: composição média do ar atmosférico; obtenção do oxigênio, do nitrogênio e dos gases nobres por destilação fracionada do ar atmosférico; diversos usos do oxigênio, do nitrogênio e dos gases nobres.

Competências e habilidades: desenvolver a leitura e a interpretação de textos, de tabelas, de esquemas e de linguagens próprios da Química; desenvolver as habilidades de síntese e de argumentação consistentes exigidas em algumas questões que acompanham os textos; compreender o processo da destilação fracionada no nível macroscópico para poder explicá-lo no nível microscópico; buscar, selecionar, organizar e relacionar dados e informações apresentados em diferentes mídias e representados em diferentes formas para resolver problemas.

Sugestão de estratégias de ensino: discussões desencadeadas por perguntas e por análises de informações; leitura de textos seguida de discussões; pesquisas em material escrito e na internet. Sugestão de recursos: material escrito; cópias de textos acompanhados de perguntas abertas; livros didáticos e paradidáticos. Sugestão de avaliação: respostas dadas às questões propostas; realização das tarefas requisitadas

Composição do ar atmosférico

– parte 1

PSIU!!! BOM DIA…BOA TARDE…BOA NOITE…

Quando você se levantou pela manhã, eu já estava do seu lado, enquanto dormia, eu vigiava e guardava o seu sono.

Eu lhe acompanhei durante o dia e você nem percebeu que eu estava do seu lado.

Você trabalhou,viajou,realizou negócios, alcançou vitórias, mas…você não percebeu que eu estava cooperando com você.

Não lhe culpo por não me notar, pois estou tão perto, que me tornei invisível, mas sem mim você não vive.

Ar atmosférico

O ar atmosférico, o ar que nos rodeia, por ser transparente e muitas vezes inodoro, é tido como um nada, como um espaço vazio.

Mesmo quando o vento sopra, quando ouvimos notícias sobre furacões, quando as previsões do tempo apresentam falas como “Uma massa de ar frio vinda do litoral deverá atingir a costa…”, não pensamos no ar como matéria, como uma mistura de gases.

Em hospitais, pacientes com dificuldades respiratórias utilizam máscaras de oxigênio. Em algumas dessas máscaras, o ar atmosférico pode ser enriquecido com diferentes quantidades de gás oxigênio.

A escolha da composição do ar oferecido é indicada para que haja uma oxigenação adequada às necessidades de cada paciente. O gás oxigênio é comercializado em cilindros.

Nas aulas de Ciências, aprendemos que o ar atmosférico é composto principalmente pelos gases nitrogênio e oxigênio. A tabela a seguir apresenta dados sobre a composição média do ar seco, assim como as temperaturas de ebulição dos componentes do ar à pressão de 1 atmosfera.

Neste volume, o foco do estudo recairá sobre a biosfera como fonte de materiais úteis para a sobrevivência do ser humano. 

A biosfera compreende as partes da hidrosfera, da litosfera e da atmosfera habitadas pelos seres vivos. Desse modo, a biosfera não é simplesmente um lugar, e sim um sistema de relações entre os seres vivos e entre a matéria e a energia que os circundam e das quais são constituídos.

A atmosfera em que você está mergulhado já foi considerada um dos quatro elementos, responsáveis por formar tudo o que existia: ar, água, terra e fogo. Hoje, sabe-se que a atmosfera é uma mistura de gases que podem ser separados e utilizados em diferentes áreas de atividades humanas, como na Medicina, na indústria   e em muitas outras.

RECURSOS OBTIDOS DA ATMOSFERA

Nossa atmosfera é formada por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de diversos outros gases, sendo o argônio o que tem maior participação nessa pequena fração. Do ar atmosférico obtêm-se o gás oxigênio, o gás nitrogênio e o gás nobre argônio por meio de destilação fracionada. O processo ocorre por meio das seguintes etapas:

• O ar é purificado pela filtração, que retira assim purezas sólidas. Depois, é levado a um compressor, onde é comprimido e borbulhado em uma solução de hidróxido de sódio para se retirar o CO₂ existente, segundo a reação:

2 NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)

Então, o ar é comprimido novamente, e a água nele existente, separada.

• Esse ar comprimido passa por trocadores de calor, é resfriado por expansão a – 185 °C e liquefeito, indo à coluna de fracionamento para a destilação fracionada.
• Na torre de destilação, o nitrogênio, que apresenta temperatura de ebulição mais baixa, vaporiza e sobe pela coluna, deixando o ar líquido enriquecido de oxigênio.   O processo continua até a separação total.
• Os gases, assim separados, são engarrafados sob pressão no estado líquido e comercializado.

O gás oxigênio é utilizado em diferentes indústrias, no enriquecimento do ar dos fornos em siderúrgicas, na fusão e na redução metalúrgicas, na produção de papel e celulose (como branqueador), nos processos de corte e solda, na Medicina (no enriquecimento do ar de incubadoras de recém-nascidos, em tratamentos intensivos, cirurgias, respiradores de UTIs etc.).

O gás nitrogênio é usado na fabricação do gás amônia, matéria-prima fundamental para a obtenção de fertilizantes e de ácido nítrico. Por ser pouco reativo, é utilizado: em tanques que armazenam líquidos explosivos; no transporte de alimentos, para evitar a oxidação, o desenvolvimento de bolor e o aparecimento de insetos;durante a produção de circuitos integrados existentes em todos os equipamentos eletrônicos; na fabricação de borracha e plásticos, para evitar reações indesejáveis; e na conservação das células reprodutivas tanto de seres humanos quanto de outros animais.

O argônio, também obtido das instalações de fracionamento do ar, é utilizado como gás protetor nos processos de solda e na indústria de lâmpadas e de tubos luminosos. Com exceção do hélio, que é obtido do gás natural, no qual se apresenta em maior concentração, os outros gases nobres, como o argônio, o criptônio   e o xenônio, também são obtidos do fracionamento do ar atmosférico para serem utilizados em lâmpadas e na produção de atmosfera inerte(que não reage).

Além de o ar atmosférico ser fonte de substâncias, ele é também fonte de energia, sendo utilizado desde o século X nos moinhos e, hoje, nos parques eólicos na obtenção de energia elétrica.

Questões

1. O que é temperatura de ebulição?

2. Para uma mesma substância a uma dada pressão, o valor da temperatura de ebulição é igual ao valor da temperatura de liquefação, ou seja, TE = TL. Explique a razão de, às vezes, usarmos a expressão “temperatura de ebulição” e, às vezes, usarmos “temperatura de liquefação”.

3. A temperatura de ebulição do nitrogênio, de acordo com a tabela, é de – 196 °C  a temperatura de a –200 °C, o nitrogênio encontra-se no estado líquido.

4. A  -190 ºC e à pressão de 1 atm, quais componentes do ar estão no estado sólido, quais estão no estado líquido e quais estão no estado gasoso?

5. Embora o gás hélio esteja presente no ar atmosférico e em uma quantidade maior que a dos gases criptônio e xenônio, comercialmente é obtido de jazidas subterrâneas de gás natural. Procure dar uma explicação para esse fato.

6. Em uma torre de destilação fracionada do ar, o nitrogênio deve ser obtido em um prato situado acima do prato de onde sai o oxigênio. Procure dar uma explicação para essas posições.

7. Explique: “as moléculas de nitrogênio, oxigênio e de hidrogênio são apolares”.

8. Como explicar que, a uma mesma pressão, o gás oxigênio se liquefaça a uma temperatura mais alta que o gás hidrogênio?

PRESSÃO

A pressão é a força aplicada por unidade de área. Suponha que você vai mar- telar dois pregos em uma madeira, um com a ponta perfeita e o outro sem ponta. Uma boa martelada enterra o primeiro prego com facilidade, mas o segundo prego, com a mesma martelada, provavelmente vai entortar e não penetrará na madeira.  Se a força aplicada é a mesma, qual a razão para um prego entrar com facilidade  na madeira e o outro não? Isso se explica pelo fato de, no primeiro caso, a força ter sido aplicada sobre uma área da madeira menor que a do segundo caso.

A relação entre a força aplicada e a área que foi submetida a tal força é a pressão, representada pela equação em que P é a pressão, F, a força e A, a área em que a força foi aplicada: P = F ,  mostrando que a pressão é diretamente proporcional à

A força e inversamente proporcional à área Você já ouviu falar que a pressão atmosférica diminui com a altitude? A razão disso está na coluna de ar sobre a superfície da Terra. No nível do mar, a pressão    é maior porque há uma coluna de ar maior; em uma montanha, a coluna de ar é menor, e também a pressão atmosférica. O gráfico da figura a seguir relaciona a pressão atmosférica com a altitude.

O planeta Terra precisa de cuidados. Saiba o que é e o que causa o aquecimento global.

O AQUECIMENTO GLOBAL

Envolvendo o planeta Terra, há uma camada de gases que chamamos de atmosfera. Os raios solares a atravessam, aquecendo a superfície terrestre que, quando aquecida, libera calor. Uma parte desse calor é absorvida pela atmosfera e a outra parte se perde no espaço. Quando a atmosfera absorve esse calor, ela não deixa que a Terra esfrie muito e mantém a superfície terrestre aquecida possibilitando a vida na Terra. Se não ocorresse isso, a Terra seria muito fria, em torno de -270C, e seria impossível viver aqui. Isso é o que chamamos de efeito estufa, um processo natural.

O efeito estufa é um fenômeno natural

As queimadas em matas e florestas, as indústrias, fábricas e motores a gasolina e diesel emitem vários gases, dentre eles o CO₂ (dióxido de carbono). Esses gases chegam à atmosfera e formam uma camada impedindo que grande parte do calor que está dentro da Terra saia. O que ocorre é um aumento na temperatura da superfície terrestre, o chamado aquecimento global.

O CO2 forma uma barreira que impede que o calor saia da Terra

Como consequência desse aumento na temperatura no interior da Terra, podemos ver o derretimento das calotas polares, provocando um aumento no nível dos oceanos; a diminuição da umidade do ar podendo provocar desertificação em algumas regiões; o aumento de furacões, tufões e tornados e intensas ondas de calor.

Consequências do efeito estufa

Para que o efeito estufa não se torne um problema é necessário que a sociedade diminua a poluição do ar, mas como podemos fazer isso?

• Plantando mais árvores;
• Evitando queimadas;
• Reciclando o lixo;
• Usando a energia solar e a energia eólica (vento) para produzir energia elétrica;
• Usando mais transportes públicos;
• Colocando filtros nas indústrias e fábricas;
• Diminuindo a emissão de CO2 realizada pelos meios de transporte;
• Conscientizando a população mundial sobre o aquecimento global.

COMPOSIÇÃO, PROCESSAMENTO E USOS DO PETRÓLEO, DO GÁS NATURAL E DO CARVÃO MINERAL

Atividade 1 – Petróleo e gás natural como fontes de materiais Você já deve ter ouvido nos meios de comunicação ou mesmo lido em revistas e jornais alguma notícia sobre a presença de petróleo na camada pré-sal das bacias do Sul e do Sudeste do Brasil. O petróleo tem importância econômica nos dias de hoje? Você já pensou que tipo de material é o petróleo? Será uma substância composta? Será uma solução? Será uma mistura? Nesta atividade, você buscará respostas para essas questões.

Leitura e análise de texto Processos envolvidos na obtenção dos derivados do petróleo

O gás natural e sua purificação O gás natural é um combustível fóssil e, assim como o petróleo, foi formado pela decomposição de matéria orgânica durante milhões de anos. Ele é encontrado em rochas porosas no subsolo e, em geral, em uma camada acima da reserva de petróleo. No entanto, as rochas porosas que armazenam o gás também podem estar em locais onde não se encontra reserva de petróleo.

 Questões

1. “O petróleo continua sendo um recurso básico para a moderna sociedade industrial, apesar de ter sofrido um relativo declínio nas últimas décadas. Em 1971, representava cerca de 68% da energia consumida no mundo, mas em 2007 essa proporção tinha baixado para cerca de 34%, uma porcentagem ainda significativa e maior que a de qualquer outra fonte de energia isoladamente. Se somarmos o petróleo ao gás natural, geralmente associado a ele e que sozinho representa cerca de 20% do consumo energético mundial, teremos um total de 54% da energia produzida pela humanidade, com essas suas fontes fósseis em conjunto”.

(VESENTINI, J. W. Geografia: o mundo em transição. São Paulo: Editora Ática, 2012. p.75.)

Em função de suas importâncias, podemos concluir que o petróleo e o gás natural são fontes de energia utilizadas em diversos setores de atividades, dentre os quais podemos assinalar:

a) residencial, energético, transportes e industrial.

b) transportes, agrícola, industrial e extrativista

c) industrial, residencial, energético e construção civil

d) comercial, residencial, transportes e ambiental.

2. A comercialização do petróleo em nível internacional está, em grande parte, associada à atividade da OPEP – Organização dos Países Exportadores de Petróleo –, cuja principal função é:

a) diversificar o preço do produto em todo o planeta, a fim de dinamizar a livre concorrência entre os países petrolíferos.

b) cartelizar e controlar o valor do barril de petróleo entre os seus países-membros.

c) incentivar e financiar pesquisas científicas sobre a extração e o refino de petróleo.

d) organizar os produtores de petróleo em cooperativas a fim de livrar os produtores das ações do Estado.

3. O petróleo é um importante hidrocarboneto, utilizado como fonte de energia e como matéria-prima para a produção de plástico, tintas, solventes e outras mercadorias. Sua formação é resultante da decomposição de matéria orgânica animal e vegetal retida nos subsolos.