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Ciências Ambientais Espetaculares Verão em Projeto – BLOCO III Prof. Dr. Joaquim C. G. Esteves da Silva Dr.ª Sónia de Jesus Rocha Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Julho, 2018


Ciências Ambientais Espetaculares – BLOCO III

2018

Índice Chuva ácida ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3

Efeito de estufa ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5

Medição de ozono na atmosfera --------------------------------------------------------------------------------------

8

Desgaste ambiental ------------------------------------------------------------------------------------------------------

9

Medição da radioatividade ----------------------------------------------------------------------------------------------

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Reciclagem de papel -----------------------------------------------------------------------------------------------------

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Monitorização ambiental: utilização do Drone ---------------------------------------------------------------------

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Chuvas ácidas Poluição atmosférica Notas Introdutórias Síntese de SO2(g) Recolher o gás (g) + (g) +

(g) numa solução aquosa de água oxigenada.

(aq) (ℓ

(g) +

(ℓ)

(aq)

Síntese de NO2(g) (s) + 4 O 2

(ℓ)

aq) + 2

(g) + 2

(ℓ)

(g) é um gás castanho que é solúvel em água. (g) +

(ℓ)

(aq) +

(aq)

Material 

Gobelé

Cadinho de porcelana

Matráz com tubuladura lateral

Frasco

Tubo

Reagentes 

Água desionizada

Enxofre

Ácido nítrico concentrado

Peróxido de hidrogénio (água oxigenada)

Fio de cobre

Indicador universal de pH em papel

Esquema de montagem

Figura 1 – Simulação de chuvas ácidas.

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Procedimento Experimental Formação de chuvas ácidas com origem em óxidos de azoto 1. Coloca água num gobelé. 2. Mede o pH da água com papel indicador de pH. 3. Adapta um tubo ao matráz com tubuladura lateral. 4. Mergulha o tubo na água. 5. Coloca um fio de cobre no matráz. 6. Adiciona 10 cm3 de ácido nítrico concentrado. 7. Tapa o matráz. 8. Deixa borbulhar os vapores castanhos na água. 9. Mede o pH da solução do gobelé.

Formação de chuvas ácidas com origem em óxidos de enxofre 1. Coloca 50 cm3 de água num frasco. 2. Adiciona algumas gotas de água oxigenada. 3. Mede o pH da solução com papel indicador de pH. 4. Num cadinho de porcelana, adiciona um pouco de enxofre em pó. 5. Queima o enxofre (coloque um fósforo a arder em cima do enxofre). 6. Transfere o cadinho imediatamente para o frasco. 7. Tapa o frasco. 8. Mede o pH da solução com papel indicador de pH.

Resultados Formação de chuvas ácidas com origem em óxidos de azoto Tabela 1. Registo dos valores de pH

Medição

início

fim

pH

Formação de chuvas ácidas com origem em óxidos de enxofre Tabela 2. Registo dos valores de pH

Medição

início

fim

pH

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Simulação do efeito estufa Notas introdutórias A maior parte da energia que chega à Terra vem do Sol. Parte desta radiação é refletida nas nuvens e a restante, que atravessa a atmosfera, praticamente não interatua com os gases que a constituem (Tabela 1) e é absorvida pela superfície da Terra provocando o seu aquecimento. A superfície da Terra assim aquecida emite radiação infravermelha de volta para o espaço (Figura 1).

Figura 1 – Esquema do efeito estufa da Terra.

No entanto, algumas moléculas gasosas que constituem a atmosfera, principalmente de dióxido de carbono (

), absorvem parte dessa radiação, provocando o seu aquecimento. Este efeito denomina-se

efeito estufa. Se não houvesse efeito estufa na Terra, esta teria uma temperatura média 33ºC inferior à atual e certamente que a Terra não seria caracterizada pela sua biodiversidade. Tabela 1 – Composição da atmosfera seca.

Componente Azoto (

78,1

)

Oxigénio ( Árgon (

Percentagem em massa (%)

20,9

)

0,93

)

Dióxido de carbono (

)

Outros gases

0,038 0,032

EFEITO ESTUFA E AQUECIMENTO GLOBAL Ciclos de temperatura da Terra. A temperatura da Terra tem oscilado naturalmente de forma cíclica ao longo dos anos (Figura 2) devido à variação dos seguintes fatores: (i) intensidade da radiação solar, (ii) orientação da Terra relativamente ao Sol (ciclos de Milankovitch) e (iii) atividade vulcânica na Terra. Atualmente, a Terra encontra-se num ciclo de aquecimento.

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Figura 2 – Temperatura da Terra desde há 160 milhares de anos.

No entanto, o aquecimento que atualmente se observa na Terra (denominado aquecimento global) é maior do que seria de esperar devido ao aumento da concentração atmosférica de gases estufa. Os gases estufa são os gases atmosféricos que absorvem radiação infravermelha emitida pela Terra, como por exemplo: éo

,

(metano) e

(óxido nitroso). O que tem uma maior contribuição para o efeito estufa

, que se liberta durante a combustão dos combustíveis fósseis, e cuja concentração atmosférica

tem vindo sempre a aumentar desde o início do século XX (Figura 3).

Figura 3 – Concentração atmosférica de CO2 (azul) e temperatura da Terra (vermelho) desde o ano 1000.

Material 

Caixa de plástico com tampa

Suporte universal

Termómetro

Garra

Candeeiro com lâmpada

Noz

Kitasato

Espátula

Tubo de borracha

Rolha

Reagentes 

Terra

Dióxido de carbono (g) [obter a partir de

(s) e

(aq)]

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Esquema de montagem

Figura 4 – Aquecimento do interior da caixa de plástico, contendo terra.

Procedimento Experimental Parte I 1. Introduzir numa caixa de plástico transparente uma quantidade de terra de forma a cobrir o fundo da caixa. 2. Colocar um termómetro no interior da caixa de plástico. 3. Fechar a caixa de plástico com a respetiva tampa. 4. Medir e registar a temperatura inicial. 5. Projetar a luz de uma lâmpada sobre a caixa de plástico tapada. 6. Ao fim de um minuto, medir de novo a temperatura dentro da caixa de plástico. Parte II 1. Introduzir numa caixa de plástico transparente uma quantidade de terra de forma a cobrir o fundo da caixa. 2. Colocar um termómetro no interior da caixa de plástico. 3. Antes de fechar a caixa de plástico, introduzir dióxido de carbono (g). (Nota: Produção de dióxido de carbono a partir da reação química entre o bicarbonato de sódio (s) e uma solução aquosa de um ácido). 4. Fechar a caixa de plástico com a respetiva tampa. 5. Medir e registar a temperatura inicial. 6. Projetar a luz de uma lâmpada sobre a caixa de plástico tapada. 7. Ao fim de um minuto, medir de novo a temperatura dentro da caixa de plástico.

Tópicos de reflexão 

Compara os valores de temperatura obtidos na atividade. Reflete sobre os valores de temperatura obtidos. Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

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Medição do ozono na atmosfera Poluição atmosférica

Notas introdutórias O ozono (

é um dos principais poluentes das atmosferas urbanas, associado a um fenómeno

vulgarmente conhecido como smog fotoquímico. O ozono resulta de um conjunto muito complexo de reações químicas que ocorrem na atmosfera, na presença de luz solar. Estas reações são despoletadas pelos poluentes que são emitidos pelos tubos de escape dos transportes, nomeadamente óxidos de azoto e hidrocarbonetos (ex.: gasolina) não queimados.

Equipamento  Sensor de ozono

Procedimento experimental: 1. Ligar o sensor e aguardar que apareçam as primeiras medições. 2. Fazer a medição do ozono no interior do laboratório. 3. Fazer medições no exterior do edifício, principalmente em zonas com tráfego automóvel. 4. Comparar com os valores experimentais com os valores limites previstos na legislação.

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Desgaste ambiental de mármore e calcários …e o impacto nos monumentos. O calcário é uma rocha sedimentar que contém minerais de carbonato de cálcio. A atividade experimental – descalcificação do ovo (figura 1) consiste em colocar um ovo cru numa solução aquosa de vinagre (constituído por ácido acético). O principal constituinte da casca do ovo é carbonato de cálcio. O carbonato de cálcio reage com ácido acético originando um gás que é o dióxido de carbono, visível através da formação de bolhas gasosas. Nesta reação química o ovo é descalcificado, ficando o ovo sem casca.

Figura 1 – Descalcificação do ovo.

Figura 2 – Pedaços de mármore.

Material 

materiais à base de carbonatos (mármores ou calcários)

pipeta conta-gotas

Reagentes 

Chuva ácida simulada (ou solução aquosa de um ácido)

Procedimento Experimental 1. Coloca umas gotas das chuvas ácidas simuladas na atividade anterior sobre materiais à base de carbonatos (mármores ou calcários). 2. Quando a superfície do material estiver seca, observar o que aconteceu na superfície que esteve em contacto com o líquido. 3. Compara a superfície que esteve em contacto com o líquido com a que não esteve em contacto com o líquido.

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Medição de radioatividade … em diferentes amostras

Notas introdutórias A radioatividade não é por si só um contaminante. Todos os dias estamos expostos à radioatividade natural. Durante uma vida média de um humano 79% da exposição vem de fontes naturais, 19% de procedimentos médicos e 2% de acidentes e testes nucleares. Os solos podem ficar contaminados com radioatividade acima do normal a partir de vários fontes: 

testes de armas nucleares;

má deposição de material contaminado;

acidentes em centrais nucleares.

Níveis elevados de radiação são tóxicos porque podem alterar o ADN que controla a divisão celular. Se o ADN for alterado a divisão celular fica descontrolada e pode levar à formação de tumores. A toxicidade da radiação está relacionada com: 

a extensão do corpo que está exposta ao material radioativo;

o nível de energia;

o tempo de semidesintegração;

a parte do corpo onde o material radioativo se acumula.

A radioatividade é constituída por três tipos de radiação:  – alfa;  – beta; e  – gama. A distinção do tipo de radiação que caracteriza a emissão radioativa de um determinado material é importante porque ela determina a extensão dos estragos e o modo de proteção. Por exemplo, a radiação alfa é a que tem maior potencial para efetuar estragos embora seja a mais fácil de parar. Por outro lado, a radiação gama é a que poderá ser menos destrutiva mas a mais difícil de proteger.

Os materiais contendo fontes radioativas podem ser facilmente obtidos: (i) Relógio antigo com ponteiros luminosos. A luz proveniente dos ponteiros de relógios antigos deviase a uma tinta que continha rádio. O rádio é um emissor de radiação  e, resultante dos seus produtos de decomposição, radiação  e  .

(ii) Jarras antigas com pigmentos laranja/vermelho. As tintas laranja/vermelho usadas em vasos de barro ou cerâmica antigos continham um pigmento de óxido de urânio que é radioativo.

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(iii) Fontes radioativas (204Tl, 90Sr, 137Cs, 210Po e 60Co) de muito baixa atividade. Existem disponíveis comercialmente fontes radioativas de muito baixa intensidade para serem usadas em experiências de demonstração para alunos (por exemplo: www.daedalon.com). Estas fontes radioativas estão seladas de forma permanente num disco com 2,5 cm de diâmetro (figura 1). No laboratório existem disponíveis discos contendo as seguintes fontes radioativas: 

204

Tl: emissores  e  (1,0 Ci).

90

137

210

60

Sr: emissor  (0,1 Ci). Cs: emissores  e  (5,0 Ci).

Po: emissor  (0,1 Ci).

Co: emissor  (1,0 Ci).

Figura 1 – Fontes radioativas.

(iv) Sais de urânio: nitrato e acetato de uranilo. O elemento urânio natural é constituído principalmente pelos isótopos

238

U (99,2798 %) e

235

U (0,7202 %). Assim, todos os compostos de urânio existentes em

qualquer laboratório de química são fundamentalmente constituídos por radiação  (converte-se em

234

238

U que é um emissor de

9

Th) com um tempo de semivida de 10 anos e observa-se uma série de

decaimento radioativo que termina no 206Pb que não é radioativo. (v) Minerais de urânio. Os elementos radioativos mais frequentes na natureza são o urânio e o tório. Assim, os minerais que contêm estes elementos são também radioativos. No caso do urânio alguns minerais que contêm este elemento são os seguintes: pecheblenda (uraninite) – UO2; torbernite – Cu(UO2)2(PO4)2.8H2O; e, autunite – Ca(UO2)2(PO4)2.10-12H2O. As seguintes recomendações devem ser seguidas no caso de minerais de urânio (e para todos os materiais radioativos !!): 

todos os minerais de urânio não podem ser guardados em lugares habitados;

colecionar apenas pequenos fragmentos (os grandes necessitam de um revestimento de chumbo);

lavar muito bem as mãos depois de mexer em substâncias radioativas;

não comer nem fumar quando estiver a manusear substâncias radioativas;

manter os minerais radioativos fora do alcance das crianças.

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(vi) Solo de uma região com minas de urânio. As regiões contendo minas de urânio apresentam uma radiação externa natural relativamente elevada. Este facto deve-se à existência no solo de sais de urânio e rádio, ou rochas contendo minerais destes elementos, o que contribui diretamente para uma maior radioatividade ambiente. Por outro lado, as emissões radioativas do gás radão, gerado durante a decomposição radioativa daqueles elementos, contribuem para um aumento da radioatividade de fundo das regiões com minas de urânio. (vii) Escórias de uma mina de urânio. Tal como os solos de uma região com minas de urânio os resíduos das minas de urânio contêm materiais radioativos. É possível medir a radioatividade em amostras de solos contaminados por urânio. A figura 2 ilustra a medição da radioatividade de solos contaminados com urânio, usando um contador Geiger-Müller.

Figura 2 – Medição da radioatividade em solos contaminados com urânio.

O objetivo desta atividade experimental é medir a radioatividade de solos e rochas utilizando um contador Geiger portátil e determinar o tipo de radiação ,  e  que está a ser emitida pelos materiais radioativos.

Material 

Folha de papel de alumínio

Folha de papel

Amostras de solos e rochas

Contador Geiger de elevada sensibilidade: 1

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Esquema de montagem

Figura 3 – Medição da radioatividade em amostras de rochas.

Procedimento Experimental Parte I – Medição da radioatividade em amostras.

1. Selecionar uma amostra. 2. Aproximar o contador Geiger da amostra. 3. Observar o que acontece. 4. Selecionar nova amostra. 5. Aproximar o contador Geiger da amostra. 6. Observar o que acontece. 7. Comparar o valor obtido nas diferentes medições de radioatividade. Parte II – Análise do poder penetrante das radiações

1. Selecionar uma amostra radioativa. 2. Medir toda a dose absorvida pelo contador Geiger (medição 1). 3. Registar o valor na tabela 1. 4. Colocar uma folha de papel entre a fonte e o contador Geiger (elimina a radiação ). 5. Efetuar uma medição (medição 2). 6. Registar o valor na tabela 1. 7. Colocar uma folha de alumínio de 3 mm entre a fonte e o contador Geiger (elimina as radiações  e ). 8. Efetuar uma medição (medição 3). 9. Registar o valor na tabela 1.

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Tabela 1 – Registo dos resultados

Medição

Dose absorvida

1 2 3

10. Determinar a dose absorvida para cada tipo de radiação (tabela 2). Considere as seguintes expressões: Radiação  = medição 3

Radiação  = medição 2 – medição 3

Radiação  = medição 1 – medição 2 – medição 3

Tabela 2 – Doses absorvidas para cada tipo de radiação

Radiação

Dose absorvida

  

Tópicos de reflexão 

Observar a figura 3 e analisar os passos realizados ao longo do procedimento experimental.

Figura 4 – Poder penetrante das radiações

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Reciclagem de papel Material 

Liquidificador

Bacias

Rolo de massa

Pano

Peneira

Jornais, revistas e folhas de cadernos usadas

Reagentes 

Água

Esquema de montagem

Figura 1 – Modo de retirar a água da pasta de papel.

Procedimento experimental 1. Rasgar o papel em pedaços pequenos. 2. Colocar os pedaços de papel num recipiente. 3. Adicionar água ao recipiente. 4. Deixar o papel em contacto com a água durante algum tempo, até o papel amolecer. Sugere-se no mínimo 2 dias. 5. Transferir para o liquidificador a mistura de papel e água. 6. Triture a mistura do liquidificador. 7. Transferir o conteúdo do liquidificador para um recipiente. 8. Usando uma peneira ou um escorredor, deixar escorrer a água contida na mistura retirada do liquidificador. 9. Com o auxílio de um pano, pressionar o conteúdo da peneira deve colocar um pano absorvente ou folhas de jornal por baixo da peneira para absorver o excesso de água. 10. Colocar um objeto em cima da pasta para prensar o papel. 11. Deixar em repouso até ficar bem seco. 12. Moldar o papel para criar uma recordação de papel reciclado. Usar a imaginação e haja criatividade. Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

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Monitorização ambiental: utilização do Drone Demonstração das potencialidades do DRONE no Ambiente Notas introdutórias O aumento populacional e do correspondente consumo originam pressão sob os recursos naturais da Terra e, o ambiente, se não for bem gerido, tem tendência a degradar-se, em consequência do desgaste desses recursos e da poluição. Uma das formas mais eficazes de gerir o ambiente é pela imposição de regras (regulamentos) sob a forma de Leis do Ambiente em geral, e mais específicas sob a Qualidade do Ar, Água e Solo e das Emissões Industriais. No entanto, para verificar se os regulamentos ambientais estão a ser cumpridos é necessário fazer a monitorização do ambiente nos parâmetros previstos na legislação. O cumprimento das Leis do Ambiente constitui um dos fatores mais importantes da resiliência que caracteriza o ambiente nos Países mais desenvolvidos porque, apesar do aumento populacional, a qualidade do ambiente tem tendência a melhorar. A monitorização da qualidade do ambiente pode ser efetuada de forma direta recorrendo a sistemas sensores que estão implementados nos sistemas ambientais ou estes sensores podem ser transportados por satélites ou drones. Neste último caso obtém-se mapas com índices de qualidade que permite detetar potenciais incumprimentos ambientais ou seja, potenciais focos de poluição. Também, a análise rigorosa de amostras ambientais, ar, água ou solo, pode ser diretamente efetuada usando equipamento mais pesado e transportado para os locais de estudo, como no caso do controlo das emissões industriais que, segundo os regulamentos têm que ser efetuados de forma periódica. Por fim, quando não há possibilidade de serem efetuadas de forma suficientemente rigorosa a quantificação de alguns parâmetros previstos na legislação, recorre-se a amostragens ambientais e as amostras são enviadas para ser analisadas em laboratórios certificados.

Procedimento 1. Aprender a controlar um drone.

Figura 1 – Drone.

Tópicos de reflexão Analisar as aplicações do drone na monitorização ambiental.

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Manual Ciências Ambientais Espetaculares - Bloco III  

Universidade Júnior 2018

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