Medição de Ozônio Troposférico
Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul
O ozônio é uma forma de oxigênio elementar (O3), uma molécula de três át…
1. Preparação do papel de Schönbein
- Coloque 100 mL de água destilada em um béquer de 250 mL.
- Adicione 11/4 colheres de chá de amido de milho.
- Coloque uma barra de mexida no béquer e coloque o béquer em uma placa quente/mexa. Aqueça em uma configuração média a alta, e mexa a mistura lentamente até que fique perto de aproximadamente 90 °C. A mistura é gelada quando engrossa e se torna um pouco translúcida.
- Retire o béquer da fonte de calor, adicione 1/4 colher de chá de iodeto de potássio e mexa bem.
- Esfrie a solução antes de aplicar no papel do filtro.
- Coloque um pedaço de papel filtro em uma placa de vidro ou segure-o no ar, e usando uma pequena escova de tinta, escove cuidadosamente a pasta sobre o papel do filtro. Vire o papel do filtro e faça o mesmo do outro lado. Tente aplicar a pasta o mais uniformemente possível.
- Coloque o papel durante a noite e longe da luz solar, ou coloque em uma temperatura baixa (20 °C) secando o forno para secar.
- Uma vez que o papel esteja seco, use a tesoura para cortar o papel do filtro em tiras de 1 polegada de largura. Se armazenar o papel para uso posterior, coloque as tiras em um saco plástico vedado ou jarra de vidro, sob a luz solar direta.
2. Medição do ozônio
- Pulverize tiras de papel de teste com água destilada e pendure um mínimo de três tiras em cada local de coleta de dados fora da luz solar direta. Pendure-se com segurança ao gravar ou prender uma extremidade da faixa a uma estrutura (por exemplo, parede, blocos de estacionamento, postes de luz). As tiras também podem ser penduradas usando arame com uma extremidade empurrada para o chão e a outra extremidade presa à faixa. Certifique-se de que as tiras fiquem desobstruídas.
- Exponha o papel por aproximadamente 8h. Observe onde cada tira foi pendurada e use dados meteorológicos para registrar a localização da umidade relativa durante a exposição ao papel. Alternativamente, um psicorômetro pode ser usado para medir a umidade relativa de cada local.
- Se os resultados não forem registrados imediatamente, sele a tira em um recipiente hermético após a exposição.
- Para observar e registrar os resultados dos testes, pulverize o papel com água destilada.
- Observe a cor comparando-a com a escala de cores fornecida e registrando o número de Schönbein correspondente. Calcule o número médio de Schönbein para cada site.
- Use os dados de umidade relativa para cada local e o Gráfico numérica de Umidade Relativa(Figura 3)para converter as médias do local de Schönbein em concentração de ozônio (ppb).
Figura 3. Gráfico de números de umidade relativa schönbein
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O ozônio é uma forma de oxigênio elementar que ocorre na atmosfera e é classificado como um poluente atmosférico prejudicial à saúde humana. Usando a técnica de Schönbein, os níveis de ozônio em locais de interesse podem ser quantificados. As moléculas de ozônio são compostas por três átomos de oxigênio ligados em uma estrutura altamente reativa como agente oxidante e ocorrem nos níveis da estratosfera e da troposfera da atmosfera.
As moléculas de ozônio na estratosfera formam a camada de ozônio, o que ajuda a evitar que os raios UV prejudiciais atinjam a superfície da Terra. Em altitudes mais baixas da troposfera, o ozônio é prejudicial à saúde humana e, como poluente, contribui para a poluição fotoquímica. O ozônio pode danificar diretamente o tecido respiratório humano se inalado ou danificar tecidos vegetais e materiais mais macios, incluindo pneus de veículos.
A presença de ozônio na troposfera pode ser quantificada usando papel de Schönbein, uma mistura de amido, iodeto de potássio e água espalhada em papel de filtro. Depois de seco, o papel muda de cor na presença de ozônio.
Este vídeo ilustrará o processo de fabricação de papel Schönbein, colocação e leitura de tiras de teste e quantificação dos níveis de ozônio usando a escala de cores Schönbein.
Uma maneira pela qual o ozônio troposférico externo é formado ao nível do solo é quando óxidos nitrosos e compostos orgânicos voláteis das emissões de automóveis são expostos à luz solar. Consequentemente, as condições para a formação de ozônio e a crescente preocupação com a saúde aumentam em ambientes ensolarados ou em horários ou locais de uso intenso de automóveis.
Em ambientes fechados, o ozônio troposférico pode ser formado quando a descarga elétrica de equipamentos de alta tensão, como purificadores de ar iônicos, impressoras a laser ou fotocopiadoras, quebra as ligações químicas do oxigênio atmosférico no ar circundante. Os radicais livres de oxigênio se combinam com uma molécula de oxigênio no ar para criar ozônio.
Usando papel Schönbein, papel de filtro impregnado com uma solução de amido e iodeto de potássio, o ozônio troposférico pode ser quantificado. O ozônio no ar oxidará o iodeto de potássio no papel, produzindo iodo. O iodo reage com o iodeto para produzir triiodeto, que então reage com o amido também presente no papel, manchando-o de um violeta profundo. A intensidade dessa cor dependerá da quantidade de ozônio presente no ar, com cores mais escuras indicando maiores quantidades de ozônio troposférico.
A determinação da concentração de ozônio usando este método pode ser realizada em quase qualquer local, interno ou externo. Agora que estamos familiarizados com os princípios por trás da medição de Schönbein, vamos dar uma olhada em como realizar o experimento.
Para iniciar o procedimento, coloque 100 mL de água destilada em um béquer de 250 mL. Para isso, adicione 6 g de amido de milho. Coloque o copo em uma placa de agitação aquecida. Leve o fogo a um nível médio-alto e mexa a mistura até atingir aproximadamente 90 ? C e forma um gel. Em seguida, retire o copo da fonte de calor e adicione 1 g, ou ? colher de chá de iodeto de potássio e mexa bem até que o iodeto de potássio se dissolva. Deixe a solução esfriar por 5 min na bancada.
Coloque um pedaço de papel de filtro em uma placa de vidro e, usando um pincel pequeno, pincele cuidadosamente a pasta no papel de filtro. Vire o papel de filtro e repita do outro lado, aplicando a pasta o mais uniformemente possível. Coloque o papel durante a noite, longe da luz solar para secar. Alternativamente, coloque em um forno de secagem a 20 ? C até secar. Depois de seco, corte o papel em tiras de 1 polegada de largura. Se guardar o papel para uso posterior, coloque as tiras em um saco plástico lacrado ou jarra de vidro longe da luz solar direta.
Para detectar ozônio, primeiro borrife levemente as tiras de papel de teste com água destilada. Pendure no mínimo três tiras em cada local de coleta de dados longe da luz solar direta, presas com segurança por uma extremidade a uma estrutura ou penduradas por arame. Certifique-se de que as tiras estejam desobstruídas. Deixe as tiras de teste penduradas por 8 h.
Observe onde cada tira foi pendurada e, usando um psicrômetro, meça a umidade relativa em cada local. Como alternativa, acessando dados meteorológicos, registre a umidade relativa em cada local durante a exposição ao papel. Se os resultados não forem lidos imediatamente, as tiras podem ser seladas em um recipiente hermético após a exposição.
Para observar e registrar os resultados dos testes, borrife o papel com água destilada. Observe a cor comparando-a com a escala de cores de Schönbein e registre o número correspondente. Calcule o número médio de Schōnbein para cada site.
Use os dados de umidade relativa para cada local e o Gráfico de Números de Schünbein de Umidade Relativa para converter as médias do local de Schönbein em concentração de ozônio ou partes por bilhão.
A capacidade de medir e registrar os níveis de ozônio troposférico tem muitas aplicações diversas, e os resultados de tais testes podem ter implicações significativas para as populações humanas.
Em centros urbanos densamente povoados, a convergência de alto tráfego de automóveis e densa população humana pode ser uma preocupação para problemas de saúde relacionados ao ozônio. Os limites atuais dos EUA para o ozônio estabelecidos pela Administração de Segurança e Saúde Ocupacional são de 0,1 ppm. Riscos para a saúde da exposição acima desse nível, incluindo dores de cabeça; irritação nos olhos, nariz e garganta; danos pulmonares e hemorragia, entre outros. Na área urbana de Chicagoland, tiras de teste colocadas por 8 horas em um dia de julho em Evanston, Cicero e Northbrook registraram níveis de ozônio de 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, respectivamente.
Em ambientes fechados, os limites seguros para os níveis de ozônio são os mesmos que ao ar livre e apresentam os mesmos riscos potenciais à saúde. Para garantir a segurança dos trabalhadores ou residentes do edifício, quaisquer instalações com grandes quantidades de equipamentos de alta tensão devem ser testadas quanto aos níveis de ozônio. As tiras colocadas na sala da copiadora por 8 horas registraram um nível de ozônio interno de 5 ppb, bem abaixo das diretrizes do Escritório de Segurança dos Estados Unidos.
Devido à ação da luz solar que transforma óxido nitroso e compostos orgânicos voláteis em ozônio, ondas de calor ou períodos excepcionalmente ensolarados podem ser motivo de preocupação para os residentes urbanos. O monitoramento dos níveis de ozônio ao longo do tempo pode criar uma imagem de risco potencial e permitir que as autoridades emitam avisos ou peçam aos residentes que reduzam o uso de automóveis em momentos de alto ozônio.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE à medição do ozônio troposférico. Agora você deve entender como o ozônio troposférico é formado e por que é uma preocupação, como fazer papel de Schönbein para testar o ozônio e como interpretar os resultados dos testes. Obrigado por assistir!
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Q1: What is tropospheric ozone and why is it considered a pollutant?
Tropospheric ozone is a molecule of three oxygen atoms (O3) that occurs in the lower atmosphere and acts as a highly reactive oxidizing agent. Unlike stratospheric ozone, which protects against UV rays, tropospheric ozone is harmful to human health and contributes to photochemical smog. It directly damages respiratory tissue when inhaled and harms plant tissues and materials like vehicle tires.
Q2: How is outdoor tropospheric ozone formed at ground level?
Outdoor tropospheric ozone forms when nitrogen oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. This reaction is more intense in sunny environments or areas with heavy automobile use, which is why ozone concentrations escalate during heatwaves or in densely populated urban centers with significant traffic.
Q3: How does indoor ozone form differently from outdoor ozone?
Indoor tropospheric ozone forms when electrical discharges from high-voltage equipment like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers break down atmospheric oxygen molecules. The resulting free oxygen radicals recombine to create ozone. This process occurs independently of sunlight, making indoor ozone formation a distinct concern in facilities with such equipment.
Q4: What is Schönbein paper and how does it detect ozone?
Schönbein paper is filter paper impregnated with starch and potassium iodide. When exposed to ozone, the ozone oxidizes the potassium iodide, producing iodine. The iodine reacts with iodide to form triiodide, which then reacts with starch, creating a deep violet stain. The color intensity indicates ozone concentration, with darker colors showing higher levels.
Q5: What are the steps for making Schönbein paper in the laboratory?
Heat 100 mL distilled water with 6 g cornstarch to approximately 90°C to form a gel. Remove from heat and add 1 g potassium iodide, stirring until dissolved. Cool for 5 minutes. Brush the paste uniformly onto both sides of filter paper on a glass plate. Dry overnight away from sunlight or in a 20°C oven. Once dry, cut into 1-inch strips and store in sealed containers away from direct sunlight.
Q6: How do you measure ozone concentration using Schönbein test strips?
Spray test strips lightly with distilled water and hang a minimum of three strips at each site for 8 hours, secured away from direct sunlight. Record relative humidity at each location. After exposure, spray strips with water and compare color to the Schönbein color scale. Calculate the average Schönbein number per site, then use a Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert readings to ozone concentration in parts per billion.
Q7: What health risks are associated with tropospheric ozone exposure?
The US Occupational Safety and Health Administration sets a safe ozone threshold at 0.1 ppm. Exposure above this level causes headaches, eye and throat irritation, lung damage, and hemorrhage. Urban areas with high automobile traffic and dense populations face elevated health concerns. Indoor facilities with high-voltage equipment should be tested to ensure worker and resident safety, as indoor and outdoor safe thresholds are identical.