A decomposição do lixo

Objetivos

- Conhecer o problema gerado pelo descarte do lixo no meio ambiente e sua biodegradação.

- Compreender os conceitos de termoquímica envolvidos nas reações de biodegradação do lixo. 

- Diferenciar as reações envolvidas durante os processos aeróbios e anaeróbios. 

- Discutir o ciclo do lixo e propostas para minimizar a produção de resíduos.

Conteúdos

Biodegradação.

Termoquímica: entalpia e Lei de Hess.

Ciclo do lixo. 

Tratamentos do lixo. 

Produção de energia com base no lixo - gasolixo. 

Tempo estimado                                      Duas a três aulas

Anos                                                         Ensino Médio.

Materiais Necessários

- Computador com acesso à internet para apresentação de vídeos.

- Retroprojetor ou Data Show para apresentação de imagens.

- Apresentação em slides contendo figuras de processos endotérmicos e exotérmicos.

Desenvolvimento

1ª etapa

Apresente à turma um vídeo sobre os resíduos comerciais e industriais. O material está disponível na internet, dividido em duas partes, parte 1 e parte 2. Chame a atenção do grupo para a importância de tomar notas sobre o que for apresentado porque depois você pedirá que todos respondam a algumas questões. 

Depois de assistir ao vídeo, cada aluno deverá responder individualmente às seguintes questões:

1)                       Quais os dois tipos de resíduos que o entrevistado cita no vídeo? (Resposta: Doméstico e Industrial.)

2)                       Qual exemplo de substância ele afirma ser consumida diariamente, mas pode ocasionar problemas quando consumida em grande quantidade? Qual a fórmula química desta substância? (Resposta: Sal de cozinha, NaCl.)

3)                       Quais indústrias são citadas como exemplos na geração de resíduos? (Resposta: Indústria de Papel e Têxtil.)

4)                       Como são chamadas as substâncias que atribuem cor às fibras têxteis? Estas substâncias são biodegradáveis? Explique biodegradabilidade, utilizando o conceito de ligações químicas. (Resposta: Os corantes atribuem cor às fibras têxteis e, segundo o pesquisador, eles não são biodegradáveis. Biodegradabilidade é a capacidade de sofrer degradação por processos no meio ambiente, isto é, sem processos artificiais.)

5)                       O resíduo da produção de fibras têxteis pode conter grupos de substâncias chamadas AZO, que podem causar quais doenças? (Resposta: Sim, estas substâncias são cancerígenas.)

Realize a correção oralmente com a turma e proponha uma discussão sobre os problemas gerados pelos resíduos industriais e domésticos que os alunos tenham conhecimento. Questione se há coleta de lixo no bairro em que moram, se eles sabem como o lixo é descartado e se há algum tratamento no caso de existir coleta.

2ª etapa

Explique que a palavra "lixo" vem do latim, lix, que significa "cinzas" pois, antigamente, os resíduos eram formados por cinzas provenientes da queima de lenha. Outro fato curioso é o surgimento da palavra "gari", nome dado ao trabalhador que realiza a limpeza urbana. O termo surgiu quando Dom Pedro II assinou o contrato de limpeza e irrigação da cidade de São Sebastião do Rio de Janeiro. Na época, o contrato foi executado por Aleixo Gary e depois por Luciano Francisco Gary.

Conte para a turma que o lixo é formado por resíduos sólidos provenientes de atividades humanas, sendo composto por aproximadamente de 60% de matéria orgânica (matéria contendo cadeias carbônicas). A classificação do lixo pode ser feita por meio da atividade que o produz como doméstico, hospitalar, comercial, industrial ou, ainda, proveniente da construção civil, entre outros. 

Apresente o tempo de decomposição de alguns materiais citados na tabela a seguir e comente que este tempo dependerá das ligações químicas e dos elementos que formam as substâncias do material. Quanto mais difícil a quebra da ligação, maior será o tempo necessário para a sua decomposição.

Tempo de decomposição de alguns materiais

Material	Função química	Onde existe	Tempo de decomposição
Liginina	Polímero	Papel	3 meses
Acetato de celulose	Éster	Bituca de cigarro	1 a 2 anos
Resinas naturais e artificiais	Polímero	Chiclete	Até 5 anos
Aço	Metal	Latas	10 anos
Alumínio	Metal	Latas	Indeterminado
Vidro	Sais inorgânicos	Embalagens	Não biodegradável

3ª etapa

Um dos principais tipos de decomposição química da matéria orgânica presente no lixo é abiodegradação. Esse processo ocorre na presença de bactérias, fungos, leveduras e microorganismos que alimentam-se da matéria orgânica, quebrando, assim, as ligações químicas das moléculas, utilizando a energia das ligações como alimento. Fatores como umidade, temperatura, pH, luminosidade, entre outros, influenciam tanto na sobrevivência e no crescimentos dos agentes decompositores, como na aceleração das reações químicas durante a biodegradação.

Assim como os alimentos que ingerimos são quebrados em moléculas menores durante nosso metabolismo, a decomposição do lixo fornece energia para bactérias, fungos, microorganismos. As reações envolvidas no metabolismo humano e na decomposição do lixo transformam a matéria em novos compostos e envolvem trocas de energia durante o processo. Conte para a classe que a termoquímica estuda as trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas ou processos físicos. Apresente a equação

ΔH = H_final - H_inicial

que demonstra a quantidade de energia trocada medida pela variação de entalpia (ΔH), dependendo do valor total entálpico do processo que pode envolver mais de uma etapa, podemos classificar os processos em: 

• Endotérmico: processos que absorvem calor.

ΔH > 0

• Exotérmico: processos que liberam calor. 

ΔH < 0

Nos processos físicos, dê o exemplo das transformações físicas da água. Durante o derretimento do gelo ocorre absorção de energia e este é um processo endotérmico. Já na condensação do vapor, a água perde energia para o ambiente e caracteriza então um processo exotérmico. 

Cite também que toda substância, em seu estado padrão, isto é estável a 1 atm e 298 K, possui uma entalpia padrão (H°). Enfatize que no caso de substâncias simples, no estado padrão, a entalpia é igual a zero.

Os valores entálpicos de uma equação dependerão do estado físico dos participantes, temperatura, pressão e quantidade de matéria (mols).

Apresente os diferentes tipos de entalpia existentes nas reações químicas e explique que todas as entalpias envolvem a energia liberada ou absorvida de 1 mol de substância no estado padrão.

Reação	Processo	Exemplo	Equação química	ΔH (kJ.mol-1)
formação	exotérmico	formação do gás carbônico	Cgrafite + O2 → CO2	-394
combustão	exotérmico	queima do etanol	C2H6O + 3O2 → 2CO2 + 3H2O	-1368
neutralização	exotérmico	ácido forte + base forte	1H+ + 1OH- → H2O	-57,7

Lembre os alunos que as reações químicas envolvem quebra e formação de ligações, assim a energia de ligação é diferença entre a energia absorvida na quebra de 1 mol de ligações, no estado gasoso, a 298 K e 1 atm e a energia liberada na formação de 1 mol de ligações, no estado gasoso, a 298K e 1atm. Mostre um exemplo de reação envolvendo a quebra e a formação de novas ligações:

CH₄ + 3Cl₂ → HCCl₃ + HCl

CH₄ + 3Cl₂ ► Energia absorvida na quebra das ligações: 2381,4 kJ

HCCl₃ + HCl ► Energia liberada na formação das ligações: 2690,6 kJ 

Assim

ΔH = H_final - H_inicial   ⇒   ΔH = 2690,6 - 2381,4 = 309,2 kJ

Destaque que devido ao fato de o valor liberado (positivo) ser maior que o absorvido (negativo), a variação da entalpia será positiva.

Fale para a turma uma informação importante: "Nem todas as entalpias de reação podem ser medidas em laboratório". Pergunte aos alunos como eles imaginam que pode ser resolvido esse problema. Apresente então a Lei de Hess que estabelece que para uma dada reação ou processo físico, a variação da entalpia é sempre a mesma, esteja ela ocorrendo em uma ou várias etapas. Utilize o exemplo da água para mostrar a transformação física da água líquida em gasosa (evaporação).

Lei de Hess: a variação de entalpia do processo direto é a soma das etapas.

 Proponha à turma jogar a Batalha Termoquímica (LIMA e colaboradores, 2013). Este jogo contém 30 imagens apresentadas cada uma em um slide com reações que acontecem ao em nosso dia-a-dia, como o fogo ou a fusão do gelo. Monte uma apresentação de slides contendo em cada slide uma imagem que represente processos (químicos ou físicos) exotérmicos ou endotérmicos. Os autores deste jogo sugerem algumas imagens, conforme apresentado abaixo.

O jogo ocorre em forma de gincana. Assim, a turma deverá ser dividida em dois grupos. Cada grupo escolhe um representante no sorteio que designará o grupo que jogará primeiro. O grupo escolherá um número, de 1 a 30 (que corresponde ao número do slide da apresentação com o jogo), para começar. Ele deverá dizer se se trata de um processo endotérmico ou exotérmico em cada reação.

A cada resposta certa, o grupo ganha um ponto e avança um slide, e passa a vez para o outro grupo (a não ser que o próximo slide indique para jogar novamente). No fim do jogo, quando todas as imagens tiverem sido reveladas, somam-se os pontos e o grupo que obtiver o maior valor vence a Batalha Termoquímica. 

Representação do jogo Batalha Termoquímica
Fonte: LIMA e colaboradores, 2013.

4ª etapa

Retorne ao assunto da biodegradação do lixo realizada por bactérias e explique que este processo envolve duas etapas:

I)                  aeróbia (reações com oxigênio molecular - O₂);

II)              anaeróbia (reações na ausência de O₂).

Na etapa aeróbia, o gás oxigênio que atua como receptor de elétrons e a reação com a matéria orgânica produz dióxido de carbono (CO₂). Entretanto na ausência de oxigênio, as bactérias anaeróbias utilizam como agentes receptores de elétrons as espécies: Mn(IV), nitrato (NO₃^-), Fe(III) e sulfato (SO₄2^-). Na falta destas espécies, parte da matéria orgânica recebe os elétrons, isto é, sofre redução e produz metano (CH₄) e a parte que perdeu elétrons transforma-se em CO₂. O esquema apresentado a seguir pode representar este processo anaeróbico.

matéria orgânica + receptor de elétrons → CH₄ + CO₂

A formação do gás metano (CH4) pode ocorrer na biodegradação de diferentes substratos:

4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O

4HCOOH → CH₄ + 3CO₂ + 2H₂O

CH₃COOH → CH₄ + CO₂

4CH₃OH → 3CH₄ + CO₂ + 2H₂O

4(CH₃)₃N + 6H₂O → 9CH₄ + 3CO₂ + 4NH₃

4CO + 4H₂O → CH₄ + 3CO₂ + 2H₂O

Mas além do gás metano, diga à turma que outro produto também é responsável pelo mau cheiro do lixo! Pergunte se eles conhecem aquele líquido escuro que possui odor forte e às vezes se deposita em lixeiras que não são limpas com frequência. Este líquido é formado por matéria orgânica já em decomposição e em estado de putrefação que, misturado à chuva, apresenta baixa biodegradabilidade e, quando possui metais pesados, pode ter sua toxicidade elevada. Explique aos alunos que trata-se do chorume e que ele é formado principalmente nos locais de depósitos de lixo, como lixões a céu aberto e aterros. Em seguida, apresente à turma outro vídeo que aborda o ciclo do lixo.

A falta de tratamento do chorume, no caso de lixões a céu aberto, ocasiona a contaminação de lençóis freáticos e rios. Nos aterros sanitários, o solo é impermeabilizado corretamente para não permitir essa contaminação e da matéria orgânica biodegradada, os resíduos sólidos podem ser reaproveitados na produção de fertilizantes.

Além do chorume, conforme explicado anteriormente, os gases produzidos pela biodegradação devem ser removidos e queimados. É o caso do gasolixo, uma mistura de CO₂ (40%) e CH₄ (60%) que pode ser utilizada como combustível. A combustão do metano, isto é, a quebra de suas ligações ao reagir com o oxigênio, permite a geração de energia limpa, conforme a equação química a seguir:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + H₂O

Explique que, em alguns casos, como o do lixo hospitalar, são necessários incineradores para a queima de todo material orgânico, mas este tratamento nem sempre é realizado devido ao alto custo.

Além do investimento para o tratamento de incineração, um problema graveé a formação de substâncias tóxicas quando a combustão da matéria orgânica não é completa. Entre estas substâncias, a queima de resíduos que contenham cloro produz compostos chamados dioxinas e furanos. Mesmo em baixas concentrações, estes compostos acumulam-se na cadeia alimentar e apresentam alta toxicidade. Discuta com os alunos a estrutura da dioxina, um hidrocarboneto clorado, composto por anéis benzênicos e átomos de oxigênio. Exemplos de estruturas típicas de uma dioxina e um furano:

Diante dos problemas apresentados, pergunte para a turma qual a importância da separação correta, isto é, da coleta seletiva dos materiais descartados no lixo. Enfatize que a mistura da matéria orgânica com materiais recicláveis pode contaminá-los e impedir seu reaproveitamento.

Avaliação

Oriente a formação de grupos de trabalho e explique que cada um deverá pesquisar e fazer uma apresentação para toda a classe sobre um dos temas abaixo. 

1)                      Metais pesados que podemos encontrar no lixo quando descartados erroneamente (pilhas, lâmpadas fluorescentes, etc.)

2)                      Alumínio e sua reciclagem.

3)                      Compostagem e processos químicos envolvidos.

4)                      Coleta seletiva e reciclagem: separação de materiais e seu destino.

5)                      Produção energética a partir do lixo.

Após a apresentação de todos os trabalhos, peça para escreverem individualmente um texto argumentativo baseado nas apresentações realizadas e na frase: "É melhor prevenir do que remediar". Explique que os autores deverão discutir no texto formas de minimizar a quantidade de lixo no meio ambiente através da geração do lixo, tratamento e reaproveitamento de materiais. Avalie as produções: os alunos recorreram a argumentos baseados nos conteúdos trabalhados? Quais as questões químicas que foram bem utilizadas? É preciso retomar algum conceito?

Quer saber mais?

USBERCO, J.; Salvador, E. "Química" - volume único. 5a edição. São Paulo: Saraiva, 2002. p.108.

FADINI, P.D.; FADINI, A.A.A. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola - Lixo: Desafios e Compromissos. 2001. Páginas 1-10.

LIMA, S.L.C; TAVARES, A.J.; REINALDO, S.M.A.S.; FERNANDES, P.R.N. "Batalha Termoquímica: Um método alternativo para o ensino de química na Escola Estadual Professor Antônio Dantas." Em: IX Congresso de Iniciação Científica do IFRN, 2013.

Composição do lixo

Instituto Este

Lixo urbano: descarte e reciclagem de materiais

Dioxinas

consultora Raquel Vichessi
bacharel em Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)

http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/decomposicao-lixo-791597.shtml