Para o estudo das SHA pode-se determinar o COD das diferentes frações húmicas obtidas, que pode ser comparado com a aromaticidade, parâmetros físico-químicos e concentrações de certos elementos químicos por meio do uso técnicas estatísticas. Métodos espectroscópicos, que tem como metas identificar grupos funcionais presentes nas moléculas, também podem ser utilizados no estudo dos compostos húmicos. De acordo com Aiken et al. apud Rocha e Rosa (2003), “a caracterização das SHA e suas propriedades no ambiente requer a utilização de procedimentos analíticos adequados combinados com métodos químicos, físicos e espectroscópicos”. Nesse caso, a extração é uma etapa crucial, pois é nela onde podem ocorrer alterações estruturais nas SH, com a consequente perda de algumas de suas características originais (Rocha e Rosa, 2003). Alguns métodos para estudo e caracterização dos compostos húmicos serão apresentados nos subtópicos a seguir.
2.12.1. Espectroscopia na região do infravermelho
No espectro eletromagnético, a região do infravermelho (IV) pode fornecer informações valiosas sobre a estrutura de moléculas húmicas. Rosa (1998) ressalta que é
por meio de espectros de IV de SH que se pode obter informações sobre a natureza, a reatividade e o arranjo estrutural dos grupos funcionais contendo oxigênio. Stevenson (1994) ainda completa que os espectros ainda podem indicar a presença de impurezas inorgânicas como íons metálicos e argila e que essa técnica é apropriada para análises quantitativas.
Outras aplicações da espectroscopia IV incluem estudos das interações entre pesticidas e metais com a matéria orgânica. Um exemplo dessa aplicação é a confirmação de que os grupamentos -COOH desempenham um importante papel na complexação de cátions di- e trivalentes por SH e que os grupos OH, C=O e NH estão envolvidos na complexação de íons metálicos por SH.
2.12.2. Espectroscopia na região do UV-Visível
A espectroscopia na região do UV é uma técnica importante na identificação de grupos cromóforos, pois alguns compostos presentes nas SH absorvem fortemente abaixo de 280 nm, que é onde ocorrem as transições eletrônicas do tipo π-π, que são características de compostos como ácidos benzoicos, derivados de anilina e outros correlatos que são subunidades da estrutura das SHA (Rocha e Rosa, 2003, p.63).
Segundo Rosa (1998), na região visível do espectro a absorção de energia radiante por SH está relacionada com transferência de elétrons dos orbitais π, σ e n do estado fundamental para estados de maior energia. O autor ainda ressalta que os espectros de absorção na região do UV e visível são pouco característicos, pois não apresentam regiões de absorção máxima ou mínima.
A taxa de absorbância em 465 e 665 nm, conhecidas como taxa E4/E6, tem sido extensivamente utilizadas com propósitos de caracterização. De acordo com Kononova (1966) apud Rosa (1998) a razão E4/E6 está relacionada com o grau de condensação dos grupos aromáticos, conteúdo de carbono, hidrogênio e oxigênio, além do peso molecular das SH. Stevenson (1994) completa que essa razão E4/E6 diminui com o aumento do peso molecular e condensação e que ela serve como índice de humificação. Assim, uma baixa dessa relação pode ser um indicativo de um alto grau de condensação de constituintes aromáticos e uma alta relação pode ser uma inferência da presença de mais estruturas alifáticas e estruturas mais abertas. Segundo Rosa (1998, p. 28) “a condensação molecular
geralmente está associada ao teor aromático, assim, pode-se a partir da razão E4/E6 obter informações quanto ao conteúdo de C, H e O na molécula”.
2.12.3. Ressonância magnética nuclear
A ressonância magnética nuclear (RMN) é uma ferramenta essencial na caracterização de estruturas de SH presentes em solos e águas. Com os espectros de RMN (13C e 1H) é possível estimar a concentração relativa de prótons e C alifáticos e aromáticos presentes nas estruturas dos compostos húmicos. “A estimativa das porcentagens dos diferentes tipos de carbono e prótons são obtidas a partir da integração dos picos nas regiões específicas dos espectros” (Swift, 1996 apud Rocha e Rosa, 2003, p.58). Um exemplo de espectro de RMN – 13C de SHA é exibido na Figura 2-10.
Figura 2-10 - Exemplo de espectro de RMN – 13C de SHA extraídas de amostras de água de um rio no Estado de SP, onde (a) é resíduo de resina XAD-8 utilizada na extração dos
compostos húmicos (Fonte: Rocha et al. 2000 apud Rocha e Rosa, 2003).
2.12.4. Determinação da aromaticidade de compostos húmicos
As absorbâncias (obtidas a partir da espetroscopia UV-visível) nos comprimentos de onda de 250 (E2) e 365 nm (E3) podem fornecer informações sobre a aromaticidade das SH por meio de uma equação (Equação 2.1) que envolve a razão E2/E3 (Peuravuoi & Pihlaja, 1997 apud Rocha e Rosa, 2003):
Essa equação sugere que a diminuição do quociente E2/E3 induz a um aumento da aromaticidade dos compostos húmicos (Rocha e Rosa, 2003).
Outra maneira de estimar o conteúdo de compostos aromáticos de SH é por meio da determinação da composição elementar de amostras, por meio do cálculo da razão molar H/C. Quanto menor esse valor, maior a aromaticidade de compostos húmicos (Rocha e Rosa, 2003).
2.12.5. Fatores a serem considerados na caracterização de SH-metais
Segundo Rocha e Rosa (2003), na caracterização das espécies SH-metais os fatores mais relevantes a serem considerados são a característica, o teor de grupos funcionais, a capacidade de complexação, o tamanho molecular das SHA e as estabilidades termodinâmicas e cinéticas do complexo SHA-M, como é exibido na Figura 2-11. Destaca- se que “a escolha do método e do procedimento analítico a ser utilizado na determinação das espécies metálicas é de fundamental importância” (Rocha e Rosa, 2003 p.73).
Figura 2-11 - Fatores a serem considerados na caracterização de espécies húmicas e metais. Fonte: Burba, 1998 apud Rocha e Rosa, 2003.
Em corpos hídricos muitos ligantes tem a capacidade de reduzir a toxidade de metais. Isso está relacionado à complexação desses elementos presentes em águas naturais, o que tem sido denominado capacidade complexante da água (CC). Geralmente os ligantes compreendem a matéria orgânica com peso molecular entre 1000 e 10000 Da (Burba, 1994 apud Rocha e Rosa, 2003).
Substâncias húmicas aquáticas/espécies metálicas Capacidade complexante Rearranjos intermoleculares Labilidade de metais Caracterizção de grupos funcionais (O-, N-,S-) Disponibilidade de metais Estabilidade Termodinâmica Estabilidade Cinética
Para obter informações sobre a capacidade complexante das SHA geralmente são utilizados íons de cobre por causa de sua habilidade de formar complexos estáveis com diversos ligantes de ocorrência natural na água. Dentre os métodos mais utilizados para determinação da CC estão a titulação potenciométrica, a fluorescência, a voltametria e a polarografia. Destaca-se que a CC das SHA expressa a quantidade máxima de metais livres que podem ser ligados aos compostos húmicos em uma solução aquosa (Rocha e Rosa, 2003).
De acordo com Rocha e Rosa (2003, p.80) quando ocorre a complexação de compostos húmicos e poluentes, a estabilidade cinética e termodinâmica da espécie formada “influencia diretamente no seu transporte, acúmulo e biodisponibilidade para o ecossistema”. Consequentemente, pesquisas de processos de troca entre compostos húmicos e metais são de grande importância em estudos na área da hidrogeoquímica. Entretanto, para isso é de fundamental importância o desenvolvimento de métodos analíticos para caracterizar as espécies metálicas no meio ambiente.
Outro meio de se estudar a interação entre SHA e metais é através de processos de troca iônica, que é um método onde ocorre uma reação química reversível entre duas fases imiscíveis. A capacidade de troca iônica foi descoberta quando percolou-se uma solução de íons amônio em uma porção de solo, onde ocorreu uma retenção de cátions NH4+ e a liberação equivalente de Ca2+. Um trocador iônico é “uma substância insolúvel que pode trocar alguns de seus íons por outros do mesmo tipo de carga”. Apesar do trocador ser imiscível os seus íons devem ser trocáveis no meio reacional, “porém não se pode deslocá- los da matriz sem a consequente substituição”. Ressalta-se ainda que as principais características de um trocador iônico são a capacidade de troca iônica e a seletividade (Rocha e Rosa, 2003, p. 81). Os trocadores iônicos são utilizados em estudos da labilidade de metais complexados às SHA. O princípio do procedimento baseia-se na troca de espécies metálicas complexadas às SHA (SHA-M) por um trocador iônico (Rocha e Rosa, 2003).