Química da Hidrosfera. Profa. Lilian Silva 2018

Química da Hidrosfera

Profa. Lilian Silva

Química da Hidrosfera

A água é, certamente, a espécie química mais abundante na Terra:

Estado sólido (gelo), líquido (água líquida) e gasoso (vapor)

Sua capacidade em conduzir e estocar calor (condutividade térmica e capacidade calorífica)

Tem um elevado calor de evaporação...

_{Enquanto é necessária 1 caloria para se elevar a temperatura de 1g de água}

de 1 0_{C - esta mesma massa de água exige cerca de 540 vezes mais energia} para se evaporar (TF e TE bem mais elevadas em relação à outros hidretos) Estas características são bastante importantes para a existência de vida na Terra, uma vez que a forma líquida é o estado físico predominante.

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Embora a maior parte do nosso planeta esteja coberta por água

Somente uma pequena parcela da mesma é utilizável na grande maioria das atividades humanas

 Os oceanos e mares constituem 97,2% da água existente na Terra, cobrindo 71% de sua superfície.

Além disso, existem as águas presentes na neve, nas geleiras, no vapor atmosférico, em profundidades não acessíveis, entre outras, que não são aproveitáveis

“Apenas as águas subterrâneas que se encontram a até cerca de 1000 m

de profundidade podem ser aproveitadas economicamente”.

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Dessa quantidade, apenas 0,6% de água doce líquida se torna disponível, naturalmente, correspondendo a 8,2 milhões de Km3

Somente 1,2 % se apresentam sob a forma de rios e lagos

98,8% constituído de água subterrânea

Restam 98.400 Km3 _{nos rios e lagos} Somente a metade é utilizável, uma

vez que a outra parte está situada abaixo de uma profundidade de 800

Km, inviável para captação pelo homem

4.050.800 Km3 _{de mananciais}

subterrâneos

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A distribuição da água é extremamente desigual e não está de acordo, na maioria dos casos, com a população e as necessidades para a indústria e a agricultura

A maior parte da Terra tem déficit de recursos hídricos, porque predomina a evaporação potencial sobre a precipitação

Além da má distribuição e das perdas, deve ser considerada a crescente degradação dos recursos hídricos, resultado da ação antrópica, tornando parte da água imprópria para diversos usos

Assim, muitas regiões do mundo apresentam problemas relacionados com a água

Escassez Qualidade inadequada da mesma

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Água: Importância histórica

Quando poucos homens viviam sobre a Terra...

 Viviam em grupos e eram nômades

 Demandas domésticas e agrícolas

 Alimentavam-se de frutas, vegetais e animais  Andavam próximos aos cursos dos rios

 Não tinham moradias fixas

 Lixo degradado de forma lenta e gradual

Com o passar do tempo...

 Foi domesticando alguns animais para se alimentar

 Técnicas agrícolas foram aprimoradas (plantar o que comer)  Passou a se fixar em um determinado local (sedentário)  Se deu início à manufatura, urbanização e industrialização  Acúmulo do lixo produzido (disseminação de doenças)  Contaminação das águas (esgoto doméstico)

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

Antigo Egito:

-Cidades desenvolvidas – próximas a rios

 Demandas domésticas e agrícolas

Posteriormente...

 Demandas energéticas (movimentação de máquinas)

- Cortar madeira

- Moer grãos

Finalmente...

 Processos industriais em geral

 “Solvente universal”



limpeza e transporte de “todos” os resíduos

gerados pelo homem

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Situação Atual...

A água potável de boa qualidade é fundamental para a saúde e o

bem-estar humano.

“A maioria da população mundial ainda não tem acesso a este bem essencial”

“Existem estudos que apontam para uma escassez cada vez mais acentuada de água para a produção de alimentos, desenvolvimento

econômico e proteção de ecossistemas naturais”

“Muitos países localizados no continente africano já enfrentam problemas de excassez de água”

“ Pequim, Cidade do México, Nova Deli e Recife: exploração de água subterrânea”

9

https://nacoesunidas.org/banco-mundial-serao-necessarios-3-planetas-para-manter-atual-estilo-de-vida-da-humanidade/. Acesso em 30-08-16

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CICLO DA ÁGUA

A água circula entre o meio físico e os seres vivos, continuamente, constituindo o denominado ciclo hidrológico.

Quantitativamente, a água representa o constituinte inorgânico mais abundante na matéria viva.

O ciclo hidrológico é constituído pela transferência de água da atmosfera, passagem por várias fases e volta à atmosfera.

A água evaporada dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais e animais

formam as nuvens, as quais, alcançando regiões mais frias, condensam-se e caem na forma de chuvas (precipitação).

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A água precipitada pode escoar sobre a superfície (escoamento superficial), formando os oceanos, lagos e rios, ou infiltrar-se no solo (infiltração), recarregando os mananciais (

mina de água;

olho-d'água, nascente, fonte

).

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Nesse percurso, a água pode evaporar diretamente para a atmosfera ou ser captada pelos seres vivos (vegetais e animais).

Vegetais

Absorvem a água do solo pelas raízes e a perdem pela transpiração

Animais

Obtêm a água diretamente do meio físico ou através

alimentos, e a perdem por transpiração, respiração e

excreção.

 O homem tem interferido no ciclo da água...

 Através de mudanças no seu escoamento (barramentos)  Desmatamentos

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O ciclo hidrológico, através da evaporação das águas oceânicas e da precipitação

Principal responsável pela reposição da água doce encontrada no planeta

A ocorrência de chuva no planeta se dá de forma bastante diferenciada.

Densas florestas

Desertos

Especialistas acreditam que dentro de cerca de 20 anos, no máximo, teremos no mundo uma crise semelhante à do petróleo, em 1973, relacionada com a

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BRASIL

Possui 12% da água disponível no mundo

Cabe ressaltar que 80% de todo volume de águas superficiais disponíveis no país se encontram na região amazônica

Os 20% restantes estão distribuídos por todo o país, de maneira pouco uniforme, e se destinam a abastecer aproximadamente 95% da

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“ É importante entender os tipos de processos

químicos que ocorrem em águas naturais e como

a ciência e o uso da química podem ser

empregadas para purificar a água destinada ao

consumo humano”

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Os

componentes químicos das águas

afetam seu uso assim como

os

poluentes agregados

afetam suas características originais

Duas categorias de reações mais comuns em águas naturais:

1) Reações ácido-base

 As concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na água são devidas aos fenômenos ácido-base e de solubilidade

2) Reações redox

 Controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na água, dependendo principalmente do nível de O₂ dissolvido

Química das Águas Naturais

O Sistema CO

₂

/Carbonato (Química ácido-base)

 A química ácido-base de muitos sistemas aquáticos naturais, incluindo rios e lagos, é denominada pela interação CO₃2- _{com o ácido fraco H}

2CO3.

CO_2(g) + H₂O_(aq) H₂CO_3(aq)

 O H₂CO₃ resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica na água.

H₂CO₃ H+ _{+ HCO}

3

-

Fonte predominante de íon carbonato são as rochas calcárias: constituídas em grande medida por CaCO₃

Embora CaCO₃ seja quase insolúvel em água, uma pequena quantidade dele dissolve-se em contato com a água:

 Explica porque o pH da água não é 7,0 (faixa entre 6,0 – 8,0)  Envolve diversas reações de equilíbrio

CaCO_3(s) Ca2+ _{+ CO}

32- CO₃2- + H₂O HCO₃- + OH

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O Oxigênio Dissolvido

 Oxigênio molecular se dissolve na água constituindo o agente oxidante mais importante em águas naturais

A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 250_C):

O_2(g) O_2(aq)

Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de oxigênio dissolvido para se manterem vivos

 Semi-reação que ocorre em solução ácida: O₂ + 4H+ _{+ 4e}-  _2H 2O

 Semi-reação que ocorre em solução básica: O₂ + 2H₂O + 4e-  _4OH

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Um exemplo de reação é a oxidação da MATÉRIA ORGÂNICA

 Responsável pelo consumo de boa parte da “demanda de oxigênio” na

água:

CH₂O _(aq) + O_{2 (aq)} CO_{2 (g)} + H₂O _(aq) Carboidrato

(fibras de plantas)

 Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de animais) é oxidada pelo oxigênio dissolvido em água

 Concentração diminuída

...

FUNDAMENTA  “Demanda Bioquímica de Oxigênio” (DBO)

A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de

Por OUTRO LADO, em algumas situações

 A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre de

forma anaeróbica:

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2CH₂O CH_anaeróbicas Bactérias ₄ + CO₂

matéria orgânica metano dióxido de

carbono

 Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânica

dissolvida na água decompõe-se sob condições anaeróbicas:

Exemplo: águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagos profundos

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Drenagem Ácida de Mina

 Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminam águas

subterrâneas



FeS₂ (pirita ferruginosa ou “ouro dos trouxas”): componente estável e insolúvel das rochas subterrâneas enquanto não entra em contato com o ar

Como resultado da mineração de carvão e outras substâncias parte dele é exposta ao oxigênio

Torna-se parcialmente solubilizado em consequência de sua oxidação 4 FeS₂ + 15 O₂ + 2 H₂O  4 Fe3+ _{+ 8SO}

42- + 4 H+

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

O íon Fe3+ _{é solúvel em água altamente ácida que é produzida}

inicialmente ( pH pode ser tão baixo quanto zero)



Uma vez que a drenagem da água altamente ácida da mina torna-se diluída, elevando o pH, forma-se um precipitado de Fe(OH)₃, marrom-alaranjado que colore a água e seu curso

Rio Cipó, em MG, que apresenta águas escuras devido à presença de íons Fe3+

FIGURA:

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Vazamento de grandes quantidades de água acidificada e de sólidos de coloração ferrugem

O ácido concentrado pode liberar metais pesados tóxicos dos minérios presentes na mina, provocando mais poluição

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Nitratos e Nitritos em Alimentos e Água

Recentemente manifestou-se certa preocupação com o aumento nos níveis do íon nitrato na água potável



Pensou-se que resíduos oxidados de animais (esterco) juntamente com nitrato de amônio não-absorvido e outros fertilizantes

nitrogenados

Cultivo intensiva da terra (sem aplicação de fertilizantes e esterco) facilita a oxidação para nitrato do nitrogênio reduzido presente na matéria

orgânica decomposta no solo pelo efeito da aeração e da umidade (águas residuais)

O excesso de nitrato na água potável constitui um risco para a saúde: pode resultar em metemoglobinemia

Química das Águas Naturais

 _{Bebês recém-nascidos e adultos com uma determinada deficiência}

enzimática

Bactérias presentes em mamadeiras que não são esterelizadas ou no

estômago do bebê, reduzem parte do nitrato para nitrito:

NO₃- _{+ 2 H}+ _{+ 2 e}-  NO

2- + H2O Íon nitrato Íon nitrito

O nitrito combina-se com a hemoglobina do sangue e promove sua oxidação



Impedindo a absorção e o transporte adequados do oxigênio para as células

Síndrome do Bebê Azul

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Relativamente rara em países industrializados , mas ainda é um problemas em países em desenvolvimento



Constatado um aumento no risco do aparecimento de linfoma do tipo não-Hodgkin em pessoas que bebem água potável com níveis mais elevados de nitrato em algumas comunidades de Nebraska

Excesso de íons nitrato na água potável é também problemático: potencial relação com o câncer de estômago.



Química das Águas Naturais

CÂNCER DE ESTÔMAGO:

 Íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar à formação de N-nitrosaminas

 N-nitrosaminas (Ex: N-nitrosodimetilamina) podem ser encontradas em águas potáveis  POLUENTE IMPORTANTE

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

“... A poluição das águas é fruto de determinadas atividades humanas, poluentes alcançam águas superficiais e subterrâneas de

formas bastante diversas.”

O aporte pode ser classificado como pontual ou difuso

Fontes pontuais: descarga de efluentes a partir de indústrias e estações

de tratamento de esgoto, derramamentos acidentais, atividades de mineração, etc.

Monitoramento ambiental é importante

 Verificar os impactos ambientais

 Conferir responsabilidade ao agente poluidor

Estas fontes são de identificação bastante fácil, e, portanto, podem ser facilmente monitoradas e regulamentadas.

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

Fontes difusas: Escoamento superficial urbano, escoamento superficial

das áreas agrícolas, trabalhos de construção civil

-Elas se espalham por inúmeros locais e são difíceis de serem determinadas:

 função das características intermitentes de suas descargas

 devido à abrangência sobre extensas áreas

MAS...



Independente do aporte, existem estratégias viáveis para o CONTROLE e REMEDIAÇÃO da poluição:

1) Redução na fonte

2) Tratamento dos resíduos de forma a remover os contaminantes ou ainda convertê-los a uma forma menos nociva

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

Primeiras evidências da relação entre doenças e o consumo de água

poluída

 _{Metade do século passado em Londres: Epidemia de Cólera} 1 - Os poluentes aquáticos mais sérios são os

microorganismos patogênicos (causadores de doenças e morte) frequentemente presentes

nos excrementos dos seres humanos e de

animais

(bactérias, vírus e parasitas)

Vibrio cholerae (bactéria causadora da cólera) *

(*) http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3lera , acessado em 15-05-13

 Sabe-se que a água é um dos principais vetores de

transmissão de doenças

Cólera e tifo mataram milhões de pessoas no passado e ainda o fazem ao redor

Através das águas residuárias, os microorganismos aportam em corpos aquáticos receptores e podem assim contaminar novos indivíduos

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

Medidas de saúde pública para minimizar os efeitos de doenças especialmente nos países desenvolvidos e em desenvolvimento:

1- Tratamento e desinfecção da água destinada ao abastecimento público;

2 – Coleta e tratamento do esgoto.

Muitas pessoas atribuem o aumento da expectativa de vida da população mundial à medicina moderna



Esta melhora é muito mais fruto da prevenção de doenças, que se tornou possível através das medidas mencionadas anteriormente

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

Apesar disto, cerca de 1,4 bilhão de pessoas em

todo o mundo ainda não têm acesso à água

potável tratada

E 2,9 bilhões de pessoas vivem em áreas sem

que haja coleta ou tratamento de esgoto

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

2 - Outra forma de poluição de águas superficiais, especialmente lagos e reservatórios, é a eutrofização artificial

Estes corpos aquáticos sofrem um processo de enriquecimento de nutrientes, principalmente fósforo e nitrogênio

Descarga de esgoto não tratado e de resíduos agrícolas e industriais

Lago eutrofizado *

* FONTE: http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut.htm , acessado em 15-03-13

Exemplos: Lagoas da Pampulha (Belo Horizonte) e

Lago Paranoá (Brasília)

O aporte excessivo de nutrientes tais como fósforo e nitrogênio provoca o crescimento descontrolado de algas

Geração de biomassa maior que aquela que o sistema poderia naturalmente controlar

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

Crescimento excessivo na população e sua posterior degradação no corpo aquático gera uma demanda de oxigênio grande

Provoca a morte de animais aquáticos (peixes) e também a proliferação de organismos anaeróbios

 Em seu estágio final, estes lagos e reservatórios produzem compostos mal-cheirosos e altamente tóxicos para a biota

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

3 - Compostos orgânicos sintéticos são produzidos globalmente ao nível de milhões de toneladas !

 Empregados na produção de plásticos, fibras sintéticas, borrachas sintéticas, solventes, pesticidas e agentes preservantes de madeira

 Característica comum: são resistentes à biodegradação

- Estes tipos de compostos são considerados poluentes aquáticos

“importantes”

- Preocupação: constituem substâncias às quais a biota aquática não é naturalmente exposta ...

Efeitos destes compostos sobre os mais variados tipos de organismos aquáticos ainda são pouco conhecidos

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS



Muitos deles podem ser mutagênicos, cancerígenos ou ainda

teratogênicos

(causadores de defeitos em recém-nascidos)



Podem ainda causar disfunções nos rins e fígado, esterilidade e inúmeros problemas de natureza fisiológica ou ainda neurológica...

Exemplos:

– Substâncias plásticas de grande utilização doméstica industrial;

– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente resistentes às ações química ou biológica

Vantajosa para a indústria: armazenamento por tempo indefinido;

Limpeza é facilitada, mas resistência à deterioração pode interferir no equilíbrio ecológico: mortandade de insetos e organismos aquáticos.

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

 _{A presença de compostos orgânicos persistentes é causa de grande} preocupação

Principalmente quando são

encontrados em águas destinadas ao abastecimento público

Entre os compostos orgânicos sintéticos, uma classe preocupante são os hidrocarbonetos halogenados

Os hidrocarbonetos clorados são os mais comuns: vastamente empregados na indústria de plásticos

1 – Indústria de plásticos: cloreto de polivinila – PVC; 2 – Pesticidas (DDT);

3 – Solventes (tetracloroetileno)

4 – Isolamento elétrico (bifenilas policloradas), etc.

Compostos de grande utilização e que por serem persistentes

POLUIÇÃO E CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS

4 - Metais “pesados” - outra classe de substâncias que não se degradam

 Utilizados em diferentes setores da indústria e são encontrados em pesticidas, medicamentos, pigmentos (tintas, esmaltes para unha) e dispositivos elétricos

Metais pesados mais perigosos: chumbo, mercúrio, arsênio, cádmio, estanho, cromo, zinco e cobre

 Os elementos são intrinsecamente tóxicos na forma iônica, exceto o Hg (tóxico na forma de vapor), ou, quando ligados a cadeias carbônicas curtas

Os compostos orgânicos contendo mercúrio (ligações covalentes C-Hg) são muito mais tóxicos para os mamíferos que os sais simples de Hg(II)

(Resolução CONAMA, n0 _{344 de 2004 )}

Teores máximos “permitidos” em águas são baixos (Resolução CONAMA, n0 344 de 2004 )

1- http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/aguas.pdf, acessado 13-11-12.

2– BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p. 441-481.

3– NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011, p. 1 – 43.