Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
5 de Junho de 2010
I
Em 1980, uma nova corrida ao ouro na América Latina levou milhões de pessoas a ingressarem na actividade artesanal do ouro, o garimpo, como forma de fugir à marginalização social. No entanto, a crescente utilização de mercúrio para formação da amálgama Au-Hg, e a sua emissão para os diferentes compartimentos ambientais, resultou numa fonte de preocupação da comunidade científica.
a) Diga porque é que o mercúrio é um dos elementos poluentes na hidrosfera mais
perigosos (referir efeitos associados e a sua mobilidade ambiental) e indique processos para a sua redução/eliminação nos cursos de água.
b) Devido a actividade garimpeira, o rio Piracicaba (pH=6,5), no Brasil, ficou com uma
concentração total de mercúrio de 5,2 µg/L. Posteriormente, a emissão de efluentes domésticos contendo detergentes, fez aparecer uma concentração total de EDTA de 2,6 × 10-5 M. Determine a especiação do mercúrio antes e após a entrada de efluentes domésticos no rio e comente o resultado obtido.
c) Para as condições mencionadas em b), e antes da entrada dos efluentes
domésticos, calcule o valor máximo de pH para o qual o mercúrio não precipita sob a forma de hidróxido de mercúrio.
DADOS:
MA (Hg) = 200,59
Constantes de protonação parciais do EDTA:
log K1 = 10,17; log K2 = 6,11; log K3 = 2,88; log K4= 2.
Constante de formação do complexo de EDTA: log βHgEDTA = 21,5. Constantes de formação parciais dos hidroxocomplexos de mercúrio: log K1OH = 10,6; log K2OH = 11,2
II
a) Sabendo que, na água intersticial de um sedimento de um lago a pH = 5,0, o par
redox NO3-/NH4+ [log ([NO3-]/[NH4+]) = 3] está em equilíbrio com o par redox
≡FeOOH/Fe2+, calcule o teor de Fe2+ presente em µg/L.
DADOS: pε0 (NO3-/NH4+) = 14,9; pε0 (≡FeOOH/Fe2+) = 16,0; MA(Fe) = 55,85.
b) Determine a percentagem de chumbo adsorvido nas partículas de oxohidróxido de
ferro que se encontram em suspensão nesse lago, admitindo que o pH é igual a 6,5 na coluna de água, a concentração total de grupos de superfície é de 2.5 × 10-4 M, a concentração de chumbo total é de 5 × 10-7 M, a quantidade de partículas em suspensão é de 2 g/L e os efeitos electrostáticos nas constantes de equilíbrio são desprezáveis.
≡FeOOH2+ H+ + ≡FeOOH pK1s = 6,0 ≡FeOOH H+ + ≡FeOO- pK2s = 8,8
≡FeOOH + Pb2+ H+ + ≡FeOOPb+ pCK1s = 2,5 2 ≡FeOOH + Pb2+ 2H+ + (≡FeOO)2Pb pCK2s = 7,7
Responda, justificando, o que aconteceria ao teor de chumbo adsorvido se o pH do lago passasse a ser 4,9 devido a um efluente industrial.
c) Explique em que consiste o ciclo do ferro num lago, indicando a sua importância
do ponto de vista ambiental. Justifique também como é possível existir um teor apreciável de ferro(II) dissolvido na zona fótica, na presença de ácido tânico resultante da queda de folhas provenientes da vegetação envolvente.
d) Um composto orgânico A contaminou este lago numa concentração de 1 × 10-6 M, tendo posteriormente sofrido uma degradação no composto B (tóxico para as espécies aquáticas se [B] > 1,0 × 10-7 M). Calcule a constante de equilíbrio correspondente à reacção de degradação de A, a composição do lago nos compostos A e B depois de atingido o equilíbrio e indique ainda se o composto B apresenta toxicidade nessas condições.
DADOS: K1 = 2dia-1; K-1 = 0,8 dia-1 A B K1 K-1 A B K1 K-1
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
1º Exame
24 de Junho de 2010
I
a) Sabe-se que o valor de pH da água de um rio em equilíbrio com o dióxido de carbono da atmosfera e com a calcite é de 8,3. Determine a variação de pH e a especiação da água que se observaria se caísse uma chuva ácida que introduzisse no rio uma concentração de HNO3 1 × 10-6 M e de HCl 5 × 10-7 M. Utilize o método gráfico e posteriormente use as aproximações feitas para realizar um cálculo mais preciso usando o método analítico.
DADOS:
Constante de Henry para o sistema H2CO3/CO2: KH = 3,4 × 10-2 M atm-1 Constantes de dissociação do ácido carbónico: pKa1 = 6,38; pKa2 = 10,32 pCO2 = 10-3,5 atm
Produto de solubilidade da calcite: Kps(CaCO3) = 5 × 10--9 Produto iónico da água: Kw = 1,0 × 10-14.
b) Indique qual a diferença entre águas subterrâneas e águas superficiais em termos
de teor em dióxido de carbono e dureza. Explique ainda qual o efeito de um aumento na pCO2 sobre a solubilidade da calcite e a dureza da água.
II
a) Determine a especiação e a solubilidade do níquel(II) na água de uma ribeira a pH
8,5 que se encontra contaminada por um efluente industrial, de tal forma que a concentração total em DTPA é 1,85 × 10-4 M. Admita que nesta água existe um equilíbrio com o precipitado de Ni(OH)2.
DADOS:
Constantes de formação globais dos hidroxocomplexos: log β1OH = 4,1; log β2OH = 8,0; log β3OH = 11,0 (βiOH = [Ni(OH)i] / [Ni][OH]i).
Constante de formação do complexo de DTPA: log βNiDTPA = 20,3. Constantes de protonação globais do DTPA:
log β1 = 10,55; log β2 = 19,14; log β3 = 23,44; log β4 = 26,1; log β5 = 27,92.
b) Para determinar o teor em oxigénio dissolvido na água da ribeira foi utilizado o
método de Winkler. Ao realizar o ensaio no laboratório, para aferir a solução de titulante (tiossulfato de sódio - Na2S2O3), procedeu-se do seguinte modo: juntaram-se 25 mL de uma solução de Cr2O72- 1,0 × 10-3 M a 2g de KI dissolvidos em meio ácido e deixou-se esta mistura ao abrigo da luz durante cerca de 10 minutos. Depois de convertido o iodeto em iodo, titulou-se com a solução titulante de S2O3 2-tendo sido gastos 24,6 mL de titulante. Escreva as reacções redox envolvidas neste procedimento de aferição do tiossulfato de sódio e determine a sua concentração exacta.
DADOS: E0 (S4O62-/S2O32-) = 0,08 V; E0 (I2/I-) = 0,615 V; E0 (Cr2O72-/Cr3+) = 1,33 V
c) Suponha que era deitado um efluente contendo detergentes na ribeira. Diga em
que consistem os agentes tensioactivos, como os classifica em termos de parâmetro de qualidade da água e indique dois métodos de tratamento deste tipo de contaminação. Refira ainda a influência da presença de detergentes na capacidade de reoxigenação dos cursos de água.
III
a) Um composto orgânico A1 contaminou a água de um lago numa concentração de 9,3 × 10-4 M, tendo-se degradado segundo o seguinte esquema reaccional:
A1→ A2 K1 = 0,8 dia-1 A2→ A3 K2 = 2,2 dia-1.
Admitindo que se atingiu um estado estacionário quando 65% de A1 se degradou, determine as concentrações resultantes em A1, A2 e A3.
b) Indique em que consiste o efeito de estufa, qual o tipo de espécies químicas
responsáveis por ele e mencione soluções possíveis para a diminuição das suas consequências.
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CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
1 de Junho de 2011
I
“Centenas de nigerianos mortos e milhares de vidas em risco devido a contaminação por chumbo em terrenos de extracção ilegal de ouro, no estado de Zamfara, no norte do país. Uma equipa de investigação da ONU no local recolheu dezenas de amostras de água e de solo de cinco aldeias nigerianas para análise. Segundo os técnicos, a água poluída é um mal menor, quando comparado com a contaminação do solo e dos alimentos afectados, tais como carne, legumes e cereais.” (BBC; Africa News, Outubro 2010)
a) Num poço de uma aldeia no estado de Zamfara (pH = 6,8), a concentração
total de chumbo ultrapassou em 30 µg/L o valor de tolerância em água potável (50 µg/lL). Simultaneamente, infiltrações de detergentes no solo levaram à contaminação do poço também com EDTA (CEDTA = 2,5 × 10-4 M). Determine a especiação do chumbo antes e após a infiltração de detergentes e comente o efeito da presença de EDTA na água em termos da contaminação por chumbo da população da aldeia. Não considere a possibilidade de formação de fases sólidas nesta alínea.
b) Diga se precipita PbCO3 ou Pb(OH)2, antes da infiltração dos detergentes e calcule a solubilidade do chumbo em função dos resultados obtidos.
c) Diga porque é que o chumbo é um dos elementos poluentes da água mais
perigosos, referindo efeitos associados e a sua mobilidade ambiental. Indique processos de tratamento dos cursos de água contaminados.
DADOS:
MA (Pb) = 207,20 g/mol; Alcalinidade: 5,2 × 10-3 M
Constantes de dissociação do ácido carbónico: pKa1 = 6,34; pKa2 = 10,33. Constantes de formação parciais dos complexos de carbonato de chumbo: log K1 = 6,1; log K2 = 2,1
log β1 = 10,17; log β2 = 16,28; log β3 = 19,16; log β4= 21,16.
Constante de formação global do complexo de EDTA: log βPbEDTA = 18,0 Kps(PbCO3) = 1,0 × 10--13
Kps(Pb(OH)2) = 1,4 × 10 -20
II
a) É cada vez maior o número de pessoas que adopta processos de tratamento de
águas de piscina que não envolvem o cloro, devido à intolerância manifestada por diversos utilizadores. Escreva a equação redox global correspondente à desinfecção da água de uma piscina (pH = 7,4) por ionização da prata e calcule a respectiva constante de equilíbrio. Sabe-se que o limite máximo permitido de Ag+ na água da piscina é de 0,01 mg/L e que a pressão parcial de oxigénio é de 0,2 atm.
DADOS: pε0 (Ag+/Ag) = 13,5; pε0 (O2/H2O) = 20,8; MA(Ag) = 108 g/mol.
b) Determine a percentagem de grupos funcionais com carga positiva à superfície
das partículas de oxohidróxido de ferro que se encontram em suspensão na água da piscina, sabendo que a concentração total de grupos de superfície é de 8,3 × 10-5 M e que a quantidade de partículas em suspensão é de 1,3 g/L.
≡FeOOH2+ H+ + ≡FeOOH pK1s = 6,0 ≡FeOOH H+ + ≡FeOO- pK2s = 8,8
c) Dois compostos orgânicos, A1 e A3, foram lançados acidentalmente na água da piscina ([A1]0 = [A3]0 = 1 × 10-4 M). Sabendo que estes compostos se degradam segundo as reacções abaixo indicadas para dar o composto A2, indique ao fim de quanto tempo 95% de cada um dos compostos lançados se degradou. Comente a importância relativa das duas reacções para a obtenção do produto de degradação A2 inofensivo.
A1→ A2 K1 = 2,3 × 10-4 M.dia-1 A3→ A2 K2 = 1,6 × 104 M-1.dia-1.
d) Devido a uma não completa homogeneização dos sistemas, a concentração dos
microconstituintes varia com a altura na coluna de água da piscina. Explique a forma do perfil de concentração do manganês e a sua importância no sistema de autodepuração dos lagos. Comente ainda o perfil de concentração do alumínio na coluna de água, admitindo que ele pode entrar à superfície devido a escorrências dos terrenos, provocadas pela rega do jardim envolvente.
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CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
31 de Maio de 2012
I
Uma mina de blenda (ZnS) abandonada, situada no Vale de Karrantza (Biscaia, norte de Espanha), é responsável por uma contaminação acentuada do rio Callejo devido à mobilidade do zinco.
a) Determine a especiação e a solubilidade (em mg/L) do zinco na água do rio
Callejo (pH = 7,8) saturado com ZnCO3.
b) Redetermine a especiação do zinco após a entrada no rio de ácido
nitrilotriacético (NTA, co-adjuvante da formulação de detergentes, CNTA = 3 ×10 -3 M) proveniente de efluentes domésticos da aldeia próxima. Admita que não há formação de precipitado e que a concentração total em zinco é de 2 × 10-6 M. Compare os resultados obtidos em a) e b) em termos da toxicidade do zinco.
c) Diga em que consistem os agentes tensioactivos e como os classifica em
termos de parâmetro de qualidade da água. Indique um método de tratamento deste tipo de contaminação e explique a influência da presença de detergentes na capacidade de reoxigenação dos cursos de água.
DADOS:
MA (Zn) = 65,41 g/mol;Alcalinidade:5,2 × 10-3 M
Constantes de protonação globais do ácido carbónico: log β1 = 10,33; log β2 = 16,67. Constantes de formação globais dos hidroxocomplexos de zinco:
β1OH = 2,5 × 104; β3OH = 7,2 × 1015; β4OH = 2,8 × 1015 (βiOH = [M(OH)i] / [M][OH]i).
Constantes de dissociação do NTA: pKa1 = 1,8; pKa2 = 2,48; pKa3 = 9,65.
Constante de formação do complexo de NTA: log βZnNTA= 10,66 log Kps (ZnCO3) = -10.
II
a) A infiltração de efluentes domésticos no solo, decorrente de uma rotura na
canalização, conduziu ao aparecimento num lago com peixes de um composto tóxico X (concentração inicial 5 × 10-5 M). Este composto pode decompor-se de modo irreversível de duas maneiras, dando Y ou Z, com constantes de velocidade respectivamente KY = 1 × 103 M-1h-1 e KZ = 2,5 × 102 M-1h-1. Escreva as equações diferenciais de decomposição de X e de formação de Y e Z. Sabendo que o composto X é tóxico para os peixes a partir de CX = 10-6 M,
determine ao fim de quantos dias ele deixa de ser prejudicial.
b) Nesse lago (pH = 6,5), de pouca profundidade, vive uma espécie de peixe que
necessita de um teor em oxigénio dissolvido de 9 mg/L. Sabendo que o ecossistema lago foi perturbado devido à entrada de um sedimento contendo Fe2+ 2 × 10-12 M e FeOOH(s), verifique se o teor em oxigénio se manteve suficiente para a sobrevivência daquela espécie de peixe.
DADOS:
pε0 (FeOOH/Fe2+) = 16,0; pε0 (O2/H2O) = 20,8; KO2 = 1,27 × 103 Matm-1 (constante de Henry para o oxigénio); MA(O) = 16 g/mol.
c) Determine a percentagem de chumbo que poderia ficar adsorvido nas
partículas de sedimento (concentração total de grupos de superfície 6,5 × 10-4 M) do lago (pH = 6,5) se a concentração de chumbo total atingisse o valor de 2
× 10-7 M.
≡FeOOH2+ H+ + ≡FeOOH pK1s = 6,0 ≡FeOOH H+ + ≡FeOO- pK2s = 8,8 ≡FeOOH + Pb2+ H+ + ≡FeOOPb+ pCK1s = 2,5
d) Explique o papel da sedimentação das partículas na regulação do teor em
metais na coluna de água de um lago. Comente o ciclo do ferro e a sua associação ao ciclo dos fosfatos. Justifique ainda porque é que as partículas de CaCO3 não são eficientes em termos depurativos.
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
1º Exame
9 de Junho de 2012
I
a) Determine o valor de pH, a especiação e a acidez de uma água subterrânea
em equilíbrio com uma pressão de SO2 de 6 × 10-7 atm. Utilize o método gráfico e posteriormente use as aproximações feitas para realizar um cálculo mais preciso usando o método analítico.
b) Indique dois métodos de eliminação de sulfatos numa água e explique a
necessidade de controlar o teor de sulfatos em águas utilizadas em caldeiras e permutadores de calor.
DADOS:
Constante de Henry para o sistema H2SO3(aq)/SO2(g): KH = 1.25 M atm-1
Constantes de dissociação do ácido sulfuroso (H2SO3): pKa1 = 1,89; pKa2 = 7,20
Produto iónico da água: Kw = 1,0 × 10-14.
II
a) Uma indústria de baterias, situada na proximidade da costa colombiana, lançou
uma descarga para a Baía de Cartagena (pH = 7,9) que provocou uma concentração total em cádmio de 7,5 × 10-7 M. A bioacumulação em ostras (usadas como indicadores de poluição) retiradas de vários pontos da baía chegou a atingir valores da ordem de 25,8 mg Cd/Kg. Determine a especiação do Cd2+ na água da baía. Calcule, a seguir, o valor mínimo de concentração total de EGTA (proveniente de despejos industriais) que poderá evitar a toxicidade do cádmio (limite 1 × 10-8 M em Cd2+ livre).
b) Nas condições da alínea a) e na ausência de EGTA, determine o valor máximo de
c) Se os despejos industriais que contaminam a Baía de Cartagena contiverem um
produto tóxico X ([X]0 = 3 × 10-7 M) que sofre duas reacções consecutivas e irreversíveis para dar o produto final Z (KZ = 0,5 s-1), passando por um produto intermediário Y (KY = 0,3 s-1), diga qual será a concentração de X, Y e Z, para o tempo de meia vida de X, considerando a aproximação de estado estacionário.
DADOS:
Alcalinidade:8,0 × 10-5 M
Constantes de dissociação do ácido carbónico: pKa1 = 6,1; pKa2 = 9,3 Constante de formação do complexo de EGTA: log βCdEGTA = 16,5. Constantes de dissociação do EGTA:
pKa1= 2,0; pKa2 = 2.66; pKa3 = 8,85; log pKa4= 9,47.
Constantes de formação parciais dos hidroxocomplexos: log K1OH = 3,9; log K2OH = 3,8 (βiOH = [Cd(OH)i] / [Cd][OH]i).
Kps(CdCO3) = 6,2 × 10-12
III
a) Determine a carga à superfície das partículas de alumínio em suspensão na água
da Baía de Cartagena (pH = 7,9), sabendo que estão numa concentração de 1,5 g/L.
DADOS:
Concentração total de cádmio = 1 × 10-8 M Concentração total grupos superfície = 3 × 10-5 M
≡AlOH2+ H+ + ≡AlOH pK1s = 7,2
≡AlOH H+ + ≡AlO- pK2s = 9,5 ≡AlOH + Cd2+ H+ + ≡AlOCd+ pKs = 3,0
Se a carga à superfície das partículas passar a ser 4,3 × 10-8 M, devido a uma alteração do pH (efluente industrial lançado na baía), indique qual o efeito sobre a capacidade de sedimentação das partículas de alumina.
b) Diga em que consiste o nevoeiro fotoquímico, indique as suas consequências
para a saúde humana e duas soluções possíveis para limitar as emissões de óxidos de azoto.
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CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
16 de Maio de 2013
I
Um estudo realizado em 2010, pela Universidade Federal de Minas Gerais, detectou elevados níveis de contaminação por alumínio, chumbo e crómio (até 200 vezes o limite permitido pela legislação) em dois afluentes do rio São Francisco, perto das áreas industriais de Três Marias, Barreiro Grande e Pirapora. Este facto pode ter impacto na biota aquática bem como na saúde humana devido ao efeito cumulativo nos organismos.
a) Determine a especiação e a solubilidade (µg/L) do alumínio (III) na água do rio São Francisco saturado com Al(OH)3 (pH=6,5).
b) Admita que os efluentes industriais introduziram também no rio uma
concentração total em EGTA de 4 × 10-4 M e redetermine a especiação e a solubilidade do alumínio (III). Considere que o pH se manteve constante e que a água continua saturada em Al(OH)3. Comente as consequências que poderá ter para o ambiente a entrada deste ligando.
c) Sabe-se que o estado de oxidação mais comum em que o crómio se encontra
na natureza é +3, apesar da forma +6 ser também bastante estável se bem que tóxica para os seres humanos a nível hepático e renal. Determine, do ponto de vista termodinâmico, sob que forma está presente o crómio no rio São Francisco (pO2 = 0,2 atm) e escreva a reacção redox global correspondente. Admita que a concentração total em crómio é de 2,3 × 10-7 M e que a razão entre as concentrações de Cr2O72- e de Cr3+ é de 1,5.
DADOS:
MA(Al) = 26,98 g/mol Kps(Al(OH)3) = 2,0 × 10-32
Constantes de formação globais dos hidroxocomplexos: log β1OH = 9,01; log β2OH = 17,6; log β4OH = 33,0 (βiOH = [Al(OH)i] / [Al][OH]i).
Constantes parciais de protonação do EGTA:
log K1= 9,47; log K2 = 8,85; log K3 = 2,66; log K4= 2,0. pε0 (O2/H2O) = 13,75; pε0 (Cr2O72-/Cr3+) = 22,54.
II
Num lago dá-se a seguinte reacção de decomposição do composto A1 catalisada por uma enzima:
k1 k2 A1→ A2→ A3.
a) Escreva as equações diferenciais de decomposição de A1 e de formação de A3. Admitindo um estado estacionário, determine a concentração de A1, de A2 e de A3 quando 75% de A1 está decomposto (k1 = 2,0 × 10-4 Ms-1, k2 = 13 s-1, [A1]0 = 5 × 10-4 M).
b) Os óxidos de azoto são poluentes atmosféricos que provocam diversos efeitos
nocivos no nosso planeta e nos seus habitantes. Nomeie quatro fenómenos em que os óxidos de azoto estejam envolvidos e explique em que consistem três deles.
c) Determine a especiação do níquel (na forma dissolvida e particulada), sabendo
que partículas de montmorilonite se encontram em suspensão num curso de água de uma gruta situada perto do lago acima referido. Admita que o pH daquela água é igual a 7,8, a concentração total de grupos de superfície é de 2,0 × 10-4 M, a concentração de níquel total é de 1,8 × 10-7
M, a quantidade de partículas em suspensão é de 2,3 g/L e os efeitos electrostáticos nas constantes de equilíbrio são desprezáveis.
≡SOH2+ H+ + ≡SOH pK1s = 5,6 ≡SOH H+ + ≡SO- pK2s = 8,7 ≡SOH + Ni2+ H+ + ≡SONi+ pCK1s = 4,5 2 ≡SOH + Ni2+ 2H+ + (≡SO)2Ni pCK2s = 8,7
d) Diga a que se pode dever a presença de cloretos num curso de água. Indique
ainda que tipo de parâmetro é, um método para a determinação de cloretos e dois processos de tratamento de uma amostra de água com excesso de cloretos.
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
22 de Maio de 2014
I
Os estudos de metais tóxicos em ambiente aquático são necessários devido à possível contaminação desses metais por toda uma rede trófica através da alimentação. A bioconcentração de metais nos peixes (fígado, brânquias, baço, rins) provoca diversas reacções nos mesmos (stress, disfunções fisiológicas, alterações no crescimento e reprodução). Em particular, determinou-se a existência da seguinte correlação entre a concentração de Mn (Cp) nas espécies piscívoras (topo de cadeia) e o valor determinado para o mesmo metal (Ca) na água do rio das Almas (Brasil Central): Cp (µg/g) = 1,59Ca (µg/mL) + 2×10-3.
d) Qual seria a especiação (M) e a solubilidade (mg/L) do manganês (II) no rio das
Almas (pH = 8,5) se este estivesse saturado em Mn(OH)2 ?
e) Sabendo que nas redondezas existe uma unidade agro-pecuária que lançou
para o rio efluentes resultantes da lavagem das pocilgas e estábulos contendo detergentes (CEDTA = 6 × 10-5 M), redetermine a especiação do manganês (II) na água do rio. Considere que o pH se manteve constante e que o teor de Mn determinado nas espécies piscívoras do rio das Almas foi de 0,053 µg/g. Analise as consequências para o ambiente da entrada deste tipo de efluentes do ponto de vista da especiação do Mn(II).
f) Os perfis do ferro e do manganês em solução são muito influenciados pelo
potencial redox. Explique a forma destes perfis na coluna de água e a sua influência no sistema de autodepuração das águas naturais.
DADOS:
MA(Mn) = 54,94 g/mol Kps(Mn(OH)2) = 1,6 × 10-15 ALC = 5 × 10-4 M
Constantes de protonação do ácido carbónico: log β1 = 10,32; log β2 = 16,7
Constante formação complexo com hidrogenocarbonato (HL): log KMnHL = 0,52 (KMnHL = [MnHL]/[Mn][HL]).
Constante formação complexo com EDTA: log βMnEDTA = 13,87. Constantes dissociação EDTA:
pKa1 = 2,0; pKa2 = 2,68; pKa3 = 6,11; pKa4 = 10,17.
II
a) Determine a razão das concentrações [Fe3+]/[Fe2+] numa água saturada com oxigénio (pO2 = 1 atm) e na mesma água em que houve um esgotamento deste gás devido a um problema de eutrofização. Sabe-se que não há complexantes para o ferro, que o pH é igual a 8,2 e que, no segundo caso, a concentração de sulfureto total é de 10-5 M e a de sulfato é 10-3 M. Comente o facto de muitas vezes os valores das concentrações dos iões Fe3+ e Fe2+ determinadas experimentalmente não obedecerem às razões calculadas.
DADOS: H2S (log K1 = 13,9, log K2 = 7); pε0 (O2/H2O) = 20,8; pε0 (SO42-/HS-) = 4,13; pε0 (Fe3+/Fe2+) = 13,0.
b) Diga como classifica, em termos de parâmetro de qualidade da água, o
oxigénio dissolvido. Indique dois factores de que depende a sua concentração e dois métodos para a sua determinação. Defina ainda o que é CBO e CQO.
c) Considerando que é lançado para uma lagoa um composto tóxico A ([A]0 = 4,0
× 10-5 M) que se pode decompor de forma irreversível por 2 processos diferentes, em B e C, com constantes de velocidade kB = 1 × 10-3 Mdia-1 e kC = 5 × 10-3
Mdia-1, determine o tempo necessário para que o composto A deixe de afectar o ambiente de modo directo. Sabendo que a concentração de B ao fim desse tempo é 3 × 10-6 M, diga se B e C se podem considerar contaminantes
DADOS: Limites de toxicidade: CA = 10-8 M, CB = 6 × 10-6 M e CC = 2 × 10-6 M.
d) Determine a carga à superfície das partículas de alumína em suspensão na
água da lagoa (pH = 7,7) e diga, justificando, como variaria essa carga se o pH da água aumentasse por despejo de um efluente industrial alcalino.
DADOS:
Concentração total de chumbo = 4,0 × 10-7 M Concentração total grupos superfície = 5,0 × 10-4 M
≡AlOH2+ H+ + ≡AlOH pK1s = 7,2 ≡AlOH H+ + ≡AlO- pK2s = 9,5 ≡AlOH + Pb2+ H+ + ≡AlOPb+ pKs = 2,2
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CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
1º Exame
7 de Junho de 2014
I
a) Um aquário equipado com um dispositivo controlador de pH (injecção de CO2 para baixar o pH ou circulação de ar para o fazer subir) foi cheio com água (pH 5,7). Ao fim de 1 semana foram deixados cair lá dentro, acidentalmente, dois comprimidos de aspirina 500 mg (ácido acetilsalicílico, C = 5,80 × 10-5 M, pKa = 3,49). Determine o valor de pH e a especiação desta água após a queda dos comprimidos, utilizando o método gráfico e depois as aproximações que verificou serem correctas para efectuar um cálculo mais preciso usando o método analítico. Em função do resultado obtido, diga se o dispositivo controlador de pH teve de actuar para repor o pH e, em caso afirmativo, de que forma.
b) De que parâmetros depende a lixiviação dos poluentes atmosféricos pela água
da chuva?
DADOS:
Constante de Henry para o sistema H2CO3/CO2: KH = 3,4 × 10-2 M atm-1 Constantes de dissociação do ácido carbónico: pKa1 = 6,38; pKa2 = 10,32 pCO2 = 10-3,5 atm.
Produto iónico da água: Kw = 1,0 × 10-14.
II
a) A poluição por chumbo (CPb = 106 µg/L) das águas fluviais do Bengo (Angola) deve-se em grande parte à sua utilização para lavagem de geradores e componentes de automóveis. Determine a especiação deste ião metálico no rio Bengo (pH = 7,5) sabendo que efluentes industriais lançaram também no rio NTA (CNTA = 2 × 10-4 M). Comente o efeito da presença do NTA sobre a toxicidade do chumbo no meio aquático.
b) Nas condições da alínea a), e admitindo que o pH se mantém constante,
determine o valor de concentração total de fosfatos proveniente de escorrências dos terrenos circundantes a partir da qual precipita Pb3(PO4)2. Explique o significado do resultado obtido.
c) Diga como classifica, em termos de parâmetro de qualidade da água, a
alcalinidade. Indique um método experimental para a sua determinação e a forma da curva de titulação obtida no caso de a água ter como constituintes predominantes os iões HCO3- e CO32-.
DADOS:
MA (Pb) = 207,20 g/mol
Constantes de formação dos hidroxocomplexos de chumbo: log K1OH = 6,0; log K2OH= 4,3; log K3OH= 3,0
Constante de formação do complexo de NTA: log βPbNTA = 11,34 Constantes de dissociação do NTA:
pKa1 = 1,8; pKa2 = 2,48; pKa3 = 9,65
Constantes de protonação do H3PO4: log β1 = 12,35; log β2 = 19,55; log β3 = 21,7 Kps(Pb3(PO4)2) = 3,0 × 10—44
III
a) Uma água natural a pH 7 e a 6 metros de profundidade está contaminada com
cobre (CCu = 2,5 × 10-8 M). Se o teor de oxigénio dissolvido for 5,2 × 10-5 M e os sistemas redox O2/H2O e Cu2+/Cu+ estiverem em equilíbrio, determine as concentrações em Cu2+ e Cu+ e comente o carácter oxidante ou redutor desta água.
DADOS: pε0 (Cu2+/Cu+) = 2.59; pε0 (O2/H2O) = 20.8; KH (O2) = 1.36x10-3 M atm-1
b) Determine a percentagem de grupos funcionais neutros à superfície das
partículas de gatite existentes em suspensão nessa água natural (pH = 7) e diga, justificando, como varia a percentagem de adsorção dos iões Cu2+ na gatite em função do pH.
DADOS:
Quantidade de partículas em suspensão = 1,5 g/L Concentração total grupos superfície = 4,8 × 10-4 M
≡FeOH2+ H+ + ≡FeOH pK1s = 7,2 ≡FeOH H+ + ≡FeO- pK2s = 9,3. Cotação: Ia) 5,0 val; Ib) 2,0 val; IIa) 3,5 val; IIb) 2,0 val; IIc) 2,0 val; IIIa) 2,5 val; IIIb) 3,0
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
2º Teste
23 de Maio de 2015
I
O mar de Aral (Cazaquistão/Uzbequistão) encontra-se contaminado por urânio (na forma de ião uranilo UO22+), proveniente principalmente do rio Syrdarya que nele desagua. A presença deste radionuclídeo carcinogénico, com tempos de meia vida dos isótopos mais comuns muito elevados (milhões de anos) e grande mobilidade, deve-se a actividades de mineração de urânio que ocorrem na proximidade desse rio [adaptado de Journal of Marine Systems, 76 (2009) 322].
a) Determine a especiação (em M) e a concentração total (em µg/L) do uranilo na água do mar de Aral (pH = 6,1, ALC = 2,7 × 10-6 M), sabendo que o teor encontrado na bacia norte para a espécie UO22+ foi de 37 µg/L.
b) Se, a posteriori, efluentes de uma indústria alimentar introduzirem uma
concentração total em citrato de 5 × 10-3 M, redetermine a especiação do uranilo. Comente se haverá consequências, em termos ambientais, desta descarga industrial.
c) Apesar do urânio se encontrar predominantemente no estado de oxidação +6,
veja se a reacção de redução a U4+ se pode dar na presença de ácido sulfuroso em águas mais profundas, escrevendo a reacção redox global e determinando a constante de equilíbrio correspondente.
DADOS:
MA(U) = 238 g/mol
Constantes de formação dos hidroxocomplexos de uranilo: log β1OH = -5; log β2OH = -11,2 (βiOH = [UO2(OH)i][H+]i / [UO22+]).
Constante de formação do complexo de carbonato de uranilo, UO2(CO3)34-: log β13 = 22,6.
Constantes de protonação do carbonato: log K1 = 9,46; log K2 = 6.
Constantes de formação dos complexos de citrato: log KML= 6,1; log KML2 = 4,88. Constantes de dissociação do ácido cítrico: pKa1 = 3,15; pKa2 = 4,77; pKa3 = 6,40. E0 (UO22+/U4+) = 0,33 V; E0 (SO42-/H2SO3) = 0,10 V.
R = 8,314 JK-1; F = 96 500 C; T = 290 K.
II
a) Sabendo que dois compostos (X1 e X2) foram lançados num lago e reagem entre si irreversivelmente para dar o composto X3, determine a ordem da reacção e ao fim de quantos minutos o composto X1 deixa de ser nocivo para a flora aquática.
DADOS:
[X1]0 = 6 × 10-7 M; [X2]0 = 8 × 10-4 M; Limite de toxicidade de X1: CX1 = 2×10-8 M K = 6 × 103 M-1h-1
b) Diga como se classificam, em termos de parâmetro de qualidade da água, os
agentes tensioactivos utilizados na formulação dos detergentes comerciais. Indique dois métodos de tratamento de um efluente que contenha detergentes e aponte dois efeitos negativos da sua presença nas águas naturais.
c) Determine a especiação do cádmio [na forma dissolvida (M) e particulada
(mol/Kg)], atendendo a que partículas de alumina se encontram em suspensão na água desse lago (pH = 8,3) e sabendo que a concentração total de grupos de superfície é de 3,5 × 10-4 M, a concentração de cádmio é de 1,5 × 10-7 M, a quantidade de partículas em suspensão é de 1,5 g/L e os efeitos electrostáticos nas constantes de equilíbrio são desprezáveis.
≡AlOH2+ H+ + ≡AlOH pK1s = 7,2 ≡AlOH H+ + ≡AlO- pK2s = 9,5 ≡AlOH + Cd2+ H+ + ≡AlOCd+ pKs = 3,0
d) Explique qual o efeito sobre a solubilidade da calcite (CaCO3(s)), existente num lago, da presença de um: a) ião comum; b) agente complexante.
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
CARACTERÍSTICAS E QUÍMICA DA ÁGUA
1º Exame
6 de Junho de 2015
I
a) A libertação acidental (durante cerca de duas horas) de 3,5 mil litros de um
derivado do ácido sulfúrico (CNaHSO4 = 5 ×10-4 M), proveniente de uma estação de tratamento de esgoto, provocou a morte de um elevado número de peixes no rio Cambuí (Campo Largo, Brasil). Justifique e comente o impacto ambiental verificado através da determinação do valor de pH e da especiação da água do rio, utilizando o método gráfico e depois as aproximações que verificou serem correctas para efectuar um cálculo mais preciso usando o método analítico.
b) Diga como classifica os sulfatos em termos de parâmetro de qualidade da
água, indique dois métodos de eliminação e explique a necessidade de controlar o teor de sulfatos em águas utilizadas em caldeiras e permutadores de calor.
c) Indique qual a diferença entre águas subterrâneas e águas superficiais em
termos do teor em dióxido de carbono e da dureza. Diga ainda qual o efeito do aumento da pCO2 sobre a dureza da água.
DADOS:
Constante de Henry para o sistema H2CO3/CO2: KH = 3,4 × 10-2 M atm-1 Constantes de dissociação do ácido carbónico: pKa1 = 6,38; pKa2 = 10,32 pCO2 = 10-3,5 atm
Constantes de dissociação de H2SO4: pKa1< 0; pKa2 = 2,03
II
Foi detectada a contaminação de solos e águas subterrâneas do Ecoparque da Chamusca por zinco, tal como indicado pelo relatório da BioVia – Engenharia e Gestão Ambiental (adaptado de Público, Maio de 2015).
a) Determine a especiação e a solubilidade do Zn(II) numa água subterrânea do
Ecoparque (pH = 8), admitindo que se encontra saturada em ZnCO3 e que foi contaminada por infiltração de um efluente industrial contendo PDTA (CPDTA = 5
× 10-3 M). Comente o efeito da presença de PDTA sobre a toxicidade do zinco.
DADOS:
log Kps (ZnCO3) = -10. Alcalinidade: 8,0 × 10-3 M.
Constantes de protonação do ácido carbónico: log β1 = 10,33; log β2 = 16,67. Constantes de formação dos hidroxocomplexos de zinco:
β1OH = 2,5 × 104; β3OH = 2,8 × 1015; β4OH = 7,2 × 1015 (βiOH = [M(OH)i] / [M][OH]i). Constante de formação do complexo de PDTA com zinco: log KZnPDTA = 17,3. Constantes de dissociação de PDTA: pKa1 = 2,78; pKa2 = 6,22; pKa3 = 10,92.
b) Explique quais as vantagens e/ou desvantagens da presença do ozono em
duas camadas distintas da atmosfera tais como a estratosfera e a troposfera.
III
a) Um efluente, proveniente de uma indústria de corantes, é lançado num lago
(pH = 8,8). Se for atingido o equilíbrio, diga qual a forma mais estável em que se encontrará o cobalto, admitindo que a concentração total de cobalto no lago é 3,5 × 10-6 M, [Co2+] = 2 × 10-8 M e que se pode admitir um sistema aeróbio. Escreva a reacção redox global correspondente.
DADOS:
pε0 (O2/H2O) = 20,8; pε0 (Co3+/Co2+) = 31.
b) Determine a percentagem de grupos funcionais com carga negativa à
superfície das partículas de montmorilonite que se encontram em suspensão no referido lago, considerando desprezáveis os efeitos electrostáticos nas constantes de equilíbrio. Explique como variará a percentagem de adsorção dos iões Co3+ na montmorilonite em função do pH.
≡SOH2+ H+ + ≡SOH pK1s = 5,6 ≡SOH H+ + ≡SO- pK2s = 8,7
DADOS:
Quantidade de partículas em suspensão = 2,4 g/L Concentração total grupos superfície = 7,2 × 10-4 M
