Aula 2: Química das Águas

Aula 2: Química das Águas

Prof

_{. Lilian Silva}

2012

Química das Águas

 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

A quantidade de água livre sobre a Terra atinge 1.370 milhões de Km3

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

Química das Águas

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

0,3% do total de água livre no Planeta

4.050.800 Km3 _{de mananciais}

Química das Águas

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 realcionados com a água

Escassez Qualidade inadequada da mesma

Química das Águas

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.

Duas categorias de reações mais comuns em águas naturais: 1) Reações ácido-base;

2) Reações redox.

Os fenômenos ácido-base e de solubilidade controlam as concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na água;

Química das Águas

Oxigênio molecular dissolvido: É o agente oxidante mais importante em águas naturais

Reações de oxidação-redução

O Oxigênio Dissolvido

O₂ + 4H+ _{+ 4e}-  _2H 2O

 Semi-reação que ocorre em solução ácida:

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

-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 5ppm de oxigênio dissolvido para manter-se vivos.

Química das Águas

Demanda de Oxigênio

Substância mais habitualmente oxidada pelo oxigênio dissolvido em água: matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de animais)

CH₂O_(aq) + O_2(aq)  CO_2(g) + H₂O_(aq)

Carboidrato (fibras de plantas)

A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de água natural em consumir oxigênio é chamada demanda bioquímica de oxigênio (DBO).

C

Avaliação das concentrações de oxigênio dissolvido antes e após um período durante o qual uma amostra selada de água é mantida no escuro à

temperatura constante (200_{C ou 25}0_C)

A DBO é igual à quantidade de oxigênio consumida como resultado da oxidação da matéria orgânica dissolvida da amostra.

Química das Águas

Determinação mais rápida da demanda de oxigênio pode ser feita pela avaliação da demanda química de oxigênio, (DQO), de uma amostra de água.

O íon dicromato, Cr₂O₇2-_{, é dissolvido em ácido sulfúrico: poderoso agente}

oxidante.

Cr₂O₇2- _{+ 14H}+ _{+ 6e}- _2Cr3+_{+ 7H} 2O

Outras duas medidas para determinar a quantidade de substâncias orgânicas presentes em águas naturais:

COT: caracterizar a matéria orgânica dissolvida e em suspensão em água natural;

COD: caracterizar apenas o material orgânico que está realmente dissolvido.

Exemplos: carboidratos (mais abundantes), proteínas e aldeídos de baixa MM,

Química das Águas

Decomposição Anaeróbica de Matéria Orgânica em Águas Naturais

 Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânica dissolvida na água decompõe-se sob condições anaeróbicas: águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagos profundos.

2CH₂O CHbactérias ₄ + CO₂ matéria orgânica metano dióxido de

Química das Águas

Drenagem Ácida de Mina

 Reação que acontece em minas 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+

Química das Águas

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

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

Química das Águas

Nitratos e Nitritos em Alimentos e Água

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

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

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

Química das Águas

O bebê torna-se azul e sofre insuficiência respiratória

Síndrome do Bebê Azul

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

Parte dos íons nitrato convertidos à íons nitrito no estômago

Nitrosaminas nos Alimentos e na Água

Alguns cientistas têm advertido que o excesso de íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar a um aumento na incidência de câncer de estômago em seres humanos

Nitritos poderiam reagir com aminas para produzir N-nitrosaminas: ação carcinogênica em animais

Aminas em que dois grupos orgânicos e uma unidade –NO estão ligados ao nitrogênio central:

Química das Águas

 N-nitrosodimetilamina: é de interesse não apenas no que diz respeito a sua produção no estômago e a sua ocorrência em alimentos e bebidas(queijos, bacon frito, carne e peixe defumado e/ou curado e cerveja)

Poluente ambiental da água potável: carcinógeno potente

Química das Águas

A Química Ácido-Base em Águas Naturais O Sistema CO₂/Carbonato

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

2CO3.

CO₃

2-(g) + H2O(aq) H2CO3(aq)

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

H₂CO₃ H+ _{+ HCO} 3

-CaCO_3(s) Ca2+ _{+ CO} 3

2-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:

Química das Águas

CO₃2- _{+ H}

2O HCO3- + OH

-O íon carbonato dissolvido atua como base, produzindo na água íons bicarbonato e hidróxido:

Química das Águas

Índice de Dureza em Águas Naturais

Mede certos cátions importantes presentes em amostras de águas naturais Mede a concentração total de íons Ca2+ _{e Mg}2+_{: espécies que são as}

principais responsáveis pela “dureza” da água de abastecimento Dureza = [Ca2+_{] + [Mg}2+_]

A maior parte do cálcio entra na água através de CaCO₃, na forma de calcário, ou por depósitos minerais de CaSO₄

A fonte da maioria do magnésio é o calcário “dolomítico”, CaMg(CO₃)₂ Pessoas que habitam em áreas de águas duras apresentam um índice médio de mortalidade por doenças cardíacas menor do que as pessoas que

Química das Águas

Suprimento de íon magnésio para o organismo

Proteção que a água dura possa proporcionar devido à presença de outros íons (sódio e íons de metais pesados)

Química das Águas

Principais usos da água: -Abastecimento humano; -Abastecimento industrial; -Irrigação; -Dessedentação de animais; -Recreação; -Harmonia paisagística;

-Geração de energia elétrica; -Conservação da flora e fauna; -Navegação;

-Pesca;

Química das Águas

O consumo de água tende a crescer

Aumento da população Desenvolvimento industrial e outras atividades humanas

Cada vez mais se retira água dos mananciais e se produzem resíduos líquidos, os quais voltam para os recursos hídricos, alterando sua qualidade

Para cada uso da água, há necessidade de que a mesma tenha uma determinada qualidade

A água de beber deve obedecer a critérios mais rígidos do que a utilizada na recreação ou para fins paisagisticos

A qualidade desejável para a água usada na irrigação varia em função dos tipos de culturas onde será aplicada, se alimentícias ou não

Química das Águas

 Alguns usos provocam alterações nas características da água, tornando-a imprópria para outras finalidades.

A recreação pode modificar a qualidade da água, prejudicando o recurso humano

A irrigação com o uso de fertilizantes e pesticidas, pode provocar a poluição de mananciais (fontes de água, superficiais ou subterrâneas,

utilizadas para abastecimento humano e manutenção de atividades econômicas), causando prejuízos e outros usos.

A água utilizada para diluir despejos, mesmo tratados, torna-se imprópria para o consumo humano e para outros fins

Química das Águas

Observa-se que há necessidade do manejo adequado dos recursos hídricos, compatibilizando-se os seus diversos usos de forma a garantir a

água na qualidade e na quantidade desejáveis aos diversos fins

DESAFIO: A humanidade deve saber aproveitar seus recursos hídricos, de forma a garantir os seus múltiplos usos, hoje e sempre

DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA TERRA

A àgua 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).

DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA TERRA

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.

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

Os vegetais absorvem a água do solo pelas raízes e a perdem pela transpiração.

Os 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, impermeabilização do solo, entre outras atividades.

DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA TERRA

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

DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA TERRA

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

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

 Tão ou mais importante que a questão envolvendo a quantidade de água disponível, apresenta-se também a questão da qualidade da água disponível.

POLUIÇÃO: Qualquer substância que possa tornar o ambiente impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem estar público, danoso aos materiais, à fauna, à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às atividades normais da comunidade.

Não se restringe somente à ocorrência de doenças no homem

Qualquer alteração de um ambiente (ar, água, solo) que resulte em prejuízos aos organismos vivos ou prejudique um uso previamente definido para ele.

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

 A poluição das águas é principalmente fruto de um conjunto de atividades humanas.

Poluentes alcançam águas superficiais e subterrâneas de formas bastante diversas.

Este aporte é classificado como pontual ou difuso para efeito de legislação

Fontes pontuais: descarga de efluentes a partir de indústrias e estações de tratamento de esgoto, derramamentos acidentais, atividades de mineração, enchentes, etc.

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

Impacto ambiental causado por elas

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

Fontes difusas: escoamento superficial urbano, escoamento superficial das áreas agrícolas, trabalhos de construção, etc.

Elas se espalham por inúmeros locais e são particularmente difíceis de serem determinadas, em função das características intermitentes de suas descargas

e também da abrangência sobre extensas áreas

Existem duas estratégias adotadas no controle da poluição: (1) redução na fonte e (2) tratamento dos resíduos de forma a remover os contaminantes ou

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

Primeiras evidências da relação entre doenças e o consumo de água poluída Metade do século passado em Londres: Epidemia de Cólera

Sabe-se hoje 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 do globo, especialmente nos países subdesenvolvidos.

Os poluentes aquáticos mais sérios são os microorganismos patogênicos (causadores de doenças e mortes)

Frequentemente presentes nos excrementos dos seres humanos e de animais, podendo ser bactérias, vírus e parasitas, etc.

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

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

•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

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

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

•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 têm contribuído para acelerar este processo

Lagoas da Pampulha, em Belo Horizonte, assim como o Lago Paranoá, em Brasília, são exemplos de corpos aquáticos eutrofizados

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

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

 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

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

Milhões de toneladas de compostos orgânicos sintéticos são produzidos globalmente

Largamente empregados na produção de plásticos, fibras sintéticas, borracha sintética, solventes, pesticidas, agentes preservantes de madeira, etc.

Em função de sua estrutura química, muitos destes compostos são resistentes à biodegradação (após mineralização eles não se tornam inorgânicos)

Esta é, inclusive, uma das principais propriedades que tornam tais compostos de grande utilidade

Inúmeros destes compostos são considerados poluentes aquáticos e se constituem em substâncias às quais a biota aquática ainda não foi exposta

Efeitos destes compostos sobre os mais variados tipos de organismos aquáticos ainda são totalmente desconhecidos (exposições prolongadas e

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

Muitos deles podem ser mutagênicos (causadores de mutação), cancerígenos ou ainda teratogênicos (causadores de defeitos em recém-nascidos)

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

Exemplos:

1 – Substâncias plásticas de grande utilização doméstica industrial;

2 – No caso da poluição da água: substâncias chamadas tensoativas (detergentes sintéticos) que apresentam ligações sulfônicas extremamente resistentes às ações químicas ou biológicas

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.

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

•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)

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

•Outra classe de substâncias químicas que não se degradam no ambiente são as metais pesados. (Resolução CONAMA, n0 _{344 de 2004 )}

Pesticidas: conversão para estruturas não tóxicas através de processos

químicos ou ainda biológicos

Metais pesados: o elemento e intrinsecamente tóxico, cuja toxidez depende da

espécie química formada pelo metal

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

Largamente utilizados na indústria, presentes em determinados pesticidas e até mesmo em medicamentos, usados em pigmentos, esmaltes, tintas e

corantes

QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA

Exemplo: Sais como Hg(NO₃)₂ são bastante solúveis e se estiverem presentes em água o íon Hg(II) permanecerá em solução e sua concentração deve ser elevada

Exceto se ânions como o sulfeto também estiverem presentes, pois o HgS é uma espécie bastante insolúvel e deve se depositar nos sedimentos de corpos

aquáticos

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

Referências bibliográficas

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

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

3 - http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/aguas.pdf. Acessado em 13/11/12.