Prof. Alexsandro Nunes Colim a. Grace Jenske

Indaial – 2021

Química analítica ambiental

Prof. Alexsandro Nunes ColimProfa. Grace Jenske

1a Edição

Copyright © UNIASSELVI 2020

Elaboração:

Prof. Alexsandro Nunes Colim

Profa. Grace Jenske

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri

UNIASSELVI – Indaial.

Impresso por:

C696q

Colim, Alexsandro Nunes

Química analítica ambiental. / Alexsandro Nunes Colim; Grace Jenske. – Indaial: UNIASSELVI, 2021.

200 p.; il.

ISBN 978-65-5663-672-6ISBN Digital 978-65-5663-673-3

1. Química analítica. - Brasil. I. Jenske, Grace. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci.

CDD 540

apresentaçãoOlá, acadêmico! Bem-vindo à disciplina de Química Analítica

Ambiental. Neste Livro didático, aprenderemos conceitos, definições, propriedades e exemplos que serão essenciais para a sua formação profissional. Lembre-se, acadêmico: você é o protagonista da sua história, por isso, aproveite os conteúdos aqui apresentados da melhor forma possível.

A Química Analítica Ambiental é uma área de estudo que tem por finalidade aplicar metodologias analíticas em matrizes ambientais, para verificar a qualidade ambiental e para contribuir com o controle e gerenciamento das atividades industriais e das ações antrópicas poluidoras do meio ambiente.

Na Unidade 1, abordaremos as principais matrizes ambientais: ar,

solo e água. Estudaremos as suas propriedades, composição, distribuição e formação no meio ambiente. Conheceremos os ciclos biogeoquímicos dos principais elementos e sua importância para o equilíbrio ambiental, para que, na sequência, vejamos o impacto que a poluição causa na alteração desses ciclos e no comprometimento à qualidade de vida da população.

Em seguida, na Unidade 2, aprenderemos a química das soluções aquosas. Aprenderemos conceitos acerca dos equilíbrio iônico ácido-base, da formação de complexos e precipitados, da aplicação de cálculos de equilíbrio para sistemas simples e complexos e dos sistemas redox.

Por fim, na Unidade 3, estudaremos as análises ambientais. Vamos conhecer as técnicas analíticas, as formas de desenvolvimento e validação de métodos analíticos, o controle de qualidade e interpretação de resultados e os erros experimentais. Por fim, aprenderemos a aplicar os resultados analíticos como indicadores de poluição nas matrizes ambientais.

Lembre-se, caro acadêmico, mais do que saber, é preciso saber fazer! Dessa forma, esta disciplina pretende oportunizar a compreensão dos conceitos provenientes da Química Analíticas na aplicação ambiental, trazendo uma luz sobre os impactos da poluição no meio ambiente.

Bons estudos!Prof. Alexsandro ColinProfa. Grace Jenske

Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novi-dades em nosso material.

Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.

O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagra-mação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.

Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilida-de de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assun-to em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos!

NOTA

Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento.

Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complemen-tares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.

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Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!

LEMBRETE

sumário

UNIDADE 1 — QUÍMICA ANALÍTICA E MEIO AMBIENTE .................................................... 1

TÓPICO 1 — MATRIZES AMBIENTAIS .......................................................................................... 31 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 32 A MATRIZ ÁGUA .............................................................................................................................. 3

2.1 CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES ................................................................................... 52.2 USOS DA ÁGUA ............................................................................................................................ 62.3 TIPOS DE ÁGUA ........................................................................................................................... 82.4 ÁGUA SUBTERRÂNEA ............................................................................................................... 92.5 ÁGUA SUPERFICIAL ................................................................................................................... 92.6 PARÂMETROS ANALÍTICOS IMPORTANTES ...................................................................... 10

3 A MATRIZ AR .................................................................................................................................... 113.1 PARÂMETROS ANALÍTICOS IMPORTANTES ...................................................................... 133.2 ÍNDICE DE QUALIDADE DO AR ............................................................................................. 13

4 A MATRIZ SOLO .............................................................................................................................. 154.1 COMPOSIÇÃO E TIPOS DE SOLOS ......................................................................................... 154.2 PARÂMETROS ANALÍTICOS IMPORTANTES ...................................................................... 17

RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 18AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 20

TÓPICO 2 — CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DOS ELEMENTOS ............................................. 231 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 232 CICLO BIOGEOQUÍMICO DA ÁGUA ........................................................................................ 233 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO OXIGÊNIO .............................................................................. 254 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO CARBONO ............................................................................... 27

4.1 CICLO BIOLÓGICO DO CARBONO ........................................................................................ 284.2 CICLO GEOLÓGICO DO CARBONO ...................................................................................... 284.3 INTERFERÂNCIA ANTRÓPICA NO CICLO DO CARBONO ............................................. 29

5 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO FÓSFORO ................................................................................. 296 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO NITROGÊNIO ........................................................................ 30RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 33AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 35

TÓPICO 3 — POLUIÇÃO AMBIENTAL ......................................................................................... 371 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 372 PRINCIPAIS ASPECTOS DA POLUIÇÃO AMBIENTAL ........................................................ 37

2.1 POLUENTES EMERGENTES ..................................................................................................... 393 CONTAMINAÇÃO DE ÁGUAS ................................................................................................... 39

3.1 EUTROFIZAÇÃO DE CORPOS HÍDRICOS ............................................................................ 424 CONTAMINAÇÃO DO AR ............................................................................................................. 44

4.1 SMOG FOTOQUÍMICO ............................................................................................................... 455 CONTAMINAÇÃO DE SOLOS ..................................................................................................... 466 PAPEL DO ENGENHEIRO AMBIENTAL E SANITARISTA FRENTE A POLUIÇÃO ....... 47LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 49

RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 53AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 55

REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 57

UNIDADE 2 — QUÍMICA DAS SOLUÇÕES AQUOSAS ........................................................... 59

TÓPICO 1 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES ÁCIDO-BASE ..................................... 611 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 612 TEORIAS ÁCIDO BASE .................................................................................................................. 62

2.1 TEORIA ÁCIDO-BASE DE ARRHENIUS ................................................................................. 622.2 TEORIA ÁCIDO-BASE DE BRØNSTED-LOWRY OU TEORIA PROTÔNICA .................. 652.3 TEORIA ÁCIDO-BASE DE LEWIS OU TEORIA ELETRÔNICA .......................................... 67

3 EQUILIBRIO QUÍMICO E FORÇAS RELATIVAS DOS ÁCIDOS E BASES ....................... 694 POTENCIAL HIDROGENIÔNICO E INDICADORES ÁCIDO-BASE ................................. 745 SOLUÇÃO TAMPÃO ....................................................................................................................... 80RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 86AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 88

TÓPICO 2 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO .......................... 911 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 912 SOLUBILIDADE E SATURAÇÃO DE SOLUÇÕES ................................................................... 913 EQUILÍBRIO DINÂMICO E O PRODUTO DE SOLUBILIDADE ......................................... 954 CÁLCULOS ENVOLVENDO KPS ................................................................................................. 985 PRINCÍPIO DE LE CHATELIER APLICADO EM SOLUÇÕES SATURADAS .................. 101RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 104AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 105

TÓPICO 3 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO E COMPLEXAÇÃO ................................................................... 1071 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1072 REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO (PARTE I) ............................................................................... 107

2.1 CONCEITOS BÁSICOS .............................................................................................................. 1082.2 CÉLULAS GALVÂNICAS ......................................................................................................... 116

3 REAÇÕES DE COMPLEXAÇÃO (PARTE II) ............................................................................. 125LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 131RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 134AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 136

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 138

UNIDADE 3 — ANÁLISES AMBIENTAIS ................................................................................... 141

TÓPICO 1 — TÉCNICAS ANALÍTICAS E SEUS MÉTODOS .................................................. 1431 INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1432 TÉCNICAS ANALÍTICAS ............................................................................................................. 143

2.1 ANÁLISES QUALITATIVAS E QUANTITATIVAS ............................................................... 1463 CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS ANALÍTICOS ................................................................ 147

3.1 MÉTODOS ANALÍTICOS CLÁSSICOS ................................................................................. 1483.2 ANÁLISES GRAVIMÉTRICAS ................................................................................................. 1483.3 ANÁLISES VOLUMÉTRICAS .................................................................................................. 1503.4 MÉTODOS ANALÍTICOS INSTRUMENTAIS ...................................................................... 151

4 SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO .............................................................................. 154RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 155AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 156

TÓPICO 2 — DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS E CONTROLE DE QUALIDADE DOS RESULTADOS ....................................... 1591 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1592 DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS ANALÍTICOS .......................................................... 1593 VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS ........................................................................... 161

3.1 LINEARIDADE ........................................................................................................................... 1633.2 EXATIDÃO E PRECISÃO .......................................................................................................... 1633.3 ESPECIFICIDADE E SELETIVIDADE ..................................................................................... 1643.4 LIMITE DE DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO .................................................................... 164

4 CONTROLE DE QUALIDADE DOS RESULTADOS ............................................................. 165RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 167AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 168

TÓPICO 3 — INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ERROS EM QUÍMICA ANALÍTICA ................................................................. 1711 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1712 INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................. 1713 OS ERROS NA QUÍMICA ANALÍTICA .................................................................................... 173

3.1 ERROS ALEATÓRIOS ................................................................................................................ 1743.2 ERROS SISTEMÁTICOS ............................................................................................................ 1753.3 ERROS GROSSEIROS ................................................................................................................. 1753.4 CAUSAS DOS ERROS ................................................................................................................ 176

4 INCERTEZA DE RESULTADOS .................................................................................................. 176RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 178AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 179

TÓPICO 4 — APLICAÇÕES ANALÍTICAS EM POLUIÇÃO AMBIENTAL: ANÁLISE DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS, DE AR, SOLO E DE RESÍDUOS SÓLIDOS ........................................................................... 1811 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1812 ANÁLISES DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS............................................... 182

2.1 DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS CLÁSSICOS DE QUALIDADE DE ÁGUAS ............... 1822.2 DETERMINAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS ........................................................................................ 1832.3 DETERMINAÇÃO DE METAIS EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS .................. 185

3 ANÁLISES DE AR .......................................................................................................................... 1863.1 DETERMINAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS ...................................... 187

4 ANÁLISES DE SOLOS E RESÍDUOS SÓLIDOS ..................................................................... 1874.1 PREPARO DE SOLOS PARA ANÁLISE POR DIGESTÃO ÁCIDA .................................... 1884.2 PROCEDIMENTO PARA OBTENÇÃO DE LIXIVIADO EM RESÍDUOS SÓLIDOS ................. 188

LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 190RESUMO DO TÓPICO 4................................................................................................................... 193AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 195

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 197

1

UNIDADE 1 —

QUÍMICA ANALÍTICA E MEIO AMBIENTE

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:

• diferenciar as propriedades e características entre as matrizes ambien-tais;

• conhecer o ciclo biogeoquímico dos principais elementos químicos e como eles circulam entre os seres vivos e o meio ambiente;

• determinar os impactos da ação humana na alteração dos ciclos biogeo-químicos;

• compreender os principais aspectos relacionados a poluição ambiental.

Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – MATRIZES AMBIENTAIS

TÓPICO 2 – CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DOS ELEMENTOS

TÓPICO 3 – POLUIÇÃO AMBIENTAL

Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.

CHAMADA

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TÓPICO 1 — UNIDADE 1

MATRIZES AMBIENTAIS

1 INTRODUÇÃO Você já deve ter observado, ao longo dos seus estudos, que nas últimas

décadas há uma crescente preocupação em relação aos impactos que a vida humana exerce sobre o planeta Terra. Cada vez mais nos deparamos com desastres ambientais, queimadas, alterações climáticas, novas doenças, problemas de destinação e tratamento de resíduos e contaminação das matrizes ambientais. Todas estas questões estão interligadas e fazem parte do exercício profissional do Engenheiro Ambiental e Sanitarista. Para iniciarmos nossos estudos é necessário compreendermos as principais características das matrizes ambientais para posteriormente associarmos como as interações entre as substâncias químicas alteram os ciclos naturais e são afetados pelas atividades antrópicas.

Seres humanos, animais e plantas são diretamente dependentes da água, do ar e do solo. A água é o principal constituinte dos seres vivos e fornece nutrientes para a manutenção da vida. O ar contém o Oxigênio, que é indispensável para a vida, uma vez que as reações metabólicas dependem dele para ocorrerem. O solo é o substrato para o crescimento de plantas, do qual a cadeia alimentar é dependente. Outro aspecto é que o monitoramento ambiental é realizado conforme as matrizes ambientais. Existem legislações e métodos analíticos específicos para análises atmosféricas; para tipos de água (conforme a sua finalidade); para os solos, para os sedimentos; e para os resíduos. Conhecer as diferenças entre essas matrizes é essencial para interpretar resultados analíticos e diagnosticar a poluição ambiental.

Acadêmico, no Tópico 1, abordaremos, portanto, os principais aspectos referentes às matrizes ambientais: conceitos, propriedades, distribuição e classificação. Iniciaremos estudando a composição do ar, para então aprendermos sobre as propriedades da água, seus usos e classificações. Por fim, estudaremos a composição do solo, sua formação na natureza e classificação, abordando também os resíduos e sedimentos.

2 A MATRIZ ÁGUA

A água é uma substância essencial para a manutenção da vida. É um recurso natural que atua como componente bioquímico dos seres vivos, como um elemento representativo de valores sociais e culturais e como um fator econômico na agricultura e na produção de bens de consumo final e intermediário. Em suas

UNIDADE 1 — QUÍMICA ANALÍTICA E MEIO AMBIENTE

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formas líquida e sólida, a água representa 70% do Planeta Terra. No entanto, apenas 2,5% dessa água é doce, que em sua maioria encontra-se em geleiras, neve e vapor atmosférico, restando somente 0,01% para o consumo humano. Conforme a Figura 1, a água durante muito tempo foi considerada um recurso inesgotável, porém, atualmente, dois terços da população mundial vivem sem água potável em suas casas, segundo dados da Organização das Nações Unidas – ONU.

FIGURA 1 – PLANETA ÁGUA

FONTE: <https://bit.ly/3ylUPyq>. Acesso em: 11 ago. 2021.

O Brasil possui 12% de todas as reservas de água doce do mundo em seu território, exercendo um papel importante na preservação desse recurso. Apesar da abundância de água doce no território nacional, ela encontra-se mal distribuída, uma vez que 70% dessa água está localizada na região Norte do país, na Amazônia, e menos de 5% na região Nordeste, que é a região que mais sofre com escassez de água no país. Quando abordamos o conceito água como matriz ambiental, devemos compreender que estamos tratando de dois tipos distintos, mas relacionados, de água: a água superficial e a água subterrânea. A água superficial é aquela encontrada em rios, lagos, mares e oceanos; enquanto a água subterrânea é aquela encontrada no lençol freático, ou em aquíferos.

Deste modo, acadêmico, a água é um recurso natural de disponibilidade limitada e que para atender a todos os seus usos, necessita de políticas públicas e ações que visem a sua sustentabilidade. Estudaremos, agora, na sequência suas propriedades, usos e classificações, conforme as legislações vigentes.

TÓPICO 1 — MATRIZES AMBIENTAIS

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2.1 CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES

A água é uma substância química, cujas moléculas são formadas por dois átomos de hidrogênio covalentes ligados a um átomo de oxigênio, sendo sua fórmula química estrutural H2O. A representação das moléculas de água e as ligações de hidrogênio podem ser observadas na Figura 2.

FIGURA 2 – MOLÉCULA DE ÁGUA

FONTE: <https://bit.ly/3zouW2C>. Acesso em: 11 ago. 2021.

Em pequenas quantidades é uma substância inodora, insípida, transparente e incolor. Em grandes quantidades, como em oceanos mares e lagos, adquire uma coloração azulada. O vapor de água é um gás transparente.

Em condições normais de pressão, a água é encontrada no meio ambiente no seu estado líquido sob temperaturas de 0 °C a 100 °C. Por este motivo, neste tópico, focaremos nas propriedades da água no seu estado líquido. Nestas condições, as principais propriedades da água são:

• A densidade da água é de 1000 kg/m3, tornando-se menos densa à medida que congela.

• A massa molar da água é 18,01524 g/mol.• O ponto de ebulição da água é de 100 °C e o ponto de fusão é de 0 °C.

Acadêmico, a água quimicamente pura não é encontrada na natureza.

IMPORTANTE


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• A molécula é polarizada. Observa-se que ao interagirem, o átomo de oxigênio atrai de maneira mais intensa os elétrons do que o hidrogênio, garantindo a polaridade da molécula.

• Apresenta baixa viscosidade. Desta forma, a água apresenta grande fluidez, possibilitando a facilidade ao escoamento.

• A coesão é maior que a adesão. A atração entre as moléculas é maior que entre as moléculas e o sólido que as contêm.

• Sujeita à tensão superficial. Ocasionado pela coesão entre as moléculas, forma-se uma película elástica na superfície da água, possibilitando, por exemplo, que um inseto caminhe sobre a água parada.

• Sujeita à capilaridade. Esta propriedade origina a ascensão da água em meios porosos como no solo.

• Apresenta alta condutividade elétrica.• Capacidade de transportar sedimentos em suspensão tais como areia, silte,

argila e coloides de pequeno diâmetro.• Capacidade de dissolução de substâncias.• Capacidade de dissolver gases (exemplo: oxigênio).• Apresenta condições propícias para o desenvolvimento de microrganismos

(vírus, bactérias, fungos).

2.2 USOS DA ÁGUA

A água pode ser usada para diversas finalidades como industrial, agrícola, humana, animal, transporte e geração de energia. Cada uso da água possui suas peculiaridades, seja por aspectos ligados à quantidade ou à qualidade, e altera as condições naturais das águas superficiais e subterrâneas. As legislações brasileiras estabelecem padrões de qualidade da água de acordo com a finalidade de seu uso.

Segundo a Agência Nacional de Águas (ANA, 2018), os principais aspectos

referentes ao uso da água são:

• Geração de energia: utilização de hidrelétricas e termelétricas.• Navegação: utilização como meio de transporte para passageiros e

mercadorias.

Acadêmico, note que a água possui a capacidade de dissolver uma grande variedade de substâncias químicas que constituem as células vivas, como sais minerais, proteínas, carboidratos, gases, ácidos nucléicos e aminoácidos. Devido a essa propriedade, ela é denominada solvente universal.

ATENCAO


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• Turismo e lazer: utilização em atividades recreativas.• Abastecimento humano rural: utilização de poços artesianos.• Irrigação: utilização sazonal, em meses de poucas chuvas.• Abastecimento animal: está relacionado às necessidades dos animais.• Pesca e aquicultura: utilização para a pesca e para a criação de organismos

aquáticos. • Abastecimento humano urbano: captação para tratamento de água.• Mineração: na retirada de matéria-prima da natureza para ser utilizada na

indústria.• Indústria: a água pode ser utilizada como matéria-prima, reagentes, solventes,

lavagem, entre outros.• Lançamento de efluentes: devem prever o tratamento adequado à qualidade

requerida no corpo hídrico de forma a não comprometer o ecossistema.

Pela água ser essencial para a vida em sociedade em uma ampla variedade de usos e setores econômicos, o seu consumo mundial é uma questão de preocupação. É possível afirmarmos que o histórico da evolução dos usos da água está diretamente relacionado ao desenvolvimento econômico e ao processo de urbanização de um país.

Os países desenvolvidos, por razões econômicas, estruturais e sociais, consomem uma quantidade muito maior de água do que os países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento. Algumas regiões, como Oriente Médio e Índia, já sofrem com um fenômeno chamado de estresse hídrico, onde o consumo de água é maior que a capacidade de renovação natural. Quando analisamos aspectos de consumo de água no Brasil, observamos uma demanda crescente, com aumento estimado de aproximadamente 80% no total retirado de água nas últimas duas décadas. Segundo informações da Conjuntura de Recursos Hídricos do Brasil de 2020, a previsão é de que, até 2030, a retirada aumente 23%. Na Figura 3, apresentamos os principais consumos de água no Brasil em 2019.

FIGURA 3 – CONSUMO DE ÁGUA POR USO NO BRASIL EM 2019

FONTE: Adaptada de <https://bit.ly/2WkIZaF>. Acesso em: 11 ago. 2021.


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A oferta de água é determinada pela dinâmica hídrica e socioeconômica, levando em consideração aspectos da qualidade da água. O gerenciamento do uso da água é de fundamental importância para a garantia da segurança hídrica a todos os setores econômicos que dependem deste recurso.

2.3 TIPOS DE ÁGUA

Existem diferentes tipos de água que são classificadas conforme suas características, padrões da qualidade para uso ou formas em que são encontradas. A classificação das águas é imprescindível para a gestão adequada e para o monitoramento da qualidade e quantidade dos recursos hídricos, conforme afirma Mestrinho (2012, p. 2):

A prevenção e o controle da poluição dos corpos hídricos estão relacionados aos usos e às classes de qualidade exigidas para ele, como disposto na Lei nº 9.433/1997, Lei das Águas. O estabelecimento da classe a ser alcançada ou mantida num segmento de corpo d’água ao longo do tempo é o enquadramento, definido como um dos instrumentos do Plano Nacional de Recursos Hídricos (PNRH) e referência do Programa Nacional de Meio Ambiente (PNMA). É uma nova visão de gestão da qualidade da água que integra o enquadramento, como instrumento de planejamento, e o controle da poluição por licenciamento e fiscalização.

Com relação ao local onde podem ser encontradas, as águas podem ser classificadas em superficiais ou subterrâneas. As águas superficiais seguem a Resolução CONAMA 357 de março de 2005 que dispõe sobre a classificação e diretrizes ambientais para o enquadramento dos corpos de água superficiais, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes. O objetivo das legislações ambientais é estabelecer os padrões de qualidade que devem ser alcançados ou mantidos em um determinado corpo hídrico, levando em consideração suas características naturais.

Caro acadêmico, explore o site http://www.snirh.gov.br/usos-da-agua. O SNIRH (Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos) é a base para disponibilização das informações sobre águas no Brasil e contribui para a difusão do conhecimento sobre recursos hídricos. No site, é possível ter acesso a informativos completos e atualizados, explorar indicadores e acessar dados sobre os recursos hídricos brasileiros.

DICAS


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Deste modo, acadêmico, na sequência estudaremos ambas as classificações das águas para melhor compreensão dos seus padrões de qualidade e dos impactos das atividades poluidoras nos recursos hídricos.

2.4 ÁGUA SUBTERRÂNEA

Águas subterrâneas são aquelas que ocorrem naturalmente ou artificialmente abaixo da superfície da Terra, preenchendo espaços vazios entre as rochas. Desempenham um papel essencial na manutenção da umidade do solo, do fluxo dos rios, lagos e brejos, além de representarem uma porcentagem significativa da água doce do planeta, estando presentes principalmente nos aquíferos. Devido à escassez de água doce em muitos locais, as águas subterrâneas tornam-se uma opção de uso para diversas atividades. Um uso muito comum das águas subterrâneas é a extração do subsolo, por meio de poços artesianos, para consumo doméstico. Contudo, seu uso pode ser dificultado devido ao aprofundamento dos lençóis freáticos e presença de rochas, que encarecem sua extração.

A Resolução CONAMA 396/2008 dispõe sobre a classificação e as diretrizes ambientais gerais para o enquadramento das águas subterrâneas, prevenção e controle de poluição. Conforme observado por Snoeyink e Jenkins (1996), a água subterrânea, que possui uma maior concentração do gás carbônico (CO2), está em maior contato com rochas e solo, o que propicia um maior tempo de dissolução. O ácido carbônico (H2CO3) produzido pela solubilização do CO2 quando em contato com esses materiais leva à solubilização dos minerais, liberando seus íons constituintes.

2.5 ÁGUA SUPERFICIAL

As águas superficiais são aquelas que se encontram na superfície terrestre. Por não se penetrarem no solo, são a principal fonte de abastecimento de água, sendo encontradas principalmente em rios, córregos, riachos, lagoas, lagos, pântanos e mares. Os níveis de água superficial variam conforme ocorre a evaporação e a movimentação da água para o lençol freático. Além de ser utilizada para o consumo humano, a água superficial também é usada para a irrigação, tratamento de águas residuais, pecuária, indústria, geração de energia e recreação.

Com relação à legislação, é a Resolução do CONAMA 357/2008 que

dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Em seu CAPÍTULO I – DAS DEFINIÇÕES, estabelece a classificação das águas superficiais em relação ao grau de salinidade:


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Art. 2° Para efeito desta Resolução são adotadas as seguintes definições:I – águas doces: águas com salinidade igual ou inferior a 0,5 %;II – águas salobras: águas com salinidade superior a 0,5 % e inferior a 30 %;III – águas salinas: águas com salinidade igual ou superior a 30 % (CONAMA, RESOLUÇÃO N° 357, 2005).

Uma das principais características físicas das águas superficiais é que pode ser encontrada uma grande quantidade de materiais em suspensão nas águas superficiais, como argila, areia e matéria orgânica. Existe também uma grande quantidade de microrganismos presentes nessas águas, como coliformes e cianobactérias, os quais muitas vezes comprometem a qualidade das águas, principalmente as superficiais.

2.6 PARÂMETROS ANALÍTICOS IMPORTANTES

Alguns parâmetros analíticos são importantes para o monitoramento da qualidade das águas. Segundo o autor Sílvio Vaz Júnior (2013), em seu livro Química Analítica Ambiental, em relação a água é necessário monitorar os seguintes parâmetros:

• Condutividade elétrica: fornece informações sobre a distribuição de espécies iônicas no meio, com a condutividade sendo diretamente proporcional à concentração destas.

• Oxigênio dissolvido (OD): o gás O2 possui uma baixa solubilidade em água, com redução de sua concentração indicando seu consumo pela demanda química de oxigênio (DQO) para a formação de espécies oxidadas, além de um consumo por parte da demanda bioquímica (DBO) devido à atividade do metabolismo de microrganismos presentes – águas subterrâneas apresentam valores de OD bem menores do que as águas superficiais.

• pH: seus valores indicam a acidez ou a basicidade do meio – um valor de pH em torno de seis é o mais comum encontrado em águas brasileiras; porém, existem variações em virtude da presença de espécies orgânicas ou inorgânicas.

• Potencial redox: indica a característica oxidante ou redutora do meio, havendo uma correlação direta com os valores de pH.

• Presença de compostos orgânicos: determinação de derivados de petróleo, agrotóxicos e compostos organoclorados produzidos por processos de tratamento, que são os principais xenobióticos observados em águas, entre outros.

• Presença de metais tóxicos: cádmio, mercúrio, cromo, entre outros.

A maioria das legislações ambientais baseiam-se nesses parâmetros e estabelecem valores máximos de concentração permitidos para cada um deles em relação a cada tipo de água e sua finalidade.


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3 A MATRIZ AR

O ar é constituído por uma mistura de diversos gases que compõem a atmosfera da Terra, principalmente por Nitrogênio (N2), Oxigênio (O2) e Argônio (Ar). Em menores quantidades, encontram-se gases de efeito estufa como gás carbônico (CO2), vapor de água, metano, óxido nitroso e ozônio. Também é possível encontrar micróbios e impurezas. Na Tabela 1 podemos observar a composição da atmosfera da Terra.

A análise dos parâmetros de DQO, DBO e toxicidade em efluentes e em águas superficiais é uma das formas mais expressivas para determinar o grau de poluição da água. Acadêmico, na sequência, anote os principais aspectos da análise química desses parâmetros:A Demanda Bioquímica de Oxigênio corresponde à fração biodegradável dos compostos presentes na amostra, que é mantida cinco dias (DBO5) a uma temperatura constante de 20 °C. A medida da concentração de matéria orgânica biodegradável neste ensaio resulta indiretamente, através de dados de consumo de oxigênio ocorrido na amostra ou em suas diluições, durante o período de incubação (medição inicial e após cinco dias da concentração de oxigênio na amostra). Quanto maior consumo de O2, maior a concentração de DBO. Já a Demanda Química de Oxigênio mede a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica (biodegradável ou não) e inorgânica. Emprega-se na análise de DQO um oxidante químico forte, o dicromato de potássio, que em uma reação catalisada oxida um número maior de compostos do que o que ocorre na reação bioquímica.O ensaio de toxicidade avalia e quantifica o impacto que determinado efluente causa a determinados microrganismos correlacionado ao impacto geral no meio ambiente. Os principais organismos utilizados são microcrustáceos (Daphnia magna, Daphnia similis ou Artemia salina) e bactérias bioluminescentes (Vibrio fischeri e Photobacterium phosphoreum). As análises podem indicar os níveis de toxicidade aguda (morte após 0 a 96 horas) ou toxicidade crônica (mensura o efeito em dias, meses ou anos). Ao final do teste é indicado um Fator de Diluição à amostra testada (que não cause mais efeitos deletérios).

IMPORTANTE


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COMPONENTE FÓRMULA VOLUMENitrogênio N2 780.840 ppmv (78,084%)Oxigênio O2 209.460 ppmv (20,946%)Argônio Ar 9.340 ppmv (0,9340%)Dióxido de Carbono CO2 380 ppmv (0,0380%)Neônio Ne 18,18 ppmv (0,001818%)Hélio He 5,24 ppmv (0,000524%)Metano CH4 1,79 ppmv (0,000179%)Hidrogênio H2 0,55 ppmv (0,000055%)Ozônio O3 0,07 ppmv (7×10−6%)Monóxido de Carbono CO 0,1 ppmv (0.00001%)

TABELA 1 – COMPOSIÇÃO ATMOSFÉRICA

FONTE: Adaptado de <https://go.nasa.gov/3Biy5Bg>. Acesso em: 11 ago. 2021.

O ar, como matriz analítica, representa um rápido meio de propagação e dispersão de poluentes devido à alta fugacidade de seus gases constituintes. A Atmosfera possui funções protetoras da superfície da Terra como as de evitar os impactos de corpos celestes, manter parte do calor solar, impedir variações bruscas de temperatura e atuar como condensador no transporte de água dos oceanos aos continentes.

O oxigênio presente no ar atmosférico é vital para a manutenção da vida no planeta, pois é o gás utilizado na respiração de todos os seres vivos e é também necessário para que ocorra a combustão. O teor de oxigênio é resultante da fotossíntese realizada por plantas e algas.

A poluição atmosférica pode causar efeitos locais e globais. Quando locais, os problemas de poluição limitam-se a uma região muito pequena, nas proximidades da fonte ou na cidade. Quando globais, podem envolver regiões bastante extensas, como várias cidades, estados e até países. Em um sentido mais amplo, os problemas globais de poluição afetam toda a esfera terrestre.

Acadêmico, os poluentes emitidos pelas ações antrópicas impactam a qualidade do ar atmosférico independentemente de se diluírem ao serem dispersos no meio.

IMPORTANTE


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Tanto o ser humano quanto o meio ambiente são afetados pela poluição atmosférica. Seus principais efeitos estão na saúde humana onde há a intensificação de doenças respiratórias; na flora onde a absorção de poluentes pode resultar em desfolhamento e morte; na causa de problemas estruturais ou estéticos em edificações, monumentos culturais e automóveis; e, na atmosfera, onde o principal impacto resultante é a diminuição da visibilidade.


A Resolução nº 491, de 19 de novembro de 2018 é a principal legislação brasileira que dispõe sobre os padrões de qualidade do ar. Em seu Art. 2º estabelece que “padrão de qualidade do ar é um dos instrumentos de gestão da qualidade do ar, determinado como valor de concentração de um poluente específico na atmosfera, associado a um intervalo de tempo de exposição, para que o meio ambiente e a saúde da população sejam preservados em relação aos riscos de danos causados pela poluição atmosférica” (CONAMA, 2018, s.p.). Os principais parâmetros analíticos referentes à qualidade do ar atmosférico são:

• Compostos orgânicos voláteis (VOCs): oriundos da distribuição de combustíveis, indústrias, veículos, entre outros.

• Material particulado: partículas de material sólido ou líquido suspensas no ar, na forma de poeira, neblina, aerossol, fuligem, entre outros.

• Monóxido de carbono (CO): oriundo de veículos e incineradores.• Óxidos de enxofre (SOX): oriundos de combustão e incineração de carvão e

óleo diesel.• Óxidos de nitrogênio (NOX): oriundos de processos de combustão industriais

e de veículos.• Ozônio (O3): formado quando os NOx e VOCs sofrem reações fotoquímicas

na atmosfera em presença da radiação solar.• Análise de chumbo.

3.2 ÍNDICE DE QUALIDADE DO AR

O Índice de Qualidade do Ar (IQA) é uma representação dos níveis de concentração de poluição do ar. Ele atribui números adimensionais em uma escala entre 0 e 400 e é usado para ajudar a determinar quando se espera que a qualidade do ar seja prejudicial. O índice de qualidade do ar é uma ferramenta matemática desenvolvida para simplificar o processo de divulgação da qualidade do ar. Conforme a concentração dos poluentes encontrados no ar atmosférico, a classificação da qualidade do ar pode ser de boa a péssima. A Figura 4 apresenta a relação entre a classificação do ar e a concentração dos principais poluentes.


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FIGURA 4 – ÍNDICE DE QUALIDADE DO AR (IQA)

FONTE: <https://bit.ly/38dJV3g>. Acesso em: 11 ago. 2021.

A concentração dos poluentes é estabelecida em valores em µg/m3. A classificação qualitativa da qualidade do ar é definida de acordo com as faixas numéricas adimensionais definidas para o IQAr, de tal forma:

• IQAr de 0 a 40 – boa.• IQAr > 40 a 80 – moderada.• IQAr > 80 a 120 – ruim. • IQAr >120 a 200 – muito ruim. • IQAr >200 – péssima.

A fórmula para o cálculo do IQAr é apresentada a seguir:

IQAr = Índice (inicial) + Índice (final) – Índice (inicial) x (Conc. (medida) – Conc.(inicial))

Conc. (final) – Conc. (inicial)

Onde:

• Índice (inicial) = valor do índice que corresponde à concentração inicial da faixa;

• Índice (final) = valor do índice que corresponde à concentração final da faixa;• Conc. (medida) = concentração medida;• Conc. (inicial) = concentração inicial da faixa onde se localiza a concentração

medida;• Conc. (final) = concentração final da faixa onde se localiza a concentração

medida;


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4 A MATRIZ SOLO

O solo é uma camada superficial dos continentes, que contém matéria orgânica e é capaz de sustentar plantas e vegetais sobre si em um ambiente aberto. Todo solo é resultado de complexas interações entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia. Segundo o pesquisador Rickleffs (2001) o solo é um material alterado químico e biologicamente, constituído de uma mistura de minerais derivados da rocha matriz, minerais modificados no próprio solo, matéria orgânica produzida pelas plantas, raízes vivas de plantas, ar e água dentro dos poros, microrganismos, vermes e artrópodes que vivem no solo. Na Figura 4 podemos observar as camadas de um solo.

Como matriz ambiental, o solo é uma das mais complexas devido a constituição química de seus componentes orgânicos e inorgânicos. Além deste fator, o solo compreende três fases distintas: sólida, líquida e gasosa. Os autores Moreira e Siqueira explicam as características de cada fase:

A fase líquida se refere à água presente nos poros, contendo minerais nela dissolvidos, que serão aproveitados pelas plantas. A fase gasosa compreende porções de gases, os mesmos da atmosfera, mas em diferentes proporções, disponibilizando oxigênio para os micro-organismos aeróbios do solo. A fase sólida é composta de partículas minerais, raízes de plantas, populações de macro e micro-organismos e matéria orgânica em diferentes estágios de decomposição. A estrutura do solo é determinada pela presença, proporção e arranjo de partículas de diferentes tamanhos: areia, argila, cascalhos e silte (MOREIRA; SIQUEIRA, 2006, p. 87).

O solo é um componente essencial do ecossistema terrestre por ser a base do fornecimento de alimentos, energia e abrigo ao ser humano. É um recurso indispensável principalmente por fornecer água, ar e nutrientes para que as plantas realizem seus processos metabólicos.

4.1 COMPOSIÇÃO E TIPOS DE SOLOS

Os solos possuem uma variabilidade muito grande em termos de textura e particularidades que possuem. A composição varia de acordo com aspectos como diversidade geológica, relevo, temperatura, vegetação e regimes pluviométricos. Em sua grande maioria, os solos possuem cerca de 46% de matéria mineral em sua composição, 4% de matéria orgânica, 25% de ar e 25% de água. Os minerais são provenientes da rocha mãe do solo, a matéria orgânica representa os restos de vegetais e animais que dão vida ao solo, a água é essencial para o transporte de nutrientes e o ar fica localizado nos poros que as partículas de solo deixam.

Com base nessas condições, a maior parte dos solos forma diferentes camadas ao longo do tempo, que constituem o perfil do solo. Cada solo pode ser formado por até seis camadas distintas, onde as configurações de fatores de


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desenvolvimento do solo presentes nessas camadas serão responsáveis pelas suas características. Na Figura 5 podemos observar as camadas dos solos e os aspectos que influenciam nas características de formação de cada camada.

FIGURA 5 – CARACTERÍSTICAS DAS CAMADAS DE COMPOSIÇÃO DE UM SOLO

FONTE: <https://bit.ly/3kuVF75>. Acesso em: 11 ago. 2021.

Os tipos de solos são classificados de acordo com as variáveis de cor, textura, estrutura e consistência. Os principais tipos de solos são:

• Solo arenoso: tem consistência granulosa como a areia, é permeável à água. Comum na região nordeste do Brasil.

• Solo argiloso: tem consistência fina e é impermeável à água. Comum em alguns estados da região sul e região sudeste do Brasil.

• Solo árido: não possui água em sua composição. Comum em regiões de baixa ocorrência de chuva em comparação com a temperatura.

• Solo calcário: formado por partículas de rochas, é seco e esquenta muito quando recebe a luz do sol. Comum em regiões de deserto.

• Solo humoso ou orgânico: tem grande concentração de material orgânico em decomposição. É muito fértil, ideal para a agricultura.

• Solo latossolo: é composto por argila e catins, além de conter alumínio e ferro.


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• Solo lixiviado: possui pouca ou nenhuma quantidade de nutrientes e sais minerais. Desprovido de nitrogênio e potássio.

• Solo Siltoso: é composto por partículas de silte e isso facilita a erosão.

As principais classes de solos brasileiros são os Latossolos (Roxo, Vermelho-Escuro, Vermelho-Amarelo, Amarelo), areia quartzosa e podzólicos (Vermelho-Escuro e Vermelho-Amarelo).


A Resolução CONAMA nº 420 de 2009 é a principal legislação ambiental brasileira que dispõe sobre os critérios e valores orientadores de qualidade do solo quanto à presença de substâncias químicas e estabelece diretrizes para o gerenciamento ambiental de áreas contaminadas por essas substâncias em decorrência de atividades antrópicas. As características dos solos promovem uma tendência natural a uma interação dessa matriz com diversas espécies químicas poluentes. Um aspecto interessante é que a matéria orgânica presente nos solos aumenta a capacidade de retenção de cátions metálicos em solos de menor profundidade, levando à redução do transporte dos poluentes metálicos.

São estipulados valores de referência, prevenção, intervenção agrícola,

intervenção residencial e intervenção industrial, para os seguintes grupos de substâncias:

• Inorgânicos: elementos metálicos, semimetálicos e não metálicos.• Orgânicos: benzeno e seus homólogos, hidrocarbonetos poliaromáticos,

benzenos clorados, etanos clorados, metanos clorados, etenos clorados, fenóis e fenóis clorados, ésteres ftálicos, pesticidas policlorados e bifenilas policloradas.

As matrizes ambientais água, ar e solo são os principais compartimentos da biosfera e indispensáveis para a vida na terra. Entender os principais aspectos de cada um deles nos permite compreender de que forma as ações humanas impactam na degradação do meio ambiente. Os parâmetros analíticos apresentados ao longo deste tópico são importantes para definir as características naturais de cada matriz e nortear a interpretação dos laudos de análise ambiental, atribuição típica do profissional formado em Engenharia Sanitária e Ambiental.

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Neste tópico, você aprendeu que:

• A água é essencial a vida e representa 70% do Planeta Terra. No entanto, apenas 2,5% dessa água é doce e somente 0,01% é própria para o consumo humano.

• A água em pequenas quantidades é uma substância inodora, insípida, transparente e incolor, não sendo encontrada em sua forma quimicamente pura na natureza.

• A água possui a capacidade de dissolver uma grande variedade de substâncias químicas que constituem as células vivas, como sais minerais, proteínas, carboidratos, gases, ácidos nucléicos e aminoácidos.

• A água pode ser usada para diversas finalidades como industrial, agrícola, humana, animal, transporte e geração de energia.

• Existem dois tipos de água como matriz ambiental: a água superficial e a água subterrânea. A água superficial é aquela encontrada em rios, lagos, mares e oceanos; enquanto a água subterrânea é aquela encontrada no lençol freático ou em aquíferos.

• Alguns parâmetros analíticos importantes para o monitoramento da qualidade das águas são condutividade elétrica, oxigênio dissolvido (OD), pH, potencial redox, presença de compostos orgânicos, presença de metais tóxicos e toxicidade.

• O ar é constituído por uma mistura de diversos gases que compõem a atmosfera da Terra, principalmente por Nitrogênio (N2), Oxigênio (O2) e Argônio (Ar).

• O ar, como matriz analítica, representa um rápido meio de propagação e dispersão de poluentes devido à alta fugacidade de seus gases constituintes.

• Os principais parâmetros analíticos referentes à qualidade do ar atmosférico são: compostos orgânicos voláteis (VOCs), material particulado, monóxido de carbono (CO), óxidos de enxofre (SOX), óxidos de nitrogênio (NOX), ozônio (O3) e chumbo.

• O solo é uma camada superficial dos continentes, que contém matéria orgânica e é capaz de sustentar plantas e vegetais sobre si em um ambiente aberto.

RESUMO DO TÓPICO 1

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• Como matriz ambiental, o solo é uma matriz complexa devido a sua formação ser baseada em interações entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia.

• Os solos possuem cerca de 46% de matéria mineral em sua composição, 4% de matéria orgânica, 25% de ar e 25% de água.

• São estipulados valores de referência, prevenção, intervenção agrícola, intervenção residencial e intervenção industrial, para os seguintes grupos de substâncias inorgânicas (metais tóxicos) e orgânicas (compostos voláteis, pesticidas, fenóis e derivados de petróleo).

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1 O solo é uma camada superficial dos continentes, que contém matéria orgânica e é capaz de sustentar plantas e vegetais sobre si em um ambiente aberto. O solo é um componente essencial do ecossistema terrestre por ser a base do fornecimento de alimentos, energia e abrigo ao ser humano. Sobre a matriz ambiental solo, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) O solo é um material alterado química e biologicamente, sendo o resultado de complexas interações entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia. Os tipos de solos são classificados de acordo com as variáveis de cor, textura, estrutura e consistência.

b) ( ) O solo é um material sintético, sendo o resultado de complexas interações químicas entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia. Os tipos de solos são classificados de acordo com as variáveis de cor, textura, estrutura e consistência.

c) ( ) O solo é um material alterado química e biologicamente, sendo o resultado de complexas interações entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia. Os tipos de solos são classificados de acordo com o ecossistema no qual são encontrados.

d) ( ) O solo é um material sintético alterado química e biologicamente, sendo o resultado de complexas interações físicas e biológicas entre clima, plantas, animais, rochas, relevo e cronologia. Os tipos de solos são classificados de acordo com as variáveis de cor, textura, estrutura e consistência.

2 A Resolução CONAMA nº 357/2008 dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Com base nas definições dessa legislação ambiental, analise as sentenças a seguir:

I- Águas doces são águas superficiais com salinidade igual ou inferior a 0,5 %;

II- Águas salinas são águas superficiais com salinidade igual ou superior a 30 %;

III- Águas salobras são águas subterrâneas com salinidade superior a 0,5 % e inferior a 30 %;

Assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

AUTOATIVIDADE

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3 O ar atmosférico é formado por uma série de substâncias gasosas que contribuem com a garantia de vida na terra. Entre suas funções estão a de impedir variações bruscas de temperatura e atuar como condensador no transporte de água dos oceanos aos continentes. De acordo com os conteúdos estudados sobre a matriz ambiental ar, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O ar é constituído por uma mistura de diversos gases que compõem a atmosfera da Terra, principalmente por Nitrogênio (N2), Oxigênio (O2) e Argônio (Ar).

( ) Os poluentes emitidos pelas ações antrópicas não impactam na qualidade do ar pois se diluem ao serem dispersos no meio atmosférico.

( ) O ar, como matriz analítica, representa um rápido meio de propagação e dispersão de poluentes devido à alta fugacidade de seus gases constituintes.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:

a) ( ) V – F – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 A água ocupa aproximadamente 70% da superfície do nosso planeta, porém apenas 2% dessa água está disponível para ser utilizada pelo ser humano. O Brasil é um país privilegiado quanto ao volume de água pois abriga 12% da água doce de todo o mundo. Tendo em vista as diversas finalidades da utilização da água, cite as principais utilidades estudadas.

5 Como matriz ambiental, o solo é uma das mais complexas devido a constituição química de seus componentes orgânicos e inorgânicos e por compreender fases diferentes nos três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. Neste contexto, explique cada uma das fases presentes nos solos e suas características.

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DOS ELEMENTOS

1 INTRODUÇÃO

Caro acadêmico, você já deve conhecer a seguinte expressão: “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” do célebre químico francês do século XVIII Antoine de Lavoisier. Essa expressão, também conhecida como Lei da Conservação das Massas, quer dizer que as substâncias químicas quando reagem, não são perdidas. Da mesma forma, essas reações ocorrem constantemente no meio ambiente e fazem parte muitas vezes do ciclo biogeoquímico de determinados elementos químicos.

Os ciclos biogeoquímicos são processos que ocorrem na natureza para garantir a reciclagem dos elementos químicos no meio ambiente. Sua importância está em possibilitar que os elementos químicos sejam absorvidos pelos seres vivos e utilizados em diversas reações químicas fundamentais para a sua manutenção e sobrevivência.

Esse processo de contínua passagem dos elementos através dos seres

vivos e dos elementos não vivos da Terra garante a sua disponibilidade constante na natureza e o equilíbrio dos sistemas naturais. A influência da ação antrópica nos ciclos biogeoquímicos vem alterando de forma significativa esse equilíbrio natural, e causando impactos ambientais severos em todo o ecossistema.

Acadêmico, no Tópico 2 abordaremos os ciclos biogeoquímicos da água, do oxigênio, do carbono, do fósforo e do nitrogênio. A importância desses elementos está no grande volume de matéria e energia que seus processos envolvem na manutenção da biosfera. O estudo e a compreensão dos ciclos biogeoquímicos lhe permitirão identificar potenciais impactos ambientais causados pela introdução de substâncias potencialmente perigosas no meio ambiente. Bons estudos!

2 CICLO BIOGEOQUÍMICO DA ÁGUA

Acadêmico, no primeiro tópico da Unidade 1 nós estudamos sobre as principais características da água. Agora aprenderemos sobre seu ciclo biogeoquímico e sua importância para a manutenção do equilíbrio entre os ecossistemas.

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O ciclo biogeoquímico da água, também chamado de ciclo hidrológico, é responsável pela maior movimentação de uma substância química na superfície terrestre, uma vez que 70% da superfície do planeta Terra é água. Esse ciclo proporciona a troca contínua de água entre a atmosfera, solo, águas superficiais, águas subterrâneas e seres vivos, influenciando diretamente nas condições climáticas do planeta. A água está em constante mudança entre os estados físicos. Seu ciclo depende diretamente da energia solar, dos movimentos de rotação da Terra e até mesmo da gravidade. A energia solar provoca a evaporação dos oceanos ou das zonas terrestres e produz a energia necessária para deslocar o vapor de água dos oceanos para a superfície terrestre. Na Figura 6, podemos observar as principais etapas do ciclo hidrológico.

FIGURA 6 – CICLO DA ÁGUA

FONTE: <https://bit.ly/2Wklr6h>. Acesso em: 11 ago. 2021.

O ciclo da água tem início na evaporação da água em sua forma líquida para a atmosfera e na evapotranspiração através da transpiração dos seres vivos. A água, então em seu estado gasoso, sobe para as camadas mais altas da atmosfera, onde ocorre a condensação das suas partículas de vapor, formando nuvens que posteriormente voltam a superfície terrestre na forma de chuva, num processo chamado precipitação. Em regiões de baixas temperaturas, o resfriamento do vapor de água pode ocorrer de forma excessiva, levando a condensação seguida da solidificação, formando blocos de neve ou gelo. A água então retorna ao ambiente terrestre, atingindo rios, lagos, mares e oceanos e infiltrando-se nos solos e nos lençóis freáticos.

Os seres vivos ingerem ou absorvem a água do ambiente e a utilizam para diversas reações que ocorrem em seus organismos, e a devolvem ao meio ambiente através dos processos de transpiração, respiração e excreção.

TÓPICO 2 — CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DOS ELEMENTOS

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O ciclo da água varia de acordo com a região em que ocorre e fatores como vegetação, altitude, temperatura e tipo de solo afetam a velocidade do ciclo. O tempo de residência da água pode variar de alguns dias na atmosfera a centenas de anos nos oceanos. Um aspecto importante do ciclo hidrológico é que nos continentes e ilhas, a evapotranspiração é menor que a precipitação, o que possibilita a formação de rios, lagos e lençóis freáticos. O processo inverso ocorre nos oceanos e mares, onde a precipitação é menor que a evapotranspiração. O equilíbrio do volume de água ocorre pela ação dos rios, que levam o excesso de água dos continentes aos mares e oceanos.

A vegetação desempenha um papel importante na manutenção do equilíbrio desse ciclo por atuar como um regulador das perdas de água do continente para a atmosfera por transpiração e por redistribuir a precipitação na superfície terrestre. Ao modificar a cobertura vegetal terrestre, o ser humano compromete o equilíbrio desse ciclo e altera as condições do clima global. Os ecossistemas brasileiros desempenham um papel fundamental nesse contexto. Por exemplo, a Floresta Amazônica possui espécies arbóreas que extraem água do solo a uma profundidade de oito metros, mantendo a evapotranspiração em períodos de seca prolongada. A substituição das florestas por pastagens, comprometem esse processo e levam a um aumento de queimadas nessa área.

3 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO OXIGÊNIO

O oxigênio é um elemento químico essencial à vida. É o elemento mais abundante na superfície terrestre e é de vital importância para que ocorre a respiração celular. O ciclo biogeoquímico do oxigênio permite que o oxigênio circule pelo meio físico, seja utilizado pelos seres vivos e retorne ao meio ambiente. Neste ciclo, ocorre o movimento do oxigênio pelos seus três reservatórios principais: a atmosfera, a biosfera e a litosfera. De forma simples, podemos explicar a atmosfera como sendo os gases que rodeiam a superfície da Terra, a biosfera sendo os organismos vivos e seu ambiente e a litosfera como sendo a parte sólida exterior da Terra.

Acadêmico, note que o movimento que a água realiza é cíclico, ou seja, ela sai do meio ambiente, cumpre suas funções e retorna para recomeçar seu ciclo na natureza.

IMPORTANTE

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O ciclo do oxigênio é complexo por este elemento existir nas mais diferentes combinações de compostos químicos. Ele ocorre através de processos geológicos, físicos, hidrológicos e biológicos, que movem diferentes elementos de um compartimento a outro. Um esquema representando esses processos pode ser visualizado na Figura 7.

FIGURA 7 – CICLO DO OXIGÊNIO

FONTE: <https://bit.ly/3BkwOKh>. Acesso em: 11 ago. 2021.

A primeira etapa do ciclo do oxigênio tem início na atmosfera onde este elemento é encontrado na forma de gás oxigênio (O2) ou de gás carbônico (CO2). O O2 é utilizado por animais e plantas em suas respirações aeróbicas, onde ocorre a combinação dos átomos de hidrogênio e oxigênio para a formação de moléculas de água e a liberação de CO2 e energia. Desta forma, as moléculas de água formadas voltam para o meio ambiente através dos processos de respiração, decomposição, transpiração e excreção. No final do processo de respiração, também se elimina CO2. As moléculas de água quando combinadas com o CO2 ajudam a promover a fotossíntese realizada pelos seres autótrofos.

gás carbônico

oxigênio

oxigênio

Dióxido de carbono

Plantas criam oxigêniocom fotossíntese Animais e plantas

respiram oxigênio

O ciclo do oxigênio está diretamente relacionado ao ciclo do carbono que estudaremos na sequência, por ocorrerem nos mesmos processos: fotossíntese, respiração e decomposição.

ESTUDOS FUTUROS


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No processo de fotossíntese o dióxido de carbono (CO2) é consumido, liberando oxigênio para a atmosfera. A respiração, por sua vez, consome o oxigênio e produz dióxido de carbono, pela respiração de animais e plantas. O oxigênio é importante para a respiração dos seres vivos, o gás comburente que permite as combustões e a formação da camada de ozônio na atmosfera. A camada de ozônio (O3) é uma camada gasosa que protege a Terra contra radiações solares intensas. Sua formação ocorre na estratosfera, onde parte do gás oxigênio é transformada em ozônio pela ação de alguns comprimentos de onda de raios ultravioleta. Uma reação contrária transforma o ozônio em oxigênio, também por meio da ação de raios ultravioleta, de comprimentos diferentes, o que mantém um equilíbrio na camada.

Nas últimas décadas, alguns gases lançados na atmosfera pela ação humana, como os clorofluorcarbonos (CFCs), reagem com essa camada, acarretando a transformação do ozônio em oxigênio, destruindo a camada. A destruição da camada de ozônio pode trazer graves consequências ao meio ambiente, afetando o equilíbrio dos ecossistemas.

4 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO CARBONO

O carbono é um elemento químico minoritário na composição terrestre, mas sua reciclagem é fundamental na natureza. O carbono participa da composição química de todos os compostos orgânicos e de uma grande parcela dos compostos inorgânicos. É também responsável pela fotossíntese e auxilia na manutenção da temperatura do planeta Terra. Seu ciclo biogeoquímico permite a movimentação do carbono pelos três principais compartimentos ambientais: atmosfera, superfície terrestre e oceanos. A Figura 8 ilustra o ciclo do carbono:

FIGURA 8 – CICLO DO CARBONO

FONTE: <https://bit.ly/38fUbbd>. Acesso em: 11 ago. 2021.

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O ciclo do carbono pode ser dividido em dois ciclos que ocorrem em velocidades temporais diferentes: o ciclo geológico do carbono e o ciclo biológico do carbono. O ciclo biológico envolve as atividades de organismos e relaciona-se com o ciclo do oxigênio, já o ciclo geológico é um processo demorado que envolve a decomposição de matéria orgânica e formação de rochas calcárias.

4.1 CICLO BIOLÓGICO DO CARBONO

O ciclo biológico do carbono envolve os seres vivos e pode ocorrer no meio terrestre e no meio aquático. Este processo pode ser explicado iniciando-se pelos organismos fotossintetizantes, que retiram o gás carbônico da atmosfera. No processo de fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e consomem o CO2 para liberar o oxigênio (O2). Esse processo gera oxigênio e açúcares, como a glicose, e é o alicerce para o crescimento das plantas.

Os animais e plantas necessitam da matéria orgânica para sobreviver. Enquanto os seres vivos autotróficos são capazes de produzir moléculas orgânicas, os heterotróficos precisam absorver essas moléculas de outros seres vivos, como é o caso dos seres humanos. Desta forma, através da matéria orgânica, o carbono vai migrando pelas cadeias alimentares. Por sua vez, os seres vivos são também responsáveis pela liberação de gás carbônico no ambiente. A liberação ocorre por dois processos: respiração e decomposição. Na respiração, os animais consomem oxigênio e liberam gás carbônico no processo; já na decomposição, ocorre a liberação de gás carbônico e água.

4.2 CICLO GEOLÓGICO DO CARBONO

O ciclo geológico do carbono é responsável por regular a movimentação deste elemento pela atmosfera, hidrosfera e litosfera. Acadêmico, como já vimos, o carbono pode ser encontrado nos solos, nas rochas, nos ambientes aquáticos, nos oceanos e na atmosfera. Este processo inicia-se com o gás carbônico (CO2), presente na atmosfera, solubilizando na água de forma contínua. Quando a temperatura é baixa, o gás carbônico é capturado pelos oceanos, e quando a temperatura é alta, é liberado pelos oceanos para a atmosfera.

Uma outra movimentação ocorre quando o CO2 se dissolve na água da chuva, produzindo H2CO3, que é uma solução ácida, facilitando a erosão das rochas silicatadas. No ciclo geológico ocorre também o processo de intemperismo, que é um conjunto de processos que levam à desintegração das rochas, provocando a liberação dos íons Ca2+ e HCO3. O carbono quando depositado no solo pode sofrer alterações transformando-se em combustíveis fósseis como o petróleo e o gás natural, além de formar diamantes, grafites e minas de carvão, entre outros.


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No mar, o carbono serve de alimento para os fitoplânctons, podendo ser ingerido por peixes através da alimentação, ou indo para o fundo dos oceanos para sofrerem o processo de decomposição. Esse sedimento, posteriormente, forma rochas calcárias. O CO2 pode ainda ser liberado pelos vulcões para atmosfera.

4.3 INTERFERÂNCIA ANTRÓPICA NO CICLO DO CARBONO

Após a revolução industrial, o ser humano passou a alterar o equilíbrio desse ciclo de forma significativa aumentando no meio ambiente a quantidade emitida de gás carbónico (CO2) através do uso de combustíveis fósseis. O CO2 é o principal gás responsável pelo efeito-estufa na atmosfera.

5 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO FÓSFORO

O fósforo é um elemento químico importante para o organismo humano e para o meio ambiente. Nos seres vivos, é um componente da molécula de DNA, das moléculas energéticas de ATP (adenina trifosfatada) e de todos os fosfolipídios de membrana. Para as plantas, é um nutriente que auxilia no crescimento e é utilizado como fertilizante em muitos casos. A disponibilidade do fósforo (P) controla muitos aspectos do funcionamento dos ecossistemas. Seu ciclo difere dos outros grandes ciclos biogeoquímicos por não produzir qualquer substância volátil em quantidades relevantes, não havendo assim a passagem pela atmosfera. O íon de real interesse para os seres vivos é o fosfato. Na Figura 9 podemos ver as principais etapas do ciclo do fósforo no meio ambiente.

FIGURA 9 – CICLO DO FÓSFORO

FONTE: <https://bit.ly/3BcDiuw>. Acesso em: 11 ago. 2021.

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As plantas obtêm fósforo do ambiente absorvendo os fosfatos dissolvidos na água e no solo. Os animais obtêm fosfatos na água e no alimento. Após estar presente nos organismos vivos, o fósforo retorna ao meio ambiente a partir da ação de bactérias fosfolizantes que atuam na decomposição da matéria orgânica. Essas bactérias tornam o fósforo disponível na forma de um composto solúvel, que é facilmente dissolvido e transportado pela água. A partir dessa etapa, parte do fósforo é levada pelas chuvas para os lagos, rios e mares. No ambiente aquático, o fósforo passa por um processo de sedimentação e é incorporado às rochas.

Nesse caso, o fósforo só retornará ao ecossistema terrestre por meio de processos geológicos, como a elevação do leito no mar ou o rebaixamento do nível das águas, ou seja, em uma curta escala de tempo o fluxo do ciclo só ocorre em um sentido, do ecossistema terrestre para o aquático. O ciclo só se completa após centenas de milhões de anos. A ação humana impacta no ciclo deste elemento por meio de atividades como mineração ou pelo amplo uso de fertilizantes, tornando o fósforo mais disponível no meio ambiente e acelerando o ciclo global desse elemento. O excesso de fósforo quando lixiviado para cursos da água aumenta a biodisponibilidade deste nutriente no ambiente aquático e, como consequência, pode intensificar o desenvolvimento de algas.

Um número cada vez maior de algas em um lago, por exemplo, fará reduzir a quantidade de luz que penetra neste ambiente prejudicando outros organismos locais. Este processo é denominado eutrofização e pode levar a liberação de gás sulfídrico, causando problemas de toxicidade e maus odores.

6 CICLO BIOGEOQUÍMICO DO NITROGÊNIO

O ciclo biogeoquímico do nitrogênio compreende as diversas transformações que esse elemento sofre no ambiente físico e nos seres vivos. O nitrogênio é encontrado na atmosfera, nas rochas, nos sedimentos e no fundo dos oceanos. É uma parte indispensável de todas as enzimas, proteínas e das moléculas de DNA. Apesar de ser um elemento abundante na atmosfera, é considerado um recurso limitante da produtividade da maioria dos ecossistemas terrestres e marinhos. O reservatório da atmosfera, possui o nitrogênio no seu estado mais inerte, o N2. Nessa configuração, a molécula de N2 possui uma forte força de ligação covalente tripla, impossibilitando que o nitrogênio possa ser fixado e utilizado pela maioria dos seres vivos.


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Para que ocorra a absorção do nitrogênio pela maioria dos seres vivos, é necessário que ocorra a quebra dessa ligação covalente, transformando o nitrogênio em moléculas mais reativas como a amônia (NH3), amônio (NH4) ou nitrato (NHO3). Entre os organismos capazes de utilizar esse nitrogênio, estão alguns tipos de bactérias. Podemos dividir o ciclo do nitrogênio em determinadas etapas: fixação, amonização, nitrificação e desnitrificação. Na Figura 10 temos a exemplificação da ocorrência dessas etapas presentes no ciclo do nitrogênio.

FIGURA 10 – CICLO DO NITROGÊNIO

FONTE: <https://bit.ly/3znJS0G>. Acesso em: 11 ago. 2021.

A fixação é a primeira etapa do Ciclo do Nitrogênio, ocorre a fixação do nitrogênio atmosférico com a ajuda, principalmente, de bactérias. Ele é transformado em amônia e nitrato, através de bactérias presentes no solo e

O Nitrogênio na forma N2 é um elemento estável, que não reage com a maioria

dos outros elementos e não é metabolizado naturalmente.

ATENCAO

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nas raízes das plantas que são as responsáveis por realizar esse processo de transformação. Elas retiram o N2 da atmosfera, transformando-o em amônia ao fazer o elemento reagir com hidrogênio.

A segunda etapa é corresponde ao processo de amonização, que tem como origem os processos de decomposição das proteínas e outros resíduos nitrogenados. Esses resíduos estão presentes na matéria orgânica que está decomposição, e pela ação de bactérias e fungos liberam amônia (NH3) no ambiente. Essa amônia combina-se com a água do solo e forma o hidróxido de amônio, que se ioniza e produz o íon amônio (NH4

+) e a hidroxila (OH-).

O processo de nitrificação ocorre através de duas fases distintas: a nitrosação e a nitratação. A nitrosação é o processo de oxidação da amônia em nitrito realizado principalmente pelas bactérias nitrossomas. Por sua vez, a nitratação é o processo de oxidação do nitrito em nitrato, realizado pelas nitrobactérias. A maioria das plantas consegue absorver o nitrogênio quando esse se encontra na forma de nitrato. Os animais conseguem adquirir nitrogênio por meio da alimentação.

A desnitrificação é a última etapa do ciclo e corresponde à ação das bactérias pseudoamonas (desnitrificantes), que utilizam os nitratos e transformam-nos em gás nitrogênio. A desnitrificação garante a devolução do nitrogênio para a atmosfera, finalizando o ciclo. O ciclo biogeoquímico do nitrogênio vem sofrendo alterações por causa da agricultura, com o cultivo de plantas leguminosas, que em associação com bactérias fixadoras, são capazes de fixar no sistema terrestre grandes quantidades de nitrogênio. Após esse processo químico, libera-se na atmosfera óxido nítrico (NO), que reage com o vapor da água e dá origem à chuva ácida.

Acadêmico, os ciclos biogeoquímicos fazem parte da dinâmica do planeta Terra para promover a circulação e reciclagem dos elementos químicos essenciais a manutenção do equilíbrio entre os seres vivos e seus ecossistemas. Todos os ciclos estão de certa forma relacionados entre si e a ação antrópica vem alterando o equilíbrio natural entre os ciclos e alterando a biosfera. O ciclo da água por exemplo tem o papel fundamental de regular os demais ciclos por transportar demais elementos através dos compartimentos ambientais. O ciclo do carbono e do oxigênio são essenciais para a manutenção da vida. O fósforo e o nitrogênio são nutrientes vitais para o crescimento de plantas e para a manutenção da cadeia alimentar.

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RESUMO DO TÓPICO 2


• Os ciclos biogeoquímicos são processos que ocorrem na natureza para garantir a reciclagem dos elementos químicos no meio ambiente.

• A importância dos ciclos está em possibilitar que os elementos químicos sejam absorvidos pelos seres vivos e utilizados em diversas reações químicas fundamentais para a sua manutenção e sobrevivência.

• O estudo e a compreensão dos ciclos biogeoquímicos são essenciais para identificar potenciais impactos ambientais causados pela ação antrópica.

• O ciclo biogeoquímico da água é responsável pela maior movimentação de uma substância química na superfície terrestre e proporciona a troca contínua de água entre a atmosfera, solo, águas superficiais, águas subterrâneas e seres vivos.

• O movimento que a água realiza é cíclico, ou seja, ela sai do meio ambiente, cumpre suas funções e retorna para recomeçar seu ciclo na natureza.

• No ciclo do oxigênio, ocorre a reciclagem desse elemento por três reservatórios principais: a atmosfera, a biosfera e a litosfera.

• O O2 é utilizado nas respirações aeróbicas, onde ocorre a combinação dos átomos de hidrogênio e oxigênio para a formação de moléculas de água e a liberação de CO2 e energia.

• No processo de fotossíntese o dióxido de carbono (CO2) é consumido, liberando oxigênio para a atmosfera.

• O ciclo do carbono pode ser dividido em dois ciclos que ocorrem em velocidades temporais diferentes: o ciclo geológico do carbono e o ciclo biológico do carbono.

• O ciclo biológico do carbono envolve as atividades de organismos e relaciona-se com o ciclo do oxigênio, pelo processo de fotossíntese.

• O ciclo geológico do carbono é um processo demorado que envolve a decomposição de matéria orgânica e formação de rochas calcárias.

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• O fósforo é um componente da molécula de DNA, das moléculas energéticas de ATP (adenina trifosfatada) e de todos os fosfolipídios de membrana. Para as plantas, é um nutriente que auxilia no crescimento e é utilizado como fertilizante em muitos casos.

• As plantas obtêm fósforo do ambiente absorvendo os fosfatos dissolvidos na água e no solo. Os animais obtêm fosfatos na água e no alimento.

• O ciclo biogeoquímico do nitrogênio compreende as diversas transformações que esse elemento sofre no ambiente físico e nos seres vivos.

• O nitrogênio é uma parte indispensável de todas as enzimas, proteínas e das moléculas de DNA.

• O ciclo do nitrogênio compreende as etapas de fixação, amonização, nitrificação e desnitrificação.

• Todos os ciclos estão de certa forma relacionados entre si.

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1 O ciclo do nitrogênio é extremamente importante por garantir a circulação desse elemento entre o meio físico e os seres vivos. O nitrogênio é essencial para a formação de proteínas, enzimas e de ácidos nucleicos, sendo fundamental, portanto, para a sobrevivência dos seres vivos. Com base nos conhecimentos aprendidos sobre o ciclo biogeoquímico do nitrogênio, analise as sentenças a seguir:

I- A fixação do nitrogênio do ar ocorre através da ação de decompositores da matéria orgânica morta;

II- A transformação de compostos orgânicos nitrogenados em amônia ocorre pela síntese do óxido nitroso;

III- A transformação de amônia em nitritos e nitratos é realizada pela ação de bactérias nitrossomas e pelas bactérias nitrobactérias;



2 O ciclo biogeoquímico da água é responsável pela maior movimentação de uma substância química na superfície terrestre, uma vez que 70% da superfície do planeta Terra é água. Esse ciclo proporciona a troca contínua de água entre a atmosfera, solo, águas superficiais, águas subterrâneas e seres vivos. Sobre o ciclo hidrológico, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) O ciclo da água tem como última etapa a evaporação da água em sua forma líquida para a atmosfera. A água, então, em seu estado gasoso, sobe para as camadas mais altas da atmosfera, onde ocorre a condensação das suas partículas de vapor, formando nuvens que posteriormente voltam a superfície terrestre na forma de chuva, num processo chamado precipitação.

b) ( ) O ciclo da água tem como primeira etapa a evaporação da água em sua forma gasosa para a atmosfera. A água, então em seu estado líquido sobe para as camadas mais altas da atmosfera, onde ocorre a condensação das suas partículas de vapor, formando blocos de neve que posteriormente voltam a superfície terrestre na forma de nevasca, num processo chamado precipitação.

c) ( ) O ciclo da água tem como última etapa a evaporação da água em sua forma líquida para a atmosfera. A água, então em seu estado gasoso, sobe para as camadas mais altas da atmosfera, onde ocorre

AUTOATIVIDADE

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a condensação das suas partículas de vapor, formando nuvens que posteriormente voltam a superfície terrestre na forma de chuva, num processo chamado precipitação.

d) ( ) O ciclo da água tem como última etapa a evaporação da água em sua forma líquida para a atmosfera. A água, então em seu estado gasoso, desce para as camadas mais altas da atmosfera, onde ocorre a condensação das suas partículas de água, formando nuvens que posteriormente voltam a superfície terrestre na forma de chuva, num processo chamado precipitação.

3 O ciclo do carbono é um importante ciclo biogeoquímico, principalmente porque todas as moléculas orgânicas possuem o átomo desse elemento em sua composição. De acordo com os conteúdos estudados sobre este ciclo, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O carbono quando depositado no solo pode sofrer alterações transformando-se em combustíveis fósseis como o petróleo e o gás natural, além de formar diamantes, grafites e minas de carvão, entre outros.

( ) No mar, o carbono serve de alimento para os fitoplânctons, podendo ser ingerido por peixes através da alimentação, ou indo para o fundo dos oceanos para sofrerem o processo de decomposição.

( ) No processo de fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e liberam o CO2 para produzir o oxigênio (O2) e purificar o ar da atmosfera.


a) ( ) V – V – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 O fósforo é um elemento químico importante para o organismo humano e para o meio ambiente. Nos seres vivos, é um componente da estrutura molecular do DNA e da ATP, para as plantas é um nutriente que auxilia no crescimento e é utilizado como fertilizante em muitos casos. Considerando a importância do fósforo para o funcionamento dos ecossistemas, explique de qual forma a ação humana compromete o equilíbrio do ciclo biogeoquímico desse elemento.

5 O ciclo biogeoquímico do oxigênio permite que o oxigênio circule pelo meio físico, seja utilizado pelos seres vivos e retorne ao meio ambiente. Uma das funções mais importantes desse ciclo é a formação da camada de ozônio. Explique qual a função da camada de ozônio e como ocorre a sua formação.

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POLUIÇÃO AMBIENTAL

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, cada vez mais é evidente que existe interferência da ação antrópica nas mudanças climáticas e ambientais. A ação humana na natureza se dá por várias formas e tem inúmeras consequências locais, regionais e globais, afetando o equilíbrio entre os ecossistemas e colocando em risco a qualidade de vida no planeta Terra.

A poluição ambiental é toda atividade capaz de causar danos ao meio ambiente. É considerada um grave problema ambiental que se intensificou a partir da Revolução Industrial que, por sua vez, propiciou a intensificação do desenvolvimento industrial e do processo de urbanização de grandes cidades. Existem diversos tipos de poluição ambiental, como a atmosférica que afeta a qualidade do ar, a poluição dos corpos hídricos, a poluição de solos, a poluição sonora e a poluição visual. O combate à poluição se dá pela implementação de políticas de prevenção e fiscalização, incluindo, além disso, pequenas atitudes cotidianas de cada indivíduo.

Acadêmico, no Tópico 3, abordaremos os principais aspectos da poluição ambiental na contaminação de águas, ar e solos. Também discutiremos sobre o papel do engenheiro sanitarista e ambiental frente ao monitoramento, fiscalização, prevenção, educação ambiental e combate à poluição ambiental.

2 PRINCIPAIS ASPECTOS DA POLUIÇÃO AMBIENTAL

A poluição é um dos problemas ambientais mais graves causado pela ação do ser humano no meio ambiente, provocando desequilíbrios ecológicos, inviabilizando o cultivo e o uso dos recursos naturais de forma sustentável e ameaçando a saúde humana e a sobrevivência de espécies animais. Deste modo, a poluição ambiental coloca em risco a integridade da natureza como um todo. Animais, plantas e seres humanos são ameaçados pelo aumento contínuo da poluição nos ecossistemas do nosso planeta. Na Figura 11 podemos ver um dos impactos da poluição em um retrato de uma foca cinzenta do Atlântico, que foi “capturada” nos restos de uma rede de pesca.

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FIGURA 11 – FOCA CINZENTA CAPTURADA NOS RESTOS DE UMA REDE DE PESCA

FONTE: <https://bit.ly/3znfALJ>. Acesso em: 12 ago. 2021.

Por definição, a poluição ambiental é a adição ou o lançamento de qualquer substância ou forma de energia (luz, calor, som) ao meio ambiente em quantidades que resultem em concentrações maiores que as naturalmente encontradas. Os tipos de poluição são, em geral, classificados em relação ao componente ambiental afetado (poluição do ar, da água, do solo), pela natureza do poluente lançado (poluição química, térmica, sonora ou radioativa) ou pelo tipo de atividade poluidora (poluição industrial, agrícola ou antrópica).

No Brasil, a Lei nº 6.938, de 31 de agosto de 1981, estabelece a Política Nacional do Meio Ambiente, detalhando e especificando seus fins e mecanismos. Esta Lei (Lei nº 6.938/1981) define a poluição como a degradação da qualidade ambiental resultante de atividades que direta ou indiretamente:

I. prejudiquem a saúde, a segurança e o bem-estar da população;II. criem condições adversas às atividades sociais e econômicas; III. afetem desfavoravelmente a biota; IV. afetem as condições estéticas ou sanitárias do meio ambiente; V. lancem matérias ou energia em desacordo com os padrões ambientais estabelecidos (BRASIL, 1981).

O CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente), com base nas competências a ele atribuídas pela Lei nº 6.938/1981, estabelece por meio de resoluções, as normas para o controle da emissão de poluentes em águas, solos e ar. A poluição no meio ambiente ocorre através da inserção de substâncias chamadas de poluentes. Os poluentes são substâncias, meio ou agente que provoque, direta ou indiretamente, qualquer forma de poluição, tornando os recursos naturais impróprios para uma finalidade específica.

TÓPICO 3 — POLUIÇÃO AMBIENTAL

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Os poluentes são compostos monitorados pelas legislações ambientais vigentes. Entretanto, existe um grande grupo de poluentes que são chamados de poluentes emergentes, por estarem sendo recentemente encontrados na natureza e ainda não possuírem legislações regulamentando seu uso. Acadêmico, estudaremos um pouco sobre este termo na sequência.

2.1 POLUENTES EMERGENTES

O termo “poluentes emergentes” refere-se a centenas de compostos que têm sido detectados nos diferentes compartimentos ambientais (solo, água e ar), sendo provenientes tanto de origem antrópica (presentes em efluentes domésticos, industriais, hospitalares, atividades agrícola e pecuária) quanto de ocorrência natural (MONTAGNER; VIDALA; ACAYABAB, 2017).

Por definição, são compostos químicos que, atualmente, não são incluídos em programas de monitoramento e que podem se tornar candidatos para legislações futuras dependendo de pesquisas sobre seus efeitos sobre a saúde. Caro acadêmico, as principais fontes de poluentes emergentes provenientes da ação antrópica englobam produtos de limpeza e higiene pessoal, fármacos de diversas classes, hormônios naturais e seus subprodutos, além de diversas substâncias aplicadas na produção de plásticos e resinas.

Estes compostos serão candidatos a uma futura regulamentação

dependendo dos recentes estudos de ecotoxicidade, efeitos à saúde humana, potencial de bioacumulação, transporte e destino nos diferentes compartimentos ambientais, além da quantidade em que são lançados e, portanto, da concentração no ambiente (MONTAGNER; VIDALA; ACAYABAB, 2017).

3 CONTAMINAÇÃO DE ÁGUAS

A poluição dos corpos hídricos é o lançamento e a acumulação nas águas dos mares, dos rios, dos lagos e demais corpos d’água, superficiais ou subterrâneos, de substâncias químicas, físicas ou biológicas que afetem diretamente as características naturais das águas e a vida ou que venham a lhes

Acadêmico, note que os poluentes emergentes se referem a centenas de milhares de compostos que estão sendo descartados no meio ambiente e que não possuem monitoramento quanto aos seus impactos, tampouco eficiência de remoção comprovada nos sistemas de tratamento de água e esgoto.

IMPORTANTE

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causar efeitos adversos secundários. Neste caso acadêmico, estamos falando sobre a inclusão nos corpos hídricos de poluentes como esgoto, microrganismos, patógenos, resíduos industriais, substâncias químicas, lixos orgânicos, entre muitas outras substâncias.

A concentração humana em grandes centros urbanos também é um fator responsável pela contaminação dos recursos hídricos. Na Figura 12 podemos observar um exemplo de córrego contaminado por lixo doméstico.

FIGURA 12 – CONTAMINAÇÃO DE CÓRREGOS POR LIXO DOMÉSTICO

FONTE: <https://bit.ly/2Wvw1GY>. Acesso em: 12 ago. 2021.

Os poluentes levam a degradação da qualidade da água, comprometendo o ecossistema aquático, fazendo com que a água seja uma fonte de inúmeras doenças e a tornando até mesmo imprópria para o uso nas atividades humanas. A água precisa atender a determinados requisitos quanto a sua natureza física, química e biológica para poder ser utilizada pelo ser humano. Esses requisitos variam conforme a finalidade do uso da água e são definidos pelas legislações ambientais. Por exemplo, os principais requisitos da água para o consumo humano são:

• Requisitos físicos: a água deve ser inodora, insípida e incolor. A poluição na água causa alterações físicas, lhe atribuindo odor, gosto e coloração. Essas alterações ocorrem pela decomposição da matéria orgânica, por contaminação de efluentes industriais e até mesmo por consequência do tratamento da água. As análises realizadas para verificar os aspectos físicos na água para consumo humano são gosto e odor, turbidez e cor aparente.


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• Requisitos químicos: as alterações na potabilidade da água podem ocorrer devido à presença de substâncias químicas, com concentração acima do valor máximo permitido pela legislação como: cloro, nitrato, nitrito, amônia, cianeto, sulfeto, sulfato, metais tóxicos e presença de alguns compostos orgânicos como fenóis, trihalometanos e ácidos haloacéticos.

• Requisitos biológicos: a água para ser considerada biologicamente própria para o consumo humano, não pode conter organismos patogênicos que são os causadores de doenças. Alguns exemplos desses organismos são a e. coli e os coliformes totais.

A contaminação da água ocorre por diversas fontes. Alguns exemplos são:

• Movimentação de embarcações pelos mares e oceanos e acidentes marítimos envolvendo vazamento de petróleo.

• Ausência de tratamento de esgotos domésticos e industriais, que acabam sendo lançados nos rios e lagos.

• Utilização de fertilizantes agrícolas nas plantações que são carregados pelas águas das chuvas aos lençóis freáticos.

• Emissão de materiais orgânicos sintéticos em lagos, rios e mares como plásticos, detergentes, solventes, tintas, inseticidas, entre outros.

• Lançamento de compostos inorgânicos nos lagos, rios e mares feito pelas indústrias, como ácidos, bases, sais e metais pesados como cobre, chumbo, zinco, cádmio, fósforo e mercúrio.

Acadêmico, vimos no tópico anterior que a água é utilizada para diversas finalidades. Grande parte desse uso dá origem a resíduos líquidos, que por vezes acabam contaminando as fontes naturais de água, durante o percurso do ciclo biogeoquímico dessa substância.

ATENCAO

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Acadêmico, você já ouviu falar sobre a temática dos microplásticos nos oceanos? Os micropláticos são resíduos de plástico que possuem diâmetro menor que 5 mm e são prejudiciais à vida marinha e ao ser humano. O principal impacto deste poluente está em alterar a composição de certas partes dos oceanos, prejudicando o ecossistema. Leia mais sobre este assunto no artigo “Microplásticos nos oceanos – um problema semfim à vista” disponível no link:https://saneamentobasico.com.br/wp-content/uploads/2019/08/microplasticos-nos-oceanos.pdf

DICAS

3.1 EUTROFIZAÇÃO DE CORPOS HÍDRICOS

A eutrofização é um processo no qual algas formam uma camada que impede as trocas de gases com a atmosfera e reduz a passagem de luz, impossibilitando a fotossíntese (GALLI; ABE, 2010, p. 170). Como consequência, ocorre a morte de plantas enraizadas abaixo da superfície aquática, reduzindo o oxigênio dissolvido na água e a disponibilidade de alimento para as espécies locais. A eutrofização leva à morte dos animais presentes no corpo da água, conforme pode ser visto na Figura 13.

FIGURA 13 – EUTROFIZAÇÃO DE ÁGUAS

FONTE: <https://bit.ly/3jkIhmY>. Acesso em: 12 ago. 2021.

O processo de eutrofização ocorre pela adição de minerais e nutrientes, principalmente fósforo e nitrogênio, que induzem o crescimento excessivo de algas e cianobactérias. Segundo Wetzel (1993) a eutrofização é um dos estados da


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sucessão natural dos ecossistemas aquáticos. Entretanto, quando esse processo é acelerado pela ação antrópica, recebe a designação de eutrofização artificial. A eutrofização artificial é ocasionada pela urbanização, pela contaminação dos corpos hídricos com esgotos domésticos e efluentes, pelos despejos de atividades agrícolas, pela poluição do ar, pela chuva ácida e pelo desmatamento de florestas. Segundo Galli e Abe (2010), este processo implica em risco à saúde humana e dos ecossistemas:

A eutrofização de corpos de águas interiores consiste no enriquecimento com nutrientes, principalmente fósforo e nitrogênio, que entram como solutos e se transformam em partículas orgânicas e inorgânicas. O crescimento acelerado e a maior abundância de plantas aquáticas causam, frequentemente, deterioração da qualidade hídrica e crescimento de grandes volumes de algas, inclusive de cianobactérias potencialmente tóxicas, tornando-se um risco à saúde do ecossistema, além de implicar em aumento no custo do tratamento da água para abastecimento (GALLI; ABE, 2010, p. 170).

Os principais problemas relacionados a eutrofização são problemas estéticos e recreacionais, condições anaeróbias no fundo do corpo da água, eventuais condições anaeróbias no corpo da água como um todo, eventuais mortandades de peixes, maior dificuldade e elevação nos custos de tratamento da água, problemas com o abastecimento de águas industrial, toxicidade das algas, modificações na qualidade e quantidade de peixes de valor comercial, redução na navegação e capacidade de transporte. O nível de eutrofização usualmente está associado ao uso e ocupação do solo predominante. Segundo von Sperling (2005) existem três principais formas:

• Ocupação por agricultura: os vegetais plantados na bacia são retirados para consumo humano, causando uma quebra no ciclo de retenção dos nutrientes, compensado pela utilização de fertilizantes. O aumento do escoamento superficial decorrente da retirada da vegetação natural arrasta os nutrientes em excesso para o lago ou para a represa. O aumento do teor de nutrientes no corpo da água causa um certo aumento do número de algas.

• Ocupação urbana: a implantação de loteamentos, acompanhada pela maior impermeabilização do solo e a consequente redução da infiltração, proporciona um aporte de sólidos para lagos e represas. Esses sólidos tendem a sedimentar, causando o assoreamento dos cursos da água e servindo de meio suporte para o crescimento de vegetais fixos de maiores dimensões próximos às margens, deteriorando o aspecto visual do curso da água.

• Ocupação por matas e florestas: existe pouca atividade biológica de produção no curso da água e um aporte reduzido de nutrientes, devido a sua retenção dentro de um ciclo quase fechado: plantas mortas sob o solo liberam nutrientes e a elevada infiltração favorece o transporte dos nutrientes até as raízes das plantas, voltando a fazer parte da sua composição.

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As águas pluviais transportam uma grande carga de nutrientes, contribuindo para uma elevação no teor de algas no lago ou na represa. O lançamento de esgotos em lagos e represas ocasiona uma contribuição de nitrogênio e fósforo bem superior à das águas pluviais, trazendo, em decorrência, uma grande elevação nas populações de algas e outras plantas. A população de algas pode alcançar valores bastante elevados, e poderá atingir superpopulações, constituindo uma camada superficial similar a um caldo verde. Essa camada superficial impede a penetração da energia luminosa nas camadas inferiores do curso da água, causando a morte das algas situadas nessas regiões. Esses eventos de superpopulação de algas são denominados floração das águas.

4 CONTAMINAÇÃO DO AR

A poluição atmosférica é a acumulação de qualquer substância ou forma de energia no ar, em concentrações suficientes para produzir efeitos mensuráveis no homem, nos animais, nas plantas ou em qualquer equipamento ou material, em forma de particulados, gases, gotículas ou qualquer de suas combinações. O ar poluído pode trazer sérios problemas à saúde humana e de outros seres vivos, além de impactar o equilíbrio do clima global, ocasionando uma série de outros problemas ambientais. Os poluentes atmosféricos podem ser divididos em dois grupos:

• Poluentes primários: são aqueles emitidos diretamente por uma fonte de poluição, como veículos e chaminés industriais.

• Poluentes secundários: são aqueles que sofrem reações químicas na atmosfera, ou seja, são formados a partir da interação do meio com o poluente primário.

Exemplos de poluentes gasosos na atmosfera são:

• Óxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2) que são formados durante processos de combustão.

• Monóxido de carbono (CO) que é emitido principalmente por veículos automotores.

• Ozônio (O3) e oxidantes fotoquímicos que são provenientes da mistura de poluentes secundários formados pelas reações entre os óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis, na presença de luz solar.

• Dióxido de carbono (CO2) que é um gás resultante principalmente da queima de combustíveis fósseis, como a gasolina e o diesel.

• Metano (CH4) que em grande quantidade é proveniente da agricultura e da pecuária.

Outros exemplos são os compostos orgânicos voláteis, cujas fontes na atmosfera são provenientes da queima incompleta e da evaporação de combustíveis e de outros produtos orgânicos, sendo emitidos pelos veículos, pelas indústrias, pelos processos de estocagem e transferência de combustível. Dentre os compostos orgânicos voláteis presentes nas atmosferas urbanas estão


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os compostos aromáticos monocíclicos, em particular: benzeno, tricloroetano, tolueno, etilbenzeno e xilenos. Os aromáticos monocíclicos são precursores do ozônio.

Como outros poluentes atmosféricos podemos citar os materiais particulados. As principais fontes de emissão de materiais particulados para a atmosfera são: veículos automotores, processos industriais, queima de biomassa, ressuspensão de poeira do solo, entre outros. Alguns exemplos são: material particulado (MP), partículas totais em suspensão (PTS), partículas inaláveis (MP10), partículas inaláveis finas (MP2,5) e fumaça (FMC).

4.1 SMOG FOTOQUÍMICO

Um problema comum causado pela poluição atmosférica em grandes centros urbanos é o smog fotoquímico. O smog fotoquímico é um fenômeno formado a partir da inversão térmica que ocorre em épocas frias do ano e em locais com muita poluição, principalmente onde existem níveis elevados de Ozônio (O3). Normalmente, todos os dias ocorre a formação de uma camada de ar mais quente próxima à superfície terrestre e de uma camada de ar mais fria nas partes superior. O ar mais quente é também menos denso que o ar frio, por isso, ele sobe e distribui os poluentes contidos nele.

No entanto, em épocas frias, pode ocorrer a formação de uma camada de ar fria abaixo dessa camada de ar quente que contém os poluentes. Como o ar frio é mais denso, ele permanece na parte inferior, e os poluentes não são dissipados. Desta forma, o smog fotoquímico é a inversão térmica onde os poluentes atingem concentrações elevadíssimas. Na Figura 14, temos uma imagem de um smog fotoquímico na cidade de Bangkok – Tailândia.

As mudanças climáticas são acompanhadas pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), órgão assessor das Nações Unidas para assuntos de clima e meio ambiente, que a cada quatro anos aponta um novo levantamento sobre as mudanças climáticas no mundo. O último levantamento revelou que “as atividades humanas causaram cerca de 1,0°C de aquecimento global acima dos níveis pré-industriais, com uma variação provável de 0,8°C a 1,2°C” (2018). É provável que o aquecimento global atinja 1,5°C entre 2030 e 2052, caso continue a aumentar no ritmo atual. Acadêmico, o relatório completo está disponível em https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2019/07/SPM-Portuguese-version.pdf. Acesse para se informar sobre quais os impactos do aquecimento global sobre os sistemas natural e humano já estão sendo observados.

DICAS

https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2019/07/SPM-Portuguese-version.pdf

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FIGURA 14 – SMOG FOTOQUÍMICO

FONTE: <https://bit.ly/3jli33C>. Acesso em: 12 ago. 2021.

Os principais compostos presentes na formação do smog fotoquímico são o óxido nítrico, NO, e os hidrocarbonetos não queimados que são emitidos para o ar como poluentes dos motores de combustão interna. Nos seres humanos, o smog pode causar alterações no sistema imunológico, agravamento de doenças respiratórias, irritação nos olhos, dor de cabeça e problemas pulmonares.

5 CONTAMINAÇÃO DE SOLOS

A poluição do solo refere-se à contaminação do solo por qualquer um dos inúmeros poluentes derivados da agricultura, da mineração, das atividades urbanas e industriais, dos dejetos animais, do uso de herbicidas ou dos processos de erosão. De forma geral, podemos dizer que as principais causas da contaminação de solos são: compostos orgânicos derivados do petróleo, detergentes, lâmpadas fluorescentes, componentes eletrônicos, tintas, metais pesados, condicionamento inadequado do lixo doméstico, esgoto e resíduos sólidos industriais que degradam a superfície e chuva ácida. Na Figura 15, podemos ver os resíduos de garrafas de plástico da ilha de Thilafushi, nas Maldivas.


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FONTE: <https://bit.ly/3BiEdtC>. Acesso em: 12 ago. 2021.

Os principais tipos de poluição do solo são:

• Detritos da vida urbana: são provenientes da produção de lixo nas grandes cidades.

• Depósitos ilegais de despejos industriais: descarte indevido de metais pesados, produtos químicos de alto risco e dejetos sólidos.

• Agrotóxicos e adubação incorreta: utilização indiscriminada de defensivos agrícolas, bem como a adubação incorreta ou excessiva.

• Compostos orgânicos como solventes e hidrocarbonetos: vazamento de tanques de armazenamentos e tubulações de combustíveis.

A contaminação nos solos ocorre principalmente através de processos como a lixiviação que consiste na dissolução de componentes sólidos em meio líquido. A impregnação e infiltração no subsolo de substâncias poluentes, também acarreta a contaminação do lençol freático. As principais consequências da poluição do solo são a perda da fauna, a esterilização da terra para plantação e a contaminação da água.

6 PAPEL DO ENGENHEIRO AMBIENTAL E SANITARISTA FRENTE A POLUIÇÃO

O papel do engenheiro ambiental e sanitarista é fundamental nas questões ambientais e pode contribuir para a minimização de fontes de poluição. Alguns exemplos de iniciativas são:

FIGURA 15 – RESÍDUOS DE GARRAFAS DE PLÁSTICO DE THILAFUSHI

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• Promover a educação ambiental para expandir a formação de cidadãos conscientes de seus deveres e direitos. São as ações humanas que causam a poluição e é necessário pessoas com conhecimento na área para incentivar a construção de valores sociais, conhecimentos, habilidades, atitudes e competências voltadas a conservação ambiental.

• Atuar na fiscalização ambiental e utilizar seus conhecimentos teóricos para analisar se as empresas públicas e privadas atendem aos critérios das legislações ambientais.

• Buscar o desenvolvimento sustentável e trabalhar em projetos de pesquisa que visem minimizar os impactos da ação humana no meio ambiente, suprindo as necessidades atuais, sem comprometer a capacidade de atender as necessidades das futuras gerações.

• Estudar processos capazes de minimizar os impactos da ação humana no meio ambiente e buscar o avanço da pesquisa científica em formular técnicas que possam melhorar a qualidade de vida das pessoas.

Acadêmico, como vimos ao longo deste tópico, a ação humana é responsável pelas alterações climáticas, diminuição dos mananciais, extinção de espécies, inundações, erosões, poluição e destruição de habitats. Deste modo, podemos afirmar que toda ação humana causa um impacto no meio ambiente e infelizmente a maioria desses impactos é negativa. O seu papel está também em promover a educação ambiental, o desenvolvimento sustentável, implementar melhorias nos processos existentes e monitorar parâmetros de qualidade dos recursos naturais essenciais à vida.


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LEITURA COMPLEMENTAR

RIOS URBANOS: CONTRIBUIÇÕES DA ANTROPOGEOMORFOLOGIA E DOS ESTUDOS SOBRE OS TERRENOS TECNOGÊNICOS

André Souza Pelech Maria Naíse de Oliveira Peixoto

Os rios urbanos constituem atualmente um desafio para a gestão territorial e ambiental no Brasil. O alto grau de modificação e poluição dos canais fluviais tem efeitos nos processos geomorfológicos atuantes e em seus controles de funcionamento, sendo necessárias novas abordagens de análise para compreender a dinâmica fluvial destes ambientes. Nesse sentido, a Antropogeomorfologia e os estudos sobre os Terrenos Tecnogênicos se mostram fundamentais para a compreensão da dinâmica fluvial urbana, sendo também a incorporação de elementos antropogênicos nas estruturas de classificação de rios e no mapeamento de feições geomorfológicas fluviais uma abordagem importante para este fim. No entanto, as políticas e projetos de restauração de rios urbanos devem abranger não somente estas novas abordagens geomorfológicas, mas também a necessidade de refuncionalização e ressignificação social, para que a sociedade os reconheça, valorize e proteja.

1) Introdução

Brasil experimentou uma grande mudança na concentração espacial da sua população, durante a segunda metade do século XX e início do XXI, saindo de um padrão de ocupação marcadamente rural para um predominantemente urbano (IBGE, 2019) (Figura 1). Este processo gerou uma inédita pressão sobre o meio físico e os ecossistemas nos sítios urbanos, através de uma intensa modificação da paisagem. A expansão urbana se deu, em geral, distanciada de uma preocupação com os aspectos ambientais, o que muitas vezes é atribuído a um crescimento “desordenado”

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FIGURA 1 – POPULAÇÃO POR SITUAÇÃO DE DOMICÍLIO ENTRE OS ANOS 1950 E 2010

FONTE: Adaptada de IBGE (2019)

Neste contexto, as bacias hidrográficas e os sistemas fluviais têm sido fortemente impactados pelo crescente uso dos seus recursos, para diversas finalidades e atendendo a interesses de agentes e grupos específicos. Macklin e Lewin (2020) apontam a urbanização, a industrialização e a agricultura intensiva como vetores de grande transformação dos sistemas fluviais, provocando impactos em escala global e modificando os modos de vida das sociedades. A retirada da cobertura vegetal original seguida pela implantação do tecido urbano elimina, por exemplo, uma complexa interação entre a água da chuva, a vegetação e a serapilheira, que envolve processos como a interceptação da água pela copa das árvores, o escoamento pelo tronco, o gotejamento pelas folhas, a evapotranspiração, a infiltração e outros diversos tipos de fluxos (BOTELHO, 2011). Neste novo ambiente, a diversidade de caminhos percorridos pelas águas pluviais em um sistema com vegetação natural tende a ser reduzida ao binômio escoamento-infiltração, frequentemente com predominância do primeiro, já que a impermeabilização dos solos provocada pelas pavimentações e pelos equipamentos urbanos propicia o aumento do escoamento superficial (BOTELHO, 2011.).

Decorrem dessas mudanças, em grande parte, o aumento de problemas relacionados à intensificação dos episódios de inundações e alagamentos, bem como da evasão de sedimentos das encostas para os canais fluviais. Cidades e núcleos urbanos frequentemente apresentam, ainda, problemas relacionados à poluição dos rios, à redução da disponibilidade de águas para uso, à degradação dos ecossistemas, ao aumento das taxas de erosão ou assoreamento, dentre vários outros associados ao padrão de ocupação e uso dos recursos naturais, os quais já vêm sendo fartamente documentados e analisados em estudos científicos e aplicados.

Fruto de processos físico-naturais e também dos agentes sociais atuantes, o relevo associa se, nesse contexto, a diferentes momentos históricos, econômicos e sociais (JORGE, 2011), sendo por isso destacado, por alguns grupos de geógrafos


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físicos, a necessidade de dar maior atenção crítica a aspectos das relações sociais e de poder, combinados ao conhecimento das ciências físicas e biológicas, com o propósito de transformação social e ambiental – abordagem que tem sido denominada de Geografia Física Crítica (LAVE et al., 2018; 2019). Esta perspectiva não é recente, como pode ser observado, por exemplo, em James e Marcus (2006), ao analisarem o evento Man’s Role in Changing the Face of the Earth Symposium, realizado em 1955, em que identificam uma série de contribuições para a adoção de métodos e práticas interdisciplinares por geomorfólogos, para um entendimento integrado das interações humanas com os sistemas terrestres.

Contudo, percebe-se que os rios urbanos têm sido fortemente relegados nos estudos de Geografia Física, em parte por se inserirem em áreas “muito degradadas”, preteridas em relação aos ambientes mais próximos das condições naturais pela maior facilidade de observação, nestes últimos, de processos geomorfológicos de amplo espectro temporal. As paisagens significativamente alteradas pela ação humana são vistas em geral como comuns (e não “extraordinárias”, ou exemplares de condições ambientais naturais diferenciadas), desagradáveis ou desinteressantes, sendo, deste modo, frequentemente negligenciadas nas investigações realizadas por geógrafos físicos, como aponta Urban (2018). Nesse sentido, os rios configuram-se como personagens centrais nos debates sobre o Antropoceno (GIBLING, 2018), tendo em vista que boa parte das atividades humanas se dá sobre canais fluviais e planícies de inundação.

Além disso, as modificações humanas que resultam na degradação ou na diminuição da heterogeneidade, da conectividade e da dinâmica fluvial tendem a simplificar os ecossistemas fluviais, reduzindo a oferta de serviços ecossistêmicos (LARGE et al., (2018). Gurnell et al. (2007), por exemplo, apontam diversos impactos do crescimento urbano sobre os processos e formas dos ambientes fluviais, em diferentes escalas espaciais. Na escala da bacia hidrográfica, as áreas urbanas transformam o sistema hidrológico através da construção de superfícies impermeáveis e sistemas de drenagem de águas pluviais. Na escala do canal, os impactos urbanos se dão no reforço das margens e leitos, na modificação do perfil longitudinal e da forma em planta dos rios, na desconectividade hidrológica entre canal e planície e na modificação da vegetação ripária.

A magnitude do fenômeno urbano, com a formação e expansão das grandes cidades e as significativas alterações na morfologia e dinâmica das paisagens (SANTOS FILHO, 2011), tem levado ao desenvolvimento de novas abordagens de análises geológicas e geomorfológicas para o contexto das cidades. Neste contexto se inserem as pesquisas realizadas no âmbito do que vem sendo chamado de Antropogeomorfologia, um campo da Geomorfologia voltado ao estudo da influência humana na geração e modificação das formas de relevo. Conforme destacam Rodrigues (2005) e Rodrigues et al. (2019), a ação humana tem a capacidade de modificar tanto as propriedades e a localização dos materiais superficiais como as taxas e balanços dos processos, e ainda de gerar, direta e indiretamente, morfologias específicas, antropogênicas.

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Estas mudanças também têm sido alvo de estudos voltados ao reconhecimento e mapeamento de feições e depósitos denominados tecnogênicos, inseridos em uma abordagem geológica-geomorfológica com enfoque nos registros das alterações cuja gênese foi/é de origem técnica, que estão materializados na superfície terrestre geralmente com uma abrangência espacial local e/ou regional, e que possuem desdobramentos e conexões com a evolução do relevo em diferentes escalas temporais (OLIVEIRA et al., 2005; MELLO, 2006; OLIVEIRA; PELOGGIA, 2014; PELOGGIA et al., 2014; dentre outros).

Considerando-se que as mudanças produzidas pelas sociedades humanas continuam a promover transformações ambientais, tanto previsíveis como imprevisíveis, que por sua vez as afetam em diferentes intensidades e escalas, e ainda que muitas das pesquisas em andamento buscam criar estruturas teóricas e metodológicas que respondam aos desafios existentes, conforme destaca Kelly (2018), torna-se necessário apreender as alterações nas formas e nos processos físicos e biológicos presentes em diferentes ambientes, assim como nos processos socioculturais que dirigem e se materializam por meio destas mudanças. Deste modo, o presente artigo pretende discutir o papel da Antropogeomorfologia e dos estudos sobre as formas e depósitos tecnogênicos no âmbito dos rios urbanos brasileiros, apresentando também algumas abordagens da geomorfologia fluvial que têm procurado incorporar elementos antropogenéticos nas análises geomorfológicas de canais fluviais.

FONTE: <https://rbg.ibge.gov.br/index.php/rbg/issue/view/245>. Acesso em: 12 ago. 2021.

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RESUMO DO TÓPICO 3


• A poluição ambiental é a adição ou o lançamento de qualquer substância ou forma de energia ao meio ambiente em quantidades que resultem em concentrações maiores que as naturalmente encontradas.

• Os tipos de poluição são, em geral, classificados em relação ao componente ambiental afetado (poluição do ar, da água, do solo), pela natureza do poluente lançado (poluição química, térmica, sonora ou radioativa) ou pelo tipo de atividade poluidora (poluição industrial, agrícola ou antrópica).

• O combate à poluição ocorre pela implementação de políticas de prevenção e fiscalização, mas também por pequenas atitudes cotidianas de cada indivíduo.

• No Brasil, a Lei nº 6.938, de 31 de agosto de 1981, estabelece a Política Nacional do Meio Ambiente, detalhando e especificando seus fins e mecanismos.

• A poluição dos corpos hídricos é o lançamento e a acumulação nas águas dos mares, dos rios, dos lagos e demais corpos d’água, superficiais ou subterrâneos, de substâncias químicas, físicas ou biológicas que afetem diretamente as características naturais das águas e a vida ou que venham a lhes causar efeitos adversos secundários.

• A eutrofização é um exemplo de problema ambiental causado pela poluição de corpos da água que resulta na diminuição da biodiversidade aquática dos corpos da água que são atingidos por esse fenômeno.

• A poluição atmosférica é a acumulação de qualquer substância ou forma de energia no ar, em concentrações suficientes para produzir efeitos mensuráveis no homem, nos animais, nas plantas ou em qualquer equipamento ou material, em forma de particulados, gases, gotículas ou qualquer de suas combinações.

• O smog fotoquímico é um fenômeno formado a partir da inversão térmica que ocorre em épocas frias do ano e em locais com muita poluição atmosférica, causando alterações no sistema imunológico, agravamento de doenças respiratórias, irritação nos olhos, dor de cabeça e problemas pulmonares.

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CHAMADA

• A poluição do solo refere-se à contaminação do solo por qualquer um dos inúmeros poluentes derivados da agricultura, da mineração, das atividades urbanas e industriais, dos dejetos animais, do uso de herbicidas ou dos processos de erosão.

• É necessário promover a educação ambiental, o desenvolvimento sustentável, a implementação de melhorias nos processos produtivos existentes e monitorar os parâmetros de qualidade dos recursos naturais essenciais à vida para minimizar os avanços da poluição.

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1 A ação humana na natureza se dá por várias formas e tem inúmeras consequências locais, regionais e globais, afetando o equilíbrio entre os ecossistemas e colocando em risco a qualidade de vida no planeta Terra. A poluição é um dos problemas ambientais mais graves causado pela ação do ser humano no meio ambiente. Sobre a poluição ambiental, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A poluição ambiental é a extração de qualquer substância ou forma de energia ao meio ambiente em quantidades que resultem em concentrações maiores que as naturalmente encontradas.

b) ( ) A poluição ambiental é ação do ser humano na natureza, de forma a alterar a quantidade de energia existente no meio ambiente, resultando em concentrações menores desse recurso que as naturalmente encontradas.

c) ( ) A poluição ambiental é um fenômeno natural que acarreta a adição ou na retirada de qualquer substância ou forma de energia ao meio ambiente em quantidades que resultem em concentrações diferentes que as naturalmente encontradas.

d) ( ) A poluição ambiental é a adição ou o lançamento de qualquer substância ou forma de energia ao meio ambiente em quantidades que resultem em concentrações maiores que as naturalmente encontradas.

2 No Brasil, a Lei nº 6.938, de 31 de agosto de 1981, estabelece a Política Nacional do Meio Ambiente, detalhando e especificando seus fins e mecanismos. Nesta legislação, temos a definição do conceito de poluição como sendo a degradação da qualidade ambiental resultante de algumas atividades humanas. Com base neste conceito, analise as sentenças a seguir:

Esta Lei (Lei nº 6.938/1981) define a poluição resultante de atividades que direta ou indiretamente:

I- Atividades que melhorem a saúde, a segurança e o bem-estar da população são poluidoras.

II- Atividades que afetem desfavoravelmente a biota são poluidoras.III- Atividades que lancem matérias ou energia em desacordo com os padrões

ambientais estabelecidos são poluidoras


a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I, II e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

AUTOATIVIDADE

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3 A poluição das águas refere-se a inclusão nos corpos hídricos de poluentes como esgoto, microrganismos, patógenos, resíduos industriais, substâncias químicas, lixos orgânicos, entre muitas outras substâncias. De acordo com os conteúdos estudados sobre a poluição das águas, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) A poluição na água causa alterações físicas, lhe atribuindo odor, gosto e coloração.

( ) As alterações na potabilidade da água podem ocorrer devido a presença de substâncias químicas como sódio, cálcio, magnésio e alumínio.

( ) A água para ser considerada biologicamente própria para o consumo humano deve conter organismos patogênicos.



4 A poluição atmosférica pode trazer sérios problemas à saúde humana e de outros seres vivos, além de impactar o equilíbrio do clima global, ocasionando uma série de outros problemas ambientais. Com base nos conteúdos estudados, cite quais são os principais poluentes gasosos liberados na atmosfera através da ação humana.

5 A poluição do solo refere-se à contaminação do solo por qualquer um dos inúmeros poluentes derivados da agricultura, da mineração, das atividades urbanas e industriais, dos dejetos animais, do uso de herbicidas ou dos processos de erosão. Cite as principais causas da contaminação dos solos.

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REFERÊNCIAS

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UNIDADE 2 —

QUÍMICA DAS SOLUÇÕES AQUOSAS


PLANO DE ESTUDOS


• conhecer as principais características dos diferentes tipos de reações químicas em meio aquoso;

• identificar diferentes tipos de equilíbrio químico em meio aquoso e des-crever suas reações químicas para obtenção de suas respectivas constan-tes de equilíbrio;

• resolver cálculos matemáticos, a partir de dados experimentais, envol-vendo os diferentes tipos de equilíbrio químico estudado;

• interpretar os valores das constantes de equilíbrio determinadas teorica-mente através de cálculos matemáticos.

Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES ÁCIDO-BASE

TÓPICO 2 – EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO

TÓPICO 3 – EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO E COMPLEXAÇÃO


CHAMADA

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

No decorrer da evolução da humanidade, a curiosidade sobre o mundo, bem como a composição dos materiais que o cercavam, movia o homem na tentativa de compreender a natureza. Historicamente, conforme os registros que temos acesso, os primeiros vislumbres de compreensão da natureza eram baseados em percepções organolépticas, ou seja, aquelas que podiam ser facilmente percebidas através dos sentidos (olfato, visão, paladar e tato).

A primeira tentativa de classificação de um “ácido” (palavra derivada do Latim acere, que significa azedo) foi atribuída às substâncias que apresentavam o sabor azedo, como o vinagre, o leite coalhado e o suco de limão. Atualmente, sabemos que o sabor azedo desses produtos é devido à presença de compostos denominados ácidos carboxílicos, como o ácido acético (vinagre), ácido β-láctico e (leite coalhado) e o ácido cítrico (suco de limão). Já o termo “álcalis” (palavra derivada do Árabe al-qali, que significa cinzas de plantas) era utilizado para denominar a capacidade de neutralizar as substâncias ácidas que algumas cinzas (originadas na queima de plantas ricas em carbonato de potássio) apresentavam. Posteriormente, esta denominação foi substituída pelo termo “base” (palavra derivada do Inglês arcaico debase, que significa abaixar, rebaixar o valor de algo), está era atribuída às substâncias possuem um sabor mais amargo, que causavam a sensação de “amarrar” a boca, como se tem ao comer um caqui verde (COSTA et al., 2005; HARRIS, 2012).

Durante o século XVIII, Antônio Lavoisier, considerado o pai da química moderna, acreditava que todos os ácidos eram substâncias que continham em sua formulação um átomo em comum, o qual chamou de oxigênio, o “gerador de ácido”. Esta ideia, embora errada, foi a primeira tentativa científica de se caracterizar quimicamente os ácidos. No entanto, foi somente no final do século XIX que surgiram ideias, bem-sucedidas, correlacionando a estrutura química das substâncias com suas propriedades ácidas e básicas. A primeira teoria foi proposta em 1887, por Arrhenius. Alguns anos mais tarde, em 1923, os cientistas Brønsted e Lowry (com estudos independentes) expandiram os conceitos de Arrhenius, mas foi Lewis, no mesmo ano, quem formulou a teoria mais abrangente e adequada para caracterizar e descrever os ácidos e as bases (apud COSTA et al., 2005). Após a definição científica da estrutura química das substâncias ácidas e básicas, deu-se início ao desenvolvimento de estudos sobre o comportamento destas substâncias numa reação química, denominado de equilíbrio químico de reações ácido-base.

TÓPICO 1 —

EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES ÁCIDO-BASE

UNIDADE 2 — QUÍMICA DAS SOLUÇÕES AQUOSAS

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Diante disso, neste tópico abordaremos os conceitos fundamentais para o estudo do equilíbrio químico de reações ácido-base. Inicialmente serão apresentadas as teorias propostas por Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis que servirão de base para o estudo do equilíbrio químico e das forças relativas dos ácidos e bases. Posteriormente serão abordados os conceitos de potencial hidrogeniônico e conheceremos a aplicação de indicadores ácido-base. Ao final, estudaremos as características e propriedades das soluções tampão.

2 TEORIAS ÁCIDO BASE

Para compreender o comportamento das substâncias ácidas e básicas foram necessários vários estudos que analisavam as reações químicas envolvendo esses compostos. No decorrer da evolução da ciência química, várias teorias foram propostas na tentativa de descrever tais substâncias. A seguir, estudaremos as três principais teorias ácido-base, que são: Teoria ácido-base de Arrhenius (1887), Teoria ácido-base de Brønsted-Lowry ou teoria protônica (1923) e Teoria ácido-base de Lewis ou teoria eletrônica (1923) (COSTA et al., 2005; ATKINS E JONES, 2012; FILHO, 2016).

2.1 TEORIA ÁCIDO-BASE DE ARRHENIUS

O conceito ácido-base, desenvolvido pelo químico sueco Svante August Arrhenius, em 1887, foi determinado após vários experimentos científicos, onde ele constatou que algumas substâncias químicas neutras, ao serem colocadas em água, se dissolviam e formavam espécies carregadas, chamadas de íons. Ao analisar os tipos de íons que estas substâncias formam, quando colocadas em água, Arrhenius notou que algumas produziam sempre o mesmo tipo de cátion, outras produziam sempre o mesmo tipo de ânion e, por isso, apresentavam propriedades químicas muito parecidas.

Para Arrhenius, os ácidos são substâncias químicas que apresentam em sua fórmula molecular, ao menos, um átomo de hidrogênio. Ao serem colocadas em contato com a água, liberam em solução íons hidrogênio como única espécie química de carga positiva, ou seja, produzem unicamente o cátion hidrogênio (H+) livre em solução. Alguns exemplos destes ácidos, chamados de ácidos próticos, são apresentados na Tabela 1.

TÓPICO 1 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES ÁCIDO-BASE

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TABELA 1 – EXEMPLOS DE ÁCIDOS DE ARRHENIUS

FONTE: O autor

Já as bases são substâncias químicas que apresentam em sua fórmula molecular, ao menos, um íon hidroxila (OH–). Ao serem colocadas em contato com a água, liberam em solução íons hidroxila como única espécie química de carga negativa, ou seja, produzem unicamente o ânion hidroxila (OH–) livre em solução. Alguns exemplos destas bases são apresentados na Tabela 2.

TABELA 2 – EXEMPLOS DE BASE DE ARRHENIUS

FONTE: O autor

Dessa forma, a teoria de Arrhenius representa a capacidade que as substâncias químicas possuem para liberar os íons H+ e OH– em solução, sendo estas características responsáveis pela definição de ácido e base, respectivamente (COSTA et al., 2005; FILHO, 2016). A teoria de Arrhenius ainda define que ao misturarmos uma substância ácida com uma básica, ocorre uma reação de neutralização, uma vez que ao misturarmos os íons H+ (proveniente dos ácidos) com os OH– (proveniente das bases) tem-se a formação de uma molécula neutra, de água, conforme pode ser observado na equação química a seguir.

Ácido de Arrhenius Dissociação em meio aquosoHCl

Ácido ClorídricoHNO3

Ácido NítricoH2SO4

Ácido Sulfúrico

Base de Arrhenius Dissociação em meio aquosoNaOH

Hidróxido de SódioCa(OH)2

Hidróxido de CálcioAl(OH)3

Hidróxido de Alumínio


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Atualmente, quando escrevemos uma reação química que envolve a liberação de íons hidrogênio (H+) em solução, você deve lembrar que o próton isolado H+ não existe como espécie livre em solução aquosa, mas sim na forma combinada com uma molécula de água formando a espécie química H

3O+, denominada íon hidrônio.

IMPORTANTE

Além disso, em meio aquoso, os íons positivos, provenientes da dissociação de uma base de Arrenius, reagem com os íons negativos provenientes da dissociação de um ácido de Arrhenius formando uma nova substância química, um sal. Por exemplo, ao misturar dois moles da base hidróxido de sódio (NaOH) com um mol de ácido sulfúrico (H2SO4) obtém-se como produto da reação química dois moles de água e um mol do sal sulfato de sódio, conforme pode ser observado na equação química a seguir.

FIGURA 1– REAÇÃO QUÍMICA DE NEUTRALIZAÇÃO DE ACORDO COM ARRHENIUS

FONTE: O autor

Apesar de trazer inúmeros esclarecimentos para a época, a teoria ácido-base de Arrhenius apresenta algumas limitações, como: (I) a formação de ácidos e bases está restrita a soluções aquosas, ou seja, a presença de água, não sendo aplicados em sistemas sólidos ou outros solventes que não a água; (II) não permite prever o caráter ácido ou básico de substâncias químicas, cuja estrutura molecular seja ausente de hidrogênio (caráter ácido) e hidroxila (caráter básico); (III) não consegue explicar a basicidade de espécies como a amônia (NH3), que não possui hidroxila (COSTA et al., 2005; FILHO, 2016).


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2.2 TEORIA ÁCIDO-BASE DE BRØNSTED-LOWRY OU TEORIA PROTÔNICA

Em 1923, dois cientistas ampliaram o conceito ácido-base proposto por Arrhenius. A partir de estudos independentes Johannes Nicolaus Brønsted (na Dinamarca) e Martin Lowry (na Inglaterra), propuseram a classificação das substâncias em função de sua capacidade de doar ou receber prótons, por isso essa teoria é também chamada de Teoria Protônica.

Segundo a teoria de Brønsted-Lowry, os ácidos são espécies químicas (íons ou moléculas neutras) que possuem a capacidade de doar um próton (H+). Já as bases, são espécies químicas que possuem a capacidade de receber prótons. Ainda de acordo com essa teoria, durante uma reação química, um ácido reage com uma base levando a formação de um ácido conjugado da base e uma base conjugada do ácido (COSTA et al., 2005). Para você compreender melhor essa nomenclatura, analisaremos diferentes reações químicas que descreve a mistura de algumas substâncias.

No primeiro caso, analisaremos o comportamento químico do ácido clorídrico (HCl) em presença de água, sob o aspecto da teoria de Brønsted-Lowry, conforme descrito na equação química a seguir:

Observe que na equação direta (sentido de formação dos produtos) o ácido clorídrico perde um próton (H+) para a molécula de água, formando o íon hidrônio (H3O+) e o íon cloreto (Cl–), gerando a seguinte condição:

• O ácido clorídrico (HCl) mencionado anteriormente como sendo um ácido de Arrhenius, ao perder um próton (formando o íon Cl–) é também classificado como ácido de Brønsted-Lowry.

• A molécula de água, ao ganhar um próton (formando o íon hidrônio H3O+), neste caso, é classificada como base Brønsted-Lowry.

Você deve lembrar que o elemento hidrogênio em seu estado neutro é formado por um único próton e um único elétron. Quando este elemento doa seu único elétron, deixa de ser um átomo neutro e passa a ser uma espécie iônica, ou seja, um íon de carga positiva, que sinaliza a perda do seu elétron resultando em um íon formado por um único próton. Assim, toda vez que esta teoria mencionar a perda ou o ganho de prótons, estamos falando em perda e ganho de H+.

ATENCAO


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• O íon cloreto (Cl–), formado durante a perda de um próton do ácido clorídrico, é classificado como base conjugada do ácido.

• O íon hidrônio (H3O+), formado durante o recebimento de um próton pela molécula da água, é classificado como ácido conjugado da base.

No segundo caso, analisaremos o comportamento químico da amônia (NH3) em presença de água, sob o aspecto da teoria de Brønsted-Lowry, conforme descrito na equação química a seguir:

Observe que na equação direta (sentido de formação dos produtos) a amônia recebe um próton (H+) da molécula de água, formando o íon amônio (NH4

+) e o íon hidroxila (OH–), gerando a seguinte condição:

• A água, ao perder um próton (formando o íon OH–), neste caso, é classificada como ácido de Brønsted-Lowry.

• A amônia, ao ganhar um próton (formando o íon amônio NH4+) é classificada

como base de Brønsted-Lowry.• O íon hidroxila (OH–), formado durante a perda de um próton da molécula de

água, é classificado como base conjugada.• O íon amônio (NH4

+), formado durante o recebimento de um próton da molécula da água, é classificado como ácido conjugado da base.

Nos dois exemplos comentados anteriormente, você consegue perceber que a água possui comportamentos químicos diferentes? No exemplo anterior, a água atua como um ácido de Brønsted-Lowry (equação: NH3 + H2O), doando um próton para a amônia; já no exemplo com o ácido clorídrico (equação: HCl + H2O), a água atua como uma base de Brønsted-Lowry, recebendo um próton do HCl. Muitas substâncias possuem este tipo de comportamento que ora se comporta como ácido, ora como base de Brønsted-Lowry; elas são chamadas de anfótero (MAHAN, MYERS, 1995; BACCAN et al., 2001; COSTA et al., 2005).

Os ácidos de Arrhenius e Brønsted-Lowry são idênticos, porém as bases Brønsted-Lowry englobam todas as espécies químicas que apresenta um par de elétrons disponível para compartilhar com um próton, ou seja, as bases de Brønsted-Lowry podem ser tanto espécies negativas quanto neutras, não ficando restrita aos hidróxidos metálicos (que possuem o ânion hidroxila) como apresentado no conceito de Arrhenius.

ATENCAO


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Apesar de os exemplos anteriores demonstrarem reações químicas em meio aquoso, esse tipo de sistema não é uma regra fixa no nosso cotidiano. A teoria ácido-base de Brønsted-Lowry permitiu ampliar o conceito ácido-base para sistemas reacionais isentos de água, como pode ser observado na reação química descrita ao misturar-se ácido clorídrico (HCl) e amônia (NH3):

Observe que na equação direta (sentido de formação dos produtos) a amônia reage com o ácido clorídrico, recebendo um próton (H+), para formar o íon amônio (NH4

+) e íon cloreto (Cl–), gerando a seguinte condição:

• O ácido clorídrico, ao perder um próton (formando o íon Cl–) é classificado como ácido de Brønsted-Lowry.

• A molécula de amônia, ao ganhar um próton (formando o íon amônio NH4+)

é classificada como base de Brønsted-Lowry.• O íon cloreto (Cl–), formado durante a perda de um próton do ácido clorídrico,

é classificado como base conjugada.• O íon amônio (NH4

+), formado durante o recebimento de um próton pela molécula de amônia, é classificado como ácido conjugado.

Ainda que essa teoria respondesse algumas das limitações apresentadas pela teoria de Arrhenius, a visão ácido-base de Brønsted e Lowry apresentava a limitação de não permitir prever o caráter ácido ou básico de espécies químicas na ausência de hidrogênio.

2.3 TEORIA ÁCIDO-BASE DE LEWIS OU TEORIA ELETRÔNICA

Gilbert Newton Lewis foi um dos maiores cientistas do século XX, além de contribuir para o entendimento das ligações covalentes, foi responsável por elaborar a teoria ácido-base mais abrangente. Em 1923, Lewis escreveu a seguinte citação: “Nós estamos habituados ao uso da água como solvente universal e, portanto, nossos dados são limitados (...)”. Lewis queria encontrar uma maneira de definir ácidos e bases sem a limitação do ambiente reacional, ou seja, do ambiente químico em que se encontravam as substâncias químicas (COSTA et al., 2005).

A teoria proposta pelo químico americano Lewis é baseada na doação ou recebimento de pares de elétrons, dessa forma, pode ser aplicada a qualquer substância química, até mesmo aquelas que não possuem prótons para serem trocados. Por isso, essa teoria é também chamada de Teoria Eletrônica, pois envolve a transferência de pares de elétrons. Segundo a teoria de Lewis, os ácidos são espécies químicas (íons ou moléculas neutras) que possuem a capacidade de aceitar (receber) um par de elétrons em um orbital vazio; já as bases são espécies químicas (íons ou moléculas neutras) que possuem a capacidade de doar (oferecer) um par de elétrons não ligantes (COSTA et al., 2005; FILHO, 2016).


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Para facilitar a sua compreensão, considere reação química formada ao misturar-se trifluoreto de boro (BF3) e amônia (NH3), conforme a reação química descrita a seguir:

FIGURA 2 – MECANISMO REACIONAL SEGUNDO A TEORIA ELETRÔNICA

FONTE: <https://bit.ly/3mWFzGa>. Acesso em: 26 ago. 2021. Adaptado pelo autor.

Observe que na equação direta (sentido de formação dos produtos) a amônia apresenta um par de elétrons (:) não ligantes no átomo de nitrogênio e o átomo de boro, presente na molécula do BF3, possui orbitais vazios, ao reagirem formam um composto neutro originado do compartilhamento de elétrons. Dessa forma, temos a seguinte situação:

• O trifluoreto de boro, ao receber o par de elétrons, é classificado como ácido de Lewis.

• A amônia, ao doar o par de elétrons, é classificado como base de Lewis.

De modo geral, a teoria ácido-base de Lewis possibilitou ampliar o conceito ácido-base para a seguinte condição (Quadro 1):

Toda base de Lewis é também uma base de Brønsted-Lowry. No entanto, nem todo ácido de Lewis é necessariamente um ácido de Brønsted-Lowry.

IMPORTANTE


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Ácidos de Lewis: Bases de Lewis:

São substâncias com capacidade de receber (aceitar) um par de elétrons, dessa forma, apresentam um centro com carga formal positiva (δ+) e orbitais vazios para acomodar o par de elétrons doado pela base de Lewis.

Exemplo de ácidos de Lewis: MgBr2, BCl3, AlBr3, SnCl4, Fe3+.

São substâncias com capacidade de doar (ceder) um par de elétrons, dessa forma, dessa forma, apresentam um centro com carga formal negativa (δ-) situada na região do par de elétrons não ligantes no átomo central.

Exemplo de bases de Lewis:H2O, NH3, OH–.

QUADRO 1 – CONCEITO ÁCIDO BASE SEGUNDO LEWIS

FONTE: O autor

Como podemos perceber (quadro 1) as teorias ácido-base, de Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis não se anulam, mas se complementam, uma vez que cada uma abrange fenômenos e comportamentos químicos distintos, ou seja, as teorias são aplicadas em diferentes situações e, dessa forma, ampliam os conceitos de ácido e base.

FIGURA 3 – ABRANGÊNCIA E INTER-RELAÇÃO DAS PRINCIPAIS TEORIAS ÁCIDO-BASE

FONTE: <https://bit.ly/2WGxfiJ>. Acesso em: 16 ago. 2021.

3 EQUILIBRIO QUÍMICO E FORÇAS RELATIVAS DOS ÁCIDOS E BASES

Apesar de as reações químicas descreverem a formação dos produtos a partir da mistura de diferentes reagentes, devemos lembrar que as reações químicas nunca resultam na completa formação dos reagentes em produtos. Na verdade o que acontece é que as reações químicas alcançam um estado chamado


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de equilíbrio químico, onde a velocidade da reação entre os reagentes formando os produtos é igual à velocidade da reação em que os produtos se dissolvem formando novamente os reagentes, ou seja, os reagente e produtos coexistem em equilíbrio.

Para você compreender melhor este processo, vamos analisar a reação química que ocorre ao serem misturados os reagentes: ácido sulfúrico (H2SO4) e hidróxido de cálcio [Ca(OH)2].

FIGURA 4 – OS SENTIDOS DE UMA REAÇÃO QUÍMICA

Quando mencionamos que uma reação química ocorre no sentido direto, estamos nos referindo à transformação dos reagentes (H2SO4 e Ca(OH)2) em produtos (CaSO4 e H2O). No entanto, quando mencionamos que a reação química ocorre no sentido inverso, os produtos (CaSO4 e H2O) da reação estão sendo transformados nos reagentes (H2SO4 e Ca(OH)2).

De acordo com a teoria ácido-base de Brønsted-Lowry, um ácido forte é aquele que possui maior tendência para transferir um próton para outra molécula, já uma base forte é aquela que possui grande afinidade por prótons. Então, podemos perceber que os ácidos e bases apresentam forças relativas diferentes. Para tornar essa força mensurável, costuma-se relacioná-la com a

FONTE: O autor

Devemos lembrar que, ao representar uma reação química, os reagentes são escritos, prioritariamente, no lado esquerdo sendo separados entre si por um sinal de adição (indicando a reação entre eles), na sequência temos uma flecha que indica a transformação dos reagentes em novas substâncias; no lado direito são escritos os produtos da reação.

ATENCAO


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capacidade de dissociação, dos ácidos e bases, no meio aquoso e determina-se (quantitativamente) a fração (concentração) dos reagentes que se transformam nos produtos (MAHAN, MYERS, 1995; COSTA et al., 2005).

Analisaremos, então, a reação química (ácido-base) estabelecida entre o ácido perclórico (HClO4) e a água (H2O):

FIGURA 5 – REAÇÃO QUÍMICA DE NEUTRALIZAÇÃO DE ACORDO COM BRØNSTED-LOWRY

FONTE: O autor

Na reação química (sentido direto) o ácido perclórico (HClO4) doa um próton para a molécula de água, formando o íon hidrônio (H3O+) e o íon perclorato (ClO4–), gerando a seguinte condição:

• O ácido perclórico (HClO4) ao perder um próton, formando o íon perclorato (ClO4

–), é classificado como ácido de Brønsted-Lowry.• A molécula de água ao ganhar um próton, formando o íon hidrônio (H3O+),

neste caso, é classificada como a base de Brønsted-Lowry.• O íon perclorato (ClO4

–), formado durante a perda de um próton do ácido perclórico, é classificado com uma base conjugada.

• O íon hidrônio (H3O+), formado durante o recebimento de um próton pela molécula de água, é classificado como um ácido conjugado.

É importante você saber que o ácido perclórico é considerado um ácido forte, pois ao entrar em equilíbrio com as moléculas de água tende a se dissociar completamente, ou seja, rompe suas ligações com um átomo de hidrogênio, leva à formação da espécie iônicas ClO4– (base conjugada) e H3O+ (ácido conjugado) como produto da reação direta. Nesta reação, o equilíbrio químico está muito deslocado no sentido direto (reagentes → produtos), ou seja, na dissociação do ácido perclórico; assim, a base conjugada da equação (ClO 4

–) tende a formar pouquíssimas moléculas dos reagentes (HClO4 e H2O), sendo classificada como uma base fraca (ATKINS; JONES, 2012).

Os ácidos e bases fortes (sempre) reagem para formar pares conjugados mais fracos. Além disso, quanto maior a força do ácido e da base, mais fraco é o seu par ácido base conjugado. Para ilustrar melhor esse comportamento, observe a tabela a seguir, em que são apresentadas as força relativa de alguns ácidos e bases, corriqueiramente, encontrados em um laboratório de química.


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TABELA 3 – FORÇAS RELATIVAS DE ÁCIDOS E BASES E SEUS PARES CONJUGADOS

FONTE: Adaptado de Atkins e Jones (2012)

A força relativa de um ácido ou base pode ser expressa quantitativamente através de uma constante de equilíbrio. Por serem muito importantes, estas constantes recebem nomes especiais. A habilidade dos ácidos transferir um próton para a água é chamada de constante de dissociação dos ácidos, Ka. Já a habilidade das bases em abstrair (receber) um próton da água é chamado de constante de dissociação das bases, Kb (MAHAN, MYERS, 1995; COSTA et al., 2005).

De modo geral, a dissociação de um ácido em água pode ser representada da seguinte forma:

• onde: Ka é a constante de dissociação (ionização) do ácido, [H3O+] é a concentração em mol/L do íon hidrônio, [A–] a concentração em mol/L da base conjugada e [HA] é a concentração em mol/L do ácido.

Você consegue perceber que o valor de Ka é diretamente proporcional à acidez? Observe que quanto maior for a capacidade do ácido doar um próton (H+), maior será a concentração do íon hidrônio (H3O+) em solução, resultando em um maior valor de Ka. Assim podemos afirmar que grandes valores de Ka indicam maior acidez, ou seja, mais forte é o ácido.


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De modo semelhante, a dissociação das bases em água pode ser representada por:

• onde: Kb é a constante de dissociação da base, [BH+] é a concentração em mol/L do íon formado a partir do recebimento do próton (H+), [OH-] a concentração em mol/L da base conjugada, neste caso temos a água gerando o íon OH–, e [B] é a concentração em mol/L da base.

Você consegue perceber que o Kb é diretamente proporcional a basicidade? Observe que quanto maior a capacidade da base aceitar um próton (H+), maior será a concentração de íons BH+ (íon formado a partir do recebimento do próton) gerando maiores valores de Kb. Assim, também podemos afirmar que, grandes valores de Kb indicam alta basicidade, por tanto, mais forte é a base.

Na maioria das vezes, as constantes de acidez (Ka) e basicidade (Kb) são apresentadas através de seus logaritmos negativos, gerando, respectivamente, as constantes pKa e pKb.

FIGURA 6 – RELAÇÃO ENTRE AS CONSTANTES DE ACIDEZ E BASICIDADE

FONTE: O autor

Dessa forma, valores grandes de Ka, geram pequenos valores de pKa e indicam grande capacidade de ionização. Portanto, quanto maior o Ka (menor pKa) maior é a força do ácido. Já pequenos valores de Ka (grandes pKa) indicam baixa capacidade de ionização do ácido em questão. De forma semelhante, este comportamento pode ser aplicado para as substâncias básicas. Para ilustrar melhor este comportamento, apresentamos algumas substâncias ácidas com suas respectivas constantes de ionização (Ka e pKa) e algumas substâncias básicas com suas respectivas constantes de ionização (Kb e pkb).


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FIGURA 7 – CONSTANTES DE IONIZAÇÃO DE ALGUNS ÁCIDOS E BASES A 25° C

FONTE: Adaptado de Atkins e Jonnes (2012)

A força dos ácidos e bases, ou de seus respectivos pares conjugados, nos auxiliam a prever o direcionamento da reação química. Imagine um cabo de guerra: de um lado temos um ácido com grande valor de Ka (ácido fluorídrico, HF, com Ka = 3,5 x10-4) e do outro lado do cabo de guerra temos sua base conjugada (íon fluoreto, F–, com Kb = 1,5 x10-11). Quem será que ganha essa competição? Qual será o sentido da reação?

Devemos lembrar que pequenos valores de Kb indicam baixa aceitação de prótons, ou seja, no caso do íon fluoreto ele irá preferir manter-se na forma iônica do que associado a um próton. Por outro lado, grandes valores de Ka indicam alta dissociação do ácido, ou seja, no caso do ácido fluorídrico ele doa prótons (H+) com muita facilidade. Assim, percebemos que um alto valor de Ka indica que a formação de produtos na reação é altamente favorecida. Dessa forma, podemos prever que na reação HF + H2O o sentido direto, a transformação dos reagentes (HF e H2O) nos produtos (H2O+ e F–) é favorecido.

4 POTENCIAL HIDROGENIÔNICO E INDICADORES ÁCIDO-BASE

No cotidiano de um laboratório químico, nem sempre se trabalha com ácidos concentrados. Na verdade, a grande maioria das vezes se trabalha com soluções diluídas. Assim, determinar a concentração de íons hidrônio (H+ na forma de íons hidrônio H3O+), em solução é uma tarefa desafiadora, pois a sua concentração é muito pequena. Por exemplo, em uma solução de ácido acético 0,5 mol/L a concentração de íons H+ é igual a 3,0x10-3 mol/L. Por isso, é comum expressarmos a concentração de íons hidrônio na forma do logaritmo negativo


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(na base 10) de sua concentração molar. Essa expressão é definida, em química, como sendo o potencial hidrogeniônico, pH, de uma solução (MAHAN, MYERS, 1995; COSTA et al., 2005).

Por exemplo, se em uma solução aquosa de ácido cítrico a concentração de íons hidrônio for 3,21x10-4 mol/L, podemos dizer que a solução tem pH igual a 3,49, já que:

Por outro lado, uma solução qualquer, que tenha pH igual a 5,38 deverá ter a concentração de íons hidrônio igual a 4,17x10-6 mol/L, já que:

As concentrações de íons hidrogênio e hidroxila em solução levaram a construção de uma escala, chamada de escala de pH, na qual podemos facilmente constatar se uma solução é ácida ou básica em função do seu valor de pH. Para isso, é utilizado como referência o comportamento de dissociação da água, uma substância (sabidamente) neutra. A dissociação da água é descrita pela reação química a seguir:

A água, ao se dissociar gera um íon hidrogênio (que rapidamente é absorvido por uma molécula de água vizinha, formando o íon hidrônio, H3O+) e uma hidroxila (OH–). No equilíbrio esta reação apresenta um valor constante, por ser muito especial, recebe o nome de constante do produto iônico da água, Kw. Na água pura, as concentrações dos íons hidrônio e hidroxila são iguais e apresentam valor experimental igual a 1,00x10-7 (ATEKINS; JONES, 2012). Esses valores são válidos quando as concentrações são dadas em mol por litro e a temperatura do sistema é fixa em 25° C, assim temos:

Aplicando-se o conceito de pH para a água pura, temos:


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Essa prática, de expressar a concentração de íons na forma de seus logaritmos negativos, não é restrita ao íon hidrogênio. Ela também pode ser aplicada a concentração de íons hidroxila (OH–), gerando o potencial hidroxiliônico, pOH, que nos informa o caráter básico das soluções. O pOH é definido como o logaritmo negativo (na base 10) da concentração de íons OH–

presentes na solução, assim temos:

Aplicando-se o conceito de pOH para a água pura, em que a concentração de OH– é 1,00x10-7, o valor de pOH é 7,00. Do mesmo modo entendemos porque o pKw da água, Kw=[H3O+] [OH–], é igual a 14,00 (ATEKINS; JONES, 2012).

Sabendo que o Kw é uma constante que resulta da multiplicação das concentrações dos íons hidrônio e hidroxila, presentes na água pura; que o pH está relacionado com a concentração de íons hidrônio e o pOH com a concentração de íons hidroxila, podemos verificar a íntima relação existente entre esses dados. Aplicando-se logaritmo negativo em ambos os lados da equação Kw=[H3O+] [OH–], temos: –log(Kw) = –log[H3O+] – (–log[OH–]), ou seja, –log(Kw) = pH + pOH. Sabemos que o logaritmo negativo do Kw da água pura é 14,00, então temos:

pH + pOH = 14

Para facilitar seu entendimento sobre a escala de pH, observe os as informações apresentadas no Quadro 2. A Figura a seguir relaciona a escala de pH com alguns produtos do nosso dia a dia.

QUADRO 2 – ACIDEZ E BASICIDADE DE SOLUÇÕES CONFORME VALOR DE DE pH E pOH

FONTE: O autor

Interpretação do valor de pH Interpretação do valor de pOH

pH < 7: [H3O+] > [OH-] indica que a solução possui concentração de íons hidrônio maior que a concentração de íons hidroxila, por isso, é considerada ácida.pH = 7: [H3O+] = [OH-] indica que a concentração de íons hidrônio e a de íons hidroxila, em solução, são iguais, por isso, a solução é considerada neutra;pH > 7: [H3O+] < [OH-] indica que a solução possui concentração de íons hidrônio menor que a concentração de íons hidroxila, por isso, é considerada básica.

pOH < 7: [OH-] > [H3O+] indica que a solução possui concentração de íons hidroxila maior que a concentração de íons hidrônio, por isso, é considerada básica.pOH =7: [OH-] = [H3O+] indica que a concentração de íons hidroxila e íons hidrônio, em solução, são iguais, por isso, a solução é considerada neutra;pOH > 7: [OH-] > [H3O+] indica que a solução possui concentração de íons hidroxila maior que a concentração de íon hidrônio, por isso, é considerada ácida.


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FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/2Y77MQk>. Acesso em: 16 ago. 2021.

Algumas moléculas de corantes orgânicos (naturais ou sintéticos) apresentam a característica de mudar de cor em função da concentração de H3O+ em solução. Estas substâncias, na maioria das vezes, são ácidos fracos que ao doarem prótons para o sistema reacional formam suas respectivas bases conjugadas, essa simples alteração da estrutura molecular (forma neutra → iônica) lhe confere uma nova coloração. Então, adicioná-las numa solução possibilita uma forma muito simples de identificar seu valor de pH, basta observar a mudança de cor da solução. Essas substâncias são chamadas de Indicadores Ácido-Base.

Imagine um indicador ácido-base, chamado IndH, com comportamento de um ácido fraco sendo adicionado em uma solução aquosa que posteriormente será acidificada; o equilíbrio químico da reação pode ser descrito da seguinte forma:

Você consegue perceber as alterações de cor da solução? Imagine um frasco contendo água, sobre ele você adiciona uma pequena quantidade do indicador IndH (um sólido de cor amarela). Ao entrar em contato com a água o IndH se dissolve, levando a formação de sua espécie iônica (Ind–), deixando a água com coloração verde. Agora, sobre essa solução aquosa você adiciona um ácido (por exemplo, 10 mL de ácido acético, CH3COOH). O que ocorrerá? O ácido irá se dissociar, liberando prótons em solução, está lembrado? Pois então, alguns

FIGURA 8 – ESCALA DE pH E SUA RELAÇÃO COM ALGUNS PRODUTOS DO COTIDIANO


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prótons serão absorvidos pela molécula ionizada do indicador (Ind–) levando a formação da sua molécula protonada IndH, e você verá a solução mudar de cor, passando de verde para amarela.

Existe uma variedade de indicadores artificiais de pH que podem ser utilizados num laboratório de química, onde cada um é indicado para um tipo de amostra. A Tabela 4 apresenta uma lista de indicadores ácido-base comumente encontrados num laboratório de química. Observe que eles apresentam faixas de pH aptas para sua utilização, onde ocorrerá a mudança de coloração.

TABELA 4 – FAIXA DE pH E MUDANÇAS DE COR DE ALGUNS INDICADORES ÁCIDO-BASE


Uma pequeníssima massa de corante orgânico é suficiente para tingir (colorir) grandes volumes de solução aquosa. Dessa forma, os indicadores (ácido-base) devem ser adicionados em pequenas quantidades. Por esse motivo, a reação de dissociação do indicador não irá alterar significativamente a concentração de íons H

3O+ na solução, logo a

dissociação do indicador é desprezível no pH da solução.

ATENCAO

Indicador Faixa de pH Cor na forma ácida

Cor na forma básica

Azul de timol 1,2 até 2,8 Vermelho AmareloAlaranjado de metila 3,2 até 4,4 Vermelho AmareloAzul de bromofenol 3,0 até 4,6 Amarelo Azul

Verde de bromocresol 3,8 até 5,4 Amarelo AzulVermelho de metila 4,8 até 6,0 Vermelho Amarelo

Tornassol 5,0 até 8,0 Vermelho AzulAzul de bromotimol 6,0 até 7,6 Amarelo AzulVermelho de fenol 6,6 até 8,0 Amarelo Vermelho

Azul de timol 8,0 até 9,6 Amarelo AzulFenolftaleína 9,4 até 10,0 Incolor Rosa

Amarelo de alizarina R 10,1 até 12,0 Amarelo VermelhoAlizarina 11,0 até 12,4 Vermelho Violeta


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Analisaremos o comportamento químico do indicador ácido-base fenolftaleína, um dos indicadores mais utilizados no dia a dia de um laboratório de química. Por ser um ácido fraco, ao ser colocado em água, a fenolftaleína se dissolverá estabelecendo o equilíbrio com sua base conjugada (forma iônica), conforme pode ser observado na Figura 9.

FIGURA 9 – EQULÍBRIO QUÍMICO DO INDICADOR ACIDO-BASE FENOLFTALEÍNA

FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/3gQCowb>. Acesso em: 16 ago. 2021.

Ao entrar em contato com uma solução de pH ácido (pH < 7, maior concentração de íons hidrônio H3O+), a forma íônica da fenolftaleína receberá um próton (H+), nessa estrutura molecular protonada a fenolftaleína é incolor para o olho humano. Por outro lado, ao entrar em contato com uma solução básica (pH > 7, maior concentração de íons hidroxila OH–), os íons hidroxila provenientes da base sequestram um próton (H+) de sua estrutura tornando-a visível para o olho humano com a coloração rosa.

Observe na Tabela 4 que a fenolftaleína possui faixa de pH de 9,4 até 10. No entanto, o que isso significa? Significa dizer que ao adicionarmos a fenolftaleína em uma solução com pH menor que 9,4 a solução terá coloração incolor, no entanto se ela tiver pH superior a 10, será “tingida” pela coloração rosa. Nesse método de identificação visual do pH não temos como determinar exatamente o valor do pH da solução, perceba que todos os indicadores apresentam um intervalo de pH associado para sua mudança de cor, ou seja, uma faixa de pH onde a mudança de cor é perceptível. Para a fenolftaleína a solução deverá ter (no mínimo) um pH entre 9,4 e 10 para que a cor rosa seja visualmente identificada, mas isso não quer dizer que a solução tenha um pH de aproximadamente 9,4 a 10. Os indicadores ácido-base (apenas) nos dão uma ideia do valor de pH da solução, indicando se ele está acima ou baixo de determinado valor de pH. O valor exato do pH (somente) é determinado com o uso de um equipamento chamado pHmetro.


80

Para ampliar seu conhecimento sobre indicadores ácido-base, faça a leitura do artigo científico: “Mudanças nas cores dos extratos de flores e do repolho roxo”. Dis-ponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc10/conceito.pdf.

DICAS

5 SOLUÇÃO TAMPÃO

Uma solução tampão é um tipo especial de solução química que possui a capacidade de resistir a variação da concentração de íons hidrogênio presentes em solução (pH) ao serem adicionadas pequenas quantidades de ácidos ou bases fortes ou ainda quando esta solução é diluída.

O conceito original da ação tamponante surgiu através de estudos bioquímicos com a enzima amilase, pelos cientistas Fernbach e Hubert em 1900. Eles observaram que ao utilizar uma solução de ácido fosfórico (parcialmente neutralizado) as propriedades funcionais das enzimas eram mantidas, mesmo após a adição de pequenas quantidades de ácido ou base concentrada. Os cientistas concluíram que esta solução conferia uma proteção contra mudanças abruptas na acidez e alcalinidade, e deram-lhe o nome de tampão (do inglês buffer) (FIORUCCI, 2001; MARCONATO; FRANCHETTI; PEDRO, 2004).

Para se ter ideia da importância do tamponamento de soluções, você sabia

que a grande maioria dos processos biológicos é dependente do pH? Os tampões têm papel importantíssimo nos processos químicos e bioquímicos que ocorrem a nível extra/intracelular, onde, uma pequena variação na acidez ocasiona grande variação na velocidade de suas reações, podendo ocasionar a desnaturação proteica ou, em casos mais graves, a morte celular. O pH do sangue de mamíferos é um reflexo do estado do balanço ácido-base do corpo. Em condições normais o pH é mantido entre 7,35 e 7,45. Uma diminuição (ácidodose) ou aumento (alcalose) brusco do pH sanguíneo pode causar sérios problemas, até mesmo ser fatal (FIORUCCI, 2001; MARCONATO; FRANCHETTI; PEDRO, 2004). Para evitar que isso aconteça, os mamíferos apresentam tampões dentro e fora das células, como o tampão bicarbonato/ácido carbônico, tampão hemoglobina/oxi-hemoglobina, tampão de proteínas e tampão fosfato monoácido/diácido.

http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc10/conceito.pdf


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No entanto, do que é formada uma solução tampão? Um tampão, geralmente, é preparado através da mistura de um ácido fraco e seu sal correspondente (base conjugada), ou então de uma base fraca e se eu sal correspondente (ácido conjugado). Assim, as soluções tampão podem apresentar características diferentes em função de sua composição (Quadro 3).

QUADRO 3 – CARACTERÍSTICAS DAS SOLUÇÕES TAMPÃO ÁCIDAS E BÁSICAS

FONTE: O autor

A principal função de um tampão é absorver o excesso de íons hidrogênio e hidroxila adicionados no meio reacional, e desta forma, controlar o valor de pH da solução. No entanto, como eles fazem isso? Através de reações de equilíbrio estabelecidas entre os íons presentes nos constituintes do tampão. Para você entender melhor este assunto, vamos imaginar que precisamos preparar um tampão ácido acético/acetato de sódio. Como faremos? Como ele atuará no sistema frente à adição de um ácido (ou uma base) forte? Qual o pH dessa solução tampão?

São várias perguntas importantes a serem respondidas, então iniciaremos compreendendo o que quer dizer tampão acetato/acetato de sódio? Ela nos indica os reagentes que formam nosso tampão. Quer dizer que ele será preparado através

As variações de pH ocorridas nas soluções tamponadas são insignificantes quando comparadas às variações nas soluções não tamponadas. Por este motivo, estas soluções são utilizadas para manter constante o pH de um sistema e para preparar soluções que precisam de um pH definido.

IMPORTANTE

Soluções tampão ácida Soluções tampão básica

São originadas da mistura de um ácido fraco (HX) e sua base conjugada (um sal solúvel, ZX).• O sal deve apresentar o mesmo

ânion do ácido utilizado;• Devido à alta concentração de íons

hidrônio dissolvidos, essa solução sempre apresenta pH menor que 7.

São originadas da mistura de uma base fraca (YOH) e seu ácido conjugado (um sal solúvel, YD).• O sal deve apresentar o mesmo

cátion da base utilizada;• Devido à alta concentração de

íons hidroxila dissolvidos, essa solução sempre apresenta pH maior que 7.


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da mistura de ácido acético e o sal acetato de sódio, portanto, estamos preparando um tampão com caráter ácido. Agora, vamos observar o comportamento químico dos reagentes quando adicionados em solução aquosa:

Perceba que em solução o ácido acético (CH3COOH) entra em equilíbrio com sua forma iônica, ao doar um próton para a água, levando a formação dos íons hidrônio (H3O+) e acetato (CH3COO–). Já o acetato de sódio (CH3COONa) ao entrar em contato com a água se dissolve liberando em solução os íons acetato (CH3COO–) e o cátion sódio (Na+). Estas duas equações, mostram o que existe simultaneamente ao realizarmos a mistura de um ácido fraco (CH3COOH) e sua base conjugada (CH3COONa), ou seja, um tampão. No entanto, o que acontece quando adicionarmos ácido ou base (fortes) sobre esta solução?

O princípio de Le Chatelier nos diz que quando se aplica uma força sobre determinado equilíbrio químico, a sua tendência é se reajustar para minimizar os efeitos dessa força, procurando voltar à situação de equilíbrio inicial (RUSSEL, 1994; SKOOG, 2001). Este comportamento é exatamente o que ocorre quando adicionamos, em um equilíbrio iônico, um íon já existente no meio reacional. O equilíbrio será deslocado no sentido de minimizar (diminuir) a concentração do íon em questão. Isso sempre acontecerá e é um fenômeno denominado de Efeito do Íon Comum (RUSSEL, 1994; SKOOG, 2001).

Sabemos que o ácido acético é um ácido fraco, e por isso, possui baixa ionização (dissociação) no meio aquoso. No entanto, o acetato de sódio (sal) é um eletrólito forte, o que nos diz que em solução aquosa estará completamente dissociado. Ao misturarmos estes dois reagentes numa mesma solução, a dissociação do ácido acético será ainda menor, devido ao efeito do íon comum (o íon acetato, CH3COO–), já que ele deslocará o equilíbrio da dissociação do ácido acético no sentido inverso, formando CH3COOH e limitando sua ionização, conforme preconizado pelo princípio de Le Chatelier.

É importante ressaltar que, na solução tampão, a principal contribuição para a concentração de íons acetato, a base conjugada do ácido acético, é proveniente do sal. Portanto, a ionização do ácido acético é negligenciável frente ao excesso de sal (efeito do íon comum), assim como é negligenciável a hidrólise do íon acetato frente ao excesso de ácido acético (FIORUCCI, 2001; MARCONATO; FRANCHETTI; PEDRO, 2004). Por isso, é possível reescrever a expressão da constante de dissociação ácida (Ka) do ácido acético, substituindo o termo [CH3COO–] (que representa a base conjugada do ácido) por [Sal], como mostrado a seguir:


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Ao adicionar um ácido forte sobre o tampão (ácido acético/acetato de sódio) aumenta-se a concentração de íons hidrônio (H3O+) em solução. Sabemos que essa solução tampão possui elevada concentração de íons acetato (CH3COO–, provenientes da dissociação do sal) e que ele possui grande afinidade (atração) pelo próton hidrogênio (H+). Assim, os íons H+ provenientes do ácido forte serão rapidamente absorvidos pelos íons acetato levando a formação de ácido acético, como pode ser observado a seguir:

Como todo ácido fraco é parcialmente ionizado em água, a formação de ácido acético rapidamente entra em equilíbrio com sua forma iônica. Dessa forma, o pH da solução permanecerá praticamente igual, com pequena variação ácida. Por outro lado, ao adicionar uma base forte sobre o tampão (ácido acético/acetato de sódio) aumenta-se a concentração de íons hidroxila (OH–) em solução. Esses íons serão neutralizados pelos íons hidrônio (H3O+) liberados na ionização do ácido acético, conforme pode ser observado a seguir:

Apesar de a concentração dos íons hidrônio diminuir, haverá um deslocamento do equilíbrio no sentido de aumentar a ionização do ácido e, com isso, a variação de pH da solução será muito pequena.

Como determinamos o valor de pH de uma solução tampão? Através da equação de Henderson-Hasselbach, que é apresentada a seguir:

• Onde: pKa = –log (Ka), e as concentrações da base conjugada e do ácido fraco correspondem à concentração destes reagentes, em mol/L. Para facilitar sua compreensão, vamos calcular o valor de pH de uma solução tampão

As soluções tampão possuem um limite para sua capacidade tamponante! Portanto, se forem adicionadas quantidades crescentes de ácido forte chegará um momento em que todo o ânion acetato será consumido e o efeito tampão cessará; de forma semelhante, se adicionar quantidades crescentes de base forte chegará um momento em que o equilíbrio da ionização do ácido será mais e mais deslocado no sentido da sua ionização, até que todo o ácido seja consumido e o efeito tampão cessará.

ATENCAO


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preparada através da mistura de 0,078 mols de ácido acético 0,065 mols de acetato de sódio, dissolvidos em 1 litro de água destilada. Dado valor de pKa (ácido acético) igual a 4,74.

Você deve lembrar que no meio aquoso os reagentes se dissociam formando seus respectivos pares (ácido-base) conjugados. Dessa forma, tanto o ácido acético quanto o acetato de sódio iberam em solução o íon acetato, no entanto a dissociação dos ácidos fracos que já é pequena, quando em presença do seu íon comum tornasse ainda menos (princípio de Le Chatelier) sendo considerada desprezível. Assim, a concentração da base conjugada pode ser representada como a concentração do sal. Aplicando os valores de cada concentração (ácido fraco e base conjugada) na equação de Henderson-Hasselbach, temos a seguinte condição:

Agora, sobre esta solução, são adicionados 2,0 mL de hidróxido de sódio (5,0 mol/L). Como determinamos o pH resultante desta solução? Primeiramente você deverá lembrar que o hidróxido de sódio é uma base forte, sendo assim, ela se dissociará completamente na solução liberando íons hidroxila. Em seguida deverá calcular a concentração de íons (OH–) adicionados no tampão. Então, temos a seguinte condição: a solução de hidróxido de sódio possui concentração de 5,0 mols por litro, no entanto foram adicionados somente 2 mL, por tanto, basta fazer uma regra de três simples:

Sabendo que a concentração de hidroxila adicionada no tampão foi de 0,01 mol/L, devemos calcular a quantidade de ácido fraco e de base conjugada disponíveis após a adição do hidróxido de sódio, assim temos:

• Quantidade de ácido fraco após a adição da base forte: ao adicionarmos a base forte, os íons OH– provenientes de sua dissociação serão neutralizados pelo ácido fraco, consumindo íons hidrônio. Então, devemos subtrair a concentração de íons OH– adicionados da concentração inicial do ácido fraco (0,078 – 0,01), o que resulta numa concentração final de 0,068 mol/L de H3O+

na solução.• Quantidade de base conjugada após a adição da base forte: ao adicionarmos

mais base no sistema, estamos aumentando a concentração de íons hidroxila na solução tampão. Então, devemos somar a concentração de íons OH–

adicionados com a concentração inicial da base conjugada (0,065 + 0,01), o que resulta numa concentração final de 0,075 mols/L de OH– na solução.


85

Agora, sabendo as concentrações finais de ácido fraco (0,068 mol/L) e de base conjugada (0,075 mol/L) após a adição de 2,0 mL de hidróxido de sódio (5,0 mol/L), podemos determinar o valor do pH aplicando os valores de cada concentração na equação de Henderson-Hasselbach. Assim, temos:

Observe que o resultado é muito próximo ao valor de pH da solução tampão original (4,66), mostrando sua capacidade de neutralizar os íons OH– adicionados na solução tampão.

Para ampliar seu conhecimento sobre soluções tampão, faça a leitura do artigo científico: “O conceito de solução tampão”, em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc13/v13a04.pdf

DICAS

http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc13/v13a04.pdf

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• As três principais teorias ácido-base: Arrhenius (1887), Brønsted – Lowry (1923) e Lewis (1923) são complementares, abrangem fenômenos e comportamentos químicos distintos, ampliando os conceitos de ácido e base.

• A teoria ácido-base de Arrhenius é fundamentada na capacidade de liberar íons H+ e OH– como únicos cátions e ânions numa solução aquosa. Ácidos liberam íons H+ e bases OH–;

• A teoria ácido-base de Brønsted-Lowry é fundamentada na doação ou recebimento de prótons (íons H+), por isso é também chamada de Teoria Protônica. Não é restrita às soluções aquosas. Ácidos são doadores e bases aceptores de prótons (H+).

• A teoria ácido-base de Lewis é fundamentada na doação ou recebimento de pares de elétrons, dessa forma, pode ser aplicada a qualquer substância química, até mesmo aquelas que não possuem prótons para serem trocados. Por isso, é também chamada de Teoria Eletrônica. Ácidos recebem e bases doam pares de elétrons.

• As reações químicas no sentido direto descrevem a transformação dos reagentes em produtos, já no sentido inverso mostram a transformação dos produtos em reagente.

• Os ácidos e bases fortes (sempre) reagem para formar pares conjugados mais fracos. Quanto maior a força do ácido e da base, mais fraco será o seu par ácido base conjugado.

• A força relativa de um ácido ou base é expressa quantitativamente através de sua constante de equilíbrio, Ka e Kb. Quanto maior o Ka (menor pKa) maior é a força do ácido, de modo semelhante, quanto maior o Kb (menor pKb) maior é a força da base.

• As concentrações de íons hidrogênio e hidroxila em solução dão origem a escala de pH: menor que sete, solução ácida (maior concentração de H3O+); igual a sete, solução neutra, [H3O+] = [OH –]; maior que sete, solução básica (maior concentração de OH –).

RESUMO DO TÓPICO 1

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• Os indicadores ácido-base são substâncias (naturais ou sintéticas) que auxiliam na identificação visual do pH das soluções. Não determinam com exatidão o valor de pH, mas indicam uma faixa de pH através do tingimento (coloração) das soluções.

• Uma solução tampão possui a capacidade de resistir a variação do pH ao serem adicionadas pequenas quantidades de ácidos ou bases fortes ou ainda quando diluída. Geralmente, é preparado através da mistura de pares ácido-base conjugado.

88

1 As teorias ácido-base nos auxiliam a prever o caráter ácido e básico das substâncias químicas. Sobre essas teorias, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Os ácidos de Arrhenius liberam íons OH – em solução, como único cátion.( ) Os ácidos de Brønsted-Lowry doam prótons (H+) liberando em solução

suas respectivas bases conjugadas.( ) As bases de Brønsted-Lowry aceitam prótons (H+) liberando em solução

seus respectivos ácidos conjugados.( ) As bases de Lewis doam pares de elétrons e os ácidos recebem pares de

elétrons.


a) ( ) F – F – F – V.b) ( ) V – V – F – F.c) ( ) V – F – V – F.d) ( ) F – V – V – V.

2 De acordo com a teoria ácido-base de Brønsted-Lowry, a dissociação de um ácido em meio aquoso leva à formação de sua respectiva base conjugada, já a dissociação de uma base leva à formação de seu respectivo ácido conjugado. Com base nessa definição, analise os pares conjugados a seguir:

I- CH3COOH e CH3COO –.II- NH3 e NH4+.III- H2O e H3O+.IV- HClO4 e ClO4–

Assinale a alternativa CORRETA que apresenta somente pares conjugados ácido-base conjugada:

a) ( ) Somente a opção I está correta.b) ( ) Somente a opção II está correta.c) ( ) As opções I e IV estão corretas.d) ( ) As opções I, III e V estão corretas.

3 O potencial hidrogeniônico, pH, nos informa a concentração de íons H+ (ou de H3O+) em uma solução, nos auxiliando a indicar se uma solução é ácida, neutra ou básica. A escala de pH varia entre 0 e 14 na temperatura de 25º C. Quando o valor do pH for igual a sete (pH da água) dizemos que a solução é neutra. No entanto, se o pH for menor que sete, será ácida, e se for maior que sete, básica. Analisando alguns produtos do cotidiano, associe os itens, utilizando o código a seguir:

AUTOATIVIDADE

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I- ÁcidoII- NeutroIII- Básico

( ) Sabonete.( ) Tomate.( ) Água.( ) Refrigerante.( ) Bateria de celular.


a) ( ) I – II – II – I – III.b) ( ) II – II – I – III – I.c) ( ) III – I – II – I – III.d) ( ) I – III – I – III – II.

4 Os indicadores ácido-base são substâncias químicas (naturais ou sintéticos) que apresentam a capacidade de mudar a cor de uma solução aquosa em função da concentração de íons hidrônio (H3O+) em solução. Em um frasco (A) contendo água (pH 4,5) foi adicionado uma pequena quantidade do indicador azul de bromotimol, após sua completa dissolução, (B) foi vertido 20 mL de uma solução 0,12 mol/L de NaOH. O que ocorrerá na solução? Explique demonstrando o comportamento observado para o indicador adicionado, sabendo que ele apresenta faixa de viragem de 6,0 até 7,6, coloração amarela na forma ácida e azul na forma básica.

5 Uma solução tampão foi preparada através da mistura de 0,18 mols de ácido acético 0,21 mols de acetato de sódio, dissolvidos em 1 litro de água destilada. Sabendo que o valor de pKa do ácido acético é 4,74, determine:

a) O pH desta solução tampão.b) O pH da solução A após a adição de 3,88x10-2 mols de ácido forte.c) O pH da solução B após a adição de 5,73x10-3 mols de base forte.

91

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Neste tópico, nos aprofundaremos nossos estudos sobre o equilíbrio químico. Até aqui, vimos apenas os equilíbrios que envolvem a transferência de prótons em água. Agora, vamos direcionar nossa atenção para o equilíbrio que existe entre um sal (uma substância sólida) e seus íons dissolvidos em uma solução saturada. Estas reações dão origem aos equilíbrios químicos de precipitação, também chamado de equilíbrios de solubilidade.

Ao longo deste tópico, você verá que existem equilíbrios químicos que levam a formação de compostos pouco solúveis em água, ou seja, à formação de um precipitado. Através da constante de equilíbrio da solubilidade de um sal podemos prever a sua solubilidade em água e controlar a formação de precipitado. Essas reações são comumente utilizadas em laboratórios de química para separar e analisar mistura de sais, são amplamente empregadas na extração de minerais da água do mar, nas estações de tratamento de esgoto e efluentes. À nível biológico, essas reações governam a formação e deterioração de ossos e dentes.

2 SOLUBILIDADE E SATURAÇÃO DE SOLUÇÕES

O conceito de solubilidade nos diz a capacidade que uma substância possui para se dissolver em outra. No entanto, essa propriedade física da matéria, é limitada e extremamente dependente de fatores como temperatura, pressão, polaridade e quantidade (em massa) das substâncias envolvidas. Por definição, a solubilidade é expressa em gramas (g) de soluto por 100g de solvente.

TÓPICO 2 —

EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES

DE PRECIPITAÇÃO

92


Soluto e solvente são os componentes de uma solução. SOLUTO é a substância (geralmente no estado sólido) que será dissolvida, já o SOLVENTE é a substância (geralmente no estado líquido) responsável por dissolver outras substâncias. Exemplo: água com sal de cozinha (salmoura). A água é o solvente, pois dissolveu o sal de cozinha. O sal de cozinha é o soluto, pois foi dissolvido pela água.

IMPORTANTE

Imagine que você está em casa preparando uma xícara de café. Você pega uma xícara pequena, coloca um pouco de água e logo em seguida coloca um pouco de café granulado (solúvel), mas se dá conta que a água estava fria. O que acontece com o café? Não se dissolve totalmente, não é mesmo? Então você resolve aquecer a água até a fervura e completa sua xícara com água quente. Pronto, o café se dissolve! Mas por que isso acontece? Por que o aumento da temperatura favorece a solubilidade das substâncias? Pois ela aumenta o grau de agitação das moléculas e favorece o choque das moléculas do soluto (café) com as moléculas do solvente (água) aumentando sua interação. Esse efeito é semelhante ao que acontece quando mexemos (agitamos) o café com a ajuda de uma colher, estamos forçando a interação soluto/solvente. Conforme pode ser observada na Figura 10, a maioria dos sais inorgânicos são afetados pela mudança de temperatura, geralmente, tem seu grau de solubilidade em água (eixo y da Figura 10) aumentado com o aumento de temperatura (eixo x da Figura 10).

FIGURA 10 – SOLUBILIDADE DE ALGUNS SAIS INORGÂNICOS (EM ÁGUA) EM FUNÇÃO DA TEM-PERATURA DO SISTEMA

FONTE: <https://www.fq.pt/solubilidade/solubilidade>. Acesso em: 16 ago. 2021.

https://www.fq.pt/solubilidade/solubilidade

TÓPICO 2 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO

93

Agora, imagine que você vai adoçar o café preparado. Você pode adicionar uma quantidade infinita de açúcar nessa solução, de modo que todo açúcar adicionado seja solubilizado? A resposta é não! Isso ocorre porque a água, assim como outros solventes, tolera (suporta) somente uma determinada quantidade de massa de soluto, neste caso, o açúcar. A quantidade máxima de uma substância (soluto) que pode ser dissolvida em certo volume de líquido (solvente), a uma determinada temperatura, é chamada de coeficiente de solubilidade, CS. Alguns exemplos de solubilidade de sais em água, expresso em gramas de soluto por 100g de água, são apresentados na tabela a seguir:

TABELA 5 – COEFICIENTES DE SOLUBILIDADE DE ALGUNS SAIS EM ÁGUA A 20°C

FONTE: Adaptado de Brown (2005)

No entanto, o grau de solubilidade dependerá de fatores como: o tamanho e a carga dos íons, a concentração e a polaridade das substâncias envolvidas, a temperatura e a pressão do sistema, dentre outros fatores (ATKINS; JONES, 2012; BROWN, 2005).

De modo geral, os sais inorgânicos, podem ser classificados em solúveis ou insolúveis em água. É importante que você, acadêmico, saiba que cada substância apresenta um comportamento diferente ao ser solubilizada em um solvente,

Substância Solubilidade (g/100g de água)Nitrato de prata, AgNO3 222

Sal de cozinha, NaCl 36Cloreto de potássio, KCl 34

Sacarose, C12H22O11 33Sulfato de cobre, CuSO4 20,7

Sulfato de potássio, K2SO4 11,11Cloreto de chumbo, PbCl2 0,99

Cal, Ca(OH)2 0,16Iodo (sólido), I2 0,02

Sulfato de bário, BaSO4 0,00025 = 2,5x10-4

É importante lembrar que uma mesma substância pode apresentar coeficientes de solubilidades diferentes ao modificar o solvente. Além disso, existem substâncias que aumentam sua solubilidade com o aumento da temperatura e outras que se tornam menos solúveis.

ATENCAO

94


algumas apresentam uma baixa solubilidade em água, já outras apresentam altos coeficientes de solubilidade. A Tabela 6 traz um resumo de informações (facilmente encontradas na internet) que nos auxiliam a prever o comportamento químico dos sais em água, o que facilita muito o dia a dia em um laboratório de química.

TABELA 6 – REGRA GERAL DE SOLUBILIDADE: INFORMAÇÕES QUALITATIVAS DA SOLUBILIDA-DE DE SAIS INORGÂNICOS EM ÁGUA

FONTE: Adaptada de King (1981)

Outra forma de classificar as soluções químicas está relacionada ao nível de saturação, ou seja, com a quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvido em uma quantidade específica de solvente. Assim, o nível de saturação pode ser classificado em:

• Solução insaturada: a quantidade de soluto é inferior ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura.

• Solução saturada: a quantidade de soluto é igual ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura. O soluto dissolvido e o não dissolvido estão em equilíbrio dinâmico entre si.

• Solução supersaturada: a quantidade de soluto é superior ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura. No entanto, devido ao alto grau de instabilidade química da solução supersaturada, a mínima perturbação do sistema (como modificação da temperatura ou pH) faz o excesso de soluto dissolvido precipitar, tornando-se uma solução saturada com corpo de fundo (com precipitado).

Compostos Solúveis

1. Todos os compostos de metais alcalinos (Grupo IA) e NH4+ são solúveis.

2. Todos os nitratos (NO3–) e percloratos (ClO4

–) são solúveis, exceto KClO4.3. Todos os acetatos (CH3COO–) e nitritos (NO2

–) são solúveis, exceto AgCH3COO.

4. Todos os cloretos, brometos e iodetos (Cl–, Br– e I–, respectivamente) são solúveis, exceto quando combinados com Ag+, Pb+2 e Hg2

+2.5. Todos os fluoretos (F–) são solúveis, exceto quando combinados com metais

alcalinos (Grupo IA) e NH4+, Ag+, Al+3, Sn+2 e Hg2

+2.6. Todos os sulfatos (SO4

–2) são solúveis, exceto quando combinados com Pb+2, Ca+2, Sr+2, Hg2

+2 e Ba+2.Compostos Insolúveis7. Todos os hidróxidos (OH–) e óxidos (O–2) metálicos e oxalatos são insolúveis,

exceto quando combinados com metais alcalinos (Grupo IA) e Ca+2, Sr+2 e Ba+2.

8. Todos os fosfatos (PO4–3), carbonatos (CO3

–2), sulfitos (SO3–2) e sulfetos (S–2)

são insolúveis, exceto quando combinados com metais alcalinos (Grupo IA) e NH4

+.


95

Para facilitar sua compreensão sobre a classificação das soluções químicas quanto ao nível de saturação, imagine que você tem a sua disposição um copo com 100g de água (na temperatura de 20°C) e um pacote de 1 kg de sal de cozinha. Vamos dar início ao nosso experimento?

• Adicione uma colher de sal na água e mexa a solução. Vamos supor que estamos usando uma colher de sopa e que a cada medida, “colherada”, é pego 0,30g de sal.

• Adicione 9 colheres de sal, sucessivamente uma a uma, mexendo após cada adição. O que acontece após a primeira adição? O que será que acontece quando a décima “colherada” de sal é adicionada?

Na primeira adição o sal é dissolvido com facilidade, na décima será necessário um pouco mais de agitação para que permaneça somente a fase líquida visível aos nossos olhos, mas ainda será solúvel. Se nos lembrarmos das informações apresentadas na Tabela 5 saberá que o sal de cozinha, conhecido quimicamente como cloreto de sódio (NaCl), possui coeficiente de solubilidade (em água a 20°C) igual a 36, ou seja, 100g de água, na temperatura de 20°C, consegue solubilizar 36g de NaCl.

Dessa forma, o experimento com água e sal de cozinha, enquanto não atingirmos a massa de 36g de NaCl nos 100g de água, dizemos que a solução é insaturada. Quando adicionarmos exatamente 36g de NaCl, alcançará a capacidade máxima do soluto (NaCl) tolerada pelo solvente (água), então dizemos que a solução está saturada. No entanto, se você exceder essa quantidade de NaCl tolerada pela água (36g em 100g) qualquer adição de sal formará um precipitado no fundo do copo, indicando o excesso de sal adicionado, o qual chamamos de “corpo de fundo”, esta solução é classifica como solução saturada com corpo de fundo. Se você aquecer esta solução (com corpo de fundo), forçamos a solubilização do excesso de sal de cozinha e teremos uma solução supersaturada.

Na maioria das vezes, conseguimos obter uma solução supersaturada aquecendo uma solução saturada que tenha excesso de soluto (com corpo de fundo). O aquecimento deve ser realizado até que todo o soluto em excesso tenha sido solubilizado, então, um resfriamento lento (mantendo se a solução em repouso) até a temperatura inicial, permite a obtenção da solução supersaturada (ATKINS; JONES, 2012; BROWN, 2005).

3 EQUILÍBRIO DINÂMICO E O PRODUTO DE SOLUBILIDADE

Ao estudarmos as reações químicas de precipitação é importante lembrarmos de que estamos estudando os equilíbrios existentes entre um sal sólido e seus íons dissolvidos em uma solução saturada.

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Vimos anteriormente que uma solução saturada é formada quando a concentração de um determinado soluto, em solução, é igual ao seu coeficiente de solubilidade (máxima quantidade de soluto em 100 g de água). Qualquer adição de massa de soluto superior ao CS não será mais solubilizada, pois já foi atingida sua capacidade máxima de solubilização pela água. Então, temos a formação de uma solução saturada com corpo de fundo. Nesse tipo de solução ocorre um equilíbrio chamado de equilíbrio dinâmico, à medida que uma molécula do soluto se dissolve no solvente outra molécula retorna ao estado sólido. Conforme definição de equilíbrio químico, isso acontece na mesma velocidade, no entanto, é um fenômeno imperceptível aos nossos olhos.

Para facilitar o seu entendimento vamos considerar a solubilização de um sal pouco solúvel em água, o carbonato de cálcio (CSCaCO3 = 1,4 x 10–3, a 20°C). Imagine que você preparou uma solução saturada de carbonato de cálcio, para isso você utilizou 100 g de água (a 20°C) e 2,8×10–3 g de CaCO3. Observe que a solução preparada possui duas vezes mais massa que a capacidade de solubilização do carbonato de cálcio, assim, além de estar saturada ela possuirá sólido não dissolvido no fundo do copo, um corpo de fundo. A reação química presente nesse sistema pode ser escrita da seguinte forma:

CaCO3 (s) H2O ↔ Ca+ (aq) + CO3– (aq)

Então, nessa solução saturada com corpo de fundo de carbonato de cálcio, é estabelecido um equilíbrio dinâmico de precipitação entre os íons em solução, da seguinte forma: a medida que os íons cálcio (Ca+2) e carbonato (CO3 –) são formados em solução, a partir da dissolução do sólido carbonato de cálcio (reação direta) outros dois íons cálcio e carbonato se unem para formar o carbonato de cálcio na forma sólida (reação inversa), depositando-se no fundo do recipiente.

Essas reações são imperceptíveis aos nossos olhos, porém podemos expressá-las através de uma constante de equilíbrio. Por serem muito importantes, estas constantes recebem um nome especial. A constante do equilíbrio entre um sólido e seus íons dissolvidos em solução é chamada de produto de solubilidade, KPS, do soluto (ATKINS; JONES, 2012; SKOOG, 2006). Ela é determinada através do cálculo da concentração molar dos íons gerados na dissolução (dissociação) do soluto na água.

Por exemplo, o iodeto de chumbo (II), PbI2, que possui a seguinte reação química no equilíbrio dinâmico:

tem sua constante do produto de solubilidade definida por:


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Já o sulfeto de ferro (II), FeS, que possui a seguinte reação química no equilíbrio dinâmico:

tem sua constante do produto de solubilidade definida por:

Observe que em ambos os casos (iodeto de chumbo (II), PbI2, e sulfeto de ferro (II), FeS) o cálculo do produto de solubilidade não considera a concentração do sólido. Na determinação do valor do KPS, de qualquer substância, são consideradas (somente) as concentrações das espécies químicas geradas pela dissolução do soluto. É importante sabermos que os valores de KPS são determinados (primeiramente) de forma teórica e depois comprovados experimentalmente. Esses valores são comumente encontrados em apêndices de livros básicos de química analítica. A seguir, a Tabela 7 apresenta alguns valores experimentais do produto de solubilidade para algumas substâncias quando a temperatura do sistema é fixada a 25° C.

TABELA 7 – PRODUTO DE SOLUBILIDADE DE ALGUAS SUBSTÂNCIAS A 25° C

Sustância Valor de KPS Sustância Valor de

KPSBrometo de chumbo (II), PbBr2

7,9 x10 –5 Hidróxido de chumbo, Pb(OH)2

8,0 x10 –16

Brometo de prata, AgBr 7,7 x10 –13 Hidróxido de

mercurio, Hg(OH)23,0 x10 –36

Carbonato de cálcio, CaCO3

8,7 x10 –9 Iodato de chumbo (II), Pb(IO3)2

2,6 x10 –13

Cloreto de chumbo (II), PbCl2

1,6 x10 –5 Iodeto de chumbo (II), PbI2

1,4 x10 –8

Cloreto de prata, AgCl 1,6 x10 –10 Iodeto de crômio

(III), Cr(IO3)35,0 x10 –6

Cloreto de mercúrio (I), Hg2Cl2

2,6 x10 –18 Oxalato de cobre, CuC2O4

2,9 x10 –8

Fluoreto de cálcio, CaF2

4,0 x10 –11 Sulfato de bário, BaSO4

1,6 x10 –10

Fluoreto de magnésio, MgF2

6,4 x10 –9 Sulfato de chumbo (II), PbSO4

1,6 x10 –8

Hidróxido de alumínio, Al(OH)3

1,0 x10 –33 Sulfeto de chumbo (II), PbS 8,8 x10 –29

Hidróxido de cálcio, Ca(OH)2

5,5 x10 –6 Sulfeto de cobre (I), Cu2S

2,0 x10 –47

Hidróxido de ferro (II), Fe(OH)2

1,6 x10 –14 Sulfeto de cobre (II), CuS 1,3 x10 –36

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Hidróxido de ferro (III), Fe(OH)3

2,0 x10 –39 Sulfeto de prata, Ag2S

6,3 x10 –51

Hidróxido de cobre (II), Cu(OH)2

4,8 x10 –20 Sulfeto de zinco, ZnS 1,6 x10 –24

Hidróxido de cádmio, Cd(OH)2

4,5 x10 –15 Sulfeto de bismuto, Bi2S3

1,0 x10 –97


Ao observarmos os valores de KPS, podemos dizer qual composto é mais solúvel? A resposta é sim. Entretanto, a comparação dos valores de KPS só deve ser feita entre substâncias que apresentarem a mesma razão de íons, ou seja, que apresentem a mesma quantidade de cátions e ânions. Por exemplo, nitrato de prata (AgNO3), cloreto de sódio (NaCl) e cloreto de prata (AgCl) podem ser comparados entre si, pois ambos liberam a mesma quantidade de cátions e ânions ao se dissociarem, levando a definição de constante do produto de solubilidade de forma semelhante.

Já a comparação entre sulfeto de prata (Ag2S) e sulfeto de zinco (ZnS) não poderia ser feita, pois o Ag2S possui dois cátion (2 Ag+) e um ânion (1 S–2), enquanto o ZnS possui um cátion (1 Zn+2) e um ânions (1 S–2). Por que não? Essas substâncias (com razão de íons diferentes) não podem ter seus valores de KPS comparados, pois a definição de suas constantes do produto de solubilidade é construída de forma diferente. Devemos lembrar que cada componente do produto deve ser elevado na potência correspondente ao coeficiente estequiométrico de sua reação no equilíbrio dinâmico (FILHO, 2016; HARRIS, 2012). Dito isso, como avaliamos qual dos compostos será mais solúvel? Devemos recordar que o valor de KPS está relacionado com a solubilidade dos compostos, dessa forma, quanto maior o seu valor numérico, maior será a solubilidade dos compostos (HARRIS, 2012).

4 CÁLCULOS ENVOLVENDO KPS

Conforme mencionado anteriormente, os valores de valores de KPS são determinados (primeiramente) de forma teórica e depois comprovados experimentalmente. Contudo, como fazemos a determinação do valor do produto de solubilidade (KPS) de um soluto? Para facilitar o seu entendimento, vamos imaginar que você deve determinar o valor de KPS do cromato de prata (Ag2CrO4) em água a 25° C, para isso, é informado que o Ag2CrO4 possui solubilidade molar igual a 65 µmol/L a 25° C. Nos cálculos a seguir, vamos considerar o valor numérico da solubilidade molar, expressa em mol/L, como s.

Para chegar à resposta, primeiramente temos que escrever a equação química que representa a dissociação do sal, Ag2CrO4, que é dada por:


99

A partir dela, podemos escrever a expressão do produto de solubilidade para o Ag2CrO4, que é dada por:

• Se 1 mol de Ag2CrO4 gera em solução 2 mois de íons Ag+, ao considerarmos

valor numérico da solubilidade molar (expressa em mol/L) como s, podemos dizer que: [Ag+] = 2s.

• Se 1 mol de Ag2CrO4 gera em solução 1 mol de íons CrO4 –2, ao considerar o

valor numérico da solubilidade molar (expressa em mol/L) como s, podemos dizer que: [CrO4

–2] = s.

Ao reescrever a expressão do KPS em termos de solubilidade molar (s), então temos:

O enunciado do problema informava que “o Ag2CrO4 possui solubilidade molar igual a 65 µmol/L a 25° C”, ou seja, s = 6,5 x 10 –5 mol/L. Então, substituindo os valores de s temos:

Além disso, os valores tabelados de KPS nos auxiliam a fazer uma estimativa da solubilidade molar (s) das substâncias. Entretanto, como isso é possível? Para facilitar seu entendimento vamos imaginar que você precise estimar a solubilidade molar do iodato de crômio (III) em água a 25° C. Conforme você pode observar na Tabela 7, o Cr (IO3)3, nesta temperatura, possui KPS = 5,0 x10 –6. Para chegar à resposta, primeiramente temos que escrever a equação química que representa a dissociação do sal, que é dada por:

A partir dela, podemos escrever a expressão do produto de solubilidade para o Cr (IO3)3, que é dada por:

Para facilitar a resolução do cálculo, vamos considerar o valor numérico da solubilidade molar (expressa em mol/L) como s, então temos que:

• Se 1 mol de Cr (IO3)3 gera em solução 1 mol de íons Cr+3, ao considerarmos o valor numérico da solubilidade molar como s, podemos dizer que: [Cr+3] = s.

• Se 1 mol de Cr (IO3)3 gera em solução 3 mol de íons IO3 –3, ao considerarmos o

valor numérico da solubilidade molar como s, podemos dizer que: [IO3 –] = 3s.

100


Assim, teremos:

Dessa forma, concluímos que a solubilidade molar do iodato de crômio (III), Cr (IO3)3, a 25° C é 0,021 mol/L.

Para facilitar seu estudo, a seguir (Tabela 8) são apresentadas algumas formas (genéricas) de escrever as equações de equilíbrio para diferentes substâncias iônicas, observe que a partir da dissociação, podemos representar as equações em termos de concentração (como já fazíamos) e em termos de solubilidade molar (s) das espécies iônicas geradas na solução.

Sempre que o problema matemático pedir para calcular a solubilidade, primeiramente deve-se escrever a equação do equilíbrio químico e posteriormente considerar a quantidade de cada íon formado (s). Aplicam-se esses valores na equação da constante do produto de solubilidade, elevando cada valor encontrado nas suas respectivas potências.

ATENCAO

Substituindo esses valores, devemos reescrever a expressão do KPS em termos de solubilidade molar (s), então temos:


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TABELA 8 – EXPRESSÃO GENÉRICA DO KPS EM TERMOS DE CONCENTRAÇÃO E SOLUBILIDA-

DE MOLAR (s) DAS ESPÉCIES IÔNICAS GERADAS NA SOLUÇÃO

FONTE: Adaptado de Filho (2016)

A formação de um composto insolúvel, um precipitado, pode ocorrer através da mistura de soluções contendo os íons formadores do composto. Entretanto, como saber se uma mistura de soluções levará (ou não) a formação de um precipitado? Para isso, devemos calcular o produto das concentrações dos íons na mistura – o produto iônico (PI) – e compará-lo com o KPS.

Considerando a estequiometria do composto, temos duas possíveis conclusões conforme descrito a seguir:

QUADRO 4 – RELAÇÃO ENTRE PRODUTO IÔNICO (PI) E CONSTANTE DO PRODUTO DE SO-

LUBILIDADE (KPS)

FONTE: O autor

Fórmula do soluto

Expressão para o KPSEm termos de concentração Em termos de solubilidade molar (s)

AB[A+] . [B+]

[A+2] . [B+2][A+3] . [B+3]

[s] . [s] = s2

[s] . [s] = s2

[s] . [s] = s2

A2B [A+] 2 . [B –2] [2s] 2 . [s] = 4s3

AB2 [A+2] . [B –] 2 [s] . [2s] 2 = 4s3

A3B [A+] 3. [B –3] [3s] 3 . [s] = 27s4

AB3 [A+3]. [B –] 3 [s] . [3s] 3 = 27s4

A2B3 [A+3] 2. [B –2] 3 [2s] 2 . [3s] 3 = 4s2 . 27s3 = 108s5 A3B2 [A+2] 3. [B –3] 2 [3s] 3 . [2s] 2 = 27s3 . 4s2 = 108s5

O produto iônico é igual ao produto da concentração dos íons envolvidos no equilíbrio químico, cada um, elevado a potência do seu coeficiente da equação de equilíbrio.

DICAS

PI ≤ KPS PI > KPSSe o produto das concentrações dos íons for menor ou igual ao KPS, a solução não está saturada, portanto, não haverá formação de precipitado.

Se o produto das concentrações dos íons for superior ao KPS, a solução está supersaturada e a precipitação deve ocorrer para restabelecer as condições de equilíbrio.

102


Para facilitar sua compreensão, vamos imaginar a seguinte situação: sabendo que o cloreto de chumbo (PbCl2) possui KPS igual a 1,6x10-5, ao misturarmos 100 mL de solução 0,010 mol/L de nitrato de chumbo (II), Pb(NO3)2, com 100 mL de solução 0,10 mol/L de cloreto de sódio, NaCl, haverá formação de precipitado?

Primeiramente devemos pensar qual será o composto insolúvel formado na solução. Analisando as combinações possíveis dos íons presentes na mistura, surgem duas possibilidades, a formação de NaNO3 e PbCl2. Analisando a regra geral de solubilidade descobrimos que todos os metais alcalinos formam nitratos solúveis em água, portanto NaNO3 não será precipitado. O enunciado da questão nos dá uma dica muito importante sobre quem será o composto insolúvel formado, o PbCl2, pois ele traz dados adicionais sobre ele (o valor de KPS). Dito isso, devemos determinar a concentração dos íons Pb2+ e Cl- presentes na mistura. Assim temos:

O produto iônico (PI) é dado pela multiplicação das concentrações dos íons envolvidos (respeitando a potência do seu coeficiente da equação de equilíbrio). Assim, temos:

Comparando o valor determinado de PI (1,25x10-5) com o valor de KPS (1,6x10-5), observamos que PI < KPS, ou seja, a solução não está saturada, por tanto, não haverá formação de precipitado.

5 PRINCÍPIO DE LE CHATELIER APLICADO EM SOLUÇÕES SATURADAS

Certamente você já deve ter ouvido falar em “metais pesados”, um grupo de elementos químicos que, além da nomenclatura característico associada ao seu elevado peso atômico, são constantemente associados à contaminação e potencial toxicidade, ou seja, prejudiciais a vida. Estes elementos estão, naturalmente, presentes na natureza, no entanto a industrialização levou a necessidade de sua extração (desenfreada) para produção de inúmeros materiais (pilhas, baterias, ligas metálicas, tintas, pesticidas, inseticidas, plásticos PVC etc.) utilizados no nosso dia a dia (LIMA; MERÇON, 2011; CONCEIÇÃO, 2005). Uma das formas de contaminação humana é a exposição a águas contaminadas, quer sejam elas oriundas da indústria química, ou da lixiviação do solo de aterros sanitários, lixões


103

e até mesmo de plantações agrícolas. A realidade é que independentemente da fonte de contaminação, esses metais chegam às estações de tratamento da água, e esgoto, onde devem ser removidos.

Íons de metais pesados como chumbo, cádmio e mercúrio, podem ser removidos das águas (nas estações de tratamento) através de precipitação, onde são convertidos nos seus respectivos hidróxidos (ATKINS; JONES, 2012). Conforme pode ser observado na Tabela 7, os hidróxidos de cádmio (KpsCd(OH)2 = 4,5 x 10–15), chumbo (KpsPb(OH)2 = 8,0 x 10–16) e mercúrio (KpsHg(OH)2 = 3,0 x 10–36), possuem valores de produto de solubilidade, a 25° C, muito pequenos o que facilita sua precipitação nas estações de tratamento de água. No entanto, como os íons estão em equilíbrio dinâmico com sua forma sólida, alguns íons desses metais pesados permanecem em solução.

Então, como podemos precipitar uma maior quantidade de determinados íons? Como podemos remover maiores quantidades dos íons de metais pesados presentes no equilíbrio dinâmico? Para responder essa questão, podemos recorrer ao princípio de Le Chatelier. Ele nos diz que, se adicionarmos uma segunda substância (um sal ou um ácido) que nos forneça um dos íons já presentes no sistema reacional, um íon em comum, e se esta solução for saturada, o sistema força o reajuste do equilíbrio diminuindo a concentração dos íons adicionados (ATKINS; JONES, 2012). Assim, a solubilidade do soluto decresce ainda mais e ele precipita. Na prática, a adição de um excesso de íons OH –, na água contendo os cátions dos metais pesados (Cd+2, Pb+2 e Hg+2) força a sua precipitação na forma de hidróxidos. Esse efeito, de diminuição da solubilidade das substâncias através da adição de um íon comum, é denominado de Efeito do Íon Comum (ATKINS; JONES, 2012).

Para você compreender como o efeito do íon comum afeta o produto de solubilidade das substâncias, vamos imaginar que você tem a disposição uma solução saturada de cloreto de pata (AgCl). Experimentalmente, o AgCl (KPS = 1,6 x10 –10) apresenta solubilidade molar em água, a 25° C, igual a 13 µmol/L. O que aconteceria se adicionarmos cloreto de sódio a solução? Devemos lembrar que a dissociação do cloreto de sódio (o nosso sal de cozinha, NaCl) leva à formação de íons Na+ e Cl –, portanto, a adição de NaCl aumenta a concentração de íons cloreto já presentes na solução devido ao equilíbrio dinâmico dos íons (Ag+ e Cl – com o sólido AgCl) presentes na solução saturada, conforme pode ser observado nas relaçõe a seguir:

(equilíbrio dinâmico nasolução saturada AgCl):

(dissociação do NaCl):

Para manter constante o produto de solubilidade do AgCl na solução, expresso por Kps = [Ag+].[Cl–], ao aumentarmos a concentração de cloretos na solução, [Cl –], a concentração de íons prata é diminuída, [Ag+], conforme

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preconizado pelo princípio de Le Chatelier. Dessa forma, a diminuição da concentração de íons prata em solução leva a uma menor solubilidade do AgCl em uma solução contendo NaCl do que em água pura.

Vamos comprovar esse comportamento quantitativamente? Então considere uma solução 0,025 M de NaCl(aq), qual será a solubilidade do AgCl (a) em água e (b) nessa solução? Vimos anteriormente que o produto de solubilidade do AgCl é expresso por Kps = [Ag+].[Cl–], e tem valor igual a 1,6x10 –10. Então na água (questão a), o AgCl tem sua solubilidade (s) determinada da seguinte forma:

Sabendo que a dissociação de 1mol do cloreto de sódio gera 1 mol de seus íons (Na+ (aq) + Cl– (aq)), podemos dizer que na solução de 0,025 M de NaCl temos uma concentração de cloretos igual a 0,025 mol/L. Assim, nessa solução (questão b), o AgCl tem sua solubilidade (s) determinada da seguinte forma:

Considerando que 0,25 M é muito maior que o valor de s, desconsideramos a soma do s no colchete referente à concentração de íons cloreto, assim, temos:

Com estes resultados, observamos que em água o cloreto de prata possui solubilidade de 13 um mol/L, já em uma solução de 0,025M de NaCl sua solubilidade diminui para 6,4x10 –9 mol/L, ou seja, na presença de um íon comum a solubilidade do AgCl é menor, por isso, uma menor concentração de AgCl é suficiente para que haja a sua precipitação na solução de NaCl.

Para complementar seu estudo sobre metais pesado, faça a leitura dos artigos científicos:

• Qualidade da água tratada dos municípios atingidos após o rompimento da barragem de Fundão. Confira em: https://bit.ly/3jGHInH.

• Contaminação por metais pesados na água utilizada por agricultores familiares na Região do Rio Doce. Confira em: https://bit.ly/3gWGP8q.

DICAS

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RESUMO DO TÓPICO 2


• A solubilidade nos diz a capacidade que uma substância possui para se dissolver em outra. No entanto, essa propriedade física da matéria é limitada e extremamente dependente de fatores externos. A quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em certo volume de líquido (solvente), a uma determinada temperatura, é chamada de coeficiente de solubilidade, CS.

• As soluções podem ser classificadas quanto ao nível de saturação em: solução insaturada – quantidade de soluto é inferior ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura; solução saturada – quantidade de soluto é igual ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura. O soluto dissolvido e o não dissolvido estão em equilíbrio dinâmico; solução supersaturada – quantidade de soluto é superior ao coeficiente de solubilidade em 100g de água a uma dada temperatura. No entanto, devido ao alto grau de instabilidade química da solução supersaturada, a mínima perturbação do sistema (como modificação da temperatura ou pH) faz o excesso de soluto dissolvido precipitar, tornando-se uma solução saturada com corpo de fundo (com precipitado).

• Nas soluções saturadas com corpo de fundo ocorre o equilíbrio dinâmico, à medida que uma molécula do soluto se dissolve no solvente outra molécula retorna ao estado sólido. A constante do equilíbrio é chamada de produto de solubilidade do soluto, KPS.

• O valor numérico da solubilidade molar (s) é expresso em mol/L. Sempre que o problema matemático pedir para calcular a solubilidade, primeiramente deve-se escrever a equação do equilíbrio químico e posteriormente considerar a quantidade de cada íon formado (s). Aplicam-se esses valores na equação do KPS, elevando-os a sua respectiva potência.

• Uma mistura de soluções levará (ou não) a formação de um precipitado quando: o produto das concentrações dos íons (PI) for menor ou igual ao KPS, a solução não estará saturada, portanto, não haverá formação de precipitado; o produto das concentrações dos íons (PI) for maior que o KPS, a solução está supersaturada e, deve ocorrer a precipitação para restabelecer as condições de equilíbrio.

• O Efeito do Íon Comum promove a diminuição da solubilidade das substâncias através da adição de um íon comum.

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1 A regra geral de solubilidade nos traz informações qualitativas da solubilidade de sais inorgânicos em água. A partir dessas condições pré-definidas, analise as sentenças a seguir:

I- O sulfeto de bismuto (III), Bi2S3, é solúvel em água.II- Hidróxido de potássio, KOH, é solúvel em água.III- Hidróxido de chumbo (II), Pb (OH)2, é insolúvel em água.IV- Cloreto de sódio, NaCl, é insolúvel em água.V- Nitrato de sódio, NaNO3, é solúvel em água.

Assinale a resposta CORRETA:

a) ( ) Somente a sentença I está correta.b) ( ) Somente a sentença III está correta.c) ( ) As sentenças I e IV estão corretas.d) ( ) As sentenças II, III e V estão corretas.

2 De acordo com o nível de saturação, as soluções químicas podem ser classificadas em insaturadas, saturadas, saturada com corpo de fundo e supersaturada. Imagine que você tem a sua disposição 1L de água e 2 kg de sacarose. Sabendo que a sacarose (C12H22O11) possui solubilidade coeficiente de solubilidade igual a 33g em água a 20°C, descreva o procedimento correto para o preparo de 500mL de uma solução supersaturada de sacarose.

3 O hidróxido de alumínio, Al(OH)3, possui valor de KPS igual a 1,0 x 10

–33 em água a 25° C. Com essas informações, estime a solubilidade molar (mol/L) do Al(OH)3 em água a 25° C.

4 Anemia ferropriva é o tipo de anemia decorrente da privação, deficiência, de ferro dentro do organismo levando a uma diminuição da produção, tamanho e teor de hemoglobina dos glóbulos vermelhos, hemácias. Dentre as formas de tratamento disponíveis está a administração oral de suspensão coloidal contendo hidróxido de ferro (III). Considerando o hidróxido férrico, Fe(OH)3, assinale a alternativa CORRETA que expressa a solubilidade (Kps Fe(OH)3 ) de seu produto:

a) ( ) [Fe+3] · 3 [OH–].b) ( ) [Fe–]3 . [OH+3].c) ( ) [Fe+3] / [OH–]3 .d) ( ) [Fe3+] · [OH–]3.

AUTOATIVIDADE

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5 Ao misturarmos duas soluções químicas distintas novas substâncias podem ser formadas a partir do equilíbrio químico dos íons constituintes das soluções individuais. Em um frasco contendo 0,10 L de uma solução 8,0 X 10-3 mol/L de Pb(NO3)2 foram adicionados 0,4L de uma solução 5,0 x10-3 mol/L de Na2SO4. Qual será o composto insolúvel formado?

a) ( ) Nitrato de sódio, Na(NO3).b) ( ) Nitrato de chumbo, Pb(NO3)2.c) ( ) Carbonato de sódio Na₂CO₃.d) ( ) Sulfeto de prata, Ag2S.

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Nos tópicos anteriores, estudamos as reações ácido-base e as reações de precipitação, que têm em comum a transferência de prótons. Neste tópico, abordaremos dois grupos de reações: as que descrevem o equilíbrio químico de oxirredução (PARTE I) e as que descrevem o equilíbrio químico de complexação (PARTE II).

As reações de equilíbrio químico de oxirredução, ou seja, reações que envolvem a transferência de elétrons entre os reagentes para formar novos produtos, dão origem a um importante ramo da química, chamado de eletroquímica. A eletroquímica engloba o estudo de reações químicas espontâneas para produzir eletricidade e o uso da eletricidade para forçar as reações químicas não espontâneas a acontecerem (ATKINS; JONES, 2012). Nesta primeira parte do tópico, estudaremos alguns conceitos básicos, mas fundamentais para a oxirredução. Posteriormente, serão apresentados os conceitos envolvidos na criação de uma célula galvânica (uma bilha), o potencial-padrão de redução de uma reação e sua relação com a constante de equilíbrio químico. Ao final, aplicaremos o conhecimento adquirido em cálculos teóricos para dados experimentais.

Já as reações de equilíbrio químico de complexação, envolvem os conhecimentos sobre complexação de elementos metálicos que se coordenam com ligantes ao seu redor. Neste tipo de equilíbrio, o tipo de metal e complexante, o pH do meio e a concentração dos reagentes são fatores cruciais para que este tipo de reação aconteça (HARRIS, 2012). Nesta segunda parte do tópico, estudaremos a formação de um complexo metálico e os fatores que afetam a sua estabilidade. Posteriormente, serão apresentadas as constantes de formação (Kf) ou constante de estabilidade e a de formação condicional (Kf’). Ao final, aplicaremos o conhecimento adquirido em cálculos teóricos para dados experimentais.

2 REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO (PARTE I)

As reações de equilíbrio químico de oxirredução são reações químicas que envolvem a troca de elétrons entre seus reagentes, ou seja, um dos reagentes será o doador de elétrons e a outra espécie a receptora deles, resultando na mudança do número de oxidação das espécies envolvidas. Antes de aprofundar nosso conhecimento sobre as reações de oxirredução, vamos revisar alguns conceitos fundamentais que serão essenciais ao longo deste tópico.

TÓPICO 3 —

EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO

E COMPLEXAÇÃO

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2.1 CONCEITOS BÁSICOS

Assim como a transferência de prótons é um fenômeno imperceptível aos olhos humanos, a transferência de elétrons também é. Então, como identificar essa transferência? De um modo simples, através do número de oxidação, NOX, das espécies envolvidas reações de oxirredução. O NOX nos informa se uma determinada substância possui deficiência ou excesso de elétrons ao estabelecer uma ligação química com outro átomo (do mesmo elemento ou elemento diferente). Em outras palavras, podemos dizer que o NOX informa a carga elétrica que um átomo, de um determinado elemento químico, adquire quando participa de uma reação química. Você deve lembrar que os elétrons possuem carga elétrica negativa, não é mesmo? Dessa forma podemos dizer que:

• NOX positivo: indica um átomo que possui deficiência de elétrons, ou seja, apresenta menor número de elétrons em relação ao número de prótons.

• NOX negativo: indica um átomo que possui excesso de elétrons, ou seja, apresenta maior número de elétrons em relação ao número de prótons.

Além de saber se um átomo perdeu ou ganhou elétrons, no estudo das reações redox, precisamos determinar quantos elétrons foram trocados na reação, para isso, existe um conjunto de regras que devem ser seguidas. Você deve lembrar que as substâncias simples são aquelas moléculas formada por um único elemento químico. De forma semelhante, os íons monoatômicos, são as espécies iônicas formadas por um único átomo, originadas ao doarem ou receberem elétrons (ATKINS; JONES, 2012; BROWN, 2005). O NOX dos átomos presente nas substâncias simples sempre será igual a zero, devido à inexistência de diferença de eletronegatividade entre seus elementos formadores. Já o NOX de um íon monoatômico sempre será igual a sua própria carga. Alguns exemplos de substâncias simples, íons monoatômicos e seus respectivos NOX podem ser observados na tabela a seguir:

TABELA 9 – ALGUNS EXEMPLOS DE SUBSTÂNCIAS SIMPLES, ÍONS MONOATÔMICOS E SEUS RESPECTIVOS VALORES DE NOX

FONTE: Adaptado de Atkins e Jones (2012).

SUBSTÂNCIAS SIMPLES ÍONS MONOATÔMICOSNome, símbolo NOX Nome, símbolo NOX

Ferro metálico, Fe Zero Íon sódio, Na + +1Ouro metálico, Au Zero Íon Potássio, K + +1Cobre metálico, Cu Zero Íon Cálcio, Ca +2 +2Gás Oxigênio, O2 Zero Íon férrico, Fe (III) ou Fe +3 +3

Gás nitrogênio, N2 Zero Íon ferroso, Fe (II) ou Fe +2 +2Gás cloro, Cl2 Zero Íon fluoreto, F – -1

Gás hidrogênio, H2 Zero Íon Cloreto, Cl – -1

TÓPICO 3 — EQUILÍBRIO QUÍMICO DE REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO E COMPLEXAÇÃO

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Você deve lembrar que as substâncias compostas são aquelas moléculas formada por mais de um elemento químico. Os íons poliatômicos são espécies iônicas igualmente formadas por mais de um átomo de elementos químicos diferentes, originadas ao doarem ou receberem elétrons (ATKINS; JONES, 2012; BROWN, 2005). Para determinar o NOX das substâncias compostas e íons poliatômicos precisamos saber algumas regras gerais (ATKINS; JONES, 2012), assim temos:

• Moléculas neutras sempre terão a soma dos NOX de cada elemento igual a zero.

• Íons poliatômicos sempre terão a soma dos NOX de cada elemento igual a sua carga.

• Os elementos metálicos possuem baixa eletronegatividade, dessa forma apresentam grande tendência a doarem seus elétrons de valência, levando a formação de NOX positivos. Assim, se a molécula ou o íon poliatômico apresentar:ο metal alcalino, família IA, sempre terá NOX fixo igual a +1;ο metal alcalino terroso, família IIA, sempre terá NOX fixo igual a +2;ο prata, zinco e alumínio, terão (respectivamente) NOX fixo igual a +1 (Ag+), +2 (Zn+2) e +3 (Al+3);ο metal da família do boro, família IIIA, sempre terá NOX fixo igual a +3.

• Os elementos da família dos halogênios e calcogênios possuem alta eletronegatividade, dessa forma apresentam grande tendência a receberem elétrons, levando a formação de NOX negativos. Assim, se a molécula ou o íon poliatômico apresentar:ο halogênio, família VIIA, terá NOX fixo igual a -1;ο calcogênio, família VIA, exceto os metais dessa família (Po e Uuh), terá NOX fixo igual a -2.

• O NOX de qualquer outro elemento químico presente na molécula das substâncias compostas e íons poliatômicos será determinado a partir do conhecimento da soma do valor do NOX dos outros átomos constituintes, lembrando que moléculas neutras a soma do NOX = zero e íons poliatômicos a soma do NOX = carga do íon.

No entanto, como isso é aplicado na prática? Primeiramente, devemos separar os elementos que formam a molécula e analisá-los de forma individual, atribuindo seu respectivo valor de NOX. Para isso, verificamos a que grupo (família) pertence cada elemento químico e aplicamos a regra geral para determinação do NOX descrita anteriormente.

Veja a seguir a determinação do NOX para as substâncias compostas (moléculas neutras) de cloreto de ouro (III), (exemplo 1) e sulfato de alumínio (exemplo 2).

Exemplo 1: Cloreto de ouro (III), AuCl3

Primeiramente, devemos separar os elementos formadores da molécula em questão, dessa forma temos:

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Au Cl3

Au Cl3

–1

Na sequência verificamos a qual grupo (família) pertence cada elemento, assim veremos que: o ouro (Au) pertence aos elementos de transição, ou seja, não possui NOX fixo; já o cloro (Cl) é um halogênio, por isso, possui NOX fixo igual a -1. Assim temos:

O NOX do ouro (Au) é determinado por dedução. Para isso devemos lembrar que estamos analisando uma molécula neutra, ou seja, não apresenta cargas em sua fórmula molecular, assim a soma dos NOX dos elementos constituintes da molécula terá que ser igual a zero. Dessa forma, temos:

Para facilitar a sua visualização, a resposta é determinada utilizando a seguinte expressão:

Ao final, temos a seguinte condição:

Observe que +3 é o NOX resultante para o número de átomos de ouro presentes na fórmula molecular, como só temos um Au o NOX individual do ouro é igual a +3.

X(?) – 3 = zero

Au Cl3

– 1

+ 3 – 3 = zero

Au Cl3

+ 3 – 1


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Exemplo 2: Sulfato de alumínio, Al2(SO4)3

Quando a molécula é formada por três elementos, devemos separar os elementos formadores da molécula em questão, e analisar o NOX dos elementos presente nas extremidades da fórmula molecular, para então, por dedução, encontrar o NOX do elemento central. No exemplo da molécula de sulfato de alumínio, Al2(SO4)3, iniciaremos pelos elementos das extremidades (oxigênio e alumínio), prevendo seus valores de NOX observando a tabela periódica. O oxigênio é um calcogênio e, por isso, apresenta NOX -2. O alumínio pertence à família do boro e, por isso, apresenta NOX +3. Assim, temos:

Observe que a molécula sulfato de alumínio é formada por dois átomos de alumínio, três átomos de enxofre e 12 átomos de oxigênio!

Para determinar o NOX do elemento enxofre (S), você deve se fazer a seguinte pergunta: “Qual o número que deverá ser inserido na soma dos NOX da representação anterior, para que a soma das suas unidades seja igual a zero?”. A resposta é +18, uma vez que: (+6) + (+18) + (-24) = zero. Observe que +18 é o NOX resultante para três átomos de enxofre (veja a fórmula molecular), sendo o NOX individual do enxofre igual a +6 (+6 para cada átomo).

Para facilitar a sua visualização, a resposta é determinada utilizando a seguinte expressão:

Você deve observar que o número do NOX deve ser multiplicado pelo número de átomos do elemento em questão! Para então ser calculada a carga final. Lembrando que: moléculas neutras a soma do NOX = zero e íons poliatômicos a soma do NOX = carga do íon.

ATENCAO

+ 6 X(?) – 24 = zero

Al2 (S) x3 (O4) x3

+ 3 – 2

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Ao final, temos a seguinte condição:

Quando a molécula não é neutra, ou seja, possui algum tipo de carga em sua fórmula molecular, realizamos o mesmo raciocínio (descrito anteriormente), porém a igualdade não será mais a zero, e sim, igual a carga da molécula. Veja a seguir a determinação do NOX para o íon poliatômico (moléculas com carga) carbonato (exemplo 3).

Exemplo 3: Íon carbonato, HCO3 –

Esse íon tem carga igual a -1, ou seja, a soma dos NOX do hidrogênio, com o do carbono e do oxigênio devem ser igual a -1. Para determinar os valores individuais dos NOX devemos (primeiramente) separar os elementos formadores da molécula em questão, e analisar o NOX dos elementos presente nas extremidades da fórmula molecular, para então, por dedução, encontrar o NOX do elemento central, como mostra a representação a seguir:

Na molécula do íon carbonato, HCO3 –, iniciamos a analisar o NOX dos elementos da extremidade (hidrogênio e oxigênio), a predição de seus valores de NOX é realizada observando a tabela periódica. O oxigênio é um calcogênio, por isso, apresenta NOX -2. Quando o hidrogênio está ligado a um elemento mais eletronegativo que ele, como neste caso, apresenta NOX +1.

Para determinar o NOX do elemento carbono (C), você deve fazer a seguinte perguntar: “Qual o número que deverá ser inserido na soma dos NOX da representação anterior, para que a soma das suas unidades seja igual à -1?”. A resposta é +4, uma vez que: (+1) + (+4) + (-6) = -1. Note que a molécula do íon carbonato só possui um átomo de carbono, assim o +4 é o NOX individual do carbono.

+ 6 + 18 – 24 = zeroAl2 (S) x3 (O4) x3+ 3 + 6 – 2

+ 1 X(?) – 6 = – 1H C O3

+ 1 – 2


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Agora que aprendemos a identificar os valores de NOX para as substâncias (simples e compostas), estejam elas na forma de moléculas neutras ou iônicas (íon monoatômico ou poliatômico), podemos ampliar a aplicação destes conceitos e verificar a utilização do NOX nas reações de oxirredução. Para isso, vamos analisar a equação química a seguir:

FIGURA 11 – APLICAÇÃO DO NOX EM REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO

FONTE: O autor

Observe que os valores de NOX das substâncias descritas na reação química entre zinco sólido e íons prata, levando a formação de íons zinco e prata sólida, foram atribuídos de modo semelhante ao estudado anteriormente. Contudo, vamos analisar, primeiramente, as transformações químicas que estão ocorrendo nos reagentes e nos produtos. Conforme pode ser observado (detalhadamente) na reação anterior, o zinco metálico (sólido) com NOX igual a zero foi transformado em íon Zn+2, dessa forma tendo NOX atribuído ao valor da carga do íon, ou seja, NOX= +2. O que isso significa? Quimicamente falando, quer dizer que houve a doação/transferência de dois elétrons (e –) para o sistema, conforme pode ser observado na meia-reação descrita a seguir:

Dizemos, então, que este elemento (o zinco) sofre oxidação, ao doar elétrons para o sistema redox.

Já o íon prata (Ag+) com NOX igual ao valor da carga do íon, portanto, NOX= +1, foi transformado em prata metálica (sólido), por isso NOX igual a zero. O que isso significa? Quimicamente falando, quer dizer que houve o recebimento/transferência de dois elétrons do sistema para o íon prata, conforme pode ser observado na meia-reação descrita a seguir:

Dizemos, então, que este íon (o Ag+) sofre redução, ao receber elétrons do sistema redox.

Apesar de podermos expressar as equações de oxirredução através de suas meias reações, ou seja, a reação de oxidação e a reação de redução, elas ocorrem simultaneamente no sistema reacional, já que para uma substância receber

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elétrons (e-) outra obrigatoriamente deve doá-los. Portanto, sem a substância oxidada (que doa e-) não haveria a substância reduzida (que recebe e-) (ATKINS; JONES, 2012; HARRIS, 2012; SKOOG, 2006). A partir dessa observação, surgem dois conceitos importantes para as reações de oxirredução:

• A substância química que se oxida, ao doar elétrons para o sistema redox, induz a redução da outra substância, por isso é chamada de agente redutor.

• A substância química que se reduz, ao receber elétrons do sistema redox, induz a oxidação da outra espécie, por isso é chamada de agente oxidante.

Para construirmos uma discussão quantitativa sobre oxirredução precisamos ser capazes de escrever reações químicas balanceadas, no entanto, muitas vezes o balanceamento das equações químicas de oxirredução em sistema aquoso é desafiador, ainda mais quando temos de incluir as moléculas de água e íons H+ ou OH

– provenientes, respectivamente, da adição de ácidos e bases. Para facilitar a sua compreensão, vamos analisar o procedimento correto para balancear uma equação química de oxirredução em solução ácida (ATKINS; JONES, 2012). Para isso, vamos considerar a reação entre íons permanganato (MnO4

– ) e ácido oxálico (H2C2O4) em meio aquoso, levando a formação de íons manganês (II) e gás carbônico, conforme descrito a seguir na equação simplificada:

Iniciamos o balanceamento identificando à meia-reação de oxidação, posteriormente analisaremos a meia-reação de redução. É necessário que você se lembre que na reação de oxidação ocorre a transferência (doação) de elétrons para o sistema redox. Assim, temos:

• O NOX do carbono (do ácido oxálico) aumenta de +3 para +4 ao ser transformado em gás carbônico, indicando que a doação de um elétron para o sistema, portanto, o ácido oxálico se oxida. Dizemos que o ácido oxálico é o agente redutor.

• Ao escrevermos a equação simplificada da oxidação temos:H2C2O4 → CO2

Nas reações de OXIDAÇÃO, ocorre a doação de elétrons para o sistema redox. A substância oxidada é facilmente encontrada quando observamos o aumento do NOX (perda de elétrons gera valores de NOX mais positivos). Lembre-se! Quem se oxida induz a redução de outra substância, por isso é chamada de agente redutor.Nas reações de REDUÇÃO, ocorre o recebimento de elétrons do sistema redox. A substância reduzida é facilmente encontrada quando observamos a diminuição do NOX (o recebimento de elétrons gera valores de NOX mais negativos). Lembre-se! Quem se reduz induz a oxidação de outra substância, por isso é chamada de agente oxidante.

IMPORTANTE


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• Agora devemos balancear os elementos de forma individual, deixando H e O por último. Assim, temos:

H2C2O4 → 2 CO2

• Na sequência, devemos balancear a quantidade de átomos de O, caso necessário adicionamos H₂O na equação. Assim, temos:

H2C2O4 → 2 CO2

• Na sequência, devemos balancear a quantidade de átomos de H, para isso, devemos adicionar íons H + (provenientes da dissociação do ácido) na equação. Assim, temos:

H2C2O4 → 2 CO2 + 2 H+

• Observe que a carga total nos reagentes (à esquerda da equação) é igual a zero, no entanto, nos produtos é +2, para balancear esta carga, devemos escrever a quantidade de elétrons doados para o sistema (meia-reação de oxidação). Assim temos:

H2C2O4 → 2 CO2 + 2 H+ + 2 e–

Agora, vamos identificar e escrever a meia-reação de redução. É necessário que você se lembre que na reação de redução ocorre a transferência (recebimento) de elétrons do sistema redox para uma substância química. Assim, temos:

• O NOX do manganês (do íon permanganato) diminui de +7 para +2 ao ser transformado em íons manganês (II), indicando o recebimento de 5 elétrons do sistema, portanto, o manganês se reduz. Dizemos que o íon permanganato é o agente oxidante.

• Ao escrevermos a equação simplificada da redução temos:MnO4

– → Mn+2

• Agora devemos balancear os elementos de forma individual, deixando H e O por último. Assim, temos:

MnO4– → Mn+2

• Na sequência, devemos balancear a quantidade de átomos de O, caso necessário adicionamos H2O na equação. Assim, temos:

MnO4– → Mn+2 + 4H₂O

• Na sequência, devemos balancear a quantidade de átomos de H, para isso, devemos adicionar íons H + (provenientes da dissociação do ácido) na equação. Assim, temos:

MnO4– → 8 H+ → Mn+2 + 4H₂0

• Observe que a carga total nos reagentes (à esquerda da equação) é igual a cinco, no entanto, nos produtos é +2, para balancear esta carga, devemos escrever a quantidade de elétrons doados para o sistema (meia-reação de oxidação). Assim temos:

MnO4– → 8 H+ + 5 e– → Mn+2 + 4H₂0

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Para escrever a equação total, devemos somar as duas meias-reações. Assim temos:

H₂C₂O₄ → 2 CO₂ + 2 H⁺ + 2 e– (meia-reação de oxidação)

MnO₄– → 8 H⁺ + 5 e– → Mn+2 + 4H₂O (meia-reação de redução)

Observe que o número de elétrons liberados no sistema redox na meia-reação de oxidação é diferente do número de elétrons necessários para que ocorra a meia-reação de redução. Dessa forma, precisamos de 10 elétrons em cada meia-reação para que a reação de oxirredução aconteça. Então, para balancear as meias-reações, basta multiplicar a meia-reação de oxidação por cinco e a meia-reação de redução por dois. Assim, temos:

5 H₂C₂O₄ → 10 CO₂ + 10 H⁺ + 10e– (meia-reação de oxidação)

2 MnO4– + 16H+ + 10e– → Mn+2 + 8H2O (meia-reação de redução)

A equação total pode ser escrita somando as duas meias-reações (equação total = meia-reação de oxidação + meia-reação de redução). Para isso, devemos cancelar o número de elétrons transferidos no sistema e, neste caso ainda, podemos cancelar 10H+ dos reagentes ao subtrairmos a mesma quantia nos produtos. Assim temos:

5 H₂C₂O₄– (aq) + 2 MnO4–(aq) + 6H+ (aq) → 2 Mn+2 (aq) + 8H2O (l) + 10 CO2 (g)

2.2 CÉLULAS GALVÂNICAS

Uma célula galvânica, ou pilha galvânica (também chamado de célula voltaica ou pilha voltaica em homenagem ao cientista Alessandro Volta precursor destes estudos) usa reações químicas espontâneas para gerar eletricidade (HARRIS, 2012).

Este sistema somente é possível devido às reações de oxirredução que ocorre entre os reagentes e produtos, ou seja, um dos reagentes deverá ser oxidado (doando elétrons para o sistema) e o outro reduzido (absorvendo/recebendo elétrons do sistema). No entanto, para que a célula galvânica seja eficiente, ou seja, produza corrente elétrica, os reagentes não podem estar em contato entre si, senão os elétrons seriam transferidos diretamente do agente redutor para o oxidante, ficando restrita a reação de oxirredução (HARRIS, 2012). No entanto, então como é possível gerar eletricidade em uma pilha? Os agentes, redutor e oxidante, devem ser fisicamente separados e os elétrons são direcionados (forçados) a passarem por um circuito externo, tornando possível a utilização desse fluxo de elétrons para outra finalidade.

A região da pilha (chamado de polo) onde ocorre a meia-reação de redução é chamada de cátodo. Ele é o eletrodo para onde migram os elétrons atraindo os cátions da solução, por isso é chamado de polo positivo. Já o polo


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onde ocorre a meia-reação de oxidação é chamado de ânodo. Ele é o eletrodo de onde partem os elétrons, ao doar estes elétrons o eletrodo libera cátions em solução atraindo ânions, por isso é chamado de polo negativo (HARRIS, 2012; ATKINS; JONES, 2012).

A figura a seguir apresenta uma maneira de separar fisicamente os reagentes de uma reação de oxirredução de modo que o sistema permita a transferência de elétrons entre as substâncias químicas. Observe que os reagentes sulfato de cobre (CuSO4) e sulfato de zinco (ZnSO4), estão acondicionados em béqueres diferentes, porém interligados por placas metálicas (chamadas de eletrodos) conectadas a um fio (anexado a voltímetro, equipamento que mede a corrente elétrica produzida no sistema) e por uma ponte salina.

FIGURA 12 – REPRESENTAÇÃO DE UMA PILHA

FONTE: <https://bit.ly/3gZS8go>. Modificado pelo autor. Acesso em: 18 ago. 2021

Você consegue compreender o que está ocorrendo no sistema exposto na figura apresentada? Primeiramente, é importante mencionar que esta pilha é chamada de “pilha de Daniell” uma homenagem ao químico inglês John Frederic Daniell, precursor de seu desenvolvimento. Dito isso, observe que o sistema é construído por duas semicélulas eletroquímicas:

• um béquer contendo uma placa de zinco mergulhada em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4), e

• um béquer contendo uma placa de cobre mergulhada em uma solução de sulfato de cobre II (CuSO4).

Perceba que as placas metálicas estão interligadas por um fio condutor (geralmente de cobre) responsável por permitir a transferência (o fluxo) de elétrons entre as soluções. Além disso, as duas soluções estão conectadas por um tubo contendo uma solução eletrolítica (uma solução de cloreto de potássio, KCl), chamada de ponte salina.

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O ânodo deste sistema (pólo negativo) é formado pela placa de zinco metálico, é o local onde ocorre a doação de elétrons para o sistema. O zinco metálico (NOX= zero) ao doar elétrons é transformado em íon zinco, Zn+2, (NOX= +2) indicando a sua oxidação. Dessa forma, os íons constituintes da placa metálica são liberados na solução promovendo o desgaste do ânodo e aumentando a concentração de zinco na solução de ZnSO4. A meia-reação de oxidação ocorrida no ânodo pode ser expressa da seguinte forma:

(meia-reação de oxidação, ÂNODO)

O cátodo deste sistema (polo positivo) é formado pela placa de cobre metálico, é o local onde ocorre o recebimento de elétrons do sistema pelos íons de cobre presente na solução. Esses íons, Cu+2, (NOX= +2) ao receberem elétrons são transformados em cobre metálico (NOX= zero) indicando a sua redução. Dessa forma, os íons Cu+2 presentes na solução de CuSO4, ao migrarem para a superfície do cátodo (em busca de elétrons), são depositados sobre o cátodo, diminuindo a concentração de cobre na solução. A meia-reação de redução ocorrida no cátodo pode ser expressa da seguinte forma:

(meia-reação de redução, CÁTODO)

Somando as duas meias-reações, determinamos a equação total da reação química ocorrida na pilha de Daniell, que pode ser representada da seguinte forma:

Você deve se perguntar: e aquele tubo, em forma de U, que conecta os dois béqueres, serve para que? A resposta é: para neutralizar o excesso de cargas presente nas soluções aumentando a vida útil das baterias. No caso em estudo estamos falando da solução de ZnSO4, semicélula eletrolítica I e a solução de CuSO4, semicélula eletrolítica II. Esse mecanismo é chamado de ponte salina.

Meia-reação de oxidação (ânodo) Meia-reação de redução (cátodo) Equação total da pilha de Daniell

Ponte salina é um tubo de vidro em formato de U preenchido com uma solução aquosa de um sal diluída em uma mistura gelatinosa. Nas extremidades coloca-se um material poroso para evitar a saída da solução sem interromper o trânsito de íons. A solução deve conter um sal solúvel como cloreto de potássio (KCl) ou nitrato de amônio (NH

4NO

3) ou outro sal que não afete a reação da célula eletrolítica (HARRIS, 2012; ATKINS;

JONES, 2012).

ATENCAO


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Como a ponte salina funciona? Após um período de funcionamento da pilha de Daniell, contendo uma ponte salina preenchida com cloreto de potássio (conforme mostra a Figura 12), haverá o aumento de íons zinco na solução do ânodo (Zn(s) → Zn+2 (aq)) e uma diminuição de íons cobre na solução do cátodo (Cu+2 (aq) → Cu(s)). Para manter a neutralidade elétrica do sistema, os íons cloreto (Cl–), migrarão para a solução do ânodo (zinco) e os íons potássio (K+) para a solução do cátodo (cobre) (HARRIS, 2012; ATKINS; JONES, 2012).

É importante você saber que quando interligamos os dois eletrodos da pilha, ou seja, estabelecemos o contato entre os eletrodos, cria-se uma tensão elétrica chamada de diferença de potencial, DDP. A DDP nos informa a diferença da energia potencial elétrica entre os dois polos da pilha, uma medida expressa em volts. Ela é medida com um potenciômetro inserido no fio que conecta os eletrodos da pilha. Este equipamento não impede a transferência do fluxo de elétrons de um polo para outro, mas nos permite ter uma noção de qual polo tem maior tendência a receber elétrons, já que o potenciômetro mede a tendência que os elétrons têm de passar de um polo para outro (HARRIS, 2012).

Você sabia que o princípio de funcionamento das células galvânicas é o mesmo das pilhas e baterias comumente utilizadas em nosso dia a dia? Pois é, a bateria do seu celular só funciona corretamente devido ao fluxo de elétrons (corrente elétrica) gerada em uma reação de oxirredução. Dessa forma, enquanto houver agente redutor disponível no meio reacional serão liberados elétrons para que o sistema elétrico funcione corretamente. No entanto, o que ocorre quando ele (o reagente redutor) é totalmente consumido? O fluxo de elétrons é interrompido e seu celular fica sem energia, a bateria terá carga zero. Ao conectarmos a o celular na tomada, forçamos uma reação inversa, onde os elétrons provenientes da rede elétrica (de sua casa) entram na bateria e é transferido para o agente redutor, retornando o ciclo das reações de oxirredução, assim, o aumento da energia da bateria é restabelecido conforme o reagente redutor é “recuperado” (HARRIS, 2012; SKOOG, 2006)

INTERESSANTE

A tensão elétrica (DDP) também pode ser medida através de um equipamento chamado voltímetro. O potenciômetro e o voltímetro são equipamento que nos permitem medir a DDP, no entanto a sensibilidade do potenciômetro é muito mais alta, ou seja, ele consegue medir pequenas diferenças de potencial entre os dois pontos com grande precisão, já o voltímetro tem baixa sensibilidade sendo utilizado para determinar valores aproximados de DDP.

INTERESSANTE

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Você reparou que o sentido do fluxo de elétrons ocorre do eletrodo de zinco para o eletrodo de cobre? Pois bem, as reações químicas de oxirredução espontâneas são governadas em função da maior facilidade de redução das espécies químicas envolvidas naquela reação, ou seja, o fluxo de elétrons tem a tendência de migrar na direção da espécie química com maior facilidade de aceitar elétrons. O contrário só ocorre nas reações em que a oxirredução é forçada.

Entretanto, como descobrimos o reagente que possui maior tendência à redução em uma reação química de oxirredução? Para isso, precisamos comprar o comportamento dos reagentes com um valor de referência. Isso é feito através do uso de um eletrodo de referência, que possui concentração fixa e conhecida, ao qual é atribuído um valor de potencial. Quando montamos um sistema (semelhante à Figura 12) contendo o eletrodo de referência em uma extremidade e na outra a substância que desejamos conhecer o potencial, ao interligarmos os eletrodos, podemos conhecer a DDP do sistema, esse valor é atribuído à substância de interesse (HARRIS, 2012). Os valores de DDP são determinados experimentalmente e podem ser facilmente encontrados em tabelas chamadas de "Potenciais-padrão de Redução de reação”, disponíveis em livros de Química Analítica. A seguir é apresentada uma lista (resumida) de potenciais padrão de redução extraída do livro “Química Analítica Quantitativa Elementar” escrito por Nivaldo Baccan e colaboradores (BACCAN et al., 2001).

O estado padrão é definido quando se tem as seguintes condições experimentais (fixadas) definidas: concentração molar das espécies químicas envolvidas igual a 1 mol/L, pressão atmosférica para todos os gases envolvidos igual a 1 atm, os sólidos utilizados devem ser formados pela forma mais estável possível ou comumente encontrada do elemento químico desejado e a temperatura deve permanecer constante a 25° C.

IMPORTANTE


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TABELA 10 – POTENCIAIS-PADRÃO DE REDUÇÃO (E°) DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS

FONTE: Adaptada de Baccan et al. (2001)

Você pode observar na tabela acima que existem valores positivos e negativos de potencial-padrão (E°), eles são originados ao serem comparados com um eletrodo de referência. O eletrodo mundialmente adotado como referência é o Eletrodo Normal de Hidrogênio (ENH) ou Eletrodo Padrão de Hidrogênio (EPH) ao qual se atribui convencionalmente um valor de potencial nulo, descrito pela reação:

.

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No entanto, então, como fazemos para interpretá-los? As equações químicas apresentadas na Tabela 9 são reações de redução. As semicélulas que possuem E° < 0 (valores negativos), observadas na parte inferior da tabela, reduzem o íon hidrogênio (H+) a gás hidrogênio (H2 (g)). Já as semicélulas que oxidam o gás hidrogênio (H2 (g)) a íon hidrogênio (H+), observadas no topo da tabela, possuem E° > 0 (valores positivos). Então, podemos dizer que os agentes oxidantes possuem E° > 0 e agentes redutores E° < 0. Quando comparamos as meias reações, aquela que possuir maior potencial de redução (maior o valor numérico do E°) apresenta maior tendência em se reduzir, ou seja, receber elétrons (BACCAN et al. 2001; ATEKINS; JONES, 2012).

Assim, analisando as reações químicas das substâncias presentes na pilha de Daniell, verificamos que o potencial padrão do cobre ( ) é 0,339V e do zinco ( ) é -0,762V, portanto, o cobre apresenta maior valor de potencial-padrão quando comparado com o zinco, dessa forma ele (o cobre) apresenta maior tendência de redução explicando o direcionamento do fluxo de elétrons do zinco (meia-reação de oxidação) em direção ao cobre (meia-reação de redução). Entretanto, atenção: esses valores somente são válidos se os produtos formados e os reagentes consumidos estiverem em seus estados padrão (MAHAN, MYERS, 1995).

A concentração de íons presentes em solução afeta diretamente a intensidade do fluxo de elétrons gerado pelo sistema. Esse efeito pode ser verificado através da equação de Nernst, descrita a seguir, onde verificamos a relação entre potencial de uma pilha (ou também chamada de força eletromotriz, fem) com a concentração dos íons presentes na solução.

Onde: E representa o potencial de um polo da pilha (cátodo ou ânodo), E° representa o potencial padrão de redução (valor tabelado) e n representa o número de elétrons transferidos na reação.

O potencial-padrão de uma célula galvânica (E° Célula) é facilmente determina a partir da subtração (diferença) entre os valores do potencial catódico e anódico de seus eletrodos (polo), conforme descrito a seguir. Esta mesma relação descreve a DDP (ΔE ou fem) de uma pilha.

Onde: E Cátodo representa o potencial catódico, ou seja, do eletrodo que recebe elétrons (meia-reação de redução); já e E Ânodorepresenta o potencial anódico, ou seja, do eletrodo que doa elétrons para o sistema (meia-reação de oxidação).


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Para facilitar sua compreensão sobre esses cálculos, vamos determinar a DDP em uma pilha de Daniell (descrita na Figura 12), então vamos considerar que o eletrodo de zinco metálico está mergulhado numa solução de sulfato de zinco 0,75 mol/L e o eletrodo de cobre metálico está mergulhado numa solução 1,25 mol/L de sulfato de cobre.

• Sabemos que a meia-reação de redução, que ocorre no cátodo, é descrita por:

, com E° = +0,339V. Aplicando essas informações na equação de Nernst, temos:

• Já a reação de meia-reação de oxidação, que ocorre no ânodo, é descrita por: , com E° = –0,762V. Aplicando essas informações na equação de Nernst, temos:

• Sabendo os valores de E catódico e anódico, podemos calcular a DDP (ΔE) da pilha da seguinte forma:

Quando o valor potencial da célula galvânica (pilha) for maior que zero indica que a reação química, descrita para aquela pilha, é espontânea!

IMPORTANTE

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Em uma célula galvânica, o fluxo de elétrons somente é gerado quando a reação química (de oxirredução) estiver em desequilíbrio. Isso quer dizer que a eletricidade só é gerada enquanto as concentrações dos reagentes (formadores da célula galvânica) se modificarem. Assim que a célula atingir o equilíbrio a reação atingirá o seu término e o valor de DDP será nulo (igual a zero). Você lembra que uma bateria é uma célula galvânica? Então, quando a DDP de uma bateria for igual a zero a voltagem cai para zero volts (0 V), ou seja, a bateria estará “descarregada” (HARRIS, 2012).

Quando a reação química de uma célula galvânica atinge o equilíbrio químico, o potencial da célula (fem) será igual a zero. Sabemos que o equilíbrio químico de uma dada reação é atingido (alcançado) quando a concentração de seus reagentes for igual à concentração de seus produtos. A divisão entre produtos e reagentes é igual a constante de equilíbrio (K) (HARRIS, 2012). Assim, a reação química que descreve uma célula galvânica tem sua constante de equilíbrio (K) relacionada com o valor de potencial-padrão da célula, da seguinte forma:

Ou

Para facilitar sua compreensão sobre a aplicação desse cálculo, determinaremos o valor da constante de equilíbrio para a uma célula galvânica descrita a seguir:

Para iniciar o cálculo, devemos determinar o valor de potencial-padrão da célula, que é dado por: ΔE° Célula = E° Cátodo – E° ânodo. Assim, temos:

ΔE° Célula = E° Cátodo – E° ânodo = 0,771 – 0,339 → ΔE° Célula = 0,432 V

Feito isso, o valor da constante de equilíbrio é calculado da seguinte forma:

É importante você saber que quando o valor de ΔE° for positivo K também será positivo, além disso, quanto maior o valor de ΔE° maior será o valor de K. Dessa forma, quanto maior for o valor de ΔE° (ou K) maior será a tendência de os reagentes serem transformados nos produtos.


127

3 REAÇÕES DE COMPLEXAÇÃO (PARTE II)

As reações químicas de complexação são aquelas cuja mistura de reagentes leva à formação de um complexo metálico como produto. Um complexo metálico, também chamado de composto de coordenação ou simplesmente complexo, é uma substância química que apresenta um átomo (ou íon) metálico central ligado a um grupo de íons (ou moléculas neutras) através de ligações coordenadas. Essa “combinação” leva à formação de estruturas moleculares grandes, conforme pode ser observado na figura a seguir.

FIGURA 13 – ESTRUTURA MOLECULAR DO COMPLEXO METAL-EDTA

FONTE:<https://bit.ly/3zMX6oa>. Acesso em: 18 ago. 2021.

Geralmente, o elemento central apresenta-se na forma catiônica (M+). Os íons (ou moléculas neutras) ligados a ele são chamados ligantes, são os grupos que formam ligação covalente coordenada através da doação de par eletrônico. Dessa forma, podemos dizer que os complexos (compostos de coordenação) são formados por um ácido de Lewis (átomo metálico central recebedor de pares de elétrons) rodeado de bases de Lewis, uma vez que os ligantes são doadores de pares de elétrons (HARRIS, 2012; ATKINS; JONES, 2012). Alguns exemplos de ligantes são: amônia (NH4

+), íons cloreto, brometo e cianteno (Cl –, Br – e CN –), porém o ligante mais comum é a molécula de água.

Os complexos podem ser (facilmente) formados a partir de metais de transição, já que eles possuem orbitais (do tipo d) disponíveis para acomodar os pares de elétrons doados pelos ligantes. No entanto, o número de ligações coordenadas que se estabelece entre o metal e o ligante dependerão do número de orbitais vazios, com energia adequada, presentes no metal (ATKINS; JONES, 2012). O número de átomos ou moléculas diretamente ligados ao átomo (cátion metálico) central é chamado de número de coordenação. Ele corresponde ao número de ligações covalentes que o cátion tende a formar com as espécies ligantes doadoras. Os valores mais comumente encontrados para os números de coordenação são dois, quatro e seis (HARRIS, 2012; ATKINS; JONES, 2012).

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É importante você saber que os complexos (apesar de serem moléculas com estruturas grandes) podem apresentar carga positiva, negativa ou nula. Por exemplo: [Cu(NH₃)₄]+2, [FeF₆] –3 e [Cu(NH₂CH₂COO)₂].

Em alguns complexos, um único ligante pode doar mais de um par de elétrons para o átomo (cátion metálico) central, estabelecendo mais de uma ligação coordenada. Dessa forma, os ligantes podem ser classificados segundo o número de ligações realizadas com o cátion central, esse número é chamado de denticidade. Se o ligante apresenta apenas um par de elétrons para ser doado ele é chamado de monodentado, se tiver dois pares bidentado, três tridentado e assim por diante. É importante você saber que quando a ligante forma uma estrutura fechada com o cátion central (um anel), o ligante é chamado de quelante e o complexo de quelato (SKOOG, 2006; HARRIS, 2012).

Sem dúvida alguma, o ligante mais empregado no estudo da química analítica é o ácido etilenodiaminotetracético (EDTA), um ligante do tipo hexadentado. A Figura 13, apresentada anteriormente, mostra o EDTA realizando coordenação com o metal (átomo central) através de quatro grupos carboxílicos (COO –) e por dois átomos de nitrogênio presentes em sua estrutura. Esse tipo de formação permite alta estabilidade ao quelato.

Embora a maioria dos complexos seja estável existem alguns fatores que afetam a estabilidade dos complexos:

• Natureza do íon metálico: quanto maior o caráter eletrostático da ligação, entre o ligante e o íon metálico, mais estável é o complexo. Assim, íons metálicos pequenos, com elevadas cargas, levam à formação de complexos mais fortes.

• Natureza do ligante: ligantes quelantes conferem maior estabilidade aos complexos.

• Basicidade do ligante: a estabilidade dos complexos pode ser relacionada à capacidade do ligante doar pares eletrônicos. Assim quanto maior a basicidade do ligante maior será a estabilidade do complexo formado.

• Tamanho do anel do quelato: quanto maior o tamanho do anel, maior estabilidade é conferida ao complexo.

• Número de anéis ligados ao metal: quando o número de anéis formados entre o ligante e o íon metálico é grande, aumenta-se a estabilidade do complexo formado.

• Efeitos de ressonância: a presença de ligações duplas conjugadas aumenta a estabilidade do complexo formado.

• Efeitos estéricos: estão associados ao tamanho dos ligantes, ao arranjo espacial e às distâncias entre os sítios de coordenação.

As reações de complexação entre um metal (M) e um ligante (L), descritas a seguir, apresentam uma constante de equilíbrio especial, chamada de constante de formação (Kf) ou constante de estabilidade. Podemos representar a formação de um complexo pela seguinte equação, onde M representa o metal, L o ligante e ML o complexo formado.


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Diferentemente das reações que envolvem ligantes monodentados, como descrito anteriormente, as reações envolvendo ligantes polidentados às reações ocorrem em etapas, pois a associação de ligantes se dá de forma progressiva. Essas reações são de interesse para a Química Analítica, pois, além dos quelatos apresentarem uma maior estabilidade e, de modo geral, serem solúveis em água, sua proporção metal:ligante é 1 : 1, independente da carga do íon.

A seguir são descritas as equações químicas envolvidas na formação de um quelato.

Assim, o equilíbrio de formação de complexos pode ser descrito pelas constantes de formação K1, K2, K3,... Kn (ou constantes de estabilidades), conforme descrito a seguir:

Para facilitar sua compreensão sobre esse tema, vamos ver um exemplo de como aplicar essas informações nos cálculos experimentais? Então, imagine que você precisa determinar a concentração de [Ag+] em um litro de solução aquosa de nitrato de prata (AgNO3, 0,1 mol/L) com amônia (NH3, 1,0 mol/L). Sabendo a reação é descrita por: e possui Kf = 1,7 x 107. Como resolvemos? O complexo exige 1 átomo de Ag+ e 2 moléculas de NH3. Assim, a cada 0,1 mol de Ag+ será consumido 0,2 mol de NH3. Como iniciamos com 1,0 mol de NH3, após atingir o equilíbrio, temos restante 0,8 mol (1,0 – 0,2 = 0,8 mol) de NH3 livre.

Assim, a constante de formação e dada por:

no INÍCIONo EQUILÍBRIO

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Os quelantes mais comuns são os ácidos aminocarboxílicos como o ácido trans–1,2–diaminocicloexanotetracético (DCTA), ácido dietilenotriaminopenta-cético (DTPA), ácido etilenodiaminotetracético (EDTA), e outros. Dentre eles, o mais importante para a Química Analítica é o EDTA, este ácido apresenta grande capacidade para formação de complexos com íons metálicos, pois é um ligante hexadentado, ou seja, possui seis sítios de ligação (coordenação) com o metal, dentre eles quatro são grupos carboxílicos e dois grupos amínicos. A Figura a seguir mostra em detalhes a estrutura do EDTA.

FIGURA 14 – ESTRUTURA DO EDTA

FONTE: <https://bit.ly/2WWTnpA>. Acesso em: 18 ago. 2021.

Por simplicidade, o ânion EDTA é representado por Y–4, em sua forma neutra o representamos por H4Y. Por ser um ácido fraco tetraprótico (com quatro átomos de hidrogênio ionizáveis) ao ser colocado em solução aquosa, o EDTA dissocia-se produzindo quatro espécies aniônicas (H3Y–, H2Y–2, HY–3 e Y–4). A seguir estão representados os equilíbrios de dissociação, bem como a constante de formação (Kf) de cada espécie aniônica do EDTA.

Como podemos imaginar, o EDTA é um ligante altamente influenciado pelo pH do meio, dessa forma, é possível obter um gráfico de distribuição das espécies de EDTA em função do pH, como mostra a Figura a seguir.


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FIGURA 15 – GRÁFICO DE DISTRIBUIÇÃO DAS ESPÉCIES DE EDTA EM FUNÇÃO DO pH

FONTE: Adaptada de Skoog et al. (2006)

Observe que a forma totalmente protonada H4Y predomina somente em pH muito ácido (pH < 3). Ao longo da faixa de pH, de três a 10, as espécies H2Y2- e HY3- são predominantes. A forma Y4-, completamente desprotonada, só ocorre em soluções fortemente básicas (pH > 10).

Em Química Analítica, a espécie Y4– (predominante em pH superiores a 10) é a espécie de maior interesse, uma vez que leva à formação de quelatos de maior estabilidade. No entanto, algumas observações devem ser feitas:

• Para obtermos a espécie Y4–, o meio deve estar suficientemente básico, garantindo que todo EDTA esteja desprotonado. Esse pH pode ser mantido constante através da adição de um tampão, como por exemplo NH3/NH4

+ (lembra que estudamos as propriedades das soluções tampão no Tópico 1?). Entretanto, a amônia pode reagir com o metal, diminuindo a concentração de metal disponível para reagir com o ligante EDTA.

• Se o meio for muito básico, terá alta concentração de íons OH–, que podem reagir com o metal levando a formação de seu respectivo hidróxido. Você lembra o que estudamos no Tópico 2? A maioria dos hidróxidos metálicos é insolúvel, desta forma o metal pode sofrer precipitação.

• Ao controlar a acidez do meio para se evitar a reações paralelas com o íon metálico, a concentração de Y4– pode ser modificada pela presença de H+, alterando sua disponibilidade para formação de complexos.

• As reações paralelas influenciam diretamente na extensão da reação principal, daí a importância de se conhecer todas as reações químicas envolvidas no sistema.

Sendo assim, para realizarmos o cálculo correto da constante de equilíbrio devemos levar em consideração a fração de moléculas (α) Y4– que estão disponíveis para reagir com o metal, em certo pH. Então, devemos multiplicar o valor de

132


α (fração disponível) pelo valor da constante de formação (Kf), dando origem à constante de formação condicional (Kf’) (HARRIS, 2012; SKOOG, 2006). A seguir, apresentamos uma lista de valores tabelados de α para a espécie Y4– do EDTA.

TABELA 11 – VALORES DE α PARA Y4– EM DIFERENTES pH

FONTE: Adaptada de Harris (2012)

Para facilitar sua compreensão sobre esse tema, vamos ver um exemplo de como aplicar essas informações nos cálculos experimentais? Então, imagine que você precisa determinar a concentração de cálcio (Ca+2) livre em uma solução 0,10 mol/L de CaY2– mantida em pH 10,0, sabendo que a constante de formação do CaY2– é igual a 4,46x1010.

Como resolvemos? Em pH 10,0, sabemos que:

Consultando a tabela anterior, verificamos que em pH 10,0 o EDTA possui fração disponível de Y2– igual a 0,30. Assim temos:

Feito isso, podemos determinar a concentração de íons Ca+2 livre da seguinte forma:

A constante de formação condicional (Kf’) será dada por:

pH αy4– pH αy4– pH αy4–

0 1,3 x10-23 5,0 2,9 x10-7 10,0 0,301,0 1,4 x10-18 6,0 1,8 x10-5 11,0 0,812,0 2,6 x10-14 7,0 3,8 x10-4 12,0 0,983,0 2,1 x10-11 8,0 4,2 x10-3 13,0 1,004,0 3,0 x10-9 9,0 0,041 14,0 1,00

no INÍCIONo EQUILÍBRIO


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REJEITOS FORMARAM CROSTAS NO LEITO DO RIO DOCE, PERPETUANDO A CONTAMINAÇÃO

Fernanda Couzemenco

Crostas impermeáveis de resíduos de mineração, oriundos do rompimento da barragem de Fundão, da Samarco/Vale-BHP, se formaram sobre os sedimentos naturais do leito do Rio Doce, produzindo impactos físicos e perpetuando impactos bioquímicos também sobre a água e a biodiversidade, atingindo, provavelmente, toda a cadeia alimentar do rio.

A constatação é um dos resultados de um estudo inédito desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) e instituições parceiras, publicado na revista Chemosphere.

Maior crime ambiental do Brasil e de toda a mineração mundial, a tragédia completa cinco anos no próximo dia cinco de novembro e ainda tem muitos aspectos a serem desvendados e, principalmente, muitos danos a serem reparados às dezenas de comunidades e milhares de pessoas atingidas ao longo de 600 km de leito em Minas Gerais e Espírito Santo, além de todo o litoral capixaba e sul da Bahia.

O volume de rejeitos lançado sobre o maior rio capixaba, calculado em mais de 50 milhões de metros cúbicos, é suficiente para cobrir uma área equivalente à porção insular da cidade de Vitória com uma camada de aproximadamente 1,70 metro de lama.

Os resíduos de mineração foram depositados sobre os sedimentos fluviais do Rio Doce, formando estruturas semelhantes a mudcracks de coloração marrom-avermelhada, explica uma das autoras do estudo, a professora de Geologia, da UFES, Mirna Aparecida Neves.

"Essas crostas impermeáveis dificultam a circulação de água no sistema hidrológico e o estabelecimento de espécies vegetais neste substrato. Além da influência física negativa para o ambiente, as crostas também contribuem com um novo aporte químico e, a partir da ação de intempéries e da própria dinâmica fluvial do rio, poderão liberar gradativamente contaminantes para a água e, consequentemente, estes metais poderão ser bioacumulados através da cadeia trófica", descreve Mirna.

O trabalho tem o ineditismo de analisar os sedimentos fluviais do rio na porção capixaba antes da foz, em Regência, Linhares, com a vantagem de poder ter sido feita uma comparação entre a situação antes e depois do crime, pois a equipe já vinha pesquisando a região desde 2013.


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"Nosso trabalho mostra as condições geoquímicas dos sedimentos do Rio Doce antes do desastre ambiental, estabelecendo assim parâmetros de referência (background) que antes eram ausentes na literatura especializada", explica outra autora, a também professora de Geologia Fabrícia Benda de Oliveira.

• Cádmio e arsênio

Os teores de metais pesados encontrados nos sedimentos do leito foram comparados com os limites máximos permitidos pela legislação ambiental, tendo se destacado o cádmio e o arsênio, ambos metais já detectados em análises de pescado, de água subterrânea e até no corpo de moradores atingidos, por meio da análise de cabelo e unha.

"Os teores de cádmio e arsênio encontrados são preocupantes, visto que ultrapassam os limites estabelecidos pela normativa ambiental", afirma Eduardo Baudson Duarte, do Programa de Pós-Graduação em Agroquímica da UFES.

Eduardo ressalta que, como a equipe já vinha pesquisando o leito do Rio Doce antes do crime em 2013 e retornou aos locais de coletas em 2016, foi possível comparar as duas situações, evidenciando os impactos que o rompimento da Barragem em Mariana/MG provocaram sobre os teores dos dois metais pesados.

A diferença é que o cádmio foi basicamente trazido pelos rejeitos de mineração e o arsênio já estava em grande parte depositado no fundo do rio antes do crime, em decorrência do longo período de poluição por esgotos domésticos, resíduos industriais e extração mineral, principalmente de ouro.

"A atuação longa e duradoura de garimpos de ouro nas regiões de cabeceira e outras à montante, que carreiam íons em solução para as águas do Rio Doce, dentre eles o arsênio, que, em certo momento, se depositou no fundo do rio", descreve.

O intenso fluxo de lama gerado pelo rompimento da barragem, por sua vez, foi capaz de revolver esses resíduos, "fazendo com que contaminantes já 'enterrados' ficassem em condições mais superficiais, podendo agora ser identificados nos sedimentos fluviais", explica.

Para o cádmio, foram encontrados teores próximos de 7 mg/kg nos rejeitos de minério depositados no leito, e valores entre 1 e 4,5 mg/kg nos sedimentos fluviais após o crime. No caso do arsênio, foram encontrados teores próximos a 18 mg/kg nos resíduos depositados, enquanto nos sedimentos após o desastre foram observados teores entre 3 e 12 mg/kg.

• Passivo ambiental

Antes da chegada da lama tóxica, os teores de arsênio nos sedimentos fluviais variavam entre 2 e 15 mg/kg e os de cádmio, entre 0,3 e 0,8 mg/kg. O aumento do cádmio devido aos rejeitos de mineração é bem explícito. Já no caso


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do arsênio, a variação é pequena, sendo um pouco maior os valores mínimos encontrados (de 2 para 3 mg/kg) e um pouco menor os valores máximos (de 15 para 12 mg/kg).

A Resolução nº 454 do Conselho Nacional de Meio Ambiente (Conama) determina, para o cádmio, os teores máximos de 0,6 mg/kg (nível 1) e 3,5 mg/kg (nível 2). Para o arsênio os valores máximos são 5,9 mg/kg (nível 1) e 17 mg/kg (nível 2). Sendo que o nível 1 indica o limiar abaixo do qual há menor probabilidade de efeitos adversos à biota e o nível 2, o limiar acima do qual há maior probabilidade de efeitos adversos.

Fabrícia ressalta que, no caso do arsênio, os teores encontrados antes do desastre ambiental já eram superiores ao nível 1 preconizado pela resolução do Conama e, com o revolvimento pela lama, o metal que estava "enterrado" se juntou com o resíduo vindo da barragem rompida, fato evidenciado pelos teores maiores de arsênio encontrados nos resíduos depositados, quando comparados aos sedimentos pré e pós-desastre.

A pesquisadora salienta ainda que os metais que se encontram em níveis acima do permitido devem ser rastreados em estudos futuros envolvendo os componentes do meio físico, como água e solo, e biótico, como fauna e flora. "Conhecer quais são os metais potencialmente contaminantes facilitará o rastreamento da contaminação pela lama minerária, ajudando a confirmar a extensão do passivo ambiental gerado", contextualiza.

Outros integrantes da equipe, pela Ufes, são Marx Engel Martins, da Geologia; e os professores Diego Lang Burak, de Agronomia; e Marcos Tadeu D'Azeredo Orlando, da Física e Química; além de Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira, do Instituto Federal do Espírito Santo (Ifes); e Caio Vinícius Gabrig Turbay Rangel, da Universidade Federal do Sul da Bahia (UFSB).

FONTE: <https://www.seculodiario.com.br/meio-ambiente/rejeitos-formaram-crostas-no-leito--do-rio-doce-perpetuando-a-contaminacao>. Acesso em: 17 ago. 2021.

https://www.seculodiario.com.br/meio-ambiente/rejeitos-formaram-crostas-no-leito-do-rio-doce-perpetuando-a-contaminacao

https://www.seculodiario.com.br/meio-ambiente/rejeitos-formaram-crostas-no-leito-do-rio-doce-perpetuando-a-contaminacao

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RESUMO DO TÓPICO 3


• O número de oxidação, NOX, informa a carga elétrica que um átomo, de um determinado elemento químico, adquire quando participa de uma reação química. Quando positivo indica um átomo que possui deficiência de elétrons, já quando negativo indica um átomo que possui excesso de elétrons.

• Substâncias simples são aquelas moléculas formada por um único elemento químico. De forma semelhante, os íons monoatômicos, são as espécies iônicas formadas por um único átomo, originadas ao doarem ou receberem elétrons.

• Substâncias compostas são aquelas moléculas formada por mais de um elemento químico. Os íons poliatômicos são espécies iônicas igualmente formadas por mais de um átomo de elementos químicos diferentes, originados ao doarem ou receberem elétrons.

• Nas reações de OXIDAÇÃO, ocorre a doação de elétrons para o sistema redox. A substância oxidada é facilmente encontrada quando observamos o aumento do NOX (perda de elétrons gera valores de NOX mais positivos). Lembre-se! Quem se oxida induz a redução de outra substância, por isso é chamada de agente redutor.

• Nas reações de REDUÇÃO, ocorre o recebimento de elétrons do sistema redox. A substância reduzida é facilmente encontrada quando observamos a diminuição do NOX (o recebimento de elétrons gera valores de NOX mais negativos). Lembre-se! Quem se reduz induz a oxidação de outra substância, por isso é chamada de agente oxidante.

• O polo da pilha onde ocorre a meia reação de redução é chamado de cátodo. Ele é o eletrodo para onde migram os elétrons atraindo os cátions da solução, por isso é chamado de polo positivo. O polo onde ocorre a meia-reação de oxidação é chamado de ânodo. Ele é o eletrodo de onde partem os elétrons, ao doar estes elétrons o eletrodo libera cátions em solução atraindo ânions, por isso é chamado de polo negativo.

• A Ponte salina é um tubo de vidro em formato de U preenchido com uma solução aquosa de um sal diluída em uma mistura gelatinosa. Nas extremidades coloca-se um material poroso para evitar a saída da solução sem interromper o trânsito de íons. A solução deve conter um sal solúvel como cloreto de potássio (KCl) ou nitrato de amônio (NH4NO3) ou outro sal que não afete a reação da célula eletrolítica.

137


CHAMADA

• Quando interligamos dois eletrodos da pilha cria-se uma tensão elétrica chamada diferença de potencial, DDP, ela nos informa a diferença da energia potencial elétrica entre os dois polos da pilha, é expressa em volts.

• Quando o valor potencial da célula galvânica (pilha) for maior que zero indica que a reação química, descrita para aquela pilha, é espontânea!

• Um complexo metálico, também chamado de composto de coordenação ou simplesmente complexo, é uma substância química que apresenta um átomo (ou íon) metálico central ligado a um grupo de íons (ou moléculas neutras) através de ligações coordenadas, chamados de ligantes.

• As reações de complexação entre um metal (M) e um ligante (L) apresentam uma constante de equilíbrio chamada de constante de formação (Kf) ou constante de estabilidade.

• Quando o ligante possui apenas um par de elétrons para ser doado ao metal é chamado de monodentado, se tiver dois pares bidentado, três tridentado e assim por diante. Quando o ligante forma uma estrutura fechada com o cátion central (um anel), o ligante é chamado de quelante e o complexo de quelato.

• Os quelantes representam os ligantes de maior interesse para a Química Analítica, pois levam a formação de complexos mais estáveis. Quando estão em solução, o cálculo correto da constante de equilíbrio deve levar em consideração a fração de moléculas (α) de quelante que estão disponíveis para reagir com o metal, em certo pH. Então, devemos multiplicar o valor de α pelo valor da constante de formação (Kf), dando origem a constante de formação condicional (Kf’).

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1 O número de oxidação, NOX, informa a carga elétrica que um átomo, de um determinado elemento químico, adquire quando participa de uma reação química. Analisando algumas substâncias químicas (neutras e iônicas), associe os itens, utilizando o código a seguir:

I- Substância simples.II- Íon monoatômico.III- Substância composta.IV- Íon poliatômico.

( ) NO3 –( ) Cl –( ) Gás oxigênio( ) HClO4( ) Água


a) ( ) II – IV – IV – I – III.b) ( ) IV – II – I – III – III.c) ( ) III – I – I – IV – II.d) ( ) IV – II – I – III – I.

2 Uma célula galvânica, ou simplesmente uma pilha, usa reações químicas espontâneas para gerar eletricidade. Sobre esse sistema, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) A região da pilha (chamado de polo) onde ocorre à meia-reação de oxidação é chamado de ânodo, o polo negativo.

( ) Nas reações de OXIDAÇÃO, ocorre a doação de elétrons para o sistema redox. A substância oxidada é facilmente encontrada quando observamos o aumento do NOX, que devido à perda de elétrons gera valores de NOX mais positivos.

( ) Quem se oxida induz a redução de outra substância, por isso é chamada de agente oxidante. Já quem se reduz induz a oxidação de outra substância, por isso é chamada de agente redutor.

( ) A região da pilha (chamado de polo) onde ocorre à meia-reação de redução é chamada de cátodo, o polo positivo.

( ) Nas reações de REDUÇÃO, ocorre o recebimento de elétrons do sistema redox. A substância reduzida é facilmente encontrada quando observamos a diminuição do NOX, que devido ao recebimento de elétrons gera valores de NOX mais negativos.

AUTOATIVIDADE

139


a) ( ) F – F – V – V – F.b) ( ) F – V – F – V – F.c) ( ) V – F – V – F – V.d) ( ) V – V – F – V – V.

3 Um complexo metálico, também chamado de composto de coordenação ou simplesmente complexo, é uma substância química que apresenta um átomo (ou íon) metálico central ligado a um grupo de íons (ou moléculas neutras) através de ligações coordenadas. Sobre os fatores que afetam a estabilidade dos complexos classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Íons metálicos pequenos com grande carga elétrica, levam a formação de complexos mais fortes.

( ) Ligantes quelantes conferem maior instabilidade ao complexo.( ) Quanto maior o tamanho do anel formado com o quelante, maior a

instabilidade do complexo formado.( ) O aumento da capacidade do ligante doar pares eletrônicos, ou seja, a

basicidade do ligante, aumenta a estabilidade do complexo formado.( ) A presença de ligações duplas conjugadas aumenta a estabilidade do

complexo formado.


a) ( ) F – V – V – F – F.b) ( ) F – V – V – V – F.c) ( ) V – F – V – F – V.d) ( ) V – F – F – V – V.e) ( ) V – V – V – F – V.

4 Nesta sociedade do século XXI, os produtos de alta tecnologia estão constantemente inseridos no nosso dia a dia. Mesmo com toda a versatilidade e facilidade que nos proporcionam são reféns de baterias para a sua usabilidade. Explique o princípio de funcionamento de uma bateria, uma célula galvânica, comumente utilizada no nosso dia a dia.

5 Determine a concentração de magnésio (Mg+2) livre em uma solução 0,20 mol/L de MgY2– mantida em pH 10,0, sabendo que a constante de formação do CaY2– é igual a 4,9 x108 e que a reação é descrita por:

.

140

REFERÊNCIAS

ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012.

BACCAN, N. et al. Química Analítica Quantitativa elementar. 3. ed. Campinas: Edgard Blucher, 2001.

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CONCEIÇÃO, C.O. Contaminação dos aterros urbanos por metais pesados no município de Rio Grande/RS. 2005. Dissertação (Mestrado em Oceanografia Física, Química e Geológica) – Programa de Pós-Graduação em Oceanografia Física, Química e Geológica. Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande. Disponível em: https://bit.ly/3ti2Bsj. Aceso em: 18 ago. 2021.

COSTA, P. R. R. et al. Ácidos e Bases em Química Orgânica. Porto Alegre: Bookman, 2005. 151 p.

FILHO, O. F. Equilíbrio iônico: aplicações em química analítica. São Carlos: EdUFSCar, 2016.

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LIMA, V. F.; MERÇON, F. Metais pesados no Ensino de Química. Química Nova na Escola, v. 33, n. 4, 2011. Disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc33_4/199-CCD-7510.pdf. Acesso em: 18 ago. 2021.

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RUSSEL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994.

SKOOG, A. D. et al. Fundamentos de Química Analítica, 8. ed. São Paulo: Edi-tora Thomson, 2006.

143

UNIDADE 3 —

ANÁLISES AMBIENTAIS


PLANO DE ESTUDOS


• diferenciar as principais técnicas analíticas;• identificar as variáveis para o desenvolvimento e validação de métodos

analíticos;• interpretar resultados experimentais e dados de controle de qualidade;• relacionar conceitos da química analítica com seus aspectos ambientais.

Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.


CHAMADA

TÓPICO 1 – TÉCNICAS ANALÍTICAS E SEUS MÉTODOS

TÓPICO 2 – DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS E CONTROLE DE QUALIDADE DOS RESULTADOS

TÓPICO 3 – INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ERROS EM QUÍMICA ANALÍTICA

TÓPICO 4 – APLICAÇÕES ANALÍTICAS EM POLUIÇÃO AMBIENTAL: ANÁLISE DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS, DE AR, SOLO E DE RESÍDUOS SÓLIDOS

145

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, em algum momento, você já deve ter refletido acerca de como certos materiais, alimentos ou produtos são compostos. Por exemplo: ao olharmos para um copo de água, sabemos que essa água é formada por moléculas de hidrogênio e oxigênio. Em momentos anteriores, aprendemos que existe uma série de outros elementos químicos na água encontrada dentro do meio ambiente. Da mesma forma, sabemos que alimentos, produtos e materiais possuem uma série de compostos químicos na sua estrutura molecular.

Para descobrirmos o que de fato compõe cada “coisa” que existe em nosso

universo, empregamos o uso de técnicas analíticas. As técnicas analíticas são o que nos permitem identificar ou quantificar a composição da matéria de modo a caracterizar completamente uma amostra. Essas técnicas são amplamente utilizadas na indústria para efeitos de controle de qualidade, desenvolvimento de novos produtos e impactos ambientais.

No que se refere ao meio ambiente – um dos tópicos de estudo deste Livro Didático –, as técnicas analíticas e seus métodos nos permitem identificar os principais parâmetros que influenciam na qualidade das diversas matrizes ambientais, assim como os procedimentos necessários para alcançá-la.

Portanto, acadêmico, neste tópico, abordaremos os principais conceitos referentes às técnicas analíticas, à classificação dos métodos analíticos ambientais e à maneira de realizar a seleção de um método. A partir dos conhecimentos deste tópico, você será capaz de compreender os principais aspectos das análises ambientais. Bons estudos!

2 TÉCNICAS ANALÍTICAS

Acadêmico, já vimos que a química analítica é um ramo da química que envolve a separação, a identificação e a determinação dos componentes presentes em uma amostra. Desta forma, a análise química consiste em técnicas analíticas que permitem realizar a caracterização de uma determinada amostra. Quando nos referimos especificamente à área da Química Analítica Ambiental, as técnicas analíticas nos auxiliam a estudar, monitorar, avaliar e elaborar projetos que visam gerenciar e mitigar eventuais impactos ambientais.

TÓPICO 1 —

TÉCNICAS ANALÍTICAS E SEUS MÉTODOS

UNIDADE 3 — ANÁLISES AMBIENTAIS

146

Os profissionais que trabalham com o meio ambiente precisam, em muitas partes desse processo, do auxílio de um laboratório ambiental para realização de amostragem e análises ambientais nas mais diversas matrizes, como água, efluente, solo, ar, ruídos ambientais (para o cumprimento de exigências feitas pelos órgãos ambientais), municipais, estaduais ou federais. Na Figura 1, podemos observar uma imagem que representa o cotidiano do trabalho dentro de um laboratório.

FIGURA 1 – ANÁLISES EM LABORATÓRIOS

FONTE: <encurtador.com.br/zCO35>. Acesso em: 20 ago. 2021.

As técnicas analíticas são utilizadas principalmente para o controle de: produtos utilizados, qualidade de matéria-prima, produção, pesquisa e desenvolvimento, avaliação da qualidade ambiental e determinação da exposição ocupacional de ambientes (ou de fluídos biológicos). Acadêmico, considere alguns exemplos práticos da aplicação das técnicas analíticas:

As quantidades de hidrocarbonetos, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono presentes nos gases de descarga veiculares são determinadas para se avaliar a eficiência dos dispositivos de controle da poluição do ar. As medidas quantitativas de cálcio iônico no soro sanguíneo ajudam no diagnóstico de doenças da tireoide em seres humanos. A determinação quantitativa de nitrogênio em alimentos indica o seu valor proteico e, desta forma, o seu valor nutricional. A análise do aço durante sua produção permite o ajuste nas concentrações de elementos, como o carbono, níquel e cromo, para que se possa atingir a resistência física, a dureza, a resistência à corrosão e a flexibilidade desejadas. O teor de mercaptanas no gás de cozinha deve ser monitorado com frequência, para garantir que este tenha um odor ruim a fim de alertar a ocorrência de vazamentos. Os fazendeiros planejam a programação da fertilização e a irrigação para satisfazer as necessidades das plantas, durante a estação de crescimento, que são avaliadas a partir de análises quantitativas nas plantas e nos solos nos quais elas crescem (SKOOG et al., 2006, p. 2).

TÓPICO 1 — TÉCNICAS ANALÍTICAS E SEUS MÉTODOS

147

Dentro da rotina de um laboratório, as técnicas analíticas compreendem uma sequência de etapas, que são organizadas de modo a padronizar o caminho a ser seguido para a determinar um resultado confiável. Um esquema geral que descreve as etapas das técnicas analíticas é apresentado na Figura 2.

FIGURA 2 – ETAPAS DAS TÉCNICAS ANALÍTICAS

FONTE: Os autores

Conforme o esquema, vimos que a definição do problema a ser solucionado é a primeira etapa de uma técnica analítica. Muitas vezes, um problema analítico é formulado com base na necessidade de determinar a composição de uma amostra ou concentração de um determinado composto químico, através de um método analítico adequado que compreende a amostragem da amostra, preparo e análise. Ao final do processo analítico, realiza-se a avaliação dos dados obtidos e a interpretação das informações referentes à qualidade das etapas que garantem a confiabilidade do processo como um todo.

Acadêmico, para compreendermos melhor o esquema apresentado anteriormente na Figura 2, existem alguns termos específicos da química analítica que são importantes conhecermos. Portanto, vejamos as definições dos seguintes termos:

• Amostra: porção representativa da espécie ou composto a ser analisado.• Analito: é o componente de uma amostra a ser determinado.• Técnicas analíticas: conjunto de informações escolhidos para definir a análise

de uma amostra.


148

• Métodos analíticos: conjunto de operações e técnicas para definir o composto de interesse.

• Análise: estudo de uma amostra para determinar sua composição.• Matriz: são todos os demais componentes da amostra na qual o analito está

inserido. Um método é um processo específico que compreende uma sequência

organizada de atividades com uma função específica. Os métodos analíticos permitem avaliar a conformidade dos resultados de identificação e quantificação dos analitos com as especificações definidas de acordo com um produto, legislação ou processo.

Nos laboratórios de análises ambientais as amostras passam por processos que geram resultados qualitativos ou quantitativos. Ambos os resultados são válidos e importantes para a análise das condições dos parâmetros ambientais encontrados em um determinado local de estudo. Veremos nos próximos tópicos a diferença entre esses dois tipos de ensaios químicos e suas principais aplicações.

2.1 ANÁLISES QUALITATIVAS E QUANTITATIVAS

Os métodos de ensaio podem ser classificados em métodos quantitativos e qualitativos. Quando se pretende apenas identificar quais compostos estão presentes em uma amostra, independente da sua quantidade, utilizam-se técnicas de análise qualitativa. A análise qualitativa consiste em apenas identificar a presença de espécies químicas em uma amostra com base em suas propriedades físicas, químicas ou biológicas. Os resultados das análises qualitativas são expressos geralmente em:

• ausência ou presença; • detectado ou não detectado.

Esses resultados são apresentados por meio de um instrumento de medida, de kits de testes, análises que envolvem mudanças sensoriais, ou outros. Essas técnicas analíticas são utilizadas em situações em que a concentração

Existe uma grande quantidade de métodos analíticos já estabelecidos para determinar os principais parâmetros ambientais. Entretanto, há também uma grande demanda por novos métodos para monitorar poluentes emergentes e para a otimização dos métodos já existentes.

ATENCAO


149

do analito não interfere na análise da qualidade da amostra. Um exemplo, é a avaliação de presença ou ausência de Coliformes Totais e Termotolerantes em diferentes fontes de água. O resultado de interesse para determinar a qualidade da água para o consumo humano é saber se existe a ocorrência de Coliformes Totais e Termotolerantes ou não. Segundo Vasconcelos (2019, p. 13), “a análise qualitativa é um importante guia na seleção do método quantitativo. Assim, deve preceder à análise quantitativa a fim de selecionar-se apropriadamente o método a ser empregado nas medidas quantitativas”. Em geral, a análise qualitativa é mais rápida do que a análise quantitativa.

Já a análise quantitativa permite determinar a quantidade dos componentes de uma amostra, ou seja, são métodos e procedimentos que visam determinar a concentração dos componentes desejados dentro de uma amostra. Alguns procedimentos podem ser feitos utilizando doseamentos, determinação de traços de determinadas substâncias através de métodos clássicos ou instrumentais. Esse processo é explicado em:

Calculamos os resultados de uma análise quantitativa típica, a partir de duas medidas. Uma delas é a massa ou o volume de uma amostra que está sendo analisada. A outra é a medida de alguma grandeza que é proporcional à quantidade do analito presente na amostra, como massa, volume, intensidade de luz ou carga elétrica. Geralmente essa segunda medida completa a análise, e classificamos os métodos analíticos de acordo com a natureza dessa medida final (SKOOG et al. p. 4, 2006).

Determinar se o método escolhido deve apresentar resultados qualitativos ou quantitativos é uma das etapas mais importantes do processo analítico. Essa escolha deve sempre ser realizada com base no problema a ser resolvido. É importante ressaltarmos que existe uma infinidade de métodos analíticos que são classificados de acordo com as características metodológicas utilizadas, conforme estudaremos a seguir.

3 CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS ANALÍTICOS

Acadêmico, os métodos analíticos são classificados em clássicos ou instrumentais. Essa divisão é histórica, com os métodos analíticos clássicos servindo de base para o desenvolvimento das técnicas instrumentais.

Acadêmico, lembre-se que as substâncias identificadas e quantificadas são chamadas de analitos e os locais de onde foram retiradas estas amostras são chamados de matriz.

ATENCAO


150

3.1 MÉTODOS ANALÍTICOS CLÁSSICOS

Os métodos analíticos clássicos surgiram no início do desenvolvimento da química, quando a maioria dos experimentos empregavam a separação dos componentes de interesse por técnicas como precipitação, extração ou destilação. Os analitos eram então identificados por sua cor, solubilidade, ponto de fusão e ponto de ebulição. Todos esses fatores, permitiam a identificação de compostos químicos. Por definição, tem-se que os métodos analíticos clássicos referem-se a um conjunto de procedimentos ou técnicas analíticas em que são utilizados recursos clássicos, não tecnológicos, geralmente simples. Os métodos clássicos são largamente utilizados devido à relativa simplicidade com que são realizados e pela obtenção de resultados confiáveis.

Os métodos clássicos apresentam, como vantagens, a utilização de materiais simples, procedimentos de baixa complexidade e baixo custo de implementação e operação. Como desvantagens, possuem um maior tempo de análise, maior geração de resíduos e uma menor precisão e exatidão nos resultados obtidos. Os métodos clássicos são classificados em métodos gravimétricos e titulométricos, ou seja, análises que são realizadas por medida de massa ou por medida de volume. Na Figura 3, podemos observar essa divisão dos métodos clássicos.

FIGURA 3 – DIVISÃO DOS MÉTODOS CLÁSSICOS

FONTE: Os autores

3.2 ANÁLISES GRAVIMÉTRICAS

As análises gravimétricas têm por princípio a determinação de um ou mais analitos em uma amostra, através da separação e da pesagem desses compostos em sua forma mais pura possível. Sendo assim, os métodos gravimétricos utilizam-se de procedimentos adequados de separação, volatilização e/ou conversão do analito em uma espécie mais estável, que permitem ao analista, através de cálculos simples, estabelecer a concentração ou teor de um composto químico de interesse em uma amostra.


151

Um exemplo de aplicação de análise gravimétrica na área ambiental é a determinação de sólidos totais em águas. Sabemos que a água pode conter matéria dissolvida ou suspensa, que é chamada de sólido, e essa matéria pode ter origem orgânica ou inorgânica. Os sólidos totais são a soma da concentração dos sólidos suspensos e dos sólidos dissolvidos. Portanto, os sólidos totais são todas as substâncias que permaneçam na cápsula após a total evaporação e secagem até peso constante (de 103 a 105 °C).

A análise gravimétrica apresenta algumas vantagens, dentre elas podemos destacar:

• as operações unitárias ou as etapas utilizadas no procedimento gravimétrico são de fácil execução e de boa reprodutibilidade;

• os instrumentos usados para a aplicação dessa técnica são simples, como vidrarias graduadas, balanças analíticas, chapas aquecedoras, cadinho de porcelana, bico de Bunsen, mufla, estufa, entre outros;

Dentre as desvantagens da análise gravimétrica, temos:

• tempo de análise geralmente prolongado; • grande número de etapas necessárias para sua execução, causando uma série

de erros acumulativos; • baixa sensibilidade para determinação de microconstituintes na amostra

(faixa de ppm e ppb).

Gravimetria é o processo de obtenção da estrutura química de uma amostra via pesagem, seguindo-se os passos de reação, secagem/calcinação e pesagem.

IMPORTANTE

Acadêmico, os sólidos considerados suspensos são todas as substâncias que, após a filtração e a secagem, permaneçam retidas na membrana (fibra de vidro com porosidade 1,2 µm). Os sólidos considerados dissolvidos são aqueles retidos na filtração e que permaneceram após total secagem de determinado volume de amostra. Ambos são indicadores ambientais de qualidade da água.

ATENCAO


152

3.3 ANÁLISES VOLUMÉTRICAS

As análises volumétricas, também conhecidas por análises titulométricas, possuem por objetivo determinar a concentração de um ou mais elementos em uma amostra, através da medição da quantidade de um reagente que possui concentração conhecida e é consumido pelo analito até a sua completa reação. Sabemos que a reação terminou quando ocorre o que chamamos de ponto de viragem (marcada pela alteração na coloração da solução), que corresponde ao ponto onde a quantidade de titulante adicionada equivale exatamente à quantidade de analito.

O esquema que representa uma análise titulométrica pode ser observado na Figura 4.

FIGURA 4 – ESQUEMA PRÁTICO DE UMA TITULAÇÃO

FONTE: <encurtador.com.br/bwBCM>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Titulolometria é um processo de determinação química de substâncias vias análise volumétrica, onde a amostra reage com uma quantidade conhecida de um padrão e, a partir da relação estequiométrica, determina-se a concentração do analito (substância de interesse analítico numa análise química) na amostra.

IMPORTANTE


153

As técnicas volumétricas são divididas em volumetria de neutralização, volumetria de precipitação, volumetria de oxirredução e volumetria de complexação. O emprego de cada uma dessas técnicas deve levar em conta o caráter do substrato existente na amostra de interesse. Por exemplo, uma substância ácida ou alcalina pode ser investigada utilizando-se a volumetria de neutralização.

A formação de uma espécie pouco solúvel pode ser tratada com a volumetria de precipitação, enquanto a formação dos compostos de coordenação pode ser quantificada por meio da volumetria de complexação. Por fim, a característica de transferência eletrônica entre agentes oxidantes e redutores é a base da volumetria de oxirredução.

Um exemplo de análise titulométrica na área ambiental é a determinação de cloreto. O cloreto presente em amostras de águas para consumo humano, pode ser determinado por titulação com uma solução padrão de nitrato de prata, após pré-tratamento das amostras. O excesso de cloretos em águas pode causar danos à saúde humana, incrustações em tubulações e causar o desequilíbrio ambiental.

3.4 MÉTODOS ANALÍTICOS INSTRUMENTAIS

Acadêmico, se você pesquisar como é determinada a presença de sódio no rótulo da embalagem da garrafinha de água, que você eventualmente consome, verá que a determinação desse elemento é feita somente através de um aparelho, ou seja, esta é uma análise instrumental, pois foi utilizado um equipamento (recurso tecnológico) para a determinação de uma espécie química ou partículas.

Por definição, os métodos analíticos instrumentais são aqueles que se utilizam de recursos tecnológicos e clássicos disponíveis para realizar as determinações analíticas. As técnicas analíticas instrumentais possuem um papel fundamental, conforme explica-se em:

O ponto da titulação no qual o indicador muda de cor é denominado ponto final da titulação. Além do uso de indicadores, podem ser empregados outros meios de determinação do ponto final da titulação, sendo a potenciometria muito usada com essa finalidade.

IMPORTANTE


154

As técnicas analíticas instrumentais têm-se destacado sobremaneira nos últimos anos pelos avanços tecnológicos, tanto na montagem de sistemas analíticos mais robustos e de menor tamanho quanto no desenvolvimento de softwares de operação e tratamento de dados que otimizam o tempo de análise e de interpretação dos resultados obtidos, o que têm levado, em associação a outros fatores de mercado, a uma redução nos preços dos equipamentos de laboratório (VAZ JÚNIOR, 2010, p. 1).

Os métodos analíticos instrumentais são essenciais para a determinação

de compostos químicos de importância ambiental devido a sua especificidade e sensibilidade de detecção. Segundo Vasconcelos (2019, p. 13), “diferentes sinais são usados em medidas instrumentais, sobretudo os sinais óticos e elétricos. O instrumento deve ser capaz de fornecer uma informação observável relacionada à identidade e à composição da amostra”.

Na Figura 5, você pode observar um exemplo de laboratório de instrumentação analítica.

FIGURA 5 – LABORATÓRIO DE INSTRUMENTAÇÃO

FONTE: <encurtador.com.br/gmnN1>. Acesso em: 20 ago. 2021.

As técnicas de análise química instrumental podem ser agrupadas em três grandes áreas principais: eletroquímicos, espectroscópicos e cromatografia. Cada método caracteriza-se por suas particularidades e pelas espécies químicas de interesse (analitos) possíveis de detecção e/ou quantificação. Na Figura 6 podemos observar a subclassificação dos métodos analíticos instrumentais.


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FIGURA 6 – DIVISÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS

FONTE: Os autores

As técnicas eletroquímicas, ou eletroanalíticas, baseiam-se em processos de oxidação-redução onde as espécies eletroativas do meio oferecem resposta à aplicação de um potencial elétrico para o monitoramento da corrente elétrica, ou para a obtenção do valor do potencial do analito em comparação ao potencial de um eletrodo de referência. Destas técnicas, destacam-se a Amperometria, as Voltametrias e a Potenciometria.

Nas técnicas espectroscópicas tem-se a resposta analítica vinda da interação do analito, orgânico ou inorgânico, com a radiação eletromagnética em diferentes comprimentos de onda. Estão divididas em técnicas espectroscópicas atômicas e técnicas espectroscópicas moleculares, onde as primeiras observam o efeito da absorção da radiação por um determinado átomo e as segundas observam o efeito da absorção da radiação por uma determinada molécula ou grupamento químico. Atualmente, existe um grande número de técnicas espectroscópicas, destacando-se aquelas que têm uma maior aplicação, como: espectrofotometria de absorção na região do UV-Visível, Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho Médio com Transformada de Fourier, Espectroscopia de Absorção Atômica, Espectroscopia de Emissão Atômica, Espectroscopia de Fluorescência e Ressonância Magnética Nuclear.

As técnicas cromatográficas são, por definição conceitual e operacional, técnicas de separação as quais encontram-se acopladas às técnicas de detecção. Podem ser citadas cinco técnicas cromatográficas de largo uso em laboratórios analíticos, considerando-se os mecanismos de separação: Cromatografia de Exclusão por Tamanho, Cromatografia Iônica, Cromatografia Líquida de Partição, Cromatografia Gasosa de Partição e Cromatografia de Camada Delgada, sendo frequentemente utilizadas na quantificação de analitos diversos, tanto para fins


156

de obtenção de um resultado que expresse somente a concentração (ex.: X mg L-1, X mol L-1, X mg kg-1) quanto para a determinação de isotermas de sorção para a observação mais refinada da interação entre analito e matriz.

4 SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO

Para se definir qual técnica analítica deve-se utilizar para realizar determinada análise, existem alguns fatores que devem ser considerados, são eles:

• o analito a analisar;• quantidade de amostra disponível;• concentração do analito;• exatidão e precisão do método;• seletividade;• propriedades físicas e químicas da amostra;• número de amostras a analisar;• facilidade, rapidez e custo da análise;

Cada método possui um campo de aplicabilidade mais ou menos específico e, para que a sua utilização seja a mais adequada, é fundamental o conhecimento dos princípios dos fenômenos físicos presentes, as vantagens e, sobretudo as limitações mais relevantes de cada um deles, de forma a serem criadas as condições experimentais necessárias para a sua aplicação.

Neste tópico, vimos o que são técnicas analíticas, sua importância e aplicação no monitoramento da qualidade ambiental. Estudamos as diferenças entre as técnicas analíticas quantitativas e qualitativas. Conhecemos como são classificados os métodos analíticos e como realizar a seleção de um método. Estes conhecimentos permitem avançarmos na compreensão dos diversos aspectos relacionados a um resultado analítico.

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• As técnicas analíticas nos auxiliam a estudar, monitorar, avaliar e elaborar projetos que visam gerenciar e mitigar eventuais impactos ambientais.

• Um método é um processo específico que compreende uma sequência organizada de atividades com uma função específica.

• A análise qualitativa identifica a presença de espécies químicas em uma amostra com base em suas propriedades físicas, químicas ou biológicas.

• A análise quantitativa permite determinar a concentração dos componentes de uma amostra.

• Os métodos analíticos clássicos referem-se a um conjunto de procedimentos ou técnicas analíticas em que são utilizados recursos clássicos, não tecnológicos, geralmente simples.

• Gravimetria é o processo de obtenção da estrutura química de uma amostra via pesagem, seguindo-se os passos de reação, secagem/calcinação e pesagem.

• Titulolometria é um processo de determinação química de substâncias via análise volumétrica.

• Os métodos analíticos instrumentais são aqueles que se utilizam de recursos tecnológicos e clássicos disponíveis para realizar as determinações analíticas.

• As técnicas de análise química instrumental podem ser agrupadas em três grandes áreas principais: eletroquímicos, espectroscópicos e cromatografia.

• A escolha de um método deve levar em consideração os princípios dos fenômenos físicos presentes, as vantagens e, sobretudo as limitações analíticas.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Os poluentes são compostos químicos orgânicos, inorgânicos e organometálicos que podem ser determinados em amostras ambientais através de técnicas analíticas. Sobre as técnicas analíticas, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) As técnicas analíticas nos auxiliam a estudar, monitorar, avaliar e elaborar projetos que visam gerenciar e mitigar eventuais impactos ambientais.

b) ( ) As técnicas analíticas nos auxiliam apenas a identificar agentes poluidores a partir da detecção de atividades antrópicas.

c) ( ) As técnicas analíticas são confiáveis apenas quando realizadas através de métodos analíticos instrumentais.

d) ( ) As técnicas analíticas nos auxiliam a estudar, monitorar, avaliar e elaborar projetos que visam gerenciar e mitigar eventuais ações ambientais sustentáveis.

2 Em alguns casos, a análise qualitativa deve preceder a análise quantitativa por ser um importante guia na seleção de um método que visa determinar a concentração de uma espécie química. Com base nos conteúdos vistos sobre análises qualitativas e quantitativas, analise as sentenças a seguir:

I- A análise qualitativa identifica a presença de espécies químicas em uma amostra com base em suas propriedades físicas, químicas ou biológicas.

II- A análise quantitativa permite determinar a concentração dos componentes de uma amostra.

III- Uma espécie química somente pode ter sua concentração determinada após a realização de uma análise qualitativa.



3 Os métodos analíticos instrumentais são aqueles que se utilizam de recursos tecnológicos e clássicos disponíveis para realizar as determinações analíticas. De acordo com os conteúdos estudados sobre os métodos analíticos instrumentais, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Nas técnicas espectroscópicas tem-se a resposta analítica vinda da interação do analito, orgânico ou inorgânico, com a radiação eletromagnética em diferentes comprimentos de onda.

AUTOATIVIDADE

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( ) Cada método caracteriza-se por suas particularidades e pelas espécies biológicas de interesse que são possíveis de detectar e quantificar.

( ) As técnicas cromatográficas são técnicas de separação de compostos químicos e encontram-se acopladas às técnicas de detecção.



4 Os métodos analíticos clássicos referem-se a um conjunto de procedimentos ou técnicas analíticas em que são utilizados recursos clássicos, não tecnológicos, geralmente simples. Os métodos clássicos são largamente utilizados devido à relativa simplicidade com que são realizados e pela obtenção de resultados confiáveis. Tendo em vista a divisão dos métodos clássicos em gravimétricos e titulométricos, explique as principais definições de cada um deles.

5 A escolha de qual método analítico deve ser aplicado depende de uma série de fatores e principalmente dos recursos disponíveis. Neste contexto, cite quais são os critérios importantes de serem observados para a seleção correta de uma metodologia científica.

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UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Caro acadêmico, atualmente as análises ambientais encontram-se compreendidas em um cenário de novos compostos e serviços, sendo necessários para atendimento de exigências regulamentares e técnicas, onde há uma necessidade de otimização de recursos. As rotinas laboratoriais são complexas e a excelência técnica é um requisito essencial para a qualidade dos resultados obtidos.

Para atender às necessidades oriundas desse cenário, os laboratórios devem demonstrar que um método analítico, nas condições em que é praticado, tem as características necessárias para a garantia da confiabilidade dos resultados obtidos. Assim, os laboratórios devem dispor de meios e critérios para comprovar por meio de uma validação, que o método de ensaio que executam são confiáveis analiticamente.

A importância de estudarmos este assunto está em compreendermos os impactos que o não cumprimento dos requisitos necessários causam na garantia da confiabilidade dos resultados. Os impactos vão desde custos desnecessários, retrabalhos, riscos de mercado, riscos jurídicos até degradação ambiental e na saúde humana.

Acadêmico, neste tópico aprenderemos os principais aspectos necessários

para o desenvolvimento de métodos analíticos, assim como os parâmetros de desempenho a serem obtidos para a validação de métodos, e os principais requisitos para a qualidade dos resultados obtidos. Bons estudos!

2 DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS ANALÍTICOS

O desenvolvimento de métodos analíticos busca elaborar metodologias eficazes que realizem análises qualitativas e quantitativas em analitos de interesse. É importante o desenvolvimento de métodos analíticos eficazes e confiáveis,

TÓPICO 2 —

DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE MÉTODOS

ANALÍTICOS E CONTROLE DE QUALIDADE DOS

RESULTADOS

162


sendo fundamental o desenvolvimento de rotinas de análises que, assegurem o proposto e favoreça a implementação de métodos mais eficientes e econômicos. A Figura 7 mostra a rotina de desenvolvimento de métodos dentro dos laboratórios.

FIGURA 7 – DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS ANALÍTICOS EM LABORATÓRIO

FONTE: <encurtador.com.br/oyOP2>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Para desenvolver um novo método analítico, é importante seguir os seguintes itens:

• determinação do objetivo e matriz; • materiais e equipamentos; • reagentes e soluções; • preparo da amostra; • procedimento de análise; • validação dos resultados.

Os métodos utilizados pelos laboratórios devem atender às necessidades do cliente e serem adequados ao uso pretendido. Nos procedimentos analíticos, deve-se apresentar todas as etapas pela qual as amostras passam até a expressão dos resultados. Os métodos que são desenvolvidos ou adotados por um laboratório podem ser utilizados somente se forem previamente validados.

Para a validação de um método analítico, deve-se sempre observar as características de desempenho adequadas para atender às necessidades do cliente ou do órgão regulador. É preciso também conhecer as características química do analito de interesse e verificar a existência de interferentes antes da validação. Acadêmico, a seguir conheceremos os principais tópicos sobre a validação de métodos analíticos.

TÓPICO 2 — DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS E CONTROLE DE QUALIDADE DOS RESULTADOS

163

3 VALIDAÇÃO DE MÉTODOS ANALÍTICOS

A validação tem um papel muito importante, que é o de o de garantir a confiabilidade e qualidade do método de análise desenvolvido, bem como de seus resultados e instrumentação envolvida no procedimento. Segundo a norma NBR ISO/IEC 17025 – Requerimentos gerais de competência para Laboratórios de Ensaio e Calibração, a validação de um método analítico consiste na “comprovação, através de evidências objetivas, de que o método cumpriu os requisitos para uma aplicação ou uso específico pretendido” (ABNT, 2017, s.p).

A Norma ISO/IEC 17025:2017 é a norma internacional que trata dos requisitos para a implementação de sistemas de gestão da qualidade em laboratórios de ensaio e calibração. Essa norma estabelece que métodos normalizados utilizados fora dos escopos para os quais foram concebidos, ampliados ou modificados, métodos não normalizados e métodos criados ou desenvolvidos pelos laboratórios devem ser validados. Apesar de não tratar da necessidade de validação para métodos normalizados, a referida norma define que os laboratórios devem confirmar se têm condições para operar adequadamente os métodos normalizados antes da implantação dos ensaios.

Vários são os documentos que podem ser utilizados como referência na elaboração de procedimentos de validação intralaboratorial de métodos analíticos, embora não exista uma uniformidade sobre quais características devam ser determinadas no processo de validação. O documento orientativo DOQ-CGCRE-008 do INMETRO é a principal referência nacional. Documentos como o guia publicado pelo EURACHEM, a diretiva da União Europeia Comission Decision 2002/657/EC, que estabelece Regulamentos sobre Desempenho de Métodos e Interpretação de Resultados é uma importante referência internacional que trata da validação de métodos de ensaio.

O bom desempenho de qualquer método analítico está diretamente relacionado à qualidade das medidas instrumentais e a confiabilidade estatística dos cálculos envolvidos no seu desenvolvimento. Uma forma de garantir a qualidade dos resultados analíticos e a aplicabilidade dos métodos a serem utilizados neste projeto de pesquisa é realizar a validação da metodologia.

O objetivo fundamental da validação visa então confirmar que as caraterísticas do método satisfazem as especificações exigidas para os resultados analíticos, bem como estabelecer limites de controle a aplicar no trabalho de rotina. Na figura 8, podemos observar a rotina no tratamento de dados e validação de métodos em um laboratório.

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FIGURA 8 – TRATAMENTO DE DADOS EM UM LABORATÓRIO

FONTE: <https://shutr.bz/3zutzPQ>. Acesso em: 20 ago. 2021.

A necessidade de validar a metodologia está em demonstrar que o procedimento produz resultados confiáveis à finalidade, identificar fontes potenciais de erros e quantificá-los, determinar as características de desempenho do método, demonstrar que é possível reproduzir os resultados e reduzir custos operacionais no desenvolvimento da pesquisa. Ao empregar métodos de ensaios químicos emitidos por organismos de normalização, organizações reconhecidas na sua área de atuação ou publicados em livros e/ou periódicos de grande credibilidade na comunidade científica, o laboratório precisa demonstrar que tem condições de operar de maneira adequada estes métodos normalizados.

Um método deve ser validado quando pelo menos uma das seguintes condições for atendida:

O método não é normalizado:

• O método foi criado pelo Laboratório onde foi prestado o serviço.• O método normalizado foi utilizado fora do seu escopo para o qual foi

concebido.• O método normalizado foi modificado para atender alguma necessidade.

O método deve ser revalidado quando houver:

• Mudanças na síntese da substância ativa.• Mudanças na composição do produto acabado. • Mudanças no procedimento analítico.

A validação deve ser tão abrangente quanto for necessária para atender às necessidades de uma determinada aplicação ou campo de aplicação (INMETRO, p. 12, 2017). Tais condições para reproduzir um método normalizado baseiam-se nos seguintes parâmetros de desempenho: linearidade, exatidão, precisão, especificidade, seletividade, limite de detecção e limite de quantificação.


165

3.1 LINEARIDADE

Linearidade de um procedimento analítico é a sua habilidade, dentro de uma faixa analítica especificada, em obter resultados os quais são diretamente proporcionais à concentração do analito na amostra. A linearidade de um método pode ser observada pelo gráfico dos ensaios em função da concentração do analito ou então calculada a partir da equação da regressão linear, determinada pelo método dos mínimos quadrados. Na prática, para traçar a curva de calibração são necessários definir, no mínimo, cinco pontos, não incluindo o ponto zero da curva, para que não existam eventuais erros associados. A equação da reta que relaciona as duas variáveis é dada por:

y = a.x + b

Onde:

y = resposta medida (absorbância, altura ou área do pico etc.); x = concentração; a = inclinação da curva de calibração = sensibilidade; b = interseção com o eixo y, quando x = 0.

O coeficiente de correlação linear (R) é frequentemente usado para verificar a linearidade da curva de calibração, por estabelecer a interdependência entre sequências de dados entre o sinal medido e a concentração do padrão correspondente, enquanto o coeficiente de determinação (R2) traduz a adequabilidade do modelo linear aos valores experimentais, ou seja, a variabilidade explicada pelo modelo. A maioria dos equipamentos de detecção existentes estabelece a sua faixa dinâmica linear. É necessário, entretanto, verificar até que ponto a faixa de concentração do analito coincide com a faixa dinâmica linear e assegurar que nenhum outro fenômeno tenha impacto indesejável na resposta.

3.2 EXATIDÃO E PRECISÃO

É um termo qualitativo que expressa o grau de concordância entre um valor medido e um valor de referência de um mensurando. Os processos normalmente utilizados para avaliar a exatidão de um método são, entre outros: uso de materiais de referência, participação em comparações interlaboratoriais e realização de ensaios de recuperação. A exatidão, quando aplicada a uma série de resultados de ensaio, implica numa combinação de componentes de erros aleatórios e sistemáticos.

Precisão é um termo geral para avaliar a dispersão de resultados entre ensaios independentes, repetidos de uma mesma amostra, amostras semelhantes ou padrões, em condições definidas, ou seja, é o grau de concordância entre indicações ou valores medidos, obtidos por medições repetidas. Representa

166


a dispersão dos resultados das medições. É normalmente determinada para circunstâncias específicas de medição e as duas formas mais comuns de expressá-la são por meio da repetitividade e a reprodutibilidade, sendo usualmente expressas pelo desvio-padrão. Ambas repetitividade e reprodutibilidade, são geralmente dependentes da concentração do analito e, deste modo, devem ser determinadas para um diferente número de concentrações e, em casos relevantes, a relação entre precisão e a concentração do analito deve ser estabelecida.

3.3 ESPECIFICIDADE E SELETIVIDADE

Uma amostra, de maneira geral, consiste dos analitos a serem medidos, da matriz, e de outros componentes que podem ter algum efeito na medição, mas que não se quer quantificar. A especificidade e a seletividade estão relacionadas ao evento da detecção. Um método que produz resposta para apenas um analito é chamado específico.

A seletividade é o grau em que o método pode quantificar o analito na presença de outros analitos, matrizes ou de outro material potencialmente interferente. Um método produz respostas para vários analitos, mas que pode distinguir a resposta de um analito da de outros, é chamado seletivo.

3.4 LIMITE DE DETECÇÃO E QUANTIFICAÇÃO

O Limite de detecção (LD) de um procedimento analítico individual é a menor quantidade de analito na amostra que pode ser detectada, mas não necessariamente quantificada sob as condições estabelecidas para o ensaio. O limite de detecção de uma amostra pode variar em função da matriz da amostra, e deve-se levar em consideração o menor valor de concentração do analito que pode ser detectado pelo método.

Limite de quantificação (LQ) de um procedimento analítico individual

é a menor quantidade do analito na amostra que pode ser quantitativamente determinada, com precisão e exatidão aceitáveis. Na prática, corresponde normalmente a menor concentração do padrão de calibração utilizado para realização dos testes da curva de calibração. Após a determinação do limite de quantificação é necessário testar com amostras independentes no mesmo nível de concentração para averiguar se a recuperação, tendência e precisão conseguidas são satisfatórias.


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4 CONTROLE DE QUALIDADE DOS RESULTADOS Na grande maioria das vezes, as análises ambientais são realizadas para

atendimento de legislações e solicitações de órgãos ambientais, que requerem um alto nível de confiabilidade nos resultados obtidos. O controle de qualidade dentro das análises laboratoriais refere-se a um conjunto de ações que visam proporcionar maior segurança na qualidade dos resultados. Além da validação dos métodos utilizados, existem alguns processos que devem ser seguidos para garantir o controle de qualidade laboratorial. Os resultados podem ser afetados por duas perspectivas diferentes:

• Qualidade analítica dos ensaios.• Competência e conforto dos funcionários envolvidos no processo.

Questões ergonômicas, de controle de temperatura, controle de qualidade interna do ar, padrões analíticos referenciados, vidrarias e equipamentos calibrados, conforto acústico, iluminação e eficiência energética são apenas alguns dos fatores que influenciam diretamente cada tipo de ensaio. Com o objetivo de monitorar a influência desses fatores na qualidade dos resultados analíticos, utiliza-se ferramentas da qualidade que auxiliam a monitorar todas as etapas de cada ensaio, tendo assim a rastreabilidade de todos os resultados. A seguir, conheceremos um pouco sobre as principais ferramentas de qualidade.

• Ensaios de proficiência (interlaboratoriais): Compara o desempenho do laboratório em análises específicas, com outros laboratórios do mesmo nível tecnológico. Em geral, os interlaboratoriais são conduzidos por instituições renomadas como CEDAE, SENAI, ABES e Rede Metrológica RS visando a retidão do processo;

• Carta Controle: tem o objetivo de acompanhar cada método de análise através de um gráfico que aponta as tendências e variações fora do comum, possibilitando assim prever um problema antes que ele ocorra e já tomar as ações necessárias.

• Duplicatas: consiste na confirmação de um resultado a partir da repetição da análise. Através dela validamos o método de ensaio e avaliamos a precisão dos resultados.

• Brancos de Análise: consiste na água e todos os reagentes que normalmente estarão em contato com a amostra durante o procedimento analítico. Sua finalidade é ter o controle sobre todas as amostras analisadas. Caso haja alguma contaminação em algum branco, é possível tomar decisões sobre o que deverá ser feito.

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Para a realização do controle de qualidade devem ser utilizados materiais de referência e materiais de referência certificados para a calibração, validação de metodologias, verificação de medições, avaliação da Incerteza de Medição e para fins de treinamento. O uso de materiais de referência apropriados pode propiciar rastreabilidade essencial e permitir que os analistas demonstrem a precisão dos resultados.

IMPORTANTE

Sendo assim, o uso de todas as ferramentas da qualidade tem como objetivo, resultados mais confiáveis, monitoramento e rastreabilidade de todas as etapas analíticas e obter maior confiabilidade da área técnico e comercial, atendendo, assim, à expectativa dos clientes e dos órgãos regulamentadores.

Acadêmico, neste tópico, foi possível compreender os principais aspectos relacionados ao desenvolvimento de um método analítico, assim como os parâmetros de desempenho a serem observados na validação de um método. Ambos os temas, somados às ferramentas utilizadas para controle de qualidade em um laboratório, são essenciais para a garantia da qualidade dos resultados obtidos.

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RESUMO DO TÓPICO 2


• O desenvolvimento de métodos analíticos busca elaborar metodologias eficazes que realizem análises qualitativas e quantitativas em analitos de interesse às necessidades do cliente e que sejam adequados ao uso pretendido.

• Os métodos que são desenvolvidos ou adotados por um laboratório podem ser utilizados somente se forem previamente validados.

• A validação deve garantir a confiabilidade e qualidade do método de análise desenvolvido, bem como de seus resultados e instrumentação envolvida no procedimento.

• A Norma ISO/IEC 17025:2017 é a norma internacional que trata dos requisitos para a implementação de sistemas de gestão da qualidade em laboratórios de ensaio e calibração.

• O bom desempenho de qualquer método analítico está diretamente relacionado a qualidade das medidas instrumentais e a confiabilidade estatística dos cálculos envolvidos no seu desenvolvimento.

• Os parâmetros de desempenho de uma validação analítica são linearidade, exatidão, precisão, especificidade, seletividade, limite de detecção e limite de quantificação.

• O limite de detecção (LD) refere-se a menor quantidade de analito na amostra que pode ser detectada, mas não necessariamente quantificada sob as condições estabelecidas para o ensaio.

• O limite de quantificação (LQ) refere-se a menor quantidade do analito na amostra que pode ser quantitativamente determinada, com precisão e exatidão aceitáveis.

• Os resultados podem ser afetados tanto pela qualidade analítica dos ensaios, quanto pela competência e conforto dos funcionários envolvidos no processo.

• As ferramentas da qualidade auxiliam a monitorar todas as etapas de cada ensaio, tendo assim a rastreabilidade de todos os resultados.

• As principais ferramentas da qualidade utilizadas são: ensaios de proficiência, carta controle, duplicatas e brancos de análise.

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1 Os métodos analíticos seguem metodologias eficazes para realizar análises qualitativas e quantitativas em analitos de interesse. Um método deve ser validado conforme o seu uso e desenvolvimento. Com base nos conhecimentos aprendidos sobre a validação analítica, analise as sentenças a seguir:

I- Um método criado por um laboratório prestador de serviços deve ser validado.

II- Um método utilizado fora do escopo para o qual foi concebido deve ser validado.

III- Um método que sofreu modificações para atender alguma necessidade deve ser validado.



2 A validação tem o papel importante de garantir a confiabilidade e qualidade do método de análise desenvolvido, bem como de seus resultados e instrumentação envolvida no procedimento. Sobre os objetivos da validação, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Os laboratórios devem demonstrar que os métodos utilizados atendem aos critérios de aceitação para os parâmetros de calibração, incerteza, repetição, diluição, limite de quantificação e de detecção.

b) ( ) Os laboratórios devem demonstrar que os métodos utilizados atendem a toda a extensão necessária de aplicação e os parâmetros de validação são optativos conforme a necessidade do método.

c) ( ) Os laboratórios devem demonstrar que os métodos utilizados atendem aos critérios de aceitação para os parâmetros de recuperação, precisão em toda a faixa de trabalho, limite de quantificação e de detecção.

d) ( ) Os laboratórios devem demonstrar que os métodos utilizados são normalizados e verificam a competência do laboratório através de parâmetros de validação feitos externamente.

3 O desenvolvimento de um método analítico, a adaptação ou implementação de um método conhecido, deve envolver o processo de avaliação de sua eficiência na rotina do laboratório. Esse processo costuma ser denominado de validação. De acordo com os conteúdos estudados sobre os parâmetros de validação, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

AUTOATIVIDADE

171

( ) Linearidade é capacidade de um método analítico obter resultados que são diretamente proporcionais à concentração do analito na amostra.

( ) Limite de detecção refere-se a menor quantidade de analito na amostra que pode ser detectada, mas não necessariamente quantificada sob as condições estabelecidas para o ensaio.

( ) Limite de quantificação refere-se a menor quantidade do analito na amostra que pode ser qualitativamente determinada com precisão e exatidão aceitáveis.



4 O controle de qualidade dentro das análises laboratoriais refere-se a um conjunto de ações que visam proporcionar maior segurança na qualidade dos resultados. Quais são os principais fatores que podem influenciar na qualidade dos resultados analíticos?

5 As ferramentas de qualidade têm por objetivo auxiliar a monitorar a qualidade de todas as etapas de cada ensaio, fornecendo a rastreabilidade de todos os insumos utilizados e garantindo a confiabilidade dos resultados obtidos. Explique com suas palavras quais são as principais ferramentas de qualidade.

173

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

As análises ambientais são ferramentas essenciais dentro dos processos de gestão ambiental. Por meio de métodos analíticos, são obtidos resultados que dão suporte para conhecermos a realidade, para tomadas de decisão e para planejamento estratégico de empresas, instituições e órgãos governamentais.

Acadêmico, vimos anteriormente alguns aspectos referentes aos parâmetros de validação e controle de qualidade que garantem a confiabilidade dos resultados experimentais obtidos e agora veremos como interpretar analiticamente esses resultados, como apresentá-los e quais aspectos devem ser levados em consideração nessa análise. A interpretação de resultados experimentais na área ambiental é de extrema importância pois impacta diretamente na determinação do nível de qualidade de solos, águas e ar.

Portanto, no Tópico 3, abordaremos alguns aspectos referentes à apresentação dos resultados como precisão, instrumentos de medidas, medição de grandezas e apresentação de resultados. Também falaremos sobre erros aleatórios, sistêmicos e grosseiros em química analítica e os principais aspectos referentes a incerteza de resultados. Bons estudos!

2 INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS

A interpretação e a análise dos resultados experimentais são feitas a partir do levantamento e registro corretos dos dados obtidos. Para isso, precisamos estar atentos a alguns elementos que são muito importantes para a apresentação de um resultado, por exemplo: a precisão das medidas, os instrumentos de medidas, a medição das grandezas e a apresentação dos resultados. A Figura 9 exemplifica as possibilidades de ensaios envolvidos na interpretação de resultados analíticos na rotina de um laboratório.

TÓPICO 3 —

INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E

ERROS EM QUÍMICA ANALÍTICA

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FIGURA 9 – INTERPRETAÇÃO DE RESULTADOS

FONTE: <https://bit.ly/38qiRhy>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Acadêmico, vimos que nenhuma medida de qualquer grandeza física é exata. A exatidão e a precisão (número de algarismos significativos do valor medido) de um certo dado medido estarão sempre limitadas tanto pela sofisticação do equipamento utilizado, pela habilidade do sujeito que realiza a medida, pelos princípios físicos básicos, tanto do instrumento de medida quanto do fenômeno, que gerou o experimento e o conhecimento que se tem sobre o valor "verdadeiro" da grandeza física.

Deste modo, para interpretar resultados experimentais é preciso prestar especial atenção às unidades. O sistema mais utilizado atualmente pelos cientistas é o chamado Sistema Internacional, abreviado por SI. Um resultado experimental deve ser expresso através de algarismos e unidades.

Note que ter um instrumento preciso, que faça leituras de temperatura como 20,01 °C, não implica em que ele seja mais exato que aquele que mede 19 °C. Mesmo sem números decimais, este pode ser mais preciso que aquele. Em palavras, é necessário que o instrumento seja coerente com o experimento que se realiza.

DICAS

TÓPICO 3 — INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ERROS EM QUÍMICA ANALÍTICA

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Os algarismos indicam o erro ou incerteza de um resultado, enquanto as unidades especificam o que está sendo medido. Na Tabela 1, apresentamos as principais unidades de base do Sistema Internacional de Unidades.

TABELA 1 – UNIDADES DE BASE DO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/3DuFf7B>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Além das unidades de medida, os dados experimentais por vezes passam por arredondamento de números, são aplicadas as regras dos algarismos significativos, passam também pela ordem de grandeza e notação científica e possuem erros e incertezas associadas ao dado obtido experimentalmente. Os instrumentos de medida mais utilizados fornecem os resultados em forma de comprimento, massa, volume, tempo, intensidade e comprimento de onda. Os resultados geralmente são apresentados em relatórios em forma de gráficos e tabelas para facilitar a interpretação.

3 OS ERROS NA QUÍMICA ANALÍTICA

No cotidiano, dentro dos laboratórios, é possível identificarmos a ocorrência de erros que podem aparecer em todo o processo: desde a amostragem até o relatório final com os resultados. O objetivo de estudarmos os tipos de erros em química analítica é assegurar a qualidade através da prevenção e minimização das causas de erros. Segundo o Guia EURACHEM/CITAC (2002, p. 12): Determinando a Incerteza nas Medições Analíticas, podemos definir erro “como a diferença entre um resultado individual e o valor verdadeiro do mensurando. Desta forma, o erro é um valor único. A princípio, o valor de um erro conhecido pode ser aplicado como uma correção ao resultado”. Sendo assim, um erro possui dois componentes: um componente aleatório e um componente sistemático.

Grandeza de base Unidade de baseNome Nome Símbolo

Comprimento Metro mMassa quilograma kgTempo segundo s

Corrente elétrica ampere ATemperatura termodinâmica kelvin K

Quantidade de substância mol molIntensidade luminosa candela cd

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Acadêmico, é importante ressaltarmos que o erro é um conceito idealizado e não pode ser conhecido exatamente.

IMPORTANTE

Vimos anteriormente que a utilização de cartas controle e parâmetros da qualidade contribuem para monitorar a estabilidade de um procedimento analítico, principalmente em relação à exatidão e precisão. Os principais tipos de erros encontrados na química analítica são os aleatórios, sistemáticos e grosseiros. Na Figura 10, podemos observar no “alvo A” um exemplo de erro aleatório e no “alvo B” um exemplo de erro sistemático. Conheceremos suas características e causas nos tópicos a seguir.

FIGURA 10 – ERRO ALEATÓRIO E ERRO SISTEMÁTICO

FONTE: Os autores

3.1 ERROS ALEATÓRIOS

O erro aleatório é um erro analítico positivo ou negativo, normalmente gerado por variações imprevisíveis de grandezas que influenciam no resultado da análise. Esses efeitos aleatórios dão origem a variações em observações repetidas do analito mensurado. O erro aleatório de um resultado analítico não pode ser compensado, mas pode ser reduzido, através da otimização das atividades operacionais ou instrumentais e pelo aumento do número de repetições de procedimento analítico.


177

3.2 ERROS SISTEMÁTICOS

O erro sistemático pode ser definido como um componente de erro que, no decorrer de um número de análises do mesmo procedimento, permanece constante ou varia de uma forma previsível. Ele é independente do número de medições feitas e não pode ser reduzido pelo aumento do número de análises sob condições de medição constantes. Sendo assim, os erros sistemáticos são constantes e o resultado de uma medição deve ser corrigido considerando os efeitos sistemáticos significativos reconhecidos.

Um exemplo de erro sistemático que pode ocorrer em um ensaio laboratorial é quando ocorre um aumento gradual na temperatura de um conjunto de amostras durante uma análise química, fator que pode levar a mudanças progressivas no resultado. Outro exemplo comum, são equipamentos como sensores e sondas que apresentam desgaste ao longo do período de um experimento podem também introduzir erros sistemáticos não constantes.

3.3 ERROS GROSSEIROS

Os resultados analíticos também estão sujeitos a erros grosseiros que podem gerar um grande desvio nos resultados. Os erros grosseiros são aqueles provocados por falha humana ou por mau funcionamento de equipamentos e instrumentos de medida. Por exemplo, trocar os dígitos de um registrar um dado, uma bolha de ar alojada na célula de fluxo de um espectrofotômetro, preparo incorreto de padrões, erros nos cálculos, desvio dos procedimentos prescritos ou, até mesmo, a contaminação cruzada acidental de itens a serem ensaiados.

Equipamentos e sistemas de medição são geralmente ajustados ou calibrados, utilizando-se padrões de medição e materiais de referência para se corrigir efeitos sistemáticos. As incertezas associadas a esses padrões e materiais e a incerteza associada à própria correção devem também ser levadas em consideração.

ATENCAO

A ocorrência dos erros grosseiros não pode ser detectada por ensaios dos materiais de controle.

IMPORTANTE

178


3.4 CAUSAS DOS ERROS

As principais causas dos erros em análises podem ser separadas em:

• Erros relacionados a amostra: amostragem feita incorretamente, preservação de amostras inadequada, contaminação externa, armazenamento em frasco incorreto, amostra após o prazo de início de análise, exposição à luz solar, troca de amostras, erros de diluição, entre outros.

• Erros relacionados ao reagente: reagentes e solventes sem grau de pureza adequada, armazenamento incorreto, validade vencida, preparo incorreto de soluções, reagentes concentrados por evaporação, entre outros.

• Erros relacionados ao material de referência e calibração: interferentes e impurezas no material, erro de preparo, erro de cálculo, mudança na concentração durante armazenamento, uso de materiais fora da validade, homogeneização insuficiente, entre outros.

• Erros relacionados ao método: desvio do procedimento analítico, erros de cálculo de diluições e preparo, desconsiderar a faixa de trabalho do método, desconsiderar o limite de detecção ou de quantificação, não utilizar brancos de reagentes e amostras, entre outros.

• Erros relacionados aos equipamentos e instrumentos: ajustes incorretos de equipamentos, ausência de verificação da qualidade, falta de manutenção, interferências físicas, faixa incorreta de leitura, leitura instável devido a problemas elétricos, sujeira, entre outros.

• Erros relacionados a falha humana: erros de leitura, troca de dados, enganos nos registros, não considerar fator de diluição, erros de cálculos, interpretação de dados incorretamente, omissão de um resultado, ignorar situações fora de controle, designar uma faixa incorreta de valores de referência, entre outros.

4 INCERTEZA DE RESULTADOS

A incerteza de medição caracteriza a faixa de valores dentro da qual o valor real deve se situar, com um nível de confiança especificado. Cada medida possui uma incerteza a ela associada, resultante de erros originados dos vários estágios de amostragem e análise, e do conhecimento imperfeito de fatores afetando o resultado. Para que as medidas sejam de valor prático, é necessário ter algum conhecimento de sua confiabilidade ou incerteza. Uma declaração da incerteza associada a um resultado transmite ao cliente a “qualidade” do resultado. A incerteza de medição de um laboratório pode ser solicitada em circunstâncias especificas, por exemplo, quando ela for relevante para interpretação do resultado do ensaio (o que é muitas vezes o caso).

Uma declaração de incerteza é uma estimativa quantitativa dos limites, dentro dos quais o valor de um mensurando (tal como uma concentração de analito) é previsto se situar. A incerteza pode ser expressa como um desvio-padrão ou um múltiplo calculado do desvio-padrão. Na obtenção ou estimativa


179

da incerteza relativa a um método e analito específico, é essencial assegurar que a estimativa considere explicitamente todas as fontes possíveis de incerteza, e avalie componentes significativos.

A principal tarefa na atribuição de um valor para a incerteza de uma medição é a identificação das fontes relevantes de incerteza e a atribuição de um valor a cada contribuição significativa. As contribuições distintas precisam ser então combinadas, para então de fornecerem um valor global. Tipicamente, as contribuições da incerteza para resultados analíticos podem incidir em quatro grupos principais:

• Contribuições da variabilidade aleatória de curta duração, tipicamente estimada a partir de experimentos de repetitividade.

• Contribuições, tais como: efeitos do operador, incerteza de calibração, erros de escala graduada, efeitos do equipamento e do laboratório, estimativas a partir dos experimentos de reprodutibilidade entre laboratórios, intercomparações internas, resultados de ensaios de proficiência ou por julgamento profissional.

• Contribuições fora do escopo dos ensaios interlaboratoriais, tais como incerteza dos materiais de referência.

• Outras fontes de incerteza, tais como: variabilidade da amostragem (falta de homogeneidade), efeitos de matriz e incerteza sobre hipóteses subjacentes (tais como hipóteses sobre integridade da derivatização).

Acadêmico, de maneira geral, o valor da incerteza não pode ser usado para corrigir o resultado de uma medição.

IMPORTANTE

180

RESUMO DO TÓPICO 3


• Para a interpretação dos dados, deve-se levar em consideração a precisão das medidas, os instrumentos de medidas, a medição das grandezas e a apresentação dos resultados.

• A exatidão e a precisão dependem do equipamento utilizado, da habilidade do sujeito que realiza a análise, pelos princípios físicos básicos tanto do instrumento de medida quanto do fenômeno que gerou o experimento e do conhecimento sobre a grandeza física.

• Um dado experimental tem sempre associado a ele uma unidade de medida do Sistema Internacional.

• Os instrumentos de medida mais utilizados são comprimento, massa, volume, tempo, intensidade, comprimento de onda e área.

• Erro em química analítica refere-se à diferença entre um resultado individual e o valor verdadeiro do mensurando.

• O erro aleatório é um erro analítico positivo ou negativo, normalmente gerado por variações imprevisíveis de grandezas que influenciam no resultado da análise.

• O erro sistemático pode ser definido como um componente de erro que, no decorrer de um número de análises do mesmo procedimento, permanece constante ou varia de uma forma previsível.

• O erro grosseiro é aquele provocado por falha humana ou por mau funcionamento de equipamentos e instrumentos de medida.

• As principais causas de erros em análises são relacionados à amostra, ao reagente, ao material de referência e calibração, ao método, aos equipamentos e instrumentos, à falha humana.

• A incerteza de medição caracteriza a faixa de valores dentro da qual o valor real deve se situar, com um nível de confiança especificado.

• Cada resultado possui uma incerteza a ele associado, resultante de erros originados dos vários estágios de amostragem e análise.

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AUTOATIVIDADE

1 Para a interpretação de resultados experimentais, deve-se levar em consideração a precisão das medidas, os instrumentos de medidas, a medição das grandezas e a forma de apresentação dos dados obtidos. Com base no conteúdo estudado, analise as seguintes sentenças:

I- Os resultados somente podem ser expressos em forma de tabelas e gráficos.

II- Os instrumentos de medida mais utilizados são comprimento, massa, volume, tempo, área, pressão, pHmetro, sonda e termômetro.

III- Um dado experimental tem sempre associado a ele uma unidade de medida do Sistema Internacional.


a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas. d) ( ) Somente a sentença III está correta.

2 Os resultados experimentais estão sujeitos a vários tipos de erros, por mais padronizado e criterioso seja o procedimento analítico utilizado, e por maior que seja a qualidade dos insumos e instrumentos envolvidos. De acordo com os conteúdos estudados sobre os tipos de erros analíticos, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O erro grosseiro é aquele provocado por falha humana ou por mau funcionamento de equipamentos e instrumentos de medida.

( ) O erro aleatório é um erro analítico negativo, normalmente gerado por variações na ações operacionais de grandezas que influenciam no resultado da análise.

( ) O erro sistemático é aquele que no decorrer de um número de análises do mesmo procedimento, permanece constante ou varia de uma forma previsível.



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3 Em uma análise química, é necessário ter muita atenção em cada passo que será realizado para minimizar as fontes de erros que comprometam a qualidade e confiabilidade dos resultados experimentais obtidos. Sobre as causas dos erros analíticos, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) As principais causas de erros em análises são sempre relacionadas à infraestrutura inadequada para a realização dos ensaios e pela utilização de materiais de referência certificados.

b) ( ) As principais causas de erros em análises são sempre relacionadas a amostra, ao reagente, ao material de referência e calibração, ao método, aos equipamentos e instrumentos, a falha humana.

c) ( ) As principais causas de erros em análises são relacionadas a amostra, principalmente durante a amostragem que não representa uma parcela do todo que está sendo analisado.

d) ( ) As principais causas de erros em análises são sempre relacionadas aos equipamentos e instrumentos que não emitem resultados confiáveis e necessitam de verificação constante da incerteza.

4 A incerteza de medição é uma parte essencial para a interpretação de resultados, pois é dentro da faixa estipulada pela incerteza calculada que se encontra o verdadeiro valor ou o valor apropriado de um mensurando. Considerando os conteúdos estudados sobre a incerteza de medição, explique quais são as principais contribuições analíticas que formam a incerteza de medição.

5 Os erros grosseiros podem em grande parte terem sua incidência reduzida através da prática do profissional, evitando assim um grande desvio nos resultados que geralmente não podem ser percebidos através da carta controle de qualidade. Diante dos conteúdos aprendidos sobre os erros grosseiros, cite suas principais causas.

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UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Caro acadêmico, estudamos nos tópicos anteriores os aspectos gerais das análises químicas que garantem a confiabilidade dos resultados obtidos. A partir de agora, veremos a relação dos conteúdos estudados anteriormente com os seus aspectos ambientais. O controle e o monitoramento ambiental requerem o uso de procedimentos que possam abranger o maior número possível de amostras, a um baixo custo, para se ter o maior conhecimento possível da realidade do local foco do estudo.

É através da determinação de resultados confiáveis que o Engenheiro Ambiental poderá definir os caminhos a serem seguidos na sua prática profissional. Por este motivo, conhecer o caminho seguido para a determinação de um resultado experimental e todas as variáveis, erros e incertezas associadas a esse processo é essencial para a sua aplicação no monitoramento e qualidade ambiental.

Atualmente, os compostos orgânicos e os metais pesados constituem os maiores agentes de poluição ambiental. Deste modo, focaremos nossos olhares a estudar esses dois grupos de substâncias e a forma como elas são de fato determinadas experimentalmente. A lixiviação e solubilização de resíduos sólidos também são de extrema importância por permitirem avaliar a transferência de substâncias inorgânicas e orgânicas presentes na composição desses materiais para o meio ambiente.

Portanto acadêmico, neste tópico, abordaremos as aplicações analíticas na poluição ambiental de águas, ar, solos e resíduos sólidos. Veremos como são obtidos os resultados experimentais através da determinação de compostos orgânicos, metais e outros parâmetros clássicos que são indicativos da qualidade das matrizes ambientais. Aprenderemos também sobre o procedimento para a obtenção de lixiviado em resíduos sólidos e suas implicações ambientais. Bons estudos!

TÓPICO 4 —

APLICAÇÕES ANALÍTICAS EM POLUIÇÃO AMBIENTAL:

ANÁLISE DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS, DE

AR, SOLO E DE RESÍDUOS SÓLIDOS

184

2 ANÁLISES DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS

A qualidade das águas subterrâneas e superficiais dependem de processos físicos, químicos e biológicos que determinam a variedade e concentração de substâncias presentes na água. A atividade humana, através da carga poluidora doméstica e industrial de origem rural e urbana, também influencia na qualidade das águas.

O monitoramento da qualidade das águas subterrâneas e superficiais serve como uma ferramenta que permite o conhecimento mais aprofundado destes recursos naturais. A utilização de análises químicas é uma ferramenta que auxilia na tomada de decisão dos órgãos gestores e empresas, subsidiando informações para o planejamento, desenvolvimento e proteção dos recursos hídricos.

Caro acadêmico, veremos como ocorre a determinação experimental de alguns parâmetros clássicos de qualidade de águas, a determinação de compostos orgânicos e a determinação de metais.

2.1 DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS CLÁSSICOS DE QUALIDADE DE ÁGUAS

Os parâmetros clássicos que trataremos neste item como indicadores de qualidade da água são cor e turbidez. A determinação da intensidade da cor da água tem por princípio a comparação visual da amostra com um padrão de cobalto-platina, sendo o resultado fornecido em unidades de cor, também chamadas mg Pt Co/L. As águas apresentam, em geral, intensidades de cor variando de 0 a 200 unidades.

O método mais utilizado é o colorimétrico. Esse método consiste na utilização de um colorímetro portátil. O primeiro passo do procedimento é a verificação do equipamento com padrões analíticos. Depois, insere-se no colorímetro uma cubeta com amostra e realiza-se a leitura, conforme orientações do fabricante. O resultado é o valor lido no equipamento. Caso o valor esteja fora da faixa do equipamento é necessário realizar uma diluição. Os possíveis

Acadêmico, veremos alguns métodos para determinação de analitos em laboratório, porém existem outros métodos e técnicas que também podem ser utilizadas para a mesma finalidade. O objetivo é trazer conhecimento sobre alguns procedimentos analíticos usuais, mas cada laboratório pode desenvolver e validar seus próprios procedimentos experimentais.

IMPORTANTE

185

interferentes dessa análise são materiais em suspensão, vidraria suja e bolhas de ar. Na Figura 11, podemos observar o momento de determinação da cor de uma amostra em um colorímetro.

FIGURA 11 – DETERMINAÇÃO DE COR

FONTE: <https://bit.ly/3hkowKE>. Acesso em: 20 ago. 2021.

A turbidez é um parâmetro caracterizado pela medição óptica da luz dispersa, resultante da interação entre a luz incidente e um material com partículas em suspensão. É expressa como unidade nefelométrica de turbidez (NTU – Nephelometric Turbidity Unity). A determinação da turbidez é feita de forma similar a determinação de cor, porém usa-se um equipamento chamado de turbidímetro. Esta análise indica a possível presença de argila, silt, substâncias orgânicas ou inorgânicas finamente divididas, plâncton e algas. Indicando, por exemplo, o risco de entupimentos de filtros e tubulações.

2.2 DETERMINAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS

A determinação de compostos orgânicos em águas subterrâneas e superficiais é essencial para a detecção de substâncias poluidoras provenientes da ação antrópica. Por definição, os compostos orgânicos são aqueles formados por cadeias de átomos de carbono ligados entre si ou a outros elementos químicos.

São exemplos de compostos orgânicos os derivados do petróleo (como a gasolina e o óleo diesel), o etanol, os biocombustíveis, polímeros (sintéticos e naturais), medicamentos, solventes, cosméticos, inseticidas, venenos, entre outros milhares de produtos que possuem em sua composição compostos orgânicos. Existem diversos métodos analíticos que permitem detectar os compostos orgânicos em uma amostra e cada um deles possui características, limitações

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e instrumentos diferentes. Os equipamentos mais utilizados nos laboratórios ambientais são os cromatógrafos gasosos acoplados à espectrometria de massas. Na Figura 12, tem-se um cromatógrafo gasoso.

FIGURA 12 – CROMATÓGRAFO GASOSO

FONTE: <https://bit.ly/3A4Ufa7>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Os métodos para determinação de compostos orgânicos são geralmente baseados em métodos analíticos da Agência Norte Americana do Meio Ambiente (Environmental Protection Agency – EPA), que é uma das principais fontes mundiais de referência metodológica para análises ambientais. Na etapa inicial do procedimento analítico, a amostragem, é coletado 1 litro de amostra em frasco âmbar e refrigerado a cerca de 4 °C em ausência de luz. Preservantes – como cloreto de sódio e ácido clorídrico – podem ser adicionados para evitar a degradação química ou microbiológica dos analitos.

No laboratório, o volume de 1L de amostra é passado por um cartucho de fase orgânica C18 quimicamente ligada, que levará à extração sólido-líquido (SPE – Solid Phase Extraction), com os analitos sendo retidos na fase sólida. Posteriormente, os analitos são eluídos com o uso de solventes orgânicos (mistura de acetato de etila e cloreto de metileno) e concentrados por evaporação dos solventes até o volume mínimo possível para a injeção no cromatógrafo (automática ou manual). Essa etapa é conhecida como a etapa de concentração dos analitos e de limpeza, por ficar retido no cartucho C18 apenas os analitos com maior afinidade química.

Por fim, os analitos são separados em coluna capilar de sílica fundida (fase estacionária), utilizando-se um gás de arraste, como o hélio, como a fase móvel. Em seguida, são detectados e quantificados por um espectrômetro de massas que mede a razão m/z, comparando os tempos de retenção e intensidades medidos com os valores da curva de calibração, sob as mesmas condições de medida. Os resultados aparecem no equipamento através de cromatogramas, conforme mostrado na Figura 13.

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FONTE: <https://bit.ly/2Xcf8lA>. Acesso em: 20 ago. 2021.

2.3 DETERMINAÇÃO DE METAIS EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E SUPERFICIAIS

A determinação de metais em águas geralmente é feita em laboratórios através de um equipamento chamado ICP-OES (espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado). O princípio desta técnica envolve a medida da radiação emitida quando átomos e íons excitados por radiação de um plasma retornam ao estado fundamental. A principal característica do ICP é ser multielementar. Portanto, pode ser aplicado na análise de muitos elementos metálicos, em concentrações abaixo de µg L-1. Os principais metais analisados são: alumínio, antimônio, arsênio, bário, berílio, cádmio, cálcio, chumbo, cobalto, cobre, cromo, ferro, magnésio, manganês, mercúrio, níquel, potássio, prata, selênio, sódio, telúrio, vanádio e zinco.

Os íons produzidos por um plasma indutivamente acoplado, no comprimento de onda da radiofrequência, são medidos por um espectrômetro de massas. As espécies dos átomos de interesse presentes no meio aquoso são nebulizadas, e o aerossol resultante é transportado para dentro da chama do plasma, tendo-se o argônio de alta pureza (99,99%) como o gás de arraste. Na Figura 14, podemos observar um equipamento ICP-OES.

FIGURA 13 – CROMATOGRAMA

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FONTE: Adaptada de <https://www.impact-solutions.co.uk/icp-oes/>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Os íons produzidos em alta temperatura são transportados pelo gás e introduzidos no espectrômetro de massas. Esses íons produzidos no plasma são classificados de acordo com sua razão massa/carga (m/z) e quantificados com um sistema multiplicador de elétrons. Os dados obtidos são analisados e as concentrações dos metais são fornecidas em mg/L.

3 ANÁLISES DE AR

As análises do ar seguem procedimentos técnicos específicos que têm como objetivo a determinação da qualidade do ar. A análise ar é obrigatória para todos os ambientes de uso público e coletivo compostos de equipamentos de climatização. Também é realizada em centros urbanos para monitoramento da poluição atmosférica. Um grupo de compostos em específico analisado no ar são os compostos orgânicos voláteis. Estudaremos sua determinação experimental no item a seguir.

FIGURA 14 – ESPECTROMETRO DE EMISSÃO ÓTICA COM PLASMA INDUTIVAMENTE ACOPLA-DO EM FUNCIONAMENTO

Para a determinação de metais recomenda-se o uso de frascos de polietileno para a amostragem e estocagem das amostras, com a adição de ácido nítrico como conservante, até que se alcance um valor do pH < 2.

DICAS

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Acadêmico, veremos, neste tópico, como é realizada a digestão ácida de solos e resíduos sólidos e como ocorre o processo de lixiviação em laboratório para a realização de análises.

3.1 DETERMINAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS

O uso da cromatografia gasosa para separação, seguida da espectrometria de massas para a quantificação, permite a análise de um grande número de compostos que possuam ponto de ebulição compreendido entre -23,7 °C e 240 °C e pressão de vapor entre 380 mmHg e 0,22 mmHg, os quais são conhecidos como VOCs (volatile organic compounds). São considerados compostos orgânicos voláteis os aldeídos e cetonas, ésteres e éteres, benzeno, tolueno, etilbenzeno, acetona, diclorometano, xilenos, entre muitos outros. Esses compostos são os principais poluentes do ar atmosférico.

A amostra de ar é coletada por um sistema de compressão dos componentes gasosos, com a regulação da velocidade e da duração da amostragem. Terminada a amostragem, o recipiente de aço é fechado e encaminhado para a análise em laboratório. Para a análise, a amostra é passada através de um recipiente preenchido com material multissorbente para a concentração, o qual segue para a dessorção térmica, por meio da passagem do gás de arraste (hélio de alta pureza) a uma temperatura superior à do ponto de ebulição dos analitos. O gás de arraste, contendo os analitos, é injetado na coluna capilar de separação e monitorado pelo espectrômetro de massas. A interpretação do espectro de massas é feita para os picos de forma individual no cromatograma da análise, e a concentração é calculada levando em consideração o volume de ar injetado (VAZ JÚNIOR, 2013, p. 125).

4 ANÁLISES DE SOLOS E RESÍDUOS SÓLIDOS

A matriz analítica solo é uma matriz de grande complexidade analítica e por Ia Zsso o preparo e extração dos analitos é uma etapa fundamental para a confiabilidade dos resultados experimentais.

Matrizes similares como sedimentos e resíduos sólidos possuem os mesmos métodos de análises que os solos.

IMPORTANTE

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4.1 PREPARO DE SOLOS PARA ANÁLISE POR DIGESTÃO ÁCIDA

O procedimento de preparo de amostras de solos e outras matrizes similares por digestão ácida pode ser utilizado para a análise de metais por espectrometria de absorção atômica em chama, espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado e espectrometria de absorção atômica com forno de grafite e plasma indutivamente acoplado – espectrometria de massas. Para a digestão da amostra, deve-se pesar de 1 g a 2 g de amostra em um béquer e digerir em chapa de aquecimento com adições repetidas de ácido nítrico. Para análises por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite ou plasma indutivamente acoplado – espectrometria de massas, a mistura digerida resultante tem seu volume reduzido por aquecimento e diluído com água ultrapura para um volume final de 100 ml.

Para análises por absorção atômica em chama ou plasma indutivamente acoplado – espectrometria de emissão ótica, ácido clorídrico é adicionado à mistura anteriormente digerida, seguido de refluxo. Após a digestão ácida, a amostra é avolumada e injetada no equipamento para a análise de metais. O técnico realiza a interpretação do sinal analítico e dos dados do controle de qualidade para, então, ter-se um resultado analítico em mg/Kg.

4.2 PROCEDIMENTO PARA OBTENÇÃO DE LIXIVIADO EM RESÍDUOS SÓLIDOS

A norma NBR 10.005, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 2004a), descreve os procedimentos para o preparo e a extração de analitos em amostras de resíduos sólidos por lixiviação. Após a obtenção da amostra lixiviada, são realizadas análises que têm como objetivo classificar o resíduo como perigoso (Classe I) ou não perigoso (Classe II), segundo a norma NBR 10.004 (ABNT, 2004b).

A lixiviação é uma técnica de extração pela qual se realiza a transferência

de massa de um composto orgânico ou inorgânico, presente no resíduo sólido, por meio de sua dissolução em uma solução extratora. Pode ser aplicada a compostos voláteis e não voláteis.

Para a análise de compostos voláteis, utiliza-se um extrator que não possua espaço vazio entre a solução extratora e a sua tampa, para que não ocorra a perca dos analitos de interesse. A solução extratora para voláteis normalmente é preparada a partir da mistura e diluição de soluções de ácido acético glacial e hidróxido de sódio preparadas em água ultrapura. Já para os não voláteis, pesa-se uma quantidade de resíduo e dilui-se com a mesma solução extratora. Para ambos os procedimentos, as amostras ficam em agitação por 24 horas e depois analisadas.

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O aumento da preocupação em relação a qualidade do monitoramento ambiental fez com que os laboratórios ambientais se especializassem cada vez mais, levando ao desenvolvimento de novas tecnologias analíticas e aumentando as possibilidades de obtenção de resultados mais confiáveis. Acadêmico, neste tópico vimos apenas alguns métodos analíticos que podem ser utilizados para determinar a concentração de compostos químicos poluidores do meio ambiente. Diante de seus novos conhecimentos obtidos, busque pesquisar mais acerca das análises ambientais.

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O USO DOS MRC (MATERIAIS DE REFERÊNCIA CERTIFICADOS) NA VALIDAÇÃO DOS MÉTODOS ANALÍTICOS

Eduardo Pimenta de Almeida Melo

FIGURA – KOBALT

FONTE: <https://bit.ly/3E4dzGX>. Acesso em: 20 ago. 2021.

Em inglês, Certified Reference Materials (CRM) ou em português, Materiais de Referência Certificados (MRC), ou ainda, no jargão da área, Padrões, são materiais destinados à análise ou ensaio acompanhados por um certificado, com um ou mais valores de propriedade, certificados por um procedimento que estabelece sua rastreabilidade à obtenção exata da unidade na qual os valores da propriedade são expressos, com cada valor certificado acompanhado por uma incerteza para um nível de confiança estabelecido. O MRC tem múltiplas utilidades dentro de um laboratório, sendo que dentre as várias possibilidades, as que mais se destacam são: a calibração e controle metrológico de equipamentos, a verificação da exatidão e da precisão de métodos analíticos, a validação de métodos e o treinamento de analistas.

Em se tratando especificamente da validação de métodos analíticos, o MRC tem destacada relevância por se tratar da ferramenta que garante a comparabilidade entre o método já normalizado e o método em validação. A garantia da comparabilidade é de suma importância porque é através dela que se atesta a confiabilidade das medições, elimina-se possíveis barreiras técnicas comerciais e por consequência, uma garantia de justas relações de troca, além de permitir substanciais incrementos em termos qualidade, inovação e competitividade.

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No entanto, ao optar pelo uso de um Material de Referência Certificado para análises minerais, em especial análises químicas ou metalúrgicas, há de se observar algumas peculiaridades que são próprias deste tipo de material. A mais importante delas é que o dito material de referência deve ter características que vão além da “quantidade da substância presente” e deve considerar, de fato, a quantidade de uma espécie química (ou mineral) em uma determinada matriz.

Também há de se levar em conta que o material a ser utilizado como validador deve ser suficientemente homogêneo e estável em relação as suas propriedades específicas. E, ainda, ter sido preparado para se adequar a utilização pretendida em uma medição ou um exame de propriedades qualitativas. A garantia desta estabilidade deve se dar não somente no momento atual, mas também ao longo do tempo em que está disponível para uso. Recentemente, tem-se visto por parte dos produtores de material de referência a recertificação do mesmo, buscando, assim, atestar esta estabilidade ao longo do tempo de vida daquele minério (padrão) específico.

Já a homogeneidade, que é um dos itens mais complexos de se garantir quando se fala de análises minerais, deve ser garantida tanto no quantitativo total do minério que se realizou a certificação quanto dentro do extrato no qual o laboratório se encontra em posse e efetivamente realiza a análise ou ensaio. A simples segregação de partículas minerais pode ser a responsável por inconsistências entre os resultados analisados do MRC. Com isto, os valores certificados podem condenar ou aprovar métodos analíticos, sem que se possa ter a clara percepção dos motivos que levaram a isto.

Dada a importância deste validador na rotina das análises minerais e as peculiaridades que cercam o mesmo, é bom que se utilize materiais de referência de fornecedores de extrema confiança e respeitada competência. Conforme a ABNT NBR ISO/IEC 17025:2017, para a garantia da rastreabilidade das medições, validação de métodos, incerteza de medição e controle de qualidade, os laboratórios devem usar materiais de referência certificados, provenientes de um fornecedor competente, de forma a dar uma caracterização confiável, física ou química, de um material.

Uma boa forma de verificar esta competência é se certificar de que os fornecedores dos materiais de referência certificados (MRC) atendem às diretrizes do ISO/REMCO, que é o Comitê Internacional da ISO (Organização Internacional de Normalização) que estabelece as diretrizes relacionadas à materiais de referência. O INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) é o órgão brasileiro responsável por acreditar produtores de materiais certificados segundo o ISO/REMCO.

A diretrizes que normatizam esta certificação estão traduzidas para português na norma ABNT NBR ISO 17034:2017 – Requisitos gerais para a competência de produtores de material de referência. E elas são fundamentais

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para garantir que se tenha MRC de qualidade sendo adequadamente produzidos e certificados, afiançando que as conclusões de validação obtidas por meio dele são as mais competentes possíveis.

Enfim, apesar das fortes modificações que o mercado analítico vem sofrendo ao longo dos últimos anos, com novos equipamentos, automação, modificação de métodos, o “bom e velho” padrão continua sendo cada vez mais importante e imprescindível.

FONTE: <https://revistaanalytica.com.br/o-uso-dos-mrc-materiais-de-referencia-certificados-na--validacao-dos-metodos-analiticos/>. Acesso em: 20 ago. 2021.

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RESUMO DO TÓPICO 4


• A qualidade das águas depende de processos físicos, químicos, biológicos e da ação humana que determinam a variedade e concentração de substâncias presentes na água.

• A utilização das análises químicas é uma ferramenta que auxilia na tomada de decisão e fornece informações para o planejamento, desenvolvimento e proteção dos recursos hídricos.

• A determinação da intensidade da cor da água tem por princípio a comparação visual da amostra com um padrão de cobalto-platina.

• A turbidez é um parâmetro caracterizado pela medição óptica da luz dispersa, resultante da interação entre a luz incidente e um material com partículas em suspensão.

• A cromatografia gasosa permite detectar compostos orgânicos em água. As amostras de água são concentradas em um cartucho de fase orgânica e depois analisadas no equipamento.

• A determinação de metais em águas pode ser realizada através de um equipamento chamado ICP-OES (espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado).

• A análise do ar utiliza a cromatografia gasosa para separação, seguida da espectrometria de massas para a quantificação dos compostos orgânicos voláteis.

• A matriz analítica solo é uma matriz de grande complexidade analítica e, por isso, o preparo e extração dos analitos é uma etapa fundamental para a confiabilidade dos resultados experimentais.

• A determinação de metais em solos passa pelo processo de digestão ácida antes da análise instrumental.

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CHAMADA

• A norma NBR 10.005, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) (2004a), descreve os procedimentos para o preparo e a extração de analitos em amostras de resíduos sólidos por lixiviação.

• A lixiviação é uma técnica de extração pela qual se realiza a transferência de massa de um composto orgânico ou inorgânico, presente no resíduo sólido, por meio de sua dissolução em uma solução extratora.

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AUTOATIVIDADE

1 A qualidade das águas depende de processos físicos, químicos, biológicos e da ação humana que determinam a variedade e concentração de substâncias presentes na água. Com relação ao monitoramento ambiental, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) O monitoramento ambiental permite analisar instantaneamente o nível de poluição do meio ambiente, permitindo assim a tomada rápida de ações.

b) ( ) O monitoramento ambiental correto só pode ser realizado através de instrumentação analítica robusta e automatizada.

c) ( ) O monitoramento ambiental auxilia na tomada de decisão e fornece informações para o planejamento, desenvolvimento e expansão de atividades poluidoras.

d) ( ) O monitoramento ambiental auxilia na tomada de decisão e fornece informações para o planejamento, desenvolvimento e proteção do meio ambiente.

2 A cromatografia gasosa é uma técnica analítica de separação de compostos que podem ser vaporizados sem decomposição. Com base neste conceito, analise as sentenças a seguir:

I- A cromatografia gasosa permite detectar compostos inorgânicos em água.II- A cromatografia gasosa permite detectar compostos orgânicos em água.III- A cromatografia gasosa permite detectar compostos metálicos em água.



3 O monitoramento de metais e outros poluentes no meio ambiente é essencial para propor estratégias de tratamento efetivas. Há muitos elementos que são potencialmente tóxicos à saúde humana que podem estar presentes nos mais diversos compartimentos ambientais. De acordo com os conteúdos estudados sobre a determinação de metais, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) A determinação de metais pode ser realizada através da espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado.

( ) A determinação de metais pode ser realizada através da espectrometria de absorção atômica em chama.

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( ) A determinação de metais pode ser realizada através da absorção atômica com forno de grafite.


a) ( ) V – V – V.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 A determinação de cor em águas superficiais e subterrâneas é um indicador importante da qualidade da água. A determinação de cor comumente é feita pela comparação visual com um padrão analítico a base de uma solução de cobalto-platina. Com base nos conteúdos estudados, cite quais poluentes podem ter sua presença indicada através da análise de cor de amostras ambientais.

5 A norma NBR 10.005 de 2004, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), descreve os procedimentos para o preparo e a extração de analitos em amostras de resíduos sólidos por lixiviação. Explique o que é lixiviação.

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REFERÊNCIAS

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ABNT. NBR 10.005: Procedimento para obtenção de extrato lixiviado de resídu-os sólidos. Rio de Janeiro: ABNT, 2004a.

ABNT. NBR 10.004: Resíduos sólidos – Classificação. Rio de Janeiro: ABNT, 2004b.

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Prof. Alexsandro Nunes Colim a. Grace Jenske

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