Química das Águas parte 1mica-das... · 2016-04-21 · Química das Águas –parte 1 Prof....
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Química das Águas – parte 1
Prof. Rafael Arromba de Sousa
Departamento de Química – UFJF
QUÍMICA AMBIENTAL – 1º S 2016
Aula 2:
- Importância da Água
- Substâncias tóxicas na Água
- Processos químicos aquáticos
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INTRODUÇÃO
Água – Importância Histórica ...
Antigo Egito
- Cidades desenvolvidas – próximas a rios
Demandas domésticas e agrícolas
“PASSADO”
Demandas energéticas (movimentação de máquinas)
- Cortar madeira
- Moer grãos, etc
HOJE
Processos industriais em geral
“Solvente universal”
limpeza e transporte de “todos” os resíduos
gerados pelo homem
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Leitura complementar
“Contaminação dos Recursos Hídricos – Histórico”
http://www.ufjf.br/baccan/disciplinas/disciplinas/laboratorio-de-quimica-
ambiental-2o-semestre-2012/material-de-apoio/
INTRODUÇÃO
Água – Importância Histórica ...
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INTRODUÇÃO – A água na biosfera
ÁGUA DOCE
- Neve
- Geleiras
- vapor atmosférico
- profundidades de acesso difícil
Formas pouco disponíveis
- Minas naturais, poços, lagos e
rios
Formas mais acessíveis e
utilizadas
Água é um recurso natural de valor agregado
Conhecer suas fontes
Identificar propriedades físico-químicas relevantes
Fontes (distribuição):
Figura: http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/a-distribuicao-agua-no-planeta.htm,
acessado 09-04-13
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INTRODUÇÃO – A água na biosfera
Água é um bem de valor agregado
Conhecer suas fontes
Identificar propriedades físico-químicas relevantes
A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):
- A água circula entre os meios físico e os seres vivos,
continuamente
A água evaporada (dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais e
animais), alcançam regiões mais frias, condensam-se, formam as
nuvens e dependendo das condições climáticas, caem na forma de
chuvas, neve ou granizo (precipitação)
- Corresponde ao constituinte inorgânico mais abundante na
matéria viva (comprovando a importância vital desta substância)
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INTRODUÇÃO – A água na biosfera
Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes
A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):
IMPORTÂNCIA DO CICLO DA ÁGUA:
- Distribuição da água (inclui penetração no solo)
- Transporte de poluentes ... 6
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INTRODUÇÃO – A água na biosfera - contexto atual
Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes
A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):
Considerar também que:
O homem INTERFERE no ciclo da água, através:
- Mudanças no seu escoamento natural
(barramentos, impermeabilização dos solo)
- Desmatamentos
(alterações nas margens de rios e lagos...)
- etc...
ENCHENTES ...7
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INTRODUÇÃO - A água na biosfera
- algumas características
As propriedades físico-químicas mais importantes
- CICLO HIDROLÓGICO
- FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante
(PF = 0 oC; PE = 100 oC)
- DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida
(recirculação de nutrientes nos reservatórios naturais)
reservatório
outono/inverno
gradiente de
densidade
“mistura” vertical
reservatório
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- CICLO HIDROLÓGICO
- FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante
- DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida
** Variada
- QUÍMICA COMPOSIÇÃO
** Relacionada à fonte
Exemplos:
1- ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
Formações rochosas porosas elementos minerais dessas rochas
(aquíferos) (forma de SAIS - variados)
2- ÁGUAS SUPERFICIAIS
SAIS dissolvidos sódio (NaCl)
INTRODUÇÃO - A água na biosfera e algumas
características
diferenças
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COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –
Classificação geral da Água
A “QUÍMICA” DAS ÁGUAS NATURAIS é complexa e pode ser estudada
sobre diferentes aspectos
- DOCES pelo teor de sólidos
CLASSIFICAÇÃO - SALOBRAS
pela salinidade
- SALGADAS (CONAMA)
(mundial)
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Legislação do CONAMA
Conselho Nacional do Meio Ambiente
Criou resolução sobre a qualidade dos recursos hídricos
- Data de 1986 (Conama 20)
- Alterado pela Resolução 357* de 2005 (vigente)
- Classificação para águas superficiais (critérios de qualidade)- Caráter prescritivo (uso) e remediativo (estabelece a qualidade)
- Tinha os limites máximos para lançamentos de efluentes em
mananciais Resolução CONAMA no 430 de 2011
COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –
Classificação geral da Água
(*) http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res05/res35705 , acessado 12-04-1611
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Classificação da água em função dos seus usos – CONAMA 357
Classes estabelecidas de acordo com os níveis de
CONSTITUINTES E CONTAMINANTES nos corpos de água
COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –
Classificação geral da Água
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15
Conama
357
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UM TEMA IMPORTANTE
(INDÚSTRIA E ACADEMIA)
“QUALIDADE x POLUIÇÃO DA ÁGUA”
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SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
ORIGEM:
“... A poluição das águas é fruto de determinadas atividades humanas,
poluentes alcançam águas superficiais e subterrâneas de formas bastante
diversas.”
O aporte pode ser classificado como pontual ou difuso
Fontes pontuais: descarga de efluentes a partir de indústrias e estações
de tratamento de esgoto, derramamentos acidentais, atividades de
mineração, etc.
Monitoramento ambiental é importante
Verificar os impactos ambientais
Conferir responsabilidade ao agente poluidor17
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Fontes difusas: Escoamento superficial urbano, escoamento superficial
das áreas agrícolas, trabalhos de construção civil
- São difíceis de serem determinadas (temporárias)
- Podem ser intermitentes
Independente do aporte, existem estratégias viáveis para o controle e
remediação da poluição:
(1) Redução na fonte
(2) Tratamento dos resíduos de forma a remover os contaminantes ou
ainda convertê-los a uma forma menos nociva
p. ex: Tratamento de água e esgoto
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
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Sabe-se que a água é um dos principais vetores de
transmissão de doenças
Cólera e tifo mataram milhões de pessoas no passado e ainda o fazem
ao redor do globo, especialmente nos países subdesenvolvidos
Os poluentes aquáticos mais sérios são
os microorganismos patogênicos
(bactérias, vírus e parasitas)
- Causam doenças e morte
- Presentes nos excrementos dos seres humanos e de animais
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
CLASSES:
(*) http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3lera , acessado em 15-05-13
Vibrio cholerae (bactéria causadora da cólera) *
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1)
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Processo de eutrofização
artificial
Descarga de esgoto não tratado e de
resíduos agrícolas e industriais
(Biologia)
O aporte excessivo de nutrientes provoca o crescimento descontrolado de algas
- Geração de biomassa maior do que aquela que o sistema poderia
naturalmente controlar
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
Outra forma de poluição de águas superficiais, especialmente
lagos e reservatórios, é o enriquecimento de nutrientes como
fósforo e nitrogênio
Lago eutrofizado *
* FONTE: http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut.htm , acessado em 15-03-13
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2)
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1) Crescimento excessivo na população de algas
- Aumento na demanda por oxigênio
2) Diminuição nos teores de oxigênio dissolvido
- Morte de animais aquáticos (peixes)
- Proliferação de organismos anaeróbios
(degradação das algas)
No estágio final do processo, são produzidos compostos mal-
cheirosos e altamente tóxicos para a biota
DEGRADAÇÃO DO CORPO DE ÁGUA
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
Etapas da eutrofização
FIGURA: http://eutrofizacaodasaguas.blogspot.com.br/2008/01/nossa-primeira-experincia.html , acessada 15-05-13
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Compostos orgânicos sintéticos são produzidos globalmente ao nível de milhões de toneladas !
Empregados na produção de plásticos, fibras sintéticas, borrachas
sintéticas, solventes, pesticidas e agentes preservantes de madeira
Características químicas: são resistentes à biodegradação
- Estes tipos de compostos são considerados poluentes
aquáticos “importantes”
- Preocupação: constituem substâncias às quais a biota
aquática não é naturalmente exposta ...
Efeitos destes compostos sobre os mais variadostipos de organismos aquáticos ainda são poucoconhecidos
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
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Muitos deles podem ser mutagênicos, cancerígenos ou ainda
teratogênicos
Podem ainda causar disfunções nos rins e fígado, esterilidade e
inúmeros problemas de natureza fisiológica ou ainda neurológica
Exemplos:
1 – Substâncias plásticas em geral
2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente
resistentes às ações química ou biológica
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –
Aspectos toxicológicos
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Exemplos:
1 – Substâncias plásticas de grande utilização doméstico-industrial
2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente
resistentes às ações químicas ou biológicas
3- Hidrocarbonetos halogenados, como:
- Cloreto de polivinila – PVC (material plástico)
- DDT (Pesticida)
- Tetracloroetileno (solvente)
- Bifenilas policloradas (em isolantes elétrico)
Compostos de grande utilização e que são persistentes
Podem ser encontrados na água do abastecimento público !
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –
Toxicologia e exemplos
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Metais “pesados” - outra classe de substâncias que não se
degradam !
ALTA TOXICIDADE !!
Segundo o CONAMA,
O “As” e os metais “pesados” Cd, Pb, Cu, Cr, Hg, Ni
e Zn devem ser monitorados nas amostras ambientais
Teores máximos “permitidos” para águas
são baixos
Utilizados em diferentes setores da indústria e são encontrados em pesticidas,
medicamentos, pigmentos (tintas, esmaltes para unha) e dispositivos elétricos
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/terra-em-transe/sobre-mineracao-e-sustentabilidade , acessado 17-03-13
25
4)
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26
Cr III x Cr VI
TOXICOLOGIA:
Os elementos são intrinsecamente tóxicos na forma iônica, exceto o Hg (tóxico
na forma de vapor), ou quando ligados a cadeias carbônicas curtas
O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação)
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Metais “pesados” - outra classe de substâncias que não se degradam
TOXICOLOGIA:
O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação)
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA
27
“ Pesquisa constata excesso de
mineral em suplemento alimentar”
http://www.ufjf.br/noticias/2016/02/18/pesquisa-constata-excesso-de-
mineral-em-suplementos-alimentares/
Para ler “em casa”:
aspectos cotidianos relacionados ao contato com metais pesados !
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MAS se ânions como o sulfeto também estiverem presentes, o íon Hg(II)
irá se depositar nos sedimentos de corpos aquáticos na forma de HgS:
FORMA INSOLÚVEL, NÃO DISPONÍVEL (não apresenta toxicidade)
Os compostos contendo mercúrio (ligações covalentes C-Hg) são muito
mais tóxicos para os mamíferos do que os sais simples de Hg(II)
SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –
Toxicidade dos metais pesados e As
Sais como Hg(NO3)2 são bastante solúveis e se estiverem presentes em
água o íon Hg(II) permanecerá em solução:
FORMA SOLÚVEL, DISPONÍVEL (apresenta toxicidade)
Exemplo de Toxicidez versus Especiação
O contrário ocorre para o As...
Ex: a questão do As em peixes28
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29
http://www.cdcc.usp.br/quimica/fundamentos/equacoes.html; acessado em 17/03/2015.
A ÁGUA É UM “GRANDE” REATOR QUÍMICO ...
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS !
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PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS
Os componentes das águas afetam seu uso assim como os
poluentes agregados afetam suas características originais
Dois tipos de reações ocorrem usualmente em águas naturais:
1) Reações ácido-base
As concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na
água são devidas aos fenômenos ácido-base e de solubilidade
2) Reações redox
Controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na água
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O Sistema CO2/Carbonato
- Explica porque o pH da água não é 7,00 (faixa entre 6,0 – 8,0)
- Envolve diversas reações de equilíbrio
- Relacionado com o parâmetro de qualidade “alcalinidade”
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
A Química Ácido-Base em Águas Naturais
FIGURA
http://portuguese.alibaba.com/product-free/calcium-carbonate-107218325.html , acessado 20-05-13
CO2 (g) + H2O (aq) H2CO3(aq)
O H2CO3 resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica na
água
H2CO3 H+ + HCO3-
CaCO3(s) Ca2+ + CO32-
Para o íon carbonato as principais fontes são as rochas calcárias (formadas
principalmente por CaCO3), embora o CaCO3 seja pouco solúvel em água:
CO32- + H2O HCO3
- + OH-
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1) O oxigênio dissolvido
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
O2(g) O2(aq)
A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 25 oC):
Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de
oxigênio dissolvido para se manterem vivos
32
Oxigênio molecular se dissolve na água e constitui o agente oxidante
mais importante em águas naturais
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Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de
animais) é oxidada pelo oxigênio dissolvido em água
Concentração diminuída ...
CH2O (aq) + O2 (aq) CO2 (g) + H2O (aq)
CONCEITO “Demanda Bioquímica de Oxigênio” (DBO)
A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de
água natural consumir o oxigênio dissolvido
Um ex. de reação é a oxidação da matéria orgânica
Responsável pelo consumo de boa parte da “demanda de
oxigênio” na água:
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
Carboidrato
(fibras de plantas)
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POR OUTRO LADO, em algumas situações
A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre
de forma anaeróbica:
Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânica
dissolvida na água decompõe-se sob condições anaeróbicas
águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagos
profundos
2CH2O CH4 + CO2bactérias
matéria orgânica metano dióxido de
carbono
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
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2) Drenagem ácida de minas
Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminam
águas subterrâneas
4 FeS2 (s) + 15 O2 + 2 H2O 4 Fe3+ + 8SO42- + 4 H+
pirita
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
Liberam íons de metais presentes nos minérios:
- Interação com o O2 dissolvido:
- Dissolução dos metais presentes nos minérios em
função do pH ácido da água
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PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
Rio Cipó, em MG, que apresenta águas
escuras devido à presença de íons Fe3+
FIGURA:
NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.
NESSE CASO, conforme a drenagem de águas (inicialmente ácidas), tem
seu pH elevado, formam-se precipitados de Fe(OH)3, marrom-
alaranjado e que colorem a água em seu curso (evidência)
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3) Reações envolvendo compostos Nitrogenados
O excesso de nitrato na água potável constitui riscos para a saúde: pode resultar
em metemoglobinemia e câncer de estômago
METEMOGLOBINEMIA:
Bebês recém-nascidos ou adultos com uma determinada deficiência
enzimática têm a hemoglobina oxidada por nitritos
A absorção e o transporte adequados do oxigênio para as células é
impedindo...
Os bebês tornam-se azuis (Síndrome do bebê azul), relativamente rara
em países desenvolvidos
REAÇÃO QUÍMICA :
Níveis de nitrato devem ser baixos na água potável ...
NO3- + 2 H+ + 2 e- NO2
- + H2Oíon nitrato íon nitrito
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
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CÂNCER DE ESTÔMAGO:
Íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar à formação
de N-nitrosaminas
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
N-nitrosaminas (Ex: N-nitrosodimetilamina) pode ser encontrada em
águas potáveis POLUENTE IMPORTANTE
(pode ser decomposto por tratamento com UV)
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Referências consultadas
1-
http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/aguas.pdf, acessado 13-11-12.
2–
BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p. 441-481.
3–
NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais,
2011, p. 1 – 43.
4-
http://www.trojanuv.com/resources/trojanuv//Backgrounder/TrojanOverview_PORT_FINAL.pdf,
acessado 17-03-13.
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