Química das Águas parte 1. Departamento de Química UFJF 1º período de 2013

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1 QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL QUI106 Química das Águas parte 1 Aula 3: - Importância da Água - Substâncias tóxicas na Água - Processos químicos aquáticos Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF 1º período de 2013

2 INTRODUÇÃO - Importância da Água Antigo Egito - Cidades desenvolvidas próximas a rios Demandas domésticas e agrícolas PASSADO Demandas energéticas (movimentação de máquinas) - Cortar madeira - Moer grãos HOJE Processos industriais em geral Solvente universal limpeza e transporte de todos os resíduos gerados pelo homem

3 INTRODUÇÃO - Importância da Água Leitura complementar Contaminação dos Recursos Hídricos Histórico s/disciplinas/laboratorio-de- quimica-ambiental-2o-semestre- 2012/material-de-apoio/

4 INTRODUÇÃO A água na biosfera Água é um recurso natural de valor agregado Conhecer suas fontes Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes Fontes (distribuição): ÁGUA DOCE - Neve - Geleiras - vapor atmosférico - profundidades de acesso difícil Formas pouco disponíveis - Minas naturais, poços, lagos e rios Formas mais utilizadas Figura: ensino/a-distribuicao-agua-no-planeta.htm planeta.htm, acessado

5 INTRODUÇÃO A água na biosfera Água é um bem de valor agregado Conhecer suas fontes Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água CICLO HIDROLÓGICO): - A água circula continuamente entre os meios físico e os seres vivos, - A água evaporada dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais e animais, forma as nuvens, as quais, alcançam regiões mais frias, condensam-sese e caem na forma de chuvas (precipitação) - Corresponde ao constituinte inorgânico mais abundante na matéria viva (comprovando a importância vital desta substância)

6 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...

7 INTRODUÇÃO A água na biosfera - contexto atual Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água CICLO HIDROLÓGICO): NA QUÍMICA, UM TEMA IMPORTANTE (INDÚSTRIA E ACADEMIA): QUALIDADE E POLUIÇÃO DA ÁGUA Além disso, O homem também interfere no ciclo da água, através: - Mudanças no seu escoamento (barramentos) - Desmatamentos (alterações nas margens de rios e lagos) - Impermeabilização do solo (também dificulta o escoamento enchentes) - etc...

8 INTRODUÇÃO - A água na biosfera - algumas características As propriedades físico-químicas mais importantes - CICLO HIDROLÓGICO - FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante (PF = 0 o C; PE= 100 o C) - DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida (recirculação de nutrientes nos reservatórios naturais) outono/inverno mistura vertical reservatório gradiente de densidade reservatório

9 INTRODUÇÃO - A água na biosfera e algumas características - CICLO HIDROLÓGICO - FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante - DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida * Variada - QUÍMICA: COMPOSIÇÃO * Relacionada à fonte 1- ÁGUAS SUBTERRÂNEAS Formações rochosas porosas elementos minerais dessas rochas (aquíferos) (forma de SAIS - variados) 2- ÁGUAS SUPERFICIAIS SAIS dissolvidos sódio (NaCl) diferenças

10 COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS Classificação geral da Água A QUÍMICA DAS ÁGUAS NATURAIS é complexa e pode ser estudada sobre diferentes aspectos CLASSIFICAÇÃO pelo teor de sólidos pela salinidade (mundial) (CONAMA) - DOCES - SALOBRAS - SALGADAS

11 COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS Classificação geral da Água ʕ Legislação do CONAMA? Conselho Nacional do Meio Ambiente Criou resolução sobre a qualidade dos recursos hídricos - Data de 1986 (Conama 20) - Alterada pela Resolução 357* (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 n o 430 de 2011 (*) acessado

12 COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS Classificação geral da Água 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

13 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA... 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, enchentes, etc. Monitoramento ambiental é importante - Demonstrar impactos ambientais - Possibilitar a responsabilidade do agente poluidor

14 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Fontes difusas: - Escoamento superficial urbano, escoamento superficial das áreas agrícolas, trabalhos de construção - São difíceis de serem determinadas - São intermitentes Independente do aporte, existem estratégias adotadas no 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

15 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA 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) Vibrio cholerae (bactéria causadora da cólera) * - Causam doenças e morte - Presentes nos excrementos dos seres humanos e de animais (*) acessado em

16 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Outra forma de poluição de águas superficiais, especialmente lagos e reservatórios, é o enriquecimento de nutrientes como fósforo e nitrogênio Processo de eutrofização artificial Descarga de esgoto não tratado e de resíduos agrícolas e industriais (Biologia) Lago eutrofizado * O aporte excessivo de nutrientes provoca o crescimento descontrolado de algas - Geração de biomassa maior que aquela que o sistema poderia naturalmente controlar * FONTE: acessado em

17 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Consequencias da eutrofização 1) Aumento na demanda por oxigênio - Crescimento excessivo na população de algas - Posterior degradação das algas no corpo aquático 2) Diminuição nos teores de oxigênio dissolvido - Causa a morte de animais aquáticos (peixes) e também a proliferação de organismos anaeróbios No estágio final do processo, são produzidos compostos malcheirosos e altamente tóxicos para a biota DEGRADAÇÃO DO CORPO DE ÁGUA FIGURA: acessada

18 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Milhões de toneladas de compostos orgânicos sintéticos são produzidos globalmente 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 - Preocupação: constituem substâncias às quais a biota aquática não é naturalmente exposta Efeitos destes compostos sobre os mais variados tipos de organismos aquáticos ainda são pouco conhecidos

19 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Toxicologia e exemplos Muitos deles teratogênicos podem ser mutagênicos, cancerígenos ou ainda Podem ainda causar disfunções nos rins e fígado, esterilidade e inúmeros problemas de natureza fisiológica ou ainda neurológica Exemplos: 1 Substâncias plásticas de grande utilização doméstico-industrialindustrial 2 Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente resistentes às ações químicas ou biológicas Por que essas substâncias são tão utilizadas? - Vantajosa para a indústria: tempo de armazenamento prolongado - Limpeza é facilitada, mas resistência à deterioração pode interferir no equilíbrio ecológico (mortandade de insetos e organismos aquáticos)

20 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Toxicologia e exemplos Exemplos: 1 Substâncias plásticas de grande utilização doméstico-industrialindustrial 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 orgânicos persistentes podem ser encontrados em águas destinadas ao abastecimento público!

21 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Metais pesados - outra classe de substâncias que não se degradam Utilizados em diferentes setores da indústria e são encontrados em pesticidas, medicamentos, pigmentos (tintas, esmaltes para unha) e dispositivos elétricos Segundo o CONAMA, O As e os metais pesados Cd, Pb, Cu, Cr, Hg, Ni e Zn n devem ser monitorados nas amostras ambientais Teores máximos permitidos (águas, solos e sedimentos) 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) acessado

22 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Toxicidade dos metais pesados e As Exemplo de Toxicidez versus Especiação Sais como Hg(NO 3 ) 2 são bastante solúveis e se estiverem presentes em água o íon Hg(II) permanecerá em solução e sua concentração deve ser elevada FORMA DISPONÍVEL (apresenta toxicidade) 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 NÃO DISPONÍVEL (não apresenta toxicidade) Os compostos orgânicos contendo mercúrio (ligações covalentes C-Hg) são muito mais tóxicos para os mamíferos que os sais simples de Hg(II) O contrário ocorre para o As Ex: a questão do As em peixes

23 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 Os fenômenos ácido-base e de solubilidade controlam as concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na água 2) Reações redox As reações redox controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na água

24 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - A Química Ácido-Base em Águas Naturais 1) O Sistema CO 2 /Carbonato - Explica porque o ph da água não é 7,00 - Envolve diversas reações de equilíbrio - Relacionado com o parâmetro de qualidade alcalinidade CO 2 (g) + H 2 O (aq aq) H 2 CO CO 3(aq) O H 2 CO 3 resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica na água H 2 CO 3 H + + HCO - 3 Para o íon carbonato as principais fontes são as rochas calcárias (formadas principalmente por CaCO 3 ), embora o CaCO 3 seja pouco solúvel em água: CaCO 3(s) Ca 2+ + CO 2-3 CO H 2 O HCO OH - FIGURA acessado

25 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - A Química Ácido-Base em Águas Naturais 1) O Sistema CO 2 /Carbonato ph em águas naturais varia entre 6,00 9,00 ph não favorável à solubilização de Al Al 3+ Preocupação mundial da relação entre ingestão de Al 3 + e o mal de Alzhimer Chuva ácida também afeta a distribuição de Al 3+ no solo, podendo afetar as plantas

26 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução 2) O oxigênio dissolvido A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 25 0 C): O 2(g) O 2(aq aq) Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5ppm de oxigênio dissolvido para se manterem vivos Oxigênio molecular dissolvido é o agente oxidante mais importante em águas naturais Semi-reação que ocorre em solução ácida: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Semi-reação que ocorre em solução básica: O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH -

27 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução Outro ex. de reação é a oxidação da matéria orgânica água: Responsável CH 2 O (aq) por boa parte da demanda de oxigênio na + O 2 (aq) CO 2 (g) + H 2 O (aq) Carboidrato (fibras de plantas) Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de animais) é oxidada pelo oxigênio dissolvido em água Concentração diminuída CONCEITO Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de água natural consumir o oxigênio dissolvido

28 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução CONSIDERAR também, em algumas situações A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre de forma anaeróbica: 2CH 2 O bactérias CH 4 matéria orgânica metano + CO 2 dióxido de carbono 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

29 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução 2) Drenagem ácida de minas Reações que acontecem em águas subterrâneas Liberam íons de metais presentes nos minérios: - Interação com o O 2 dissolvido: 4 FeS 2 (s) + 15 O H 2 O 4 Fe + 8SO H + pirita 2 Fe 2 (SO 4 ) H 2 SO 4 - Dissolução dos metais presentes nos minérios em função do ph ácido da água

30 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução NESSE CASO, conforme a drenagem de águas inicialmente ácidas tem seu ph elevando, formam-se precipitados de Fe(OH) 3, marrom- alaranjado e que colorem a água em seu curso (evidência) Rio Cipó, em MG, que apresenta águas escuras devido à presença de íons Fe 3+. FIGURA: NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.

31 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 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução 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 : NO H e - NO H 2 O íon nitrato íon nitrito Níveis de nitrato devem ser baixos na água potável...

32 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução Câncer de estômago Íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar a formação de N-nitrosaminas N-nitrosaminas (N-nitrosodimetilamina) pode ser encontrada em águas potáveis POLUENTE IMPORTANTE (pode ser decomposto por tratamento com UV)

33 Referências consultadas 1- acessado BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011, p acessado