Química das Águas parte 1

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1 QUÍMICA AMBIENTAL 2º S 2015 Química das Águas parte 1 Aula 2: - Importância da Água - Substâncias tóxicas na Água - Processos químicos aquáticos Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF

2 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 2

3 INTRODUÇÃO Água Importância Histórica... Leitura complementar Contaminação dos Recursos Hídricos Histórico 3

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 acessíveis e utilizadas Figura: 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 entre os meios físico e os seres vivos, continuamente A água evaporada dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais e animais, forma as nuvens, as quais, alcançam regiões mais frias, condensam-se e caem na forma de chuvas (precipitação) - Corresponde ao constituinte inorgânico mais abundante na matéria viva (comprovando a importância vital desta substância) 5

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... 6

7 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

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 8

9 INTRODUÇÃO - A água na biosfera e algumas características - CICLO HIDROLÓGICO - FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante - DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida - QUÍMICA COMPOSIÇÃO ** Variada ** 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) diferenças 9

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 10

11 COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS Classificação geral da Água 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* 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 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 12

13 UM TEMA IMPORTANTE (INDÚSTRIA E ACADEMIA): QUALIDADE x POLUIÇÃO DA ÁGUA 13

14 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 poluidor 14

15 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA 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 15

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

17 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

18 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 proliferação de organismos anaeróbios e a morte de animais aquáticos (peixes) No estágio final do processo, são produzidos compostos malcheirosos e altamente tóxicos para a biota DEGRADAÇÃO DO CORPO DE ÁGUA FIGURA: acessada

19 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA 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 variados tipos de organismos aquáticos ainda são pouco conhecidos 19

20 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Aspectos toxicológicos 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 biológicas 20

21 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Toxicologia e exemplos 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! 21

22 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 devem ser monitorados nas amostras ambientais Teores máximos permitidos para águas 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

23 SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Metais pesados - outra classe de substâncias que não se degradam TOXICOLOGIA: O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação) 23

24 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: FORMA SOLÚVEL, 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 INSOLÚVEL, 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 24

25 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 água Controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na 25

26 A ÁGUA É UM GRANDE REATOR QUÍMICO... acessado em 17/03/2015. PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS! 26

27 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 (faixa entre 6,0 8,0) - Envolve diversas reações de equilíbrio - Relacionado com o parâmetro de qualidade alcalinidade CO 2 (g) + H 2 O (aq) H 2 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 3 2- CO H 2 O HCO OH - FIGURA acessado

28 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução 1) O oxigênio dissolvido Oxigênio molecular se dissolve na água e constitui o agente oxidante mais importante em águas naturais O 2(g) O 2(aq) A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 25 0 C): Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de oxigênio dissolvido para se manterem vivos 28

29 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução Um ex. de reação é a oxidação da matéria orgânica Responsável oxigênio na água: pelo consumo de boa parte da demanda de CH 2 O (aq) + 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 29

30 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução POR OUTRO LADO, em algumas situações A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre de forma anaeróbica: 2CH 2 O bactérias CH 4 + CO 2 matéria orgânica metano 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 30

31 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução 2) Drenagem ácida de minas Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminam 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 SO H + pirita - Dissolução dos metais presentes nos minérios em função do ph ácido da água 31

32 PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS - Reações de oxidação-redução Rio Cipó, em MG, que apresenta águas escuras devido à presença de íons Fe 3+. 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) FIGURA: 32 NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.

33 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... 33

34 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) 34

35 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