Química das Águas – parte 1 - ufjf.brmica-das-Aguas_Parte-1.pdf · de tratamento de esgoto,...

Química das Águas – parte 1

Prof. Rafael SousaDepartamento de Química – UFJF

QUÍMICA AMBIENTAL – 2º S 2015

Aula 2:- Importância da Água- Substâncias tóxicas na Água- Processos químicos aquáticos

INTRODUÇÃOÁgua – 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 resíduosgerados 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/

INTRODUÇÃOÁgua – 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� Reconhecer 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� Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes

A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓ GICO):

- A água circula entre os meios físico e os seres vivos,continuamente

A água evaporada dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais eanimais, forma as nuvens, as quais, alcançam regiões mais frias,condensam-se e caem na forma de chuvas (precipitação)

- Corresponde ao constituinte inorgânico mais abundante namatéria 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 HIDROLÓ GICO):

IMPORTÂNCIA DO CICLO DA ÁGUA:- Distribuição da água (inclui penetração no solo)- Transporte de poluentes ... 6

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

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 SUBTERRÂNEASFormações rochosas porosas � elementos minerais dessas rochas

(aquíferos) (forma de SAIS - variados)

2- ÁGUAS SUPERFICIAISSAIS 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

pelo teor de sólidos - DOCES

CLASSIFICAÇÃO - SALOBRASpela salinidade

- SALGADAS(CONAMA)

(mundial)

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Legislação do CONAMA

� Conselho Nacional do Meio Ambiente

Criou resolução sobre a qualidade dos recursos hídr icos

- 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

COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –Classificação geral da Água

(*) http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res05/res3570 5 , acessado 30-10-1511

� Classificação da água em função dos seus usos – CONA MA 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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UM TEMA IMPORTANTE (INDÚSTRIA E ACADEMIA):

“ QUALIDADE x POLUIÇÃO DA ÁGUA ”

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

ORIGEM:“... A poluição das águas é fruto de determinadas atividades humanas,poluentes alcançam águas superficiais e subterrâneas de formas bastantediversas.”

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

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 ouainda 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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Processo de eutrofizaçãoartificial

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 que aquela que o sistema poderia

naturalmente controlar

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

Outra forma de poluição de águas superficiais, especialmentelagos e reservatórios, é o enriquecimento de nutrientes comofósforo e nitrogênio

Lago eutrofizado *

* FONTE: http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut.htm , acessado em 15-03-1317

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 amorte de animais aquáticos (peixes)

No estágio final do processo, são produzidos compos tos mal-cheirosos e altamente tóxicos para a biota

DEGRADAÇÃO DO CORPO DE ÁGUA

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

Consequencias 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, borrachassintéticas, solventes, pesticidas e agentes preservantes de madeira

� Características químicas: são resistentes à biodegradação

- Estes tipos de compostos são considerados poluentesaquáticos “importantes”

- Preocupação: constituem substâncias às quais a biotaaquática 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 aindateratogênicos

� Podem ainda causar disfunções nos rins e fígado, esterilidade einúmeros problemas de natureza fisiológica ou ainda neurológica

Exemplos:

1 – Substâncias plásticas em geral

2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamenteresistentes às ações química ou biológicas

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –Aspectos toxicológicos

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Exemplos:1 – Substâncias plásticas de grande utilização doméstico-industrial2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamenteresistentes 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

TOXICOLOGIA:

- Os elementos são intrinsecamente tóxicos na forma iônica, exceto o Hg (tóxicona forma de vapor), ou quando ligados a cadeias carbônicas curtas

- O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação)

Segundo o CONAMA ,

O “As ” e os metais “pesados” Cd, Pb, Cu, Cr, Hg, Nie Zn devem ser monitorados nas amostras ambientais

Teores máximos “permitidos” para águas

� 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

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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

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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 orgânicos contendo mercúrio (ligações covalentes C-Hg)são muito mais tóxicos para os mamíferos 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 peixes24

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS

Os componentes das águas afetam seu uso assim como os poluentes agregados afetam suas características ori ginais

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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http://www.cdcc.usp.br/quimica/fundamentos/equacoes.html; acessado em 17/03/2015.

A ÁGUA É UM “GRANDE” REATOR QUÍMICO ...

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS !

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”

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -A Química Ácido-Base em Águas Naturais

FIGURAhttp://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 naágua

H2CO3 H+ + HCO3-

CaCO3(s) Ca2+ + CO32-

Para o íon carbonato as principais fontes são as rochas calcárias (formadasprincipalmente 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 0C):

Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de oxigênio dissolvido para se manterem vivos

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� Oxigênio molecular se dissolve na água e constitui o agente oxidantemais importante em águas naturais

� Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos deanimais) 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 deágua natural consumir o oxigênio dissolvido

Um ex. de reação é a oxidação da matéria orgânica

� Responsável pelo consumo de boa parte da “demanda deoxigênio” 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 ocorrede forma anaeróbica:

� Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânicadissolvida na água decompõe-se sob condições anaeróbicas

águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagosprofundos

2CH2O CH4 + CO2bactérias

matéria orgânica metano dióxido decarbono

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -Reações de oxidação-redução

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2) Drenagem ácida de minas

Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminamáguas 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 águasescuras devido à presença de íonsFe3+.

FIGURA:NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.

NESSE CASO, conforme a drenagem de águas (inicialmente ácidas), temseu pH elevado, formam-se precipitados de Fe(OH)3, marrom-alaranjadoe 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 resultarem metemoglobinemia e câncer de estômago

Metemoglobinemia

Bebês recém-nascidos ou adultos com uma determinada deficiênciaenzimática têm a hemoglobina oxidada por nitritos

A absorção e o transporte adequados do oxigênio para as células éimpedindo...

� Os bebês tornam-se azuis (Síndrome do bebê azul), relativamente raraem 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 a formaçãode N-nitrosaminas

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -Reações de oxidação-redução

� N-nitrosaminas (N-nitrosodimetilamina ) pode ser encontrada emáguas 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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