Oxigênio dissolvido: propriedades e solubilidade

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 22, NOVEMBRO 2005

    QUMICA E SOCIEDADE

    A seo Qumica e sociedade apresenta artigos que focalizam diferentes inter-relaes entre Cincia e sociedade,procurando analisar o potencial e as limitaes da Cincia na tentativa de compreender e solucionar problemas sociais.Neste nmero a seo apresenta dois artigos.

    Recebido em 29/4/04, aceito em 9/5/05

    Oxignio dissolvido em sistemas aquticos

    Todas as formas de vida exis-tentes na Terra dependem dagua. Apesar da maior parte dasuperfcie do nosso planeta ser reco-berta por gua, 97,3% da gua domundo gua salgada, inadequadapara beber e para a maioria dos usosagrcolas. Os lagos e rios so as prin-cipais fontes de gua potvel; porm,constituem menos de 0,01% do su-primento total de gua (Baird, 2002;Azevedo, 1999). Adicionando aos riose lagos a gua subterrnea a menosde 800 m da superfcie, a gua docefacilmente disponvel representa ape-nas 0,3% do volume total na Terra.

    Diante da disponibilidade restritade guas naturais para consumo hu-mano e da sua crescente poluio, importante entender os processosqumicos que nelas ocorrem e comoo uso do conhecimento qumico podeser empregado na avaliao da qua-lidade da gua. Pretende-se neste ar-tigo, portanto, fornecer alguns subs-dios tericos ao professor de Qumicado Ensino Mdio para a abordagemdo tema gua numa perspectiva

    ambiental, proposta esta j discutidanesta revista (Silva, 2003).

    Pode-se considerar a qumica dasguas naturais dividida em duas cate-gorias de reaes mais comuns: asreaes cido-base e as de oxidao-reduo (redox). Os fenmenos ci-do-base e de solubilidade controlamo pH e as concentraes de ons inor-gnicos dissolvidos na gua, comoo carbonato e o hidrogenocarbonato,enquanto o teor de matria orgnicae o estado de oxidao de elementoscomo nitrognio, enxofre e ferro, en-tre outros presentes na gua, sodependentes da presena de oxig-nio e das reaes redox.

    Oxignio dissolvido: propriedades esolubilidade

    O agente oxidante mais impor-tante em guas naturais o oxigniomolecular dissolvido, O2 (Baird, 2002).Em uma reao envolvendo transfe-rncia de eltrons, cada um dos to-mos da molcula reduzido do esta-do de oxidao zero at o estado deoxidao -2, formando H2O ou OH

    .

    As semi-reaes de reduo do O2em soluo cida e neutra so, res-pectivamente:

    O2 + 4H+ + 4e 2H2O

    E = 1,229 V (1)

    O2 + 2H2O + 4e 4OH

    E = 0,401 V (2)

    A concentrao de oxignio dis-solvido (OD) em um corpo dgua1

    qualquer controlada por vrios fato-res, sendo um deles a solubilidade dooxignio em gua.

    A solubilidade do OD na gua, co-mo para outras molculas de gasesapolares com interao intermolecu-lar fraca com gua, pequena devido caracterstica polar da molcula degua (Tabela 1). A presena do O2 nagua se deve, em parte, sua disso-luo do ar atmosfrico para a gua:

    O2(g) O2(aq) (3)

    cuja constante de equilbrio apropria-da a constante da Lei de Henry2,KH. Outra fonte importante de oxigniopara gua a fotossntese.

    Para o processo de dissoluo doO2, KH definida como:

    KH = [O2(aq)]/pO2 (4)

    Antonio Rogrio Fiorucci e Edemar Benedetti Filho

    Nos ecossistemas aquticos, as reaes de oxidao e reduo exercem papel primordial na manuteno da vida. Nopresente artigo, so discutidos: a importncia do oxignio dissolvido como agente oxidante, os fatores que afetam suasolubilidade, o balano de oxignio dissolvido nos sistemas aquticos e suas variaes com a profundidade da colunadgua. Essas informaes podem ser utilizadas pelo professor do ensino mdio na abordagem dos temas estruturadoresQumica e hidrosfera e Reconhecimento e caracterizao das transformaes qumicas descritos nos ParmetrosCurriculares Nacionais.

    oxignio dissolvido, ecossistemas aquticos, oxidao-reduo

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 22, NOVEMBRO 2005Oxignio dissolvido em sistemas aquticos

    onde pO2 a presso parcial dooxignio atmosfrico.

    O valor de KH para o O2 a tempe-ratura de 25 C de 1,29 x 103 mol L1

    atm1.Desta forma, como no nvel do mar

    a presso atmosfrica de 1 atm e acomposio mdia em volume oumolar do ar seco de 21% de O2, po-de-se estimar a pres-so parcial do oxi-gnio como sendo0,21 atm. Substituin-do esse valor depresso na expres-so da constante de equilbrio deHenry rearranjada, tem-se:

    [O2] = KH pO2 =1,29 x 103 mol L1 atm1 x 0,21 atm

    = 2,7 x 104 mol L1

    Portanto, estima-se a solubilidadedo O2 em gua, a 25 C e no nvel domar, como sendo 8,6 mg L1. Esse va-lor apresenta uma concordnciarazoavelmente boa com o valor me-dido de 8,11 mg L1 mostrado na Ta-bela 1 (Connell, 1997).

    Como a solubilidade proporcio-nal presso parcial2 de O2 ([O2] =KH pO2), pode-se inferir que a umadada temperatura a solubilidade dooxignio na gua decresce com o au-mento da altitude, pois com o aumen-to da altitude h uma diminuio dapresso atmosfrica e o oxignio,sendo um dos componentes do ar,ter sua presso parcial tambm re-duzida. Como a composio do ar se-co em termos de O2 praticamenteconstante em altitudes modestas,poderamos dizer que a diminuioda presso parcial de O2 ser prati-camente proporcional diminuioda presso atmosfrica.

    Um fator mais importante que a

    altitude no controle da solubilidade doO2 na gua a temperatura. Como asolubilidade dos gases em gua di-minui com a elevao da temperatu-ra3, a quantidade de oxignio que sedissolve a 0 C (14,2 mg L1) maisdo que o dobro da que se dissolve a35 C (7,0 mg L1). A Figura 1 ilustraesse fato. Deste modo, guas de rios

    ou lagos aquecidasartificialmente comoresultado de polui-o trmica contmmenos OD. A polui-o trmica ocorre

    freqentemente como resultado daoperao de usinas geradoras deenergia eltrica, que retiram gua friade um rio ou lago e a utilizam pararefrigerao, devolvendo continua-mente gua aquecida sua origem.

    Baseado na solubilidade do O2,fica notrio que os organismos aqu-ticos tropicais tm menos oxigniodisponvel do que os de ambientesaquticos de clima temperado. Essaconstatao assume importnciaquando se considera que nos lagosprximos ao Equador a temperaturapode atingir at 38 C (Esteves, 1998).Isto no significa que os organismosem um lago prximo do Equador iroter problemas para sobreviver, poisesto adaptados para essas condi-es ambientais.

    Embora insignificante quandocomparada temperatura, a salini-dade tambm influencia na capacida-de da gua em dissolver oxignio. Oaumento da salinidade diminui a solu-bilidade do O2 na gua. Assim, aquantidade de minerais ou a presen-a de elevadas concentraes desais dissolvidos na gua em decor-rncia de atividades potencialmentepoluidoras podem, mesmo que empequena intensidade, influenciar oteor de OD na gua. Desta forma, asalinidade a principal causa do me-nor valor de OD nas guas salgadas,em relao ao mesmo valor em guasdoces em condies idnticas detemperatura e presso atmosfrica.

    Alm da temperatura, presso esalinidade que controlam a solubili-dade do oxignio na gua, existemoutros fatores bioqumicos e climti-cos que tambm influenciam o teor

    de OD e que sero discutidos no textoa seguir.

    O balano de oxignio dissolvidonos sistemas aquticos

    Dentre os gases dissolvidos nagua, o oxignio um dos mais im-portantes na dinmica e caracteriza-o dos ecossistemas aquticos (Es-teves, 1998). As principais fontes deoxignio para a gua so a atmosferae a fotossntese. Por outro lado, asperdas de oxignio so causadas pe-lo consumo pela decomposio damatria orgnica (oxidao), por per-das para a atmosfera, respirao deorganismos aquticos, nitrificao4 eoxidao qumica abitica de subs-tncias como ons metlicos - ferro(II)e mangans(II) -, por exemplo.

    Essas diversas transformaes doO2 nos sistemas aquticos so repre-sentadas esquematicamente na Figu-ra 2.

    Nas condies naturais de um sis-tema aqutico no poludo, o mate-rial mais habitualmente oxidado pelooxignio dissolvido na gua a mat-ria orgnica de origem biolgica, co-mo a procedente de plantas mortase restos de animais. Esse processode oxidao, chamado de degrada-o aerbica, ocorre em gua ricasem oxignio, ou seja, que possuemnveis de oxignio prximos de 100%de saturao5, e mediado por micro-organismos aerbicos. A reao qu-mica envolvida pode ser expressa deforma simplificada supondo que amatria orgnica seja em sua totali-dade carboidrato polimerizado

    Tabela 1: Solubilidade de alguns gasesem gua e constantes da Lei de Henrya

    (adaptado de Connell, 1997).

    Gs Solubilidade / KH /mg L1 mol L1 atm1

    O2 8,11 1,29 x 103

    N2 13,4 6,21 x 104

    CH4 24 1,34 x 103

    aValores para presso atmosfrica de 1atm e temperatura de 25 C.

    Figura 1: Solubilidade do gs oxignio emgua a vrias temperaturas, na pressoatmosfrica de 1 atm (760 mmHg). Osvalores de solubilidades para construodo grfico foram consultados no seguintestio na Internet: http://www.tps.com.au/handbooks/93BFDOv2_1.PDF).

    No controle dasolubilidade do O2 na

    gua, a temperatura ofator mais importante

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 22, NOVEMBRO 2005

    (Guimares e Nour, 2001), com umafrmula emprica aproximada deCH2O:

    (CH2O)n + nO2 nCO2 + nH2O (5)

    Considerando a matria orgnica(MO) de uma forma mais complexa,pode-se substituir a Eq. 5 pela Eq. 6:

    MO(C,H,N,S) + 5O2 CO2 +H2O+ NO3

    + SO42 (6)

    O consumo de oxignio por essesprocessos, em condies naturais, compensado pelo oxignio produzidona fotossntese e pelo reabastecimen-to de oxignio com a aerao da guaatravs do fluxo da gua em cursosdgua e rios pouco profundos. Porm,a gua estagnada ou a que estsituada prxima ao fundo de um lagode grande profundidade est, com fre-qncia, quase completamente semoxignio, devido sua reao com amatria orgnica e falta de qualquermecanismo que possibilite sua repo-sio com rapidez, j que a difuso,possvel forma de reposio de O2, um processo lento.

    Substanciais redues no OD po-dem ocorrer nos ambientes aquticos,com implicaes ambientais severas,se