Química das Águas – parte 1

Prof. Rafael Arromba de Sousa

Departamento de Química – UFJF

Março, 2018

QUI163 - QUÍMICA AMBIENTAL

Aula 2:

- Importância da Água

- Substâncias tóxicas na Água

- Processos químicos aquáticos

DISCUSSÃO TAREFA 1

Meio-ambiente

Biosfera

Poluição

Poluente

2

Biorremediação

Biota

Eutrofização

Resíduo e Rejeito

Ciclos

biogeoquímicos

MEIO AMBIENTE

Conjunto de condições que afetam a existência, desenvolvimento e bem-

estar dos seres vivos

Não se trata apenas de um lugar no espaço, mas de todas as condições

físicas (temperatura) , químicas (composição) e biológicas que favorecem

ou desfavorecem o desenvolvimento

BIOSFERA

Conjunto de todas as partes da Terra onde é possível, pelo menos a

algumas espécies de organismos, viver permanentemente, alimentar-se e

reproduzir-se

3

ALGUMAS TERMINOLOGIAS

A BIOSFERA

é o conjunto de todos os ecossistemas do planeta

integra os diferentes ambientes aonde os seres vivos habitam

BIOSFERA Hidrosfera

Ambiente líquido

(oceanos, lagos, rios)

Atmosfera

Camada de ar que

envolve a Terra

Litosfera

Camada

superficial, sólida,

da Terra,

composta de

rochas e solo 4

ALGUMAS TERMINOLOGIAS

POLUIÇÃO

Qualquer substância que possa tornar o ambiente impróprio,

nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem estar público, danoso

aos materiais, à fauna, à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e às

atividades normais da comunidade

Não se restringe somente à ocorrência de doenças no homem,

qualquer alteração de um ambiente (ar, água, solo) que resulte em

prejuízos aos organismos vivos ou prejudique um uso previamente

definido para ele

POLUENTE Qualquer substância ou material causador de poluição

5

ALGUMAS TERMINOLOGIAS

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:

Processos físico-químicos responsáveis pelo equilíbrio EXISTENTE

entre os diferentes ambientes que compõem a biosfera

Ciclos

biogeoquímicos

Ciclo do

oxigênio

Ciclo do

enxofre

Ciclo do

nitrogênio

Ciclo do

carbono

6

ALGUMAS TERMINOLOGIAS

A POLUIÇÃO interfere nos CICLOS BIOGEOQUÍMICOS !

7 https://nacoesunidas.org/banco-mundial-serao-necessarios-3-planetas-para-manter-atual-estilo-de-

vida-da-humanidade/. Acesso em 30-08-16

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

8

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 ...

9

INTRODUÇÃO – A água na biosfera

ÁGUA DOCE

- Minas naturais, poços, lagos e

rios

Formas mais acessíveis e

utilizadas

- Neve

- Geleiras

- vapor atmosférico

- profundidades de acesso difícil

Formas pouco disponíveis

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

10

CURIOSIDADE

Uso e Escassez da água

11

“Apenas as águas subterrâneas que

se encontram a até cerca de 1000 m

de profundidade podem ser

aproveitadas economicamente”.

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), alcança regiões mais frias, condensa-se, forma 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)

12

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 ... 13

INTRODUÇÃO – A água na biosfera - contexto atual

Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes

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

Além disso:

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 ... 14

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

15

- 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) (na forma de SAIS - variados)

2- ÁGUAS SUPERFICIAIS

SAIS dissolvidos sódio (NaCl)

INTRODUÇÃO - A água na biosfera e algumas

características

diferenças

16

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)

17

Legislação do CONAMA

Conselho Nacional do Meio Ambiente

Criou a resolução sobre a “qualidade dos recursos hídricos”

- Data de 1986 - Conama 20 (revogada)

- Alterado pela Resolução 357* de 2005 (vigente)

- Classificação para águas superficiais (critérios de qualidade) - Caráter prescritivo (uso) e remediativo (estabelece a qualidade)

- Ambas tinham os limites máximos para lançamentos de

efluentes em mananciais, originalmente AGORA: Resolução

CONAMA no 430 de 2011

COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –

Classificação geral da Água

(*) http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res05/res35705 , acessado 12-04-16 18

19

20

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

21

22

Conama

357

23

UM TEMA IMPORTANTE

(INDÚSTRIA & 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 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 24

Fontes difusas: Escoamento superficial urbano, escoamento superficial

das áreas agrícolas, trabalhos de construção civil

- São difíceis de serem determinadas:

podem ser temporárias

podem ser intermitentes

MAS...

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

25

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

- Causam doenças e morte

- Presentes nos fluidos biológicos dos seres humanos e de animais

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

CLASSES:

(*) http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3lera , acessado em 15-05-13

26

Os poluentes aquáticos mais sérios são

os microorganismos patogênicos

(bactérias, vírus e parasitas)

Vibrio cholerae (bactéria causadora da cólera) *

1)

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

27

2)

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 local

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

28

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

Característica comum: 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

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

29

3)

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

30

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 por serem

persistentes podem ser encontrados na água do abastecimento

público !!

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –

Toxicologia e exemplos

31

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” em águas e

efluentes

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

32

4)

33

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)

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

34

“ 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”:

um ex. de exposição cotidiana a metais tóxicos !

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 Toxidez versus Especiação

O contrário ocorre para o As...

Ex: a questão do As em peixes 35

36

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

A ÁGUA NÃO É APENAS UM RESERVATÓRIO DE SUBSTÂNCIAS

QUÍMICAS MAS TAMBÉM UM “GRANDE” REATOR QUÍMICO ...

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS

Os componentes químicos 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,

dependendo principalmente do nível de O2 dissolvido

37

Sistema CO2/Carbonato

- Explica porque o pH da água não é 7,0 (faixa entre 6,0 – 8,0)

- Envolve diversas reações de equilíbrio

- Relacionado com o parâmetro de qualidade “alcalinidade” (PARA CASA: buscar

definição)

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)

( Na água o H2CO3 resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica )

H2CO3 H+ + HCO3

-

CaCO3(s) Ca2+ + CO32-

As rochas calcárias (formadas principalmente por CaCO3) são as principais fontes

do íon carbonato, embora o CaCO3 seja pouco solúvel em água:

CO32- + H2O HCO3

- + OH-

38

1) Reações com oxigênio molecular

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

39

Oxigênio molecular se dissolve na água constituindo o agente

oxidante mais importante em águas naturais

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)

FUNDAMENTA “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)

40

Pou 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 (g) + CO2 (g) Bactérias

anaeróbicas matéria orgânica metano dióxido de

carbono

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

41

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 na água:

- Dissolução dos metais presentes nos minérios

em função do pH da água (valores “ácidos”)

42 FOTO: http://www.jb.com.br/internacional/noticias/2010/11/19/explosao-em-mina-da-nova-

zelandia-deixa-mais-de-30-desaparecidos/. Acessado 30-08-16.

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 física)

43

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

- + H2O íon nitrato íon nitrito

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

44

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) podem ser encontradas

em águas potáveis POLUENTE IMPORTANTE

(pode ser decomposto por tratamento com UV)

45

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.

46