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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA CAMILA DAGOSTIN BITTENCOURT NATALIA COELHO DA SILVA FLORIANO ACIDEZ E ALCALINIDADE

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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA

CAMILA DAGOSTIN BITTENCOURT

NATALIA COELHO DA SILVA FLORIANO

ACIDEZ E ALCALINIDADE

Tubarão

2013

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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA

CAMILA DAGOSTIN BITTENCOURT

NATALIA COELHO DA SILVA FLORIANO

ACIDEZ E ALCALINIDADE

Relatório apresentado à disciplina de Química Analítica III do curso de Química Industrial da Universidade do Sul de Santa Catarina.

Profª.: Márcia Luzia Michels

Tubarão

2013

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SUMÁRIO

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1. INTRODUÇÃO

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 ACIDEZ E FONTES DE ACIDEZ NAS ÁGUAS

Segundo Roque Passos Piveli, acidez de uma água pode ser definida como sua

capacidade de reagir quantitativamente com uma base forte até um valor definido de pH,

devido à presença de ácidos fortes (ácidos minerais: clorídrico, sulfúrico, nítrico, etc.),

ácidos fracos (orgânicos: ácido acético, por exemplo, e inorgânicos: ácido carbônico, por

exemplo) e sais que apresentam caráter ácido (sulfato de alumínio, cloreto férrico, cloreto

de amônio, por exemplo).

O gás carbônico é um componente habitual da acidez das águas naturais. Vale

lembrar que o gás carbônico dissolvido na água representa o ácido carbônico, através do

seguinte equilíbrio químico:

CO2+H 2O→H 2C O3

Portanto, embora o gás carbônico não chegue a provocar profundas condições

de acidez nas águas, é um componente importante por estar sempre presente, mediante sua

dissolução na água proveniente da atmosfera, por diferença de pressão parcial (Lei de

Henry) ou por resultar, em caso de águas poluídas, da decomposição aeróbia ou anaeróbia

da matéria orgânica. Isto ocorre também no hipolímnio de lagos estratificados e em águas

subterrâneas, especialmente aquelas com níveis reduzidos de carbonatos, pois estes reagem

com o gás carbônico formando bicarbonatos. O gás carbônico é bastante solúvel na água,

podendo normalmente ser encontradas concentrações deste gás bem superiores às de

oxigênio dissolvido.

Os ácidos minerais surgem em águas naturais principalmente através de

descargas de efluentes industriais não neutralizados. São muito os ramos industriais que

utilizam-se de ácidos em seus processos industriais, destacando-se as metalurgias e a

siderurgia, onde são freqüentes os processos de decapagem ácida. A decapagem é em

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muitos casos necessária para a remoção da camada oxidada (ferrugem) das peças, antes de

seu uso ou de seu recobrimento por outro metal (etapa de galvanoplastia). Em águas

naturais, a acidez mineral pode ser formada através da oxidação de sulfetos, como indicado

nas equações químicas:

2S0+3O2+2H 2O→2 H 2SO4

FeS+312O2+H 2O→FeSO 4+H 2SO4

Estas reações podem ser enzimáticas. Também a hidrólise de sais de alguns

metais pode levar à formação de acidez mineral nas águas, como ocorre nas estações de

tratamento de águas para abastecimento público na etapa de coagulação, por exemplo com

cloreto férrico ou sulfato de alumínio, conforme indicado nas equações químicas:

FeCl3+3 H 2O↔Fe ¿

Al2 ¿

Os hidróxidos metálicos formados são insolúveis, precipitando-se e

promovendo a floculação por varredura.

2.2 IMPORTÂNCIA NOS ESTUDOS DE CONTROLE DE QUALIDADE DE ÁGUAS

Conforme Roque Passos Piveli, não há praticamente nenhuma relação com o

gás carbônico, sob o ponto de vista da saúde pública. Os ácidos minerais que

possivelmente teriam, são identificados pela manifestação de sabor azedo em

concentrações relativamente baixas. A grande importância no controle da acidez das águas

reside nos estudos de corrosão, que pode ser provocada tanto pelo gás carbônico (presente

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em águas naturais) como pelos ácidos minerais (presentes em efluentes industriais). O

parâmetro “acidez” não se constitui, apesar de sua importância, em qualquer tipo de

padrão, seja de potabilidade, de classificação das águas naturais ou de emissão de esgotos;

o efeito da acidez é controlado legalmente pelo valor do pH.

A acidez quantificada em mg CaCO3/L tem seu uso restrito ao controle dos

processos de tratamento. É o caso, por exemplo, do parâmetro “ácidos voláteis”, utilizado

no controle de reatores anaeróbios de tratamento de esgotos. Sabe-se que, nestes, a

concentração de ácidos voláteis deve ser mantida baixa e que um aumento representa

desequilíbrio entre a fase de fermentação ácida e a metanogênese. As metanobactérias

utilizam os ácidos voláteis e, quando seus crescimentos encontram-se inibidos, ocorre

acúmulo de ácidos no sistema e o pH cai.

O gás carbônico também está envolvido com o consumo de cal no processo de

abrandamento de água pelo processo conhecido por “cal e soda” (neste caso “soda”

representa a soda-barrilha, carbonato de sódio). Em diversas etapas deste processo, o gás

carbônico reage com a cal, precipitando carbonato de cálcio.

2.3 ALCALINIDADE E FONTES DE ALCALINIDADE NAS ÁGUAS

Consoante Roque Passos Piveli, alcalinidade de uma amostra de água pode ser

definida como sua capacidade de reagir quantitativamente com um ácido forte até um valor

definido de pH.

Os principais componentes da alcalinidade são os sais do ácido carbônico, ou

seja, bicarbonatos e carbonatos, e os hidróxidos. Outros sais de ácidos fracos inorgânicos,

como boratos, silicatos, fosfatos, ou de ácidos orgânicos, como sais de ácido húmico, ácido

acético etc., também conferem alcalinidade às águas, mas seus efeitos normalmente são

desconsiderados por serem pouco representativos. Além disto, esta particularização

permite o cálculo dos três componentes da alcalinidade, individualmente.

Os bicarbonatos e, em menor extensão, os carbonatos, que são menos solúveis,

dissolvem-se na água devido à sua passagem pelo solo. Se este solo for rico em calcáreo, o

gás carbônico da água o solubiliza, transformando-o em bicarbonato, conforme a reação:

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CO2+CaCO3+H 2O↔Ca¿

Os carbonatos e hidróxidos podem aparecer em águas onde ocorrem florações

de algas (eutrofizadas), sendo que em período de intensa insolação o saldo da fotossíntese

em relação à respiração é grande e a retirada de gás carbônico provoca elevação de pH para

valores que chegam a atingir 10 unidades. A principal fonte de alcalinidade de hidróxidos

em águas naturais decorre da descarga de efluentes de indústrias, onde se empregam bases

fortes como soda cáustica e cal hidratada. Em águas tratadas, pode-se registrar a presença

de alcalinidade de hidróxidos em águas abrandadas pela cal.

2.4 IMPORTÂNCIA NOS ESTUDOS DE CONTROLE DE QUALIDADE DAS ÁGUAS

Como Roque Passos Piveli, a alcalinidade das águas não representa risco

potencial à saúde pública. Provoca alteração no paladar e a rejeição da água em

concentrações inferiores àquelas que eventualmente pudessem trazer prejuízos mais sérios.

A alcalinidade não se constitui em padrão de potabilidade, ficando este efeito limitado pelo

valor do pH. Também não é padrão de classificação de águas naturais nem de emissão de

esgotos, sendo que a importância deste parâmetro se concentra no controle de

determinados processos unitários utilizados em estações de tratamento de águas para

abastecimento e residuárias. Na etapa de floculação de águas para abastecimento público, a

alcalinidade da água assume fundamental importância na ocorrência do fenômeno

denominado floculação por varredura, que muitas vezes é o mecanismo de floculação mais

atuante. Neste processo, o coagulante reage com a alcalinidade da água formando

hidróxidos metálicos polimerizados altamente insolúveis (de alumínio ou de ferro,

dependendo do coagulante utilizado), que arrastam partículas coloidais em seus percursos

de sedimentação. São previstas relações estequiométricas entre dosagem de coagulantes e

alcalinidade necessária. Em alguns casos, observa-se que, apesar de a água apresentar

alcalinidade natural suficiente para reagir com o coagulante, ainda assim adiciona-se cal

hidratada no processo de floculação que, para esta função, pode ser considerado

desnecessário, podendo até mesmo trazer efeitos adversos ao tratamento.

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No campo do tratamento de esgotos, é bastante antiga a aplicação da digestão

anaeróbia de lodos. Neste digestor, considera-se necessária a presença de alcalinidade de

bicarbonatos elevada, entre 1000 e 5000 mg/L em CaCO3, para produzir efeito tampão

suficiente para impedir queda brusca de pH em caso de desequilíbrio. Modernamente, com

o desenvolvimento de reatores anaeróbios para o tratamento de esgotos, este conceito

evoluiu no sentido de que a alcalinidade é uma condição de segurança e não indispensável,

tendo-se operado reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manto de lodo e filtros

anaeróbios em faixas de pH mais baixas. O importante é a manutenção de uma relação

alcalinidade/ácidos voláteis elevada. Diversos pesquisadores observaram, inclusive, a

produção natural de alcalinidade em reatores anaeróbios devido à formação de sais de

ácidos voláteis. Nestes casos, o pH dos efluentes tratados é superior ao registrado na

entrada do reator, sem que se tenha adicionado alcalinizante artificialmente.

A alcalinidade das águas associa-se à dureza, como será visto adiante, sendo

responsável pela precipitação de carbonatos principalmente em sistemas de águas quentes,

provocando a formação de incrustações.

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3. MATERIAIS E REAGENTES

Abaixo serão apresentados os materiais e reagentes necessários para a

realização dos experimentos realizados.

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Tabela 1: Materiais.MATERIAIS QUANTIDADE CAPACIDADE

Agitador Magnético 1 -

Béquer 2 50mL; 250 mL

Bureta 1 50 mL

Erlenmeyer 2 250 mL

Garra 1 -

pH - metro -

Proveta 1 100mL

Suporte universal 1 -

Fonte: Os Autores, 2013.

3.2 REAGENTES UTILIZADOS

Tabela 2 – Reagentes.REAGENTES QUANTIDADE

Água de lavanderia (turva) 100 mL

Água de poço 200 mL

Fenolftaleína 3 gotas para cada experimento

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H2SO4 Aproximadamente 120 mL

Metilorange O Suficiente

NaOH Aproximadamente 200 mL

Fonte: Os Autores, 2013.

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4. MÉTODOS

A seguir será apresentada a metodologia dos diferentes ensaios realizados em

laboratório.

4.1 ACIDEZ

I. Com o auxílio de uma proveta mediu-se 100 mL da solução em questão, sendo

depositada em um Erlenmeyer de 500 mL.

II. Adicionou-se no Erlenmeyer com a solução aproximadamente 3 gotas de

Fenolftaleína e agitou-se levemente.

III. Titulou-se a amostra com NaOH 0,02028N até atingir uma coloração rósea

permanente.

IV. Repetiu-se o experimento mais uma vez a fim de obter dados estatísticos e

anotou-se o volume gasto.

4.2 ALCALINIDADE

I. Através de uma proveta mediu-se 100 mL da amostra a ser analisada, sendo a

mesma transferida para um Erlenmeyer de 500 mL.

II. Adicionou-se à amostra 3 gotas de fenolftaleína.

III. Como a solução a ser analisada apresentou uma coloração rósea/vermelho

titulou-se com H2SO4 0,0208N, até o descoramento do indicador.

IV. Anotou-se o volume gasto do ácido.

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V. Ainda na solução, acrescentou-se 3 gotas de metilorange tornando a mesma

com uma cor amarelada e titulou-se com H2SO4 0,0208N até obter uma solução

alaranjada.

VI. Repetiu-se o experimento mais uma vez a fim de obter dados estatísticos e

anotou-se o volume total gasto.

4.3 ALCALINIDADE POTENCIOMÉTRICA

I. Mediu-se com o auxílio de uma proveta, 100 mL da amostra de lavanderia e

transferiu-se para um béquer de 500 mL.

II. Colocou-se o Becker sobre um agitador magnético e introduziu-se

cuidadosamente dentro da solução o eletrodo do potenciômetro.

III. Titulou-se com solução de H2SO4 0,0208N até o pH atingir 4,5. Anotou-se o

volume total gasto de ácido.

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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após o término dos testes realizados nas amostras, algumas observações

importantes são verificadas e apresentadas na seqüência desse trabalho e a fim de obter

resultados confiáveis realizou-se o Princípio de Chauvenet que se baseia na rejeição de

resultados e o Teste T que determina o intervalo em que a µ deve estar.

5.1 ACIDEZ

Tabela 3 – Volume gasto nas amostras analisadas.AMOSTRA VOLUME DE NaOH GASTOS (mL)

A 1,1

B 1,1

x± s 1,1 ± 0

Fonte: Os Autores, 2013.

mg .L−1de acidez em termos deCaCO3=mLde NaOH 0,02N x10 x f

f=[ ]dor ó tulo[ ]domé todo

sendo que , f=fator decorre ção

f=0,020280,02

=1,014

mg .L−1de acidez em termos deCaCO3=1,1mL x10 x1,014

acidez emtermos deCaCO3=11,154mg .L−1

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Como não houve variação do volume de NaOH nas duas amostras obtivemos

exatidão e precisão nos resultados encontrando uma acidez de

11,154mg. L−1 emtermos deCaCO3.

Tabela 4 – Acidez em mg/L das amostras analisadas em cada equipe.AMOSTRA ACIDEZ (mg/L)

Equipe A 17,1

Equipe B 11,2

Equipe C 6,1

Equipe D 6,6

Equipe E 6,08

x± s 9,41 ± 4,8

Fonte: Os Autores, 2013.

O intervalo de confiança da média nos resultados obtidos da Tabela 4 se

encontra entre 3,45 até 15,369.

O erro provável, encontrado através do Princípio de Chauvenet, encontra-se

fora da faixa compreendida entre 4,17 — 14,65, sendo assim, eliminamos os valores acima

e os valores abaixo e calcula-se uma nova média e um novo desvio padrão, conforme

abaixo.

Tabela 5 - Acidez em mg/L das amostras analisadas.AMOSTRA ACIDEZ (mg/L)

Equipe B 11,2

Equipe C 6,1

Equipe D 6,6

Equipe E 6,08

x± s 7,49 ± 2,48

Fonte: Os Autores, 2013.

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5.2 ALCALINIDADE

Tabela 6 – Volume gasto nas amostras analisadas.AMOSTRA f.f. (mL) VOLUME TOTAL DE H2SO4 (mL)

A 7 15,3

B 7,3 15,8

x± s 7,15 15,55 ± 0,25

Fonte: Os Autores, 2013.

O intervalo de confiança da média nos resultados obtidos da Tabela 6 está

compreendido entre 13,304 até 17,796.

a) Alcalinidade total, como carbonato de cálcio

p . p .mCaCO3=volume total de H 2S O4 0,02N x 10x f

f=[ ]dor ó tulo[ ]domé todo

sendo que , f=fator decorreçã o

f=0,02080,02

=1,04

p . p .mCaCO3=7,15mL x10 x1,04

p . p .mCaCO3=161,72

Com a variação existente de volume obteve-se uma média dos resultados para

realização dos cálculos, sendo assim foi encontrado 161,72 mgL-1 de carbonato de cálcio

(CO3−2 ¿ na amostra.

Tabela 7 – Alcalinidade em mg/L das amostras analisadas em cada equipe.AMOSTRA ALCALINIDADE TOTAL EM (mg/L)

Equipe A 163,3

Equipe B 161,7

Equipe C 138,4

Equipe D 156,1

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Equipe E 182,0

x± s 160,3 ± 14,22

Fonte: Os Autores, 2013.

O intervalo de confiança da média nos resultados encontrados na Tabela 7 se

encontra entre 142,646 até 177,954.

O erro provável, encontrado através do Princípio de Chauvenet, encontra-se

fora da faixa compreendida entre 144,78 — 175,82, sendo assim, eliminamos os valores

acima e os valores abaixo e calcula-se uma nova média e um novo desvio padrão,

conforme segue.

Tabela 8 – Alcalinidade em mg/L das amostras analisadas.AMOSTRA ALCALINIDADE TOTAL EM (mg/L)

Equipe A 163,3

Equipe B 161,7

Equipe D 156,1

x± s 160,3 ± 3,78

Fonte: Os Autores, 2013.

b) Espécies iônicas e alcalinidades correspondentes

IV) Se f . f .<1 /2 t , teremosnaá gua HCO3−¿ eCO3

−2aalcalinidadeserá : ¿

p . p .m .CO3−2 (emtermos deCaCO3 )=2 f . f . x 10 x f

p . p .m .CO3−2 (emtermos deCaCO3 )=2x 7,15 x10 x1,04

p . p .m .CO3−2 (emtermos deCaCO3 )=148,72

p . p .m .HCO3−¿ (emtermos deCaCO3 )=(t−2 xf . f . ) x 10 x f ¿

p . p .m .HCO3−¿ (emtermos deCaCO3 )=(15,55−2x 7,15) x 10 x 1,04¿

p . p .m .HCO3−¿ (emtermos deCaCO3 )=13¿

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As espécies iônicas e alcalinidades correspondentes é representada pelo

GRUPO IV, onde se encontram na amostra de água CO3−2 e HCO3, respectivamente em

termos de p.p.m 148,72 mgL-1 e 13 mgL-1.

Conforme Di Bernardo, L., Di Bernardo, A. e Centurione Filho, P.L. (2002),

em termos de tratamento e abastecimento público de água, a alcalinidade, o pH e o teor de

gás carbônico estão interrelacionados, - pH> 9,4: hidróxidos e carbonatos, pH entre 8,3 e

9,4: carbonatos e bicarbonatos, pH entre 4,4 e 8,3: apenas bicarbonato.

Como apresentado o pH da amostra de água clara deve estar em torno de 8,3 e

9,4 por apresentar carbonatos e bicarbonatos.

5.3 ALCALINIDADE POTENCIOMÉTRICA

Como a amostra a ser analisada era turva a técnica mais recomendada é a

potenciométrica e a alcalinidade total em termos de CaCO3 encontrada foi no valor de

911,04 mgL-1..

Alcalinidade total(mg. L−1 emtermos deCaCO3)=mLdeH 2SO4 0,02 N x10 x f

Alcalinidade total(mg. L−1 emtermos deCaCO3)=87,6 x 10x 1,04

Alcalinidade total(mg. L−1 emtermos deCaCO3)=911,04

Tabela 9 – Alcalinidade total em mg/L das amostras analisadas em cada equipe.AMOSTRA ALCALINIDADE TOTAL EM (mg/L)

Equipe A 784,16

Equipe B 911,04

Equipe C 721,96

Equipe D 767,9

Equipe E 720,72

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x± s 781,16 ± 77,8

Fonte: Os Autores, 2013.

O intervalo de confiança da média nos resultados encontrados na Tabela 9 se

encontra entre 684,574 até 877,746.

O erro provável, encontrado através do Princípio de Chauvenet, encontra-se

fora da faixa compreendida entre 696,28 — 866,04, sendo assim, eliminamos os valores

acima e os valores abaixo e calcula-se uma nova média e um novo desvio padrão,

conforme abaixo.

Tabela 10 – Alcalinidade total em mg/L das amostras analisadas.AMOSTRA ALCALINIDADE TOTAL EM (mg/L)

Equipe A 784,16

Equipe C 721,96

Equipe D 767,9

Equipe E 720,72

x± s 748,685 ± 32,27

Fonte: Os Autores, 2013.

Conforme valores encontrados para alcalinidade total 911,04 mgL-1,

alcalinidade 161,72 mgL-1 e acidez 11,154 mgL-1, pode-se constatar que na água de

lavanderia foi a que obteve maior valor de CaCO3 o que comprova que ele é o maior

responsável pela basicidade da água.

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6. CONCLUSÃO

De acordo com as pesquisas feitas, e as analises em laboratório podemos

concluir que acidez e alcalinidade são bastante importantes quando o assunto é água, se

estiverem com níveis muito acima, podem trazer malefícios para os humanos e também

para os seres aquáticos por isso para qualquer água ser diagnosticada como potável antes

ela precisa passar por essas análises.

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REFERÊNCIAS

Di Bernardo, L., Di Bernardo, A. e Centurione Filho, P.L. Ensaios de Tratabilidade de Águas e dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água. RiMa, São Carlos, 2002.

ROQUE PASSOS PIVELI. Curso: “qualidade das águas e poluição: aspectos físico-químicos” Aula 6: Características químicas das águas: ph, acidez, alcalinidade e dureza. Disponível em: http://www.leb.esalq.usp.br/disciplinas/Fernando/leb360/Fasciculo%206%20-%20Alcalinidade%20e%20Acidez.pdf> Acesso em: 10 março 2013.