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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
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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
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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
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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
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� 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 ”
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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
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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
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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
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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 !
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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
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� 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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