Aula 1Química da água

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Aula 1Química da água
A Terra é o único planeta do sistema solar onde existe água na forma líquida. Praticamente todas as formas de vida conhecidas dependem da água, o que explica o fato de serem encontrados organismos apenas na Terra. Suspeitava-se que na Lua havia água, porém pesquisas descartaram esta possibilidade.
Estima-se que 1,4 km3 de água sejam mundialmente disponíveis. Cerca de 97 % da água do mundo estão nos oceanos e dos 3% restantes, a metade (1,5% do total) está armazenada na forma de geleiras ou bancadas de gelo nas calotas polares. A água doce de rios, lagos e aquíferos (reservatórios de água no subsolo) corresponde a menos de 1% do total. Em valores totais, a água doce existente na Terra e a água que atinge a superfície dos continentes na forma de chuva são suficientes para atender todas as necessidades humanas. Entretanto, grandes problemas surgem com a grande variabilidade temporal e espacial da disponibilidade de água.
	ÁGUA DISPONÍVEL NA TERRA
	
	Percentual água do planeta (%)
	Percentual da água doce (%)
	Oceanos/água salgada
	97
	
	Gelo permanente
	1,7
	69
	Água subterrânea
	0,76
	30
	Lagos
	0,007
	0,26
	Umidade do solo
	0,001
	0,05
	Água atmosférica
	0,001
	0,04
	Banhados
	0,0008
	0,03
	Rios
	0,0002
	0,006
	Biota
	0,0001
	0,003
Tabela 1: (autoria da Professora Elisangela Costa)
Você já ouviu falar na importância da dureza da água?
O uso de uma água com excesso destes íons pode provocar os seguintes problemas:
Consumo excessivo de sabão nas lavagens domésticas, pois a dureza elevada impede a formação de espuma.
Há indícios da possibilidade de um aumento na incidência de cálculos renais em habitantes de cidades abastecidas com águas duras.
Pode levar à formação de incrustações em tubulações, em caldeiras industriais, acelerando a corrosão, provocando entupimentos, podendo ocasionar explosão.
Quais os fatores que contribuem para a poluição da água? Vamos entender como isso se processa.
Emissões para os compartimentos da atmosfera, litosfera e hidrosfera estão sempre aumentando em razão das atividades humanas e dos processos naturais. Embora vários esforços tenham sido feitos para reduzir as emissões decorrentes das atividades humana, é praticamente impossível evitar contaminações ambientais.
A contaminação ocorre quando alguma substância estranha está presente. A poluição é a alteração de alguma qualidade ambiental que, quando exposta, é incapaz de neutralizar os efeitos negativos, sendo algum tipo de risco identificado. Porém, nem todos os problemas relacionados com a qualidade da água são devido a impactos causados pela atividade humana. Uma classificação das fontes de poluição pode ser:
Fontes Pontuais
Redes de efluentes domésticos e industriais, derramamentos acidentais, atividades de mineração etc.
Fontes Pontuais
Práticas agrícolas, deposições atmosféricas, trabalhos de construção, enxurradas em solos etc.
Fontes Pontuais
Enxurradas em autoestradas.
As características dessas fontes podem variar amplamente desde pontos bem definidos ou emissões difusas originadas de pequenos pontos múltiplos, como exaustores de gases ou escoamento de rodovias. Fontes pontuais e não pontuais também diferem nas rotas pelas quais os poluentes emitidos aportam nos mananciais. As fontes pontuais geralmente resultam em descargas diretas para os corpos d’água, enquanto as fontes não pontuais podem ter rotas resultando em deposições parciais dos poluentes antes de atingirem os mananciais. Assim, a concentração de contaminantes originários de fontes não pontuais pode variar de forma significativa, espacial e temporalmente. Emissões contínuas caracterizam-se por serem praticamente constantes por um longo período. Emissões descontínuas apresentam, com o tempo, variações no volume e na concentração e podem ser de picos ou de blocos. As emissões de picos são caracterizadas por grandes descargas em pouco tempo, e a altura do pico (concentrações das espécies) pode variar muito. As emissões de bloco, por sua parte, são caracterizadas por fluxo relativamente constante por determinados períodos, mas com intervalos regulares de emissões praticamente zero. A quantidade exata das diferentes fontes por meio das quais os poluentes podem atingir os sistemas aquáticos é muito grande, mas, por simplicidade e conveniência, elas podem ser separadas em duas categorias, ou seja, urbanização/ industrialização e agricultura/florestas.
Vamos entender, agora, o que são os indicadores de poluição aquática. Então, acompanhe comigo.
Os indicadores de poluição aquática são substâncias que revelam a presença de fontes poluidoras, entre as quais os pesticidas em defluidos agrícolas, as bactérias coliformes fecais características da poluição de esgotos, as drogas de uso farmacêutico e seus metabólitos e até a cafeína, que indica a contaminação com esgoto doméstico.
Os bioindicadores de poluição aquática são organismos que vivem ou estão intimamente associados a corpos hídricos, e fornecem evidências de poluição, tanto pela acumulação de poluentes aquáticos ou seus metabólitos quanto pelos efeitos devidos à exposição a esses poluentes. Os peixes são os bioindicadores mais comuns da poluição de ambientes aquáticos, e seus tecidos adiposos (gordura) são os mais analisados para detectar poluentes orgânicos persistentes nesses ambientes.
Um dos organismos descritos como “espécie sentinela da avaliação e do monitoramento da poluição ambiental em cursos da água, lagos, reservatórios e estuários em todo o mundo”(MANAHAN, 2013), é a águia pescadora, Pandion haliaetus, uma ave de rapina de grande porte, as análises químicas e bioquímicas das penas, dos ovos e dos órgãos, além da observação do comportamento, dos hábitos de construção de ninhos e das populações da águia pescadora são parâmetros utilizados para mensurar a poluição da água.
Os poluentes elementares
Os elementos-traço são encontrados em águas naturais em níveis de poucas Partes Por Milhões (ppm)ou menos. Tal qual observado com frequência no comportamento de muitas substâncias no meio aquático, alguns desses elementos são nutrientes essenciais para plantas e animais quando presentes em níveis reduzidos, mas tornam-se tóxicos em níveis elevados. Muitos deles, como o chumbo ou o mercúrio, são tão importantes do ponto de vista toxicológico e ambiental.
Alguns metais estão entre os poluentes elementares mais prejudiciais e causam preocupações específicas devido à toxidade para os seres humanos. Em sua maioria, esses elementos são os metais de transição, e alguns dos mais representativos, como o chumbo e o estanho, estão no canto inferior direito da tabela periódica. Os metais incluem elementos essenciais, como o ferro, bem como elementos tóxicos, como o cádmio e o mercúrio. A maioria tem uma afinidade impressionante com o enxofre, neutralizando a atividade de enzimas ao formar ligações com os grupos enxofre nessas substâncias. Os grupos ácido carboxílico (-CO2H) e amino (-NH2) das proteínas também são ligados quimicamente por metias. Os íons cádmio, cobre, chumbo e mercúrio ligam-se às membranas celulares, atrapalhando os processos de transporte na parede celular. Os metais também podem precipitar biocompostos de enxofre ou catalisar sua decomposição.
O cádmio
O cádmio, elemento poluente da água, origina-se dos resíduos de mineração e despejos industriais, sobretudo do processo de metalização. Do ponto de vista químico, o cádmio é muito semelhante ao zinco, e esses dois metais muitas vezes passam pelos mesmos processos juntos. Ambos são encontrados na água no estado de oxidação 2+.
Em seres humanos, os efeitos do envenenamento agudo por cádmio incluem hipertensão arterial, dano renal, dano ao tecido testicular e destruição dos glóbulos vermelhos. A maior parte da ação fisiológica do cádmio se deve à semelhança química que tem com o zinco. Ele substitui o zinco em algumas enzimas, o que altera a estereoestrutura da enzima e reduz sua atividade, causando doenças.
O cádmio e o zinco são poluentes comuns na água e nos sedimentos em portos de áreas industriais. Concentraçõesacima de 100 ppm em peso seco de sedimento foram encontradas em sedimentos coletados nessas áreas. Normalmente, em períodos de calma no verão, quando a água estagna, a concentração de Cd solúvel na camada anaeróbica de água, no fundo de um porto, é baixa porque a redução de sulfatos por matéria orgânica (CH2) produz sulfeto, que precipita o cádmio como sulfeto de cádmio insolúvel.
A mistura da água da baía fora do porto e da água do porto causada pelos ventos fortes durante o inverno resulta na dessorção do cádmio dos sedimentos do porto pela água aeróbica da baía. Esse cádmio dissolvido é transportado para a baía, onde é absorvido por mais materiais sólidos suspensos, sendo incorporados aos sedimentos da baía. Esse é um exemplo da complexa interação entre fatores hidráulicos, microbiológicos e entre solução química e sólidos no transporte e na distribuição de um poluente em um sistema aquático.
O chumbo
O chumbo inorgânico de diversas fontes industriais e de mineração, além da gasolina, que no passado continha esse elemento, ocorre na água com estado de oxidação 2+. Além das fontes poluidoras, o calcário contendo chumbo e a galena (PbS) contribuem para os teores de chumbo em águas naturais, em alguns locais. Amostras de cabelo humano e outras fontes indicam que a presença desse metal tóxico no corpo humano caiu nas últimas décadas, sobretudo como resultado da diminuição no uso de chumbo em tubulações e outros produtos em contato com alimentos e bebidas.
As principais formas de contaminação se dão pela ingestão de alimentos ou água contaminados e por inalação de partículas de poeira da substância, que pode se armazenar por até 30 anos no tecido ósseo. Os efeitos da exposição ao chumbo são devastadores e incluem danos neurológicos, redução de QI, anemia, distúrbios nervosos, perda de controlo muscular e, em graus elevados, até a morte.
As principais formas de contaminação se dão pela ingestão de alimentos ou água contaminados e por inalação de partículas de poeira da substância, que pode se armazenar por até 30 anos no tecido ósseo. Os efeitos da exposição ao chumbo são devastadores e incluem danos neurológicos, redução de QI, anemia, distúrbios nervosos, perda de controlo muscular e, em graus elevados, até a morte.
Exceto em casos isolados, o chumbo não causa problemas graves quando presente na água para consumo humano, embora essa probabilidade seja real, onde tubulações de chumbo continuem em uso. O chumbo foi utilizado como constituinte de soldas e algumas formulações de solda de tubulações, e, por isso, a água para o consumo doméstico ainda tem algum contato com ele. A água que permaneceu nessas tubulações por muito tempo pode apresentar níveis elevados do elemento e é preciso deixá-lo escoar um pouco antes de utilizá-la.
O mercúrio
O mercúrio combina-se fortemente com proteínas dos seres vivos, e age especificamente sobre os tecidos dos rins, destruindo a capacidade destes órgãos de remover do sangue produtos de eliminação. A intoxicação por mercúrio pode ainda causar a destruição de células nervosas, gerando paralisia, irritabilidade, insanidade e depressão. No âmbito do plâncton, o mercúrio e, sobretudo os compostos organo-mercúricos, reduzem a fotossíntese do fito plâncton. Em meio redutor rico em sulfeto, este metal pode apresentar-se precipitado associado com os sulfetos, formando assim moléculas de solubilidade muito baixa, o que acaba enriquecendo o sedimento. No meio urbano, podemos destacar como fontes de mercúrio os termômetros e barômetros jogados no lixo e resíduos de clínicas odontológicas.
O mercúrio é um dos componentes frequentemente encontrados nos fungicidas, em indústrias farmacêuticas e de energia atômica. É encontrado também nas tintas anticrustantes usadas em embarcações, na indústria de PVC e na garimpagem de ouro. O maior dos acidentes com o mercúrio foi o de Minamata.
Poluição hídrica:
Cianeto
Os cianetos são utilizados na indústria galvânica, no processamento de minérios (lixiviação de cianeto) e na indústria química. São também aplicados em pigmentos e praguicidas. Podem chegar às águas superficiais através dos efluentes das indústrias galvânicas, de têmpera, de coque, de gás e de fundições.
Os cianetos são os sais do hidrácido cianídrico (ácido prússico, HCN) podendo ocorrer na água em forma de ânion (CN-) ou de cianeto de hidrogênio (HCN). Em valores neutros de pH, prevalece o cianeto de hidrogênio. Cianetos têm um efeito muito tóxico sobre microrganismos. Uma diferenciação analítica entre cianetos livres e complexos é imprescindível, visto que a toxicidade do cianeto livre é muito maior.
Inúmeros casos de mortalidade de peixes resultaram do despejo de cianeto de processamentos de metais em corpos hídricos.
Os cianetos são extremamente venenosos devido à habilidade do íon cianeto em se combinar com o ferro da hemoglobina, bloqueando deste modo a recepção de oxigênio pelo sangue. A ação tóxica do HCN deve-se à sua capacidade de inibir a enzima citocromoxidade, fundamental para as células consumirem o gás oxigênio transportado pelo sangue. O íon cianeto provoca, então, a parada da respiração celular. Na verdade, a pessoa acaba morrendo por asfixia, mesmo que o seu sangue esteja saturado de oxigênio. Assim, as células morrem e, se esse processo acontece rapidamente nos centros vitais do organismo, ocorre à morte.
A amônia e outros poluentes inorgânicos
Níveis muito elevados de nitrogênio amoniacal prejudicam a qualidade de água. A amônia é o produto inicial da decomposição de resíduos orgânicos nitrogenados e sua presença, muitas vezes, indica a presença também de resíduos. É um constituinte comum das águas subterrâneas e, por vezes, é adicionada à água de beber como adjuvante na desinfecção, pois reage com o cloro produzindo cloro residual.
O sulfeto de hidrogênio, H2S, é um produto da decomposição anaeróbica de matéria orgânica contendo enxofre. É também produzido na redução anaeróbica de sulfatos por microrganismos e é emitido como poluente gasoso por águas geotérmicas. Os resíduos de fábricas de produtos químicos, de papel, de têxteis e de curtumes também podem conter H2S. Sua presença é facilmente detectada por seu odor característico, que lembra ovos podres.
Níveis elevados de dióxido de carbono livre, CO2, comumente estão presentes na água devido à decomposição de matéria orgânica. Além disso, ele é adicionado para abrandar a água, durante o tratamento, como parte de um processo de recarbonatação. Níveis excessivos de CO2 podem tornar a água mais corrosiva e prejudicar a vida aquática.
Outros exemplos de poluentes das águas: íon sulfito, que em águas naturais pode existir como HSO3- ou SO32-, dependendo do pH; íon nitrato NO2- e o íon perclorato.
Propomos, agora, uma pausa na leitura para que você acesse as informações adicionais sobre alguns poluidores da água.
Retomando a leitura deste Roteiro de Estudos, ressaltamos que, a poluição hídrica também tem sido intensificada devido ao crescimento populacional e econômico, bem como dos setores urbano e industrial. Acompanhe comigo, outros responsáveis pela poluição da água.
Poluição pela matéria orgânica
Por mais paradoxal que possa parecer, a deterioração dos mananciais agravou-se muito com o advento das construções das redes de efluentes sanitários, aportando grandes quantidades de matéria orgânica nos rios. Isso ocorreu após a “reforma sanitária” iniciada na Inglaterra, em 1847, que introduziu o uso generalizado da descarga hidráulica nos vasos sanitários, ligando-os aos sistemas de efluentes e, consequentemente, fazendo descargas diretamente nos rios. Em pequenas quantidades, o efluente sanitário, bem como alguns poucos efluentes industriais tratados, podem ser integrados à matéria orgânica originalmente existente e servir de alimento à flora e à fauna.
A sobra desse alimento, que poderia ser chamada de início da poluição pela matéria orgânica, seria consumida por bactéria, que tem a propriedade de se multiplicar rapidamente. Entretanto, o grande excesso de efluente causa a demanda de oxigênio, que ésempre resultante de uma atividade biológica ou bioquímica. A demanda bioquímica de oxigênio (DBO) é proporcional à concentração de matéria orgânica assimilável pelas bactérias aeróbicas. A DBO determina a quantidade equivalente de oxigênio necessária para total decomposição da matéria orgânica e sua posterior transformação em matéria inorgânica. Em locais que tenham captação de efluentes domésticos, com os dados de DBO desses efluentes, é possível estimar o número de pessoas de uma comunidade.
Por exemplo, sabe-se que a DBO de uma pessoa, por dia, está próxima de 54 g O-1 L-1. Se a carga poluidora dos efluentes domésticos é conhecida, dividindo seu valor por 54, obtém-se o número aproximado de pessoas – valor este que tem o nome de equivalente populacional. Logo, se um efluente tiver DBO 38.800 g dia-1= 720 pessoas.
Outra utilização do parâmetro DBO é prever o impacto de uma indústria ou mesmo de uma cidade em construção à beira de um rio, uma vez que se sabe que a média de oxigênio dissolvido em um rio limpo é de 6 mg L-1, isto significa que são necessários 9 mil litros de água para decompor os dejetos de uma pessoa.
Poluição por resíduos industriais não biodegradáveis
O desenvolvimento econômico e a melhoria nos padrões de vida da sociedade levam ao aumento na utilização de novos materiais. Assim, produtos químicos desempenham importante função em setores como os de agricultura, indústria, doméstico, têxteis, transporte e saúde. Eles têm contribuído significativamente para a melhora do padrão de vida em todo o mundo. Entretanto, sua utilização está associada à contínua liberação de substâncias de ocorrência natural e manufaturada no ar, na água e no solo.
Estima-se que cerca de 90 a 100 mil compostos químicos estejam em uso diariamente. A produção, distribuição, utilização e disposição desses compostos levam inevitavelmente à presença dele no ambiente de maneira localizada e difundida. Os ciclos biogeoquímicos e as instalações dos polos industriais responsáveis pela produção desses compostos podem ser utilizados para predizer as fontes de emissões e os prováveis compartilhamentos ambientais a serem impactados. A dispersão de poluentes químicos no ambiente pode ocorrer na extração/mineração, manufatura, utilização, disposição final ou destruição. As quantidades dispersas nos diferentes compartimentos ambientais e o número de pontos de emissões podem variar muito entre substâncias. As mais importantes rotas pelas quais os poluentes podem aportar nos sistemas aquáticos estão ilustradas na figura 1.
Figura 1: Principais rotas dos poluentes aquáticos
Grande parte dos compostos orgânicos é biodegradável, ou seja, após mineralização, eles tornam-se inorgânicos. Entretanto, há várias exceções quando se trata de compostos sintetizados industrialmente, os quais não são biodegradáveis. Tais compostos são biologicamente residentes e não podem servir de alimento aos seres vivos, nem mesmo às bactérias. Por não serem digeridos por microrganismos, eles não são decompostos biologicamente. É o caso da poluição da água, particularmente o que interessa são as substâncias chamadas tensoativas, mais conhecidas como detergentes sintéticos. Suas moléculas se caracterizam por ligações sulfônicas – extremamente resistentes às ações químicas ou biológicas.
A estabilidade dessas substâncias em relação à degradação imposta pelo meio é muito vantajosa para as indústrias, pois tais substâncias podem permanecer armazenadas por tempo indefinido, sem se deteriorar. Se, por um lado, a limpeza é facilitada, por outro, sua resistência à deterioração pode interferir no equilíbrio ecológico, levando à mortalidade de insetos e organismos aquáticos. Mesmo não sendo providos de ação tóxica, como o são os defensivos agrícolas, os detergentes sulfônicos causam grandes prejuízos ambientais pelo poder tensoativo sobre as células microbianas, inibindo-as em seu poder antipoluente.
Com o desequilíbrio de diversas espécies, hoje denominadas de pragas, foram desenvolvidas substâncias chamadas de agroquímicos, cuja função é a eliminação das pragas.
Existem mais de 600 diferentes pesticidas utilizados na agricultura, no florestamento e na horticultura. Agroquímicos têm sido aplicados no campo mediante pulverizadores, bombas e aviões. Como o produto em spray possui partículas de vários tamanhos, a influência dos ventos não pode ser evitada e o aerossol de pesticida carregado pelo vento pode atingir diretamente as águas superficiais. Vários fatores influem na dispersão do pesticida:
A. Tamanho da gota (tensão superficial, tamanho do orifício de saída e pressão do líquido).
B. Dosagem, formulação e volume do spray e solventes utilizados no preparo.
C. Condições ambientais (velocidade e direção dos ventos, umidade, temperatura).
D. Altura da plantação (a dispersão aumenta com a altura da plantação) e altura do spray.
Pesticidas lixiviados por águas pluviais podem atingir a zona insaturada da coluna do solo ao serem transportados por gravidade/capilaridade até águas do subsolo. Enxurradas e erosões constituem fontes adicionais para facilitar as contaminações, e as maiores ocorrem quando há fortes chuvas logo após as aplicações. Outras fontes de contaminações de águas por práticas agricultáveis são as lavagens de utensílios diretamente nos mananciais ou a disposição inadequada de embalagens nas margens. Entretanto, felizmente essas práticas tendem a diminuir devido à publicação e entrada em vigor da Resolução Conama Nº 334, de 3 de abril de 2003, que dispõe sobre os procedimentos de licenciamento ambiental de estabelecimentos destinados ao recebimento de embalagens vazias de agrotóxicos.
Contaminação de águas de subsolo
As rotas de diferentes poluentes para as águas de subsolo geralmente são diferentes daquelas para as águas superficiais. A natureza química das rochas, através das quais as águas de subsolos movem influencia nas características das águas. Rochas vulcânicas compostas, na maioria, por silicatos de baixa solubilidade aumentam a quantidade de águas com baixos teores de sólidos dissolvidos. Por outro lado, rochas sedimentares são mais solúveis, pois consistem em materiais acumulados oriundos de várias fontes e, consequentemente, favorecem a existência de águas com alto conteúdo de sólidos.
A acidez, a alcalinidade e a salinidade.
Valores de salinidade aos quais nãos estão adaptados. O excesso de salinidade mata plantas inadaptadas a essa característica com rapidez. Certamente existem intervalos de salinidade e pH em que os organismos são capazes de sobreviver. A fonte mais comum de ácido poluente na água é a drenagem ácida de minas. Os valores de pH encontrados em águas poluídas por ácidos fica abaixo de 3, uma condição letal para a maioria das formas de vida aquática. Alguns ácidos, como o ácido sulfúrico, podem ser introduzidos em águas naturais pela chuva ácida. Nos casos em que a água não entra em contato com um mineral básico, como o calcário, o pH da água pode cair a valores perigosamente baixos.
O excesso de alcalinidade e os valores de pH elevados que, muitas vezes, acompanham essa característica, não são introduzidos pela via direta na água a partir da fontes antropogênicas.
Contudo, em muitas regiões geográficas, o solo e as camadas minerais são alcalinas e conferem alta alcalinidade à água. A atividade humana pode agravar a situação, com a exposição de águas superficiais ou subterrâneas ao excesso de carga alcalina da mineração de superfície. O excesso de alcalinidade na água é manifestado por uma eflorescência salina branca típica nas margens de um corpo hídrico estático ou nos bancos de uma corredeira.
A salinidade da água aumenta devido a diversas atividades humanas. A água que passa por um sistema público de distribuição, inevitavelmente, recolhe sais de fontes lixiviados de pilha de rejeitos minerais. O controle cuidadoso desses resíduos é necessário para prevenir o aumento da poluição da água por sais em áreas onde a salinidade já é um problema.
Aprofunde a leitura sobre o assunto, através do trecho do livro “Abastecimentode água para consumo humano”, que trata especificamente sobre a acidez, a alcalinidade e a salinidade disponível no link
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