Universidade do Sul de Santa Catarina Química Ambiental Disciplina na modalidade a distância Palhoça UnisulVirtual 2011 qumica_ambiental.indb 1 01/03/12 16:41 Créditos Universidade do Sul de Santa Catarina – Campus UnisulVirtual – Educação Superior a Distância Avenida dos Lagos, 41 – Cidade Universitária Pedra Branca | Palhoça – SC | 88137-900 | Fone/fax: (48) 3279-1242 e 3279-1271 | E-mail: [email protected] | Site: www.unisul.br/unisulvirtual Reitor Unisul Ailton Nazareno Soares Vice-Reitor Sebastião Salésio Heerdt Chefe de Gabinete da Reitoria Willian Máximo Pró-Reitora Acadêmica Miriam de Fátima Bora Rosa Pró-Reitor de Administração Fabian Martins de Castro Pró-Reitor de Ensino Mauri Luiz Heerdt Campus Universitário de Tubarão Diretora Milene Pacheco Kindermann Campus Universitário da Grande Florianópolis Diretor Hércules Nunes de Araújo Campus Universitário UnisulVirtual Diretora Jucimara Roesler Equipe UnisulVirtual Diretora Adjunta Patrícia Alberton Secretaria Executiva e Cerimonial Jackson Schuelter Wiggers (Coord.) Marcelo Fraiberg Machado Tenille Catarina Assessoria de Assuntos Internacionais Murilo Matos Mendonça Assessoria de Relação com Poder Público e Forças Armadas Adenir Siqueira Viana Walter Félix Cardoso Junior Assessoria DAD - Disciplinas a Distância Patrícia da Silva Meneghel (Coord.) Carlos Alberto Areias Cláudia Berh V. da Silva Conceição Aparecida Kindermann Luiz Fernando Meneghel Renata Souza de A. Subtil Assessoria de Inovação e Qualidade de EAD Denia Falcão de Bittencourt (Coord) Andrea Ouriques Balbinot Carmen Maria Cipriani Pandini Iris de Sousa Barros Assessoria de Tecnologia Osmar de Oliveira Braz Júnior (Coord.) Felipe Jacson de Freitas Jefferson Amorin Oliveira Phelipe Luiz Winter da Silva Priscila da Silva Rodrigo Battistotti Pimpão Tamara Bruna Ferreira da Silva Coordenação Cursos Coordenadores de UNA Diva Marília Flemming Marciel Evangelista Catâneo Roberto Iunskovski qumica_ambiental.indb 2 Assistente e Auxiliar de Coordenação Maria de Fátima Martins (Assistente) Fabiana Lange Patricio Tânia Regina Goularte Waltemann Ana Denise Goularte de Souza Coordenadores Graduação Adriano Sérgio da Cunha Aloísio José Rodrigues Ana Luísa Mülbert Ana Paula R. Pacheco Arthur Beck Neto Bernardino José da Silva Catia Melissa S. Rodrigues Charles Cesconetto Diva Marília Flemming Fabiano Ceretta José Carlos da Silva Junior Horácio Dutra Mello Itamar Pedro Bevilaqua Jairo Afonso Henkes Janaína Baeta Neves Jardel Mendes Vieira Joel Irineu Lohn Jorge Alexandre N. Cardoso José Carlos N. Oliveira José Gabriel da Silva José Humberto D. Toledo Joseane Borges de Miranda Luciana Manfroi Luiz G. Buchmann Figueiredo Marciel Evangelista Catâneo Maria Cristina S. Veit Maria da Graça Poyer Mauro Faccioni Filho Moacir Fogaça Nélio Herzmann Onei Tadeu Dutra Patrícia Fontanella Rogério Santos da Costa Rosa Beatriz M. Pinheiro Tatiana Lee Marques Valnei Carlos Denardin Roberto Iunskovski Rose Clér Beche Rodrigo Nunes Lunardelli Sergio Sell Coordenadores Pós-Graduação Aloisio Rodrigues Bernardino José da Silva Carmen Maria Cipriani Pandini Daniela Ernani Monteiro Will Giovani de Paula Karla Leonora Nunes Leticia Cristina Barbosa Luiz Otávio Botelho Lento Rogério Santos da Costa Roberto Iunskovski Thiago Coelho Soares Vera Regina N. Schuhmacher Gerência Administração Acadêmica Angelita Marçal Flores (Gerente) Fernanda Farias Secretaria de Ensino a Distância Samara Josten Flores (Secretária de Ensino) Giane dos Passos (Secretária Acadêmica) Adenir Soares Júnior Alessandro Alves da Silva Andréa Luci Mandira Cristina Mara Schauffert Djeime Sammer Bortolotti Douglas Silveira Evilym Melo Livramento Fabiano Silva Michels Fabricio Botelho Espíndola Felipe Wronski Henrique Gisele Terezinha Cardoso Ferreira Indyanara Ramos Janaina Conceição Jorge Luiz Vilhar Malaquias Juliana Broering Martins Luana Borges da Silva Luana Tarsila Hellmann Luíza Koing Zumblick Maria José Rossetti Marilene de Fátima Capeleto Patricia A. Pereira de Carvalho Paulo Lisboa Cordeiro Paulo Mauricio Silveira Bubalo Rosângela Mara Siegel Simone Torres de Oliveira Vanessa Pereira Santos Metzker Vanilda Liordina Heerdt Gestão Documental Lamuniê Souza (Coord.) Clair Maria Cardoso Daniel Lucas de Medeiros Eduardo Rodrigues Guilherme Henrique Koerich Josiane Leal Marília Locks Fernandes Gerência Administrativa e Financeira Renato André Luz (Gerente) Ana Luise Wehrle Anderson Zandré Prudêncio Daniel Contessa Lisboa Naiara Jeremias da Rocha Rafael Bourdot Back Thais Helena Bonetti Valmir Venício Inácio Gerência de Ensino, Pesquisa e Extensão Moacir Heerdt (Gerente) Aracelli Araldi Elaboração de Projeto e Reconhecimento de Curso Diane Dal Mago Vanderlei Brasil Francielle Arruda Rampelotte Extensão Maria Cristina Veit (Coord.) Pesquisa Daniela E. M. Will (Coord. PUIP, PUIC, PIBIC) Mauro Faccioni Filho(Coord. Nuvem) Pós-Graduação Anelise Leal Vieira Cubas (Coord.) Biblioteca Salete Cecília e Souza (Coord.) Paula Sanhudo da Silva Renan Felipe Cascaes Gestão Docente e Discente Enzo de Oliveira Moreira (Coord.) Capacitação e Assessoria ao Docente Simone Zigunovas (Capacitação) Alessandra de Oliveira (Assessoria) Adriana Silveira Alexandre Wagner da Rocha Elaine Cristiane Surian Juliana Cardoso Esmeraldino Maria Lina Moratelli Prado Fabiana Pereira Tutoria e Suporte Claudia Noemi Nascimento (Líder) Anderson da Silveira (Líder) Ednéia Araujo Alberto (Líder) Maria Eugênia F. Celeghin (Líder) Andreza Talles Cascais Daniela Cassol Peres Débora Cristina Silveira Francine Cardoso da Silva Joice de Castro Peres Karla F. Wisniewski Desengrini Maria Aparecida Teixeira Mayara de Oliveira Bastos Patrícia de Souza Amorim Schenon Souza Preto Gerência de Desenho e Desenvolvimento de Materiais Didáticos Márcia Loch (Gerente) Desenho Educacional Cristina Klipp de Oliveira (Coord. Grad./DAD) Silvana Souza da Cruz (Coord. Pós/Ext.) Aline Cassol Daga Ana Cláudia Taú Carmelita Schulze Carolina Hoeller da Silva Boeing Eloísa Machado Seemann Flavia Lumi Matuzawa Gislaine Martins Isabel Zoldan da Veiga Rambo Jaqueline de Souza Tartari João Marcos de Souza Alves Leandro Romanó Bamberg Letícia Laurindo de Bonfim Lygia Pereira Lis Airê Fogolari Luiz Henrique Milani Queriquelli Marina Melhado Gomes da Silva Marina Cabeda Egger Moellwald Melina de La Barrera Ayres Michele Antunes Corrêa Nágila Hinckel Pâmella Rocha Flores da Silva Rafael Araújo Saldanha Roberta de Fátima Martins Roseli Aparecida Rocha Moterle Sabrina Bleicher Sabrina Paula Soares Scaranto Viviane Bastos Acessibilidade Vanessa de Andrade Manoel (Coord.) Letícia Regiane Da Silva Tobal Mariella Gloria Rodrigues Avaliação da aprendizagem Geovania Japiassu Martins (Coord.) Gabriella Araújo Souza Esteves Jaqueline Cardozo Polla Thayanny Aparecida B.da Conceição Jeferson Pandolfo Karine Augusta Zanoni Marcia Luz de Oliveira Assuntos Jurídicos Bruno Lucion Roso Marketing Estratégico Rafael Bavaresco Bongiolo Portal e Comunicação Catia Melissa Silveira Rodrigues Andreia Drewes Luiz Felipe Buchmann Figueiredo Marcelo Barcelos Rafael Pessi Gerência de Produção Arthur Emmanuel F. Silveira (Gerente) Francini Ferreira Dias Design Visual Pedro Paulo Alves Teixeira (Coord.) Adriana Ferreira dos Santos Alex Sandro Xavier Alice Demaria Silva Anne Cristyne Pereira Cristiano Neri Gonçalves Ribeiro Daiana Ferreira Cassanego Diogo Rafael da Silva Edison Rodrigo Valim Frederico Trilha Higor Ghisi Luciano Jordana Paula Schulka Marcelo Neri da Silva Nelson Rosa Oberdan Porto Leal Piantino Patrícia Fragnani de Morais Multimídia Sérgio Giron (Coord.) Dandara Lemos Reynaldo Cleber Magri Fernando Gustav Soares Lima Conferência (e-OLA) Carla Fabiana Feltrin Raimundo (Coord.) Bruno Augusto Zunino Gerência de Logística Produção Industrial Marcelo Bittencourt (Coord.) Logísitca de Materiais Carlos Eduardo D. da Silva (Coord.) Abraao do Nascimento Germano Bruna Maciel Fernando Sardão da Silva Fylippy Margino dos Santos Guilherme Lentz Marlon Eliseu Pereira Pablo Varela da Silveira Rubens Amorim Yslann David Melo Cordeiro Gerência Serviço de Atenção Integral ao Acadêmico Jeferson Cassiano A. da Costa (Gerente) Avaliações Presenciais Graciele M. Lindenmayr (Coord.) Ana Paula de Andrade Angelica Cristina Gollo Cristilaine Medeiros Daiana Cristina Bortolotti Delano Pinheiro Gomes Edson Martins Rosa Junior Fernando Steimbach Fernando Oliveira Santos Lisdeise Nunes Felipe Marcelo Ramos Marcio Ventura Osni Jose Seidler Junior Thais Bortolotti Maria Isabel Aragon (Gerente) André Luiz Portes Carolina Dias Damasceno Cleide Inácio Goulart Seeman Francielle Fernandes Holdrin Milet Brandão Jenniffer Camargo Juliana Cardoso da Silva Jonatas Collaço de Souza Juliana Elen Tizian Kamilla Rosa Maurício dos Santos Augusto Maycon de Sousa Candido Monique Napoli Ribeiro Nidia de Jesus Moraes Orivaldo Carli da Silva Junior Priscilla Geovana Pagani Sabrina Mari Kawano Gonçalves Scheila Cristina Martins Taize Muller Tatiane Crestani Trentin Vanessa Trindade Gerência de Marketing Fabiano Ceretta (Gerente) Relacionamento com o Mercado Eliza Bianchini Dallanhol Locks Relacionamento com Polos Presenciais Alex Fabiano Wehrle (Coord.) 01/03/12 16:41 Rachel Faverzani Magnago Química Ambiental Livro didático Design instrucional Viviane Bastos 1ª edição revista Palhoça UnisulVirtual 2011 qumica_ambiental.indb 3 01/03/12 16:41 Copyright © UnisulVirtual 2011 Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida por qualquer meio sem a prévia autorização desta instituição. Edição – Livro Didático Professor Conteudista Rachel Faverzani Magnago Design Instrucional Viviane Bastos Assistente Acadêmico Jaqueline Tartari Michele Antunes Corrêa (1ª ed. rev.) ISBN 978-85-7817-303-6 Projeto Gráfico e Capa Equipe UnisulVirtual Diagramação Adriana Ferreira dos Santos Fernanda Fernandes (1ª ed. rev.) Revisão B2B Diane Dal Mago (1ª ed. rev.) 577.14 M17 Magnago, Rachel Faverzani Química ambiental : livro didático / Rachel Faverzani Magnago ; design instrucional Viviane Bastos ; [assistente acadêmico Jaqueline Tartari]. – 1. ed. rev. – Palhoça : UnisulVirtual, 2011. 204 p. : il. ; 28 cm. Inclui bibliografia. ISBN 978-85-7817-303-6 1. Química ambiental. I. Bastos, Viviane. II. Tartari, Jaqueline. III. Título. Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universitária da Unisul qumica_ambiental.indb 4 01/03/12 16:41 Sumário Apresentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Palavras da professora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Plano de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 UNIDADE 1 - Compostos inorgânicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 UNIDADE 2 - Compostos orgânicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 UNIDADE 3 - O meio aquático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 UNIDADE 4 - O meio terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 UNIDADE 5 - O meio atmosférico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Para concluir o estudo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Referências. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Sobre a professora conteudista. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Respostas e comentários das atividades de autoavaliação. . . . . . . . . . . . . . 195 Biblioteca Virtual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 qumica_ambiental.indb 5 01/03/12 16:41 qumica_ambiental.indb 6 01/03/12 16:41 Apresentação Este livro didático corresponde à disciplina Química Ambiental. O material foi elaborado visando a uma aprendizagem autônoma e aborda conteúdos especialmente selecionados e relacionados à sua área de formação. Ao adotar uma linguagem didática e dialógica, objetivamos facilitar seu estudo a distância, proporcionando condições favoráveis às múltiplas interações e a um aprendizado contextualizado e eficaz. Lembre-se de que sua caminhada, nesta disciplina, será acompanhada e monitorada constantemente pelo Sistema Tutorial da UnisulVirtual, por isso a “distância” fica caracterizada somente na modalidade de ensino que você optou para sua formação, pois na relação de aprendizagem professores e instituição estarão sempre conectados com você. Então, sempre que sentir necessidade entre em contato; você tem à disposição diversas ferramentas e canais de acesso tais como: telefone, e-mail e o Espaço Unisul Virtual de Aprendizagem, que é o canal mais recomendado, pois tudo o que for enviado e recebido fica registrado para seu maior controle e comodidade. Nossa equipe técnica e pedagógica terá o maior prazer em lhe atender, pois sua aprendizagem é o nosso principal objetivo. Bom estudo e sucesso! Equipe UnisulVirtual. 7 qumica_ambiental.indb 7 01/03/12 16:41 qumica_ambiental.indb 8 01/03/12 16:41 Palavras da professora Seja bem-vindo(a) à disciplina Química Ambiental. O que pretendemos com esta disciplina é criar espaços de estudo e de reflexão que lhe permitam dimensionar a importância do solo, da água, do ar e seus equilíbrios no meio ambiente. Com isso, você perceberá de que modo esses temas podem ser utilizados para uma melhor qualidade de vida das pessoas. Estamos vivendo em um contexto histórico onde presenciamos um momento ambiental importante para nosso país e o mundo. Presenciamos, a cada dia, atitudes com o objetivo de intervir em prol do meio ambiente. No Brasil, podemos citar o estímulo para a pesquisa, o desenvolvimento e utilização de energias renováveis, o que traria, para o país, reflexos no meio social, econômico, político e ambiental. O importante para o bom desempenho na disciplina é que você estude, pesquise, repense a temática proposta, a fim de produzir ideias sobre a temática aqui tratada. No entanto, lembre-se de que é necessário, desde o início, estabelecer um “elo” entre as propriedades das substâncias químicas e os efeitos dessas substâncias no meio ambiente. Bons estudos!Prof.ª Dra. Rachel Faverzani Magnago qumica_ambiental.indb 9 01/03/12 16:41 qumica_ambiental.indb 10 01/03/12 16:41 Plano de estudo O plano de estudos visa a orientá-lo no desenvolvimento da disciplina. Ele possui elementos que o ajudarão a conhecer o contexto da disciplina e a organizar o seu tempo de estudos. O processo de ensino e aprendizagem na UnisulVirtual leva em conta instrumentos que se articulam e se complementam, portanto, a construção de competências se dá sobre a articulação de metodologias e por meio das diversas formas de ação/mediação. São elementos desse processo: o livro didático; o Espaço UnisulVirtual de Aprendizagem (EVA); as atividades de avaliação (a distância, presenciais e de autoavaliação); o Sistema Tutorial. Ementa Conceitos gerais sobre a química do ambiente; química da água, química do solo e da atmosfera. Principais parâmetros de caracterização da água. Relação da pedosfera com a hidrosfera e a biosfera. Transferência de poluentes dos solos e dos aquíferos. Descrição dos processos fundamentais da atmosfera. Principais parâmetros de caracterização da atmosfera. Perturbações da atmosfera. Efeito estufa adicional e evolução climática. Termodinâmica das reações em solução. Compostos orgânicos tóxicos. Petróleo e seus derivados: produtos orgânicos, polímeros. qumica_ambiental.indb 11 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Objetivos Geral: Interpretar a natureza e suas transformações físicas e químicas por meio dos átomos e das moléculas, visando proporcionar a compreensão da dinâmica do metabolismo de compostos do meio ambiente. Deseja-se desenvolver, no acadêmico, a competência de interpretar gráficos, tabelas e resultados. Específicos: Compreender reações químicas que ocorrem na natureza. Analisar as transformações físico-químicas que ocorrem na natureza. Analisar as alterações ambientais pela interferência antrópica. Identificar e compreender a química de compostos inorgânicos na natureza. Identificar e compreender a química de compostos orgânicos na natureza. Carga Horária A carga horária total da disciplina é 60 horas-aula. 12 qumica_ambiental.indb 12 01/03/12 16:41 Química Ambiental Conteúdo programático/objetivos Veja, a seguir, as unidades que compõem o livro didático dessa disciplina e os seus respectivos objetivos. Esses se referem aos resultados que você deverá alcançar ao final de uma etapa de estudo. Os objetivos de cada unidade definem o conjunto de conhecimentos que você deverá possuir para o desenvolvimento de habilidades e competências necessárias à sua formação. Unidades de estudo: 5 Unidade 1 – Compostos inorgânicos Nesta unidade, você vai conhecer os elementos e compostos químicos, compreender as ligações químicas que ocorrem entre os elementos químicos e que normalmente são dependentes da eletronegatividade de cada elemento. Também serão abordadas as classes de compostos inorgânicos, as funções inorgânicas e as propriedades de cada elemento químico, assim como das substâncias químicas. Unidade 2 – Compostos orgânicos O assunto tratado nessa unidade é a classificação dos compostos orgânicos, os resíduos perigosos gerados por essa classe de compostos, tais como organohalogenados, dioximas e furanos, dentre outros. Vai conhecer, também, as propriedades e o comportamento dos compostos orgânicos. Para finalizar a unidade, será abordado sobre o petróleo e seus derivados. Unidade 3 – O meio aquático Nesta unidade será estudada a água na natureza, usos da água e requisitos de qualidade para o consumo humano. Você conhecerá as ações antrópicas que alteram a qualidade da água e a importância da manutenção da qualidade das águas naturais. O comportamento ambiental dos lagos e tratamento de esgotos também serão assuntos desta unidade. 13 qumica_ambiental.indb 13 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Unidade 4 – O meio terrestre Nesta unidade, serão apresentados conceito, composição, formação química e classificação dos solos. Também serão apresentadas as características ecologicamente importantes dos solos, o fenômeno de erosão e a poluição do solo rural. Unidade 5 – O meio atmosférico Nesta unidade, você vai estudar as características e composição do ar, bem como padrões de sua qualidade e a questão da poluição do ar. 14 qumica_ambiental.indb 14 01/03/12 16:41 Química Ambiental Agenda de atividades/Cronograma Verifique com atenção o EVA, organize-se para acessar periodicamente a sala da disciplina. O sucesso nos seus estudos depende da priorização do tempo para a leitura, da realização de análises e sínteses do conteúdo e da interação com os seus colegas e professor. Não perca os prazos das atividades. Registre no espaço a seguir as datas com base no cronograma da disciplina disponibilizado no EVA. Use o quadro para agendar e programar as atividades relativas ao desenvolvimento da disciplina. Atividades obrigatórias Demais atividades (registro pessoal) 15 qumica_ambiental.indb 15 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina 16 qumica_ambiental.indb 16 01/03/12 16:41 UNIDADE 1 Compostos inorgânicos Objetivos de aprendizagem Conhecer os elementos e compostos químicos. 1 Compreender as ligações químicas, levando em consideração os elementos químicos e os valores de eletronegatividade. Conhecer as classes de compostos inorgânicos. Compreender as propriedades das substâncias químicas. Seções de estudo Seção 1 Elemento e composto químico Seção 2 Ligações químicas Seção 3 Classificação dos compostos químicos inorgânicos Seção 4 Propriedades dos compostos químicos qumica_ambiental.indb 17 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo O papel desempenhado pelo dióxido de carbono na atmosfera, a formação da chuva ácida, os constituintes das conchas, as propriedades exibidas pela água, a dispersão de poluentes no ambiente, entre muitos outros exemplos, não poderiam ser compreendidos sem o conhecimento fornecido pela química. Esses exemplos envolvem substâncias químicas que se encaixam na classificação de ácidos, bases, sais e óxidos na química dos compostos inorgânicos. É possível citar como sendo os principais constituintes da chuva ácida, o ácido sulfúrico (H2SO4), o ácido sulfuroso (H2SO3) e o ácido nítrico (HNO3). Já dentre as bases, por exemplo, é possível citar o hidróxido de sódio (NaOH), que pode contaminar o meio ambiente e causar queimadura em contato com a pele, devido ao seu poder cáustico. As substâncias químicas dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), por sua vez, são classificadas como óxidos. Esses casos envolvem substâncias químicas inorgânicas que, devido às espécies atômicas e ao tipo de ligação realizada entre os átomos, formam as moléculas que apresentam propriedades peculiares, efeitos benéficos ou não ao ser humano e ao meio ambiente. As substâncias citadas anteriormente, entre muitas outras, possuem importância nas nossas atividades diárias e poderão ser mais bem conhecidas, exploradas e compreendidas durante essa unidade. O meio atmosférico, aquático e terrestre é constituído por elementos e compostos químicos. A próxima seção apresenta os elementos e compostos químicos inorgânicos, isto é, saímos do mundo microscópico, geralmente apresentado pelo elemento, e passamos para o macroscópico, exibido pelo grupo de moléculas. Você vai conhecer, então, conceitos, exemplos e a diferença entre um elemento e composto químico. 18 qumica_ambiental.indb 18 01/03/12 16:41 Química Ambiental Seção 1 – Elemento e composto químico Embora os filósofos gregos Demócrito e Leucipo, que viveram por volta do ano 400 a.C., tenham suposto corretamente sobre a existência de átomos, atualmente, sabe-se que eles são muito mais que esferas vazias. Os átomos são constituídos por um núcleo onde se encontram os prótons e os nêutrons e pela eletrosfera onde estão os elétrons. O modelo atual do átomo é resultado da contribuição de estudos de muitos cientistas. Dentre eles, destacam-se Dalton (1803), Thomson (1904), Rutherford (1911), Bohr (1913) e Sommerfeld (1916), que contribuíram para a evolução das teorias atômicas até chegar ao modelo atual (figura 1.1). Figura 1.1 - Modelo atual do átomo Fonte: Brasil escola (2008). Os estudos eram embasados em experimentos e, por isso, levouse mais de cem anos para desvendar o átomo. Como você estudou anteriormente, o átomo é composto por duas regiões: o núcleo e a eletrosfera. Mas o que há em cada um? Unidade 1 qumica_ambiental.indb 19 19 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina O núcleo, apesar de pequeno (compacto), compreende toda a carga positiva de origem dos prótons e praticamente toda a massa do átomo, pois nele encontram-se os nêutrons, que são assim chamados por serem neutros (sem carga). Na eletrosfera (parte leve do átomo) encontram-se os elétrons, com carga negativa. A estrutura apresentada do átomo é aplicada para todos os elementos químicos, e cada elemento químico diferencia em número de elétrons, nêutrons e prótons. O átomo do elemento químico hidrogênio (H) apresenta um próton e um nêutron (no núcleo) e um elétron (na eletrosfera). Ele é o elemento químico de menor número atômico. Já o átomo de urânio (U), ou o átomo do elemento químico urânio, apresenta 92 prótons e 92 nêutrons (no núcleo) e 92 elétrons (na eletrosfera). Tabela periódica é a disposição sistemática dos elementos químicos em função de suas propriedades. Sua finalidade é mostrar as características e tendências dos átomos. Expressa também número atômico, símbolo atômico e nome dos elementos. Existem muitos elementos químicos (como carbono, oxigênio, hidrogênio, cloro e zinco), e todos os elementos químicos conhecidos estão organizados na Tabela Periódica. Mas como reconhecer um elemento químico na tabela periódica? Cada elemento químico é identificado na tabela pelo nome ou símbolo. O símbolo de um elemento químico é representado por uma letra maiúscula ou por duas letras, sendo a primeira maiúscula e a segunda minúscula. Por exemplo: o átomo de Carbono é representado pela letra C; o átomo de Hidrogênio pela letra H; o átomo de Oxigênio pela letra O e o átomo de Zinco pelas letras Zn. A tabela periódica, que inter-relaciona os elementos químicos com suas propriedades, organizou o conhecimento químico sobre os elementos. Lothar Meyer (alemão) e Dmitri Mendeleev (russo) demonstraram que várias propriedades, tais como volume, ponto de ebulição, dureza, eletronegatividade etc., eram representadas 20 qumica_ambiental.indb 20 01/03/12 16:41 Química Ambiental graficamente em função de seu peso atômico. (Atualmente, a versão mais utilizada da tabela é a mesma mostrada no Anexo 1. Como estão organizados os elementos químicos em uma tabela periódica? É importante relembrar que as linhas horizontais da tabela periódica são chamadas de períodos, sendo numeradas de 1 a 7. Note na figura 1.2 que elas variam muito em largura do primeiro período (dois elementos) até o sexto (32 elementos) e sétimo (potencialmente 32 elementos). O sexto período inclui os 14 elementos de número atômico (Z) igual a 58 (cério) até o número atômico igual a 71 (lutécio). Esses elementos que seguem o lantânio são chamados de lantanóides, do mesmo modo que no sétimo período os elementos que seguem o actínio (Z = 89) são chamados de actinóides. 1 1 2 3 4 5 6 7 18 2 13 14 15 16 17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 K L M N O P Q Figura 1.2 - Tabela periódica contendo os símbolos dos elementos químicos. A numeração vertical identifica os grupos (ou famílias) e a numeração horizontal representa os períodos Fonte: Adaptado do site Christus. Disponível em: <http://www.christus.com.br/infochristus/ tabperiodica/diversos/historia.htm >. As colunas na tabela periódica, mostradas na figura 1.2, são chamadas de grupos. Cada um deles é uma família de elementos químicos, sendo que alguns grupos consistem em três, quatro, cinco ou seis elementos. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 21 21 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Como podem ser verificados na figura 1.2, os grupos são numerados de 1 a 18. Os grupos de 3 até 12 são os elementos de transição e os demais são os elementos representativos. Desse modo, tem-se que os elementos do grupo 17, os halogênios, são representativos, enquanto que os do grupo 4 são de transição. Os grupos dos elementos representativos comumente são citados pelos nomes, além da representação numérica. Assim, temos: Grupo 1 ou metais alcalinos; Grupo 2 ou metais alcalinos terrosos; Grupo 13 ou grupo do boro; Grupo 14 ou grupo do carbono; Grupo 15 ou grupo do nitrogênio; Grupo 16 ou calcogênios; Grupo 17 ou grupo dos halogênios; Grupo 18 ou gases nobres. Características dos elementos químicos Um detalhe muito importante a ser observado na tabela periódica é que cada grupo possui propriedades semelhantes, e um novo período surge quando há repetição das propriedades na nova sequência de elementos. O lítio (Z = 3) é um metal alcalino. Quando o próximo metal alcalino, sódio (Z = 11), aparece, esse toma o lugar logo abaixo do lítio (verifique na tabela periódica). Outro exemplo: o flúor (Z = 9) é um halogênio. Quando o próximo halogênio, cloro (Z = 17), aparece, esse toma o lugar logo abaixo. No entanto, é importante enfatizar as características especiais de alguns elementos químicos. Veja a seguir. 22 qumica_ambiental.indb 22 01/03/12 16:41 Química Ambiental O hidrogênio, que se encontra no grupo 1, período 1 da tabela periódica, apresenta suas propriedades diferentes de todos os outros elementos do mesmo grupo. Ele não é um metal alcalino, mas encontra-se nesse grupo por apresentar apenas um elétron na sua última camada, como todos os outros elementos do grupo. Os únicos elementos químicos que existem em Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), sem formar ligações químicas, são os gases nobres, o grupo 18 da tabela periódica (figura 1.2). Retomando o assunto da constituição atômica, os elementos químicos possuem em sua estrutura atômica um determinado número de elétrons, prótons e neutros. Para cada elemento químico encontrado na tabela periódica, os elétrons desse elemento são os responsáveis pelas ligações com outros elementos químicos. Os átomos se ligam para adquirir maior estabilidade química. Assim, obtemos os compostos químicos, ou seja, por meio da ligação de dois ou mais elementos químicos (átomos), sendo eles iguais ou diferentes. Algumas versões de tabela periódica colocam o hidrogênio isolado (figura 1.2) e algumas vezes acima do flúor no grupo 17, sendo que o hidrogênio também não é halogênio às agências reguladoras. As Condições Normais de Temperatura e Pressão (cuja sigla é CNTP no Brasil) referem-se à condição experimental com temperatura e pressão de 273,15 K (0 °C) e 101325 Pa (101,325 KPa = 1,01325 bar = 760 mmHg = 1 atm), respectivamente. Essa condição é geralmente empregada para medidas de propriedades de um gás. São condições internacionais de referência, isto é, pressão e temperatura padrão. De modo geral, a estabilidade química é alcançada quando cada átomo, depois de ligado, tem o mesmo número de elétrons apresentado pelo gás nobre correspondente do período. Considere o hidrogênio como exemplo. O composto químico (molécula química) hidrogênio é representado pela fórmula química H2 (H-H). O composto de hidrogênio é obtido da ligação química entre dois elementos hidrogênios. Já a molécula de água, por exemplo, representada pela fórmula química H2O (H-O-H), é obtida pela ligação química do elemento oxigênio a dois elementos hidrogênios. Ao percorrer um período na tabela periódica, observa-se uma transição gradual no caráter dos elementos, de metálicos (esquerda da tabela periódica) a não metálicos (direita da tabela periódica), ou seja: Unidade 1 qumica_ambiental.indb 23 23 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Um elemento metálico é um elemento de propriedades físicas que incluem alta condutividade elétrica e térmica e um brilho característico. Uma propriedade química dos metais é a capacidade de formar composto (ou moléculas) químico com o átomo de oxigênio e átomo de hidrogênio, formando os hidróxidos compostos, que são a classe de compostos comumente conhecidos como bases. Exemplo: NaOH, KOH, Ca(OH)2 e Mg(OH)2. Os elementos metálicos, em muitos casos, são utilizados no nosso dia a dia em diferentes aplicações. Podemos citar o elemento cobre (Cu), utilizado em fios, chapas e torneira, ou ainda o elemento chumbo (Pb), utilizado em baterias, no processo de solda e como pigmentos em tintas. Um elemento não metálico é mau condutor de calor e eletricidade, é opaco, ou seja o oposto de um elemento metálico. Um elemento não metálico forma composto químico com o átomo de hidrogênio e também com o oxigênio, dando origem a outra classe de compostos, os ácidos. Exemplo: HCl, HF, H2SO4 e H2CO3. Podemos citar a utilização de elementos não metálicos em diferentes compostos, com as mais variadas aplicações. Por exemplo, o elemento boro (B) é utilizado como aditivo para detergentes, medicamentos para olhos e ainda vidros refratários. Outro exemplo são os compostos contendo cloro (Cl), que são empregados em desinfetantes, alvejantes e plásticos. Os elementos de transição são mais metais do que não metais e são geralmente denominados de metais de transição. 24 qumica_ambiental.indb 24 01/03/12 16:41 Química Ambiental Dentre as propriedades periódicas (caráter metálico, energia de ionização, eletronegatividade, entre outras), observamos que a energia de ionização é bastante diferente entre os elementos metálicos e não metálicos. É possível que mais de um elétron seja removido de um átomo. Nos metais, a remoção de um elétron é mais fácil, requer menos energia do que nos não metais. Por esse fato, normalmente observamos os elementos metálicos perdendo seus elétrons para os elementos não metálicos. O átomo que perde elétrons converte-se num cátion, enquanto o que ganha elétrons converte-se num ânion, de modo geral adquirindo uma configuração eletrônica mais estável. Energia de ionização significa a quantidade de energia mínima necessária para remover um elétron de um átomo, dando origem a um íon positivo no estado gasoso, no seguinte processo: M(g) → M+(g) + é Uma configuração eletrônica estável para os átomos consiste em ter, depois de ligado, o mesmo número de elétrons apresentado pelo gás nobre correspondente do período. Os gases nobres, com exceção do hélio (He), apresentam oito elétrons na última camada da eletrosfera. A tendência para alcançar essa configuração conhece-se pela regra do octeto (essa regra apresenta exceções). O gás hélio apresenta dois elétrons na sua última camada. Na formação de compostos químicos, um fato intrigante é a força que age entre dois átomos. Na próxima seção, você vai estudar os tipos e de ligações e como essas ocorrem para formar as moléculas e grupos moleculares, isto é, duas das forças mais fortes: ligação iônica e ligação covalente. Seção 2 – Ligações químicas Os compostos químicos (ou moléculas químicas) serão formados graças à disponibilidade de elétrons na eletrosfera, como foi visto na seção anterior. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 25 25 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Este termo será adotado a partir de agora nos nossos estudos. Os elétrons que participam da ligação química são os elétrons encontrados na última camada da eletrosfera e podem ser compartilhados entre dois átomos ou transferidos de um átomo para outro. A última camada, ou a mais externa, também pode ser chamada de camada de valência. As ligações químicas são os mecanismos através dos quais os átomos adquirem estabilidade. As ligações químicas são classificadas como: 1. ligações fortes - que compreendem as ligações iônica, covalente e metálica; 2.ligações fracas - que compreendem as ligações de van der Waals, hidrogênio e dipolo-dipolo. Conheça as características de cada uma dessas ligações químicas. Ligações fortes Compreendem as ligações iônica, covalente e metálica. A ligação metálica ocorre especialmente entre os elementos metálicos, quando pelo menos um elétron da camada de valência do elemento é doado para outro átomo também metálico, igual ou diferente. As ligações iônica e covalente são dependentes da eletronegatividade dos átomos envolvidos e serão explicadas a seguir. Para tanto, precisamos relembrar o que é eletronegatividade. Eletronegatividade é a tendência relativa apresentada, por um átomo ligado a outro, de atrair elétrons para si. Quanto maior é a diferença de eletronegatividade entre os átomos que se ligam, maior é a polaridade de uma ligação covalente. 26 qumica_ambiental.indb 26 01/03/12 16:41 Química Ambiental Ao analisar a figura 1.3, a seguir, observamos três situações distintas em que um par de elétrons compartilhado é simultaneamente atraído por ambos os átomos ligados. Assim, esse par de elétrons pode ser considerado como sendo disputado pelos átomos. A ligação covalente é resultado de um compartilhamento de elétrons entre os átomos que se ligam. A estabilidade da ligação covalente provém da diminuição energética que experimentam os átomos ao se ligarem. A formação da ligação covalente explica-se mediante duas teorias: a teoria da ligação de valência e a teoria da orbital molecular. Na teoria da ligação de valência supõe-se que a ligação se forma quando os dois átomos se aproximam o suficiente para conseguirem uma adequada sobreposição dos seus orbitais externos. Em muitos casos, o uso de orbitais atômicos puros não está de acordo com os dados experimentais. Para eliminar essa discrepância entre a teoria e a experimentação, é necessário supor que durante o processo de formação da ligação se produz uma hibridação ou mistura de orbitais puras. Na teoria da orbital molecular supõe-se que os núcleos dos átomos ligados se encontram já na sua distância internuclear de equilíbrio, livres de todos os seus elétrons. Essa estrutura possui orbitais moleculares de diversos níveis energéticos, formadas a partir das orbitais atômicos. Os elétrons vão se situando nessas orbitais moleculares, obtendo-se, desse modo, a configuração eletrônica da molécula. Diz-se que uma ligação covalente é apolar quando os dois átomos que se ligam atraem de igual modo os elétrons compartilhados. Por outro lado, dizse que uma ligação covalente é polar quando os átomos que se ligam atraem de modo diferente os elétrons compartilhados. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 27 27 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 1.3 - Esquema de ligações utilizando átomos hipotéticos X e Y Fonte: Adaptado de Mundim (2008). No primeiro caso (à esquerda da figura 1.3), os átomos hipotéticos X e Y estão compartilhando igualmente os elétrons da ligação entre os dois átomos, ou seja, os átomos X e Y apresentam valores de eletronegatividade iguais ou muito próximos. Sendo assim, o par de elétrons disputado entre os átomos está equidistante das espécies químicas, fazendo com que não ocorra a formação de carga parcial (δ+ ou δ−) ou carga total (+ ou -) sobre as espécies X e Y. Essa ligação é dita ligação covalente apolar. Na prática, a eletronegatividade é verificada nas espécies químicas envolvidas e faz-se a diferença em módulo das eletronegatividades dos átomos. Os valores das eletronegatividades dos átomos são tabelados e encontram-se no quadro a seguir. Quadro 1 - Escala de eletronegatividade de Paulin Fonte: Wapedia (2011). 28 qumica_ambiental.indb 28 01/03/12 16:41 Química Ambiental A molécula de H2 é formada por dois átomos de hidrogênio, os quais apresentam valor igual de eletonegatividade, sendo assim, a diferença será igual a zero. Para a molécula de H2S, na qual o enxofre (S) é o átomo central, observamos para a ligação química H-S que a diferença de eletronegatividade é igual a 0,4. Isto porque a eletronegatividade do átomo de hidrogênio é igual a 2,1 e a eletronegatividade do átomo de enxofre é de 2,5. Nesse caso, podemos observar que a ligação H-S não é verdadeiramente apolar. No segundo caso, central da figura 1.3, os átomos hipotéticos X e Y estão compartilhando os elétrons da ligação X-Y de maneira desigual. Devido à formação da carga parcial negativa (δ− ) sobre o átomo Y, pode-se concluir que esse atrai mais fortemente os elétrons da ligação. Com certeza, por ser um átomo mais eletronegativo que o átomo X. Devido à formação de polos na ligação da molécula, essa ligação é denominada de covalente polar. Para a molécula de CO2, na qual o carbono (C) é o átomo central, observamos para a ligação química C-O que a diferença de eletronegatividade é igual a 1,0. Isso porque a eletronegatividade do átomo de oxigênio é igual a 3,5 e a do átomo de carbono é de 2,5. Nesse caso, podemos observar que a ligação C-H é covalente polar. Para facilitar a compreensão, observe a figura 1.3. Nela é possível reconhecer a representação esquemática da ligação covalente apolar que ocorre entre os átomos de mesma eletronegatividade. Além disso, observa-se que a nuvem de elétrons está distribuída de maneira igual para os dois átomos de hidrogênio. Já para as ligações covalentes polares, observamos que a nuvem de elétrons encontra-se concentrada na espécie mais eletronegativa. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 29 29 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Voltando à figura 1.3, no terceiro caso (da direita), ocorre a transferência de elétron entre os átomos hipotéticos X e Y, em que o átomo Y (carga -) recebe o elétron do átomo X (carga +). Esse processo ocorre devido ao átomo Y apresentar uma eletronegatividade muito maior que o átomo X, e com isso favorecer a formação de íon positivo e negativo, dando origem ao termo que denomina a ligação iônica. Na molécula de NaCl o sódio (Na) e o cloro (Cl) apresentam uma diferença de eletronegatividade igual a 2,1. Isso porque a eletronegatividade do átomo de sódio é igual a 0,9 e a eletronegatividade do átomo de cloro é de 3,0. Nesse caso, podemos observar que a ligação é iônica. Na figura 1.3 o caráter iônico do átomo Y aumenta da ligação covalente apolar para a covalente polar, e por último para a ligação iônica. É importante salientar que a maioria das ligações químicas não é 100% iônica ou 100% covalente. Na verdade, as ligações possuem caráter intermediário, e vão gradualmente do maior caráter covalente para o maior caráter iônico. Uma ligação iônica é a que se forma por transferência de um ou mais elétrons da camada de valência de um átomo para a camada de valência de outro. A ligação iônica produz-se pela atração eletrostática entre os íons de carga oposta. Na prática verifica-se a diferença de eletronegatividade entre dois átomos ligados. Se essa for menor ou igual a 0,4, consideramos ter uma ligação covalente apolar; se for de 0,5 até 1,4, a ligação é covalente polar; e se for maior que 1,4, a ligação é considerada iônica. 30 qumica_ambiental.indb 30 01/03/12 16:41 Química Ambiental Ligações fracas As moléculas apolares (não contêm dipolos) e os átomos não combinados experimentam forças de atração débeis, chamadas Forças de van der Waals. Pense em uma molécula como uma espécie não estática, pois apresenta movimento desordenado dos elétrons nos átomos. É razoável pensar que num determinado momento a distribuição nessa molécula pode não ser perfeitamente simétrica, e apareçam então dipolos instantâneos (figura 1.4). Esses dipolos desaparecerão em pouco tempo, podendo levar a uma molécula neutra ou a outros dipolos, inclusive contrários. Mas no curto espaço de tempo em que existem, eles podem induzir a formação de dipolos contrários na molécula vizinha, levando as duas a se atraírem mutuamente. (a) Essa denominação é em homenagem ao físico Olandez Johannes Diderik vander der Waals, que desenvolveu uma equação relacionando a pressão e a temperatura de um gás com o seu volume. (b) Figura 1.4 - Esquema representativo das forças de van der Waals: (a) dipolo instantâneo e (b) dipolo induzido Fonte: Pissinato (2008). A força de interação de van der Waals está presente entre as moléculas do gás oxigênio e também entre as moléculas do gás de nitrogênio. Esses gases são constituintes importantes da atmosfera. As moléculas polares experimentam forças denominadas dipolodipolo (figura 1.5), em que as moléculas são atraídas entre si por interações dipolares, devidas à criação de dipolos originados pela diferença de eletronegatividade nos átomos. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 31 31 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 1.5 - Esquema representativo das forças dipolo-dipolo Fonte: Pissato (2008). Entre as moléculas de acetona há força de atração do tipo dipolo-dipolo, devido à diferença de eletronegatividade entre os átomos de C e de O. O átomo de oxigênio (δ-) é mais eletronegativo do que o átomo de carbono (δ+). H3C δ+ C δ− H3C O H3C δ+ C δ− O H3C A ligação de hidrogênio é a mais importante das forças de atração débeis e dá-se quando o hidrogênio está ligado a um átomo muito eletronegativo e de pequeno volume atômico, como flúor, nitrogênio e oxigênio. Nesses casos, formam-se moléculas muito polares atraídas entre si por intensas interações dipolares. Entre as moléculas de água há ligação de hidrogênio, devido à diferença de eletronegatividade entre os átomos de H e de O. O átomo de oxigênio (δ-) é mais eletronegativo do que o átomo de hidrogênio (δ+). δ+ H δ− O H δ+ H δ− H δ+ δ+ O δ− H O H δ− O H H δ+ 32 qumica_ambiental.indb 32 01/03/12 16:41 Química Ambiental Na água líquida e no gelo, os átomos de hidrogênio de uma molécula de água podem formar ligações com o átomo de oxigênio de moléculas adjacentes, conforme mostra a figura do exemplo anterior. Já na figura 1.6, é possível observar que partes da água estão na forma de gelo. Figura 1.6 - Iceberg flutuante Fonte: Hicker (2011). Analise a figura 1.6 e reflita: por que o gelo boia? Isso ocorre porque a densidade de uma substância (o peso em relação ao volume) varia com sua temperatura. O gelo boia porque sua densidade é menor do que a da água líquida em temperatura ambiente. Essa é uma propriedade incomum, porque a maioria das substâncias puras é mais densa no estado sólido do que no líquido. No gelo comum, obtido sob pressão atmosférica, as moléculas de água formam estruturas hexagonais (figura 1.7) que deixam vãos entre elas. A ausência de moléculas nesses espaços (espaços vazios) causa uma diminuição da densidade do sólido em relação ao líquido. Figura 1.7 - Estrutura hexagonal do gelo Fonte: Elves Manuel (2007). Unidade 1 qumica_ambiental.indb 33 33 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Com o derretimento do gelo, em temperaturas acima de 0 °C, o número de arranjos hexagonais diminui e sua fragmentação faz com que a densidade da água aumente, atingindo seu valor máximo a 4 ºC. Mas afinal, por que os peixes não morrem congelados nas regiões polares? Porque nem toda água do mar está congelada. Então, por que nem toda água do mar está congelada? Nem toda água do mar está congelada devido ao sal. O ponto de congelamento passa para menos de 0 °C dependendo do grau de salinidade (quanto mais sal, mais baixa a temperatura). A água salgada congela na superfície porque atinge a temperatura suficientemente baixa, a ponto de congelar, e com isso forma-se uma camada de gelo na superfície do mar (o gelo flutua). Essa camada de gelo isola o restante da água do ar frio que está por cima. Por isso, é difícil o fundo ficar tão frio a ponto de fazer a água salgada congelar. Ainda assim, nos polos da Terra faz frio o ano todo e, mesmo com o gelo da superfície isolando, a água por baixo consegue ficar abaixo da temperatura de congelamento. Hora de lembrar que quanto mais fundo se vai, maior é a pressão. E é aí que entra outra propriedade da água: quando aumenta a pressão, ela derrete! É a alta pressão que impede o congelamento desse líquido. Faça uma experiência! Coloque a mesma quantidade de água em dois copos, cerca de três dedos de altura. Junte uma colher de sopa de sal a um deles e mexa bem. Ponha ambos os copos no congelador e vá verificando de vez em quando se congelaram. Qual congela mais depressa? O copo de água que não contém sal. Se seu congelador não estiver suficientemente frio, a água com sal não congela! 34 qumica_ambiental.indb 34 01/03/12 16:41 Química Ambiental Por meio das ligações (metálica, iônica e covalente polar e apolar) podem ser formados muitos compostos. Esses compostos são agrupados em função da suas propriedades e são classificados como compostos orgânicos e inorgânicos, dependendo dos átomos e de como esses átomos estão ligados, como você vai estudar na próxima seção. Seção 3 – Classificação dos compostos químicos inorgânicos Com o intuito de facilitar a compreensão e estudo dos compostos químicos, os pesquisadores os dividiram em dois grandes grupos: os compostos inorgânicos e os compostos orgânicos. Esses compostos são de suma importância para se compreender a constituição dos meios aquático, terrestre e atmosférico e, também, os problemas ambientais. Infelizmente, é difícil fornecer uma definição sobre compostos químicos que satisfaça completamente os estudiosos. A mais aceita é: Compostos orgânicos são aqueles que possuem como constituintes átomos de carbono, hidrogênio e, em alguns casos, outros átomos (heteroátomos), tais como oxigênio, nitrogênio, enxofre e cloro. Todos os demais compostos são considerados compostos inorgânicos. Os compostos inorgânicos são subdivididos em funções químicas que correspondem a um conjunto de substâncias que apresentam propriedades químicas semelhantes. Nesta seção, serão abordados somente os compostos inorgânicos. As substâncias inorgânicas podem ser classificadas em quatro funções: ácidos; bases; sais; óxidos. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 35 35 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Assim, numa reação química, todos os ácidos, por exemplo, terão comportamento semelhante. Conheça cada uma dessas substâncias inorgânicas a seguir. Ácidos Ácidos, segundo Arrhenius, são substâncias que em solução aquosa liberam como único e exclusivo cátion o hidroxônio (H3O+ ou H+). São alguns exemplos de ionização de ácidos: HCl + H2O ® H3O+ + ClH2SO4 + 2H2O ® 2H3O+ + SO42H3PO4 + 3H2O ® 3H3O+ + PO43- Os hidrogênios que fornecem H3O+ são chamados de hidrogênios ionizáveis, que são aqueles que se ligam ao elemento mais eletronegativo na molécula do ácido, por exemplo, ao elemento oxigênio. Geralmente a quantidade de hidrogênios do ácido é a mesma que pode ionizar, como nos exemplos anteriores, mas existem exceções: Acompanhe a análise de dois ácidos. O ácido H3PO3 apresenta três hidrogênios, sendo dois hidrogênios ionizáveis, 2H+, e a partir daí tem-se a seguinte equação de ionização: H3PO3 + 2H2O 2H3O+ + HPO32-. O HO P OH A partir da fórmula estrutural do ácido , é possível H verificar que as duas ligações entre hidrogênio e oxigênio são covalentes polares. Considerando que a eletronegatividade do H é 2,1 e do oxigênio é 3,5, temos que a diferença (3,5 - 2,1 = 1,4) entre elas é de 1,4, – uma diferença de eletronegatividade típica de ligação covalente polar, assim cada H da ligação O-H pode ser ionizada. 36 qumica_ambiental.indb 36 01/03/12 16:41 Química Ambiental Outra exceção é o ácido H3PO2 que apresenta três hidrogênios, sendo um hidrogênio ionizável, 1H+, e a seguinte equação de ionização: H3PO2 + H2O H2O+ + H2PO2O HO P H H A partir da fórmula estrutural do ácido , é possível verificar que apresenta uma ligação entre hidrogênio e oxigênio, ligação covalente polar, ionizável. A força dos ácidos é expressa em Grau de Ionização (α ) e está relacionada com a facilidade de ionização. Assim, analisando a equação geral, tem-se: H3O+ + X- HX + H2O Nº inicial de moles Nº de moles ionizados Dessa forma: HX é um ácido qualquer que pode ionizar para Xcom diferentes velocidades, na relação entre o número de moles ionizados pelo número de moles inicial, na equação: α = Nº de moles ionizados Nº inicial de moles E, então, considerando a fórmula, teremos a definição da capacidade de ionização dos ácidos. Ácidos fracos: 0 < α < 5% Ácidos moderados: 5% ≤ α ≤ 50% Ácidos fortes: 50% < α < 100% No entanto, os ácidos possuem algumas características que os diferenciam das demais substâncias químicas. Conhecê-las é essencial para sua identificação. Veja a seguir. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 37 37 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Características gerais dos ácidos Os ácidos possuem algumas características, tais como: apresentam sabor azedo; desidratam a matéria orgânica; deixam incolor a solução alcoólica de fenolftaleína (indicador ácido-base); neutralizam bases formando sal e água. Além disso, os ácidos são corrosivos, pois desidratam a matéria orgânica. Por isso, é preciso ter muito cuidado ao manipulá-los. São alguns cuidados importantes: trabalhar com Equipamento de Proteção Individual (EPI): calça, sapato fechado, blusa, jaleco de manga longa, luva com resistência química; trabalhar com Equipamento de Proteção Coletiva (EPC): capela química, chuveiro, lava-olhos; não cheirar a substância. Muitos ácidos são importantes no nosso dia a dia. No contexto da química ambiental destacam-se: 1)ácido sulfúrico (H 2SO4) e ácido sulfuroso (H 2SO3) – esses ácidos são fortes e responsáveis pela “chuva ácida”. A maior fonte de SO2 (dióxido de enxofre) na atmosfera é a queima de carvão e derivados do petróleo, devido à presença de compostos de enxofre nesses combustíveis. O SO2 é rapidamente oxidado a SO3 (trióxido de enxofre) na atmosfera, em reações com oxigênio ou peróxido de hidrogênio (H2O2). Tanto o SO2 quanto o SO3 são muito solúveis em água, formando, respectivamente, o ácido sulfuroso e o ácido sulfúrico, como indicam as reações a seguir: 38 qumica_ambiental.indb 38 01/03/12 16:41 Química Ambiental a) oxidação de enxofre: S + O2 SO2 2SO2 + O2 2SO3 b) formação do ácido: SO3 + H2O H2SO4 SO2 + H2O H2SO3 2)ácido nítrico (HNO3) - o ácido nítrico (ácido forte) é formado a partir da oxidação do átomo de nitrogênio, também podendo ser responsável pela “chuva ácida”. O dióxido de nitrogênio também é formado nas combustões de carvão e derivados do petróleo. As altas temperaturas e pressão dos motores à explosão favorecem a reação entre o N2 e o O2 presentes na atmosfera, formando o óxido nítrico (NO). O NO reage prontamente com o O2 do ar, formando o NO2. O NO2 dimeriza formando o N2O2=4, que é solúvel em água, produzindo os ácidos nitroso e nítrico. As reações estão representadas a seguir: a) oxidação do nitrogênio: N2 + O2 2NO 2NO + O2 2NO2 2NO2 N2O4 b) formação do ácido: H2O + N2O4 HNO2 + HNO3 A maior acidez na água da chuva causa diversos danos ao ambiente, como o empobrecimento do solo para a agricultura e um maior desgaste das construções. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 39 39 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina 3)ácido fosfórico (H3PO4) - é um líquido xaroposo obtido pela oxidação do fósforo vermelho com ácido nítrico concentrado. Esse é um ácido moderado usado na indústria de vidros, preparo de águas minerais e nos refrigerantes de “cola”. Os fosfatos também são usados como adubo, pois fazem parte da formulação do fertilizante NPK. Agora que você conheceu as características dos ácidos, conheça um pouco mais sobre outra substância química: as bases. Acompanhe. Base De acordo com Arrhenius, base ou hidróxido é toda substância que, dissolvida em água, dissocia-se fornecendo como ânion exclusivamente OH- (hidroxila ou oxidrila). São alguns exemplos de bases dissociadas: NaOH Na+ + OH- Ca(OH)2 Ca2+ + 2OH- Al(OH)3 Al3+ + 3OH- As bases, com exceção do hidróxido de amônio (NH3OH), são compostos sólidos e não voláteis (fixos), apresentam ligações iônicas e são formados da ligação do grupo hidroxila com metais. A base hidróxido de amônio, que é uma exceção, é formada quando se borbulha o gás amônia em água, pela equação química: NH3 + H2O NH 4OH, na qual o nitrogênio é um não metal, liga-se ao grupo OH por meio de ligação covalente e apresenta-se em solução aquosa e volátil. Quanto ao Grau de Dissociação Iônica, as bases são classificadas como fortes e fracas. As bases fortes são os hidróxidos de metais alcalinos (G1) e metais alcalinos terrosos (G2), e as bases fracas incluem o hidróxido de amônio (NH4OH) e as demais bases. 40 qumica_ambiental.indb 40 01/03/12 16:41 Química Ambiental Quanto à solubilidade das bases em água, temos as totalmente solúveis, que são os hidróxidos dos metais alcalinos (G1) e o hidróxido de amônio (NH4OH), as parcialmente solúveis, que são os hidróxidos dos metais alcalino-terrosos (G2), e as insolúveis, que são todos os demais hidróxidos. Assim como os ácidos, as bases possuem algumas características que as diferenciam das demais substâncias químicas. Conhecê-las é essencial para sua identificação. Veja a seguir. Características gerais das bases As bases apresentam algumas características, tais como: apresentam sabor caústico; estriam a matéria orgânica; deixam rosa a solução alcoólica de fenolftaleína (indicador ácido-base); neutralizam ácidos formando sal e água. As bases são corrosivas pois são cáusticas e, desta forma, assim como foi sugerido no caso dos ácidos, é preciso ter cuidado ao manipulá-las. Alguns cuidados necessários são: trabalhar com Equipamento de Proteção Individual (EPI) - calça, sapato fechado, blusa, jaleco de manga longa, luva com resistência química; trabalhar com Equipamento de Proteção Coletiva (EPC) - capela química, chuveiro, lava-olhos. Na figura 1.8, você pode observar a evolução da queimadura com substâncias químicas, que pode ocorrer, por exemplo, pelo contato de hidróxido de sódio (soda cáustica) com uma pessoa que não estava devidamente protegida ao manipulá-lo. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 41 41 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 1.8 - Fotografia do efeito evolutivo da queimadura (dermatite de contato) devido ao uso de substâncias químicas com efeito cáustico Fonte: Marcondes (2007). Os ácidos se ionizam; já as bases se dissociam. Leia mais no artigo de Luiz Antonio da Costa e Adriana Flach: “A contextualização dos termos ionização e dissociação nos livros” (In: Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas, n. , p.1-2, 20 maio 2002). Muitas bases são importantes no nosso dia a dia, como: 1)hidróxido de sódio (NaOH – soda cáustica) - é um sólido branco floculado muito solúvel em água, além de extremamente cáustico. É usado na desidratação de gorduras, no branqueamento de fibras (celulose) e na fabricação de sabões e detergentes. 2)hidróxido de cálcio (Ca(OH)2 - cal apagada, hidratada ou extinta) - é uma suspensão aquosa de aparência leitosa, obtida a partir do CaO (cal virgem), usada na caiação de paredes e muros, na neutralização de solos ácidos. A reação de preparação da cal hidratada é: CaO + H2O Ca(OH)2 Cal virgem Cal hidratada 3)hidróxido de alumínio (Al(OH)3) - é uma suspensão gelatinosa que pode adsorver moléculas orgânicas que porventura estejam em solução aquosa, por exemplo, em um tratamento da água. Esse composto também é usado como antiácido estomacal. 42 qumica_ambiental.indb 42 01/03/12 16:41 Química Ambiental 4)hidróxido de amônio (NH4OH) - é um líquido incolor, de odor forte e asfixiante, instável mesmo à temperatura ambiente e de poder cáustico. Susceptível de atacar os metais, libertando hidrogênio, que pode formar uma mistura explosiva em contato com o ar. O gás, por ser invisível e mais denso que o ar, pode entrar em esgotos ou locais fechados, e é utilizado como desinfetante. Conhecidas as características, tipos e conceitos de bases, você agora irá conhecer outra substância química: os sais. Sal Sal é todo composto que em água dissocia liberando um cátion diferente de H+ e um ânion diferente de OH-. A reação de um ácido com uma base recebe o nome de neutralização. É exemplo de formação de sal: HCl + NaOH NaCl + H2O. Existem três tipos de sais: neutros, ácidos e básicos. Conheça sobre cada um. a) Sais neutros - são obtidos por neutralização total, ou seja, o número de hidrogênios ionizáveis é igual ao número de hidroxilas (H+ioniz = OH-). São exemplos de reações de obtenção de sais neutros: H2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2 H2O 2 NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O b)Sais ácidos e sais básicos - são obtidos por neutralização parcial, ou seja, o número de hidrogênios ionizáveis é diferente ao número de hidroxilas (H+ioniz ≠ OH-). No sal ácido observamos a presença de hidrogênio ionizável e no sal básico a presença de hidroxila. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 43 43 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina H2CO3 + NaOH NaHCO3 + H2O Sal ácido HCl + Mg(OH)2 Mg(OH)Cl + 2 H2O Sal básico Muitos sais são importantes no nosso dia a dia. Conheça alguns deles: 1)carbonato de cálcio (CaCO3 - mármore, calcáreo) – é um sólido branco que por aquecimento perde CO2 e produz CaO por calcinação. É usado na fabricação de cimentos, como corretivo do solo e como fundente em metalurgia. 2)cloreto de amônio (NH4Cl - sal amoníaco) - é usado na fabricação de pilhas secas, na soldagem, na galvanização do ferro e na fabricação de tecidos. Você já conheceu as propriedades dos ácidos, bases e sais. Conheça, agora, os óxidos e suas características. Óxido Óxido é todo composto binário oxigenado, no qual o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. CO2, H2O, Mn2O7, Fe2O3 Muitos óxidos são importantes no nosso dia a dia. Você já estudou os óxidos de enxofre (SOx) e os óxidos de nitrogênio (NOx) durante o processo de formação da “chuva ácida”. Conheça mais alguns: 44 qumica_ambiental.indb 44 01/03/12 16:41 Química Ambiental 1)óxido de alumínio (Al 2O3 - bauxita, alumina) - é um sólido muito duro (dureza 9, na escala de dureza de Mohs), de onde é extraído por eletrólise o alumínio metálico. Na forma cristalizada é encontrado nas safiras e nos rubis. 2)peróxido de hidrogênio (H 2O2 - água oxigenada) - é uma solução aquosa que se decompõe facilmente em presença de luz (fotólise). É utilizada como agente oxidante e bactericida. 3)tetróxido de triferro (Fe3O4 - magnetita, imã) - é um sólido escuro que apresenta características ferromagnéticas. É utilizado na fabricação de caixas de som e aparelhos eletrônicos em geral. Exemplo: FeO + Fe2O3 Fe3O4 Seção 4 – Propriedades dos compostos químicos As propriedades dos compostos químicos são classificadas sob duas características principais: físicas e químicas. Então, como estabelecer essa classificação? Uma propriedade física pode ser caracterizada sem referência específica a outra substância e comumente descreve a resposta da substância a algum agente externo, como calor, luz, força, eletricidade etc. As propriedades físicas incluem pontos de ebulição e fusão, condutividade térmica, cor, índice de refração, reflectibilidade, dureza, resistência à tensão, fluidez e condutibilidade elétrica. Uma propriedade química descreve uma transformação química, e podemos citar a interação de uma substância com outra, ou a transformação de uma substância em outra. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 45 45 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A água em contato com óxidos forma ácidos, derivados de petróleo queimam o ar, o sal em contato com a água forma água salgada, o ferro enferruja na presença de ar. As propriedades da matéria também podem ser classificadas como macroscópica e microscópica. Uma propriedade macroscópica descreve características ou comportamentos de uma amostra que é suficientemente grande para ser visualizada, tocada, manipulada, pesada, entre outras possibilidades. Uma propriedade microscópica descreve o comportamento de uma amostra muito menor de matéria, trata de um átomo ou uma molécula, por exemplo. A organização dos átomos os moléculas nos estados físicos sólido, líquido e gasoso trata de uma propriedade microscópica de uma matéria. Quanto à solubilidade de compostos, existe uma antiga regra que generaliza dizendo que: “semelhante dissolve semelhante”. Essa regra é muito útil, mas não é perfeita. Mais especificamente, temos que solventes polares tendem a dissolver solutos polares, e solventes não polares tendem a dissolver solutos não-polares. Devemos relembrar que a polaridade de uma substância química depende do tipo de ligação (covalente apolar ou polar, iônica) e da geometria da molécula. Exemplos Vejamos dois casos em que ocorrem mudanças de estrutura durante o processo de dissolução. Vamos utilizar o tetracloreto de carbono (CCl4), um solvente não polar (apolar) típico (CCl4 apresenta geometria tetraédrica, figura 1.9). Solutos que apresentam solubilidade neste solvente são, por exemplo, o iodo (I2) e o enxofre (S8). Em substâncias moleculares apolares, as únicas atrações intermoleculares existentes são as forças fracas de van der Waals. Quando soluções destes componentes são formadas, as interações soluto-soluto e solvente-solvente são facilmente substituídas pelas interações soluto-solvente. 46 qumica_ambiental.indb 46 01/03/12 16:41 Química Ambiental Por outro lado, solventes apolares como o CCl4 ou hidrocarbonetos derivados do petróleo não são bons solventes para compostos iônicos e polares, pois não conseguem romper as forças (dipolo-dipolo ou de hidrogênio) existentes nos compostos iônicos e nos compostos polares. Cl C Cl Cl Cl Figura 1.9 - Geometria tetraédrica do CCl4 Fonte: Elaborado pelo autor. Agora considere as propriedades de um solvente polar, a água – lembrando que é devido à elevada eletronegatividade do oxigênio e à geometria angular (figura 1.10). A água é um bom solvente para solutos polares, como sacarose (açúcar de cana, C12H 22O11) e etanol (C2H6O), e também para solutos iônicos, como o cloreto de sódio (NaCl). O H H Figura 1.10 - Geometria angular, H2O Fonte: Elaborada pelo autor. Nesses casos, as interações fortes soluto-solvente fornecem a energia necessária para superar as forças de interação no soluto. A água é um solvente muito bom para muitos compostos iônicos, porque as forças íon-dipolo estabelecidas na solução são fortes, e cada íon é envolvido por muitas moléculas de água, num processo denominado de solvatação (figura 1.11). Figura 1.11 - A água dissolve compostos iônicos, NaCl Fonte: Campos (2003). Unidade 1 qumica_ambiental.indb 47 47 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Toda a água é um mau solvente para solutos apolares. As forças entre as moléculas do solvente são mais fortes do que as forças que seriam formadas entre solvente-soluto. Os compostos inorgânicos, de modo geral, apresentam boa solubilidade em água. É possível fazer algumas generalizações: 1. todos os ácidos inorgânicos são solúveis em água; 2.todos os compostos com íons Na+, K+, e NH4+ são solúveis em água; 3.todos os nitratos (NO3-) são solúveis em água; 4.a maioria dos acetatos (CH3COO-) é solúvel em água, com as exceções: AgOOCCH3, Hg2(OOCCH3)2; 5. a maioria dos haletos – fluoretos (F-), cloretos (Cl-), brometos (Br-) e iodetos (I-) – são solúveis. Exceções: cloretos, brometos e iodetos de Ag(I). PB(II) e Hg(I), o iodeto de Hg(II), e fluoretos de Mg, Ca, Sr, BA e Pb(II); 6.a maioria dos sulfatos (SO42-) é solúvel em água, exceto: CaSO4, SrSO4, BaSO4, PbSO4, AgSO4 e HgSO4; 7. a maioria dos carbonatos (CO32-), cromatos (CrO42-), oxalatos (C2O42-), fosfatos (PO43-), sulfitos (SO32-), sulfetos (S2-) e hidróxidos (OH-) é insolúvel em água. Exceções são bases da família dos metais alcalinos e NH3(aq). Agora que você finalizou o estudo desta unidade, realize as atividades de autoavaliação para complementação de seus estudos. Mas antes, não deixe de rever os principais conceitos ao ler a síntese a seguir. 48 qumica_ambiental.indb 48 01/03/12 16:41 Química Ambiental Síntese Nesta unidade, você conheceu a estrutura dos átomos e viu que todos os elementos da tabela periódica, representados por símbolos, são átomos com número de elétrons, nêutrons e prótons diferentes. Estudou, também, que os elementos químicos são organizados de maneira sistemática na tabela periódica. Identificou e diferenciou elementos de compostos químicos, e conheceu as ligações químicas (metálica, iônica e covalente) levando em consideração os elementos químicos e valores de eletronegatividade. Também conheceu as classes de compostos inorgânicos (ácido, base, sal e óxido), com exemplos de aplicação e formação no meio ambiente, e compreendeu as propriedades das substâncias químicas. Durante as explanações, você viu onde esses conceitos podem atuar em Química Ambiental. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 49 49 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Atividades de autoavaliação Ao final de cada unidade, você realiza atividades de autoavaliação. O gabarito está disponível no final do livro didático. Mas se esforce para resolver as atividades sem ajuda do gabarito, pois assim você estará promovendo (estimulando) a sua aprendizagem. 1) Identifique, na tabela periódica, os seguintes elementos químicos: a) halogênio no quinto período b) gás nobre no terceiro período c) um metal alcalino com mais de uma camada ocupada que o potássio d) o primeiro elemento de transição da família 3 2) Explique a solubilidade de álcool etanol (CH3CH2OH) em água, considerando o álcool etílico como soluto e a água como solvente. 50 qumica_ambiental.indb 50 01/03/12 16:41 Química Ambiental 3) Comente sobre uma diferença física e uma química entre um metal e um não metal. 4) Para os compostos químicos a seguir, informe qual o tipo de cada ligação (ligação covalente polar ou apolar, ligação iônica), pela análise da eletronegatividade de cada átomo. a) H H C H H P H Elemento químico Eletronegatividade Carbono (C) Hidrogênio (H) Fósforo (P) Unidade 1 qumica_ambiental.indb 51 51 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina b) KBr Elemento químico Eletronegatividade Bromo (Br) Potássio (K) c) O H C H C K O H Elemento químico Eletronegatividade Carbono (C) Hidrogênio (H) Potássio (K) Oxigênio (O) 52 qumica_ambiental.indb 52 01/03/12 16:41 Química Ambiental Saiba mais Se você desejar, aprofunde os conteúdos estudados nesta unidade consultando as seguintes referências: BETTELHEIM, Frederick. Introduction to general, organic and biochemistry. 2. ed. New York: Plenum Preess, 2007. COSTA, Luiz Antonio M. A. da; FLACH, Adriana. A contextualização dos termos ionização e dissociação nos livros. In: Sociedade brasileira de química, Poços de Caldas, n. ?, p.1-2, 20 maio 2002. LEMBO, Antonio. Química: realidade e contexto. 3. ed. São Paulo: Ática, 2004. RUSSELL, John B. Química geral. São Paulo: Mcgraw-hill do Brasil, 1994. Unidade 1 qumica_ambiental.indb 53 53 01/03/12 16:41 qumica_ambiental.indb 54 01/03/12 16:41 UNIDADE 2 Compostos orgânicos Objetivos de aprendizagem Conhecer a classe de compostos orgânicos. 2 Compreender o que são resíduos perigosos, como os organohalogenados. Conhecer a constituição do petróleo e derivados. Compreender as propriedades das substâncias químicas. Seções de estudo Seção 1 Classificação dos compostos Seção 2 Propriedades dos compostos orgânicos Seção 3 Petróleo e derivados Seção 4 Resíduos orgânicos perigosos qumica_ambiental.indb 55 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Você sabe em torno de qual átomo se desenvolve a química da vida? O carbono. Ele é considerado o átomo essencial. As proteínas, por exemplo, existem em uma variedade surpreendente de formas e funções. O homem contém cerca de cinco milhões de proteínas diferentes. Foram precisos 4,5 bilhões de anos de luz solar e compostos de carbonos para formar a vida atualmente existente na Terra. O ser humano aprendeu a transformar compostos de carbono em medicamentos, combustíveis, comida e inúmeros produtos industriais. Até agora as maravilhosas transformações com moléculas orgânicas eram realizadas sem ou com pouca atenção ao meio ambiente, o que resultou ao longo do tempo em problemas, como ar poluído, aquecimento do planeta, peixes morrendo em lagos e rios nos quais não ousamos ir para nadar. As praias e mares estão ameaçados por derramamentos de óleos e despejos industriais. A transformação dos compostos de carbono mudou o mundo para melhor e para pior. Parte deste problema é científico e tem solução. Essa disciplina pode contribuir para a atuação de profissionais atentos a esses problemas e que busquem soluções. Para tanto, é preciso compreender os problemas e a química que os envolve. Nesta unidade de estudo, você vai conhecer as propriedades e características dos compostos químicos. Bons estudos! 56 qumica_ambiental.indb 56 01/03/12 16:41 Química Ambiental Seção 1 – Classificação dos compostos Os compostos orgânicos são aqueles que possuem como constituintes átomos de carbono, hidrogênio e, em alguns casos, outros átomos, tais como oxigênio, nitrogênio, enxofre e cloro – esses, frequentemente, são chamados de heteroátomos. Precisamos conhecer os princípios da química orgânica para compreender os benefícios e prejuízos que trazem para o meio ambiente. Na tabela 2.1, a seguir, estão listados alguns dos mais importantes grupos funcionais encontrados em compostos orgânicos. Tabela 2.1 - Nome da família de compostos orgânicos, representação do grupo funcional característico e exemplo. Nome da família Grupo funcional Exemplo simples Alcano -C-H e -C-C- CH3-CH3 Alceno -C=C- e C-H H2C=CH2 Alcino -C=C- e C-H HC=CH Haletos de alquila Br, Cl, I, F CH3-Br Álcool R-O-H CH3CH2OH Éter R-O-R’ CH3CH2-O-CH3 O O C C Aldeído R H O Cetona O C R Ácido carboxílico R H R' C O O C C OH OH (continua...) Unidade 2 qumica_ambiental.indb 57 57 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Éster O O C C R OR' R NH2 R Amina R Primária, secundária e terciária O R N H CH3NH2 R N R Aromática NH2 OH Tiol R-S-R’ CH3-S-CH3 Fonte: Elaboração do autor (2008). Dentre os grupos funcionais de compostos orgânicos, você vai conhecer melhor os hidrocarbonetos, especialmente os que correspondem à fórmula CnH2n+2. Esses compostos são chamados de alcanos e o mais simples deles é o metano. A seguir, estão demonstrados os três primeiros compostos, sendo todos gasosos à temperatura ambiente. H H C H H H Metano H H C C H H Etano H H H H H C C C H H H H Propano Figura 2.1 – Compostos alcanos Fonte: Elaboração do autor (2008). Os homólogos com maior peso molecular, por exemplo, pentano, hexano e heptano, são líquidos, conforme mostra a tabela 2.2. Os homólogos de cadeia linear contendo dezoito ou mais carbonos são sólidos de baixo ponto de fusão. 58 qumica_ambiental.indb 58 01/03/12 16:41 Química Ambiental Tabela 2.2 - Hidrocarbonetos normais, número de carbonos, fórmula, nome, número total de isômeros possíveis, ponto de fusão e ponto de ebulição No carbono Fórmula Nome P.E. (oC) P.F. (oC) No total de isômeros 1 CH4 Metano -161,6 -182,5 1 2 C2H6 Etano -88,6 -182,5 1 3 C3H8 Propano -42 -187,6 1 4 C4H10 Butano -0,5 -138,4 2 5 C5H12 Pentano 36,1 -129,8 3 6 C6H14 Hexano 69 -95 5 7 C7H16 Heptano 98,42 -90,61 9 8 C8H18 Octano 125,52 -57 18 9 C9H20 Nonano 151 -54 35 10 C10H22 Decano 174 -30 75 11 C11H24 Undecano 196 -26 12 C12H26 Dodecano 216 -10 15 C15H32 Pentadecano 270 9,9 4.347 20 C20H42 Eicosano 343 36,8 366.319 30 C30H62 Tricosano 258/3mm Hg 67 4.111.846.763 Fonte: Adaptado de ALLINGER (2006, p. 32) Legenda: P.E. – Ponto de Ebulição / P.F. - Ponto de Fusão Não há, em princípio, limites para o número de átomos de carbono que podem ser ligados em uma cadeia de hidrocarboneto. Mas a razão principal para a existência de tantos compostos orgânicos é o fenômeno conhecido por isomeria. Dois compostos diferentes, de fórmula estrutural diferente, são chamados de isômeros quando apresentam a mesma fórmula molecular. O propano e os homólogos inferiores não têm isômeros; é a partir do butano que se observa o efeito da isomeria. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 59 59 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Se analisarmos o butano, cuja fórmula molecular é C4H10, é possível escrever duas fórmulas estruturais. As fórmulas estruturais são: H H H H H C C C C H H H H H H H H C C C H H H C H H H H Butano Isobutano Existem diferentes maneiras de representar uma molécula química. Observe a tabela 2.3, pois nela são apresentadas algumas das fórmulas ou estruturas químicas comuns de serem encontradas para uma dada substância. Tabela 2.3 - Exemplos de representação de estruturas químicas Nome / fórmula molecular Estrutura de Lewis Metano CH4 H HC H H Etano C2H6 HH HC CH HH Butano C4H10 2-Metilbutano C5H12 Vitamina A C20H30O Estrutura condensada Estrutura de Kekulé H CH4 H H C H CH3CH3 H HH H H C C C C H CH3CH2CH2CH3 H HH H N. A H C H H Estrutura de esqueleto C H N. A H H H H HH H C H C C H H H H C HH H HH C H C C H H C C H H H H OH 60 qumica_ambiental.indb 60 01/03/12 16:41 Química Ambiental Dodecilsulfonato de sódio C12H25O4SNa H HH H H HH C C C H C H H H H H H C C H H C C H H C C H H C H H O C H H O S O-Na+ H O N. A. – Não se aplica Fonte: Adaptado de ALLINGER (2006). O O S O-Na+ A estrutura em esqueleto é especialmente utilizada paraO representar moléculas grandes, pois os átomos de C e H estão subentendidos nos vértices e apenas escrevem-se os heteroátomos. Desse modo, fica uma estrutura visualmente mais “limpa” e fácil de ser compreendida e analisada. Um composto que apresenta cadeia linear é sempre chamado pelo número total de carbonos, como é o caso do pentano. CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 Pentano Devido à existência de um número grande de compostos, principalmente pela possibilidade de isomeria, foi necessária a criação de uma nomenclatura sistemática. A International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) assumiu essa tarefa, com frequência são divulgadas atualizações da regras de nomenclatura, as quais são adotadas internacionalmente. Veja, a seguir, como aplicar o principio dessa regra de nomenclatura. O hidrocarnoneto linear de maior número de carbono é chamado de composto principal, pois fornece a base para a nomenclatura do composto. Os átomos dessa cadeia são numerados em sequência de um extremo ao outro, de maneira tal que os substituintes na cadeia recebam os menores números possíveis. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 61 IUPAC, que em Português significa União Internacional de Química Pura e Aplicada, é uma organização não governamental internacional, dedicada ao avanço da química. 61 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Um hidrocarboneto ligado à cadeia principal é considerado um substituinte da cadeia principal e chamado genericamente de grupo alquila. Para se obter o nome de um grupo alquila, substitui-se o sufixo ano do alcano por ila. Os nomes, abreviaturas e radical alquila de alguns grupos alquila estão na tabela 2.4. Com frequência, o símbolo R é usado para representar um grupo alquila indeterminado, assim R-H é um alcano. Tabela 2.4 - Grupo alquila comuns No carbono Nome do radical Abreviatura Radical alquila 1 Metila Me CH3- 2 Etila Et CH3CH2- Propila Pr CH3CH2CH2- Isopropila ou sec-propila i-Pr s-Pr CH3CHCH3 Butila Bu CH3CH2CH2CH2- sec-butila s-Bu CH3CH2CHCH3 Isobutila i-Bu 3 4 CH3 CH3CHCH2 CH3 terc-butila t-Bu CH3CCH3 5 Pentila Pe CH3(CH2)3CH2- 6 Hexila He CH3(CH2)4CH2- Fonte: Adaptado de ALLINGER (2006, p. 46). Obs.: As abreviaturas para pentila e hexila não são usadas rotineiramente. 62 qumica_ambiental.indb 62 01/03/12 16:41 Química Ambiental Observe alguns exemplos de compostos orgânicos que utilizam o sistema IUPAC de nomenclatura. CH3 CH3 1 CH 2 CH2 3 CH2 4 CH3 5 O nome do composto no exemplo é 2-metilpentano. Seguindo as regras estabelecidas pela IUPAC, veremos que não é difícil chegar à nomenclatura, mas para tanto é necessário bastante atenção e estudo. A cadeia linear mais longa contém cinco átomos de carbono. O composto será um alquil-pentano e o grupamento alquila é um grupo metila. A numeração da cadeia principal é de modo a dar o menor número possível ao átomo de carbono ao qual se liga o grupo metila. Desse modo, o nome do composto é 2-metilpentano. Mas quais são as regras para a nomenclatura de hidrocarbonetos? As regras podem ser resumidas da seguinte forma: 1. Encontre a cadeia de carbonos mais longa, essa não precisa necessariamente estar linear. Isso fornecerá o nome principal do composto. 2.Identifique os grupos alquila ligados à cadeia principal. Nomeie cada um desses grupos e coloque na ordem alfabética, sem levar em consideração os prefixos de quantidade (di, tri etc.) ou os prefixos t-, s- n-. 3.Enumere a cadeia principal, dando aos substituintes a menor numeração possível. Ao usar essas regras, será possível nomear mesmo uma molécula complicada de maneira clara, por exemplo: Unidade 2 qumica_ambiental.indb 63 63 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina CH3 CH3 1 2 3 4 5 6 CH3CHCH2CHCH2CCH3 H3C CH CH3 7CH2 CH2CH3 8 9 4-isopropil-2,6,6-trimetilnonano Os hidrocarbonetos existem em cadeias abertas, conforme abordado até o momento, mas também podem existir em cadeia fechada, também chamada de cíclica. Os cicloalcanos, fórmula CnH2n, são quimicamente semelhantes aos compostos de cadeia aberta ou também chamados de alifáticos. As duas restrições apresentadas pelos cicloalcanos são quanto à forma da molécula e impedimento estéreo (restrições espaciais). A nomenclatura dos cicloalcanos difere da nomenclatura dos alcanos pela palavra “ciclo”, adicionada como prefixo (Ciclo + nome do hidrocarboneto de origem). O menor composto cíclico é com três átomos de carbono, ciclopropano. Na figura 2.2, é possível observar alguns exemplos de nomenclatura de compostos cíclicos. CH2CH3 Cl 3 2 1 ciclopropano cicloexano ciclooctano CH3 etilciclopentano 3-cloro-1-metilcicloexano Figura 2.2 - Estrutura em esqueleto e nomenclatura de alguns compostos cíclicos Fonte: Elaboração da autora (2008). Durante o século XIX, fez-se um experimento. Foi isolado um grupo de compostos que recebeu o nome coletivo de aromáticos devido ao seu odor agradável. O composto principal da série é o benzeno, C6H6. As propriedades peculiares do benzeno ficaram evidenciadas logo nos primeiros experimentos. 64 qumica_ambiental.indb 64 01/03/12 16:41 Química Ambiental Embora sua fórmula molecular indicasse um alto grau de insaturação (presença de duplas ligações), o composto não apresentava as reações típicas de hidrocarbonetos insaturados (alceno e alcino). Um composto aromático deve apresentar sua estrutura cíclica com alto grau de insaturação e planar, e a nuvem de elétrons deve ser contínua. A figura 2.3 mostra a representação do benzeno. I II Figura 2.3 - Estrutura em esqueleto do benzeno - I e II são equivalentes Fonte: Elaboração da autora (2008). Os derivados do benzeno são estruturas semelhantes ao benzeno e são nomeados de maneira simples (radical mais benzeno). A introdução de dois grupos no benzeno cria a possibilidade de três isômeros. No sistema IUPAC, os grupos recebem os números 1,2 (orto), 1,3 (meta) e 1,4 (para) para localização na estrutura do benzeno. Algumas dessas estruturas, conforme mostra a figura 2.4, são de grande importância, devido a suas aplicações industriais e propriedades exibidas. CH3 Metilbenzeno ou Tolueno CH2CH3 OH NH2 Hidroxibenzeno ou Fenol CH3 Aminobenzeno ou Anilina CO2H Ácido benzóico CH3 CH3 CH3 CH3 Etilbenzeno o-dimetilbenzeno ou o-xileno m-dimetilbenzeno ou m-xileno Unidade 2 qumica_ambiental.indb 65 CH3 p-dimetilbenzeno ou p-xileno 65 01/03/12 16:41 CH3 OH NH2 CO2H Universidade do Sul de Santa Catarina Metilbenzeno ou Tolueno CH2CH3 Hidroxibenzeno ou Fenol CH3 Aminobenzeno ou Anilina Ácido benzóico CH3 CH3 CH3 CH3 Etilbenzeno o-dimetilbenzeno ou o-xileno m-dimetilbenzeno ou m-xileno CH3 p-dimetilbenzeno ou p-xileno Bifenila Figura 2.4 - Estrutura de compostos derivados do benzeno, nome IUPAC. O segundo nome de algumas das substâncias apresentadas é conhecido como nome comercial Fonte: Elaboração da autora (2008). Todos os compostos apresentados na figura 2.4 apresentam importância industrial. O fenol foi o primeiro composto usado extensamente como antisséptico em medicina – hoje em desuso pois causa severa lesão cutânea. Hoje em dia, o fenol é empregado na indústria de plásticos e resinas, desinfetantes, preparação de ácido pícrico (medicamento para tratamento de queimaduras), preparação de ácido acetilsalicílico, entre outros. Derivados do fenol podem ser obtidos de fontes naturais, como o óleo do cravo da índia (eugenol) e noz-moscada (isoeugenol). O ácido benzóico é precursor do ácido acetilsalicílico (AAS), utilizado como antitérmico e com importante propriedade anticoagulante, conhecido comercialmente como AAS®, Aspirina®, entre outros. A anilina e derivados são importantes matérias-primas para indústria de corantes e flavorizantes sintéticos. Por último, destacamos o TBEX; T (Tolueno), B (Benzeno), E (Etilbenzeno) e X (orto, meta e para Xileno). Essas substâncias apresentam-se como constituintes da gasolina e devem ter seus índices controlados, pois são muito tóxicas ao homem e ao meio ambiente. Esses compostos, apesar de tóxicos, são encontrados em muitos produtos. 66 qumica_ambiental.indb 66 01/03/12 16:41 Química Ambiental O etilbenzeno é aditivo de gasolina e querosene de aviação, e ainda pode estar presente em tintas, vernizes, plásticos e pesticidas. São extensamente usados em processos e manufaturas. O benzeno é usado na produção de materiais sintéticos, como borracha sintética, plásticos, nylon, inseticidas e tintas. O tolueno é usado como solvente de tintas, coberturas, colas, óleos e resinas. O xileno é usado como solvente para plásticos, tintas, borracha, pesticidas e na indústria de couros. Os compostos orgânicos podem ser aplicados em muitas e diferentes atividades, como produção de plásticos, alimentos, cosméticos, medicamentos e combustível. Essas contêm milhões de substâncias em que o principal componente é o mais extraordinário dos elementos químicos: o carbono. Seção 2 – Propriedades dos compostos orgânicos Os compostos orgânicos, especialmente os alcanos, alcenos, alcinos e aromáticos, são compostos apolares (não contêm dipolos), devido à presença de apenas ligações C-C e C-H, que são ligações covalentes apolares e da geometria dos compostos. Em substâncias apolares, as únicas atrações intermoleculares existentes são as forças fracas de van der Waals. Quando soluções desses compostos apolares são formadas, as interações soluto-soluto e solvente-solvente são facilmente substituídas pelas interações soluto-solvente. Os hidrocarbonetos alcanos e saturados (alcenos, alcinos e aromáticos) são obtidos a partir do petróleo e usados como solventes para outras substâncias apolares, para a síntese de diversos compostos orgânicos e, também, como combustível. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 67 67 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Dentre as propriedades dos alcanos, é constatado que esses são geralmente menos densos do que a água e apresentam pontos de fusão e ebulição que tendem a aumentar com o peso molecular. Os isômeros dos alcanos constituídos de moléculas ramificadas geralmente apresentam ponto de fusão e ebulição a temperaturas mais baixas que dos isômeros de cadeias mais extensas. Além disso, os alcanos geralmente não reagem com ácidos, bases, água e substâncias redutoras. Porém, reagem com substâncias oxidantes importantes, como O2 (reação de combustão) e Cl 2 (formando os organoclorados). Os hidrocarbonetos são pouco reativos; eles sofrem reação de oxidação e queimam na presença de ar ou oxigênio. Os produtos da combustão são CO2, CO e C, e são dependentes da quantidade de comburente (O2) presente na reação. As reações de combustão podem ser completas ou incompletas, como você vai conhecer nos exemplos a seguir. Reação de combustão completa CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) ∆Ηo = -802 KJmol-1 A reação de combustão completa ocorre quando se tem ar, ou seja, oxigênio em abundância, produzindo óxido de hidrogênio (água) e dióxido de carbono (CO2), e com isso ocorrendo a liberação de calor. Reação de combustão incompleta 2CH4(g) + 3O2(g) CH4(g) + O2(g) 2CO(g) + 4H2O(g) ∆Ηo = -519 KJmol-1 C(g) + 2H2O(g) ∆Ηo = -409 KJmol-1 Na reação de combustão incompleta, a quantidade de comburente é limitada, formando o monóxido de carbono e liberando menos calor. Utilizando-se ainda menos comburente, há formação de carbono, sob a forma de fuligem, e libera-se menos calor. 68 qumica_ambiental.indb 68 01/03/12 16:41 Química Ambiental As propriedades físicas (pontos de ebulição e fusão entre outras) e as propriedades químicas (reação de combustão ou de halogenação) são resultantes das interações de van der Waals, que são as interações presentes nos hidrocarbonetos. Devido a essas forças explica-se a baixa solubilidade de hidrocarbonetos em água. As propriedades químicas e físicas dos compostos orgânicos são de importante compreensão, pois fazem parte da “interminável” lista de contaminantes liberados para o meio ambiente e que se difundem na atmosfera, no solo ou na água. Seção 3 – Petróleo e derivados O petróleo e derivados fazem parte da vivência da humanidade. Uma imagem de 1.700 a.C., encontrada no Egito, mostra um trenó lubrificado com óleo; em 600 a.C. na Rússia existiam os adoradores do fogo que surgiam da terra; em 2.000, no Império Romano, o petróleo era usado em lamparinas que iluminavam o templo de Júpiter; e no Século XIX, a fração de destilação do petróleo substituiu o óleo de baleia na iluminação das ruas inglesas. A etimologia da palavra “petróleo” vem de Petra – “pedra” e Oleum – “óleo”. Isso porque o petróleo bruto é obtido em poros de rochas, em terra firme ou sob o mar, e se apresenta na forma de líquido viscoso e coloração escura na maioria dos casos. O petróleo é encontrado até 2 mil metros de lâmina d’água e 5 mil metros de perfuração terrestre. A principal fonte de compostos orgânicos no mundo é o petróleo. A constituição do petróleo, segundo Clark e Brown (1970), apresenta milhares de compostos diferentes, formando uma mistura muito complexa. São 98% de hidrocarbonetos (incluindo aromáticos) e uma quantidade menor de compostos de enxofre, nitrogênio e oxigênio, e metais traço, como vanádio, níquel, sódio, cálcio, cobre e urânio. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 69 69 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina O óleo que se extrai é uma mistura de hidrocanonetos, alcanos, do metano até cerca de 30 átomos de carbono, que são os componentes principais, tendo a predominância de hidrocarbonetos de cadeia linear. A mistura de hidrocarbonetos é separada por um processo de refinação. O processamento de óleo cru, refinação, é uma operação de destilação fracionada. Para a destilação fracionada aquece-se lentamente o óleo cru e a temperatura é aumentada gradativamente. Os constituintes de mais baixo ponto de ebulição destilam primeiro, com as frações mais comuns de serem separadas e suas temperaturas, como mostra a tabela 2.5. Tabela 2.5 - Frações obtidas pela destilação de óleo cru Fração Número de carbonos Faixa de ebulição (oC) Aplicações Gás natural C1-C4 Abaixo da temperatura ambiente Éter de petróleo C5-C6 20-60 Nafta leve C6-C7 60-100 Combustível e matéria-prima industrial Solvente, matériaprima industrial Solvente, combustível, matéria-prima industrial Gasolina C6-C12 50-200 Combustível Querosene C12-C18 175-275 Solvente, combustível, matéria-prima industrial Óleo combustível C15-C18 200-275 Combustível Óleo lubrificante Acima de 18 Acima de 275 Graxas Acima de 18 Não destila a pressão ambiente Óleo lubrificante e matéria-prima industrial Graxas para lubrificação Asfalto Acima de 30 Resíduo Piche, asfalto Fonte: Adaptado de ALLINGER (2006). Além das aplicações diretas dos derivados do petróleo apresentadas na tabela 2.5, a partir do petróleo, quando utilizado como matéria-prima industrial, pode-se obter grande variedade de produtos, sendo listadas inúmeras aplicações. Temos como exemplos os plásticos, tintas, pneus, essências para perfumes, medicamentos, inseticidas, fertilizantes, detergentes e explosivos. 70 qumica_ambiental.indb 70 01/03/12 16:41 Química Ambiental O petróleo vem sendo uma fonte muito importante e conveniente de energia. Os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) são responsáveis por 85% de toda a energia consumida no mundo. Sabe-se que as fontes de petróleo são limitadas e devese então utilizá-lo de maneira consciente, por isso buscam-se, paralelamente, outras fontes de energia. Sem falar que todo dia tem-se conhecimento de estudos e notícias indicando os males do aumento do efeito estufa, sendo grande contribuidora a combustão do petróleo. O uso de combustíveis de origem fóssil (petróleo e carvão) tem sido apontado como o principal responsável por esse problema ambiental (ASG RENAISSANCE, 2007). O petróleo e derivados, quando vazam na terra, rios ou mares, geralmente levam a grandes prejuízos ambientais. Na terra podem atingir rios e águas subterrâneas. Na água, as frações de petróleo podem se depositar no fundo de rios e mares ou podem formar uma camada na superfície, dependendo da densidade do produto derramado. O petróleo e derivados fazem parte da humanidade e suas aplicações, principalmente como combustível, são indiscutíveis, mas o processo de extração e de combustão impacta o meio ambiente e traz prejuízos à saúde humana, de maneira direta ou indireta. E é isso que você vai estudar na próxima seção. Seção 4 – Resíduos orgânicos perigosos Como você estudou na Seção 1 desta unidade, existe um número grande de compostos derivados dos hidrocarbonetos, todos considerados orgânicos. Esses compostos podem, em muitos casos, trazer prejuízos para as pessoas, por meio da inalação, alimentação ou contato. São então denominados de compostos ou resíduos perigosos. Mas afinal, como identificar os resíduos perigosos? Unidade 2 qumica_ambiental.indb 71 71 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Resíduos perigosos são classificados em função de suas características de inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e patogenicidade. Podem apresentar risco à saúde pública, contribuindo para um aumento de mortalidade ou incidência de doenças e/ou apresentando efeitos adversos ao meio ambiente, quando manuseados ou dispostos de forma inadequada. Os compostos hidrocarbonetos (alifáticos e aromáticos), como os inseticidas (organoclorados, organofosforados) entre outras substâncias, são de lipossolubilidade, por isso são bem absorvidos pela pele. Compostos halogenados Os compostos halogenados constituem um dos grupos importantes e ocorrem quando um grupo halogênio (F, Cl, Br e I) substitui um hidrogênio na cadeia do hidrocarboneto de origem, denominados de haletos de alquila. Os haletos de alquila são insolúveis em água, mas são solúveis (miscíveis) em todas as porções com hidrocarbonetos. Os cloretos de alquila, principalmente os policlorados (triclorometano ou Clorofórmio - CHCl3, diclorometano ou cloreto de metileno – CH2Cl3, tetracloreto de carbono CCl4, entre outros), são bons solventes para muitas matérias orgânicas. Os clorofluorcarbonos (CFCs) foram os compostos mais usados como propelentes voláteis em aerossóis. Isso porque esses compostos são inertes quimicamente, não reagem com o conteúdo do recipiente (geralmente lata) e nem com o recipiente – não são inflamáveis, não deixam resíduos, não têm cheiro e não são tóxicos ao homem. Quando à estrutura, os CFC são alcanos simples, têm todos os hidrogênios e são substituídos por átomos de cloro (Cl) e flúor (F). CCl3F – triclorofluorometano (Freon 11) CCl2F2 – diclorodifluorometano (Freon 12) 72 qumica_ambiental.indb 72 01/03/12 16:41 Química Ambiental Um composto que é considerado não tóxico para o homem de maneira direta pode, indiretamente, trazer prejuízos. Os CFC foram acumulando-se na estratosfera e destruindo a camada de ozônio. A camada de ozônio age como um filtro dos raios ultravioletas; quando esses incidem em maior quantidade sobre o homem podem trazer sérios prejuízos, como queimaduras de pele, cataratas oculares e cânceres. Por isso, em 1996 foi proibido o uso de CFC como solvente ou agente refrigerante. A figura 2.5 apresenta a estrutura do composto diclorodifeniltricloroetano (DDT), um dos mais conhecidos inseticidas de baixo custo. Ele foi utilizado inicialmente na época da 2ª Guerra Mundial para controlar doenças transmitidas por insetos, tais como malária, tifo e febre amarela. Cl H Cl Cl Cl Cl Figura 2.5 - Estrutura química do diclorodifeniltricloroetano Fonte: Elaboração da autora (2008). Em muitas partes do mundo, seu uso foi proibido por apresentar efeito acumulativo no organismo e por trazer prejuízo ao meio ambiente, envenenando alimentos, como verduras, carnes e peixes, e ainda enfraquecendo as cascas de ovos das aves. Atualmente, o uso do DDT, embora permitido no Brasil, é bastante controlado, sendo necessária a autorização e a supervisão de um agrônomo para a sua compra e utilização. O comprador desse produto deve assinar um documento se comprometendo a usá-lo na dosagem indicada e com os equipamentos de proteção necessários para sua aplicação. Durante a produção, utilização e destruição desse composto, porém, ocorre a formação de outros compostos muito perigosos, os derivados clorados mais tóxicos conhecidos, que são as bifenilas policloradas, as dioxinas e os furanos. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 73 73 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Bifenila policlorada (PCBs) é o nome genérico dado à classe de compostos organoclorados (figura 2.6) resultante da reação do grupo bifenila (figura 2.4) com cloro anidro na presença de catalisador (cloreto de ferro). Trata-se de uma classe de contaminantes formados pelo composto aromático bifenila, com 1 a 10 átomos de cloro substituindo os átomos de hidrogênio, nas posições 2-6 e 2’-6’ dos anéis aromáticos, como pode ser visto na figura 2.6. 3 2 2' 3' 4' 4 Cl Cl 5 6 6' 5' Figura 2.6 - Estrutura das bifenilas policloradas Fonte: Elaboração da autora (2008). Devido às possibilidades de substituintes na cadeia bifenila, é possível obter diferentes congêneres, somando num total de 209 isômeros. Mas afinal, o que são congêneres? Congênere é a denominação de um dado composto pertencente a uma classe de substância química. Nesse caso, qualquer composto com 1 a 10 átomos de cloro, pertencente à classe das bifenilas policloradas, corresponde a um congênere. Os PCBs são capazes de alterar o desenvolvimento neurológico, a homeostase intracelular do Ca 2+ e os níveis de dopamina; interferir na homeostase dos hormônios tireoideanos e promover tumores (SILVA; TORRES; MALM, 2007). Os PCBs, como a maioria dos compostos orgânicos, são pouco solúveis em água, e a solubilidade decresce com o aumento do número de átomos de cloro na molécula. Em 1966, a presença de resíduos de PCB na biota foi descoberta após a pesquisa realizada por Sören Jensen, em um programa de investigação de acúmulo do inseticida p,p’-DDT no ambiente (BOON, 1986). 74 qumica_ambiental.indb 74 01/03/12 16:41 Química Ambiental Desde então, investigações em muitas partes do mundo têm revelado ampla distribuição dos PCBs em amostras ambientais, sendo o transporte atmosférico o principal mecanismo para a dispersão global desses compostos (LANG, 1992 apud SILVA; TORRES; MALM, 2007). Os PCBs presentes no solo e em águas superficiais entram na atmosfera pela volatilização. Uma vez na atmosfera, estarão presentes tanto na fase vapor, quanto absorvidos no material particulado. Por meio de ciclos de volatilização, condensação e deposição, esses compostos podem ser transportados pela atmosfera de áreas de baixa e média latitude em direção a áreas de alta latitude, formando um gradiente translatitudinal, conhecido por “efeito de destilação global”. (ATSDR, 2000 apud SILVA; TORRES; MALM, 2007). As dibenzo-p-dioxinas policloradas (PCDD - polychlorinatedp-dibenzodioxins) e os dibenzofuranos policlorados (PCDF - polychlorinated-p-dibenzofurans), comumente chamados de dioxinas e furanos, são duas classes de compostos aromáticos tricíclicos, de função éter (R-O-R’), com estrutura quase planar e que possuem propriedades físicas e químicas semelhantes. Os átomos de cloro se ligam aos anéis benzênicos, possibilitando a formação de um grande número de congêneres: 75 para as dioxinas e 135 para os furanos, totalizando 210 compostos, cujas fórmulas estruturais genéricas são mostradas na figura 2.7. Alguns isômeros são de interesse especial devido a sua toxicidade, estabilidade e persistência (ASSUNÇÃO; PESQUERO, 1999). O O Cl O Dioxina Cl Cl Cl Furano Figura 2.7 - Compostos aromáticos tricíclicos, dioxinas (PCDD) e furanos (PCDF) Fonte: Elaboração da autora (2008). As dioximas e furanos são produzidos durante a incineração ou em caldeiras, por meio de precursores, como o PCB, os pentaclorofenóis e os benzenos clorados; e são produzidos a partir Unidade 2 qumica_ambiental.indb 75 75 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina de materiais não diretamente relacionados a esses compostos (ex: produtos do petróleo em geral, hidrocarbonetos clorados, íons cloreto inorgânico e plásticos). Das 210 dioxinas e furanos existentes, 17 compostos com substituições nas posições 2,3,7 e 8 destacam-se sob o ponto de vista toxicológico. A toxicidade aguda mais elevada é para a 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (2,3,7,8-TCDD), que é ultrapassada somente por algumas outras toxinas de origem natural (botulinustoxina A, tetanustoxina, ricina, crotoxina e difteriotoxina). A dose letal para a 2,3,7,8-TCDD é 1 µ g/kg, enquanto que a estriquinina é de 500 µ g/kg (ASSUNÇÃO; PESQUERO, 1999). Em 1994, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (Usepa - United States Environmental Protection Agency) completou uma reavaliação dos efeitos das dioxinas e furanos e algumas das conclusões estão relatadas a seguir: Em relação ao desenvolvimento de tumores malignos, as evidências disponíveis apontam fortemente que a TCDD exerce seu efeito carcinogênico, primariamente através de sua efetividade como agente promotor de estimulação de replicação de células de maneira reversível, e inibindo apoptose. (USEPA, 1994, p. 57). A TCDD não é um carcinógeno completo e não deveria ser designado pela Usepa como tal, assim entendendo o Comitê Consultivo para Ciência (SAB – Science Advisory Board). Esses compostos estão classificados pela Usepa (SAB15, 1995) no grupo B1 (provável carcinogênico humano com base em informação limitada de estudos em humanos e em animais). No Brasil, os poucos trabalhos realizados apresentaram alguns níveis de concentração comparáveis àqueles de países desenvolvidos. Sendo assim, existe a necessidade de continuidade de pesquisas sobre esses compostos, como também a acumulação em alimentos e no tecido humano, para que, com um maior domínio do assunto, seja possível prevenir maiores problemas à saúde pública advindos desses compostos. 76 qumica_ambiental.indb 76 01/03/12 16:41 Química Ambiental Hidrocarbonetos aromáticos O petróleo é a maior fonte de compostos orgânicos e, a partir do seu fracionamento, como vimos na seção anterior, produzem-se inúmeros compostos químicos utilizados, principalmente como combustíveis e matéria-prima para indústrias. O metano é encontrado no gás natural e é produzido pela decomposição de animais e plantas nos pântanos. Ele se forma também na decomposição do lixo caseiro e nos despejos das agropecuárias, atualmente existem tecnologias para exploração dessa fonte de energia (combustível). O metano, bem como os demais gases derivados do petróleo, é inflamável e pode causar asfixia física, pois desloca o ar e diminui a taxa de O2. Pode levar a importantes explosões quando liberado ou produzido em locais confinados. Os derivados de petróleo, principalmente as frações líquidas e sólidas, apresentam compostos aromáticos na sua constituição. BTEX, como foi estudado na Seção 1, é um acrônimo para benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos. A exposição ao BTEX pode ocorrer por ingestão (consumo de água contaminada com BTEX), inalação (exposição ao ar contaminado) ou absorção pela pele (produto de evaporação ou respingo). A exposição aguda em grandes quantidades de gasolina e seus componentes tem sido associada à irritação na pele e problemas sensoriais, depressão de atividade do sistema nervoso central e efeitos no sistema respiratório. Esses níveis normalmente não são atingidos ao se beber água contaminada, mas sim pela exposição ocupacional. As exposições prolongadas a esses compostos provocam problemas semelhantes nos rins, fígado e sistema sanguíneo. A Portaria 1.469/2000, do Ministério da Saúde, estabelece os seguintes limites permitidos para os hidrocarbonetos aromáticos em água potável: 5 microgramas por litro no caso do benzeno, 170 microgramas/l para o tolueno, 200 microgramas/l para o etilbenzeno e 300 microgramas/l para o xileno. Os limites estabelecidos pelo Ministério do Trabalho na NR15 para uma jornada de 48h/semana de trabalho, para qualidade Unidade 2 qumica_ambiental.indb 77 77 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina do ar em ambientes industriais e não industriais é de 1 ppm para benzeno, 78 ppm para tolueno e 78 ppm para os xilenos. Esses limites são elevados quando comparados com valores estipulados por órgãos internacionais como, por exemplo, os estabelecidos nos EUA pela OSHA (Occupational Safety and Health Administration). Sabão e detergentes O sabão e o detergente utilizados diariamente em nossas residências são denominados cientificamente de surfactantes. Um surfactante é um composto caracterizado pela capacidade de alterar as propriedades superficiais e interfaciais de um líquido. O termo “interface” denota o limite entre duas fases imiscíveis, por exemplo, água (polar) e gordura (apolar). Outra propriedade fundamental dos surfactantes é a tendência de formar agregados chamados micelas, que geralmente formam-se a baixas concentrações em água. Hidro equivale à água, fóbico equivale à fobia, repulsão, medo, e fílico equivale à amizade, afinidade. Logo, hidrofóbico significa com medo de água, ou seja, que não é solúvel em água. E hidrofílico significa com afinidade com a água (solúvel em água). A concentração mínima na qual se inicia a formação de micelas chama-se concentração micelar crítica (CMC), sendo essa uma importante característica de um surfactante. Essas propriedades tornam os surfactantes adequados para uma ampla gama de aplicações industriais envolvendo: detergência, emulsificação, lubrificação, capacidade espumante, capacidade molhante, solubilização e dispersão de fases. Quando o surfactante é produzido por um microrganismo é chamado biossurfactante. Genericamente, um surfactante contém grande cadeia de hidrocarboneto (apolar), denominado grupo hidrofóbico, e na extremidade um (ou mais) grupo polar (ou catiônico, aniônico, anfotero) denominado grupo hidrofílico. 78 qumica_ambiental.indb 78 01/03/12 16:41 Química Ambiental Hidrofílico Hidrofóbico Figura 2.8 - Representação esquemática de um surfactante Fonte: Elaboração da autora (2008). Os principais grupos encontrados em surfactantes são: 1. grupos hidrofóbicos – hidrocarbonetos, alcano, alcenos e aromático; 2.grupos hidrofílicos – divididos em: catiônico - RNH3+ e R(CH3)3+ (sal quaternário de amônio) aniônico - RCO2- (carbonato), ROSO2- (sulfonato), ROSO3- (sulfato), ROPO3- (fosfato); anfótero; polar - ROH (álcool). A ação de limpeza da água melhora bastante com a adição de surfactante. Essas substâncias apresentam um comportamento dualístico em água, em virtude de sua estrutura. As partes apolares dissolvem-se em gorduras e óleos, também substâncias apolares, e as porções polares são solúveis em água (polar). A capacidade de limpeza dos sabões e detergentes depende da capacidade de formar micelas (CMC). Na micela, simploriamente, é como se as moléculas de surfactante envolvessem a sujeira, de modo a colocá-la em um “envelope” solúvel em água. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 79 79 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 2.9 - Comportamento de moléculas anfifílicas na interface água-ar e em solução aquosa Fonte: Disponível em <http://zircon.dcsa.fct.unl.pt/dspace/bitstream/123456789/224/1/18-3.PDF>. Acesso em: 20 ago. 2008. Sabões As matérias-primas para a obtenção dos sabões são os óleos vegetais e as gorduras animais, formados por triglicerídios. A hidrólise alcalina desses ésteres naturais produz glicerina e sabões (sais de sódio ou de potássio de ácidos carboxílicos –CO2H- de cadeia longa ou ácidos graxos). Os sabões apresentam, porém, o inconveniente de não atuar bem em meios ácidos e em águas duras. Em meio ácido, formam o ácido graxo, insolúvel em água, enquanto as águas duras contêm íons de cálcio, magnésio e ferro que formam precipitados com os ânions carboxilatos dos sabões, produzindo uma escuma que adere a tecidos, pias, banheiras etc. (OSORIO; OLIVEIRA, 2001). Detergentes Detergentes foram desenvolvidos para contornar os problemas encontrados com o uso de sabões. Derivados da indústria petroquímica, são os chamados detergentes sintéticos, sulfatos, sulfonatos, fosfatos. Os mais utilizados atualmente, em preparados em pó para lavar roupas, são os alquilbenzenossulfonatos de sódio de cadeia linear. 80 qumica_ambiental.indb 80 01/03/12 16:41 Química Ambiental Um dos primeiros detergentes sintetizados foi alquilsulfatos, como o laurilsulfato de sódio, CH2(CH2)10CH2OSO3-Na+, que ainda é utilizado em pastas de dente, xampus e outros cosméticos. Detergentes comerciais típicos da década de 50, por exemplo, continham cerca de 40% de tripolifosfato de sódio ou uma mistura deste com pirofosfato de sódio13. Com o passar do tempo, a utilização crescente desses produtos de limpeza aliada à aplicação não criteriosa de fertilizantes fosfatados nas lavouras levou ao surgimento de problemas ambientais de poluição de águas. Os fosfatos não atuam como materiais tóxicos no meio ambiente, mas sim como nutrientes. Em águas naturais estagnadas, o resultado é o crescimento excessivo de algas e a diminuição de oxigênio, que pode provocar a eutrofização do manancial. Um substituto conveniente e bastante recomendado são as zeólitas, aluminossilicatos trocadores iônicos que abrandam águas duras. No Brasil, uma consulta às embalagens de detergentes em pó nos supermercados esclarece que poucas marcas contêm zeólitas, mas que quase todas utilizam fosfatos (OSORIO; OLIVEIRA, 2001). Os detergentes, na sua maioria, contêm cadeias alquílicas lineares e são metabolizados por bactérias nas Estações de Tratamento de Esgoto (ETE). Chamam-se detergentes biodegradáveis. Detergentes com cadeias ramificadas não são biodegradáveis. Unidade 2 qumica_ambiental.indb 81 81 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Síntese Nesta unidade, você conheceu os compostos orgânicos, que são aqueles que apresentam o átomo de carbono como átomo essencial. Esses compostos são divididos em compostos alifáticos e cíclicos e compreendem um grande número de famílias, como por exemplo, os hidrocarbonetos. Muitos compostos orgânicos são perigosos para a saúde e para o meio ambiente. Uma das classes que merece destaque são os organohalogenados, por serem persistentes no meio ambiente e extremamente tóxicos ao homem e animais. Você também estudou sobre os constituintes do petróleo e derivados e que são hidrocarbonetos (alifáticos, cíclicos e aromáticos). Dentre as propriedades das substâncias químicas orgânicas abordadas está no fato de os compostos serem apolares, que em sua maioria, são insolúveis em água, e ocasionam grandes problemas ambientais quando lançados no meio ambiente. Atividades de autoavaliação Ao final de cada unidade, você realiza atividades de autoavaliação. O gabarito está disponível no final do livro didático. Mas se esforce para resolver as atividades sem ajuda do gabarito, pois assim você estará promovendo (estimulando) a sua aprendizagem. 1) Usando as regras oficiais da IUPAC, escreva o nome dos compostos para as moléculas dos hidrocarbonetos. Observe o exemplo a seguir: Exemplo 1: CH2CH3 CH3CH2CH2CHCHCH2CH3 CH3 Resposta: 3-Etil-4-metilepatano Siga este raciocínio sobre as regras de nomenclatura: 82 qumica_ambiental.indb 82 01/03/12 16:41 Química Ambiental Regra 1 - Localize a cadeia de maior número de carbonos. Essa corresponde à cadeia principal do alcano linear. Quaisquer outros grupos, diferentes de hidrogênio, ligados à cadeia principal, são denominados substituintes (CH3 e CH2CH3). Veja a representação a seguir. CH2CH3 CH2CH3 CH3CH2CH2CHCHCH2CH3 CH3 CH3CH2CH2CHCHCH2CH3 CH3 ou Se a molécula tiver duas ou mais cadeias de mesmo comprimento, a cadeia principal será a que contiver maior número de substituintes. Nesse caso tanto faz, pois as duas possibilidades fornecem o mesmo número de substituintes. A cadeia principal terá o nome de heptano. Regra 2 - Identifique os grupos alquila ligados à cadeia principal. Nomeie cada um desses grupos e coloque na ordem alfabética, sem levar em consideração os prefixos de quantidade (di, tri etc.) ou os prefixos t-, s- n-. etil CH2CH3 CH3CH2CH2CHCHCH2CH3 CH3 metil Regra 3 - Numere a cadeia principal, dando aos substituintes a menor numeração possível. CH2CH3 7 6 5 4 3 2 1 CH3CH2CH2CHCHCH2CH3 1 2 3 4 5 6 7 CH3 numeração correta numeração errada Unidade 2 qumica_ambiental.indb 83 83 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina CH3 a) CH3 CH(CH3)2 CH2CHCHCHCH2CHCHCH2CH3 CH3 CH2CH3 CH3 Cl b) CH3 CHCH2CH3 84 qumica_ambiental.indb 84 01/03/12 16:41 Química Ambiental c) d) OH Unidade 2 qumica_ambiental.indb 85 85 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina 2) Considerando que a fonte de contaminação seja um posto de combustível e suscetível ao risco de contaminação de uma residência, analise a figura a seguir e explique por que a gasolina comum apresenta maior velocidade de deslocamento da pluma de contaminação, quando comparada com o diesel. 3) Desenhe a estrutura em forma de esqueleto para as seguintes substâncias químicas: a) 3-etildodecano b) 4-etil-2-fluor-3-metilnonano 86 qumica_ambiental.indb 86 01/03/12 16:41 Química Ambiental c) 1-hidroxipropano d) 1-aminoetano e) propilcicloexano f)ácido p-etilbenzóico Unidade 2 qumica_ambiental.indb 87 87 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina 4) Como os detergentes atuam na remoção da sujeira? Saiba mais Se você desejar, aprofunde os conteúdos estudados nesta unidade consultando as seguintes referências: ALLINGER, Norman L. et al. Química orgânica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 2006. MCMURRY, John. Química orgânica. 6. ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005. RUSSEL, John B. et al. Química geral. São Paulo: Mcgraw-hill do Brasil, 1981. 88 qumica_ambiental.indb 88 01/03/12 16:41 UNIDADE 3 O meio aquático Objetivos de aprendizagem Compreender a água na natureza. Conhecer os requisitos de qualidade e o uso da água. 3 Conhecer os parâmetros indicadores de qualidade da água. Compreender o comportamento ambiental dos lagos. Conhecer a importância da manutenção da qualidade das águas naturais. Conhecer como ocorre o tratamento de esgoto. Seções de estudo Seção 1 A água na natureza Seção 2 Uso da água e os requisitos de qualidade Seção 3 Parâmetros da qualidade da água Seção 4 Comportamento ambiental dos lagos Seção 5 As principais fontes de poluição qumica_ambiental.indb 89 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Como sabemos, a água é um dos constituintes mais importante da Terra. Ingrediente essencial à vida, é talvez o recurso mais precioso da humanidade, o qual deve ser preservado. É fundamental que recursos hídricos apresentem condições físicas, químicas e microbiológicas para sua utilização, assim como a água, por exemplo, que deve estar disponível em quantidade e qualidade satisfatória para atender às necessidades dos seres vivos, em especial do homem. Por isso, nesta unidade, você vai conhecer alguns usos da água de grande importância, tais como: a utilização da água para o abastecimento humano, abastecimento industrial, irrigação, geração de energia elétrica, irrigação, navegação, diluição de despejos, preservação da flora e fauna, aquicultura e recreação. Além disso, você vai estudar a eutrofização, processo que pode ser realizado de forma natural ou acelerada. Seção 1 – A água na natureza A água é rara no sistema solar e no universo conhecido, mas é bastante abundante em nosso planeta. Ela é condição essencial para a existência da vida, pois todos os organismos necessitam de água para sobreviver. No entanto, sua disponibilidade é um dos fatores mais importantes a moldar os ecossistemas. A água encontra‑se disponível sob várias formas físicas (sólida, líquida e gasosa), cobrindo cerca de 70% da superfície do planeta. É encontrada principalmente no estado líquido, constituindo um recurso renovável por meio do ciclo hidrológico. É importante salientar que no ciclo hidrológico os fenômenos básicos são a evaporação (mudança do estado físico líquido para o gasoso) e a precipitação (mudança do estado físico do gasoso para o líquido). 90 qumica_ambiental.indb 90 É fundamental que os recursos hídricos apresentem condições físicas, químicas e microbiológicas adequadas para sua utilização. A água deve conter substâncias essenciais à vida e estar isenta de 01/03/12 16:41 Química Ambiental outras substâncias que possam produzir efeitos prejudiciais aos organismos que compõem as cadeias alimentares. Assim, a água deve estar disponível em quantidade e qualidade satisfatórias para atender às necessidades da biota (conjunto de seres vivos). A qualidade da água é dependente da quantidade de água disponível para dissolver, diluir e transportar as substâncias benéficas e as maléficas para os seres vivos que compõem a cadeia alimentar. Estima‑se que a quantidade total de água no planeta seja aproximadamente igual a 265.400 trilhões de toneladas. Na tabela 3.1, é apresentada a distribuição de água existente no planeta em termos de localização, área, volume, percentual da água doce total e percentual da água doce. Tabela 3.1 – Distribuição porcentual de água no planeta Localização Área (106km³) Volume (106km³) Percentual da água total (%) Percentagem da água doce (%) Oceanos 361,3 1338 96,5 Água subterrânea 134,8 23,4 1,7 Doce 10,53 0,76 29,6 Umidade do solo 0,016 0,0012 0,05 Calotas polares 16,2 24,1 1,74 68,9 Geleiras 0,22 0,041 0,003 0,12 Lagos 2,06 0,176 0,013 0,26 Doce 1,24 0,091 0,007 Salgado 0,82 0,085 0,006 Pântanos 2,7 0,011 0,0008 0,03 Rios 14,88 0,002 0,0002 0,006 Biomassa 0,001 0,0001 0,003 Vapor na atmosfera 0,013 0,001 0,04 Total de água doce 35 2,53 100 Total 510,0 1,386 100 Fonte: Braga et al. (2005, p. 73). Unidade 3 qumica_ambiental.indb 91 91 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Quase a totalidade deste recurso (99,5%) não se encontra diretamente disponível para uso: 97,0% por se tratar de água salgada; dos 3,0% que correspondem à “água doce”, 2,5% se encontram nas calotas polares. Portanto, também não é diretamente aproveitada para uso humano e, assim, é o correspondente à 0,5% a parcela de água disponível para consumo humano. A água salgada dos oceanos para ser destinada ao uso doméstico precisa passar por um processo de dessalinização. Os processos tecnológicos disponíveis são caros quando comparados com os processos normalmente utilizados para tratamento da água para uso doméstico. Em relação ao uso da água existente nas geleiras, é preciso destacar que elas apresentam o inconveniente de estarem localizadas em regiões afastadas dos centros de consumo, o que implica em custos para o transporte e manutenção. A utilização de águas profundas também está sujeita a limitações tecnológicas e econômicas. Sob o ponto de vista tecnológico e econômico, 0,5% de toda a água encontrada no planeta representa água doce que pode ser extraída de lagos, rios e aquíferos. Entretanto, boa parte dessa água encontra‑se em locais de difícil acesso ou poluída. Assim, estima‑se que cerca de 0,003% do volume total de água do planeta esteja disponível para o direto consumo humano. A água doce também tem limitações de uso impostas pela sua distribuição heterogênea no0020planeta (espaço e tempo), pelo ciclo hidrológico e pelo uso do solo. A distribuição heterogênea da água doce no espaço, por exemplo, pela existência de deserto, é caracterizado pela baixa umidade e nas florestas trópicas, por altas umidades. Quanto à distribuição heterogênea temporal da água, podemos citar a variabilidade temporal da precipitação em função das condições climáticas, que variam em decorrência do movimento de translação da Terra. 92 qumica_ambiental.indb 92 01/03/12 16:41 Química Ambiental Nas fases do ciclo hidrológico são observadas variações naturais que afetam a quantidade e também a qualidade da água doce disponível para a humanidade. Devemos levar em consideração que importantes alterações têm ocorrido nas fases desse ciclo por causa de intervenções humanas, intencionais ou não. Sobre esse ponto, é possível mencionar que a ocorrência de vapor atmosférico de água pode ser alterada pela presença de reservatórios (exemplo: barragem), modificação da cobertura vegetal (exemplo: substituição de vegetação, desmatamento, áreas urbanas) e modificação dos constituintes da atmosfera em espécie e quantidade (CO2, CO, NOx, SOx, PCB e material particulado). O uso do solo modifica a disponibilidade de água doce no planeta devido às modificações causadas no ciclo hidrológico. Com o desmatamento, há maior presença da umidade do solo, mas sua capacidade de infiltração diminui. Existe uma tendência de aumentar o escoamento superficial durante eventos chuvosos, ampliando a ocorrência de cheias. Tal fato tende a tornar‑se gradativamente mais intenso pela diminuição da proteção do solo contra a erosão e a consequente diminuição de sua permeabilidade pelo desmatamento. Os exemplos citados modificam os processos de evaporação e/ou evapotranspiração, modificando o ciclo hidrológico. Já nas áreas urbanas, observamos a ocorrência de impermeabilização do solo por meio das construções e da pavimentação. Assim, quando ocorre precipitação, o solo vai ter pouca ou nenhuma capacidade de infiltração da água, ocorrendo escoamento superficial intenso da água e sendo a principal causa de inundações nos meios urbanos. Como você estudou, problemas como escassez, estiagem e cheias podem ser devido a causas naturais ou por interferência do homem. Além desses problemas relacionados com a quantidade de água, temos os problemas relacionados à qualidade da água, agravando a sua escassez para consumo, como, por exemplo, a contaminação de mananciais. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), 25 milhões de pessoas no mundo morrem por ano devido à transmissão de doenças pela água, como a cólera e diarréias. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 93 93 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Quais são as características da água? A água apresenta‑se no estado físico líquido nas condições normais de temperatura e pressão. A água apresenta fórmula molecular H2O, sendo uma substância química inorgânica, classificada como óxido. No entanto, observe que o óxido é todo composto binário oxigenado, no qual o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. A água apresenta quatro orbitais híbridos sp3, que são ocupados por dois pares de elétrons isolados e dois pares compartilhados, duas ligação O‑H, que são covalentes polares. A estrutura resultante é descrita como angular, o que proporciona à substância um caráter polar. Devido a esse caráter polar, a água dissolve muitos compostos iônicos, muitas substâncias polares, sejam essas substâncias orgânicas ou inorgânicas e mesmo algumas substâncias de menor polaridade. A água apresenta ponto de fusão de 0oC e ponto de ebulição de 100oC. Devido à formação de ligações de hidrogênio entre as suas moléculas, apresenta particularidades em sua estrutura, o que implica, também, na densidade. Existe uma interface bem definida entre o meio aquático superficial e a atmosfera, pois a densidade da água é cerca de oitocentas vezes maior que a do ar. A densidade da água pode variar com a temperatura (Figura 3.1), a pressão e a concentração de substâncias dissolvidas. Observe a figura a seguir. A densidade da água atinge um valor máximo entre 0oC e 4oC. Numericamente, a variação da densidade com a temperatura pode aparentar pequena, mas suficiente para dar origem a uma série de fenômenos importantes do ponto de vista ambiental. 94 qumica_ambiental.indb 94 01/03/12 16:41 Química Ambiental Ainda de acordo com a figura 3.1, a água no estado sólido é menos densa que no estado líquido, fazendo com que o gelo flutue sobre a água líquida. Assim, mesmo que haja gelo na superfície dos corpos de água, sua parte inferior pode permanecer no estado líquido, possibilitando a existência de vida aquática. Figura 3.1 ‑ Variação da densidade da água com a temperatura Fonte: http://nautilus.fis.uc.pt/cec/hiper/paula%20ribeiro/www.paularibeiro.no.sapo.pt/index_ ficheiros/image002.jpg Quando existem sais dissolvidos na água é possível observar a variação no valor da densidade da água. Por exemplo: a densidade da água do mar é cerca de 2% maior que a densidade da água pura (CNTP), em função dos sais dissolvidos. Esse fato é importante para o equilíbrio em estuários, pois eles são afetados quando a água doce chega à montante dos rios, e a água salgada a chega à jusante. Desse modo, uma substância pode ser transportada em ambos os sentidos. O calor específico da água é elevado, de modo que ela possa absorver ou liberar grandes quantidades de calor à custa de pequena variação de temperatura. Assim, uma região que apresenta grande massa de água pode apresentar uma branda variação de temperatura, enquanto que uma região desértica apresenta uma variação de temperatura ampla. Esse raciocínio pode ser conduzido para o planeta; se os oceanos não existissem, a amplitude térmica do planeta seria maior. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 95 95 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Seção 2 – Uso da água e os requisitos de qualidade A água é um dos recursos naturais mais intensamente utilizados. É fundamental para a existência e manutenção da vida, para isso, deve estar presente no ambiente em quantidade e qualidade apropriadas (BRAGA et al., 2005). Segundo Macedo (2005), as atividades humanas geram alterações no meio, ocasionando desequilíbrios, ou seja, provocam novos equilíbrios, diferentes do que existiam anteriormente, causando alterações na natureza. O resultado desses desequilíbrios, que é uma consequência das atividades humanas, é a poluição ou contaminação do meio ambiente. É necessário saber que a poluição decorre de qualquer alteração de natureza física, química, biológica ou mesmo de regime hidrológico que produza desequilíbrios no ciclo biológico normal, alterando a composição da fauna e da flora do meio; sendo resultado, principalmente, do lançamento de águas oriundas de atividades industriais, agrícolas ou humanas. A contaminação é a denominação genérica para as consequências da introdução de substâncias ou de organismos nocivos no recurso hídrico, causando doenças no ser humano (DI BERNARDO et al., 2002). Para Braga e outros (2005), o conceito de contaminação refere‑se à transmissão pela água de substância ou microorganismos nocivos à saúde. A ocorrência de contaminação não implica, necessariamente, um desequilíbrio ecológico. Assim, a presença na água de organismos patogênicos prejudiciais ao homem não significa que o meio ambiente aquático esteja ecologicamente desequilibrado. De maneira análoga, a ocorrência de poluição não implica, necessariamente, riscos à saúde de todos os organismos que fazem uso dos recursos hídricos afetados. 96 qumica_ambiental.indb 96 01/03/12 16:41 Química Ambiental Os efeitos da poluição ou da contaminação da água têm sido intensificados nas últimas décadas, pois o homem tem usado a água não só para suprir suas atividades metabólicas, mas também para outros fins, como abastecimento humano, abastecimento industrial, irrigação, geração de energia elétrica, irrigação, navegação, diluição de despejos, preservação da flora e fauna, aquicultura e recreação. Conheça, a seguir, alguns usos da água. Embora em sua maioria seus usos sejam comuns, sua importância é incontestável. Abastecimento humano O homem sobrevive sem água? Esse é considerado o mais nobre e prioritário uso da água, pois o homem depende de uma oferta adequada de água para a sua sobrevivência. A água está ligada diretamente à qualidade de vida dos seres humanos, pois ela é utilizada para o funcionamento adequado de seu organismo, o preparo de alimentos, a higiene pessoal e de utensílios. Também é usada para irrigação de jardins, lavagem de veículos e pisos, usos esses com exigências menores em relação à qualidade. Um dos mais importantes empregos da água é para abastecimento doméstico. Nesses casos, a água deve apresentar características sanitárias e toxicológicas adequadas, tais como estar isenta de organismos patogênicos e substâncias tóxicas, a fim de evitar danos à saúde e ao bem‑estar do homem. Lembre que os organismos patogênicos são os que transmitem doenças pela ingestão ou contato com a água contaminada, como bactérias, vírus, parasitas, protozoários e que podem causar doenças como disenteria, febre tifóide, cólera, hepatite e outras. Geração de energia elétrica Você consegue imaginar uma comunidade sem energia elétrica? Embora existam muitas maneiras de gerar de energia elétrica, a água é fundamental para a geração de energia em hidrelétrica e em termoelétrica. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 97 97 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina O aproveitamento dos recursos hídricos para fins energéticos pode introduzir uma série de impactos ambientais no meio aquático. As usinas termelétricas podem despejar calor nos corpos de água, afetando o ecossistema. As usinas hidrelétricas dependem, em geral, da existência de uma barragem que crie um desnível entre as superfícies livres de água localizadas nos lados a montante e a jusante. Como consequência, o rio a montante da barragem transforma‑se num lago, o que altera o ecossistema aquático, pois ele passa de um ambiente de altas velocidades e alta turbulência (rio) para um ambiente de baixas velocidades e baixa turbulência (lago). (BRAGA et al, 2005). Irrigação O uso da água para a irrigação representa o mais intenso em relação aos recursos hídricos, sendo responsável por aproximadamente 70% do consumo de água doce no mundo. Além disso, a irrigação pode carrear para os corpos de água superficiais e subterrâneos as substâncias empregadas na agricultura, como fertilizantes sintéticos ou não sintéticos e os defensivos agrícolas (BRAGA et al, 2005). Abastecimento industrial A utilização de água pela indústria pode ocorrer de diversas formas, tais como: incorporação ao produto; lavagens de máquinas, tubulações e pisos; águas de sistemas de resfriamento e geradores de vapor; águas utilizadas diretamente nas etapas do processo industrial ou incorporadas aos produtos; esgotos sanitários dos funcionários. Exceto pelos volumes de águas incorporados aos produtos e pelas perdas por evaporação, as águas tornam‑se contaminadas por resíduos do processo industrial ou pelas perdas de energia térmica, originando assim os efluentes líquidos (GIORDANO, 2004). 98 qumica_ambiental.indb 98 01/03/12 16:41 Química Ambiental Os efluentes líquidos ao serem despejados com os seus poluentes característicos causam a alteração de qualidade nos corpos receptores e, consequentemente, a sua poluição (degradação). Historicamente, o desenvolvimento urbano e industrial ocorreu ao longo dos rios devido à disponibilidade de água para abastecimento e a possibilidade de utilizar o rio como corpo receptor dos dejetos. O fato preocupante é o aumento tanto das populações como das atividades industriais e o número de vezes em que um mesmo corpo d´água recebe dejetos urbanos e industriais (GIORDANO, 2004). Navegação Considere como exemplo, o Canal do Panamá. Sua importância social, econômica e política ultrapassa as fronteiras da América Central, ganhando proporções em nível mundial. No Brasil, a navegação em rios ou mares possui uma importância indiscutível para o transporte de pessoas e produtos. Como exemplo, o Rio Guaíba, no estado do Rio Grande do Sul, o Amazonas e Solimões no estado de Amazônia e Pará e o Rio São Francisco, os quais abrange vários estados da união. Mas a navegação pode perturbar o meio ambiente ao despejar substâncias poluidoras das embarcações no meio aquático, seja de modo deliberado ou acidental. Os portos também são um potencial poluidor pela mesma razão (BRAGA et al, 2005). A navegação fluvial requer um leito adequado em termos de profundidade e curvas para o deslocamento das embarcações. A velocidade do curso de água é outro fator importante para a viabilização desse tipo de navegação. Assim, para a implantação da navegação fluvial podem ser necessárias alterações no canal como, por exemplo, a implantação de barragens com obras de transposição de nível (BRAGA et al., 2005). Diluição de despejos Os corpos de água podem ser utilizados para transportar e diluir os despejos neles lançados. A jusante do lançamento, as concentrações do poluente dependerão em parte da razão de diluição, isto é, da relação entre a vazão do rio e a vazão do despejo. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 99 99 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Se a diluição for alta, as concentrações podem ser baixas o suficiente para não causar impactos sobre outros usos de água. A diluição, no entanto, não deve ser recomendada em substituição ao tratamento dos despejos, devendo ser somente utilizada para a carga residual das estações de tratamento. O comportamento dos corpos de água como receptores de despejos varia em função de suas características físicas, químicas e biológicas e da natureza das substâncias lançadas (BRAGA et al, 2005). Preservação da flora e fauna O equilíbrio ecológico do meio aquático deve ser mantido, independentemente dos usos que se façam dos corpos de água. Para isso, deve‑se garantir a existência de concentrações mínimas de oxigênio dissolvido e de sais nutrientes na água. Ela não deve conter substâncias tóxicas acima de concentrações críticas para os organismos aquáticos (BRAGA et al, 2005). Aquicultura A criação de organismos aquáticos de interesse para o homem requer padrões de qualidade da água praticamente idênticos aos necessários para a preservação da flora e da fauna, havendo, possivelmente, algumas considerações específicas para o favorecimento da proliferação de certas espécies (BRAGA et al, 2005). Recreação Os corpos de água oferecem várias alternativas de recreação para o homem, seja por meio de atividades como natação e esportes aquáticos ou outras como a pesca e a navegação esportiva. O contato com a água pode ser primário, como o que ocorre quando há um contato físico proposital com a água, a exemplo da natação. A água não deve apresentar organismos patogênicos e substâncias tóxicas em concentrações que possam causar danos à saúde pelo contato com a pele ou por ingestão. O contato secundário ocorre de forma acidental em atividades como a navegação esportiva (BRAGA et al, 2005). 100 qumica_ambiental.indb 100 01/03/12 16:41 Química Ambiental Os corpos de água poluídos são inconvenientes ao homem devido à liberação de odores desagradáveis, presença de substâncias flutuantes e turbidez excessiva. Frequentemente, tais corpos de água estão próximos de centros urbanos, não sendo utilizados para fins recreativos. Problemas com a qualidade e quantidade da água geralmente prejudicam o uso dos rios e lagos como recursos paisagísticos (BRAGA et al, 2005). Seção 3 – Parâmetros da qualidade da água O petróleo e derivados fazem parte da vivência da humanidade. A qualidade da água é resultante de fenômenos naturais, como temporais, ciclones, furacões, entre outros, e da atuação do homem, que pode ser representada por diversos parâmetros que descrevem as características físicas, químicas e biológicas da água. As características físicas e químicas da água são modificadas pelas impurezas, que são todos os contaminantes da água. As características biológicas da água são os seres vivos ou mortos presentes na água, como por exemplo, os protozoários. Os parâmetros da qualidade da água têm o objetivo de caracterizar águas de abastecimento, águas residuárias, mananciais e corpos receptores. Deve‑se levar em consideração que o controle da poluição das águas está diretamente relacionado com a proteção da saúde da comunidade que a consome. Os principais parâmetros físico‑químicos analisados para descrever a qualidade de água são: pH, turbidez, temperatura, oxigênio dissolvido, sólidos totais, matéria orgânica e matéria inorgânica. Quais são os parâmetros indicativos de poluição das águas? Os parâmetros indicadores de qualidade da água podem ser divididos conforme suas características, sendo elas físicas, químicas e microbiológicas. Conheça cada uma delas características a seguir. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 101 101 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Características físicas As características físicas são: cor, turbidez, sabor e odor, condutividade elétrica, sólidos totais e temperatura. A seguir, será abordada cada uma dessas tão importantes e fundamentais características da água. Cor Responsável pela coloração da água, a cor é constituída por material sólido dissolvido. Ela pode ser de origem natural (decomposição da matéria orgânica gerando ácido húmico e fúlvico ou pela presença de ferro ou manganês) ou de origem antropogênica (resíduos industriais, como corantes ou esgotos domésticos). Quando de origem natural, não representa risco direto à saúde. Todavia, a cloração da água contendo matéria orgânica pode gerar produtos potencialmente cancerígenos (trihalometanos ‑ exemplo: clorofórmio). A cor de origem industrial pode ou não ser tóxica. Esse parâmetro é utilizado geralmente para águas brutas e tratadas. A cor pode ser de dois tipos: aparente e verdadeira. A cor verdadeira ou real é causada por material dissolvido e coloides. A cor aparente resulta da adição de turbidez à cor verdadeira e, consequentemente, a luz sofrendo reflexão e dispersão pelas partículas em suspensão, altera a coloração original da água (LAURENTI, 1997). Águas naturais contendo mais de 200 unidades de cor são consideradas inadequadas para tratamento de potabilização, em função de altos teores de matéria orgânica dissolvida. No Brasil, se aceita para água bruta, isto é, antes de ser tratada e distribuída em sistemas urbanos, valores de até 75 unidades de cor (LAURENTI, 1997). 102 qumica_ambiental.indb 102 01/03/12 16:41 Química Ambiental Turbidez A turbidez das águas é devido à presença de partículas em suspensão e em estado coloidal, as quais podem apresentar ampla faixa de tamanhos. A turbidez pode ser causada por uma grande variedade de materiais, incluindo partículas de areia fina, silte, argila e microrganismos. As partículas de menor tamanho e com baixa massa específica são mais difíceis de ser removidas, por apresentarem menor velocidade de sedimentação (DI BERNARDO, 1993). A turbidez é a alteração da penetração da luz pelas partículas em suspensão que provocam a sua difusão e absorção. Partículas são constituídas por plâncton, bactérias, argilas, silte em suspensão, fontes de poluição que lançam material fino e outros. O aumento da turbidez reduz a zona eufótica, que é a zona de luz onde a fotossíntese ainda pode ocorrer. A limpidez da água é importante quando se destina ao consumo humano (uso potável, agrícola ou industrial) e para os organismos aquáticos. Agregados às partículas argilosas e com alto conteúdo orgânico, principalmente, podem estar adsorvidas substâncias como metais e agrotóxicos e organismos patogênicos. Nos processos industriais, pode ser um fator de comprometimento da qualidade do produto final, além de causar problemas em instalações de contato direto com a água. Para os organismos aquáticos, a importância da transparência da água reside na facilidade de penetração da luz para realização da fotossíntese. Sem fotossíntese há diminuição de oxigênio, resultando na eliminação de algumas espécies vivas e modificando outras. Além disso, o material em suspensão deposita‑se sobre o fundo, alterando a biocenose, isto é, a população animal e vegetal do local (LAURENTI, 1997). No Brasil, admite‑se que as águas naturais com até 100 unidades nefelométricas de turbidez (UNT) possam ser utilizadas para abastecimento urbano. Valores de turbidez até esse limite podem ser removidos por tratamento convencional de água. A água tratada deve ter turbidez inferior a cinco, para facilitar o contato de substâncias desinfetantes com eventuais microorganismos patogênicos nela presentes (LAURENTI, 1997). Unidade 3 qumica_ambiental.indb 103 103 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Sabor e odor Sabor e odor são características de difícil avaliação pelo fato de a sensação ser subjetiva. Normalmente, decorrem de matéria excretada por algumas espécies de algas e de substâncias dissolvidas, como gases, fenóis, clorofenóis e, em alguns casos, do lançamento de despejos nos cursos de água. A remoção dessas substâncias geralmente requer aeração, além de um oxidante e de carvão ativado para a adsorção dos compostos causadores de odor e sabor (DI BERNARDO, 2000). Condutividade elétrica A condutividade elétrica depende da quantidade de sais dissolvidos na água. A medição de condutividade elétrica permite estimar rapidamente a quantidade de sólidos totais dissolvidos presentes na água. Para valores elevados de sólidos totais dissolvidos, aumenta a solubilidade dos precipitados de alumínio e de ferro, o que influi na cinética da coagulação. Também são afetadas a formação e a precipitação de carbonato de cálcio, favorecendo a corrosão (DI BERNARDO, 2000). Segundo Laurenti (1997), os fatores que afetam a condutividade são, principalmente: a) a presença dos cátions e ânions em suas concentrações absolutas e relativas; b)a valência dos íons; c) a temperatura da solução durante a medida. 104 qumica_ambiental.indb 104 01/03/12 16:41 Química Ambiental Sólidos totais Analiticamente, a concentração total de sólidos (sólidos totais) numa água é definida como a matéria que permanece como resíduo após evaporação de 103 a 105 ºC. Os sólidos totais podem ser divididos em sólidos em suspensão e sólidos filtráveis. Usualmente, o filtro é escolhido de tal forma que o diâmetro mínimo dos sólidos em suspensão é cerca de 1 (um) mícron (μ). A fração dos sólidos em suspensão inclui os sólidos sedimentáveis que decantam após um período de 60 minutos. A fração dos sólidos filtráveis é constituída por sólidos coloidais e dissolvidos. Os sólidos coloidais incluem as partículas, com um diâmetro aproximado compreendido entre 1 (um) milimicron e 1 (um) mícron. Os sólidos dissolvidos incluem moléculas orgânicas e inorgânicas que estão em solução na água. Cada uma dessas categorias pode, ainda, ser classificada de acordo com a sua volatibilidade, isso a 600ºC. Essa classificação destina‑se a averiguar as parcelas orgânicas e inorgânicas dos sólidos totais. À temperatura de 600ºC, a parte orgânica dos sólidos volatiliza e a parte inorgânica permanece sob a forma de cinzas. Assim, são definidos os sólidos totais dissolvidos e os sólidos totais em suspensão como sendo, respectivamente, a parcela orgânica e inorgânica dos sólidos totais (FONSECA, 2007). O excesso de sólidos dissolvidos na água pode causar alterações de sabor e problemas de corrosão. Já os sólidos em suspensão provocam a turbidez da água, danificando‑a esteticamente, impedindo a penetração da luz e promovendo obstrução dos estômatos, prejudicando, assim, a atividade fotossintética (LAURENTI, 1997). Temperatura A temperatura apresenta intensidade de calor de determinada solução (SPERLING, 1996). Segundo Von Sperling (1996), temperaturas elevadas aumentam as taxas de reações químicas e biológicas de transferência dos gases. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 105 105 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Até aqui, você conheceu as características físicas as quais auxiliam a identificar o nível de poluição da água. A partir de agora, você vai conhecer outro grupo parâmetro de qualidade da água: as características químicas. Características químicas As características químicas são: dureza, pH, acidez e alcalinidade, demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), oxigênio dissolvido (OD), ferro e manganês. A seguir, será apresentada cada uma dessas tão importantes e fundamentais características da água, as quais ocorrem em função da presença de substâncias dissolvidas, geralmente mensuráveis somente por meios analíticos. Dureza Em geral, uma característica das águas duras é que exigem muita quantidade de sabão para produzir espuma ou que dão origem a incrustações nas tubulações de água quente ou em outros equipamentos, nos quais a temperatura da água é elevada. Forma‑se o que se designa em linguagem corrente a “pedra das panelas”. A dureza das águas naturais varia consideravelmente de lugar para lugar, sendo em geral a dureza das águas superficiais menor do que a das águas subterrâneas. A dureza de uma água reflete a natureza das formações geológicas com as quais ela esteve em contato. A dureza (em geral expressa em mg/L de carbonato de cálcio ‑ CaCO3) de uma água é devida à presença de cátions metálicos bivalentes, principalmente cálcio (Ca 2+) e magnésio (Mg2+). Uma água dura é, portanto, aquela que contém grande quantidade de cálcio e magnésio. Esses íons metálicos bivalentes estão, em geral, associados com os ânions bicarbonato (HCO3‑), sulfato (S042‑), cloreto (Cl‑) e nitrato (NO3‑) (FONSECA, 2007). Os inconvenientes gerados pela dureza da água é a diminuição no poder emulsionante dos sabões e incrustações em tubulações (LAURENTI, 1997). 106 qumica_ambiental.indb 106 01/03/12 16:41 Química Ambiental pH O pH é uma característica importante de ser observada em água, pois será um indicativo de substâncias dissolvidas, podendo provocar corrosão, incrustações, toxicidade entre outras nas águas. O pH representa a concentração de íons, hidrogênio (H), dando uma indicação sobre a condição de acidez, neutralidade ou alcalinidade da água, sendo a faixa de pH de 0 a 14. A fonte de variação desse parâmetro são os sólidos e gases dissolvidos (FONSECA, 2007). A origem natural é da dissolução de rochas, adsorção de gases da atmosfera, oxidação da matéria orgânica e a fotossíntese. Como origem antropogênica, têm‑se os despejos domésticos (oxidação de matéria orgânica) e industriais (lavagem ácida de tanques) (FONSECA, 2007). É de fundamental importância para diversas etapas do tratamento de água, quer seja potável ou residual. Além disso, podem provocar corrosão (pH baixo) ou incrustação (pH alto) nas tubulações, além de afetar a vida aquática e o tratamento biológico de esgoto (FONSECA, 2007). Do ponto de vista ambiental, é um parâmetro que determina o desenvolvimento aquático da flora e da fauna (o pH ideal situa‑se entre 6 a 9); interfere na estabilidade e solubilidade de metais, tornando‑os mais ou menos disponíveis à assimilação pelas plantas e animais (a toxicidade dos metais está ligada às formas química e física com as quais encontram‑se na natureza) etc. (LAURENTI, 1997). Acidez e alcalinidade Uma solução pode ser considerada ácida, neutra ou alcalina. As soluções que apresentam pH menor que 7 são as soluções ácidas, com pH igual a 7 são neutras e as que apresentam pH maior que 7 são as chamadas de alcalinas ou soluções básicas (LAURENTI, 1997). Unidade 3 qumica_ambiental.indb 107 107 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A acidez de uma água é, principalmente, em razão da presença de dióxido de carbono (CO2) dissolvido, o qual pode ser proveniente da atmosfera ou da matéria orgânica (animal ou vegetal) com que a água entra em contato (FONSECA, 2007). Uma água ácida afeta a conservação de sistemas de saneamento básico e o funcionamento biológico de estações de tratamento de águas residuais. Assim, quando são utilizados processos de tratamento biológico há necessidade de manter os valores do pH entre 6 a 9,5. Além disso, uma água ácida ataca, por corrosão, as canalizações e os reservatórios (FONSECA, 2007). A alcalinidade de uma água é definida como sendo a sua capacidade de neutralizar ácidos. A alcalinidade das águas naturais se deve, principalmente, a sais de ácidos fracos, embora possam contribuir também bases fracas e fortes. Ainda que muitas substâncias possam contribuir para a alcalinidade de uma água, a maior parte dessa característica nas águas naturais é devida aos hidróxidos (OH‑), carbonatos (CO32‑) e bicarbonatos (HCO3‑‑). De todas essas substâncias, as que aparecem em maior quantidade nas águas naturais são os bicarbonatos, que se formam em virtude da passagem de águas contendo anidrido carbônico (águas ácidas) pelos calcários. Tal como a acidez, também a alcalinidade é pouco importante, sob o ponto de vista da saúde pública. No entanto, as águas alcalinas, principalmente as que possuem hidróxidos, são desagradáveis ao paladar e, por isso, pouco apreciadas pelo homem (FONSECA, 2007). Ferro e manganês A água em ambientes com pouco ou sem oxigênio ocasiona a liberação do ferro e do manganês a partir, por exemplo, do sedimento do fundo de rios ou lagos. O ferro, com certa frequência, associado ao manganês, confere à água sabor, ou melhor, sensação de adstringência e coloração avermelhada, decorrente de sua precipitação (BRAGA et al, 2007). 108 qumica_ambiental.indb 108 01/03/12 16:41 Química Ambiental É importante destacar, também, que esses metais, mesmo em baixas concentrações, podem causar mancha nos aparelhos sanitários e cor amarronzada à roupa após lavagens (FONSECA, 2007). Oxigênio dissolvido (OD) Esse elemento é de importância vital para os seres aquáticos aeróbios. A introdução de oxigênio dissolvido numa água pode se dar por meio do ar atmosférico, do fenômeno de fotossíntese e da ação de aeradores ou insufladores de ar. A variação do teor de oxigênio na água ocorre principalmente com a temperatura e a altitude. As reduções nas concentrações de oxigênio nos corpos d’água são provocadas, principalmente, por despejos de origem orgânica. O teor de oxigênio dissolvido é um indicador das condições de poluição por matéria orgânica. Assim, uma água não poluída (por matéria orgânica) deve estar saturada de oxigênio. Por outro lado, teores baixos de oxigênio dissolvido podem indicar que houve uma intensa atividade bacteriana decompondo matéria orgânica lançada na água e consumindo o oxigênio dissolvido. A ausência completa de oxigênio num corpo d’água pode dar origem à formação de gases como sulfídrico (H2S, mercaptanas, etc.), além, evidentemente, de não permitir a vida a nenhum ser aeróbio (FONSECA, 2007). Demanda bioquímica de oxigênio (DBO5) A DBO5, como é conhecida, pode ser entendida como a quantidade de oxigênio necessária para a oxidação da matéria orgânica, pela ação de bactérias. Por outro lado, a oxidação é um processo de transformação da matéria orgânica por meio de microorganismos em substâncias mais simples, tais como amônia (NH3), dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e sais minerais. A DBO5 é um teste padrão, realizado a uma temperatura constante de (20°C) e durante um período de incubação também fixo (cinco dias). Portanto, a DBO é um parâmetro que indica Unidade 3 qumica_ambiental.indb 109 109 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina a quantidade de oxigênio necessária, em um meio aquático, à respiração de micro-organismos aeróbios, para consumirem a matéria orgânica introduzida na forma de esgotos ou de outros resíduos orgânicos. É uma medida que procura retratar em laboratório o fenômeno realizado no corpo d’água. Quanto a sua determinação, devem ser levados em consideração certos cuidados devido a possíveis interferências na ação bacteriana, já que as bactérias são as principais protagonistas do teste. A determinação da DBO5 em águas contendo metais pesados, por exemplo, levará sempre à obtenção de resultados não condizentes com a realidade, pois muitos metais pesados são tóxicos aos micro-organismos. Os maiores aumentos em termos de DB05, num corpo d’água, são provocados por despejos de origem predominantemente orgânica (FONSECA, 2007). Até aqui, você conheceu as características físicas. Agora você vai conhecer outro grupo de parâmetro de qualidade da água: as características biológicas. Características biológicas As características biológicas da água podem ser determinadas por meio de exames bacteriológicos e hidrobiológicos. O exame hidrobiológico visa a identificar e quantificar as espécies de organismos presentes na água. Em geral, esses organismos são microscópicos e comumente denominados plâncton, destacando‑se os seguintes grupos: algas, protozoários, bactérias, rotíferos, crustáceos, vermes e larvas de insetos. Quando feitos regularmente, esses exames constituem elemento auxiliar na interpretação de outras análises, principalmente no que se refere à poluição das águas. Além disso, esses exames possibilitam a adoção de medidas de controle para prevenir o desenvolvimento de organismos indesejáveis sob o ponto de vista do tratamento de água (DI BERNADO et al, 2002). 110 qumica_ambiental.indb 110 01/03/12 16:41 Química Ambiental Os coliformes têm sido utilizados como indicadores de poluição recente de fezes e, eventualmente, de contaminação. Entretanto, pode não haver a relação dos coliformes com organismos patogênicos, pois a presença desses pressupõe a existência de um portador na população contribuinte, enquanto o número de coliformes totais ou fecais depende de um despejo orgânico, não estéril, estranho ao corpo receptor. É fácil entender, porém, que há certa correlação entre o número de coliformes e os organismos patogênicos, correlação essa baseada na probabilidade de que, quanto maior o número de coliformes maior o número de organismos patogênicos (DI BERNARDI, 1993). Quando os coliformes totais ou fecais forem detectados nas águas destinadas ao consumo humano, devem ser tomados cuidados especiais com a escolha da tecnologia de tratamento, por haver relação íntima entre turbidez e número de coliformes nos efluentes de filtros rápidos. Em geral, quanto menor a turbidez da água filtrada, menor o número de coliformes, o que contribui para melhorar a eficiência da desinfecção (DI BERNADO et al, 2002). Seção 4 – Comportamento ambiental dos lagos Durante determinadas épocas do ano, os lagos apresentam uma clara distinção entre as temperaturas das camadas superficiais e das profundas e, por consequência, apresentam diferença entre a densidade dessas duas camadas. Esse fenômeno é denominado estratificação térmica. E como ocorre a estratificação térmica? Unidade 3 qumica_ambiental.indb 111 111 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A radiação solar, ao penetrar na água, sofre um decaimento exponencial, e a faixa do espectro solar que corresponde às ondas longas, ou seja, à parcela de radiação infravermelha responsável pela transmissão de calor, é absorvida quase totalmente logo abaixo da superfície, estando praticamente extinta a um metro de profundidade. Essa rápida absorção resulta em uma significativa diferença de temperatura entre a superfície e o fundo dos lagos. O perfil vertical de temperatura tende a adquirir a forma mostrada na figura 3.2, e o lago tende a dividir‑se em três camadas distintas de temperaturas. Cria‑se uma situação de estabilidade, na qual existe uma camada superior (epilímnio), mais quente e menos densa, uma camada intermediária (metalímnio) e uma camada inferior, mais fria e mais densa (hipolímnio). Figura 3.2 ‑ Processo de produção e consumo de oxigênio em um lago estratificado Fonte: Braga et.al (2007, p. 95). A camada superior, chamada de epilímnio, é mais quente, mais turbulenta e com temperatura aproximadamente uniforme. O hipolímnio é a camada inferior que fica junto ao fundo do lago, mais fria e com baixos níveis de turbulência. O nome da camada intermediaria é metalímnio, e denomina‑se termoclima o plano imaginário que passa pelo ponto de máximo gradiente no perfil vertical de temperatura, como pode ser verificado na figura 3.2. 112 qumica_ambiental.indb 112 01/03/12 16:41 Química Ambiental A estratificação dos lagos ocorre em razão das diferenças de densidade entre as camadas de água, gerando uma estabilidade que somente poderá ser rompida por forças externas que, atuando sobre a massa líquida, conseguem fornecer energia suficiente para provocar a mistura. A estratificação térmica é a forma mais comum de influência sobre a densidade, como vimos anteriormente. No entanto, podem ocorrer casos em que essa diferença de densidade é gerada por variação na concentração de sais nas diversas camadas, denominada de estratificação química, como ocorre em lagos salinos, estuários e regiões oceânicas. São raros os lagos que permanecem estratificados o ano todo. No outono, a temperatura da superfície cai e iguala‑se à temperatura do fundo, muitas vezes com a ajuda do vento, misturando as camadas superiores e inferiores. Os principais fatores que interferem nos processos de mistura em reservatórios e lagos e, portanto, na formação da estabilidade e duração da estratificação térmica são: 1. transferência de calor pela interface ar‑água; 2.mistura gerada pela movimentação das vazões de entrada e saída; e 3.mistura provocada pela turbulência induzida pelo vento. A estratificação térmica em reservatórios é importante, pois a temperatura afeta todos os processos químicos e biológicos que ocorrem no lago. A estabilidade induzida pela estratificação inibe os processos de transporte de calor e massa no reservatório, causando, assim, problemas relativos à qualidade da água. Em um reservatório estratificado, o local de produção do oxigênio é o epilímnio, junto à superfície e praticamente coincidindo com a zona de luz. O local de consumo para a decomposição da matéria orgânica é basicamente a região do fundo, o hipolímnio. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 113 113 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A termoclina, além de dificultar a passagem do calor da superfície para o fundo dos corpos de água, dificulta também a passagem do oxigênio dissolvido. Essa passagem dá‑se apenas por meio da difusão molecular, o que significa taxas muito baixas de reposição para um grande consumo representado pela decomposição. Quando acontece a estratificação, a concentração de oxigênio no hipolímnio diminui. À medida que se aproxima de zero, profundas transformações químicas passam a ocorrer em consequência da passagem de um ambiente oxidante para um ambiente redutor. A água do hipolímnio anóxico (sem oxigênio) apresenta baixo potencial de redução, levando à liberação do ferro e do manganês a partir do sedimento do fundo e a concentração crescente de fosfato, amônia, silicatos, carbonatos, íons de cálcio e gás sulfídrico. No epilímnio, o fitoplâncton utiliza o CO2 no processo de fotossíntese, em parte retirado da solução em equilíbrio de bicarbonato de cálcio, o que induz a precipitação de carbonato de cálcio. Assim, verifica‑se uma menor alcalinidade no período de estratificação no epilímnio pela diminuição dos bicarbonatos e precipitação do carbonato. No hipolímnio, altos níveis de dióxido de carbono produzidos pelo processo de respiração resultam em grandes quantidades de bicarbonato de cálcio e ácido carbônico em solução. Como ocorre o processo de eutrofização? A eutrofização é o enriquecimento das águas com os nutrientes necessários ao crescimento da vida vegetal aquática. Isso pode ser um processo natural dentro da sucessão ecológica dos ecossistemas ou um efeito antrópico. No processo natural, os organismos fotossintetizantes aquáticos dependem da disponibilidade de diversos nutrientes para seu crescimento e proliferação. Dentre os que são utilizados em maior quantidade estão o oxigênio, o carbono, o nitrogênio e o fósforo. Sendo ainda necessários carbono, enxofre, potássio, cálcio e outros. 114 qumica_ambiental.indb 114 01/03/12 16:41 Química Ambiental O crescimento pode ser limitado pela insuficiência de qualquer um desses elementos. Na maioria dos ecossistemas aquáticos, o fósforo é o nutriente limitante. Quanto ao nitrogênio, apesar de a maior parte dos seres fotossintetizantes aquáticos necessitarem desse elemento sob forma de nitrato dissolvido na água, na escassez, há seres fotossintetizantes que o utilizam na forma gasosa. A única fonte natural de fósforo vem do desgaste de rochas que contêm fosfato, provocado pelas intempéries naturais. O fósforo chega aos corpos de água transportado pelo escoamento superficial e circula na cadeia alimentar por meio da reciclagem de matéria feita pelos decompositores. A eutrofização é, portanto, um processo natural de maturação de um ecossistema lacustre e manifesta‑se por meio do aumento da produtividade biológica do lago, sendo observada a proliferação de algas e outros vegetais aquáticos por causa da maior quantidade de nutrientes disponível. Os nutrientes mais importantes para a ocorrência da eutrofização são, em geral, o fósforo e/ou o nitrogênio. De acordo com a produtividade biológica, podemos classificar os lagos em: oligotróficos ‑ lagos com baixa produtividade biológica e baixa concentração de nutrientes; eutróficos ‑ lagos com produção vegetal excessiva e alta concentração de nutrientes; mesotróficos ‑ lagos com características intermediárias entre oligotrófico e eutrófico. A eutrofização natural é um processo bastante demorado, associado ao tempo de evolução dos ecossistemas. No entanto, esse processo vem se acelerando pela intervenção humana em lagos cujas bacias sofrem a ocupação de atividades industriais, agrícolas ou zonas urbanas. A eutrofização associada à intervenção humana é chamada de eutrofização cultural ou acelerada. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 115 115 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A eutrofização acelerada causa inúmeros efeitos negativos por impedir que as alterações morfológicas acompanhem seu ritmo, como ocorre no processo natural. Há predominância da fertilização das águas, com a proliferação excessiva dos vegetais aquáticos. As principais causas da eutrofização acelerada é a disponibilidade de fósforo, que provém, principalmente, das seguintes fontes: esgotos domésticos; esgotos industriais; fertilizantes agrícolas. Outros fatores que interferem na ocorrência da eutrofização são a radiação solar e a temperatura. Os lagos em regiões tropicais possuem uma tendência maior à eutrofização por se localizarem em regiões quentes e com grande incidência de radiação solar, praticamente constante ao longo do ano. Com relação às características morfológicas do lago, estarão mais sujeitos à eutrofização aqueles que possuem menor profundidade, por permitirem maior influência da radiação solar, aqueles que dispõem de maior zona litorânea, e aqueles de maior tempo de resistência, que possuem um fluxo de água mais lento, favorecendo o crescimento das algas. A principal consequência da eutrofização acelerada é que a quantidade de matéria orgânica a ser decomposta é tão grande que os peixes passam a competir com os decompositores pelo oxigênio disponível. Disso resulta a morte de peixes e a sobrevivência das espécies menos exigentes. Com o agravamento do processo, essas espécies desaparecem, pois haverá oxigênio disponível apenas em uma estreita camada superficial, totalmente tomada pelas algas. Na fase final de eutrofização, a camada inferior do lago passa a ser permanentemente anóxica. A quantidade de matéria orgânica a ser decomposta é tão grande que consome todo o oxigênio disponível. Isso facilita a recirculação do fósforo, pois, na ausência de oxigênio, em ambiente redutor, o fósforo passa à forma de Fe(PO4)2, que é solúvel na água, ficando disponível para 116 qumica_ambiental.indb 116 01/03/12 16:41 Química Ambiental ser utilizado no processo fotossintético. Na presença de oxigênio, o fósforo apresenta‑se na forma FePO4, que é insolúvel na água e, portanto, fica depositado no fundo. Nesta seção, você estudou a eutrofização, processo que pode ocorrer de forma natural ou acelerada, devido à interferência do homem, mas que é dependente da presença de nutrientes para o desenvolvimento de vegetais aquáticos. Na próxima seção, serão abordadas questões relacionadas com as fontes de poluição. Seção 5 – As principais fontes de poluição As principais fontes de poluição têm origem nas atividades humanas, em particular nas indústrias. Segundo Macêdo (2002), as matérias utilizadas nas atividades humanas, seja no dia a dia ou nas operações industriais, geram resíduos e esses, em geral, tem três caminhos: 1. lançamento na atmosfera; 2.lançamento na massa líquida mais próxima; 3.depósito em determinada área, um aterro sanitário ou industrial. Os poluentes da água são classificados de acordo com sua natureza e com os impactos causados pelo seu lançamento no meio aquático. Assim, tem‑se: poluentes orgânicos biodegradáveis, poluentes orgânicos recalcitrantes ou rafratários, metais, nutrientes, organismos patogênicos, sólidos em suspensão, calor e radioatividade. Conheça, a seguir, cada um desses poluentes. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 117 117 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Poluentes orgânicos biodegradáveis Um poluente orgânico biodegradável lançado na água será degradado pelos organismos decompositores presentes no meio aquático. Existem duas maneiras de esses compostos serem degradados: Na presença de oxigênio, ou seja, quando houver oxigênio dissolvido no meio aquático. A decomposição será feita por bactérias aeróbicas, que vão consumir o oxigênio dissolvido existente na água. Situações como a que mostra a figura 3.3, podem ocorrer caso o consumo de oxigênio for mais intenso do que a capacidade do meio de repô‑lo; haverá seu esgotamento e a inviabilidade da existência da vida para peixes e outros organismos que dependem de oxigênio para respirar. Figura 3.3 ‑ Peixes mortos, um dos parâmetros analisado e ausente foi o oxigênio dissolvido Fonte: Elaboração da autora. Na ausência de oxigênio, ou seja, se não houver oxigênio dissolvido no meio, ocorrerá a decomposição anaeróbica, com a formação de gases, como o metano (CH4) e o gás sulfídrico (H2S). Poluentes orgânicos recalcitrantes ou refratários Existem compostos orgânicos que apresentam uma taxa de biodegradação lenta, os quais recebem a denominação de orgânico recalcitrante ou refratário. 118 qumica_ambiental.indb 118 01/03/12 16:41 Química Ambiental Considere que a digestão de um composto depende da existência de microrganismos capazes de digeri‑lo e da capacidade dos materiais em fornecer energia para o micro-organismo. O principal impacto da introdução desses compostos orgânicos na natureza está associada à sua toxicidade e não ao consumo de oxigênio utilizado para sua decomposição. Existem três grupos de compostos químicos que apresentam as características recalcitrantes, que são: defensivos agrícolas, detergentes sintéticos e petróleo. Defensivos agrícolas ‑ parte desses compostos que foram aplicados na agricultura atinge os rios, lagos, aquíferos e oceanos por meio de transporte por correntes atmosféricas, carreamento do material aplicado no solo por ação de chuvas Em menor importância, há o despejo de resto de soluções e da lavagem de recipientes e acessórios usados durante a aplicação. Detergentes sintéticos ‑ esses produtos têm efeito prejudicial principalmente em rios e lagos e menos em oceanos. Eles são em geral mais tóxicos para os peixes do que para o homem. Muitos micro-organismos que atuam na biodegradação da matéria orgânica são afetados pelos detergentes sintéticos, impedido que desempenhem seu papel. Outro problema é a presença de detergente na interface ar/água, que afeta a troca de gases entre os dois meios, podendo gerar espuma abundante, como pode ser verificado nas figuras 3.4 e 3.5. Essa espuma, por ser muito leve, é facilmente espalhada no ambiente, aumentando a área afetada pelo poluente e ainda podendo carregar outros tantos poluentes. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 119 119 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 3.4 ‑ Rio Tiête (Jun, 2004) Fonte: Disponível em <http://www.datambiental.blogger.com.br/2004_06_20_archive.html>. Figura 3.5 ‑ Rio Tiête na cidade de Pirapora de Bom Jesus (Jun, 2004) Fonte: Disponível em <www.espardo.blogger.com.br/pirapora1.jpg>. Petróleo ‑ as substâncias que compõem o petróleo apresentam diferentes taxas de biodegradação. O petróleo e derivados podem acidentalmente atingir corpos de água, formando uma película na superfície, o que dificulta as trocas gasosas entre ar e água, a cobertura superficial de plantas e animais e ainda são tóxicos a muitas espécies animais e vegetais. 120 qumica_ambiental.indb 120 01/03/12 16:41 Química Ambiental Figura 3.6 ‑ Derrame de Petróleo na Baía de Mombasa em 1998. Fonte: Disponível em <http://www.radiomundoreal.fm/rmr/?q=pt/taxonomy/term/155/all&page=6>. Metais Os metais são poluentes das águas, isso porque todos os sais metálicos podem ser solubilizados pela água, e dependendo da quantidade ingerida podem gerar danos à saúde, devido a não existência de função fisiológica, ou a sua toxicidade, sendo que alguns possuem potenciais carcinogênicos, mutagênicos ou teratogênicos. São exemplos de metais tóxicos: arsênico, bário, cádmio, cromo, chumbo e mercúrio. Um organismo aquático pode apresentar dois tipos de comportamento em relação aos metais: 1. é sensível à ação tóxica de um determinado metal; ou, 2.não é sensível, mas o bioacumula, potencializando seu efeito nocivo ao longo da cadeia alimentar, colocando em risco organismos situados no topo dessa cadeia. Como exemplo de problema relacionado com metais, destaca‑se o mal de Minamata, detectado em 1953 na Baía de Minamata, Japão. Houve acúmulo de compostos organomercuriais no sistema nervoso humano, principalmente no cérebro e na medula. A presença de metilmercúrio nas águas, com o lançamento de efluentes industriais, atingiu a população local, que consumiu peixes, causando grande número de mortes e deformações genéticas. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 121 Bioacumulação é o processo por meio do qual os contaminantes são transferidos de um nível trófico a outro. 121 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Em geral, metais tóxicos estão presentes em quantidades diminutas no meio aquático por ação de fenômenos naturais, mas podem ser despejados em quantidades significativas por atividades industriais, agrícolas e de mineração. Deve‑se ter muita atenção quanto à detecção de metais, por exemplo, quando o pH da água está alcalino, os metais se depositam no fundo dos corpos de água. Mas o contrário é verdadeiro em águas ácidas, principalmente as deficientes em oxigênio dissolvido, que favorecem reações com os metais depositados nos sedimentos, solubilizando‑os na água. Outro problema associado à presença dos metais é que, mesmo em concentrações diminutas, eles podem gerar danos importantes aos organismos aquáticos ou ao homem. Em muitos casos, tais concentrações são inferiores à capacidade de detecção dos equipamentos utilizados nos laboratório encarregados do monitoramento da qualidade das águas. Exemplos de metais de menor toxidade e dependentes da concentração são o cálcio, magnésio, alumínio, cobre e zinco. Alguns deles podem produzir cor, odor e sabor em águas, sendo, portanto, não apropriados para o consumo doméstico de água. Os nutrientes da água De acordo com o já abordado no processo de eutrofização, o excesso de nutrientes (carbono, oxigênio, enxofre, potássio, cálcio, nitrogênio, fósforo) nos corpos de água pode levar ao crescimento excessivo de alguns organismos aquáticos, acarretando prejuízo a determinados usos dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Os compostos de nitrogênio e o fósforo (sais) são comumente responsáveis pela proliferação acentuada de algas, as quais podem prejudicar a utilização de mananciais de água potável. 122 qumica_ambiental.indb 122 01/03/12 16:41 Química Ambiental Os nutrientes chegam aos corpos de água por meio de erosão de solos, pela fertilização artificial dos campos agrícolas, despejo de detergentes ou pela própria decomposição natural da matéria orgânica biodegradável existente no solo e na água. Organismos patogênicos na água Embora se conheça que há muito tempo a água é uma das responsáveis pela transmissão de um grande número de doenças, as denominadas doenças de vinculação hídrica, é ainda enorme o número de pessoas por elas afetadas, principalmente nas regiões menos desenvolvidas, onde o saneamento básico é precário ou mesmo inexistente. As doenças de vinculação hídrica podem causar incapacitação temporária ou mesmo a morte, sendo responsáveis por boa parte da ocupação de leitos hospitalares e pela diminuição da qualidade de vida das pessoas, sendo um problema infelizmente encontrado no Brasil, de norte a sul, de leste a oeste. As principais classes de organismos patogênicos e algumas doenças transmitidas pela água e pelo esgoto ao homem são os seguintes: bactérias ‑ responsáveis pela transmissão de doenças, como a leptospirose, a febre tifóide, a febre paratifóide, o cólera etc.; vírus ‑ responsáveis pela transmissão de doenças, como a hepatite infecciosa e a poliomielite; protozoários ‑ responsáveis pela transmissão de doenças, como a amebíase e a giardíase; helmintos ‑ responsáveis pela transmissão de doenças, como a esquistossomose e a ascaridíase. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 123 123 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Sólidos em suspensão Os sólidos em suspensão aumentam a turbidez da água, isto é, diminuem sua transparência. O aumento da turbidez reduz as taxas de fotossíntese e prejudica a procura de alimento para algumas espécies, levando a desequilíbrios na cadeia alimentar. Você pode retornar à Seção 3 desta unidade para rever os parâmetros indicativos de poluição das águas e o tópico referente aos sólidos totais. Os sólidos em suspensão podem carregar pesticidas e outros tóxicos na água. Além disso, sua deposição no fundo de rios e lagos prejudica as espécies bentônicas e a reprodução de peixes. Calor O calor é um poluente da água devido aos impactos causados pelo lançamento de águas em elevada temperatura no meio aquático. Como foi abordado nesta unidade, sobre os indicativos de poluição das águas, a temperatura da água afeta as características físicas, químicas e biológicas do meio aquático, como a densidade da água, a solubilidade de gases, a taxa de sedimentação de fitoplâncton, a tensão superficial, as reações químicas e o metabolismo dos organismos aquáticos. Um aumento de temperatura pode causar migração intensa de peixes para regiões mais amenas, nas quais a concentração de oxigênio dissolvido é maior, ou bloquear a passagem de peixes migratórios em decorrência da presença de uma barreira de calor com menor concentração de oxigênio dissolvido. Sempre que há elevadas temperaturas, há também baixa quantidade de oxigênio dissolvido. Efluentes aquecidos são gerados principalmente por usinas termoelétricas, independentemente do tipo de combustível utilizado, seja ele de origem fóssil ou nuclear. 124 qumica_ambiental.indb 124 01/03/12 16:41 Química Ambiental Radioatividade A radioatividade existe naturalmente no meio ambiente pela presença de substâncias radioativas e de radiação que vem do espaço. Existem alguns minerais que apresentam elementos químicos radioativos, dos quais podemos citar como exemplo, o Columbita [(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6, Monazita [(Ce, La, Nd, Th)PO4], Tantalita [(Fe, Mn)Ta2O6], Torianita [ThO2] e Uraninita [UO2] (firura). Figura 3.7 ‑ Rocha de Uraninita, UO2 Fonte: Disponível em <http://es.geocities.com/minerohobby/radioactius.html>. Parte desses minerais atinge os corpos de água superficiais e subterrâneos, penetrando nas cadeias alimentares, podendo ser ou não bioacumulada. Desse modo, os organismos podem entrar em contato com materiais radioativos por meio do ar, da água, do solo ou de alimentos. A radioatividade da maioria das águas naturais está bem abaixo das concentrações máximas permissíveis. Todavia, o uso da radioatividade pelo homem – seja para fins bélicos, energéticos, de pesquisa, médicos ou de conservação de alimentos – tem liberado maiores quantidades de substâncias radioativas para o meio ambiente. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 125 125 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Outro aspecto importante a considerar é o fato de a radioatividade afetar o homem e outros organismos de diversas maneiras. Uma exposição aguda a ela pode levar à morte ou, então, causar danos à saúde. Uma exposição crônica pode provocar o aparecimento de várias doenças, como o câncer. Além disso, a radioatividade pode afetar as células envolvidas na reprodução dos indivíduos, com graves danos para as gerações futuras. Vale relembrar o acidente ocorrido em Goiânia, o qual completou 20 anos em 2007 e que marcou a história da cidade e do Brasil. Veja o site http://g1.globo.com/ Noticias/SaoPaulo/0,,MUL102767‑5605,00.html Conhecer os parâmetros de qualidade da água, as principais fontes poluidoras e seus efeitos (como por exemplo, as doenças de vinculação), auxiliam na prevenção e controle da qualidade da água, tendo em mente o direito do ser humano de viver em um ambiente saudável e adequado ao desenvolvimento econômico e social. Tudo isso ajuda a evitar e/ou minimizar o dano ambiental, embora seja necessário manter‑se informado sobre os riscos em relação à saúde. 126 qumica_ambiental.indb 126 01/03/12 16:41 Química Ambiental Síntese Nesta unidade, você estudou a disponibilidade da água (doce e salgada) na natureza e suas características, conheceu os parâmetros da qualidade da água e os indicativos de sua poluição. Esses parâmetros indicadores de qualidade podem ser divididos conforme suas características (físicas, químicas e microbiológicas). Além disso, nesta unidade, foi abordado o comportamento ambiental dos lagos e o processo de eutrofização natural e acentuado. Foi possível, ainda, conhecer as principais fontes de poluição; que elas têm origem em atividades humanas e que atingem o meio ambiente por três caminhos: os lançamentos na atmosfera; os lançamentos nas águas mais próximas e os depositados em determinadas áreas, por exemplo, um aterro sanitário ou industrial. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 127 127 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Atividades de autoavaliação Ao final de cada unidade, você realizará atividades de autoavaliação. O gabarito está disponível no final do livro didático. Mas, esforce‑se para resolver as atividades sem ajuda do gabarito, pois assim você estará promovendo (estimulando) a sua aprendizagem. 1) Comente todos os parâmetros indicadores de qualidade da água. 2) Do total da água existente no planeta, 97,0% correspondem à salgada e 3,0% correspondem à água doce. Mas apenas 0,5% da doce é a parcela disponível para consumo humano. Explique e justifique por que a água salgada não é normalmente utilizada para consumo humano e é tão reduzida a porcentagem de água doce utilizada para consumo. 3) Pesquise as fontes de exposição e as consequências de intoxicação no organismo humano pelas substâncias: (a) Chumbo – Pb, (b) Mercúrio – Hg, (c) Cádmio –Cd, (d) acetileno ‑ HC=CH e (e) metanol – CH3OH. 128 qumica_ambiental.indb 128 01/03/12 16:41 Química Ambiental Saiba mais Se você desejar, aprofunde os conteúdos estudados nesta unidade consultando as seguintes referências: BRAGA, Benedito et al. Introdução à engenharia ambiental. 2ª edição, São Paulo: Person Prentice Hall, 2005. MACÊDO, Jorge Antônio Barros de. Introdução à química ambiental. 1ª ed Juiz de Fora: Crq‑mg, 2002. 487 p. Acessado em: 07 jun. 2008. BERNARDO, Luiz Di; BERNARDO, Angela Di; CENTURIONE FILHO, Paulo Luiz. Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. São Carlos ‑ Sp: Rima, 2002. 237 p. LAURENTI, Ariane. Qualidade da água I. Florianópolis: Imprensa Universitária ‑ UFSC, 1997. Unidade 3 qumica_ambiental.indb 129 129 01/03/12 16:41 qumica_ambiental.indb 130 01/03/12 16:41 UNIDADE 4 O meio terrestre Objetivos de aprendizagem Compreender o conceito, a composição e a formação química dos solos. 4 Conhecer características ecologicamente importantes dos solos. Conhecer o processo de erosão. Identificar e compreender a poluição do solo rural. Identificar e compreender a poluição do solo urbano. Seções de estudo Seção 1 Propriedades e características do solo Seção 2 Poluição do solo rural Seção 3 Poluição do solo urbano qumica_ambiental.indb 131 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo A utilização do solo ocorre desde os primórdios da história da humanidade. Os homens alimentavam‑se da flora e da fauna disponíveis e transportavam‑se de um lugar para outro utilizando o solo como suporte. Com o passar do tempo, o homem passou a semear e a desenvolver alimentos, surgindo a agricultura. Em busca de melhores condições para o cultivo, o homem deixa de ser nômade, para se alojar em um determinado local. O uso do solo cultivado pelo homem foi se expandindo com o crescimento populacional e facilitado pelo uso de utensílios para seu manejo, tanto pelo homem como por animais domesticados. O desenvolvimento busca formas de energia (fogo e queimada), criando, como consequência, problemas de fertilidade do solo de modo que a produtividade natural dos solos foi se reduzindo. Para algumas grandes civilizações que dependiam das facilidades e características locais (alimentação, abrigo, vias etc.) para viver, essa perda de fertilidade e produtividade do solo foi fatal. Sendo que muitos povos e culturas sumiram sem deixar vestígios e outrostantos deixaram apenas a memória de suas culturas. Mais recentemente, a explosão demográfica e produtiva que a Revolução Industrial deflagrou mudou a escala do problema da poluição do solo. De um problema local, de processo de degradação, perda de fertilidade e subsequente desertificação, transformaram‑se em problema global. Devido a esses acontecimentos e à dificuldades sociais, econômicas e políticas vividas pela humanidade é que atualmente cultiva‑se a fome, em todos os continentes. A humanidade parece estar disposta a mudar essa realidade, e o princípio parece que é se preocupando em preservar o solo como fonte de seu sustento. É sob a perspectiva de componente de um ecossistema e de um problema de amplo interesse que devem ser entendidos os conceitos e as propriedades do solo aqui apresentados. O meio terrestre deve ser compreendido como parte do desafio ambiental. 132 qumica_ambiental.indb 132 01/03/12 16:41 Química Ambiental Seção 1 – Propriedades e características do solo Conhecer as propriedades do solo é importante para que a partir desse conhecimento seja possível utilizá‑lo no atendimento às necessidades humanas e, isso, sem degradar o ambiente. Mas afinal, o que é o solo? O solo pode ser representado como um ciclo natural em que participam fragmentos de rocha, minerais, água, ar, seres vivos e seus detritos em decomposição. Esses fragmentos são resultantes de fatores climáticos do decorrer do tempo e da atividade combinada de micro-organismos decompondo restos de animais/ vegetais, respectivamente. O conceito de solo pode ser diferente, de acordo com o objetivo mais imediato de sua utilização. Para o agricultor e o agrônomo, por exemplo, esse conceito destacará suas características de suporte da produção agrícola. Já para o engenheiro civil, o solo é importante por sua capacidade de suportar cargas ou de se transformar em material de construção. Para o engenheiro de minas, o solo é importante como jazida mineral ou como o material solto que cobre e dificulta a exploração dessa jazida. Para o economista, ele é um fator de produção. Já o ecologista o vê como o componente da biosfera, no qual se dão os processos de produção e decomposição que reciclam a matéria, mantendo o ecossistema em equilíbrio, e assim por diante. Quais os componentes do solo? Em termos médios de ordem de grandeza, os componentes do solo podem ser encontrados na seguinte proporção: 45% de elementos minerais; 25% de ar; 25% de água; 5% de matéria orgânica. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 133 133 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina A proporção de cada um dos componentes pode variar de um solo para outro. Mesmo em um solo de determinado local, as proporções de água e ar variam sazonalmente, com os períodos de maior ou menor precipitação. A partir desses componentes, e por ações físicas, químicas e biológicas, é possível conhecer as fases do solo. Veja a seguir. Fase sólida A matéria sólida mineral é, predominantemente, proveniente de rochas desagregadas no próprio local ou em locais distantes, trazidas pela água e pelo ar. Em proporções menores, essa parte sólida pode provir de cinzas vulcânicas. A desagregação das rochas se dá por ações físicas, químicas e, em menor proporção, biológicas, as quais constituem o que se denomina de intemperismo. As principais ações físicas que provocam a desagregação do solo são a erosão pela água e pelo vento, variações bruscas de temperatura, com formação de tensões residuais nas rochas, e o congelamento de água em fissura, com ação de cunha decorrente de sua dilatação entre 4°C e 0°C etc. As ações químicas mais comuns ocorrem sobre as rochas calcárias atacadas pelas águas que contenham gás carbônico dissolvido (H2CO3), e em situações específicas de poluição atmosférica, que contenham também outros íons ácidos (chuvas ácidas‑H2SO4, H2SO3, HNO3). A parte orgânica é proveniente da queda de folhas, frutos, galhos e ramos, animais, excrementos e outros resíduos, em diferentes estágios de decomposição, em fase sólida ou líquida. Por ação biológica ocorre a biodegradação da matéria orgânica, que resulta o húmus do solo, responsável, em boa parte, pelas suas características agrícolas, disponibilidade de nutrientes e várias de suas propriedades físicas. 134 qumica_ambiental.indb 134 01/03/12 16:41 Química Ambiental Fase líquida A parte líquida é fundamentalmente constituída por água proveniente de precipitações, tais como: chuvas, sereno, neblina, orvalho e degelo de neve e geleiras, que contenham em solução substâncias originalmente presentes nas fases sólida e gasosa. Fase gasosa A parte gasosa é proveniente do ar existente na superfície e, em proporções variáveis, dos gases da biodegradação de matéria orgânica nos quais predomina o dióxido de carbono –(CO2), da biodegradação aeróbia, e outros gases como o metano (CH4) da biodegradação anaeróbia. Qual a formação do solo? A formação dos solos é resultado da ação combinada de cinco fatores: 1. clima (pluviosidade, umidade, temperatura etc.); 2.natureza dos organismos (vegetação, microorganismos decompositores, animais); 3.material de origem; 4.relevo; 5. idade. Os quatro primeiros fatores imprimem, ao longo do tempo (idade), características que definem os estágios de sucessão por meio de sua profundidade, composição e propriedades do que se denomina horizontes do solo. A figura 4.1 esquematiza a forma pela qual ocorre esse processo. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 135 135 01/03/12 16:41 Universidade do Sul de Santa Catarina No solo formado à superfície, começam a se estabelecer os vegetais e os micro-organismos. A lixiviação (transporte por meio da água que infiltra e percola no solo) faz a translocação das frações mais finas do solo (argilas) e a remoção de sais minerais. As frações mais grossas (arenosas) permanecem na parte superior. Em consequência, formam‑se estratos com aparência diferente, constituindo os horizontes. Figura 4.1 ‑ Formação de um solo Fonte: Braga et al (2005, p.127). Esses horizontes geralmente são identificados por letras, de acordo com suas características. Em um perfil hipotético, eles podem se apresentar como os da figura 4.2, nem sempre todos estão presentes e são facilmente identificáveis. Em uma escala de tempo geológico, identificar em um solo o que se denomina de sucessão, ou seja, o conjunto de estágios de equilíbrio pelos quais passa esse ecossistema até atingir o ‘clímax’. Quando o solo atinge o clímax, é que esses horizontes se apresentam de forma mais evidente e são identificáveis em maior número. 136 qumica_ambiental.indb 136 01/03/12 16:42 Química Ambiental Figura 4.2 ‑ Horizontes de um perfil hipotético de solo Fonte: Braga et al (2005, p. 128). De acordo com Malavolta (1976), as principais características que um solo pode conter são as seguintes: Horizonte O – Restos orgânicos com matéria orgânica fresca (O1) ou em decomposição (O2). Em condições de má drenagem é denominado horizonte H. Horizonte A – Resultante do acúmulo de material orgânico misturado com material mineral. Geralmente apresenta coloração mais escura, devido ao material orgânico humificado. Horizonte B – Caracterizado pelo acúmulo de argila, ferro, alumínio e pouca matéria orgânica. É denominado de horizonte de acúmulo ou iluvial. O conjunto de horizontes A e B caracterizam a parte do solo que sofre a influencia das plantas e animais. Horizonte C – Camada de material não consolidado, com pouca influência de organismos, geralmente apresentando composição química, física e mineralógica similar a do material em que se desenvolve o solo. Rocha (R) – Rocha inalterada, que poderá ser, ou não, a rocha matriz a partir da qual o solo se desenvolveu. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 137 137 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Os poros do solo são um grande reservatório de água doce, capazes de assegurar muitas vezes sua disponibilidade, mesmo durante longos períodos de estiagem. Devemos observar que a disponibilidade da água vai depender da profundidade do solo. Nas regiões áridas, em que o intemperismo é menos intenso, os solos tendem a ser menos profundos. Quando ocorre uma precipitação sobre um desses solos, os poros são rapidamente preenchidos por água, ou seja, eles têm seus poros saturados de água. O escoamento na superfície passa a ser o único caminho das águas precipitadas. Como o escoamento é rápido, as águas logo se acumulam em grandes volumes nos fundos dos vales, provocando as grandes enchentes (e/ou inundações). Cessada a chuva, o curso de água passa a ser alimentado apenas pela água acumulada nos poros do solo. A maneira como o solo é explorado deve ser apropriada para cada tipo, respeitando as características dos horizontes. Na agricultura, deve ser levado em consideração o manejo dos solos e, em particular, o uso do arado, respeitando os horizontes. Pois o mau uso do solo acarretará, no futuro, a redução ou eliminação do potencial de produção primária. Para outros usos, como por exemplo, a abertura de rodoviários, os engenheiros devem levar em consideração os horizontes do solo, pois a terraplanagem profunda pode abrir caminho para uma erosão incontrolável das vias implantadas. É importante ainda destacar alguns aspectos que diferenciam os solos de regiões climáticas distintas. Os climas equatoriais e tropicais, por causa da temperatura, umidade e pluviosidade que os caracterizam, favorecem não só o intemperismo acelerado, pois são solos mais profundos e mais ‘velhos’, mas também intensificam a fotossíntese. Em comparação com as áreas de maior latitude e clima temperado, as regiões equatoriais têm uma densidade total de 138 qumica_ambiental.indb 138 01/03/12 16:42 Química Ambiental matéria orgânica similar. A diferença reside na sua distribuição, pois enquanto nas regiões equatoriais a vegetação abundante contém boa parte da matéria orgânica, nas temperadas, grande parte da matéria orgânica está no solo. Consequentemente, é mais provável que os horizontes orgânicos (horizonte A) sejam mais espessos em climas temperados. É, portanto, diverso o impacto ecológico da remoção da cobertura vegetal nativa em uma região tropical e em região temperada. No caso da primeira, o empobrecimento decorrente da exportação da matéria orgânica na forma de vegetação é bem maior. Essa última conclusão obriga a repensar procedimentos agrícolas e extrativos vegetais de outras procedências. Características ecologicamente importantes dos solos Com o desenvolvimento de prática de trabalho ou de observações de estudiosos, é possível analisar as características de um solo. Há certas características que podem ser vistas a olho nu e, frequentemente, são utilizadas para a descrição de sua aparência no ambiente natural. Mas quais são essas características? As principais características são: a cor, textura (ou granulométrica), estrutura, consistência e espessura dos horizontes (essa última já referida anteriormente). Além dessas são também importantes, sob o ponto de vista ecológico, o grau de acidez, a composição e a capacidade de troca de íons. Estude, então, cada uma dessas características. Cor É, com certeza, a característica mais prontamente perceptível. Em termos técnicos, a cor é descrita por comparação com escalas padronizadas. Porém, mesmo sem recorrer a procedimentos padronizados, por simples inspeção, é possível associar algumas propriedades do solo à sua coloração. Os solos escuros, tendendo para o Unidade 4 qumica_ambiental.indb 139 139 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina marrom, por exemplo, quase sempre podem ser associados à presença de matéria orgânica em decomposição em teor elevado; a cor vermelha é indicativa da presença de óxidos de ferro e de solos bem drenados; as tonalidades acinzentadas, mais comumente encontradas junto às baixadas, são indício de solos frequentemente encharcados. (BRAGA et al, 2005). A cor do solo é utilizada popularmente para denominar e identificar os solos, sendo a ‘terra roxa’ e a ‘terra preta’ os dois exemplos mais conhecidos. Textura ou granulométrica Descreve a proporção de partículas de dimensões distintas componentes do solo. Um exame mais atento de um solo mostra que ele é constituído de partículas de tamanhos diversos, frequentemente agrupadas na forma de torrões ou grumos. Tecnicamente, é possível quantificar a granulométrica, passando o solo por um conjunto padronizado de peneiras com malhas de diferentes dimensões e determinando o peso das parcelas retidas em cada uma delas. Esses pesos parciais, acumulados em porcentagens do total, são apresentados na forma de curvas granulométricas. A granulométrica é a base de classificação mais conhecida dos solos (areia, argila etc.) e explica algumas das principais propriedades físicas e químicas do solo. A drenabilibade, a permeabilidade e a aeração de um solo serão mais acentuadas se as dimensões das partículas forem maiores. Já os solos com partículas menores favorecem a resistência à erosão, à retenção de água e nutrientes, pelas propriedades coloidais que lhes estão associadas. 140 qumica_ambiental.indb 140 01/03/12 16:42 Química Ambiental Estrutura É o modo pelo qual as partículas do solo se arranjam em agregados ou torrões. Produtos da decomposição de matéria orgânica, junto a alguns componentes minerais, como o óxido de ferro e frações argilosas, promovem a agregação das partículas. A presença de umidade e ressecamento, com consequente inchamento e encolhimento, acabam por dar origem aos torrões do solo, com tamanhos e formas variados e característicos, os quais podem ser granular (esféricos ou arredondados), angular (com faces planas e dimensões aproximadamente iguais), laminar (faces planas e dimensão horizontal bem maior) e prismático (faces planas e dimensão vertical bem maior). (BRAGA et al, 2005). A estrutura de um solo explica, em boa parte, seu comportamento mecânico (capacidade de suporte de cargas, resistência ao cisalhamento ou escorregamento), conferindo‑lhe o que se denomina consistência, ou seja, a capacidade de resistir a um esforço destinado a rompê‑lo e que podemos avaliar a consistência pressionando os torrões entre os dedos. Os macroporos presentes em um solo determinam se ele será mais ou menos permeável, drenável e aerado. A argila é considerada a parcela ‘ativa’ da fração mineral por sediar os fenômenos de troca de íons determinantes da fertilidade do solo (existência de nutrientes em quantidade adequada) e da boa nutrição vegetal (capacidade de ceder os nutrientes à planta). Por sua vez, as frações minerais mais grossas presentes no solo são também essenciais para assegurar a drenabilidade, a permeabilidade e a aeração indispensáveis para o equilíbrio água‑ar exigido para a realização da fotossíntese (captação dos nutrientes em solução por meio de pressão osmótica nas raízes) e da respiração dos organismos existentes no solo. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 141 141 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina A porção orgânica, em particular sua parcela em decomposição, é importante por dar origem ao húmus. Ao húmus cabe a função de agente granulador (formação de torrões) dos solos produtivos. A matéria orgânica tem a elevadíssima capacidade de reter nutrientes e água, muito superior, a argila, por exemplo, caulinita predominantemente em nossos solos. Pesquisas (Coelho e Verlengua, 1976) estimam que mais de 70% da capacidade de retenção de nutrientes dos solos do Estado de São Paulo seja devido à matéria orgânica. Além disso, a matéria orgânica pode ter um efeito atenuador da nocividade de alguns elementos minerais sobre as plantas, como o alumínio e o manganês, por vezes presentes em teores indesejáveis nos solos tropicais. Os solos desempenham um importante papel nas trocas químicas entre as partículas sólidas e a solução aquosa que as envolve, repelindo ou absorvendo íons e radicais, configurando o que se denomina capacidade de troca iônica do solo. A Capacidade de Troca Catiônica (CTC) ocorre se houver excesso de cargas negativas, o solo é trocador de cátions. Se o excesso for de cargas positivas, mede‑se a sua Capacidade de Troca Aniônica (CTA). (BRAGA et al, 2005). Os solos ricos em matéria orgânica apresentam maior CTC que os solos argilosos, isso devido à presença de grupos carboxílicos (‑COOH) nos solos orgânicos. Os ácidos carboxílicos presentes no solo trocam o H ionizável por cátions, tais como, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Zn2+, entre outros. Os grupos carboxílicos apresentam elevada troca de cátions. Os solos com CTC mais elevada retêm nutrientes essenciais às plantas, tais como cálcio, potássio, magnésio etc.; não retêm, entretanto, ânions como os nitratos e cloretos, que podem passar livremente para as águas do lençol subterrâneo. Os nutrientes presentes no solo, ânion e/ou cátions, podem ser transferidos para a água ou plantas, podendo causar doenças em indivíduos (animais e humanos), quando presentes ou acima de uma determinada concentração na água e alimentos. 142 qumica_ambiental.indb 142 01/03/12 16:42 Química Ambiental Água com mais de 10mg/l de nitrato pode provocar a metemoglobinemia ou doença azul. A acidez é a capacidade de substâncias que em solução aquosa liberam próton (H+ ou H3O+) como único e exclusivo cátion. De um modo geral, a faixa de pH em que ocorre maior disponibilidade de nutrientes situa‑se entre 6,0 e 6,5. Em solos com pH inferior a 5,5, a acidez favorece a solubilização de metais, tais como, o alumínio, manganês e ferro, em detrimento do fósforo, que precipita, ficando reduzida a disponibilidade desse nutriente essencial para as plantas. Além disso, a acidez reduz a atividade de bactérias decompositoras de matéria orgânica, diminuindo a quantidade do nitrogênio, fósforo e enxofre contidos no solo. A deficiência desses nutrientes essenciais prejudica o desenvolvimento das plantas e pode aumentar sua sensibilidade à toxidez do alumínio e do manganês. Os valores de pH mais elevados (acima de 6,5) reduzem a disponibilidade de vários nutrientes (Zn, Cu, Fe, Mn, B), podendo provocar sua deficiência nas plantas. Solos de zonas de alta pluviosidade tendem a apresentar valores mais baixos do pH em consequência do processo de lixiviação das bases dos horizontes superiores, pela infiltração e percolação das águas. As condições climáticas predominantes em nosso país fazem com que quase a totalidade dos solos apresente pH inferior a sete, como é o caso do Estado de São Paulo. Há, ainda, outras causas de acidez progressiva, como o cultivo intensivo com retirada, sem reposição, de nutrientes essenciais, a erosão remove as camadas superficiais que contêm maiores teores de bases e a adubação com compostos de amônio (sulfato e nitrato). Os sulfatos e nitratos em contato com a água vão gerar os ácidos correspondentes, reduzindo o pH do solo. Uma prática comum é a da calagem, que consiste na adição de calcário para elevar o pH a um valor adequado. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 143 143 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Erosão A erosão é um problema de extensão nacional e internacional, urbana e rural. Um exemplo são os Estados Unidos, que, até 1956, por efeito da erosão foi alcançando o total de 120 milhões de hectares. Estima‑se, em termos mundiais, uma perda de aproximadamente 28% das terras cultiváveis por efeitos da erosão. (BRAGA et al, 2005). Em todo território brasileiro são conhecidos vários episódios de perdas progressivas e graves do potencial produtivo, inclusive com desertificação já visível. O sul do Maranhão e do Pará e o norte do Estado de Tocantins, em áreas da Amazônia abertas à colonização com a Belém – Brasília (início da década de 1960) e com a Transamazônica e outras vias amazônicas (década de 1970); as áreas a oeste e sudoeste do Estado de São Paulo e o norte e nordeste do Estado do Paraná, formadas por solos podzólicos naturalmente férteis e bastante erodíveis, extensivamente utilizados para muitas monoculturas de algodão, soja, amendoim etc.; e parte dos pampas gaúchos outrora empregados na produção intensiva de gramíneas alimentícias e forrageiras. É comum distinguir‑se a erosão geológica (ou lenta) da acelerada. A erosão geológica processa‑se sob a ação dos agentes naturais. Enquanto que a erosão acelerada ocorre como uma consequência da ação do homem sobre o solo. Na erosão as partículas do solo são carregadas pela água à proporção da pluviosidade e da declividade do terreno e à proporção do tempo de replantio ou rebrota, assim como a rarefação do cultivo de substituição implantado. 144 qumica_ambiental.indb 144 01/03/12 16:42 Química Ambiental Práticas como o uso do fogo e monoculturas são importantes no processo de erosão. O fogo faz com que ocorra perda de matéria orgânica e nutrientes, que dariam origem a substâncias capazes de garantir coesão do solo, e das próprias substâncias coloidais. A monocultura sem a reposição de nutrientes esgota o solo, reduzindo a sua produtividade e, consequentemente, a cobertura vegetal protetora, e modifica suas propriedades físicas de resistência à erosão (redução de húmus e demais frações com atividades coloidais e coesivas). Em todos os casos, a consequência é a perda progressiva da fertilidade e da produtividade do solo, podendo‑se chegar à sua total e rápida esterilização e eventual desertificação, caso não sejam tomadas precauções adequadas em tempo oportuno. O empobrecimento do solo e a perda de seu potencial produtivo traduzem o preço que a sociedade paga pela ocorrência da erosão na área rural. A erosão urbana e rural se diferencia tanto pelas causas como pelos efeitos. Nas áreas urbanas, o custo social da erosão pode ser medido pelos gastos para a restauração de cursos de água que recebem o material erodido, pelo tratamento da água a ser disponibilizada para a população e para calçar e refazer edificações e vias destruídas ou ameaçadas de desabamento. No Brasil e em outros solos tropicais, há outro problema que deve ser considerado, que é a lixiviação. Por esse processo, as porções de solo mais finas, onde estão os componentes que lhe dão fertilidade, são removidas e carregadas pela água em seu movimento descendente de infiltração. Em terrenos planos de solos muito profundos e permeáveis, como os sedimentos arenosos da Amazônia, o material fértil da superfície é solubilizado pelas chuvas e arrastado para regiões inacessíveis às raízes. A esterilização ocorre não por um transporte horizontal, mas sim vertical, dos nutrientes. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 145 145 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina O estudo do movimento de substâncias (agroquímicos, nutrientes, combustíveis) no perfil do solo envolve muitos fatores, sendo os principais: ocorre por meio de difusão e pelo fluxo de massa em água; associado às transformações químicas e biológicas; processos de absorção e persistência do produto. Conhecer as características do solo é importante para verificar a realidade do solo no que diz respeito aos agentes poluentes, como será abordado nas seções a seguir. Seção 2 – Poluição do solo rural Atualmente, é comum, em áreas rurais, o emprego de substâncias químicas no solo em busca de fertilização ou para evitar o ataque de pragas. Por esse motivo que, nesta seção, você vai estudar os efeitos dessas substâncias químicas no solo e também o efeito de salinização devido ao mau uso da prática de irrigação do solo. O emprego de fertilizantes sintéticos e defensivos é que leva a alguns impactos ambientais imediatos e bem conhecidos e a outros, que dependem de anos ou décadas para se manifestar e serem avaliadas as suas consequências finais. O uso de fertilizantes sintéticos e defensivos é justificado por muitos para assegurar os níveis de produção, principalmente de alimentos, para o atendimento de uma população que continua a crescer em taxas elevadas, da qual cerca de dois terços têm graves problemas de desnutrição. Mas devemos pensar com respeito aos riscos do uso desses fertilizantes. Se não é possível aboli-los em curto prazo, então, é preciso limitar seu uso ao estritamente indispensável, cortando os desperdícios geradores de resíduos poluidores, usando técnicas de preparo, controlando o descarte de embalagens e frascos, 146 qumica_ambiental.indb 146 01/03/12 16:42 Química Ambiental restringindo o emprego dos defensivos aos ambientalmente mais seguros e empregando técnicas de aplicação que reduzam os acúmulos e a propagação pela cadeia alimentar. Quais as práticas e agentes que interferem na qualidade do solo? Conheça, a partir de agora, as principais substâncias que interferem na qualidade do solo e práticas que levam a impactos ambientais nas áreas rurais. O uso de fertilizantes e defensivos agrícolas destacam‑se como substâncias interferentes e poluidoras dos solos. Fertilizantes sintéticos Os fertilizantes mais usados eram os compostos de origem natural, tais como, restos de vegetais decompostos e dos excrementos de animais (estrume), Salitre do Chile, ‘guano’. Sendo todos produtos naturais, sua biodegradação e incorporação ocorrem mais facilmente no solo, diminuindo os riscos de desequilíbrio ou danos ao meio ambiente, levando em consideração a quantidade de emprego desses. A partir da produção do adubo artificial, caíram as barreiras que limitavam sua disponibilidade, fazendo crescer os riscos de sua acumulação ambiental até concentração tóxica, tanto de nutrientes essenciais quanto de outros elementos. Excrementos depositados na costa do Chile e do Peru por aves aquáticas, cuja alimentação provém das ricas águas da corrente de Humboldt e das várias ressurgências que aí ocorrem. A adição de fertilizantes ao solo visa a atender a demanda de nutrientes das culturas. Em ordem decrescente das quantidades exigidas pela planta, são cerca de dezesseis os elementos necessários assimilados pelo vegetal, principalmente a partir de suas formas minerais ou mineralizadas encontradas em solução nos solos. Esses nutrientes são ditos macronutrientes principais e secundários e micronutrientes. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 147 147 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Os macronutrientes principais são: o nitrogênio, fósforo e potássio. Em seguida, estão os macronutrientes secundários: o cálcio, magnésio e enxofre. Por fim, os micronutrientes como o ferro, manganês, cobre, zinco, boro, molibdênio e cloro. Como em qualquer processo físico, químico e biológico, mesmo quando o fertilizante é aplicado com a melhor técnica e de modo que seja mais facilmente assimilável pelo vegetal, a eficiência nunca é de 100%, provocando, em consequência, um excedente que passa a incorporar‑se ao solo, fixando‑se à sua porção sólida ou solubilizando‑se e movimentando‑se em conjunto com sua fração líquida ou ainda sendo acumulado na cadeia trófica. A eficiência dessa aplicação, além de depender da técnica utilizada (modo e local da aplicação, momento da aplicação e ocorrência ou não de agentes que o carreguem e lixiviem etc.), depende também das quantidades adotadas. Essa dependência é expressa pela conhecida lei econômica ‘dos rendimentos decrescentes’. Por essa lei, a eficiência cai e quantidades crescentes de fertilizantes incorporam‑se ao ambiente, e não à planta. É fácil prever que alguns dos fertilizantes poderão vir a integrar‑se a corpos de água e outros ficarão no solo, próximos à superfície em que ocorrem os cultivos. Os fertilizantes que atingem os corpos de água poderão elevar os teores com que naturalmente se apresentam nas águas, ocasionando diferentes formas de poluição, que são: contaminação e eutrofização. (BRAGA et al, 2005). Contaminação ocorre quando os teores de fertilizantes atingem níveis tóxicos á flora, à fauna e ao homem em particular. Eutrofização corresponde à superfertilização das águas, que passam a produzir algas que, por competição, eliminam muitas espécies aquáticas e restringem os benefícios que podem ser extraídos da água. 148 qumica_ambiental.indb 148 01/03/12 16:42 Química Ambiental Caso continue ocorrendo a fertilização do solo, essa pode levar a um acúmulo na cadeia alimentar, ou seja, a parcela de fertilizante que se fixou ao solo tende a acumular‑se em concentrações crescentes, que poderão torná‑lo impróprio à agricultura. Se mesmo assim esse solo for utilizado para o plantio, a parcela de fertilizante solubilizada será assimilada pelas plantas, podendo alterar a composição do tecido celular. Essas plantas, ao serem utilizadas como alimento pelo homem ou pelo gado, incorporam‑se à cadeia alimentar que passa pelo homem, introduzindo uma substância nova, cujas consequências só serão conhecidas, talvez, após um prazo de algumas gerações. Em alfaces, o teor de nitrogênio, medido em percentual de massa seca, foi de 0,6 em terreno adubado com 600 Kg de nitrogênio por hectare, enquanto que a alface cultivada em terreno normal, esse teor é de 0,1. (COMMONER, 1970). Podemos sugerir que comportamento semelhante pode acontecer com demais nutrientes. Em termos ecológicos globais e em longo prazo, a fertilização com eficiência decrescente tende a modificar a distribuição da ocorrência dos nutrientes na biosfera, provocando sua concentração em alguns dos seus segmentos (solos agrícolas e corpos de água) e na cadeia alimentar em que está o homem. Conhecidos os efeitos de fertilizantes no solo, estude sobre o efeito do uso de defensivos agrícolas descrito a seguir. Defensivos agrícolas Os defensivos agrícolas são classificados em grupos de acordo com o tipo de praga que combatem: inseticidas, fungicidas, herbicidas, rodenticidas (contra roedores) etc. Em 1939 surgiu o DDT (diclorodifeniltricloroetano), composto que deu origem à classe de defensivos que ainda hoje caracteriza a tecnologia predominante de combate às pragas agrícolas. Esse foi sintetizado na busca de um efeito mais duradouro de sua Unidade 4 qumica_ambiental.indb 149 149 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina aplicação. O DDT foi o primeiro inseticida organoclorado de elevada resistência à decomposição no ambiente (meia vida da ordem de decênios). Um grande número de compostos vem sendo sintetizados, todos com o objetivo de defensivos agrícolas, mas agora buscam‑se compostos que tenham sua ação mais específica quanto aos organismos afetados e menos duradouros. Apesar desses esforços não se tem verificado o sucesso quanto a essas características. A característica que tornou o uso dos defensivos agrícolas disseminado foi sua resistência no ambiente. A resistência em decompor‑se no ambiente, de modo a impedir o desenvolvimento de organismos indesejados, justificou o sucesso do DDT em programas de saúde pública e na contribuição para o aumento da produtividade agrícola. DDT foi utilizado no combate à malária, ao tifo, à febre amarela, à dengue, entre outras doenças transmitidas por insetos. Mas sua permanência no ambiente amplia a sua disseminação pela biosfera, seja por meio de fenômenos físicos (como a movimentação das águas e a circulação atmosférica), seja por cadeias alimentares dos ecossistemas presentes no local de sua aplicação original. O DDT foi detectado nas calotas polares e em tecido celular de animais e aves com habitat bastante afastado dos locais de sua aplicação costumeira. Na circulação das águas e da atmosfera junto aos deslocamentos dos organismos integrados às cadeias alimentares, explicavam a disseminação dos defensivos em escala mundial, as concentrações elevadas são consequência do que se denomina biomagnificação ou amplificação biológica. 150 qumica_ambiental.indb 150 01/03/12 16:42 Química Ambiental A biomagnificação ocorre quando substâncias persistentes ou cumulativas, como os compostos organoclorados, migram do mecanismo da nutrição de um organismo para os seguintes da cadeia alimentar. Os defensivos agrícolas presentes no solo transferem‑se, parcialmente, para o tecido celular da planta, mas são dependentes principalmente das concentrações existentes no solo e do tipo de planta. Essas transferências levam a efeitos ambientais diretos ou indiretos, que podem ser resumido em: Mortandade inespecífica ‑ mesmo quando sintetizada na tentativa de se combater especificadamente certa praga por meio da propagação pela cadeia alimentar, essa mortandade pode tornar‑se inespecífica. Redução da natalidade e da fecundidade de espécies ‑ mesmo naquelas que só longinquamente e apenas por meio da cadeia alimentar se ligam à praga combatida. A severidade dos efeitos indiretos depende também da quantidade aplicada e do modo pelo qual essa aplicação é feita. Quando aplicado 0,19 ppm de heptacloro no solo, é detectado na cenoura a presença de concentração no vegetal de 0,140 ppm, enquanto que a batata apresenta uma concentração no vegetal de 0,050 ppm. Dificilmente a adoção de um único método (controle biológico, manejo de pragas, as mudanças no padrão de plantio, as plantas geneticamente modificadas e o uso de agrotóxico) soluciona os diversos problemas envolvidos na redução populacional da praga. A seguir, veja no quadro 4.1, os principais grupos de defensivos agrícolas sintéticos: Unidade 4 qumica_ambiental.indb 151 151 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Defensivos agrícolas sintéticos Classificação Organoclorados ‑ DDT, Aldrin, Dieldrin, Heptacloro etc. De um modo geral, eles são extremamente persistentes (DDT permanece 40% após 15 anos da aplicação e o heptacloro permanece 15% após 15 anos). Sua produção e consumo vêm sendo proibidos progressivamente em um número cada vez maior de países. Inseticidas Organofosforados ‑ Parathion, Malathion, Phosdrin etc. Apresentam certa seletividade em sua toxidez para insetos. Em sua maioria, degradam‑se bem mais rapidamente que os organoclorados. Carbamatos ‑ são específicos em sua toxidez para os insetos e de baixa toxidez para os vertebrados de sangue quente. Sais de cobre ‑ mais comumente usados. Fungicidas Organomercuriais ‑ uso restrito às sementes. Derivados do arsênico ‑ uso decrescente e limitado. Herbicidas Derivados do ácido fenoxiacetico ‑ 2,4D; 2,4,5T; Pichloram. Os dois primeiros foram utilizados no Vietnã em dosagens muito elevadas (superiores às máximas recomendadas na agricultura) e provocam efeitos catastróficos sobre a fauna, a flora e as populações, esse herbicida ficou conhecido pelo nome de agente laranja. Quadro 4.1 – Os principais defensivos agrícolas sintéticos Fonte: Elaborado pela autora. Já que você estudou sobre a persistência de defensivos agrícolas no solo e como esse pode permanecer na cadeia alimentar, conheça, agora, sobre a salinização do solo. Salinização A salinização pode ser dependente da natureza do material de origem, seja pela maior aridez do clima ou pelas condições do relevo local. Há, porém, uma salinização que pode ocorrer pela ação do homem quando a exploração agrícola é feita com o auxílio de irrigação. (BRAGA et al, 2005). O que ocorre quando a franja capilar formada pela ação da tensão superficial, atuando em um lençol freático, eleva a água com sais em solução até o nível do terreno. A evaporação que se sucede deixa aí os resíduos sólidos salinos. 152 qumica_ambiental.indb 152 01/03/12 16:42 Química Ambiental Regiões de maior pluviosidade, de modo geral, apresentam menor teor de sais, as precipitações frequentes lixiviam esses sais, devolvendo‑os, por infiltração, para o lençol freático. Em regiões áridas, o teor de sais na solução aquosa é mais elevado, e a frequência das lixiviações pelas chuvas é bem menor. A elevação do lençol freático, o que pode levar ao acúmulo de sais na superfície do terreno, pode ser observada em regiões em que se faz necessária a irrigação para o plantio. A consequência imediata da irrigação é uma elevação do lençol freático. A prevenção desses problemas deve ser feita na fase do projeto, ou mais tarde terão que ser tomadas medidas reparadoras. Nesta seção, você estudou os efeitos de substâncias químicas (fertilizantes e defensivos agrícolas) no solo e também o efeito de salinização devido ao mau uso da prática de irrigação do solo. Agora você vai estudar a poluição do solo urbano. Seção 3 – Poluição do solo urbano A poluição do solo urbano é proveniente de resíduos diversificados, todos gerados pelas atividades típicas das cidades, como a indústria, o comércio, a residencial e os serviços. Os resíduos urbanos ao serem lançados ou dispostos nos limites do território urbano, não só acentuam os problemas de poluição do solo, como causam o empobrecimento nas áreas de onde provém a matéria e a energia que, após a utilização no meio urbano, transformam‑se em resíduos. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 153 153 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina A poluição do solo pode ser provocada por resíduos nas fases sólida, líquida e gasosa, ou seja, os resíduos líquidos que atingem o solo urbano e que são provenientes dos efluentes líquidos de processos industriais e, principalmente, dos esgotos sanitários que não são lançados nas redes públicas de esgoto. Os esgotos sanitários, e às vezes os de processos industriais, completamente irregulares, são lançados sobre o terreno superficial, vias públicas, sarjetas etc., gerando problemas graves não só provenientes da poluição que agride o olfato e a visão, mas, também, podendo gerar episódios de saúde pública endêmicos e epidêmicos quando esses lançamentos estão contaminados por substâncias patogênicas e tóxicas. O efeito poluidor dos resíduos gasosos sobre o solo se dá por meio da precipitação nas áreas urbanas, que podem chegar ao solo na forma de poluentes em solução, trazidos, por exemplo, pelas ‘ chuvas ácidas’. A poluição por resíduos sólidos é o problema de poluição de solo urbano mais comum, por isso, deve ser estudado com maior atenção nesse momento. A geração de resíduos sólidos destaca‑se principalmente por duas razões, que são: 1. as quantidades geradas; 2.as características de imobilidade ao seu transporte no meio ambiente. Resíduos sólidos urbanos Os resíduos sólidos de uma área urbana são constituídos por desde o que comumente se denomina de lixo até resíduos especiais, provenientes de processos industriais e de atividades médico‑hospitalares. 154 qumica_ambiental.indb 154 01/03/12 16:42 Química Ambiental Lixo é toda mistura de resíduos produzidos nas residências, comércio e serviços, e nas atividades públicas, na preparação de alimentos, no desempenho de funções profissionais e na varrição de logradouros. De maneira mais específica e prática, a norma brasileira NBR 10.004 caracteriza como resíduos sólidos todos os resíduos, nos estados sólido e semissólido, que resultam de atividades da comunidade de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Um exemplo disso são os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água. O denominado ‘lixo’, em função de sua proveniência variada, apresenta também constituintes bastante diversos, e o volume de sua produção varia de acordo com sua procedência, com o nível econômico da população e com a própria natureza das atividades econômicas na área onde é gerado. Os estudos arqueológicos valorizam os resíduos como fonte de conhecimento dos costumes e da civilização de povos mais antigos. Nos resíduos coletados nos aglomerados urbanos há um certo grau de similaridade em sua composição. Tem‑se trabalhado no sentido de organizar os serviços públicos ou privados, orientar e educar a população para manusear, acondicionar, coletar, transportar e dispor, de maneira diferenciada, os resíduos sólidos, conforme a classe (NBR 10.004) em que se enquadram. Nas cidades é indispensável um sistema público ou comunitário que se incumba da limpeza de logradouros, da coleta, disposição e tratamento do lixo, que extinga os riscos de saúde pública e elimine ou reduza a níveis aceitáveis os demais impactos sobre o ambiente associado ao lixo. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 155 155 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Síntese Nesta unidade, você conheceu a composição e a formação química dos solos, bem como as características ecologicamente importantes dos solos. Um dos processos que afetam o solo é a formação de erosão, quando as partículas do solo são carregadas pela água à proporção da pluviosidade e da declividade do terreno. Outro ponto importante desta unidade foi a identificação das fontes geradoras de poluição do solo rural e urbano. Dentre as características do solo, vale salientar que algumas podem ser vistas a olho nu e são frequentemente utilizadas na descrição de sua aparência no ambiente natural. Essas características são a cor, textura (ou granulométrica), estrutura, consistência e espessura dos horizontes (essa última já referida anteriormente). Além dessas são também importantes, sob o ponto de vista ecológico, o grau de acidez, a composição e a capacidade de troca de íons. O mau uso do solo é o principal motivo de solos inférteis. Por esse motivo, afirma-se que, na Química Ambiental, o solo (meio terrestre) está em equilíbrio tanto com o meio aquático quanto com o atmosférico. 156 qumica_ambiental.indb 156 01/03/12 16:42 Química Ambiental Atividades de autoavaliação Ao final de cada unidade, você realizará atividades de autoavaliação. O gabarito está disponível no final do livro didático. Mas, esforce‑se para resolver as atividades sem ajuda do gabarito, pois assim você estará promovendo (estimulando) a sua aprendizagem. 1) O que significa as siglas CTC e CTA? Explique como os seus efeitos ocorrem no meio ambiente. 2) Qual é a influência do pH do solo sobre os metais? 3) Diferencie contaminação e eutrofização e pesquise situações que demonstrem a ocorrência desses fenômenos no Brasil. Unidade 4 qumica_ambiental.indb 157 157 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Saiba mais Se você desejar, aprofunde os conteúdos estudados nesta unidade consultando as seguintes referências: BRAGA, Benedito et al. Introdução à engenharia ambiental. Segunda edição São Paulo: Person Prentice Hall, 2005. ROCHA, Julio Cesar; ROSA, André Henrique; CARVALHO, Arnaldo Alves. Introdução à química ambiental. Porto Alegre: Bookman, 2004. MALAVOLTA, Eraldo. Manual de química agrícola: nutrição de plantas e fertilidade de solo. São Paulo: Agronômica Ceres, 1976. COELHO, F S; VERENGIA, F. Fertilidade do solo. São Paulo: Instituto Campineiro de Ensino Agrícula, 1976. 158 qumica_ambiental.indb 158 01/03/12 16:42 UNIDADE 5 O meio atmosférico Objetivos de aprendizagem Compreender as características do ar. Estudar a composição do ar. 5 Conhecer os poluentes atmosféricos. Identificar os padrões de qualidade do ar. Seções de estudo Seção 1 Características e composição da atmosfera Seção 2 Poluição do ar Seção 3 Padrões de qualidade do ar qumica_ambiental.indb 159 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Como está a qualidade do ar que você respira? Essa pergunta pode soar estranha para alguns, pois nunca se preocuparam ou tiveram motivos para pensar nisso. Mas fique tranquilo, apesar de tudo, as cidades brasileiras apresentam uma boa qualidade do ar. A atmosfera é dependente de fenômenos naturais e antrópicos. Quanto aos fenômenos naturais, podemos citar ventos, precipitações pluviais, evaporação de águas superficiais, vulcões, entre outros. Exemplos de fenômeno antrópico são os processos de combustão, a liberação de gases de processos industriais, entre outros. O ar proporciona o oxigênio, essencial para manter a vida, obtido a partir da fotossíntese e consumido no processo respiratório. Muitos outros gases e vapores são emitidos para a atmosfera, como amônia (NH3), nitrogênio (N2), água (H2O), metano (CH4), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), óxidos de enxofre (SOx), hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH´s) e material particulado. Quando viajamos, às vezes é possível perceber diferença na qualidade do ar de uma cidade para outra; percebemos diferenças na atmosfera de grandes centros urbanos, onde a qualidade do ar pode tornar‑ se um problema de saúde pública. O ser humano tem interferido na composição da atmosfera do planeta, sem conhecer as consequências ou desprezando o conhecimento existente. No entanto, é preciso estudar o passado e o presente para “prever” o futuro e para garantir a sobrevivência da espécie humana no planeta. Diante disso, nesta unidade de estudo você vai conhecer as características e composição da atmosfera, os padrões de qualidade e identificar os poluentes atmosféricos. Bons estudos! 160 qumica_ambiental.indb 160 01/03/12 16:42 Química Ambiental Seção 1 – Características e composição da atmosfera Um fato não se pode negar: é preciso conhecer as características e a composição da atmosfera para compreender o futuro da vida do planeta. Atualmente, a composição da atmosfera da Terra é devida aos processos físico‑ químicos e biológicos iniciados há milhões de anos. Várias são as teorias que procuram explicar sua origem e evolução. Uma das hipóteses aceitas hoje é de que a Terra, ainda sem atmosfera, formou‑ se a partir da acumulação de partículas sólidas e relativamente frias dos mais diversos tamanhos, procedentes da nuvem de gás e poeira que originou o Sistema Solar. Uma série de reações térmicas, que se seguiram em direção ao centro da Terra, provocou o aumento da temperatura terrestre e desencadeou reações nas camadas superficiais do planeta, dando origem à atmosfera. Em uma primeira fase, a atmosfera era formada basicamente por gás carbônico (CO2) e vapor de água (H2O), com ausência de oxigênio (O2). Com o resfriamento da Terra, surgiram os oceanos, e com o processo evolutivo, foi originada a primeira planta capaz de realizar fotossíntese, responsável pela formação do oxigênio (O2) livre (BRAGA et al., 2005). A concentração do oxigênio na atmosfera foi aumentando durante o estabelecimento da vida no planeta, até atingir os níveis atuais. Durante o período evolutivo, além do oxigênio, foram formados outros gases que compõem a atmosfera terrestre atual. Em porcentagens menores, também estão presentes na atmosfera os gases: neônio, hélio, criptônio, xenônio, hidrogênio, metano, ozônio e dióxido de nitrogênio (NO2), entre outros. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 161 161 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Além desses gases, a atmosfera também apresenta os seguintes constituintes: vapor de água e material particulado orgânico (pólens e microorganismos) e inorgânico (partículas de areia e fuligem). A porcentagem de vapor de água na atmosfera pode variar de 1% a 4% em volume da mistura total, o que depende da temperatura e da pressão atmosféricas, além de outros fatores (KOTKIN; KELLER, 2000). A presença das partículas sólidas em suspensão no ar tem fundamental importância no ciclo hidrológico, uma vez que elas produzem núcleos de condensação, acelerando o processo de formação de nuvens e, consequentemente, a ocorrência da precipitação. É o chamado fenômeno da coalescência. Nesta seção, você vai estudar a classificação da atmosfera feita de acordo com o perfil de variação de temperatura com a altitude (veja a figura 5.1), que é considerada adequada sob o ponto de vista ambiental. O ar atmosférico encontra‑ se na sua maioria (90%) em uma camada relativamente fina. Essa camada, chamada de troposfera (conforme mostra a figura 5.1), estende‑ se até uma altitude que varia entre 10 e 12 km. A troposfera varia em espessura conforme a latitude e o tempo. No Equador, sua altitude alcança algo em torno de 16,5 km; nos polos, ela possui 8,5 km; e, em latitudes de 45°C, alcança aproximadamente 10,5 km (BRAGA et al., 2005). Figura 5.1 ‑ Camadas da atmosfera da Terra Fonte: Disponível em <http://www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/meio‑ ambiente‑ camada‑ de‑ ozonio/camada‑ de‑ ozonio‑ 6.php>. 162 qumica_ambiental.indb 162 01/03/12 16:42 Química Ambiental A troposfera possui importância fundamental do ponto de vista climático, pois essa camada é a responsável pela ocorrência das condições climáticas da Terra. O decréscimo da temperatura na troposfera, com a altitude, é de aproximadamente 6,5° C por quilômetro, sendo conhecido por gradiente vertical normal ou padrão. Observe também que, acima da troposfera, encontra‑ se a estratosfera, cuja linha de transição é a tropopausa. A estratosfera é importante do ponto de vista ambiental, pois é nela que se encontra a camada mais espessa de ozônio (O3), com uma concentração da ordem de 200 mg/L (KOTKIN; KELLER, 2000). Essa camada protege a Terra das radiações ultravioletas provenientes do sol. Acima da estratosfera encontra‑ se a mesosfera, tendo como ponto de transição a estratopausa. A mesosfera possui um forte decréscimo de temperatura, registrando‑ se nela a temperatura mais baixa da atmosfera. A camada acima da mesosfera é chamada de termosfera, e entre a termosfera e a mesosfera situa‑ se a mesopausa. A termosfera ou ionosfera alcança uma altitude próxima de 190 km e é importante para as telecomunicações. Os fenômenos que atualmente ocorrem nessa camada e que estão provocando sua destruição serão abordados posteriormente nesta unidade, em um item específico. O perfil de temperatura que caracteriza a atmosfera é resultado da estratificação dos gases que se encontram presentes em cada camada, da incidência de radiação solar no nosso planeta e da dispersão dessa radiação de volta para o espaço. Na atmosfera, do ponto de vista ambiental, destacam‑ se duas camadas: a troposfera e a estratosfera. Na troposfera, desenvolvem‑ se todos os processos climáticos que regem a vida na Terra. Além disso, é nessa região que ocorre a maioria dos fenômenos relacionados com a poluição do ar. Na estratosfera, ocorrem as reações importantes para o desenvolvimento das espécies vivas em nosso planeta, em razão da presença do ozônio. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 163 163 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Conhecer como a atmosfera é composta e os seus componentes auxilia a compreensão dos conceitos a serem tratados na próxima seção: os principais poluentes atmosféricos. Assim, na próxima seção, você vai estudar sobre os parâmetros químicos e esclarecer as relações entre esses parâmetros e a poluição do ar. Seção 2 – Poluição do ar Agora chegou o momento de estudar a poluição do ar. Mas o que é poluição? Poluição é quando um local apresenta constituintes no solo, água e ar que representem risco para um uso/ ocupação real ou potencial. É possível a poluição do ar ter origem química, biológica e física, desde que o agente apresente‑ se em concentrações suficientes para causar danos em seres humanos, em animais, em vegetais ou ainda em materiais. Como exemplo de poluição de origem química destacam‑ se a liberação de gás metano; de origem biológica, a presença do vírus da gripe; e de origem física, a presença de ruído ou radiação UV. Observe o quadro 5.1, que mostra os principais poluentes do ar e as suas fontes. 164 qumica_ambiental.indb 164 01/03/12 16:42 Química Ambiental Poluentes do ar Fontes Monóxido de carbono (CO) Esse composto é gerado nos processos de combustão incompleta de combustíveis fósseis e outros materiais que contenham carbono em sua composição. Dióxido de carbono (CO2) O dióxido de carbono é o principal composto resultante da combustão completa de combustíveis fósseis e de outros materiais combustíveis que contenham carbono, além de ser gerado no processo de respiração aeróbia dos seres vivos, que utilizam o oxigênio para poder liberar a energia presente nos alimentos ingeridos. Os óxidos de enxofre são produzidos pela queima de combustíveis (geralmente combustíveis fósseis, Óxidos de enxofre como carvão, gasolina, óleo diesel) que contenham enxofre em sua composição. Também são (SO2 e SO3) gerados em processos biogênicos naturais, tanto no solo quanto na água. Esses compostos são gerados na maior parte dos processos de combustão. Ocorrem no próprio Óxidos de ar, devido à presença de oxigênio e nitrogênio. Poderão ser gerados também por processos de nitrogênio (NOx) descargas elétricas na atmosfera. Os hidrocarbonetos são resultantes da evaporação de combustíveis e de muitos outros materiais Hidrocarbonetos derivados do petróleo, como os solventes orgânicos, as tintas. Os hidrocarbonetos também podem ser resultantes da queima incompleta dos combustíveis. Oxidantes fotoquímicos Os oxidantes fotoquímicos são compostos gerados a partir de outros poluentes (hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio), que foram lançados à atmosfera por meio da reação química entre esses compostos, catalisada pela radiação solar. Dentre os principais oxidantes fotoquímicos destacam‑ se o ozônio e o peróxi‑ acetil‑ nitrato (PAN). No caso da poluição atmosférica, entende‑ se por material particulado as partículas de material sólido e líquido capazes de permanecer em suspensão, como é o caso da poeira, da fuligem (C) e das partículas Material de óleo, além do pólen. Esses contaminantes podem ter origem nos processos de combustão (fuligem particulado (MP) e partículas de óleo) ou, então, ocorrem em consequência dos fenômenos naturais, como é o caso da dispersão do pólen ou da suspensão de material particulado em razão da ação do vento. Asbestos (amianto) Esse material está cada vez menos em uso, pois produz graves problemas de saúde associados à sua presença na atmosfera, sendo, principalmente, gerado durante a etapa de mineração do amianto ou, então, nos processos de beneficiamento desse material. Metais Os metais também são um tipo de material particulado, associados aos processos de mineração, na construção civil, combustão de carvão e processos siderúrgicos. Gás fluorídrico (HF) Compostos gerados nos processos de produção de alumínio e fertilizantes, bem como em refinarias de petróleo. Normalmente são gerados em processos que operam a altas temperaturas e nos quais são utilizadas matérias‑ primas que contenham flúor na sua composição. Amônia (NH3) As principais fontes de geração de amônia são as indústrias químicas e de fertilizantes, principalmente aquelas à base de nitrogênio, além dos processos biogênicos naturais que ocorrem na água ou no solo. Gás sulfídrico (H2S) O gás sulfídrico é um subproduto gerado nos processos desenvolvidos em refinarias de petróleo, indústria química e indústria de celulose e papel, em virtude da presença de enxofre na matéria‑ prima processada ou, então, nos compostos utilizados durante esse processamento. O gás sulfídrico também é produzido por processos biogênicos naturais. Pesticidas e herbicidas São compostos químicos (organoclorados, organofosforados e carbamatos) utilizados principalmente na agricultura para o controle de plantas daninhas e de pragas. As principais fontes desses tipos de contaminantes atmosféricos são as indústrias que os produzem, bem como os agricultores que fazem uso deles, pelos processos de pulverização nas plantações e no solo. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 165 165 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Substâncias radioativas As principais fontes de substâncias radioativas para a atmosfera são os depósitos naturais (minérios), as usinas nucleares, os testes de armamento nuclear e a queima de carvão. As substâncias radioativas são materiais que possuem algum elemento químico capaz de emitir radiação. Em alguns casos, a energia emitida por essas substâncias é suficiente para causar danos aos seres vivos e aos materiais. Calor O calor é uma forma de poluição atmosférica por condução, radiação e convecção que ocorre principalmente por causa da emissão de gases a alta temperatura para o meio ambiente, geralmente nos processos de combustão. Ruído A poluição sonora se caracteriza pela emissão de ondas de som no ambiente, com intensidade capaz de prejudicar os seres humanos e outros seres vivos. Os ruídos não significativos, isto é, aqueles que não têm conteúdo informativo, podem provocar um distúrbio, um incômodo. Esses efeitos têm relação com a intensidade do ruído, mas outros fatores podem neles atuar: o caráter inesperado, quando se trata de ruídos breves, aleatórios no tempo, que perturbarão uma tarefa que exija atenção; e os ruídos contínuos, que perturbam a execução de tarefas mentais complexas (LAVILLE, 1977). O problema de poluição sonora está diretamente associado aos grandes centros. Quadro 5.1 ‑ Os principais poluentes do ar e as suas fontes Fonte: Elaboração da autora (2008). Analisando o quadro 5.1, é possível observar que a maioria dos poluentes é de origem química. É preciso ter cuidado com a classificação de substâncias radioativas, pois quando ocorre contaminação do ar pela substância (por exemplo, material particulado) temos poluição de origem química. Mas quando a radiação emitida pela substância está presente na atmosfera, então temos uma poluição de origem física. O calor e o ruído também são poluentes do ar de origem física. Quando a fonte de poluição for uma (ou mais) substância química, deve ser analisado o tipo de substância, toxicologia, concentração, além de ser dependente do clima, topografia, densidade populacional, nível e tipo das atividades industriais locais. Classificação dos poluentes Os poluentes são classificados em primários e secundários. Os primários são aqueles lançados diretamente no ar. São exemplos desse tipo de poluente: o dióxido de enxofre (SO2), os óxidos de nitrogênio (NOx), o monóxido de carbono (CO) e alguns particulados, como a poeira. Os secundários formam‑ se na atmosfera por meio de reações que ocorrem em razão da presença de certas substâncias químicas e de determinadas condições físicas. 166 qumica_ambiental.indb 166 01/03/12 16:42 Química Ambiental Por exemplo: o SO3 (reação química entre SO2 e O2) reage com o vapor de água (H2O) para produzir o ácido sulfúrico (H2SO4), que precipita originando a chamada chuva ácida. Como você estudou, é possível a poluição do ar ter origem química, biológica e física, desde que o agente apresente‑ se em concentrações suficientes para causar danos ao meio ambiente e ao homem. Você vai estudar, no próximo tópico, que essa poluição pode atingir diferentes escalas na atmosfera Poluição do ar em diferentes escalas espaciais Do ponto de vista espacial, as fontes de poluição podem ser classificadas em móveis (exemplo: veículos, pois emitem os poluentes de modo disperso) e estacionárias (exemplo: chaminés de indústrias, por emitirem poluentes). As fontes estacionárias produzem cargas pontuais de poluentes, enquanto que as fontes móveis produzem as cargas difusas. Com relação ao controle da poluição, a distinção entre as fontes é fundamental, uma vez que o enfoque de tratamento do problema difere para cada caso. Os problemas de poluição do ar, independentemente dos lançamentos serem de fonte móvel ou estacionária, podem atingir diferentes dimensões. Os problemas de poluição do ar, de acordo com a dimensão da área atingida, podem ser classificados em: poluição local ‑ refere‑ se à poluição em uma região relativamente pequena, como um bairro, uma cidade; Unidade 5 qumica_ambiental.indb 167 167 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina poluição global ‑ envolve toda a ecosfera, exigindo, portanto, o esforço mundial para enfrentá‑ la e controlá‑ la). Podemos citar o efeito estufa adicional, a destruição da camada de ozônio na estratosfera e a chuva ácida como exemplos de problemas globais de poluição do ar. Conheça mais detalhes sobre esses fenômenos relacionados com a poluição global. Efeito estufa adicional O efeito estufa é responsável por manter a temperatura média do planeta próxima dos 15° C, o necessário para a sobrevivência humana. O efeito estufa adicional recentemente se tornou um dos assuntos preferidos da comunidade científica internacional, principalmente pelos possíveis efeitos catastróficos previstos para a ecosfera. Esses efeitos poderão se concretizar caso não sejam tomadas medidas urgentes para evitar sua intensificação. Como ocorre o efeito estufa adicional? A emissão dos chamados gases estufa (dióxido de carbono ‑ CO2, metano – CH4, óxido nitroso – N2O e clorofluorcarbono – CFCs) aumenta a quantidade de energia que é mantida na atmosfera em decorrência da absorção do calor refletido ou emitido pela superfície do planeta, o que provoca a elevação da temperatura. Esse efeito, além de provocar modificações climáticas, pode provocar direta ou indiretamente a elevação do nível dos oceanos, ter impactos na agricultura e na silvicultura, afetando todas as formas de vida do planeta. 168 qumica_ambiental.indb 168 Estima‑ se que o aumento absoluto de CO2, desde a Revolução Industrial até o presente momento, seja de aproximadamente 25%. Foi constatado que esse acréscimo de CO2 é superior no hemisfério norte, por causa da maior queima de combustível fóssil nessa região (BRAGA et al., 2005). 01/03/12 16:42 Química Ambiental Poucos estudos trazem conclusões significativas, mas existe uma tendência dos cientistas de afirmar que, quanto maior a temperatura da Terra, maior é a concentração de CO2. Mas esse efeito também sofreria influência da presença do gás CH4, das nuvens e do vapor de água na atmosfera, entre outros compostos. O CH4 se mantém vinte vezes mais efetivo que o CO2 na absorção de calor (BRAGA et al., 2005). De acordo com World Meteorological Organization ‑ WMO (2007), temperaturas de inverno, em altas e médias latitudes, poderão crescer mais que duas vezes a média mundial, enquanto as temperaturas de verão não irão se alterar muito. Esse aumento de temperatura pode, segundo alguns especialistas, induzir a uma elevação dos níveis dos mares em uma faixa que varia de 20 cm e 165 cm, trazendo problemas de erosão litorânea, inundações, danificação de portos e estruturas costeiras, enchentes, destruição de charcos, elevação de lençóis de água e intrusão salina em aquíferos de abastecimento. Locais como as Ilhas Maldivas, por exemplo, tendem ao desaparecimento. Além disso, 70% das costas marítimas do mundo estarão sofrendo processos de erosão (WMO, 2007). Em contraste com esses desastres, o aumento do teor de CO2 poderá aumentar o rendimento de determinados produtos, como o milho, o sorgo e a cana‑ de‑ açúcar (10%), e o arroz, o trigo, a soja e a batata (da ordem de 50%). Por outro lado, as mudanças climáticas serão intensas, alterando regimes de chuvas e secas. E essas mudanças poderão influenciar muitos processos biológicos, como pragas de insetos, multiplicação de organismos patogênicos etc. (WMO, 2007). O controle do efeito estufa adicional passa, necessariamente, pelo controle de emissão de CO2. Portanto, a solução é diminuir a emissão resultante da queima de combustível, por exemplo, utilizando‑ se fontes alternativas de energia e melhorando o sistema de transporte coletivo e as medidas em menor escala, como o controle de desmatamento mundial. Durante a terceira conferência dos países signatários da Convenção Internacional sobre Melhoria Climática (ECO‑ 92, Rio de Janeiro de 1992), foi desenvolvido o chamado Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), que visa a uma nova Unidade 5 qumica_ambiental.indb 169 169 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina abordagem para reduzir a concentração de gases causadores do efeito estufa, principalmente o CO2. Essa nova proposta leva em consideração o elevado nível de emissão de gases dos países industrializados e a capacidade dos países em desenvolvimento de absorvê‑ los por meio de processos naturais. Por outro lado, foram estabelecidos novos prazos, especificando que os países industrializados devem estabilizar suas emissões em níveis correspondentes aos de 1990, somente entre 2008 e 2012. Mas no que consiste o MDL? Seus parâmetros estão pautados em duas regras: 1. os países industrializados, por meio de compensação financeira a países específicos em vias de desenvolvimento, ganham créditos para ultrapassar suas cotas de emissão previamente estabelecidas; 2.os recursos recebidos pelos países em desenvolvimento devem ser, obrigatoriamente, aplicados em projetos que promovam o ‘sequestro’ de carbono da atmosfera com a promoção de reflorestamentos e de plantio em áreas degradadas. A madeira produzida não poderá ser utilizada como lenha nem em qualquer outra forma de combustão, para assim evitar o retorno do carbono sequestrado à atmosfera. Os países em desenvolvimento participantes (tais como o Brasil e a Índia, por possuírem grandes áreas que podem ser reflorestadas) deverão emitir os Certificados de Redução de Emissão de Carbono para serem negociados com os países industrializados. O preço de cada tonelada de carbono sequestrado varia de acordo com as projeções que estão sendo efetuadas, de US$ 10 a US$ 100, que serão aplicadas a partir de 2008. O projeto MDL não inclui as florestas primárias existentes. Entretanto, pode‑ se avaliar qual é a quantidade de carbono que elas poderiam sequestrar. 170 qumica_ambiental.indb 170 01/03/12 16:42 Química Ambiental O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) estima que a Floresta Amazônica remove da atmosfera aproximadamente 36 kg de carbono por dia, ou seja, um total de 850 milhões de toneladas de carbono por ano. O mecanismo poderá apresentar resultados efetivos na redução do aquecimento global, mas evidencia características éticas e morais bastante críticas, pois além de promover soluções, principalmente econômicas para um problema que é ambiental, estimula os grandes poluidores a pagar, em vez de reduzir as suas emissões. Você estudou o efeito estufa adicional, sua origem, seus efeitos no meio ambiente. Conheça, a partir de agora, os efeitos da destruição da camada de ozônio. Destruição da camada de ozônio A destruição da camada de ozônio é outro problema ambiental extremamente sério e bastante discutido na comunidade científica. A camada de ozônio está situada na estratosfera, entre 15 km e 50 km de altitude. Ela tem a capacidade de bloquear as radiações solares, principalmente a radiação ultravioleta (UVA, UVB e UVC), impedindo que níveis excessivos atinjam a superfície. A radiação ultravioleta pode ser dividida em três grupos, em função do seu comprimento de onda, que será associado à intensidade de energia da radiação, conforme mostra a Tabela 5.1. Tabela 5.1 ‑ Tipos de radiação ultravioleta em função do comprimento de onda (l) Tipo de radiação Comprimento de onda ultravioleta característico (nm) Observações 320 ‑ 400 Radiação com comprimento de onda próximo da luz visível (violeta), não é absorvida pela camada de ozônio. UVB 280 ‑ 320 Apresenta vários efeitos prejudiciais, particularmente efetivos para causar danos ao DNA, sendo a causa do melanona e de outros tipos de câncer de pele, além de ser apontada como um dos fatores responsáveis por danos em materiais e em plantações. A camada de ozônio protege a Terra da maior parte da radiação UVB. UVC < 280 É extremamente prejudicial, mas é completamente absorvida pela camada de ozônio e pelo oxigênio presente na atmosfera. UVA Fonte: Braga et al. (2005, p. 176). Unidade 5 qumica_ambiental.indb 171 171 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Os efeitos adversos causados pela radiação ultravioleta podem causar queimaduras solares, fotoenvelhecimento, fitofotodermatite, pterígio, pindécula e câncer de pele, e ainda reduzir as safras agrícolas, destruir e inibir o crescimento de espécies vegetais. Os efeitos da radiação UV podem afetar todo o ecossistema terrestre, além de causar danos aos materiais, principalmente aos plásticos. O ozônio presente na estratosfera funciona como um atenuador da radiação ultravioleta, utilizando a energia desse tipo de radiação nas reações químicas associadas aos processos de formação e de destruição dele mesmo. O processo de formação do ozônio ocorre na atmosfera pela absorção de um fóton (hv) de luz ultravioleta na molécula de O2 e provoca a separação dos dois átomos de oxigênio, produzindo o oxigênio atômico (O). Esse oxigênio atômico reage com outra molécula de O2, tendo como resultado a produção de ozônio (O3*). O2(g) + hv O(g) + O2(g) 2O(g) O3*(g) Onde: hv é a energia correspondente à radiação ultravioleta, com comprimento de onda menor que 200 nm. A molécula de O3* formada tem um excesso de energia e dissocia‑ se para O2 e O, a menos que ela colida com outra molécula como CO2, N2, ou O2, que retira o excesso de energia, estabilizando‑ a em O3, como na equação: O3*(g) + N2(g) O3 O processo de destruição do ozônio pode acontecer se: não ocorrer a estabilização do O3*, retornando as moléculas para O2 e O, ou se O3 reagir com O produzindo 2O2, ou se o O3 absorver grande quantidade de energia ultravioleta (200 a 300 nm) produzindo O2 e O. Sendo assim, os processos de formação e destruição da camada de ozônio são naturais, cumprindo o papel na proteção da intensa 172 qumica_ambiental.indb 172 01/03/12 16:42 Química Ambiental radiação proveniente do sol. Essas reações estão em equilíbrio na estratosfera, mantendo teoricamente estável a camada de O3. Molina e Sherwland Rowland (1974) verificaram que uma vez lançados os clorofluorcarbonos (CFCs), que são extremamente estáveis na atmosfera, suas propriedades permanecem no ar por períodos da ordem de 100 anos. Nessa época, os gases CFCs eram muito utilizados nas indústrias de aparelhos de ar‑ condicionado e de refrigeração, de propelentes (aerossóis), de equipamentos eletroeletrônicos e de plásticos. Na atmosfera, os CFCs reagem com o O3, destruindo‑ o. Uma molécula de CFC pode destruir até 10 mil moléculas de ozônio, pois a reação é em cadeia. As moléculas de CFCs são alcanos simples, nos quais todos os hidrogênios foram substituídos por cloro ou flúor, por exemplo, o CCl2F2 (Freon 12). Os halogênios F e Cl podem ser quebrados da molécula de alcano, ou seja, os correspondentes radicais livres (F• e Cl•) são formados pela incidência de luz UV nas ligações C‑ F e C‑ Cl, então promovendo a reação em cadeia de destruição da molécula de O3. A ligação C‑ F necessita de menos energia hv para ser quebrada do que a ligação C‑ Cl. Em termos simplificados, ocorrem na estratosfera as seguintes reações: CCl 2F2 + hv •CCl2F + F• F• + O3 FO• + O2 FO• + O F• + O2 O3 + O F• + O2 Estudos posteriores estimaram que a camada de O3 poderá perder entre 7% e 13% de sua massa total nos próximos 100 anos. As preocupações cresceram quando, em 1997, verificou‑ se o aparecimento de buracos na camada de O3 sobre a Antártica; sendo que em 1983 essas pesquisas registraram uma redução de Unidade 5 qumica_ambiental.indb 173 Uma reação semelhante a esta pode ocorrer, também, com o átomo de cloro. 173 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina ordem de 50% do O3. Tal fato repetiu‑ se em 1985. Não se sabe ao certo o porquê desses buracos. Alguns cientistas acreditam que tal fenômeno é devido à liberação de CFCs, enquanto que outros acreditam que o fenômeno é cíclico e deve‑ se à circulação do ar na região (BRAGA et al., 2005). A massa de ar estacionária no inverno (julho) acumula poluentes nitrogenados e clorados. Durante o início da primavera, eles reagem com o O3 produzindo os buracos. Com a mudança de estação (novembro) e com a entrada de ar renovado, a camada recompõe‑ se. É, portanto, um problema que exige muita pesquisa e amplo monitoramento para levantamento de dados (BRAGA et al., 2005). Em diferentes eventos científicos, sendo que um dos mais importantes foi o Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (UNEP, 1987), a posição dos cientistas é de muita cautela, recomendando o fim das emissões de gases CFC. Em Montreal, foi redigido um documento assinado por vários países e que estabeleceu um cronograma para diminuir o uso do CFC no mundo. O Protocolo de Montreal foi ratificado por 188 países, sendo que em quatro desses países o Protocolo sofreu emendas: Londres (1990), Copenhague (1992), Viena (1995), Montreal (1997). O banimento do uso desses compostos ficou estabelecido para 2040, para países em desenvolvimento, e 2030 para países desenvolvidos. Chuva ácida Outro problema que atinge a ecosfera é a chamada chuva ácida. Os gases NOx e SOx, produzidos por uma série de atividades da sociedade, principalmente as ligadas à combustão, reagem com o vapor de água (H2O) na atmosfera produzindo ácidos como: ácido nítrico (HNO3), ácido sulfuroso (H2SO3) e ácido sulfúrico (H2SO4). 174 qumica_ambiental.indb 174 01/03/12 16:42 Química Ambiental Os ácidos formados depositam‑ se nos solos pela ação das chuvas. Considera‑ se ácida a chuva que apresenta pH inferior a 5,6. Isso porque a chuva é naturalmente ácida devido à presença do ácido carbônico (H2O + H2O H2CO3), com pH de 5,6. As chuvas em regiões industriais da Europa e dos Estados Unidos chegam a apresentar pH da ordem de 3. Na América do Sul, os menores valores para a água da chuva são próximos de 4,7. É interessante destacar que, na região amazônica, já se verificaram chuvas com pH dessa ordem, em razão, provavelmente, da formação de ácido sulfídrico proveniente da oxidação do H2S (gás sulfídrico) produzido nos alagados, ou da formação de ácidos orgânicos, ácido fórmico (HCO2H) e ácido acético (CH3CO2H), na queima de biomassa (BRAGA et al., 2005). Os problemas causados pela chuva ácida são muitos e levam prejuízos para o meio ambiente. Podem ser observados problemas na agricultura, provenientes da acidificação de solos. A lixiviação dos nutrientes e a eliminação de organismos que contribuem para o desenvolvimento do solo são algumas das consequências. Outro dano ao meio ambiente é a acidificação da água, principalmente em lagos de reservatórios voltados para abastecimento e produção de energia elétrica. A água ácida pode provocar o desgaste no concreto, nas tubulações, nas turbinas e nas bombas. Além disso, a acidez pode matar uma grande variedade de peixes. E ainda não se pode esquecer de outro problema sério relacionado à chuva ácida: a destruição da vegetação. Esse é gerado por importantes polos industriais, como ocorre na cidade de Cubatão (SP). Foi necessário instalar um sistema de alerta, um extenso programa para melhorar a qualidade do ar na região e outro para recompor a vegetação destruída nas encostas da região próxima. Desse modo, as indústrias locais estão implantando sistemas de coleta e tratamento de efluentes gasosos, assim como o Estado está reflorestando a região que circunda a cidade. Outro dano extremamente sério provocado pela ‘chuva ácida’ é a destruição de obras civis e monumentos. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 175 175 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina O controle da chuva ácida passa pelas medidas tomadas para controle de emissão de óxido de nitrogênio e de enxofre. Cabe ressaltar que o problema deixa de ser local para ser global, pois as emissões de uma determinada região podem gerar deposições ácidas em outras. Quando essas regiões localizam‑ se em países diferentes, podem ocasionar problemas internacionais. É o caso do continente europeu, onde se discute amplamente esses assuntos em fóruns internacionais. Por exemplo, as florestas da Escandinávia estão sendo destruídas pela poluição gerada na Inglaterra e na Alemanha. Outro exemplo vem dos Estados Unidos e do Canadá. Estima‑ se que 50% da chuva ácida do Canadá vem dos Estados Unidos. É, portanto, uma questão extremamente complexa de ser solucionada em curto prazo. Até agora, você estudou sobre os fenômenos relacionados à poluição global. Mas e a poluição local? Bom, esse será o próximo assunto. Poluição local Como destacado no início desta seção, a poluição local se refere à que ocorre em uma região relativamente pequena, como um bairro ou uma cidade. Existem, então, nessa perspectiva, dois fenômenos bem conhecidos: smog industrial e smog fotoquímico. Conheça cada um deles, a seguir. Smog industrial Esse problema predomina em regiões industriais e onde é intensa a queima de carvão ou óleo para aquecimento doméstico ou para geração de energia elétrica (usinas termoelétricas). 176 qumica_ambiental.indb 176 01/03/12 16:42 Química Ambiental Smog industrial é o tipo de problema típico de regiões frias e úmidas. Os picos de concentração ocorrem exatamente no inverno, em condições climáticas adversas para a dispersão dos poluentes. Um fenômeno meteorológico que agrava o smog industrial é a inversão térmica, quando os picos de concentração de poluentes ocorrem geralmente nas primeiras horas da manhã. Seus principais componentes são o dióxido de enxofre (SO2) e o material particulado (MP). Esses dois compostos podem provocar sérias lesões respiratórias e todos os danos provocados pelo SO2 na atmosfera. Quanto à emissão de MP, existem diferentes tipos de partículas e de gotas formadas por um grande número de substâncias químicas. Os efeitos adversos ao homem e ao meio ambiente podem ser enormes. Esses danos foram apresentados durante a descrição dos problemas da chuva ácida. As grandes partículas, com diâmetro superior a 10 micrômetros, tendem a se depositar rapidamente no solo, não provocando sérios danos ao homem. A maioria das emissões naturais, como poeira e material de vulcões, consiste de grandes partículas. As partículas de tamanho médio, com diâmetro entre 1 e 10 micrômetros, permanecem em suspensão no ar por longo tempo (BRAGA et al., 2005). Muitas das partículas geradas pela queima de carvão em indústrias, em termoelétricas etc. possuem esse tamanho. O maior problema ambiental refere‑ se às partículas finas, com diâmetros inferiores a 1 micrômetro. Muitas delas permanecem no ar, percorrendo diversas regiões da Terra e causando sérios problemas respiratórios. Além disso, a essas partículas estão associados problemas de visibilidade e de mudanças climáticas causadas pela difusão da luz (BRAGA et al., 2005). As cidades sujeitas a esse tipo de smog são as que possuem inverno rigoroso e com intensa queima de óleo, carvão ou outro combustível. Uma característica desse tipo de smog é a formação de uma espécie de névoa acinzentada que recobre as regiões onde ocorre. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 177 177 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Smog fotoquímico Esse problema predomina em centros urbanos, sendo o agente poluidor os veículos. Esse tipo de smog é típico de cidades ensolaradas, quentes e de clima seco. Além disso, os picos de poluição ocorrem em dias quentes, com muito sol. Os gases formados do smog fotoquímico são NOx, CO2 e hidrocarbonetos. Esses gases sofrem várias reações na atmosfera por causa da radiação solar, gerando novos poluentes. Daí o termo ‘fotoquímico’. Destacam‑ se como principais poluentes os óxidos de nitrogênio, os radicais orgânicos PAN (peroxi‑acetil‑nitrato – CH3CO2ONO2), o ozônio e aldeídos. O controle do smog fotoquímico passa pelo controle de emissão de poluentes produzidos pelos meios de transportes. A característica principal do smog fotoquímico é sua cor marrom avermelhada, e seu pico de concentração ocorre por volta das 10 às 14h. As cidades de Los Angeles, Sydney, Cidade do México e São Paulo estão sujeitas a esse tipo de smog (BRAGA et al., 2005). O smog industrial e o fotoquímico podem ocorrer simultânea ou separadamente em determinadas estações do ano; como é o caso de São Paulo, onde é difícil distinguir a predominância de um determinado tipo de smog. Na próxima seção, você vai estudar sobre a fixação de padrões de qualidade do ar, processo extremamente complexo, o qual envolve diversos tipos de problemas. 178 qumica_ambiental.indb 178 01/03/12 16:42 Química Ambiental Seção 3 – Padrões de qualidade do ar Fixar padrões de qualidade do ar requer um longo período de trabalho e de observação. A principal dificuldade é estabelecer o nível crítico de concentração de determinada substância, ou seja, avaliar quando um poluente pode causar danos à saúde humana, principalmente levando‑ se em conta as inúmeras doenças que têm origem na poluição do ar. A legislação brasileira de qualidade do ar segue muito de perto as leis norte‑ americanas. Nos Estados Unidos, o órgão responsável pela fixação de índices é a Environmental Protection Agency (EPA), que estabelece o National Ambient Air Quality Standards (NAAQS). A lei brasileira CONAMA nº 3 de 28/06/90 especifica o nível máximo permitido para diversos poluentes atmosféricos, sendo que a máxima concentração de um poluente é especificada em função de um período médio de tempo. Os limites máximos (padrões) dos poluentes atmosféricos estão divididos em dois níveis: primário e secundário. O primário inclui uma margem de segurança adequada para proteger indivíduos mais sensíveis, como crianças, idosos e pessoas com problemas respiratórios. O secundário é fixado sem considerar explicitamente problemas com a saúde humana, mas levando em conta outros elementos, como danos à agricultura, a materiais e edifícios e à vida animal, mudanças de clima, problemas de visibilidade e conforto pessoal. No Brasil, foi criado o Índice de Qualidade do Ar (IQA), para manter o público informado sobre a qualidade do ar e atuar em situações críticas, quando algum limite é atingido. A Tabela 5.2 mostra a relação IQA versus qualidade do ar. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 179 179 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Tabela 5.2 ‑ Relação do IQA com a qualidade do ar (Cetesb, 1996) IQA Qualidade do ar 0‑ 50 Boa 51‑ 100 Aceitável 101‑ 199 Inadequada 200‑ 299 Má 300‑ 399 Péssima Maior que 400 Crítica Fonte: Braga et al. (2005, p. 176). O IQA é obtido dividindo‑ se a concentração de um determinado poluente pelo seu padrão primário de qualidade e multiplicando‑se o resultado dessa divisão por 100, para que seja obtido um valor percentual. Esse cálculo é feito para todos os poluentes monitorados pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental – Cetesb, que são: CO, MP, SO2, O3 e o produto SO2 x MP. Os parâmetros regulamentados pelo CONAMA são os seguintes: partículas totais em suspensão ‑ TSP, fumaça, partículas inaláveis, dióxido de enxofre ‑ SO2, monóxido de carbono ‑ CO, ozônio ‑ O3 e dióxido de nitrogênio ‑ NO2. Os padrões nacionais de qualidade do ar fixados na Resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90 são apresentados na Tabela 5.3 Tabela 5.3 ‑ Padrões nacionais de qualidade do ar (Resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90) Poluente Partículas totais em suspensão Dióxido de enxofre Tempo de amostragem 24 horas (1) MGA (2) 24 horas MAA (3) Padrão Padrão secundário primário µg/m³ µg/m³ 240 150 80 60 365 100 80 40 40.000 40.000 35 ppm 35 ppm 10.000 10.000 (9 ppm) (9 ppm) Método de medição Amostrador de grandes volumes Pararosanílina Monóxido de carbono 1 hora (1) 8 horas Ozônio 1 hora (1) 160 160 *** Fumaça 24 horas (1) MAA (3) 24 horas (1) MAA (3) 150 60 150 50 100 40 150 50 Refletância Partículas inaláveis Infravermelho não dispersivo Separação inercial/ filtração Fonte: Disponível em <http://www.ecologica.com.br/ecologica/pagina_antiga/air00pqa.htm> Legenda: (1) Não deve ser excedido mais que uma vez ao ano. (2) Média geométrica anual. (3) Média aritmética anual. 180 qumica_ambiental.indb 180 01/03/12 16:42 Química Ambiental A mesma resolução estabelece ainda os critérios para episódios agudos de poluição do ar. Esses critérios são apresentados na Tabela 5.4. Tabela 5.4 ‑ Critérios para episódios agudos de poluição do ar (Resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90) Parâmetros Níveis Atenção Alerta Emergência Dióxido de enxofre (µg/m³) ‑ 24 h 800 1.600 2.100 Partículas totais em suspensão (PTS) (µg/m³) ‑ 24 h 375 625 875 SO2 X PTS (µg/m³)x(µg/m³) ‑ 24 h 65.000 261.000 393.000 Monóxido de carbono (ppm) – 8 h 15 30 40 Ozônio (µg/m³) – 1 h 400 800 1.000 Partículas inaláveis (µg/m³) ‑ 24 h 250 420 500 < Fumaça (µg/m³) ‑ 24 h 250 420 500 Dióxido de nitrogênio (µg/m³) ‑ 1 h 1.130 2.260 3.000 Fonte: Disponível em <http://www.ecologica.com.br/ecologica/pagina_antiga/air00pqa.htm>. De acordo com a tabela 5.4, quando atinge um determinado nível, os efeitos sobre a saúde e as precauções a serem tomadas são as seguintes: Nível de atenção: Efeitos sobre a saúde ‑ decréscimo da resistência física e significativo agravamento dos sintomas em pessoas com enfermidades cardiorrespiratórias; sintomas gerais na população sadia. Precauções ‑ pessoas idosas ou com doenças cardiorrespiratórias devem reduzir as atividades físicas e permanecer em casa. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 181 181 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Nível de alerta: Efeitos sobre a saúde ‑ aparecimento prematuro de certas doenças, além de significativo agravamento de sintomas. Decréscimo de resistência física em pessoas saudáveis. Precauções ‑ todas as pessoas devem permanecer em casa e evitar esforço físico. A população em geral deve evitar atividades exteriores. Nível de emergência: Efeitos sobre a saúde ‑ morte prematura de idosos e pessoas doentes. Pessoas saudáveis podem acusar sintomas adversos que afetam sua atividade normal. Precauções ‑ todas as pessoas devem permanecer em casa, mantendo as portas e janelas fechadas. Todas as pessoas devem minimizar as atividades físicas e evitar o tráfego. Finalmente, é importante considerar que esses padrões de qualidade de ar não são definitivos. Eles devem ser revistos constantemente, tendo em vista, principalmente, a entrada de novos poluentes no ar, que podem alterar seus efeitos adversos. Algumas causas que justificam a dificuldade em fixar limites máximos de concentração de poluentes danosos à saúde humana são destacadas por Miller (1985): a) Existe um grande número de poluentes atmosféricos, sendo difícil estabelecer o efeito separado de cada um. Além disso, a cada dia novos elementos são lançados na atmosfera sem que se tenha informação, pelo menos em um curto intervalo de tempo, dos seus efeitos. b)É muito difícil detectar poluentes com concentração muito baixa e que causam danos à saúde humana. c) Na atmosfera é comum ocorrer o chamado efeito sinergético, ou seja, duas ou mais substâncias, que separadamente podem não ser danosas, têm seus efeitos potencializados quando atuam juntas. Esses efeitos são superiores àqueles que seriam obtidos ,somando‑se os danos provocados por cada poluente em separado. 182 qumica_ambiental.indb 182 01/03/12 16:42 Química Ambiental d)É difícil isolar um fator danoso quando toda a população está exposta a diversas substâncias químicas tóxicas há muitos anos. e) Normalmente é difícil obter registros de doenças e mortes causadas por fatores associados aos poluentes atmosféricos. f) Doenças comuns decorrentes da poluição atmosférica (enfisema, bronquite, câncer etc.) possuem múltiplas causas e longo tempo de incubação, tornando difícil correlacioná‑ las com episódios críticos de poluição do ar. g)Muitas vezes é questionado extrapolar testes de laboratório feitos com cobaias para o homem. Nesta unidade, você estudou as características e a composição da atmosfera, os constituintes da poluição do ar e finalizou com os padrões de qualidade do ar. O momento agora é de realizar as atividades de autoavaliação e retomar os principais conceitos abordados, lendo a síntese. Unidade 5 qumica_ambiental.indb 183 183 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Síntese Nesta unidade, você conheceu as características e composição da atmosfera. Na estrutura da atmosfera é possível observar que, do ponto de vista ambiental, destacam‑ se duas camadas: a troposfera e a estratosfera. Cada uma dessas camadas possui características bem peculiares que a distinguem da outra. Você estudou também sobre os poluentes, que são classificados em primários e secundários. Os primários são aqueles lançados diretamente no ar, exemplos SO2, NO, CO e MP. Os secundários formam‑ se na atmosfera por meio de reações que ocorrem em razão da presença de certas substâncias químicas e de determinadas condições físicas. Por exemplo, o SO3 (SO2 + O2) reage com o vapor de água (H2O) para produzir o ácido sulfúrico (H2SO4), que precipita, originando a chamada chuva ácida. A poluição do ar pode ser global e local, e cada uma abrange um número grande de fenômenos naturais ou antrópicos. Ela pode trazer sérios problemas ambientais e de saúde, por isso devem ser respeitados os índices de padrões de poluentes no ar. 184 qumica_ambiental.indb 184 01/03/12 16:42 Química Ambiental Atividades de autoavaliação Ao final de cada unidade, você realiza atividades de autoavaliação. O gabarito está disponível no final do livro didático. Mas se esforce para resolver as atividades sem ajuda do gabarito, pois assim você estará promovendo (estimulando) a sua aprendizagem. 1) Descreva, de acordo com o que você estudou nesta unidade, a estrutura da atmosfera. 2) Em cidades históricas, como Atenas e Roma, o problema da chuva ácida chega a ser catastrófico. Pesquise sobre esses problemas. 3) O CONAMA nº 3 de 28/06/90 estabelece os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar. Caso não existissem esses padrões, quais doenças a população poderia desenvolver como caso de saúde pública? E quais seriam os efeitos sobre o meio ambiente? Unidade 5 qumica_ambiental.indb 185 185 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Saiba mais Se você desejar, aprofunde os conteúdos estudados nesta unidade consultando as seguintes referências: BRAGA, Benedito et al. Introdução à engenharia ambiental. 2. ed. São Paulo: Person Prentice Hall, 2005. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental – CETESB. Manual para a implementação de um programa de prevenção à poluição, 1998. Environmental Protection Agency – EPA. Pollution prevention (P2) education toolbox – tools for helping teachers integrate P2 Concepts in the classroom. United States Protection Agency – EPA‑ 905‑ F‑ 011. Agosto, 1997. KOTKIN, Bra Dan; KELLER, An En. Environmental science: Earth as a living planet. 3. ed. New York: John Winley & Sons, 2000. LAVILLE, Antoine. Ergonomia. Tradução Márcia Maria Neves Teixeira. 2. ed. São Paulo: E. P. U., 1977. 99 p. MILLER, G. T. Living in the environment. Califórnia: Wadsworth,1985. MOLINA, Merilim; ROWLAND, Sherwland. Air Pollution. Nova York: Mcgraw Hill, 1974. 186 qumica_ambiental.indb 186 01/03/12 16:42 Para concluir o estudo Um dos pontos estruturais desta disciplina que merece ser destacado é a preocupação em demonstrar o equilíbrio existente no meio ambiente, tendo como foco estabelecer, ou não, ligação com atividades antropogênicas. Existem muitos conceitos que devem ser compreendidos e seguidos para que se desenvolva uma atividade com o menor impacto ambiental. Os meios terrestre, aquático e atmosférico estabelecem trocas, equilíbrios e dependências que podem ser alterados pelas atividades humanas. A conclusão a que se chega, analisando todo esse contexto, é a de que toda a atividade realizada pelo homem contribui de forma determinante para uma boa qualidade de vida, presente e futura. A finalização desta disciplina só estará completa se você aplicar esses conceitos na prática, desenvolvendo de forma responsável, todo o conhecimento adquirido durante seu estudo. Fica aqui registrado o desafio. Agora é com você! qumica_ambiental.indb 187 01/03/12 16:42 qumica_ambiental.indb 188 01/03/12 16:42 Referências ALLINGER, Norman L. et al. Química orgânica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 2006. ASSUNÇÃO, João V. de; PESQUERO, Célia R. Dioxinas e Furanos: Origens e Riscos. Revista de Saúde Pública. 1999. BETTELHEIM, Frederick. Introduction to general, organic and biochemistry. 2. ed. New York: Plenum, 2007. BRAGA, Benedito et all. Introdução a Engenharia Ambiental. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. BOON, J. P. The Kinectics of individual Polychlorinated Biphenyl (PCB) congeners in marine organisms; a comparative approach. Universidade Real Groningen. Tese de doutorado. Alemanha, 1986. CAMPOS, Shirley. A química da água. Disponível em <http:// www.drashirleydecampos.com.br/noticias/3518> Acesso em: 10 mai. 2011. COELHO, F. S.; VERENGIA, F. Fertilidade do solo. São Paulo: Instituto Campineiro de Ensino Agrícola, 1976. Companhia de Tecnologia de saneamento Ambiental – CETESB. Manual para a implementação de um programa de prevenção à poluição, 1998. COSTA, Luiz Antonio M. A. da; FLACH, Adriana. A contextualização dos termos ionização e dissociação nos livros. In: Sociedade brasileira de química, Poços de Caldas, p.1-2, 20 maio 2002. DI BERNARDO, L. Métodos e técnicas de tratamento de água. Rio de Janeiro, ABES, 2v. 1993. DI BERNARDO, L; PÁDUA, V.L.; DI BERNARDO, A.S. Desenvolvimento de instalação de laboratório para determinação da dosagem de coagulante na filtração direta. In: IX SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, Porto Seguro, BA. Anais eletrônicos, 2000. DI BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A.S.; CENTURIONE FILHO., P.L. Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. São Carlos. RiMA, 2002. qumica_ambiental.indb 189 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina ELVES FILHO, Manuel. Para saber mais sobre o gelo. Jornal da Unicamp. Edição 356 - 23 de abril a 6 de maio de 2007. Disponível em: <http://www. unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/abril2007/ju356pag04.html>. Acesso em: 20 abr. 2011. Environmental Protection Agency – EPA. Pollution prevention (P2) education toolbox – tools for helping teachers integrate P2 Concepts in the classroom. United States Protection Agency – EPA-905-F-011. Agosto, 1997. GIORDANO, Ghandi. Tratamento e Controle de Efluentes Industriais. 2004. Disponível em <http://www.eccosystems.com.br/2008/artigos/ efluentes/TRATAMENTOECONTROLEDEEFLUENTES28.05.08.pdf> Acesso em: 10 abr. 2011. HICKER, Rolf. Icebergs Newfoundland Floating St Anthony. Disponível em: <http://www.canada-photos.com/picture/icebergs-newfoundlandfloating-st-anthony-212.htm >Acesso em:10 abr. 2011. KOTKIN, Bra Dan; KELLER, An En. Environmental science: Earth as a living planet. 3. ed. New York: John Winley & Sons, 2000. LAURENTI, Ariane. Qualidade da água I. Florianópolis: Imprensa Universitária - UFSC, 1997. LAVILLE, Antoine. Ergonomia. Tradução Márcia Maria Neves Teixeira. 2. ed. São Paulo: E. P. U., 1977. 99 p. LEMBO, Antonio. Química: realidade e contexto. 3. ed. São Paulo: Ática, 2004. MACÊDO, Jorge Antônio Barros de. Introdução à química ambiental. Juiz de Fora: Crq-mg, 2002. 487 p. Disponível em: ??? Acesso em: 07 jun. 2008. MALAVOLTA, Eraldo. Manual de química agrícola: nutrição de plantas e fertilidade de solo. São Paulo: Agronômica Ceres, 1976. MARCONDES. Cuidado para não comprar sandálias falsas coloridas com tinta tóxica. Publicado em 13 dez. 2007. Disponível em: <http:// blogdomrcondes.blogspot.com/2007/12/cuidado-para-no-comprarsandlias-falsas.html>. Acesso em: 25 abr. 2011. MCMURRY, John. Química orgânica. 6. ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005. MILLER, G. T. Living in the environment. Califórnia: Wadsworth,1985. MOLINA, Merilim; ROWLAND, Sherwland. Air Pollution. Nova York: Mcgraw Hill, 1974. MUNDIM, Kleber. Interpretação Física da Função de Onda Molecular. Aula 19. Disponível em: <http://vsites.unb.br/iq/kleber/CursosVirtuais/QQ/aula19/aula-19.htm>. Acesso em 10 abr. 2011. 190 qumica_ambiental.indb 190 01/03/12 16:42 Química Ambiental OSÓRIO, Viktoria k. L; OLIVEIRA, Wanda de. Polifosfatos em Detergentes em Pó Comerciais. Instituto de Química, Universidade de São Paulo. 2001. Disponível em <http://quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2001/vol24n5/18. pdf> Acesso em: 10 abr. 2011. PASSINATO, Cristiana de Barcellos. Forças intermoleculares. Publicado em 30 de junho de 2008. Disponìvel em: <http://crispassinato.wordpress. com/2008/06/03/forcas-intermoleculares/> Acesso em: 10 abr. 2011. ROCHA, Julio Cesar; ROSA, André Henrique; CARVALHO, Arnaldo Alves. Introdução à química ambiental. Porto Alegre: Bookman, 2004. RUSSELL, John B. Química geral. São Paulo: Mcgraw-Hill do Brasil, 1994. SILVA, Claudio Eduardo de Azevedo e; TORRES, João Paulo Machado; MALM, Olaf. Toxicologia das Befenilas Policloradas. 2007. Disponível em<dialnet.unirioja.es/servlet/fichero_articulo?codigo=2685287&ord en=0> Acesso em: 10 abr. 2011. SPERLING, M. V. Lagoa de estabilização. 3º volume. Belo horizonte: UFMG, 1996. USEPA. United States Environmental Protection Agency. Health assessment document for 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and related compounds. Washington (DC): USEPA; 1994 (EPA/600/BP-92/001). WAPEDIA. Eletronegatividade.Conteúdo atualizado em 05 de fev. 2011. Disponível em: <http://wapedia.mobi/pt/Eletronegatividade>. Acesso em: 10 abr. 2011. 191 qumica_ambiental.indb 191 01/03/12 16:42 qumica_ambiental.indb 192 01/03/12 16:42 Sobre a professora conteudista Rachel Faverzani Magnago é doutora em Química Orgânica (2002) pelo Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Catarina. É professora da Unisul, desde 2000, em disciplinas oferecidas nos cursos de graduação em Engenharia Ambiental, Engenharia de Produção, Farmácia e pós-graduação em Engenharia do Controle da Poluição Ambiental e Engenharia de Segurança do Trabalho. Dedica-se à pesquisa e ao ensino nos cursos de Engenharia, com ênfase em energias renováveis, e atua, principalmente, nos seguintes temas: síntese de cristais líquidos, biodiesel e eliminação de resíduos em processos produtivos. Desenvolve, também, pesquisa em síntese de cristais líquidos para aplicação em células combustíveis, placas fotoeletrovoltaicas, polímeros condutores, entre outras. qumica_ambiental.indb 193 01/03/12 16:42 qumica_ambiental.indb 194 01/03/12 16:42 Respostas e comentários das atividades de autoavaliação Unidade 1 1) a) Iodo b) Argônio c) Rb – Rubídio d) Sc – Escândio 2) Considerando que a água é um solvente polar e lembrando que é devido à elevada eletronegatividade do oxigênio e à geometria angular, a água é um bom solvente para solutos polares como etanol (CH3CH2OH), que também é uma molécula polar devido à presença de ligações C-O e O-H, e sua geometria molecular. Nesses casos, as interações fortes soluto-solvente, em que predominam as ligações de hidrogênio, fornecem a energia necessária para superar as forças de interação no soluto etanol. 3) Uma diferença física é que metais conduzem mais facilmente eletricidade e calor do que não metais. Metais são observados sempre em estado sólido (exceção para o mercúrio, que é líquido), enquanto que os não metais existem nos três estados da matéria. Uma propriedade química dos metais é a capacidade de formar composto químico com o átomo de oxigênio e o átomo de hidrogênio, formando os hidroxi compostos, exemplo NaOH. Um elemento não metálico forma composto químico com o átomo de hidrogênio e também com o oxigênio, dando origem a outra classe de compostos, os ácidos, exemplo H2CO3. qumica_ambiental.indb 195 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina H 4) a) H C H P H H Elemento químico Eletronegatividade Carbono (C) Hidrogênio (H) Potássio (K) 2,5 2,1 0,8 A molécula CH3PH2 apresenta três tipos de ligações, que são: C-H, C-P e P-H. Então considere: a diferença de eletronegatividade entre os átomos C e H é de 0,4, sendo essa ligação covalente apolar; a diferença de eletronegatividade entre os átomos C e P é de 0,4, sendo essa ligação covalente apolar; a diferença de eletronegatividade entre os átomos P e H é de 0,0, sendo essa ligação covalente apolar. b) KBr Elemento químico Eletronegatividade Bromo (Br) Potássio (K) 2,8 0,8 A molécula KBr apresenta uma ligação na qual a diferença de eletronegatividade entre os átomos K e Br é de 2,0, sendo essa ligação iônica. c) O H C H C K O H 196 qumica_ambiental.indb 196 01/03/12 16:42 Química Ambiental Elemento químico Carbono (C) Hidrogênio (H) Potássio (K) Oxigênio (O) Eletronegatividade 2,5 2,1 0,8 3,5 A molécula CH3CO2K apresenta quatro tipos de ligações, que são: C-H, C-C, C-O e O-K. Então considere: a diferença de eletronegatividade entre os átomos C e H é de 0,4, sendo essa ligação covalente apolar; a diferença de eletronegatividade entre os átomos C e C é de 0,0, sendo essa ligação covalente apolar; a diferença de eletronegatividade entre os átomos C e O é de 1,0, sendo essa ligação covalente polar; a diferença de eletronegatividade entre os átomos O e K é de 2,7, sendo essa ligação iônica. Unidade 2 1) Usando as regras oficiais da IUPAC, escreva o nome dos compostos para as moléculas dos hidrocarbonetos a seguir. a) 4-Etil-7-isopropil-3,5,8-trimetildecano b) 2-secbutil-1-clorociclopentano c) 4-tercbutil-3-metil-5-propilnonano d) 1-metil-2-hidrobenzeno ou 1,2-metilfenol ou o-metilfenol 2) A gasolina é composta por hidrocarbonetos de 6 a 12 átomos de carbono e até 22% de etanol. O diesel é composto por hidrocarbonetos contendo 15 a 18 carbonos e, devido ao maior peso molecular e à ausência do álcool, seus componentes são menos solúveis em água. Quando a gasolina atinge a água subterrânea por infiltração ou água superficial (lago, rio ou mares), apresenta-se mais solúvel em água do que o diesel, e por isso com maior mobilidade. O etanol, que está presente na gasolina, apresenta ligações polares (O-H e C-O) e geometria, mantendo o caráter polar da molécula e assim sendo solúvel em água, que também é uma substância polar (ligações O-H). Por isso a gasolina apresenta maior velocidade de deslocamento da pluma de contaminação quando comparada com o diesel. 197 qumica_ambiental.indb 197 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina 3) Acompanhe a seguir as respostas. a) 3-etildodecano b) 4-etil-2-fluor-3-metilnonano F c) 1-hidroxipropano HO d) 1-aminoetano H2N e) propilcicloexano 198 qumica_ambiental.indb 198 01/03/12 16:42 Química Ambiental f) ácido p-etilbenzóico O C OH 4) A sujeira que adere à pele, roupas e outras superfícies é geralmente de natureza oleosa. São gorduras, ácidos graxos, óleos lubrificantes, que encerram também partículas de pó, fuligem e resíduos de pele. A água sozinha não consegue remover esse tipo de impureza, principalmente por causa de sua elevada tensão superficial e ineficiente umedecimento. Sabões e detergentes sintéticos são agentes de limpeza devido ao seu caráter anfifílico, que lhes permite atuar como tensoativos e emulsificantes. O modo de atuação dessas substâncias encontra explicação na química dos colóides. A maioria dos textos de caráter geral traz explanações e ilustrações, em diferentes níveis de profundidade, sobre os fenômenos envolvidos. Eles vão desde a formação de micelas em água e o efeito Tyndall (justificativa para o aspecto turvo dessas dispersões) até os mecanismos de interação com materiais oleosos, responsáveis pela remoção da sujeira. O processo de limpeza é facilitado pela agitação mecânica proporcionada manualmente ou pelas máquinas de lavar (OSORIO; OLIVEIRA, 2001). Unidade 3 1) Podem ser dívidas em características físicas, químicas e microbiológicas. Nos aspectos físicos, considere: cor, turbidez, sabor e odor, condutividade elétrica, sólidos totais e temperatura. Os químicos: dureza, pH, acidez e alcalinidade, demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), oxigênio dissolvido (OD), ferro e manganês. Já para os microbiológicos considere os coliformes totais ou fecais. 2) A água salgada dos oceanos, para ser destinada ao uso doméstico, precisa passar por um processo de dessalinização. Os processos tecnológicos disponíveis são caros quando comparados com os processos normalmente utilizados para tratamento da água para uso doméstico. Quanto à água doce, quase não é utilizada para consumo a água existente nas geleiras, pois essas apresentam o inconveniente de estarem localizadas em regiões afastadas dos centros de consumo, o que implica custos para transporte e manutenção. A extração de águas profundas também está sujeita a limitações tecnológicas e econômicas. E ainda temos o problema das águas poluídas. 199 qumica_ambiental.indb 199 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina 3) Eis algumas sugestões: a)fontes de exposição - baterias, cerâmicas, tintas, pesticidas e inseticidas, latas, corantes, munição, cabos, entre outros. Consequências: alteração do sistema nervoso central, cérebro, rins e sistema reprodutor; b)fontes de exposição - termômetros, barômetros, bombas de vácuo, contatos elétricos, extração de ouro, entre outros. Consequências: acúmulo nos rins, fígado, baço e ossos; c) fontes de exposição - galvanização, solda, carvão, fertilizantes, fertilizantes, incineração de lixo, óleo, gasolina, entre outros. Consequências: perda de peso, hemorragia, danos aos rins e fígado, rinofaringite, fibrose dos brônquios, enfisema pulmonar; d)fontes de exposição – solda, corte de materiais, entre outros. Consequências: sonolência, perda de sentidos, vertigens, cefaléia, indisposição estomacal e dificuldades respiratórias; e)fontes de exposição - combustível, entre outros. Consequências: distúrbios visuais, vertigens, dores de cabeça, perturbação digestiva, irritação da mucosas do nariz, cegueira e morte. Unidade 4 1) CTC é a capacidade de troca catiônica, enquanto que a CTA é a capacidade de troca aniônica. A capacidade de troca catiônica ocorre se houver excesso de cargas negativas; o solo é trocador de cátions. Se o excesso for de cargas positivas, mede-se a sua capacidade de troca aniônica. Os solos ricos em matéria orgânica apresentam maior CTC que os solos argilosos, isso devido à presença de grupos carboxílicos (-COOH) nos solos orgânicos. Os grupos carboxílicos apresentam elevada troca de cátions. Os solos com CTC mais elevada retêm nutrientes essenciais às plantas, tais como cálcio, potássio, magnésio etc.; não retêm, entretanto, ânions como os nitratos e cloretos, que podem passar livremente para as águas do lençol subterrâneo. 2) Os solos com pH inferior a 5,5 favorecem a solubilização de metais, tais como alumínio, manganês e ferro, em detrimento do fósforo, que precipita, ficando reduzida à disponibilidade desse nutriente essencial para as plantas. Além disso, a acidez reduz a atividade de bactérias decompositoras de matéria orgânica, diminuindo a quantidade de nitrogênio, fósforo e enxofre contidos no solo. A deficiência desses nutrientes essenciais prejudica o desenvolvimento das plantas e pode aumentar sua sensibilidade à toxidez do alumínio e do manganês. Os valores de pH mais elevados (acima de 6,5) reduzem a disponibilidade de vários nutrientes (Zn, Cu, Fe, Mn, B), podendo provocar sua deficiência nas plantas. 200 qumica_ambiental.indb 200 01/03/12 16:42 Química Ambiental 3) A contaminação ocorre quando os teores de fertilizantes atingem, em níveis tóxicos, a flora, a fauna e o homem, em particular. Já a eutrofização corresponde à superfertilização das águas, que passam a produzir algas que, por competição, eliminam muitas espécies aquáticas e restringem os benefícios que podem ser extraídos da água. Exemplo: eutrofização na Lagoa da Pampulha (MG) e contaminação de solo com fertilizante (SP). Unidade 5 1) A classificação feita de acordo com o perfil de variação de temperatura com a altitude é a mais adequada do ponto de vista ambiental. O ar atmosférico encontra-se, na sua maioria (90%), em uma camada relativamente fina. Essa camada, chamada de troposfera, estende-se até uma altitude que varia entre 10 e 12 km. A troposfera varia em espessura, conforme a latitude e o tempo. No Equador, sua altitude alcança algo em torno de 16,5 km; nos polos, ela possui 8,5 km; e, em latitudes de 45° C, alcança aproximadamente 10,5 km. A troposfera possui importância fundamental do ponto de vista climático, pois é a responsável pela ocorrência das condições climáticas da Terra. O decréscimo da temperatura na troposfera, com a altitude, é de aproximadamente 6,5° C por quilômetro, sendo conhecido por gradiente vertical normal ou padrão. Acima da troposfera encontra-se a estratosfera, cuja linha de transição é a tropopausa. A estratosfera é uma camada importante do ponto de vista ambiental, pois é nela que se encontra a camada mais espessa de ozônio, com uma concentração da ordem de 200 mg/l. Essa camada, rica em ozônio (O3), protege a Terra das radiações ultravioleta provenientes do sol. Os fenômenos que atualmente ocorrem nessa camada e que estão provocando sua destruição serão discutidos posteriormente, em um item específico. Acima da estratosfera encontra-se a mesosfera, tendo como ponto de transição a estratopausa. A mesosfera possui um forte decréscimo de temperatura, registrando-se nela a temperatura mais baixa da atmosfera. A camada acima da mesosfera é chamada de termosfera, e entre a termosfera e a mesosfera situa-se a mesopausa. A termosfera ou ionosfera alcança uma altitude próxima de 190 km e é importante para as telecomunicações. O perfil de temperatura que caracteriza a atmosfera é resultado da estratificação dos gases que se encontram presentes em cada camada, da incidência de radiação solar no nosso planeta e da dispersão dessa radiação de volta para o espaço. 201 qumica_ambiental.indb 201 01/03/12 16:42 Universidade do Sul de Santa Catarina 2) Nesses últimos anos, os principais monumentos históricos sofreram agressões irreparáveis provocadas pelos ácidos. Um exemplo conhecido são as ruínas de Atenas, que se deterioraram nos últimos 40 anos o equivalente ao observado nos 2 mil anos anteriores. Podemos citar inúmeros exemplos de destruição de obras da arte e de deterioração precoce de estruturas civis (pontes, edifícios etc.). Outro problema advindo da presença de H2SO4 na atmosfera é a formação de partículas de sulfato de amônia ((NH4)2SO4). Essas partículas depositam-se no solo ou são dissolvidas pela chuva. Embora esse sal não seja danoso ao homem e sirva como nutriente para os vegetais, o ácido sulfúrico que permanece fixado nessas partículas pode ser inalado, causando sérios problemas respiratórios, como o câncer pulmonar. Em geral, essas partículas são removidas pela chuva em poucos dias ou semanas; todavia, em períodos secos e/ou de inversão térmica, podem ocorrer altas concentrações desses elementos na atmosfera. 3) A população sadia pode demonstrar um decréscimo da resistência física e significativo agravamento dos sintomas em pessoas com enfermidades cardiorrespiratórias, podendo levar à morte as pessoas doentes e mais sensíveis, como crianças e idosos. As pessoas podem vir a desenvolver inúmeras doenças. Os efeitos no meio ambiente são diversos, na agricultura, na água potável, no ar que respiramos, por meio de diferentes fenômenos, tais como a chuva ácida, o buraco na camada de ozônio, o smog industrial e o smog fotoquímico. 202 qumica_ambiental.indb 202 01/03/12 16:42 Biblioteca Virtual Veja a seguir os serviços oferecidos pela Biblioteca Virtual aos alunos a distância: Pesquisa a publicações online www.unisul.br/textocompleto Acesso a bases de dados assinadas www. unisul.br/bdassinadas Acesso a bases de dados gratuitas selecionadas www.unisul.br/bdgratuitas Acesso a jornais e revistas on-line www. unisul.br/periodicos Empréstimo de livros www. unisul.br/emprestimos Escaneamento de parte de obra* Acesse a página da Biblioteca Virtual da Unisul, disponível no EVA e explore seus recursos digitais. Qualquer dúvida escreva para [email protected] * Se você optar por escaneamento de parte do livro, será lhe enviado o sumário da obra para que você possa escolher quais capítulos deseja solicitar a reprodução. Lembrando que para não ferir a Lei dos direitos autorais (Lei 9610/98) pode-se reproduzir até 10% do total de páginas do livro. qumica_ambiental.indb 203 01/03/12 16:42 qumica_ambiental.indb 204 01/03/12 16:42
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