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Resumo de Estrutura e Propriedades II - Química

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AULA 1

Água

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A água é uma das substâncias mais importantes para o planeta e para os seres vivos que nele habitam. Aproximadamente 72% da superfície terrestre é recoberta por água. Considerando o organismo humano, temos 65% de nossa massa formada apenas por esta substância.

 

Água – Estrutura e Características Químicas

A água – do ponto de vista molecular - apresenta uma geometria angular devido a sobra de dois pares de elétrons em cima do átomo de oxigênio. Devido a esta sobra de pares eletrônicos, a água apresenta um dipolo elétrica e assim sendo é classificada como sendo polar. Comparada a substâncias de massa molar semelhante e mesmo tipo de ligação química (ligação covalente), a água apresenta temperaturas de fusão e ebulição elevadas (Tfusão = 0°C, Tebulição = 100°C – isto a 1,0 atm) e uma alta capacidade calorífica (1,0 cal/ g . °C). Estas propriedades são derivadas de suas interações intermoleculares chamadas de pontesouligações de hidrogênio. Devido a estas características, a água possui grande capacidade de dissolver compostos iônicos (p.ex.: sais) e também substâncias polares como ela.

A água é uma das poucas substâncias onde a fase sólida (gelo) é menos densa em relação à fase líquida. Isto ocorre devido ao princípio anômalo da água onde temos uma expansão do volume no processo solidificação num intervalo de 0 a 4°C.

Do total da água que recobre a Terra, 92,7% encontram-se nos oceanos, ou seja, é uma água com grandes quantidades de sais dissolvidos e assim sendo é imprópria ao consumo humano. Do restante da água da Terra, 2,1% estão nas geleiras e indisponíveis aos seres humanos. Apenas 0,7% do total da água é fresca, sendo esta distribuídas entre lagos, rios e aquíferos.

Como você pode ter notado, grande parte da água da superfície da Terra é salobra, ou seja, contém uma grande quantidade de sais dissolvidos e consequentemente é imprópria para o consumo humano, de animais e também para irrigação de áreas agricultáveis.

Uma das possibilidades de tratamento da água salobra para torna-la potável é através da dessalinização por Osmose Reversa, muito utilizada em Israel e na Arábia Saudita.

De maneira simplificada podemos dizer que a dessalinização por osmose reversa consiste em empurrar a água salobra (aplicar pressão) contra uma membrana semipermeável que possui poros de tamanhos definidos que permitem a passagem de água e não permitem a passagem dos íons que compõem os sais. É válido considerar que os íons possuem tamanhos maiores em relação as moléculas d’água.

Equipamento de Osmose Reversa

 

AULA 2

Comportamento Anômalo da Água

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A água é uma das substâncias químicas mais extraordinárias da face da Terra. De fórmula molecular simples – H2O – possui apenas dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, sendo então classificada como uma substância composta.

É o líquido mais importante de nossas existências e tem papel importantíssimo na física, química, biologia e também na geociência. O que torna a água uma substância única não é apenas a sua importância para os seres humanos, mas o seu comportamento anômalo e suas propriedades macroscópicas.

Podemos observar que a grande maioria das substâncias sofrem um processo de dilatação (diminuição de volume) com o aumento da temperatura e uma contração (diminuição do volume ), com a diminuição da temperatura. Desta forma, a densidade da fase sólida é maior quando comparada com a densidade da fase líquida.

 

Para grande parte das substâncias, temos:

d (sólido) > d (líquido)

 

A água não é diferente, ou seja, também sofre dilatação com o aumento da temperatura e contração com a diminuição. Porém, num intervalo pequeno de temperatura, de 4 a 0°C, a água sofre uma dilatação. Assim sendo, a densidade da fase sólida é menor quando comparada à densidade da fase líquida.

 

Anomalia da água

0°C < Temperatura < 4°C

d (sólido) < d (líquido)

ou ainda

d (gelo) < d (água líquida)

 

 

Observando a equação da densidade, conseguimos verificar claramente essa variação da densidade em relação a estas duas fases de agregação:

Isolando a massa na equação da densidade, temos:

 

Podemos notar que para uma mesma massa (mconstante), densidade e volume são grandezas inversamente proporcionais, ou seja, quando se aumenta o volume pelo processo de expansão da água, a densidade diminui para que a massa seja constante.

A 0°C a água líquida apresenta uma densidade igual a 1,0 g/mL, enquanto a água no estado sólido (na mesma temperatura) apresenta densidade de 0,9 g/mL. Note que densidade do gelo é 90% da densidade da água líquida.


A anomalia da água explica o motivo pelo qual o gelo flutua num copo contendo água.

 

Você provavelmente já viu em filmes ou então já viajou para países onde a temperatura chega a 0°C (ou abaixo disso), sabe que é possível patinar na superfície do gelo e também pescar fazendo um buraco na placa de gelo. Isso é possível devido ao gelo ter essa menor densidade e formar então uma “capa” logo acima da água líquida. Graças a esta menor densidade do gelo, a vida marinha é mantida sem alterações e fica protegida de temperaturas muito baixas.

Podemos observar também que quando o gelo derrete num copo com água até a boca, não há transbordamento. Isso pode ser explicado devido ao processo de contração da água quando esta aumenta de temperatura. É por este motivo que podemos ficar despreocupados em relação ao derretimento de icebergs em relação ao nível do mar, ou seja, este não será alterado. O grande problema mesmo é o derretimento do gelo que está contido fora da água (gelo continental), este sim pode alterar o nível das marés.

 

 Explicação química para o princípio anômalo da água

Quimicamente a água é uma substância polar que realiza interações entre suas moléculas chamadas de ligações ou pontes de hidrogênio.

Devido as ligações de hidrogênio, a água assume um arranjo tridimensional organizado e quando se inicia o processo de solidificação cada molécula precisa assumir um espaço em relação a outra e o que acarreta na formação de cavidades abertas entre as moléculas, aumentando o volume (dilatação) da fase sólida.

AULA 3

Qualidade da Água

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Um dos padrões importante de qualidade da água é a quantificação de oxigênio dissolvido.

A 1,0 atm de pressão e a 20°C, a saturação máxima de oxigênio na água é equivalente a 9 ppm, ou seja, uma quantidade equivalente a 9 mg de oxigênio dissolvido em 1 L de água.

Quando uma certa quantidade de matéria orgânica é adicionada a um corpo d’água (esgoto, por exemplo) os micro-organismos a degradam com consumo do oxigênio dissolvido. Chamamos este processo de degradação aeróbica (ou aeróbia) que transforma a matéria orgânica em produtos oxidados como o dióxido de carbono (CO2), a água, íons bicarbonato (HCO3-), nitratos (NO3-), fosfatos (PO43-) e também sulfatos (SO42-). Quanto maior a carga de matéria orgânica, maior é o consumo do oxigênio dissolvido e mais poluído é o corpo d’água.

O parâmetro que mede este consumo de oxigênio é conhecido por DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio – e é expresso em miligramas de oxigênio (O2) por litro de água. Quanto maior o valor de DBO, mais poluída é a água.

Os micro-organismos conseguem sobreviver com menos de 1 mg de O2/ L de água; por outro lado, peixes requerem de 3 a 4 mg de O2/ L (no geral).

Quando a quantidade de oxigênio dissolvido é muito baixa, a degradação da matéria orgânica é feita por micro-organismos anaeróbicos, sendo os produtos de degradação principalmente a amônia (NH3), o metano (CH4), o sulfeto de hidrogênio (H2S) e também fosfinas (PH3). Neste evento, a água passa exalar um forte cheiro de ovo podre devido a formação de H2S além de tornar-se turva.

AULA 4

Tratamento de Água

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O processo de tratamento de água doce de reservatórios ou então retirada diretamente da natureza e consiste na retirada de resíduos orgânicos, metais pesados (chumbo, cádmio, entre outros), sais dissolvidos, partículas em suspensão e principalmente microrganismos que possam causar doenças que afetam diretamente o homem, como por exemplo os causadores de diarreia, hepatite, cólera e também febre tifoide.

Separamos o tratamento de água em duas etapas:

  • Primeira Etapa: Separação Física
  • Segunda Etapa: Química/ Biológica

Na primeira etapa de separação, a água entra na estação de tratamento e sofre peneiração com auxílio de tanques de areia e brita para retirada de partículas de tamanho considerável. Em seguida, a decantação é realizada em tanques de sedimentação para a deposição da sujeira que não conseguiu ser retirada na primeira parte do processo.

Finalizando esta primeira etapa, temos a aeração que consiste na adição de ar comprimido a água para retirada de compostos químicos que podem conferir cheiro e sabor.

Na segunda etapa do tratamento, a água na ausência de partículas em suspensão, passa por um processo de pré-cloração, onde cloro é adicionado para a retirada de metais e de matéria orgânica; em seguida temos a pre-alcalinização onde a água recebe cal (CaO) ou soda (Na2CO­3) para ajustar o valor do pH da água em tratamento.

Passamos agora para o processo de coagulação que consiste na adição de agentes coagulantes como o sulfato de alumínio ou cloreto de ferro III. Estes compostos quando em contato com a água geram substâncias que possuem uma característica gelatinosa (coloides). A agitação mecânica vigorosa nesse processo tem por finalidade a desestabilização elétrica, ou seja, formação de cargas elétricas de sinais opostos nas partículas de sujeira e no coloide, facilitando o processo de agregação entre as mesmas.

Em seguida, a floculação é processo de agitação lenta da água para que as partículas possam se agregar para a formação de flocos que retém partículas de sujeira que são decantadas num processo posterior.

Para garantir que todas as partículas sejam retiradas uma filtraçãoé realizada após a decantação.

Corrige-se novamente o pH pelo processo de pós-alcalinização para evitar corrosão ou formação de incrustações nas tubulações.

Uma nova adição de cloro ou hipoclorito de sódio é realizada para a desinfecção da água, ou seja, retirada de bactérias ou vírus causadores de doenças.

Por lei, a água de abastecimento público deve conter “flúor”, sendo assim, na etapa de fluoretação adiciona-se sais que contenham íons fluoreto (F-).


Esquema de tratamento de água fornecido pelo site da SABESP:

 

 

 

AULA 5

Tratamento de Esgoto

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O tratamento de esgoto consiste na remoção de agentes poluentes presentes na água e realizado por processo chamado de lodo ativado – processo estritamente biológico e aeróbio.

Separa-se em duas fases: fase líquida e fase sólida.

Na fase líquida, a água coletada pela rede de esgoto passa através de grades para a remoção de sólidos de tamanho considerável (galhos de árvores, garrafas PET, entre outros) que em seguida seguem para a caixa de areia para remoção de areia/ terra que chega juntamente com a água de esgoto na estação de tratamento.

A sujeira não retirada pela caixa de areia fica retida no decantador primário. A água então segue para o tanque de aeração onde recebe ar comprimido; este por sua vez causa a multiplicação de microrganismos que ao multiplicarem-se consomem a matéria orgânica formando aquilo que os técnicos denominam de lodo(lodo tóxico com a presença de óxidos) reduzindo-se assim a carga de matéria orgânica da água.

Finalizando essa etapa do processo, a água segue para os decantadores primários onde temos a remoção de cerca de 90% das impurezas contidas inicialmente no esgoto. Esta água evidentemente não é própria para o consumo humano, mas pode ser utilizada para lavagem de calçadas e ruas ou para regar plantas.

A fase sólida consiste no tratamento dos lodos primários e secundários gerados na primeira parte do tratamento.

Após serem adensados, ou seja, concentrados pelo processo de flotação (injeção de ar comprimido e separação da água de fase sólida), o lodo segue para o processo de digestão, onde microrganismos anaeróbios degradam a matéria orgânica com geração de gás metano e água.

Após a digestão, o lodo resultante é prensado nos filtros prensa para retirada de água. O lodo desidratado é então enviado para aterros sanitários.

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