9. QUIMICA AQUATICA

Introdução

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor apresenta a disciplina de química ambiental e introduz o tema da aula, que é a química aquática.

• A disciplina de química ambiental é dividida em dois grandes blocos: química atmosférica e química aquática.

• A química aquática é uma química de substâncias dissolvidas em água líquida presente no planeta.

• A química aquática não acontece somente nos grandes reservatórios clássicos como os lagos, rios e oceanos, mas também em regiões como os interstícios do solo.

Fundamentos das soluções aquosas

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor discute os fundamentos das soluções aquosas.

Definição de solução

• Uma solução é uma mistura homogênea com uma única fase física.

• Em qualquer porção analisada, as mesmas características e proporções das substâncias misturadas são encontradas.

• O solvente é a substância presente em maior quantidade na mistura homogênea. Na maioria dos casos de soluções aquosas, o solvente é a água.

Características das soluções

• As propriedades originais da água podem ser modificadas pela presença dos solutos na solução.

• Algumas propriedades acabam sendo alteradas de maneira leve e outras podem ser alteradas significativamente.

Distinção entre solução e suspensão

• É importante esclarecer a diferença entre solução e suspensão.

Dissolução de compostos iônicos

• O professor aborda os mecanismos químicos que estão por trás da formação de soluções e quais as características dessas soluções.

• É feita uma lista das principais substâncias iônicas inorgânicas presentes nas águas naturais.

Dissolução de compostos químicos moleculares

• O professor fala sobre os princípios e critérios a partir dos quais compostos sólidos moleculares dissolvem.

• Também é abordada a dissolução de gases, incluindo a lei que governa isso, que é a lei de Henry.

Misturas Homogêneas e Heterogêneas

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor explica a diferença entre misturas homogêneas e heterogêneas. Ele também discute como a concentração de uma solução é medida.

Misturas Homogêneas e Heterogêneas

• Uma mistura homogênea tem uma distribuição uniforme de solvente e soluto em toda a mistura.

• Em uma mistura heterogênea, é provável que haja partes com diferentes concentrações de soluto.

Concentração de Soluções

• A concentração de uma solução pode ser dada em mol de soluto por litro de solução ou miligramas de soluto por litro de solução.

• As concentrações podem ser medidas em massa ou volume.

• A água é sempre a substância presente em maior quantidade em uma mistura aquosa.

Exemplos Práticos

• Os rótulos das garrafas podem fornecer informações sobre as concentrações dos componentes da mistura, como miligramas por litro ou porcentagem do componente na mistura.

Soluções e Suspensões

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor explica a diferença entre soluções verdadeiras e suspensões. Ele também discute as soluções coloidais e apresenta exemplos de partículas que podem ser encontradas em suspensão.

Diferença entre soluções verdadeiras e suspensões

• Em uma solução verdadeira, as partículas do soluto têm um tamanho semelhante às moléculas de água.

• Em uma suspensão, as partículas dispersas são maiores do que as moléculas de água e tendem a sedimentar.

• As soluções coloidais são uma área de transição entre soluções verdadeiras e suspensões.

Exemplos de partículas em suspensão

• As partículas em suspensão podem incluir micro-organismos, células, agregados de células como algas e bactérias, argila e macromoléculas como proteínas, oligossacarídeos e açúcares grandes como amido e celulose.

• Algas, bactérias e micro-organismos têm um papel importante nas transformações químicas que ocorrem na água natural.

• Partículas de argila tendem a ser estabilizadas pela água.

• Macromoléculas são compostos por centenas ou milhares de diátomos. As proteínas, oligossacarídeos e açúcares grandes como amido e celulose são exemplos de macromoléculas.

• A cianobactéria é um exemplo de uma suspensão de microrganismos.

Efeitos visuais das suspensões

• Partículas em suspensão podem parecer soluções verdadeiras, mas têm partículas maiores que as moléculas de água.

• Suspensões podem dar efeitos visuais claros ou sedimentação.

Química em Solução Aquosa

Visão Geral da Seção: Nesta seção, o professor explica como a polaridade das moléculas de água influencia a dissolução de substâncias em soluções aquosas. Ele também discute como compostos iônicos são dissolvidos em água.

Dissolução de Compostos Iônicos

• Compostos iônicos são sólidos com partículas positivas e negativas.

• A polaridade das moléculas de água permite que elas interajam com os íons positivos e negativos do composto iônico.

• As moléculas de água arrancam os íons do composto sólido, formando uma camada ao redor dos íons.

Solvatação de íons em compostos iônicos

Visão geral da seção: Nesta seção, o palestrante discute a solvatação de íons em compostos iônicos e como ela afeta o balanço energético do processo.

Solvatação de íons positivos e negativos

• A solvatação é um processo importante que envolve a formação de uma camada protetora ao redor dos íons para impedir que eles se agreguem novamente.

• A solvatação dos íons positivos e negativos é um processo exotérmico que libera energia.

Balanço energético na dissolução de compostos iônicos

• O processo de dissolução de compostos iônicos envolve a separação dos íons, o que requer energia e torna o processo endotérmico.

• No entanto, a solvatação dos íons pela água libera energia, tornando o processo exotérmico no geral.

• Nem todos os compostos iônicos são solúveis em água, pois isso depende do balanço energético entre a energia necessária para separar os íons e a energia liberada na solvatação.

Conclusão

A capacidade das moléculas de água interagirem com partículas de compostos sólidos iônicos permite que ocorra a dissolução desses compostos através da solvatação dos seus íons. O balanço energético entre as energias necessárias para separar os íons e a energia liberada na solvatação determina se um composto iônico é solúvel em água ou não.

Equilíbrio de Dissolução e Precipitação

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor explica o conceito de equilíbrio de dissolução e precipitação, bem como a regra do produto de solubilidade.

Conceito de Equilíbrio de Dissolução e Precipitação

• A dissolução pode ser parcial, resultando em um processo de equilíbrio onde uma parte do sólido dissolve enquanto outra permanece sem dissolver.

• Compostos pouco solúveis são caracterizados por equilíbrios químicos de dissolução precipitação.

• O processo pode ocorrer nos dois sentidos: dissolução (da esquerda para a direita) ou precipitação (do sentido contrário).

• O equilíbrio é caracterizado pela regra do produto do íon A vezes a concentração do íon B no equilíbrio igual a uma constante chamada produto de solubilidade.

• O produto entre a concentração dos íons A e B precisa ser igual à constante no equilíbrio.

Categorias Principais de Compostos Iônicos Pouco Solúveis

• Os hidróxidos dos elementos metálicos, com exceções dos metais alcalinos e alcalino terrosos, formam compostos iônicos pouco solúveis em água.

• Os sulfetos também são compostos iônicos pouco solúveis, formados por metais com S2-.

• Os carbonatos dos elementos alcalinos terrosos, como cálcio e magnésio, também são compostos iônicos pouco solúveis.

Compostos Iônicos e Íons Presentes na Água

Visão Geral da Seção: Nesta seção, o professor discute compostos iônicos e os íons mais comuns encontrados em águas naturais.

Compostos Iônicos

• Os metais das duas primeiras colunas da tabela periódica formam compostos solúveis com hidróxido e feto.

• Os metais da segunda coluna formam outros compostos iônicos, como carbonatos.

Íons Presentes na Água

• A presença de cargas elétricas livres confere à água um certo caráter condutor.

• Na coluna da esquerda, temos os cátions mais abundantes nas águas naturais: sódio, potássio, cálcio, magnésio e amônio.

• Na coluna da direita, temos os ânions mais abundantes: cloreto, nitrato, nitrito, sulfato, carbonato-bicarbonato e sulfeto-bissulfeto.

• O fosfato também está presente em várias formas.

Condutividade Elétrica da Água

• A condutividade elétrica é medida em microsiemens por centímetro (µS/cm).

• A água pura praticamente não existe na natureza e apresenta uma condutividade inferior a 0.05 µS/cm.

• A condutividade elétrica da água varia de acordo com a origem da água natural. Águas minerais e potáveis apresentam maior concentração de íons dissolvidos do que a água de chuva.

Solubilidade em Água

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor explica a solubilidade de compostos moleculares em água e como isso depende da polaridade das moléculas.

Compostos Moleculares Polares

• Moléculas polares são solúveis em água.

• A quantidade máxima que pode ser dissolvida depende do grau de polaridade das moléculas do soluto.

• O tamanho da molécula também é importante para a solubilidade.

Compostos Moleculares Apolares

• Moléculas apolares não são solúveis em água.

• O tamanho da molécula é um fator importante na solubilidade.

Tamanho das Moléculas

• Às vezes, as moléculas são tão grandes que mesmo sendo polares acabam sendo praticamente insolúveis em água.

• O aumento das dimensões das moléculas diminui a solubilidade.

Temperatura e Solubilidade

• A temperatura favorece a solubilidade de sólidos e líquidos moleculares e iônicos.

Gases

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor discute sobre os gases e suas propriedades.

Propriedades dos Gases

• Os gases têm volume variável e forma indefinida.

• Eles podem ser comprimidos facilmente.

• Eles preenchem completamente qualquer recipiente que os contenha.

Leis dos Gases Ideais

Lei de Boyle-Mariotte

• A pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume, mantendo a temperatura constante.

Lei de Charles-Gay-Lussac

• O volume de um gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta, mantendo a pressão constante.

Lei de Avogadro

• O volume ocupado por um gás é diretamente proporcional ao número de moléculas do gás, mantendo a pressão e a temperatura constantes.

Equação dos Gases Ideais

• A equação dos gases ideais relaciona as variáveis ​​de pressão, volume, temperatura e quantidade de matéria.

• PV = nRT (pressão x volume = número de mols x constante universal dos gases x temperatura).

Conclusões

• As leis dos gases ideais são importantes para entender o comportamento dos gases em diferentes condições.

• A equação dos gases ideais é uma ferramenta útil para calcular as propriedades dos gases.

Polaridade e Solubilidade

Visão Geral da Seção: Nesta seção, o palestrante discute a relação entre polaridade e solubilidade de gases em água.

Polaridade e Solubilidade de Gases

• Moléculas polares tendem a ser mais solúveis em água do que moléculas apolares.

• A maioria dos gases presentes na atmosfera é apolar, mas ainda assim alguns gases apolares podem dissolver-se em água em pequenas quantidades.

• A dissolução de um gás em água pode ser explicada pelo Princípio das Interações Dipolo-Dipolo Induzido.

Lei de Henry

• A Lei de Henry permite prever a quantidade de um determinado gás que pode ser dissolvido em água.

• A concentração do gás X que pode ser dissolvido em água é igual à pressão parcial desse gás na atmosfera multiplicada por uma constante específica do gás (chamada constante DM).

• As constantes DM dependem da temperatura e podem ser calculadas em várias unidades.

• É importante lembrar que as unidades da concentração do gás na atmosfera e da constante DM devem estar consistentes para usar a Lei de Henry corretamente.

Lei de Henry e Solubilidade dos Gases

Visão geral da seção: Nesta seção, o professor explica a solubilidade dos gases em água e como a Lei de Henry fornece apenas a solubilidade máxima. Ele também discute como a concentração do gás pode variar dependendo do tempo e das condições.

Solubilidade Máxima dos Gases

• A Lei de Henry fornece apenas a solubilidade máxima de um gás em água a uma determinada temperatura.

• Isso não significa que a concentração do gás sempre terá esse valor, pois o gás pode ser consumido, como no caso do oxigênio.

Concentração Atmosférica e Cinética do Processo

• A concentração atmosférica de um gás é constante, mas as moléculas dissolvidas são repostas ao longo do tempo.

• A cinética do processo é lenta, então às vezes pode haver situações em que a quantidade de oxigênio na água é praticamente nula.

Medição da Concentração

• Para medir exatamente qual é a concentração naquele momento em um corpo d'água, os biólogos usam aparelhos para medir.

Aceleração da Cinética de Dissolução

• Para acelerar o processo de dissolução de um gás em água, pode-se fazer borbulhamento ou provocar turbulências para facilitar o contato entre o gás e a água.

Dependência da Solubilidade com a Temperatura

• A dependência da solubilidade de um gás com a temperatura é de proporcionalidade inversa, ou seja, quanto mais quente o líquido, menos solúvel é o gás.

Substâncias que Reagem com a Água

• Algumas substâncias reagem com a água, como o gás carbônico, que se dissolve em água e logo em seguida reage com ela para formar o ácido carbônico.

• É importante prestar atenção nessa reação porque ela será retomada nas próximas aulas.

Recomendação de Aula

• O professor recomenda assistir uma aula de 30 minutos na plataforma e-aulas da USP sobre o ciclo hidrológico e algumas informações gerais sobre a presença de água no nosso planeta. Essa aula é obrigatória e terá questões na lista de exercícios e prova.