Geoquímica das Águas Naturais

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Geoquímica II
Prof. Mestre Tiago Felipe A. Maia
Manaus/2017
Geoquímica das águas naturais e sua ação nos 
materiais geológicos
A água é um líquido muito especial cuja molécula H2O
tem raio de 1,38 Å, pouco maior que o do oxigênio, que
é de 1,35 Å, formando com os dois átomos de
hidrogênio um ângulo de 104,5º. Sendo uma molécula
dipolar as forças de coesão são muito maiores que as de
outros líquidos normais. Ainda, a natureza dipolar das
moléculas confere à água urna constante dielétrica
elevada (78,25 a Τ = 25°C, MATTHESS, 1982), portanto
uma grande atividade como solvente dos compostos
iônicos. É grande o número de substâncias que a água
pode dissolver.
A água é um solvente quimicamente muito ativo capaz
de reagir com o meio percolado incorporando
substâncias orgânicas e inorgânicas. Desta forma,
quando considerados exclusivamente processos
naturais, os principais constituintes presentes nas águas
resultam de processos físicos e químicos de
intemperismo de rochas.
Pontes de Hidrogênio
• As pontes de hidrogênio são mais fracas que ligações covalentes;
Como o oxigênio é mais eletronegativo("força de atração dos elétrons") que 
o hidrogênio, este acaba deixando os elétrons mais próximos dele, formando 
ao seu redor uma nuvem eletrônica negativa (uma carga aparente). 
Assim, os hidrogênios ficam com nuvens positivas caracterizando pólos
distintos; dessa maneira, chegamos a primeira característica dessa molécula: 
ela é um composto Polar.
H2O DISSOLVE ESTRUTURAS 
CRISTALINAS
Solubilidade
• A interação com solutos ocorre porque a água é um líquido polar
• A água pode dissolver:
Sais cristalinos: Interatua com 
íons que unem os átomos do sal
 Compostos orgânicos 
polares (açúcares, 
álcoois, aldeídos, 
cetonas, ácidos) –
formação de pontes de 
hidrogênio com os 
grupos hidroxila ou 
carbonila
FUNÇÕES DA ÁGUA
• TRANSPORTE DE SUBSTÂNCIAS
• FACILITA REAÇÕES QUÍMICAS
• TERMORREGULAÇÃO
• LUBRIFICANTE
• REAÇÕES DE HIDRÓLISE
• EQUILÍBRIO OSMÓTICO
• EQUILÍBRIO ÁCIDO BASE
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COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –
Classificação geral da Água
 A “QUÍMICA” DAS ÁGUAS NATURAIS é complexa e pode ser estudada
sobre diferentes aspectos
- DOCES
CLASSIFICAÇÃO - SALOBRAS
 pela salinidade
- SALGADAS
(CONAMA)
 pelo teor de sólidos (mundial)
:: ÁGUA DE DEGELO - originada da fusão do gelo, com o degelo o aumento do 
nível do mar.
:: ÁGUA DE LASTRO - É a água que é utilizada em navios de cargos, que serve 
de contra- peso para manter a estabilidade e a integridade estrutural. Podendo ser 
um problema grave , pois é transportada de um país para outro e pode disseminar 
espécies " estranhas " potencialmente perigosas e daninhas, vindo a modificar um 
ecossistema.
:: ÁGUA DEIONIZADA - variados graus de eficiência , maioria dos sais foram 
eliminados, por meio de troca iônica.
:: ÁGUA DURA - alta concentração de sais minerais dissolvidos, principalmente 
carbonato de cálcio ou uma combinação de carbonato de cálcio e magnésio.
:: ÁGUA FLUVIAL - as águas dos rios.
:: ÁGUA FREÁTICA - água do lençol subterrâneo que se encontra a pouca 
profundidade com pressão atmosférica normal.
:: ÁGUA INTERSTICIAL - Água contida nos poros da rocha, do mineral, do solo, do 
sedimento, etc.. por embebimento, adsorção ou por tensão superficial na forma de 
água molecular (H2O).
:: ÁGUA ESTRUTURADA - (moléculas de hidroxila) que faz parte da estrutura 
cristalográfica de minerais hidratados como as argilas.
:: ÁGUA METEÓRICA - água que corre ou é derivada da atmosfera.
:: ÁGUA MINERAL - provenientes de fontes naturais , que possua composição 
química ou propriedades físicas ou físico-químicas distintas das águas comuns.
:: ÁGUA PESADA - grande proporção de moléculas como isótopo de deutério de 
hidrogênio em vez do hidrogênio comum , usado em alguns reatores nucleares.
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS
Os componentes das águas afetam seu uso assim como os
poluentes agregados afetam suas características originais
Dois tipos de reações ocorrem usualmente em águas naturais:
1) Reações ácido- -base
As concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na
água são devidas aos fenômenos ácido-base e de solubilidade
2) Reações redox
 Controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na água,
dependendo principalmente do nível de O2 dissolvido
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
A Química Ácido- -Base em ÁguasNaturais
 Sistema CO2/Carbonato
- Explica porque o pH da água não é 7,0 (faixa entre 6,0 – 8,0)
- Envolve diversas reações de equilíbrio
- Relacionado com o parâmetro de qualidade “alcalinidade”
CO2 (g) + H2O (aq) H2CO3(3(aq)
Na água o H2CO3 resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica
H+
FIGURA
http://portuguese.alibaba.com/product--free/calcium-carbonate-107218325.html , acessado 20-05- -13
H2CO3 + HCO3-
CaCO3(s) Ca2+ + CO32-
As rochas calcárias (formadas principalmente por CaCO3) são as principais fontes
do íon carbonato, embora o CaCO3 seja pouco solúvel em água:
CO32- + H2O HCO3- + OH-
O2(g) O2(2(aq)
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação- -redução
1) Dissolução do oxigênio molecular
 Oxigênio molecular se dissolve na água constituindo o agente
oxidante mais importante em águas naturais
A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 25 oC):
Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de
oxigênio dissolvido para se manterem vivos
CH2O (aq) + O2 (aq) CO2 (g) + H2O (aq)
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
Um ex. de reação é a oxidação da MATÉRIA ORGÂNICA
 Responsável pelo consumo de boa parte da “demanda de
oxigênio” na água:
Carboidrato
(fibras de plantas)
 Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de
animais) é oxidada pelo oxigênio dissolvido em água
 Concentração diminuída ...
FUNDAMENTA “Demanda Bioquímica de Oxigênio” (DBO)
A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de
água natural consumir o oxigênio dissolvido
+Bactérias
anaeróbicas2CH2O
matéria orgânica
CH4
metano
CO2
dióxido de
carbono
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
POR OUTRO LADO, em algumas situações
A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre
de forma anaeróbica:
 Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânica
dissolvida na água decompõe- -se sob condições anaeróbicas:
águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagos
profundos
(s) + 15 O2 + 2 H2O 4 Fe3+ + 8SO42- + 4 H+4 FeS2
pirita
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
2) Drenagem ácida de minas
Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminam
águas subterrâneas
 Liberam íons de metais presentes nos minérios
- Interação com o O2dissolvido na água:
- Dissolução dos metais presentes nos minérios
em função do pH da água (valores “ácidos”)
FOTO: http://www.jb.com.br/internacional/noticias/2010/11/19/explosao-em-mina-da-nova-
zelandia-deixa-mais-de-30-desaparecidos/. Acessado 30-08-16.
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
FIGURA:
NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.
Rio Cipó, em MG, que apresenta águas
escuras devido à presença de íons Fe3+
NESSE CASO, conforme a drenagem de águas (inicialmente ácidas), tem
seu pH elevado, formam-se precipitados de Fe(OH)3, marrom-
alaranjado e que colorem a água em seu curso (evidência)
PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -
Reações de oxidação-redução
CÂNCER DE ESTÔMAGO:
 Íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar à formação
de N-nitrosaminas
 N-nitrosaminas (Ex: N-nitrosodimetilamina) podem ser encontradas
em águas potáveis POLUENTE IMPORTANTE(pode ser decomposto por tratamento com UV)
Química das águas naturais
• As reações químicas de alteração mineral dependem do
tempo de contato água/rocha, temperatura, do CO2
disponível e da presença de ácidos inorgânicos e
orgânicos;
• composição física e química das águas subterrâneas irá
refletir a mobilidade e solubilidade dos elementos
envolvidos no processo de intemperismo;
• Os cátions Na+, Ca2+e Mg2+ são móveis e tendem a ser
liberados facilmente por intemperismo;
• K+ é intermediário; Al3+ e Fe3+ apresentam menor
mobilidade e tendem a permanecer no solo.
• Desta forma, os plagioclásios podem constituir fontes de
Na+ e Ca2+ para o ambiente aquático, enquanto que
biotita e feldspato potássico podem ser fontes de Mg2+ e
K+.
Águas Subterrâneas
• A composição física e química das águas subterrâneas 
irá refletir a mobilidade e solubilidade dos elementos 
envolvidos no processo de intemperismo;
• A presença de constituintes dissolvidos nas águas
subterrâneas depende também de fatores externos ao
meio percolado, tal como o clima (Drever, 1997). As
águas pluviométricas podem promover a concentração
ou a diluição dos constituintes iônicos das águas
subterrâneas. Além disso, as águas meteóricas podem
ser importantes fontes de espécies químicas dissolvidas
tais como Cl-, SO4 2- e Na+.
ORIGEM DO CO2
O ataque e a dissolução mineral
• O ataque dos ácidos como H2CO3 , HNO3 , HNO2 ,
H2SO4 e ácidos orgânicos têm grande importância na
formação dos soluções;
• O gás carbônico tem origem quase totalmente na água
proveniente do solo, da respiração de organismos e da
decomposição da matéria orgânica;
• O ácido nítrico e nitroso são provenientes de processos
de nitrificação ou fixação do nitrogênio do ar por
bactérias;
• o ácido sulfúrico origina-se da oxidação de sulfetos e;
• os ácidos orgânicos são produzidos durante o
crescimento das plantas e libertados depois da morte,
ou decomposição da matéria orgânica.
Sais solúveis na águas
• Os mais importantes sais solúveis que ocorrem em 
quantidades relativamente grandes nas rochas, são 
os carbonatos, sulfatos e cloretos, portanto os íons 
mais importantes encontrados nas águas são:
• Ca2+ , Mg2+ , Na+ , Cl- , SO42- e HCO3 -.
A AÇÃO DA ÁGUA NO
INTEMPERISMO QUÍMICO
O intemperismo atuando sobre a rocha, por um certo tempo, promove
a formação do manto de intemperismo ou de alteração, cujo
estudo é feito por meio do perfil de alteração
Tipos de intemperismo:
Físico
Químico
Desagregação das rochas, com
separação dos grãos minerais, antes
coesos. Não ocorrem modificações
químicas e mineralógicas
Processo dominante na alteração
das rochas. Age por meio de
reações entre a água (chuva) e
os minerais Ocorrem modifica-
ções nas composições químicas
e mineralógicas
REAÇÕES ENVOLVIDAS NO INTEMPERISMO QUÍMICO
Equação genérica do intemperismo químico
+Mineral
primário
Solução de
alteração
Mineral +
secundário
Solução de
percolação
Tipos de reações
Reação depende: Leis do equilíbrio químico
Oscilações das condições ambientais
Hidratação
Dissolução
Oxidação
Hidrólise
Hidratação, dissolução e oxidação: reações específicas para
alguns minerais ou grupos de minerais
Hidratação – entrada da molécula de água na estrutura de um mineral
anidrita (CaSO4) Gipso (CaSO4.2H2O)
Dissolução – minerais altamente solúveis (evaporitos)
Halita (NaCl), Calcita (CaCO3)
Oxidação – minerais constituídos por elementos que possuem mais
de um estado de oxidação, como por exemplo Fe, Mn, etc.
Piroxênio (FeIISiO3) FeIIIO3 (hematita)
Hidrólise – reação que melhor caracteriza o intemperismo. Afeta
todos os silicatos (principais constituintes das rochas)
Água dissociada (H+ e OH-) – desloca os elementos (alcalinos e alcalino
terrosos) da estrutura do silicato, que entra em colapso e libera Si e Al
para a solução
Os elementos em solução: em função de sua mobilidade e das condições
de fluxo das soluções e de pH podem ou não se reorganizarem para
formar minerais secundários (p.ex. argilominerais)
Em função do pH
Hidrólise normal - hidrólise
Hidrólise ácida - acidólise
Hidrólise alcalina - alcalinólise
3 H4 SiO4 + Al(OH)3 + (K+ + OH-)
Solução Gibbsita Solução
4 H4SiO4 + Si2Al2O5(OH)4 + 2 (K+ + OH-)
Solução Caolinita Solução
3,2 H4SiO4 + Si3,7Al0,3O10Al 2(OH)2 K0,3 + 2 (K+ + OH-)
Solução Beidellita Solução
Hidrólise
Mecanismo dominante: regiões tropicais, equatoriais e temperadas quentes
pH das soluções entre 5 e 9
Al imóvel
Si e bases comportamento variável
função do fluxo das soluções
3 graus da hidrólise
(1)
(2)
(3)
KAlSi3O8 + 8 H2O
Ortoclásio
2 KAlSi3O8 +11 H2O
Ortoclásio
2,3 KAlSi3O8 +8,4 H2O
Ortoclásio
Reação 1 – Hidrólise total - alitização
 Si e cátions são eliminados
 Permanece Al sob a forma de gibbsita (Al(OH)3
 O Fe também permanece
Reação 2 – Hidrólise parcial - monossialitização
Reação 3 – Hidrólise parcial - bissialitização
 Cátions eliminados totalmente
 Sílica parcialmente (66%)
 Sílica e alumínio se combinam – caolinita (argilomineral 1/1)
 Cátions eliminados parcialmente (87%)
 Sílica parcialmente (46%)
 Sílica, alumínio e cátions se combinam – esmectita (argilomineral 2/1)
(1)
(2)
Acidólise (hidrólise ácida)
Mecanismo: regiões frias, boreais com evolução lenta da matéria orgânica
formação de ácidos orgânicos hidrossolúveis
pH inferior a 5 faixa onde Al (Fe) podem ser solubilizados
graus da acidólise dependem do pH (abaixo de 3 e entre 3-5)
KAlSi3O8 +4 H+
Ortoclásio
9 KAlSi3O8+32 H
2 graus da acidólise
3 H4SiO4 + 4 H2O + (Al3+ + K+)
Solução
6,5 H4SiO4 + 3 Si3,5Al0,5O10Al 2(OH)2 [Al(OH)2]0,5 + (1,5 Al3+ + 9 K+)
Ortoclásio Solução Beidellita aluminosa Solução
Reação 1 –acidólise total - podzolização
 pH inferior a 3 - todos elementos em solução - são eliminados
 Não há formação de minerais secundários
Reação 2 – acidólise parcial - aluminossialitização
 pH entre 3 e 5 – eliminação do alumínio não é completa
 Si e Al podem se combinar para formar argilominerais 2/1 aluminosos
Alcalinólise (hidrólise alcalina)
Mecanismo: pequena representatividade geográfica, regiões áridas e semi-áridas
ocorrência não contínua, soluções com reagentes básicos
pH superiores a 9,6
Dissociação do H4SiO4 H3SiO3-
Alumínio, pelo menos parcialmente como Al(OH)4-
2 graus da alcalinólise
OH-
(1)6SiO2.Al2O3K2O
Ortoclásio
6H3SiO4- + 2Al(OH)4- + 2(K+ , OH-)
solução
OH-
6SiO2.Al2O3K2O
Ortoclásio
(Si2Al)6Na.H2O + 4H3SiO4- + Al(OH)4- + Na+ K+ , OH- (2)
Analcita Solução
Reação 1 –alcalinólise total - solodização
pH superior a 11,3
Sílica e alumínio em solução na forma aniônica
 Não há formação de minerais secundários
Reação 2 – alcalinólise parcial – bissialitização
zeolitização
Meio não é suficientemente alcalino para que todo Al e Si estejam como ânions
 pH entre 9-10 – alcalinidade nítida, meios menos concentrados - bissialitização
 pH superiores a 10, meios mais concentrados, Al na forma aniônica reage com
a sílica para formar um silicato (tectossilicato) - zeolitização
Os tipos de reações hidrolíticas controlam a
formação dos minerais secundários.
Os argilominerais são praticamente onipresentes
e permitem separar os grandes domínios de
alteração em 5 grandes zonas
(associadas ao clima)
Regiões do globo onde inexiste água líquida -14%
(10% zonas recobertas por gelo e 4% zonas áridas)
Regiões frias do globo com degradação lenta da matéria orgânica e
formação de compostos ácidos hidrosolúveis (hidrólise ácida) - 16%
Regiões temperadas, estépicas e semi-áridas (bissialitização) – 39%.
Nas zonas mais secas bissialitização pode ser acompanhada deformação de crostas calcárias (alcalinização)
Regiões tropicais úmidas, com estações secas alternadas. Domínio da
( monossialitização ) - 18%. Nas regiões onde estação seca é marcada
pode ocorrer couraças ferruginosas (lateritização)
Regiões equatoriais muito úmidas, a caolinita pode ser acompanhada
por expressivas quantidades de gibbsita (alitização) – 13%
O intemperismo químico pode ser
interpretado como a tendência do
sistema água/rocha ao alcançar o
equilíbrio físico-químico
Composição das águas
• Somente os íons Na+ , C a 2 + e M g 2 + são transportados pelas
águas, liberados dos silicatos durante a alteração. O K + é retido
por adsorção;
• Uma certa quantidade de SiO2 sob forma de íons de SiO32- ou
H4SIO4 pode estar presente com pH maior que 5;
• O Al3+ com pH<5 e pH>7,5 pode estar em solução em
quantidades muito reduzidas porque grande parte de Al e Si é
fixada para formação das argilas;
• O Fe2+ também está presente em pequenas quantidades, o
restante precipita sob a forma de hidróxidos;
• O SO42+ se forma com a oxidação de pirita e outros sulfetos;
• O Cl- pode provir da biotita, muscovita, hombienda, apatita e
será menor que o Na+ e K +;
• A grande parte dos anions, portanto, será HCO3-, CO32-
proveniente de CO2 dissolvido que, por sua vez, provém de
grande parte do solo.
Links de apresentações usadas na aula
https://pt.slideshare.net/naisaleal/bioquimica-agua-
40835901
https://www.slideshare.net/lucasroberto712/aula-
gua-e-sais-minerais
https://pt.scribd.com/document/339353308/Geoqui
mica-de-Solos-ESALQ-68707-PedogSLID65-64362-pdf
https://www.revistas.usp.br/bigsd/article/viewFile/4
5351/48963