Química Ácido-Base e CO2 na Água

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Química Ambiental
Profa. Dra. Lívia Flório Sgobbi
Química ácido-base da 
água
▪ Fenômenos ácido-base na água envolvem a
doação e a recepção de H+.
▪ Muitas espécies atuam como ácidos, doando H+
e outras como bases recebendo H+.
▪ A água atua como ácido e como base.
Química ácido-base da 
água
▪ Uma espécie importante na química ácido-base
é o íons bicarbonato 𝐻𝐶𝑂3
− que pode atuar como
ácido ou base:
▪ 𝐻𝐶𝑂3
− ↔ 𝐶𝑂3
2− + 𝐻+
▪ 𝐻𝐶𝑂3
−+𝐻+↔ 𝐶𝑂2(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂
Química ácido-base da 
água
▪ Praticamente toda aula tem certo grau de
alcalinidade.
▪ Águas ácidas são menos comuns, exceto em
caso de poluição grave.
▪ A acidez é resultado da presença de ácidos
fracos, como CO2, mas as vezes é causada por
H2PO4
-, H2S, proteínas, etc.
Química ácido-base da 
água
▪ Os ácidos fortes são os maiores contribuintes
para a acidez como forma de poluição.
▪ Exemplo: ácido sulfúrico e clorídrico.
▪ Alguns íons metálicos possuem caráter ácido.
▪ Exemplo: 𝐴𝑙(𝐻2𝑂)6 ↔ 𝐴𝑙(𝐻2𝑂)5 + 𝐻
+
Dióxido de carbono na água
▪ As águas naturais, mesmo as consideradas puras,
contém quantidades significativas de CO2 dissolvidos e
seus ânions derivados.
▪ Devido à presença de CO2 no ar e sua produção a
partir da decomposição da matéria orgânica, o CO2
está presente em todas as águas naturais e residuais.
Dióxido de carbono na água
▪ O pH das águas naturais raramente é igual a 7,0; que
seria esperado para água pura.
▪ A dissolução em água do mar é um mecanismo
importante para redução de CO2 atmosférico
Dióxido de carbono na água
▪ A chuva mesmo livre de poluentes tem caráter
levemente ácido devido ao CO2 da atmosfera.
▪ O CO2 e os produtos de sua ionização, o
𝐻𝐶𝑂3
− 𝑒 𝐶𝑂3
2− tem influência crucial na química
aquática.
▪ Muitos minerais se depositam como sais do íon
carbonato.
Dióxido de carbono na água
▪ Tais equilíbrios exercem forte efeito tampão no pH
da água.
▪ 𝐶𝑂2(á𝑔𝑢𝑎) ⇌ 𝐶𝑂2(𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎)
▪ 𝑀𝐶𝑂3 ⇌ 𝑀
2+ + 𝐶𝑂3
2−
Dióxido de carbono na água
▪ CO2 compõe apenas 0,039% da atmosfera seca.
▪ Como resultado do nível baixo de CO2
atmosférico, a água sem qualquer alcalinidade
contém nível baixo de CO2
Dióxido de carbono na água
▪ A formação de 𝐻𝐶𝑂3
− 𝑒 𝐶𝑂3
2− aumentam a
solubilidade .
▪ Concentrações altas afetam a respiração. O
valor não pode ultrapassar 25 mg/L.
Dióxido de carbono na água
▪ A maior parte do CO2 é proveniente da
degradação de matéria orgânica por bactérias.
▪ A água dissolve o carbonato de cálcio na
presença de CO2 dissolvido.
▪ 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐶𝑎
2+ + 2𝐻𝐶𝑂3
−
Dióxido de carbono na água
▪ A concentração de CO2 varia de acordo com a
localidade e estação do ano.
▪ Para fins de cálculo, a concentração CO2 é de
390 ppm no ar seco.
▪ A 25ºC, a água em equilíbrio com o ar livre de
poluentes contendo 390 ppm tem concentração
de CO2(aq) é 1,276 × 10
−5𝑀 𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦 .
Dióxido de carbono na água
▪ Muitas vezes o CO2 presente na água é
representado por:
▪ CO2 𝑎𝑞 + 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻2𝐶𝑂3 𝐾 = 2 × 10
−3
Uma pequena fração do CO2 𝑎𝑞 dissolvido está
presente como 𝐻2𝐶𝑂3
Dióxido de carbono na água
▪ O sistema CO2 − 𝐻𝐶𝑂3
− − 𝐶𝑂3
2− em água pode
ser descrito pelas equações:
▪ CO2 𝑎𝑞 + 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻
+ + 𝐻𝐶𝑂3
−
𝐾𝑎1 =
[𝐻+][𝐻𝐶𝑂3
−]
[𝐶𝑂2]
= 4,45 × 10−7, 𝑝𝐾𝑎1 = 6,35
Dióxido de carbono na água
▪ 𝐻𝐶𝑂3
− ⇌ 𝐻+ + 𝐶𝑂3
2−
𝐾𝑎2 =
[𝐻+][𝐶𝑂3
2−]
[𝐻𝐶𝑂3
−]
= 4,69 × 10−11, 𝑝𝐾𝑎2 = 10,33
Dióxido de carbono na água
▪ A espécie predominante formada depende do pH
𝛼 significa o mesmo que
grau de dissociação
Concentração total
Dióxido de carbono na água
▪ Substituindo as expressões de 𝐾𝑎1 e 𝐾𝑎2
Dióxido de carbono na água
▪ Os cálculos obtidos por essas expressões mostram:
▪ Para valores de pH significativamente abaixo de
p𝐾𝑎1, 𝛼𝐶𝑂2fica próximo de 1.
▪ Quando pH = p𝐾𝑎1, 𝛼𝐶𝑂2 = 𝛼𝐻𝐶𝑂3−
▪ Quando pH =
1
2
(p𝐾𝑎1 + p𝐾𝑎2), 𝛼𝐻𝐶𝑂3− atinge seu valor
máximo 0,98.
▪ Quando pH = p𝐾𝑎2, 𝛼𝐻𝐶𝑂3− = 𝛼𝐶𝑂32−
▪ Para valores de pH muito acima de p𝐾𝑎2, 𝛼𝐶𝑂32− fica
próximo de 1.
Dióxido de carbono na água
❖ O diagrama mostra que o bicarbonato é a espécie predominante
na faixa de pH pbservada na maioria das águas.
❖ CO2 predomina em águas mais ácidas.
Dióxido de carbono na água
❖ O valor da [CO2(aq)] em água a 25ºC em equilíbrio com o ar
contendo 390 ppm é 1,276 × 10−5𝑀.
❖ Considerando que o CO2 se dissocia parcialmente na água,
produzindo concentrações iguais de 𝐻+ 𝑒 𝐻𝐶𝑂3
−:
CO2+𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻𝐶𝑂3
− + 𝐻+
As concetrações de 𝐻+ 𝑒 𝐻𝐶𝑂3
− são calculadas usando 𝐾𝑎1:
𝐾𝑎1 =
[𝐻+][𝐻𝐶𝑂3
−]
[𝐶𝑂2]
=
[𝐻+]2
1,276 × 10−5
= 4,45 × 10−7
[𝐻+] = 𝐻𝐶𝑂3
− = (1,276 × 10−5 × 4,45 × 10−7)1/2= 2,38 × 10−6
pH = 5,62 
Motivo da água pura que entrou
em equilíbrio com a atmosfera ser ácida
Alcalinidade
▪ A capacidade da água de receber íons 𝐻+ é
chamada alcalinidade.
▪ Fundamental no tratamento de água.
▪ Alcalinidade precisa ser analisada no cálculo de
produtos químicos que precisam ser adicionados
no tratamento.
Alcalinidade
▪ A água de alta alcalinidade tem pH alto e
apresenta níveis elevados de sólidos
dissolvidos.
▪ Tais características podem ser prejudiciais na
água utilizada em aquecedores, processamento
de alimentos e sistemas domésticos de
abastecimento.
Alcalinidade
▪ A alcalinidade atua como tampão de pH e fonte
de carbono inorgânico, ajudando a determinar a
capacidade da água de suportar proliferação de
algas e outras formas de vida.
▪ Serve como indicador de fertilidade da água.
Alcalinidade
▪ As espécies básicas responsáveis pela
alcalinidade da água são:
𝐻𝐶𝑂3
− + 𝐻+⇌ 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂
𝐶𝑂3
2− + 𝐻+⇌ 𝐻𝐶𝑂3
−
𝑂𝐻− + 𝐻+⇌ 𝐻2𝑂
Alcalinidade
▪ Outras substâncias que contribuem menos com a
alcalinidade são amônia e bases conjugadas dos
ácidos fosfóricos, silícico, bórico e ácidos orgânicos.
▪ Com valores de pH inferiores a 7,0, a [𝐻+] na água
diminui a alcalinidade de modo significaivo, sua
concentração precisa ser subtraída no cálculo de
alcalinidade total.
Alcalinidade
▪ A equação completa para o cálculo da alcalinidade em
meio onde os únicos contribuintes são 𝐻𝐶𝑂3
−, 𝐶𝑂3
2− e
𝑂𝐻−:
𝑎𝑙𝑐 = [𝐻𝐶𝑂3
−] + 2[𝐶𝑂3
2−] + [𝑂𝐻−] – [𝐻+]
Alcalinidade total: equivalente à titulação ácida até o
ponto final do alaranjado de metila (pH 4,3), onde tanto
as espécies de bicarbonato, como as de carbonato são
convertidas a 𝐶𝑂2
Pode receber 2 
prótons
Alcalinidade
▪ A distribuição das três formas de alcalinidade da 
água depende do pH:
Alcalinidade
▪ Deve-se distinguir basicidade alta (pH elevado), de
alcalinidade alta (capacidade de receber íons 𝐻+)
▪ Enquanto o pH é um fator de intensidade, a
alcalinidade é um fator de capacidade.
▪ A alcalinidade indica a quantidade de íons na água
que reagem para neutralizar os íons 𝐻+. Uma medida
da capacidade da água de neutralizar ácidos, expressa
a capacidade tamponante da água.
Alcalinidade
Alcalinidade
Calcule o valor de
[𝐻𝐶𝑂3
−]
[𝐶𝑂3
2−]
e
[𝐻2𝐶𝑂3]
[𝐻𝐶𝑂3
−]
para valores de pH 4 e 8,5; a fim de confirmar
as afirmações feitas relativas à natureza das espécies presentes nos pontos
finais das titulações com alaranjado de metila e fenolftaleína.
Contribuições da alcalinidade 
em diferentes pHs
Carbono orgânico dissolvido e 
alcalinidade
Os valores dados podem ser usados para demonstrar, que para o
mesmo valor de alcalinidade, a concentraçãodo carbono total
dissolvido [C] é:
𝐶 = [𝐶𝑂2] + [𝐻𝐶𝑂3
−] + [𝐶𝑂3
2−]
Em pH 7,0: 𝐶 = 2,25 × 10−4 + 1,00 × 10−3 + 0 = 1,22 × 10−3
Em pH 10: 𝐶 = 0 + 4,64 × 10−4 + 4,36 × 10−4 = 6,82 × 10−4
A concentração de carbono inorgânico dissolvido em pH 10 é quase a metade 
que em pH 7,0.
Carbono orgânico dissolvido e 
alcalinidade
Em pH 10, as principais contribuições para alcalinidade são dados
por [𝐻𝐶𝑂3
−], [𝐶𝑂3
2−] e 𝑂𝐻− . 𝑂 𝑂𝐻− 𝑛ã𝑜 𝑝𝑜𝑠𝑠𝑢𝑖 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
Essa diferença na concentração de carbono inorgânico dissolvido
dependente do pH representa uma fonte de carbono com
importância para proliferação de algas, que fixam o carbono de
acordo com as reações:
𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + ℎ𝑣 ⇌ {𝐶𝐻2𝑂} + 𝑂2
𝐻𝐶𝑂3
− + 𝐻2𝑂 + ℎ𝑣 ⇌ {𝐶𝐻2𝑂} + 𝑂2 + 𝑂𝐻
−
Biomassa
Medida de fertilidade
Influência da alcalinidade na 
solubilidade de 𝑪𝑶𝟐
❖ A maior solubilidade do 𝑪𝑶𝟐 na água com alcalinidade elevada
pode ser ilustrada pela comparação de sua solubilidade em
água pura (zero alcalinidade) com sua solubilidade em água
contendo 1,0 × 10−3 NaOH.
❖ O número de mols de 𝑪𝑶𝟐 que se dissolve em 1L água pura da
atmosfera contendo 390 ppm de 𝑪𝑶𝟐 é:
Solubilidade = CO2 aq + HCO3
− = 1,276 × 10−5 + 2,38 × 10−6
Solubilidade = 1,514 × 10−5 𝑀
Influência da alcalinidade na 
solubilidade de 𝑪𝑶𝟐
❖ Na presença de NaOH:
𝐶𝑂2(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻
− → 𝐻𝐶𝑂3
−
Solubilidade = CO2 aq + HCO3
− = 1,276 × 10−5 + 1,00 × 10−3
Solubilidade = 1,01 × 10−3 𝑀
Cálcio na água
❖Entre os cátions mais encontrados em sistemas de água
doce, o cálcio é o de maior concentração.
❖É um elemento chave em diversos processos
geoquímicos, sendo os minerais as maiores fontes deste
íon.
❖Entre os principais minerais estão a gipsita
(𝐶𝑎𝑆𝑂4. 2𝐻2𝑂), a anidrita (𝐶𝑎𝑆𝑂4 ), calcita e aragonita
(𝐶𝑎𝐶𝑂3).
Cálcio na água
❖ Os íons cálcio, magnésio e a vezes o ferro (II) são os
responsáveis pela dureza da água.
❖ A manifestação mais comum da dureza da água é um
precipitado formado pelo sabão na água dura
Cálcio na água
❖ A dureza temporária se deve à presença de íons cálcio e
bicarbonato na água e pode ser eliminada por ebulição:
𝐶𝑎2+ + 2𝐻𝐶𝑂3
− ⇌ 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂
❖Água contendo níveis elevados de 𝐶𝑂2 dissolve o íon cálcio de 
seus minerais:
𝐶𝑂2(𝑎𝑞) + 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐶𝑎
2+ + 2𝐻𝐶𝑂3
−
❖Quando a reação é revertida e o 𝐶𝑂2(𝑔) se desprende da água,
depósitos de carbonato de cálcio são formados.
Cálcio na água
❖Os níveis de 𝐶𝑂2 na água determina a extensão da
dissolução do carbonato de cálcio.
❖O 𝐶𝑂2 que a água consegue receber em equilíbrio com a
atmosfera não é suficiente para responder pelos níveis
de cálcio dissolvido em águas naturais.
❖A respiração dos microorganismos que degradam a
matéria orgânica é responsável pelos níveis elevados de
𝐶𝑂2 e 𝐻𝐶𝑂3
−
Cálcio na água
Dureza da água
▪ Índice de dureza: mede a concentração de íons 
𝐶𝑎2+ e 𝑀𝑔2+ na água.
▪ 𝐷𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 = 𝐶𝑎2+ + [𝑀𝑔2+]
▪ A maior parte do cálcio vem dos minerais 𝐶𝑎𝐶𝑂3
ou 𝐶𝑎𝑆𝑂4 e o magnésio vem do 𝐶𝑎𝑀𝑔(𝐶𝑂3)2
Dureza da água
▪ Existem águas com baixos teores baixos ou
nenhum de 𝐶𝑂3
2− para produzir 𝐻𝐶𝑂3
−
▪ Essas água “moles” têm pHs próximos de 7,0
em relação às águas duras, pois possuem
poucos ânions básicos.
▪ Alguns lagos têm pouco 𝐶𝑎2+ e 𝑀𝑔2+, mas têm
𝑁𝑎2𝐶𝑂3 e portanto o pH é elevado, mas a
dureza baixa.
Exercícios
1) Se a alcalinidade total de uma amostra é de 1,00 × 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐿−1, em
pH 7,0 quais espécies contribuem para a alcalinidade? Qual a
concentração de cada uma delas?
2) Se a alcalinidade total de uma amostra é de 1,00 × 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐿−1, em
pH 10,0 quais espécies contribuem para a alcalinidade? Qual a
concentração de cada uma delas?
3) Defina o índice de dureza da água.
4) Escreva a semi reação balanceada para 𝑂2 quando a matéria
orgânica é oxidada.
5) Como a temperatura afeta a solubilidade de 𝑂2 na água.
Complexação
E
Quelação
Complexação e quelação
▪ As propriedades dos metais dissolvidos em água
dependem da natureza desses metais.
▪ Os metais podem estar ligados a ânions
inorgânicos e compostos orgânicos: Na forma de
complexos.
▪ Exemplo:
𝐹𝑒(𝐻2𝑂)6
2+ + 𝐶𝑁− ⇌ 𝐹𝑒𝐶𝑁(𝐻2𝑂)5
+ + 𝐻2𝑂
Complexação e quelação
▪ Fenômeno de complexação em que o 𝐶𝑁− é o
ligante
▪ Exemplo:
𝐹𝑒(𝐻2𝑂)6
2+ + 𝐶𝑁− ⇌ 𝐹𝑒𝐶𝑁(𝐻2𝑂)5
+ + 𝐻2𝑂
▪ O 𝐶𝑁− é o ligante e há formação de um complexo.
Complexação e quelação
Complexação e quelação
▪ Caso especial: quelação
▪ Ligante possui dois sítios ou mais de ligação
▪ Os quelatos são mais estáveis que os complexos
formados por ligantes monodentados.
▪ A estabilidade tende a aumentar com o número
de sítios
Pirofosfato: Agente quelante
Complexação e quelação
Os ligantes 
encontrados em 
águas residuais e 
naturais
Esses ligantes se complexam com íons metálicos encontrados em
águas não-poluídas. Ex: 𝑴𝒈𝟐+, 𝑪𝒂𝟐+,𝑴𝒏𝟐+, 𝑭𝒆𝟐+, 𝑭𝒆𝟑+, 𝑪𝒖𝟐+.
Se ligam a íons metálicos contaminantes. Ex: 𝑪𝒐𝟐+, 𝑵𝒊𝟐+, 𝑪𝒅𝟐+, 𝒆𝒕𝒄
Complexação e quelação
A complexação exerce diversos efeitos, como
reação redox, hidrólises, descarboxilação,
biodegradação.
Complexação e quelação
A complexação altera o estado de oxidação do
metal e pode resultar na solubilização do metal a
partir de um composto insolúvel.
Complexação e quelação
A formação de composto insolúvel remove íons
metálicos da solução.
A complexação tem forte influência na adsorção,
distribuição, transporte dos metais.
Além de efeitos bioquímicos, como toxicidade,
absorção por plantas.
Complexação e quelação
Os complexos de metais como o ferro (na hemoglobina) e
o magnésio (na clorofila) são essenciais para vida.
Complexação e quelação
Agentes quelantes sintéticos como o EDTA, NTA e citrato
de sódio são produzidos em processos industriais
(galvanoplastia, detergentes, alimentos, etc), são
despejados na água como efluentes.
Complexação e quelação
Existem agentes quelantes naturais como o ácido
etilenodiaminodissuccínico (biodegradável).
Um metabólito da bactéria Amycolatopsis orientalis que habita o
solo.
Este é biodegradável e utilizado como extrator em biorremediação
de solos contaminados por metais.
Complexação e quelação
Os agentes quelantes mais importantes do ponto de vista da
poluição são os aminopolicarboxilatos, como o NTA e EDTA.
EDTA e DTA são poluentes aquáticos comuns.
Devido suas fortes ligações com os íons, são encontrados na
forma ligada, o que exerce influência em seu destino e transporte
ambientais.
NTAEDTA
Complexação e quelação
Dependendo de sua concentração, o EDTA impede que alguns
metais se liguem ao lodo da biomassa, depositando-se com ele
em processos biológicos de tratamento de efluentes.
Os quelatos de EDTA formam a maioria dos efluentes contendo
cobre, níquel e zinco, que acabam incorporados ao lodo.
Complexação e quelação
O EDTA não é biodegradável, mas o NTA pode ser degradado por
bactérias Chlatobacter heintzii, mesmo que complexado.
Complexação e quelação
A presença de agentes complexantes causa preocupação devido
sua capacidade de solubilizar metais da fabricação das tubulações
e de depósitos contendo metais.
A complexação aumenta a lixiviação dos metais e reduz a
eficiência da remoção pelo lodo.
O ferro(III) é mantido em solução pela quelação, sendo essencial
como micronutriente.
Complexação e quelação
Os agentes quelantes não possuem especificidade absoluta para
um determinado tipo de íon.
No entanto, alguns agentes quelantesde origem biológica atingem
quase que especificidade total para determinado íon.
Exemplo: bactérias Anabaena secretam quelantes hidroxamatos
seletivos para o ferro em período de alta proliferação de algas.
Esses organismos observem de forma imediata o ferro quelado,
enquanto que outras algas não absorvem.
Complexação e quelação
▪ Estudo: complexação na água.
▪ Complexo: átomo metálico central combinado
com ligantes neutros ou carregados
negativamente
Número de coordenação:
Número de grupos doadores 
de elétrons ligados ao metal.
Cálculo de concentração 
das espécies
▪ Em pH 11, o EDTA está completamente
desprotonado em sua forma tetranegativa (𝑌4−)
Cálculo de concentração 
das espécies
▪ O pH é um fator importante na quelação, pois
pode haver competição entre 𝐻+ e o metal em
solução.
Cálculo de concentração 
das espécies
▪ O 𝑇3− pode coordenar os três grupos 𝐶𝑂2
− e o
átomo de nitrogênio
Cálculo de concentração 
das espécies
▪ O NTA pode existir em solução, como uma das 4
espécies 𝐻3𝑇 ,𝐻2𝑇
−, 𝐻𝑇2−, 𝑇3− dependendo do
pH
Solubilização de íons 
chumbos de sólidos por NTA
▪ Preocupação com a introdução de agentes
quelantes na água: solubilização de metais
tóxicos.
▪ A extensão da solubilização depende de vários
fatores, como concentração do complexante, pH,
etc.
Efeito do 𝑪𝒂𝟐+ na reação de 
agentes quelantes 
▪ O íon 𝑪𝒂𝟐+ presente na água pode formar um
complexo com um agente quelante.
▪ Ele compete com um metal de um sal
ligeiramente solúvel, como o 𝑃𝑏𝐶𝑂3
▪ Em pH 7,0; a reação entre 𝑪𝒂𝟐+ e NTA é:
𝑪𝒂𝟐+ +𝑯𝑻𝟐− ⇌ 𝑪𝒂𝑻− +𝑯+
Efeito do 𝑪𝒂𝟐+ na reação de 
agentes quelantes 
𝑪𝒂𝟐+ +𝑯𝑻𝟐− ⇌ 𝑪𝒂𝑻− +𝑯+
𝐾´ =
[𝑪𝒂𝑻−][𝑯+]
[𝑪𝒂𝟐+][𝑯𝑻𝟐−]
= 1,48 × 108 × 5,25 × 10−11
𝐾´ é a combinação de
𝐾𝑓 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑪𝒂𝑻
− 𝑒 𝐾𝑎3 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑁𝑇𝐴
𝐾´ = 7,75 × 10−3