2a lista de exercicios

Prévia do material em texto

QUÍMICA E POLUIÇÃO DO SOLO 
1a. Questão: Descreva as alterações físicas e químicas que ocorrem pela conversão de rochas em solo, durante o intemperismo.
O intemperismo é a quebra e alteração de materiais nas proximidades da superfície para produtos que estão mais em equilíbrio com as novas condições físicas e químicas impostas. 
O intemperismo físico é a desagregação da rocha transformando-a em material descontínuo e friável. Alguns dos fatores que influenciam o intemperismo físico são: expansão térmica, alívio de pressão, congelamento, cristalização de sais e atividade biológica.
 O intemperismo químico atua sobre os minerais das rochas através de reações químicas, as quais sob condições naturais são bastante complexas, envolvendo grande número de variáveis: dissolução, hidratação, hidrólise, carbonatação, oxidação e redução, quelatação, resultantes de atividades inorgânicas e/ou orgânicas.
2ª. Questão: 
a) De que forma os nutrientes e a água são retidos no solo, como resultado das estruturas de minerais no solo?
Os mecanismos principais que controlam os níveis dos micronutrientes na solução do solo são a adsorção e a precipitação. A adsorção pode ser reversível, parcialmente reversível ou irreversível, e ocorre na superfície coloidal segundo diversos mecanismos envolvendo ou não troca iônica. A precipitação depende da quantidade do mineral em equilíbrio na solução do solo. Os mecanismos que interagem em ambos os processos são diferentes; entretanto, é muito difícil distingui-los experimentalmente. 
b) Qual o papel das ligações de H neste fenômeno?
Se considera que o volume do hidrogênio é muito pequeno, quando se retira um forma parcial ou total sua carga, o campo positivo desenvolvido em sua proximidade é muito grande, o qual determina que atraia o polo negativo de outra molécula e se estabelece assim uma união ou ponte através deste átomo de hidrogênio.
A ligação de hidrogênio intervém também na união das camadas dos minerais filiticos. Se trata de ligações de alcance muito curto e provêm das uniões que se estabelecem entre os átomos de oxigênio ou grupos OH situados nas superfícies adjacentes. Em espécies como as cloritas e as caulinitas, o reticulado hexagonal de oxigênio coincide com o de hidróxidos da superfície adjacente, de modo que se produzem ligações de hidrogênio.
3a. Questão: 
a) Explique como a matéria orgânica do solo pode servir de tampão para o teor de N no solo, servindo também de lugar para os processos de troca iônica.
Este nitrogênio orgânico é, principalmente, o produto da biodegradação de plantas e animais mortos. Ele é eventualmente hidrolisado à NH4+(nitrogênio inorgânico), o qual pode ser oxidado à NO3- (nitrogênio inorgânico) pela ação das bactérias presentes no solo.
Algumas combinações de compostos orgânicos contribuem até mesmo no desgaste de matéria mineral, o processo pelo qual o solo é formado. Por exemplo, C2O22-, (íon de oxalato), produzido através do metabolismo de fungos do solo, quando presente na água do solo, dissolve minerais, enquanto acelera o processo de desgaste, aumentando assim a disponibilidade de espécies de íons nutrientes.
b) Por que os processos de troca iônica são de suma importância na nutrição de plantas?
O desgaste das rochas e minerais inorgânicos que compõem o solo contribui na formação de coloides inorgânicos. Estes coloides são repositórios de água e nutrientes da planta que estão disponíveis de acordo com suas necessidades.
4a. Questão: De que forma a estrutura e a composição de um solo pode influenciar na decomposição e detoxificação de uma grande variedade de poluentes?
O solo tem sido amplamente utilizado como meio para descarte ou disposição de materiais considerados poluentes; possuindo diferentes capacidades para modificar o impacto potencial de substâncias contaminantes no ambiente, podendo decompor, reter ou inativar tais elementos.
A capacidade dos solos em reter poluentes é relacionada às suas propriedades químicas e mineralógicas, que favorecem ou limitam a retenção de poluentes ambientais. Esta capacidade varia, principalmente, em função do pH, teor de carbono orgânico, Capacidade de Troca de Cátions e mineralogia da fração argila. 
A interrelação entre estas características do solo definem sua maior ou menor capacidade de retenção; e cada uma delas possui maior ou menor importância dependendo do comportamento e características do poluente a ser retido.
5a. Questão: Por que o cálcio se encontra menos disponível para plantas em solos ácidos e básicos, que em solos próximos da neutralidade? 
Os valores de pH dos solos variam grandemente, numa faixa entre 3 a 10. A reação do solo é o fator que, em geral, mas afeta a disponibilidade dos nutrientes às plantas. Sob acidez ou alcalinidade excessiva, entre outros problemas para as plantas, tem-se uma baixa disponibilidade de nutrientes. Portanto, antes do preparo do solo e da adubação, deve-se procurar saber as condições de acidez do solo.
6a. Questão: 
a) Qual é o principal problema que ocorre durante a transformação de uma rocha que contém fosfato em fertilizantes?
Os fertilizantes fosfatados constituem-se em fontes de Cd e de U, além de outros elementos radioativos ao quais os agricultores ficam expostos, normalmente por inalação ou por contato direto com a pele, quando há aplicação manual. Tal exposição pode causar neoplasias pulmonares e câncer de pele.
A contaminação das águas por fósforo apresenta-se como um problema sério e já bastante estudado em países de clima temperado, sendo a origem dessa contaminação, nas décadas de 50 e 60, oriunda da utilização dos detergentes polifosfatados não biodegradáveis. Com exceção das indústrias de limpeza, os argumentos sobre o papel do fósforo na eutrofização das águas foram unânimes na indicação desse elemento como o principal fator de agravamento dos processos de deterioração da qualidade das águas.
b) Dê as equações para a produção dos fertilizantes superfosfato e superfosfato triplo.
- Superfosfato simples:
Ca10(PO4)2F2 + 7H2SO4 + H2O → 3Ca(H2PO4)2.2H2O + 7CaSO4.2H2O + 2HF
- Superfosfato triplo:
Ca10(PO4)6F2 + 14H3PO4 + 10H2O → 10Ca(H2PO4)2.H2O + 2HF
7a. Questão: De que forma a chuva ácida pode afetar a fertilidade de um solo?
A deposição de compostos acidificantes (H2SO4 e HNO3) no solo resulta na alteração do equilíbrio de troca iónica conduzindo a lixiviação de cátions básicos na solução solo. 
A dinâmica da acidificação do solo é muito especifica e depende das características do solo (grau de intemperismo, capacidade de adsorção de sulfato e capacidade de troca catiônica). A acidificação dos solos conduz a um aumento da concentração de alumínio na solução solo e consequentemente aumenta o risco de dano à vegetação. A acidificação do solo e redução do pH também conduzem a mudanças na disponibilidade de nutrientes (magnésio, fosfato, nitrato, amónio). Estas mudanças afetam a fertilidade do solo que pode ser impactante sobre a estrutura e função da vegetação.
8a. Questão: A capacidade de troca catiônica (CTC) de um solo é de 20 centimols/Kg. Qual é a CTC em unidades de milimols por 100g?
9a. Questão: O produto de solubilidade para o sulfeto de chumbo (PbS) é 3 x 10-28. Calcule a concentração de chumbo livre que existe em equilíbrio com o PbS, assumindo que não há outras fontes de Pb e que o íon Pb2+ não reage com a água do solo.
PbS → Pb + S
10a. Questão: De acordo com o Diagrama de Ellingham para óxidos, coloque em ordem decrescente, de acordo com a tendência que têm os seguintes elementos a formar óxidos na Natureza: 
Si, Al, Ca, Na, Ti, Fe, Ag, Mn
Ca > Al > Ti > Si > Na > Mn > Fe > Ag
11a. Questão: Explique o princípio geral dos processos de extração de metais, e de que formas eles contribuem para a contaminação dos solos?
A extração de metais ocorre pela redução química do metal à sua forma elementar.
MX → M + X
Onde M é o metal e X seu ligante. Essa reação é acompanhada por uma variação de energia livre positiva (ΔG). Quanto maior a afinidade do metal por X, maior será o valor deΔG.
A energia livre pode ser adicionada ao meio mediante duas formas: adicionando um agente redutor (R) que se combinará com X, forçando a reação para a direita:
MX + R → M + RX
ou empregando energia elétrica para forçar a reação.
Durante a extração de metais é a retirada do solo fértil e seu posterior recorte. Ao deixar o solo desnudo, pode haver perda de fertilidade e favorecimento da sua compactação. Ao longo da extração de minérios, os solos podem ser contaminados, como é o caso das minerações de chumbo e zinco, as quais possuem grande concentração de arsênio em seus rejeitos. Algumas áreas acabam tornando-se inutilizadas, visto que algumas substâncias podem permanecer por um longo tempo no solo.
12a. Questão: 
a) O que é uma escória? 
A escória é o subproduto da fundição de minério para purificar metais. Pode ser considerada uma mistura de óxidos metálicos, mas também podem conter sulfitos metálicos e átomos de metais na sua forma elementar. As escórias são geralmente usadas como uma maneira de remover impurezas na fundição de metal.
b) Explique como a adição de CaO à fundição de sílica pode reduzir a viscosidade e aumentar a basicidade da escória? 
Óxidos alcalinos (RO, onde R= Ca, Mg, Fe, Na2, K2) reagem com a água para dar compostos hidroxilados que, nos sais fundidos, liberam O2-, que é uma forte base de Lewis. Em outras palavras, os íons poliméricos produzidos quando a sílica (SiO2) é fundida aceitam pares de elétrons de íons óxidos, comportando-se, então, como um ácido de Lewis. Assim, parte da acidez da sílica é neutralizada e, ao mesmo tempo, a polimerização dos íons gigantes na fundição da sílica é reduzida, tornando-a menos viscosa. Uma vez que 2 mols de O2- são necessários para saturar os sítios ácidos da SiO2:
SiO2 + 2O2- → SiO44-
A composição da escória pode ser considerada neutra quando exatamente dois mols de RO forem adicionados para cada mol de SiO2.
c) Quantos mols de CaO teriam de ser adicionados a 1 mol de SiO2 para produzir a escória neutra?
SiO2 + 2CaO → Ca2SiO4
É necessário 2 mol de CaO para 1 mol de SiO2.
13a. Questão: 
a) Quais são as técnicas mais importantes para converter lingotes de ferro em aço?
- Processos pneumáticos: onde o agente oxidante é o ar ou O2.
- Processo Siemens-Martin ou elétrico: onde o agente oxidante são substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro, por exemplo).
b) Compare essas técnicas, em relação:
· ao consumo de energia
o processo pneumático não requer adição de calor, enquanto que no processo elétrico reque a utilização de energia elétrica para promover a oxidação.
c) Que tipos de poluentes esses processos podem gerar?
As usinas produtoras de aço são grandes consumidoras de água e energia, e têm como efeitos a poluição de corpos d´água e emissão de gases de efeito estufa e poluentes atmosféricos locais, como benzeno, material particulado, óxido de enxofre e outros, que podem causar diversos problemas à saúde humana, como câncer, problemas respiratórios, oftalmológicos e dermatológicos.
14a. Questão: Descreva e dê as reações dos processos Bayer e Hall para recuperação do minério da bauxita.
O processo Bayer foi desenvolvido e patenteado em 1888 por Karl Josef Bayer, sendo uma revolução na área metalúrgica. Este processo é utilizado para a refinação da bauxita para a produção de alumina (Al2O3). o processo Bayer inicia pela moagem da bauxita e posterior adição de solução de NaOH, que dissolve o alumínio presente no mineral, sob pressão, em reatores, formando o íon Al(OH)4-. Terminada a parte da digestão, as impurezas permanecem em fase sólida, sendo conhecida como “lama vermelha”. O aluminato de sódio, muito solúvel em água, é separado da lama vermelha por etapas de espessamento, seguidas de filtragem.
Na sequência, a solução contendo Al(OH)4- é precipitado na forma de hidróxido de alumínio Al(OH)3 por meio da adição de uma solução ácida. O Al(OH)3 precipitado é separado por filtração, seco e levado para a calcinação. A calcinação é a última etapa do processo, onde o Al(OH)3 aquecido a aproximadamente 1000 ºC para desidratar e formar, assim cristais de alumina puros, com aspecto arenoso e branco.
A reação para o processo Bayer, é:
2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H2O(l) → 2NaAl(OH)4(aq) + 3H2(g)
Em 1886, o americano Charles M. Hall e o francês Paul Héroult desenvolveram de modo independente um método que é usado até hoje para se produzir o alumínio a partir da alumina. Esse método, que se dá por meio da eletrólise, é chamado de Processo de Hall-Héroult, ou, simplesmente, Processo de Hall, visto que Charles M. Hall o patenteou.
Eles descobriram que a criolita (Na3AℓF6) atua como fundente da alumina, isto é, a criolita consegue baixar o ponto de fusão da alumina a cerca de 1000 ºC. Assim, o processo de Hall-Héroult consiste em colocar a mistura fundida da alumina com a criolita (Aℓ2O3 + Na3AℓF6) num recipiente feito de ferro ou de aço (liga metálica cujo principal constituinte é o ferro), com eletrodos de carbono (pode ser de carvão ou de grafite) mergulhados nessa mistura. Visto que está fundida, a mistura líquida contém os íons Aℓ3+(ℓ) e O2-(ℓ) livres.
A reação para o processo Hall, é:
2 Aℓ2O3(ℓ) → 4 Aℓ3+(ℓ) + 6 O2-(ℓ)
15a. Questão: 
a) Explique com clareza o processo de flotação para concentração dos minérios de Cu baixo grau.
A flotação é composta por três etapas: rougher, cleaner e scavenger-cleaner. A primeira etapa de flotação é a flotação rougher. Neste processo, o rejeito é descartado por gravidade para a barragem de rejeitos e o concentrado, coletado pela espuma, é bombeado para alimentar nova etapa de ciclonagem.
O material flotado das colunas de flotação cleaner é o concentrado final. O rejeito das colunas permanece no circuito e alimenta a flotação scavenger cleaner, cujo concentrado se junta ao concentrado rougher.
É importante ressaltar que este processo apresenta elevada recuperação de cobre: partículas mistas com minerais portadores de cobre são concentradas nos estágios rougher e scavenger cleaner de flotação, moinhos verticais promovem a liberação dos minerais de minério que são concentrados no ciclo de flotação e remoagem pela espuma das colunas cleaner. O circuito de flotação possui recuperação de cobre em torno de 93%, podendo atingir picos de 98% em situações ótimas; o concentrado rougher apresenta teor de cobre variando entre 13 e 17% com recuperação metalúrgica entre 94 a 96%.
b) Que problemas ambientais estão associados com essa técnica, que tem sido utilizada para obtenção do cobre em depósitos onde a concentração de Cu é baixa?
16a. Questão: 
a) Descreva o processo de fundição de minério de cobre.
O refino de cobre começa com trituração e moagem; em alguns locais, isso é seguido pela separação do hidrociclone. A lama então se move para um estágio de flutuação onde os reagentes são adicionados à alimentação.
Os reagentes se ligam às partículas de cobre, tornando-as hidrofóbicas. À medida que as bolhas de ar geradas no fundo do tanque sobem para a superfície, os minerais contendo cobre se ligam às bolhas crescentes. A espuma rica em cobre no topo do tanque é retirada e levada para um estágio de espessamento, que é seguido pela desidratação. O concentrado de cobre resultante normalmente contém cerca de 30% de cobre.
O concentrado de cobre é transportado para uma fundição, onde é purificado a altas temperaturas. O piro processamento começa com um forno de fundição, onde o concentrado é convertido em líquido fundido. As temperaturas nesta fase são tão altas quanto 1200 °C (2300 °F). O líquido quente é então derramado em um forno de sedimentação. O produto final, cobre fosco, contém cerca de 60% de cobre.
b) Que tipos de poluentes são produzidos nesse processo?
Os impactos Ambientais que são decorrentes da extração de minério de cobre podemos destacar os impactos visuais, poluição das águas impacto pela poluição do ar e os impactos relativos aos ruídos, e as medidas para mitigá-los podem ser implementação de UTE, implementação de cortina arbórea, controle de emissões de gases.