Distribuição e ciclos da água

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Ensino de Química
Distribuição e ciclos da água
Objetivo: discutir a relevância global da água.
A água é um recurso natural essencial para a vida, tanto que a procura de
vida em outros planetas em geral passa pela procura da presença de água. Por
exemplo, a chamada zona habitável é definida como a região em que a orbita
planetária permite a existência de água líquida na sua superfície. A água é um tema
extremamente multidisciplinar, com vertentes mais técnicas e outras mais ligadas ao
estudo do impacto do uso e de sua distribuição. Temas como aquecimento global,
tratamento de resíduos, transmissão de doenças e produção de alimentos são
alguns dos que dependem diretamente da distribuição e uso de água no planeta.
Em nosso curso teremos uma visão química da água. A água será usada
como molécula central na discussão de fenômenos de mudanças de fase, modelos
atômicos, interações intermoleculares, solubilidade entre outros. Trataremos da
natureza da ligação química da água e suas particularidades. Nesta primeira aula
discutiremos algumas questões de natureza interdisciplinar relacionadas a água.
Estes assuntos podem ser usados, por exemplo, para fomentar um maior interesse
por temas fundamentais e por isso considerados menos conectados ao nosso dia a
dia.
Três temas são de particular interesse neste contexto, são eles: o ciclo
hidrológico da água no planeta, a poluição e processos físico químicos
ligados ao tratamento de água. Neste último, temos processos menos comuns
como a dessalinização e usuais como a flotação, a filtração e a oxidação de matéria
orgânica (desinfecção).
Ciclos da Água
O nosso planeta é azul quando visto o espaço devido a presença de uma grande
quantidade de água, que lhe confere a cor característica. Entretanto, apenas 2,5%
desta da água se encontra na forma de água doce. Como a água é um recurso
continuamente renovável, faz mais sentido falarmos no fluxo de água por unidade
de tempo para medirmos a sua disponibilidade. A figura 1 traz um compilado de
dados de fluxos mundiais (em unidades de 1000km3/ano) incluído dados para o uso
e impacto humano.
Note que o balanço entre os fluxos de água é vapor é bastante complexo e
que o valor de fluxo em termos anualizados (45.5x1000km3/ano) para os rios é bem
maior que o valor disponível em um dado instante de tempo (2x1000km3/ano).
Nota-se também que o consumo humano representa uma fração relativamente
pequena deste fluxo total disponível em rios por ano, mesmo quando incluímos o
uso domestico (0.38x1000km3/ano) o uso em indústria (0.77x1000km3/ano) e o uso
em irrigação (2.66x1000km3/ano). Neste aspecto podemos ver que a agricultura
irrigada é, de longe, a maior usuária dos recursos hídricos seguida da indústria.
Problemas de falta de disponibilidade hídrica ocorrem devido a distribuição
heterogênea tanto da população quando dos recursos hídricos disponíveis.
Estima-se que 2.4 bilhões de pessoas vivam em regiões com problemas crônicos de
disponibilidade de recursos hídricos. Mais importante, há uma ligação direta entre a
disponibilidade de recursos hídricos e o bem-estar e qualidade de vida da população
como explicitado pelo projeto Alvos de Desenvolvimentos do Milênio das Nações
Unidas .
Do ponto de visto físico-químico, a energia necessária para promover todos
os processos de evaporação necessários para o ciclo da água é provida pelo sol.
Acredita-se que, no caso de um aquecimento global, estes fluxos irão aumentar pois
a maior temperatura média no globo irá resultar em uma maior evaporação dada
uma mesma quantidade de energia solar incidente. Estes processos dependem da
quantidade de água presente em seus três estados físicos: sólido, líquido e gasoso,
e também do calor necessário para provocar as mudanças de estado. O calor
associado a uma mudança de estado de um composto químico é chamado de calor
latente.
http://www.un.org/millenniumgoals/
http://www.un.org/millenniumgoals/
Além da importância para o planeta, a água é um composto químico com
várias propriedades particulares, chamadas de anomalias pois diferem do resultado
esperado dada sua massa e estrutura molecular. Na verdade, existem mais de
quarenta propriedades anômalas da água. Uma delas, por exemplo, é bastante
conhecida e resulta no aumento de volume quando ocorre a mudança do estado
líquido para o sólido (solidificação). Esta propriedade é considerada anômala pois a
maioria dos líquidos diminuem de volume quando solidificam. Esta propriedade
anômala é resultado da rede de ligações de hidrogênio presentes na água em forma
líquida. Ligações de hidrogênio serão abordadas no tema de interações
intermoleculares neste módulo.
Solubilidade
Uma outra propriedade importante no contexto global da água é sua
capacidade de solubilizar a gases e íons. Sabe-se que o aumento do CO2 na
atmosfera pode levar ao abaixamento do pH (acidificação) dos oceanos devido a
maior dissolução deste gás. Esta acidificação, por sua vez, poderá levar a graves
impactos aos animais marinhos que dependem de exoesqueletos como corais,
ostras, conchas entre outros. Animais que pertencem a base da cadeia alimentícia
dos oceanos. O baixo pH dificulta a formação de exoesqueletos pois aumenta a
solubilidade de íons em solução, especialmente o Ca++, com impactos desastrosos
para estes organismos. As questões relacionadas ao “Mar” serão tratadas em
maiores detalhes no modulo de mesmo nome. Veremos neste curso questões de
solubilidade mais fortemente relacionadas as interações entre átomos, moléculas e
sólidos em nível atômico. Estas interações são comumente chamadas de interações
intermoleculares e envolvem a descrição da natureza atomística da matéria.
Poluição e solubilidade
A poluição dos recursos naturais hídricos é um problema preocupante em escala
mundial e de grande interesse público. O tratamento de afluentes em geral é
centrado na remoção de macro poluentes: matéria que ocorrem tipicamente na
forma de ácidos, bases, matéria orgânica, em concentrações de mg/L a μg/L. Como
exemplos temos os fertilizantes, petróleo e derivados (descarte indevido),
compostos orgânicos sintéticos e compostos geogênicos como os metais pesados.
A compostos químicos tipicamente sintéticos, de difícil degradação presentes em
baixíssimas concentrações (pg/L a ng/L) em afluentes são chamados de micro
poluentes. Os micro poluentes tem se tornado um grave problema de contaminação
com impacto ao meio ambiente de difícil caracterização. Como exemplos temos os
ftalatos usados como aditivos a plásticos, produtos farmacêuticos como antibióticos
e hormônios (como derivados de estradiol), filtros solares, trihalometanos (CFCs)
gerados como subprodutos da desinfecção entre muitos outros. Para uma discussão
mais abrangente dirijo o leitor para o excelente artigo de revisão The Challenge of
Micropollutants in Aquatic Systems publicada no periódico Science em 25 de agosto
de 2006 no volume 313.
Propriedades físico-químicas destes poluentes tais como solubilidade, estabilidade
química, formação de intermediários de degradação nocivos, são importantes para
avaliarmos o possível impacto ambiental destes compostos. O impacto ambiental do
desenvolvimento de soluções químicas antropocêntricas é notório. Entretanto, as
ciências químicas podem também contribuir para a solução do problema através do
desenvolvimento de técnicas físico-químicas mais eficientes para o tratamento de
afluentes que centrem também na remoção de micro poluentes. Esta é uma ativa
área de desenvolvimento científico e tecnológico. Técnicas oxidavas para a
eliminação de micro poluentes tem se mostrado particularmente promissoras. Neste
módulo iremos tratar principalmente de tópicos ligados a descrição de ligações
químicas e interações intermoleculares tendo a água como molécula central.