Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti

. Acesso em: jan. 2016.

Perguntas

Responda em seu caderno

1 Por que as amostras de água devem ser recolhidas de modo não turbulento?

2 Por que se deve promover a secagem dos filtros de papel tanto antes (sozinhos) quanto depois (com os sólidos) da filtração?

3 Qual é a função da esponja de aço?

4 A formação da ferrugem pode ser representada simplificadamente pela equação química:

2 Fe(s) + O2(g) + n H₂O(l) → Fe₂O₃(s) ⋅ n H₂O(s)

ou, ainda,

2 Fe(s) + O2(g) → Fe₂O₃(s)

A quantidade de moléculas de água (n) depende das condições de formação da ferrugem.
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Calcule o teor de gás oxigênio (mg/L) dissolvido, a partir das relações estequiométricas, em cada uma das amostras de água analisada. Lembre-se de considerar o volume das garrafas utilizadas.

[Massas molares: Fe = 56 g/mol; O = 16 g/mol.]

5 Qual das amostras de água apresentou menor teor de gás oxigênio dissolvido?

Descarte de resíduos

As esponjas de aço podem ser embaladas em jornal e descartadas no lixo comum, assim como os filtros de papel utilizados. As garrafas PET devem ser encaminhadas para a reciclagem.

Conclusões

1 O que se pode concluir quanto à influência da temperatura na solubilidade do gás oxigênio em água?

2 Um lago que recebe com frequência efluentes industriais e cujas águas apresentam níveis de poluentes dentro dos limites estipulados pelo Ministério da Saúde, porém aquecidas a temperatura superior à da água do lago, poderá apresentar problemas quanto à manutenção de sua vida aquática? Explique.

3 A água recolhida de uma fonte natural teve maior ou menor teor de gás oxigênio dissolvido do que a água da torneira? Indique uma hipótese plausível que explique tal diferença.

4 Em algumas lagoas em centros urbanos é comum a colocação de uma bomba que joga água da lagoa (contaminada por esgoto doméstico) a alturas elevadas (vinte metros ou mais). A intenção é a de melhorar a qualidade da água do local, permitindo que os peixes e outras espécies aquáticas possam sobreviver e se desenvolver. Esse procedimento tem realmente algum efeito para melhorar a qualidade da água dessa lagoa? Explique.

5 Conforme orientações do professor, organize as conclusões obtidas e compare-as com as dos colegas.

É comum que rios e córregos apresentem níveis elevados de matéria orgânica, principalmente os que recebem esgotos domésticos. Em muitas cidades ocorre o lançamento de esgotos domésticos e industriais diretamente nos corpos d'água. No esgoto doméstico há restos de alimentos, fezes e urina. As bactérias ali presentes utilizam substâncias constituintes desses materiais como alimento; para isso, reações do metabolismo desses microrganismos podem transformar determinadas substâncias em outras, mediante o consumo de gás oxigênio dissolvido na água.

A quantidade de gás oxigênio dissolvido na água depende das condições de temperatura e de pressão e do teor salino no local; pode-se considerar que na temperatura aproximada de 20 °C e pressão de 1 atmosfera, um corpo de água doce pode atingir até 9 mg de O₂ por litro de água, em média. Sob as mesmas condições de pressão e temperatura, um corpo de água salina deve apresentar menor concentração de gás oxigênio dissolvido. É esse gás que boa parte da vida aquática utiliza na sua respiração celular aeróbica. No entanto, nos rios que recebem esgotos domésticos, uma parte do gás oxigênio dissolvido é consumida na transformação da matéria orgânica pelos microrganismos decompositores; esse consumo é tolerável desde que o gás oxigênio restante permita a manutenção da vida aquática.

A demanda bioquímica de oxigênio (DBO) é um dos indicadores do teor de matéria orgânica na água e expressa a quantidade de gás oxigênio necessária para a decomposição aeróbica da matéria orgânica exclusivamente por via biológica. É usual expressar a DBO em miligramas de gás oxigênio consumido por litro da amostra (miligramas de O₂/L). Para padronizar a análise, a amostra é mantida a 20 °C durante 5 dias. Suponha que uma amostra de água não contaminada apresente 7,0 mg O₂/L, mas uma amostra contami nada apresente a concentração de 4,0 mg/L após cinco dias mantida a 20 °C: sua DBO será 3,0 mg/L, ou seja, a matéria orgânica exigiu 3,0 mg de O₂/L para ser transformada. Em esgotos domésticos, a DBO é de aproximadamente 300 mg/L.

Em casos extremos, aproximadamente todo o gás oxigênio disponível é consumido e o rio ou lago torna-se praticamente morto.
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Expressando concentrações em ppm, ppb, porcentagem e título

No texto de abertura deste tema foi mencionado que o teor de fluoreto em uma amostra de água deve ser no máximo 1,5 ppm, segundo recomendações do Ministério da Saúde. A expressão ppm significa partes por milhão e pode se referir a relações de massa (m/m), de volume (V/V), de massa e volume (m/V) – e outras –, entre soluto e solução. Para uma relação de massas, 1 ppm corresponde a 1 g do soluto em 10⁶ g da solução. Observe que esse é o caso para a concentração de trialometanos mencionada no tema anterior.

As concentrações também podem ser expressas em ppb, ou seja, partes por bilhão, que corresponde a 1 g do soluto em 10⁹ g da solução, no caso de relações de massa. Dadas as diferentes relações que podem ser estabelecidas, é sempre necessário indicar a que se referem as concentrações em ppm e ppb mencionadas em cada caso. Acompanhe alguns exemplos no quadro a seguir.

Exemplos de concentrações dadas em ppm e ppb e as relações estabelecidas
Amostra e parâmetro analisado	Relação estabelecida	Significado
4 ppb de chumbo na água de um lago	massa/massa	4 g* de chumbo em 1 bilhão (10^9) de gramas* de água do lago
50 ppm de enxofre no diesel	massa/massa	50 g* de enxofre em 1 milhão (10^6) de gramas* de diesel
39 ppm de CO no ar atmosférico	volume/volume	39 L** de CO em 1 milhão (10^6) de litros** de ar atmosférico
300 ppb de H2S no ar atmosférico	volume/volume	300 L** de H2S em 1 bilhão (10^9) de litros** de ar atmosférico

* Optou-se por usar a unidade grama, como poderia ter sido usada quilograma, tonelada etc. Desde que seja usada a mesma unidade de massa para o soluto e para a solução, não haverá diferença nos resultados.

** Optou-se por usar a unidade litro, como poderia ter sido usada mililitro, microlitro etc. Desde que seja usada a mesma unidade de volume para o soluto e para a solução, não haverá diferença nos resultados.

É comum também em produtos de higiene pessoal a indicação de concentração em porcentagem; assim, a indicação de 1.500 ppm de flúor em um creme dental pode ser expressa em porcentagem em massa por meio da seguinte relação:

1.500 g flúor _______ 1.000.000 g solução

m _______ 100 g solução

m = 0,15 g de flúor

Assim, tem-se 0,15 g de flúor em cada 100 g de solução, isto é, 0,15%.

Observe que na tabela Classificação da água em função da concentração salina, apresentada no texto de abertura do capítulo, a concentração salina na água é expressa em porcentagem em massa. Alternativamente, pode-se expressar uma concentração em título em massa ou título em volume, que correspondem à porcentagem em massa ou volume, respectivamente, escritas na forma decimal. Acompanhe, no quadro a seguir, alguns exemplos que mostram essa relação.
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Algumas concentrações expressas em porcentagem e título em massa
Porcentagem em massa (soluções aquosas)	Significado (sendo massa da solução = massa de água (solvente) + massa do soluto)	Título em massa (sem unidade)
0,9% em cloreto de sódio*	0,9 g de NaCl em 100 g de solução (99,1 g de água)	0,009
3,0% em cloreto de sódio	3,0 g de NaCl em 100 g de solução (97 g de água)	0,03
3,0% em ácido bórico**	3,0 g de H3BO3 em 100 g de solução (97 g de água)	0,03
0,15% de flúor	0,15 g de flúor em 100 g de solução (aproximadamente 100 g de água)	1,5 ⋅ 10^−3

* Produto conhecido como soro fisiológico, utilizado em nebulizações, sob prescrição médica.
** Solução conhecida como água boricada.

Como mencionado anteriormente, as porcentagens também podem se relacionar a valores que expressam volumes, como se vê no quadro a seguir.

Algumas concentrações expressas em porcentagem e título em volume
Porcentagem em volume	Significado (sendo volume da solução = volume de água (solvente) + volume do soluto)	Título em volume (sem unidade)
Solução de etanol 92%	92 mL de etanol em 100 mL de solução (8 mL de água)	0,92
Gasolina com 25% em etanol	25 mL de etanol em 100 mL de solução (75 mL de gasolina)	0,25

Expressando concentrações em gramas por litro e em quantidade de matéria

Observe no início do Tema 1 o exemplo de rótulo de uma garrafa de água mineral. Quais são as unidades utilizadas para expressar as concentrações das espécies químicas presentes na água? Elas poderiam ser expressas também em g/L (gramas do soluto por litro da solução), chamada concentração comum, ou, ainda, em mol/L (mol do soluto por litro da solução), chamada concentração em quantidade de matéria. Para expressar as concentrações das espécies químicas presentes na água dessas duas maneiras, pode-se admitir que a densidade da água potável é praticamente igual à da água pura, e assim considera-se como válida a relação 1,0 g de solução/1 mL de solução. Desse modo, pode-se relacionar uma concentração expressa em ppm a um valor em gramas por litro e, consequentemente, em quantidade de matéria (mol/L). Acompanhe o raciocínio a seguir considerando a concentração de 1,5 ppm de fluoreto na água potável.

1,5 ppm = 1,5 g de fluoreto dissolvido em 1 milhão de gramas de solução

corresponde a

1,5 g de fluoreto dissolvido em 1 milhão de mililitros de solução, já que a densidade da solução é igual a 1,0 g/mL

ou

1,5 g de fluoreto dissolvido em 1.000 L de solução ou, simplesmente, 1,5 ⋅10⁻³ g de fluoreto/L

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Para a concentração ser expressa em quantidade de matéria por litro de solução, considera-se a massa molar do flúor, 19 g/mol, e a seguinte relação:

1 mol F⁻ _______ 19 g

n _______ 1,5 ⋅ 10⁻³ g

n ≅ 0,079 ⋅ 10⁻³ mol de F⁻

Portanto, tem-se 0,079 ⋅ 10⁻³ mol de F⁻ por litro de solução, isto é, 0,079 ⋅ 10⁻³ mol de F⁻/L ou 7,9 ⋅ 10⁻⁵ mol de F⁻/L.

A concentração em quantidade de matéria (mol/L) é de uso muito frequente em laboratórios e na redação de artigos científicos.

Preparando uma solução a partir de solutos sólidos

O preparo de soluções, atividade comum em laboratórios de pesquisa, é bastante usual no ambiente de trabalho de diferentes profissionais, como os da área de ciências agronômicas. Um exemplo de solução utilizada no controle de pragas de plantações, especialmente de origem fúngica, é a calda bordalesa (que tem esse nome por ter sido utilizada pela primeira vez na região de Bourdeaux, na França, por volta de 1882). Um dos componentes da calda bordalesa é o sulfato de cobre(II) (CuSO₄). Considere como exemplo que um agrônomo quer preparar 250 mL de uma solução aquosa com concentração em quantidade de matéria igual a 1,0 mol/L de sulfato de cobre(II). Como essa solução deve ser preparada? Observe as etapas representadas a seguir.

Fotos: Dotta2

Representação das etapas para a preparação de uma solução de sulfato de cobre(II).

Para preparar 250 mL de uma solução aquosa com concentração em quantidade de matéria igual a 1,0 mol/L de sulfato de cobre(II), isto é, 0,25 mol de CuSO₄ em 250 mL de solução, deve-se inicialmente (A) medir em uma balança a massa correspondente a 0,25 mol de CuSO₄; considerando a massa molar desse sal igual a 159,5 g/mol, a massa a ser medida é, portanto, 39,9g. Em seguida, deve-se transferir essa massa para um balão volumétrico de 250 mL e (B) adicionar um pouco de água pura – sempre tendo cuidado para não ultrapassar a marcação do balão. Posteriormente, deve-se (C) agitar cuidadosamente o balão volumétrico várias vezes (tampado), até que toda a massa de CuSO₄ esteja dissolvida. Por fim, deve-se (D) completar o volume do balão com água cuidadosamente até que o menisco do líquido tangencie a marcação no gargalo do balão volumétrico, tampar o balão e fazer uma última homogeneização.

Menisco: superfície curva de um líquido que se forma em um tubo estreito.

E como se poderia preparar uma solução com uma concentração salina semelhante à da água do mar, por exemplo? Na tabela Classificação da água em função da concentração salina, apresentada no início do capítulo, é mencionado que a presença de sais na água do mar não se deve apenas aos íons sódio e cloreto, o que indica haver, portanto, certa complexidade em preparar uma solução com a mesma concentração de sais encontrada na água do mar. Pode-se efetuar, entretanto, uma aproximação considerando a presença majoritária de cloreto de sódio.

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Note que se forem dissolvidos 3,0 g de sal de cozinha em 97 g de água, é possível obter uma solução bastante semelhante à água do mar, sendo considerada a presença de íons sódio e cloreto em maior quantidade (tanto no sal de cozinha quanto na água do mar). Para cálculos mais precisos seria necessária a densidade da solução, cujo valor aproximado é 1,03 g/mL. Assim, um litro de água do mar tem uma massa de 1.030 g, da qual se pode assumir que 30,9 g (3%) é NaCl. Isto é, dissolvendo 30,9 g de NaCl em 999,1 g de água, tem-se um litro de uma solução com concentração salina semelhante à água do mar.

Fluoretação da água de abastecimento e a concentração de íons

Como se pode calcular a massa de hexafluorosilicato de sódio (Na₂SiF₆) – sal bastante usado no processo de fluoretação da água – a ser adicionada à água de abastecimento, de modo que se atinja a concentração máxima de fluoreto permitida para esse fim? Qual deverá ser a massa de hexafluorosilicato de sódio adicionada nas estações de tratamento? Para isso é preciso considerar que esse valor depende do volume de água a ser tratada. Supondo que o volume de água a ser tratada seja de 100 L e sua densidade seja igual a 1,0 g/mL, tem-se 100.000 g de solução, ou seja, 100.000 g de água de abastecimento.

Se a concentração desejada for de 1,5 ppm (massa/massa), portanto:

1,5 g F⁻ _______ 1.000.000 g água de abastecimento

x _______ 100.000 g água de abastecimento

x = 0,15 g de F⁻

No entanto, não se deve esquecer que o sal a ser adicionado é o hexafluorosilicato de sódio (Na₂SiF₆), substância em que o flúor corresponde a apenas uma fração da massa total – são 6 mol de átomos de flúor para 1 mol do composto Na₂SiF₆.

Como as massas molares do flúor e do hexafluorosilicato de sódio são iguais a 19 g/mol e 188 g/mol, respectivamente, a massa de flúor presente em 1 mol de Na₂SiF₆ é, portanto, 6 mol ⋅ 19 g/mol = 114g. Assim:

1 mol Na₂SiF₆ _______ 188 g _______ 114 g flúor

y _______ 0,15 g flúor

y ≅ 0,25 g de Na₂SiF₆

Portanto, para cada 100 L de água a ser tratada, deve-se adicionar aproximadamente 0,25 g de Na₂SiF₆, massa que fornece 0,15 g de fluoreto. Desse modo, tem-se a concentração desejada de 1,5 ppm de fluoreto (massa/massa).

Outra substância que pode ser utilizada no processo de fluoretação da água é o fluoreto de sódio (NaF), um composto iônico que, em água, dissocia-se e produz os íons livres sódio e fluoreto, conforme representado na equação química a seguir.

NaF(s) (fluoreto de sódio) Na⁺(aq) (íon sódio) + F⁻(aq) (íon fluoreto)

Assim, em princípio, podem-se utilizar outros sais solúveis em água que apresentem flúor em sua constituição, como o fluoreto de cálcio, que também se dissocia conforme representado na equação química:

CaF₂(s) (fluoreto de cálcio) Ca⁺²(aq) (íon cálcio) + 2 F⁻(aq) (íon fluoreto)

Admitindo que ambos os sais possam ser usados na fluoretação, como saber a relação entre a massa de sal, o volume de água fluoretada e a concentração de íons fluoreto desejada?
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Considere, como exemplo, que o volume a receber o tratamento seja de 95.000 litros de água para consumo, de forma a obter uma concentração de íons fluoreto igual a 0,8 mg/L (o limite máximo estabelecido em algumas cidades brasileiras).

0,8 mg F⁻ _______ 1 L água

x _______ 95.000 L água

x = 76.000 mg ou 76 g de F⁻

Serão necessários 76 g de fluoreto para atingir a concentração de 0,8 mg/L. Entretanto, não serão adicionados os íons fluoreto diretamente na água, mas, sim, uma substância que, após se dissociar em meio aquoso, vai gerar os íons na solução. Qual será a massa dessa substância a ser adicionada? Observe a estequiometria nas equações químicas a seguir.

• No caso da adição de fluoreto de sódio:

NaF(s) Na⁺(aq) + F⁻(aq)

42 g (1 mol de NaF) _______ 19 g (1 mol de F⁻)

y _______ 76 g

y = 168 g de NaF

Seriam necessários 168 g de fluoreto de sódio para se obter uma concentração de íons fluoreto, na água, igual a 0,8 mg/L.

• No caso da adição de fluoreto de cálcio:

CaF₂(s) Ca²⁺(aq) + 2 F⁻(aq)

78 g (1 mol de CaF₂) _______ 2 ⋅ 19 g (2 mol de F⁻)

z _______ 76 g

z = 156 g de CaF₂

Seriam necessários 156 g de fluoreto de cálcio para se obter uma concentração de íons fluoreto, na água, igual a 0,8 mg/L.

Se forem considerados aspectos econômicos para a escolha da substância a ser empregada na fluoretação, as relações mostradas permitem o conhecimento de quanto deverá ser utilizado de cada uma dessas substâncias a fim de se obterem a mesma concentração e o mesmo efeito.

Soluções concentradas e soluções diluídas

É comum que em rótulos de alvejantes à base de cloro sejam fornecidas informações como as apresentadas a seguir.

lucadp/Istock/Getty images
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Segundo o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), o teor de cloro ativo presente na água sanitária está relacionado com a quantidade de hipoclorito de sódio (NaClO) presente na mistura com água. O NaClO presente nesse tipo de produto apresenta atividade antimicrobiana e é eficiente na eliminação de larvas do mosquito Aedes aegypti. Se fosse comparada a concentração de cloro ativo na solução do frasco original com a concentração de cloro ativo na solução preparada para o combate de larvas do mosquito, conforme instrução do rótulo, seria encontrada alguma diferença? Observe a representação a seguir.

Representação de uma solução aquosa de hipoclorito de sódio antes e após a adição de determinado volume de solvente, no caso água. Note que há menor quantidade de soluto por unidade de volume após a diluição. Representação sem escala; cores fantasia. Por simplificação, as moléculas do solvente não foram representadas.

Comparando as duas soluções representadas, pode-se dizer que a solução à esquerda é classificada como mais concentrada em relação à outra; isso porque há maior quantidade de soluto (hipoclorito de sódio) por unidade de volume de solução. Outro exemplo: a água do mar Morto possui teor de salinidade maior que a do mar Mediterrâneo. Assim, a água do mar Morto é mais concentrada em sal do que a do mar Mediterrâneo.

A adição de solvente a uma solução causa sua diluição. Nesse processo, a quantidade de soluto permanece constante ao longo da diluição, mas o volume da solução aumenta, de modo que há menos soluto por unidade de volume – a concentração, desse modo, diminui e a solução assim obtida é denominada diluída.

Assim, a solução representada à direita na ilustração acima é classificada como diluída em relação à original. Outro exemplo: considerando o fator salinidade, a água do rio Amazonas é diluída em relação à água do oceano Atlântico.

Note que a quantidade de soluto (“muito soluto” ou “pouco soluto”) é um conceito relativo. Não há um limite matemático para dizer se uma solução é concentrada ou diluída. Mas é possível usar os termos para efeito de comparação. A ilustração abaixo mostra a relação concentrado/diluído para o exemplo da diluição do suco de uva integral e homogeneizado, comercializado em diversos estabelecimentos do país. Observe:

ilustrações: ADILSON SECCO

Esquema mostrando quatro amostras de suco de uva de diferentes concentrações, da amostra de maior concentração para as de menores concentrações, obtidas por diluições sucessivas. Representação sem escala; cores fantasia.

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A concentração expressa a quantidade de soluto dissolvida em uma solução. É importante saber diferenciar os termos diluir e dissolver, pois ambos aparecem muitas vezes como sinônimos na linguagem cotidiana. “O sal dilui na água”, “o óleo não dilui na água” e “dilua quatro colheres do suco em pó em 1 litro de água” são imprecisões de linguagens comuns no dia a dia.

Dissolver é espalhar de maneira uniforme uma substância em outra, de modo a produzir uma solução. Portanto, é mais adequado dizer que “o sal dissolve na água”, “o óleo não dissolve na água” e “dissolva quatro colheres de suco em pó em 1 litro de água”.

Diluir é diminuir a concentração de uma solução por adição de solvente. Por exemplo, ao acrescentar água à solução de hipoclorito de sódio a 5,0% para torná-la uma solução a 0,5%, faz-se uma diluição.