A química da água e suas situações físicas
Sentido e temperatura
(Sistemas aquáticos-aquicultura)
Parte 03 – Série: -Variáveis físicas, químicas e biológicas

Helcias Bernardo de Pádua
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Hoje para mim foi um dia muito triste, porque  involuntariamente matei uma árvore.
Ora, dirão, que bobagem é essa, se tantas árvores morrem todos os dias.
Mas, para mim é sagrado que a árvore viva.
(Altivo Ferreira, médico e poeta- Cânticos  às árvores, Curitiba/Pr, 1974) 

Água - Substância Pura

A molécula de água está formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, sendo portanto sua fórmula H20. Trata-se de uma molécula com enlaces covalentes e devido a ser algo assimétrica e à sua forte polaridade, possui propriedades singulares, tanto pelo ponto de vista físico com pelo ponto de vista químico. Fisicamente se caracteriza porque é um líquido entre 0o C e 100o C à pressão atmosférica, com um calor específico muito elevado, calores de vaporização e de congelação também muito elevados. Sua tensão superficial é a mais elevada conhecida e dissolve com facilidade a maioria das substâncias naturais sólidas e gasosas, apresenta uma notável anomalia diatométrica.

A água líquida é um corpo muito debilmente iônico, efetuando-se uma dissociação molecular. Sua condutividade elétrica é muito baixa, da ordem de 0,045 uS/cm a 18o C, porém cresce enormemente ao conter pequenas quantidades de impurezas, podendo chegar a ser um bom condutor elétrico quando possui substâncias dissolvidas. A água destilada pode Ter entre 0,5 e 5 uS/cm devido a pequenas impurezas e gases dissolvidos. A água é uma substância química muito ativa que tem grande facilidade de dissolver e reagir com outras substâncias. Tanto inorgânicas como orgânicas. Seu poder ionizante e sua constante dielétrica são muito elevadas e é o solvente mais empregado e difundido.

 Água - Como Agente

A grande capacidade de dissolução da água e sua elevada reatividade fazem com que a água natural contenha grande quantidade de substâncias dissolvidas, que passam a formar parte da composição de muitas substâncias e que atacam a muitas outras diretamente (hidratos, água de formação).

A água pode dissolver gases, líquidos e sólidos. O mecanismo de dissolução pode, às vezes, ser um mecanismo simples (como a dissolução de nitrogênio e açúcar), outras vezes, um mecanismo de simples ionização( como a dissolução de sal comum) e, outras vezes, se trata de mecanismos muito mais complexos em que intervém reações químicas com a própria água (caso da amônia) e outras substâncias dissolvidas na mesma (dissolução de calcáreos em presença de CO2, formação de complexos como a dissolução de metais pesados com a ajuda de ácidos húmicos e certas substâncias orgânicas, etc.), ou através de alterações prévias produzidas pela água em materiais em si insolúveis (ataque de silicatos).

Água - Substâncias Dissolvidas

As substâncias dissolvidas podem estar em forma molecular ou iônica, porém nas águas subterrâneas a forma iônica é a mais importante. Normalmente se trata de íons simples como cátions Na+, Ca++, ou ânions simples como Cl-, SO4--. Menos freqüentemente existem íons complexos, por exemplo de Fe e outros metais pesados, formados a partir de substâncias orgânicas inclusive ácido carbônico. Este complexos podem ser tanto aniônicos como catiônicos.

Parte das substâncias dissolvidas está em forma molecular não iônica, com freqüência em equilíbrio com espécies iônicas.

Quanto mais concentrado está um sal em uma solução, maior é a proporção desse sal não ionizado. Para íons de caráter débil o grau de dissociação é função do PH da solução e que por sua vez depende do resto de substâncias dissolvidas, o que sucede com o CO3--, HCO3-, NH4+, etc.

Em águas subterrâneas naturais classificadas como doces, a maioria das substâncias dissolvidas está totalmente ionizada (a principal exceção é a sílica em forma de H4SiO4) e por isso são considerados em estado iônico.

 Água – da química dos minerais

As substâncias de um determinado sistema hidrogeológico são postas em solução através de uma série de reações que se podem realizar através de processo simples como sucede com o gesso ou por processos complexos com os que ocorrem com as substâncias muito pouco solúveis que precisam ser transformadas em uma forma mais ou menos irreversível antes de poderem ser dissolvidas total ou parcialmente.

Estas reações iniciam com o processo de hidratação, que representa uma fase inicial de ataque aos minerais e consiste na penetração e incorporação da água no sistema reticular dos cristais, formando compostos químicos de fórmula bem definida (hidratos). Um exemplo clássico é a anidrita (Ca SO4), pouco solúvel e muito compacta, transformada em gesso (Ca SO4 . 2H20) mais solúvel e menos compacto. Os hidratos podem perderr sua água ao se elevar a temperatura ou ao variar a pressão parcial das água no gás com que está em contato. No processo de hidrólise ocorre uma verdadeira reação entre o mineral e a água, atuando os íons da água, H+ e OH-, como reativos químicos. É especialmente efetiva com sais, ácidos ou bases fracas tais como a calcita (CA CO3), silicatos (sais do ácido H4 Si O4) e provoca mudanças no PH da água.

A hidrólise de um íon de um ácido fraco aumenta o PH e similarmente a hidrólise de uma base fraca produz uma diminuição do PH.

As variações de PH se opõem às hidrólises. As substâncias tampão ajudam o processo, por isso as hidrólises, que podem ser lentas em água pura, podem ser rápidas quando existem certas substâncias dissolvidas. A presença do anidrido carbônico (CO2) dissolvido favorece as hidrólises de carbono e silicatos, porém desfavorece as hidrólises de sais amoniacais e hidróxidos de ferros.

Os fenômenos de oxidação-redução podem ser especialmente efetiovos na solubilização de certas substâncias ao produzir-se trocas de valência, ou ao contrário podem frear sua solubilização. Assim o hidróxido férrico pode ser solubilizado se o potencial redox em volts é baixo pela transformação do Fe+++. Por outro lado, se o potencial redox em volts é elevado, impede sua solubilação ao não permitir a existência de íons de Fe++. Nos freqüente de oxigênio é essencial para manter um meio oxidante e, na presença de matéria orgânica, manter um meio redutor.

As trocas de PH também cumprem um importante papel ao permitir, acelerar ou impedir os processos de hidrólise. A forma natural mais freqüente é a diminuição do PH pela presença de ácidos inorgânicos e orgânicos naturais tais como o nítrico, procedente dos fenômenos de nitrificação, o carbônico, procedente da dissolução de CO2, os húmicos, procedentes da lavagem dos solos vegetais, etc.

Certos processos biológicos podem provocar certas rações através de trocas de PH tal como a liberação de ácidos. Outras vezes os microorganismos podem intervir em processos redox, produzindo efeitos tais como a redução de sulfatos.

Água  - Intercâmbio iônico

Certas substâncias sólidas naturais se caracterizam por estar eletronicamente desequilibradas e conseguem a neutralidade rodeando-se de cátions, se as cargas livres são negativas (substâncias catiônicas) ou de ânions, se as cargas livres são positivas (substâncias aniônicas). Os íons estão muito debilmente retidos (íons lábeis) e ao entrar em contato com uma solução aquosa podem ser substituídos, valência a valência, por outros íons do mesmo tipo. Trata-se de um fenômeno de adsorção, existindo um equilíbrio dinâmico entre os íons adsorvidos e os da água.

Na natureza abundam os minerais com capacidade de troca iônica, porém, só a apresentam de forma acentuada algumas espécies de argilas, tais como a sericita, caolinita, etc., que são trocadores catiônicos. A alumina é uma troca aniônica e os materiais orgânicos podem ser aniônicos ou catiônicos. São de divisão desses materiais, maior é a facilidade e rapidez com que se realiza o intercâmbio iônico, sendo máximo quando se encontram em estado coloidal.

Denomina-se capacidade de intercâmbio iônico de um certo material aos mili equivalentes que pode trocar com o meio por cada 100 gramas do mesmo.

Dado que na natureza são muito mais abundantes as substâncias catiônicas, os cátions são os íons mais afetados pelo intercâmbio iônico e com freqüência se considera sinônimo a troca de bases (catiônica) e o intercâmbio iônico.
Se, por exemplo, se tem uma argila formada em ambiente de água marinha em que domina o íon sódio, a argila terá a maioria de suas valências livres e cargas compensadas com Na+ que estava retido. Se esta argila é transportada para um meio em que dominam os íons cálcio, cada par de Na+ que passa para a solução em virtude de sua instabilidade e equilíbrio dinâmico com a mesma, será substituído por um Ca++ que domina a solução e assim sucessivamente, de modo que a solução perde Ca++ (que é retido) e ganha Na+ (que é liberado) até que a elevação do conteúdo de íons Na+ na solução permite chegar a um equilíbrio.

Os íons são retidos com forças diferentes, sendo estas maiores quando menos hidrato estão e maior é a sua carga elétrica. A série é uma ordenação de cátions de maior e menor poder de fixação. Assim uma argila em equilíbrio com uma solução de Ca++ e Mg++ em igual concentração Terá mais Ca++ que Mg++.

Por sua vez, quanto aos ânions, os que tem maior poder de fixação, são os que não possuem oxigênio nas suas moléculas. Assim sendo o Cl terá maior poder de fixação do que HCO3- e SO4---, por exemplo.

Água e seus conteúdos iônicos (minerais)

Dentre os elementos mais comuns na água subterrânea destacam-se os seguintes:

Sílica: Embora seja o segundo elemento mais abundante na crosta da terra não é um dos principais encontrados nas águas subterrâneas normais. Uma grande concentração de sílica pode indicar água proveniente de terrenos vulcânicos ou bacias sedimentares formadas a partir da erosão das rochas vulcânicas (concentração SiO2 em torno de 90 a 100 ppm).

Ferro: Existem abundantes fontes de ferro na crosta terrestre, sendo que ele participa da composição de vários minerais formadores de rochas (piroxênio, anfibólios, biotita, magnetita, pinta, granadas). O intemperismo desses minerais fornece grandes quantidades de ferro que formam óxidos pouco solúveis na água.

Cálcio: Geralmente é proveniente de sedimentação marinha e pode ser retirado da calcita, aragonita, dolomita, anidrita e gesso. Nas rochas ígneas e metamórficas as fontes de cálcio são os seguintes minerais: apatita, volastonita, fluorita, os feldspatos cálcicos, os anfibólios e os piroxênios. O cálcio é um dos íons mais comuns na água subterrânea geralmente sob a forma de carbonato e bicarbonato. A água pura dissolve cerca de 13 ppm de CaCO2 a 23o C, entretanto se houver presença de sódio, potássio e/ou gás carbônico esta solubilidade é muito aumentada podendo atingir então até 300 ppm.

Magnésio: Nas rochas sedimentares os minerais contendo o magnésio são principalmente as dolomitas. Nas rochas ígneas o magnésio pode ser proveniente da olivina, riotita, hornblenda, augita e nas rochas metamórficas pode estar presenrte na serpentita, tremolita e diopsídio. A solubilidade do magnésio também é controlado pela presença do CO2.

Sódio: Não está como os outros elementos presente na maioria dos minerais formadores de rocha. A fonte primária são os plagioclásios, e como secundária pode-se citar os minerais de argila.

Os sais de sódio são muito solúveis e não se permitam até concentração de 264.000 ppm de NaCl (a 20o C). Todas as águas naturais contém sódio desde a água da chuva (0,2 ppm) até 100.000 ppm em águas de depósitos salinos.

Potássio: Fonte comum é o intemperismo dos ortoclásios, microclina e biotita e alguns depósitos de evaporitos. Sua concentração na água é menor que o sódio embora tenha a mesma capacidade de manter—se em solução até grandes concentrações. Entretanto os minerais de potássio são mais resistentes ao intemperismo e a vegetação é responsável pela absorção de grande quantidade de potássio no solo.

Bicarbonatos e carbonatos: A maioria dos carbonatos e bicarbonatos é proveniente de CO2 da atmosfera, ou do solo devido a ação da matéria orgânica. Pode ser proveniente também de rochas carbonatadas. As água subterrâneas geralmente possuem de 10 ppm e menos de 100 ppm.

Ácidos: Geralmente estão presentes quando o PH é menor que 4,5; alguns deles como o HCl são devidos a atividades vulcânicas.

Sulfatos: Embora largamente distribuídos nos minerais da crosta terrestre geralmente apresentam-se pequenas concentrações nas águas subterrâneas. Geralmente são provenientes de folhelhos ricos em pirita e marcasita. As precipitações atmosféricas podem conter sulfatos em torno de 2 ppm sendo proveniente das poeiras e da decomposição das matérias orgânicas pelas bactérias. A concentração de sulfatos na água subterrânea varia geralmente de 0,2 ppm a 100 ppm.

Cloro: É um elemento que aparece em pequena proporção na composição química da crosta terrestre embora apresenta-se em grandes concentrações nas águas subterrâneas. O cloro pode ser proveniente da sodalita e da apatita

Nitratos: Embora algumas rochas ígneas possam conter pequenas quantidades de nitrato solúveis ou amônia, a maior parte dos nitratos contidos na água subterrânea é proveniente da matéria orgânica ou de resíduos agrícolas e industrias.

Elementos traços e elementos secundários: Além dos elementos descritos existem numerosos elementos que entram comumente em menor proporção na água subterrânea mas que podem ser importantes não somente para determinar-se a história geológica da água mas sobretudo devido aos efeitos que podem exercer sobre os organismos vivos quando em pequenas concentrações. Exemplo: grandes concentrações de bromo indicam atividades vulcânicas e grande de alumínio indicam águas ácidas.

Água -  Ions presentes (águas subterrâneas)

A análise química da água vai depender sobretudo das finalidades a que ela se destina. Se está interessado em uma pesquisa de minerais certamente se vai pesquisar os elementos traços associados, se a água destinar-se à agricultura deve-se ter em vista os elementos que podem influenciar no desenvolvimento das plantas, se for para fins humanos pode-se fazer uma pesquisa de nitratos/nitritos ou do NMP de coliformes.

Em uma análise completa de rotina devem ser determinadas algumas propriedades físicas ligadas aos sentidos (cor, odor, sabor, turbidez) à alcalinidade, à dureza ou grau hidrolimétrico, à resistividade, o PH e o resíduo seco.

Água – situações físicas e sentidos

Cor: A cor da água é devida a substâncias em solução e é dada em partes por milhão comparadas com soluções padrões (cobalto-platina).

Turbidez: A turbidez deve-se a substâncias em suspensão ou coloidais. As medidas são feitas baseando-se na intensidade luminosa que atravessa a água.

Odor: Pode ser causado pelas bactérias ou por substâncias químicas como os fenóis. O teste é subjetivo e depende da sensação do operador. Há uma tentativa para determinar quantitativamente mas não foi ainda aceito o método.

O sabor: Também é definida em termos da experiência do operador. Geralmente mede a salinidade da água em relação com o paladar

Água - Temperatura

A temperatura pode ser medida no aqüífero ou em amostras na superfície. Seu estudo sistemático pode fornecer indicações sobre sua origem e fontes de recarga. A medida da temperatura é importante na determinação da condutividade elétrica da água e do PH.

As duas principais fontes de calor são o sol e o gradiente geotérmico (1o C para 33 m) no subsolo; pode-se distinguir duas zonas:

A zona de heterotermia (calor do sol: 15 a 17 m)

A zona de homotermia (gradiente geotérmico)

Outras fontes de calor são as reações químicas exotérmicas e as desintegrações radioativas. As águas de chuvas ao infiltrar-se tendem a estabelecer um equilíbrio térmico com a temperatura da rocha. Comparando-se a temperatura da água com o ar nota-se uma regularização à medida que aumenta a profundidade do aqüífero.

Amigos, continuem a crer em mim.