Teimosa presença do gás carbônico em águas bicarbonatadas - Parte 02

(... como isso acontece, em especial na Região da Bodoquena/MS-Br ...?)

Nos dois últimos artigos, (No dia a dia - água com dureza e alcalinidade elevada;  teimosa  presença  do  gás  carbônico em  águas  bicarbonatadas - vamos  começar entender ...!), vimos que a pouca disposição da molécula livre de gás carbônico, em sistemas aquáticos alcalinos, não representa a impossibilidade de reações carbonáticas, resultando em carbonatos  precipitados, aglutinados, incrustados e depositados.

Teimosas situações de reversão dos bicarbonatos formados e presentes, disponibilizam formas de carbono, como já comentamos. Dessa ação, continuamente, parte dos bicarbonatos presentes serão convertidos em carbonatos, liberando(*) certa quantidade do gás carbônico-CO2, chamado por sua insistência no processo de reversão, por assim dizer, de "gás carbônico de equilíbrio".

- Então, esse insistente processo é ad eternum ?
- Só ocorre com a presença dos bicarbonatos ?
- Em que situação esse gás carbônico começa a diminuir e pode até desaparecer ?

No decorrer desse artigo, tentaremos expor e discutir essa dinâmica, além de oferecer alguns significados e/ou conceitos químicos.

Vejamos, de início:

...disponíveis íons de sais minerais, em meio aquático  bicarbonatado, geram carbonatos, liberando gás carbônico:

Ca2+ (íon de cálcio)  +  2HCO3-  (bicarbonato) <=>   CaCO3 (carb. de cálcio)   +  H2O  + CO2 

Mg2+ (íon de magnésio  +  2HCO3-  (bicarbonato) <=>  MgCO3 (carb. de magnésio)   +  H2O  + CO2 
 
ou, na reação geral:
 
2HCO3- (bicarbonato)   +   (^) calor   <=>     CO3 2-  (carbonato)  + CO2 (gás carbônico)   +  H2O
        (solúvel)                                                                 (insolúvel)                  (CO2  de  equilíbrio)

(^) = p. ex. na presença de calor ambiente

Águas "alcalinos" na presença de gás carbônico, tem maior afinidade de se tamponarem, por formarem naturais reservas de acidez e de basicidade (alcalinidade), pelo equilíbrio da relação ácido carbônico e carbonatos, resistindo às variações rápidas e maiores de pH, assim:

Água alcalina
 
CO3 2-  (carbonato)  + H2O (água)    ->   2 OH-  (hidróxido)  + CO2 (gás carbônico) 
                        pH alcalino               (^)
(*)atenção:  cada 1 mg(miligrama)  de  alcalinidade  de  bicarbonato/litro,  vai  produzir aproximadamente  0,79 mg  de  gás  carbônico/litro. (estequiométricamente)

... o dióxido da carbono-CO2 ao  se  combinar  com  a  água  forma  o  ácido  carbônico: 

CO2 (gás carbônico)   +  H2O (água)  ->  H2CO3 (ácido carbônico - ác. fraco)
                                                                           acidez carbônica

onde  o H2CO3 (ácido carbônico)   <->   HCO3- (bicarbonato)  +  H+ (íon de hidrogênio)
                   pH = 4,6                                    pH = 8,3

e  o CO2 (gás carbônico)   +  CO3 2-  (carbonato)  + H2O (água)   ->    2 HCO3- (bicarbonato)

..., então, a água só  se mantêm numa faixa de maior facilidade de neutralização/faixa de tamponamento  através de um processo composto de bicarbonato-HCO3- com pH igual a 8,3  e  dióxido  de  carbono/gás carbônico-CO2    em  pH  igual  a  4,6.

Obs.:

- nessa dinâmica, só com a formação consecutiva do bicarbonato-HCO3-  e do dióxido de  carbono/gás carbônico-CO2, é  que  pode-se manter o sistema aquático em situação ou  faixa  de  onde a variável  pH  sempre  percorre  a  faixa  entre 4,6  a  8,3  ou  vice-versa;
 
- por ser a variável pH (potencial de hidrogênio), dependente  também da temperatura e pressão ambiente, visto ser regida  pela  presença  de  gases  dissolvidos  na solução, (meio líquido),  e  de  íons que orientam a condutividade (mV) do  meio, seguindo  equação linear pH x  mV  em  função  da  variação  de  temperatura, a  melhor  situação  de  estabilidade  ou  de   neutralidade , (pH  neutro),  só  ocorrerá  quando  o  pH  situar-se   próximo  de  8,0  e  não  como se conhece, em pH 7.0. (este  autor,  num dos próximos artigos,  ainda  vai discutir  essa questão);

- o gás carbônico-CO2  dissolvido está  diretamente  ligado ao pH e ao  KH-dureza carbonatada,  pois as  reações químicas que ocorrem entre a água, os  carbonatos e bicarbonatos e o gás carbônico-CO2  geram um ácido fraco, o ácido carbônico- H2CO3, que  faz   o  pH  alterar, diminuindo;

- a variável que nos dá idéia da capacidade de  tamponamento ou do "efeito tampão", da amostra é a  dureza carbonatada-KH,  indicando o grau ou  capacidade de manter o pH mais estável possível,  mesmo com a adição de ácidos  ou  bases (compostos alcalinos); - a relação entre o valor de pH e da  dureza carbonatada-KH da amostra, indica o possível valor da  concentração do gás carbônico-CO2 contido ou presente na mesma; - o KH representa a fração instável da dureza (total) da solução, sendo temporal, apontando momentaneamente a capacidade de se formar e encontrar teores maiores ou menores de bicarbonatos e dos possíveis teores presentes de carbonatos e hidróxidos à serem novamente utilizados  e  formados;
 
- nas águas da Bodoquena/MS-Br, p. ex., a "dureza carbonatada-KH é alta", dificultando grandes alterações no pH, por terem muito mais compostos alcalinos, (alcalinidade de bicarbonatos) e disponíveis íons de cálcio/magnésio, entre outros; - nas amostragens feitas por este autor na região de Bonito/MS-Br, o pH da água, (salobra), se apresentou, na maioria das vezes, na  faixa de alcalinidade bicarbonatada,  preferencialmente  entre  7,0  a  8,5 e com a dureza carbonatada-KH  alta, (entre 150 a 300 mgCaCO3/l);

- os dados das variáveis na água quanto à dureza total, dureza em carbonatos, pH, alcalinidade, turbidez, ferro total, fosfato total, amônia  total  e  temperatura,  entre  outras  e  concentrações de argila, cálcio e magnésio  em amostras de solo, estão disponíveis e sendo discutidos  nos trabalhos de  PÁDUA (2002 )  &  PÁDUA (2004, c.).

- este autor vem apontando e monitorando locais  onde  pode-se encontrar  "água menos salobra ou mesmo doce", na região de Bonito/MS-Br, com valores  menores para a variável KH e sem alterações do pH encontrado, ( PÁDUA, op cit. c);

- na verdade, não existe valor de dureza carbonatada-KH  ideal  para manter-se o pH estável ou então com qualquer  alteração no mesmo, pois depende-se de outros compostos presentes, na solução;

Mesmo nas situações hídricas onde existam grande disposição de sais de cálcio/magnésio, e temperatura pouco  menor,  com a necessária a utilização do gás carbônico presente na formação dos bicarbonatos, este gás manterá uma concentração que funcionará como o  "gás carbônico livre.", o qual irá reagir com novas quantidades de carbonato, ou micropartículas de calcário. Tal forma ou situação do gás carbônico, é chamado de gás "agressivo" que ainda pode combinar parcialmente à água, formando o ácido carbônico, como já vimos.

Vê-se que além das possíveis formas oriundas naturalmente dos processos introdutores do gás carbônico-CO2 na água como: dá própria matéria orgânica nela consumida metabólicamente; do presente e incorporado pela água através da interface água-ar e existente no ar ou mesmo vindo junto pela chuva; do que for arrastado da margem quando presente no solo, tem-se outras formas por assim dizer de poupança ou de reserva, como a do "gás carbônico de equilíbrio" e do "gás carbônico agressivo".

O gás carbônico é um componente das águas naturais, levando a formação de outras e inúmeras formas moleculares, assim p. ex., como da acidez orgânica e da a acidez carbônica, estas com  pH  na  faixa  de  4,5  a  8,2 .

Diferentemente, a acidez mineral apresenta-se com pH sempre menor que 4,5, resultante da presença de resíduos industriais, ou de materiais orgânicos sintéticos, ou pela ação oxidante das sulfobactérias ou mesmo pela hidrólise de certos sais minerais de metais.

Obs.:

- acidez total: variável que representa o teor de dióxido de carbono livre, mais os ácidos minerais e sais de ácidos fortes, os quais por dissociação, (hidrólise), resultam em íons hidrogênio, no meio;

- deve-se considerar que a "acidez" proveniente das reações com os "carbonatos" é chamada de "acidez carbônica" ou proveniente da decomposição do material orgânico natural, (oxidação orgânica), ou seja, da presença do gás carbônico;

- já a "acidez mineral" e a "acidez orgânica" provêm de ações artificialmente  introduzidas no meio pelos possíveis efluentes industriais e/ou domésticos, respectivamente;

- águas naturais, em geral, apresentam uma reação alcalina, com certa acidez, nem sempre indesejável, visto a possível presença da forma orgânica e/ou mesmo carbônica, de acidez; - quando de valor grande para acidez deve-se ligar ao possível lançamento de resíduos industriais ou mesmo domésticos;

- o inconveniente da acidez mineral e/ou orgânica é a sua alta corrosividade, com pH sempre abaixo de 4,6; - na acidez carbônica, com pH entre 4,5 a 8,2, tem-se alguma ação corrosiva, quanto mais próximo do limite mínimo;

- águas de sistemas naturais, embora sejam consideradas alcalinas, podem conter gás carbônico, como vimos e insistimos no texto acima, podendo apresentar ao mesmo tempo, certa acidez e alcalinidade;

- a variável acidez não deve ser confundida como sendo igual a variável  pH e nem com a alcalinidade, embora possam ser correlacionadas, são variáveis que podem representar situações ou atividades químicas diferentes numa mesma amostra, vejamos: em água de chuva espera-se um pH de 5,0 a 6,0 (pouco ácido), com uma alcalinidade entre 20 a 25 mgCaCO3/l, e a acidez variando de 10 a 20 mgCaCO3/l; também, amostras de soluções diferentes podem ter o mesmo valor de  pH, porém com acidez e alcalinidade diferentes ou vice-versa;

- a variável acidez e a variável alcalinidade, p. ex., indicam diferentemente a massa dos radicais químicos na solução; assim a variável alcalinidade indica a presença de ácidos fracos, carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, representando desde as formações de bicarbonatos, (com  pH desde 4,4  até  8,3); de bicarbonatos e carbonatos, (com pH entre 8,3  a  9,4) e de carbonatos e hidróxidos, (com pH superior à 9,4) e ocasionalmente  os silicatos e fosfatos na água;

- a variável pH indica a medida direta da atividade química dos eletrólitos positivos e negativos; - em um próximo artigo procuraremos discutir as possíveis formações de pH ácido, neutro e básico, na presença de soluções com sais, (fortes e fracos)   em  bases (fracas e fortes);

e.t.:  assim:  sal de ácido forte mais base forte, forma solução com pH neutro ou igual à 7,0;  já  sal de ácido forte mais base fraca, o pH é ácido ou menor que 7,0; e sal de ácido fraco em base forte, o pH da solução é alcalino/básico  ou  acima  de  7,0.   

Outras situações:

a) a medida que aumente o pH, a partir de 8,3  vai  diminuindo a presença do gás carbônico na forma livre , na solução, porém com as formas de bicarbonatos que podem  retroagir  fornecendo ainda o citado gás ao meio, em concentração cada vez menor, teimosamente até que o pH exceda à 9,4 onde inicia-se as formas de hidróxidos que se juntam  aos  já  presentes carbonatos,  estes formados à partir do pH 8,3;

b) os hidróxidos-OH-  apresentam  certa  agressividade, sendo também corrosivos;

c) águas subterrâneas, poluídas ou não, podem ainda serem deficientes de outros gases, como p. ex. o oxigênio dissolvido, sendo o oxigênio também consumido pela oxidação de minerais presentes, contribuindo assim para uma maior corrosividade da solução, com formação de soluções agressivas, daí oferecendo condições para abertura e formação natural de canais ou condutos subterrâneos em solos, como ocorre na região da Bodoquena/MS-Br. Obs.: a molécula do gás oxigênio-O2 é menos pesada que a molécula do gás carbônico-CO2.

Ainda vamos comentar e discutir situações de contenção de gases em ambientes confinados onde se tenham dois meios distintos, um como líquido e outro na forma gasosa/ar, por assim dizer. Que o digam os mergulhadores e exploradores de cavernas inundadas. Aguardem...! 

e.t.:

- águas subterrâneas: águas que ocorrem natural ou artificialmente no subsolo, de forma suscetível de extração e utilização pelo homem; - toda  "água  subterrânea" esta  sempre contida  num  "aqüífero", podendo surgir na superfície naturalmente ou via extração forçada pelo homem; - o uso maior das perfurações no solo para obter água, acarreta  diminuição da pressão hidrostática;

- aqüífero ou depósito natural de águas subterrâneas: solo, rocha ou sedimento permeáveis, capazes de fornecer água subterrânea, natural ou artificialmente captada; - o "aqüífero" esta  correndo  ou  contido  abaixo  de  uma  laje impermeável; também pode estar  preso ou  se  deslocando   entre  lajes  ou  num  buraco,  na laje; -  é uma formação geológica de  rochas permeáveis com  solo de porosidade granular ou porosidade fissural, capaz de armazenar e transmitir quantidades significativas de água; - o aqüífero pode ser de variados tamanhos, podem ter extensão de poucos km2 a milhares de km2, ou também, podem apresentar espessuras de poucos metros a centenas de metros;

- lençol  freático:  contêm  água  intersticial  ou  entre as  partículas do solo; - a água no lençol freático  se  encontra  percolando  pelo  solo , acima  de  uma  laje impermeável  ou na faixa  insaturada.

Significados/Conceitos:

- Ácido - Quím. Que possui a propriedade química dos ácidos. Que tem um pH menor que 7.  Substância azeda. Nome genérico dos compostos químicos orgânicos e inorgânicos que contêm um ou mais átomos de hidrogênio, os quais podem ser substituídos por um metal, para formar um sal

- Alcalino - Quím. Que contém álcali.  Que contém carbonato ou bicarbonato

- Álcali - Quím. Grupo de substâncias que dão sais em presença dos ácidos e transformam as  gorduras  em  sabões. Termo mais usado para soda, (carbonato de sódio, um sal branco, facilmente solúvel em água; hidróxido de sódio; soda cáustica), potassa, (carbonato de potássio, especialmente o obtido em forma impura, pelo uso de lixívia de cinzas de vegetais). etc.

- Básico - Quím. Que tem reação alcalina

- Bicarbonato - Quím. Qualquer sal que tenha dois equivalentes de ácido carbônico por um de uma substância  básica

- Carbonato - Quím. Qualquer sal do ácido carbônico

- Dureza  temporária-KH - é a "fração instável" da dureza (total) de uma solução, portanto temporal, sendo influenciada pelo calor e volume, sendo relacionada com a  "baixa solubilidade" dos sais carbonatos, (Ca, Mg, etc.) na  formação e  presença dos bicarbonatos estes  dependentes dos aspectos físicos, como visto, ou da  ação de substâncias alcalinas; o KH  é  o responsável pelo "efeito tampão", que é a capacidade de manter o pH estável, mesmo com a adição de ácidos ou bases (compostos alcalinos); -deste modo o pH está intimamente relacionado com o KH; - na realidade,  a dureza carbonatada-KH, conhecida também como "temporária, em carbonatos ou em bicarbonatos", se refere apenas aos carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água, pois existem outros compostos, inclusive alguns fosfatos, silicatos e outros que também possuem o efeito tampão; - a dureza carbonatada também é conhecida como alcalinidade (alkalinity), potencial alcalino, ou capacidade de tamponamento; - outras e, muitas outras vezes o KH (dureza carbonatada) é confundido com o DH/GH (dureza total/geral)

- Dureza  permanente - é a "fração estável", ou melhor, relativamente estável  da  dureza (total), portanto  permanecendo  na  solução,  não sofrendo ação do calor ou de outros aspectos físicos, embora na presença  de substâncias alcalinas; - a  dureza  permanente  se  deve  a formação e  presença  de  sulfatos  ou  cloretos, em solução; - a  "dureza permanente"  é  a  diferença  da  dureza  temporária  para  a  dureza  total, (DH - KH  =  DP)

- O DH/GH- dureza total  é definida como a capacidade da água precipitar sabões, devido à presença dos íons  de Ca, Mg. Na e outros, como também de  outros metais polivalentes como o Fe, Al, Mn, Zn, Sn, entre outros, que podem aparecer em águas naturais em quantidades pequenas, além da  possibilidade dos cloretos e sulfatos  formados ou não, na presença dos hidróxidos, (Na,Ca. Mg), ou carbonatos; - o grau laxativo das águas duras é dado  pela  formação de sais de  sulfato/Mg,Na; - comumente, refere-se a concentração de sais de magnésio e cálcio  dissolvidos, em  maior  concentração, em relação à outros, na água; - cuidado para não confundir DH/GH  com  KH; -  geralmente, a  unidade  de  valor  para  as  variáveis  dureza  total, dureza permanente  e  dureza  em  carbonatos  é em miligramas de CaCO3  por litro, (mgCaCO3/l); - pode-se  encontrar  valores  em  grau alemão ou  grau  francês; - 1 grau alemão  é  igual  a 17,8 mg/l, (miligramas por litro) ou ppm; -  já 1 grau francês = 10,0 mg/l  ou  ppm, (partes  por  milhão)

- Hidróxido - Quím. Combinação da água com um  óxido,  ou  sal de  um  ácido

- Metalóide - Quím. Denominação genérica dos corpos simples que não são metais e que se distinguem destes por serem maus condutores do calor e da eletricidade (oxigênio, bromo, iodo etc.)

- Mineral - Relativo ou pertencente aos minerais. Elemento ou composto químico, homogêneo, que resulta de processos inorgânicos da natureza e que tem composição química ou série de composições

- Neutro - Quím..  Nem ácido nem alcalino. Que não dá adesão a nenhuma das partes. Diz-se dos corpos que não apresentam nenhum fenômeno elétrico

- Óxido - Quím.  Corpo neutro ou alcalino composto  de  oxigênio  e  de  um metal  ou  metalóide

- Sal - Quím. Composto derivado de um ácido pela substituição total ou parcial do hidrogênio por um metal ou um radical eletropositivo

- Tampão - Uma solução tampão (ou simplesmente tampão) é uma solução que sofre apenas  pequena variação  de   pH  quando a ela são adicionados íons ou H+ ou OH-. É uma solução que contém um ácido e sua base conjugada, em concentrações aproximadamente iguais.

Bibliografia:

BRANCO, S.M. - Hidrobiologia aplicada à  engenharia sanitária. - 3 ed., -São Paulo/SP : CETESB/ACETESB, 1986. 640p. : il. ; 22 cm

BRANCO, S.M. & ROCHA, A. A. - Ecologia: educação ambiental. Ciências do ambiente para universitários. -São Paulo/SP, publ. CETESB, 1980. Reimp. 1984. 200p. ilust.

MACÊDO, J. A  B. de , -Águas & Águas - Juiz de Fora/MG: Ortofarma, 2000. 505 p. : il. ; 3 cm -jmacedo@fbio.ufjf.br

----------   , -Métodos laboratoriais de análises - Físico-Químicas & Microbiológicas Águas & Águas, - Juiz de Fora/MG: MACÊDO, 2001. 302 p. : il. ; 2 cm - jmacedo@fbio.ufjf.br

----------  , -Subprodutos do processo de desinfecção de água pelos derivados clorados - Disinfection Byproducts - DBP - Revisão bibliográficas - Publicações, - Juiz de Fora/MG: MACÊDO, 2001. 67 p. : il. ; 0,5 cm - jmacedo@fbio.ufjf.br

OLIVEIRA, E. L. - pH  x  KH  x  GH  x CO2 .- São Paulo/SP, ECOANIMAL; publ. comercial/Loja  Alto de Pinheiros, fax.:011-3021.4436/3021.2650;  2003. 

PÁDUA, H. B.  de, (a) - Teimosa  presença  do  gás  carbônico em  águas  bicarbonatadas - vamos  começar  entender ...! , São Paulo/SP. Disponível na internet; www.portalbonito.com.br,  jan., 2004. 4p. helcias@ifxbrasil.com.br

------------- , (b) - No dia a dia - água com dureza e alcalinidade elevada. São Paulo/SP. Disponível na internet; www.portalbonito.com.br,  jan.., 2004. 7p. helcias@ifxbrasil.com.br

--------------, (c) - Águas com dureza e alcalinidade elevada. -  Estudo biogeoquímico dos sistemas aquáticos, na Região de Bonito - Serra da Bodoquena/MS-Br., (parte 02) - MS/Bonito; entre 2002/3; jan./2004 - No prelo. helcias@portalbonito.com.br  /  helcias@ifxbrasil.com.br  /  helcias@correios.net.br

-------------, - Águas com dureza e alcalinidade elevada. Observações iniciais na Região de Bonito/MS.Br- registro de dados - 2001/2 - alguns conceitos e comportamentos ambientais (parte 01); 64p., 2002. Disponível na Internet. - www.portalbonito.com.br (estudos)  &  www.jundiai.com.br/abrappesq & www.ruralnet.com.br

SÃO PAULO, - Preservação dos depósitos naturais de águas subterrâneas do Estado de São Paulo. Decreto Estadual nº 32955, de 07/02/1991- São Paulo/SP - Regulamenta a lei nº 6134, 02/06/1988 - GLA1/D/Rec. Hídricos/Est SP - Dec. 91_32955

SENSOGLASS, - Determinação de potencial de hidrogênio. CATLAB - Catálogo de empresas fornecedoras para laboratórios analíticos. São Paulo/SP, Ano I, nº8, set. 2003; Matérias Técnicas, pg. 17-18, 2003 - www.catlab.com.br ; info@catlab.com.br

SPERLING, M. von , -Fundamentos da transferência de gases. In: Princípios básicos de tratamento de esgotos. Belo Horizonte/MG, UFMG, v.2; 1996. 211p.