ÁGUA - ARTIGO CIENTÍFICO PDF

Água – Uma Visão Integrada Hélio A. Duarte As propriedades químicas e físicas da água, responsáveis pelo surgimento e pela manutenção da vida, são...

Água – Uma Visão Integrada Hélio A. Duarte As propriedades químicas e físicas da água, responsáveis pelo surgimento e pela manutenção da vida, são apresentadas. A partir de uma perspectiva de causa e efeito, propõe-se que as propriedades excepcionais da água são decorrentes da natureza quântica das partículas que compõem a molécula. A importância desse conhecimento para a preservação ambiental e a exploração das riquezas minerais de forma sustentável é enfatizada. água, biodiversidade, meio ambiente, mineração 4 Recebido em 13/03/2014, aceito em 24/04/2014 Á gua, o elixir da vida. Na saga humana na Terra, des- avenidas que nos levam ao interior do continente sul ame- de os tempos mais remotos, a água sempre foi um ricano e alimentam a maior e mais densa floresta tropical componente importante, indispensável e promotor do mundo. A presença da água sempre foi e será condição de mudanças. Nos tempos antigos, a água era considerada a sine qua non para o desenvolvimento e a prosperidade da fonte que dava origem a todas as coisas civilização humana. visíveis e materiais. As primeiras civi- A água, em sua constituição A água, em sua constituição física, lizações no Oriente Médio, que temos física, apresenta propriedades apresenta propriedades únicas que a di- notícia, prosperaram na Mesopotâmia únicas que a difere de qualquer fere de qualquer outra substância e que, (terra entre rios) às margens dos rios outra substância e que, em em grande parte, é responsável pela Tigre e Eufrates. Encontramos, na grande parte, é responsável pela existência da vida na terra. Vejamos Ásia, o rio Ganges, cujas margens existência da vida na terra. os porquês. A água na forma líquida foram testemunhas das mais belas possui o maior calor específico (4,18 histórias. Na África, o rio Nilo teste- Jg-1K-1), com exceção da amônia, e alta munhou o apogeu da civilização egípcia, cujas margens de condutividade térmica (0,598Wm-1K-1), quando comparado terras férteis forneciam o alimento ao seu povo. Na Europa, a outros líquidos. Isso significa que a água é capaz de absor- os rios Tâmisa e Sena foram utilizados e degradados durante ver grande quantidade de calor sem alterar enormemente a a revolução industrial para depois serem revitalizados no temperatura. Dessa forma, a água impede que haja variações final do século XX. Na América do Norte, o Rio Mississippi bruscas de temperatura. Além disso, o dinamismo dos rios e presenciou o avanço da civilização americana rumo ao oeste mares e o ciclo das chuvas permitem uma grande transferên- e o desenvolvimento das máquinas térmicas que movimen- cia de calor sem grande variação de temperatura. O calor de tavam os navios a vapor. Na América Latina, encontramos fusão (333 J g-1) também é um dos mais altos. Nos extremos o Rio São Francisco, que foi utilizado em grande extensão sul e norte do planeta, as grandes extensões de gelo são, na ocupação do interior do Brasil. O rio Paraguai, mais ao na verdade, grandes termostatos que garantem o equilíbrio sul do continente, é responsável por uma das maiores áreas térmico do planeta. Não podemos esquecer que, na forma só- alagadas do mundo, provendo um espetáculo de fertilidade, lida, o gelo tem baixa condutividade térmica (2,4 W m-1 K-1) biodiversidade e beleza. Não poderíamos ainda deixar de comparado a outros sólidos, ou seja, é um isolante térmico. citar o Rio Amazonas e todos os seus afluentes, verdadeiras Essa propriedade é utilizada pelos esquimós, no polo norte, Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Água – Uma Visão Integrada N° 8, p. 4-8, MAIO 2014 para fazer os iglus, suas casas de gelo, garantindo uma tem- Além disso, a tensão superficial da água é a mais alta de peratura mais amena no seu interior. A água é um dos poucos todos os líquidos (0,073 N m-1) e garante o perfeito equilíbrio materiais que ao solidificar fica menos denso: o gelo flutua entre o líquido que escoa nos rios e canais, a formação das na água líquida. Essa característica permite que o gelo seja gotas, a penetrabilidade da água em poros e microporos, formado na superfície de rios e a transferência e condução da lagos, impedindo que, no interior, água através de membranas e a Nas geleiras eternas dos polos (norte a água solidifique-se, garantindo, e sul), o gelo guarda, nas cavidades de miscibilidade da água com ou- assim, a sobrevivência de peixes suas estruturas, amostras da atmosfera tras substâncias líquidas. A sua e moluscos (veja Figura 1). Nas de épocas remotas do globo terrestre. baixa viscosidade (0,001 N s m-2) geleiras eternas dos polos (norte e Estudos dessas estruturas, chamadas permite que ela alcance quase sul), o gelo guarda, nas cavidades de clatratos, fornecem indicativos da todos os lugares, penetrando os de suas estruturas, amostras da composição da atmosfera e como ela materiais rochosos, alcançando atmosfera de épocas remotas do variou ao longo do tempo. as profundezas da terra, alimen- globo terrestre. Estudos dessas tando os rios e as cachoeiras. A estruturas, chamadas de clatratos, constante dielétrica (e = 80) é a fornecem indicativos da composição da atmosfera e como mais alta entre os líquidos, o que garante que sais minerais ela variou ao longo do tempo. e grande parte das moléculas sejam solúveis em água. Esses O calor de vaporização da água também é um dos mais compostos representam nutrientes para muitos organismos altos (2250 J g ), o que evita as variações bruscas de tem- -1 vivos e podem ser espalhados e carreados pela água para peratura, pois a água absorve boa parte da energia solar que todos os lugares. incide na Terra e é vaporizada. Outro aspecto importante é o A água límpida e cristalina, seja no copo d’água que ciclo de chuvas, que envolve a vaporização e a condensação utilizamos para saciar a sede, seja caindo do alto de uma da água, o que contribui para o transporte de energia térmica cachoeira ou, ainda, nas ondas do mar, é fonte de muita entre diferentes regiões do planeta. poesia, alegria, satisfação e, principalmente, de muita vida. 5 Figura 1: Diferentes vistas da cachoeira do rio Louise, Alberta, Canadá (Foto: Hélio A. Duarte). Figura 2: a) Cachoeira do Tabuleiro, Conceição do Mato Dentro (MG), a mais alta do estado de Minas Gerais; b) Cachoeira de Casca d’Anta, São Roque de Minas (MG) (Foto: Hélio A. Duarte). Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Água – Uma Visão Integrada N° 8, p. 4-8, MAIO 2014  A Figura 2 mostra a cachoeira do Tabuleiro com 273 m de altura na Serra do Cipó, sendo a mais alta de Minas Gerais e a terceira mais alta do Brasil, e a cachoeira Casca d’Anta, próxima à nascente do Rio São Francisco, na Serra da Canastra, com 186 m de altura. A turbulência das águas favorece a sua oxigenação e, por meio de processos bioquí- micos, a eliminação de substâncias orgânicas e inorgânicas, tornando-a potável. Apesar de muito estudada, há ainda muito mais para se conhecer a respeito da água. A ciência química tenta entender os meandros de todo esse concerto da natureza em torno da água e busca, no microcosmo, explicações para essa mara- vilha. A água, cuja molécula é representada pela fórmula H2O, apresenta outras propriedades muito relevantes. Um novo mundo se descortina, a química quântica levanta o véu que mantinha essa intimidade da matéria inacessível. Sabemos que os três átomos que se associam para formar a molécula de água organizam-se com ângulo de ligação de aproximadamente 104 graus. A química quântica indica que a distribuição eletrônica dessa molécula leva a um momento de dipolo que explica grande parte das propriedades macros- cópicas da água. A diferença de carga entre os átomos de hidrogênio e de oxigênio permite que outras importantes in- terações ocorram com moléculas de água (Amaral; Almeida, 6 2000). Trata-se das ligações de hidrogênio, responsáveis pela estrutura do gelo, pela alta capacidade calorífica de fusão e vaporização da água, dentre outras propriedades. Os dois pares de elétrons não ligantes, que se orientam ao redor do oxigênio, permitem que a água interaja fortemente com íons metálicos. Sabemos que, em muitos processos químicos que ocorrem em meio aquoso, a água age como reagente e parti- cipa do mecanismo da reação química. A água não é apenas um solvente universal, mas também desempenha papel ativo em grande parte dos processos químicos em meio aquoso, Figura 3: Estalactites e estalagmites da Gruta de Maquiné, Serra reagindo e formando outras moléculas. do Cipó (MG) (Foto: Hélio A. Duarte). Assim, o dióxido de carbono, CO2, solubilizando-se na água, forma o ácido carbônico, H2CO3. O íon carbonato, CO32-, por sua vez, oriundo da interação da água com o ácido carbônico, interage com cátions, principalmente os metais alcalino terrosos, para formar carbonatos. Na natureza, as reações de dissolução e precipitação controladas pela solubi- lidade de carbonatos (principalmente de cálcio e magnésio), formam estalagmites e estalactites, que nos deixam maravi- lhados nas explorações espeleológicas (Figura 3). As rochas, com suas estruturas únicas e belas, guardam, muitas vezes, o trabalho paciente e incansável da água que, por milhares de anos, moldou a sua forma (Figura 4). As for- mações rochosas de todos os tipos são afetadas pela presença ou ausência da água. O grau de hidratação desses materiais lhes confere variações grandes de cor e propriedades. Figura 4: Cânion no parque da Ferradura, Canela (RS) (Foto: Microrganismos, vegetais e animais proliferam nos Hélio A. Duarte). ambientes onde há nutrientes e água. A biodiversidade nos ensina como a natureza pode encontrar caminhos inusitados A civilização humana inicia a sua grande mudança tec- de adaptação e de especialização, sendo que cada organismo nológica com a utilização da energia potencial das águas nas pode se adaptar às mais diferentes condições encontradas cachoeiras para fazerem mover rodas d’água. Por exemplo, no planeta. nas fazendas antigas do interior do Brasil, ainda há vestígios Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Água – Uma Visão Integrada N° 8, p. 4-8, MAIO 2014  quanto ao seu impacto no meio ambiente e o esforço para atenuar os seus efeitos, bem como ao papel central da ciência para apontar soluções e problemas desse impacto. No entan- to, a internalização desse conceito em suas atividades tem se demonstrado muito difícil e requer um esforço contínuo de educação e conscientização das pessoas. Este caderno temático aborda esse tema em relação às atividades de mineração e metalurgia. Essas atividades são de suma importância para o desenvolvimento econômico e social de nosso país. A riqueza mineral do Brasil, a sua exuberante biodiversidade e a privilegiada condição de ser um dos países mais ricos em água doce do mundo o colocam numa condição de destaque no cenário mundial. Extrair Figura 5: Moinho de água para fazer fubá e farelo de milho, mu- essa riqueza mineral, agregando-lhe valor e preservando a nicípio de Bento Gonçalves (RS). Esse moinho tem mais de 150 biodiversidade e os recursos hídricos, é garantir condições anos (Foto: Hélio A. Duarte). de sobrevivência e de qualidade de vida para as gerações futuras. Sabemos que o desafio é enorme, mas se os atores de moinhos d’água utilizados para fazer farelo de milho sociais (sociedade, organizações não governamentais e go- (Figura 5). No alvorecer da revolução industrial, a água vernos), acadêmicos (universidades e centros de pesquisa) foi utilizada para mover navios e trens com as máquinas a e os setores produtivos (indústria, comércio e instituições vapor. A água era aquecida até atingir o estado vapor que, financeiras) atuarem de forma colaborativa e harmoniosa, por meio de uma engenhoca apropriada, fazia mover os será possível transformar as nossas riquezas minerais em pistões da máquina a vapor, levando desenvolvimento para fonte de desenvolvimento com qualidade de vida para toda regiões longínquas. a população. O esforço para o desenvolvimento econômico oriundo da A química tem um papel destacado no processo de 7 modernidade tecnológica, durante muito tempo, subestimou internalizar nas atividades produtivas a preocupação com o impacto das atividades industriais na natureza e na quali- o impacto ambiental e sua repercussão na vida no planeta. dade de vida das gerações futuras. O entendimento dos processos Espaços próximos aos rios eram químicos e físicos que ocorrem O esforço para o desenvolvimento escolhidos para a implantação de nas diversas etapas de um em- econômico oriundo da modernidade fábricas e indústrias, de modo a fa- preendimento mineral permite tecnológica, durante muito tempo, cilitar a utilização da sua água em desenvolver tecnologias com subestimou o impacto das atividades seus processos físicos e químicos, industriais na natureza e na qualidade de alto desempenho ambiental. Isso além de facilitar o descarte dos vida das gerações futuras. Espaços próximos significa um menor consumo da resíduos sem interesse econômi- aos rios eram escolhidos para a implantação água por meio do seu reaprovei- co. Esse processo entrou logo em de fábricas e indústrias, de modo a facilitar tamento via recirculação bem colapso com a percepção de que a a utilização da sua água em seus processos como pela exploração de seus água é, na verdade, um bem finito físicos e químicos, além de facilitar o usos múltiplos e compartilhados, e esgotável. Os processos naturais, descarte dos resíduos sem interesse da minimização da geração dos ao serem perturbados, levam a um econômico. Esse processo entrou logo em rejeitos e do descarte correto dos novo patamar de equilíbrio que colapso com a percepção de que a água é, resíduos industriais. Os processos pode até mesmo comprometer na verdade, um bem finito e esgotável. químicos e biológicos que ocor- a sobrevivência da civilização rem na mineração e a disposição humana. de resíduos na natureza devem ser A humanidade faz parte da natureza e, como tal, está compreendidos no nível microscópico para que o aprovei- sujeita ao seu curso e sobre a égide de suas leis. Toda ati- tamento do recurso mineral seja maximizado e os impactos vidade humana (antropogênica) ou fenômeno natural leva ambientais sejam atenuados. Áreas degradadas devem ser invariavelmente a modificações do meio ambiente que, por recuperadas de forma abrangente e em todos os aspectos, sua vez, afetarão de alguma forma os seres vivos. O conhe- sejam eles geológicos, químicos e biológicos. cimento científico das leis que governam a natureza, seja O Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para ela física, química ou biológica, tem permitido compreender Recursos Minerais, Água e Biodiversidade (INCT-Acqua) os intricados mecanismos dos processos naturais quando propõe-se a reunir pesquisadores de diferentes áreas para afetados por alguma perturbação causada pelas atividades dar respostas a algumas questões e desafios relacionados às antropogênicas ou por eventos naturais. atividades do setor mineral e metalúrgico. Neste caderno, É consenso de toda a sociedade a necessidade premente pretendemos trazer até o leitor a contribuição da química para de incorporar em todas as atividades do homem o cuidado responder a algumas dessas questões. Conceitos químicos Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Água – Uma Visão Integrada N° 8, p. 4-8, MAIO 2014  mineral é a oxidação natural dos sulfetos minerais expostos du- rante a escavação de uma mina, levando à formação de ácidos e, consequentemente, acidificando os rios e as águas subterrâ- neas e solubilizando compostos contendo metais pesados. Esse processo, chamado de drenagem ácida de mina ou de rocha, é discutido em detalhes no Capítulo 4. No Capítulo 5, mate- riais funcionais para a proteção ambiental são apresentados e discutidos. No Capítulo 6, a qualidade da água do ponto de vista químico e biológico no contexto dos recursos minerais e biodiversidade é discutida. Os microrganismos desempenham papel importante nos processos naturais e tecnológicos para a remediação de águas contaminadas. Por fim, a importância da visão química e biológica no desenvolvimento sustentável das atividades minerais é enfatizada. Figura 6: A água como elo aglutinador de diferentes áreas do Helio Anderson Duarte ([email protected]), engenheiro químico, mestre em conhecimento na proposta do INCT-Acqua (http://www.acqua- Química Inorgânica e doutor em Química Teórica, é pesquisador 1B do CNPq e inct.org). professor titular do Departamento de Química – ICEx da UFMG. Belo Horizonte, MG – BR. fundamentais são utilizados para melhorar processos, miti- gar o impacto ambiental e recuperar áreas degradadas. Não Referências obstante a importância da química nesse contexto, a sua relação com biologia, engenharia de minas, metalúrgica AMARAL, L.O.F; ALMEIDA, W.B. (Orgs.). Estrutura da e de materiais é de extrema relevância para alcançar os matéria: uma visão molecular. Cadernos Temáticos da Química 8 objetivos dessa empreitada, na qual a água representa o elo Nova Na Escola, v. 4, Sociedade Brasileira de Química, São aglutinador (veja Figura 6), sendo que as diferentes áreas do Paulo, 2000. conhecimento encontrem ensejo para trabalharem juntas na Para saber mais solução de problemas e, principalmente, na busca por cami- nhos alternativos para o desenvolvimento da nossa sociedade. ANDRADE, J.B.; SILVA, R.R. (Orgs.). Química, vida e Este caderno temático aborda aspectos relacionados com a ambiente. Cadernos Temáticos da Química Nova Na Escola, v. indústria extrativa e o meio ambiente com o foco na química. 5, Sociedade Brasileira de Química, São Paulo, 2003. O Capítulo 2 descreve as principais técnicas utilizadas no JARDIM, W.F.; GIORDAN, M. (Orgs.). Química ambiental. Cadernos Temáticos da Química Nova Na Escola, V. 1, Socie- beneficiamento físico e químico de minérios como cominui- dade Brasileira de Química, São Paulo, 2001. ção, concentração física, lixiviação, flotação e extração por solvente. As diferentes espécies químicas formadas durante os processos hidrometalúrgicos são importantes para o de- Abstract: Water – An integrative view. The chemical and physical proper- senvolvimento de tecnologias mais eficientes e sustentáveis ties of water, responsible for the emergence and the maintenance of the life ambientalmente. A especiação química, que é a distribuição are presented. From the perspective of cause and effect, it is proposed that the extraordinary properties of water are due to the quantum nature of the das diferentes espécies de um dado elemento químico numa particles that compose the molecule. The importance of this knowledge amostra, e sua importância nos processos de extração mineral for the environmental preservation and the sustainable exploration of the e de remediação ambiental são apresentadas no Capítulo 3. mineral resources are emphasized. Keywords: Water, biodiversity, environment, mining. Outro processo químico importante decorrente da atividade Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Água – Uma Visão Integrada N° 8, p. 4-8, MAIO 2014