Introdução à química da água

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Obra de leitura e consulta, fundamental para todos que se interessam pela sobrevivência do planeta, neste momento em que a vida na Terra sofre a ameaça de danos ambientais, como aquecimento global, derretimento da calota polar, elevação dos níveis dos oceanos, diminuição da camada de ozônio, poluição ambiental, escassez de água potável e excessivo crescimento demográfico, e exige que a população civil e os governos do mundo assumam o desafio de bem administrar e manejar os recursos renováveis e não renováveis, entre eles a água - e aí vemos a importância de uma obra como Introdução à Química da Água. Os autores enfatizam esforços de governos para frear estes danos - com pactos e tratados, entre eles a Declaração Universal dos Direitos da Água (que estabeleceu o dia 22 de março como o Dia Internacional da Água) e, em especial, o polêmico Tratado de Kioto (1998) - e mostram como existem mais no papel que em ações concretas. Com tópicos que trazem informações teóricas sobre a química da água, sua poluição, os sistemas aquáticos e seus diferentes tipos de equilíbrio e a legislação que regula seu uso, o livro pretende fazer a junção dos fenômenos físicos e químicos aos problemas ambientais globais vividos pela humanidade.

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PARTE I - CAPÍTULO 1 - ORIGEM DA ÁGUA

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CAPÍTULO 1

ORIGEM DA ÁGUA

1.1

1.2

1.1

Introdução

Origem da Água na Terra

1.2.1

Hipótese do bombardeio do planeta Terra com cometas de gelo

1.2.2

Hipótese da condensação do envelope gasoso da Terra

1.2.3

Excessos voláteis

1.3

1.4

1.5

Composição Salina da Água do Mar —

Comprovação da Hipótese

Origem e Estrutura da Matéria

Referências Bibliográficas e Sugestões para

Leitura

Introdução

A

água é encontrada em vários pontos do universo, na Terra, nos “espaços” interestelares, nos satélites, nos cometas, planetas e na atmosfera de algumas estrelas. Sabe-se também que ela é formada em diferentes partes do universo. Conforme literatura, aproximadamente 70% da massa do universo é hidrogênio, mas o oxigênio chega apenas a 1%. Para a formação da água exigem-se condições apropriadas, como alta densidade e temperatura não muito alta, não passando de alguns milhares de graus Celsius (°C). Altas temperaturas, bem como, a radiação ultravioleta, provocam a dissociação da molécula de água (R-1.1). alta temperatura e ou radiação ultravvioleta

 

PARTE I - CAPÍTULO 2 - ESTRUTURA E PROPRIEDADES DA ÁGUA

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CAPÍTULO 2

ESTRUTURA E PROPRIEDADES DA ÁGUA

2.1

2.2

2.3

2.1

Estrutura Molecular

Estados Físicos da Água

2.2.1

Água no estado gasoso

2.2.2

Água no estado sólido

2.2.3

Água no estado líquido

As Propriedades Físicas da Água

2.3.1

Massa específica

2.3.2

Calor específico

2.3.3

Ponto de ebulição

2.3.4

Ponto de congelamento

2.3.5

Viscosidade

2.3.6

Tensão superficial

2.3.7

2.3.8

2.3.9

2.3.10

2.3.11

2.4

2.5

Calor latente de vaporização e fusão

Coeficiente de expansão térmica

Constante dielétrica

Outras constantes da água

Quadro-resumo das principais propriedades da água e seus efeitos na natureza

Diferentes Denominações de Água na Natureza

Referências Bibliográficas e Sugestões para

Leitura

Estrutura Molecular

Em geral as propriedades das substâncias, que se notam e se observam no macromundo, refletem conseqüências da própria estrutura atômica e molecular. Por isso, é importante conhecer primeiro estas, para depois detalhar as propriedades.

 

PARTE I - CAPÍTULO 3 - INTERAÇÃO DA ENERGIA COM O CORPO D’ÁGUA

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CAPÍTULO 3

INTERAÇÃO DA ENERGIA COM O CORPO D’ÁGUA

3.1

3.2

3.3

3.4

3.1

Introdução

Radiação Solar

3.2.1

Radiação-onda

3.2.2

Radiação-corpúsculo

Estrutura da Matéria

3.3.1

Corpúsculo-onda

3.3.2

A ligação química

3.3.3

Orbitais moleculares

Papel da Atmosfera na Chegada da Radiação

Solar

3.5

3.6

3.7

Radiação Eletromagnética Incidindo num Corpo de Água

Efeitos Térmicos da Radiação Eletromagnética num Corpo de Água

3.6.1

Massa específica da água

3.6.2

Abaixamento da pressão de vapor da

água

Referências Bibliográficas e Sugestões para

Leitura

Introdução

A

água é o suporte da vida, mas a energia emanada pelo sol e que chega à Terra é que dá possibilidade de continuidade da vida ao longo do tempo. Sem a luz solar paralisa-se o processo da fotossíntese. Com isto, paralisa-se a síntese de biomassa.

 

PARTE I - CAPÍTULO 4 - EQUILÍBRIO QUÍMICO EM ÁGUAS NATURAIS

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CAPÍTULO 4

EQUILÍBRIO QUÍMICO EM ÁGUAS NATURAIS

4.1

4.2

4.3

4.1

Interação Soluto e Solvente

4.1.1

O solvente

4.1.2

O soluto

4.1.3

A solução

4.1.4

Coeficiente de atividade

Cinética Química

4.2.1

Conceito

4.2.2

Velocidade média – velocidade instantânea

4.2.3

Velocidade de reação – ordem de reação e molecularidade de reação

4.2.4

Fatores que influenciam na velocidade das reações químicas

Equilíbrio Químico

4.3.1

Conceitos

4.3.2

4.4

4.5

Tendência do estabelecimento do estado de equilíbrio – visão cinética

4.3.3

Tendência do estabelecimento do estado de equilíbrio químico – visão termodinâmica

4.3.4

Tendência do estabelecimento do estado de equilíbrio químico – visão eletroquímica

4.3.5

Efeitos causados por agentes externos sobre a reação em estado de equilíbrio químico

4.3.6

 

PARTE II - CAPÍTULO 5 - SUBSÍDIOS PARA CÁLCULOS EM EQUILÍBRIOS QUÍMICOS

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CAPÍTULO 5

SUBSÍDIOS PARA CÁLCULOS EM EQUILÍBRIOS QUÍMICOS

5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.1

Introdução

Passos (ou Etapas) a Serem Seguidos na Solução de Problemas

Exemplificações do Estabelecimento de Cada

Passo

Solução do Polinômio

Solução do Exemplo 5.1 com Aproximações

Generalização de Cálculos – Especiação de um

Sistema Monoprótico Levando em Consideração a Força Iônica Desconhecida do Meio

5.7

5.8

5.9

5.10

Métodos Gráficos para a Solução de Problemas de Equilíbrio Químico

5.7.1

Diagrama de log Ci

5.7.2

Diagrama de distribuição

Balanceamento de Equações Químicas

Exercícios Propostos

Referências Bibliográficas e Sugestões para

Leitura

Introdução

A

determinação da composição química qualitativa e quantitativa de um sistema qualquer, em equilíbrio, denomina-se especiação.

Em corpos de água, diversos são os tipos de equilíbrios, que apresentam interesse na especiação. Entre eles citam-se:

 

PARTE III - CAPÍTULO 6 - EQUILÍBRIO ÁCIDO-BASE EM ÁGUAS NATURAIS

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Capítulo 6

EQUILÍBRIO ÁCIDO-BASE EM ÁGUAS NATURAIS

6.1

6.2

6.3

6.1

Introdução

Teorias Ácido-Base

6.2.1

Definição de Arrhenius

6.2.2

Teoria de Brönsted e Lowry

6.2.3

Teoria de Lewis

6.2.4

Definição baseada no sistema de solvente

6.2.5

Generalização do conceito de acidez e basicidade

6.2.6

Expressão da medida da atividade protônica

Cálculos Segundo a Teoria de Brönsted e Lowry

6.3.1

Fundamentos

6.3.2

Aproximações

6.3.3

Conceito de solução-tampão

6.3.4

Capacidade-tampão ou “buffer index” (b)

6.3.5

Diluição da solução-tampão

6.3.6

Sistemas anfipróticos

6.4

6.5

6.6

Acidez de um Corpo de Água Natural

6.4.1

Aspectos gerais

6.4.2

Medida da acidez de um corpo de água natural

6.4.3

Agentes responsáveis pela acidez de um corpo de água

6.4.4

 

PARTE III - CAPÍTULO 7 - QUÍMICA DE COORDENAÇÃO EM ÁGUAS NATURAIS

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CAPÍTULO 7

QUÍMICA DE COORDENAÇÃO EM ÁGUAS NATURAIS

7.1

7.2

7.1

Conceitos

7.1.1

Complexo

7.1.2

Ácidos e bases de Lewis presentes num corpo d’água

7.1.3

Cargas elétricas

7.1.4

Sedes ativas

Teorias sobre Complexos e Interações com a Energia

7.2.1

Introdução

7.2.2

Teoria do campo cristalino

7.2.3

Teoria do orbital molecular

7.3

7.4

7.2.4

Termos espectroscópicos

Equilíbrio de Sistemas de Complexos

7.3.1

Aspectos gerais

7.3.2

Complexação por um agente estranho ao equilíbrio – situação a

7.3.3

Complexação pelo íon comum em excesso

– situação b

7.3.4

Estudo do equilíbrio de complexos por diagramas

Referências Bibliográficas e Sugestões para Leitura

Conceitos

7.1.1 Complexo

C

omplexos ou chamados compostos de coordenação são identidades químicas constituídas de espécies químicas moleculares e iônicas, que na sua estrutura apresentam um átomo central (simbolizado por M), se forem mononucleares, ou mais, se forem polinucleares. O átomo central possui a propriedade de aceitar pares eletrônicos para se estabilizar eletronicamente. Estes pares eletrônicos podem pertencer a átomos, moléculas e/ou íons denominados ligantes (L), ou também quelantes, quando a mesma unidade cede 2 ou mais pares eletrônicos ao M. Os ligantes distribuem-se espacialmente ao redor de M. O número total de pares eletrônicos recebidos pelo átomo central denomina-se número de coordenação (nc).

 

PARTE III - CAPÍTULO 8 - EQUILÍBRIO DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO EM ÁGUAS NATURAIS

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CAPÍTULO 8

EQUILÍBRIO DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO

EM ÁGUAS NATURAIS

8.1

8.2

8.1

Introdução

Fundamentos da Oxidação e Redução

8.2.1

Reação de oxidação e redução

8.2.2

Estado de oxidação e número de oxidação

8.2.3

Agentes oxidantes e agentes redutores

8.2.4

Eletrodo e potencial de eletrodo

8.2.5

Células ou pilhas elétricas (galvânicas)

8.2.6

Eletrodo-padrão de hidrogênio, potenciais-padrão e formais de eletrodo

8.2.7

Diferença de potencial de uma pilha (E) e energia livre (G)

8.2.8

Energia e a equação de Nernst

8.2.9

Cálculo do potencial elétrico de um eletrodo e/ou de uma reação

8.3

8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

Função pe

Relação entre pe e o Potencial de Eletrodo (EH)

Relação de pe (pe0) com as Constantes

Termodinâmicas

Atividade Eletrônica do Meio e Estabilidade da

Água

 

PARTE III - CAPÍTULO 9 - SOLUTO (sólido precipitado) SOLUTO (dissolvido)

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CAPÍTULO 9

SOLUTO(sólido precipitado)

9.1

9.2

9.3

9.1

Introdução

Dissolução do Soluto na Água



→ SOLUTO

Equilíbrio SOLUTO(precipitado) ←

(dissolvido)

9.3.1

Aspectos gerais

9.3.2

Constante do produto de atividade ou constante termodinâmica (Kpa)

9.3.3

Concentração e atividade de uma espécie i em solução

9.3.4

Constante do produto de atividade (Kpa) e constante do produto de solubilidade (Kps)

9.3.5

Solubilidade (S) e constante do produto de solubilidade (Kps)



SOLUTO(dissolvido)

Diagramas de solubilidade de compostos simples sem reações secundárias

Fatores que Influenciam a Solubilidade de um

Soluto

9.4.1

Influência da força iônica do meio

9.4.2

Influência da temperatura

9.4.3

Efeito do íon comum

9.4.4

Efeito da hidrólise

9.4.5

 

PARTE III - CAPÍTULO 10 - ÁGUA DA ATMOSFERA

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CAPÍTULO 10

ÁGUA DA ATMOSFERA

10.1

10.2

10.3

10.4

Introdução

Estrutura e Composição da Atmosfera

Interação da Radiação com a Atmosfera

Comportamento Físico da Água na Atmosfera

10.5

10.6

Comportamento Químico da Água na Atmosfera

10.5.1 Reações químicas na “gota” d’água — reator

Referências Bibliográficas e Sugestões para Leitura

10.1 Introdução

A

atmosfera possui um conteúdo variável de água, 0  5%. Ali se encontram, na forma de gases, vapores, aerossóis e particulados.

Na atmosfera, a água tem funções importantíssimas envolvendo aspectos físicos, químicos e aspectos conseqüentes de ambos, constituindo uma das etapas do ciclo hidrológico.

No aspecto físico, já introduzido no Capítulo 3 — Interação da Energia com o Corpo d’Água — a água é responsável pela absorção de grande parte da energia solar, transporte de massa e energia (vaporização da água, condensação, formação das nuvens, precipitação – chuvas, neves etc.), equalização da temperatura na superfície terrestre e neste processo participa do efeito estufa.

 

PARTE III - CAPÍTULO 11 - ÁGUA DO SOLO

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CAPÍTULO 11

ÁGUA DO SOLO

11.1

11.2

Introdução

O Solo

11.2.1 Cargas elétricas nas partículas minerais do solo

11.2.2 A fase sólida do solo

11.2.3 A matéria orgânica nos solos

11.3

11.4

11.5

11.6

11.7

11.8

Comportamento da Água no Solo

Água no Solo: Uma Solução Diluída

Água do Solo e Sua Relação com o Subsolo

Movimentação da Água Líquida no Solo

Erosão Hídrica

Referências Bibliográficas e Sugestões para Leitura

11.1 Introdução

O

solo, muitas vezes de aparência seca, contém água em seus interstícios. Estima-se que o volume de

água na umidade do solo seja de 69103 km3, isto é, 0,005% da água total existente no planeta.

No solo, dois componentes disputam o mesmo espaço, a fase líquida, isto é, a solução do solo, e a fase gasosa, o ar do solo. Aumentando um, diminui o volume do outro, Figura 11.1.

O espaço disputado é constituído pelos interstícios, ou vazios, entre as partículas sólidas do solo, que são formados pelos micro e macroporos. Em condições normais a água ocupa os microporos e os macroporos são para o ar, Figura 11.1(A). Dependendo da situação, a água pode ocupar os microporos e os macroporos, expulsando o ar do solo, Figura 11.1(B).

 

PARTE IV - CAPÍTULO 12 - POLUENTES DA ÁGUA

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CAPÍTULO 12

POLUENTES DA ÁGUA

12.1

12.2

12.3

12.4

Introdução

Revisão de Conceitos

Fontes Poluidoras e Tipos de Poluentes dos Corpos d’Água Natural

Principais Elementos-traço Encontrados na Água

Natural

12.4.1 Elemento, fonte, efeito e limite de concentração na água

12.4.2 Metal pesado mercúrio

12.4.3 Metal pesado chumbo (Pb)

12.4.4 Fatores que influenciam a concentração de metais, elementos-traço, dissolvidos no corpo d’água

12.4.5

12.5

12.6

12.7

12.8

Efeito de alguns metais pesados no ser humano

Poluentes Orgânicos

12.5.1 Principais tipos

12.5.2 Demanda bioquímica de oxigênio (DBO)

12.5.3 Eutroficação ou eutrofização

12.5.4 Sabões e detergentes

Pesticidas (praguicidas)

Fertilizantes (adubos)

Referências Bibliográficas e Sugestões para Leitura

12.1 Introdução

A

água é fonte de vida, e dela depende o crescimento e a sobrevivência da biota e do homem. Em defesa da água e no sentido de preservar os mananciais, em 1988, mais especificamente em 06/05/88, o Parlamento Europeu promulgou a CARTA EUROPÉIA DA ÁGUA que se encontra no Anexo 2.

 

PARTE IV - CAPÍTULO 13 - FONTES E TRATAMENTO DA ÁGUA

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CAPÍTULO 13

FONTES E TRATAMENTO DA ÁGUA

13.1

13.2

13.3

13.4

13.5

13.6

Fontes e Disponibilidade de Água

13.1.1 Fontes de água

13.1.2 Uso

Tratamento da Água para Fins de Uso Humano

13.2.1 Aspectos gerais

13.2.2 Características da água

13.2.3 Etapas do tratamento convencional da água

Pré-cloração

Coagulação

13.4.1 Suspensões coloidais

13.4.2 Modelos de coagulação

13.4.3 Fases da coagulação

13.4.4 Coagulantes e auxiliares

13.4.5 Remoção da turbidez

13.4.6 Remoção da cor

13.4.7 Agressividade e incrustabilidade

Floculação

Decantação

13.7

13.8

13.9

13.10

13.11

13.12

13.13

Filtração

13.7.1 Mecanismos responsáveis pela filtração

13.7.2 Transporte

13.7.3 Aderência

Desinfecção

13.8.1 Cloro molecular

13.8.2 Desinfecção com outros compostos clorados

13.8.3 Ozônio

 

PARTE IV - CAPÍTULO 14 - A ÁGUA NO CAMINHO DA PRODUÇÃO DE ALIMENTOS

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CAPÍTULO 14

A ÁGUA NO CAMINHO DA PRODUÇÃO DE ALIMENTOS

14.1

14.2

14.3

Introdução

Piscicultura

14.2.1 Aspectos gerais

14.2.2 Várias formas de aqüicultura

14.2.3 Fatores que afetam a vida aquática

14.2.4 Relações entre nutrientes e vida aquática

Hidroponia

14.3.1 Aspectos gerais

14.3.2

14.3.3

14.3.4

14.4

Uma rápida visão do sistema solo-planta

Sistema hidropônico

Solução nutritiva: fator decisivo da produção hidropônica

14.3.5 Outras aplicações da hidroponia

Referências Bibliográficas e Sugestões para

Leitura

14.1 Introdução

O

crescimento demográfico na entrada do terceiro milênio alcançou a cifra de 6 bilhões de bocas que necessitam de alimento diário. O seu aumento é dado por uma função exponencial, conforme Equação (14.1).

Nt  N0e

rt

(14.1)

Em que:

N0  população no tempo 0 (zero) qualquer, estabelecido pelo leitor;

 

PARTE V - CAPÍTULO 15 - EXPERIMENTOS LABORATORIAIS COM ÁGUA

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CAPÍTULO 15

EXPERIMENTOS LABORATORIAIS COM ÁGUA

15.1

15.2

15.3

15.4

15.5

15.6

15.7

15.8

015leni.indd 533

Introdução

Experimento 1 – Síntese da Água

15.2.1 Aspectos teóricos

15.2.2 Materiais e reagentes

15.2.3 Procedimentos

15.2.4 Resumo das reações do experimento

15.2.5 Referências do experimento

Experimento 2 – Eletrólise da Água

15.3.1 Aspectos teóricos

15.3.2 Materiais e reagentes

15.3.3 Preparações

15.3.4 Procedimentos

15.3.5 Resumo das reações do experimento

15.3.6 Referências do experimento

Experimento 3 – Ponto de Ebulição da Água

15.4.1 Aspectos teóricos

15.4.2 Materiais e reagentes

15.4.3 Procedimentos

15.4.4 Resultados

15.4.5 Referências do experimento

Experimento 4 – Influência do Detergente na

Tensão Superficial da Água

15.5.1 Aspectos teóricos

15.5.2 Método 1

15.5.3 Método 2

 

PARTE VI - CAPÍTULO 16 - ÁGUA E LEGISLAÇÃO PERTINENTE

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CAPÍTULO 16

ÁGUA E LEGISLAÇÃO PERTINENTE

16.1

16.2

16.3

16.4

Introdução

Política Nacional do Meio Ambiente

Política Nacional dos Recursos Hídricos

Prevenção dos Danos Ambientais

16.5

16.6

16.7

16.8

Sanções Penais e Administrativas

Preocupação com a Saúde Pública

Conclusão

Referências Bibliográficas e Sugestões para Leitura

16.1 Introdução

O

ser humano reflete no seu comportamento os interesses mais profundos do seu “ego”. Ao viver em comunidades, forma grupos, instituições, associações etc., com os mais variados objetivos e interesses. Porém, a convivência pacífica, seja do indivíduo, do grupo, da associação, exige normas e leis, para que o direito de todos, bem como o dever de cada um para com os demais, seja garantido.

A Nação é a unidade básica dos agrupamentos antrópicos que povoam a Terra. É formada por indivíduos que partilham a mesma origem (em geral), língua, costumes, tradições, história etc., e que estão agrupados em sociedades, instituições entre outras. A Nação pode estar dividida em regiões administrativas menores, tais como estados e municípios.

 

Anexos

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Anexo 1

Carta de Seattle

Em 1854, o presidente dos Estados Unidos fez a uma tribo indígena a proposta de comprar grande parte de suas terras, oferecendo, em contrapartida, a concessão de uma outra “reserva”. O texto da reposta do chefe Seattle foi tão importante que, até hoje, a ONU (Programa para o Meio Ambiente) o distribui para que a humanidade tome conhecimento.

Como é que se pode comprar ou vender o céu, o calor da terra? Essa idéia nos parece estranha. Se não possuímos o frescor do ar e o brilho da água, como é possível comprá-los?

Cada pedaço desta terra é sagrado para meu povo. Cada ramo brilhante de um pinheiro, cada punhado de areia das praias, a penumbra na floresta densa, cada clareira e inseto a zumbir são sagrados na memória e experiência de meu povo. A seiva que percorre o corpo das árvores carrega consigo as lembranças do homem vermelho.

Os mortos do homem branco esquecem sua terra de origem quando vão caminhar entre as estrelas.

Nossos mortos jamais esquecem esta bela terra, pois ela é a mãe do homem vermelho. Somos parte da terra e ela faz parte de nós. As flores perfumadas são nossas irmãs; o cervo, o cavalo, a grande águia, são nossos irmãos. Os picos rochosos, os sulcos úmidos nas campinas, o calor do corpo do potro, e o homem

 

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