Todas as formas de vida existentes na Terra dependem da água. Apesar da maior parte da superfície do nosso planeta ser recoberta por água, 97,3% da água do mundo é água salgada, inadequada para beber e para a maioria dos usos agrícolas. Os lagos e rios são as principais fontes de água potável; porém, constituem menos de 001% do suprimento total de água (Baird, 2002; Azevedo, 1999). Adicionando aos rios e lagos a água subterrânea a menos de 800 m da superfície, a água doce facilmente disponível representa apenas 03% do volume total na Terra.

Diante da disponibilidade restrita de águas naturais para consumo humano e da sua crescente poluição, é importante entender os processos químicos que nelas ocorrem e como o uso do conhecimento químico pode ser empregado na avaliação da qualidade da água. Pretende-se neste artigo, portanto, fornecer alguns subsídios teóricos ao professor de Química do Ensino Médio para a abordagem do tema “água” numa perspectiva ambiental, proposta esta já discutida nesta revista (Silva, 2003).

Pode-se considerar a química das águas naturais dividida em duas categorias de reações mais comuns: as reações ácido-base e as de oxidaçãoredução (redox). Os fenômenos ácido- base e de solubilidade controlam o pH e as concentrações de íons inorgânicos dissolvidos na água, como o carbonato e o hidrogenocarbonato, enquanto o teor de matéria orgânica e o estado de oxidação de elementos como nitrogênio, enxofre e ferro, entre outros presentes na água, são dependentes da presença de oxigênio e das reações redox.

O agente oxidante mais importante em águas naturais é o oxigênio molecular dissolvido, O₂ (Baird, 2002). Em uma reação envolvendo transferência de elétrons, cada um dos átomos da molécula é reduzido do estado de oxidação zero até o estado de oxidação -2, formando H₂O ou OH^–. As semi-reações de redução do O₂ em solução ácida e neutra são, respectivamente:

O₂ + 4H+ + 4e^– → 2H₂O E° = 1,229 V (1)

O₂ + 2H₂O + 4e^– → 4OH^– E° = 0401 V (2)

A concentração de oxigênio dissolvido (OD) em um corpo d’água¹ qualquer é controlada por vários fatores, sendo um deles a solubilidade do oxigênio em água.

A solubilidade do OD na água, como para outras moléculas de gases apolares com interação intermolecular fraca com água, é pequena devido à característica polar da molécula de água (Tabela 1). A presença do O₂ na água se deve, em parte, à sua dissolução do ar atmosférico para a água:

O_2(g) ⇌ O_2(aq) (3)

cuja constante de equilíbrio apropriada é a constante da Lei de Henry², K_H. Outra fonte importante de oxigênio para água é a fotossíntese.

Para o processo de dissolução do O₂, K_H é definida como:

K_H = [O₂(aq)]/pO₂ (4)

onde pO₂ é a pressão parcial do oxigênio atmosférico.

O valor de K_H para o O₂ a temperatura de 25 °C é de 1,29 x 10^–3 mol L^–1 atm^–1.

Desta forma, como no nível do mar a pressão atmosférica é de 1 atm e a composição média em volume ou molar do ar seco é de 21% de O₂, pode- se estimar a pressão parcial do oxigênio como sendo 021 atm. Substituindo esse valor de pressão na expressão da constante de equilíbrio de Henry rearranjada, tem-se:

[O₂] = K_H pO₂ = 1,29 x 10^–3 mol L^–1 atm^–1 x 021 atm = 2,7 x 10–4 mol L^–1

Portanto, estima-se a solubilidade do O₂ em água, a 25 °C e no nível do mar, como sendo 8,6 mg L^–1. Esse valor apresenta uma concordância razoavelmente boa com o valor medido de 8,11 mg L^–1 mostrado na Tabela 1 (Connell, 1997).

Figura 1: Solubilidade do gás oxigênio em água a várias temperaturas, na pressão atmosférica de 1 atm (760 mmHg). Os valores de solubilidades para construção do gráfico foram consultados no seguinte sítio na Internet: http://www.tps.com.au/ handbooks/93BFDOv2_1.PDF).

Como a solubilidade é proporcional à pressão parcial² de O₂ ([O₂] = K_H pO₂ ), pode-se inferir que a uma dada temperatura a solubilidade do oxigênio na água decresce com o aumento da altitude, pois com o aumento da altitude há uma diminuição da pressão atmosférica e o oxigênio, sendo um dos componentes do ar, terá sua pressão parcial também reduzida. Como a composição do ar seco em termos de O₂ é praticamente constante em altitudes modestas, poderíamos dizer que a diminuição da pressão parcial de O₂ será praticamente proporcional à diminuição da pressão atmosférica.

Um fator mais importante que a altitude no controle da solubilidade do O₂ na água é a temperatura. Como a solubilidade dos gases em água diminui com a elevação da temperatura³, a quantidade de oxigênio que se dissolve a 0 °C (14,2 mg L^–1) é mais do que o dobro da que se dissolve a 35 °C (7,0 mg L^–1). A Figura 1 ilustra esse fato. Deste modo, águas de rios ou lagos aquecidas artificialmente como resultado de poluição térmica contêm menos OD. A poluição térmica ocorre freqüentemente como resultado da operação de usinas geradoras de energia elétrica, que retiram água fria de um rio ou lago e a utilizam para refrigeração, devolvendo continuamente água aquecida à sua origem.

Baseado na solubilidade do O₂, fica notório que os organismos aquáticos tropicais têm menos oxigênio disponível do que os de ambientes aquáticos de clima temperado. Essa constatação assume importância quando se considera que nos lagos próximos ao Equador a temperatura pode atingir até 38 °C (Esteves, 1998). Isto não significa que os organismos em um lago próximo do Equador irão ter problemas para sobreviver, pois estão adaptados para essas condições ambientais.

Embora insignificante quando comparada à temperatura, a salinidade também influencia na capacidade da água em dissolver oxigênio. O aumento da salinidade diminui a solubilidade do O₂ na água. Assim, a quantidade de minerais ou a presença de elevadas concentrações de sais dissolvidos na água em decorrência de atividades potencialmente poluidoras podem, mesmo que em pequena intensidade, influenciar o teor de OD na água. Desta forma, a salinidade é a principal causa do menor valor de OD nas águas salgadas, em relação ao mesmo valor em águas doces em condições idênticas de temperatura e pressão atmosférica.

Além da temperatura, pressão e salinidade que controlam a solubilidade do oxigênio na água, existem outros fatores bioquímicos e climáticos que também influenciam o teor de OD e que serão discutidos no texto a seguir.

Dentre os gases dissolvidos na água, o oxigênio é um dos mais importantes na dinâmica e caracterização dos ecossistemas aquáticos (Esteves, 1998). As principais fontes de oxigênio para a água são a atmosfera e a fotossíntese. Por outro lado, as perdas de oxigênio são causadas pelo consumo pela decomposição da matéria orgânica (oxidação), por perdas para a atmosfera, respiração de organismos aquáticos, nitrificação⁴ e oxidação química abiótica de substâncias como íons metálicos - ferro(II) e manganês(II) -, por exemplo.

Essas diversas transformações do O₂ nos sistemas aquáticos são representadas esquematicamente na Figura 2.

Nas condições naturais de um sistema aquático não poluído, o material mais habitualmente oxidado pelo oxigênio dissolvido na água é a matéria orgânica de origem biológica, como a procedente de plantas mortas e restos de animais. Esse processo de oxidação, chamado de degradação aeróbica, ocorre em água ricas em oxigênio, ou seja, que possuem níveis de oxigênio próximos de 100% de saturação⁵, e é mediado por microorganismos aeróbicos. A reação química envolvida pode ser expressa de forma simplificada supondo que a matéria orgânica seja em sua totalidade carboidrato polimerizado (Guimarães e Nour, 2001), com uma fórmula empírica aproximada de CH₂O:

(CH₂O)n + nO₂ → nCO₂ + nH₂O (5)

Considerando a matéria orgânica (MO) de uma forma mais complexa, pode-se substituir a Eq. 5 pela Eq. 6:

MO(C,H,N,S) + 5O₂ → CO₂ + H₂O+ NO₃^–+ SO₄^2– (6)

O consumo de oxigênio por esses processos, em condições naturais, é compensado pelo oxigênio produzido na fotossíntese e pelo “reabastecimento” de oxigênio com a aeração da água através do fluxo da água em cursos d’água e rios pouco profundos. Porém, a água estagnada ou a que está situada próxima ao fundo de um lago de grande profundidade está, com freqüência, quase completamente sem oxigênio, devido à sua reação com a matéria orgânica e à falta de qualquer mecanismo que possibilite sua reposição com rapidez, já que a difusão, possível forma de reposição de O₂, é um processo lento.

Substanciais reduções no OD podem ocorrer nos ambientes aquáticos, com implicações ambientais severas, se quantidades significativas de matéria orgânica forem a eles incorporadas. Essa situação ocorre normalmente com o lançamento de esgotos domésticos e de efluentes industriais ricos em matéria orgânica nos corpos d’água. O aumento da matéria orgânica resulta na maior taxa de respiração de microorganismos, dando origem à elevação das quantidades de CO₂ e metano (o último produzido apenas por degradação anaeróbica) e, principalmente, em uma demanda de oxigênio, cuja disponibilidade é pequena devido à sua solubilidade bastante limitada na água.

Para avaliar a qualidade da água quanto à concentração de OD e a presença de cargas poluidoras ricas em material orgânico, alguns parâmetros como o teor de OD e a DBO (demanda bioquímica de oxigênio) devem ser determinados. Uma descrição do significado químico e biológico desses parâmetros é apresentada na Tabela 2. Os valores de DBO de esgotos e alguns efluentes industriais são mostrados na Tabela 3.

Não é raro que águas poluídas com substâncias orgânicas associadas a resíduos de animais e de alimentos ou a esgoto apresentem uma demanda de oxigênio superior à solubilidade de equilíbrio máxima de oxigênio. Sob tais circunstâncias, a menos que a água seja continuamente aerada, a depleção de oxigênio será alcançada rapidamente.

A construção de represas sobre áreas de florestas também pode resultar na formação de lagos com alta demanda de oxigênio dissolvido. Nessas represas, a grande quantidade de fitomassa inundada⁶, ao se decompor, consome grande quantidade de OD, gerando déficits altos de oxigênio. Os primeiros anos após a inundação correspondem ao período de maior demanda de oxigênio. Assim, não raramente, toda a coluna d’água⁷ pode tornar-se desoxigenada.

Em baixa quantidade ou ausência de OD, microorganismos anaeróbicos e facultativos⁸, principalmente as bactérias, desenvolvem a degradação e decomposição da matéria orgânica, através do processo de degradação anaeróbica. A reação de degradação anaeróbica pode ser expressa de maneira simplificada:

Esse processo não requer nenhuma demanda por OD presente no corpo d’água, sendo uma parte do carbono oxidada (para CO₂) e a parte restante reduzida9 (para CH₄). O metano e o dióxido de carbono produzidos são liberados no interior da massa de água e, posteriormente, na atmosfera, resultando na remoção de carbono orgânico e da demanda de oxigênio do sistema. Esse processo ocorre em pântanos, nos sedimentos de fundo enriquecidos com matéria orgânica, assim como em corpos d’água impactados pela poluição de resíduos orgânicos. Dado que o metano produzido nesse processo é praticamente insolúvel em água, ele forma bolhas que podem ser observadas em zonas pantanosas. Por esse motivo, o metano já foi conhecido como “gás dos pântanos”.

Não é raro encontrar ao mesmo tempo condições aeróbicas e anaeróbicas em partes diferentes do mesmo lago, particularmente no verão, devido à ocorrência de uma estratificação estável em camadas de água diferenciadas, como representado na Figura 3. A água próxima da superfície do lago é aquecida através da absorção de luz solar por materiais biológicos, enquanto a parte que está abaixo do nível de penetração da luz solar permanece fria. Como a água morna é menos densa que a água fria (a temperaturas próximas dos 4 °C¹⁰), a camada superior “flutua” sobre a camada inferior, ocorrendo pouca transferência de massa entre elas. A camada superior geralmente contém níveis de oxigênio dissolvido próximos à saturação (solubilidade), condição que se deve tanto ao seu contato com o ar quanto à presença de O₂ produzido na fotossíntese das algas e plantas aquáticas. As condições da camada superior são aeróbicas e, conseqüentemente, os elementos dessa região existem em suas formas mais oxidadas⁹: o carbono como CO₂, H₂CO₃ ou HCO₃^–; o enxofre como SO₄^2–; o nitrogênio como NO₃^– e o ferro como Fe(OH)₃ insolúvel (estado de oxidação: +3). Perto do fundo ocorre depleção¹¹ do oxigênio, visto que não existe contato com o ar e que o O₂ é consumido na decomposição de material biológico abundante. Sob tais condições anaeróbicas, os elementos químicos existem em suas formas mais reduzidas⁹: o carbono como metano, CH₄; o enxofre como gás sulfídrico, H₂S; o nitrogênio como NH₃ e NH₄⁺ e o ferro como Fe²⁺ solúvel.

É importante também levar em conta o efeito da sazonalidade no perfil de OD com a profundidade. Normalmente, as condições anaeróbicas das regiões mais profundas de um lago de clima temperado não perduram indefinidamente. Durante o outono e o inverno, a camada superior da água é resfriada pelo ar frio que passa sobre ela, de modo que, finalmente, a água rica em oxigênio da parte superior torna-se mais densa que a da parte inferior e ocorre uma mistura por convecção das camadas de água com diferentes temperaturas, ou seja, a camada superior mais fria e densa tende a se deslocar para o fundo, ao mesmo tempo que a camada inferior mais quente e menos densa tende a se mover para a superfície. Assim, durante o inverno e primeiros dias da primavera, o ambiente próximo ao fundo de um lago é, em geral, aeróbico.

Diferentemente, condições de hipoxia (baixa concentração de oxigênio) ou mesmo anoxia¹² podem ocorrer na superfície de lagos tropicais, totalmente livres de poluição. Em ecossistemas da região amazônica e do Pantanal, observa-se o fenômeno da “friagem” ou “dequada”, respectivamente. Nesses fenômenos, há a queda de temperatura da água de até cerca de 20 °C, como conseqüência do vento e da chuva fria. Como resultado da queda da temperatura, há uma mistura total da massa d’água de diferentes profundidades, com conseqüente redução da concentração de oxigênio na partes superiores até níveis de 10% de saturação. Esse fenômeno pode persistir por três dias e é suficiente para provocar intensa mortandade de peixes e causar a redução acentuada da população de fitoplâncton¹³ e zooplâncton¹⁴.

O OD é necessário para a respiração de microorganismos aeróbicos, bem como outras formas aeróbicas de vida. A sobrevivência dos peixes, por exemplo, requer concentrações mínimas de OD entre a 10% e 60% de saturação, dependendo da espécie e outras características do sistema aquático. A Tabela 4 mostra exemplos de concentrações mínimas de OD necessárias à sobrevivência de algumas espécies de peixes.

A importância do OD não se restringe apenas à sobrevivência dos seres aquáticos. A presença de OD em águas residuárias (águas servidas) industriais ricas em material orgânico é desejável por prevenir a formação de substâncias com odores desagradáveis que comprometem os diversos usos da água como, por exemplo, fonte de água potável ou meio de recreação. Em condições anaeróbicas, a decomposição de matéria orgânica contendo enxofre leva à formação de gás sulfídrico (H₂S) e mercaptanas¹⁵, enquanto a decomposição de material protéico produz, entre outros, o indol¹⁶ e o escatol¹⁷ (compostos derivados da decomposição do aminoácido triptofano¹⁸). Todas essas substâncias apresentam odores desagradáveis (vide Figura 4). A Figura 5 apresenta vias biossintéticas que têm o aminoácido triptofano como precursor do indol e do escatol e de outras substâncias de relevância biológica, como o neurotransmissor serotonina e os hormônios melatonina e ácido 5-hidroxiindolacético.

Apesar de desejável nos sistemas aquáticos naturais, a presença de altas concentrações de OD não é conveniente em águas que percorrem tubulações de ferro e aço, por favorecer a corrosão. Esse fato resulta do poder oxidante do O₂ (Eq. 1) e, por esse motivo, em águas tratadas é recomendado que os valores de OD sejam menores que 2,5 mg L^–1.

As informações apresentadas no presente artigo evidenciam como o uso do conhecimento químico pode ser usado na avaliação da qualidade da água do ponto de vista ambiental (Tabela 2). Essas informações podem ser utilizadas pelo professor de Química no Ensino Médio para contextualização de conceitos de oxidação e redução e na abordagem dos temas estruturadores “Química e hidrosfera” e “Reconhecimento e caracterização das transformações químicas” descritos nos Parâmetros Curriculares Nacionais (Brasil, 2002).

1. Também denominado de corpo hídrico, refere-se a uma denominação genérica para rio, ribeirão, riacho, córrego, lago, reservatório, laguna ou aqüífero.

2. William Henry, amigo pessoal de John Dalton, dispensou muito tempo estudando a solubilidade de gases em líquidos. Em 1801, ele resumiu suas descobertas na lei que conhecemos hoje como Lei de Henry. Ele descobriu que a solubilidade de um gás dissolvido em um líquido a uma dada temperatura é diretamente proporcional à pressão do gás na superfície do líquido (Hill et al., 1993).

3. Diferentemente da maioria dos solutos sólidos, os gases se tornam menos solúveis quando a temperatura aumenta. O calor aumenta a mobilidade das moléculas de soluto e solvente. Em oposição aos solutos sólidos, as moléculas de gases podem escapar da solução quando estas atingem a superfície de um líquido em um sistema aberto.

4. Em decorrência da decomposição da matéria orgânica em sistemas aquáticos, há formação de compostos nitrogenados reduzidos, por exemplo, a amônia e o íon amônio. A oxidação biológica desses compostos a nitrato (NO₃^–) é denominada nitrificação.

5. Entende-se 100% de saturação de oxigênio a quantidade máxima de oxigênio que pode ser dissolvida na água em determinada pressão, temperatura e salinidade. Valores de OD acima de 100% de saturação podem ocorrer em águas naturais durante alguns períodos do dia, nos quais ocorre alta taxa de fotossíntese.

6. É a quantidade de matéria orgânica submersa que pode ser expressa por toneladas de carbono por hectare, indicando a carga orgânica presente no corpo d’água.

7. Perfil de espessura de um lago, rio ou oceano, desde o leito até a superfície do corpo d’água.

8. Microorganismos anaeróbicos é o termo que designa qualquer organismo inferior que consegue viver na ausência de oxigênio e microorganismos anaeróbicos facultativos são organismos que podem viver em ambientes com ou sem oxigênio (Lincoln et al., 1982).

9. Os conceitos de oxidação e redução no texto também se relacionam a perda e ganho de elétrons, porém com certa especificidade para compostos orgânicos. Um elemento ou composto é oxidado quando ligase ou adquire átomos de oxigênio. Um composto é oxidado quando perde átomos de hidrogênio e é reduzido quando ganha átomos de hidrogênio (Hill et al., 1993).

10. A temperatura na qual a água apresenta sua densidade máxima é de 3,94 °C (Esteves, 1998).

11. Termo usado para designar a diminuição do teor de certas substâncias ou de íons em uma solução (Lincoln et al., 1982).

12. Insuficiência ventilatória de uma célula ou de um tecido celular; pouco ou nenhum oxigênio disponível para uso celular, o que implica o acúmulo de íons hidrogênio no protoplasma e conseqüente acidose metabólica, com morte da célula (Soares, 1993).

13. No século 19, o fisiologista alemão Johannes Müller, ao filtrar água do mar através de uma rede de malha fina, descobriu uma comunidade constituída de pequenos animais e plantas. Em 1887, Viktor Hensen (outro fisiologista), denominou essa comunidade de “plâncton” e a definiu como sendo o conjunto de organismos que não dispõe de movimentos próprios capazes de se opor ao movimento da água. O plâncton é constituído pelo fitoplâncton (algas), pelo zooplâncton (pequenos animais) e pelo bacterioplâncton (Esteves, 1998).

14. Zooplâncton é o termo genérico para um grupo de animais de diferentes categorias sistemáticas, tendo como característica comum a coluna d’água como seu habitat principal. Na grande maioria dos ambientes aquáticos, o zooplâncton é formado por protozoários e por vários grupos de metazoários (Esteves, 1998).

15. Um grupo de compostos organossulforados que são derivados do sulfeto de hidrogênio (H₂S), da mesma forma que os álcoois são derivados da água. Têm um odor desagradável característico. São também chamados de tióis, com uma fórmula genérica R-SH, na qual R é um grupo alquila.

16. Também conhecido como 2,3- benzopirrol. É um sólido cangerígeno de cor branca amarelada e de aroma desagradável. Usado como um reagente químico para as indústrias de perfume e medicamentos (Parker, 1997). Também pode ser formado em ambientes naturais pela degradação do aminoácido triptofano.

17. Também conhecido como 3- metilindol. É um sólido branco que funde a 93-95 °C. É responsável pelo odor característico das fezes, apesar de sua estrutura química ser muito semelhante à do indol usado na composição de perfumes.

18. Aminoácido essencial da dieta dos seres humanos. É precursor de substâncias biológicas relevantes como o neurotransmissor serotonina (Figura 5).