PONTÍFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA AMBIENTAL

1. PONTÍFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA AMBIENTAL Química Aplicada à Engenharia Ambiental • CAPÍTULO 3 • SOLUÇÕES E DISPERSÕES • Dispersões • Soluções verdadeiras • Tipos de concentração • Análises químicas das Soluções verdadeiras • Partição • Regressão linear • 3. Coloides Prof.Dr. José Gilberto Jardine Atualizado em janeiro 2012

2. Dispersões - Conceitos Dispersão: é todo sistema no qual uma ou mais substâncias estão disseminadas sob a forma de pequenas partículas em outra substância, de maneira uniforme e em toda a sua extensão. • Exemplos: água e açúcar; água barrenta. Constituintes de uma dispersão: • Disperso: açúcar • Dispersante : água As dispersões são classificadas de acordo com o tamanho médio das partículas dispersas em: soluções verdadeiras; dispersão coloidal; suspensão. 1 nm = 10-9 m

3. Dispersões - Conceitos

4. Soluções verdadeiras • Soluções verdadeiras: dispersõescujo tamanho das moléculas dispersas é menor que 1 nanômetro, sendo uma solução homogênea. Podem ser encontradas soluções no estado sólido, gasoso e liquido. Há sempre um solvente e um soluto.Ao solvente também dá-se o nome de meio dispersante e ao soluto dá-se o nome de meio disperso. • Natureza das partículas: átomos e íons. • Tamanho médio das partículas: entre 0 e 1 nanômetro. • Visibilidade das partículas: as partículas não podem ser vistas nem com auxílio de um ultramicroscópio. • Sob centrifugação: as partículas não se depositam nem sob uma ultracentrífuga. • Filtração: as partículas não são retidas por nenhum tipo de filtro. • Sob o efeito de um campo elétrico: caso a solução seja não iônica (solução molecular), não há passagem de corrente elétrica. Quando é iônica, os cátions se dirigem para o polo negativo, enquanto que os ânions se dirigem para o polo positivo. (ocorrendo o fenômeno da eletrólise).

5. Soluções verdadeiras • 1. Classificação das soluções • Quanto ao estado de agregação das soluções: • Soluções sólidas: ligas metálicas. • Soluções líquidas: sal dissolvido em água. • Soluções gasosas: ar atmosférico. • Quanto ao estado de agregação do soluto e do solvente: • É o solvente que condiciona o estado de agregação de uma solução

6. Soluções verdadeiras

7. Soluções verdadeiras • Quanto à natureza das partículas dispersas: • Soluções moleculares ou não eletrolíticas: as partículas dispersas são somente moléculas, por isso não conduzem a corrente elétrica; • C12 H22 O11 (s)+ H2O Dissolução C12 H22 O11 (aq) • Soluções iônicas ou eletrolíticas: as partículas dispersas são íons e moléculas ou somente íons, por isso conduzem a corrente elétrica; NaCl(s)+ H2O Na+(aq) + Cl-(aq) HCl(g) + H2O H3O+(aq) + Cl-(aq) Ionização: é formação de íons que ocorre quando um composto covalente é colocado em contato com um solvente polar; Dissociação iônica: é a separação de íons do retículo cristalino de um composto iônico pela ação de um solvente polar

8. Soluções verdadeiras • Quanto à proporção de soluto e de solvente: • • Solução diluída: é a que possui no máximo 0,1 mol de soluto por litro de solução (M≤ 0,1 mol/L) • Ex.: até 5,85 g de NaCl para cada litro de solução; • até 4,00 g de NaOH para cada litro de solução; • • Solução concentrada: é a que possui mais que 0,1 mol de soluto por • litro de solução (M> 0,1 mol/L) • Ex.: uma solução com mais de 5,85 g de NaCl para cada litro de solução; • uma solução com mais de 4,00 g de NaOH para cada litro de solução;

9. Soluçõesverdadeiras • 2. Tipos de concentração • % em massa ou título: • massa de soluto x 100 massa de solução • % em volume: • volume de soluto x 100 volume de solução • (só é usada quando soluto e solvente são ambos líquidos ou ambos gasosos) • Concentração em g/L: • massa de soluto em gramasvolume de solução em litros • Concentração em mol/L: • quantidade de soluto (mol)_ volume de solução em litros

10. Soluções verdadeiras • Concentração em molalidade: • quantidade de soluto (mol)_ massa do solvente em kg • Concentração em fração molar de soluto: • quantidade de soluto (mol)_quantidade de solução (mol) • Partes por milhão (PPM): • Indica a relação de 1 parte do soluto por 1 milhão de partes do solvente. Para soluções muito diluídas, considerar o volume do solvente igual ao volume da solução. • Exemplo: • A análise química do esgoto descarregado no rio de uma cidade de tamanho médio mostra que contém 0,0030% de íons fosfato, que é muito prejudicial aos ecossistemas aquáticos.

11. Significado: "Há 0,0030 g (ou Kg ou tonelada) de íons fosfato em cada 100 g (ou kg ou tonelada) de água do rio. Observe que o valor 0,0030 é muito pequeno, por isso torna-se mais fácil multiplicar este número por 10.000 e, dessa forma, obtêm-se a seguinte relação: "Há 30 g de íons fosfato em cada 1.000.000 g (um milhão de gramas) de água do rio." Esta afirmação poderá ser expressa da seguinte forma: 30 ppm (m/m), que significam 30 partes de íons fosfato em massa por um milhão de partes de água do rio em massa. 30 ppm: 30 g de soluto por 1.000.000 g da solução equivalem a: 30 g de soluto por 1.000 kg de solução, ou 30 g de soluto por 1 tonelada de solução, ou 30 mg de soluto por 1.000.000 mg de solução, ou 30 mg de soluto por 1.000 g de solução, ou 30 mg de soluto por 1 kg de solução. Analogamente, teremos: Porcentagem:referência a um total de 100 (102) Partes por mil: referência a um total de 1.000 (103) Partes por milhão: referência a um total de 1.000.000 (106) Partes por bilhão: referência a um total de 1.000.000.000 (109)

12. Mercúrio e contaminação ambiental Mercúrio é um metal líquido altamente tóxico a qualquer forma de vida, sendo utilizado na garimpagem de ouro. Depois de retirado,o cascalho do rio é misturado ao mercúrio liquido.O ouro em pó do cascalho se aglutina ao mercúrio e o resto é jogado fora.Aquece-se então a mistura mercúrio/ouro até que os dois se separam.Durante esse processo, 55% do mercúrio evapora; o restante acaba sendo jogado nos rios. Para cada quilo de ouro retirado dos rios brasileiros, usa-se de 1,5 a 3 quilos de mercúrio.No leito dos rios o mercúrio reage com os sedimentos orgânicos e é consumido pelos peixes.A outra parte que evaporou acaba se condensando e assumindo sua forma líquida original.Daí temos a poluição dos rios,terras,vegetação,meio ambiente e, finalmente, do homem.A tolerância do mercúrio nos seres humanos é de 0,02 ppm(partes por milhão) no sangue e de 0,2 ppm na urina. Na natureza, os teores de mercúrio são baixos,chegando a 1 ou 2 ppm em certos solos.Alguns garimpos brasileiros já apresentaram contaminação até 2 mil vezes superior à tolerância biológica.Em Serra Pelada, no Pará,a amostra do cabelo de um garimpeiro mostrou uma taxa de 2,92 ppm de mercúrio.Muitos peixes migram para outros rios para a desova; assim, peixes contaminados pelo mercúrio de um rio,podem levar essa poluição a outras regiões. O garimpo de ouro muitas vezes utilizam mercúrio contrabandeado, o que torna a operação ilegal.

13. RELAÇÃO MASSA/MASSA Exemplos: 1) Solução 20 ppm (m/m) Significado: 20 g de soluto em 1 milhão de gramas da solução Obs.: Como a solução é muito diluída, a massa do solvente é praticamente a massa da solução. 2) 10 ppm de O2 na água (m/m) Significado: 10 g de O2 dissolvidos em 1 milhão de gramas de água, ou ainda, 10 mg de O2 dissolvidos em 1 milhão de miligramas de água. Obs.: Como 106mg = 1 kg, ou ainda, 1 ton = 106 g Desta forma ficamos com: 10 g de O2 dissolvidos em 1 ton de água, ou ainda, 10 mg de O2 dissolvidos em 1 kg de água. Com isso poderemos representar ppm (m/m) pelas relações matemáticas:

14. Soluções verdadeiras 3. Análises Químicas das Soluções Verdadeiras Um sistema homogêneo (solução) em equilíbrio fica bem definido após o conhecimento das substâncias químicas que o constituem (análise química qualitativa), da pressão e temperatura (variáveis físicas quantitativas) e da quantidade de cada um de seus componentes (análise química quantitativa). Volumetria – Titulação Consiste em determinar a concentração de uma solução, pela reação com outra solução de concentração conhecida. Podemos dizer que a titulação é a principal operação da chamada análise volumétrica ou volumetria realizada em laboratório, onde a solução padrão (concentração conhecida) contida em uma bureta é misturada gota a gota na solução problema (concentração desconhecida) existente em um erlenmeyer. A solução problema deve apresentar algumas gotas de indicador para determinar o final da titulação, em virtude da mudança de cor da mesma. O ponto final da titulação é conhecido como ponto de viragem. Como a titulação consiste de uma reação entre o soluto da solução padrão e o soluto do problema, os problemas devem ser resolvidos por estequiometria.

15. Soluções verdadeiras Retiramos, com auxílio de uma pipeta, 50 mL da solução de KOH contida em um frasco de concentração molar desconhecida e transferimos para um frasco erlenmeyer. No frasco erlenmeyer, contendo a solução básica, adicionamos algumas gotas de fenolftaleína, um indicador que, na presença de base, adquire a coloração avermelhada. Com o auxílio de uma bureta, adicionamos cautelosamente à solução contida no erlenmeyer uma solução de HCl(aq) 2,0 M. No erlenmeyer haverá a seguinte reação, representada pela equação: 1 HCl(aq) + 1 KOH(aq) 1 KCl(aq) + 1 H2O(l) Pela equação, observaremos que a neutralização entre o ácido e a base será completa quando o número de mols de do ácido for igual ao número de mols da base. Esse fato é verificado exatamente no momento em que a coloração vermelha, devido ao meio básico, muda para incolor. Neste momento, o número de mols , provenientes do ácido neutralizam totalmente o número de mols, provenientes da base. Anotamos o volume de ácido gasto (25 mL), e calculamos quantos mols do ácido foram utilizados para reagir completamente com a base.

16. Soluções verdadeiras Exemplo: Por lei, o vinagre (solução aquosa de ácido acético) pode conter, no máximo 4% em massa (0,67 mol/L) de ácido acético. Para você verificar se o vinagre utilizado em sua casa atende às especificações legais, para isso você verifica que 40 mL de vinagre são neutralizados por 8 mL de solução aquosa de NaOH 2 M. A que conclusão você chegou? Dados: Vinagre: V = 40 mL = 0,04 L, [ác. acético] = ? (mols/L) NaOH(aq): V = 8 mL = 0,008 L, [NaOH] = 2 mols/L Resolução: Cálculo do número de mols de NaOH que reage: 2 mols de NaOH → 1 L de solução         X                  → 0,008 L de solução         X = 0,016 mol

17. Soluções verdadeiras Cálculo do número de mols de ác. acético que será neutralizado pelo NaOH: CH3-COOH + NaOH → CH3-COO-Na+ + H2O     1 mol            1 mol       X                 0,016 mol       X = 0,016 mol Cálculo da [ác. acético] no vinagre: 0,016 mol de ác. acético → 40 mL de vinagre                    X                      → 1000 mL de vinagre (1 L)                    X = 0,4 mol, com isso temos que: [ác. acético] = 0,4 mol/L Como a concentração de ác. acético máxima exigida por lei, no vinagre, é de 0,67 mol/L, concluímos que a amostra de vinagre analisada atende às especificações . Determinação da concentração do titulante: Selecionar os reagentes ácido e base fortes e escolher a opção “titulante desconhecido” (“Titration”, “Reactants”, “strongacidwithstrong base”, “titrateunknown”, “OK”, “OK”, “OK”). Anotar a concentração da base utilizada (deve ser 0,1M). Promover a titulação, esboçando o gráfico obtido. Calcular a concentração desconhecida do ácido utilizado.

18. Soluções verdadeiras Análises Espectrofotométricas Método aplicado na determinação de compostos inorgânicos e orgânicos, como por exemplo identificação de princípios de fármacos e também na determinação da concentração dos mesmos. Método de análise baseado em medidas de absorção de radiação eletromagnética. Vários fenômenos podem ocorrer com a radiação luminosa, como: reflexão, refração, espalhamento ou ser absorvida pelo material.

19. Soluções verdadeiras • Transmitância é a fraçãodaluzincidenteem um comprimento de ondaespecífico, quepassaporumaamostra de matéria. T = I / I0 • Absorbância é a capacidade do material emabsorverradiaçõesemfrequênciaespecífica. A = - log10 T • Os comprimentos de onda que uma certa substância absorverão são característicos da sua estrutura, diferindo de substância para substância. • DNA e RNA = 260nm • Proteínas = 280nm • Células bacterianas= 600nm

20. Soluções verdadeiras • Lei de Lambert-Beertambém conhecida como lei de Beer ou lei de Beer-Lambert-Bouguer: intensidades da radiação incidente e emergente podem ser relacionadas com as concentrações do material presente na solução. • Efeitos de reflexão, refração e espalhamento não são considerados nessa lei. • A radiação incidente deve ser monocromática I = I010-Ɛlc I0 = intensidade da radiação incidente I = intensidade transmitida pela amostra l = comprimento C = concentração da amostra Ɛ = coeficiente de extinção ou absortividade ou coeficiente de absorção, um fator característico da substância absorvedor (e o solvente), que depende do comprimento de onda da radiação.

21. Soluções verdadeiras T = I / I0 • Transmitância: T = 10-Ɛlc • Na lei de Lambert-Beer: • Absorbância: • Na lei de Lambert-Beer: A = - log10 T A = - log10 T= log10(1/T ) = log10(10-Ɛlc)

22. Soluções verdadeiras Espectrofotômetro: é um instrumento que serve para medir a intensidade da luz em função de um comprimento de onda específico. Diagrama de um espectrofotômetro (a) lâmpada de deutério/tungstênio; (b) lente da fonte; (c) obturador; (d) amostra; (e) lente espectrográfica; (f) fenda; (g) rede de difração; (h) arranjo de detectores

23. Soluções verdadeiras • Fontes Luminosas: • Luz UV • Lâmpada de gás hidrogênio • Mercúrio • Luz Visível • Tungstênio A região do espectro do ultravioleta é na faixa de 200 a 400 nm e a da luz visível é entre 400 e 800 nm.

24. Soluções verdadeiras • Cubetas: • Espectrofotometria de Luz Visível • Cubeta de Vidro ou Plástico • Espectrofotometria de Luz Ultra- Violeta • Cubeta de Quartzo

25. Soluções verdadeiras 4. Partição Quando um soluto se distribui em dois solventes não miscíveis, há para cada espécie molecular, a uma dada temperatura, uma relação constante de sua distribuição entre os dois solventes, e esta relação de distribuição é independente de qualquer outra espécie molecular que possa estar presente. O valor dessa relação, denominada coeficiente de partição ou de distribuição, varia de acordo com a natureza dos dois solventes, a natureza do soluto e a temperatura. A remoção de um soluto de um dado solvente pela adição de outro solvente imiscível é denominada extração por solvente. Suponha que a espécie HA deva ser extraída de uma solução orgânica por água. Seja: Vaq = volume de solução aquosa Vorg = volume de solução orgânica Após n extrações o número de mols de HA que resta na fase orgânica é:

26. Quando uma solução (soluto A em solvente 1) é agitada com um segundo solvente (solvente 2) com o qual é imiscível, o soluto A se distribui entre as duas fases líquidas. Quando as duas fases se separarem novamente em duas camadas de solvente distintas, um equilíbrio será alcançado de tal forma que a razão das concentrações do soluto em cada solvente C1 e C2 define uma constante. A constante, chamada de coeficiente de distribuição (ou coeficiente de partição) K, é definida por: K = C2 / C1 C1 e C2 são as concentrações no equilíbrio, em g/L ou mg/mL, do soluto A no solvente 1 e no solvente 2, respectivamente. O coeficiente de distribuição tem um valor constante para cada soluto considerado e depende da natureza dos solventes usados em cada caso. É evidente que nem todo soluto A será transferido para o solvente 2 numa extração simples a não ser que K seja muito grande. Normalmente são necessárias várias extrações para remover todo soluto A do solvente 1. Na extração do soluto de uma solução, é sempre melhor usar diversas porções pequenas do segundo solvente do que fazer uma extração simples com uma porção grande.

27. Soluções verdadeiras Lei da Partição A lei da partição ou lei de distribuição estabelece que, se a um sistema de duas camadas líquidas, constituído de dois componentes imiscíveis ou pouco miscíveis for adicionada uma terceira substância solúvel em ambas as camadas, a substância se distribui entre as camadas, de modo que a razão da concentração em um solvente em relação ao outro permaneça constante a uma temperatura constante. Equilíbrios de partição de poluentes no ambiente Composto na fase 2 Composto na fase 1 K1,2 = Concentração na fase 1 / Concentração na fase 2 Fase aquosa como referência: a) água e poluente livre; b) água e ar; c) água e solo.

28. Soluções verdadeiras 5. Regressão linear Regressão linear é um método para se estimar a condicional (valor esperado) de uma variável y, dados os valores de algumas outras variáveis x. A regressão, em geral, trata da questão de se estimar um valor condicional esperado. A regressão linear é chamada "linear" porque se considera que a relação da resposta às variáveis é uma função linear de alguns parâmetros. Os modelos de regressão que não são uma função linear dos parâmetros se chamam modelos de regressão não linear. Trata-se de uma das primeiras formas de análise regressiva estudada rigorosamente, e usada extensamente em aplicações práticas. Isso acontece porque modelos que dependem de forma linear dos seus parâmetros desconhecidos, são mais fáceis de ajustar que os modelos não lineares aos seus parâmetros. r2– Medida de como a variável independente em uma análise de regressão linear simples pode explicar variações na variável dependente, seu valor situa-se em 0 (fraco ajuste) e 1( ajuste perfeito). Usa-se o símbolo r2 porque é o quadrado do coeficiente de correlação amostral entre duas variáveis.

29. Soluções verdadeiras Reta de Regressão => Reta calculada na análise de regressão, usada para estimar a relação entre duas grandezas ( a variável independente e a variável dependente). • De maneira geral, estaremos diante de um modelo de regressão linear simples quando a relação linear entre duas variáveis , X e Y, pode ser satisfatoriamente definida pela seguinte equação matemática: Y^ = a + b . X Y^ = Estimativa da variável dependente y; a= Estimativa do coeficiente linear A; b= Estimativa do coeficiente angular B; x= Valores amostrais da variável explicativa X. Obs: O símbolo ^, é utilizado para diferenciar os valores estimados dos amostrais ou observados.

30. Soluções verdadeiras Método dos mínimos quadrados Coeficiente de Determinação O coeficiente de determinação mede o grau de ajustamento da reta de regressão aos dados observados. Indica a proporção da variação total da variável dependente que é explicada pela variação da variável independente.

31. Soluções verdadeiras A equação que permite calcular o coeficiente de determinação é a seguinte Exercício: Suponha que um automóvel, para analisar o seu consumo de combustível, efetuou 7 viagens, tendo-se registrado a distância percorrida (km) e o consumo (l), obtendo-se, então, os 7 pares de valores seguintes: a) Escreva a equação da reta de regressão estimada que relaciona distância em relação ao consumo. b) Com 16 litros de combustível qual das duas distâncias lhe parece mais provável de ser percorrida: 190 km ou 205 km? c) Sendo o valor do litro de gasolina R$ 2,52, qual o valor gasto (estimado) em um trajeto de 820 km?

32. Soluções verdadeiras

33. Soluções verdadeiras M^= 1551,428571 – (9 x 124,285714)/( 111,857143-9^2) M^= 14,0277778 b ^= 124,285714 – (14,0277778 x 9) b^= -1,96428571 a) A equação da reta de regressão é : Y= 14,0277778X - 1,96428571 b) R: y= 14,0277778X - 1,96428571 Y= 14,0277778 x (16) - 1,96428571 Y= 226,4087302 • Logo a distância de 205Km é a mais provável a ser percorrida

34. Soluções verdadeiras • c) Sendo o valor do litro de gasolina R$ 2,52, qual o valor gasto (estimado) em um trajeto de 820 km? Y= 14,0277778X - 1,96428571 820= 14,0277778X - 1,96428571 820+1,96428571= 14,0277778X X= 58,59547383 KM Gasto= 58,59547383 xR$ 2,52= R$ 147,66 • A correlação r para este caso é = 0,9968708 ou 99,68707999%, este coeficiente de correlação é praticamente perfeito, pois a cada 1% de variação no consumo ocorre uma variação de 99,68707999% na distância.

35. Coloides Coloide: sistemas no qual um ou mais componentes apresentam pelo menos uma de suas dimensões dentro do intervalo de 1 a 100 nanômetros. As dispersões coloidais são misturas essencialmente heterogêneas, sendo compostas por um meio dispersante e um meio disperso. Os colides não se sedimentam, nem podem ser filtradas por filtração comum.

36. Coloides Tipos de Coloides: Os coloides que têm a água como meio de dispersão são classificados como hidrofóbico e hidrofílico; • Coloide Hidrofóbico: as forças atrativas entre a água e a superfície coloidal são fracas; Ex. dispersão de metais e de sais pouco solúveis em água;

37. Coloides Coloide Hidrofílico: as forças atrativas entre a água e a superfície coloidal são fortes; geralmente existem grupos –OH ou –NH2 nas partículas coloidais; • Formam-se pontes de hidrogênio com a água Ex. proteínas; amido;

38. Coloides Emulsão: é uma dispersão coloidal de um líquido em outro, como água e óleo; • Agente emulsificante ou surfactante ou tensoativo: permite a formação da emulsão entre dois líquidos imiscíveis; diminui a tensão superficial dos líquidos. Ex.: sabão, proteína, detergente

39. Coloides Tipos de Detergentes Aniônico: sulfonatos = sais derivados do ácido sulfônico b) Catiônico: sais Quaternários de Amônio c) Anfótero:

40. Coloides d) Não-iônico Impacto ambiental Biodegradável: cadeia linear b) Não-biodegradável: cadeia ramificada c) Água dura: água com elevada concentração de íons: Ca2+ Mg2+ ou Fe3+

41. Coloides • Propriedades dos coloides • Eletroforese • Cataforese: Ocorre quando as partículas do disperso possuem carga positiva. As partículas do disperso irão migrar para o pólo negativo do campo elétrico que é denominado cátodo; • Anaforese: Ocorre quando as partículas do disperso possuem carga negativa. As partículas do disperso irão migrar para o pólo positivo do campo elétrico que é denominado ânodo; • Efeito tyndall • É o efeito óptico de espalhamento ou dispersão da luz, provocado pelas partículas de uma dispersão coloidal; Ex.: observação de partículas de poeira suspensas no ar; gotículas de água que formam a neblina; feixe luminoso de uma lanterna em um recipiente contendo gelatina.

42. Coloides Os coloides dispersam fortemente a luz, pois as partículas dispersas têm tamanhos semelhantes ao comprimento de onda da luz visível. Este fenômeno é chamado efeitodeTyndall e permite distinguir as soluções verdadeiras dos coloides, pois as soluções verdadeiras são transparentes, ou seja não dispersam a luz.

43. Coloides Movimento browniano As partículas do dispergente estão constantemente colidindo com as partículas do disperso, assim as partículas do disperso possuem um movimento em zique-zague desordenado e ininterrupto observável sob o ultramicroscópio.