Ficha nº9 – Dureza da água

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Desmineralização de águas e processo de precipitação

Dureza da água
Correção da dureza da água
Remoção de poluentes

1*. Nas estações de tratamento de águas (ETA), adiciona-se à água cal, CaO, e sulfato de alumínio. Forma-se um precipitado que facilita a sedimentação das partículas em suspensão.

1.1. O nome e a fórmula do precipitado são, respetivamente:

(A) hidróxido de alumínio, Al₂(OH)₃

(B) hidróxido de alumínio, Al (OH)₃

(C) sulfato de cálcio, Ca(SO₄)₂

(D) sulfito de cálcio, CaSO₃

1.2. Escreva a equação global que traduz a formação deste precipitado.

1.3. Escreva a equação que traduz a reação de equilíbrio do precipitado com os seus iões.

Resolução

1.1 Opção (B)

1.2 3 CaO (s) + Al₂(SO₄)₃ (s) + 3 H₂O (l) → 2 Al(OH)₃ (s) + 3 CaSO₄ (aq)

1.3 Al(OH)₃ (s) ⇋ Al³⁺ (aq) + 3 OH^– (aq)

2*. A componente industrial tem vindo a introduzir alterações significativas na composição qualitativa e quantitativa das reservas de água, afetando a sua qualidade ao ponto de a tornar imprópria, quer para o consumo humano, quer para o uso industrial.

Por isso, a água canalizada é previamente tratada para remover a eventual presença de substâncias indesejáveis.

A remoção do catião Pb²⁺, que é tóxico, pode ser realizada através da adição de cloreto de sódio, NaCl, à água. Recorrendo às equações químicas que representam as reações que ocorrem em solução, explique como ocorre a remoção do referido catião da água contaminada, indicando ainda a técnica utilizada.

Resolução

O cloreto de sódio é um composto muito solúvel em água e a sua dissolução irá aumentar a concentração de anião Cl-, em solução.
NaCl (s) → Na⁺ (aq) + Cl^– (aq)
O composto PbCl2 é muito pouco solúvel em água pelo que ocorre a seguinte reação de precipitação:
Pb²⁺ (aq) + 2 Cl^– (aq) ⇋ PbCl₂ (s)
Conclui-se que é possível remover o precipitação através de filtração a vácuo/centrifugação.

3*. No tratamento de efluentes industriais, é muito comum o emprego de métodos de separação de substâncias.

No caso de um efluente constituído por água e óleo, selecione, de entre os métodos seguintes, o indicado para a sua separação.

(A) Decantação.

(B) Filtração.

(C) Centrifugação.

(D) Precipitação.

Resolução

Opçaõ (A)

4. A presença de concentrações significativas de catiões chumbo(II) em águas naturais é, aparentemente, um paradoxo, dado que tanto o sulfureto de chumbo (II) como o carbonato de chumbo (II) são praticamente insolúveis em água, como a tabela mostra.

Sal	Ks
PbS	7,0 x 10^-29
PbCO₃	7,4 x 10^-14

Considerando que em águas naturais ocorre um equilíbrio entre a água e o dióxido de carbono presente na atmosfera, explique, utilizando equações químicas:

4.1. a característica das águas naturais e o valor do seu pH;

4.2. a presença de catiões chumbo(II) na solução dessas águas.

Resolução

4.1 CO₂ (g) + 2 H₂O (l) ⇋ HCO₃^– (aq) + H₃O⁺ (aq)

As águas naturais apresentam características ácidas. pH = 5,6

4.2 PbCO₃ (s) ⇋ Pb²⁺ (aq) + CO₃^2- (aq) (1)

PbS (s) ⇋ S^2- (aq) + Pb²⁺ (aq) (2)
CO₃^2- (aq) + H₃O⁺ (aq) ⇋ HCO₃⁺ (aq) + H₂O (l) (3)
S²⁺ (aq) + H₃O⁺ (aq) ⇋ HS^– (aq) + H₂O (l) (4)

Os dois sais estão dissociados existindo equilíbrio entre o sólido e os iões em solução.
Como o meio é ácido, ocorrem as reações traduzidas pela equações (3) e (4), que alteram os equilíbrios (1) e (2), fazendo-os evoluir no sentido direto (Principio Le Châtelier), sugerindo alguns iões Pb²⁺ (aq) em solução.

5. A dureza da água possui interesse para os aquariófilos por duas razões: proporcionar um ambiente correto para os seres vivos e para ajudar na estabilização do pH dentro do aquário.

Considere que a água do aquário apresenta uma dureza de 250 mg L^-1 em Ca²⁺. (M = 40,0 g mol^-1) .

Selecione a opção que apresenta a forma de calcular corretamente a concentração de ião CO₃^2- que terá de existir na água do aquário para provocar a precipitação de carbonato de cálcio, CaCO₃ (Ks = 3,8 x 10^-8).

(A) $[CO_{3}^{2-}]= \frac{3,8\times 10^{-8}}{\frac{250\times 10^{-3}}{40,0}}$

(B) $[CO_{3}^{2-}]= \frac{3,8\times 10^{-8}}{\frac{40,0}{250\times 10^{-3}}}$

(C) $[CO_{3}^{2-}]= \frac{40,0}{\frac{3,8\times 10^{-8}}{250\times 10^{-3}}}$

(D) $[CO_{3}^{2-}]= \frac{250\times 10^{-3}}{\frac{3,8\times 10^{-8}}{40,0}}$

Resolução

Opção (A)

6*. A dureza da água é determinada pela concentração:

(A) apenas de catião magnésio.

(B) apenas de catião cálcio.

(C) principalmente de catiões cálcio e magnésio.

(D) apenas de catião cálcio e magnésio.

Resolução

Opção (C)

7. A dureza das águas deve-se principalmente a Ca²⁺ e Mg²⁺ e ainda a vestígios de Fe²⁺, Al³⁺ e Cu ²⁺.

A presença de cálcio e magnésio está associada à constituição dos solos.

A determinação da dureza de uma água faz-se por volumetria de complexação com EDTA (ácido etilenodiaminotetracético) – agente complexante que forma compostos estáveis com grande número de catiões metálicos.

Considere os valores das constantes de formação de complexos de EDTA com os iões Mg²⁺ e Ca²⁺, respetivamente.

Dados: K_f ([Mg(EDTA)]²⁺) = 4,9 x 10⁸; K_f([Ca(EDTA)]²⁺) = 5,0 x 10¹⁰

Elabore um pequeno texto sobre as vantagens de usar pequenas quantidades de EDTA nos detergentes, géis de banho e champôs.

Resolução

Para resolver o problema da dureza da água, utiliza-se EDTA nos detergentes.
O EDTA vai reagir com os iões Mg²⁺ e Ca²⁺, criando complexos solúveis e estáveis, uma vez que têm constantes de formação muito elevadas.

8. Selecione das hipóteses A, B, C ou D a que corresponde aos principais iões responsáveis pela dureza de uma água.

(A) Na⁺, Ca²⁺

(B) Ca²⁺, Mg²⁺

(C) Na⁺, K⁺

(D) Mg²⁺, SO₄^2-

Resolução

Opção (B)

9. Uma água de abastecimento público possui uma dureza de 220 mg/L expressa em Ca²⁺.

Calcule a concentração de carbonato, CO₃^2-, necessária para que ocorra precipitação nessa água.

Ks (CaCO₃) = 3,8 x 10^-8, a 25 ºC.

Resolução

M(Ca²⁺) = 40,08 g/mol
[Ca²⁺] = (m/M)/V = (220 x 10^-3/40,08)/1,0 = 5,49 x 10^-3 mol / L

CaCO₃ (s) ⇋ Ca²⁺ (aq) + CO₃^2- (aq)
Ks = [Ca²⁺] x [CO₃^2-] ⇔ [CO₃^2-] = 3,8 x 10^-8 / 5,49 x 10^-3 = 6,92 x 10^-6 mol/L

10*. Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte.

O processo de desmineralização tem a função de …

(A) … tornar a água potável.

(B) … retirar os carbonatos para evitar explosões.

(C) … reduzir a dureza da água por meio da diminuição da presença de carbonatos e sulfatos de cálcio e magnésio dissolvidos.

(D) … melhorar a cor da água.

Resolução

Opção (C)

11*. A composição, em ppm, das águas designadas por A, B e C está indicada na tabela.

	Soluto (ppm)
	CaBr₂	Mg(NO₃)₂	NaCl
A	44	24	270
B	30	60	44
C	15	30	220

11.1. Indique qual das águas é a mais dura.

11.2. Calcule a dureza da água da resposta a 11.1 ..

11.3. Calcule a dureza da água A.

11.4. Compare a dureza da água C relativamente à dureza da água B.

Resolução

11.1 Água B

11.2 90 ppm

11.3 68 ppm

11.4 A dureza da água C é inferior à de B

12*. Um sistema doméstico para correção de dureza de águas tem o seguinte rótulo.

12.1 Escreva a equação química da reação entre o polifosfato de sódio, Na₅P₃O₁₀, existente neste sistema de correção de águas, e os iões cálcio da água, para formar o ião complexo Ca₂(P₃O₁₀)^– (aq).

12.2 Indique, justificando, se este descalcificador é adequado para a purificação de água para consumo humano.

12.3 Indique um outro processo utilizado na correção da dureza da água.

Resolução

12.1 2 Ca²⁺ (aq) + P₃O₁₀^5- (aq) → Ca₂(P₃O₁₀)^– (aq)

12.2 Não.

Porque este sistema evita que os iões cálcio e magnésio precipitem, mantendo-os em solução na forma de iões complexos, ligados aos polifosfatos.
Se ingerirmos esta água estaremos a ingerir polifosfatos, que originalmente não existiam na água.

12.3 Utilização de resinas de troca iónica ou de agentes de precipitação.

13*. «A dureza da água para consumo humano é causada essencialmente pela presença de sais de cálcio e de magnésio, sendo considerada dura quando existem valores significativos destes sais e macia quando contém pequenas quantidades.

Os níveis de dureza da água da EPAL distribuída na cidade de Lisboa situam-se entre 40 mg/L e 170 mg/L de carbonato de cálcio (CaCO₃), sendo o valor médio 80 mg/L. Nestas gamas, a dureza da água não apresenta risco para a saúde do consumidor.»

Empresa Pública de Aguas de Lisboa – Grupo Aguas de Portugal

Resolução

Pode ser considerada uma água macia, em média. A dureza é < 100 mg L^-1.

Porém, em alguns casos pode atingir valores de 170 mg L^-1.

14. No tratamento da água, a coagulação envolve a adição de sulfato de ferro com o objetivo de precipitar Fe(OH)₃ e o consequente arrasto das pequenas partículas em suspensão.

No entanto, uma elevada concentração de ferro na água pode ser nociva à saúde humana. Assim, eleva-se o pH da água tratada para assegurar a precipitação de Fe(OH)₃.

14.1. Se [OH^–] na água for de 1,0 x 10^-8 mol dm^-3, pode afirmar-se que o pH da água, a 25 ºC, é 6. Justifique esta afirmação.

14.2. Escreva a equação do equilíbrio entre o composto Fe(OH)₃ e os seus iões.

14.3. Utilizando a equação escrita em 14.2. e uma tabela de valores de K_s, justifique a frase sublinhada do último período da introdução.

14.4. Indique o papel desempenhado pelas camadas de carvão, areia e cascalho.

14.5. Refira os objetivos da introdução de cloro ao longo do circuito e de flúor na etapa final do tratamento.

Resolução

14.1 Se [OH-] = 1,0 x 10-8 mol dm-3 ⇔ pOH = 8 e, como a 25ºC, pH + pOH = 14 ⇔ pH = 6

14.2 Fe(OH)₃ (s) ⇋ Fe³⁺ (aq) + 3 OH^– (aq) (1)

14.3 Aumentar o pH da água significa aumentar a concentração do ião OH^– (aq), que vai alterar o equilíbrio (1). O sistema vai evoluir no sentido da formação de mais precipitado, até se atingir um novo estado de equilibrio, de acordo com o Principio de Le Chatelier.

14.4 Estas camadas servem de filtro para materiais sólidos em suspensão nos afluentes.

14.5 A adição de cloro tem um efeito de desinfecão das águas. A adição de flúor contribui para a diminuição das cáries dentárias.

15. A dureza é responsável pela formação de incrustações em tubagens, principalmente nas de água quente, diminui o poder de saponificação dos detergentes, pelo que tem que se utilizar maiores quantidades, as máquinas de lavar que usam esta água necessitam de maior manutenção e limpeza para trabalharem eficientemente, as lavagens de utensílios e equipamentos torna-se mais difícil, representando uma perda de economia.

O processo de descalcificação de água é realizado através de troca iónica, onde são removidos iões de cálcio e de magnésio pelo ião sódio.

Os filtros descalcificadores de água são compostos por coluna e Poliéster Reforçado a Fibra de Vidro (PRFV), válvula automática com programador electrónico e carga descalcificadora, sendo um processo simples e útil para os fins domésticos, comerciais e industriais, trazendo grandes vantagens e economia.

15.1 A diminuição da dureza da água usada na lavagem faz-se por troca de:

(A) iões cálcio e magnésio, da resina, por iões sódio presentes na água.

(B) iões sódio, da resina, por iões magnésio e cálcio presentes na água.

(C) iões sódio, da resina, por iões cálcio e magnésio presentes no sal de regeneração.

(D) iões cálcio e magnésio, da resina, por iões sódio presentes no sal de regeneração.

15.2 À redução da dureza da água chama-se:

(A) amaciamento.

(B) amolecimento.

(C) amordaçamento.

(D) amassamento.

15.3 Por que motivo a redução da dureza da água nas máquinas de lavar não pode ser feita com agentes precipitantes?

Resolução

15.1 Opção (B)

15.2 Opção (A)

15.3 Porque, neste caso, iria haver a deposição dos sais precipitados no interior da máquina, o que acabaria por entupi-la

16*. A respeito do fenómeno conhecido por eutrofização das águas, fizeram-se as seguintes afirmações e das quais deve selecionar as verdadeiras.

(A) Algas em excesso podem formar um “tapete” que isola a água das represas e rios do oxigénio do ar.

(B) A presença em excesso de certos aniões nas águas de rios, represas e lagos acelera a multiplicação de algas.

(C) A decomposição do resíduo das algas mortas, por microrganismos aeróbios, leva a um aumento da concentração de gás oxigénio dissolvido na água.

(D) A deficiência de oxigénio dissolvido na água causa a morte de plantas aquáticas e peixes.

Resolução

(A), (B) e (D)

17*. Recolheu-se uma amostra de água de uma região sul de Portugal, apresentava uma concentração em catião cálcio de 2.4 x 10^-3 mol dm^-3 e em catião magnésio de 1,6 x 10^-4 mol dm^-3, sendo considerada uma água dura.

A dureza de uma água pode ser reduzida recorrendo a um processo em que os catiões cálcio e magnésio da água dura vão ocupar o lugar de catiões sódio e estes são arrastados pela água. Obtém-se, assim, uma água macia, uma vez que contém catião sódio, que não forma sais insolúveis com sabão ou detergente.

17.1. Indique a que corresponde a dureza total de uma água.

17.2. Identifique o processo de redução da dureza da água referido e apresente outros dois exemplos de processos alternativos.

Resolução

17.1 A dureza total de uma água corresponde à soma das durezas temporária e permanente da água, sendo equivalente à concentração total de catiões Ca²⁺ e Mg²⁺ presentes na água, os dois catiões que mais contribuem para a quantificação da dureza da água.

17.2 O processo referido consiste em fazer passar a água através de resinas de permuta de catiões Ca²⁺ e Mg²⁺ de uma água dura. Outras formas de minimizar a dureza das águas consistem: 1) na adição de compostos que reagem com o catião Ca²⁺ e o catião Mg²⁺ dando origem a iões complexos solúveis em água, denominados por aditivos anticalcário; 2) na adição de agentes precipitantes como o hidróxido de cálcio.

18*. A dureza na água deve-se, principalmente, à presença de iões de Ca²⁺ e Mg²⁺.

Estes iões causam problemas industriais e domésticos, pois tendem a formar incrustações. O amaciamento é a eliminação da dureza das águas e consiste na remoção dos iões cálcio, magnésio e outros que estejam em excesso.

Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte.

A água dura pode ser amaciada por uma reação química de …

(A) … neutralização.

(B) … redução.

(C) … oxidação.

(D) … precipitação.

Resolução

Opção (D)

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