Dureza da água e análise de águas · Física e Química A 11.º ano

O que é a dureza da água

Quando a chuva se infiltra no solo, dissolve minerais pelo caminho. Em terrenos calcários (Centro e Sul do país) a água fica carregada de iões cálcio, $\mathrm{Ca^{2+}}$, e magnésio, $\mathrm{Mg^{2+}}$. Em terrenos graníticos (Norte) dissolve muito menos.

Estes iões não são perigosos para a saúde, mas têm efeitos práticos: formam depósitos de calcário em tubagens e eletrodomésticos e reagem com o sabão, que por isso faz menos espuma. A ERSAR acompanha a qualidade da água de abastecimento em Portugal.

Para comparar águas, basta somar as concentrações dos dois iões:

$$\text{dureza total} \;\propto\; [\mathrm{Ca^{2+}}] + [\mathrm{Mg^{2+}}]$$

Se só te derem $[\mathrm{Ca^{2+}}]$ (como nas amostras de um dos exercícios), a água com maior concentração é a mais dura.

Pratica★☆☆

A «dureza» da água deve-se, essencialmente, aos iões cálcio e magnésio dissolvidos. Distingue-se a dureza temporária, causada pelos hidrogenocarbonatos, da dureza…

A «dureza» da água deve-se, essencialmente, aos iões cálcio e magnésio dissolvidos. Distingue-se a dureza temporária, causada pelos hidrogenocarbonatos, da dureza permanente, causada por sulfatos e cloretos. Quando uma água com dureza temporária é aquecida, ocorre a transformação traduzida pela equação

$$\mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq) \longrightarrow CaCO_3(s) + CO_2(g) + H_2O(l)}$$

a) Indica os dois iões maioritariamente responsáveis pela dureza da água.
b) Explica, com base na equação apresentada, por que razão se formam depósitos de calcário (carbonato de cálcio) na resistência das chaleiras e das máquinas de café quando a água é aquecida.
c) Explica por que razão a dureza permanente não é eliminada por aquecimento, ao contrário da dureza temporária.
d) Os descalcificadores domésticos de permuta iónica trocam os iões cálcio e magnésio da água por iões sódio. Explica por que razão a água assim tratada deixa de formar incrustações.

Resolver

Pratica★★☆

Em Portugal, a qualidade da água da torneira é monitorizada pela ERSAR e, regra geral, a água é mais dura nas regiões de solos calcários do Centro e do Sul do que nas…

Em Portugal, a qualidade da água da torneira é monitorizada pela ERSAR e, regra geral, a água é mais dura nas regiões de solos calcários do Centro e do Sul do que nas regiões graníticas do Norte. Um laboratório escolar analisou quatro amostras de água e determinou a concentração de iões cálcio em cada uma:

Amostra	Origem	$[\mathrm{Ca^{2+}}]$ ($\text{mol/dm}^3$)
A	torneira — Braga	$1,2\cdot10^{-4}$
B	torneira — Faro	$2,5\cdot10^{-3}$
C	água mineral engarrafada	$7,0\cdot10^{-4}$
D	poço — Évora	$1,5\cdot10^{-3}$

Admite que a dureza total se deve apenas aos iões cálcio e exprime-se em massa de carbonato de cálcio equivalente por $\text{dm}^3$, com $M(\mathrm{CaCO_3}) = 100,1\ \text{g/mol}$. A classificação usada no laboratório é a da figura.

a) Converte a concentração de iões cálcio de cada amostra para dureza total, em $\text{mg/dm}^3$ de $\mathrm{CaCO_3}$ equivalente.
b) Classifica cada uma das quatro amostras de acordo com a escala da figura.
c) Indica em qual das quatro localidades fará mais sentido instalar um descalcificador doméstico e justifica.

Resolver

Dureza temporária e dureza permanente

Os iões $\mathrm{Ca^{2+}}$ e $\mathrm{Mg^{2+}}$ vêm acompanhados de aniões diferentes. É isso que distingue os dois tipos de dureza.

Tipo	Aniões associados	O que acontece ao aquecer
Temporária	hidrogenocarbonato, $\mathrm{HCO_3^-}$	desaparece em parte (forma-se precipitado)
Permanente	sulfato, $\mathrm{SO_4^{2-}}$, e cloreto, $\mathrm{Cl^-}$	mantém-se

Ao aquecer uma água com dureza temporária, o hidrogenocarbonato de cálcio, que é solúvel, decompõe-se:

$$\mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq) \longrightarrow CaCO_3(s) + CO_2(g) + H_2O(l)}$$

O carbonato de cálcio, $\mathrm{CaCO_3}$, é pouco solúvel e deposita-se como sólido. Os iões $\mathrm{Ca^{2+}}$ saem da solução, por isso a dureza diminui. O $\mathrm{CO_2}$ liberta-se como gás e forma-se água líquida. É assim que se forma o calcário na resistência da chaleira, nas máquinas de lavar e nas grutas calcárias do Algarve (onde a água perde $\mathrm{CO_2}$ e deposita estalactites).

Pratica★☆☆

A «dureza» da água deve-se, essencialmente, aos iões cálcio e magnésio dissolvidos. Distingue-se a dureza temporária, causada pelos hidrogenocarbonatos, da dureza…

A «dureza» da água deve-se, essencialmente, aos iões cálcio e magnésio dissolvidos. Distingue-se a dureza temporária, causada pelos hidrogenocarbonatos, da dureza permanente, causada por sulfatos e cloretos. Quando uma água com dureza temporária é aquecida, ocorre a transformação traduzida pela equação

$$\mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq) \longrightarrow CaCO_3(s) + CO_2(g) + H_2O(l)}$$

a) Indica os dois iões maioritariamente responsáveis pela dureza da água.
b) Explica, com base na equação apresentada, por que razão se formam depósitos de calcário (carbonato de cálcio) na resistência das chaleiras e das máquinas de café quando a água é aquecida.
c) Explica por que razão a dureza permanente não é eliminada por aquecimento, ao contrário da dureza temporária.
d) Os descalcificadores domésticos de permuta iónica trocam os iões cálcio e magnésio da água por iões sódio. Explica por que razão a água assim tratada deixa de formar incrustações.

Resolver

Remover a dureza por precipitação

Ferver só resolve a dureza temporária e gasta energia. Em estações de tratamento e em laboratório usa-se outra estratégia: adicionar um reagente que faça precipitar os iões $\mathrm{Ca^{2+}}$. O mais usado é o carbonato de sódio, $\mathrm{Na_2CO_3}$, muito solúvel, que fornece iões $\mathrm{CO_3^{2-}}$:

$$\mathrm{Ca^{2+}(aq) + CO_3^{2-}(aq) \rightleftharpoons CaCO_3(s)}$$

Os iões $\mathrm{Na^+}$ ficam em solução e não causam dureza. Funciona para qualquer tipo de dureza, temporária ou permanente.

Mas a precipitação nunca é completa: o $\mathrm{CaCO_3}$ é pouco solúvel, não insolúvel. Quando se atinge o equilíbrio, resta em solução uma concentração de $\mathrm{Ca^{2+}}$ dada pelo produto de solubilidade:

$$K_{ps} = [\mathrm{Ca^{2+}}]\,[\mathrm{CO_3^{2-}}]$$

Quanto mais carbonato livre se mantiver, menos cálcio resta (é o efeito do ião comum).

Cálcio que fica em solução

Uma água dura tem $[\mathrm{Ca^{2+}}] = 2{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol/dm^3}$. Adiciona-se $\mathrm{Na_2CO_3}$ até $[\mathrm{CO_3^{2-}}] = 1{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol/dm^3}$ (livre, em equilíbrio). Dado $K_{ps}(\mathrm{CaCO_3}) = 3{,}4\cdot10^{-9}$, quanto cálcio resta e quanto foi removido?

Passo 1 – Equação de equilíbrio. $\mathrm{CaCO_3(s) \rightleftharpoons Ca^{2+}(aq) + CO_3^{2-}(aq)}$, com $K_{ps} = [\mathrm{Ca^{2+}}][\mathrm{CO_3^{2-}}]$.

Passo 2 – Isolar a concentração de cálcio no equilíbrio.

$$[\mathrm{Ca^{2+}}] = \frac{K_{ps}}{[\mathrm{CO_3^{2-}}]} = \frac{3{,}4\cdot10^{-9}}{1{,}0\cdot10^{-3}} = 3{,}4\cdot10^{-6}\ \mathrm{mol/dm^3}$$

Passo 3 – Fração removida. Removeu-se $2{,}0\cdot10^{-3} - 3{,}4\cdot10^{-6} \approx 2{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol/dm^3}$, ou seja,

$$\frac{2{,}0\cdot10^{-3} - 3{,}4\cdot10^{-6}}{2{,}0\cdot10^{-3}}\times100 \approx 99{,}8\ \%$$

O teu turno. Que massa de $\mathrm{CaCO_3}$ precipita por cada $1{,}0\ \mathrm{dm^3}$ de água? Usa $M(\mathrm{CaCO_3}) = 100{,}1\ \mathrm{g/mol}$.

$n \approx (2{,}0\cdot10^{-3} - 3{,}4\cdot10^{-6})\times 1{,}0 \approx 2{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol}$, logo $m = n\,M \approx 2{,}0\cdot10^{-3}\times100{,}1 \approx 0{,}20\ \mathrm{g}$.

Pratica★★☆

Uma forma de remover a dureza de uma água é adicionar carbonato de sódio, $\mathrm{Na_2CO_3}$ (conhecido por soda ou barrilha), que faz precipitar os iões cálcio como…

Uma forma de remover a dureza de uma água é adicionar carbonato de sódio, $\mathrm{Na_2CO_3}$ (conhecido por soda ou barrilha), que faz precipitar os iões cálcio como carbonato de cálcio. Numa aula laboratorial, tratou-se uma água dura com $[\mathrm{Ca^{2+}}] = 2,0\cdot10^{-3}\ \text{mol/dm}^3$ adicionando carbonato de sódio até a concentração de iões carbonato livres se manter em $1,0\cdot10^{-3}\ \text{mol/dm}^3$. O produto de solubilidade do carbonato de cálcio a 25 °C é $K_{ps} = 3,4\cdot10^{-9}$ e $M(\mathrm{CaCO_3}) = 100,1\ \text{g/mol}$.

a) Escreve a equação química da reação de precipitação do carbonato de cálcio.
b) Determina a concentração residual de iões cálcio na água tratada.
c) Determina a dureza inicial e a dureza final da água, em $\text{mg/dm}^3$ de $\mathrm{CaCO_3}$ equivalente, e comenta a eficácia do tratamento.

Resolver

De volta ao início: a crosta branca da chaleira em Faro é carbonato de cálcio, formado quando o calor decompõe o hidrogenocarbonato de cálcio (dureza temporária). Em Braga, os solos graníticos dão uma água com poucos iões $\mathrm{Ca^{2+}}$ e $\mathrm{Mg^{2+}}$, por isso quase não há depósito.

Em resumo

A dureza total deve-se aos iões $\mathrm{Ca^{2+}}$ e $\mathrm{Mg^{2+}}$; é maior em regiões de solos calcários.
Dureza temporária: hidrogenocarbonatos; ao aquecer forma-se $\mathrm{CaCO_3(s)}$ (calcário), libertando $\mathrm{CO_2}$.
Dureza permanente: sulfatos e cloretos; não se elimina por aquecimento.
Remove-se a dureza por precipitação com $\mathrm{Na_2CO_3}$: $\mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightleftharpoons CaCO_3(s)}$.
O cálcio que resta calcula-se com $K_{ps}$: $[\mathrm{Ca^{2+}}] = K_{ps}/[\mathrm{CO_3^{2-}}]$, usando concentrações de equilíbrio.

Vamos praticar! 3 exercícios neste tema

★☆☆ A «dureza» da água deve-se, essencialmente, aos iões cálcio e magnésio dissolvidos.…★★☆ Em Portugal, a qualidade da água da torneira é monitorizada pela ERSAR e, regra geral, a…★★☆ Uma forma de remover a dureza de uma água é adicionar carbonato de sódio,…