O controle do potencial hidrogeniônico (\mathbf{p H}) assume papel importante no tratamento de água e esgoto por determinar a biodisponibilidade de minerais, matéria orgânica ou outros contaminantes. Sobre o tema, analise as assertivas abaixo e assinale V, se verdadeiras, ou F, se falsas.
() pH elevado pode estar relacionado à alta proliferação de algas.
() O teor de \mathbf{C O}_{2} livre está diretamente relacionado à alcalinidade do meio.
( ) Em pH elevado (>9,4), há presença somente de bicarbonato de sódio na água em tratamento.
() A dureza da água corresponde à alcalinidade e é denominada dureza carbonato.
Alternativas:
A) \mathrm{V}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F}.
B) \mathrm{F}-\mathrm{V}-\mathrm{F}-\mathrm{V}.
C) V-F-V-F.
D) \mathrm{F}-\mathrm{V}-\mathrm{V}-\mathrm{F}.
E) \mathrm{V}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{V}.

Passo 1

Vou listar claramente o que o enunciado dá e o que pede. O enunciado apresenta quatro assertivas sobre pH, CO _2, espécies carbonatadas e dureza, e pede que se marque cada uma como verdadeira (V) ou falsa (F). As quatro assertivas são:
(1) pH elevado pode estar relacionado à alta proliferação de algas.
(2) O teor de \mathrm{CO}_2 livre está diretamente relacionado à alcalinidade do meio.
(3) Em pH elevado ( >9{,}4), há presença somente de bicarbonato de sódio na água em tratamento.
(4) A dureza da água corresponde à alcalinidade e é denominada dureza carbonato.
O objetivo final é indicar a alternativa (A, B, C, D ou E) que corresponde à sequência correta de V/F para (1)-(4).

Passo 2

Analisando a assertiva (1): “pH elevado pode estar relacionado à alta proliferação de algas.”
Explicação didática (por que é verdade): algas realizam fotossíntese consumindo dióxido de carbono dissolvido ( \mathrm{CO}_2). Quando a fotossíntese consome \mathrm{CO}_2, o equilíbrio do sistema carbonato muda e a concentração de íons \mathrm{H}^+ diminui, o que causa aumento do pH. Em corpos d’água com eutrofização (excesso de nutrientes) ocorre alta produção de algas e, durante o dia, observa-se elevação do pH por esse motivo. Portanto é correto dizer que pH elevado pode estar relacionado à alta proliferação de algas — a relação existe e é comum em tratamento de água e ecossistemas aquáticos.
Exemplo simples para fixar: em um lago com muita algas, ao meio-dia a fotossíntese intensa reduz \mathrm{CO}_2 e o pH sobe de, por exemplo, \mathrm{pH}=7{,}5 para \mathrm{pH}=8{,}5 ou mais.
Conclusão do passo: a assertiva (1) é verdadeira.

Passo 3

Analisando a assertiva (2): “O teor de \mathrm{CO}_2 livre está diretamente relacionado à alcalinidade do meio.”
Primeiro, definir alcalinidade de forma prática: alcalinidade é a capacidade da água de neutralizar ácidos, isto é, a soma das espécies que podem consumir \mathrm{H}^+. Uma expressão prática é
\text{alcalinidade} \approx [\mathrm{HCO}_3^{-}] + 2[\mathrm{CO}_3^{2-}] + [\mathrm{OH}^{-}] - [\mathrm{H}^{+}],
onde as concentrações estão em equivalentes apropriados. Note que o \mathrm{CO}_2 livre (ou \mathrm{H}_2\mathrm{CO}_3 e \mathrm{CO}_2(aq)) NÃO aparece somado nessa expressão: \mathrm{CO}_2 dissolvido não contribui diretamente para a alcalinidade porque não é uma base capaz de consumir \mathrm{H}^+ (pelo contrário, tende a liberar H ^+ quando se transforma em bicarbonato).
Há, no entanto, uma ligação indireta: a quantidade de \mathrm{CO}_2 e o pH determinam o equilíbrio entre \mathrm{CO}_2, \mathrm{HCO}_3^{-} e \mathrm{CO}_3^{2-}. Ou seja, para uma dada alcalinidade, o pH vai fixar quanto existe de \mathrm{CO}_2 livre; e mudanças de \mathrm{CO}_2 podem deslocar equilibria e, indiretamente, alterar as espécies presentes. Mas dizer que o teor de \mathrm{CO}_2 livre está “diretamente relacionado” à alcalinidade é impreciso: \mathrm{CO}_2 livre não é componente da alcalinidade e a relação é indireta e dependente do pH.
Conclusão do passo: a assertiva (2) é falsa (F), por ser uma afirmação direta e simplista que não corresponde ao conceito químico de alcalinidade.

Passo 4

Analisando a assertiva (3): “Em pH elevado ( >9{,}4), há presença somente de bicarbonato de sódio na água em tratamento.”
Para entender isso precisamos da química do sistema carbonato e dos pontos de dissociação. As reações relevantes são
\mathrm{H}_2\mathrm{CO}_3 \rightleftharpoons \mathrm{H}^+ + \mathrm{HCO}_3^{-} \quad(\text{p}K_{a1}\approx6{,}3)
\mathrm{HCO}_3^{-} \rightleftharpoons \mathrm{H}^+ + \mathrm{CO}_3^{2-} \quad(\text{p}K_{a2}\approx10{,}3).
A relação entre pH e a razão [\mathrm{CO}_3^{2-}]/[\mathrm{HCO}_3^{-}] vem da forma de Henderson–Hasselbalch para essa dissociação:
\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{a2} + \log\frac{[\mathrm{CO}_3^{2-}]}{[\mathrm{HCO}_3^{-}]}.
Se isolarmos a razão:
\frac{[\mathrm{CO}_3^{2-}]}{[\mathrm{HCO}_3^{-}]} = 10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{a2}}.
Agora avalie em \mathrm{pH}=9{,}4:
\frac{[\mathrm{CO}_3^{2-}]}{[\mathrm{HCO}_3^{-}]} = 10^{9{,}4-10{,}3} = 10^{-0{,}9}\approx0{,}13.
Isso significa que, em \mathrm{pH}=9{,}4, há muito mais bicarbonato que carbonato, mas já existe \mathrm{CO}_3^{2-} presente (cerca de 13% em número relativo às espécies). Além disso, “bicarbonato de sódio” não é a única forma iônica presente: há íons \mathrm{Na}^+, \mathrm{HCO}_3^{-} e também \mathrm{CO}_3^{2-} em quantidades não nulas quando o pH aumenta. Somente em pH bem abaixo de \mathrm{p}K_{a2} o bicarbonato domina completamente; e somente muito acima de \mathrm{p}K_{a2} o carbonato domina.
Portanto a afirmativa que diz "há presença somente de bicarbonato de sódio em pH >9{,}4" é falsa: mesmo para pH na faixa alta já aparecem quantidades de \mathrm{CO}_3^{2-}, e não se tem “somente bicarbonato”.
Conclusão do passo: a assertiva (3) é falsa.

Passo 5

Analisando a assertiva (4): “A dureza da água corresponde à alcalinidade e é denominada dureza carbonato.”
Primeiro, definir dureza: dureza total é, classicamente, a concentração de cátions divalentes como \mathrm{Ca}^{2+} e \mathrm{Mg}^{2+} que causam formação de incrustações e consumo de sabão. É medida geralmente como "mg/L de \mathrm{CaCO}_3". Alcalinidade, como já vimos, é a capacidade de neutralizar ácidos, associada principalmente a \mathrm{HCO}_3^{-} e \mathrm{CO}_3^{2-}.
Existe um conceito chamado “dureza carbonato” ou dureza temporária: quando a dureza (Ca, Mg) é associada a íons bicarbonato/carbonato, a remoção de \mathrm{HCO}_3^{-} (por aquecimento, por exemplo) precipita \mathrm{CaCO}_3 e reduz a dureza — por isso chama-se temporária ou dureza por carbonatos. Porém, não se pode afirmar que dureza = alcalinidade; são grandezas diferentes com vínculos em casos específicos. Há também dureza não carbonatada (permanente) quando os cátions estão associados a sulfatos, cloretos etc.
Portanto a frase “A dureza da água corresponde à alcalinidade e é denominada dureza carbonato” é incorreta como afirmação geral. A dureza pode incluir uma fração chamada dureza por carbonatos, mas não corresponde sempre nem exclusivamente à alcalinidade.
Conclusão do passo: a assertiva (4) é falsa.

Passo 6

Resumo final das quatro assertivas com explicação curta:
(1) Verdadeira.
(2) Falsa.
(3) Falsa.
(4) Falsa.
Agora comparando com as alternativas dadas, a sequência \mathrm{V}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F} corresponde à alternativa A.

Resposta

A) \mathrm{V}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F}

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