(UNIFESP) Um dos possíveis meios de se remover \mathrm{CO}_{2} gasoso da atmosfera, diminuindo assim sua contribuição para o “efeito estufa”, envolve a fixação do gás por organismos microscópicos presentes em rios, lagos e, principalmente, oceanos. Dados publicados em 2003 na revista Química Nova na Escola indicam que o reservatório da hidrelétrica de Promissão, SP, absorve 704 toneladas de \mathrm{CO}_{2} por dia.
a) Calcule a quantidade de \mathrm{CO}_{2}, expressa em mol / dia, absorvida pelo reservatório. (Dado: massa molar de \mathrm{CO}_{2}=44 \mathrm{~g} / \mathrm{mol}.)
b) Suponha que parte do \mathrm{CO}_{2} permaneceu dissolvida na água do reservatório, na forma \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{aq}). Empregando equações químicas, discuta qualitativamente o efeito que o \mathrm{CO}_{2} dissolvido terá sobre as características químicas da água do reservatório.

Passo 1

Vou listar claramente o que o enunciado pede e quais dados ele nos dá.
  • Perguntas do enunciado:
    1. Calcular a quantidade de \mathrm{CO_2} absorvida pelo reservatório, expressa em mol por dia.
    2. Discutir qualitativamente, por meio de equações químicas, o efeito que o \mathrm{CO_2} dissolvido terá sobre as características químicas da água do reservatório.
  • Dados fornecidos:
    • Massa de \mathrm{CO_2} absorvida: 704 toneladas por dia.
    • Massa molar de \mathrm{CO_2}: 44\\ \mathrm{g/mol}.

Passo 2

Primeiro vou transformar a massa de \mathrm{CO_2} em gramas, porque a massa molar está em gramas por mol.
  • Uma tonelada (métrica) equivale a 1000\\ \mathrm{kg} e cada quilograma tem 1000\\ \mathrm{g}, portanto uma tonelada = 10^{6}\\ \mathrm{g}.
  • Converter 704 toneladas para gramas:
704\\ \text{toneladas} = 704\times10^{6}\\ \mathrm{g}.

Passo 3

Agora uso a relação entre massa, massa molar e número de mols. A fórmula é:
n=\frac{m}{M},
onde
  • n é o número de mols,
  • m é a massa em gramas,
  • M é a massa molar em \mathrm{g/mol}.
Aqui m=704\times10^{6}\\ \mathrm{g} e M=44\\ \mathrm{g/mol}.

Passo 4

Faço a divisão para obter os mols por dia:
n=\frac{704\times10^{6}\\ \mathrm{g}}{44\\ \mathrm{g/mol}}.
Para facilitar a conta mental, reparo que 704/44=0{,}16 exatamente (pois 44\times0{,}16=7{,}04, e então com os fatores de 10^{6}):
n=0{,}16\times10^{8}\\ \mathrm{mol} = 1{,}6\times10^{7}\\ \mathrm{mol}.
Portanto a massa corresponde a 1{,}6\times10^{7} mol por dia.

Passo 5

Agora passo para a parte qualitativa: descrever, por equações, o que acontece quando \mathrm{CO_2} se dissolve na água e como isso altera a química da água.
Primeiro passo químico (dissolução física):
\mathrm{CO_2(g)} \rightleftharpoons \mathrm{CO_2(aq)}.
Isto mostra que parte do gás entra em solução como \mathrm{CO_2} molecular dissolvido.

Passo 6

Em seguida, o \mathrm{CO_2} dissolvido reage com água formando ácido carbônico (a reação é rápida em termos químicos, mas o equilíbrio favorece o \mathrm{CO_2(aq)} livre):
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3}.
Aqui \mathrm{H_2CO_3} é chamado de ácido carbônico (é um ácido fraco). Nem todo \mathrm{CO_2(aq)} está convertido em \mathrm{H_2CO_3}, mas essa espécie representa o “CO2 combinado” que pode doar prótons.

Passo 7

O ácido carbônico pode se ionizar (dissociar) em duas etapas, liberando íons hidrônio/protão ( \mathrm{H^+}) e formando bicarbonato e carbonato:
\mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-},
\mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}.
Essas flechas mostram equilíbrios — as reações não vão completamente até o fim porque tanto \mathrm{H_2CO_3} quanto \mathrm{HCO_3^-} são ácidos fracos.

Passo 8

Interpretação do efeito sobre a água:
  • A formação de \mathrm{H^+} (prótons) a partir dessas dissociações faz com que o valor de \mathrm{pH} da água tenda a cair (a água fica mais ácida). Em termos simples: mais \mathrm{CO_2} dissolvido → mais equilíbrio deslocado para a direita → aumento de \mathrm{[H^+]} \mathrm{pH} menor.
  • Ao mesmo tempo, o equilíbrio entre \mathrm{HCO_3^-} e \mathrm{CO_3^{2-}} é deslocado para formar mais \mathrm{HCO_3^-} e menos \mathrm{CO_3^{2-}} quando o meio fica mais ácido. Ou seja, a concentração de íons carbonato \mathrm{CO_3^{2-}} diminui.

Passo 9

Consequências ecológicas e químicas importantes (qualitativas):
  • A redução da concentração de \mathrm{CO_3^{2-}} prejudica processos que dependem de carbonato livre, por exemplo a formação de carbonato de cálcio \mathrm{CaCO_3} por organismos calcificadores (bivalves, conchas, corais, algumas algas). Menos \mathrm{CO_3^{2-}} significa menor tendência de precipitação de \mathrm{CaCO_3} e até maior tendência à dissolução de estruturas já formadas.
  • O sistema carbônico atua como um tampão: pequenas adições de \mathrm{CO_2} são parcialmente neutralizadas pela conversão entre \mathrm{CO_3^{2-}}, \mathrm{HCO_3^-} e \mathrm{H_2CO_3}. Mas se a entrada de \mathrm{CO_2} for grande, o tampão pode ser insuficiente e o \mathrm{pH} cairá de forma perceptível.
  • A mudança do \mathrm{pH} e das formas dominantes de carbono dissolvido pode alterar processos biológicos (taxas de fotossíntese, disponibilidade de nutrientes, toxicidade de alguns íons) e afetar a química da água (ex.: equilíbrio com o cálcio dissolvido e a saturação de carbonato de cálcio).

Passo 10

Resumo prático do raciocínio (passo a passo que você pode reproduzir na prova):
  • Converta toneladas → gramas → use n=m/M para obter mols.
  • Para discutir efeitos na água escreva as equações de dissolução e dissociação do \mathrm{CO_2}:
\mathrm{CO_2(g)} \rightleftharpoons \mathrm{CO_2(aq)}
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3}
\mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}
\mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}
  • Use o princípio de Le Chatelier: entrada de \mathrm{CO_2} desloca equilíbrios para a direita, aumenta \mathrm{[H^+]}, diminui \mathrm{pH} e reduz \mathrm{[CO_3^{2-}]}. Conclua qualitativamente sobre impactos em organismos calcificadores e no tampão carbonato da água.

Resposta

a) 1{,}6\times10^{7}\\ \mathrm{mol/dia}
b) O \mathrm{CO_2} dissolvido passa a existir como \mathrm{CO_2(aq)} e \mathrm{H_2CO_3}, que se dissociam em \mathrm{HCO_3^-} e \mathrm{H^+} (e, em menor grau, em \mathrm{CO_3^{2-}} e \mathrm{H^+}). Essas reações:
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3}
\mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}
\mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}
levam ao aumento de \mathrm{[H^+]} (queda de \mathrm{pH}), à diminuição da concentração de \mathrm{CO_3^{2-}} e, consequentemente, podem dificultar a formação de \mathrm{CaCO_3} por organismos calcificadores e alterar o equilíbrio químico e biológico do reservatório.

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