METAIS PESADOS E SUAS TOXIDADES

Metais pesados e suas toxidades, artigo de Roberto Naime

• Artigo

 by Redação - 13/12/2018

 

 

Mercúrio

Os metais pesados diferem de outros agentes tóxicos porque não são sintetizados nem destruídos pelo homem

[EcoDebate] A primeira lembrança que se materializa quando se fala em metais é a visão da tabela periódica dos elementos químicos, inicialmente desenvolvida pelo russo Gregor Mendeleiev.

Metais integram a tabela periódica dos elementos químicos e talvez sejam os agentes tóxicos mais conhecidos pelo homem. Já em antigas eras, grandes quantidades de chumbo eram obtidas de minérios, como subproduto da fusão da prata e este provavelmente tenha sido o início da utilização desse metal pelo homem.

Os metais pesados diferem de outros agentes tóxicos porque não são sintetizados nem destruídos pelo homem. Constituem elementos naturais. No entanto, a atividade industrial diminui significativamente a permanência desses metais nos minérios, bem como a produção de novos compostos, além de alterar a distribuição desses elementos no planeta.

A presença de metais muitas vezes está associada a fatores geológicos como tectônica de placas e evolução de plataformas estáveis e zonas de subducção continental.

Todas as formas de vida são afetadas pela presença de metais dependendo da dose e da forma química. Muitos metais são essenciais para o crescimento de todos os tipos de organismos, desde as bactérias até mesmo o ser humano, mas são requeridos em baixas concentrações e podem danificar sistemas biológicos se ocorrer demasiada exposição.

Os efeitos tóxicos dos metais sempre foram considerados como eventos de curto prazo, agudos e evidentes, como ocorre com a anúria, que é a supressão de urina, e a diarreia sanguinolenta, decorrentes da ingestão de mercúrio.

Atualmente, ocorrências a médio e longo prazo são observadas, e as relações causa-efeito são pouco evidentes e quase sempre subclínicas. Geralmente esses efeitos são difíceis de serem distinguidos e perdem em especificidade, pois podem ser provocados por outras substâncias tóxicas ou por interações entre esses agentes químicos.

A manifestação dos efeitos tóxicos está associada à dose, e pode se distribuir por todo o organismo, afetando vários órgãos, alterando os processos bioquímicos, as organelas e membranas celulares.

Pessoas idosas e crianças são mais susceptíveis às substâncias tóxicas. As principais fontes de exposição aos metais tóxicos são os alimentos, com elevados índices de absorção gastrointestinal.

Em adição aos critérios de prevenção usados em saúde ocupacional e de monitoramento ambiental, o bio-monitoramento tem sido utilizada como indicador biológico de exposição, e toda substância ou seu produto de bio-transformação, ou qualquer alteração bioquímica observada nos fluídos biológicos, tecidos ou ar exalado, que mostre a intensidade da exposição ou a intensidade dos seus efeitos.

Tem ocorrido a contaminação de adultos e crianças em lotes e vivendas residenciais, com metais pesados, principalmente por chumbo e mercúrio. Contudo, a maioria da população não tem informações precisas sobre os riscos e as consequências da contaminação por esses metais para a saúde humana.

O arsênico é um metal de ocorrência natural, sólido, cristalino, de cor cinza-prateada. Exposto ao ar perde o brilho e resulta em sólido amorfo de cor preta. Este metal é utilizado como agente de fusão para metais pesados, em processos de soldagens e na produção de cristais de silício e germânio.

O arsênico é usado na fabricação de munição, ligas e placas de chumbo de baterias elétricas. Na forma de arsenito é usado como herbicida e como arsenato, é usado nos inseticidas.

No homem produz efeitos nos sistemas respiratório, cardiovascular, nervoso e hematopoiético. No sistema respiratório ocorre irritação com danos nas mucosas nasais, laringe e brônquios.

Exposições prolongadas podem provocar perfuração do septo nasal e rouquidão característica e, a longo prazo, insuficiência pulmonar, traqueobronquite e tosse crônica.

No sistema cardiovascular são observadas lesões vasculares periféricas e alterações no eletrocardiograma. No sistema nervoso, as alterações observadas são sensoriais e polineuropatias, e no sistema hematopoiético observa-se leucopenia, que é a redução do número de leucócitos no sangue para níveis inferiores aos considerados normais e efeitos cutâneos e hepáticos.

Tem sido observada também a relação carcinogênica do arsênico com o câncer de pele e brônquios.

O chumbo é utilizado há mais de 4 mil anos sob várias formas, principalmente por ser uma fonte de prata. Antigamente, as minas de prata eram de galena que é minério de chumbo, um metal dúctil, maleável, de cor prateada ou cinza-azulada, resistente à corrosão.

Os principais usos estão relacionados às indústrias extrativa, petrolífera, de baterias, tintas e corantes, cerâmica, cabos, tubulações e munições.

O chumbo pode ser incorporado ao cristal na fabricação de copos, jarras e outros utensílios, favorecendo o seu brilho e durabilidade.

Compostos de chumbo são absorvidos por via respiratória e cutânea. Os chumbos tetraetila e tetrametila também são absorvidos através da pele intacta, por serem lipossolúveis, que quer dizer solubilidade nas moléculas de gordura.

O sistema nervoso, a medula óssea e os rins são considerados órgãos críticos para o chumbo, que interfere nos processos genéticos ou cromossômicos e produz alterações na estabilidade da cromatina em cobaias, inibindo reparos de óxido desoxirribonucléico (DNA) e agindo como promotor do câncer.

A relação chumbo e das síndromes associadas ao sistema nervoso central depende do tempo e da especificidade das manifestações. Ocorrem várias síndromes relevantes.

O cádmio é encontrado na natureza quase sempre junto com o zinco na maioria dos minérios e solos. É um metal que pode ser dissolvido por soluções ácidas e pelo nitrato de amônio.
Quando queimado ou aquecido, produz o óxido de cádmio, pó branco e amorfo ou na forma de cristais de cor vermelha ou marrom.

É obtido como subproduto da refinação do zinco e de outros minérios. A galvanoplastia que é o processo eletrolítico que consiste em recobrir um metal com outro, é um dos processos industriais que mais utiliza o cádmio.

O homem se expõe na fabricação de ligas, varetas para soldagens, baterias de Níquel e Cádmio, varetas de reatores, fabricação de tubos para TV, pigmentos, esmaltes e tinturas têxteis, fotografia, litografia e pirotecnia, estabilizador plástico, fabricação de semicondutores, células solares, contadores de cintilação, retificadores e lasers.

O cádmio existente na atmosfera é precipitado e depositado no solo agrícola. Rejeitos não-ferrosos e artigos que contêm cádmio contribuem para a poluição ambiental.

Outras formas de contaminação do solo são através dos resíduos da fabricação de cimento, da queima de combustíveis fósseis e lixo urbano e de sedimentos de esgotos.

Na agricultura, uma fonte direta de contaminação pelo cádmio é a utilização de fertilizantes fosfatados. Sabe-se que a captação de cádmio pelas plantas é maior quanto menor for o pH do solo. Nesse aspecto, as chuvas ácidas representam um fator determinante no aumento da concentração do metal nos produtos agrícolas.

A água é outra fonte de contaminação e deve ser considerada não somente pelo seu consumo como água potável, mas também pelo seu uso na fabricação de bebidas e no preparo de alimentos. Sabe-se que a água potável possui baixos teores de cádmio (cerca de 1 mg/l).

O cádmio é um elemento de vida biológica longa e de lenta excreção pelo organismo humano. O órgão alvo primário nas exposições ao cádmio, no longo prazo é o rim. Os efeitos tóxicos provocados compreendem principalmente distúrbios gastrointestinais, após a ingestão do agente químico. A inalação de doses elevadas produz intoxicação aguda, caracterizada por pneumonite e edema pulmonar.

A progressiva utilização do mercúrio para fins industriais e o emprego de compostos mercuriais durante décadas na agricultura resultaram no aumento significativo da contaminação ambiental, especialmente da água e dos alimentos.

Uma das razões que contribuem para o agravamento dessa contaminação é a característica singular do ciclo do Mercúrio no meio ambiente. A bio-transformação por bactérias do mercúrio inorgânico em metil-mercúrio é o processo responsável pelos elevados níveis do metal no ambiente.

O mercúrio é um líquido inodoro e de coloração prateada. Os compostos mercúricos apresentam uma ampla variedade de cores. Mercúrio é teratogênico, ou seja, é responsável pela má formação de fetos e grande parte de nascituros com cegueira.

Nos processos de extração, o mercúrio é liberado no ambiente principalmente a partir do sulfeto de mercúrio. O mercúrio e seus compostos são encontrados na produção de cloro e soda cáustica, e em equipamentos elétricos e eletrônicos, aparelhos de controle, tintas, amálgamas dentárias, fungicidas, lâmpadas de mercúrio, laboratórios químicos, preparações farmacêuticas, detonadores, óleos lubrificantes, catalisadores e na extração de ouro, particularmente em garimpos.

O trato respiratório é a via mais importante de introdução do mercúrio. Esse metal demonstra afinidade por tecidos como células da pele, cabelo, glândulas sudoríparas, glândulas salivares, tireoide, trato gastrointestinal, fígado, pulmões, pâncreas, rins, testículos, próstata e cérebro.

A exposição a elevadas concentrações desse metal pode provocar febre, calafrios, dispneia e cefaleia, durante algumas horas. Sintomas adicionais envolvem diarreia, cãibras abdominais e diminuição da visão. Casos severos progridem para edema pulmonar, dispneia e cianose. As complicações incluem enfisema e morte, raramente ocorrendo falência renal aguda.

Podem ser destacados também o envolvimento da cavidade oral com gengivite, salivação e estomatite, tremor e alterações psicológicas. A síndrome é caracterizada pelo eretismo que é insônia, perda de apetite, perda da memória, timidez excessiva e instabilidade emocional. Além desses sintomas, pode ocorrer disfunção renal.

O cromo é obtido do minério cromita, metal de cor cinza que reage com os ácidos clorídrico e sulfúrico. Além dos compostos bivalentes, trivalentes e hexavalentes, o cromo metálico e ligas também são encontrados no ambiente de trabalho. Entre as inúmeras atividades industriais, destacam-se: galvanoplastia, soldagens, produção de ligas ferrocromo, curtumes, produção de cromatos, di-cromatos, pigmentos e vernizes.

A absorção de cromo por via cutânea depende do tipo de composto, de sua concentração e do tempo de contato. O cromo absorvido permanece por longo tempo retido na junção dermo epidérmica e no estrato superior da mesoderme.

A maior parte do cromo é eliminada através da urina, sendo excretada após as primeiras horas de exposição. Os compostos de cromo produzem efeitos cutâneos, nasais, bronco pulmonares, renais, gastrointestinais e carcinogênicos. Consta que o cromo mais deletério é a modalidade hexa-valente.

Os cutâneos são caracterizados por irritação no dorso das mãos e dos dedos, podendo transformar-se em úlceras. As lesões nasais iniciam-se com um quadro irritativo inflamatório, supuração e formação crostosa. Em níveis bronco pulmonares e gastrointestinais produzem irritação bronquial, alteração da função respiratória e úlceras gastroduodenais.

O manganês é um metal cinza semelhante ao ferro, porém mais duro e quebradiço. Os óxidos, carbonatos e silicatos de manganês são os mais abundantes na natureza e caracterizam-se por serem insolúveis na água.

O composto ciclopentadienila-tricarbonila de manganês é bem solúvel na gasolina, óleo e álcool etílico, sendo geralmente utilizado como agente antidetonante em substituição ao chumbo tetraetila.

Entre as principais aplicações industriais do manganês, estão pilhas secas, ligas não-ferrosas com cobre e níquel, esmalte porcelanizado, fertilizantes, fungicidas, rações, eletrodos para solda, magnetos, catalisadores, vidros, tintas, cerâmicas, materiais elétricos e produtos farmacêuticos. As exposições mais significativas ocorrem através dos fumos e poeiras de manganês.

O trato respiratório é a principal via de introdução e absorção desse metal nas exposições ocupacionais. Os sintomas dos danos provocados pelo manganês no sistema nervoso central são subclínico como astenia, distúrbios do sono, dores musculares, excitabilidade mental e movimentos desajeitados.

Pré-clínicos como transtorno da marcha, dificuldade na fala, reflexos exagerados e tremor, e estágios clínicos como psicose maníaco-depressiva e a clássica síndrome que lembra o parkinsonismo. Além dos efeitos neurotóxicos, há maior incidência de bronquite aguda, asma brônquica e pneumonia.

Não ocorre produzir sensacionalismos baratos ou gerar comoções e exasperações. Ou perturbar a opinião pública. Mas quando se pede responsabilidade com as questões socioambientais, existem motivações técnicas ou científicas relevantes. E desta vez nem é o suprassumo da criatividade humana. Nem se falou em glifosato.

Dr. Roberto Naime, Colunista do Portal EcoDebate, é Doutor em Geologia Ambiental. Integrante do corpo Docente do Mestrado e Doutorado em Qualidade Ambiental da Universidade Feevale.

Sugestão de leitura: Civilização Instantânea ou Felicidade Efervescente numa Gôndola ou na Tela de um Tablet [EBook Kindle], por Roberto Naime, na Amazon.

Referências:
http://www.mundodoquimico.hpg.com.br/
http://praticasescrita.blogspot.com.br/p/meio-ambiente.html

in EcoDebate, ISSN 2446-9394, 13/12/2018

GEOQUÍMICA AMBIENTAL

O conteúdo desta postagem aborda o tema proposto na Atividade de Pesquisa (Atividade 12). Para acessá-lo clique em Geoquímica Ambiental.

ALGUNS PRINCÍPIOS DE EXPLORAÇÃO GEOQUÍMICA

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PROSPECÇÃO GEOQUÍMICA

O grau de sucesso de uma pesquisa geoquímica em um programa de exploração mineral é muitas vezes um reflexo do cuidado com o planejamento inicial e com o projeto de pesquisa. Esta fase da atividade é geralmente referida como pesquisa orientativa; sua importância prática deve ser enfatizada.

Pesquisa Orientativa

Em uma pesquisa de prospecção geoquímica, quatro considerações básicas devem ser abordadas: a natureza dos depósitos minerais procurados; as propriedades geoquímicas dos elementos que podem estar presentes no depósito mineral alvo; fatores geológicos que possam causar variações geoquímicas do teor de fundo e o ambiente (paisagem) que possa influenciar a expressão geoquímica do depósito mineral procurado.

Uma pesquisa orientativa deve incluir um estudo de um depósito mineral conhecido semelhante ao que é alvo do programa de prospecção proposto, e que ocorra em uma configuração geológica e ambiental semelhante. Normalmente isto irá incluir amostragem de solos, sedimentos de corrente, vegetação e água sobre e ao redor do depósito, seguido por análises de amostras de múltiplos elementos. O resultado será uma imagem completa da natureza, intensidade e extensão do trem dispersão geoquímico secundário, que indica a presença do depósito.

Outros elementos importantes são: a determinação do teor de fundo, com o qual as anomalias geoquímicas podem ser comparadas; a avaliação das variações nas condições de paisagem, ou ambiente geoquímico, dentro da área de pesquisa, seu provável efeito sobre os mecanismos de dispersão geoquímica e a provável expressão geoquímica do depósito mineral. Em alguns casos, a paisagem pode variar muito, desde o terreno áspero da montanha, com pouco solo ou obstáculos de cobertura e preponderante dispersão mecânica, até ao terreno pantanoso de baixa altitude coberto por espesso manto, local onde a dispersão geoquímica é principalmente química. Neste caso, os métodos de prospecção geoquímica adequados para um ambiente podem ser impróprios para o outro, uma vez que as expressões geoquímicas de um depósito mineral podem ser bem diferentes. Somente a experiência e o trabalho orientativo cuidadoso permitirão que estas diferenças sejam identificadas e avaliadas.

Técnicas de amostragem

A representatividade é de suma importância na amostragem geoquímica. É essencial que sejam coletadas amostras adequadas, que sejam representativas do material amostrado em qualquer localidade. Estes materiais podem ser rochas, águas, gases, solos, sedimentos de corrente ou vegetação. Sempre que possível, a amostragem deve ser confinada a um tipo de material para qualquer pesquisa específica, como um tipo de rocha em pesquisas litogeoquímicas, um horizonte em levantamentos de solos, ou órgãos de plantas e espécies vegetais em pesquisas biogeoquímicas. Se for necessário amostrar as variações de ambientes e materiais diversificados, devem ser aplicados fatores de correlação aos resultados antes que os  padrões geoquímicos possam ser interpretados de forma eficaz.

As amostras coletadas durante a pesquisa orientativa são geralmente submetidas à análise multielementar,  que irá mostrar as técnicas mais prováveis para produzir o máximo contraste entre anomalia e teor de fundo, e, provavelmente, detectar à maior distância o depósito mineral alvo. Em muitos casos, o processo de decomposição de amostra que tende a produzir as anomalias mais proeminentes e extensas é aquele que liberta apenas uma porção do metal presente nela. Da mesma forma, o reconhecimento da anomalia é geralmente facilitado pela análise de vários elementos, em vez de apenas um ou dois de significado econômico mais imediato. No entanto, como no espaçamento de amostragem, o custo deve ser uma consideração importante na escolha dos procedimentos analíticos de rotina. A maioria dos procedimentos analíticos geoquímicos é concebida para detectar elementos em baixas concentrações, tais como partes por milhão ou partes por bilhão.

Análise de campo

As técnicas analíticas de água, solo, sedimento de corrente e sedimentos de lago no local de amostragem são geralmente baseadas em colorimetria. Em geral, técnicas analíticas de campo determinam íons metálicos livres ligados ou permutáveis, que são extraídos por citrato, acetato, ou ácido diluído.

Análise laboratorial

Quando é desejável determinar o teor total de um determinado metal numa amostra, a análise é geralmente realizada em laboratório. Pode ser utilizada uma ampla gama de técnicas, mas as mais comuns são espectrografia de emissão e espectrofotometria de absorção atômica. Esta última técnica é particularmente adequada para  análise geoquímica de rotina, uma vez que permite que um grande número de amostras sejam analisadas de forma relativamente rápida e barata com um padrão adequado de precisão.

Pesquisas por prospecção geoquímica

As pesquisas por prospecção geoquímica se dividem em duas grandes categorias, estratégicas ou táticas, que podem ser subdivididas de acordo com as amostras de material. As pesquisas estratégicas implicam a cobertura de uma grande área (geralmente vários milhares de quilômetros quadrados), onde o objetivo principal é o de identificar as zonas de potencial mineral anômalo; as pesquisas táticas compreendem o detalhamento do reconhecimento estratégico. Normalmente, a área coberta por uma pesquisa tática é dividida em áreas distintas de alto potencial mineral no distrito anômalo geral. O meio de amostra mais comumente usado para prospecção geoquímica estratégica é sedimento corrente. A amostragem de sedimento de corrente oferece um método relativamente rápido e confiável de avaliar o potencial mineral de uma grande área. Os diferentes meios de amostragem podem ser utilizados, no nível tático de prospecção, na necessidade de amostragem mais detalhada; o solo é o meio mais comum, mas rocha e vegetação também são usados com freqüência.

As pesquisas de prospecção geoquímica incluem levantamentos onde os meios de amostragem são córrego ou sedimentos de lago, águas de nascente ou de lago, e minerais pesados detríticos, a partir de sedimento de corrente.

Águas naturais

Os teores de fundo metálicos da maioria das águas naturais são de apenas algumas partes por bilhão, subindo até umas poucas partes por milhão de certos elementos nas imediações de depósitos minerais.

As águas de superfície são amostradas em intervalos regulares ao longo da rede de drenagem, e um mapa de valores é preparado. Um aumento do teor de metal da água a montante pode indicar a proximidade de uma zona mineralizada. As pesquisas com base em águas subterrâneas podem ser feitas apenas quando há uma boa distribuição de poços, nascentes ou furos de sondagem.

Sedimentos

As pesquisas de sedimentos e minerais pesados são realizadas para determinar o caminho de migração dos elementos e minerais dispersos ao longo dos canais de drenagem superficial em uma área. As amostras são coletadas a partir do sedimento recente no fundo dos córregos e também a partir de sedimentos antigos nos terraços e planícies aluviais. Para elementos quimicamente dispersos, geralmente é utilizada a fração fina (menos de 80 mesh) para análise; para minerais pesados mecanicamente dispersos, é separada uma fração mais grossa do sedimento. Os pontos de amostragem são localizados a intervalos ao longo do comprimento do sistema de drenagem (Fig. 3), e os resultados das análises químicas dos sedimentos de corrente são plotados em um mapa de drenagem. Um aumento no teor de metal do sedimento de corrente a montante pode indicar a proximidade de uma zona mineralizada (Fig. 4).  A fração mineral pesada pode ser examinada microscopicamente para minerais-minério ou minerais de ganga, ou a fração pode ser analisada para elementos de minerais-minério ou elementos indicadores. Ambos os resultados são plotados no mapa de drenagem e os dados são interpretados do mesmo modo que os sedimentos de corrente.

Levantamentos Geoquímicos de Solo

Geralmente, tais pesquisas são de natureza detalhada e são executadas sobre uma malha (Fig. 5). Um dos horizontes do solo é escolhido para a amostragem, e o conteúdo metálico é plotado em mapa e são traçados os contornos. Sob condições favoráveis, os valores mais elevados ocorrem sobre o depósito, mas frequentemente o padrão de dispersão é um trem ou um leque que requer interpretação cuidadosa para localizar sua origem.

Certas condições geológicas podem exigir que todos os horizontes do solo sejam amostrados. Freqüentemente, a amostragem do horizonte orgânico é eficaz em algumas áreas, enquanto em algumas regiões outros horizontes são mais compensadores. Em alguns lugares, a amostragem profunda de um horizonte através de perfuração é o único método satisfatório para pesquisas de solo e till glacial.

As pesquisas de minerais pesados e resistatos de solo, till, e clastos resistentes tornaram-se cada vez mais úteis. Nestes levantamentos os materiais geológicos são bateados, e separados os minerais pesados e resistatos. Em seguida, são examinados microscopicamente para minerais-minério ou analisados para minério e elementos indicadores; os resultados são plotados em mapas. Mapas de minerais pesados e resistatos, preparados na mesma malha, como aqueles para os levantamentos de solos, fornecem dados auxiliares valiosos e muitas vezes auxiliam na interpretação dos padrões de dispersão dos elementos.

Em análise de solo, a fração de finos (menos de 80 mesh) é geralmente analisada para elementos quimicamente dispersos, enquanto que para os minerais pesados e resistatos é usada a fração grosseira.

Texto extraído e modificado de: AUTOR: R. F. Horsnail, "Geochemical prospecting", in AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.285700, last modified: March 29, 2001.

ATIVIDADE:

1. Explique, sem copiar o texto, o que seja pesquisa orientativa.

2. Distinga pesquisa por prospecção geoquímica tática e estratégica, informando as diferenças de amostragem entre elas.

3. Faça um resumo da prospecção geoquímica por sedimento de corrente.

4. Faça um resumo da prospecção geoquímica de solo.

5. Quanto aos levantamentos de água, sedimentos de corrente e solo, quais seriam os métodos de análise química mais empregados em cada um? Em qual(quais) deles se poderia utilizar métodos de campo?

ANOMALIAS GEOQUÍMICAS

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INTEMPERISMO FÍSICO E QUÍMICO

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INTEMPERISMO FÍSICO, QUÍMICO E BIOLÓGICO

O intemperismo é um dos mais importantes processos geológicos, responsável pela existências das rochas sedimentares, pelo modelamento da superfície terrestre e pela existência dos solos, onde vivem as plantas e os animais terrestres.
Em geoquímica, o intemperismo está no cerne da dispersão secundária dos elementos químicos. Conhecê-lo bem é importante para todos os geólogos.

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ELEMENTOS FAREJADORES E HALOS GEOQUÍMCOS

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SOLUÇÕES AQUOSAS EM GEOQUÍMICA

A água possui propriedades físico-químicas únicas e se comporta como solvente para uma ampla variedade de substâncias, sendo considerada como solvente universal. Em geoquímica, ela é um meio preferencial da dispersão dos elementos químicos, no qual estão envolvidos processos físicos e químicos.Para acessar o conteúdo, clique em SOLUÇÕES AQUOSAS EM GEOQUÍMICA.

POTENCIAL REDOX E DIAGRAMAS Eh-pH

Para estudos que envolvem água e sedimento, o potencial redox (E_h) e o pH de hidrólise são importantes para informar se o elemento estudado estará solúvel na água ou terá precipitado para o sedimento da drenagem. Portanto, são parâmetros preditivos da mobilidade do elemento, isto é, se ele estará precipitado no solo/sedimento ou disperso nas águas. 

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DISPERSÃO GEOQUÍMICA

O planeta Terra constitui-se de 90 elementos naturais e toda a sua história evolutiva nada mais é que a história da dispersão desses elementos nos diferentes ambientes, sejam eles profundos ou superficiais. Em suma, geoquímica é o estudo da dispersão geoquímica.

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GEOQUÍMICA: QUÍMICA OU GEOLOGIA?

UMA BREVE HISTÓRIA DE UMA NOVA CIÊNCIA – GEOQUÍMICA: QUÍMICA OU GEOLOGIA? PARTE IV

maio 27, 2013 · por Raphael Pietzsch · em Ciência e educação, História da ciência. Obtido em: https://raphaelpietzsch.wordpress.com/2013/05/27/uma-breve-historia-de-uma-nova-ciencia-geoquimica-quimica-ou-geologia-parte-iv/

A regra das fases, desenvolvida por Josiah Willard Gibbs em 1875, lida com o número de fases que podem existir quando um sistema está em equilíbrio sob condições específicas. A conhecida expressão f = c + 2 – p representa a regra das fases de Gibbs. Ela determina que, num sistema em que o número de fases é igual ao número de componentes mais dois, é impossível variar a temperatura, a pressão ou a fração molar numa fase em particular de qualquer dos componentes e ainda manter o sistema em equilíbrio (zero graus de liberdade). A letra “f” da expressão corresponde aos “graus de liberdade”, do inglês “degrees of freedom”; “c” corresponde aos “componentes”, enquanto a letra “p” é para “phase”, isto é, “fase”. Se f for igual a um, então qualquer uma (e apenas uma) das variáveis pode ser modificada arbitrariamente e ainda assim o sistema permanecerá em equilíbrio. Se f for igual a dois, então duas variáveis podem ser alteradas e assim por diante. Deve-se destacar que o número dois que aparece na regra das fases se aplica apenas a sistemas com duas variáveis, temperatura e pressão, em complemento à variável composicional (fração molar).

Uma forma geológica da regra das fases foi sugerida por Victor Moritz Goldschmidt em sua tese de Ph.D. em 1911, intitulada Die Kontaktmetamorphose im Kristianiagebiet (O metamorfismo de contato na área de Kristiania), pela Universidade de Oslo. Já introduzido há duas postagens anteriores, V. M. Goldschmidt (1888-1947) foi um químico suíço-norueguês, nascido em Zurique, considerado hoje como o fundador da geoquímica moderna e da cristaloquímica, e desenvolvedor da classificação dos elementos que leva o seu nome. Em sua tese ele mostrou que a maioria das rochas está sujeita a uma grande faixa de variação de temperaturas e pressões, e ainda assim certos agrupamentos de minerais são mais frequentemente encontrados, aparentemente indicando sua formação em condições de equilíbrio. Desse modo, devem existir ao menos dois graus de liberdade – variação na temperatura e na pressão – para a maioria das rochas. Se f for igual a dois, então p é igual a c, e se f é maior do que dois, então p é menor do que c. Este argumento se encontra sumarizado na regra das fases mineralógicas de Goldschmidt, a qual diz que o número máximo de fases cristalinas (minerais) que podem coexistir em equilíbrio estável numa rocha é igual ou menor do que o número de componentes que a compõe. Embora esta forma da regra das fases seja de pouca utilidade em estudos detalhados das rochas, ela explica porque a maioria das rochas consiste de relativamente poucos minerais. Elas normalmente contêm entre cinco e dez componentes principais, e sua formação foi governada pela exigência de condições de equilíbrio.

Desse modo, Goldschmidt, influenciado por seu pai, Heinrich Jacob Goldschmidt, o qual fora professor de físico-química nas universidades de Amsterdam, Heidelberg e, finalmente, Kristiania (atualmente Oslo), aprofundou a aplicação destes conceitos à geologia. No ano seguinte à obtenção do doutorado de Goldschmidt, o físico alemão Max von Laue descobriu a difração de raios-X por cristais, proporcionando, desta forma, um método para se determinar a estrutura cristalina de um mineral e os raios dos íons que os compõem, o que lhe rendeu o Prêmio Nobel da Física em 1914. A descoberta de von Laue, em conjunto com os estudos dos físicos britânicos William Henry Bragg (pai) e William Lawrence Bragg (filho), que receberam o Prêmio Nobel da Física no ano seguinte, permitiu a determinação tanto dos arranjos atômicos e distâncias em cristais como a análise da composição química dos materiais a partir dos comprimentos de onda e intensidades dos raios-X difratados. Entre os anos de 1922 e 1926, Goldschmidt e seus colegas da Universidade de Oslo empregaram a difração de raios-X para determinar a estrutura cristalina de muitos minerais.

A falta de matéria-prima para a economia norueguesa, que se tornou evidente em torno do fim da I Grande Guerra, induziu o governo norueguês a criar a Comissão de Matéria-Prima, associada a um laboratório subordinado, em 1917. Os trabalhos de campo de Goldschmidt, a respeito da gênese das rochas e minerais nas Montanhas Caledonianas, ao sul da Noruega, conduzidos desde o ano de 1912 até o ano de 1921, o levaram a ser apontado como presidente da comissão e do laboratório. Suas observações, principalmente entre as áreas de Stavanger e Trondhjem (hoje Trondheim), foram descritas numa série de cinco monografias, sob o título Geologisch-petrographische Studien im Hochgebirge des südlichen Norwegens (Estudos geológicos e petrográficos nas altas montanhas do sul da Noruega), publicadas entre estes anos.

Goldschmidt despertou um interesse particular no estudo do grupo dos lantanídeos que, durante aqueles anos, não eram atrativos para a maioria dos químicos inorgânicos. A relação entre os tamanhos iônicos e sua associação em minerais foi descoberta inicialmente durante as investigações de Goldschmidt a respeito dos minerais de elementos de terras raras (ETR) e da estrutura cristalina de seus sesquióxidos. Ele constatou que ocorria um decréscimo regular nas dimensões do retículo de sesquióxidos constituídos destes elementos, a partir do lantânio até o lutécio. Assim, Goldschmidt sugeriu o nome “contração dos lantanídeos” para este comportamento, o qual é provocado pelo número crescente de elétrons nas camadas inferiores que, por sua vez, são atraídos pela carga positiva do núcleo atômico. Os elementos de terras raras podiam não despertar muito o interesse de outros pesquisadores nas décadas iniciais do século XX, mas hoje são essenciais constituintes de equipamentos eletrônicos que agregam alta tecnologia, de modo que a busca pelas jazidas minerais que os contêm é uma questão política e economicamente estratégica globalmente.

No ano de 1922, Goldschmidt publicou um artigo onde empregou os termos que se tornaram tão populares na literatura geoquímica, a fim de agrupar elementos de forma qualitativa, segundo suas afinidades geoquímicas: siderófilos, calcófilos, litófilos e atmófilos, para elementos ocorrendo, predominantemente, associados ao ferro, aos sulfetos, aos silicatos e na atmosfera. Embora apenas qualitativa e não possa ser utilizada para explicar muitos dos detalhes das ocorrências e distribuição dos elementos na crosta da Terra, sua classificação propicia uma hipótese útil a respeito do fracionamento primário da Terra e se presta também como classificação de uso genérico bastante útil. Sua validade geral é devida à similaridade na configuração dos elétrons dos vários grupos de elementos. Elementos siderófilos são aqueles cujos elétrons de valência (externos), sob certas condições químicas, não estão prontamente disponíveis para combinação com outros elementos. Assim, muitos tendem a ocorrer na forma nativa. Os elétrons de elementos litófilos e calcófilos estão normalmente disponíveis. Entretanto, estes dois grupos têm propriedades diferentes (em função da estrutura eletrônica), e os elementos calcófilos tendem a formar ligações covalentes com o enxofre, enquanto que os elementos litófilos tendem a formar mais frequentemente ligações iônicas com o oxigênio, com as principais exceções sendo o silício, o fósforo e o boro, que formam fortes ligações covalentes com este último. Há, evidentemente, mudanças gradativas nestas propriedades eletrônicas de elemento para elemento; dessa maneira, alguns deles apresentam uma tendência maior a pertencer a um grupo específico do que outros elementos.

Em 1929 Goldschmidt se mudou para a Universidade de Göttingen, atendendo a um convite para assumir a cadeira de mineralogia e petrologia, onde estudou a distribuição de elementos químicos utilizando um espectrógrafo óptico. Göttingen era um importante centro de saber, com forte tradição nas ciências naturais, onde, mesmo com as dificuldades econômicas no pós-guerra, floresciam as pesquisas nas áreas de matemática, física, físico-química, entre outras. A partir do conjunto de dados levantado, Goldschmidt deduziu que a composição química dos minerais é determinada pelo atendimento aos requerimentos do “empacotamento mais próximo” de íons. Além disso, a substituição de íons de um elemento principal por íons de elementos traço depende da similaridade de seus raios e cargas. Estas generalizações proporcionaram uma explicação racional para a distribuição observada de elementos nos minerais da crosta terrestre.

Com a ascensão ao poder do Nacional Socialismo na Alemanha, Goldschmidt, de origem judaica, se viu obrigado a deixar Göttingen de volta à Oslo em 1935. Em 1937, ele publicou a nona parte do seu trabalho intitulado Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente (Lei da distribuição geoquímica dos elementos), o estudo mais conciso e detalhado sobre a geoquímica dos elementos menores escrita nos anos de 1930.

Goldschmidt foi, pela primeira vez, indicado ao Prêmio Nobel em Química no ano de 1928, por seu antigo mentor Waldemar Christofer Brøgger, geólogo e mineralogista norueguês, que enaltecia suas contribuições fundamentais para a geoquímica e a cristaloquímica, e em particular enfatizava seu trabalho com os elementos terras raras. No ano seguinte, ele foi indicado mais uma vez, pelo químico alemão Walter Hieber, e novamente no ano de 1931, por Edwin Blanck, Alfred Cohen, Max Planck, Adolf Deissmann e Arthur Kötz. Fritz Haber, químico alemão recipiente do Nobel em química em 1918, o indicou outra vez no ano de 1933 e, novamente, em 1934 (juntamente com Gilbert Newton Lewis). Otto Ruff, outro químico alemão, o indicou para o prêmio de 1935. Os nomeadores alemães aparentemente tinham ciência de que Goldschmidt, um professor de mineralogia, poderia não se qualificar para um prêmio em química, mas argumentavam que seu trabalho era altamente importante também a partir da perspectiva da química inorgânica. De acordo com Hieber, “as contribuições de Goldschmidt para a geoquímica eram comparáveis à moderna direção na bioquímica, em que proeminentes porta-vozes durante os últimos anos foram premiados com o Nobel”. Se bioquímicos podiam ser laureados com o prêmio Nobel, por que não geoquímicos? Em 1934 o Comitê Nobel para a química preparou um relatório especial sobre Goldschmidt. O perito sueco, Arne Westgren, concluiu que o trabalho geoquímico de Goldschmidt era “primariamente de interesse geológico” e “apenas secundariamente de interesse químico”. Embora Westgren tenha reconhecido que as contribuições de Goldschmidt para a cristaloquímica fossem importantes, elas não haviam resultado em qualquer grande descoberta e, consequentemente, recomendou não nomeá-lo ao prêmio. Assim, infelizmente, apesar de todas as indicações, Goldschmidt não recebeu a honra de ser agraciado com o Nobel em química. No entanto, a relevância de seu trabalho nas áreas da geoquímica, química e geologia permanece devidamente reconhecida entre os seus praticantes na atualidade. Em sua homenagem, uma das maiores conferências internacionais de geoquímica leva seu nome, assim como o prêmio concedido àqueles que exercem alguma contribuição extremamente significativa a esta disciplina.

COMPORTAMENTO GEOQUÍMICO DOS ELEMENTOS

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O ÁTOMO

Na Unidade III inicialmente estudaremos o átomo, sua configuração eletrônica e a tabela periódica. Para acessar o conteúdo dessa aula, clique AQUI.

ENERGIA DOS PROCESSOS GEOLÓGICOS

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BREVES NOÇÕES DE GEOQUÍMICA

A geoquímica é a ciência que estuda a química da Terra tanto como um todo, como cada um dos seus componentes. Estuda a distribuição e migração, no espaço e no tempo, dos elementos químicos que constituem o globo terrestre. Esta ciência baseia-se na determinação da abundância dos elementos na Terra e no estudo da distribuição e migração dos mesmos, a nível individual, nas várias partes da Terra, nos minerais e rochas, tendo o objetivo de descobrir os princípios que governam essa distribuição e migração (Mason & Moore, 1982).

Os elementos químicos libertados do ambiente geoquímico primário (rochas, mineralizações, etc.) dispersam-se no ambiente secundário, ou seja, nos solos, nas águas e nos sedimentos. Os processos através dos quais se dá a transferência dos elementos entre o ambiente primário e o ambiente secundário são diversos, desde processos de meteorização à atividade humana.

Em geoquímica, os elementos são classificados de acordo com a sua abundância na crosta terrestre em (Bonin, 1995; Jackson, 1997; Hancock & Skinner, 2000):

- elementos maiores, quando a sua concentração é superior a 1,0 % (> 10000 ppm);

- elementos menores, quando a sua concentração está compreendida entre 1,0 e 0,1 %;

- elementos vestigiais, quando a sua concentração é inferior a 0,1 % (< 1000 ppm).

Na análise química de rochas e sedimentos, a concentração dos elementos maiores e menores é normalmente apresentada em percentagem do peso do respectivo óxido (wt %, weight percents), enquanto que para os elementos vestigiais é vulgar apresentar a sua concentração em partes por milhão (ppm ou mg/kg ou mg/L) ou até mesmo partes por bilhão (ppb ou μg/kg ou μg/L).

Os óxidos dos elementos são classificados como ácidos, básicos ou anfóteros (isto é, consoante as condições reacionais, podem comportar-se como óxidos ácidos ou como óxidos básicos). Segundo o conceito de Brönsted-Lowry, ácido é toda a espécie química que pode ceder prótons (a uma base presente), enquanto que base é toda a espécie química que pode captar prótons (de um ácido presente). Os óxidos são ácidos ou básicos se produzirem ácidos ou bases, respectivamente, quando são dissolvidos em água ou reagirem como ácidos ou bases em certas reações. Os óxidos metálicos normais são geralmente básicos e a maior parte dos óxidos não-metálicos são ácidos (Chang, 1994).

Os elementos também se classificam em: metais, não metais e semi-metais

ou metalóides. Os metais são elementos mais ou menos maleáveis, dúcteis, bons condutores do calor e da eletricidade, enquanto que os não-metais são na generalidade elementos maus condutores do calor e da eletricidade. Os semi-metais ou metalóides são elementos com propriedades intermédias entre os metais e os não-metais (Csuros & Csuros, 2000).

Nesta classificação são, ainda, utilizados os termos metal, não-metal e semimetal ou metalóide pesado ou leve. O termo “metal pesado” é frequentemente usado na literatura, não sendo por vezes bem definido. Segundo alguns autores, designa-se por “metal pesado” o grupo de elementos cuja densidade atômica é superior a 5 g/cm³. Esta definição provoca confusão, pois baseia-se na escolha de um parâmetro físico e inclui elementos com parâmetros químicos muito diferentes.

De acordo com outras definições, que focam os parâmetros químicos, estes elementos são classificados em classe A (metais pesados: ácidos de Lewis, aceitadores de elétrons, que apresentam tamanho grande e alta polarizabilidade), classe B (metais leves: ácidos de Lewis, aceitadores de elétrons, que apresentam tamanho pequeno e baixa polarizabilidade) e metais intermediários. Para alguns, no entanto, o termo “metal pesado” deve ser abandonado, pois não apresenta uma base terminológica ou científica válida.

Na generalidade, o termo metal pesado é usado para um grupo de metais e semi-metais (metalóides) que estão associados a contaminação e toxicidade. Estes elementos estão frequentemente na natureza, ou seja, nas rochas e nos minerais, pelo que a sua presença numa vasta gama de concentrações residuais é considerada normal nos solos, nos sedimentos, nas águas e nos organismos vivos. A contaminação provoca um aumento anormal das concentrações relativamente aos valores das concentrações residuais.

A concentração natural dos elementos nos solos resulta das rochas originárias, mas, em áreas poluídas, os elementos podem apresentar concentrações muito elevadas, especialmente nos horizontes superficiais dos solos. Assim sendo, torna-se difícil distinguir a origem antrópica da origem natural destes elementos nos sedimentos e nos solos.

Alguns elementos têm um papel importante no metabolismo biológico do ser humano, sendo identificadas situações em que o mesmo elemento é a nível vestigial um constituinte essencial, podendo com o aumento da concentração tornar-se uma espécie com elevado efeito toxicológico. Por exemplo, o cobre e o zinco são essenciais à vida, mas em concentrações elevadas podem ser tóxicos.

Este texto foi extraído e modificado a partir de :
MASON, Brian H. Princípios de Geoquímica; trad. de Rui Ribeiro Franco. São Paulo : Polígono, Editora da USP, 1971.

COMO ELABORAR RELATÓRIO DE TRABALHO DE CAMPO

Um trabalho de campo só tem valor pedagógico e acadêmico quando sucedido pela elaboração de relatório. Um bom relatório deve ser objetivo, informativo e apresentável. O estudante deve ter sempre em mente que relatórios são parte fundamental do processo de conhecimento científico e refletem a capacidade de quem os redige.

Professor Márcio José dos Santos

O Relatório de Trabalho de Campo é descritivo, isto é, o relator deverá descrever as suas observações, registrando também informações importantes do trajeto, do acesso e do local investigado. Para facilitar a visualização e/ou identificação do terreno, é importante apresentar mapas, fotos e/ou croquis.

Relatórios sempre devem ser escritos de forma impessoal, no tempo verbal passado e indicar com clareza todo o desenvolvimento do trabalho. Especificamente para trabalhos de campo, os componentes mínimos de um relatório estão descritos abaixo.

Capa: apresenta o logotipo e nome da instituição, título do relatório, local em que foi elaborado e data da elaboração. 

Folha de rosto: apresenta as mesmas informações trazidas na capa, acrescidas do nome do responsável, além de outras informações, como nome da equipe e data da realização do trabalho.

Introdução: É uma referência à disposição que motivou ou determinou a elaboração e apresenta breve histórico do objetivo ou objetivos a serem alcançados no trabalho de campo.

Roteiro: breve descrição do roteiro, preferencialmente acompanhada de um mapa geográfico com indicação dos pontos visitados.

Desenvolvimento ou descrição dos pontos de observação: é a parte principal do relatório, por isto, ela deve ser bem detalhada. No caso de observações geológicas, as medições, croquis e fotos ilustrativos das observações podem enriquecer o relatório. O relator pode optar pela apresentação das ilustrações em item específico, mas isto dificulta a clareza e objetividade das descrições. A exposição do conteúdo deve ser lógica, partindo das observações abrangentes para as particularidades:

Tabelas, quadros, figuras e imagens constantes de um relatório devem ser numerados.

Conclusão: conclusão ou conclusões a que se chegou, tendo em conta o objetivo ou objetivos propostos para o trabalho. Podem ou não ser acompanhadas de sugestões e/ou críticas, sempre precisas, práticas e concretas, relacionadas com a análise feita. Ao final do relatório deve-se indicar o local e a data de conclusão, seguidos pela assinatura do responsável (ou responsáveis).