A água está intimamente relacionada com a vida, intervindo em práticamente todas as reacções químicas da célula. Toda a evlução dos seres vivos se desenvolveu numa dependência constante das suas propriedades químicas.
As propriedades da molécula de água, têm consequências diretas no comportamento das biomoléculas. Os compostos polares, tendem a dissolver-se porque estabelecem interacções com a água, nomeadamente por pontes de hidrogénio.
Embora os compostos bioquímicos sejam em grande medida formados por cadeias de carbono e hidrogénio não polares, muitos deles contêem na sua estrutura grupos polares ,como por exemplo os seguintes grupos funcionais:
- Grupo carbonilo ( C = O).
- Oxidrilo (-OH).
- Carboxilo (-COOH)
- Amina (-N-).
- Amida (H2N – C=O).
- Éster (-COO-R).
- Grupos derivados do ácido fosfórico ( HPO32-).
Etc.
A presença desses grupos determina, de imediato, não só o estabelecimento de ligações com as moléculas de água, como a possibilidade de reacções de hidrólise, protólise e de hidratação. Por outro lado, a intensidade dessas interações e a expansão dessas reacções dependem mínimamente do pH. Por isso, nos organismos vivos, o pH tem de ser rigorosamente controlado.
Logo, nos organismos vivos, os processos bioquímicos ocorrem em meio aquoso e a vida da célula depende de um controle rigoroso do seu pH interno, que depende da solubilidade de determinados compostos na água. Logo, há noções que é indespensável entender, como sejam as propriedades da água, a solubilidade e o pH.
ESTRUTURA E PROPRIEDADES DA ÁGUA
A molécula de água isolada, pode representar-se do seguinte modo:
Esta estrutura permite compreender o forte carácter polar da molécula de água. A molécula tem uma elevada densidade de carga negativa junto ao átomo de oxigénio e uma elevada densidade de carga positiva junto dos átomos de hidrogénio, o que lhe confere um carácter dipolar. Esse carácter dipolar é o responsável pelas propriedades peculiares da água no estado líquido. A região da molécula carregada positivamente tende a orientar-se em direcção á região da outra molécula vizinha, que possua carga positiva, formando assim uma ligação de hidrogénio.
a)- Pontes de hidrogénio: É uma ligação fraca (não covalente) mas é a mais forte das ligações fracas. É um tipo de ligação abundantemente representadao nos sistemas biológicos (aquosos).
Nesta ligação, um átomo de hidrogénio é partilhado por dois outros átomos. Aquele a que o H está mais fortemente ligado é chamado de dador de hidrogénio, enquanto que o outro é o aceitador de hidrogénio.
O dador, em sistemas biológicos, é um átomo de oxigénio(O) ou de azoto (N) ligado de forma covalente a um hidrogénio (H). O aceitador é possuidor de uma carga parcial negativa (traduzida por um par não partilhado de electrões), que atrai o hidrogénio (em sistemas biológicos pode ser o oxigénio, o azoto. Em sistemsa não biológicos, também pode ser o flúor).
As energias de ligação variam entre 3 a 7 calorias por mole (3-7 Kcal.mol-1)
A polaridade da água, bem como a sua capacidade de formar fácilmente pontes de hidrogénio, fazem com que seja uma molécula com propriedades muito pouco vulgares: Tem um ponto de ebulição muito alto (100°C), quando comparado a outros compostos (p.e. do metano = -89°C). As pontes de hidrogénio também responsáveis por outras propriedades de outros compostos: Por exemplo certos alcoois, são líquidos a temperaturas relativamente elevadas (metanol é líquido a 64° C), enqunqto que os éteres correspondentes, são gases. O gelo tem um ponto de fusão muito alto, a água líquida tem uma densidade máxima por volta dos 4°C, o que não coincide com o ponto de fusão (figura).
Estas ligações são também responsáveis em parte, pela solubilidade na água dos alcoois e ácidos carboxílicos, de massa molar mais baixa. A água é um excelente solvente para sais e moléculas polares e tem uma constante dielétrica mais elevada do que a de qualquer outro líquido.
Um exemplo da importância das pontes de hidrogénio é a dupla hélice do DNA, que é estabilizada por pontes de hidrogénio entre as bases azotadas de cadeias opostas. Estas forças são também envolvidas na estabilização da estrutura terceária das porteínas e, juntamente com as forças de van der Waals, na ligação da enzima ao substrato.
b)- Forças de van der Waals: A justificação para a existência destas forces atractivas , muito fracas e não específicas, é o facto de a distribuição da carga electrónica de um átomo variar no tempo, podendo num dado instante não ser perfeitamente simétrica; donde mesmo numa molécula simétrica, os electrões que a envolvem não estarem simétricamente distribuídos, produzindo um dipolo temporário muito fraco que pode induzir outros dipolos nas moléculas vizinhas.
Todas estas interacções produzem actrações intermoleculares designadas forças de van der Walls, que são as grandes responsáveis pelas interações entre moléculas apolares.
Apesar de muito fracas (energia de interacção é 1 Kcal.mol-1), este tipo de ligação torna-se significativo se numerosos átomos de uma molécula puderem aproximar-se de um número elevado de átomos de outra molécula.
As forças de van der Waals explicam também, por exemplo a solubilidade do Cl2 na água: A molécula do cloro é simétrica e apolar, no entanto consegue estabelecer um relacionamento com as moléculas de água porque estas induzem nela pólos instantâneos, de modo que que as interacções entre o Cl2 e a água, fracas mas numerosas, são suficientes para determinar a dissolução.
Nos compostos biológicos, estas ligações contribuem para a estrutura terceária das proteínas; para a ligação do centro activo de determinadas enzimas ao substrato e na manutenção da fluidez das membranas biológicas. Por exemplo, nas membranas celulares, as moléculas de fosfolipídeos, com cadeias hidrocarbonadas longas, estão associadas por forças de van der Waals.
Importância biológica da água: A água é a asubstância mais abundante nos sistemas vivos, constituindo mais de 70% do peso de muitos organismos. A vida na terra depende de forma crítica das propriedades da água, nomeadamente a capacidade de dissolver bem as moléculas polares, que podem servir como alimentos, catalizadores ou transmissores de informações. Todas as células biológicas dependem do meio exterior para nutrientes, que lhes são necessários, para o seu crescimento, ou para fornecimento de energia. Todos os aspectos da estrutura e função das células e suas funções são adaptados às propriedades físicas e químicas da água. A composição do meio exterior pode variar muito mas, as células possuem mecanismos variados para ultrapassar essas variações. Além disso os compartimentos intracelulares também têem diferentes composições químicas e bioquímicas. A característica comum a todos estes meios é a presença da água. A água é o solvente onde estão dissolvidas, ou em suspensão as substâncias necessárias à célula.
Métodos de purificação da água
A água na natureza não se encontra na forma pura. Ele contém sempre uma variedade de solutos e microorganismos dos quais deve ser separada, para que se torne própria para o consumo humano (água potável) e para ensaios laboratoriais. Para o consumo humano são usados métodos mais ou menos grosseiros de purificação, tais como a decantação, a floculação e a filtração, que já são do nosso conhecimento. Contudo, para o uso no laboratório, as exigências do grau de pureza da água são muito maiores e dependem muito do fim a que a água se destina.
- Destilação
- Troca iónica
- Osmose inversa
- Adsorção por carbono activado
- Filtragem microporosa
- Ultrafiltragem
- Foto-oxidação
Destilação
A destilação é um processo há muito estabelecido para a purificação da água, no qual a água é aquecida até evaporar e o vapor é condensado e recolhido. O equipamento é relativamente económico, mas tem um grande consumo de energia – usa tipicamente 1kW de electricidade por litro de água produzida. Dependendo do design do destilador, a água destilada pode ter uma resistividade de aproximadamente 1 MΩ-cm e será estéril quando acabar de ser produzida se for utilizado equipamento especificamente concebido para o efeito, mas não continuará estéril sem um armazenamento muito cuidadoso. Para além disto, impurezas voláteis como dióxido de carbono, sílica, amoníaco e uma variedade de compostos orgânicos passarão para a água destilada.
Quais são as desvantagens da destilação?
A destilação produz água purificada lentamente. Por este motivo, é necessário destilar uma determinada quantidade de água e armazená-la para utilizar mais tarde. Este armazenamento da água destilada pode constituir um problema se o reservatório em que a água é armazenada não for fabricado num material inerte. Os iões ou plastificantes poderão se destacar do reservatório e recontaminar a água. Para além disto, as bactérias desenvolvem-se muito bem em água que esteja parada durante algum tempo.
Para manter a esterilidade, são usadas garrafas de armazenamento estéreis e a água recolhida é colocada num autoclave, mas uma vez aberta a garrafa fica exposta a bactérias e a contaminação começa. Em áreas de água dura, os destiladores tem de ser limpos frequentemente com ácido, devido à acumulação de incrustações, a não ser que a água de alimentação seja pré-tratada por amaciamento ou osmose inversa.
A troca iónica é muito usada em laboratórios para fornecer água purificada conforme necessária. Os desionizadores de laboratório possuem invariavelmente cartuchos cheios de resinas com cargas negativas e positivas (mistas) que servem para a troca iónica que após o seu uso numerosas vezes, ou são devolvidos a uma estação de regeneração para recarregar, ou então são descartados. Aniões e catiões presentes na água a ser tratada, são removidos pelas resinas de troca iónica e substituídos por iões de hidrogénio e hidróxilo da resina. Os iões de hidrogénio e de hidróxilo combinam-se para formar outras moléculas de água.
Como funciona a troca iónica?
A troca iónica troca iões de hidrogénio por contaminantes catiónicos e iões de hidróxilo por contaminantes aniónicos presentes na água de alimentação. Os leitos de resinas de troca iónica são constituídos por pequenos grânulos esféricos através dos quais passa a água de alimentação. Ao fim de algum tempo, os catiões e aniões terão substituído a maior parte dos pontos de hidrogénio e hidróxilo activos nas resinas e os cartuchos necessitarão de ser substituídos ou regenerados.
Quais são as vantagens da troca iónica?
A troca iónica tem muitas vantagens relativamente à destilação no que respeita à produção de água purificada:
- Em primeiro lugar, é um processo de resposta a pedido; a água fica disponível quando é necessária.
- Em segundo lugar, quando se usam materiais de resina de elevada pureza, efectivamente, todo o material iónico é removido da água para dar uma resistividade máxima de 18,2 MΩ-cm (a 25ºC).
A troca iónica remove apenas compostos orgânicos polares da água e os orgânicos dissolvidos podem sujar os grânulos de troca iónica, reduzindo a sua capacidade. Quando é necessária água pura em termos orgânicos e inorgânicos, a combinação de osmose inversa seguida de troca iónica é especialmente efectiva.
Tem havido muitas tentativas de ultrapassar algumas das limitações da troca iónica e da destilação. Nalguns sistemas, a destilação precedia a troca iónica – os cartuchos duram muito mais, mas o problema das bactérias mantém-se. Noutros, a troca iónica precedia a destilação – mas nesse caso mantêm-se os problemas de armazenamento e de não ter água a pedido.
Electrodesionização
A electrodesionização (EDI) é um processo de purificação conduzido electricamente e oferece uma combinação de resina de troca iónica e membranas selectoras de iões. A EDI, que é geralmente associada à osmose inversa, oferece uma alternativa útil a outros métodos de purificação. Proporciona água reagente para laboratório em grandes volumes sem a necessidade de cartuchos de desionização. Esta abordagem evita a redução na qualidade da água produzida associada a cartuchos à medida que estes vão ficando exaustos, bem como os custos associados à substituição dos cartuchos.
Como funciona a electrodesionização?
A EDI desenvolveu-se a partir da electrodiálise (ED). O princípio da ED é que a água é purificada numa célula que contém dois tipos de membranas selectoras de iões – permeáveis a catiões e permeáveis a aniões – colocadas entre um par de eléctrodos. Quando é aplicado um potencial eléctrico directo através da célula, os catiões presentes na água são atraídos para o cátodo com carga negativa e os aniões são atraídos para o ânodo com carga positiva. Os catiões podem atravessar a membrana permeável a catiões, mas não a membrana aniónica. Da mesma forma, os aniões podem atravessar a membrana permeável a aniões, mas não a membrana catiónica. O resultado é a movimentação de iões entre as câmaras e a água numa secção pode ficar desionizada enquanto a água que se encontra noutra secção fica concentrada.
Na prática, a ED só pode ser usada economicamente para produzir água de condutividade relativamente alta (200 µS/cm ou superior) dadas as tensões eléctricas proibitivamente altas que são necessárias para movimentar os iões numa água cada vez mais pura.
Este problema é resolvido na tecnologia EDI preenchendo os espaços entre as membranas com resinas de troca iónica. As resinas proporcionam uma via de fluxo condutivo para a migração dos iões, permitindo que a desionização seja praticamente completa e resultando na produção de água de elevada pureza. Outra vantagem da EDI consiste no facto de que a electrólise contínua da água que ocorre na célula produz iões de hidrogénio e de hidróxilo. Estes iões mantêm as resinas num estado altamente regenerado, evitando assim a necessidade de reactivação química. As resinas usadas nos sistemas EDI podem consistir em câmaras separadas de grânulos de aniões ou catiões, camadas de cada um dos tipos numa única câmara ou uma mistura íntima de grânulos de catiões e de aniões.
Tipicamente, a água produzida tem uma resistividade de 10-18 MΩ-cm (a 25°C) e um teor de carbono orgânico total inferior a 20 ppb. Os níveis bacterianos são minimizados porque as condições químicas e eléctricas existentes dentro do sistema inibem o desenvolvimento de microorganismos.
A EDI complementa muito eficazmente a osmose inversa. A OI é um processo baseado na pressão no qual a água perde os seus contaminantes à medida que passa através da membrana. Não elimina, contudo, todas as espécies iónicas e não pode remover contaminantes dissolvidos como o dióxido de carbono. A EDI remove o dióxido de carbono e também outras espécies fracamente ionizáveis, tais como a sílica, ionizando-as e fazendo-as passar através da membrana.
Para se obter água do mais alto grau de pureza, que pode ser usada por exemplo em aparelhos de HPLC (High Pressure Liquid Cromatography) utiliza-se o processo de passagens múltiplas no qual a água de alimentação pré-purificada por osmose inversa passa por um leito de troca catiónica, um leito de troca aniónica e um leito de resinas mistas é análogo a muitos sistemas de purificação de água de elevada pureza em grande escala.
Osmose inversa
A osmose inversa (OI) é um processo que resolve muitos dos problemas da destilação e da troca iónica. Para explicar a osmose inversa, vejamos primeiro a osmose. Este é um processo natural que ocorre sempre que uma solução diluída é separada de uma solução concentrada por uma membrana semi-permeável. A água, levada por uma força causada pela diferença na concentração – a pressão osmótica – passa através da membrana para a solução concentrada. O fluxo de água continua até a solução concentrada ficar diluída e a contra-pressão impedir a continuação do fluxo através da membrana (equilíbrio osmótico).
A osmose inversa ou osmose reversa é um processo de separação em que um solvente é separado de um soluto de baixa massa molecular por uma membrana permeável ao solvente e impermeável ao soluto. Isso ocorre ao se aplicar uma grande pressão sobre este meio aquoso, o que contraria o fluxo natural da osmose. Por essa razão o processo é denominado osmose reversa.
Em osmose inversa, as membranas retêm partículas cujo diâmetro varia entre 1 e 10 Å(2). As partículas retidas são solutos de baixa massa molecular como sais ou moléculas orgânicas simples. Por este motivo, a osmose é aplicada a processos como a dessalinização da água do mar ou a recuperação de águas residuais na indústria.
Como as partículas são muito pequenas, a pressão osmótica das soluções é elevada. Para que a velocidade de permeado seja razoável, a diferença de pressão hidrostática através da membrana tem que ser elevada, atingindo valores entre 3 e 100 atm(2), dependendo do tipo de aplicação.
Quando é aplicada uma pressão superior à pressão osmótica no lado da membrana onde se encontra a maior concentração, o sentido normal do fluxo osmótico é invertido, a água pura passa da solução concentrada através da membrana e é assim separada dos seus contaminantes. Este é o princípio básico da osmose inversa (às vezes chamada hiperfiltração).
Na prática, a água de alimentação é bombeada para um recipiente sob pressão que contém uma espiral ou um conjunto de fibras ocas de membranas semi-permeáveis. A água purificada passa através da membrana para formar o "permeato". Os contaminantes ficam acumulados na água residual, chamada o "concentrado", que é escoada continuamente para a conduta de drenagem. A geração mais recente de membranas de osmose inversa em compósito de película fina de poliamida que substituíram as membranas celulósicas mais antigas remove 95-98% de iões inorgânicos, juntamente com praticamente todos os contaminantes não iónicos e moléculas orgânicas grandes com um peso molecular superior a 100. Os gases dissolvidos não são removidos.
Devido a esta excepcional eficiência purificadora, a osmose inversa é uma tecnologia muito eficiente em termos de custo para um sistema de purificação de água. É, no entanto, limitada pela velocidade de produção relativamente lenta e é, portanto, normalmente usada para encher um reservatório antes da utilização ou de mais purificação. A osmose inversa tende a proteger o sistema de bactérias e pirogénios. É muitas vezes combinada com a troca iónica para melhorar consideravelmente a qualidade da água produzida.
Meios de adsorção
O carvão activado, preparado por pirólise de cascas de coco, carvão ou grânulos de resina, remove o cloro através de um mecanismo catalizador e os orgânicos dissolvidos por adsorção e encontra-se frequentemente em dois locais num sistema de purificação de água. O carvão pode ser usado sob a forma de grânulos ou, mais convenientemente, sob a forma de bloco. Dado que as membranas de osmose inversa em compósito de película fina podem ser danificadas por exposição excessiva ao cloro livre e, em menor escala, sujas por orgânicos dissolvidos, o carvão activado é muitas vezes colocado antes da membrana OI para remover estes contaminantes.
São também muitas vezes colocados filtros de carvão activado no circuito de polimento de um sistema de purificação de água para remover vestígios de orgânicos dissolvidos antes da troca iónica final.
Filtragem microporosa
As membranas de filtragem microporosa opõem uma barreira física à passagem de partículas e microorganismos e têm classificações nominais absolutas até 0,1 mícron; alguns sistemas ELGA incorporam também "filtros ultramicro" com uma classificação nominal de 0,05 mícron. A maior parte das águas não tratadas contém colóides, que têm uma ligeira carga negativa (medida pelo potencial Zeta). O desempenho dos filtros pode ser melhorado utilizando microfiltros que incorporam uma superfície modificada que atrai e retém esses colóides que ocorrem naturalmente, que são geralmente de dimensões muito inferiores às dos poros da membrana. São muito usados em sistemas de tratamento de água microfiltros com um diâmetro absoluto dos poros de 0,2 mícron. Estes filtros recolhem contaminantes, incluindo finos de carvão provenientes de cartuchos de adsorção de orgânicos, partículas de resina de cartuchos de troca iónica e bactérias.
O filtro sub-mícron pode ser instalado na torneira de forma a que o último filtro que a água atravesse antes de ser usada seja o filtro sub-mícron.
Uma alternativa consiste em incluir o filtro sub-mícron no circuito de recirculação para remover continuamente as bactérias da água purificada. Os filtros sub-mícron devem também ser colocados em pontos de utilização críticos para uma protecção absoluta e para impedir a recontaminação do sistema por bactérias que entrem por essa via.
As membranas microporosas são geralmente consideradas indispensáveis num sistema de purificação de água, a não ser que sejam substituídas por um ultrafiltro.
Ultrafiltragem
A ultrafiltragem utiliza uma membrana muito semelhante na sua concepção à da osmose inversa, exceptuando que os poros do ultrafiltro são ligeiramente maiores, de 0,001 a 0,02 mícron. Para a remoção de pirogénios, os poros de um ultrafiltro devem ter um diâmetro de aproximadamente 0,002 mícron ou inferior e devem excluir todas as moléculas com um peso molecular de 5.000 ou mais.
Os ultrafiltros podem ser usados de forma semelhante à das membranas microporosas, mas também podem ser instalados de forma a permitirem que uma pequena porção da água de alimentação passe tangencialmente pela membrana para minimizar a acumulação de contaminantes e o desenvolvimento de bactérias. A ultrafiltragem é uma tecnologia excelente para assegurar a qualidade contínua da água ultrapura no que toca a partículas, bactérias e pirogénios.
Foto-oxidação
A foto-oxidação usa radiação ultravioleta de grande intensidade para destruir bactérias e outros microorganismos e para separar e ionizar quaisquer compostos orgânicos para posterior remoção por cartuchos de troca iónica. A radiação com um comprimento de onda de 254 nm é a que tem uma maior acção bactericida, enquanto a radiação com comprimentos de onda mais curtos (185 nm) é mais eficiente para a oxidação de orgânicos.
CONTROLE DE QUALIDADE DA ÁGUA REAGENTE
Qualidade de Água Reagente: As especificações para água reagente em laboratórios são várias dependendo da aplicação, por isso é fundamental conhecer os tipos e qual o processo analítico deve utilizar a mesma.
A água purificada é um íten indispensável em Organizações Cientificas, Industrias, Matéria Prima na Produção de medicamentos, Testes Laboratoriais e etc.
Atualmente a maior dificuldade para os usuários é determinar qual tipo de água reagente utilizar para cada processo laboratorial.
Os tipos, especificações, métodos de obtenção e controle da qualidade permitem aos profissionais de laboratórios especificar a água reagente com a qualidade e quantidade necessária para sua utilização diária.
TIPOS DE ÁGUA REAGENTE: As normas que orientam e especificam as aplicações são elaboradas por órgãos nacionais e internacionais para diversas aplicações possíveis. De acordo com especificações publicadas pelas autoridades: ANVISA, ACS – American Chemical Society, BSI – British Standards Institute, ISO – International Organization for Standardization, NCCLS – National Committee for Clinical Laboratory Standards, USP – United States Pharmacopeia. Uma destas normas é a ISO 3696 de 1987, que estabelece três tipos de água, cada uma com sua característica.
Água Reagente Tipo 1: Livre de colóides iônicos ou dissolvidos e de contaminantes orgânicos, este tipo é apropriado para técnicas analíticas. Deve ser produzida com um tratamento a partir de água tipo 2. Esta pode ser produzida através de uma osmose reversa ou deionização e filtração em membrana para remover bactérias e particulados. Deve ter as seguintes especificidades:
- Resistência especifica, megohm/cm a 25ºC (=10)
- Condutividade, microS/cm a 25ºC (=0,1)
- Resistência especifica, megohm/cm a 25ºC (>2,0)
- Condutividade, microS/cm a 25ºC (<0,5)
- Resistência especifica, megohm/cm a 25ºC (>0,1)
- Condutividade, microS/cm a 25ºC (<10,0)
Água Reagente Ultra Pura: Água extremamente pura utilizada para preparar soluções injetáveis, exames microssonais e HPLC. Esta pode ser produzida com a utilização de dois ou mais processos de purificação, oxidação, que permitam a eliminação de contaminantes da água, ela não deve conter íons, substâncias orgânicas, silicatos, bactérias e substâncias em suspenção.
- Resistência especifica, megohm/cm a 25ºC (=18,2)
- Condutividade, microS/cm a 25ºC (=0,055)
CONTROLE DE QUALIDADE DA ÁGUA REAGENTE
Para obter um controle efetivo devemos realizar testes periódicos:
- Determinar a condutividade a 25ºC, verificando se esta dentro da faixa necessária para realizar o trabalho, através de um condutivímetro confiável diariamente.
- Teste microbiológico com contagem de colônias semanalmente.
- Determinar o pH a 25ºC, quando necessário.
- Determinar contaminação orgânica se necessário.
- Determinar da sílica solúvel, com SiO2 se necessário.
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