UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA 401549 – QUÍMICA AMBIENTAL MARÍA DEL PILAR TRIANA NOVOA Autora STELLA DÌAZ NEIRA Directora Nacional MERY LILIANA LÓPEZ MARTÍNEZ Acreditadora BOGOTÁ Agosto de 2010
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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
401549 – QUÍMICA AMBIENTAL
MARÍA DEL PILAR TRIANA NOVOA
Autora
STELLA DÌAZ NEIRA
Directora Nacional
MERY LILIANA LÓPEZ MARTÍNEZ
Acreditadora
BOGOTÁ
Agosto de 2010
2
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental
Contenido didáctico del curso Química Ambiental
INDICE DE CONTENIDO
Unidad 1. QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO
Unidad Capítulos y Lecciones Página
1 Capítulo 1. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA
16
Lección 1. Estructura molecular y propiedades del agua 17
Lección 2. Fundamentos de termodinámica química 28
Lección 3. Reacciones y equilibrios en presencia del agua 38
Lección 4. Contaminantes químicos del agua 70
Lección 5. Parámetros químicos de la calidad del agua 84
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 94
Capítulo 2. TRATAMIENTO QUÍMICODEL AGUA 96
Lección 6. Procesos químicos en el tratamiento del agua 96
Lección 7. Potabilización del agua 108
Lección 8. Composición de las aguas residuales 128
Lección 9. Tratamiento de aguas residuales 131
Lección 10. Reutilización de aguas residuales 139
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 145
Capítulo 3. MUESTREO DE AGUAS 147
Lección 11. Tipo de muestras 147
Lección 12. Criterios técnicos para el muestreo 149
Lección 13. Equipos y envases para muestreos 156
Lección 14. Conservación de las muestras 158
Lección 15. Parámetros químicos de análisis 160
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 176
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Contenido didáctico del curso Química Ambiental
Autoevaluación 180
Respuestas a la autoevaluación de la Unidad 1
Fuentes documentales de la Unidad 1 181
Unidad 2. QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO
2 Capítulo 4. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL SUELO
186
Lección 16. Conceptos básicos 187
Lección 17. Propiedades de los suelos 188
Lección 18. Reacciones y equilibrios en el suelo 212
Lección 19. Calidad del suelo y compuestos que lo alteran 220
Lección 20. Análisis de la calidad del suelo 235
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 238
Capítulo 5. TRATAMIENTO DEL SUELO 240
Lección 21. Importancia y clasificación de los tratamientos 240
Lección 22. Tratamientos por contención o aislamiento 245
Lección 23. Tratamientos por transferencia o extracción 249
Lección 24. Tratamientos por transformación química 254
Lección 25. Tratamientos por transformación biológica 258
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 262
Capítulo 6. MUESTREO DE SUELOS 264
Lección 26. Variabilidad de los suelos 264
Lección 27. Tipo de muestreos 267
Lección 28. Criterios técnicos para el muestreo 270
Lección 29. Equipos y materiales para muestreos 272
Lección 30. Parámetros químicos de análisis 277
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PREGUNTAS Y EJERCICIOS 289
Autoevaluación 290
Respuestas a la autoevaluación de la Unidad 2
Fuentes documentales de la Unidad 2 291
Unidad 3. QUÍMICA Y COMPONENTE ATMOSFÉRICO 292
3 Capítulo 7. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA ATMÓSFERA 297
Lección 31. Principales procesos químicos atmosféricos 298
Lección 32. Características químicas de la estratosfera 303
Lección 33. Características químicas de la troposfera 312
Lección 34. Reacciones del oxígeno atmosférico 323
Lección 35. Reacciones ácido-base 326
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 328
Capítulo 8. CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA 330
Lección 36. Tipos y fuentes de contaminantes 330
Lección 37. Consumo del ozono de la estratosfera 334
Lección 38. Óxidos y compuestos orgánicos volátiles 340
Lección 39. El efecto invernadero y el de alteración de la capa de ozono
359
Lección 40. El smog fotoquímico y la lluvia ácida 365
PREGUNTAS Y EJERCICIOS 375
Capítulo 9. MUESTREO ATMOSFÉRICO
377
Lección 41. Tipos de muestreo 378
Lección 42. Definición de tipos de muestreo 380
Lección 43. Técnicas de muestreo 385
Lección 44. Equipos y materiales para muestreos 387
5
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Lección 45. Análisis de muestras en el laboratorio 396
PREGUNTAS Y EJERCICIOS
Autoevaluación
Respuestas a la autoevaluación de la Unidad 3
Fuentes documentales de la Unidad 3 403
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LISTADO DE TABLAS
UNIDAD 1
Tabla N° Nombre de la tabla Página
1 Ángulo de enlace de compuestos homólogos del agua 18
2 Principales propiedades del agua 22
3 Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de algunas semi-reacciones, a 25°C
54
4 Productos de solubilidad en agua, a 25°C, de algunas sales 68
5 Materiales radiactivos presentes en sistemas acuosos 77
6 Procesos utilizados en tratamientos de agua según la clase de contaminantes
97
7 Métodos para el ablandamiento del agua 121
8 Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de muestras, según tipo de análisis
155
UNIDAD2
Tabla N° Nombre de la tabla Página
9 Valores de capacidad de intercambio catiónico 204
10 Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos
244
11 Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos 222
UNIDAD 3
Tabla N° Nombre de la tabla Página
12 Compuestos que aportan cloro a la estratosfera 337
13 Compuestos que aportan bromo a la estratosfera 338
14 Norma de calidad del aire en Colombia 382
15 Promedio sugerido de sitios de muestreo según la densidad
de población
383
7
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16 Distancia mínima de separación entre vías vehiculares y
muestreadores o caminos de medición
384
17 Sistemas de recolección según tipo de contaminante 388
18 Técnicas para análisis continuo 397
19 Técnicas para análisis discontinuo 401
LISTADO DE FIGURAS
UNIDAD 1
Figura N° Nombre de la figura Página
1 Componentes de la ecosfera 12
2 Pares de electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de agua
17
3 Representación de una molécula de agua 18
4 Punto de fusión de compuestos homólogos del agua 19
5 Punto de ebullición de compuestos homólogos del agua 19
6 Estructura ordenada del agua 20
7 Repartición del agua por compartimento ambiental 24
8 Diagrama de fases del agua 30
9 Variación con el pH de las especies químicas del C en solución acuosa a 25°C
49
10 Compartimientos ambientales y equilibrios del sistema CO2-HCO3
-- CO32-
51
11 Rango de condiciones oxidantes en sistemas acuosos 57
12 Zonas y agentes oxidantes y reductores en sistemas acuosos 59
13 Abundancia de metales traza en la corteza terrestre 76
14 Tipos de membranas para ultrafiltración 105
15 Representación del fenómeno de ósmosis inversa vs. ósmosis
106
8
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16 Representación de las corrientes de permeado y rechazo 107
17 Estructura básica de una celda de electrodiálisis 108
18 Procesos de potabilización de aguas crudas 109
19 Determinación del número de muestras requeridas para cuantificar la concentración promedio de un analito
154
UNIDAD 2
Figura N° Nombre de la figura Página
20 Proporciones relativas (en volumen) de los componentes del suelo
189
21 Estructura general de las arcillas 192
22 Perfil general del suelo 196
23 Triángulo de clases texturales 199
24 Tipos de estructura del suelo 200
25 Representación de mineral de arcilla con carga negativa superficial
202
26 Representación de sustancias orgánicas con grupos ionizados
203
27 Representación de la acidez activa y de la intercambiable 206
28 Proporción promedio de bases en el suelo 207
29 Representación de la disponibilidad de nutrientes a diferentes valores de pH
208
30 Esquema de una doble capa difusa 213
31 Relación entre pH y la saturación de bases 215
32 Diagrama Eh-pH para diferentes especies químicas del Fe 217
33 Procesos resultantes de la degradación química de suelos 224
34 Tratamientos del suelo 243
35 Técnica de deshalogenación de contaminantes del suelo 257
36 Puntas para barreno 274
37 Esquema general del proceso de muestreo de suelos 276
9
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UNIDAD 3
Figura N° Nombre de la figura Página
38 Capas de la atmósfera 295
39 Ciclo del oxígeno atmosférico 324
40 Clases de contaminantes atmosféricos 331
41 Ciclo del CO2 345
42 Sistemas de recolección para muestreo activo 389
43 Captador de alto volumen 392
44 Esquema general de un muestreador pasivo 396
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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El contenido didáctico del curso académico: Química Ambiental (Evaluación y
Control de la Contaminación) fue diseñado en el año 2010 por la Química María
del Pilar Triana Novoa, Master of Science en Ciencia del Suelo y Manejo de
Aguas.
El contenido didáctico corresponde a la primera versión del curso, con
actualizaciones hechas en el II sem del 2012, por la Directora del curso, Química
Stella Díaz Neira, con estudios de Especialización en Aprendizaje Autónomo y
actualmente Docente Ocasional en la sede Mutis de Bogotá.
Las actualizaciones se hicieron en algunos enlaces a sitios web, siguiendo las
observaciones hechas por la Evaluadora del curso, Especialista Mery Liliana
López, con estudios de Maestría en Ingeniería Ambiental quien actualmente es
Docente Auxiliar del CEAD de Pasto.
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INTRODUCCIÓN
La preocupación por el medio ambiente es una constante en nuestros días y son
muchas las voces que se levantan por todo el mundo para llamar la atención sobre
los problemas ambientales y la necesidad de encontrar soluciones a las
problemáticas de vieja data, a las actuales y que minimicen o prevengan las
futuras.
Nuestro medio ambiente está constituido por ecosistemas que son sistemas
termodinámicamente abiertos, es decir, con flujo permanente de materia y
energía. De aquí el papel primordial de la química y del químico para comprender
los procesos químicos que ocurren en el medio ambiente, tanto los de tipo natural
como los derivados de la actividad humana, y para proponer, mediante un trabajo
interdisciplinario, formas de manejo apropiado de los ecosistemas que permitan
mantener su equilibrio o corregir los daños existentes.
Este curso de química ambiental presta atención especial a la naturaleza química
y a la movilidad y transporte de los compuestos químicos contaminantes, con el fin
de determinar su destino final en el medio ambiente, caracterizarlos, cuantificarlos,
prever posibles desequilibrios originados por su presencia y establecer procesos
de control y seguimiento, que favorezcan la preservación de los ecosistemas.
En el contexto anterior se han seleccionado los principales conceptos a tratar en
este curso, los cuales como es tradicional se presentan subdivididos en los tres
componentes abióticos de la ecosfera: hidrosfera (agua), litosfera (suelo) y
atmósfera (aire).
La Figura 1 presenta estos tres componentes, denominados también
compartimentos ambientales o ambientes físicos mayores de la tierra, enlazados a
la biosfera que es el componente biótico. Todos interactúan y conforman la
ecosfera.
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Figura 1. Componentes de la ecosfera1
Este tratamiento por compartimentos ambientales, tiene ante todo fines
pedagógicos, pero es importante tener en cuenta que en la naturaleza están
interrelacionados, que existen interfases de contacto, que hay abundante
intercambio de materia y energía y que el equilibrio dinámico entre ellos se afecta
por la alteración en las propiedades y dinámica químicas de cualquiera de sus
componentes.
Para cada uno de los tres compartimentos se hace énfasis en los procesos
químicos en los que intervienen diversos compuestos que dan lugar a múltiples
reacciones, a fenómenos de interfase y a cambios en estados de equilibrio
químico.
La naturaleza y concentración de los compuestos que intervienen permiten
determinar si se trata o no de contaminantes y la forma en que pueden alterar la
calidad de los compartimentos ambientales, todo lo cual conlleva a la selección y
aplicación de tratamientos específicos que buscan la restauración y el
mantenimiento del equilibrio ambiental.
1 GARZA-CUEVAS, Raúl y GONZÁLEZ GONZÁLEZ, LETICIA. Capítulo 6. Principios de ciencia
ambiental. En: ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. México:
International Thomson Editores, 1997. p. 102.
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UNIDAD 1
Nombre de la Unidad QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO
Palabras clave Propiedades y reacciones del agua, usos del
agua, tipos de contaminantes del agua,
agua doméstica, agua industrial, agua
potable, agua residual, análisis del agua,
tratamientos y reutilización del agua.
Introducción El agua es una de las sustancias más
importantes en la naturaleza. Los seres
humanos estamos constituidos por un
promedio de 80% de agua, los diferentes
procesos biológicos requieren de agua, es
el hábitat de los organismos presentes en
los ecosistemas acuáticos y,
adicionalmente, la requerimos para múltiples
usos.
El agua no se encuentra ni se estudia como
sustancia químicamente pura, sino en forma
de soluciones, suspensiones y dispersiones
coloidales acuosas presentes en los
diferentes compartimentos ambientales.
Cuando su composición o su estado se
alteran de manera que ya no puede
utilizarse para determinados propósitos, se
habla de deterioro de su calidad por
presencia de contaminantes.
Justificación La disponibilidad y la calidad del agua son
importantes para garantizar la vida sobre la
tierra y la realización de toda clase de
actividades humanas.
Por lo anterior es importante conocer qué
tipo de contaminantes pueden deteriorarla,
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cómo es su reactividad y cuáles
tratamientos son apropiados para su
recuperación y reutilización.
Intencionalidades Formativas Contribuir al desarrollo de la capacidad
analítica e investigativa del estudiante, a
partir del conocimiento y análisis de los
principios que rigen los fenómenos químicos
inherentes a la estructura y reactividad
química del agua.
Desarrollar en el estudiante la capacidad de
relacionar el comportamiento químico del
agua, junto con el de los diversos
compuestos disueltos en ella, sus
reacciones y sus equilibrios, con las
problemáticas propias de las prácticas
ambientales, para contribuir a establecer
procesos de control y seguimiento, que
favorezcan la preservación del medio
ambiente.
Denominación de capítulo 1 CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES
QUÍMICAS DEL AGUA
Denominación de Lección 1 Estructura molecular y propiedades del agua
Denominación de Lección 2 Fundamentos de termodinámica química
Denominación de Lección 3 Reacciones y equilibrios en presencia del
agua
Denominación de Lección 4 Contaminantes químicos del agua
Denominación de Lección 5 Parámetros químicos de la calidad del agua
Denominación de capítulo 2 TRATAMIENTO QUÍMICO DEL AGUA
Denominación de Lección 6 Procesos químicos en el tratamiento del
agua
Denominación de Lección 7 Potabilización del agua
15
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Denominación de Lección 8 Composición de las aguas residuales
Denominación de Lección 9 Tratamiento de aguas residuales
Denominación de Lección 10 Reutilización de aguas residuales
Denominación de capítulo 3 MUESTREO DE AGUAS
Denominación de Lección 11 Tipo de muestras
Denominación de Lección 12 Criterios técnicos para el muestreo
Denominación de Lección 13 Equipos y envases para muestreos
Denominación de Lección 14 Conservación de las muestras
Denominación de Lección 15 Parámetros químicos de análisis
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UNIDAD 1
QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO
El agua es una de las sustancias más importantes en la naturaleza. Los seres
humanos estamos constituidos por un promedio de 80% de agua, los diferentes
procesos biológicos requieren de agua, es el hábitat de los organismos presentes
en los ecosistemas acuáticos y, adicionalmente, la requerimos para múltiples
usos.
El agua no se encuentra ni se estudia como sustancia químicamente pura, sino en
forma de soluciones, suspensiones y dispersiones coloidales acuosas presentes
en los diferentes compartimentos ambientales.
Cuando su composición o su estado se alteran de manera que ya no puede
utilizarse para determinados propósitos, se habla de deterioro de su calidad por
presencia de contaminantes.
Debido a que la disponibilidad y la calidad del agua son importantes para
garantizar la vida sobre la tierra y la realización de toda clase de actividades
humanas, es importante conocer qué tipo de contaminantes pueden deteriorarla,
cómo es su reactividad y cuáles tratamientos son apropiados para su recuperación
y reutilización.
CAPITULO 1: CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA
Introducción
La estructura del agua la hace una sustancia singular con un número de
propiedades únicas que son indispensables para la vida en la tierra.
Sin embargo, el agua no se encuentra como sustancia químicamente pura, sino
que presenta gran cantidad de especies químicas en forma de soluciones,
suspensiones y dispersiones coloidales.
Es así como con base en la composición y usos del agua se puede establecer el
concepto de contaminación del agua. Existen diversas definiciones, cuya forma
más general desde el punto de vista ambiental, significa cualquier desviación a
partir de un estado normal.
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En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la estructura
y reactividad del agua y qué tipo de contaminantes pueden afectar su calidad.
Lección 1: Estructura molecular y propiedades del agua
1.1. Estructura y comportamiento del agua
El agua como compuesto químico está conformado por dos átomos de hidrógeno
y uno de oxígeno, en donde la organización tridimensional de los átomos que
conforman la molécula de agua está determinada, en gran parte, por la repulsión
que se presenta entre los pares de electrones de la capa de valencia del átomo de
oxígeno. En la Figura 2 se observan cuatro pares de electrones, dos de los cuales
se utilizan para los enlaces covalentes entre el oxígeno y cada uno de los iones
hidrógenos.
Figura 2. Pares de electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de
H2O2
2 Tomada y adaptada de: http://racalviz.blogspot.com/2007/11/estructura-qumica-del-agua.html
PALABRAS CLAVE: puentes de hidrógeno, dipolar, hidratación, constante
dieléctrica, calor específico, calor latente de vaporización y fusión, impurezas
El aparte anterior, relacionado con la hidrólisis, es un tipo particular de reacciones
ácido-base. Esto es evidente si se retoma la definición de ácidos y bases de los
químicos Brönsted y Lowry. Un ácido Brönsted-Lowry es una especie química que
tiene tendencia a donar o perder un protón, mientras que una base Brönsted-
Lowry es una sustancia que acepta o gana un protón.
Derivados de estas definiciones aparecen los conceptos de ácido conjugado y
base conjugada: la pérdida de un protón por parte de un ácido de Brönsted-Lowry
origina la formación de la correspondiente base de Brönsted-Lowry, la cual se
denomina la base conjugada del ácido que la generó.
ACTIVIDAD # 2: Establezca las reacciones del Al (OH)3(H2O)3 con una base fuerte
y con un ácido fuerte. ¿Qué concluye respecto a la naturaleza de esta sustancia?
Realice las mismas reacciones para el Fe(OH)3(H2O)3 y compárelas con las del
aluminio.
¡Discuta sus resultados con el tutor!
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De manera análoga, la adición de un protón a cualquier base de Brönsted-Lowry
origina la formación del ácido conjugado de la base que lo generó.
En este aparte, además de las definiciones anteriores se retoma el concepto de
acidez y basicidad basado en los estudios de Svante Arrhenius sobre los
electrolitos, que establece que una sustancia es ácida cuando en una solución
acuosa se ioniza para formar o liberar iones H+ (protones), y una sustancia es
básica cuando en una solución acuosa se ioniza para formar o liberar iones
hidroxilo, (OH)-.
3.2.1. Concepto de pH:
Este concepto se utiliza para expresar la acidez o la basicidad de una solución, sin
necesidad de utilizar todo el tiempo los valores de concentración del H+ y del OH-
en términos de exponentes negativos en base 10.
El pH se define como:
pH = - log [H+]
Es el logaritmo negativo de la concentración de iones H+, en moles/L. Por tanto:
[H+] = antilog (-pH)
De la misma manera, el pOH se define como:
pOH = - log [OH-]
Es el logaritmo negativo de la concentración de iones OH-, en moles/L.
Si a la constante de producto iónico del agua se le aplica el logaritmo negativo se
tiene:
- log Kw = pKw = 14
De donde:
pKw = pH + pOH = 14
Con base en la expresión anterior se construyó la escala de pH que va de 0 a 14.
Una solución con un pH < 7 es ácido
Una solución con pH = 7 es neutra
Una solución con pH > 7 es básica o alcalina
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Ejercicios:
1) Calcular el pH de una solución en la cual [H+] = 6,38 x 10-5 M
pH = - log (6,38 x 10-5)
pH = - log 6,38 – log 10-5
pH = - log 6,38 – (- 5)
pH = - 0,805 + 5
pH = 4,195
2) Una solución a 25°C tiene pH 3,89. Calcular [OH-].
[H+] = 10-pH
[H+] = 10-3,89
[H+] = 1,3 x 10-4
[H+] [OH-] = Kw = 1 x 10-14
Kw 1 x 10-14 [OH-] = = [H+] 1,3 x 10-4 [OH-] = 7,7 x 10-11 M 3.2.2. pH de ácidos y bases fuertes
En las soluciones de ácidos fuertes, como el HCl, o de bases fuertes, como el
NaOH, se asume que la ionización es completa y se representa mediante las
siguientes reacciones:
HCl H+ + Cl-
NaOH Na+ + OH-
En estos casos la concentración de iones H+ o de iones OH-, según la sustancia
sea un ácido o una base, es igual a la concentración inicial de la respectiva
sustancia, y con base en ese valor se puede calcular el pH o el pOH.
Ejercicios:
1) Calcular el pH de una solución de HCl 1,0 x 10-2 M
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pH = - log [1,0 x 10-2] = 2,0
2) Calcular el pH de una solución de KOH 5,0 x 10-3 M
Kw 1,0 x 10-14 [H+] = = [OH-] 5,0 x 10-3 [H+] = 2,0 x 10-12 M
pH = - log [2,0 x 10-12] = 11,7
Sin embargo, cuando la solución que contiene el ácido o la base fuerte es muy
diluida, esto es < 10-7, se debe tener en cuenta la autoprotólisis del agua.
Ejercicio:
3) Calcular el pH de una solución de HCl 1,0 x 10-8 M
Para resolver este problema se debe considerar:
o La contribución de los iones H+ procedentes de la ionización del agua.
o La electro neutralidad de la solución, esto es, que el número de iones
positivos debe ser igual al número iones negativos:
[H+] = [OH-] + [Cl-]
En la solución de HCl 1,0 x 10-8 M: [Cl-] = 1,0 x 10-8 M y si [H+] = x
[OH-] = [H+] - [Cl-]
[OH-] = x - 1,0 x 10-8
Por otra parte:
[H+] [OH-] = Kw
x (x - 1,0 x 10-8) = 1,0 x 10-14
x2 - 1,0 x 10-8x - 1,0 x 10-14 = 0
Despejando la ecuación de segundo grado se obtiene:
x = 1,05 x 10-7 M ó – 9,5 x 10-8 M
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Debido a que una concentración no puede ser negativa, se rechaza el valor
negativo y entonces,
pH = - log x = - log [1,05 x 10-7] = 6,98
3.2.3. pH de ácidos y bases débiles
Un ácido o una base débil no se ionizan completamente en una solución acuosa. Por lo tanto, la concentración de iones H+ o de iones OH- es siempre menor que la concentración original del respectivo ácido o base. En estos casos se establece un equilibrio entre las formas iónicas y la forma molecular de las sustancias. Para un ácido débil, la representación general de la ecuación de equilibrio es:
HA H+ + A-
La constante de equilibrio o de ionización se representa con el símbolo Ka
[H+] [A-] Ka =
[HA]
Para una base débil, la representación general de la ecuación de equilibrio es:
B + H2O (l) BH+ + OH-
La constante de equilibrio o de ionización se representa con el símbolo Kb
[BH+] [OH-] Kb =
[B]
Ejercicio: 1) Para una solución 0,18 M del ácido fórmico, se requiere determinar el pH. La Ka de ácido fórmico es 1,76 x 10-4 Se plantea primero la ecuación de equilibrio químico y Ka:
HCHO2 H+ + (CHO2)-
[H+] [(CHO2)
-] Ka = = 1,76 x 10-4
[HCHO2]
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Toda la información anterior la podemos sintetizar en la tabla siguiente:
HCHO2 H+ (CHO2)
-
Moles / L = M
Estado inicial 0,18 0 0
Cambio durante la
reacción -x +x +x
Estado de
equilibrio 0,18-x x x
x2
1,76 x 10-4 = 0,18 - x En el término 0,18 – x, el valor de x es mínimo comparado con 0,18, por lo cual se puede obviar. Entonces: x2
1,76 x 10-4 = 0,18 31,7 x 10-6 = x2 5,63 x 10-3 = x corresponde a la concentración de H+ Luego: pH = - log [H+] = - log (5,63 x 10-3) = 2,25 La ionización de un ácido débil se describe generalmente mediante el grado de ionización, el cual se representa con el símbolo α, y corresponde a la fracción del ácido, inicialmente presente, que se ioniza. Matemáticamente es la relación entre el número de moles / L que se ioniza respecto a la concentración (c) inicial del ácido: [A-] 5, 63 x 10-3 α = = = 3,13 x 10-2 ó 3,13% c 0,18
Actividad # 3: Calcule el pH de una solución 0,10 M de amoníaco (NH3) que es
una base débil. Kb del amoníaco = 1,77 x 10-5
Respuesta: pH = 11,12
¡Desarrolle paso a paso el ejercicio y solicítele retroalimentación al tutor!
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3.2.4. Equilibrios ácido- base en sistemas ambientales
Desde el punto de vista ambiental, el sistema CaCO3, CO2 y H2O constituye un
caso importante en el cual están involucrados equilibrios ácido-base.
En un sistema acuoso natural la presencia del CO2 tiene origen atmosférico y
también proviene de los procesos metabólicos de los seres vivos. Cuando el
sistema acuoso, con CO2 disuelto, entra en contacto con el suelo en el cual hay
presencia de CaCO3, contenido en piedras calizas, se establecen diversos
equilibrios químicos.
Si se considera en primera instancia el equilibrio entre el CO2 y el H2O se tiene:
CO2 (g) + H2O H2CO3 K1
H2CO3 HCO3- + H+ K2
HCO3- CO3
2- + H+ K3
Donde:
[H2CO3] K1 = PCO2
[HCO3-] [H+]
K2 = [H2CO3]
[CO32-] [H+]
K3 = [HCO3
-]
El CO2 disuelto en agua es, por tanto, una mezcla de tres especies químicas: una
neutra y dos tipos de iones, el bicarbonato y el carbonato.
[H2CO3] = K1 PCO2 (1.11)
[HCO3-] = K2 K1 PCO2 / [H
+] (1.12)
[CO32-] = K3 K2 K1 PCO2 / [H
+]2 (1.13)
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Las concentraciones de estas especies están relacionadas entre sí y con el pH.
Las variaciones de las concentraciones de estas especies con respecto al pH se
presentan en la Figura 9.
Si ahora se considera, adicionalmente, la presencia del carbonato de calcio, se
tiene:
CaCO3 (s) + H2CO3 Ca++ + 2HCO3- (1.14) K4
El H2CO3 expresa el CO2 disuelto en agua.
Figura 9. Variación con el pH de las especies químicas de C en soluciones
acuosas a 25°C8
[Ca++] [HCO3-]2
K4 = [H2CO3]
Se presenta aquí una especie química adicional, los iones Ca++ cuya
concentración está determinada tanto por el producto de solubilidad del carbonato
de calcio como por su concentración en el equilibrio (1.14).
8 Adaptada de: BOLT, G. H y BRUGGENWERT, M. G. M. Soil Chemistry A. Basic Elements.
Amsterdam: Elsevier, 1978. p. 101.
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En relación con el producto de solubilidad del carbonato de calcio, se tiene:
CaCO3 (s) Ca++ + CO32- Kps
Kps = [Ca++] [CO32-] = [Ca++]2 = [CO3
2-]2
Luego:
K2Kps K4 = K3 (1.15)
Por la estequiometria de (1.14) se puede establecer que [HCO3-] = 2 [Ca++] y por la
ecuación (1.11) se sabe que [H2CO3] = K1 PCO2, luego:
[Ca++] (2[Ca++])2
K4 = K1 PCO2 (1.16)
Se puede hallar, entonces, la concentración del ión calcio, es decir, su solubilidad
(s) en la solución acuosa, a partir de (1.15) y (1.16):
[Ca++] = s = ∛ (K2KpsK1 PCO2 /4K3)
Es así como el equilibrio expresado en (1.14) determina parámetros del agua en
los sistemas naturales, tales como pH y dureza.
ACTIVIDAD # 4: Compruebe la veracidad de las expresiones:
K4 = (K2Kps) /K3
y
[Ca++] = s = ∛ (K2KpsK1 PCO2 /4K3)
¡Discuta sus respuestas con el tutor!
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Los tres compartimentos ambientales aire, agua y suelo intervienen en los
equilibrios estudiados, dando lugar a condiciones particulares que determinan el
comportamiento de las especies químicas CO2 – HCO3- - CO3
2- (ver Figura 10.
Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 – HCO3- - CO3
2-).
CO2
AIRE
H2CO3 HCO3 + H+
CaCO3 (s) + H2CO3 Ca++ + 2HCO3-
AGUA
SUELO Caliza CaCO3
Figura 10. Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 –
HCO3- - CO3
2-)9
9 Elaborada por María del Pilar Triana Novoa
ACTIVIDAD # 5: Determine si la [Ca++] presente en un cuerpo de agua, a 20°C,
varía cuando la presión de CO2 presente en el aire pasa de 3,7 x 10-4 atmósferas a
3,7 x 10-3atmósferas. Justifique su conclusión.
¡Discuta su respuesta con el tutor!
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3.3. Reacciones de oxidación-reducción
De forma similar a los equilibrios ácido-base, en los sistemas acuosos se
presentan equilibrios entre especies químicas oxidadas y especies químicas
reducidas. Este equilibrio se expresa como:
Ox + ne- + mH+ Red + m/2 H2O
Donde:
Ox = especie oxidada
Red = especie reducida
n = número de electrones
La constante de equilibrio para esta reacción es:
Red K = Ox (e-)n (H+) m (1.17)
Donde (e-) se denomina disponibilidad electrónica, potencial de electrodo y
actividad electrónica. La actividad electrónica no tiene relación con la actividad de
los iones en solución porque la concentración de los electrones libres en solución
muy pequeña.
3.3.1. El potencial de electrodo
El potencial de electrodo se denomina con el símbolo Eh, y es por definición un
potencial de reducción, mientras que la actividad electrónica se asocia con pe. La
ecuación (1.17) se puede transformar en la ecuación de Nernst:
RT Red 0,059 Red 0,059 Eh – Eh° = log = - log - pH nF (Ox) (H+) m n Ox n/m (1.18)
Donde:
Eh° = potencial estándar del electrodo
R = constante de los gases.
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T = temperatura absoluta
F = constante de Faraday; 1F = 96.500 C/mol e- = 96.500 J/V-mol e-
0,059 = cociente de las constantes a 25°C
El potencial estándar debe definirse en términos de un estado de referencia
arbitrario, porque como en el caso de la energía libre, no se puede definir el
potencial absoluto. El Eh° se relaciona con la energía libre estándar de Gibbs
mediante la siguiente igualdad:
G° = - nFEh° = - 96,48 nEh°
Donde G° se expresa en julios.
El potencial estándar corresponde a aquel en el cual los reactivos y productos
están en su estado normal. El estado normal de una sustancia es un estado
referencial que permite obtener valores relativos de cantidades termodinámicas
como la energía libre. A todas las sustancias se les asigna una actividad unitaria
en su estado normal.
Para los gases, el estado normal tiene las propiedades de un gas ideal, a una
atmósfera de presión. Para solutos en solución diluida corresponde a un estado en
que el soluto tiene las propiedades de un soluto diluido infinitamente a una
concentración igual a la unidad (molalidad o fracción molar)10.
Por convención a la semireacción del hidrógeno se le ha asignado un valor de
potencial estándar igual a 0 voltios a cualquier temperatura.
2H+ (ac) + 2e- H2 (g) Eh° = 0 V
La Tabla 3 muestra los potenciales estándar de electrodo (potenciales de
reducción) de las semireacciones de varios elementos. Los potenciales altos
indican que el estado oxidado está disponible y acepta electrones fácilmente.
10 SKOOG, Douglas et al. Fundamentos de química analítica. México: Editorial Thomson, 2005.
p.506-515.
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Tabla 3. Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de
algunas semi-reacciones, a 25°C11
Reacción Eh° (V)
3.3.2. La disponibilidad o actividad electrónica
El potencial de electrodo pe es una expresión alternativa de la disponibilidad
electrónica. A partir de la ecuación (1.17) se tiene:
pe + pH = log K – log (Red) + log (Ox)
11 BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons, 2001. p. 113.
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Cuando n = m
La suma de pe y pH tiene la ventaja de que puede usarse como uno de los ejes de
una gráfica de dos dimensiones, mientras que las concentraciones (o las
actividades) de las especies reducidas y oxidadas estarían en el otro eje. La suma
de pe y pH también tiene sentido desde el punto de vista matemático debido a que
el intervalo numérico del pe y del pH es similar. Cada uno tiene aproximadamente
igual peso en la suma, en concordancia con su importancia compartida en el
equilibrio.
La suma de pe y pH, sin embargo, implica que ambos estén en el equilibrio, y esto
es poco frecuente en el caso del pe. No obstante, los diagramas de pe + pH
pueden ejemplificar una gran cantidad de datos termodinámicos y proporcionar
una representación del comportamiento de los elementos químicos en la
naturaleza.
A 25°C, pe = 0,059 Eh.
El rango de los potenciales electrónicos, en los sistemas que contienen agua, está
limitado por la estabilidad del agua respecto a la oxidación y la reducción.
Los potenciales electrónicos altos pueden oxidar el agua a O2.Los potenciales
electrónicos bajos pueden reducir el agua a H2. Si una solución contiene un agente
oxidante como el Cl2 con un potencial de electrodo mayor que el del par H2O-O2, o
semi-reacción, el agente oxidante puede oxidar el agua a O2:
½ O2 + 2e- + 2 H+ H2O (1.19)
En contraste, los agentes reductores fuertes pueden reducir el agua a H2.
2H+ + 2 e- H2 (1.20)
El ión H+ se reduce antes que el H2O, pero el H+ está presente siempre en
soluciones acuosas porque el agua se disocia. El par H+ - H2 es el límite más bajo
del potencial de electrodo en sistemas acuosos y en suelos.
Sustituyendo en la ecuación de Nernst se obtiene la siguiente expresión para el
límite superior de las condiciones oxidantes en agua y en suelos:
0,059 1 Eh = Eh° - log - 0,059 pH
4 PO2
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Para el límite inferior se obtiene:
0,059 1 Eh = Eh° - log - 0,059 pH
4 PH2 Donde PO2 y PH2 son las presiones parciales de los gases oxígeno e hidrógeno.
Los gases son esencialmente ideales a presiones bajas, y así la presión parcial y
la actividad son iguales. El Eh depende del pH y de la concentración de gas pero
únicamente cambia 15 mV por un cambio de diez veces en PO2 y 30 mV por un
cambio de diez veces en PH2.
Los límites Eh del agua, y por tanto del suelo y de los sistemas biológicos se
representan en la Figura 11 a una presión parcial de 1 atm de O2 y H2. El agua es
estable entre las dos líneas. El O2 es estable en condiciones oxidantes y
potenciales de electrodo por encima de la línea superior. El H2 es estable a
potenciales por debajo de la línea inferior.
La ecuación (1.17) se puede transformar en:
(H2O)1/2 K = y (H+) (e-) (PO2)
1/4 pe + pH = 20,78 + ¼ log PO2
Los valores de pe + pH varían desde 20,78 a condiciones altamente oxidantes a
pO2 = 1 y pH = 0, hasta pe + pH = 0 a condiciones altamente reductoras cuando
pH2 = 1 (ver Figura 11)
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Figura 11. Rango de condiciones oxidantes en sistemas acuosos12
Como ya se ha mencionado, las consideraciones anteriores suponen un estado de
equilibrio del sistema. Sin embargo, es importante tener presente que en un
sistema acuoso natural, una laguna, por ejemplo, las condiciones de oxidación-
reducción varían entre las zonas superficiales que están en contacto con el
oxígeno atmosférico y las zonas más profundas.
Adicionalmente, en estos sistemas las reacciones de oxidación-reducción son
relativamente lentas y, en la mayoría de los casos, son catalizadas por
12 Figura adaptada de: Ibíd., p.119.
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microorganismos. Por esto, las concentraciones de los agentes oxidantes y los
reductores difícilmente se encuentran en equilibrio y las reacciones se dan de
manera particular, a diferentes niveles del sistema.
De todas maneras, las expresiones matemáticas de Eh y las relaciones Eh-pH son
una buena aproximación que permite entender las tendencias de los sistemas
acuosos naturales, las actividades biológicas y los problemas de contaminación
que se dan en ellos, los cuales involucran, en un gran porcentaje, reacciones de
oxidación-reducción.
Los principales agentes oxidantes en el agua son: oxígeno, nitratos, sulfatos,
dióxido de carbono, dióxido de manganeso e hidróxido de hierro (III).
Los principales agentes reductores en el agua son: la materia orgánica y el ión
amonio.
Mediante un diagrama pe + pH en función del pH se pueden distinguir las
diferentes zonas de un sistema acuoso natural y la presencia de los principales
agentes oxidantes y agentes reductores. En la Figura 12 se observan las
siguientes zonas principales:
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Figura 12. Zonas y agentes oxidantes y reductores en un sistema acuoso13
13 Adaptada de: OROZCO, C. et al. Contaminación ambiental. Una visión desde la química. Madrid:
Thomson Editores, 2003. p. 53.
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o Por encima de pe + pH = 20,78 se presenta una zona de procesos
aerobios, altamente oxidante, con desprendimiento de oxígeno.
o El área comprendida aproximadamente entre la línea punteada a, a lo largo
de todo el rango de pH, y la línea que delimita el valor de pe + pH = 20,78
también corresponde a una zona de procesos aerobios, con valores de pe
altos y presencia predominante de oxígeno disuelto en el agua, que actúa
como agente oxidante.
o El área comprendida aproximadamente entre la línea punteada a, a lo largo
de todo el rango de pH, y la línea punteada b, corresponde a una zona de
procesos anóxicos (en ausencia de oxígeno), en la cual se siguen
presentando reacciones de oxidación, pero debido a agentes oxidantes de
menor fuerza que el oxígeno, como son los iones nitrato, NO3- y los iones
sulfato, SO42-.
o El área por debajo de la línea punteada b, a lo largo de todo el rango de pH,
corresponde a una zona de procesos anaeróbicos con valores de pe bajos,
donde el medio acuoso es reductor.
o Por debajo de la línea que delimita el valor de pe + pH = 0 también
corresponde a una zona de procesos anaerobios, altamente reductora, con
desprendimiento de hidrógeno.
En la figura también se observan los diferentes agentes oxidantes y
reductores ubicados aproximadamente de acuerdo al valor de pH en el cual
hacen presencia predominante.
Otro aspecto importante de las relaciones pe y pH en sistemas acuosos es que
permiten un cálculo aproximados de la relación entre la forma oxidada y la
forma reducida de una compuesto químico, en el equilibrio.
Ejercicio:
Si se considera la presencia del elemento hierro en un sistema acuoso, se
presentará el siguiente equilibrio:
Fe3+ + e- Fe2+
Se tiene para este equilibrio, pe° = 13,2
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Luego:
[Fe2+] pe = 13,2 – log
[Fe3+]
Si ahora, se considera el agua en condiciones anaerobias con un valor de pe
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En los sistemas acuosos naturales, además de las moléculas antes mencionadas,
se presentan otros ligandos importantes de naturaleza inorgánica como son los
iones OH- y X- y de naturaleza orgánica con los siguientes grupos funcionales
principales: RCOO-, RO-, RNH2 y ROPO32-.
En estos sistemas los ligandos provienen con frecuencia de contaminación por
detergentes o por residuos de procesos de galvanización.
Las reacciones de formación de complejos caracterizan ciertos tipos de
contaminación y, por otra parte, son determinantes en el tratamiento de aguas. Al
respecto, los siguientes aspectos son de interés especial:
1) Los agentes complejantes presentes en los sistemas acuosos pueden
ocasionar que algunos metales pesados, que inicialmente pueden precipitar
en forma de hidróxidos o carbonatos poco solubles, se vuelvan a solubilizar
o se movilicen mediante la formación de complejos muy estables.
2) La formación de compuestos de coordinación explica la interrelación entre
los problemas de contaminación por metales pesados y de contaminación
por agentes complejantes.
3) La formación de complejos entre iones metálicos y agentes complejantes
posibilita el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados
mediante la utilización de resinas quelatantes.
4) Las reacciones de formación de complejos influyen en otras reacciones
como las de precipitación, oxidación o floculación utilizadas en tratamientos
de aguas para la eliminación de metales pesados y materiales coloidales.
Ejercicio:
La reacción de formación global del complejo zinc-tetraamina se representa con el
siguiente equilibrio:
Zn++ + 4 NH3 Zn(NH3)4++
Cada molécula de amonio le dona un par de electrones al ión zinc y se forma un
enlace covalente entre las dos especies químicas.
Esta reacción de formación de complejos realmente ocurre de una manera paso a
paso de acuerdo con los siguientes equilibrios:
Zn++ + NH3 Zn(NH3)++
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Zn(NH3)++ + NH3 Zn(NH3)2
++
Zn(NH3)2++ + NH3 Zn(NH3)3
++
Zn(NH3)3++ + NH3 Zn(NH3)4
++
Estas ecuaciones representan la formación de la monoamina, diamina, triamina y
tetraamina del complejo de zinc, respectivamente.
Constante de formación paso por paso
Cada equilibrio tiene asociada una constante, Kn, donde para este ejemplo el
subíndice n toma un valor para indicar el número de ligandos amoníaco
adicionados a un complejo que contiene n-1 moléculas de amoníaco.
Las respectivas constantes de formación para el complejo son:
[Zn(NH3)++]
K1 =
[Zn++] [NH3]
[Zn(NH3)2++]
K2 =
[Zn(NH3)++] [NH3]
[Zn(NH3)3++]
K3 =
[Zn(NH3)2++] [NH3]
[Zn(NH3)4++]
K4 =
[Zn(NH3)3++] [NH3]
Constante de formación global
También se utiliza esta otra clase de constantes de equilibrio que corresponde a
las reacciones globales. Para el ejemplo se tiene:
Zn++ + NH3 Zn(NH3)++
Zn++ + 2 NH3 Zn(NH3)2++
Zn++ + 3 NH3 Zn(NH3)3++
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Zn++ + 4 NH3 Zn(NH3)4++
Para las respectivas constantes de equilibrio se utiliza el símbolo βn, donde el
subíndice n representa el número total de ligandos adicionados al ión zinc.
[Zn(NH3)++]
β1 =
[Zn++] [NH3]
[Zn(NH3)2++]
β2 =
[Zn++] [NH3]2
[Zn(NH3)3++]
β3 =
[Zn++] [NH3]3
[Zn(NH3)4++]
β4 =
[Zn++] [NH3]4
Se observa claramente que existe una relación entre las constantes, K y las
constantes, β. A partir de dicha relación se ha establecido lo siguiente:
β1 = K1
β2 = K1 K2
β3 = K1 K2 K3
β4 = K1 K2 K3 K4
En la práctica, los valores de las constantes, K, de un determinado complejo,
pueden utilizarse para hallar las concentraciones molares de cada una de las
especies químicas presentes en el equilibrio.
Ejercicio:
Para el complejo zinc-tetra amina se conoce que K1 = 186, K2 = 219, K3 = 251 y K4
= 112.
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Se requiere conocer las concentraciones molares, en el equilibrio, de cada una de
las especies, Zn(NH3)++, Zn(NH3)2
++, Zn(NH3)3++ y Zn(NH3)4
++, sabiendo que las
concentraciones en el equilibrio del amoníaco y el Zn++ son respectivamente
0,0100 y 0, 00100 M.
Los valores se calculan de la siguiente manera:
Para la especie Zn(NH3)++, con base en la expresión de la constante β1, se puede
encontrar que:
[Zn(NH3)++] = β1 [Zn++] [NH3]
[Zn(NH3)++] = 186 (1,00 x 10-3) (1,00 x 10-2)
[Zn(NH3)++] = 1,86 x 10-3 M
Para las demás especies se sigue un procedimiento igual usando, según
corresponda, las expresiones de las constantes β2, β3 y β4 y hallando los valores
de cada constante, β, en función de su respectiva relación con las constantes K.
3.5. Reacciones de precipitación
El estudio del equilibrio en reacciones de precipitación tiene relación con el concepto de solubilidad, y se presenta en sales que se conocen como “insolubles” pero que en realidad poseen una muy ligera pero medible solubilidad en agua.
3.5.1. Producto de solubilidad
El equilibrio de este tipo de reacciones se puede representar de manera general de la manera siguiente:
ACTIVIDAD # 6: Para el ejemplo anterior halle las concentraciones de las
especies restantes.
Respuestas: [Zn(NH3)2++] = 4,08 x 10-3 M
[Zn(NH3)3++] = 1,02 x 10-2 M
[Zn(NH3)4++] = 1,15 x 10-2 M
¡Desarrolle paso a paso el ejercicio y verifique que encuentra los valores
correctos!
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MX(s) M+ + X-
Sal “insoluble” catión anión
La constante de equilibrio para esta reacción es:
Kc = [M+] [X-] = Kps
La sal como es un sólido puro se omite en la expresión de equilibrio. Para este tipo de reacciones la constante se denomina constante del producto de solubilidad o simplemente producto de solubilidad y se representa con el símbolo Kps.
Cuando se establece este equilibrio la solución está saturada y el producto de solubilidad corresponde al producto de las concentraciones del catión y el anión en la solución saturada.
Las concentraciones individuales del catión y del anión pueden modificarse añadiendo sales solubles, pero el producto de solubilidad, a una determinada temperatura, permanece constante.
A continuación se presentan las reacciones y expresiones de equilibrio de algunas
sales “insolubles”, y en la Tabla 4 aparecen los valores del producto de solubilidad:
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Los cuerpos de aguas naturales presentan algún grado de radiactividad
proveniente de la presencia de isótopos radiactivos naturales tales como el 40K y 87Rb. Sin embargo, las actividades antropogénicas que involucran procesos
nucleares con fines industriales y farmacológicos van en aumento, con el
consecuente incremento de la radiactividad de las aguas.
Los isótopos radiactivos solubles tienden a acumularse a lo largo de las cadenas
tróficas, por lo cual la preocupación actual gira en torno a la contaminación de los
organismos acuáticos, que pueden transferir los radioisótopos al hombre a través
de los alimentos. El hombre también puede ingerirlos a través de las aguas de
bebida. En la Tabla 5 se presentan algunos de los radioisótopos presentes en
sistemas acuosos naturales.
TABLA 5. Materiales radiactivos presentes en sistemas acuosos
RADIOISÓTOPO PROCEDENCIA
226Ra
Desintegración del 238U 210Pb
230Th
90Sr
Reactores y armas nucleares (fisión) 131I
137Cs
14C Reacción de N2 con neutrones
cósmicos
32Si Fisión nuclear del argón atmosférico
por colisión con rayos cósmicos
40K Desintegración natural
3H Acción de rayos cósmicos sobre gases
atmosféricos
4.2.3.2. Orgánicos
Bajo esta denominación se agrupan los compuestos formados principalmente de
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos compuestos se descargan en los
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cuerpos de agua en forma de materia orgánica, que puede ser utilizada por los
microorganismos para sintetizar nuevos compuestos, y en forma de estructuras
moleculares complejas, en un gran porcentaje sintetizadas por el hombre, difíciles
de degradar por los microorganismos y que por tanto permanecen por períodos de
tiempo largo en el agua.
En el proceso de degradación de la materia orgánica los microorganismos utilizan
el oxígeno disuelto en el cuerpo de agua y, por lo tanto, existe una relación entre
la cantidad de materia orgánica presente en el agua y la cantidad de oxígeno que
se requiere para lograr su oxidación. La cantidad de materia orgánica se
determina mediante una prueba denominada Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO). Otra prueba utilizada es la Demanda Química de Oxígeno (DQO), en la
cual se utiliza un agente oxidante fuerte, como el ión dicromato (Cr2O72-), para
oxidar la materia orgánica.
Las principales fuentes de generación de contaminación por materia orgánica son
los drenajes sanitarios y las industrias alimenticias y de celulosa.
El grupo de compuestos orgánicos sintetizados se utilizan principalmente como
detergentes, como pesticidas en agricultura, para uso industrial como disolventes,
limpiadores, desengrasantes y para fabricación de plásticos. A este grupo
pertenecen también los productos derivados del petróleo.
Detergentes. Un detergente contiene diversos tipos de compuestos: surfactante,
estructurador y varios.
El surfactante es un agente humectador que disminuye la tensión superficial del
agua, lo cual facilita que ésta penetre más en el tejido textil. Además, por su
carácter dipolar sirve de puente entre las partículas de suciedad y el agua. Los
surfactantes comúnmente utilizados son los sulfonatos de alquilo lineales (SAL)
como el dodecilbencenosulfonato de sodio.
El estructurador es un agente secuestrante que se unen a los iones Ca2+ y Mg2+
presentes en el agua dura, para que no interfieran en la acción del surfactante.
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Los estructuradores comúnmente utilizados, hasta hace un tiempo, eran los
polifosfatos, como el tripolifosfato de sodio.
Los ingredientes varios son compuestos como perfumes, enzimas, agentes anti-
redeposición y productores de brillo.
Los problemas de contaminación generados por los detergentes se relacionan con
los estructuradores que aunque se degradan lentamente, mediante la siguiente
reacción de hidrólisis (ejemplo con el tripolifosfato),
P3O10 5- + H2O 2 H2PO4
2- + H2PO4 –, para convertirse en ortofosfatos
que no son tóxicos, sí contienen fósforo que se halla involucrado en el proceso de
eutrofización.
Con el fin de disminuir la problemática relacionada con la eutrofización, se ha
tratado de sustituir los polifosfatos y se han estudiado compuestos como la sal de
sodio del ácido nitrilotriacético.
Pesticidas. Estos compuestos de acuerdo con el uso se clasifican de la manera
siguiente:
Insecticidas
Fungicidas
Herbicidas
Plaguicidas específicos: rodenticidas, moluscicidas y nematocidas.
Por otra parte, de acuerdo con la composición y la estructura química, entre los
pesticidas están los hidrocarburos clorados, de los cuales el pionero fue el DDT.
Hoy en día, su utilización está prohibida en la mayoría de los países debido a su
alto grado de toxicidad.
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La estabilidad química de estos compuestos los hace persistentes y poco
específicos. Además, su carácter hidrofóbico hace que se acumulen en los tejidos
grasos, a lo largo de la cadena trófica y a través del tiempo, en un proceso de
bioacumulación.
A continuación, se presentan algunas estructuras de hidrocarburos clorados.
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Los policloro bifenilos (BPC) son otro tipo de hidrocarburos clorados y
estructuralmente están constituidos por un sistema de dos anillos bencénicos, en
los que un número variable de hidrógenos se puede sustituir por átomos de cloro.
La toxicidad de los BPC asociada con efectos agudos varía según el grado de
cloración.
4.2.3.3. Bionutrientes
En condiciones naturales, los sistemas acuosos tienen contenidos relativamente bajos de N y P, elementos que forman parte de los nutrientes requeridos para el crecimiento vegetal. No obstante, como consecuencia de la actividad antropogénica, el aporte de nutrientes se ha ido incrementando a lo largo del tiempo.
Estos nutrientes llegan a los cuerpos de agua a través de las corrientes procedentes de las cuencas fluviales que arrastran suelo y nutrientes disueltos; además, algunos procesos atmosféricos también aportan nutrientes al agua.
Por otra parte, en los sistemas de agricultura intensiva, los nitratos y los fosfatos son los fertilizantes más utilizados, y algunas cantidades de ellos son transportados por las aguas de percolación de las tierras de cultivo.
Otras fuentes de nitratos y fosfatos son las aguas residuales domésticas y comerciales y los desechos industriales.
ACTIVIDAD # 8: complemente el tema de contaminación por pesticidas o
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La suma de aportes de nutrientes, principalmente nitratos y fosfatos, aumenta sus cantidades en los cuerpos de agua, en forma desproporcionada, con la consecuente proliferación del fitoplancton que se conoce como eutrofización de los medios acuosos.
La eutrofización trae consigo diversas consecuencias, así:
Pérdida de transparencia del agua, lo cual disminuye la actividad fotosintética por la falta de luz.
Aumenta la descomposición de la materia orgánica.
Como consecuencia de los aspectos anteriores, disminuye la concentración de oxígeno disuelto.
La disminución del oxígeno origina la muerte de los organismos aerobios y da lugar a condiciones anóxicas y reductoras que favorecen las reacciones de fermentación y la producción de gases tóxicos, tales como CH4 y H2S.
Ejercicio:
Los organismos ambientales deciden adelantar un estudio de muestras de agua
recolectada a la entrada de los acueductos locales (justo antes de que se inicie el
tratamiento en el respectivo acueducto), en tres municipios, con las siguientes
actividades económicas principales:
Municipio 1: Población total: 200.000 habitantes, con 30% de la población en el
área urbana dedicada al comercio y población del área rural dedicada a la minería
y producción de cerámicas.
Municipio 2: Población total: 800.000 habitantes, con 50% de la población del área
urbana dedicada al comercio y población del área rural dedicada a la agricultura.
Municipio 3: Población total: 2.500.000 habitantes, con 80% de la población del
área urbana dedicada a las industrias alimenticias, metalúrgicas y de pinturas, y
población del área rural dedicada al cultivo de flores.
Previo al análisis en el laboratorio de las muestras, se solicita a los participantes
en el estudio establecer, para cada municipio, que tipos de contaminantes
químicos se podrían esperar como característicos de sus actividades y comparar
entre municipios el predominio relativo de los contaminantes.
Solución:
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Análisis por municipio: En el municipio 1 la actividad principal es la minería, por lo
tanto se esperaría presencia de contaminantes inorgánicos, especialmente
metales y aniones fluoruro y cianuro.
En el municipio 2 una actividad importante es la agricultura, por lo que se
esperaría presencia de contaminantes orgánicos sintéticos representados
principalmente por pesticidas y por contaminantes del tipo bionutrientes (N y P),
estos últimos adicionados en forma de fertilizantes nitrogenados y fosfatados.
En el municipio 3 es la actividad industrial en ramas específicas que indicarían la
presencia de materia orgánica y de metales.
Análisis comparado de los municipios: En las tres muestras de agua se espera
presencia de materia orgánica procedente de las aguas residuales domésticas; su
concentración será mayor para el municipio 3 por el número de habitantes y el
aporte adicional de las industrias alimenticias. La concentración menor sería la del
municipio 1. Las mismas consideraciones aplican para la presencia de
compuestos orgánicos sintetizados, cuya presencia se esperaría por el uso de
detergentes.
El otro tipo de contaminante común a los municipios 1 y 3, los metales, en
principio se esperaría mayor para el municipio 3, pero se requeriría información
más detallada sobre intensidad de la explotación minera y producción de las
industrias
Al finalizar esta lección, junto con las lecciones anteriores, se han estudiado los
temas relacionados con las propiedades del H2O, las reacciones características de
los sistemas acuosos y los principales contaminantes, lo cual hace posible abordar
el tópico de caracterización y calidad del agua.
Lección 5: Parámetros químicos de calidad del agua
Los parámetros de calidad del agua se establecen de acuerdo con el tipo de uso al
cual se destine. Esto implica que un agua requiere una caracterización para
determinar los atributos biológicos, físicos y químicos que definen su aptitud de
uso.
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Se han establecido unos análisis básicos del agua que permiten la caracterización
y, además, suministran información para definir los tratamientos, cuando estos se
requieran. Estos análisis se presentan en el capítulo 3, lección 15.
5.1. Clasificación de usos del agua en Colombia
La información que se presenta a continuación se basa en la normatividad
existente en el país, para la clasificación de usos del agua: Decreto 1594 de 1984,
Capítulo III, Artículos 29-36, del Ministerio de Agricultura.
Se consideran los siguientes usos del agua:
a. Consumo humano y doméstico. Contempla su empleo en actividades tales
como:
o Fabricación o procesamiento de alimentos en general y en especial
los destinados a su comercialización o distribución.
o Bebida directa y preparación de alimentos para consumo inmediato.
o Satisfacción de necesidades domésticas, individuales o colectivas,
tales como higiene personal y limpieza de elementos materiales o
utensilios.
o Fabricación o procesamiento de drogas, medicamentos, cosméticos,
aditivos y productos similares.
b. Preservación de flora y fauna: comprende la utilización en actividades
destinadas a mantener la vida natural de los ecosistemas acuáticos y
terrestres y de sus ecosistemas asociados, sin causar alteraciones
sensibles a ellos, o para actividades que permitan la reproducción,
supervivencia, crecimiento, extracción y aprovechamiento de especies
hidrobiológicas en cualquiera de sus formas, tal como en los casos de
pesca y acuicultura.
c. Agrícola: comprende su empleo para irrigación de cultivos.
d. Pecuario: comprende su empleo para el consumo del ganado en sus
diferentes especies y demás animales.
e. Recreativo. Comprende su utilización cuando se produce:
o Contacto primario, como en la natación y el buceo.
o Contacto secundario, como en los deportes náuticos y la pesca.
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f. Industrial. Comprende su empleo en actividades tales como:
o Procesos manufactureros de transformación o explotación.
o Generación de energía.
o Minería
g. Transporte: comprende su empleo para la navegación de cualquier tipo de
embarcación o para la movilización de materiales por contacto directo.
5.2. Parámetros químicos de calidad del agua para consumo humano
La Resolución 2115 de 2007 del Ministerio de Protección Social y el Ministerio de
Ambiente establece que el agua para consumo humano no podrá sobrepasar los
valores máximos aceptables para los siguientes parámetros:
PARÁMETRO VALOR MÁXIMO ADMISIBLE OBSERVACIONES
Conductividad 1000 µS/cm
pH 6,5 – 9,0
Antimonio 0,02 mg /L Expresados como Sb
Arsénico 0,01 mg /L Expresados como As
Bario 0,7 mg /L Expresados como Ba
Cadmio 0,03 mg /L Expresados como Cd
Cianuro libre y disociable 0,05 mg / L Expresados como CN-
Cobre 1,0 mg /L Expresados como Cu
Cromo total 0,05 mg /L Expresados como Cr
Mercurio 0,001 mg /L Expresados como Hg
Níquel 0,02 mg /L Expresados como Ni
Plomo 0,01 mg /L Expresados como Pb
Selenio 0,01 mg /L Expresados como Se
Trihalometanos totales 0,2 mg /L Expresados como THMs
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Hidrocarburos aromáticos
policíclicos 0,01 mg /L Expresados como HAP
Carbono orgánico total 5,0 mg /L Expresados como COT
Nitritos 0,1 mg /L Expresados como NO2-
Nitratos 10 mg /L Expresados como NO3-
Fluoruros 1,0 mg /L Expresados como F-
Calcio 60 mg /L Expresados como Ca
Alcalinidad total 200 mg /L Expresados como CaCO3
Cloruros 250 mg /L Expresados como Cl-
Aluminio 0,2 mg /L Expresados como Al3+
Dureza total 300 mg /L Expresados como CaCO3
Hierro total 0,3 mg /L Expresados como Fe
Magnesio 36 mg /L Expresados como Mg
Manganeso 0,1 mg /L Expresados como Mn
Molibdeno 0,07 mg /L Expresados como Mo
Sulfatos 250 mg /L Expresados como SO4-2
Zinc 3 mg /L Expresados como Zn
Fosfatos 0,5 mg /L Expresados como PO4-3
No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, materiales flotantes
provenientes de actividad humana, radioisótopos y otros no removibles por
tratamiento convencional que puedan afectar la salud humana
5.3. Parámetros químicos de calidad del agua para uso agrícola
El Decreto 1594 de 1984, Capítulo IV, Artículo 40, del Ministerio de Agricultura
establece los siguientes parámetros admisibles. Para algunos parámetros que el
decreto no establece valores, se reportan datos de uso a nivel internacional.
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PARÁMETRO VALOR ADMISIBLE OBSERVACIONES
Conductividad 100 - 250 µS/cm
Puede usarse para riego de la
mayoría de los cultivos, en
casi cualquier tipo de suelo
(manual No. 60 Dpto. de
Agricultura USA).
pH 4,5 – 9,0
Aluminio 5,0 mg /L Expresados como Al
Arsénico 0,1 mg /L Expresados como As
Berilio 0,1 mg /L Expresados como Be
Cadmio 0,01 mg /L Expresados como Cd
Cobre 0,2 mg /L Expresados como Cu
Cromo 0,1 mg /L Expresados como Cr+6
Cobalto 0,05 mg /L Expresados como Co
Níquel 0,2 mg /L Expresados como Ni
Plomo 5,0 mg /L Expresados como Pb
Selenio 0,02 mg /L Expresados como Se
Flúor 1,0 mg /L Expresados como F
Hierro 5,0 mg /L Expresados como Fe
Litio 2,5 mg /L Expresados como Li
Manganeso 0,2 mg /L Expresados como Mn
Molibdeno 0,01 mg /L Expresados como Mo
Vanadio 0,1 mg /L Expresados como V
Zinc 2 mg /L Expresados como Zn
Boro 0,3 – 0,4 mg /L Expresados como B. Depende
del tipo de suelo y de cultivo
Se deben hacer mediciones sobre las siguientes características:
a. Conductividad
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b. Relación de adsorción de sodio (RAS) que indica los riesgos de salinización
y alcalinización de los suelos
c. Porcentaje de sodio posible (PSP)
d. Salinidad efectiva y potencial
e. Carbonato de sodio residual
f. Radionucleídos
El parámetro conductividad se refiere a la conductividad eléctrica que refleja la
capacidad del agua para conducir corriente eléctrica y, por tanto, está
directamente relacionada con la concentración de sales disueltas en el agua.
La medición de la conductividad eléctrica del agua es, entonces, una medida de la
salinidad. Niveles excesivos de salinidad en el agua de riego reducen la
disponibilidad de agua para el cultivo (debido a la presión osmótica) y esto causa
la reducción del rendimiento.
5.4. Parámetros químicos de calidad del agua para uso pecuario
El Decreto 1594 de 1984, Capítulo IV, Artículo 41, del Ministerio de Agricultura
establece los siguientes parámetros admisibles.
PARÁMETRO VALOR ADMISIBLE OBSERVACIONES
Arsénico 0,2 mg /L Expresados como As
Boro 5,0 mg /L Expresados como B
Cadmio 0,05 mg /L Expresados como Cd
Cobre 0,5 mg /L Expresados como Cu
Cromo 1,0 mg /L Expresados como Cr6+
Mercurio 0,01 mg /L Expresados como Hg
Plomo 0,1 mg /L Expresados como Pb
Contenido de sales 3.000 mg /L Peso total
Nitrito 10,0 mg /L Expresados como N
Nitratos + Nitritos 100,0 mg /L Expresados como N
Aluminio 5,0 mg /L Expresados como Al
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Zinc 25,0 mg /L Expresados como Zn
5.5. Parámetros químicos de calidad del agua para fines recreativos,
mediante contacto primario
El Decreto 1594 de 1984, Capítulo IV, Artículo 42, del Ministerio de Agricultura
establece los siguientes parámetros admisibles.
PARÁMETRO VALOR ADMISIBLE OBSERVACIONES
Compuestos fenólicos 0,002 mg /L Expresados como fenol
pH 5,0 – 9,0
Oxígeno disuelto 70% de saturación
Tensoactivos 0,5 mg /L Expresados como sustancias
activas al azul de metileno
No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, presencia de material
flotante proveniente de actividad humana; sustancias tóxicas o irritantes cuya
acción por contacto, ingestión o inhalación, produzcan reacciones adversas sobre
la salud humana.
El nitrógeno y el fósforo deberán estar en proporción que no cause eutrofización.
5.6. Parámetros químicos de calidad del agua para fines recreativos,
mediante contacto secundario
El Decreto 1594 de 1984, Capítulo IV, Artículo 43, del Ministerio de Agricultura
establece los siguientes parámetros admisibles.
PARÁMETRO VALOR ADMISIBLE OBSERVACIONES
pH 5,0 – 9,0
Oxígeno disuelto 70% de saturación
Tensoactivos 0,5 mg /L Expresados como sustancias
activas al azul de metileno
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Al igual que para las aguas de contacto primario:
No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, presencia de material
flotante proveniente de actividad humana; sustancias tóxicas o irritantes cuya
acción por contacto, ingestión o inhalación, produzcan reacciones adversas sobre
la salud humana.
El nitrógeno y el fósforo deberán estar en proporción que no cause eutrofización.
Ejercicio:
El análisis de la legislación en cuanto a parámetros y valores máximos permisibles
indica que estos varían según el uso al que se vaya a destinar el agua. Respecto
a este tópico, se pide realizar un análisis comparativo, identificando algunos de los
parámetros más relevantes.
Solución:
pH (unidades de pH):
Tipo de uso del
agua
Valor máximo
permisible Observaciones
Consumo humano 6,5 – 9,0 El rango más estrecho es para el
consumo humano, el cual es muy
cercano al que exhiben las aguas
naturales (no contaminadas).
Para los fines recreativos, el rango es
más amplio, debido a que aunque hay
contacto directo con la piel,
especialmente en el contacto primario,
el riesgo de ingestión está en un nivel
secundario.
El mayor rango permisible es para uso
agrícola, toda vez que en el suelo, el
agua va a entrar en equilibrio con la
solución del suelo y la fase sólida de
éste, donde los valores cercanos o
mayores a 5,0 hasta un valor alrededor
de 8,0 constituyen un intervalo que
permite el desarrollo de un cultivo
Uso agrícola 4,5 – 9,0
Fines recreativos-
contacto primario 5,0 – 9,0
Fines recreativos-
contacto
secundario
5,0 – 9,0
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promedio.
En general, se considera que el pH de
las aguas tanto crudas como tratadas
debería estar entre 5,0 y 9,0 porque en
este rango se pueden controlar los
efectos en el comportamiento de otros
constituyentes del agua.
Conductividad (µS/cm)
Tipo de uso del
agua
Valor máximo
permisible Observaciones
Consumo humano
1000
Presenta un valor alto respecto al del
uso agrícola. No se consideran que las
sales tengan efectos importantes sobre
la salud. El límite se establece
principalmente por los efectos en el
gusto que le imparten al agua
Uso agrícola
100-250
El rango a valores relativamente bajos
busca evitar la salinidad, por los
perjuicios en el rendimiento de los
cultivos
Compuestos fenólicos (mg/L)
Tipo de uso del
agua
Valor máximo
permisible Observaciones
Fines recreativos-
contacto primario 0,002
Son tóxicos para el hombre a ciertas
concentraciones y aún a valores bajos
alteran las características organolépticas
debido a su intenso olor y sabor
desagradables.
Fines recreativos-
contacto secundario
No se considera
como parámetro de
control
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Metales (mg/L)
Tipo
de
metal
Valor máximo permisible
Observaciones Consumo
humano
Uso
pecuario
Uso
agrícola
Cr 0,05 1,0 0,1
Mayor restricción para el consumo
humano. En aguas superficiales está
como Cr (III) a pH < 5 y en esta forma
es esencial para el hombre pues
promueve la acción de la insulina y
como Cr (VI) a pH > 5 y tiene efectos
fisiológicos adversos
Hg 0,001 0,01
No aparece
como
parámetro
de control
Mayor restricción para el consumo
humano. Metal muy tóxico para el
hombre en las formas aguda y tóxica
Pb 0,01 0,1 5,0
Mayor restricción para el consumo
humano. Tiene gran capacidad de
bioacumulación; afecta prácticamente
todos los órganos de seres humanos
y animales
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PREGUNTAS Y EJERCICIOS
1) Establezca las diferencias principales entre el comportamiento del agua y sus
compuestos homólogos. A que se atribuyen estas diferencias; justifique su
respuesta.
2) Enumere por lo menos cinco propiedades del agua, con sus valores respectivos
y explique su importancia para la existencia y mantenimiento de la vida en nuestro
planeta.
3) Cuál es la composición química de las aguas naturales. ¿Se puede hablar de
agua pura? Justifique su respuesta.
4) De las especies químicas presentes en el agua natural ¿Cuáles conforman
soluciones? ¿Cuáles suspensiones o dispersiones coloidales? Y en cada caso
¿Cuál es su origen?
5) Establezca la relación entre los usos del agua y las denominadas aguas
residuales.
6) Establezca la relación entre potencial químico, energía libre de Gibbs y
equilibrio químico.
7) Con base en el diagrama de fases del agua, explique qué fenómenos están
representados en los siguientes puntos: N, C, M y A.
8) Con base en el fenómeno conocido como liofilización, explique las reacciones o
cambios de fase del agua.
9) Establezca la relación entre los valores de ∆Go y K de la reacción de formación
del agua y el concepto de espontaneidad.
10) Plantee tres ejemplos de hidrólisis del agua, estableciendo en cada caso las
reacciones balanceadas.
11) La solución acuosa de un ácido débil, HA, tiene un pH de 3,5. La
concentración del ácido en la solución es 0,15 M. Determine la constante de
disociación, Ka, del ácido débil.
12) Para la solución acuosa 0, 65 M de NaCN, determine el pH. Tenga en cuenta
que la disolución de la sal produce hidrólisis básica. Ka (HCN) = 6,2 x 10-10
CN- + H2O HCN + OH-
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13) Enumere los principales agentes oxidantes y los reductores en el agua.
Considere procesos aeróbicos y anaeróbicos y, para cada caso, relacione la
ocurrencia de los agentes con los diferentes valores de pH.
14) Un agua residual contiene 8,5 mg/L de Ni2+. Se requiere tratar el agua con una
solución de NaOH para precipitar el níquel. Calcule la cantidad de NaOH requerida
y la concentración de Ni2+, expresada en ppb, en el agua residual después de
tratada.
Ni2+ + 2 NaOH Ni (OH)2 + 2 Na+
Tenga en cuenta que el Ni (OH)2 es poco soluble y la concentración de Ni2+ está
regida por su producto de solubilidad, Kps = 5,5 x 10-16
15) Para cada uno de los tres grandes grupos de agentes químicos de
contaminación de las aguas, elabore una tabla que muestre los principales tipos
de especie química al interior de cada grupo con la correspondiente fuente y el
respectivo efecto contaminante.
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CAPITULO 2: TRATAMIENTO QUÍMICO DEL AGUA
Introducción
El tratamiento de aguas comprende una serie de procesos que tienen como
finalidad reducir o remover los contaminantes del agua. Para esto es preciso tener
en cuenta, en primera instancia, los diferentes tipos de contaminantes y conocer
las reacciones que tienen lugar en un sistema acuoso. Estos aspectos junto con la
calidad de agua que se requiere, la cual está determinada por el uso previsto para
ella, determinan la clase de tratamiento que debe aplicarse, en una situación
específica.
A los tratamientos van asociados procesos de naturaleza biológica, física y
química. En este capítulo se hace énfasis en los procesos físico-químicos.
Lección 6: Procesos químicos en el tratamiento de aguas
Los conceptos anteriores permiten establecer
Debido a que la naturaleza de la contaminación presente en la aguas es uno de
los determinantes fundamentales de los tipos de tratamientos de aguas existentes,
se puede establecer una relación directa entre los procesos involucrados en los
tratamientos y las diferentes clases de contaminantes. La Tabla 6 muestra dicha
relación para los principales procesos físico-químicos y químicos, no se presentan
los conocidos como puramente físicos ni los biológicos.
Con base en la información anterior establezca: a) que tipo de especies químicas
y de contaminantes pueden estar presentes y b) si el agua se va a reutilizar como
agua de riego ¿qué otros parámetros sería importante conocer y por qué?
Solución:
a) La conductividad indica un contenido alto de sales disueltas; la dureza total la
presencia de calcio y magnesio que corresponderán a una cantidad relativamente
importante de los cationes que conforman las sales presentes; el DBO y el DQO
indican un contenido alto de materia orgánica y su relación (alrededor de 0,4)
señala que la cantidad de materia orgánica no biodegradable es de una magnitud
similar a la biodegradable.
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b) Si el agua se va a reutilizar como agua de riego sería importante conocer: la
concentración de sodio y determinar el índice SAR que indica los peligros de
salinización y alcalinización de los terrenos y la concentración de metales pesados
que pueden ser tóxicos para las especies vegetales.
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PREGUNTAS Y EJERCICIOS
1) Para la eliminación de partículas coloidales y de sales disueltas en aguas ¿qué
procesos físico-químicos pueden utilizarse? Para cada uno de ellos explique en
qué consisten.
2) El cloruro férrico reacciona con la alcalinidad del agua o en su defecto con cal
para formar floc de hidróxido férrico.
Si una planta trata 500 m3/día de agua con 20 mg/L de FeCl3 y el agua contiene la
alcalinidad suficiente, resuelva los siguientes puntos:
a. Plantee la reacción química correspondiente.
b. Determine la alcalinidad requerida.
c. Calcule el consumo diario de cloruro férrico.
3) Indique los floculantes inorgánicos y los orgánicos de mayor uso en el
tratamiento de aguas y establezca una comparación entre ventajas y desventajas
entre estos tipos de floculantes.
4) El esquema siguiente corresponde a los procesos utilizados en una planta de
tratamiento de aguas:
Explique:
a. Qué tipo de contaminante se trata en cada proceso.
b. En qué procesos se debe adicionar reactivos químicos y qué productos se pueden utilizar.
5) El cloro se utiliza para el control de microorganismos en aguas. Plantee la reacción de cloro elemental gaseoso con el agua y explique el efecto de su adición en el pH del agua.
6) Determine la relación estequiométrica, expresada en masa, para la destrucción de nitrógeno amoniacal con cloro, al punto de quiebre.
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7) Para una concentración de ácido hipocloroso de 1,4 mg/L-Cl2, calcule la
concentración de cloro libre en agua con pH 7 y temperatura de 20°C. La
constante de disociación del ácido, a 20°C es 2,7 x 10-8.
8) Indique que especies químicas constituyen el denominado residual de cloro
libre y cuáles el residual de cloro combinado. Compare su estabilidad y efectividad
como desinfectantes.
9) Existen diferentes métodos para el ablandamiento del agua. Para los siguientes
métodos indique su principio y los compuestos requeridos.
a. Con cal y carbonato de sodio.
b. Con soda cáustica.
c. Con resinas de intercambio catiónico.
10) Se requiere precipitar la dureza de un agua de la cual se tiene la siguiente
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Turbidez
Color
Olor y sabor
Temperatura
Sólidos
Conductividad
Análisis químicos básicos
PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
pH
La concentración de H+ en el agua no necesariamente indica la presencia de ácidos. La presencia de sales como las de aluminio, por hidrólisis, puede generar [H+] mayores o iguales a 1 x 10-4 M
Tiene mucha influencia en una serie de reacciones que ocurren en el agua. Un agua con pH< 6,0 se considera agresiva y corrosiva para los metales. Tiene gran importancia en el tratamiento del agua, especialmente en la coagulación, desinfección y estabilización.
Potenciométrica
Alcalinidad
Capacidad para neutralizar ácidos o medida del contenido total de iones OH-. En aguas naturales se
Sirve para evaluar la capacidad tampón del agua. El valor también es necesario para
Titulación potenciométrica o por medio de indicadores, con una solución de un ácido, como el
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
debe a la presencia de bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos.
determinar la viabilidad de los procesos de coagulación, ablandamiento y control de la corrosión.
sulfúrico. Se realiza en dos etapas sucesivas determinadas por los puntos de equivalencia de los bicarbonatos y el ácido carbónico. Se expresa como mg/L de carbonato de calcio
Acidez
Capacidad para neutralizar bases o medida del contenido total de sustancias ácidas. Puede deberse a la presencia de CO2, la presencia de acidez mineral y la hidrólisis de ácidos conjugados de bases débiles, de bases conjugadas de ácidos débiles y de sales de cationes trivalentes y algunos divalentes.
Sirve para evaluar si un agua es estable, es corrosiva o es incrustante.
Titulación con una solución de NaOH y determinación de los puntos de equivalencia de cada uno de los compuestos que originan la acidez.
Dureza
Concentración de sales minerales, primordialmente de calcio y magnesio presentes en determinada cantidad de agua. Se debe a la presencia, en el agua, de cationes divalentes (especialmente: Ca++, Mg++, Sr++, Fe++ y
Sirve para evaluar si un agua es apropiada para uso doméstico e industrial y para determinar la necesidad de adelantar un proceso de ablandamiento.
Titulación complexométrica con el uso de EDTA o de sus sales de sodio
163
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
Mn++) que forman precipitados al reaccionar con los jabones y de aniones (especialmente: HCO3
-, SO42-, Cl-,
NO3- y SiO3
2-) que pueden formar incrustaciones.
Compuestos
de nitrógeno
Se estudian las siguientes formas del nitrógeno: amoniacal, nitratos, nitritos y orgánico. Las diferentes formas del nitrógeno existentes en la naturaleza y las reacciones de transformación no son una excepción en el agua, como compartimento ambiental.
Las diversas formas son indicadores del tipo de contaminación, así: Predominio de nitrógeno orgánico y amoniacal indica contaminación reciente y peligro potencial alto. La presencia de nitratos, en un alto porcentaje, indica ocurrencia de la contaminación con bastante anterioridad respecto al momento de hacer el análisis.
Para las formas amoniacales, nitratos y nitritos se utilizan métodos colorimétricos. Para el nitrógeno orgánico y total el método de Kjeldahl (digestión, destilación y titulación)
Compuestos
de azufre
Dependiendo de las condiciones del agua se presentan diferentes formas del azufre: SO4
2-, HSO4-,
SO32-, HSO3
-, S2O32-,
SO2, H2S, HS-.
De acuerdo con la concentración de sulfatos se pueden determinar problemas potenciales de
Sulfatos: método turbidimétrico Sulfuros y sulfitos: método yodométrico
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
olor y corrosión, por su reducción a H2S, por ejemplo en alcantarillas. La subsecuente oxidación del H2S puede ocasionar ataques a los materiales de concreto de, por ejemplo, las alcantarillas.
Compuestos
de fósforo
Se estudian las siguientes formas del fósforo: ortofosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicos. Estas formas pueden existir bien sea como soluciones o como suspensiones
La información sobre concentración se requiere para estudios de contaminación de cuerpos naturales de agua, debido a su incidencia en la eutrofización, y para establecer los mecanismos de purificación y tratamiento de las aguas.
La forma que se va a cuantificar se convierte a un ortofosfato. El ortofosfato se hace reaccionar para formar un complejo coloreado (usualmente fosfomolibdato azul) y la concentración se determina por colorimetría.
Hierro y
manganeso
En aguas subterráneas están presentes como Fe++ y Mn++. En aguas que contienen oxígeno disuelto están presentes como Mn4+
y como Fe3+
La información sobre concentración se requiere para determinar la aptitud de uso de aguas subterráneas. Se requiere, también, para establecer sistemas de tratamiento y
Colorimétricos: para hierro dos métodos principales: con fenantrolina y con tripiridina; para manganeso el método del persulfato. Absorción atómica: para ambos elementos. De acuerdo con los
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
purificación y para el control de la corrosión en tuberías.
niveles de concentración la técnica de llama o la de horno de grafito.
Fluoruros Los fluoruros son compuestos poco solubles en agua
La información sobre concentración se requiere para determinar la necesidad de adición o de remoción, en las aguas de consumo.
Métodos colorimétricos y electrodos de membrana selectiva
Cloruros
Están presentes en todas las aguas naturales: en las aguas de mar es el anión predominante; a los ríos llegan por la acción disolvente del agua sobre la capa vegetal de los terrenos; por descargas de aguas residuales.
Las pruebas de cloruros son útiles para establecer la trayectoria de contaminación de pozos. La concentración de cloruros se utiliza para determinar la necesidad de desalinización, en aguas para consumo, y el tipo de equipos requeridos para dicho fin.
Método de Mohr
Sílice
Dependiendo del pH del agua, se puede encontrar en las siguientes formas: partículas coloidales de SiO2, ácido silícico e iones silicato.
De acuerdo con la concentración de sílice se pueden determinar problemas potenciales de incrustaciones, por ejemplo, en
Formación de ácido molibdosilícico y determinación colorimétrica.
166
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
calderas y turbinas.
Oxígeno
disuelto (OD)
Proviene de la mezcla agua aire y del oxígeno producido por la fotosíntesis de las plantas acuáticas
Determina la existencia de condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Permite establecer si se constituye en un agente de corrosión para el hierro y el acero
Método de las modificaciones de Alsterberg al método de Winkler
Demanda
bioquímica de
oxígeno
(DBO5)
Medida de la cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos heterótrofos durante el proceso de oxidación o mineralización de la materia orgánica, en un período de 5 días a 20°C La materia orgánica oxidada corresponde a compuestos orgánicos biodegradables que pueden ser inclusive compuestos aromáticos.
Permite determinar la cantidad de materia orgánica presente en aguas. Se manejan los siguientes indicadores: - DBO < 3ppm de O2 corresponde a aguas muy puras. - DBO entre 3-5 ppm de O2 corresponde a aguas con pureza intermedia. - DBO > 8 ppm de O2 corresponde a aguas contaminadas - DBO entre 100-400 ppm de O2 corresponde a aguas residuales urbanas.
Técnica de dilución
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
- DBO > 400 hasta 10.000ppm de O2 corresponde a aguas industriales.
Demanda
química de
oxígeno (DQO)
Medida del contenido orgánico total de una muestra, oxidable por dicromato en solución ácida. No se oxidan los compuestos aromáticos.
El valor DQO junto con el de DBO, permite establecer las condiciones de biodegradabilidad y se requiere para determinar la eficiencia de las unidades de tratamiento. La relación DQO/DBO se conoce como índice de biodegradabilidad: DQO/DBO = 1,5 indica materia orgánica muy biodegradable. DQO/DBO = 2,0 indica materia orgánica moderadamente biodegradable. DQO/DBO = 10 indica materia orgánica poco biodegradable. También se tienen establecidos
Digestión y titulación colorimétrica del dicromato residual
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
indicadores con la relación DBO/DQO, así: DBO/DQO < 0,2 corresponde a contaminantes no biodegradables. DBO/DQO > 0,6 corresponde a contaminantes biodegradables.
Sodio
En las aguas naturales, se encuentra en forma iónica proveniente de sales muy solubles, generalmente cloruros. En aguas residuales proviene de la orina y de las sales de uso industrial.
De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción. En el caso de aguas para consumo, no hay límites de concentración establecidos. Pero para en aguas para riego se debe controlar su contenido porque afecta las propiedades físico-químicas del suelo y el crecimiento de las plantas,
Absorción atómica o emisión con llama. Electrodos de membrana selectiva para sodio.
Potasio
En aguas naturales se encuentra en forma iónica, junto con el sodio, pero en menor concentración
De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción. Aunque es un nutriente esencial,
Absorción atómica o emisión con llama. Electrodos de membrana selectiva para potasio
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
es catártico y, por esto, por encima de ciertos valores (> 2000 mg/L) no es recomendable en aguas para consumo.
Grasas y
aceites
Comprenden varias clases de lípidos que incluyen en su estructura química, principalmente, ésteres de ácidos grasos de cadena larga e hidrocarburos de cadena larga con un grupo ácido carboxílico en un extremo.
De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de pretratamiento y la eficiencia de los procesos de remoción
Separación de las sustancias por acidificación y posterior extracción mediante freón-113 o hexano sobre un frasco de destilación. Evaporación del solvente orgánico y pesada del residuo seco.
Detergentes
Conformados por varios tipos de compuestos. Uno de ellos el surfactante que puede ser de dos tipos principales: sulfonatos de alquilbenceno lineales y sulfatos de alquilbenceno de cadena ramificada
De acuerdo con la concentración, indican el potencial de formación de espuma y el riesgo de eutrofización
Formación de complejo coloreado y medición espectrofotométrica a 652 nm
METALES
PESADOS
Los metales pesados están presentes en el agua superficial, principalmente, procedentes de las actividades industriales y comerciales.
En las aguas existen en forma coloidal, de partículas y en fases disueltas. Las formas
De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción.
Estos metales tienen niveles óptimos de concentración, por encima de los cuales resultan
Existen diversos métodos cuya selección para una aplicación particular debe tener en cuenta factores como la sensibilidad, la exactitud y la precisión del método.
Algunos de estos
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
solubles generalmente son iones, quelatos o complejos organometálicos no ionizables.
La solubilidad depende del pH, la concentración de los ligandos con los cuales el metal puede enlazarse y por el estado de oxidación de los componentes del sistema.
Se consideran de interés para los sistemas acuíferos superficiales los siguientes: Cr, As, Cd, Hg, Sb y Pb.
tóxicos.
La concentración máxima permisible de estos metales depende del uso que se la vaya a dar al agua que los contiene.
métodos son:
Espectrometría de absorción atómica con técnica de llama.
Espectrometría de absorción atómica con horno de grafito.
Espectrometría de absorción atómica por generación de hidruros.
Espectrometría de absorción atómica mediante vapor frío.
Espectrometría de emisión atómica con técnica de llama.
Espectrometría de emisión atómica por plasma acoplado inductivamente (ICP).
Espectrometría de masas acoplada con ICP
Ejercicios:
1) Alcalinidad:
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Determinar la alcalinidad total del agua y sus diversas formas, para una muestra
de 210 mL de agua con un pH de 10, la cual requirió 12 mL de H2SO4 0,02 N para
alcanzar un pH de 8,3 y 20 mL adicionales del mismo ácido, con igual
concentración para alcanzar un pH de 4,5.
Solución:
Como ya se mencionó la alcalinidad se debe a la presencia de bicarbonatos,
carbonatos e hidróxidos. Por tanto, en la titulación con el ácido sulfúrico se
presentan los siguientes equilibrios químicos:
H+ + OH- H2O
H+ + CO32- HCO3
-
H+ + HCO3- H2CO3
Las respectivas curvas de titulación, presentan los siguientes resultados:
a. La concentración de iones OH- libres se neutraliza a un valor de pH > 8,3.
b. La mitad de los carbonatos se neutraliza a pH 8,3 y el total a pH 4,5.
c. Los bicarbonatos se neutralizan a pH 4,5.
De acuerdo con lo anterior, la alcalinidad total comprende la alcalinidad por
bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, corresponde a pH 4,5 y se denomina T y la
alcalinidad a pH 8,3 se denomina de fenolftaleína, F.
Las relaciones entre los diferentes tipos de alcalinidad pueden calcularse con
base en la tabla siguiente:
Resultado de la
titulación
Alcalinidad de
hidróxidos como
CaCO3
Alcalinidad de
carbonatos
como CaCO3
Alcalinidad de
bicarbonatos
como CaCO3
F = 0 0 0 T
F < ½ T 0 2F T – 2F
F = ½ T 0 2F 0
F > ½ T 2F - T 2(T – F) 0
F = T T 0 0
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De acuerdo con los datos del problema, se tiene.
Cálculo de alcalinidad total (T):
Alcalinidad total = (32 x 0,02 x 50.000) / 210 = 152,38 mg/L – CaCO3
Cálculo de alcalinidad de fenolftaleína (F):
Alcalinidad F = (12 x 0,02 x 50.000) / 210 = 57,14 mg/L – CaCO3
De acuerdo con estos resultados y la información de la tabla anterior, se puede
concluir que para la muestra de agua del problema:
Alcalinidad total = 152,38 mg/L – CaCO3
Alcalinidad de hidróxidos, como CaCO3 = 0
Alcalinidad de carbonatos, como CaCO3 = 114,28 mg/L – CaCO3
Alcalinidad de bicarbonatos, como CaCO3 = 38,10 mg/L – CaCO3
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2) Compuestos de nitrógeno:
Una muestra de agua, con pH = 7,5 tiene un contenido de nitrógeno amoniacal de
1,5 mg/L-N. Calcular la cantidad de NH3 no ionizado.
Solución:
El equilibrio químico que se presenta es el siguiente:
NH4+ NH3 + H+
[NH3] [H+]
K = = 5,6 x 10-10
[NH4+]
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3) Sodio y potasio: Calcular la concentración de sodio y potasio de una muestra de agua con los
siguientes resultados de análisis.
Ca2+ = 16,0 mg/L
Mg2+ = 12,2 mg/L
Fe2+ = 7,6 mg/L
Al3+ = 2,7 mg/L
HCO3- = 112,2 mg/L
CO32- = 44,1 mg/L
SO42- = 25,0 mg/L
Cl- = 25,6
Solución:
El cálculo se hace con base en la concentración, expresada en meq/L, de los
demás cationes y aniones presentes en la muestra de agua. La diferencia entre la
suma de los aniones y los cationes se asume que es igual a la cantidad de sodio
más potasio, la cual se acostumbra expresar como sodio.
Entonces:
Especie química mg/L en la
muestra
Masa de 1 meq
(mg)
No. de meq/L en
la muestra
Ca2+ 16,0 20,0 0,80
Mg2+ 12,2 12,0 1,02
Fe2+ 7,6 28,0 0,27
Al3+ 2,7 9,0 0,30
HCO3- 112,2 61,0 1,84
CO32- 44,1 30,0 1,47
SO42- 25,0 48,0 0,52
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Cl- 25,6 35,5 0,72
Σ cationes = 2,39 meq/L
Σ aniones = 4,55 meq/L
Luego:
Na + K = Σ aniones - Σ cationes
Na + K = 4,55 – 2,39 = 2,16 meq/L
Expresando la concentración como Na se tiene:
Na + K = 2,16 meq/L x 23 mg/meq
Na + K = 49,7 mg/L – Na
4) Oxidación de la materia orgánica:
El análisis de una muestra de agua presenta los siguientes resultados:
DBO5 = 210 mg O2 /L y DQO = 569 mg O2 /L
Establecer el posible tipo de agua y la naturaleza de la materia orgánica que
contiene.
Solución:
El valor del DBO entre 100-400 indica un tipo de agua residual urbana.
La relación DQO/DBO = 2,7 indica la presencia de materia orgánica
moderadamente biodegradable.
176
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PREGUNTAS Y EJERCICIOS
1) Para las siguientes fuentes de agua, de las cuales se requiere un análisis de
parámetros químicos, indique el tipo de muestra que tomaría: agua superficial con
variaciones estacionales, planta de tratamiento (para determinar su eficiencia),
lago natural, río con variaciones en composición según ancho y profundidad. En
cada caso justifique su respuesta, incluyendo los criterios de sitio y tiempo de
muestreo.
2) Indique los criterios técnicos que garantizan la integridad y representatividad de
las muestras de agua recolectadas para análisis, explicando para cada caso su
incidencia en los resultados analíticos.
3) Con base en lo desarrollado en la Actividad # 11 complete el siguiente cuadro
relacionado con características del muestreo según tipo de aguas (cuando alguno
de los ítems no aplique al tipo de agua, escriba NA en la celda correspondiente):
TIPO DE AGUA
RESIDUAL SUBTERRÁNEA
Tipo de muestra
Operaciones previas al
muestreo
Equipos principales
Envases para muestreo
Parámetros para
análisis en campo
Manipulación y
conservación de
muestras para análisis
en el laboratorio
Operaciones en campo
Métodos de aforo de
caudales
Procedimientos
especiales de aforo
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(indicar cuándo se usan)
Purgado del pozo
Orden del muestreo
Comentarios
específicos
4) Con base en el método gráfico de N vs. s/U
Establezca el número de muestras de agua que se deben recolectar para el
análisis de los analitos que se presentan en la siguiente tabla.
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Analito
S (desviación
estándar)
mg/L
U
(incertidumbre)
mg/L
N (número de muestras)
Nivel de confianza
99% 95% 90%
pH 0,3 0,1
Cr 0,03 0,02
Fe 0,4 0,1
Fosfatos 0,05 0,025
¿Qué concluye respecto a los valores de la relación s/U y los diferentes niveles de
confianza? ¿Cuáles son las implicaciones prácticas en el muestreo y cuáles en los
resultados analíticos?
5) Indique al menos cinco parámetros cuya determinación analítica se debe
realizar directamente en campo (en el momento de recolección de la muestra).
Justifique su respuesta.
6) Establezca la finalidad de las técnicas de conservación de las muestras de
aguas y los controles que se ejercen en la práctica.
7) Determine la alcalinidad de una muestra de 60 mL de agua que requiere de 7
mL de ácido sulfúrico 0,025 N para alcanzar un pH = 4,5.
8) Para un agua con contenido de nitrógeno amoniacal de 14 mg/L-N y pH = 6,0,
determine la concentración de NH3 no ionizado y de ión NH4+.
9) Considere la siguiente situación: a 10 mL de agua residual con OD (oxígeno
disuelto) = 0 mg/L se le adicionan 290 mL de agua de dilución con OD = 9,6 mg/L
y la mezcla se somete a un ensayo de DBO; después de la incubación el OD de
de la mezcla es 6,0 mg/L. Determine el DBO del agua residual.
10) En aguas superficiales las concentraciones de hierro ferroso en solución son
muy bajas (< 1 mg/L), mientras que en aguas subterráneas son apreciables, de
acuerdo con la siguiente reacción:
4Fe2+ + 8HCO3- + 2H2O + O2 4 Fe(OH)3 + 8CO2
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a. Calcule cómo afectarán la alcalinidad, 4 mg/L de Fe2+ disueltos en agua.
b. Explique si la oxidación del hierro puede tener efecto sobre el pH del agua.
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Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD
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Fuentes Documentales de la Unidad 1
ACS Medio Ambiente. Membranas para tratamiento de agua. Consultado en:
tipo picnic, formatos y tarjetas de identificación.
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La muestra obtenida con la pala se manipula de la siguiente manera: se elimina el
suelo contenido en los bordes alrededor de la pala (franja de alrededor de 5 cm
medidos dese el borde hacia el interior de la pala) y se utiliza la muestra que
queda en el centro de la pala. Si se trata de una muestra individual se empaca en
bolsas plásticas y se rotula; si la muestra hace parte de una muestra compuesta
se deposita en un recipiente dispuesto para la mezcla y homogenización de las
diferentes muestras.
2) Barrenos: Estas herramientas son las más utilizadas porque se pueden utilizar a
diferentes profundidades de muestreo.
Existen varios tipos de barrenos:
De sonda o tubo: apropiados para muestreos superficiales de suelos
suaves. Las muestras se obtienen en volúmenes uniformes y a la misma
profundidad.
De taladro: apropiados para muestreos de suelos arcillosos, compactados o
pedregosos.
Holandés: apropiados para muestreos de suelos a profundidades de hasta
1,5 m.
Shelby (de pared delgada): apropiados para muestreos de suelos suaves
(arenas) y duros (gravas) a profundidades desde 0 cm hasta el lecho de la
roca.
En la Figura 36 se presentan diferentes tipos de puntas para barrenos
desarmables: de izquierda a derecha: a) Riverside, para suelos pesados,
mezclados con grava fina y saturados o secos; b) suelos pedregosos, con
alto contenido de grava; c) espiral, para atravesar horizontes muy duros y d)
captura piedras.
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Figura 36. Puntas para barreno55
3) Balde: se utiliza para depositar submuestras o muestras individuales que
forman parte de una muestra compuesta, las cuales finalmente se mezclan y
homogenizan.
4) Bolsas plásticas (polietileno): se utilizan para empacar las muestras. Se debe
revisar el contenido de PBC (bifenil policlorados) que puede incidir en la presencia
de sustancias contaminantes.
5) Neveras tipo picnic: se utilizan para congelar o refrigerar las muestras con hielo
seco, cuando la naturaleza del contaminante y el tipo de análisis a realizar así lo
requieran.
55 Tomado de: http://www.interfasetres.com.ar/producto/muestreo-de-suelos/barrenos
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6) Formatos de recolección de la información de muestreo: deben incluir la
siguiente información: fecha de muestreo, nombre y profesión de la persona que
realiza el muestreo, localización geográfica de la zona de muestreo, descripción
del área afectada, uso actual del área, régimen de lluvias, profundidad del
muestreo, presencia del nivel freático (profundidad en centímetros), tipo de
contaminante, tipo de análisis solicitados, presentación de un mapa o esquema de
la zona muestreada, relación de las muestras recolectadas, nomenclatura de los
horizontes y observaciones generales.
7) Tarjetas de identificación: se utilizan para identificar cada muestra claramente.
Se deben proteger con plástico para evitar el deterioro y pérdida de la información.
Deben contener la siguiente información: fecha de muestreo, localización
geográfica, profundidad de muestreo, nombre y/o código de la muestra y análisis
solicitados.
Las etapas características del proceso de muestreo con los equipos y materiales
requeridos se presentan en la Figura 37.
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Figura 37. Esquema general del proceso de muestreo de suelos56: (1) Limpieza de
la superficie del suelo. (2) Delimitación de las unidades de muestreo. (3) Equipos y materiales. (4) Aplicación del tipo de
muestreo. (5) Toma de muestra con pala y eliminación de parte de la muestra ubicada en los bordes de la pala. (6)
Obtención de una muestra compuesta a partir de la mezcla y homogenización de muestras individuales. (7) Empaque y
rotulación de las muestras.
56Ibíd., p. 8: il.
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Lección 30: Parámetros químicos de análisis
Los resultados del estudio de los parámetros químicos conforman una parte
importante de la información requerida para determinar los elementos
constituyentes, la fertilidad química y las sustancias contaminantes presentes en
un determinado tipo de suelo.
Análisis químicos de caracterización para la interpretación de la calidad de
los suelos
PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
CONTENIDO DE
HUMEDAD DEL
SUELO (PW)
Es una de las propiedades menos constantes del suelo. Se determina a 105°C, previo secado del suelo al aire (máximo 40°C).
El agua eliminada a 105°C tiene relación con el agua móvil o no ligada y de ninguna manera puede reportarse como equivalente a la humedad correspondiente a capacidad de campo, ni al agua combinada.
La determinación del PW se hace con el fin de relacionar los resultados de las determinaciones de otros parámetros del suelo a una base común, esto es, el secado del material en estufa a 105°C
Se utilizan las operaciones de secado y pesada.
Se expresa en porcentaje
PALABRAS CLAVE: caracterización del suelo
278
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
pH
La reacción del suelo se mide por la actividad de los iones hidrógeno expresada en términos de pH, la cual influye en aspectos tales como la disponibilidad de los nutrientes y la actividad de los microorganismos.
El pH es uno de los parámetros más usados debido a que se relaciona e influye en el comportamiento de variables físico químicas, biológicas y mineralógicas fundamentales del suelo.
Se utilizan métodos colorimétricos y electrométricos para medir el pH de los suelos.
El método colorimétrico se utiliza únicamente en campo y se basa en el cambio de color producido por la actividad del ión hidrógeno con un indicador del tipo ácido-base. Este método es aproximado ya que en muchos casos se enmascara el color debido a la presencia de materia orgánica y/o sesquióxidos.
El método electrométrico que es el más utilizado se basa en la medición de un potencial de un electrodo sensible al ión hidrógeno en relación con un electrodo de referencia.
CAPACIDAD DE
INTERCAMBIO
CATIÓNICO (CIC).
La presencia de los cationes se ubica en tres categorías: fase sólida, intercambiable y soluble. Los intercambiables son los que se pueden reemplazar por medio de soluciones de sales neutras que
Probablemente la propiedad más importante y distintiva de los suelos consiste en que éstos pueden retener iones y liberarlos lentamente a la solución del suelo
Los métodos utilizados pueden agruparse de la siguiente manera:
1. Los cationes intercambiables se reemplazan por amonio, bario, calcio o sodio y el catión adsorbido
279
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
fluyen a través del suelo. Los solubles se remueven con sólo agua.
Los cationes intercambiables son retenidos en la superficie de minerales del suelo y dentro del enrejado cristalino de algunos minerales o por algunos compuestos orgánicos, pero pueden ser reversiblemente reemplazados por aquellos de soluciones salinas y ácidas. La suma de estos cationes se define como Capacidad de Intercambio Catiónico.
y a las plantas. (esto es, el catión utilizado para reemplazar los cationes intercambiables del suelo) se cuantifica posteriormente mediante titulación ácido-base.
2. Utilización de ácidos diluidos y titulación del hidrógeno y el aluminio que saturan el material de intercambio, con una base, hasta pH 7,0 u 8,5.
3. Operacionales, en los cuales la CIC no se determina directamente, sino por la suma de bases intercambiables (Ca++, Mg++, Na+ , K+ ), más el aluminio e hidrógeno de cambio.
El orden de magnitud de la CIC para un mismo suelo depende del método utilizado para su determinación, por lo tanto, cuando se reportan los valores es de gran importancia
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
especificar el método utilizado en términos de pH de la solución reemplazante y la clase de sal empleada.
Se expresa en cmol (+) /
kg suelo
BASES
INTERCAMBIABLES
Las bases intercambiables están constituidas por metales alcalinos o alcalinotérreos unidos a la arcilla y a los constituyentes orgánicos de los suelos. Las principales bases intercambiables son calcio, magnesio, potasio y sodio.
El contenido de bases intercambiables, especialmente calcio, magnesio y potasio, se utiliza como uno de los criterios para determinar la calidad del suelo para uso agrícola. Los suelos fértiles presentan altos contenidos de calcio y magnesio. Una saturación de bases menor del 35% se considera baja y el correspondiente suelo se clasifica como de baja calidad, en relación con un uso agrícola.
Los métodos utilizados en la determinación de las bases intercambiables se fundamentan en el desplazamiento de las bases adsorbidas sobre el complejo de cambio del suelo, mediante el uso de soluciones concentradas de sales, como acetato o cloruro de amonio, acetato o cloruro de sodio o cloruro de bario.
Una vez extraídas las bases se cuantifican de la siguiente manera:
Ca y Mg mediante titulaciones complexométricas con indicador, o por absorción atómica técnica de llama.
Na y K por emisión de llama.
Los resultados para
cada base se expresan
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
en cmol (+) / kg suelo
CONDUCTIVIDAD
ELÉCTRICA
La conductividad eléctrica en medios líquidos corresponde a su capacidad para transportar corriente eléctrica. Una solución electrolítica permite el paso de la corriente por la migración de los iones bajo la influencia de un gradiente de potencial.
Se utiliza para indicar la concentración total de especies químicas iónicas presentes en la solución del suelo, es decir, sirve como un estimativo del contenido de sales solubles en el suelo. Valores > 4 mS/cm indican suelos moderadamente salinos, > 8 mS/cm fuertemente salinos y >16 mS/cm muy fuertemente salinos.
La medición de la conductividad eléctrica se realiza mediante el uso de conductímetros. Estos instrumentos constan básicamente de dos placas de un material como el platino a las que se aplica una diferencia de potencial. Los conductímetros miden una conductividad específica resultante de la conductividad medida multiplicada por la constante de la celda del instrumento. Los valores se expresan en dS/ m, mS/cm ó µS/cm
TEXTURA DEL
SUELO
La textura se refiere específicamente a las proporciones relativas de las partículas de arena, limo y arcilla en la fracción fina, es decir tamizado a través de una malla con diámetro igual a 2mm.
La textura es importante porque se relaciona con la cantidad de agua que puede almacenar un suelo, su movimiento a través del perfil y la facilidad de abastecimiento de nutrientes y de aire; todo esto de gran importancia
En la caracterización básica del suelo se utiliza el método de Bouyoucos modificado que no emplea técnicas específicas por tipo de agente cementante. Únicamente contempla la dispersión de las partículas en una solución acuosa mediante la presencia de una sal o mezcla de varias sales de sodio. La
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
para las plantas.
Esta propiedad es también importante en la determinación de la movilidad de sustancias contaminantes, en la taxonomía y el mapeo de los suelos, en la clasificación de las tierras con fines de riego y drenaje, en la conservación de los suelos y en el manejo de las cuencas hidrográficas.
Se requiere conocer la distribución por tamaño de partículas para determinar la clase textural.
efectividad de los agentes dispersantes depende de la adsorción del sodio en los sitios de intercambio y de la neutralización de las propiedades coagulantes del calcio. Por lo anterior se considera un método semicuantitativo.
Después de la dispersión se pueden diferenciar las partículas por tamaño. La técnica más usada para la separación de las partículas se basa en la relación entre su tamaño y la velocidad con que caen a través de una columna de líquido viscoso, generalmente agua. La distribución de las partículas por tamaño se basa en el diámetro que presenten.
El método consiste en determinar la cantidad de sólidos en suspensión por medio del hidrómetro. Esto es posible debido a que la profundidad del centro de flotación del hidrómetro varía con la densidad de la suspensión.
Se debe tener cuidado especial en controlar todos los parámetros que influyen en la velocidad de
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
sedimentación, especialmente la temperatura a la cual se realiza el proceso.
La distribución de las partículas se expresa en porcentaje
CARBONO
ORGÁNICO
El carbono es el componente principal de la materia orgánica que puede determinarse cuantitativamente.
La cuantificación del carbono orgánico permite obtener un estimativo de la cantidad de materia orgánica presente en un suelo.
Esta información es importante para calificar un suelo debido a que la materia orgánica tiene numerosas funciones: proporciona elementos necesarios para la nutrición de las plantas, determina la actividad biológica en el suelo, mejora las propiedades físicas y contribuye en la CIC que es una propiedad química de primer
Los métodos para estimar el contenido de carbono de los suelos son de dos tipos: métodos directos, basados en el proceso de combustión (oxidación seca), en los cuales el contenido de carbono se mide cuantitativamente por el CO2 desprendido y métodos indirectos o de oxidación húmeda, basados en la reducción del ión dicromato, donde el contenido de carbono se mide por titulación del ión dicromato no reducido.
Para el método de oxidación húmeda, después de la adición de la solución de dicromato de potasio a la muestra de suelo, se realiza la adición subsecuente de ácido sulfúrico concentrado para elevar la temperatura a aproximadamente 120°C. Así se logra una eficiencia de la oxidación
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
orden.
También tiene funciones ambientales, como son la captura de carbono y la calidad del aire.
de cerca del 84% de C presente, dentro del minuto siguiente a la adición.
El contenido de C orgánico se expresa en porcentaje del elemento en suelo seco en la estufa a 105°C. También puede expresarse como materia orgánica del suelo, multiplicando el porcentaje de carbono por el factor 1,724 (factor de Van Bemmelen) obtenido en el supuesto de que la materia orgánica del suelo contiene un 58% de carbono.
ACIDEZ
INTERCAMBIABLE
Está constituida principalmente por aluminio monomérico y por pequeñas cantidades de hidrógeno de intercambio.
Se define como la parte de la acidez del suelo que se remplaza con una solución de sal neutra no amortiguada.
La acidez intercambiable se restringe a los suelos con un pH igual o inferior a 5,5 y se constituye en la base para determinar los requerimientos de encalado.
La determinación consiste en una extracción con sal neutra no amortiguada y la posterior titulación, en el extracto, de la acidez total. La solución salina utilizada debe cumplir dos requisitos fundamentales, alta concentración del ión desplazante y conservación del aluminio en forma soluble. La solución más comúnmente utilizada es el KCl, 1 N. Por este mismo método es
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
posible diferenciar entre aluminio e hidrógeno intercambiables.
FÓSFORO
DISPONIBLE
El fósforo en el suelo se puede encontrar en la materia orgánica (incluyendo los microorganismos), en compuestos inorgánicos, adsorbido por minerales de arcilla y en la solución del suelo, en la cual la cantidad presente es muy pequeña.
La cantidad de fósforo presente en estas formas depende del contenido de materia orgánica, la clase de mineral de arcilla y el tipo de compuestos inorgánicos de fósforo. La concentración en la solución del suelo refleja la cantidad de las formas solubles de fósforo presentes.
Si el contenido de materia orgánica es bajo, aproximadamente el 90% del total del fósforo se presenta en forma inorgánica. La solubilidad de las diferentes formas
El contenido se utiliza como uno de los criterios para determinar la calidad del suelo para uso agrícola.
Valores de concentración < 30 ppm indican contenidos bajos que pueden afectar la nutrición de las plantas.
Las determinaciones del fósforo en el suelo tienen dos etapas distintas. La primera, es la extracción, para obtener una solución que contenga la forma de fósforo del suelo que se quiere evaluar y, la segunda, la determinación cuantitativa del fósforo en dicha solución.
Algunos de los métodos para la extracción son: soluciones extractoras ácidas no amortiguadas, soluciones alcalinas, soluciones de sales débilmente ácidas amortiguadas, soluciones que contienen fluoruro, agua, y resinas de intercambio aniónico.
Para la cuantificación se utiliza la colorimetría con base en la formación de azul de molibdeno. Es un método de cuantificación muy sensible, por lo cual es apropiado para extractos de suelo que contienen pequeñas cantidades de fósforo. El método se basa en la formación de
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
inorgánicas de fósforo depende del pH.
un complejo de fosfomolibdato, el cual se reduce con cloruro estanoso para producir un color denominado, azul de molibdeno. La intensidad del color azul varía con la concentración de P, pero se afecta también por otros factores como la acidez, la presencia de arseniatos, silicatos y otras sustancias que pueden influir en las condiciones de oxidación-reducción del sistema.
METALES
PESADOS
Los metales pesados están presentes en el material parental del suelo, pero la mayor fuente de estos metales tiene origen en las actividades antropogénicas.
Se consideran principalmente los siguientes: Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sn, Ba, Hg y Pb.
La determinación de los metales pesados se realiza por diversas razones.
Entre estas razones están las siguientes:
1) El establecimiento de una línea base de conocimiento de la cantidad total de los metales, con respecto a la cual se pueden evaluar los cambios
Existen diversos métodos cuya selección para una aplicación particular debe tener en cuenta factores como la sensibilidad, la exactitud y la precisión del método.
Los métodos son los mismos enumerados en el capítulo 3 para las aguas; difiere el tratamiento preliminar de las muestras:
Espectrometría de absorción atómica con técnica de llama.
Espectrometría de
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
producidos en la composición del suelo por contaminación, toma por parte de las plantas o manipulación en las labores agrícolas.
2) Para evaluar la disponibilidad de los metales para cultivos agrícolas y de esta manera la probabilidad de su entrada en la cadena alimenticia de animales y seres humanos.
Por lo tanto, el análisis de los metales pesados en el suelo juega un papel importante en la predicción de la toma por parte de las plantas y en la predicción y diagnóstico de enfermedades, en cultivos y animales de granja, relacionadas con deficiencia o toxicidad, así como en la evaluación de problemas de contaminación
absorción atómica con horno de grafito.
Espectrometría de absorción atómica por generación de hidruros.
Espectrometría de absorción atómica mediante vapor frío.
Espectrometría de emisión atómica con técnica de llama.
Espectrometría de emisión atómica por plasma acoplado inductivamente (ICP).
Espectrometría de masas acoplada con ICP
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PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN
ANALÍTICA
ambiental.
La magnitud de la contaminación por un metal determinado se puede medir determinando su concentración y comparándola con la obtenida en análisis previos o con los contenidos en suelos no contaminados.
PESTICIDAS
Los pesticidas son compuestos orgánicos que se subdividen en grupos según el tipo de plagas que controlan.
Los pesticidas que pueden descomponerse con facilidad son biodegradables, mientras que los resistentes a la desintegración se llaman persistentes.
El análisis de estos compuestos se requiere para tener un control en los niveles de concentración de estos compuestos en matrices medioambientales (suelo, agua y aire) y biológicas (alimentos, tejidos animales y tejidos vegetales).
El control incluye tanto los residuos de plaguicidas, como sus metabolitos y productos de degradación o de reacción, que estén presentes en la matriz de estudio.
El proceso de análisis consta de varias etapas:
1) Pre-tratamiento de la muestra.
2) Extracción del analito de la muestra.
3) Purificación del extracto.
4) Preconcentración.
5) Análisis cromatográfico.
Se puede utilizar cromatografía de gases o líquida, con un detector adecuado. Generalmente se trabajan estos tipos de cromatografía acopladas con espectrometría de masas.
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PREGUNTAS Y EJERCICIOS
1) Describa las características principales de los muestreos regulares y de los
irregulares.
2) Un programa de monitoreo de contaminación de suelos delimitó como áreas de
estudio las siguientes:
Agrícola con extensión de 10 ha.
De influencia industrial con extensión de 35 ha.
Para cada área establezca el número de sitios de muestreo y el de muestras
compuestas que se deben tomar.
3) El tipo de herramientas utilizadas en el muestreo de suelos depende de la
profundidad a la que se va a realzar el estudio y de las características del suelo.
Indique la herramienta más adecuada para las siguientes situaciones:
Profundidad de muestreo 20 cm y suelos suaves
Profundidad de muestreo 100 cm y suelos arcillosos
4) ¿Qué parámetros del suelo son importantes para determinar la movilidad de los
contaminantes? Justifique su respuesta y para cada uno indique el método
utilizado para su análisis.
5) Se realizó la determinación del pH a dos muestras de suelos con los siguientes
resultados: muestra 1: pH = 6,7 y muestra 2: pH = 4,8. Para cuál de las muestras
se esperaría encontrar una cantidad apreciable de acidez intercambiable.
Justifique su respuesta.
6) En un suelo contaminado con pesticidas se decide aplicar técnicas de
biorremediación y para determinar la viabilidad del tratamiento se solicita el
resultado del análisis de carbono orgánico. Explique la relación de este parámetro
con la viabilidad del tratamiento.
7) El resultado del análisis de conductividad eléctrica de dos muestras de suelos
arrojó los siguientes resultados: muestra 1: 7 mS/cm y muestra 2: 20 mS/cm.
¿Qué muestra presenta más evidencia de degradación química del suelo? ¿de
qué tipo de degradación se trata y cuáles son sus efectos?
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Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 2
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Fuentes Documentales de la Unidad 2
BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons,
2001. 307 p.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
Gestión ambiental. Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar
contaminación. Bogotá: ICONTEC, 1994. 8 p.
MALAGÓN et al. Suelos de Colombia: origen, evolución, clasificación, distribución
y uso. Santafé de Bogotá: Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. 632 p.
THOMPSON, Louis y TROEH, Frederick. Los suelos y su fertilidad. 4ed.
Barcelona: Reverté, 1982. 649 p.
UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil survey laboratory
information manual. Lincoln, Nebraska: USDA, 1995.
UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil taxonomy: a basic
system of soil classification for making and interpreting soil surveys. 2 ed.
Washington: USDA, 1999.
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UNIDAD 3
Nombre de la Unidad QUÍMICA Y COMPONENTE
ATMOSFÉRICO
Palabras clave Características de la estratosfera y la
troposfera, reacciones químicas, tipos y
fuentes de contaminantes, alteración de la
capa de ozono, smog fotoquímico, sitios y
técnicas de muestreo, para seguimiento de la
calidad del aire, y análisis de muestras en el
laboratorio.
Introducción La atmósfera terrestre es el compartimento
ambiental menos denso y constituye la capa
más externa del planeta.
De las capas que conforman la atmósfera, la
composición y comportamiento de la
estratosfera y la troposfera son del mayor
interés desde el punto de vista ambiental,
debido a que alojan el aire que determina el
funcionamiento de la ecosfera y, por ende,
de la vida en la tierra.
El número creciente e incontrolado de
actividades antropogénicas está causando
una desviación notable en la composición
promedio del aire, lo cual ha generado
efectos adversos medibles en la salud de los
seres humanos, de los animales y de las
plantas, daño físico en los materiales y
desequilibrio climático.
Justificación La composición promedio del aire se altera
cada día más, debido a operaciones de
conversión de energía, y a la adición de
numerosas sustancias derivadas de
procesos de síntesis química (industrias de
fabricación de materiales) y procesos de
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fundición, principalmente.
Por lo anterior, el conocimiento de la
naturaleza y la dinámica de las especies
químicas tanto naturales como
contaminantes son indispensables, si se trata
de adoptar medidas preventivas para la
minimización del impacto actual.
Intencionalidades Formativas Contribuir al desarrollo de la capacidad
analítica e investigativa del estudiante, a
partir del conocimiento y análisis de los
principios que rigen los fenómenos químicos
que tienen lugar en la atmósfera.
Desarrollar en el estudiante la capacidad de
relacionar el comportamiento de las especies
químicas presentes en la atmósfera, sus
reacciones y sus equilibrios, con las
problemáticas derivadas de las actividades
antropogénicas, para contribuir a establecer
procesos de control y seguimiento, que
favorezcan la preservación del medio
ambiente.
Denominación de capítulo 7 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA
ATMÓSFERA
Denominación de Lección 31 Principales procesos químicos atmosféricos
Denominación de Lección 32 Características químicas de la estratosfera
Denominación de Lección 33 Características químicas de la troposfera
Denominación de Lección 34 Reacciones del oxígeno atmosférico
Denominación de Lección 35 Reacciones ácido-base
Denominación de capítulo 8 CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA
Denominación de Lección 36 Tipos y fuentes de contaminantes
Denominación de Lección 37 Consumo del ozono de la estratosfera
294
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Denominación de Lección 38 Óxidos y compuestos orgánicos volátiles
Denominación de Lección 39 Efecto invernadero y alteración de la capa de
ozono
Denominación de Lección 40 Smog fotoquímico y lluvia ácida
Denominación de capítulo 9 MUESTREO ATMOSFÉRICO
Denominación de Lección 41 Tipos de muestreo
Denominación de Lección 42 Definición de sitios de muestreo
Denominación de Lección 43 Técnicas de muestreo
Denominación de Lección 44 Equipos y materiales para muestreo
Denominación de Lección 45 Análisis de muestras en el laboratorio
295
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UNIDAD 3
QUÍMICA Y COMPONENTE ATMOSFÉRICO
Figura 38. Capas de la atmósfera57
La atmósfera terrestre es el compartimento ambiental menos denso y constituye la
capa más externa del planeta. Está conformada por varias capas, cuya
composición varía con la altura y en orden ascendente son:
57 Tomada de: http://geo.ya.com/ascensiones/atmosfera.htm
hidroperoxilo, nitrato, ozono, óxidos de nitrógeno, alcanos, alquenos, alquinos,
compuestos orgánicos oxigenados.
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A continuación se presentan el origen y las reacciones de los tres radicales
enumerados anteriormente, a partir de los alcanos, para lo cual se consideran
algunos planteamientos de Figueruelo y Dávila65
33.1. Radicales alquilo
Se originan por la reacción de los alcanos presentes en la troposfera con los
radicales HO•, NO3• y Cl•. Las reacciones generales de formación se presentan a
continuación:
La principal reacción de los radicales alquilo es con el oxígeno atmosférico, así:
R• + O2 + M RO2• + M* (7.37)
El producto principal es la formación del radical alquilperoxilo, con la intervención
de un tercer cuerpo que absorbe la energía resultante de la interacción de los
reactantes. La eliminación de la energía en exceso es mucho más fácil a medida
que aumentan la masa molecular y las ramificaciones del radical alquilo que
participe en la reacción.
33.2. Radicales alquilperoxilo
65 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M, Op. Cit., p. 143-191
314
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En el numeral anterior se pudo observar que estos radicales se originan en la
reacción de los radicales alquilo con el oxígeno atmosférico. Estos nuevos
radicales son los reactantes claves en reacciones tanto en ambientes
contaminados con óxido nítrico como en sistemas naturales.
33.2.1. Reacción con NO (especialmente ambientes contaminados).
Esta reacción puede ocurrir por dos vías:
a) Transformación en radical alcoxilo.
RO2• + NO RO• + NO2 (7.38)
b) Formación de alquilnitratos.
RO2• + NO RONO2 (7.39)
La formación de alquilnitratos aumenta cuando la cadena del radical
alquilperoxilo aumenta su longitud y con radicales secundarios. Por otra parte, los
alquilnitratos se comportan como almacenes transitorios del radical alquilperoxilo y
del óxido nítrico, debido a que pueden permanecer estables a temperatura
ambiente durante varios días; de todas maneras, los alquilnitratos se pueden
disociar mediante reacciones de fotolisis.
33.2.2. Reacción con radicales hidroperoxilo
RO2• + HO2• ROOH + O2 (7.40)
33.2.3. Reacción de descomposición bimolecular
2 RO2• aldehído (RCHO) + alcohol (ROH) (7.41)
2 RO2• éster (ROOR) (7.46)
Las reacciones en 33.2.2. y 33.2.3. se presentan preferencialmente en ambientes
no contaminados.
33.2.4. Reacción con NO3•
RO2• + NO3• RO• + NO2 + O2 (7.47)
Esta reacción, en cuanto da lugar a la formación del radical alcoxilo, es
equivalente a la reacción (7.38). Sin embargo ocurre en ausencia de la luz solar y
a alta velocidad.
33.3. Radicales alcoxilo
315
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Se originan por transformación de los radicales alquilperoxilo. Presentan una gran
dinámica química en la que tienen lugar reacciones con el oxígeno atmosférico, en
un alto porcentaje, de isomerización y de descomposición. Además, en atmósferas
contaminadas reaccionan con los óxidos de nitrógeno presentes.
33.3.1. Reacción con el oxígeno atmosférico.
Esta es la reacción primaria de estos radicales. Se caracteriza por la formación de
un radical hidroperoxilo, mediante la toma de un hidrógeno del radical orgánico,
por parte del oxígeno atmosférico, y de un compuesto orgánico que dependerá de
la naturaleza del radical alcoxilo, así:
a) Para un alcoxilo primario, la reacción general es:
RO• + O2 RCHO + HO2• (7.48) Aldehído Donde: RO• es el radical primario de estructura general RCH2-O•
b) Para un alcoxilo secundario, la reacción general es:
RO• + O2 R1R2CO + HO2• (7.49) cetona
Donde: RO• es el radical secundario de estructura general R1R2CH-O•
33.3.2. Reacción de isomerización intramolecular.
Se presenta en cadenas de cinco, seis y siete miembros en donde ocurre una
transformación del radical alcoxilo en un radical hidroxialquilo.
Ejemplo:
CH3(CH2)2CH2O• •CH2(CH2)2CH2OH
33.3.3. Reacciones de descomposición
Se produce el rompimiento, por acción térmica, del radical alcoxilo para dar lugar a
la formación de un compuesto carbonílico y un radical alquilo. la descomposición
ocurre de manera que se favorece la formación del radical alquilo más estable.
El compuesto carbonílico que se forma puede ser un aldehído o una cetona.
Ejemplo:
316
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R1R2R3CO• R1CO R2 + R3• Cetona
33.3.4. Reacciones con óxidos de nitrógeno.
En ambientes contaminados, estos radicales reaccionan con NO (óxido nítrico) y
NO2 dióxido de nitrógeno, en cada caso por dos vías diferentes:
a) Formación de alquilnitritos o alquilnitratos.
Ejemplos:
(CH3)CHO• + NO (CH3)CHONO Alquilnitrito (CH3)CHO• + NO2 (CH3)CHONO2
Alquilnitrato b) Formación de un compuesto carbonilo y de ácido hiponitroso o nitroso.
Ejemplos:
(CH3)CHO• + NO (CH3)CO + HNO cetona ácido hiponitroso
(CH3)CHO• + NO2 (CH3)CO + HNO2
cetona ácido nitroso
33.4. Reacciones de los alquenos
En la atmósfera existe una gran cantidad de alquenos de origen natural y producto
de actividades antropogénicas. Debido a su naturaleza química (doble enlace) son
más reactivos que los alcanos y, en consecuencia, su permanencia en la
atmósfera es corta (del orden de horas).
Las principales reacciones de los alquenos se presentan con los radicales HO•,
Cl•, NO3• y con el ozono.
33.4.1. Reacción con HO•
Puede ocurrir por dos vías:
a) Formación de radicales β-hidroxialquílicos
Esta reacción es de adición electrofílica.
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Ejemplo:
R1CH=CHR2 + HO• R1CH- CHR2OH •
Estos radicales β-hidroxialquílicos reaccionarán con oxígeno atmosférico,
hidroperoxilo y óxidos de nitrógeno de formas análogas a las presentadas
anteriormente para los radicales alquílicos.
b) Formación de radicales alquenílicos
Ejemplo:
R1R2C=CR3R4 + HO• R1R2C=CR3 + R4OH •
33.4.2. Reacción con NO3•
Produce la formación de radicales β-nitrooxoalquilo o β-alquilnitratos, mediante
adición del radical nitrato al doble enlace, en el carbono menos sustituido y la
velocidad es mayor a medida que aumenta el tamaño y la ramificación de la
cadena o el grado de sustitución con grupos electro donadores.
Esta reacción es predominante frente a la de HO• debido a la mayor afinidad
electrónica del radical nitrato.
Ejemplo:
Estos radicales β-nitrooxoalquilo o β-alquilnitratos reaccionarán con oxígeno
atmosférico, hidroperoxilo y óxidos de nitrógeno de formas análogas a las
presentadas anteriormente para los radicales alquílicos.
33.4.3. Reacción con ozono
Consiste en una oxidación atmosférica que se inicia sin la participación de un
radical libre, pero como producto puede resultar el HO•. Debido a que se lleva a
cabo tanto en atmósferas naturales como en contaminadas, y en el día o en la
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noche, se constituye en una alternativa frente a la de adición de los HO•, en las
reacciones de oxidación atmosférica.
La adición electrofílica del ozono a los alquenos tiene un mecanismo que
comprende varios pasos.
a) Formación de un molozónido u ozónido primario:
b) Rompimiento del molozónido:
c) Reacciones de los birradicales de Criegee
Los birradicales son especies químicas inestables (tienen exceso de energía),
con una gran capacidad oxidante. A partir de su formación, se pueden dar
diferentes vías de reacción que se presentan a continuación:
Estabilización:
Ejemplo:
• • • • R1R2COO (excitado) + M R1R2COO (estable) + M
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Descomposición-isomerización:
Con formación de éster: • • Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2 + R2 + CO2 R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2R2 + CO2
Con formación de hidroperóxido: Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH=C(OOH)R2 (excitado) • R1CH=C(OOH)R2 (excitado) R1CHC(O)R2 + HO
Con eliminación de O (oxígeno atómico en su estado fundamental): • •
Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH2C(O)R2 + O
Esta reacción se presenta en un porcentaje muy bajo. Difícilmente se
observa en el aire a temperatura y presión ambientales.
De las reacciones anteriores cobra especial importancia la que produce radicales
hidroxilo, favoreciendo su presencia en cantidades importantes, especialmente en
la noche, cuando no hay reacciones fotoquímicas que son su fuente principal.
33.5. Reacciones de los alquinos
Son de menor ocurrencia que la de los alcanos y alquenos debido a que los
alquinos son menos reactivos. La reacción más posible es la de oxidación en
presencia de radicales hidroxilo, la cual tiene varias etapas que se presentan a
continuación:
a) De adición:
Ejemplo:
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Como producto de la adición se forma una nueva entidad química (aducto)
estable, a partir de la cual se da la siguiente reacción:
a. Con O2
Tiene dos vías posibles:
Vía 1: Formación de glioxal
Se recuperan los radicales hidroxilos.
El glioxal excitado presenta el siguiente comportamiento:
Vía 2: Formación de ácido fórmico
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Los radicales HCO• formados por cualquiera de las dos vías reaccionan de la
manera siguiente:
HCO• + O2 HO2• + CO
La oxidación de los alquinos tiene como balance final la formación de radicales
HO2• en mayor cantidad que los radicales HO• que participan en la reacción inicial
de adición, debido a que en la de descomposición del glioxal se producen dos
moles de HCO•.
Los alquinos también tienen una baja reactividad con los radicales NO3•, pero al
igual que en el caso de los alquenos, cuando ocurre la reacción, ésta resulta
competitiva frente a aquella con HO•, especialmente en ausencia de luz solar.
33.6. Reacciones de los compuestos orgánicos oxigenados
Estos compuestos, al igual que los hidrocarburos estudiados en los numerales
anteriores, reaccionan principalmente con los radicales HO•, NO3• y Cl•, siendo el
más activo el HO•.
En el caso de estos compuestos, sin embargo, la luz es un factor adicional que
participa en las reacciones de degradación, debido a la presencia del grupo
carbonilo (C=O) que es cromóforo y absorbe en la región de 250-350 nm.
33.6.1. Compuestos con grupo funcional carbonilo
Para el caso de aldehídos y cetonas de cadena larga las reacciones de
degradación en la atmósfera se llevan a cabo, de forma predominante, a partir de
la presencia del radical HO•.
No obstante, para compuestos de cadena corta, como el formaldehido,
acetaldehído, acetona, glioxal y 2-3 butanediona las reacciones fotolíticas
compiten con las del radical HO•.
• Reacción con formación de radicales acilo (RCO)
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• RCHO + HO• RCO + H2O El radical acilo presenta una secuencia de reacciones, así: Reacción con O2
Con formación del radical acilperoxilo. Este radical presenta reacciones rápidas
con los óxidos de nitrógeno:
El radical acilperoxilo al reaccionar con el óxido nítrico produce el radical RCOO•
El radical RCOO•, a su vez, se descompone de la manera siguiente:
Se produce el radical alquilo y dióxido de carbono.
La reacción con el dióxido de nitrógeno es:
Se producen peroxiacilnitratos. Entre estos compuestos es muy conocido el
peroxiacetilnitrato (PAN) como causante de la irritación de los ojos en ambientes
contaminados.
33.6.2. Alcoholes
El radical HO• interacciona con los alcoholes alifáticos tomando el hidrógeno del
enlace O-H o del enlace C-H. La reacción se realiza en un alto porcentaje con el
hidrógeno de este último enlace, debido a que su energía de disociación es menor
que la del enlace O-H.
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Las reacciones generales se presentan, a continuación, tomando como ejemplo el
etanol:
• 1) CH3CH2OH + HO• CH3CHOH + H2O Se presenta en el mayor porcentaje (alrededor del 90%) • 2) CH3CH2OH + HO• CH3CH2O + H2O Se presenta en un porcentaje bajo (alrededor del 5%) • 3) CH3CH2OH + HO• CH2CH2OH + H2O También se presenta en un porcentaje de alrededor del 5%.
Lección 34: Reacciones del oxígeno atmosférico
El oxígeno es una especie química que participa en intercambios entre la
atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Además, es un elemento indispensable en
una de las funciones principales de los organismos vivos, la respiración, por
medio de la cual mediante procesos de oxidación se libera la energía utilizada
para el metabolismo.
El ciclo del oxígeno atmosférico está determinado por cuatro procesos
fundamentales que se presentan en la Figura 39.
1. Fotosíntesis terrena y marina.
2. Descomposición oxidativa de la vegetación en los suelos y respiración
3. Oxidación de materia orgánica (Ej. carbón) contenida en rocas
sedimentarias antiguas.
PALABRAS CLAVE: ciclo del oxígeno, fotosíntesis, descomposición oxidativa,
oxidación de materia orgánica, oxidación de sustancias inorgánicas.
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4. Oxidación de sustancias inorgánicas reducidas expuestas por la erosión (Ej.
minerales portadores de Fe2+) y gases reducidos debido a la actividad
volcánica
Figura 39. Ciclo del oxígeno atmosférico66
Como lo plantea Raiswell67, los cuatro procesos constituyen los flujos principales
hacia y desde la reserva de oxígeno atmosférico, el cual se presenta en relación
con el depósito de CO2, sin considerar la dinámica completa de este último.
Específicamente en los procesos 2, 3 y 4 intervienen microorganismos y se
consume oxígeno atmosférico. El proceso 4 es una salida de oxígeno fuera de la
reserva atmosférica que se equilibra por la fotosíntesis.
Un ejemplo de los procesos oxidantes en minerales frecuentes en la superficie
terrestre (proceso 4) es el siguiente:
2 Fe2+ (aq) + 5 H2O (l) + ½ O2 (g) 2 Fe (OH)3 (s) + 4 H+ (aq)
La reacción de fotosíntesis que permite el equilibrio del ciclo es la siguiente:
66 Elaborada por la autora del módulo.
67 RAISWELL, R. W. et al. Química ambiental. Barcelona: Ediciones Omega, S. A., 1983. p. 14-15
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CO2 + H2O + hɣ CH2O + O2
El ciclo representado de manera general en la Figura 39 indica que el O2 presente
en la atmósfera proviene de la fotosíntesis, lo cual muestra la importancia de este
proceso en el equilibrio atmosférico.
Formas del oxígeno en la atmósfera superior.
El oxígeno existe en formas diferentes al diátomico, O2, así:
a) Átomos de oxígeno, O.
b) Moléculas excitadas de oxígeno, O2*
c) Ozono, O3
De acuerdo con Manahan68, el oxígeno atómico es estable en la termosfera debido
a que allí difícilmente tienen lugar las reacciones en las que interviene un tercer
cuerpo requerido para la reacción de este tipo de oxígeno.
En la atmósfera superior el oxígeno atómico se origina en una reacción
fotoquímica:
O2 + hɣ O + O
Los átomos de oxígeno se presentan en la atmósfera en estado fundamental, O, y
en estados excitados, O*. La reacción para la producción el estado es a partir de
la siguiente reacción del ozono:
O3 + hɣ O* + O2 (λ < 308 nm)
El oxígeno en estado excitado emite luz a tres longitudes de onda: 636 nm, 630
nm y 558 nm (todas en el rango visible) debido a lo cual observamos el
denominado resplandor celeste.
68 MANAHAN, Óp. Cit., p. 379-381.
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Lección 35: Reacciones ácido-base
35.1. Especies ácidas
Las especies ácidas presentes en la atmósfera pueden tener su origen en las
reacciones que presentan compuestos como CO2 y SO2, así:
Dióxido de carbono:
CO2 (g) H2O CO2 (acuoso)
CO2 (acuoso) + H2O H+ + HCO3-
La disolución en gotas de agua de la atmósfera de cantidades relativamente bajas
del dióxido de carbono que, posteriormente, da lugar a la disociación en iones H+ y
en iones bicarbonato, le proporciona a la atmósfera un carácter ligeramente ácido.
Dióxido de azufre:
SO2 (g) + H2O H+ + HSO3-
El ácido formado y disociado tiene un carácter ligeramente más ácido que el
formado a partir del CO2.
Otras especies químicas ácidas en la atmósfera se deben a la presencia de
contaminantes secundarios producto de la oxidación de óxidos de nitrógeno y
azufre, principalmente.
Oxidación del dióxido de azufre:
SO2 + ½ O2 + H2O (2 H+ + SO42-) (acuoso)
Oxidación del dióxido de nitrógeno:
2 NO2 + ½ O2 + H2O 2(H+ + NO3-) (acuoso)
El ácido sulfúrico y el ácido nítrico tienen un carácter ácido mucho más fuerte que
el de los formados por la disolución del CO2 y el SO2. Por esta razón, son de
PALABRAS CLAVE: formación de especies ácidas y básicas, reacciones de
neutralización.
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interés, desde el punto de vista de la contaminación, porque son responsables de
la ocurrencia de la lluvia ácida.
35.2. Especies básicas
Las especies básicas son de menor ocurrencia en la atmósfera que las ácidas. Por
ejemplo, el óxido, el hidróxido y el carbonato de calcio pueden estar presentes en
la atmósfera, en forma de partículas, provenientes de ceniza y minerales
constituyentes de las rocas existentes en la corteza terrestre.
El amoníaco es la especie básica de mayor relevancia en la atmósfera. El origen
de este gas está representado en la siguiente reacción: