PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012

ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA

ALUMNOS COMPONENTES DEL GRUPO:

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ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO Y BACTERIOLÓGICO DE AGUAS OBJETIVOS 1.- Conocer las características generales del agua desde un punto de vista físico-químico y bacteriológico. 2.- Valorar la importancia del agua y sus características, teniendo en cuenta que en la naturaleza siempre hay sustancias sólidas y en disolución. 3.- Conocer los principales métodos de determinación de las características del agua. 4.- Valorar la importancia del agua en la naturaleza, así como su uso para consumo humano, estimando el efecto que sobre ella producen los contaminantes. 5.- Participar en la planificación y realización en equipo de actividades e investigaciones sencillas sobre el agua. 6.- Utilizar los conocimientos adquiridos para desarrollar actitudes de defensa y conservación del “Recurso Agua”.

CONTENIDOS El agua es una de las sustancias más abundante en la naturaleza, la cual la podemos encontrar en los tres estados: sólida, líquida y gaseosa. Sin embargo, en la naturaleza, generalmente no se encuentra como un líquido inodoro, incoloro e insípido, sino que contiene sustancias en disolución. Así, por ejemplo, cuando lleva grandes cantidades de sales de calcio, magnesio y hierro en disolución, se dice que un agua es dura. El agua potable, significa que debe estar libre de microorganismos patógenos, de minerales y sustancias orgánicas que puedan producir efectos fisiológicos adversos. Debe estar estéticamente aceptable y, por lo tanto, debe estar exenta de turbidez, color, olor y sabor desagradable. Deberá presentar sabor agradable y ser prácticamente incolora, inodora, limpia y transparente. Por esta razón, el agua potable, usada para el abastecimiento de las poblaciones, se ha visto sometida a varios procesos de potabilización. Es por ello, que es interesante saber determinar en un momento dado, las características o propiedades fundamentales del agua a partir de unas técnicas de fácil manejo y acceso que nos permiten saber en qué condiciones de calidad se encuentra el agua. 2

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Este trabajo lo vamos a realizar en varias etapas: 1- Construcción de una depuradora 2- Análisis de propiedades físicas del agua 3- Análisis de propiedades químicas del agua 4- Análisis bacteriológico

1.-CONSTRUCCIÓN DE UNA DEPURADORA Vamos a construir una depuradora en el laboratorio, utilizando materiales sencillos. Esta depuradora solamente realiza el primer proceso de depuración ( Eliminar los cuerpos grandes que arrastra el agua). Materiales: •

Algodón

•

Filtro de café

•

Carbón activo

•

Botellas de agua de plástico

•

Grava

•

Arena fina lavada

•

Soportes

•

Pinzas

•

Aros

Procedimiento: Se cortan las cuatro botellas a una altura de 12 cm desde la boca, se colocan en posición invertida y en cada una de ellas se coloca un filtro de café. A continuación se llena cada una de las botellas de los siguientes materiales: Grava, arena, algodón y carbón activo respectivamente. A continuación se disponen las cuatro botellas un un soporte, según muestra la figura : Uso de la depuradora Tomamos la muestra de agua recogida en el pantano de Llerena y la hacemos pasar a través de los distintos filtros, haciendo una toma de muestra en un tubo de ensayo cada vez que la muestra pase

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 por un filtro, con objeto de poder observar como varían las propiedades físicas del agua cada vez que pasa por un filtro distinto. Anota qué observas y guarda cada tubo de ensayo para el análisis físico- químico y bacteriológico del agua.

GRAVA

ARENA

ALGODÓN

CARBÓN ACTIVO

2.-ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA Vamos a determinar las siguientes propiedades: 4

PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 A) Color y transparencia B) Densidad C) pH A) EL COLOR Y LA TRANSPARENCIA El color de las aguas naturales se debe a la presencia de sustancias orgánicas disueltas o coloidales, de origen vegetal y a veces, sustancias minerales (sales de hierro, manganeso, etc). Este color nos puede indicar el grado de contaminación según la siguiente tabla :

COLOR Y TRANSPARENCIA

CONTAMINACIÓN

MATERIA ORGÁNICA OXÍGENO

Transparente, incolora o azulada Agua limpia

Muy poca

Mucho

Transparente, verdosa

Agua limpia

Poca

Bastante

Turbia, amarillenta

Agua contaminada

Bastante

Poco

Turbia, parda

Agua muy contaminada Mucha

Muy poco

Procedimiento. Situamos las muestras tomadas de la depuradora, una muestra de agua del grifo, una muestra de agua sin depurar removida y una muestra sin depurar en reposo y anotamos la turbidez observada en cada caso, tomando como referencia el agua del grifo. Resultados: COLOR

TRANSPARENCIA

Agua removida Agua reposada Agua filtrada 1 Agua filtrada 2 Agua filtrada 3 Agua filtrada 4 Si la turbidez desaparece con la decantación, le daremos un valor de 4, si desaparece con la filtración un valor de 2. Cuanto más valor tenga menor será la turbidez

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 B)DENSIDAD Por densidad entendemos la relación entre la masa y el volumen. Este parámetro nos servirá, junto con otros ( salinidad global... ), para valorar la cantidad de sólidos disueltos. Para la determinación de la densidad de los líquidos se usan los areómetros o densímetros. Resultados: DENSIDAD Agua de grifo Agua de pantano C) pH El pH óptimo de las aguas debe estar entre 6,5 y 8,5, es decir, entre neutra y ligeramente alcalina, el máximo aceptado es 9. Las aguas de pH menor de 6,5, son corrosivas, por el anhídrido carbónico, ácidos o sales ácidas que tienen en disolución. Para determinarlo usaremos dos métodos: – Papel indicador: Se introduce en la probeta papel indicador y se compara la coloración que viene en la gráfica – peachímetro: aparato basado en métodos eléctricos, que permite obtener el pH con rapidez: Resultados: Agua

Agua

Agua

Agua

Agua

Agua

removida

reposada

filtrada 1

filtrada2

filtrada 3

filtrada 4

PH (papel) PH (peachímetro)

3.-ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA Para determinar la calidad del agua analizaremos: A) Determinación de la dureza del agua B) Determinación del contenido de cloruros C) Determinación de oxígeno D) Determinación de amonio 6

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A) DETERMINACIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA El contenido salino de las aguas potables es debido principalmente a las sales de calcio y magnesio y, por esta razón, las normativas legales especifican métodos oficiales para la determinación de las concentraciones de Ca(II), Mg(II) y de la suma de ambos (dureza del agua). Ambos iones se determinan mediante dos volumetrías de formación de complejos utilizando la sal disódica del ácido etilenodiaminotetraacético (EDTA) como agente complejante y un indicador metalocrómico para detectar el punto final. En medio alcalino, el EDTA forma complejos estables con ambos iones pero la constante de formación del complejo de Ca(II) es mayor que la del Mg(II). Los indicadores metalocrómicos a utilizar son la murexida para el calcio y el negro de eriocromo T (NET) para el magnesio. A pH entre 12 y 13, la murexida forma con el ion Ca(II) un complejo de color rosado, menos estable que el complejo Ca-EDTA, por lo que al añadir EDTA, en primer lugar se compleja el ion libre y después lo hace el calcio del complejo Ca- murexida y, cuando todo el calcio ha reaccionado, se produce el cambio de color de la disolución al color del indicador libre (violeta azulado en medio alcalino). Si a otra muestra de agua, llevada a pH 10, se añade NET, aparece un color rojo vinoso del complejo del Mg(II) con el indicador, el cual es menos estable que el complejo del mismo ion con el EDTA por lo que, al añadir el valorante, en primer lugar se compleja el Ca(II), a continuación el Mg(II) libre y, por último, se produce el desplazamiento del Mg del complejo con el indicador y la disolución cambia a un color azul celeste. La diferencia entre los volúmenes de valorante gastados en ambas volumetrías permite determinar la concentración de Mg(II). La normativa legal vigente en España exige expresar las concentraciones de calcio y magnesio en miligramos de cada ion contenidos por litro de agua (ppm) y la dureza del agua como la suma de las dos concentraciones anteriores expresadas en mg de CaCO3 contenidos en un litro de agua. La mayoría

de

los

suministros

de

agua

potable tienen un promedio de 250 mg/L de dureza. Niveles superiores a 500 mg/L son indeseables para uso doméstico. Reactivos Na2EDTA, cloruro amónico, amoníaco, , hidróxido sódico, NET, murexida y cloruro sódico.

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 Preparación de disoluciones •

Disolución de EDTA 0,01 M. Pese 3,3624 g de EDTA (previamente desecado en una estufa a

80 ºC) , en un vaso de precipitados limpio. Disuelva el sólido en agua destilada agitando con una varilla de vidrio. Transfiera esta disolución a un matraz aforado de 1000 mL y complete hasta el aforo con agua destilada. •

Disolución reguladora de pH 10. Disolver 6,75 g de cloruro amónico en 57 mL de amoníaco

(d=0,88 g/mL) y diluir a 100 mL con agua destilada. • Disolución de NaOH 4 M. Disolver 16 g de NaOH en agua destilada y llevar a un volumen de 100 mL. Se utiliza el granatario para la pesada. Procedimiento experimental para la valoración A. Dureza total. Se miden 10 mL de la muestra de agua (con pipeta de doble enrase) y se transfieren a un vaso de cristal. Se añade 1 mL de disolución reguladora de pH 10 y el indicador NET y se homogeneiza la mezcla con una varilla de vidrio. Se añade, gota a gota y agitando con la varilla, la disolución de EDTA hasta el cambio de color del rojo al azul. No retire la varilla sin enjuagarla. Esta valoración se hace por triplicado. B. Determinación de calcio. Se miden 10 mL de la muestra de agua (con pipeta de doble enrase) y se transfieren a un vaso de cristal. Se añade 1 mL de disolución de NaOH 4 M y unos cristales de murexida. Agitar con la varilla de vidrio hasta homogeneizar la disolución y, a continuación, ir añadiendo, gota a gota y agitando con la varilla, la disolución de EDTA hasta el cambio de color del rosado al violeta azulado. La valoración se hace por triplicado. Cálculos 1. Determinación de la concentración de EDTA

2. Determinación de la dureza total Determine el volumen de la disolución estándar primario de EDTA empleada en la valoración de la suma de Ca(II) y Mg(II)

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 Muestra

Volumen de EDTA (mL) grifo

Volumen de EDTA (mL) Pantano

1 2 3 Promedio 3. Determinación de calcio Determine el volumen de la disolución estándar primario de EDTA empleada en la valoración de Ca(II) Muestra

Volumen de EDTA (mL) grifo

Volumen de EDTA (mL) Pantano

1 2 3 Promedio 4. Determinación de magnesio Determine el volumen de la disolución estándar primario de EDTA empleada en la valoración de Mg(II) Muestra

Volumen de EDTA (mL) grifo

Volumen de EDTA (mL) Pantano

Promedio

5. Determinación de las concentraciones de calcio y magnesio Calcule las concentraciones de Ca(II) y Mg(II) del agua de la muestra expresadas en mg de ion/L y la dureza en mg CaCO3/L. Para hacer los cálculos usaremos la expresión : M1.V1= M2.V2. Donde M1.V1 es la molaridad de EDTA y volumen gastado de EDTA y M2.V2 es la molaridad y el volumen inicial de muestra de agua tomado(10ml). Como las concentraciones de Ca 2+ y Mg

2+

se expresan en mg de CaCO3/L

haremos uso de la fórmula: Dureza total: mg CaCO3/L = V1 x 1000/V2 Dureza de calcio: mg CaCO3/L = V1 x 1000/V2 Dureza de Magnesio: mg CaCO3/L = Dureza total-Dureza de calcio

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6. De acuerdo con los resultados obtenidos, ¿se halla el valor de dureza total encontrado dentro de los niveles permitidos para aguas potables?

B) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CLORUROS Todas las aguas contienen cloruros. Una gran cantidad puede ser índice de contaminación ya que las materias residuales de origen animal siempre tienen considerables cantidades de estas sales. Un agua con alto tenor de oxidabilidad, amoníaco, nitrato, nitrito, caracteriza una contaminación y por lo tanto los cloruros tienen ese origen. Pero si estas sustancias faltan ese alto tenor se debe a que el agua atraviesa terrenos ricos en cloruros. Los cloruros son inocuos de por sí, pero en cantidades altas dan sabor desagradable. Para las aguas potables, según las normas europeas, el límite de cloruros (Cl ) es de 350 mg/l y -

a partir de 200 mg/l se consideran aguas cloruradas. En el agua de lluvia el cloruro se encuentra en concentraciones que varían de 1 a 3 mg/l (ppm). Material: -Cucharilla espátula, cuentagotas o pipeta, embudo. -Agitadores de vidrio, frascos o vasos de 100 ml. -Solución de nitrato de plata (AgNO3) 0,1 N (1,7 gramos de AgNO3 y enrasar hasta 100 ml de agua destilada. -Hidróxido de sodio (NaOH) al 50%. -Agua destilada. -Disolución indicador de cromato potásico (K2CrO4) al 10% (10 g de cromato potásico y enrasar hasta 100 ml de agua destilada). Procedimiento 1.-Comprueba que el pH de la muestra que vas a analizar esté comprendido entre 7 y 9. Si es inferior, neutraliza con NaOH. 2.-Vierte 10 ml. de la muestra de agua en un vaso de precipitados y dilúyela en 90 ml. de agua

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 destilada. 3.-Añade 2 ó 3 gotas de cromato potásico, con lo que la disolución tomará una coloración amarilla. 4.-Con la ayuda de una bureta (puedes utilizar una pipeta o un cuentagotas) añade, gota a gota, disolución de nitrato de plata, agitando el vaso después de cada adición. 5.-Prosigue esta operación hasta que se produzca el viraje de amarillo a rojo. Al añadir la disolución de nitrato de plata, los cloruros van precipitando en forma de cloruro de plata. Cl (ac) + Ag (ac) → AgCl (s) -

+

El punto final de la valoración se pone de manifiesto, al producirse un cambio de color de amarillo a rojo, debido a la formación de un segundo precipitado de cromato de plata, lo que nos indica que todos los iones cloruro han precipitado.. CrO4 (ac) + 2 Ag (ac) → Ag2CrO4 (s) (rojo) 2-

+

6.-Puedes realizar otra valoración con un ensayo en blanco, utilizando agua destilada. 7.-Determina entonces el gasto de disolución de nitrato de plata “A” y calcula la cantidad de cloruros presentes en el agua mediante la siguiente operación: (N = M · Val.). Valencia de un ácido = nº de H. Valencia de una base = nº de OH. Masa molecular de AgNO3 = 170. Mol = masa atómica o molecular expresada en gramos. mg/l de Cloruros = A · 355 donde “A” es el gasto de nitrato de plata en ml. (Nota: 13 gotas equivalen a 1 ml)

mg/l=A .N.35,5.1000/V = A · 355 A = ml de nitrato de plata 0,1N gastados en la muestra. N = normalidad del nitrato de plata. V = Volumen de la alícuota problema. A (agua grifo)

A (agua pantano)

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 PROMEDIO mg/l de cloruros (agua grifo) = mg/l de cloruros (agua pantano) =

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C) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE OXÍGENO Los seres que viven en el agua utilizan el oxígeno que hay disuelto para su respiración. Cuando el nivel de oxígeno disminuye demasiado numerosos animales empiezan a morir. Sus cuerpos son atacados por baterias que utilizan también oxígeno para su respiración agravando el problema. El agua tiene un gran poder de regeneración (auto oxigenación) pudiendo tomar el oxígeno atmosférico, pero a veces, esto no es suficiente para la respiración de todos los seres que viven en su seno. Te vamos a proponer un análisis químico sencillo para determinar la presencia de más o menos oxígeno. 1. Material: 2. Frasco de vidrio 3. Disolución de sulfato de manganeso (MnSO4) 50%. (500g/L) 4. Disolución de hidróxido sódico (250g NaOH y 72 g KI en 1 L) Procedimiento: Añade al frasco la muestra de agua, llenándolo totalmente. Añade 20 gotas (1 ml) de disolución de sulfato de manganeso y 20 gotas de disolución de hidróxido sódico. Cierra el frasco y agítalo. Observa el precipitado obtenido al cabo de unos segundos. La cantidad de oxígeno disuelto puede determinarse con relación al color del precipitado según la escala: COLOR CASTAÑO

Agua muy oxigenada

COLOR AMARILLO

Agua pobre de oxígeno

COLOR BLANCO

Ausencia o escaso contenido de oxígeno

Conclusiones COLOR

AGUA GRIFO

AGUA PANTANO

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D) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AMONIO Este ion tiene escasa acción tóxica por sí mismo, pero su existencia aún en bajas concentraciones, puede significar contenido aumentado de bacterias fecales, patógenos etc., en el agua. La formación del amonio se debe a la descomposición bacteriana de urea y proteínas, siendo la primera etapa inorgánica del proceso. Material: Vaso de precipitados Disolución de Tartrato sódico potásico 50%. (500g/L) Reactivo Nessler Procedimiento: Se vierten 20 ml de agua de la muestra en el vaso de precipitados y se le añaden 10 gotas de tartrato sódico potásico y 3 gotas de reactivo Nessler. Agitar fuertemente. A continuación, se observa la coloración o el precipitado producido y se determina la cantidad de amonio disuelto en el agua de acuerdo con la siguiente escala: Color de la disolución o precipitado

Contenido de amonio

Contaminación

Pardo- amarillento o pardo-rojizo

5 mg/l

Fuerte contaminación

Amarillenta sin precipitado

Entre 0,1 y 5 mg/l

Moderada contaminación

No hay coloración amarilla

0,1 mg/l

Débil contaminación

Conclusión: Coloración

Agua grifo

Agua pantano

4.-ANÁLISIS BACTERIOLÓGICO DE AGUAS INTRODUCCIÓN. Todos los organismos que se encuentran en el agua son importantes para establecer la calidad de la misma. Los parámetros biológicos en las aguas potables son de mucho interés, los microorganismos que puede haber en el agua son virus, bacterias, hongos, algas y protozoos. La normativa recoge una serie de análisis microbiológicos según se efectúe sobre el agua un 13

PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 análisis mínimo: Coliformes Totales y Fecales. Los coliformes totales son las Enterobacterias lactosa-positivas y se caracterizan por su capacidad para fermentar la lactosa con producción de ácido y gas, más o menos rápidamente, en un periodo de 48 horas y con una temperatura de incubación comprendida entre 30-37ºC. Se encuentran en el intestino del hombre y de los animales, pero también en otros ambientes: agua, suelo, plantas, cáscara de huevo, etc.

A) ANÁLISIS BACTERIOLÓGICO CUALITATIVO. Material y reactivos: •

Dos matraces Erlemeyer de 250 ml. esterilizado.

•

Probeta 100 ml. estéril.

•

100 ml Agua destilada estéril.

•

100 ml de agua del pantano para determinar la presencia de coliformes.

•

Mechero.

•

Disolución de azul de metileno 1%.

•

Algodón.

•

Estufa de cultivo.

•

Baño de incubación a 44º C

Procedimiento: 1.

Preparar dos matraces :

a.

A (frasco control): Añadir 100 ml de agua estéril.

b.

B (frasco prueba): Añadir en condiciones estériles, cerca del mechero, y

utilizando la probeta estéril, 100 ml del agua recogida del pantano (el tiempo entre la recogida de muestras y la práctica debe de ser mínimo y las muestras deben trasladarse entre 4-10º C). 2.

Añadir 2 gotas de azul de metileno a cada matraz. Cerrar con el algodón estéril.

3.

Incubar a 37º C

4.

Anotar el color de los frascos a los 2 y 5 días.

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PROYECTO PROFUNDIZA: CIENCIA A FONDO. IES LLERENA 2012 Resultados: 1 DÍAS

2 DÍAS

3 DÍAS

4 DÍAS

5 DÍAS

Tubo A control Tubo B problema

Tomar fotos de los resultados. Determinación de coliformes fecales. Los Coliformes Fecales son un subgrupo de los Coliformes totales, capaz de fermentar la lactosa a 44º C en vez de 37 ºC como lo hacen los totales. Ya que los Coliformes Fecales se encuentran casi exclusivamente en las heces de los animales de sangre caliente, se considera que reflejan mejor la presencia de contaminación fecal. Éstos últimos se denominan termotolerantes por su capacidad de soportar temperaturas más elevadas. Esta es la característica que diferencia a Coliformes Totales y Fecales. Vamos a seguir el mismo método para la determinación de los dos tipos de Coliformes, lo único que variará será la temperatura de incubación de cada determinación, que para los Coliformes Totales será de 37 ºC y para los fecales ha de ser de 44 ºC. 1 DÍAS

2 DÍAS

3 DÍAS

4 DÍAS

5 DÍAS

Tubo A control Tubo B problema

Interpretación de los resultados. La decoloración del azul de metileno se debe a su reducción por la acción de las bacterias presentes en el agua. Como se han incubado a una temperatura de 37ºC, sólo las bacterias coliformes serán las que crezcan. Si la decoloración ocurre antes de los cinco días indica que el agua está contaminada. Indicando mayor contaminación mientras más rápidamente ocurra la decoloración. Si en cinco días el agua no llega a decolorarse, podemos afirmar que no presenta contaminación bacteriana de coliformes. Escribe aquí tus conclusiones: 15

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