UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS GUIA DE CLASE No 4

NOMBRE DE LA ASIGNATURA: TÍTULO: DURACIÓN:   BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA

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QUIMICA INORGANICA AGUAS 3 SEMANAS WHITTEN, K. Química General. Cengage Learning. Octava Ed. Mexico, 2008. CHANG, R. Química. Décima Ed. McGraw Hill. China, 2010. MARIN, G.R. Tratamiento y control analítico de aguas. Universidad de Cordoba, 2000. OROZCO, C. Contaminación ambiental: una visión desde la química. Thompson, 2005. THOMAS, S. Química medioambiental. Pearson, 2004.

COMPETENCIAS  Identifica y establece las principales características fisicoquímicas del agua como líquido vital y solvente universal.  Reconoce el agua como componente fundamental en los diferentes ecosistemas y la importancia de su uso racional. CONCEPTUALIZACIÓN Generalidades: agua es el nombre común que se da al estado líquido del compuesto formado por hidrógeno y oxígeno, es un líquido inodoro e insípido, tiene un matiz azul que sólo puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de mercurio), el punto de congelación del agua es de 0 °C y su punto de ebullición de 100 °C. Alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4 °C y se expande al congelarse. El agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25 °C sin que se congele. El agua es el componente principal de la materia viva; constituye del 50 al 90% de la masa de los organismos vivos, parte se ingiere en los alimentos, otra porción se forma en el organismo por las combustiones de las grasas, carbohidratos y materias albuminoideas. Hidrología: ciencia que estudia la distribución del agua sobre la tierra, sus reacciones físicas y químicas con otras sustancias existentes en la naturaleza, y la relación con la vida en el planeta. El movimiento continuo de agua entre la tierra y la atmósfera se conoce como ciclo hidrológico; se produce vapor de agua por evaporación en la superficie terrestre y en las masas de agua, y por transpiración de los seres vivos, este vapor circula por la atmósfera y precipita en forma de lluvia o nieve. Durante la condensación y precipitación, la lluvia o la nieve absorben de la atmósfera cantidades variables de dióxido de carbono y otros gases, así como pequeñas cantidades de material orgánico e inorgánico. Además, la precipitación deposita lluvia radiactiva en la superficie de la tierra. Debido a su capacidad de disolver numerosas sustancias en grandes cantidades, el agua pura casi no existe en la naturaleza. Los principales componentes disueltos en el agua superficial y subterránea son los sulfatos, los cloruros, los bicarbonatos de sodio y potasio, y los óxidos de calcio y magnesio. Las aguas de la superficie suelen contener también residuos domésticos e industriales. Las aguas subterráneas poco profundas pueden contener grandes cantidades de compuestos de nitrógeno y de cloruros, derivados de los desechos humanos y animales. Generalmente, las aguas de los pozos profundos sólo contienen minerales en disolución. Casi todos los suministros de agua potable natural contienen fluoruros en cantidades variables. Oxígeno: uno de los elementos más importantes de la tierra, está presente en la atmósfera en forma de oxígeno molecular, en la hidrosfera combinado con hidrógeno formando el agua, y en la

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litosfera se encuentra combinado con silicio formando la arena. La atmósfera tiene alrededor del 21% de oxígeno elemental (O2) en volumen. El oxígeno libre, no combinado, del aire se introduce en los pulmones, pasa al torrente sanguíneo, es transportado a los tejidos y se combina con los alimentos ingeridos. Combustibles como el gas natural, la gasolina y la hulla también necesitan oxígeno para quemarse y liberar la energía almacenada en ellos. Hoy en día la combustión de este tipo de combustibles fósiles suministra el 86% de la energía que mueve los engranes de nuestra civilización. El oxígeno puro se obtiene por licuefacción del aire y evaporación posterior del nitrógeno y el argón. - Ozono: forma triatómica (O3) del oxígeno, es un poderoso agente oxidante y un peligroso contaminante del aire que puede ser muy irritante para las plantas y los animales. Existe una capa de Ozono en la estratosfera alta que sirve como un escudo que protege la vida terrestre contra las radiaciones ultravioleta del sol. Hidrógeno: constituye sólo alrededor del 0.9% de la corteza terrestre sin embargo, el hidrógeno ocupa una posición elevada en cuanto a abundancia. La mayor parte del hidrógeno se encuentra combinado con oxígeno en el agua, una porción está combinada con carbono en el petróleo y en el gas natural, que son mezclas de hidrocarburos. El hidrógeno es un gas incoloro e inodoro y también el más ligero de todos los elementos. El hidrógeno natural contiene 3 isótopos: Protio, o Hidrógeno común que no contiene neutrones, Deuterio que contiene 1 neutrón y Tritio que es radioactivo y contiene 2 neutrones; los isótopos del hidrógeno tienen una gran importancia especial en la química, no sólo debido a la gran diferencia relativa entre las masas de los isótopos del hidrógeno, sino también existe también una diferencia significativa en sus propiedades físicas y, en menor medida, en su comportamiento químico.

CLASIFICACIÓN: los diferentes tipos de aguas se pueden clasificar de la siguiente forma - Agua potable: presenta propiedades físicas, químicas y bacteriológicas, que le permiten ser consumida por la población humana y no producir efectos adversos a la salud. - Aguas residuales domésticas: resultado del uso del agua potable en las diferentes actividades domésticas. - Aguas residuales Industriales: provienen de las actividades industriales, las cuales deben ser tratadas antes de ser vertidas a las fuentes hídricas. - Aguas meteóricas: provienen de la lluvia, la fusión del granizo o de la nieve. En las grandes ciudades y centro fabriles las aguas lluvias arrastran humos que contienen ácidos disueltos, produciéndose el fenómeno que se conoce como lluvia ácida. - Aguas fluviales: contienen sustancias disueltas provenientes de la composición del suelo y de la cuenca vegetal. Muchas de las aguas de los ríos son blandas debido a la cantidad de bicarbonatos que contienen. - Aguas de pozos: se obtienen al hacer un orificio artificial en el suelo, se encuentra en la capa acuífera superficial o profunda. El hombre ha utilizado el agua de diferentes maneras en sus labores cotidianas entre las que podemos mencionar: a. Bebidas y preparación de alimentos. b. Riegos agrícolas y explotaciones ganaderas. c. Refrigeración y procesos industriales. d. Navegación y comercio fluvial. e. Usos deportivos y lúdicos. f. Evacuación de vertidos y residuos domésticos variados. g. Producción hidroeléctrica y termoeléctrica. Es importante señalar que aproximadamente de cada 100 L de agua potable solo 5 L se consumen directamente para bebidas en nuestros hogares. CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS Y ORGANOLÉPTICAS: el decreto 1575 de 2007 establece el sistema para la protección y control de calidad del agua para consumo humano en

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Colombia. En el análisis de la calidad de agua es necesario tener en cuenta propiedades organolépticas, físicas, químicas y microbiológicas como color, olor, sabor, turbiedad, conductividad, sólidos totales, cianuro, nitratos, nitritos, cloruros, fosfatos, alcalinidad total, dureza, demando bioquímica de Oxígeno, entre otros. Algunos de éstos se explican a continuación. -

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Temperatura: para que un agua sea fresca y agradable al paladar su temperatura debe estar comprendida entre 7º C y 11º C. Color: debe ser transparente, las aguas incoloras son raras en la naturaleza, aunque en realidad su color es nulo y otros colores son producidos por sustancias del suelo. Olor: mediante el sentido del olfato se pueden llegar a descubrir impurezas, el olor a podrido se desarrolla en las aguas estancadas, que contienen animales y vegetales en descomposición, olor que identifica a las aguas sulfuradas. Sabor: se ha establecido que las aguas tienen mal sabor cuando el contenido de sales disueltas sobre pasa ciertos límites, especialmente las sales como el NaCl, CaSO4, MgSO4, MgCl2 y mezclas de estas sales. Turbidez - Transparencia: la presencia de materias diversas en suspensión, arcillas, limos, coloides orgánicos, plancton y otros organismos microscópicos da lugar a la turbidez en el agua, estas partículas de dimensiones variables desde 10 mm hasta diámetros del orden de 0.1 mm se pueden asociar a tres categorías: minerales, partículas orgánicas húmicas y partículas filamentosas. Residuo Seco: se puede definir como la cantidad total de sales, así como de materias orgánicas de tamaño muy pequeño que contiene el agua. Los iones mayoritarios que = = 2+ 2+ + + forman las sales disociadas suelen ser: HCO 3 , CO3 , Cl , SO4 , NO3 , Ca , Mg , Na y K . Conductividad: se produce por los electrolitos que lleva disueltos el agua, la cual en el agua pura es muy baja (centésimas de  S/cm). La conductividad del agua natural depende del tipo de terreno que atraviesa y de la solubilidad de rocas y materiales, el tipo de sales presentes, el tiempo de disolución, temperatura, gases disueltos, pH y toda la serie de factores que pueden afectar la solubilidad de un soluto en agua.

SUSTANCIAS DISUELTAS EN EL AGUA se determinan mediante análisis fisicoquímicos y/o espectrofotométricos  Nitritos, nitratos y amonio: el nitrógeno asociado al agua potable indica posible contaminación, puesto que el agua potable no debe contener estas sustancias. Por desdoblamiento, las sustancias orgánicas, animales y vegetales, en proceso de descomposición, lentamente se mineralizan y el nitrógeno de dicha sustancia pasa a combinaciones amoniacales, que por oxidación dan nitritos que luego pasan a nitratos. Los nitritos entorpecen la fabricación de cerveza ya que perturban la sacarificación del mosto de malta, en la industria textil hacen cambiar el tono de los colores de las telas y dan a la seda y lana natural coloraciones amarillentas por formación de combinaciones azoicas.  Ácido Carbónico: se encuentra en las aguas en tres diferentes formas; como ácido carbónico semicombinado, que corresponde a la mitad del ácido en los bicarbonatos y como ácido carbónico. El CO2 disuelto a pesar que le comunica a las aguas una debilísima reacción ácida, ataca muchos metales como plomo, hierro, zinc, cobre, atacando también las obras de cemento o cal.  Oxígeno: se encuentra disuelto en las aguas superficiales hasta saturación, la presencia de oxígeno tiene gran importancia en las aguas agresivas. El oxígeno tiene un papel muy importante junto al CO2 en la corrosión de algunos metales.  Sulfatos: proceden de las sales que se encuentran en el suelo o de la oxidación de los sulfuros naturales y procede de terrenos muy cargados de yeso. Las aguas muy cargadas de sulfatos de magnesio o sulfatos alcalinos tienen sabor amargo y acción purgante. El sulfato de calcio forma con el aluminato cálcico del cemento, una sal doble, sulfoaluminato de calcio, que cristaliza con 24 moléculas de agua y el gran volumen que requiere produce un efecto de cuña en la obra, que salta por la presión.  Cloruros: la cantidad de cloruros que contiene un agua sirve para conocer su calidad (30 mg/L), menores cantidades dan un sabor soso y, mayores sobre todo pasando de 200 mg, son

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perjudiciales, ya que no sacian la sed. Con más de 100 mg/L, las aguas magnesianas y poco carbonatadas tienen propiedades corrosivas sobre los metales y materiales de construcción. Hierro y Manganeso: es muy frecuente la presencia de estos elementos en el agua, generalmente disueltos como bicarbonato. En contacto de aire oxida y se precipita como Fe2O. En las aguas ferruginosas con cantidades superiores a 0.2 mg/L se desarrollan una serie de algas típicas, llamadas ferruginosas que llegan a obturar las conducciones. ++ ++ Dureza: se debe principalmente a la presencias de iones Ca y/o Mg en forma de sales disueltas. Los bicarbonatos de estos elementos son los que constituyen la dureza temporal, llamada también dureza de los carbonatos. Otras sales, principalmente cloruros y sulfatos alcalinotérreos forman la dureza permanente o dureza de los no carbonatos y al conjunto se le llama dureza total, la cual se expresa en ppm de CaCO3. La determinación de dureza total en laboratorio se hace por medio de una titulación con EDTA (ácido etilendiaminotetracético) a pH 10 y con negro de eriocromo T como indicador (IND), observándose un cambio de color de púrpura a azul. La reacción con los iones calcio y magnesio presentes forma complejos cuya relación estequiométrica es de 1:1. Las ecuaciones de reacción se pueden representar de forma general de la siguiente manera: 2+

Ca

2+

+Mg +IND

[Ca-Mg--IND] + EDTA

→

[Ca-Mg--IND] complejo púrpura

→ [Ca-Mg--EDTA] + IND complejo azul

Para la clasificar las muestras de agua según su dureza total se tiene en cuenta la siguiente tabla:

DUREZA ppm CaCO3 Blanda 0 - 75 Moderadamente dura 75 - 150 Dura 150 - 300 Muy dura > 300 Tabla 1: clasificación dureza

Ejemplo. Se determinó la dureza de una muestra de agua residual por titulación con EDTA, 25 mL de la muestra consumió 5,5mL de EDTA 0,01M, con negro de eriocromo T. Para la titulación de 20 mL de la muestra de agua, con murexida a pH 12, se emplearon 3,4 mL de EDTA 0,01M. Calcular dureza total, dureza por Calcio y dureza por Magnesio en ppm de CaCO3. 

Para dureza total: Como la relación molar es de 1 a 1 se establece el siguiente principio de equivalencia: Moles de EDTA = Moles de CaCO3

Teniendo en cuenta que la Molaridad es: Las moles de EDTA serán:

-5

Moles EDTA= 0,01M* 0,0055L = 5,5x10 moles = moles de CaCO3

La concentración en ppm es Es decir, expresando las moles en gramos se tiene:

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El volumen de muestra de agua es de 25mL= 0,025L, por tanto la dureza total será:

Con este valor obtenido de dureza total se establece que la muestra analizada es dura. 

Para dureza por Calcio:

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La dureza por magnesio se calcula por diferencia entre los valores obtenidos:



Materia Orgánica: las sustancias orgánicas que contienen las aguas se encuentran en mínima cantidad y en la posibilidad de identificarlas y valorarlas aisladas o conjuntamente, se acordó expresarlas por la cantidad de oxigeno correspondiente al permanganato de potasio que necesitan para su oxidación en determinadas condiciones (oxígeno consumido por litro de agua), en literatura aparece la materia orgánica expresada en oxígeno consumido, lo cual representa la demanda química de oxígeno (D.Q.O.). La presencia de nitritos, hierro(II), ácido sulfhídrico, aumenta considerablemente la cifra y puede ser causa de error, las aguas de los suelos turbosos tienen una cantidad mayor de materia orgánica debida a la presencia de ácidos húmicos. Se ha estudiado la relación entre el color del agua y la materia orgánica; los mares azules tienen entre 1 – 3 mg, los verdes de 6 – 14 mg, los amarillos de 30 – 40 mg, los pantanos pardos más de 50 mg, expresados en permanganatos por litro.

TÉCNICAS DE ANÁLISIS: los contaminantes de origen inorgánicos pueden ser identificados y cuantificados en un cuerpo de agua mediante técnicas analíticas espectrofotométricas, ya sea en el visible por colorimetría o fotometría sí se tratan de iones y metales o por reflectometría. Los metales también pueden ser identificados y cuantificados por espectrofotometría de absorción o emisión atómica. La técnica la determina el tipo de agua y el contaminante que se quiere caracterizar. Sí el contaminante es de origen orgánico la técnica de análisis puede ser por cromatografía de gases acoplada a masas, infrarrojo, ultravioleta o cromatografía líquida de alta resolución. Mediante estos procedimientos de análisis se pueden identificar Plaguicidas, colorantes, hidrocarburos etc. DEPURACIÓN POR CALENTAMIENTO DE AGUAS DURAS CON SALES DE CALCIO Y / O MAGNESIO

Ca(HCO3)2

CaCO3

+ CO2 + H2 O

Las aguas duras se pueden ablandar mediante un procedimiento donde el agua se hace pasar por columnas que contienen un mineral llamado zeolita cuyo aspecto es muy parecido al de la arena, a

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este proceso se le conoce con el nombre de Intercambio Iónico, el fundamento de la separación 2+ 2+ + consiste en remplazar los iones Ca y Mg de las aguas duras por iones Na . DEPURACIÓN CON ZEOLITA DE AGUAS DURAS CON SALES DE CALCIO Y / O MAGNESIO 2+

Ca

( ac

Mg

+ 2ZNa( s )

2+

+ 2ZNa( s )

( ac )

+

Z 2Ca( s )

+ 2Na

( ac )

+

Z 2 Mg ( s ) + 2Na

( ac )

Donde Z representa una pequeña porción del anión de la zeolita. El resultado de estas reacciones 2+ 2+ + es la sustitución de un ion Ca o Mg por dos iones Na . La mayoría de los intercambiadores catiónicos actuales consisten en resinas orgánicas sintéticas, que tienen estructuras similares en muchos aspectos a la zeolita sin embargo, poseen una mayor capacidad para eliminar los iones 2+ 2+ Ca o Mg . Contaminación Industrial: en todos los procesos industriales se requiere de cantidades de agua que pueden llegar a ser muy significativas, es así como en la industria automotriz se requieren para la fabricación de un automóvil varios cientos de kg de acero; la producción de una tonelada de acero requiere de no menos de 100 t de agua, cerca de 4 t se pierden por evaporación y el resto se contamina con ácidos, grasas, aceites, cal y sales de hierro sin embargo, esta agua puede reciclarse para ser aprovechadas nuevamente. El cromado de defensas, parrillas y ornamentos es una fuente de contaminación, el proceso 2genera cromo residual (CrO4 ) y cianuro (CN ). Anteriormente, estas sustancias toxicas se vertían en las corrientes de aguas, hoy día se eliminan en buena parte mediante tratamiento químico. El cianuro se trata con cloro y una base para formar nitrógeno gaseoso, iones bicarbonato y iones cloruro. -

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10OH + 2CN + 5Cl2

-

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N2 + 2HCO3 + 10Cl + 4H2O

El cromato se elimina por reducción con dióxido de azufre, donde el cromato se convierte en ion 3+ Cr y el azufre en sulfato. 2-

2CrO4 + 3SO2 + 2H2O

3+

2Cr

2-

+ 3SO4 + 4OH

-

3+

Los sulfatos no suelen ser contaminantes graves y el Cr es relativamente insoluble en soluciones alcalinas de donde se puede separar por precipitación, pero es lo bastante soluble en medio ácido como para constituir un problema. La industria textil produce como contaminantes del agua acondicionadores, colorantes, blanqueadores, aceites, y otros. La mayor parte de estos pueden eliminarse por un tratamiento convencional de las aguas residuales. Contaminación Doméstica: las aguas que se vierten al drenaje llevan una carga de sustancias con un alto poder contaminante entre las que podemos mencionar: detergentes, jabones, aceites, grasas, disolventes y gran cantidad de materia orgánica como los almidones, azucares, proteínas, celulosa y la gran carga de desechos ligadas a las deyecciones humanas. Todos estos desechos llevan consigo una microflora que con su proliferación conducen a un agotamiento de la provisión de oxígeno del medio hídrico, posibilitando que el agua entre en anaerobiosis con generación de gas sulfhídrico. Una medida de la cantidad de oxígeno necesaria para la degradación de toda esta materia orgánica es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO); cuanto mayor sea la cantidad de desechos orgánicos degradables, mayor será la DBO, sí la DBO es lo bastante alta, se agotará el oxígeno y ningún ser vivo puede sobre vivir en el lago o rio. Cuando están presentes en el agua ciertos iones, sobre todo los fosfatos y nitratos, sirven como nutrientes para el crecimiento de algas, llegando a una sobre población, cuando las algas mueren se convierten en materia orgánica que eleva el DBO, fenómeno que se conoce como eutrofización.

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POTABILIZACION DE AGUAS: cualquier estación moderna para la potabilización o depuración de aguas se apoya en una serie de operaciones básicas de carácter fisicoquímico o microbiológico. En general en el tratamiento de un agua pueden considerarse varios aspectos: a. Eliminación de materias en suspensión y coloides, utilizando fenómenos de coagulación – floculación, flotación y filtración. b. Eliminación de materias disueltas, llevado a cabo por membranas filtrantes, adsorción e intercambio iónico. c. Reacciones puramente químicas. d. Procesos de oxidación y desinfección. e. Tratamientos biológicos. CUESTIONARIO -

Explicar a qué se refiere el calor de vaporización del agua y establecer ¿por qué es importante para muchos organismos el elevado calor de vaporización del agua? Mencionar que tipo de impurezas están presentes en el agua de lluvia. Explicar por qué es indeseable el agua dura en ciertos procesos industriales. Establecer cuáles son los tratamientos para lixiviados provenientes de rellenos sanitarios. Definir que es ciclo biogeoquímico Consultar los ciclos del agua, carbono, nitrógeno, oxígeno y del azufre. Una muestra de 50 mL de agua residual se tituló con 12,5 mL de EDTA 0.02 M, con indicador negro de eriocromo T. 50 mL de la misma muestra se titularon empleando como indicador murexida, usando 7,1 mL de EDTA 0.02M. Determinar: La dureza total del agua, la dureza por Calcio y la dureza por Magnesio en ppm de CaCO 3 y clasificar la muestra.

BIBLIOGRAFÍA -

WHITTEN, K. Química General. Cengage Learning. Octava Ed. Mexico, 2008. CHANG, R. Química. Décima Ed. McGraw Hill. China, 2010. MARIN, G.R. Tratamiento y control analítico de aguas. Universidad de Cordoba, 2000. OROZCO, C. Contaminación ambiental: una visión desde la química. Thompson, 2005. THOMAS, S. Química medioambiental. Pearson, 2004.

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