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

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

INDICE DE CONTENIDO Unidad 1. didáctico QUÍMICA COMPONENTE HÍDRICO Contenido delYcurso Química Ambiental Unidad

Capítulos y Lecciones

Página

1

Capítulo 1. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA Lección 1. Estructura molecular y propiedades del agua

16

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

17

2

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Autoevaluación

180

Respuestas la autoevaluación de la Unidad 1 Contenido didáctico del acurso Química Ambiental Fuentes documentales de la Unidad 1

181

Unidad 2. QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO 2

Capítulo 4. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL SUELO Lección 16. Conceptos básicos

186

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

187

3

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PREGUNTAS Y EJERCICIOS Autoevaluación Contenido didáctico del curso Química Ambiental

289 290

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 Lección 40. El smog fotoquímico y la lluvia ácida

359

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

365

4

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 45. Análisis de muestras en el laboratorio

396

PREGUNTAS Y EJERCICIOS Contenido didáctico del curso Química Ambiental Autoevaluación Respuestas a la autoevaluación de la Unidad 3 Fuentes documentales de la Unidad 3

403

5

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

LISTADO DE TABLAS Contenido didáctico del curso Química Ambiental UNIDAD 1 Tabla N°

Página

Nombre de la tabla

1

Ángulo de enlace de compuestos homólogos del agua

18

2

Principales propiedades del agua

22

3

54

4

Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de algunas semi-reacciones, a 25°C Productos de solubilidad en agua, a 25°C, de algunas sales

5

Materiales radiactivos presentes en sistemas acuosos

77

6

Procesos utilizados en tratamientos de agua según la clase de contaminantes Métodos para el ablandamiento del agua

97

7 8

Tabla N°

Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de muestras, según tipo de análisis UNIDAD2

68

121 155

Página

Nombre de la tabla

9

Valores de capacidad de intercambio catiónico

204

10

Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos

244

11

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

6

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

16

Distancia mínima de separación entre vías vehiculares y muestreadores o caminos de medición

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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

17

3

Pares de electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de agua Representación de una molécula de agua

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

49

11

Variación con el pH de las especies químicas del C en solución acuosa a 25°C Compartimientos ambientales y equilibrios del sistema CO2HCO3-- CO32Rango de condiciones oxidantes en sistemas acuosos

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

10

18

51 57

7

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

16

Representación de las corrientes de permeado y rechazo

Estructura de unaAmbiental celda de electrodiálisis 17 Contenido didáctico delbásica curso Química

107 108

18

Procesos de potabilización de aguas crudas

109

19

Determinación del número de muestras requeridas para cuantificar la concentración promedio de un analito UNIDAD 2

154

Figura N°

Nombre de la figura

Página

189

21

Proporciones relativas (en volumen) de los componentes del suelo Estructura general de las arcillas

22

Perfil general del suelo

196

23

Triángulo de clases texturales

199

24

Tipos de estructura del suelo

200

25

202

27

Representación de mineral de arcilla con carga negativa superficial Representación de sustancias orgánicas con grupos ionizados Representación de la acidez activa y de la intercambiable

28

Proporción promedio de bases en el suelo

207

29

208

30

Representación de la disponibilidad de nutrientes a diferentes valores de pH Esquema de una doble capa difusa

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

20

26

192

203 206

213

8

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

UNIDAD 3 Figura N°

de curso la figura Contenido Nombre didáctico del Química Ambiental

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

9

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

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.

10

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

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.

11

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

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.

12

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

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, 13

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

cómo es su reactividad y cuáles tratamientos son apropiados para su Contenido didáctico del curso Química Ambiental 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 QUÍMICAS DEL AGUA

PROPIEDADES

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

14

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Denominación de Lección 8

Composición de las aguas residuales

Denominación de Lección Tratamiento de aguas residuales Contenido didáctico del curso 9Química Ambiental 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

15

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

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. 16

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 1: Estructura molecular y propiedades del agua

PALABRAS CLAVE: puentes de hidrógeno, dipolar, hidratación, constante dieléctrica, calor específico, calor latente de vaporización y fusión, impurezas del agua, usos el 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

17

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los dos pares de electrones no compartidos y la electronegatividad mayor del oxígeno respecto a la del hidrógeno originan una configuración angular de carácter Contenido delángulo curso Química Ambiental dipolar. El didáctico valor del de enlace de la molécula de H 2O se observa en la Figura 3.

Figura 3. Representación de una molécula de agua3

La Tabla 1 permite hacer una comparación entre los ángulos de enlace de la serie H2O, H2S, H2Se y H2Te. Se observa una disminución secuencial, con una diferencia mucho más marcada entre los dos primeros componentes de la serie. Una explicación probable de la disminución de los ángulos de enlace de los hidruros está en el aumento del tamaño del átomo central de las moléculas de los compuestos y la disminución de su electronegatividad, a medida que aumenta el período en el que se ubica el átomo central de los compuestos.

Tabla 1. Angulo de enlace de compuestos homólogos del agua

3

COMPUESTO

ANGULO DE ENLACE

H2O

104,5°

H2S

92,2°

H2Se

91,0°

H2Te

89,5°

Elaborada por María del Pilar Triana Novoa

18

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

No obstante la similitud en la geometría molecular de la serie, el agua es un compuesto único que no comparte con los otros compuestos las propiedades Contenido didáctico del estas curso Química Ambiental fisicoquímicas. Entre propiedades, las Figuras 4 y 5 presentan los valores de los puntos de fusión y de ebullición de la serie de compuestos.

Figura 4. Punto de fusión de compuestos homólogos del agua

Figura 5. Punto de ebullición (P = 1 atm) de compuestos homólogos del agua Un análisis de los datos de los puntos de fusión y ebullición de la serie de compuestos muestra que el compuesto de mayor masa molecular el H 2Te (129,62 g) tiene un punto de fusión cercano a los -50°C y de ebullición cercano a los -2°C y que a medida que la masa molecular es menor los valores de los puntos disminuyen. Sería de esperar que, el componente más liviano de la serie, el H2O (18,01 g) presentara un punto de fusión por debajo de los -85°C y uno de ebullición menor a los -61°C, lo cual se traduciría en que el H2O fuera un gas en el rango de valores de temperatura y presión ambientales de la tierra.

19

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Sin embargo, la tendencia cambia abruptamente hacia valores significativamente superiores, ubicados dentro de un rango, que hace del agua la única sustancia Contenido didáctico del curso naturales Química Ambiental que en las condiciones de nuestro planeta se presente en los tres estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gas). Este comportamiento del agua tiene explicación al nivel de las atracciones intermoleculares o fuerzas intermoleculares, específicamente las conocidas como puentes de hidrógeno que corresponden a un tipo especial de interacción dipolodipolo. En el agua esta interacción es especialmente fuerte y se presenta entre el átomo de hidrógeno que hace parte de un enlace polar, O – H, en una molécula y un átomo de oxígeno (electronegativo) que hace parte de otra molécula de agua. El acomodamiento de varias moléculas unidas por puentes de hidrógeno alrededor de cada molécula de agua genera una estructura ordenada, a manera de una red (Figura 6), que es la causa, en gran extensión, de su comportamiento particular y de sus propiedades fisicoquímicas.

------

Puente de hidrógeno

Figura 6. Estructura ordenada del agua4

4

Tomada de: http://fisexpscs.blogspot.com/2009/10/agua.html 20

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1.2. Propiedades aguaQuímica Ambiental Contenido didáctico del del curso La estructura descrita anteriormente hace del agua una sustancia singular con un número de propiedades únicas que son indispensables para la vida (Tabla 2. Principales propiedades del agua) en la tierra.

21

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 2. Principales propiedades del agua Contenido didáctico del curso Química Ambiental

22

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

ACTIVIDAD # 1: Para complementar la información acerca de la estructura química y las propiedades del H20, revise el material que se encuentra en: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000051/lecciones/cap01/06_03.htm

1.3. Impurezas del agua En la práctica, 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 (Figura 7).

23

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

EL AGUA EN NUESTRO PLANETA

Figura 7. Repartición del agua por compartimento ambiental5

La gran cantidad de especies químicas presentes en las aguas naturales se debe a las siguientes causas principales: la propiedad del agua como solvente extraordinario, su capacidad reactiva y su acción como agente erosivo. Entre las especies químicas se destacan las siguientes: 1.3.1. Gases: provenientes de tres fuentes principales y que alcanzan un grado determinado de disolución al entrar en contacto con el agua, así:

5

Información basada en datos publicados por US Geological Survey: http://www.usgs.gov/

24

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

1.3.2. Iones: al igual que los gases tienen origen diverso y forman soluciones acuosas de diferentes concentraciones. A continuación se presentan los iones presentes en mayor concentración de acuerdo con su procedencia:

25

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

1.3.3. Compuestos inorgánicos de origen específico: provenientes de la meteorización de minerales presentes en la corteza terrestre, causada por ataque químico y arrastre por parte del agua. Entre estos compuestos los más frecuentes son las arcillas y las arenas, los cuales forman suspensiones acuosas. Arcillas: desde el punto de vista mineralógico, comprenden todos los silicatos laminares secundarios, con tamaño de partícula < 2µ. Arenas: estos materiales son el producto de alteración de rocas y corresponden a partículas que, desde el punto de vista de la geología, tienen un tamaño comprendido entre 0,063 mm y 2 mm. 1.3.4. Materia orgánica: corresponde a especies bien en solución o en suspensión o dispersión coloidal. En el primer caso se encuentran los aminoácidos, los hidratos de carbono, los ácidos grasos y alcoholes, entre otros compuestos, producto de la descomposición de seres vivos. En el segundo caso, esto es, el de sustancias de naturaleza coloidal, están los ácidos húmicos y los fúlvicos que son una fracción muy importante de la materia orgánica de los suelos, y las proteínas y los polisacáridos procedentes de seres vivos.

26

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1.4. Usos del agua ElContenido agua natural condel las propiedades y las características descritas anteriormente, y didáctico curso Química Ambiental principalmente la correspondiente a las aguas continentales superficiales (lagos y ríos) y a las subterráneas, se utiliza con diferentes finalidades, las cuales determinan la forma de valorar la contaminación potencial y actual y los respectivos tratamientos deseables. Estos últimos tópicos se estudiarán en el capítulo 2. Los usos del agua para consumo son de los siguientes tipos generales: Abastecimiento doméstico Industrial Agropecuario Para cada uso los indicadores de calidad son diferentes. Es así como, por ejemplo, el agua para abastecimiento humano, denominada también agua potable, debe cumplir con ciertos estándares, esto es, con valores máximos aceptables de concentraciones de ciertas especies químicas presentes, y de otros parámetros como pH y conductividad, los cuales se detallan en la lección 5. Por otra parte, en la lección 7 se indican los tratamientos a que deberá someterse el agua para uso potable que no cumpla con los requisitos establecidos para ese fin. Otros tipos de usos del agua son: Acuicultura Hidroeléctricas Recreación y estética Navegación

Un aspecto de gran relevancia derivado de los diferentes usos que se le dan al agua es la contaminación a la que es sometida. De ésta resultan las denominadas aguas residuales cuyas características y tratamientos se presentan en la lección 8 y en la 9, respectivamente. Previamente a la caracterización de los contaminantes químicos del agua se abordarán, por necesarios para entender su comportamiento y tratamiento, aspectos relacionados con la termodinámica y la reactividad del agua. 27

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección Fundamentos de termodinámica química Contenido2:didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: energía libre de Gibbs, potencial químico, diagrama de Los conceptos anteriores permiten establecer fases, ley del equilibrio químico, constante de equilibrio, autoprotólisis, soluciones acuosas, electrolitos.

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia el cambio o transformaciones de la energía de una forma a otra. La termodinámica química es la rama de la química relacionada con las energías de los sistemas químicos y, de forma particular, con las transformaciones energéticas y el trabajo realizado durante las reacciones químicas. Los diferentes sistemas tienden a experimentar un cambio espontáneo e irreversible de un estado inicial de no equilibrio hacia un estado final de equilibrio. Esto es válido para procesos físicos y químicos. La función de estado que establece la condición de equilibrio y espontaneidad es la energía libre de Gibbs o entalpía libre que se denomina con la letra G. A condiciones de temperatura y presión constantes la variación de la energía libre respecto a la cantidad de materia se denomina potencial químico y se representa con la letra µ. Esta magnitud intensiva se puede asignar a cualquier especie química, para caracterizar el comportamiento termodinámico de esta especie cuando reacciona con otra especie química, tanto en el sentido o dirección en que las reacciones pueden tener lugar, como en el de los estados de equilibrio químico. Esto se aplica a reacciones homogéneas, heterogéneas y a cambios de fase6. 2.1. Equilibrio de los estados físicos El equilibrio entre los estados físicos de una sustancia se denomina equilibrio heterogéneo porque están presentes dos o más regiones homogéneas, fases, las cuales se encuentran separadas unas de otras por interfases. Durante el equilibrio se produce un intercambio constante de materia entre las fases, hecho posible gracias a que las interfases son áreas de contacto y no se 6

WASER, J. Termodinámica química fundamental. Barcelona: Reverté. S. A., 1972. p.128.

28

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

puede dar la presencia de membranas impermeables o semipermeables. Debido al flujo constante de materia, se habla de un equilibrio heterogéneo dinámico. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Este tipo de equilibrio involucra, a la vez, otros tipos de equilibrio: térmico, mecánico y químico. En el equilibrio térmico, las fases se encuentran a la misma temperatura y no hay flujo de calor entre ellas. En termodinámica este hecho se conoce como principio cero, el cual establece que para dos fases A y B se debe cumplir que: T A = TB En el equilibrio mecánico la presión es constante en todas las partes del sistema y, por tanto, se debe cumplir que para las fases A y B: PA = PB En el equilibrio químico, la velocidad de intercambio o flujo de materia en una y otra dirección hacia las fases es igual. Para una especie química determinada, su potencial químico (µ) debe ser igual en todas las partes del sistema. Desde el punto de vista de la termodinámica, este equilibrio químico se establece en términos de la energía libre de Gibbs (G), así: dG T, P = 0 Si para dos fases A y B de un sistema corresponden potenciales químicos µA y µB de una especie química, y si en el equilibrio d n moles de la especie pasan de la fase A hacia la Fase B, se puede establecer que: dG T, P = - µAdn + µBdn = 0 Luego: µA = µB Los tres equilibrios anteriores se aplican y cumplen en cada fase y también entre las fases. Los equilibrios entre fases de una sustancia se pueden representar en un plano donde las coordenadas corresponden a valores de presión y temperatura que se determinan experimentalmente para cada sustancia. Esta representación se denomina diagrama de fases. El agua por su importancia como constituyente fundamental de todos los organismos vivos y por su papel determinante en los procesos tanto naturales 29

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

como industriales, es una de las sustancias más estudiadas y su diagrama de fases se conoce y utiliza desde hace mucho tiempo atrás (ver Figura 8. Diagrama didáctico deContenido fases del agua).del curso Química Ambiental

Figura 8. Diagrama de fases del agua7

En el diagrama se observan tres áreas claramente definidas: sólido (hielo), líquido (agua) y vapor, cada una correspondiente a una fase única. Dentro de cada una de estas áreas, se pueden variar independientemente la presión y la temperatura, sin que se dé un cambio de fase. Las áreas se encuentran limitadas por las líneas AB, AC y AD.

7

Adaptada de: FERGUSON, F. D. y JONES, T. K. La regla de las fases. Madrid: Alhambra, 1968. p. 18.

30

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La línea AB representa el equilibrio en la interfase sólido-vapor y en cada uno de los puntos sobre esta línea tiene lugar el equilibrio entre las dos fases. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

De igual forma, la línea AC representa el equilibrio de la interfase líquido-vapor y la línea AD el de la interfase sólido-líquido. En cada punto de las líneas ocurre el equilibrio de las fases correspondientes. En cualquiera de los equilibrios anteriores, el sistema agua es monovariante, es decir, que a un valor seleccionado de temperatura corresponde un valor único de presión, y viceversa, para que se dé el equilibrio respectivo. Cada línea contiene la representación de fenómenos que son muy familiares, así: sobre la línea AC está el punto de ebullición normal del agua, N, a 100°C y 760 mm Hg = 1 atm de presión. La línea se corta en el punto C, que se conoce como punto crítico, a 374°C y 218 atm, en el cual el líquido y el vapor no se pueden distinguir. Sobre la línea AD está el punto de fusión normal del agua, M, a 0,0023°C y 1 atm de presión. La pendiente negativa de esta línea, que indica que al aumentar la presión disminuye el punto de fusión del agua, está de acuerdo con el fenómeno conocido en relación con el aumento de volumen del agua en la solidificación. Sobre el diagrama aparece, también, el punto A conocido como punto triple, a 0,0098°C y 4,58 mm Hg, en el cual coexisten en equilibrio las tres fases, sólido, líquido y vapor. Este punto es inmodificable y es una constante fundamental del agua. Otra información importante que proporciona el diagrama son los cambios o reacciones de fase. Si, por ejemplo, partimos del punto L, con una cierta cantidad de hielo y, manteniendo la presión constante, calentamos el hielo hasta M, encontramos el equilibrio sólido-líquido y al continuar el calentamiento en dirección de N, volvemos a una sola fase, líquida, con una disminución del volumen de la cantidad de agua con la que partimos. Si el anterior recorrido se hubiera realizado partiendo de una presión inferior a 4,58 mm Hg, no habría tenido lugar la ocurrencia de la fase líquida y se habría dado directamente el proceso de sublimación del agua. Este fenómeno es de gran utilidad en las industrias farmacéutica y de alimentos y se conoce como liofilización.

31

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2.2. Equilibrio en las reacciones químicas ElContenido concepto termodinámico del equilibrio didáctico del curso Química Ambiental químico está directamente relacionado con consideraciones energéticas que permitan la verificación de la ley del equilibrio químico y, además, relacionar la constante de equilibrio con datos termodinámicos. Como ya se mencionó, la fuerza que impulsa al sistema a cambiar de un estado inicial a un cierto estado final se mide mediante el cambio en la energía libre para el proceso. A su vez, el cambio en la energía libre se define como la diferencia entre las energías libres de los estados final e inicial. La diferencia se expresa como ∆G, cuando el sistema experimenta un cambio finito de estado, así: ∆G = Gfinal - Ginicial 2.2.1. Estados estándar y energías libres de formación La energía libre de una especie química depende de la temperatura y la presión, así como de la naturaleza y la cantidad de la sustancia. En consecuencia, se hace necesario establecer unas condiciones para el estado estándar de las diferentes clases de sustancias, de manera que los valores de la energía libre absoluta de un elemento o la energía libre de formación de un compuesto se puedan especificar de forma precisa. El estado estándar de una sustancia depende de su estado de agregación. No obstante, para todos los estados estándar se aplica una temperatura de 298 K ó 25 °C. Para una sustancia gaseosa, el estado estándar se define, además con una presión de 101 kPa (1 atm). Para un líquido o sólido, se considera el estado estándar como el del líquido puro o el sólido puro, respectivamente, a una presión de 101 kPa. Para solutos, incluyendo electrolitos, no electrolitos e iones individuales, se considera el estado estándar como aquel en el cual sus actividades, es decir, sus concentraciones efectivas son la unidad molar, a una presión de 101 kPa. Por convención, se ha establecido un valor de cero a la energía libre de la forma más estable de cualquier elemento puro, en su estado estándar. Para un compuesto químico se debe determinar el cambio de energía libre de la reacción por medio de la cual se forma el compuesto a partir de sus elementos, cuando todos los reactantes y los productos están en su estado estándar. Este cambio de energía libre se denomina energía libre estándar de formación, para la cual se utiliza el símbolo ∆Gf0. Ejemplos: 32

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1) H2 (g) + ½ O2 (g)

H2O (g)

tiene ∆Gf0 = -54,54 kcal/mol

0 ElContenido valor negativo la Ambiental reacción de formación del agua y para cualquier f para didácticode del ∆G curso Química otra reacción significa que los reactivos se convertirán espontáneamente en productos, cuando todas las sustancias están en sus estados estándar. En otras palabras, significa que la reacción es espontánea, así el proceso sea cinéticamente lento.

2) ½ N2 (g) + ½ O2 (g)

tiene ∆Gf0 = +20,72 kcal/mol

NO (g)

En éste y en cualquier caso el valor positivo de ∆Gf0 significa que la reacción no es espontánea. En la reacción del ejemplo, se formará una pequeña cantidad del óxido nítrico, pero la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno, cada uno en su estado estándar, no se llevara a cabo en la extensión suficiente para producir el óxido en su estado estándar. 2.2.2. Cambio de energía libre para una reacción En forma general, para cualquier reacción, el cambio de energía libre estándar es el siguiente: ∆Go = Σ∆Gf0 (productos) - Σ∆Gf0 (reactantes) La ecuación indica que el cambio de energía libre estándar de una reacción es igual a la suma de las energías libres estándar de los productos menos la suma de las energías libres estándar de los reactantes. Los valores de la energía libre estándar de formación de varias sustancias se encuentran en tablas en la literatura. Algunos valores se pueden consultar en: http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap7/termodim/termodim.htm Diríjase directamente a la sección titulada: Energía libre, espontaneidad y equilibrio y ubique la tabla de datos de energía libre estándar de formación, ∆Gf0. La aplicación del concepto de cambio de energía libre estándar para una reacción general se puede plantear de la manera siguiente: aA + bB

cC + dD

Si se asume que los reactantes y los productos están en las condiciones de estado estándar, se tiene:

33

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

∆Go = c [∆Gf0(C)] + d [∆Gf0(D)] - a [∆Gf0(A)] - b [∆Gf0(B)]

(1.1)

SiContenido el sistema no está las condiciones didáctico del bajos curso Química Ambiental de estado estándar, entonces: ∆G = c [∆Gf(C)] + d [∆Gf(D)] - a [∆Gf(A)] - b [∆Gf(B)]

(1.2)

De la sustracción de la ecuación (1.1) de la ecuación (1.2) y una reacomodación de los términos resultantes, se obtiene: ∆G - ∆Go = c [∆Gf(C] - ∆Gf0(C)] + d [∆Gf(D) - [∆Gf0(D)] - a [∆Gf(A) - ∆Gf0(A)] - b [∆Gf(B) - ∆Gf0(B)] (1.3) Por otra parte, se tiene para cualquier sustancia, la siguiente expresión, derivada de una de las leyes de la termodinámica: ∆Gf = ∆Gf0 + RT ln a ∆Gf - ∆Gf0 = RT ln a Donde:

R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta

ln a = logaritmo natural de la actividad o concentración efectiva de la sustancia de interés, en moles/litro Aplicando esta expresión a cada una de las especies de la reacción general (A, B, C y D) y sustituyendo en (1.3) se tiene: ∆G - ∆Go = c RT ln aC + d RT ln aD - a RT ln aA - b RT ln aB Con la reacomodación de los términos y combinación de los términos logarítmicos se obtiene: ∆G - ∆Go = RT ln (aC)c + RT ln (aD)d - RT ln (aA)a - RT ln (aB)b (aC)c (aD)d

o

∆G - ∆G = RT ln

∆G = ∆Go + RT ln

(aA)a (aB)b

(aC)c (aD)d (1.4) a

b

(aA) (aB)

34

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2.3. Energía libre y el estado de equilibrio Retomando el concepto yaQuímica planteado que el cambio de energía libre es la medida Contenido didáctico del curso Ambiental de la fuerza que genera que una reacción tienda espontáneamente de un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio, se deduce que en el estado de equilibrio la fuerza es cero y, por tanto, el cambio de energía libre, ∆G, es cero. Luego para una reacción general, bajo condiciones de equilibrio, la ecuación (1.4) es: (aC)c (aD)d

o

0 = ∆G + RT ln

∆Go = - RT ln

(aA)a (aB)b

(aC)c (aD)d (1.5) a

b

(aA) (aB)

Se puede reconocer que la relación matemática del término logarítmico de la ecuación (1.5) es equivalente a la constante de equilibrio, K. Luego en el equilibrio: ∆Go = - RT ln K

(1.6)

Transformando la ecuación (1.6) en función del logaritmo en base decimal, se tiene: ∆Go = - 2,303 RT log K

(1.7)

Se concluye, entonces, que la ley del equilibrio analizada desde las leyes de la termodinámica conduce a la expresión de la constante de equilibrio, para una reacción química. Adicionalmente, se observa que es posible calcular la constante de equilibrio a partir de datos termodinámicos. Para el caso de la reacción de formación del agua, bajo condiciones estándar, se puede establecer lo siguiente: H2 (g) + ½ O2 (g)

H2O (g)

tiene ∆Gf0 = -54,54 kcal/mol

Utilizando la ecuación 7 se tiene: -54,54 = - 2,303 RT log K

35

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Luego: (54,54) Contenido didáctico del curso Química Ambiental

log K =

= 39,99

(2,303) (0,001987) (298) Se obtiene el valor de K hallando el antilogaritmo. De esta manera se obtiene: K = 9,88 x 1039 El valor negativo de ∆Go de la reacción y el valor muy alto de la constante de equilibrio, K, son coherentes e indican que la reacción es espontánea. 2.4. Equilibrio en soluciones acuosas Todos hemos escuchado, en alguna ocasión, la expresión “el agua es el solvente universal”, la cual refleja el papel predominante de las soluciones acuosas. Un gran número de fenómenos y reacciones a nuestro alrededor involucran la presencia de soluciones acuosas: En los organismos vivos: las soluciones acuosas tienen la importante función de transportar iones y moléculas desde y hasta las células. La gran mayoría de los fluidos corporales son soluciones acuosas, por ejemplo, orina, saliva, sudor, jugo gástrico y lágrimas. En el ambiente: todos los cuerpos de agua (océanos, ríos, lagos) son enormes soluciones acuosas porque contienen disueltas gran variedad de sustancias resultantes de los procesos geoquímicos naturales o de procesos antropogénicos, que en muchos casos resultan contaminantes. En la industria: muchas de las reacciones químicas que forman parte de los procesos industriales, así como los productos resultantes, se presentan en forma de soluciones acuosas. Por ejemplo, los detergentes y los fertilizantes líquidos. Para iniciar el estudio del equilibrio en soluciones acuosas, es importante considerar el equilibrio del agua en las condiciones naturales-ambientales en nuestro planeta: 2.4.1. Constante de equilibrio del agua: El agua es un electrolito débil y por esto es un pobre conductor de la electricidad.

36

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En la débil ionización del agua, una molécula actúa como ácido y cede un protón y otra molécula de agua actúa como base y acepta el protón: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

H3O+ (ac) + OH-(ac)

H2O (l) + H2O (l)

De forma abreviada la reacción de equilibrio se puede escribir de la siguiente manera: H+ (ac) + OH-(ac)

H2O (l)

El fenómeno representado por esta ecuación química se conoce como autoprotólisis, y la correspondiente constante de equilibrio es: Kc = [H+] [OH-] = Kw No aparece en el denominador la concentración del agua por tratarse de un líquido puro. La constante de equilibrio para el agua se denomina de autoprotólisis o de producto iónico del agua y se representa mediante el símbolo Kw. A 25°C, Kw = (1 x 10-7) (1 x 10-7) = 1 x 10-14 Donde, 1 x 10-7 moles/L es la concentración tanto de H+ como de OH-. Si bien el agua es una sustancia que conduce muy pobremente la electricidad, las soluciones acuosas que contienen compuestos iónicos son buenas conductoras de la electricidad. Por tanto, un soluto que se disuelve en un solvente, como el agua, para producir una solución buena conductora de electricidad se denomina un electrolito. 2.4.2. Equilibrio de electrolitos fuertes En general, los compuestos iónicos en solución se denominan electrolitos fuertes, porque existen casi completamente en forma de iones. Las sales como el cloruro de sodio son un ejemplo de este tipo de electrolitos.

Esta situación se representa con la siguiente reacción: NaCl (acuosa)

Na+ (acuosa) + Cl- (acuosa)

37

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La flecha indica que la reacción se desplaza hacia la derecha, esto es, que la sal está prácticamente presente en forma iónica. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2.4.3. Equilibrio de electrolitos débiles

Existen algunos compuestos moleculares que frente al agua tienden a formar iones. Este es el caso de algunos ácidos, por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl), el ácido acético (CH3COOH) y compuestos como el amoníaco (NH3). Los compuestos moleculares que generan cantidades pequeñas de iones cuando se disuelven en agua se denominan electrolitos débiles Esta situación se representa, por ejemplo para el siguiente reacción: CH3COOH (acuosa)

ácido acético, mediante la

CH3COO- (acuosa) + H+

(acuosa)

La doble flecha indica que la reacción ocurre en ambas direcciones, es decir, que en la solución acuosa el ácido acético está presente tanto en forma molecular (lado izquierdo) como en forma iónica (lado derecho). Este estado se conoce como equilibrio químico. De acuerdo con las impurezas del agua mencionadas en la lección anterior, los equilibrios de las soluciones con electrólitos merecen atención especial, por lo cual esta temática se aborda con algún nivel de detalle en la siguiente lección.

Lección 3: Reacciones y equilibrios en presencia del agua

PALABRAS CLAVE: pares conjugados ácido-base, hidrólisis, agentes oxidantes, agentes reductores, de solubilidad, ligandos, compuestos de Los conceptos anterioresproducto permiten establecer coordinación.

La interacción del agua con los otros compartimentos ambientales (suelo y aire) y la consecuente presencia en el agua de diferentes especies químicas, da origen a las siguientes reacciones principales:

38

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

3.1. Reacciones de hidrólisis La reacción de iones con agua para producir soluciones que no son neutras se conoce como hidrólisis. En forma general, se conoce como hidrólisis la reacción en la cual una molécula de agua se rompe para producir los iones H3O+ y OH-. 3.1.1. Reacciones de aniones con agua Una solución acuosa que contiene la base conjugada de un ácido débil es básica. Un ejemplo de este tipo de reacciones se presenta con el ión sulfato, SO42-. Este anión es la base conjugada del ión sulfato ácido, HSO4-. SO42-

+

Base 1

H2O

HSO4-

ácido 2

ácido 1

+

OHbase 2

A la anterior reacción de hidrólisis del SO42- corresponde la siguiente expresión de la constante de equilibrio o constante de hidrólisis: [HSO4-] [OH-] Kb =

[SO42-]

(1.8)

39

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La fuerza del anión básico se mide con la magnitud de K b que está relacionada con la fuerza de su ácido conjugado y, por tanto, con K a. La ecuación química de Contenido didáctico Química Ambiental ionización del ácidodelescurso la siguiente: HSO4-

+

H2O

H3O+

+

SO42-

La condición de equilibrio para esta reacción es: [H3O+] [SO42-] Ka =

[HSO4-]

(1.9)

El producto de (1.8) por (1.9) corresponde a la siguiente igualdad: Ka x Kb = [H3O+] [OH-] = Kw Luego: Ka x Kb = 1,0 X 10-14

(1.10)

En unidades de pK se tiene: pKa + pKb = pKw = 14

La ecuación (1.10) se refiere únicamente a un ácido y su base conjugada. En relación con los equilibrios anteriores es importante tener en cuenta las siguientes consideraciones: La base conjugada de un ácido más fuerte que el ión H3O+ no origina una reacción de hidrólisis. La base conjugada de un ácido moderadamente más fuerte que el H 2O experimenta hidrólisis hasta que se alcanza el estado de equilibrio. La base conjugada de un ácido que es aproximadamente igual en fuerza al H 2O experimenta una hidrólisis casi completa. La base conjugada de un ácido mucho más débil que el H 2O experimenta una hidrólisis completa. La fuerza relativa de algunos pares conjugados ácido-base, con respecto al H2O, se puede consultar en:

40

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

www.tutoresuniversitarios.com/sacateun7/.../tutorial%20-%20acido-base.pdf en la página 5 de 11. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3.1.2. Reacciones de cationes con agua Los ácidos conjugados de bases débiles experimentan hidrólisis debido a que son lo suficientemente ácidos para donarle un protón al H2O. Un ejemplo es la hidrólisis del ión amonio, NH4+, ácido conjugado de la base NH3. NH4+

+

Ácido 1

H2O

NH3

+

base 2

base 1

H3O+ ácido 2

A la anterior reacción de hidrólisis del NH4+ corresponde la siguiente expresión de la constante de equilibrio o constante de hidrólisis: [NH3] [H3O+] Ka =

[NH4+]

Debido a que: Ka x Kb = [H3O+] [OH-] = Kw y conociendo que Kb = 1,8 x 10-5 se puede establecer que la constante de hidrólisis del NH 4+ tiene un valor de 5,6 x 10-10. Los cationes trivalentes y algunos divalentes también experimentan hidrólisis. Por esto, soluciones acuosas de sales como, Cr (NO3)3, Al2 (SO4)3, FeCl3 y Zn (NO3)2 tienen carácter ácido; los cationes de estas sales enlazan moléculas de agua y una vez hidratados actúan como ácidos. Un ejemplo de los equilibrios que se presentan en este tipo de soluciones acuosas se presenta, a continuación, para un catión trivalente que usualmente enlaza seis moléculas de agua. Al (H2O)63+ + H2O

H3O+ + Al (OH) (H2O)52+

Al (OH) (H2O)52+ +

H2O

H3O+ + Al (OH)2(H2O)4+

Al (OH)2(H2O)4+

H2O

H3O+ + Al (OH)3(H2O)3 (precipitado)

Ácido 1

+

base 2

ácido 2

base 1

El precipitado de hidróxido de aluminio se utiliza en la purificación del agua debido a que tiene buenas propiedades como adsorbente. 41

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ACTIVIDAD # 2: Establezca las reacciones del Al (OH)3(H2O)3 con una base fuerte didáctico del curso Química Ambiental yContenido 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!

También se presenta hidrólisis de diferentes sustancias orgánicas, principalmente las que tienen grupos funcionales éster, amida y fosfato, así: RCOOR’

+

H2O

RCOOH

+

R’OH

RCONHR’ +

H2O

RCOOH

+

R’NH2

R’O-P-O-R’’ + H2O OR

R’OH

+

HO-P-O-R’’ OR

Otras reacciones de hidrólisis importantes, desde el punto de vista de la química ambiental, son aquellas que se presentan cuando el agua entra en contacto con el suelo y actúa sobre los minerales y otras sustancias presentes en él. En estos casos, como resultado, se solubilizan diversos compuestos. Ejemplo, reacción de la fosforita: Mg2SiO4 (s)

+ 4 H2O

2 Mg (OH)2 (acuoso) + H4SiO4 (acuoso)

3.2. Reacciones ácido-base 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 BrönstedLowry 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. 42

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 OHen 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 43

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ejercicios: 1)Contenido Calculardidáctico el pH de solución la cual [H+] = 6,38 x 10-5 M deluna curso Químicaen Ambiental 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 -

1 x 10-14

Kw

[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 44

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

pH = - log [1,0 x 10-2] = 2,0 2)Contenido Calculardidáctico el pH de solución KOH 5,0 x 10-3 M deluna curso Químicade Ambiental 1,0 x 10-14

Kw

[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

45

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Debido a que una concentración no puede ser negativa, se rechaza el valor negativo y entonces, Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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: H+ + A-

HA

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: BH+ + OH-

B + H2O (l)

La constante de equilibrio o de ionización se representa con el símbolo K b [BH+] [OH-] Kb = [B]

Ejercicio: 1) Para una solución 0,18 M del ácido fórmico, se requiere determinar el pH. La K a 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]

46

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Toda la información anterior la podemos sintetizar en la tabla siguiente: H+

HCHO2Ambiental Contenido didáctico del curso Química

(CHO2)-

Moles / L = M Estado inicial Cambio durante la reacción Estado equilibrio

de

0,18

0

0

-x

+x

+x

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

47 ¡Desarrolle paso a paso el ejercicio y solicítele retroalimentación al tutor!

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3.2.4. Equilibrios ácido- base en sistemas ambientales Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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-

CO32-

+

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) 48

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenido didáctico del curso presentan en la Figura 9. Química Ambiental 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.

49

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En relación con el producto de solubilidad del carbonato de calcio, se tiene: ++ CaCO + Ambiental CO323 (s) didáctico del curso Ca Contenido Química

Kps

Kps = [Ca++] [CO32-] = [Ca++]2 = [CO32-]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)

ACTIVIDAD # 4: Compruebe la veracidad de las expresiones: K4 = (K2Kps) /K3 y

[Ca++] = s = ∛ (K2KpsK1 PCO2 /4K3) ¡Discuta sus respuestas con el tutor!

Es así como el equilibrio expresado en (1.14) determina parámetros del agua en los sistemas naturales, tales como pH y dureza.

50

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los tres compartimentos ambientales aire, agua y suelo intervienen en los equilibrios estudiados, dando lugar a condiciones particulares que determinan el Contenido didáctico curso Química Ambiental comportamiento dedellas especies químicas CO2 – HCO3- - CO32- (ver Figura 10. Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 – HCO3- - CO32-).

CO2 AIRE

H2CO3

HCO3 +

H+

Ca++ + 2HCO3-

CaCO3 (s) + H2CO3 AGUA

SUELO

Caliza

CaCO3

Figura 10. Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 – HCO3- - CO32-)9 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!

9

Elaborada por María del Pilar Triana Novoa

51

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

–

A DISTANCIA

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3.3. Reacciones de oxidación-reducción De forma didáctico similar del a curso los Química equilibrios ácido-base, en los sistemas acuosos se Contenido Ambiental 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 Eh – Eh° =

Red log

nF

0,059 = -

(Ox) (H+) m

Red log

n

0,059 -

Ox

pH n/m

(1.18) Donde: Eh° = potencial estándar del electrodo R = constante de los gases.

52

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

T = temperatura absoluta FContenido = constante de Faraday; 1F = 96.500 C/mol e- = 96.500 J/V-mol edidáctico del curso Química Ambiental 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.

53

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 3. Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de algunas semi-reacciones, a 25°C11 Contenido didáctico del curso Química Ambiental 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.

54

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cuando n = m LaContenido suma de pe y pH ventaja de que puede usarse como uno de los ejes de didáctico deltiene cursola Química Ambiental 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 O 2.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 H 2. 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 Eh = Eh° -

1 log

4

- 0,059 pH PO2

55

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para el límite inferior se obtiene: 0,059del curso Química 1 Ambiental Contenido didáctico Eh = Eh° -

log 4

- 0,059 pH 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 P O2 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)

56

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

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 oxidaciónreducción 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.

57

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

microorganismos. Por esto, las concentraciones de los agentes oxidantes y los reductores difícilmente se encuentran en equilibrio y las reacciones se dan de Contenido didáctico del curso Química Ambiental 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:

58

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

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.

59

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Por encima de pe + pH = 20,78 se presenta una zona de procesos aerobios, altamente oxidante, con desprendimiento de oxígeno. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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

60

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Luego: 2+

[Fe ] Química Ambiental Contenido didáctico del curso pe = 13,2 – log

[Fe3+]

Si ahora, se considera el agua en condiciones anaerobias con un valor de pe = - 3, se tiene: [Fe2+] -3 = 13,2 – log

[Fe3+]

[Fe2+] 16,2 = log [Fe3+] [Fe2+] = 1,58 x 1016 [Fe3+] El valor de la relación (>>> 1) indica que en estas condiciones la especie química predominante será el ión Fe2+. Teniendo en cuenta las condiciones anaerobias y la relación pe + pH = 0, se sabe que pe = - pH. Luego para las condiciones anteriores se tiene la presencia del ión Fe2+ en condiciones ácidas, alrededor de un valor de pH = 3. Sin embargo, si se toma como referencia la figura 12 se observa, que en las mismas condiciones anaeróbicas pero a condiciones neutras o alcalinas el elemento estará en forma de Fe (OH)2 precipitado. Otra situación es considerar condiciones aerobias y un pe = 13,52. En este caso, se tiene: [Fe2+] 13,52 = 13,2 – log

[Fe3+]

[Fe2+] -0,32 = log [Fe3+] 61

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2+ [Fe ] Contenido didáctico del curso Química Ambiental = 0,48 [Fe3+]

El valor de la relación ( 5 y tiene efectos fisiológicos adversos Mayor restricción para el consumo humano. Metal muy tóxico para el hombre en las formas aguda y tóxica

Mayor restricción para el consumo humano. Tiene gran capacidad de bioacumulación; afecta prácticamente todos los órganos de seres humanos y animales

93

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Y EJERCICIOS Contenido didáctico del cursoPREGUNTAS Química Ambiental 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 + OH94

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

13) Enumere los principales agentes oxidantes y los reductores en el agua. Considere procesos aeróbicos y anaeróbicos y, para cada caso, relacione la Contenido didáctico del curso con Química Ambiental valores de pH. ocurrencia de los agentes los diferentes 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.

95

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CAPITULO 2: TRATAMIENTO QUÍMICO Contenido didáctico del curso Química AmbientalDEL 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

PALABRAS CLAVE: coagulación, ultrafiltración, ósmosis inversa, electrodiálisis

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.

96

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 6. Procesos utilizados en tratamientos de agua según la clase de contaminantes Contenido didáctico del curso Química Ambiental Partículas groseras y finas

Partículas coloidales

Sales y otras esp. Inorgánicas disueltas

Metales

Sustancias orgánicas disueltas

Bionutrientes nitrogenados

Bionutrientes fosforados

PROCESOS FISICOQUÍMICOS Decantación

X

Filtración

X

Coagulación

X

Floculación

X

Ultrafiltración

X

Ósmosis inversa

X

Electrodiálisis

X

X X

PROCESOS QUÍMICOS Oxidación catalítica

X

Cloración

X

Ozonización

X

Oxidación con aire húmedo

X

Precipitación

X

Reducción electrolítica

X

Extracción por intercambio iónico

X

X

X

X

X

97

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental Extracción líquidolíquido

X

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

A continuación, para algunos de los procesos utilizados en la remoción de las partículas de diferentes tamaños se presentan sus características principales. Este tema es de interés especial porque la presencia de sustancias sólidas constituye un problema importante de contaminación. Existen sólidos con tamaños de partícula considerados grandes (> 0,01mm), los cuales se pueden separar ya sea por sedimentación bajo la influencia de la gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas de las partículas y del agua. También puede utilizarse la filtración. Los sólidos con tamaños de partícula < 0,01mm no sedimentan rápidamente y se requieren otros procesos para su remoción; entre estos sólidos están los coloides constituidos, entre otros, por limo fino y bacterias. A todos estos sólidos se les puede aplicar el proceso de coagulación-floculación. 6.1. Coagulación-floculación química del agua 6.1.1. Coagulación El proceso de coagulación propiamente dicho consiste en desestabilizar las partículas coloidales, reduciendo las fuerzas de repulsión existente entre ellas para formar agregados de mayor tamaño, esto es, flóculos (floc) susceptibles de sedimentación. Para esto se adicionan coagulantes, especialmente sales de hierro y aluminio. La acción del coagulante tiene lugar a través de dos mecanismos consecutivos: 1. Neutralización de la carga negativa de las partículas coloidales. 2. Precipitación de los productos de baja solubilidad que forman los coagulantes, con las partículas coloidales como núcleo de precipitación, las cuales quedan inmersas dentro del precipitado. Ilustración de los mecanismos: Utilización del sulfato de aluminio (alumbre) que es el coagulante estándar en los tratamientos de agua.

98

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cuando el Al2(SO4)3 se adiciona al agua, se comporta como un electrolito y se ioniza formando Al3+ y SO42-. El Al3+ se puede combinar con las partículas Contenido didáctico curso Química Ambiental su carga negativa: coloidales (C) paradel neutralizar parcialmente

Al3+

+

Al

C C

C

C

Por otra parte: Al3+

+ 3 H2O

Al (OH)3

+ 3 H+

Las partículas coloidales inmersas en el precipitado del hidróxido de aluminio favorecen la agregación de las partículas y, por tanto, la floculación y la sedimentación.

ACTIVIDAD # 9: considere que el agua con partículas coloidales a la que adiciona el sulfato de aluminio contiene CO2 disuelto. Plantee la reacción de equilibrio que se presenta para la precipitación del hidróxido de aluminio. ¡Discuta su respuesta con el tutor en foro virtual!

Los siguientes factores influyen en el proceso de coagulación: a) pH. Afecta la solubilidad de los precipitados formados por el hierro y el aluminio, cuyas sales son las más utilizadas como coagulantes. Por tanto se deben tener en cuenta las curvas de solubilidad, en función de pH, para los compuestos de hierro y aluminio que precipitan, durante el proceso de coagulación. También se ha observado que el pH afecta la carga de las partículas coloidales y el tiempo requerido para la formación de los flóculos. b) Agitación de la mezcla. Debe ser rápida para que el coagulante se difunda lo más rápido posible y la neutralización sea total antes de que se forme el precipitado. Así la coagulación será óptima porque involucrará la mayoría de las partículas coloidales presentes. 99

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

c) Tipo y cantidad de coagulante. En cada caso específico de tratamiento, la selección del coagulante y la dosis se deben ajustar mediante ensayos de Contenido didáctico del curso Química Ambiental laboratorio. Ejercicios de usos de coagulantes: 1) Uso de sulfato de aluminio (alumbre) que reacciona con la alcalinidad natural del agua para formar floc de hidróxido de aluminio. NOTA: En aguas naturales la alcalinidad del agua se debe a la presencia de bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, principalmente. Para una planta de tratamiento que utiliza 100 mg/L de alumbre para coagular agua turbia superficial, calcular: a) La cantidad de alcalinidad natural que se consume. b) La cantidad de mg/L de hidróxido de aluminio que se producen. Solución: La reacción que tiene lugar es la siguiente: Al2(SO4)3. 14 H2O + 3Ca(HCO3)2

2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2

En esta reacción el bicarbonato de calcio representa la alcalinidad, la cual se acostumbra expresar como CaCO3 que tiene masa molecular = 100. Entonces: a) La relación estequiométrica indica una relación 1:3 para alumbre: bicarbonato de calcio y la masa molecular del alumbre es 594. Luego: Alcalinidad natural-CaCO3 = (3 x 100 g x 100 mg/L) /594 g = 51 mg /L b) La relación estequiométrica indica una relación 1:2 para alumbre: hidróxido de aluminio y la masa molecular del hidróxido de aluminio es78. Luego: Al(OH)3 producido = (2 x 78 g x 100 mg/L) /594 g = 26 mg/L 2) Uso de sulfato ferroso que a pH suficientemente elevado (generalmente se utiliza cal, CaO, para subir el pH) y en presencia del oxígeno disuelto del agua, precipita como hidróxido férrico. Para una planta que utiliza 640 kg/día de sulfato ferroso, como coagulante, calcular la cantidad de cal, con pureza del 80%, requerida. 100

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Solución: LaContenido reaccióndidáctico que tiene lugarQuímica es la siguiente: del curso Ambiental 2FeSO4. 7H2O + 2Ca(OH)2 + ½ O2

2Fe(OH)3 + 2CaSO4 + 13 H2O

Por la relación estequiométrica y teniendo en cuenta que se acostumbra expresar el hidróxido de calcio como cal, CaO que tiene masa molecular 56, se tiene: Cal requerida = (56 g x 640 kg/día) / (278 g x 0,80) = 161 kg/día

6.1.2. Floculación Una vez la suspensión coloidal está desestabilizada se da inicio al proceso de floculación. Existen compuestos químicos que ayudan en la etapa de formación de los flóculos, tales como la sílice activada y los polielectrolitos, que algunos denominan floculantes, cuyas características y usos se presentan con base en los planteamientos de Franco16. Los floculantes se utilizan para contrarrestar situaciones como las siguientes: o Presencia de flóculos pequeños, de sedimentación lenta, formados durante la coagulación a baja temperatura. o Presencia de flóculos frágiles que se fragmentan al someterse a las fuerzas hidráulicas en los estanques y filtros de arena. Su acción se da, por tanto, al nivel de la velocidad de reacción y al de la calidad del flóculo. Según su naturaleza los floculantes pueden ser minerales u orgánicos. Entre los minerales están la sílice activada y los agentes adsorbentes-ponderantes y entre los orgánicos los conocidos como polielectrolitos.

16

FRANCO, Freddy Leonardo. Acueductos y alcantarillados. Universidad Nacional, Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Departamento de Ingeniería Civil, Sede Manizales. En: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080004/index.html

101

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

6.1.1. Sílice activada: se obtiene a partir de una solución de silicato de sodio neutralizada parcialmente con un ácido; generalmente, se utiliza con un Contenido didáctico del curso Química coagulante de aluminio. Ofrece lasAmbiental siguientes ventajas: o Aumenta la velocidad de coagulación. o Disminuye la cantidad requerida de coagulante. o Permite rangos más amplios de pH para una coagulación óptima. o Favorece la formación de flóculos más grandes y más densos. o Permite una coagulación más eficaz a temperaturas bajas y mejor eliminación del color. o

Favorece la floculación de las aguas muy turbias.

o Mejora las características de la filtración. También presenta las siguientes desventajas: o Su preparación exige un control riguroso para evitar la gelificación. o Puede producir turbidez residual elevada. o No es eficaz en todos los tipos de agua. o Puede inhibir la floculación si se sobredosifica. En la actualidad, la utilización de la sílice activada ha disminuido debido al descubrimiento de los polielectrolitos. 6.1.2. Agentes adsorbentes-ponderantes: comprenden principalmente las arcillas, el carbonato de calcio, el carbón activado y la tierra de diatomeas. Cumplen las siguientes funciones: o Aumentar la densidad de flóculos ya formados. Este efecto se conoce como función ponderante que se presenta con la adición de arcillas bentoníticas y el carbonato de calcio. o Generar un pre-flóculo, que aumenta de volumen rápidamente, mediante la adsorción de partículas coloidales. Este efecto se conoce como función adsorbente que se presenta con la adición de carbón activado o tierra de diatomeas.

102

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

6.1.3. Polielectrolitos: estos compuestos orgánicos pueden ser naturales o sintéticos. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los naturales como el almidón, materiales proteínicos, alginatos y compuestos de celulosa se caracterizan por tener cadenas de carbono largas, masa molecular alta, ser bicolides, en su mayoría de tipo no iónico y algunos pueden estar cargados eléctricamente. Son coadyuvantes eficaces de la floculación, se requieren en cantidades más altas que los sintéticos, pero son menos costosos. Los sintéticos tienen características similares a las de los naturales, pero de acuerdo con la carga eléctrica pueden ser aniónicos, catiónicos y no iónicos. Su preparación a partir de monómeros (disponibles en la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas) es fácil y puede adecuarse a necesidades específicas de uso. Los polielectrolitos en general aumentan grandemente el tamaño de los flóculos, pero al igual que la sílice, tienen una dosis óptima, que si se sobrepasa produce una floculación deficiente. Son especialmente útiles cuando la floculación se dificulta por variaciones en la calidad del agua y por la influencia de temperaturas bajas. Para su utilización se deben tener en cuenta los siguientes aspectos importantes: o Para los polielectrolitos aniónicos la dosis óptima aumenta linealmente con la dosificación de sulfato de alúmina, sin que se modifique el margen de pH óptimo para la coagulación. Debido a esto su acción es independiente de la acidez o alcalinidad, de la dureza y de la turbiedad. o Los polielectrolitos catiónicos si se utilizan conjuntamente con coagulantes metálicos presentan ventajas como reducción en la dosificación del coagulante, disminución de interferentes sobre la coagulación y facilitan la floculación de organismos vivos (algas y bacterias, por ejemplo). o Previamente a la selección de un polielectrolito, se deben realizar ensayos de laboratorio y determinar el tiempo que debe transcurrir entre la adición del coagulante y el floculante. o Cuando la descarbonatación se hace con cal, es aconsejable seleccionar un floculante no iónico o aniónico. o En el caso de clarificación, es aconsejable seleccionar un floculante no iónico o ligeramente aniónico o catiónico.

103

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o En presencia de gran cantidad de materia orgánica o cuando el valor del pH está cerca al del equilibrio es aconsejable ensayar en primer lugar un Contenido didáctico del curso Química Ambiental floculante catiónico. Una desventaja en el uso de los polielectrolitos consiste en su toxicidad potencial, por lo cual se debe tener en cuenta la legislación vigente sobre sustancias tóxicas. 6.2. Ultrafiltración Es un proceso de filtración superior a los métodos convencionales utilizados para la concentración de soluciones coloidales debido a que: o Evita la acción desnaturalizante de los agentes de precipitación o del calor. o Permite la remoción de sales así como la del solvente. o Asegura la recuperación cuantitativa de los coloides. o Requiere de poca atención por parte del operador. La ultrafiltración se basa en mecanismos de tamización y utiliza una técnica basada en el principio de exclusión por tamaño de las especies a separar. Su aplicación tiene como límites un tamaño de partículas comprendido entre 0,001 y 0,02 µ. Existen varios tipos de membranas para aplicaciones diferentes, cuyo diámetro debe ser inferior al de las partículas coloidales, de manera que puedan pasar las impurezas de naturaleza iónica o molecular y las moléculas del medio dispersante. Las partículas coloidales que quedan retenidas sobre la superficie de la membrana pueden ser lavadas sucesivamente, con líquido de igual composición a la del medio dispersante, hasta que se eliminen completamente las impurezas. Se aplica presión o succión entre 2-8 atmósferas. La membrana normalmente se mantiene entre dos telas metálicas muy finas para evitar que se rompa, o se coloca sobre un soporte muy poroso, como una placa filtrante de vidrio17. Existen tres tipos principales de membranas (Figura 14): o Membranas espirales que permiten que el agua a filtrar recorra toda la membrana y sea recogida en un canal central. Reducen los costos de

17

SHAW, D. J. Introducción a la química de superficies y coloides. Madrid: Editorial Alhambra, S. A., 1977. p. 16.

104

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

energía al disminuir los requerimientos de bombeo. Se pueden operar a altas presiones y altas temperaturas. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Membranas tubulares (½" o 1" de diámetro). Trabajan muy bien en altas concentraciones de contaminantes, su limpieza puede ser tanto química como mecánica y su taponamiento es mínimo. Soportan altas temperaturas y altos rangos de pH. o Membranas de fibra hueca que proporcionan una cantidad de área de filtración muy amplia en relación con el diámetro reducido que tienen.

Tubular

Fibra hueca

Espiral

Figura 14. Tipos de membranas para ultrafiltración18

18

http://www.acsmedioambiente.com/LoNuevo/membranas.htm

105

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

6.3. Ósmosis inversa Contenido didáctico del curso Química Ambiental Es otro de los procesos de membrana bajo presión muy útil para la desalinización del agua. Se basa en la circulación forzada del agua a través de una membrana semipermeable (generalmente de acetato de celulosa o de poliamida). Si la presión ejercida es superior a la presión osmótica, la membrana actúa como barrera para las sales y/o moléculas, rechazándolas (Figuras 15 y 16). Es así como el agua pura que va formando una capa, de determinado espesor, sobre la membrana es forzada bajo presión a pasar a través de sus poros. Se obtienen entonces dos corrientes: una libre de sales (permeado) y la otra concentrada en sales (rechazo). Los sistemas de ósmosis inversa utilizados para la reducción de sólidos totales disueltos y contaminantes iónicos específicos son prácticos, libres de manejo de regenerantes y con capacidad de producción continua. El desarrollo alcanzado en los últimos años por las membranas semipermeables presenta una solución muy ventajosa como consecuencia de su bajo costo operativo, alta confiabilidad, bajo mantenimiento, facilidad de operación y óptima performance. La operación de las unidades de ósmosis inversa es continua e interrumpida, requiriendo un mínimo consumo de productos químicos y mano de obra para su atención.

Figura 15. Representación del fenómeno de ósmosis inversa vs. ósmosis19 19

http://www.aquatecnia.com/index.asp?idp=653

106

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 Corriente de rechazo

Corriente de permeado

Figura 16. Representación de las corrientes de permeado y rechazo20

6.4. Electrodiálisis Es un proceso electroquímico de separación que utiliza membranas eléctricamente cargadas y un potencial eléctrico para separar especies iónicas de electrolitos fuertes (sales), presentes en un cuerpo o corriente de agua que puede contener también especies no cargadas. Esta técnica es más eficaz y rápida que la diálisis cuando la dispersión coloidal tiene impurezas solamente de naturaleza iónica. En este caso, el campo eléctrico generado induce el movimiento de los iones. El agua fluye entre compartimentos separados por membranas alternadamente permeables a los cationes y aniones. Los cationes se mueven hacia el cátodo que tiene carga negativa y los aniones hacia el ánodo que está cargado positivamente. Se van formando capas adyacentes y alternadas del agua purificada y del agua con altos contenidos de las sales que se han removido. Las capas enriquecidas se recirculan para evitar la concentración excesiva de sales.

20

http://purepro.com.ve/osmosis.html

107

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La estructura básica de una célula de electrodiálisis (Figura 17) consta de tres compartimentos separados por membranas. En el compartimiento central se Contenido didáctico del curso Químicay Ambiental encuentra la dispersión coloidal en los compartimentos anódico (lado izquierdo) y catódico (lado derecho) se encuentra el solvente (medio dispersante). Una vez se cierra el circuito eléctrico los iones positivos se movilizan hacia el cátodo (electrodo negativo) y los iones negativos hacia el ánodo (electrodo positivo) descargándose en ellos. MEMBRANAS (+) ÁNODO

CÁTODO (-)

SOLUCIÓN COLOIDAL SOLVENTE

SOLVENTE

Figura 17. Estructura básica de una celda de electrodiálisis21

Lección 7: Potabilización del agua

Los conceptos anteriores permiten establecer

PALABRAS CLAVE: filtración gruesa, sedimentación, coagulación-floculación, cloración, cloro libre disponible, cloro combinado disponible, ablandamiento

La potabilización del agua tiene como finalidad hacer el agua apta para el consumo humano, entendido éste de acuerdo con el Decreto 1594 de 1984, Capítulo III, Artículo 30, del Ministerio de Agricultura (considerado en la Lección 5). El tratamiento aplicado dependerá del origen del agua, que en términos generales, puede ser de dos clases.

21

Figura elaborada por María del Pilar Triana Novoa

108

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Agua natural, cruda que puede provenir de ríos, lagos, embalses o de fuentes subterráneas. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Agua residual de origen doméstico o industrial

Para el caso de aguas naturales, crudas de origen superficial se aplica un tratamiento denominado convencional que de acuerdo con el Decreto 1594 de 1984 comprende los siguientes procesos: coagulación, floculación sedimentación, filtración y desinfección. Para aguas residuales de origen doméstico o industrial se deben aplicar los procesos que se indican en la lección 9 y, posteriormente, verificar que se cumplen los parámetros admisibles para agua potable; de lo contrario, se aplicarán los correctivos a los que haya lugar, de acuerdo con lo estipulado en el tratamiento convencional. En la práctica el tratamiento convencional puede tener unas variantes relacionadas con las necesidades, eventualmente identificadas, de una filtración gruesa y de un proceso de ablandamiento. La Figura 18 muestra los procesos básicos incluyendo la filtración gruesa.

Figura 18. Procesos de potabilización para aguas crudas22

22

Tomado de: http://www.aquapurificacion.com/agua-municipal.htm

109

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7.1. Filtración gruesa Contenido didáctico del curso Química Ambiental La filtración gruesa utilizando rejas y mallas que detienen troncos, ramas, piedras y cualquier otro elemento de tamaño relativamente grande que flote o se transporte en el recurso de agua objeto del tratamiento. 7.2. Desarenador Luego pasa a una etapa de reposo en el desarenador, donde se permite la sedimentación de partículas con diámetro de partícula equivalente a las de las arenas. 7.3. Coagulación- floculación El proceso siguiente es la coagulación (que engloba coagulación-floculaciónsedimentación) ya analizado en la lección anterior. El proceso final corresponde a la desinfección, el cual se trata con algún grado de detalle a continuación. 7.4. Desinfección Comprende los diferentes procesos que tienen como objetivo impedir la diseminación de las enfermedades de origen hídrico, mediante la eliminación de microorganismos patógenos, pero que, no obstante, no destruyen las esporas. 7.4.1. Con cloro y compuestos derivados Este tipo de tratamiento utiliza para las aguas la acción del cloro y compuestos derivados como son los hipocloritos de calcio y sodio. 7.4.1.1. Características de la cloración

110

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

111

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7.4.1.2. Reacciones del cloro con el agua AContenido partir dedidáctico cloro elemental gaseoso o líquido: del curso Química Ambiental Se presentan dos reacciones principales: HOCl + H+ + Cl-

(2.1) Cl2 + H2O

Ácido hipocloroso OCl- + H+

(2.2) HOCl

Ión hipoclorito Respecto a la reacción (2.1), en la práctica, se utilizan concentraciones de Cl2 menores de 1000 mg/L que favorecen la reacción de hidrólisis, efectiva en un valor cercano al 100%, siempre y cuando el pH sea mayor de 3. En la reacción (2.2) el grado de disociación del ácido hipocloroso depende del pH. Las especies químicas ácido hipocloroso e ión hipoclorito presentes en el agua se conocen como cloro libre disponible; también se denominan residual de cloro libre. De acuerdo con el valor del pH, la presencia de estas especies en el agua es la siguiente: Valor de pH

Especie química predominante

Igual o < 6

HOCl

7,7

Cantidades aproximadamente iguales de HOCl y OCl-

Igual o > 9

OCl-

Entre estas dos especies químicas, el que actúa como desinfectante de mayor efectividad es el ácido hipocloroso, en una proporción de 80 a 100 veces superior a la del ión hipoclorito, frente al exterminio de E. coli. Ejercicios: 1) Calcular los porcentajes relativos de ácido hipocloroso y de ión hipoclorito presentes en agua bajo tratamiento a pH = 6, a 20°C. La constante de disociación del ácido, a 20°C es 2,7 x 10-8. 112

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

Solución:

El equilibrio que se presenta corresponde a:

113

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

2) Para el tratamiento de desinfección en una planta, se tiene una concentración de ácido hipocloroso de 0,8 mg/L-Cl2. Calcular la concentración de cloro libre en agua con pH = 5 y temperatura de 20°C. La constante de disociación del ácido, a 20°C es 2,7 x 10-8.

114

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Solución: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

A partir de hipoclorito de sodio: Se presentan dos reacciones principales: (2.3) NaOCl (2.4) OCl- + H2O

Na+ + OClHOCl + OH-

Cuando se favorece la tendencia de desplazamiento del equilibrio de la reacción (2.4) hacia la derecha se presentará un aumento de la alcalinidad del agua. A partir del hipoclorito de calcio:

115

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se presentan dos reacciones principales: ++ (2.5) Ca(OCl) + Ambiental 2OCl2 Contenido didáctico del curso Ca Química

(2.6) 2OCl- + 2H2O

2HOCl + 2OH-

El desplazamiento del equilibrio de estas dos reacciones hacia la derecha favorecen el incremento de la alcalinidad y la dureza total del agua (para estos dos últimos parámetros ver lección 15 y numeral 7.5 de ablandamiento, respectivamente). 7.4.1.3. Reacciones de formación de cloraminas La adición de cloro a un agua que contiene amoníaco da lugar a reacciones en que participan este último compuesto y el ácido hipocloroso presente en los diferentes equilibrios químicos enunciados anteriormente. Los productos principales de estas reacciones son la monocloramina, dicloramina y tricloramina. (2.7) NH3 + HOCl

NH2Cl + H2O Monocloramina

(2.8) NH2Cl + HOCl

NHCl2 + H2O Dicloramina

(2.9) NHCl2 + HOCl

NCl3 + H2O Tricloramina

Las cloraminas se conocen como cloro combinado disponible; también se denominan residuales de cloro combinado. Los factores que influyen en estas reacciones son pH, temperatura, concentración de amoníaco, dosis de cloro aplicadas al agua y tiempo de contacto. Las cloraminas son más estables que los residuales de cloro libre, pero estos últimos son más efectivos como desinfectante. Cuando todo el amoníaco y las aminas han reaccionado con el cloro, empieza a formarse un residual de cloro libre. A cierta concentración crítica, la concentración de cloro libre es lo suficientemente alta como para oxidar las cloraminas. Oxidación de cloraminas: (2.10) NH2Cl + NHCl2 + HOCl

N2O + 4HCl 116

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Con la desaparición las Química cloraminas se reduce el cloro residual. Cuando se lleva Contenido didáctico delde curso Ambiental a cabo la oxidación de todos los compuestos susceptibles de ser oxidados por cloro, todo el cloro adicionado produce un residual de cloro libre. El punto en el cual la oxidación de los productos del amoníaco es completa, se conoce como punto de quiebre. Debido a la preocupación creciente alrededor de una serie de subproductos tóxicos de la cloración, en el agua tratada en los sistemas de distribución, ha aumentado el interés por las cloraminas como desinfectante alternativo, al formar menos subproductos de desinfección. Por esto en muchos casos se incorpora en la práctica de la desinfección final, amoníaco, para generar expresamente la formación de cloraminas. Los subproductos de la desinfección son principalmente los trihalometanos y los ácidos haloacéticos. Entre los primeros se incluyen el cloroformo, el bromodiclorometano, el clorodibromometano y el bromoformo, todos ellos volátiles y con capacidad carcinogénica detectada en animales de experimentación. En relación con las cloraminas, ni los organismos ni las guías internacionales sobre calidad del agua las asocian con efectos en la salud, ni a corto ni a largo plazo. La OMS recomienda una concentración máxima de 3 mg/L de cloraminas, que se basa en una ingestión tolerable diaria (TDI) de monocloramina de 94 mg/kg de peso del cuerpo23. Ejercicio: Calcular la cantidad de ácido hipocloroso (HOCl) expresado como cloro (Cl 2) que se requiere para destruir 1 mg/L de amoníaco (NH3) expresado como nitrógeno (N), al punto de quiebre. Solución: La reacción que representa la oxidación al punto de quiebre es la siguiente: 2NH3 + 3HOCl 23

N2 + 3H2O + 3HCl

RAMÍREZ, Francisco. Desinfección del agua con cloro http://www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/20/42/a42.pdf 2005, p 56

y

cloraminas.

117

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

De acuerdo con la relación estequiométrica 3 moles de HOCl reaccionan con 2 moles de NH3. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Expresando el HOCl como Cl2 y el NH3 como N se tiene: Cl2

3 x 71 =

NH3- N

= 7,6 2 x 14

Por tanto, se requieren 7,6 mg/L – Cl2 para destruir 1 mg/L de NH3-N 7.4.1.4. Demanda de cloro La determinación de la demanda de cloro es importante para cuantificar la concentración y la capacidad de las especies químicas, que contienen cloro, requeridas en la etapa de desinfección del agua, para decidir el agente desinfectante a utilizar y la dosis de cloro a aplicar. Demanda de cloro = dosis de cloro – cloro residual La demanda de cloro es diferente según el tipo de agua que se vaya a tratar. Se deben tener en cuenta con las siguientes situaciones cuando se adiciona cloro a un agua que contiene agentes reductores, amoníaco y aminas orgánicas: o Inicialmente el cloro reacciona con los agentes reductores, es decir, la demanda de cloro es la ejercida por estos agentes, la cual se conoce como demanda inmediata de cloro, y no se aprecia formación de cloro residual. o Enseguida el cloro reacciona con la cantidad presente de amoníaco y de aminas orgánicas para formar cloro residual combinado. o Una vez agotados el amoníaco y las aminas orgánicas empieza a formarse cloro residual libre. o A medida que aumenta la formación de cloro residual libre se alcanza una concentración de éste, denominada crítica, suficiente para oxidar las cloraminas. En esta etapa, el consumo del cloro residual libre va acompañado de la formación de óxido nitroso, nitrógeno, tricloruro de nitrógeno y ácido clorhídrico. o El punto en el que la oxidación por parte del cloro es completa se denomina punto de quiebre. A partir de este punto, el cloro adicionado da lugar a la formación de cloro residual libre.

118

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7.4.2. Condidáctico ozono del curso Química Ambiental Contenido El ozono utilizado como desinfectante tiene características germicidas iguales o superiores a las del cloro. Un residual de ozono de 0,1 mg/L, durante cinco minutos, es adecuado para desinfectar aguas con contenido alto de materia orgánica y que estén libres de material suspendido. Para su utilización el ozono debe producirse in situ mediante el paso de oxígeno o de aire seco a través de una descarga eléctrica de 5.000 a 20.000 voltios y 50 a 60 hertz, con un consumo de energía de 10 a 25 kWh por kg de O3. Una limitante para su uso es, precisamente, el consumo alto de energía requerido para su producción. Como germicida sus ventajas radican en su capacidad para remover problemas de color, olor y sabor, y que su efectividad alta no se ve afectada por los compuestos de amoníaco ni por el pH. La desventaja, además de su costo, frente a otros germicidas, es su solubilidad baja en agua y que debido a su inestabilidad no deja concentración residual en ella, es decir, que cuando se descompone el único compuesto residual es más oxígeno disuelto. Su inestabilidad y el efecto residual prácticamente nulo se pueden considerar como una ventaja desde el punto de vista de efectos para la salud, debido a que se minimizan los riesgos de actividad como gas muy tóxico. Sin embargo, en sistemas de desinfección con ozono se debe controlar su reacción con el ión bromuro (Br-) que conduce a la formación del ión bromato (BrO3-), el cual tiene efectos adversos sobre el riñón, el intestino y el oído de los seres humanos. Se tiene establecida una concentración límite de bromato de 0,01 mg/L Con base en las características germicidas del cloro y el ozono y en su reactividad un programa de desinfección puede contemplar la ozonización y la cloración en etapas secuenciales. La aplicación inicial del ozono produce la oxidación de fenoles, la destrucción de gérmenes y favorece una mejor calidad física del agua, mientras que la cloración posterior garantiza una concentración residual desinfectante para protección del agua en todo el sistema de distribución.

119

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7.5. Ablandamiento Contenido didáctico del curso Química Ambiental Este proceso se aplica eventualmente como parte del tratamiento de potabilidad del agua. Su aplicación no tiene efectos significativos sobre la potabilidad, pero sí tiene efectos en relación con los siguientes aspectos: o Permite una eficiencia mayor en el lavado tanto de ropa como de artefactos domésticos. o Reduce la cantidad de jabón y detergentes necesaria en el lavado. o Favorece la preparación y cocción de los alimentos. o Aminora la presencia de incrustaciones en conductos y artefactos domésticos. o Ayuda a mejorar la eficiencia de la etapa de filtración. El proceso de ablandamiento de aguas duras es costoso en la fase de implementación de infraestructura y en la de operación. Por esto, su aplicación no es generalizada y sólo en los casos de una dureza total mayor de 200 mg/L que puede causar problemas de distribución y utilización del agua se justifica su utilización. En la Tabla 7 se presentan los métodos utilizados para el ablandamiento de agua.

120

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

–

A DISTANCIA

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla Métodos el ablandamiento del agua Contenido didáctico del 7. curso Química para Ambiental

CON CAL Y CARBONATO DE SODIO (soda ash)

PRINCIPIO

COMPUESTOS ADICIONADOS

REACCIONES INVOLUCRADAS

CON SODA CÁUSTICA

Precipitación del Ca como carbonato y del Mg como hidróxido, con base en la baja solubilidad -9 del CaCO3 (Kps = 5 x 10 ) y del Mg(OH)2 (Kps= -12 9 x 10 ) Ca(OH)2 y Na2CO3 (1) Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O (2) Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3 + MgCO3 + 2H2O (3) MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + Mg(OH)2 (4) MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4 (5) CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O (6) CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4 (7) Ca(OH)2 + CO2 pH>9,5 CaCO3 + H2O (8) Mg(OH)2 + CO2 pH>9,5 MgCO3 + H2O (9) CaCO3 + CO2 + H2O pH < 8,6 Ca(HCO3)2

Na (OH) 1) CO2 + 2NaOH Na2CO3 + H2O 2) Ca(HCO3)2 + 2NaOH CaCO3 +Na2CO3 + 2H2O 3) Mg(HCO3)2 + 4NaOH Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O 4) MgSO4 + 2NaOH Mg(OH)2 + Na2SO4

CON RESINAS DE INTERCAMBIO CATIÓNICO El Ca y el Mg son reemplazados por el Na presente en la resina

Resina con Na como catión activo 2+

Ca (HCO3)2 21) Na2R + (SO4) 2+ Mg 2Cl

Ca R + Mg

2NaHCO3 Na2SO4 2NaCl

Ca 2)

R + NaCl Mg

Ca Na2R +

Cl2 Mg

R = Resina. Puede utilizarse, por ejemplo, zeolita

ETAPAS

1) y 2) Remoción de dureza carbonácea. 3) y 4) Remoción de dureza por magnesio. 5) Remoción del dióxido de carbono 6) Remoción de dureza no carbonácea. 7) a 9) Recarbonatación

1) Remoción del CO2 2) y 3) Remoción de dureza carbonácea. 4) Remoción de dureza no carbonácea

1) Remoción del Ca y el Mg del agua. 2)Reactivación de la resina

121

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Debido a que el proceso de ablandamiento tiene relación directa con el parámetro denominado dureza, a continuación se presentan sus principales características. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Dureza: se presenta en las aguas debido a la presencia de iones metálicos divalentes que pueden reaccionar con el jabón para formar precipitados y de ciertos aniones que pueden formar incrustaciones. Los principales cationes son: Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe2+ y Mn2+ Los principales aniones son: HCO3-, SO42-, Cl-, NO3- y SiO32La dureza se expresa en mg/L como CaCO3 Dureza total: en la mayoría de las aguas corresponde a la dureza ocasionada por los iones calcio y magnesio, por tanto: Dureza total = dureza por calcio + dureza por magnesio Dureza carbonácea: corresponde a la parte de la dureza total químicamente equivalente a los bicarbonatos presentes en el agua. Debido a que los bicarbonatos también son la principal forma de alcalinidad, en las aguas naturales, entonces: Alcalinidad (mg/L) = dureza carbonácea (mg/L) Usualmente se presentan dos situaciones:  Alcalinidad < dureza total; entonces: dureza carbonácea (mg/L) = alcalinidad (mg/L)  Alcalinidad > ó = dureza total; entonces: dureza carbonácea (mg/L) = dureza total (mg/ La dureza carbonácea se denomina también dureza temporal o no permanente debido a que desaparece mediante ebullición prolongada: Ca2+ + 2HCO3-

∆

CaCO3 + CO2 + H2O

Dureza no carbonácea: corresponde a la dureza que no está relacionada químicamente con los bicarbonatos, por tanto: Dureza no carbonácea = dureza total – alcalinidad La dureza no carbonácea incluye principalmente sulfatos, cloruros y nitratos de calcio y magnesio.

122

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Dureza no carbonácea negativa: se presenta cuando la alcalinidad es mayor que la dureza total. El valor negativo indica que no se puede hablar de dureza, pero se Contenido didáctico del curso Química acostumbra a denominarla durezaAmbiental no carbonácea negativa. La alcalinidad mayor que la dureza total se explica por la existencia de una cantidad de iones bicarbonato mayor que la necesaria para contrarrestar las cargas positivas de los iones causantes de la dureza; el exceso estará asociado a iones, como el Na+ y K+. Ejercicio: Se realizó un análisis de una muestra de agua y con base en los resultados se determinó llevar a cabo el proceso de ablandamiento. Los resultados del análisis fueron: CO2 = 8,0 mg/L

HCO3- = 127,0 mg/L

Ca2+ = 44,4 mg/L

SO42- = 42,2 mg/L

Mg2+ = 15,4 mg/L

Cl- = 26,3 mg/L

Na+ = 15,2 mg/L a) Expresar los resultados de los análisis en meq/L (miliequivalentes/litro) b) Corroborar la electroneutralidad de la solución, mediante un diagrama y establecer los posibles compuestos presentes. c) Establecer en mg/L-CaCO3 la dureza total, la dureza carbonácea y la dureza no carbonácea. d) Calcular los mg/L de Ca(OH)2 necesarios para reaccionar con 1mg/L de las siguientes especies químicas: CO2 expresado como CO2, Mg2+ expresado como CaCO3, dureza carbonácea. e) Calcular los mg/L de Na2CO3 necesarios para reaccionar con 1mg/L de dureza no carbonácea. f) De acuerdo con los resultados de los análisis de la muestra de agua, calcular la dosis de cal (Ca(OH)2) requerida para reaccionar con el CO2, la dureza carbonácea y la dureza por magnesio. g) Calcular la dosis total de cal (Ca(OH)2) aplicada, si al ejecutar el proceso de ablandamiento se decidió adicionar un exceso de 50 mg/L 123

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

–

A DISTANCIA

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

h) Calcular la cantidad de Na2CO3 requerida para el ablandamiento. Solución: Contenido didáctico del curso Química Ambiental a) Resultados del análisis en meq/L (miliequivalentes/litro): Especie química

mg/L en la muestra

Masa de 1 meq (mg)

No. de meq/L en la muestra

CO2

8,0

22,0

0,36

Ca2+

44,4

20,0

2,22

Mg2+

15,4

12,0

1,28

Na+

15,2

23,0

0,66

HCO3-

127,0

50,0*

2,54

SO42-

42,2

48,0

0,88

Cl-

26,3

35,5

0,74

*Se expresa como CaCO3

b) CO2 = 0,36 meq/L 0

2,0

4,0

Ca2+

Cationes

Mg2+

Na+

2,25

0 Aniones

3,5

2,0 HCO3-

4,16

4,0 SO422,54

meq/L

3,42

meq/L

Cl4,16

Electroneutralidad: Σ de cationes = Σ de aniones Compuestos posibles: Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, MgSO4, MgCl, NaCl

124

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

c) Dureza total = dureza por calcio + dureza por magnesio Dureza total = (2,22 x 50*) + (1,28 x 50*) Contenido didáctico del curso Química Ambiental Dureza total = 111 + 64 = 175 mg/L – CaCO3 *masa de un meq de CaCO3 Dureza carbonácea = 2,54 x 50 = 127 mg/L – CaCO3 Dureza no carbonácea = dureza total – alcalinidad Debido a que alcalinidad = dureza carbonácea Dureza no carbonácea = dureza total – dureza carbonácea Dureza no carbonácea = 175 – 127 = 48 mg/L – CaCO3 d)

Especie química

Masa molecular (g)

Ca(OH)2

74

CO2

44

CaCO3*

100

*Mg2+ y HCO3- se expresan como CaCO3 Teniendo en cuenta la estequiometria de las reacciones de la Tabla 7: -

Reacción 7, columna izquierda: 1 mol de CO2 reacciona con 1 mol de Ca(OH)2. Por tanto: Ca(OH)2

74 =

CO2

= 1,68 44

Se requieren 1,68 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de CO2, expresado como CO2 -

Reacciones 3 y 4, columna izquierda: 1 mol del carbonato de magnesio o una mol del sulfato de magnesio reaccionan con 1 mol de Ca(OH) 2. Por tanto, para Mg2+ expresado como CaCO3 se tiene: 125

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ca(OH)2

74 =

= 0,74

CaCO 3 Contenido didáctico del100 curso Química Ambiental Se requieren 0,74 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de Mg2+ expresado como CaCO3. -

Reacciones 1 y 2, columna izquierda: 1 mol de bicarbonato de calcio o una mol de bicarbonato de magnesio reaccionan con 1 mol de Ca(OH) 2. Por tanto, para la dureza carbonácea expresada como CaCO3 se tiene: Ca(OH)2

74 =

CaCO3

= 0,74 100

Se requieren 0,74 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de dureza carbonácea expresada como CaCO3. e) Tabla 7, reacción 6, columna izquierda: 1mol de sulfato de calcio reacciona con 1 mol de carbonato de calcio.

Especie química

Masa molecular (g)

Na2CO3

106

CaCO3*

100

*CaSO4 expresado como carbonato de calcio

Na2CO3

106 =

CaCO3

= 1,06 100

Se requieren 1,06 mg/L de Na2CO3 para reaccionar con 1 mg/L de dureza carbonácea, expresada como CaCO3. f) Dosis de Ca(OH)2 requeridas para: - CO2 = 8,0 x 1,68 = 13,44 mg/L de Ca(OH)2 - Dureza carbonácea = 127 x 0,74 = 93,98 mg/L de Ca(OH)2 126

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

- Dureza por magnesio: 1,28 meq/L x 50* = 64 mg/L 64 xQuímica 0,74 =Ambiental 47,36 mg/L de Ca(OH)2 Contenido didáctico del curso * masa de 1 meq de CaCO3

g) Dosis total de Ca(OH)2 aplicada: Σ dosis para CO2, dureza carbonácea, por magnesio, en exceso = 13,44 + 43,98 + 47,36 + 50,00 = 204,78 mg/L de Ca(OH)2 h) Cantidad de Na2CO3 requerida para el ablandamiento: Dureza no carbonácea = 48 mg/L – CaCO3 Dosis de Na2CO3 = 48 mg/L – CaCO3 x 1,06 = 50,88 mg/L de Na2CO3 requeridos para el ablandamiento. 7.6. Agua segura La Organización Panamericana de la Salud (OPS) establece que generalmente se define como agua segura el agua apta para el consumo humano, de buena calidad y que no genera enfermedades. Es un agua que ha sido sometida a algún proceso de potabilización o purificación casera. El concepto de agua segura se origina en la dificultad que tienen muchos países en vías de desarrollo de disponer de agua potable, entendida como aquella que cumple estrictamente con las normas de calidad establecidas y controladas por las autoridades locales e internacionales. La dificultad radica en los altos costos que implica el tratamiento del agua, para cumplir con los estándares de potabilidad. Por esto, se han creado programas de cooperación internacional que tienen como objetivo divulgar procedimientos fáciles y económicos de obtener agua segura. Las tecnologías divulgadas comprenden tres operaciones principales: 1. Clarificación del agua en el hogar: comprende la sedimentación, el uso de sustancias químicas y el uso de sustancias naturales. 2. Filtración del agua en el hogar: comprende la utilización del filtro de bioarena, del filtro lento domiciliario o del filtro de mesa. 3. Desinfección del agua en el hogar: comprende hervido, cloración casera, desinfección solar del agua y filtros de cerámica. 127

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ACTIVIDAD # 10: Para conocer más acerca de las características de estas Contenido didáctico Química Ambiental tecnologías y de del su curso funcionamiento a nivel casero consulte el siguiente sitio WEB: http://www.aguasegura.org/es/sedimentacion.php

Ejercicio: Se tomó una muestra de una fuente de agua natural que se piensa utilizar como agua potable. Una vez realizado el análisis se encontraron las siguientes sustancias que se deben eliminar para cumplir con la legislación establecida para aguas potables: arenas, limo fino y bacterias, sales de calcio y magnesio y metales. Determine que procesos se deben realizar como parte del tratamiento del agua. Solución: La eliminación de las sustancias se puede realizar de la siguiente manera: Arenas: decantación o filtración Limo fino y bacterias, los cuales constituyen un sistema coloidal: coagulaciónfloculación y filtración. Sales de calcio y magnesio: ablandamiento Metales: precipitación o extracción por intercambio iónico

Lección 8: Composición de las aguas residuales

Los conceptos anteriores permiten establecer PALABRAS CLAVE: características características biológicas

físicas,

características

químicas,

Los habitantes de las poblaciones bien sean urbanas o rurales generan residuos que pueden ser tanto sólidos como líquidos. Las aguas residuales corresponden a la fracción líquida resultante de la combinación de los residuos líquidos, los cuales 128

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

básicamente consisten de agua que ha sido contaminada durante los diferentes usos a los cuales ha sido sometida. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

De acuerdo con lo anterior se puede hablar de dos grandes tipos de aguas residuales:  Agua residual doméstica: proveniente de zonas residenciales, comerciales, institucionales y recreativas.  Agua residual no doméstica: proveniente de industrias. A continuación se presenta la composición general de estos tipos de aguas, a través de sus componentes físicos, químicos y biológicos. 8.1. Características físicas PARÁMETRO

DESCRIPCIÓN

Sólidos Totales

Comprenden la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta. Desde el punto de vista de la química analítica, se definen como la materia que se obtiene como residuo después de evaporar el agua a una temperatura entre 103°C-105°C.

Color

Se origina por la presencia en el agua de sustancias disueltas y sólidos en suspensión o coloidales. Los colores comúnmente observados son: negro, carmelito claro y gris claro y oscuro.

Olor

Aparece debido a la presencia de compuestos como el indol, escatol, sulfuro de hidrógeno y mercaptanos, entre otros

Temperatura

Generalmente tiene un valor más alto que el de agua de abastecimiento debido a que se incorpora agua caliente proveniente del uso doméstico y

129

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

procesos industriales. Contenido didáctico del curso Química AmbientalAfecta las reacciones químicas y los

procesos biológicos

8.2. Características químicas PARÁMETRO

DESCRIPCIÓN

Materia orgánica biodegradable

Comprende principalmente proteínas (40-50%), carbohidratos (25-50%) y grasas y aceites (8-12%). Los fenoles según el tipo específico pueden ser biodegradables o difícilmente biodegradables. Se mide mediante la determinación de la demanda biológica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO).

Materia orgánica refractaria

Comprende compuestos difícilmente degradables o no degradables. Entre estos compuestos están los agentes tensoactivos y los pesticidas.

Materia inorgánica

Comprende diversas sustancias, como las que el agua disuelve cuando entra en contacto con rocas y minerales, las cuales se constituyen en componentes naturales, que en términos generales no son peligrosos y que, por tanto, no son el objetivo principal en los tratamientos. Sin embargo, se encuentran otras sustancias, que de acuerdo con su concentración, son peligrosas y afectan los usos del agua como los cloruros, el azufre y metales como el níquel, el manganeso, el plomo, el cromo, el cadmio, el cinc, el cobre, el hierro y el mercurio.

130

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Nutrientes

Incluyen principalmente el nitrógeno y el fósforo.

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El nitrógeno en sus diferentes formas: amoniacal, nitritos, nitratos y orgánico. El fósforo en diferentes formas: polifosfatos, ortofosfatos y orgánico.

Gases

Algunos de ellos proceden de la descomposición de la materia orgánica: Sulfuro de hidrógeno, amoníaco y metano. Otros gases presentes son: nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono

8.3. Características biológicas PARÁMETRO

DESCRIPCIÓN

Microorganismos

Comprenden eucariotas, bacterias y arquebacterias

Patógenos

Comprende bacterias, parásitos (protozoos y helmintos) y virus

Organismos indicadores

Comprende organismos coliformes cuya presencia es numerosa y fácil de comprobar. Se utilizan como indicador de la posible presencia o de la ausencia de organismos patógenos.

Lección 9: Tratamiento de aguas residuales

PALABRAS CLAVE: operaciones unitarias, procesos unitarios, niveles de tratamiento

131

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los procesos normalmente utilizados para el tratamiento de las aguas residuales aplican tanto para aguas procedentes de uso doméstico como para aquellas Contenido didáctico curso Química Ambiental procedentes de usodelindustrial. La diferencia más notoria se da alrededor de la presencia de metales pesados que es poco usual en aguas de origen doméstico, mientras que en las de origen industrial es más frecuente, dependiendo del tipo de industria como las de metalurgia, química y electrónica. En el tratamiento de aguas residuales se utilizan operaciones unitarias y procesos unitarios. Las operaciones unitarias se refieren a los métodos de tratamiento en los que predominan los fenómenos físicos. Por su parte, los procesos unitarios corresponden a los métodos en que la eliminación de los contaminantes involucra reacciones químicas o biológicas. Las operaciones unitarias más comunes comprenden: desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación, transferencia de gases y filtración. Entre los procesos químicos unitarios más utilizados se contemplan la precipitación, la adsorción y la desinfección. Las operaciones y procesos unitarios se combinan para reducir los contaminantes presentes hasta un nivel aceptable, de acuerdo con el uso que se vaya a dar al agua tratada. La combinación de operaciones y procesos constituyen un sistema de tratamiento. Cada sistema de tratamiento es particular porque depende de la composición y características del agua que se va a tratar. Sin embargo, se puede establecer que prácticamente todo sistema de tratamiento consta de tres subsistemas o niveles principales: primario, secundario y terciario.

Niveles de tratamiento

132

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

Según el tipo de agua a tratar se puede requerir de un tratamiento previo al primario. Este tratamiento preliminar tiene como finalidad la remoción de materiales que puedan causar problemas de funcionamiento y mantenimiento en los reactores y sistemas auxiliares. En este caso se utilizan principalmente las siguientes operaciones: o Desbaste y dilaceración, para eliminar sólidos gruesos. El desbaste utiliza la retención en superficies; los elementos utilizados son las rejas (aberturas > 25 mm) y los tamices (aberturas de hasta 6 mm). La dilaceración consiste en la trituración de sólidos gruesos en tamaños menores y más homogéneos. o Flotación para eliminar grasas y aceites. o Desarenado, para eliminar materia en suspensión gruesa. El tratamiento primario elimina gran parte del material sólido y rebaja moderadamente la DBO. Para esto se permite la sedimentación de los sólidos y se eliminan las espumas sobrenadantes. En el tratamiento secundario se utilizan disminuyendo la DBO y reducir el material más utilizado es el de lodos activados, en el favoreciendo el contacto de aire, lodo y el primario.

procesos biológicos para continuar sólido restante. El proceso biológico cual la acción bacteriana se aumenta efluente proveniente del tratamiento

133

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El tratamiento terciario, también denominado avanzado, tiene como finalidad la eliminación de casi la totalidad de los contaminantes disueltos y en suspensión Contenido didáctico del curso Química Ambiental remanentes después del tratamiento secundario. Si se trata de metales pesados se puede utilizar precipitación química e intercambio de iones. Ejercicios: 1) Realice la siguiente lectura tomada de: http://www.enziclean.com/articulos/tratamiento_biologico_de_aguas_residuales_uso_de_bacterias_beneficas. html

LAS AGUAS NEGRAS La naturaleza procesa la contaminación mediante procesos cíclicos (geoquímicos), pero actualmente le resultan insuficientes para procesar tanto la contaminación que es generada por las actividades del hombre como la propia. En todos los grandes centros urbanos del planeta Tierra se generan grandes cantidades de aguas negras como consecuencia del desarrollo de las actividades humanas, por lo que las principales fuentes de aguas negras son la industria, la ganadería, la agricultura y las actividades domésticas que se incrementan con el crecimiento de la población humana. Por otra parte, en la mayoría de los países los sistemas de aguas negras domésticas es el mismo para recibir las aguas pluviales lo cual provoca mayores problemas de contaminación porque acelera la distribución de aguas negras a lugares no previstos para ello. Las aguas negras son generadas por las actividades humanas y sólo en países desarrollados son tratadas parte de ellas para eliminarles los componentes considerados peligrosos y para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) antes de ser arrojados a las fuentes naturales. Sin embargo, en casi todos los países todavía las industrias arrojan las aguas de desecho a los desagües sin ningún tratamiento previo y en la mayoría de los países subdesarrollados son pocas las industrias que les dan algún tratamiento antes de ser desechadas, lo que a nivel global hace que el problema de la generación de las aguas negras aumente a medida que crece la población, la industria y las demás actividades humanas. Los contaminantes biodegradables de las aguas negras pueden ser degradados mediante procesos naturales o en sistemas de tratamientos hechos por el hombre, en los que acelera el proceso de descomposición de la materia orgánica con microorganismos. 134

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se le llama tratamiento primario de aguas negras al proceso que se usa para eliminar los sólidos de las aguas contaminadas; secundario, al que se usa para Contenido Química Ambientalpor la acción de bacterias (disminuir la reducir la didáctico cantidaddeldecurso materia orgánica demanda bioquímica de oxígeno) y terciario, al proceso que se usa para eliminar los productos químicos como fosfatos, nitratos, plaguicidas, sales, materia orgánica persistente, entre otros. Entre las disciplinas que participan en los proceso de tratamientos de aguas contaminadas se encuentran: ingenierías y ciencias exactas (ingeniería química, ingeniería civil, ingeniería mecánica y eléctrica, química y física), ciencias de la vida (biología, biología marina, microbiología, bacteriología), ciencias de la tierra (geología, hidrología, oceanografía) y, ciencias sociales y económicas (leyes, sociología, ciencias políticas, relaciones públicas, economía y administración). Tratamiento primario de las aguas negras Entre las operaciones que se utilizan en los tratamientos primarios de aguas contaminadas están: la filtración, la sedimentación, la flotación, la separación de grasas y aceites y la neutralización. El tratamiento primario de las aguas negras es un proceso mecánico que utiliza cribas para separar los desechos de mayor tamaño como palos, piedras y trapos. Las aguas negras de las alcantarillas llegan a la cámara de dispersión en donde se encuentran las cribas, de donde pasan las aguas negras al tanque de sedimentación. De aquí los sedimentos pasan a un tanque digestor y luego al lecho secador, para luego ser utilizados como fertilizante en las tierras de cultivo o a un relleno sanitario o son arrojados al mar. Del tanque de sedimentación, el agua es conducida a un tanque de desinfección con cloro (para matarle las bacterias) y una vez que cumpla con los límites de depuración sea arrojada a un lago, un río o al mar. Otra manera de hacer el tratamiento primario a las aguas negras conocidas también como aguas crudas de albañal, consiste en hacerla pasar a través de una criba de barras para separar los objetos de mayor tamaño. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras tienen trituradores para los objetos grandes con el objeto de que no obstruyan esta etapa del tratamiento. Luego pasan las aguas a un tanque de sedimentación donde fluye lentamente para que sedimenten las piedras, arena y otros objetos pesados. De éste tanque las aguas negras pasan a otro grande llamado de asentamiento, en donde se sedimentan los sólidos en suspensión (quedan como lodos en el fondo del tanque) y, los aceites y las grasas flotan en forma de nata o espuma. 135

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Después de este proceso, en algunos casos, el agua que queda entre el lodo y la nata se escurre o libera al ambiente o se le da un tratamiento con cloro (proceso didáctico curso Química Ambiental deContenido cloración) para del matarle las bacterias antes de ser arrojadas al ambiente o se hace pasar al tratamiento secundario. El tratamiento primario de las aguas negras elimina alrededor del 60% de los sólidos en suspensión y el 35% de los materiales orgánicos (35% de la demanda bioquímica de oxígeno). Solamente en los países desarrollados se trata cerca del 30% de las aguas negras domésticas mediante el tratamiento primario y cerca del 60% se somete al tratamiento secundario ya que éste cuesta aproximadamente el doble de lo que cuesta el tratamiento primario. Tratamiento secundario de las aguas negras Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento secundario de las aguas contaminadas están el proceso de lodos activados, la aireación u oxidación total, filtración por goteo y el tratamiento anaeróbico. El tratamiento secundario de aguas negras es un proceso biológico que utiliza bacterias aerobias como un primer paso para remover hasta cerca del 90 % de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. Después de la sedimentación, el agua pasa a un tanque de aireación en donde se lleva a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica y posteriormente pasa a un segundo tanque de sedimentación, de ahí al tanque de desinfección por cloro y después se descarga para su reutilización. El tratamiento secundario más común para el tratamiento de aguas negras es el de los lodos activados. Las aguas negras que provienen del tratamiento primario pasan a un tanque de aireación en donde se hace inyecta aire a presión o se produce un efecto de agitación mecánica desde el fondo del tanque, con el propósito de brindar un rápido crecimiento de las bacterias aeróbicas y otros microorganismos. Las bacterias aeróbicas utilizan el oxígeno para descomponer los desechos orgánicos de las aguas negras. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman una especie de lodo conocido como lodo activado, el cual se deja sedimentar y luego es llevado a un tanque digestor aeróbico para que sea degradado. Finalmente el lodo activado es utilizado como fertilizante en los campos de cultivo, incinerado, llevado a un relleno sanitario o arrojado al mar. Otras plantas de tratamiento de aguas negras utilizan un dispositivo llamado filtro percolador en lugar del proceso de lodos activados. En este método, las aguas negras a las que les han sido eliminados los sólidos grandes, son rociadas sobre 136

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

un lecho de piedras de aproximadamente 1.80 metros de profundidad. A medida que el agua se filtra entre las piedras entra en contacto con las bacterias que Contenido didáctico curso Química Ambiental descomponen a losdel contaminantes orgánicos. A su vez, las bacterias son consumidas por otros organismos presentes en el filtro. Del tanque de aireación o del filtro percolador se hace pasar el agua a otro tanque para que sedimenten los lodos activados. El lodo sedimentado en este tanque se pasa de nuevo al tanque de aireación mezclándolo con las aguas negras que se están recibiendo o se separa, se trata y luego se tira o se entierra. Una planta aeróbica de tratamiento de aguas negras produce grandes cantidades de lodos que se necesitan eliminar como desechos sólidos. El proceso de eliminación de sólidos de las aguas negras no consiste en quitarlos y tirarlos, sino que se requiere tratarlos antes de tirarlos y su eliminación es complicada y costosa. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras utilizan filtros trampa, en donde las bacterias aerobias llevan a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica cuando las aguas escurren a través de un lecho grande lleno de piedra triturada cubierta de bacterias aerobias y de protozoarios. Tratamiento de aguas en plantas anaeróbicas El proceso de degradación de los residuos orgánicos también se puede producir en condiciones anaeróbicas. En este caso, las bacterias que descomponen la materia orgánica no utilizan oxígeno y se producen reacciones químicas diferentes. La desventaja de la descomposición anaeróbica es la producción de gases como el metano y compuestos sulfurosos que producen malos olores, por lo cual el control de estos gases es un proceso de atención particular. La ventaja principal del tratamiento anaeróbico es que no utiliza energía externa para mover componentes mecánicos como los aireadores utilizados en la plantas aeróbicas. Normalmente las plantas de tratamiento ya sean aeróbicas o anaeróbicas, utilizan la flora natural para realizar los procesos de degradación de la materia orgánica. Sin embargo, este proceso se puede acelerar o potenciar utilizando bacterias benéficas mediante la bio-ingeniería. Uno de tales productos es el compuesto de bacterias llamado Enziclean que es una mezcla de bacterias aeróbicas, anaerobias y facultativas; es decir, que trabajan en ambientes tanto aerobios como anaerobios. La calidad biológica de estas bacterias es tal, que inclusive pueden sustituir completamente la necesidad de una planta de tratamiento en pequeñas industrias o granjas o en tratamientos domésticos.

137

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Limitaciones del tratamiento biológico Como los didáctico tratamientos primario secundario de aguas negras no eliminan a los Contenido del curso QuímicayAmbiental nitratos ni a los fosfatos, éstos contribuyen a acelerar el proceso de eutroficación de los lagos, de las corrientes fluviales de movimiento lento y de las aguas costeras. Los tratamientos primario y secundario de las aguas negras tampoco eliminan productos químicos persistentes como los plaguicidas, ni los radioisótopos de vida media grande, los ambientalistas los consideran insuficientes, limitados e imperfectos, por lo que exigen que se debe hacer un mejor tratamiento de las aguas negras y de los desechos industriales, así como evitar una sobrecarga. Para esto se tienen contemplados los tratamientos terciarios. Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas negras eliminan cerca del 90% de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica (90% de la demanda bioquímica de oxígeno). Una parte de los sólidos eliminados en este tratamiento se utiliza para la elaboración de fertilizantes pero la mayor parte de ellos se usa de relleno de terrenos o se tira al mar. 2) Con base en los planteamientos presentados en el inicio de esta lección y los complementados en la lectura anterior, establezca el tratamiento para un agua residual en la cual se encontraron sólidos gruesos, sólidos en suspensión, materia orgánica biodegradable, aceites y Cr (VI). Respuesta: Para eliminar los sólidos gruesos y aceites se deberán aplicar tratamientos previos al primario consistentes en desbaste o dilaceración, para los sólidos gruesos y flotación para los aceites. El tratamiento primario de sedimentación se utilizará para sólidos en suspensión. Este tratamiento también eliminará parte de la materia orgánica (alrededor del 35%). Para eliminar el resto de materia orgánica biodegradable se requerirá tratamiento secundario que según las posibilidades de la planta de tratamiento puede ser anaerobio, por ejemplo, aireación u oxidación completa o lodos activados. Se recomendaría el tratamiento anaerobio si al medir el DBO del agua se encuentra que es mayor de 300 ppm. El cromo que es un metal pesado requerirá un tratamiento terciario, como la precipitación química. Para eliminar el cromo (VI) se debe reducir primero a cromo 138

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

(III), por ejemplo con sulfito de sodio en medio ácido, para precipitación posterior en medio básico (con Ca(OH)2) en forma de hidróxido de cromo, Cr(OH)3. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En este caso específico sería preciso eliminar el cromo antes del tratamiento biológico (secundario) porque el cromo (VI) es muy tóxico para los microorganismos que estarían actuando para degradar la materia orgánica.

Lección 10: Reutilización de aguas residuales tratadas

PALABRAS CLAVE: categorías de nuevo uso, control de calidad, tratamiento de lodos residuales

La reutilización de aguas residuales es una opción viable, que ya empieza a considerarse como un elemento importante en la planificación de recursos hídricos, en lugares donde la distribución de éstos es desigual o existen períodos prolongados de sequías. Un plan de reutilización de las aguas residuales implica que las nuevas categorías de uso se tengan claramente delimitadas, para que en la etapa de recuperación se apliquen los métodos de tratamiento que garanticen la calidad del agua requerida para el nuevo uso. 10.1 Categorías de uso Las categorías que exigen los estándares de calidad más altos y los controles más estrictos son el agua potable y el agua para procesar alimentos, por esto no se consideran como las opciones más deseables e inmediatas para la reutilización. Entonces, el mayor potencial de reutilización está en los siguientes campos:  Irrigación de tierras de cultivo, de pastos para ganadería y campos deportivos que utilizan grama. En estos casos es de gran interés que el agua mantenga buenos niveles de nutrientes, como el nitrógeno y fósforo, por lo que su tratamiento no tendría que incluir la remoción exhaustiva de estos elementos.

139

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 De enfriamiento y de proceso en aplicaciones industriales. En estos casos la calidad requerida es relativamente baja, pero no deben descuidarse Contenido didáctico del curso Química Ambiental aspectos como incrustaciones y corrosión de equipos y conductos.  Recarga del agua subterránea, mediante inyección directa en un acuífero o aplicación al suelo permitiendo la percolación. En este caso parte del tratamiento se complementa por procesos de biodegradación y la acción del suelo y subsuelos como filtros purificadores del agua. En cualquier caso se debe controlar el potencial de contaminantes nocivos y tener claramente establecidos los límites permisibles, según el campo de aplicación. Otro aspecto de interés que surge a raíz del tratamiento de aguas residuales son los residuos sólidos, semisólidos (lodos) y contaminantes concentrados que se obtienen separados de las aguas tratadas. Esta situación se ha constituido en un problema complejo y costoso para la ingeniería de aguas residuales y se están desarrollando métodos para su eliminación y evacuación. 10.2. Tipos de lodos24 10.2.1. Lodo crudo: corresponde a aquel que no ha sido tratado ni estabilizado, tiende a producir acidificación y tiene olor. Se extrae de las plantas de tratamiento de aguas residuales. 10.2.2. Lodo primario: consiste en productos no disueltos de las aguas residuales y su composición depende de las características del área de recolección de las aguas. Generalmente contiene gran cantidad de material orgánico y su consistencia es de fluido denso, con un porcentaje de agua de 93-97%. Se produce durante el tratamiento primario de las aguas residuales. 10.2.3. Lodo activo: consiste principalmente de flóculos que contienen biomasa viva y muerta, además de partículas minerales y orgánicas adsorbidas. Se produce durante el tratamiento biológico del agua, en el tanque de aireación, con el cual se busca eliminar la materia orgánica disuelta y los nutrientes de las aguas residuales. Este tratamiento se caracteriza por la interacción de distintos tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxígeno y consumen materia orgánica. 24

http://www.lenntech.es/tipo-de-lodos.htm

140

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los flóculos se remueven para separar la biomasa del agua limpia y un volumen determinado, según requerimientos, puede bombearse de nuevo al tanque de Contenido didáctico del curso Química Ambiental aireación. 10.2.4. Lodo activo de retorno: corresponde al lodo que se lleva de nuevo al tanque de aireación. 10.2.5. Lodo secundario: contiene partículas no hidrolizables y biomasa resultantes del metabolismo celular. 10.2.6. Lodo terciario: se produce en procesos posteriores al tratamiento biológico, tales como la adición de agentes floculantes. 10.2.7. Lodo o fango digerido: se produce durante los procesos de digestión aeróbica. Tiene color negro, olor a tierra y un porcentaje de materia orgánica del 45 al 60%. 10.3. Tratamiento de los lodos25. 10.3.1. Estabilización: se lleva a cabo principalmente para reducir la presencia de patógenos, eliminar los olores desagradables y reducir o eliminar el potencial de putrefacción. Entre las técnicas de estabilización están la digestión anaerobia, la digestión aerobia, la estabilización con cal, el tratamiento térmico y el compostaje, siendo las más utilizadas e importantes las dos primeras. 10.3.1.1. Digestión anaerobia: produce la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno molecular. La materia orgánica presente en la mezcla de lodos primarios y secundarios se convierte en metano y dióxido de carbono principalmente. El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado, donde se introducen los lodos de forma continua y se dejan por períodos de tiempo largos. El lodo estabilizado que se extrae del proceso tiene un bajo contenido de materia orgánica y de microorganismos patógenos vivos.

25

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capitulo8.pdf

141

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los dos tipos de digestores más empleados son los de alta y baja carga. En los de baja carga no se calienta ni se mezcla el contenido del digestor y el tiempo de Contenido didáctico permanencia es dedel 30curso a 60Química días. Ambiental En los de alta carga el contenido del digestor se calienta y se mezcla completamente. La mezcla se hace mediante recirculación del gas, utilización de mezcladores mecánicos, bombeo o mezcladores con tubos de aspiración. El calentamiento busca optimizar la velocidad de digestión y el tiempo de permanencia es menor a 15 días. 10.3.1.2. Digestión aerobia: es similar al proceso de lodos activados. En cuanto se agota el suministro de sustrato disponible, los microorganismos empiezan a consumir su propio protoplasma (respiración endógena) para obtener la energía necesaria para las reacciones de mantenimiento celular. El tejido celular se oxida a dióxido de carbono, amoníaco y agua por vía aerobia. Se oxida entre el 75-80% del tejido celular, debido a que el resto corresponde a componentes inertes y compuestos orgánicos no biodegradables. Las principales ventajas de esta digestión comparada con la anaerobia son: o Se obtienen valores menores de DBO en el líquido sobrenadante. o El producto final es biológicamente estable y sin olor. o Los costos de infraestructura son menores. Las principales desventajas son: o El lodo resultante tiene características pobres para la deshidratación mecánica. o El costo energético relacionado con el suministro de oxígeno necesario es alto. La digestión aerobia se utiliza, por lo general, en plantas de tratamiento con capacidad inferior a 20.000 m3/ día. 10.3.2. Espesamiento: tiene como función reducir el volumen del lodo en aproximadamente 30-80%, antes de cualquier otro tratamiento. Este proceso se realiza por medio de las siguientes operaciones: 10.3.2.1. Gravedad o sedimentación: es efectiva en el tratamiento de lodo primario. 142

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se utilizan tanques circulares, hacia los cuales se conduce el lodo diluido para depositarlo en una cámara de alimentación central. Una vez el lodo se sedimenta didáctico curso Química Ambiental y Contenido se compacta, el del lodo espesado se extrae por la parte inferior del tanque y se bombea a los digestores y el sobrenadante se devuelve al sedimentador primario. 10.3.2.2. Centrifugación: se utiliza con los lodos activados. Consiste en la decantación de las partículas de lodo bajo la influencia de fuerzas centrífugas 10.3.2.3. Flotación: resulta efectiva para el tratamiento de cultivo biológico en suspensión, por ejemplo para lodos activados. La flotación por aire disuelto es la más utilizada. Consiste en introducir aire en una solución que se mantiene a una presión determinada; cuando se despresuriza la solución, el aire disuelto se libera en forma de burbujas finamente divididas que arrastran el lodo hasta la superficie, en donde se recolecta con un desnatador. 10.3.3. Secado: se lleva a cabo permitiendo la evaporación del agua existente en los lodos, bien sea por mecanismos de convección o de radiación. En el secado por convección, los lodos se tratan con aire caliente en un tambor o cinturón de secado. En el secado por radiación el calor se suministra mediante energía solar o elementos infrarrojos. Ejercicio: Del análisis de una muestra de agua residual doméstica se conocieron los siguientes resultados: conductividad = 680 µS/cm; DBO = 205 mg O 2/L; DQO = 520 mg O2/L; dureza total: 100 mg CaCO3/L 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. 143

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenido didáctico del curso Química salinización y alcalinización de losAmbiental terrenos y la concentración de metales pesados que pueden ser tóxicos para las especies vegetales.

144

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PREGUNTAS Y EJERCICIOS 1)Contenido Para la didáctico eliminación de partículas coloidales y de sales disueltas en aguas ¿qué del curso Química Ambiental 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.

145

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenido de didáctico del curso Química constante disociación del ácido,Ambiental 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 información: dureza total = 380 mg/L-CaCO3; Mg2+ = 100 mg/L-CaCO3; alcalinidad = 270 mg/L-CaCO3; CO2 = 30 mg/L. ¿Qué cantidad de cal (Ca(OH)2) y soda ash (Na2CO3) se requieren? 11) Considere un agua residual industrial que contiene las siguientes especies químicas contaminantes: metales pesados, cianuros, fenoles y sales disueltas. Establezca por medio de qué parámetros podría identificar la presencia de esas especies químicas y qué tratamientos utilizaría para su eliminación. 12) Los lodos resultantes del tratamiento de aguas residuales requieren ser eliminados y evacuados. Indique los tratamientos utilizados y el objetivo de cada uno de ellos.

146

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

CAPITULO 3: MUESTREO DE AGUAS Introducción Parte de la información consignada en las siguientes lecciones se basa en las consideraciones presentadas en los Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales (APHA-AWWA-WPCF)26, texto que forma parte de la bibliografía recomendada. Lección 11: Tipo de muestras

PALABRAS CLAVE: muestras simples, muestras compuestas, muestras integradas

Para la recolección de muestras se deben tener en cuenta los análisis que se van a realizar y la finalidad de los resultados respectivos. Existen tres grandes tipos de muestras: simples o de sondeo, compuestas e integradas. Muestras simples o de sondeo: corresponden a aquellas recolectadas en un sitio y un tiempo determinados y que por tanto, en sentido estricto, representan únicamente la composición de la fuente en ese sitio y tiempo. En el caso de fuentes con composición constante durante un período de tiempo relativamente prolongado o a lo largo de distancias considerables en todas las direcciones, estas muestras pueden considerarse representativas de toda la fuente y no simplemente muestras puntuales. Ejemplos de fuentes donde puede aplicarse este criterio son algunos suministros de agua y algunas aguas superficiales. Si la variación de la composición del agua depende del tiempo, estas muestras simples se pueden recolectar a intervalos de tiempo apropiados y analizarlas por separado para determinar la amplitud, frecuencia y duración de las variaciones. Cuando se trata de variaciones estacionales de los sistemas naturales será necesario realizar la recolección de las muestras a lo largo de varios meses. 26

APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Madrid, España: Díaz de Santos. 1992. p. 1-33 a 1-46.

147

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cuando la variación de la composición no está en función del tiempo sino del espacio, se deben seleccionar cuidadosamente los diferentes sitios para la Contenido didáctico del curso Química Ambiental recolección de las muestras. De acuerdo con los componentes o parámetros que se necesite analizar, se debe determinar la conveniencia bien sea de realizar los análisis lo más pronto posible, inclusive en el mismo sitio de muestreo, o de conservar la muestra para análisis posterior en el laboratorio. En el caso de componentes o parámetros que pueden sufrir variaciones en el tiempo se debe evitar la conservación de las muestras. Entre estos parámetros se encuentran, entre otros, los siguientes: todos los gases disueltos, el cloro residual, el sulfuro soluble, la temperatura y el pH. Adicionalmente, las variaciones en los parámetros anteriores pueden tener efectos en otros componentes o parámetros como el hierro, el manganeso, la alcalinidad y la dureza. Muestras compuestas: corresponden a una mezcla de muestras simples recolectadas en el mismo sitio pero en tiempos diferentes. Este tipo de muestras también se conocen como compuestas-tiempo. Estas muestras son las apropiadas para determinar los valores de concentraciones medias utilizados, por ejemplo, para calcular la carga o eficiencia de una planta de tratamiento de aguas residuales. El estándar para gran parte de los análisis de una muestra compuesta corresponde a un período de tiempo representativo de 24 horas. Sin embargo, para medir efectos variables o irregulares de descargas y operaciones especiales deben seleccionarse períodos de muestreo que representen los tiempos en los que tienen lugar las circunstancias especiales. Este tipo de muestras es una alternativa que constituye un ahorro de tiempo y de costos en el laboratorio frente al análisis de un gran número de muestras simples, cuyos resultados deben someterse a una serie de cálculos, para obtener valores medios o totales de los parámetros estudiados. Estas muestras no deben utilizarse para determinar componentes o parámetros que sufren variaciones en el tiempo. Muestras integradas: corresponden a mezclas de muestras individuales recolectadas en distintos sitios pero simultáneamente o con la menor diferencia de tiempo posible.

148

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Este tipo de muestras se requieren para el análisis, por ejemplo, de aguas de ríos o corrientes cuya composición varía según la anchura y la profundidad. En estos Contenido Química Ambiental casos paradidáctico medir del la curso composición promedio o la carga total se debe recurrir a mezclas de muestras que representen distintos puntos de la sección transversal y que sean proporcionales a los flujos relativos. Para los lagos naturales y artificiales, por el contrario, se ha encontrado en la práctica que ni los resultados totales ni los promedios son significativos, debido a que son más importantes las variaciones locales. Por tanto, no se utilizan muestras integradas sino las individuales.

Lección 12: Criterios técnicos para el muestreo

Los conceptos anteriores permiten establecer

PALABRAS CLAVE: muestra representativa, cadena de custodia, métodos de toma de muestras, número de muestras, cantidad de muestra.

El muestreo es una herramienta clave de la investigación científica. Mediante el muestreo se determina que parte de una realidad debe estudiarse para poder hacer inferencias acerca de dicha realidad. La parte seleccionada debe reflejar las similitudes y diferencias encontradas en ésta y ejemplificar sus características. La parte de la realidad que reúne esas condiciones se denomina muestra representativa. Los conceptos anteriores junto con la premisa, muy conocida, que establece que la calidad del resultado de una determinación analítica no puede ser mejor que la muestra sobre la cual se realiza, implican que el proceso de muestreo se realice bajo criterios que garanticen la integridad y representatividad de las muestras. Los diversos criterios técnicos para la realización del muestreo se encuentran incorporados en los siguientes aspectos principales: procedimiento de cadena de custodia, métodos de toma de muestras, número de muestras y cantidad de la muestra. 12.1. Procedimiento de cadena de custodia: comprende los pasos involucrados en la tenencia y manipulación de la muestra, desde el momento en que se toma hasta el de la realización de las determinaciones analíticas y su eliminación. Este 149

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

procedimiento es de especial importancia cuando los resultados del análisis de la muestra se requieran como parte de un pleito o demanda. Aunque éste no sea el Contenido didáctico curso Químicaadoptar Ambiental caso, siempre seríadelaconsejable este procedimiento como control rutinario del recorrido de la muestra. Los pasos principales son los siguientes: 1. Etiquetado de la muestra: se pueden utilizar etiquetas adhesivas o placas que se deben diligenciar con tinta indeleble en el momento de la toma, y adherirlas al envase en ese momento o antes. Se debe consignar mínimo la identificación de la muestra, fecha, hora y lugar de la toma y nombre de quien realiza la recolección. 2. Sellado de la muestra: se pueden utilizar sellos de papel o plásticos que se colocarán de manera que sea necesario romperlos para abrir la muestra. Preferiblemente, los sellos deben llevar información que debe coincidir perfectamente con la consignada en las etiquetas. 3. Diligenciamiento del libro de registro de campo: en el libro debe constar la siguiente información, objeto de la recolección, localización del punto de muestreo, nombre y dirección del contacto de campo, tipo de muestra; si ésta procede de aguas residuales, hay que identificar el proceso que las produce y el nombre y dirección del productor del material. También es necesario consignar el número y volumen de las muestras recolectadas, el método de la toma, la fecha y la hora, en lo posible, referencias del lugar en forma de mapas o fotografías, observaciones y mediciones de campo y firmas del personal responsable de las observaciones. 4. Registro de la cadena de custodia: debe contener la siguiente información, identificación de la muestra, fecha, hora y lugar de la toma, tipo de muestra, firmas de la persona que ha hecho la toma y de las que han participado en la cadena de posesión y fechas de las diferentes posesiones. 5. Solicitud de análisis de la muestra: consta de dos partes, una con la información de campo, que debe ser diligenciada por el que toma la muestra. La otra parte corresponde al laboratorio, deberá ser diligenciada por el personal de éste y debe incluir el nombre de la persona que recibe la muestra, identificación que se le asigna a la muestra en el laboratorio, fecha de recepción y análisis a realizar. 6. Envío de la muestra al laboratorio: la muestra se entregará en el laboratorio lo más pronto posible, acompañada del registro de la cadena de custodia y

150

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

de la solicitud de análisis. La recibirá la persona que se va a encargar de la custodia. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7. Recepción y almacenamiento de la muestra: en el laboratorio, la persona encargada recibe la muestra y, en primera instancia, inspecciona su estado y la existencia del sello. Luego, revisa la información de la etiqueta y del sello y las compara con la del registro de la cadena de custodia. Finalmente, le asigna la identificación de laboratorio, registra la entrada al laboratorio y la guarda en un lugar apropiado de almacenamiento, hasta que sea asignada a un analista. 8. Asignación de la muestra para análisis: el coordinador del laboratorio realiza la asignación de la muestra y a partir de ese momento, tanto el coordinador como el analista son los responsables del cuidado y la vigilancia de la muestra.

12.2. Métodos de toma de muestras: la toma de muestras es una operación crítica debido a que repercute en los resultados analíticos y en su interpretación. En forma general, se puede hablar de dos métodos de toma de muestras: el manual, que para programas de rutina o a gran escala resulta demasiado costoso en tiempo y dinero, y el de toma automática, cuyo uso va en aumento. El muestreo manual se selecciona cuando se presentan las siguientes condiciones: o Los parámetros a evaluar pueden sufrir alteraciones al utilizar el equipo automático. o La forma de operación del equipo automático no permite un muestreo apropiado. o El encargado del muestreo detecta condiciones poco usuales, difíciles de manejar con el equipo automático. El muestreo automático se selecciona cuando favorece las siguientes condiciones: o Permite la recolección de muestras en lugares de difícil acceso a los encargados del muestreo. o Reduce los errores humanos en la manipulación. o Brinda la posibilidad de realizar tomas con mayor frecuencia. o Disminuye los costos de mano de obra. 151

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Disminuye los riesgos de accidente para el personal encargado del muestreo. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Por otra parte, existe un buen número de métodos que técnicamente difieren en cuanto a las operaciones y los equipos especiales que involucran, dependiendo del tipo de aguas, del punto de muestreo y de los análisis que se vayan a realizar. En relación con el tipo de aguas se tiene, por ejemplo, un método para muestras de aguas residuales y otro método para aguas subterráneas. ACTIVIDAD # 11: Establezca las diferencias existentes, en las operaciones y en los equipos y materiales utilizados, entre los métodos de toma de muestras para los dos tipos de aguas mencionados anteriormente. Para esto consulte los siguientes sitios web: Para aguas residuales: El Instructivo TI 0187 del IDEAM http://institucional.ideam.gov.co:8080/jsp/info/institucional/media/descargas/124_La boratorio_Calidad/452_%20Protocolos_Calidad_Agua/Protocolo_toma_muestras/TI 0187_Toma_Muestras_AguasResiduales.pdf Para aguas subterráneas: La guía MVOTMA/DINAMA/DCA/DEA/G001 http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCIQFjAA&url=http%3A%2F% 2Fanterior.mvotma.gub.uy%2Fdinama%2Findex.php%3Foption%3Dcom_docman%26task%3Ddoc_download %26gid%3D233%26Itemid%3D367&ei=NLgWUKCfCenF0QGfvoDoBw&usg=AFQjCNGBnvrZRjVYFrC0EGnOn EvAxC3J7Q

En relación con la incidencia que en los métodos de toma de muestras tienen los tipos de análisis que se vayan a realizar, existe un aspecto crítico que consiste en el tipo de envase, al cual se hará referencia en la Lección 13. 12.3. Número de muestras Debido a las variaciones de carácter aleatorio presentes en toda determinación analítica y a la presencia de materiales diversos en los sitios de muestreo, los cuales pueden constituirse en fuentes de alteración de la composición propia de las muestras, una muestra única puede no ser suficiente para lograr el nivel de confiabilidad deseado en los resultados de los análisis. Por lo anterior, se hace necesario establecer el número aconsejable de muestras que se debe recolectar para la cuantificación de un determinado analito. Para esto se debe conocer su desviación estándar global y establecer el valor aceptado de incertidumbre.

152

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se tiene, entonces, la siguiente expresión matemática: 2

Contenido ts didáctico del curso Química Ambiental

N ≥

U Donde: N = número de muestras t = t de Student para un nivel de confianza determinado s = desviación estándar global U = incertidumbre aceptada Con base en esta expresión matemática también se pueden construir gráficas de N vs. s/U, para diferentes niveles de confianza, y establecer el número de muestras que se deben recolectar para el análisis de un analito a un determinado nivel de confianza.

153

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

Figura 19. Determinación del número de muestras requeridas para cuantificar la concentración promedio de un analito27

Por ejemplo, mediante interpolación en la gráfica, se encuentra que para un analito con s = 0,8 mg/L y con U = ± 0,2 mg/L, para trabajar con un nivel de confianza del 90%, habría que recolectar mínimo 40 muestras. 12.4. Cantidad de muestra La cantidad promedio de muestra requerida para cada uno de los análisis químicos es de 500 mL. La Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de muestras muestra los volúmenes mínimos de muestra necesarios según tipo de análisis. La cantidad total de muestra requerida variará según el número de parámetros que se vayan a analizar; en la práctica se recolectan alrededor de 2L. No se puede utilizar la muestra recolectada para los análisis químicos para realizar análisis bacteriológicos, porque los métodos de toma y manipulación de las muestras son diferentes.

27

APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Madrid, España: Díaz de Santos. 1992. Figura 1060: I p. 1-41.

154

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de muestras, según tipo de análisis28 Contenido didáctico del curso Química Ambiental DETERMINACIÓN ANALÍTICA

CANTIDAD MÍNIMA DE MUESTRA (mL)

pH

-

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

No conservar/ 2 h

Salinidad

240

Vidrio, sello de lacre

No conservar o emplear sello de lacre/6 meses

Sílice

-

Plástico (polietileno o equivalente)

Sulfato

-

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Conservar a 4°C en la oscuridad (no congelar) / refrigerar 28 d Conservar a 4°C en la oscuridad/28 d

Sulfuro

100

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Acidez

100

Alcalinidad

200

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio-borosilicato Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Corgánico total

100

Vidrio

Dióxido de cloro

500

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Cloro residual

500

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

No conservar/0,5 h

Pesticidas

-

Vidrio lavado con disolventes orgánicos, revestimiento de TFE, tapadera

Fenoles

500

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Dióxido de C

100

Plástico (polietileno o equivalente), vidrio

Conservar a 4°C en la oscuridad + ácido ascórbico(1000mg/L) si existe cloro residual/7d Conservar a 4°C en la oscuridad + H2SO4 hasta pH9 Conservar a 4°C en la oscuridad/24 h Conservar a 4°C en la oscuridad/24 h No conservar o refrigerar a 4°C en la oscuridad + HCl hasta pH 2000 mg/L) no es recomendable en aguas para consumo.

Grasas y aceites

Detergentes

METALES PESADOS

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. 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 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

Separación de las sustancias por De acuerdo con la acidificación y concentración, se posterior extracción determina la mediante freón-113 necesidad de o hexano sobre un pretratamiento y frasco de la eficiencia de los destilación. procesos de Evaporación del remoción solvente orgánico y pesada del residuo seco. De acuerdo con la concentración, indican el potencial de formación de espuma y el riesgo de eutrofización

De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción. Estos metales tienen niveles óptimos de concentración, por encima de los cuales resultan

Formación de complejo coloreado y medición espectrofotométrica a 652 nm

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 169

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

métodos son:

La concentración máxima permisible de estos metales depende del uso que se la vaya a dar al agua que los contiene.

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:

170

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 H 2SO4 0,02 N para Contenidoun didáctico alcanzar pH del de curso 8,3 Química y 20 Ambiental 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 Alcalinidad de Alcalinidad titulación hidróxidos como carbonatos CaCO3 como CaCO3

de Alcalinidad de bicarbonatos como CaCO3

F=0

0

0

T

F½T

2F - T

2(T – F)

0

T

0

0

F=T

171

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

De acuerdo con los datos del problema, se tiene. Cálculo dedidáctico alcalinidad total (T): Ambiental Contenido del curso Química

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

172

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2) Compuestos de nitrógeno: Una muestra de agua, conQuímica pH = 7,5 tiene un contenido de nitrógeno amoniacal de Contenido didáctico del curso Ambiental 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+]

173

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3) Sodio y potasio: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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

0,52 174

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cl-

25,6

35,5

0,72

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

175

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PREGUNTAS Y EJERCICIOS 1)Contenido Para lasdidáctico siguientes fuentes deAmbiental agua, de las cuales se requiere un análisis de del curso Química 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 176

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental (indicar cuándo se usan)

Purgado del pozo

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

177

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

S

N (número de muestras)

U

(desviación (incertidumbre) Analito estándar) Contenido didáctico del curso Química Ambiental

mg/L

mg/L

pH

0,3

0,1

Cr

0,03

0,02

Fe

0,4

0,1

Fosfatos

0,05

0,025

Nivel de confianza

99%

95%

90%

¿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

178

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

a. Calcule cómo afectarán la alcalinidad, 4 mg/L de Fe2+ disueltos en agua. b. Explique si la del Ambiental hierro puede tener efecto sobre el pH del agua. Contenido didáctico deloxidación curso Química

179

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD Contenido didáctico del curso Química Ambiental

180

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Fuentes Documentales de la Unidad 1 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ACS Medio Ambiente. Membranas para tratamiento de agua. Consultado en: http://www.acsmedioambiente.com/LoNuevo/membranas.htm. AQUA PURIFICACIÓN SYSTEMS. Potabilización de aguas. Consultado en: http://www.aquapurificacion.com/agua-municipal.htm. AQUATECNIA Ingeniería Ambiental. Ósmosis http://www.aquatecnia.com/index.asp?idp=653.

inversa.

Consultado

en:

APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Madrid: Díaz de Santos, 1992. BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons, 2001. BOLT, G. H y BRUGGENWERT, M. G. M. Soil Chemistry A. Basic Elements. Amsterdam: Elsevier, 1978. CALVO, Rafael. Estructura química del agua. Consultado http://racalviz.blogspot.com/2007/11/estructura-qumica-del-agua.html.

en:

DOMÈNECH, X. & PERAL, J. Química ambiental de sistemas terrestres. Barcelona, España: Reverté, 2006 FERGUSON, F. D. y JONES, T. K. La regla de las fases. Madrid: Alhambra, 1968. FIGUERUELO, J. & MARINO, M. Introducción a la química de la atmósfera. En J. E. Figueruelo (Ed.), Química física. Del ambiente y de los procesos medioambientales (pp. 457-571). Barcelona, España: Reverté, 2004 Fisicoquímica experimental: Agua. http://fisexpscs.blogspot.com/2009/10/agua.html.

Consultado

en:

FRANCO, Freddy. Acueductos y alcantarillados. Universidad Nacional, Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Departamento de Ingeniería Civil, Sede Manizales. Consultado en: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080004/index.html. GARZA-CUEVAS, Raúl y GONZÁLEZ, Leticia. Principios de ciencia ambiental. En: ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. México: Thomson, 1997. p. 102. 181

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

HARRISON, R. M. El medio ambiente. Introducción a la química medioambiental y a la contaminación. Zaragoza, España: Acribia, 2003 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

LENNTECH. Tratamiento de lodos. Consultado en: http://www.lenntech.es/tipo-delodos.htm. OROZCO, C. et al. Contaminación ambiental. Una visión desde la química. Madrid: Thomson, 2003. PARKER, Raymond. “Composition of the Earth’s Crust”. En : STOKER, H. y SEAGER, S. Química Ambiental. Contaminación del aire y del agua. Pure-Pro Drinking Water System. ¿Qué es la ósmosis inversa y en qué consiste?. Consultado en: http://purepro.com.ve/osmosis.html. RAMÍREZ, Francisco. Desinfección del agua con cloro y cloraminas. Consultado en: www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/20/42/a42.pdf. ROMERO, J. A. Calidad del agua. Bogotá, Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2005 SHAW, D. J. Introducción a la química de superficies y coloides. Alhambra, 1977.

Madrid:

SKOOG, Douglas et al. Fundamentos de química analítica. México: Thomson, 2005. STOCKER, H. S. & SEAGER, S.L. Química ambiental: Contaminación del aire y del agua. Barcelona, España: Blume, 1981 Textos Científicos. Los compuestos de los metales de transición. Consultado en: http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/metales-transicion. Universidad de las Américas Puebla. Tratamiento de lodos. Consultado en: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capitulo8.p df. US Geological Survey. Consultado en: http://www.usgs.gov/. VOGUEL, E. & RIVAS, E. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. En E. C. Enkerlin (Ed.), Contaminación del agua (pp. 401-413). México, D. F., México: International Thomson, 1997 WASER, J. Termodinámica. Química fundamental. Barcelona: Reverté, 1972.

182

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

UNIDAD Contenido2 didáctico del curso Química Ambiental

Nombre de la Unidad

QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO

Palabras clave

Composición del suelo, factores y procesos formadores, reacciones químicas en la solución del suelo y en la interfase sólidolíquido, dinámica de las especies químicas (nutrientes y contaminantes) a través del perfil del suelo, análisis de sus parámetros de calidad, alteración de su calidad, tratamiento y remediación.

Introducción

El suelo es uno de los soportes de nuestra vida. Es un sistema abierto, complejo y polifuncional que interacciona con la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera. Es responsable del control de los procesos bioquímicos superficiales y, además, se comporta como un filtro a través del cual se producen y regulan los flujos de materia y energía. Como tal filtro, es susceptible de contaminarse como consecuencia de las actividades antropogénicas, lo cual puede conducir a su deterioro y a impedir que cumpla con alguna de sus funciones.

Justificación

El suelo es uno de los recursos naturales más importantes que existen en la naturaleza; sin embargo, actualmente, muchos suelos del mundo y de nuestro país se encuentran en proceso de degradación, especialmente por contaminación química. La degradación puede conducir a un impacto 183

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

negativo en el medio ambiente debido a que de la salud del suelo depende el Contenido didáctico del curso Química Ambiental abastecimiento de nutrientes para las plantas, la capacidad de amortiguación, la destrucción de patógenos y la inactivación de compuestos tóxicos. Por lo anterior, es importante conocer sus propiedades químicas y la naturaleza y la dinámica de las especies químicas contaminantes, para tomar medidas preventivas de protección o de remediación, que le permitan seguir cumpliendo las funciones tanto agrícolas como ambientales que desempeña en los ecosistemas terrestres. 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 a lo largo del perfil del suelo. Desarrollar en el estudiante la capacidad de relacionar el comportamiento de las especies químicas presentes en el suelo, 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 4

CONTAMINACIÓN Y QUÍMICAS DEL SUELO

PROPIEDADES

Denominación de Lección 16

Conceptos básicos

Denominación de Lección 17

Propiedades de los suelos

Denominación de Lección 18

Reacciones y equilibrios en el suelo

184

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Denominación de Lección 19

Calidad del suelo y compuestos que lo alteran

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Denominación de Lección 20

Análisis de la calidad del suelo

Denominación de capítulo 5

TRATAMIENTO DEL SUELO

Denominación de Lección 21

Importancia tratamientos

Denominación de Lección 22

Tratamientos por contención o aislamiento

Denominación de Lección 23

Tratamientos por transferencia o extracción

Denominación de Lección 24

Tratamientos por transformación química

Denominación de Lección 25

Tratamientos por transformación biológica

Denominación de capítulo 6

MUESTREO DE SUELOS

Denominación de Lección 26

Variabilidad de los suelos

Denominación de Lección 27

Tipo de muestreos

Denominación de Lección 28

Criterios técnicos para el muestreo

Denominación de Lección 29

Equipos y materiales para muestreos

Denominación de Lección 30

Parámetros químicos de análisis

y

clasificación

de

los

185

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

UNIDAD 2 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO El suelo es uno de los soportes de nuestra vida. Es un sistema abierto, complejo y polifuncional que interacciona con la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera. Es responsable del control de los procesos bioquímicos superficiales y, además, se comporta como un filtro a través del cual se producen y regulan los flujos de materia y energía. En calidad de filtro, es susceptible de contaminarse como consecuencia de las actividades antropogénicas, lo cual puede conducir a su deterioro y a impedir que cumpla con alguna de sus funciones. Actualmente, muchos suelos del mundo y de nuestro país se encuentran en proceso de degradación, especialmente por contaminación química. La degradación puede conducir a un impacto negativo en el medio ambiente debido a que de la salud del suelo depende el abastecimiento de nutrientes para las plantas, la capacidad de amortiguación, la destrucción de patógenos y la inactivación de compuestos tóxicos. El conocimiento tanto de sus propiedades químicas como de la naturaleza y la dinámica de las especies químicas contaminantes es indispensable, si se trata de adoptar medidas preventivas de protección o de remediación, que le permitan a este recurso natural seguir cumpliendo las funciones tanto agrícola como ambiental que desempeña en los ecosistemas terrestres.

CAPITULO 4: CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL SUELO Introducción El suelo es un cuerpo complejo constituido por componentes tanto sólidos (minerales y orgánicos), como líquidos y gaseosos que le proporcionan una naturaleza dinámica.

186

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La presencia de las tres fases en el suelo establece la existencia de un sistema complejo en el cual tienen lugar reacciones y equilibrios químicos múltiples, en los Contenido didácticosólidodel cursolíquido Químicay Ambiental que las interfases líquido-gas son determinantes. Aunque hoy en día se reconoce la importancia del suelo y su impacto en el bienestar de la humanidad y el ambiente, muchos suelos del mundo y de nuestro país se encuentran en proceso de degradación. En términos generales, se puede hablar de degradación química del suelo, como el resultado de la acumulación de sustancias que ocasionan un desequilibrio en sus condiciones. Entre esas sustancias son de especial importancia los metales pesados y los agroquímicos que en la práctica se asocian con el término contaminación química. En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la composición del suelo, la reactividad de las especies químicas presentes y el tipo de contaminantes que pueden afectar su calidad.

Lección 16: Conceptos básicos PALABRAS CLAVE: cuerpo natural, sistema trifásico, factores formadores, perfil del suelo, horizontes maestros.

1. Definición El suelo es un constituyente natural de la corteza terrestre, con el que todos los seres humanos tenemos contacto y acerca del cual nos hemos formado algún tipo de concepto. Como lo menciona Thompson29 para un ingeniero civil puede ser el soporte y fuente de material para la construcción de edificaciones, para el agricultor el medio para la producción de cultivos y para la mayoría de nosotros la fuente de la cual derivamos nuestro alimento. El suelo es un material de gran complejidad que tiene múltiples definiciones que dependen de la formación y enfoque hacia su utilización que tenga la persona que las elabore.

29

THOMPSON, Louis M y TROEH, Frederick R. Los suelos y su fertilidad. 4 ed. Barcelona : Reverté, 1982. p. 1.

187

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para los fines de este módulo se trabajará con una definición formulada a partir de puntos de vista más técnicos, por USDA: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El suelo es un cuerpo natural compuesto de sólidos (minerales y materia orgánica), líquidos y gases que existe sobre la superficie de la tierra, ocupa un espacio y se caracteriza por uno o por los dos aspectos siguientes: presentar horizontes o capas que se diferencian del material inicial como resultado de las adiciones, pérdidas, transferencias y transformaciones de energía y de materia, o por la capacidad para soportar plantas arraigadas en un ambiente natural30.

2. Importancia Desde el punto de vista agroecológico y ambiental, su importancia radica en el hecho de que allí crecen y se nutren de él las plantas, las cuales proporcionan alimentos para el hombre y elementos necesarios para el vestido y la vivienda. También sustenta los pastos y otras plantas que sirven de alimento para los animales de los cuales se utiliza la carne, la piel y la lana. Además, el suelo es soporte y fuente de materiales para las vías, los puentes, las construcciones y otras obras en las ciudades y el campo. El suelo hace parte de los ecosistemas terrestres y, en consecuencia, de la vida misma. Es regulador del ciclo del agua. 3. Composición A partir de la definición arriba planteada es evidente que en el suelo están presentes los tres estados de la materia. Por esto, se conoce como un sistema trifásico. La parte sólida forma el esqueleto del suelo y está constituida por los minerales provenientes de la roca madre y por la materia orgánica de los organismos vivos. Las partículas sólidas no están perfectamente empaquetadas entre sí, sino que entre ellas existen espacios vacios que se denominan poros. Las fases líquida y gaseosa del suelo se alojan en los poros. La fase líquida se conoce como el agua del suelo, pero en realidad es una solución acuosa con diversas sales y gases disueltos. La fase gaseosa es el aire del suelo que en las 30

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil taxonomy : a basic system of soil classification for making and interpreting soil surveys. 2 ed. Washington : USDA, 1999. p. 9.

188

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

capas más cercanas a la superficie del suelo tiene una composición similar a la del aire atmosférico. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los poros más pequeños usualmente contienen agua y los más grandes contienen aire. Los componentes de las tres fases se hallan mezclados en diferentes proporciones en los suelos; sin embargo, la Figura 20 muestra una proporción que se considera promedio y típica.

Figura 20. Proporciones relativas (en volumen) de los componentes del suelo

Los componentes minerales del suelo provienen de su roca madre y varían grandemente en cuanto a composición química, tamaño y forma de las partículas individuales y velocidad de meteorización. El tamaño de las partículas minerales varía en un rango amplio: los fragmentos de diámetro superior a 76 mm se denominan piedras, los fragmentos menores de 76 mm y mayores de 2 mm se conocen como gravas. Tanto las piedras como las gravas no proporcionan las condiciones requeridas para el crecimiento de plantas y tienen efectos adversos en las propiedades físicas del suelo, como la permeabilidad y susceptibilidad a la erosión; además se constituyen en una limitante para las labores de cultivo.

189

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Las partículas con diámetro igual o menor de 2 mm se subdividen, a su vez, en tres clases principales, que según las normas del Departamento de Agricultura de 31 Contenido Química Ambiental los Estadosdidáctico Unidosdel decurso América (USDA) corresponden a los siguientes tamaños: o Arena que comprende partículas con diámetros entre 2 mm y 0,05 mm, las cuales se observan a simple vista. La composición mineralógica de las arenas varía de acuerdo con el tipo de roca de la que proceden, lo cual guarda relación con la región geográfica a la cual pertenecen. En términos generales, el cuarzo es el mineral predominante en la arena, pero se encuentra acompañado por otros minerales, entre los cuales se destacan los siguientes: feldespatos, anfíboles, micas y piroxenos. o Limo que comprende partículas con diámetros entre 0,002 mm y menores de 0,05 mm. o Arcilla que comprende partículas con diámetros menores de 0,002 mm. La estructura de las arcillas corresponde a una serie de láminas dispuestas paralelamente, cuya unidad básica comprende dos láminas tetraédricas dispuestas una encima y otra debajo de una lámina octaédrica central (Ver Figura 21 Estructura general de las arcillas). Cada lámina tetraédrica consta de tetraedros en los cuales el catión dominante es el Si4+, el cual puede ser sustituido frecuentemente por Al 3+ y ocasionalmente por Fe3+. Los tetraedros se unen entre sí a través de iones O2- situados en sus vértices basales, el vértice apical queda libre. Cada lámina octaédrica consta de octaedros con un catión metálico en el centro, el cual usualmente puede ser alguno de los siguientes: Al 3+, Mg2+, Fe2+ o Fe3+. También se han encontrado, aunque con menor ocurrencia, el litio y los otros elementos de transición, excepto el escandio. En los vértices de cada octaedro se localizan aniones que pueden ser O2-, OH- y F-. Los octaedros se unen entre sí mediante aristas comunes. Las láminas tetraédricas y octaédricas se unen unas a otras en ensambles estructurales que se conocen como capas.

31

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. manual. Lincoln, Nebraska : USDA, 1995. p. 13.

Soil survey laboratory information

190

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

A

B

191

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

Unidad básica

Espacio interlaminar

C Figura 21. Estructura general de las arcillas: A. Tetraedro de silicio y lámina tetraédrica; B. Octaedro y lámina octaédrica; C. Unidades básicas separadas por un espacio interlaminar

La materia orgánica del suelo está constituida por restos de plantas y animales bien sea frescos o en diferentes grados de descomposición y por tejidos vivos y muertos de los microorganismos. La materia orgánica, a medida que se descompone, libera varios de los elementos necesarios para la nutrición de las plantas. Las cantidades y los tiempos empleados para la liberación varían de acuerdo con la naturaleza de los elementos. Además de la provisión de nutrientes, otra función importante de la materia orgánica en el suelo es actuar como agente cementante de las partículas minerales para formar agregados que favorecen una estructura del suelo, con una cantidad adecuada de poros, para una buena aireación. Esta función es de especial relevancia en suelos con contenidos medio a alto de arcillas.

192

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El agua, o mejor la solución acuosa del suelo es de gran importancia porque contiene los elementos disponibles para la nutrición de las plantas y es necesaria Contenido didáctico del curso Química Ambiental para los diferentes procesos fisiológicos de éstas. El agua del suelo se encuentra en permanente movimiento debido a que partcipa en diferentes procesos, como son:  la entrada del agua en el suelo mediante la infiltración, las entradas laterales y el ascenso a partir de una capa freática.  La redistribución que se da por transferencia y acumulación.  Absorción por las plantas.  Evaporación Las fuentes de agua para el suelo son la lluvia y el riego. Parte de esta agua penetra la superficie del suelo y es absorbida y retenida por las diversas partículas del suelo; otra parte se puede acumular en la superficie y constituye una causa potencial de erosión; otra parte vuelve a la atmósfera debido a la evaporacción y a la transpiración de las plantas y otra fracción se infiltra hacia la profundidad y eventualmente reaprovisiona la reserva de agua del suelo. El aire o fase gaseosa del suelo es determinante en su productividad. Debe existir una permanente aireación, es decir, debe haber intercambio entre el aire del suelo y el aire atmosférico para prevenir una deficiencia de O2 y un exceso de CO2 en la zona radical; de esta manera se favorece la respiración adecuada de las raíces. Por otra parte, los microorganismos del suelo también respiran y cuando la aireación no es suficiente compiten por el O2 con las raíces. La aireación del suelo depende del volumen de los poros que se encuentre ocupado por el aire, por tanto, su transferencia disminuye a medida que estos se saturan de agua. Se requiere, entonces, un balance adecuado entre la cantidad de agua y de aire presentes en un suelo.

4. Formación de los suelos Existen cinco factores formadores que explican su conformación y desarrollo: 1) Material parental, del cual se forman. 2) Relieve, donde se encuentran. 193

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3) Clima, que permite su evolución. 4) Organismos, que lo asocian con un medio viviente. Contenido didáctico del curso Química Ambiental 5) Tiempo o edad de los mismos, que es la dimensión en la cual actúan los otros factores formadores. Los materiales parentales se originan a partir de las rocas, los sedimentos y la materia orgánica sobre los que actúan agentes físico-químicos y biológicos. El clima con sus componentes, la lluvia, la temperatura, los vientos y la radiación solar influyen o determinan la formación de los suelos. La lluvia y la temperatura contribuyen a la fragmentación de las rocas. La temperatura, además, influye en la velocidad de los procesos físico-químicos y biológicos, en tal forma que, por ejemplo, en las zonas de páramo la actividad biológica es muy lenta, lo cual ocasiona acumulación de materia orgánica, en determinadas altitudes. Los organismos. El hombre, las plantas y otros organismos ejercen su acción aportando sustancias orgánicas y minerales que contribuyen a la formación del suelo. La lombriz de tierra, los insectos, las larvas y otros estados inmaduros habitan el suelo y participan en su formación. Además, ingieren materia orgánica y mineral para producir deyecciones que constituyen material transformado y agregado. El relieve o forma de la superficie terrestre, modifica la acción de otros factores y procesos al determinar la exposición al sol, a las lluvias y a los vientos. También influye en otras características como la presencia del nivel freático y en la suceptibilidad de los suelos a la remoción de partículas, generalmente mediante la erosión. El tiempo durante el cual interctuan los factores formadores, tiene mucha importancia debido a que de éste depende que se alcancen estados de madurez, juventud o vejez en los suelos.

5. Los procesos de formación de los suelos. Los procesos generales constituyen los eventos responsables de su formación. Actúan de forma permanente y se agrupan en cuatro categorías principales: ganancias, pérdidas, translocaciones y transformaciones.

194

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

6. El perfil del suelo Como resultado de la acción de los factores y de los procesos, y de acuerdo con el predominio de uno u otro y de su intensidad, se originan capas que se denominan

195

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

horizontes maestros y su conjunto constituye el perfil del suelo (ver Figura 22. Perfil general del suelo). Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Figura 22. Perfil general del suelo32

32

Tomada de:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion1/capitulo04/tema03/01_0 4_03.htm

196

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Horizontes maestros. Estas capas sintetizan y revelan la historia del suelo, a Contenido didáctico del curso Química Ambiental través de los procesos que los generan. Los horizontes O, A, E, B y C se denominan horizontes maestros. o Horizonte O: se caracteriza porque su composición dominante es la materia orgánica que comprende restos, por ejemplo, de hojas y otro tipo de materiales orgánicos parcialmente descompuestos. Se conoce también como mantillo o litter. o Horizonte A: es la zona de máxima acumulación de materia orgánica humificada (humus). o Horizonte E: se caracteriza por la pérdida de arcilla, hierro, aluminio o combinación de éstos, permitiendo la acumulación de arenas y limos. o Horizonte B: es subsuperficial y allí han ocurrido más intensamente los procesos de formación del suelo, por ejemplo, transformaciones de unos materiales en otros, o migraciones, concentraciones de elementos o compuestos como arcilla, hierro y materia orgánica entre otros. o Horizonte C: es el más profundo y el menos afectado por la acción de los factores y procesos formadores del suelo; generalmente se asocia con el material parental. o Horizonte D: corresponde al lecho rocoso consolidado.

Lección 17: Propiedades de los suelos PALABRAS CLAVE: textura, estructura, porosidad, densidad, infiltración, contenidos de minerales, poblaciones de fauna, funciones de microorganismos, capacidad de intercambio catiónico, acidez del suelo, bases intercambiables, disponibilidad de nutrientes.

Los suelos tienen características y propiedades que los definen y son útiles para su uso y manejo. Éstas pueden ser de naturaleza física, química, biológica y mineralógica. En esta lección se hará énfasis en las propiedades químicas, pero previamente se realizará una mención breve a los otros tipos de propiedades. 197

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1. Propiedades físicas Los suelosdidáctico presentan propiedades físicas que dependen de la naturaleza de sus Contenido del curso Química Ambiental componentes, de las cantidades relativas de cada uno de ellos y de la forma en que se interrelacionan entre sí. El conocimiento de las propiedades físicas permite inferir, por lo menos de manera aproximada algunos aspectos químicos y biológicos de la fertilidad de los suelos. Entre las propiedades físicas del suelo están las siguientes:  Textura: corresponde al porcentaje en peso de cada una de las tres fracciones minerales, arena, limo y arcilla. Dependiendo de la proporción de estas fracciones en un suelo determinado se le asigna una clase textural (ver Figura 23. Triángulo de clases texturales). A partir de la textura se pueden inferir aspectos relacionados con la porosidad, la retención de humedad, el riesgo de erosión hídrica, la permeabilidad y la capacidad de intercambio catiónico, entre otros.  Densidad real o de partículas: corresponde a la densidad media de su fase sólida. Es importante porque permite calcular la porosidad del suelo, evaluar la concentración y medir la velocidad de sedimentación de las partículas en suspensión. Para un horizonte determinado tendrá un valor prácticamente constante en el tiempo porque la naturaleza de las partículas no cambia.  Densidad aparente: corresponde a la relación masa-volumen incluyendo la parte sólida y los poros, los cuales pueden estar llenos de agua o de aire. Esta propiedad influye en el desarrollo radical y en la emergencia de las plántulas, debido a que se relaciona con otras propiedades como la humedad, la porosidad y el desarrollo de la estructura. Presenta variaciones grandes en sentido vertical y horizontal del perfil del suelo.  Estructura: corresponde al arreglo u organización de las partículas y la configuración interna de la matriz del suelo. Se visualiza en forma de agregados que dan lugar a ciertos modelos estructurales. Es un concepto cualitativo e influye en las propiedades mecánicas y en procesos como la germinación, el crecimiento de las raíces, tráfico sobre la superficie y la erosión y la degradación (ver Figura 24. Tipos de estructura del suelo).

198

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

Figura 23. Triángulo de clases texturales de los suelos33

 Porosidad: se define como la relación entre el volumen de poros y el volumen total del suelo; se relaciona con la estructura de cada horizonte. Con algunas limitaciones se puede calcular a partir de los valores de densidad real y aparente. Porosidad = 1 – (densidad aparente / densidad real)  Infiltración: se aplica a los procesos de entrada de agua al suelo, por flujo vertical desde su superficie a lo largo de todo el perfil. Esta propiedad está relacionada con la cantidad de agua que entra a la zona radical y la cantidad que escurre. Se mide en unidades de velocidad y por esto se denomina, también, velocidad de infiltración.

33

Tomado de: http://www.cm.colpos.mx/meteoro/progde/textu/index.htm

199

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Temperatura: corresponde a un valor en un sitio y un momento determinados, porque cambia en el tiempo y el espacio. Determina las Contenido didáctico del curso Químicade Ambiental velocidades y direcciones los procesos físicos, químicos y biológicos.  Color: es una de las propiedades más visibles del suelo. De forma indirecta tiene relación con la temperatura y la humedad. Es un indicador de aspectos importantes: origen geológico, grado de intemperismo, fenómenos de oxidación-reducción, presencia de materia orgánica y procesos de lixiviación y acumulación de compuestos orgánicos.

Figura 24. Tipos de estructura del suelo34

2. Propiedades mineralógicas Corresponden básicamente a la caracterización de las fracciones arena y arcillas de los suelos, desde el punto de vista de los minerales que contienen. El conocimiento del contenido y el tipo de arenas y de arcillas permite conocer su

34

Tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/09/28/74849

200

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

capacidad para retener el agua y los nutrientes, su facilidad de drenaje, la cantidad y clase de poros, como también su estado de evolución y de fertilidad. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Fracción arena: para su estudio se separa la fracción con diámetros entre 150µ y 200µ. Esta fracción se lava para eliminar residuos de arcilla o materia orgánica. El análisis se hace con microscopio de luz polarizada.  Fracción arcilla: el método más utilizado en la determinación de la mineralogía de las arcillas es la difracción de rayos X. Sin embargo, no es un método absoluto y es recomendable utilizar métodos complementarios como el análisis térmico diferencial y el térmico gravimétrico.

3. Propiedades biológicas Se relacionan principalmente con el tipo de organismos presentes en el suelo y sus actividades. Algunos análisis al respecto se enumeran a continuación.  Poblaciones de fauna en el suelo: taxonomía e índices de diversidad  Microorganismos del ciclo del nitrógeno: nitrificantes, amonificantes, fijadores de nitrógeno y denitrificantes  Reductores de sulfato, bacterias anaerobias  Microorganismos anaerobios o extremófilos  Solubilizadores de fosfatos

4. Propiedades químicas La química del suelo encierra aspectos de la química de soluciones y de la química de fases sólidas. En especial, la zona de contacto entre las fases líquida y sólida es fundamental y tiene que ver con la química coloidal, en la cual las fuerzas superficiales son importantes. Es así como, por lo general, los iones adsorbidos sobre la superficie de las partículas sólidas se encuentran en mayor cantidad que la presente en la solución del suelo y se establece un equilibrio químico dinámico entre ellos. Con base en este equilibrio se puede estudiar una importante propiedad química, la capacidad de intercambio catiónico.

201

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Capacidad de Intercambio catiónico (CIC) Los minerales quedel constituyen la Ambiental fracción arcilla (complejo de cambio o coloidal Contenido didáctico curso Química mineral) y el humus (complejo de cambio o coloidal orgánico) poseen esta propiedad, debido a que poseen sitios con cargas negativas que atraen cationes. Las cargas negativas responsables de la capacidad de intercambio catiónico tienen orígenes diversos. En los minerales de las arcillas tienen lugar sustituciones de cationes que se conocen también como sustituciones isomórficas. Como ya se mencionó en la lección anterior, estas sustituciones ocurren porque en la capa tetraédrica de los minerales arcillosos, excepto los caoliníticos, el aluminio (Al3+) puede sustituir al silicio (Si4+) y en las capas dioctaédricas el magnesio (Mg2+) o el hierro (Fe2+) pueden sustituir al aluminio (Al3+), sin cambiar la forma de las láminas de los minerales, dando lugar a un desbalance de cargas que resulta en cargas negativas que se neutralizan con cationes retenidos en la superficie de las láminas o entre ellas (ver Figura 25) . Las cargas negativas también aparecen en los bordes rotos de los minerales, porque sus estructuras se mantienen por secuencias continuas de enlaces iónicos; cuando en el borde quedan cargas negativas, éstas atraen cationes.

Figura 25. Representación de mineral de arcilla con carga negativa superficial35

35

Tomado y adaptado de: http://www.sagan-gea.org/hojaredsuelo/paginas/13hoja.html

202

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Otro origen de las cargas negativas está en la ionización de H+ de los grupos carboxilo y fenólico de sustancias orgánicas humificadas. Los aniones resultantes didáctico curso Química Ambiental seContenido neutralizan con del cationes (ver Figura 26).

Figura 26. Representación de sustancias orgánicas con grupos ionizados36

Los cationes en los minerales o en las sustancias orgánicas se denominan intercambiables si pueden ser sustituidos por otros disueltos en el agua que rodea las partículas, es decir, en la solución del suelo. El intercambio de cationes es un proceso reversible entre las fases líquida y sólida del suelo, la suma de estos cationes corresponde a la capacidad de intercambio catiónico que usualmente se expresa en miliequivalentes por 100 g de suelo que en unidades del Sistema Internacional corresponde a centimoles carga por kilogramo de suelo (cmol (+) /kg suelo). La magnitud de la capacidad de intercambio catiónico depende, en parte, del pH siendo menor en condiciones ácidas y aumentando hacia los valores básicos.

36

Tomado de: http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/05/30/66696

203

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ACTIVIDAD # 12: Establezca porque la capacidad de intercambio catiónico Contenido didáctico del curso Química Ambiental aumenta a valores de pH básicos. ¡Discuta su respuesta con su tutor en foro virtual!

Otro factor que influye en la magnitud de la CIC es la naturaleza del complejo coloidal (ver Tabla 9).

Tabla 9. Valores de capacidad de intercambio catiónico COMPONENTE PRINCIPAL DEL COMPLEJO COLOIDAL

CIC (cmol (+) / kg suelo)

Caolinita

3-15

Ilita y clorita

10-40

Montmorillonita

80-150

Vermiculita

100-160

Humus

300-500

La capacidad de intercambio catiónico es un indicador de la fertilidad potencial del suelo debido a que se relaciona con la cantidad de nutrientes que puede retener para poner a disposición de las plantas bajo condiciones determinadas. Acidez del suelo A esta propiedad se han referido varios autores, los cuales la han relacionado con diferentes especies químicas, así:

 Fassbender y Bornemisza: “depende del contenido de hidrógeno ionizable, del aluminio disociable en numerosas formas y, en menor grado, de los

204

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

iones de hierro y manganeso, todos en equilibrio con la solución del suelo donde ocurren variadas reacciones de hidrólisis”37. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Garavito: “depende del hidrógeno y el aluminio intercambiables o no intercambiables y del hidrógeno de la materia orgánica”38.

Teniendo en cuenta consideraciones como las anteriores, Garavito39 ha definido diferentes tipos de acidez en el suelo, así: Acidez activa: corresponde a los iones hidrógeno en la solución del suelo; se determina al medir el pH (ver Figura 27). Acidez intercambiable: corresponde a los iones aluminio e hidrógeno intercambiables con una sal neutra como cloruro de potasio normal (ver Figura 27). Acidez no intercambiable: Corresponde a los iones Al (OH)2+, al hidrógeno unido a la materia orgánica y al de los grupos Si-OH de las arcillas. Se disocia poco a poco en la medida que se aumente el pH y no se extrae con una sal neutra. Acidez total: es la suma de las anteriores.

37

FASSBENDER, H. W. y BORNEMISZA, E. Química de suelos con énfasis en suelos de América Latina, citado por MALAGON CASTRO et al. Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación, distribución y uso. Santafé de Bogotá : Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423. 38

GARAVITO, F. Propiedades químicas de los suelos, citado por MALAGON CASTRO et al. Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación, distribución y uso. Santafé de Bogotá : Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423. 39

Ibíd.

205

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

Figura 27. Representación de la acidez activa y de la intercambiable40

Bases intercambiables y saturación de bases Comprenden los metales alcalinos y alcalinotérreos adsorbidos sobre las arcillas o en la materia orgánica que pueden cambiarse entre sí o con otro ión cargado positivamente en la solución del suelo. En la práctica, se consideran bases intercambiables el calcio, el magnesio, el sodio y el potasio, las cuales constituyen el 99% de las bases de cambio.

40

Tomada y adaptada de:

http://www.exactas.unlpam.edu.ar/academica/catedras/edafologia/practicos/reaccion%20del%20suelo.htm

206

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

Figura 28. Proporción promedio de bases en el suelo41 Las bases presentes en mayor cantidad en los sitios de intercambio catiónico son por lo general el calcio y el magnesio. El 1% de otras bases incluye micronutrientes como Fe2+, Cu2+, Mn2+ y Zn2+ cuya presencia es importante, debido a que son indispensables para las plantas en cantidades trazas, las cuales son suficientes para cubrir sus necesidades. El denominado porcentaje de saturación de bases corresponde al de sitios de intercambio catiónico ocupados por las bases. Por ejemplo, si se encuentra que la suma de las cantidades de las bases intercambiables (Ca 2+, Mg2+, K+ y Na+) es 18 cmol(+) / kg suelo, y el suelo tiene una CIC de 34 cmol(+) / kg suelo, el porcentaje de saturación de bases es de 53. Si la misma cantidad de bases se encuentra en un suelo con una CIC de 26 cmol (+) / kg suelo, el porcentaje de saturación de bases es ahora de 69. Disponibilidad de nutrientes A través de los años, con el avance en los métodos y técnicas de la química analítica se ha incrementado la lista de los elementos químicos presentes en el suelo y en las plantas. Sin embargo, en relación con la nutrición de las plantas tradicionalmente se consideran tres grandes grupos: o Macronutrientes: N, P, K o Elementos secundarios: Ca, Mg, S 41

Elaborada por la autora del módulo

207

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Micronutrientes: Fe, Mn, B, Cu, Zn, Mo, Cl LaContenido disponibilidad a queAmbiental los elementos se encuentren en el suelo en didáctico se del refiere curso Química condiciones de ser tomados por las plantas para su nutrición. En este punto un factor crítico es el pH debido a que influye en la tasa de liberación de nutrientes por meteorización, en la solubilidad y en la cantidad de iones almacenados en los sitios de intercambio catiónico. La Figura 29 es una representación aproximada de la correspondencia entre los valores de pH y la disponibilidad adecuada (franja más ancha) o la deficiencia (franja más angosta) para cada uno de los nutrientes. Por ejemplo, se puede establecer que a valores de pH menores a 5,5 se aumenta la posibilidad de deficiencia de la mayoría de los elementos, excepto con el hierro para el cual esta situación se presenta a valores de pH superiores a 6.5.

Figura 29. Representación de la disponibilidad de nutrientes a diferentes valores de pH42

42

Tomada de: http://www.pasturasyforrajes.com/alfalfa/requerimientos-del-suelo/disponibilidad-denutrientes

208

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ejercicios: Contenido didáctico del curso Química Ambiental En un estudio ambiental realizado en tres sitios de la Sabana de Bogotá se encuentra la siguiente información: Sitio 1: Suelo con 30% de arcilla, 20% de limo y 50% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 25 cmol (+) /kg suelo. Sitio 2. Suelo con 29% de arcilla, 20% de limo y 51% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 39 cmol (+) /kg suelo. Sitio 3. Suelo con 10% de arcilla, 15% de limo y 75% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 12 cmol (+) /kg suelo. Analizar la información anterior y responder: a) ¿Cuál es la clase textural de los sitios y ésta qué relación guarda con otras propiedades como porosidad, permeabilidad, retención de humedad, almacenamiento de nutrientes y velocidad de infiltración? b) Entre el sitio 1 y 2 la composición porcentual del componente mineral del complejo de cambio es idéntica. Sin embargo, la CIC del sitio 2 es mayor que la del sitio 1. ¿A qué se puede atribuir esta diferencia? Solución: a) Para determinar la clase se debe utilizar el triángulo textural, para interpolar los porcentajes, de cada tipo de partículas, que tienen los diferentes sitios en estudio. Antes de hallar la clase textural para el ejercicio propuesto, veamos cómo se maneja el triángulo.

209

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

Franco arcillosa

Tomado de:ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_Training/FAO_Training/General/x6706s/x6706s06.htm

La ilustración muestra como se interpolan los valores en el triángulo para un suelo con 33% de arcilla, 33% de arena y 33% de limo. Se siguen los siguientes pasos:  Se ubica el valor del porcentaje de arcilla (33%) a lo largo del lado izquierdo del triángulo y se sigue la línea horizontal paralela a la base del triángulo.  Luego se ubica el valor del porcentaje de arena (33%) en la base del triángulo y se sigue la línea ascendente con inclinación hacia la izquierda, hasta el punto de cruce con la horizontal que se siguió para la arcilla. En la gráfica, el corte corresponde al punto central donde se encuentran las flechas; con este punto se encuentra la clase textural, que para este ejemplo es franco arcillosa (ver Figura 23 que corresponde al triángulo con los nombres de las clases texturales)  Dos valores ubicados en el triángulo son suficientes para hallar la clase, porque se está trabajando con porcentajes.  A manera de comprobación, a partir del punto de corte siga la línea con inclinación hacia la derecha hasta alcanzar la escala de porcentaje de limo, que aparece al lado derecho del triángulo, debe llegar al valor de 33%

210

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ahora para el ejercicio propuesto, los sitios 1 y 2 tienen la misma composición porcentual: 29% de arcilla, 20% de limo y 51% de arena. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Siguiendo los pasos anteriormente indicados, se encuentra la clase francoarcillosa-arenosa. Para el sitio 3, la composición porcentual es 10% de arcilla, 15% de limo y 75% de arena, para la cual se encuentra la clase franco-arenosa. Para establecer la relación de la clase textural con otras propiedades es importante tener en cuenta lo estudiado en la lección que se puede sintetizar de la manera siguiente: Tipo de partícula Propiedad Arena

Limo

Arcilla

Alta (macroporosidad)

Alta (microporosidad)

Alta (microporosidad)

Velocidad de infiltración

Alta

Baja a media

Baja

Permeabilidad

Alta

Baja a media

Baja

Retención de humedad

Baja

Baja

Alta

Almacenamiento de nutrientes

Bajo

Bajo a medio

Alto

Porosidad

Según lo planteado en este ejercicio, para los suelos de los tres sitios se presenta una relación más marcada de las propiedades respecto a la arena, que es la fracción predominante. b) Aunque la textura de los suelos del sitio 1 y el sitio 2 son iguales, la CIC del sitio 2 puede ser mayor que la del sitio 1, debido a presencia en el sitio 2 de una mayor cantidad de materia orgánica. Esto se deduce del hecho de que la capacidad de intercambio catiónico se debe tanto al complejo coloidal mineral como al orgánico.

211

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 18: Reacciones y equilibrios en el suelo Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: interfase sólido-líquido, interfase líquido-gas, doble capa difusa, capacidad amortiguadora, sistema CO2-H2O, el hierro en suelos aeróbicos y anaeróbicos

La presencia de las tres fases en el suelo establece la existencia de un sistema complejo en el cual tienen lugar reacciones y equilibrios químicos múltiples, en los que las interfases sólido- líquido y líquido-gas son determinantes. En la superficie de interacción sólido-líquido, es decir, en el plano de contacto entre la fase sólida iónica y la fase líquida acuosa juega un papel de primordial importancia la constante dieléctrica alta de la solución del suelo, debido a que las moléculas polares del agua poseen una tendencia fuerte a causar disociación de los grupos superficiales del sólido. Por otra parte, la capa de líquido adyacente a la fase sólida se encuentra modificada en relación con el seno de la solución, tanto en la estructura como en la composición iónica. Lo anterior da lugar, en los suelos, a la consideración de la teoría de la denominada doble capa difusa. En esta teoría se plantea que se esperaría que un gran número de contra-iones se uniera firmemente a la superficie de la partícula coloidal cargada eléctricamente formando una doble capa eléctrica compacta. Sin embargo, el movimiento térmico impide la formación de la capa compacta y tiende a producir una distribución uniforme de los co-iones y contra-iones. El efecto combinado de las fuerzas eléctricas y la agitación térmica origina, en consecuencia, una doble capa difusa, que se visualiza, en la Figura 30, como un segmento en la cercanía de la superficie coloidal con un gran número de contraiones y, después, otro segmento en donde la distribución de cargas se va haciendo más uniforme, a medida que aumenta la distancia, a la superficie coloidal.

212

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

Superficie coloidal cargada positivamente

Concentración de contra-iones

Solución más uniforme eléctricamente

Figura 30. Esquema de una doble capa difusa43 Lo anterior muestra que el equilibrio sólido-líquido no es simple porque se dan diferentes niveles de atracción electrostática. En términos prácticos, se considera que existe una región en la fase líquida, la cual no tiene mayor influencia de la fase sólida (en el esquema está representada por la denominada “solución más uniforme eléctricamente”) y por esto se trata como cualquier solución acuosa. En consecuencia, se simplifica la representación del equilibrio de las dos fases, así: Suelo – A+ + B+

Suelo – B+ + A+

Donde: A+ = cationes adsorbidos en el complejo coloidal del suelo B+ = cationes presentes en la solución del suelo

1. Reacciones ácido-base

43

Elaborada por la autora del módulo

213

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Con base en este equilibrio tienen lugar reacciones, por ejemplo, de tipo ácidobase, que explica la capacidad amortiguadora del suelo. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1.1. Capacidad amortiguadora (buffer) del suelo La adición de ácidos o de bases produce una variación en el valor del pH; sin embargo, cuando los suelos están tamponados, la variación puede ser relativamente pequeña respecto a las cantidades de los compuestos añadidos. La capacidad amortiguadora de un suelo tiene que ver con:  La presencia de complejo de cambio o coloidal en su composición. A mayor contenido de arcillas y/o materia orgánica mayor será la capacidad amortiguadora.  La capacidad de intercambio catiónico. A mayor CIC mayor será la capacidad amortiguadora. Las situaciones que se presentan son las siguientes: al adicionar un ácido al suelo, una cantidad pequeña de los iones H+ permanece en la solución y los restantes se intercambian con los cationes adsorbidos en el complejo de cambio y ocupan su lugar. La reacción contraria tiene lugar cuando se adiciona una base, los iones H+ que están unidos al complejo de cambio son reemplazados por los cationes de la base y pasan a la solución y reaccionan con los iones OH- para formar agua. Lo anterior muestra claramente que las adiciones de ácidos o bases al suelo afectan ligeramente el pH y, a la vez, modifican el porcentaje de saturación de bases. A medida que aumenta el pH se incrementa el porcentaje de saturación de bases y viceversa. Los suelos con complejos de cambio con mayor CIC presentan valores de pH menores para cualquier nivel de saturación de bases (ver Figura 31).

214

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

Figura 31. Relación entre pH y la saturación de bases44

1.2. Equilibrios del sistema CO2-H2O en presencia de carbonatos sólidos. Por otra parte, la interacción de las fases líquida y gaseosa también da origen a reacciones ácido-base, la más relevantes las relacionadas con el sistema CO 2H2O. Para una revisión de los equilibrios y las correspondientes reacciones, remítase a la lección 3, en el aparte “reacciones ácido-base”. En relación con este sistema, es importante resaltar que el gas CO2 siempre presente en el suelo delimita las concentraciones máximas posibles de muchos cationes en la solución del suelo. El ión Ca2+ es uno de los cationes más abundantes, entre los que forman carbonatos con baja solubilidad, lo cual

44

Tomada y adaptada de:

THOMPSON, Louis M y TROEH, Frederick R. Los suelos y su fertilidad. 4 ed. Barcelona : Reverté, 1982. p. 215.

215

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

concuerda con la situación que se encuentra en la práctica, esto es, que muchos suelos contienen carbonatos de calcio sólidos. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los carbonatos de calcio cristalinos que se encuentran, en mayor proporción, en el suelo son la calcita y la aragonita. Otros carbonatos presentes son la dolomita, CaMg (CO3)2 y magnesita, MgCO3. La siderita, FeCO3, se encuentra en ciertos suelos anaeróbicos. La presión local del CO2 en el suelo, junto con el pH del sistema, controla la concentración máxima de los cationes relevantes, en cambio la presencia de carbonatos sólidos en el suelo establecerán la concentración real de los cationes relevantes en la solución del suelo, sin que dejen de influir el pH y la presión del CO2. De acuerdo con lo anterior, es común que se presente que bajo condiciones de lavado excesivo por el agua de lluvia, lo cual genera un nivel total bajo de electrolitos en la solución del suelo, el complejo de cambio de los suelos que contienen CaCO3 esté casi completamente saturado con iones Ca2+. Para las reacciones y equilibrios del sistema CO2-H2O en presencia de carbonatos sólidos, remítase nuevamente a la lección 3, en el aparte “reacciones ácido-base”. 2. Reacciones de oxidación-reducción Algunas de las reacciones de oxidación-reducción más frecuentes en el suelo se deben al hierro, el cual está presente en cantidades que varían ampliamente. En suelos aeróbicos el hierro puede estar presente en la forma de α-Fe2O3 (hematita), γ-Fe2O3 (maghematita), α-FeOOH (goethita), γ- FeOOH (lepidocrocita) o Fe(OH)3. nH2O (hidróxido férrico hidratado). Los cuatro primeros compuestos son formas cristalinas, mientras que el hidróxido es una forma amorfa. Ésta última, frecuentemente, regula la solubilidad del hierro en el suelo. En suelos anaeróbicos la solubilidad del hierro puede estar regulada por compuestos como el hidróxido ferroso, Fe (OH)2, la siderita, FeCO3, el sulfuro ferroso, FeS2 y la magnetita, Fe3O4, que es un compuesto férrico-ferroso. Los minerales de Fe (II) en las rocas del material parental se oxidan espontáneamente en suelos aeróbicos, aunque lo hacen muy lentamente. La disponibilidad de electrones para las reacciones de oxidación-reducción en los suelos está determinada por la oxidación de compuestos de carbono (materia orgánica) realizada por microorganismos. La reducción del Fe (III) en soluciones ácidas es: 216

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Fe3+ + e-

Fe2+

(4.1)

LaContenido concentración (III) a los Ambiental valores más usuales de pH en los suelos (4,0 a didácticode delFe curso Química 6,5) es muy baja debido a que los hidroxi-óxidos de Fe (III) son muy insolubles. La reacción en la cual el Fe (III) acepta electrones en los suelos es en la reducción del hidroxi-óxido de Fe (III) sólido: FeOOH + e- + 3H+

Fe2+ + 2H2O

(4.2)

Si se sustituye (4.1) en la ecuación de Nernst se obtiene: Eh = Eho – 0,0059 (log [Fe2+] + 3pH)

(4.3)

El diagrama Eh-pH para el Fe (ver Figura 32) muestra que el Fe3+ es predominante bajo condiciones extremadamente ácidas y oxidantes. El Fe2+ y el FeOOH son las formas predominantes en suelos típicos bien aireados. La región de estabilidad del FeCO3 aumenta cuando aumenta PCO2.

Figura 32. Diagrama Eh – pH para diferentes especies químicas del Fe45

45

Tomada y adaptada de: BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons, 2001. p. 124.

217

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ejercicios: 1)Contenido Para losdidáctico mismosdel suelos del ejercicio de la lección 17, esto es: curso Química Ambiental Sitio 1: Suelo con 30% de arcilla, 20% de limo y 50% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 25 cmol (+) /kg suelo. Sitio 2. Suelo con 29% de arcilla, 20% de limo y 51% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 39 cmol (+) /kg suelo. Sitio 3. Suelo con 10% de arcilla, 15% de limo y 75% de arena y una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 12 cmol (+) /kg suelo. a) Ordene de mayor a menor la capacidad amortiguadora de los suelos. Explique. b) Para el sitio con menor sensibilidad al cambio de pH, explique a que se debe esta característica. Solución: a) De mayor a menor capacidad amortiguadora: sitio 2 > sitio 1> sitio 3 porque a mayor capacidad de intercambio catiónico mayor capacidad amortiguadora. b) El sitio con menor sensibilidad al cambio de pH, esto es, con mayor capacidad amortiguadora y mayor CIC se explica porque cuando hay adición de un ácido, una gran cantidad de iones H+ se intercambian con cationes adsorbidos en el complejo de cambio y ocupan su lugar, y son pocos los que quedan en la solución del suelo. Cuando se adiciona una base una gran cantidad de los iones H + que están unidos al complejo de cambio son reemplazados por los cationes de la base y pasan a la solución y reaccionan con los iones OH- para formar agua. En ambas situaciones el pH de la solución del suelo no sufrirá cambios significativos.

2) En un suelo, donde predominan las condiciones reductoras, se encuentran en equilibrio las especies disueltas HS- y SO42- y se midió un valor de pe de -4,0. a) Establezca la reacción de reducción y la ecuación de pe b) Con base en lo anterior determine la relación de concentraciones SO 42- / HS-. El valor obtenido hacia donde indica que está desplazado el equilibrio en este suelo. 218

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

NOTA: pH del suelo = 8 y pe° = 4,25 Solución: Contenido didáctico del curso Química Ambiental a) La semi-reacción que se considera es: 1/8 SO42- + 9/8 H+ + e-

1/8 HS- + ½ H2O

La ecuación de pe se establece con base en la ecuación de Nernst: [SO42-]1/8 pe = pe° + log

+ log [H+]9/8

[HS-]1/8 b) Relación de las concentraciones SO42- / HS-: [SO42-]1/8 -4,0 = 4,25 + log

9 -

[HS-]1/8 [SO42-]1/8 -4,0 = 4,25 + log

pH 8

9 -

- 1/8

[HS ]

(8) 8

De donde: [SO42-] / [HS-] = 1 x 10-3 El equilibrio está desplazado hacia la especie química reducida: HS -

219

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 19: Calidad del suelo y compuestos que la alteran Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: indicadores de calidad, degradación química, salinización, sodificación, nitrificación, acidificación, acumulación, movilidad, metales pesados, agroquímicos.

1. Calidad del suelo El concepto de calidad del suelo ha tenido varias acepciones desde que a finales de la década de los ochentas empezó a cobrar importancia. Puede decirse que las diferentes definiciones surgen de las diversas funciones que tiene el suelo, las cuales se pueden englobar en dos aspectos principales: 1. Fertilidad y productividad 2. Sostenibilidad y calidad ambiental Alrededor de estas funciones se espera que el suelo mantenga sus propiedades, físicas, químicas y biológicas para mantener la productividad sostenible y que, a la vez, actúe como filtro para atenuar contaminantes ambientales. Aunque hoy en día se reconoce la importancia del suelo y su impacto en el bienestar de la humanidad y el ambiente no se ha establecido una directriz única y universal que establezca los criterios de selección de parámetros que sirvan de indicadores de la calidad del suelo y de interpretación de los resultados de su medición. De cualquier forma, el establecimiento de criterios debería tener en cuenta que los suelos pertenecen a determinados ecosistemas con características y potenciales específicos y variados. Dentro de los indicadores de calidad del suelo se han considerado sus propiedades físicas, químicas y biológicas, así como los diferentes procesos que allí tienen ocurrencia. Debido a la diversidad de suelos y ecosistemas no existen valores únicos para estas propiedades sino rangos y apreciaciones promedio que permiten establecer tendencias o cambios en las condiciones de un suelo en relación con su calidad, de acuerdo con funciones específicas. 220

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En esta lección se hará énfasis en las propiedades químicas como indicadores de la calidad del suelo. Para tal fin se presenta a continuación la Tabla11. Contenido didácticogenerales del curso Química Ambiental análisis de suelos46, la cual presenta Consideraciones para interpretar las principales propiedades químicas, sus rangos de valores y apreciaciones acerca de los mismos, que sirven de base para establecer tendencias de cambio en la calidad de los suelos.

46

ORTEGA, D. F. Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos, citado por MALAGON CASTRO et al. Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación, distribución y uso. Santafé de Bogotá : Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423.

221

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

222

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

2. Compuestos que alteran la calidad química del suelo. En contraste con los otros dos compartimentos ambientales, esto es, el agua y el aire, la contaminación del suelo no se puede medir fácilmente en términos de la composición química porque, como se ha podido observar en las lecciones precedentes, el suelo presenta una gran dinámica, en cuanto a componentes y reacciones químicas, directamente relacionada con el ecosistema al que pertenece y, por tanto, un suelo “puro” es indefinible. Aunque, en muchos casos, se puede determinar que una cierta sustancia proviene de la actividad humana, haciendo una comparación con muestras no expuestas, esto no es suficiente para establecer si un suelo está deteriorado o no. En términos generales, se puede hablar de degradación química, como el resultado de la acumulación de sustancias que ocasionan un desequilibrio en las condiciones del suelo y pueden dar origen a procesos como los siguientes:

223

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

Figura 33. Procesos resultantes de la degradación química de suelos47 El proceso de acumulación de metales pesados y agroquímicos es, el que en la práctica se asocia, con el término contaminación química.

47

Elaborada por la autora del módulo.

224

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2.1. Metales pesados Se consideran principalmente los Ambiental siguientes: Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sn, Contenido didáctico del curso Química Ba, Hg y Pb. La acumulación de estos metales ya se ha detectado en suelos de Colombia y de acuerdo con su dinámica pueden presentarse las siguientes situaciones:  Permanecer disueltos en la solución del suelo o ser fijados por procesos de adsorción, complejación y precipitación dependiendo de características del suelo como: textura, pH, mineralogía de las arcillas, capacidad de intercambio catiónico, contenido de materia orgánica, condiciones redox, contenido de carbonatos, óxidos de Fe y Mn, entre otros.  Ser absorbidos por las plantas, según el pH, la concentración de cationes, la competencia de cationes, la presencia de ligandos orgánicos e inorgánicos, para así incorporarse a las cadenas tróficas.  Pasar a la atmósfera por volatilización.  Movilizarse a las aguas superficiales o subterráneas; este fenómeno puede describirse en términos de la conductividad hidráulica, de acuerdo con la cantidad y distribución de los poros del suelo, así como del contenido de humedad. Estos metales pueden estar presentes en el suelo en forma natural, pero la contaminación, en la gran mayoría de casos, es de origen antropogénico, por acumulación progresiva resultado del uso excesivo y continuo de fertilizantes e insumos agrícolas, la utilización de lodos, residuos industriales y urbanos, la depositación atmosférica proveniente de humos industriales o la utilización de aguas de riego contaminadas por efluentes industriales y desechos urbanos. 2.2. Agroquímicos Se pueden agrupar en dos grandes categorías: fertilizantes y pesticidas. Los fertilizantes Las plantas toman del suelo los elementos químicos que requieren para su nutrición. Cuando el suelo tiene una cantidad insuficiente de alguno o varios de los elementos requeridos, esta situación puede corregirse mediante la adición de compuestos que contengan dichos elementos, es decir, por adición de fertilizantes. Los fertilizantes pueden ser inorgánicos (minerales) u orgánicos.

225

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Debido a que las plantas requieren en cantidades altas los denominados macronutrientes (N, P y K), los fertilizantes que los contienen se utilizan en Contenido didáctico delbien cursosea Química grandes cantidades, con Ambiental cada elemento por separado, caso en el cual se denominan fertilizantes simples, o en mezclas de los elementos, que se conocen como fertilizantes compuestos. Cuando se realiza una aplicación excesiva de los fertilizantes pasan a ser contaminantes del suelo. A continuación, se presentan los efectos de la fertilización inadecuada con N y P. Fertilizantes nitrogenados: el problema de contaminación tiene que ver con la acumulación de nitratos, los cuales por lixiviación pueden pasar a las aguas subterráneas o por arrastre incorporarse a los cauces y reservorios superficiales. Las concentraciones indeseables de nitrógeno en el agua tienen repercusión en aspectos ecológicos y de salud. En relación con los peligros para la salud, el nitrógeno en forma de nitratos, que por lixiviación puede ir a las aguas subterráneas y de allí al agua de consumo, puede causar metemoglobinemia o cianosis en los niños. En el ganado también se puede presentar la metemoglobinemia, deficiencia de vitamina A, dificultades en la reproducción, abortos y pérdidas en la producción de leche. Los daños se presentan porque los nitratos que se consumen en el agua se transforman en nitritos, por la acción de bacterias existentes en el estómago, y estos, a su vez, se transforman en nitrosaminas que son compuestos cancerígenos que afectan el estómago y el hígado. El tipo de suelo y el régimen de pluviosidad influyen en la cantidad de nitratos que alcanzan las aguas subterráneas. Los suelos con capacidad de intercambio catiónico alta, esto es, partículas coloidales minerales u orgánicas con cargas negativas, repelen los aniones y, por tanto, lixiviarán los nitratos. Respecto a los aspectos ecológicos, el mayor peligro es la eutrofización que significa enriquecimiento con elementos nutrientes, lo cual puede causar el crecimiento rápido de las plantas acuáticas. A este fenómeno ya se hizo referencia en la lección 4. Fertilizantes fosfatados: el peligro, como en el caso del nitrógeno, está relacionado con el fenómeno de eutrofización. Sin embargo, la amenaza es menor que en el caso del nitrógeno, si se tiene en cuenta la baja solubilidad de los fosfatos y, por tanto, su inmovilidad en el suelo. En general, los fosfatos se adsorben o precipitan,

226

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

mientras que una fracción pequeña se puede mover con el agua de lavado, en concentraciones alrededor de 1 x 10-5 M. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los pesticidas

Estas sustancias se conocen también como plaguicidas y sirven para combatir los parásitos de los cultivos, del ganado y de los animales domésticos. Desde el punto de vista de los organismos que combaten se pueden clasificar en: insecticidas, acaricidas, fungicidas, herbicidas, roedoricidas, molusquicidas y alguicidas, entre los principales. El uso de los pesticidas causa efectos adversos relacionados con los siguientes aspectos: 1. Desequilibrios ecológicos: a) multiplicación de algunas especies que compiten naturalmente con una determinada especie contra la cual actúa el pesticida. Ejemplo: incrementos notables de algunos ácaros con el uso de DDT; b) disminución continúa de la población de una especie, por la utilización masiva de los compuestos químicos. Ejemplo: mortandad de especies de aves, en las zonas de utilización de los pesticidas; c) afectación de organismos en cuerpos de agua. Ejemplo: desequilibrios en el plancton y población de peces y crustáceos, cuando la aplicación de los compuestos químicos se realiza en zonas ubicadas en las cercanías de ríos y lagos. 2. Resistencia: los parásitos desarrollan mecanismos de defensa frente a los plaguicidas dando lugar a organismos resistentes a esos compuestos químicos, lo cual, en primera instancia, conlleva a la aplicación de dosis mayores de los pesticidas para lograr un determinado índice de mortalidad. 3. Toxicidad residual: a) residuos de plaguicidas en alimentos, producto del tratamiento de cultivos y cosechas con esos compuestos químicos. Frente a esta situación se ha hecho necesario establecer las tolerancias de residuos de plaguicidas en los alimentos; b) residuos en el medio biológico, esto es, en la flora y la fauna de las zonas en que se realizan los tratamientos, y en zonas más amplias a las que llegan los residuos arrastrados por el viento, las corrientes marinas y las cadenas biológicas. Composición química de los pesticidas Los pesticidas también se pueden clasificar de acuerdo con su estructura química. Entre los grupos principales están: hidrocarburos clorados, organofosforados, carbamatos y naturales.

227

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Hidrocarburos clorados: son compuestos químicos sintéticos derivados de hidrocarburos (petróleo, gas) que contienen cloro en su molécula y poseen una Contenido didáctico del curso Química alta toxicidad especialmente paraAmbiental insectos. Dentro de este grupo existen cinco subgrupos principales: o DDT = 2,2-bis-(p-clorofenil)-1,1,1-tricloroetano y análogos

Estructura general de compuestos análogos del DDT

En la estructura general, X puede ser un halógeno o un radical, Z generalmente es un hidrógeno y R en la mayoría de los casos mantiene la estructura –C-Cl3

o HCH = 1,2,3,4,5,6-hexaclorociclohexano

La molécula de HCH tiene ocho isómeros cis y trans, según la posición axial o ecuatorial de los átomos de cloro. A continuación se presentan las estructuras correspondientes a los cuatro isómeros de mayor interés. 228

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

Los isómeros del HCH son estables a la luz, al calor, al aire y a los ácidos fuertes, mientras que en presencia de bases, aún a temperatura ambiente, los isómeros α, ɣ y δ pierden HCl y forman triclorobenceno; el isómero β se descompone lentamente en estas condiciones y con rapidez a altas temperaturas. o Ciclodienos clorados: se caracterizan por tener, al menos, un ciclo con un doble enlace y por ser moléculas policloradas. La denominación dada a estos compuestos se debe a la forma como se obtiene el doble enlace, esto es, por la síntesis de Diels-Alder o síntesis diénica; por tanto, el nombre no significa que tiene dos enlaces dobles. De estos compuestos algunos, de los más conocidos, son el aldrín, dieldrín y endrín que son derivados clorados del dimetannaftaleno.

Dimetannaftaleno

o Terpenos clorados: son compuestos resultantes de la cloración por adición y sustitución de terpenos naturales o modificados. No tienen una 229

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

composición definida, sino que corresponden a mezclas complejas de productos más o menos clorados y de diversos isómeros. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Derivados alifáticos: a este grupo pertenecen los fumigantes halogenados alifáticos que son gaseosos o volátiles y tóxicos para muchos seres vivos. Entre este tipo de compuestos los de mayor utilización en la práctica son: el bromuro de metilo, el 1,2-dibromoetileno, el 1,3-dicloropropeno y la cloropicrina (Cl3CNO2)

Organofosforados: son derivados orgánicos del ácido fosfórico que tienen una acción tóxica relativamente selectiva. Son ésteres o amidas que se subdividen en los siguientes grupos: o Ésteres fosfóricos que, a su vez, pueden ser: (a) ortofosfatos de alquilo, (b) ortofosfatos de arilo y (c) pirofosfatos de alquilo.

(a)

(b)

(c)

o Ésteres tiofosfóricos o tiofosfatos de alquilo o arilo de dos formas principales: (a) fosfotionatos y (b) fosfotiolatos.

(a)

(b)

o Ésteres ditiofosfóricos o ditiofosfatos de alquilo o arilo. 230

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

o Amidas del ácido fosfórico

o Ésteres fosfónicos o alquilfosfonatos de alquilo o arilo.

o Ésteres fosfínicos o dialquilfosfinatos de alquilo o arilo

Carbamatos: son compuestos derivados del ácido carbámico.

231

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

Tienen fórmula general:

Los compuestos con esta estructura actúan principalmente como insecticidas y cuando la estructura corresponde a N-fenilcarbamatos, su acción es fundamentalmente herbicida.

Naturales: se obtienen básicamente de plantas. Los subgrupos principales son la nicotina, la rotenona y la piretrina. o Nicotina y sus análogos: la nicotina es un alcaloide, de estructura sencilla, que se obtiene de las especies Nicotiana tabacum y Nicotiana rustica. De la primera se obtiene el tabaco y la segunda se cultiva únicamente para extraer la nicotina.

o Rotenona y sus análogos: se obtiene de las raíces de varias leguminosas de la subfamilia de las Papilionáceas, especialmente los géneros Derris,

232

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lonchocarpus, Tephrosia y Milletia. La estructura química de la rotenona es la siguiente: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Piretrina: se obtiene de las flores del pelitre o Pyrethrum que comprende varias especies del género Chrysanthemum. La estructura química corresponde a dos ésteres activos conocidos como piretrina I y piretrina II

3. Transporte y acumulación de los contaminantes en el suelo. Para el conocimiento del fenómeno de contaminación se debe necesariamente abordar el tema de los procesos de transporte y acumulación en los suelos. La movilidad y la acumulación de los contaminantes están regidas grandemente por la interacción de los compuestos con la fase sólida del suelo y en casos específicos por su degradabilidad. Los tipos principales de interacciones son: 1. Adsorción, la cual es inducida por la atracción electrostática entre los compuestos cargados y los constituyentes del suelo con carga opuesta. 2. Repulsión electrostática cuando la carga eléctrica del compuesto y la del constituyente del suelo son del mismo signo. Usualmente, este es el caso con 233

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ciertos aniones y la carga predominantemente negativa de, por ejemplo, los minerales de arcilla. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

3. Quimisorción. Este mecanismo de interacción, a menudo, es difícil de distinguir de la adsorción electrostática, excepto por el valor de la energía de adsorción, que es considerablemente mayor en el caso de la quimisorción. Esta última se caracteriza, usualmente, porque el intercambio con otros compuestos es muy limitado y, precisamente, esta situación es una de las causas de la energía de adsorción alta. Aunque los tres mecanismos constituyen las mayores interacciones entre los iones y los constituyentes del suelo, para compuestos específicos pueden prevalecer mecanismos diferentes de enlace. Así, por ejemplo, en el caso de compuestos orgánicos, fuerzas de atracción de van der Waals, como las de London, formación de puentes de hidrógeno, de puentes de sales y puentes de iones metálicos pueden contribuir a las uniones. 4. Reacciones de precipitación y disolución. Tienen que ver con los equilibrios químicos en los sistemas tratados en la lección 18. Estos equilibrios pueden jugar un papel predominante en el control de la movilidad de ciertos compuestos como los metales pesados y el fósforo. Un aspecto de importancia crucial en los problemas de contaminación del suelo es la velocidad de las reacciones, esto es, el estudio de la cinética de las reacciones. 5. Descomposición y reacciones de transformación. Muchos compuestos están sujetos a reacciones como la degradación fotoquímica, la degradación microbiana o a la combinación de estas reacciones. Un ejemplo de esto es el destino de los pesticidas o productos químicos orgánicos que incluyen, por ejemplo, ciertos acondicionadores del suelo. Entonces, la persistencia en el suelo, aire o agua, la cual está regida por la degradabilidad del compuesto, es uno de los factores principales respecto a los posibles efectos peligrosos para el ambiente. Los mecanismos de interacción mencionados anteriormente pueden ocurrir bien sea en forma separada o en combinación de unos con otros, ya sea de manera sucesiva, simultánea o alternadamente.

234

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 20: Análisis de la calidad del suelo Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: cantidad total, disponibilidad del nutriente, solución extractante, titulación potenciométrica y volumétrica, colorimetría, absorción y emisión atómica y cromatografía líquida de alta resolución.

El análisis del suelo en el laboratorio forma parte del “continuum” de observación de este cuerpo natural, que se inicia con la fotografía aérea, con el fin de separar los diferentes paisajes, continua con el estudio de campo para hallar la relación suelo-paisaje, con el estudio del pedón, la descripción morfológica de los distintos horizontes, la realización de algunas pruebas de campo, relacionadas principalmente con sus propiedades físicas y prosigue con la toma de muestras (perturbadas y no perturbadas) para análisis en el laboratorio. La información obtenida en el laboratorio contribuye a establecer el modelo de distribución de suelos en el paisaje, las relaciones entre los distintos suelos, así como a determinar los componentes y procesos de flujo en el sistema suelo-medio ambiente. Todo esto enfocado a, por una parte, establecer la génesis y evolución del suelo y, por otra, a interpretar cual es el comportamiento esperable, cual su respuesta frente a acciones externas, principalmente las de origen antrópico y a determinar con fines prácticos su calidad con miras a su uso y manejo. Las metodologías y técnicas de trabajo en el laboratorio se agrupan usualmente de acuerdo con las propiedades a estudiar, así: análisis químicos, análisis físicos, análisis mineralógicos y micromorfológicos y análisis biológicos. A continuación se presentan algunos conceptos básicos relacionados con las metodologías utilizadas en la ejecución de análisis químicos. Análisis Químicos: Los análisis químicos de laboratorio, en muestras tamizadas a 2 mm, constituyen la metodología clásica para caracterizar el suelo, esto es, para determinar los elementos constituyentes, la fertilidad química y las sustancias contaminantes, entre otros aspectos. La cantidad total de cada elemento presente puede determinarse mediante la “digestión” total de la muestra de suelo y la posterior cuantificación. Este tipo de análisis es de utilidad en estudios donde se requiere información relacionada

235

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

principalmente con el modelo de intemperismo, pero no es adecuado cuando se busca determinar la calidad del suelo, por ejemplo para uso agrícola. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Desde el punto de vista de la relación suelo-planta, esto es, de la relación entre la disponibilidad de nutrientes y la toma de nutrientes por la planta, los análisis químicos permiten cuantificar la disponibilidad del nutriente e interpretarla a la luz del conocimiento de la dinámica del elemento bajo determinadas condiciones del suelo (pH, contenido de materia orgánica, contenido de arcillas, potenciales redox, entre otros). Es así como, para la cuantificación de la disponibilidad del nutriente, en el laboratorio se siguen metodologías basadas en una “simulación” de los equilibrios e interacciones entre componentes del suelo-nutrientes y nutrientes-planta. Estas simulaciones se hacen mediante la utilización de “soluciones extractantes”, las cuales son sustancias químicas en disolución que en contacto con una muestra de suelo reproducen, con un determinado grado de precisión estadística, la “fuerza” con que una planta promedio tomaría un nutriente sometido a las condiciones de equilibrio del suelo bajo estudio. Esta etapa se denomina de extracción y va seguida por la de cuantificación propiamente dicha. Durante la etapa de cuantificación se determinan los contenidos de los nutrientes disponibles o de los contaminantes presentes en la solución extractante mediante la utilización de diversas técnicas analíticas que se pueden agrupar de la siguiente forma:  Titulación potenciométrica y volumétrica  Colorimetría  Absorción y emisión atómica  Cromatografía líquida de alta resolución En términos generales los principios que fundamentan estas técnicas son: Titulación potenciométrica y volumétrica: determinación del punto de equivalencia de una solución de concentración exacta y conocida. En este punto el número de equivalentes del analito (elemento o compuesto en estudio) es igual al número de equivalentes de la solución valorante y, por tanto, la concentración del analito puede ser calculada. El punto de equivalencia puede ser detectado por el cambio de color de una solución indicadora de pH, para el caso de la titulación volumétrica, o por un cambio brusco de potencial en el caso de la titulación potenciométrica. 236

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Colorimetría: determinación de la concentración de un analito (molécula) en solución con base en la propiedad que tienen las moléculas de absorber energía Contenido didáctico curso proveniente de un del haz de Química luz de Ambiental una longitud de onda seleccionada de acuerdo con el color de la solución. La concentración del analito es proporcional a la cantidad de luz absorbida. Absorción y emisión atómica: determinación de la concentración de un analito (elemento) en solución con base en la propiedad que tienen los átomos de absorber o emitir energía de determinada longitud de onda cuando son llevados a un estado excitado o cuando regresan a su estado fundamental. En este caso la concentración es proporcional a la absorción o a la emisión de energía. Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC): separación, identificación y cuantificación de compuestos orgánicos (pesticidas, por ejemplo). Es un método físico de separación basado en la distribución de los componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija o estacionaria y otra móvil. La fase móvil es un líquido que fluye a través de una columna que contiene a la fase estacionaria. A diferencia de la cromatografía clásica, en este tipo de cromatografía las partículas de la fase estacionaria son del tamaño de los micrones, lo cual hace más eficiente la separación, y requiere de altas presiones para lograr que fluya la fase estacionaria.

237

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PREGUNTAS Y EJERCICIOS 1)Contenido El suelodidáctico se conoce como un sistema del curso Química Ambientaltrifásico. Describa los constituyentes de cada una de las fases y su importancia. 2) Establezca el papel y la importancia de los poros del suelo. 3) Entre los componentes de la fase sólida del suelo están las arcillas. Establezca el lugar que ocupan las siguientes especies químicas, en la estructura de este componente del suelo: Si4+, Al3+, Fe3+, Mg2+, Fe2+, O2-, OH- y F-. 4) ¿Cuál es la constitución de la materia orgánica del suelo y cuáles sus funciones principales? 5) ¿Cuáles son las fuentes de agua para el suelo y en qué procesos interviene? 6) En la conformación y desarrollo del suelo intervienen factores formadores. Enumérelos e indique su incidencia. 7) Describa los eventos responsables de la formación del suelo. 8) ¿Cuál es el resultado de la acción de los procesos y factores formadores del suelo. Explique detalladamente. 9) Utilizando el triángulo textural, establezca la clase para cada uno de los siguientes casos:  Suelo A: arcilla 43%, arena 15% y limo 42%  Suelo B: arcilla 5%, arena 80% y limo 15%  Establezca un paralelo entre las clases texturales encontradas en relación con las siguientes propiedades: CIC, capacidad amortiguadora y retención de agua y nutrientes. 10) En un suelo se encuentran en equilibrio las siguientes especies disueltas: NO2 y NO3 y se mide un valor de pe de 7,15.  Establezca la semi-reacción de reducción y la ecuación de pe.  Con base en lo anterior determine la relación de concentraciones NO 3/NO2. El valor obtenido hacia dónde indica que está desplazado el equilibrio en este suelo. NOTA: pH del suelo = 6 y pe° = 14,15

238

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

11) ¿Con qué funciones del suelo se asocia el concepto de calidad del suelo? Defina calidad del suelo. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

12) ¿A qué tipo de degradación del suelo se le denomina contaminación química? Justifique su respuesta. 13) Indique los principales metales pesados encontrados en los suelos y las actividades antropogénicas que determinan su presencia. 14) Establezca la influencia de las propiedades físicas y químicas del suelo en la movilidad de los metales pesados. 15) Explique los tipos principales de interacciones entre los contaminantes del suelo y la fase sólida de éste. 16) Establezca la diferencia entre un análisis de contenido total de una especie química presente en el suelo y un análisis de contenido disponible. ¿Cuál es la utilidad de cada tipo de análisis?

239

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CAPITULO 5: TRATAMIENTO DEL SUELO Contenido didáctico del curso Química Ambiental Introducción El suelo es un elemento frágil del medio ambiente, que bien puede considerarse un recurso natural no renovable debido a que su velocidad de formación y recuperación es muy lenta comparada con la de los procesos que contribuyen a su degradación. Lo anterior hace imperativo que se eviten o detengan los procesos de degradación por contaminación o que, en última instancia, se adelanten procesos para su recuperación y posterior aprovechamiento. En la actualidad se cuenta con una amplia gama de tecnologías de recuperación de suelos contaminados. En este capítulo se presentan técnicas que incluyen tratamientos in situ, es decir, que actúan sobre los contaminantes en el lugar en el que se localizan, y tratamientos ex situ que son los que requieren la excavación previa del suelo para su posterior tratamiento ya sea en el mismo lugar (on-site) o en instalaciones externas, lo cual implica su transporte (off-site). Lección 21: Importancia y clasificación de los tratamientos PALABRAS CLAVE: clasificación de tratamientos, criterios de clasificación, naturaleza de los procesos, técnicas de descontaminación, lugar del tratamiento.

En el capítulo anterior se estableció que el suelo es un receptor de contaminantes de gran relevancia debido a que interactúa permanentemente con los otros dos compartimentos ambientales, esto es, el agua y el aire. En esta interacción, la presencia de contaminantes puede verse desde dos perspectivas: (a) considerar que el suelo en sí mismo es un remedio suficiente para inmovilizar los contaminantes, a través de su fase sólida y (b) considerar los mecanismos de movilización (lixiviado, volatilización, arrastre de las corrientes superficiales, erosión y bioacumulación en organismos vivos, entre otros) que transfieren los contaminantes a los otros compartimentos ambientales y a través de la cadena trófica. La última situación está más acorde con la realidad debido a que el suelo como filtro retenedor tiene limitaciones que están relacionadas con los tipos de suelos y

240

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

con las cantidades y clases de contaminantes adicionados. Por esto es conveniente su depuración por medio de técnicas apropiadas. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para determinar cuándo se hace necesaria la aplicación de las técnicas y cuál de ellas es la más apropiada, se debe realizar un estudio de las características de la contaminación y el entorno, y predecir la posible evolución de los contaminantes. Para esto se deberá obtener información relacionada con los siguientes aspectos:  De la zona donde se presenta la contaminación: datos geográficos, hidrológicos y climatológicos. Del área específica donde se presenta la contaminación: tipo (difusa o localizada), profundidad (superficial o profunda) y existencia o no de afectación de aguas subterráneas.  Del suelo: propiedades fisicoquímicas como textura, porosidad, grado de humedad, pH, contenido de materia orgánica, potencial redox, CIC, entre otras. Para establecer la prevalencia y evolución de los procesos de transporte y acumulación de los contaminantes.  De los contaminantes: naturaleza química y su especiación, distribución entre las diferentes fases (adsorbidos, disueltos o precipitados). Con base en la información anterior se puede pasar a la etapa de selección de la técnica apropiada de tratamiento del suelo. Tipos de tratamientos Se pueden clasificar de acuerdo de varias formas. Los dos criterios más utilizados son: el lugar donde se realiza el tratamiento y la naturaleza del proceso utilizado. Lugar donde se realiza el tratamiento: In situ: la técnica se aplica en el lugar donde se encuentra el contaminante. Este tratamiento requiere de un tiempo largo para su realización de forma completa (meses, años), pero tiene un impacto ambiental relativamente bajo. Ex situ: contrariamente al caso anterior, la técnica se aplica en un lugar externo donde se encuentra el contaminante. Se deben realizar operaciones de excavación, extracción y transporte del contaminante hasta el lugar donde se realizará el tratamiento. Después del tratamiento, en lo posible, se debe devolver la masa del suelo tratado a su lugar de origen.

241

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se utiliza cuando se requiere un tratamiento rápido e intensivo. Tiene como limitantes el alto consumo energético, la alteración del ecosistema y el impacto Contenido por didáctico del curso Química Ambiental ambiental las operaciones realizadas. On site: la técnica se aplica en la superficie de la zona donde se localiza el contaminante. Se deben realizar operaciones de excavación y adecuación de la superficie En este tipo de tratamiento el tiempo de realización es menor que el del tratamiento in situ y un consumo energético intermedio entre los dos tratamientos anteriores. En relación con el tratamiento ex situ, se suprime la operación de transporte, por lo cual el consumo energético es intermedio entre los dos tratamientos anteriores. Naturaleza del proceso utilizado (ver Figura 34. Tratamientos del suelo)

242

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

Figura 34. Tratamientos del suelo48

La selección de la técnica de tratamiento dependerá de cada situación particular, por esto, es muy útil establecer la interrelación entre los criterios utilizados para la clasificación de los tratamientos y la naturaleza de los contaminantes. Esta relación se presenta en la Tabla 10. Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos.

48

Elaborada por la autora del módulo.

243

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental Tabla 10. Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos

PROCESO

TÉCNICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CONTENCIÓN O AISLAMIENTO

49

CONTAMINANTE LUGAR TIEMPO

Sellado

Metales pesados, pesticidas

In situ o ex situ

Largo

Vitrificación

Metales pesados, pesticidas

In situ

Medio

Disminución de la volatilización

Compuestos orgánicos volátiles

In situ

Corto

Estabilización

Metales pesados

In situ o ex situ

Corto

Extracción de vapores

Compuestos orgánicos volátiles

In situ

Medio

Inyección de aire

Compuestos orgánicos volátiles

In situ

Medio

Aireación

Compuestos orgánicos volátiles

Ex situ

Largo

Enjuague

Metales pesados

In situ

Medio

Lavado

Metales pesados, pesticidas

Ex situ

Corto

Campo eléctrico

Metales pesados, compuestos orgánicos

In situ

Medio

Extracción al vacío

Hidrocarburos del petróleo

In situ

Medio

Oxidación

Compuestos orgánicos, pesticidas

In situ

Corto

Compuestos orgánicos y pesticidas halogenados

In situ

Corto

Deshalogenación

Estimulación

Compuestos orgánicos, pesticidas

In situ

Largo

Ventilación

Compuestos orgánicos, algunos pesticidas

In situ

Medio

TRANSFERENCIA

Química

TRANSFORMACIÓN

Biológica

49

Adaptada de: http://www.miliarium.com/prontuario/tratamientosuelos/TratamientoSuelos.htm

244

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PROCESO

TÉCNICA

CONTAMINANTE LUGAR TIEMPO

Uso de geomembranas

Lodos de refinería

Ex situ

Medio

Biopilas

Compuestos orgánicos volátiles, pesticidas

Ex situ

Medio

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 22: Tratamientos por contención o aislamiento PALABRAS CLAVE: barreras, macro encapsulación, vertedero, vitrificación , volatilización, estabilización.

El proceso de contención o aislamiento comprende el uso de barreras que impiden bien sea la movilidad y transferencia de los contaminantes hacia otros compartimentos ambientales o la ampliación del área contaminada. 1. Sellamiento Dentro de este tipo de proceso la técnica de sellado comprende dos procedimientos, uno in situ conocido como macro encapsulación y el otro ex situ conocido como de vertimiento controlado.  Macro encapsulación que se basa en la construcción de barreras de diferentes tipos, así: (a) verticales con relleno, se excavan alrededor del área contaminada, hasta profundidades de alrededor de 15 m y con espesor promedio de 0,9 m y se aplican capas de relleno que consta de una mezcla de arcillas del mismo suelo o arcillas especiales y, opcionalmente, cemento; el relleno cumple dos funciones, evitar el derrumbamiento y limitar las propiedades filtrantes; (b) de hormigón, que se introduce armado en la excavación; (c) con inyección de cemento, se realiza la adición a alta presión, previa instalación de una estructura de varillas huecas inyectoras, localizadas alrededor del área contaminada; cuando la adición del cemento se termina, se retiran las varillas; (d) con adición de sustancias químicas, que reducen la permeabilidad del suelo y controlan la diseminación del contaminante; se inyecta por debajo del área contaminada y no debe alcanzar el nivel freático.  Vertedero controlado, en donde, previa realización de la excavación, la masa contaminada se retira y se traslada a un vertedero controlado, el cual 245

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

tiene barreras naturales de arcillas o artificiales como polietileno; el suelo se somete a un tratamiento similar al de los residuos sólidos tóxicos (ver a Contenido didáctico del Química Ambiental con esta temática). continuación elcurso recuadro relacionado

RESIDUOS SÓLIDOS TÓXICOS Los residuos tóxicos y peligrosos, en general, son los que debido a su composición y características corrosivas, reactivas, explosivas, tóxicas, inflamables o biológicamente infecciosas representan un riesgo para la salud humana y no humana, los recursos naturales y el medio ambiente. Respecto al resto de los residuos industriales difieren en los siguientes aspectos principales:  Tienen efectos nocivos a corto, mediano o largo plazo.  Requieren tratamientos en condiciones exigentes y bajo un mayor control por el riesgo que generan. Los tratamientos a los que se pueden someter son de diferente naturaleza: físicos, químicos y biológicos, pero todos tienen como objetivo la recuperación de recursos, la descontaminación y la reducción de volumen previamente a su disposición en la tierra. Los tratamientos químicos más utilizados se realizan mediante reacciones de oxidación, reducción, precipitación y recuperación de solventes y combustibles. No son exclusivos para los residuos sólidos tóxicos y algunos de ellos se presentan en la lección 24. Para seleccionar el tratamiento se debe tener en cuenta la naturaleza del residuo, la característica deseada del efluente resultante y los aspectos ambientales. Al igual que para las aguas residuales, el tratamiento se puede realizar a tres niveles:  Primario: corresponde a una preparación del residuo para otros tratamientos.  Secundario: elimina los constituyentes peligrosos.  Terciario: comprende el tratamiento del efluente generado previamente al vertido final.

246

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

2. Vitrificación Consiste la introducción de dosAmbiental electrodos, dispuestos en un diseño rectangular Contenidoen didáctico del curso Química alrededor del área contaminada, a través de los cuales se conduce corriente eléctrica hasta lograr temperaturas promedio altas de cerca de 1800°C. De esta manera se logra la fusión del suelo presente entre los electrodos, posteriormente se permite el enfriamiento que da origen a la conformación a un bloque sólido del suelo, semejante al vidrio, que contiene los electrodos. Existen varios factores que afectan la efectividad del procedimiento:  Humedad del suelo: a mayor contenido de humedad, mayor es el gasto energético, por el consumo de energía para lograr la vaporización del agua, antes de iniciar la fusión.  Porosidad del suelo: a mayor porosidad, menor es la eficiencia en la conducción y acción de la corriente eléctrica.  Presencia de sales: a mayor cantidad de sales, aumenta la conductividad eléctrica, lo cual dificulta el aumento en la temperatura. Se utiliza para la descontaminación de metales pesados que quedan confinados dentro del suelo vitrificado o para la eliminación de compuestos orgánicos que por las altas temperaturas se transforman en compuestos volátiles, los cuales se recuperan en la superficie mediante sistemas especiales. Tiene gran utilidad en la descontaminación de compuestos muy refractarios pero tiene dos limitantes importantes: (1) es efectivo sólo en situaciones de contaminación superficial (máximo 6 metros); (2) desactiva, es decir, inutiliza el suelo tratado. 3. Disminución de la volatilización de compuestos Tiene como función evitar que los compuestos volátiles, especialmente los orgánicos se evaporen y se depositen en la atmósfera. Se pueden utilizar tres procedimientos:  Disminución de la porosidad: específicamente de los poros que contienen aire, mediante su saturación con agua, para impedir que pasen al compartimento, aire. Este procedimiento debe considerar la solubilidad y

247

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

movilidad del contaminante para controlar la lixiviación hacia aguas subterráneas. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Control de la temperatura: evitar el calentamiento debido, por ejemplo, a exposición excesiva a la radiación solar, lo cual favorece la volatilización de los compuestos.  Sellado de la capa superficial: mediante la aplicación de una capa de hormigón para impedir el paso de los compuestos volátiles hacia el aire atmosférico. Esta técnica proporciona una solución temporal que debe complementarse con alguna otra de las técnicas disponibles por transferencia o transformación. 4. Estabilización Consiste básicamente en modificar la solubilidad de los contaminantes de manera que se favorezca la formación de sales insolubles. Este proceso está relacionado directamente con el valor de pH del suelo donde se encuentra el contaminante, así:  Rango amplio de pH desde valores ácidos a básicos: precipitación de sulfuros insolubles de diferentes metales pesados; se adicionan mezclas de cal y sulfuro y cementos poliméricos de sulfuro.  Valores de pH básicos: precipitación de metales pesados, excepto As y Cr, como hidróxidos y silicatos; se adiciona cemento Portland.  Valores de pH de moderadamente ácidos a moderadamente básicos: precipitación de los metales pesados en forma de fosfatos. Otra forma de lograr la estabilización es mediante la adición de adsorbentes que pueden fijar el contaminante mediante el mecanismo de sorción. Estos adsorbentes deben tener un área superficial alta y ser químicamente estable; son de diferente naturaleza, tales como óxidos de hierro, materia orgánica humificada, silicatos laminares, carbón activado y bentonitas.

248

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 23: Tratamientos por transferencia o extracción Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: extracción, inyección, aireación, electromigración, electroforesis, electroósmosis.

enjuague,

lavado,

El proceso tiene como finalidad sacar el contaminante del suelo, mediante transferencia a un medio líquido o un medio gaseoso, para realizar su tratamiento en el exterior. Dependiendo del medio que se utilice para la transferencia y las operaciones que se lleven a cabo, usualmente se utilizan las técnicas siguientes: 1. Extracción de vapores Esta técnica se utiliza, principalmente, para la extracción de compuestos orgánicos volátiles que tengan una presión de vapor > 0,5 mm de Hg. Se aplica en la zona no saturada del suelo, es decir, donde los poros no estén llenos de agua; allí se perforan los pozos que deben estar por encima del nivel freático y se genera vacío para expulsar los contaminantes volátiles. Los pozos se trabajan en la práctica a profundidades entre 1,5 m y 90 m. El número de pozos que se deben perforar, para una situación específica, depende del tipo de suelo y de la magnitud de la contaminación y puede variar entre uno y decenas o cientos. Cuando se requiere mejorar la eficiencia se combinan con pozos de inyección de aire Los gases generados se recolectan para someterlos a un tratamiento posterior o para almacenarlos mediante confinamiento.

2. Inyección de aire Se aplica en la zona saturada del suelo, mediante canales excavados en forma vertical o en forma horizontal, por debajo del nivel freático, a los cuales se les inyecta aire. El aire inyectado hace desplazar el equilibrio líquido- vapor, en el sentido de la vaporización favoreciendo la volatilización de inclusive los compuestos orgánicos volátiles más insolubles.

249

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los caudales de aire permiten mantener en contacto el suelo y las aguas subterráneas y tratar una cantidad grande de las aguas. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La eficiencia de esta técnica depende de la permeabilidad, la cual aumenta a condiciones de humedad baja del suelo, y de los contenidos bajos de materia orgánica que disminuyen las posibilidades de adsorción del contaminante sobre el complejo coloidal orgánico.

3. Aireación Esta técnica consiste en excavar el suelo, tomar una determinada cantidad de éste, extenderla sobre una superficie impermeable, en forma de una capa fina y esperar a que los compuestos orgánicos se volatilicen. Es un proceso lento, de eliminación pasiva y que presenta como limitante el hecho de que los contaminantes pasan directamente a la atmósfera, sin tratamiento previo. Sin embargo en la práctica se ha observado que este tipo de contaminantes, una vez en la atmósfera se degradan rápidamente por reacción con radicales hidroxilo o por acción de las radiaciones ultravioleta. Algunas actividades, como las presentadas a continuación, sirven para mejorar la eficiencia de esta técnica:  Remoción periódica mediante el arado, por ejemplo.  Aplicación de riego para favorecer la desorción y disolución de los contaminantes en el agua, la cual al evaporarse los arrastra hacia la superficie.  La acción de extender el suelo favorece el aumento de su temperatura y lo expone a la acción de los vientos, todo lo cual favorece la volatilización de los contaminantes.

4. Enjuague En esta técnica se utiliza una solución de constitución específica, de acuerdo con la naturaleza de los contaminantes que se quieren movilizar a través de ella. Las soluciones más utilizadas son las siguientes:

250

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Soluciones acuosas ácidas (ácido nítrico y ácido clorhídrico, usualmente) para metales pesados y algunos contaminantes de naturaleza orgánica. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Soluciones acuosas básicas (hidróxido de sodio, principalmente) para metales pesados y compuestos fenólicos.  Soluciones que contienen sustancias tensioactivas para compuestos de naturaleza aceitosa.  Soluciones que contienen disolventes orgánicos para naturaleza orgánica.

contaminantes de

 Solamente H2O para contaminantes muy solubles en este compuesto. Cuando la contaminación es superficial se aplica la solución y se deja fluir por medio de bombeo, o por la acción de la gravedad, si el suelo está en pendiente y, posteriormente, se recolecta el fluido a través de túneles o canales exteriores construidos previamente. Cuando la contaminación se presenta a cierta profundidad, la solución se aplica mediante inyección en pozos, surcos, canales, excavaciones, o a través de sistemas de infiltración y sistemas de aspersión, se deja actuar y finalmente se bombea hacia la superficie. La solución que contiene los contaminantes se somete a tratamiento en la superficie y, posteriormente, se puede reutilizar para nuevos enjuagues. Esta técnica es eficiente para contaminantes cuya estructura química corresponde a la de hidrocarburos y en suelos con una porosidad adecuada en cuanto a tamaño y distribución a través del perfil. Las condiciones adversas para la eficiencia de esta técnica son los suelos con contenidos altos de arcillas y con varios tipos de contaminantes, porque las soluciones tienen cierta especificidad. Otra limitante de esta técnica es el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas con los componentes de las soluciones de enjuague utilizadas. ACTIVIDAD # 13: Establezca porque los suelos con contenidos altos de arcilla afectan la eficiencia de la técnica de enjuague en el tratamiento de suelos. ¡Discuta su respuesta con el tutor! 251

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

5.Contenido Lavado didáctico del curso Química Ambiental A diferencia de la técnica anterior, la de lavado se realiza ex situ: se lleva a cabo la excavación del área contaminada y se transporta la correspondiente masa de suelo a un lugar destinado para realizar el tratamiento de lavado. La técnica comprende procesos físicos y químicos. El proceso físico consiste en un fraccionamiento por tamaño de partículas del suelo, fraccionamiento granulométrico, con el fin de tratar por separado las partículas más pequeñas (arcillas y limos) que corresponden a las más contaminadas, teniendo en cuenta que poseen una mayor capacidad de adsorción comparadas con las partículas gruesas (arenas). Las fracciones, por separado, se introducen en un reactor junto con la solución de lavado seleccionada según la naturaleza de los contaminantes; en esta etapa se debe controlar el pH de la solución, para controlar la eficiencia del tratamiento. Las fracciones sólidas tratadas se someten a secado y, posteriormente, se devuelven a su lugar de origen. La fracción líquida utilizada se somete a un proceso de tratamiento, para posible reutilización. Una limitante de esta técnica es la necesidad de realizar lavados secuenciales con diferentes soluciones, cuando existen diferentes tipos de contaminantes en el suelo. 6. Aplicación de un campo eléctrico En esta técnica de aplicación in situ, se aplica una corriente eléctrica de baja intensidad entre un par de electrodos colocados en el área contaminada del suelo, para inducir la movilidad de las sustancias contaminantes. La presencia del campo eléctrico da origen a tres mecanismos principales de movilidad de los contaminantes:  Electromigración: las especies químicas con carga eléctrica se desplazan hacia el electrodo de signo opuesto al de su carga iónica. Al cátodo que es el electrodo negativo se dirigen las especies con carga positiva y al ánodo se dirigen las especies con carga negativa.

252

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Electroforesis: movimiento de partículas sólidas coloidales en suspensión que se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo) con moléculas del Contenido didáctico deladsorbidas curso Química contaminante e Ambiental su superficie.  Electroósmosis: movimiento en masa del líquido. La solución del suelo presenta un frente de cargas positivas, que se genera por el efecto electrostático de las cargas negativas predominantes en la fase sólida del suelo; el frente positivo se dirige, entonces, hacia el cátodo. En el compartimiento catódico se recolecta la solución que contendrá los contaminantes extraídos por el movimiento electroosmótico y se somete a un tratamiento para la descontaminación. La diferencia de potencial entre los electrodos favorece la electrólisis del agua. H2O 2 H2O + 2e-

2H+ + ½ O2 + 2e-

en el ánodo

2OH- + H2

(5.1)

en el cátodo

(5.2)

En consecuencia, el compartimento anódico se acidifica y el catódico se alcaliniza. Los iones H+ se desplazan rápidamente hacia el cátodo de manera que aparece un frente ácido que recorre la región bajo la influencia del campo eléctrico. El frente ácido favorece la liberación de cationes metálicos adsorbidos en la superficie del complejo de cambio del suelo (fase sólida), permitiendo su extracción. Sin embargo se debe tener en cuenta que a medida que se lleva a cabo la electrólisis del agua, la velocidad del movimiento electroosmótico disminuye y la extracción es menos eficiente. Para resolver esta dificultad, se adicionan soluciones que neutralicen la acidez. En el compartimiento catódico se puede presentar la precipitación sobre el electrodo de hidróxidos de los metales, lo cual afecta la conductividad de electrodo y exige un mayor consumo de energía para mantener el campo eléctrico. En consecuencia, en este caso también se adicionan soluciones para neutralizar la alcalinidad. Igualmente, se puede considerar la alternativa de utilizar membranas de intercambio iónico para impedir el paso de los iones OH- a la solución del suelo. Para el tratamiento de una zona contaminada, en la práctica, se requiere la instalación de varios pares de electrodos, con separación de 2 a 10 m entre 253

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ellos y a profundidades de hasta 20m. Las diferencias de potencial del campo varían entre 40 y 200 voltios y la densidad de corriente de 0,5-5 A Contenido m-2.didáctico del curso Química Ambiental 7. Extracción al vacío La técnica consiste en extraer aire y agua del suelo utilizando vacío. Se logran los siguientes efectos:  Favorecer el flujo de aire fresco en la zona contaminada para favorecer la actividad de los microorganismos.  Extraer los contaminantes (especialmente hidrocarburos) con menor densidad que el agua que se encuentren como sobrenadantes en el nivel freático y en el agua capilar. En este último caso, al agua extraída con los sobrenadantes se le aplican tratamientos de separación de las fases acuosa y orgánica.

Lección 24: Tratamientos por transformación química

PALABRAS CLAVE: oxidación, reducción, deshalogenación, complejación

Las técnicas mediante transformación química utilizan reacciones químicas que conducen a la transformación de las especies contaminantes en formas inocuas. Se pueden aplicar in situ o ex situ. Cuando el tratamiento se hace in situ se requieren ciertas condiciones específicas que garanticen la eficiencia de la reacción, así: mezcla homogénea de los reactivos, control del pH, suministro de calor para reacciones endotérmicas y enfriamiento para reacciones exotérmicas. Teniendo en cuenta lo anterior, en muchos casos se prefiere extraer la masa de suelo contaminado y transportarla a un reactor donde se adicionan los reactivos químicos adecuados y se ajustan las condiciones para la reacción correspondiente. Entre las reacciones químicas utilizadas con mayor frecuencia están la oxidación y la deshalogenación. 254

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

1. Oxidación Se aplica en presencia deQuímica contaminantes Contenido didáctico del curso Ambiental que son susceptibles de ser oxidados, como son las diferentes clases de compuestos orgánicos, cuyos productos principales de la oxidación son el H2O y el CO2, los cuales son compuestos inocuos. Los oxidantes más utilizados son los siguientes:  Ozono: las reacciones con este compuesto son muy eficientes, especialmente en medios ácidos; oxida los contaminantes por acción directa o por la formación de radicales hidroxilo, HO•. La reacción es de primer orden y, por lo tanto, es bastante rápida. Se presentan algunas dificultades en el manejo de este compuesto debido a que además de ser gaseoso, es muy reactivo e inestable. Por lo anterior, en la práctica, se produce en sitios cercanos al lugar donde se va a efectuar el tratamiento.  Peróxido de hidrógeno: se acostumbra utilizar este compuesto, en forma líquida, en presencia de Fe2+, mezcla que se conoce como “reactivo fenton”, el cual favorece la formación de radicales hidroxilo, HO•, que como ya se mencionó en el caso anterior, son especies oxidantes muy fuertes que actúan sobre una gran variedad de compuestos orgánicos. Las reacciones que conllevan a la formación de los radicales son las siguientes: Fe2+ + H2O2

Fe3+ + HO• + OH-

(5.3

Fe3+ + H2O2

Fe2+ + HOO• + H+

(5.4)

Al igual que en el caso del ozono, la oxidación es eficiente a valores de pH muy ácidos y es poco efectiva a valores de pH moderadamente ácidos.  Permanganato de potasio o de sodio: estos compuestos se utilizan en solución acuosa o en forma sólida. Tienen la ventaja de ser compuestos menos costosos que el ozono y el peróxido de hidrógeno, pero la desventaja de que la reacción de oxidación es mucho más lenta. Actúan en un rango de pH mucho más amplio que en los dos casos anteriores, esto es, con valores entre 3,5-12.

255

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los oxidantes se adicionan al suelo mediante pozos ubicados a diferentes profundidades; generalmente, se diseña un sistema cerrado, que facilita la Contenido didáctico del curso Química Ambiental reinyección del compuesto y favorece un mayor contacto entre el oxidante y los compuestos contaminantes. 2. Deshalogenación Se aplica para separar los halógenos, especialmente el cloro, de los contaminantes del suelo, disminuyendo de esta forma su peligrosidad. Esta reacción se utiliza de manera especial para bifenilos policlorados, dioxinas y una gran variedad de pesticidas. Los reactivos más utilizados son los siguientes:  Compuestos básicos, como CaO, Ca(OH)2 y NaOH. La reacción es exotérmica y produce una elevación del pH a valores entre 9 y 11 que resulta en la deshalogenación, o más usualmente, la descloración. La reacción es rápida, no es costosa energéticamente y los costos de operación y mantenimiento son relativamente bajos. La eficacia del tratamiento disminuye en suelos con altos contenidos de humedad, arcillas o materia orgánica.  APEG (glicolato polietilénico): este reactivo comprende un hidróxido de metales alcalinos y un glicol polietilénico. La base puede ser de sodio o de potasio, siendo la de potasio la de mayor utilización. Durante la reacción el hidróxido reacciona con el halógeno formando una sal que no es tóxica y el glicol polietilénico pasa a ocupar el lugar del halógeno en la molécula del contaminante, haciéndolo así menos peligroso. Estas técnicas de transformación química se pueden realizar in situ, situación en la cual los reactivos se aplican mediante inyección. También se pueden realizar ex situ y comprende las operaciones que se presentan en la Figura 35. Técnica de deshalogenación de contaminantes del suelo.

256

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

Figura 35. Técnica de deshalogenación de contaminantes del suelo50

3. Otras reacciones Además de las reacciones consideradas anteriormente, otras tienen lugar en combinación con técnicas de tratamiento de suelos contaminados, como las siguientes:  Reacciones de complejación: en la técnica de lavado para la extracción de metales pesados.

50

Elaborada por la autora del módulo.

257

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Reacciones de precipitación: en la técnica de estabilización de metales pesados. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 Reacciones de reducción: en la técnica de barreras activas utilizadas para la extracción del cloro presente en compuestos organoclorados. En estas barreras se colocan compuestos reductores, como por ejemplo virutas de hierro mezcladas con material de relleno.

ACTIVIDAD # 14: Considere un suelo contaminado con Cd2+ al cual se decide aplicarle un tratamiento de contención, mediante la técnica de estabilización. Se utiliza como reactivo una solución de Na(OH). a) Establezca la reacción respectiva. b) La Ksp del hidróxido de cadmio, 5,9 x 10-15, ¿qué información le da respecto a la efectividad del tratamiento? ¡Discuta su respuesta con el tutor!

Lección 25: Tratamientos por transformación biológica

PALABRAS anaerobias

CLAVE:

biorremediación,

condiciones

aerobias,

condiciones

Las técnicas mediante transformación biológica se conocen también como técnicas de biorremediación. Tienen como finalidad coadyuvar en los procesos de biodegradación aeróbica o anaeróbica que se presenta como un fenómeno natural en los suelos. El principio de estas técnicas se basa en la actividad de diversos microorganismos, los cuales metabolizan los compuestos orgánicos presentes en el suelo, es decir, degradan estos compuestos. 1. Estimulación

258

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Esta técnica tiene como finalidad favorecer las condiciones que facilitan la biodegradación natural, proporcionando principalmente nutrientes, nuevos Contenido didáctico odel curso Química Ambiental microorganismos, ambos, a los suelos contaminados con compuestos orgánicos. Teniendo en cuenta las condiciones naturales en que ocurre la biodegradación, la técnica responde a procesos de la siguiente naturaleza:  Aerobia: la técnica se aplica a través de pozos en los que se introduce una solución acuosa, a un valor de pH apropiado (5-9), que contiene nutrientes, particularmente fósforo y nitrógeno, microorganismos (opcionalmente) y una fuente de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno. Para que los microorganismos degraden los contaminantes orgánicos, hasta convertirlos en CO2, H2O y una nueva biomasa celular, se requiere también una temperatura mayor de 15°C; por esto en suelos contaminados, localizados en clima frío, usualmente se utilizan mecanismos para aumentar la temperatura del suelo, como la ubicación de mantas de calor que cubren la superficie del suelo.  Anaerobia: la técnica busca crear condiciones aerobias, debido a que en ausencia de oxígeno los contaminantes son degradados a compuestos intermedios o finales que, usualmente son más tóxicos que los iniciales.

ACTIVIDAD # 15: Investigue las condiciones y productos del metabolismo de microorganismos que actúan sobre contaminantes presentes en el suelo. ¡Discuta su respuesta con el tutor!

2. Ventilación Esta técnica se usa en las zonas no saturadas del suelo contaminado, mediante la aplicación de caudales bajos de aire que apoyan la actividad microbiana sobre hidrocarburos derivados del petróleo y algunos pesticidas, adsorbidos por el complejo coloidal del suelo. Esta técnica no elimina los metales pesados, pero puede favorecer las reacciones de oxidación-reducción que los pueden estabilizar por adsorción o bioacumulación. 3. Uso de geomembranas 259

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Esta técnica se realiza ex situ, por lo cual se realiza le excavación del suelo contaminado, cuya masa se transporta y se coloca sobre una geomembrana Contenido didáctico del curso Química Ambiental (material geosintético utilizado como impermeabilizante) ubicada sobre la superficie de un terreno que puede ser cercano a la zona contaminada o en una pileta perforada para tal fin. La masa de suelo a tratar se acomoda de manera que alcance alrededor de 50 cm de espesor, donde la descontaminación se lleva a cabo por la acción de los microorganismos presentes en el suelo. Esta técnica tiene la ventaja de que permite controlar las condiciones requeridas para la biodegradación de los compuestos contaminantes, como son: contenido de humedad, aireación y pH. Las operaciones para el mantenimiento de las condiciones consisten en aplicar riego, voltear periódicamente el suelo y mantener el pH en valores cercanos a la neutralidad. Opcionalmente se pueden aplicar nutrientes e inocular microorganismos. El terreno o la pileta deben contar, también, con un sistema de drenaje para recolectar los efluentes, los cuales generalmente se someten a tratamiento especial. Las masas de suelo descontaminadas se retiran y se pueden devolver a su lugar de origen. Para hacer el proceso más eficiente, no se retira toda la masa de suelo tratado, sino que se deja una capa sobre la cual se coloca una nueva cantidad de suelo contaminado; de esta manera se aprovecha la actividad de los microorganismos presentes en la capa de suelo que permanece. Esta técnica no es muy recomendada, por su baja eficiencia, cuando los contaminantes corresponden a hidrocarburos muy pesados, con anillos en la estructura o contienen cloro. 4. Biopilas Esta técnica también se realiza ex situ y las características de diseño y operación son muy similares a la técnica de utilización de geomembranas. Se utilizan cuando los contaminantes del suelo son muy volátiles o se requiere que la biodegradación tome un tiempo muy corto. Las principales diferencias con respecto a la técnica descrita anteriormente son las siguientes: además del sistema de recolección de efluentes, posee un sistema de aireación constituido por tuberías de PVC, conectadas con un generador de vacío o de presión negativa que obliga el paso del oxígeno atmosférico a través de la 260

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

pila de suelo contaminado; la masa de suelo que se va a someter a tratamiento puede alcanzar dos metros de altura hasta un máximo de tres metros; la parte Contenidode didáctico curso cubierta Química Ambiental superior la piladelestá por plásticos impermeables, para impedir la volatilización de los compuestos orgánicos. En esta técnica se debe llevar un control de las variables temperatura, humedad, pH y cantidad de nutrientes.

ACTIVIDAD # 16: Investigue sobre otras técnicas de biorremediación de suelos contaminados como son el compostaje, la incineración y la fitorremediación. Para cada una establezca el principio, las ventajas y las limitaciones. ¡Discuta su respuesta con el tutor!

261

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Y EJERCICIOS Contenido didáctico del cursoPREGUNTAS Química Ambiental 1) ¿Qué tipo de información se debe recolectar previamente a la etapa de selección de una técnica de tratamiento de un suelo contaminado? Justifique su respuesta. 2) Se determinó la presencia del siguiente tipo de contaminantes en un suelo: metales pesados, pesticidas y compuestos orgánicos volátiles. Seleccione el proceso y técnica que utilizaría para tratar cada tipo de contaminante por separado de manera que se cumplan los siguientes criterios: a. Impacto ambiental y consumo energético bajos. Justifique su respuesta. b. Tiempo corto a cualquier costo ambiental y energético. c. Para cada caso explique la naturaleza del proceso y el procedimiento general que se aplica en la técnica. 3) Respecto a la técnica de vitrificación establezca: a. Tipo de contaminantes para los que se utiliza comúnmente. b. Factores o condiciones del suelo que afectan la efectividad del tratamiento. 4) ¿Qué tipo de técnica utilizada para el tratamiento de suelos contaminados, se basa en la modificación de la solubilidad del contaminante (principalmente metales pesados)? Teniendo en cuenta la influencia del pH del suelo, determine los reactivos que se deben usar y el tipo de compuesto químico que se forma para la eliminación del contaminante, en los siguientes casos: a. A valores de pH en el rango básico b. A valores de pH en el rango de moderadamente ácido a moderadamente básico. c. Rango amplio de pH desde ácido hasta básico. 5) En la técnica de enjuague ¿cuáles son las soluciones más utilizadas? Relacione cada solución con el tipo de contaminante para el cual es más efectiva y establezca la diferencia con la técnica de lavado 7) Respecto a la técnica de electroósmosis establezca:

262

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

a. El tipo de proceso al que pertenece y la correspondiente finalidad. b. El compartimento enQuímica el que Ambiental se recolectan los contaminantes. Contenido didáctico del curso c. La forma en que se afecta la efectividad de la extracción y la solución a esta dificultad. 8) Considere un suelo contaminado con Pb2+ al cual se decide aplicarle un tratamiento de contención, mediante la técnica de estabilización. Se utiliza como reactivo una solución de NaI. a) Establezca la reacción respectiva. b) La Ksp del yoduro de plomo, 7,1 x 10-9, ¿qué información le da respecto a la efectividad del tratamiento? 10) Establezca el principio de las técnicas de biorremediación y describa las características de las técnicas de estimulación y de biopilas.

263

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CAPITULO 6: MUESTREO DE SUELOS Contenido didáctico del curso Química Ambiental Introducción El muestreo es la fuente de error más importante en el uso e interpretación de los resultados de análisis de suelos. Para minimizar al máximo esta fuente de error se deben manejar con claridad las causas de variabilidad de los suelos y la finalidad de los análisis que se realizan en el laboratorio. Lo anterior permitirá la selección apropiada de los tipos de muestreo y la aplicación de criterios técnicos de muestreo, manipulación y conservación de las muestras, requeridos para lograr el trabajo en el laboratorio sobre una muestra representativa del suelo bajo estudio

Lección 26: Variabilidad de los suelos PALABRAS CLAVE: variabilidad natural, variabilidad inducida, geostadística, mapas de suelos, redes de muestreo.

En el capítulo 4, lección 16, se estableció que el suelo es un cuerpo natural que ocupa un volumen y que es el producto de la acción de diferentes factores y procesos de formación que actúan a escala temporal y espacial. Las condiciones anteriores determinan una gran variabilidad que es de origen natural o inherente al suelo y se manifiesta directamente en la heterogeneidad de las propiedades físicas, químicas, mineralógicas y biológicas. Otra fuente de variabilidad, que se suma a la anterior, es la adquirida o inducida por el uso y el manejo a que se somete el suelo como, por ejemplo, el tipo de producción histórica de cultivos, el laboreo, la aplicación de agroquímicos o el depósito de lodos y residuos de origen doméstico o industrial, en su superficie o mediante excavaciones. La variabilidad se presenta en forma lateral, con la profundidad (horizontes) y a través del tiempo.

264

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

LoContenido anteriordidáctico indica del que lasQuímica “propiedades curso Ambiental cuantitativas del suelo no pueden ser tratadas como simples variables estocásticas, porque su variación sobre la superficie de la tierra está gobernada por la interacción de muchas escalas espaciales”51. Se han adelantado numerosos trabajos de investigación enfocados hacia la variabilidad de los suelos y, por tanto, de sus propiedades, para lo cual se han aplicado criterios estadísticos clásicos y de geostadística. Los resultados obtenidos al aplicar técnicas geostadísticas se han utilizado para elaborar mapas de suelos, los cuales representan una ayuda para diseñar redes de muestreo en estudios de contaminación. Las delineaciones o áreas individuales hechas en un mapa e identificadas con un mismo símbolo corresponden a una unidad de suelo con factores y procesos de formación similares, en donde la distribución de horizontes y las propiedades también son semejantes. La importancia de las redes de muestreo basadas en este tipo de mapas consiste, por una parte, en que el suelo dentro de un área espacial definida se puede considerar homogéneo y, por otra, en que una vez muestreados, identificados y cuantificados los contaminantes en una zona determinada, se facilita la predicción de su comportamiento y, por tanto, su peligrosidad actual y potencial, mediante el análisis de las posibles interacciones con la fase sólida, líquida y gaseosa del suelo. Por ejemplo: se tiene el siguiente segmento de un mapa de algunas propiedades químicas del suelo con tres áreas individuales, identificadas con los números 1, 2 y 3.

51

DIJKERMAN, J.C. Pedology as a science: the role of data, models and theories in the study of natural soils systems, citado por MALAGÓN, Dimas et al. Suelos de Colombia: IGAC, 1995. p. 419

265

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

1

3 2

La información que acompaña el mapa establece para cada área lo siguiente: Área 1: Suelos con presencia de carbonatos de calcio, pH = 8,5 y buena aireación del suelo. Área 2: Suelos arcillosos con presencia de óxidos de hierro e inundados y pH = 4 Área 3: Suelos con CIC alta debido a la presencia de materia orgánica, pH = 6,8 Se realizó un muestreo en las tres áreas y se encontró la presencia de Cd en cada una de ellas. Respecto al comportamiento de los metales pesados en el suelo se sabe: 1. En general los cationes de metales pesados tienen mayor movilidad bajo condiciones ácidas y el aumento del pH por encalado usualmente reduce su disponibilidad. 2. Los procesos químicos más importantes que afectan el comportamiento y la biodisponibilidad de metales son los relacionados con la adsorción de estos, presentes en la fase líquida, sobre la fase sólida del suelo. 3. Diferentes mecanismos están involucrados en la adsorción, tales como el intercambio catiónico y los fenómenos de co-precipitación. 4. Según el tipo de mineral presente en el suelo se favorece la co-precipitación de metales traza. Por ejemplo: los óxidos de hierro co-precipitan principalmente con: V, Mn, Ni, Cu, Zn, Mo; los óxidos de manganeso con: Fe, Co, Ni, Zn, Pb; los carbonatos de calcio con: V, Mn, Fe, Co y Cd.

266

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

5. Las condiciones de oxidación-reducción influyen tanto en la cantidad de óxidos hidratados presentes, como en la capacidad de adsorción del suelo. Contenido didáctico del Química Ambiental La aparición decurso condiciones reductoras causa la disolución de los óxidos. Con base en la información anterior se puede esperar el siguiente comportamiento del cadmio: En el área 1: Baja biodisponibilidad y movilidad del metal a través del perfil del suelo favorecida por el pH alto y la co-precipitación con el carbonato de calcio. En el área 2: Se favorece una mayor disponibilidad y movilidad del metal debido a una disminución de la CIC del suelo que se presenta a valores bajos de pH. Además, las condiciones reductoras presentes por la inundación del suelo, causan la disolución de los óxidos y con esto se produce la liberación de los iones del metal que pudieran estar adsorbidos sobre ellos. En el área 3: Disponibilidad y movilidad reducidas del metal por la CIC alta y pH con valor cercano a la neutralidad. Es evidente, entonces, que cualquier plan de muestreo debe establecer y delimitar la variabilidad inherente y la inducida del suelo, con el fin de obtener muestras que permitan exactitud y precisión en la determinación de los parámetros en estudio. La exactitud se refiere aquí a la cercanía del valor del parámetro analizado respecto al promedio correspondiente al área homogénea del suelo en estudio, y la precisión indica la reproducibilidad de los resultados.

Lección 27: Tipos de muestreo PALABRAS CLAVE: unidad de muestreo, muestra simple, muestra compuesta, muestreos no sistemáticos, muestreos sistemáticos.

Los criterios expuestos a continuación se basan, en gran parte, en la norma técnica colombiana NTC 365652.

52

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Gestión ambiental. Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar contaminación. Bogotá, ICONTEC, 1994. 8 p.

267

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para evaluar el grado de contaminación de un suelo existen diferentes patrones de muestreo, los cuales se aplican en las unidades de muestreo que son de dos tipos Contenido didáctico del curso Química Ambiental principales: 1. Unidad natural de muestreo: es una unidad de suelo con factores y procesos de formación similares, en donde la distribución de horizontes y las propiedades también son similares. Corresponde a las áreas delineadas en los mapas de suelos antes mencionados. Cuando no se cuenta con los mapas de suelos, las unidades se establecen en el terreno mediante observación y aplicación de criterios derivados del conocimiento del terreno, por parte de profesionales capacitados en el tema. 2. Unidad práctica de muestreo: corresponde a toda o una parte de una unidad natural. Además de las unidades de muestreo, los patrones de muestreo contemplan dos clases principales de muestras:  Muestra simple: corresponde a una muestra individual de un volumen determinado de suelo. Proporciona información puntual respecto a los parámetros que se analicen.  Muestra compuesta: corresponde a la mezcla de varias muestras simples que se toman al azar y deben cumplir con los siguientes requisitos: a) cada muestra simple debe tener el mismo volumen y representar la misma sección transversal del volumen total y b) el número de muestras simples debe ser el suficiente para que represente todo el volumen que se quiere analizar. Los tipos de muestreo son de dos clases principales: irregulares y regulares Los muestreos irregulares se conocen también como no sistemáticos y se realizan en la unidad natural o en la unidad práctica de muestreo, en donde el número de muestras compuestas que se colectan depende del tipo de contaminante. Se subdividen en muestreo de trazado y muestreo en zig-zag. Los muestreos de trazado más utilizados son en forma de N, S, W y X

268

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

La distancia entre puntos de muestreo sobre cada diagonal debe ser la misma. Los muestreos en zig-zag deben atravesar toda el área bajo estudio. Los muestreos no sistemáticos no se recomiendan cuando se busca determinar la localización de la contaminación. Los muestreos regulares se conocen también como sistemáticos o de rejillas regulares. Este patrón de muestreo es el más utilizado para determinar la contaminación del suelo. El tipo de muestra que se obtiene y analiza es simple. La dimensión de la cuadrícula puede variarse de acuerdo con el detalle requerido y los puntos de muestreo también se pueden localizar en las intersecciones de las líneas.

Este patrón de muestreo suministra observaciones igualmente separadas que son convenientes para aplicaciones estadísticas y de computación. Así mismo, con sistemas de simulación tridimensional manual o digitalizado cada sitio de muestreo puede ser georeferenciado. 269

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección Criterios técnicos para el muestreo Contenido28: didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: representatividad de la muestra, naturaleza del contaminante, muestra testigo, profundidad de muestreo, número de sitios, número y cantidad de muestra.

En el muestreo del suelo, el punto central es obtener una muestra representativa de la unidad de muestreo. El concepto de representatividad de la muestra es el mismo aplicado en el muestreo de aguas, en el sentido que debe reflejar las similitudes y diferencias encontradas en la realidad seleccionada para estudio y ejemplificar sus características. La aplicación de los criterios técnicos establecidos para el muestreo permite garantizar la representatividad e integridad de la muestra. Los diversos criterios técnicos para la realización del muestreo se encuentran incorporados en los siguientes aspectos principales: 1. Determinar y especificar el tipo de contaminante que se va a evaluar para, en primer lugar, tomar las medidas de seguridad necesarias para proteger a la persona que va a realizar el muestreo y, en segundo, para definir el tipo de análisis y los indicadores que se van a evaluar. 2. Separar y delinear las unidades de muestreo del área afectada. 3. Seleccionar y aplicar el tipo de muestreo que se ajuste al propósito del estudio. 4. Antes de iniciar la toma de las muestras, marcar la localización de los puntos de muestreo. 5. Con el objeto de establecer el grado de contaminación, es indispensable tomar muestras testigo, esto es, de sectores contiguos no afectados, de la unidad natural o unidad práctica contaminada. 6. Profundidad del muestreo: en general, de los sitios contaminados se deben tomar muestras horizonte por horizonte teniendo en cuenta los siguientes aspectos: a) Los horizontes se deben muestrear independientemente cada uno de ellos, en los diferentes sitios de muestreo, teniendo cuidado de que no se mezclen materiales de las diferentes capas. 270

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

b) Registrar la profundidad total alcanzada, el espesor de los horizontes y las profundidades a las cuales se han obtenido las muestras. Estos datos se Contenido didáctico del curso Ambiental deben registrar en Química centímetros o metros por debajo de la superficie del suelo, anotando en forma separada el espesor del horizonte de humus, si es el caso. c) Cuando no se percibe en campo la profundidad a la que ha penetrado el contaminante o cuando el suelo no presente diferenciación de horizontes, se recomienda tomar muestras a profundidades previamente establecidas. d) Para el caso específico de contaminantes solubles en agua y por tanto muy móviles dentro del suelo, debe considerarse la textura, la velocidad de infiltración, la conductividad hidráulica y la profundidad en que aparece el nivel freático, con el fin de definir las profundidades a muestrear. e) En el sistema de muestreo de los sectores testigo se deberán contemplar las profundidades que se establecieron en el área contaminada. 7. Número de sitios: debe ser suficiente para que la muestra sea representativa de las variaciones presentes en cada unidad de muestreo. La EPA propone los siguientes criterios, los cuales pueden tomarse como guía y adaptarse a cada estudio en particular:

TIPO DE UNIDAD DE MUESTREO53 Áreas agrícolas, pecuarias y/o forestales Áreas de influencia industrial (urbanas y rurales)

TAMAÑO

# DE SITIOS

4 ha

50

225 m2

16

8. Número de muestras: depende del tamaño de la unidad natural o unidad práctica de muestreo, así54:

53

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Gestión ambiental. Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar contaminación. Bogotá : ICONTEC, 1994. p. 7 54

Ibíd.

271

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ÁREA (A) (hectáreas)

NÚMERO DE MUESTRAS COMPUESTAS (n)

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

0a2

1

>2a5

2

> 5 a 10

3

> 10 a15

4

> 15 a 20

5

> 20 a 30

6

Para tamaños superiores a los indicados en la tabla, se debe emplear la siguiente ecuación: n = 1 + (A)1/2. Cada muestra compuesta debe obtenerse a partir de por lo menos 3 muestras simples o submuestras. 9. Tamaño de las muestras: el volumen de muestra depende del tipo de suelo a muestrear, y en la práctica se determina en peso de la muestra. Se recomiendan las siguientes cantidades: a) Para suelos arenosos y arcillosos: entre 500 y 1000 g. b) Para suelos con horizontes orgánicos (suelos forestales, principalmente): entre 300 y 500 g. c) Para suelos con fracciones en aumento de grava y piedra: mínimo 1000 g.

Lección 29: Equipos y materiales para el muestreo PALABRAS CLAVE: pala cavadora, barrenos, balde, bolsas plásticas, nevera tipo picnic, formatos y tarjetas de identificación.

Para el muestreo del suelo, todos los elementos utilizados deben estar limpios. 1) Pala cavadora: el uso de palas es recomendable para muestras que se tomen a una profundidad aproximada de 25 cm. Durante todo el muestreo se debe recolectar el mismo volumen de suelo. 272

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenidodese didáctico del curso Química medidos el borde hacia el Ambiental 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.

273

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

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

274

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

6) Formatos de recolección de la información de muestreo: deben incluir la siguiente información: fecha de muestreo, nombre y profesión de la persona que Contenido didáctico dellocalización curso Químicageográfica Ambiental de la zona de muestreo, descripción realiza el muestreo, 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.

275

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

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.

56

Ibíd., p. 8: il.

276

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección Parámetros de análisis Contenido30: didáctico del cursoquímicos Química Ambiental

PALABRAS CLAVE: caracterización del suelo

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 Es una de las propiedades menos constantes del suelo. Se determina a 105°C, previo secado del suelo al aire (máximo 40°C).

CONTENIDO DE HUMEDAD DEL SUELO (PW)

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.

IMPORTANCIA

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

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Se utilizan las operaciones de secado y pesada. Se expresa en porcentaje

277

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se utilizan métodos colorimétricos y electrométricos para medir el pH de los suelos.

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 método colorimétrico se utiliza únicamente en El pH es uno de campo y se basa en el los parámetros cambio de color más usados producido por la debido a que se actividad del ión relaciona e influye hidrógeno con un en el indicador del tipo ácidocomportamiento base. Este método es de variables físico aproximado ya que en químicas, muchos casos se biológicas y enmascara el color mineralógicas debido a la presencia de fundamentales materia orgánica y/o del suelo. 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 278

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 ácidobase. 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 279

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

especificar el método utilizado en términos de pH de la solución reemplazante y la clase de sal empleada. Se expresa en cmol (+) / kg suelo

Las bases intercambiables están constituidas por metales alcalinos o alcalinotérreos unidos BASES a la arcilla y a los INTERCAMBIABLES constituyentes orgánicos de los suelos. Las principales bases intercambiables son calcio, magnesio, potasio y sodio.

Los métodos utilizados en la determinación de El contenido de las bases bases intercambiables se intercambiables, fundamentan en el especialmente desplazamiento de las calcio, magnesio bases adsorbidas sobre y potasio, se el complejo de cambio utiliza como uno del suelo, mediante el de los criterios uso de soluciones para determinar la concentradas de sales, calidad del suelo como acetato o cloruro para uso agrícola. de amonio, acetato o cloruro de sodio o Los suelos fértiles cloruro de bario. presentan altos contenidos de Una vez extraídas las calcio y bases se cuantifican de magnesio. la siguiente manera: 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.

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 280

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

en cmol (+) / kg suelo

La conductividad eléctrica en medios líquidos corresponde a su capacidad para transportar corriente eléctrica. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

TEXTURA DEL SUELO

Una solución electrolítica permite el paso de la corriente por la migración de los iones bajo la influencia de un gradiente de potencial.

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.

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 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

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 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 281

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

efectividad de los agentes dispersantes Esta propiedad es depende de la adsorción también del sodio en los sitios de importante en la intercambio y de la determinación de neutralización de las la movilidad de propiedades coagulantes sustancias del calcio. Por lo anterior contaminantes, se considera un método en la taxonomía y semicuantitativo. el mapeo de los suelos, en la Después de la dispersión clasificación de se pueden diferenciar las las tierras con partículas por tamaño. fines de riego y La técnica más usada drenaje, en la para la separación de las conservación de partículas se basa en la los suelos y en el relación entre su tamaño manejo de las y la velocidad con que cuencas caen a través de una columna de líquido hidrográficas. viscoso, generalmente Se requiere agua. La distribución de conocer la las partículas por tamaño distribución por se basa en el diámetro tamaño de que presenten. partículas para determinar la El método consiste en determinar la cantidad clase textural. 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. para las plantas.

Se debe tener cuidado especial en controlar todos los parámetros que influyen en la velocidad de 282

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

sedimentación, especialmente la temperatura a la cual se realiza el proceso. La distribución de las partículas se expresa en porcentaje

La cuantificación del carbono orgánico permite obtener un estimativo de la cantidad de materia orgánica presente en un suelo.

CARBONO ORGÁNICO

Esta información es importante para calificar un El carbono es el componente principal suelo debido a de la materia orgánica que la materia orgánica tiene que puede numerosas determinarse funciones: cuantitativamente. 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 283

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

orden. También tiene funciones ambientales, como son la captura de carbono y la calidad del aire.

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.

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.

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 284

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

posible diferenciar entre aluminio e hidrógeno intercambiables.

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.

FÓSFORO DISPONIBLE

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 285

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

inorgánicas de fósforo depende del pH.

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.

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.

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 286

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

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

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 287

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PARÁMETRO

DEFINICIÓN/ORIGEN

IMPORTANCIA

DETERMINACIÓN ANALÍTICA

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

Los pesticidas son compuestos orgánicos que se subdividen en grupos según el tipo de plagas que controlan. PESTICIDAS

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.

288

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

PREGUNTAS Y EJERCICIOS 1)Contenido Describa las características principales didáctico del curso Química Ambiental 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?

289

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 2 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

290

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Fuentes Documentales de la Unidad 2 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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. Barcelona: Reverté, 1982. 649 p.

Los suelos y su fertilidad.

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. information manual. Lincoln, Nebraska: USDA, 1995.

4ed.

Soil survey laboratory

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil taxonomy: a basic system of soil classification for making and interpreting soil surveys. 2 ed. Washington: USDA, 1999.

291

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

UNIDAD 3 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 292

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

fundición, principalmente. Por lo Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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

293

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Denominación de Lección 38

Óxidos y compuestos orgánicos volátiles

Denominación de Lección Efecto invernadero y alteración de la capa de Contenido didáctico del curso 39 Química Ambiental 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

294

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

UNIDAD 3 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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

295

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Troposfera: se extiende desde el nivel del mar hasta una altura de alrededor de 12 km. Comprende el 80% de la masa de la atmósfera y el 95% del aire; los cambios didáctico del curso en Química Ambiental y Contenido reacciones que ocurren ella inciden en los procesos de formación y sustento de los seres vivos y determinan el clima. Su temperatura disminuye a medida que aumenta la altura, alcanzando un mínimo cercano a los -65°C en los 8000 m, con vientos de hasta 200 km/h. Estratosfera: comprende el espacio entre los 12 y 50 km de altura. Aloja el resto de la masa atmosférica, su temperatura es estacionaria y los vientos se mantienen en calma. El ozono hace presencia a partir de los 20 km de altura, alcanzando su mayor concentración a los 50 km, altura a partir de la cual empieza a disminuir. En esta capa, la dispersión de la luz solar origina el color azul característico del denominado cielo. Mesosfera: se extiende entre los 50 y 90 km de altura. La temperatura que se encontraba bajo cero, asciende a 0°C, pero a los 75 km vuelve a descender hasta alcanzar los -80°C. Los vientos son de carácter estacional, soplando del este hacia el oeste en verano y en sentido contrario en invierno. Alrededor de los 70 km se presenta el fenómeno de “nubes noctilucientes” (ver 1 en Figura 38) que son nubes de polvo o cristales de hielo que debido a la altitud, aún de noche, están iluminadas por el sol. A partir de los 80 km, por una parte, se reflejan las ondas de radio cortas y ultracortas que permiten la comunicación a larga distancia (ver 2 en Figura 38) y también ocurre el fenómeno denominado de “estrellas fugaces” (ver 3 en Figura 38), que se debe a la resistencia que ofrece la atmósfera al material meteórico o a la basura espacial que penetra. Termosfera: comprende el espacio entre los 90 y 600 km. También aquí se presentan “las estrellas fugaces” que se aprecian hasta alrededor de los 120 km y se reflejan las ondas de radio cortas y ultracortas, que abarcan una franja hasta los 300 km de altura. En el intervalo 90-400 km se forman “las auroras polares” (ver 4 en Figura 38). A partir de los 400 km, la temperatura aumenta, alcanzando 2000°C durante el día y 300° en la noche, debido a que la radiación no es retenida. En esta zona se ubican los transbordadores espaciales y los satélites de órbita baja (ver 5 en Figura 38). 296

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Exosfera: se extiende desde los 600 hasta los 800 km. Está compuesta principalmente de hidrógeno que tiene su origen en el vapor de agua que liberan Contenido didáctico del curso Química sufren Ambiental los océanos, cuyas moléculas fotólisis con producción de oxígeno e hidrógeno. Este último por ser menos denso permanece a grandes alturas. En esta capa se encuentra el resto de satélites artificiales y la basura espacial. Entre las zonas anteriores, 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. 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.

CAPITULO 7: PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA ATMÓSFERA Introducción La mezcla de gases denominada aire tiene, en condiciones naturales, la siguiente composición promedio: nitrógeno, 78%, oxígeno 21%, argón 0,93%, neón 0,0018%; también contiene vapor de agua, dióxido de carbono y metano, en proporciones mucho más bajas. Sin embargo, cada día se altera la proporción de estos compuestos debido a operaciones de conversión de energía, y se adicionan numerosas sustancias derivadas de procesos de síntesis química (industrias de fabricación de materiales) y procesos de fundición, principalmente. En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la composición del aire, la reactividad de las especies químicas presentes y el tipo de contaminantes que pueden afectar su calidad.

297

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 31: Principales procesos químicos atmosféricos Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: radiación electromagnética (visible y ultravioleta), estado excitado, radicales libres, tercer cuerpo, reacción fotoquímica, desactivación, fluorescencia, fosforescencia, reacciones de fase, reacciones de oxidación

La atmósfera es un sistema complejo y de alta reactividad en el cual se presenta un gran número de procesos físicos y químicos de manera simultánea. Para abordar los procesos químicos es importante manejar algunos conceptos directamente relacionados con la química de la atmósfera, caracterizada por la reacciones fotoquímicas. Estas reacciones ocurren debido a que las moléculas que conforman el aire absorben la radiación electromagnética proveniente del sol, especialmente la luz ultravioleta. Hay cinco conceptos importantes que de acuerdo con Manahan58 se deben considerar: 1) La constante de Plank, la cual se representa con la letra h. Se presenta en las reacciones fotoquímicas porque la energía que participa en estas reacciones, E = hɣ, corresponde a la de un fotón de luz visible o ultravioleta. El término ɣ es la frecuencia de la radiación electromagnética. Ejemplo: CH4 + 2O2 + hɣ

CO2 + 2H2O

2) La radiación ultravioleta participa predominantemente en las reacciones fotoquímicas porque tiene una frecuencia mayor que la de la luz visible y por lo tanto posee mayor energía para romper los enlaces químicos de las especies químicas que la absorben. 3) Estado excitado: El producto de una reacción fotoquímica puede resultar con un exceso de energía electrónica que se conoce como estado excitado, el cual hace que la correspondiente especie química sea más reactiva. Este estado se representa con un asterisco (*). Ejemplo: O3 + hɣ

O* + O 2

El O* producido se encuentra en estado excitado.

58

MANAHAN, S. E. Introducción a la química ambiental. México D. F.: Reverté Ediciones, 2007. p. 354.

298

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

4) Radicales libres: corresponden a especies químicas con un electrón no apareado. Son muy reactivos y participan en la mayoría de las reacciones Contenidoque didáctico del curso Química Ambiental Se representan con un punto (•). químicas se presentan en la atmósfera. Ejemplo: O* + H2O

HO• + HO•

Los productos son dos radicales hidroxilo libres, HO•. 5) Tercer cuerpo: corresponde a una molécula, generalmente de O 2 o N2, que participa en reacciones absorbiendo la energía liberada y evitando de esta manera que la molécula del producto de la reacción se descomponga. Se denomina con la letra M. Ejemplo: O+ O2 + M

O3 + M

La participación de la radiación electromagnética, proveniente del sol, en los procesos atmosféricos da lugar a las reacciones fotoquímicas, que no ocurrirían en ese compartimento ambiental sin la presencia de ese tipo de energía. 31.1. Reacciones fotoquímicas. Una reacción fotoquímica tiene lugar cuando una especie química en estado de baja energía (estable) absorbe un fotón de la radiación y como resultado pasa a un estado excitado. Posteriormente, tienen lugar otras reacciones determinadas por el tipo de proceso de desactivación que sufra la especie excitada. Los procesos de desactivación se pueden dividir en dos grandes grupos:  Desactivación por relajaciones sin emisión de radiación.  Desactivación con emisión de radiación electromagnética.

En la desactivación por relajaciones sin emisión de radiación se pueden presentar dos mecanismos generales:  Conversión externa: el exceso de energía que tiene la especie excitada (átomos o moléculas) se pierde por choques entre esta especie y otras a su alrededor, a las cuales transfiere energía con un incremento mínimo de la temperatura. Ejemplos: O2* + M

O2 + M

(con tercer cuerpo) 299

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

O2* + O3

2O2 + O

(directa)

* O2* + Na (directa con formación de otra especie 2 + NaAmbiental Contenido didáctico del curso O Química

excitada)

 Conversión interna: el exceso de energía que tiene la especie excitada se pierde mediante relajaciones vibracionales, de las cuales se favorecen los niveles electrónicos que son de energía similar y puede ocurrir un traslapamiento. Ejemplos: O2*

O+O

AB*

AB† (transferencia intramolecular hacia un nuevo estado energético (†) que también puede ser excitado)

(disociación)

Otra reacción sin intervención de una especie diferente a la excitada es la conocida como fotoionización, en la cual hay pérdida de un electrón. Ejemplo: N2*

N2+ + e-

En la desactivación con emisión de radiación electromagnética conocida como luminiscencia también se pueden presentar dos mecanismos generales:  Fluorescencia: la desactivación de la especie excitada se hace mediante la emisión de radiación de una longitud de onda mayor, es decir de menor energía. La diferencia entre la energía absorbida y la emitida por la especie química se libera mediante vibraciones moleculares. Este tipo de desactivación es muy rápida, toma un tiempo de millonésimas de segundo (< 10-6 segundos).  Fosforescencia: proceso similar al anterior, pero en el cual el tiempo de desactivación es mayor, puede durar varios segundos e incluso minutos. Ejemplo de luminiscencia: NO2*

NO2 + hɣ

31.2. Reacciones de fase 300

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Otro aspecto importante a considerar en la química atmosférica es la coexistencia de los tres estados de la materia: fase gaseosa, fase líquida y fase sólida, cada Contenido del curso Química una con undidáctico papel importante en losAmbiental procesos químicos. En relación con la química de la fase gaseosa en la troposfera, como lo plantea Harrison59, uno de los procesos generales más importantes es la oxidación, en la cual participa el oxígeno. Los resultados globales de la combinación del oxígeno con sustancias comúnmente existentes en la atmósfera, como son el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre, se presentan a continuación: CO

CO2

NO, NO2 SO2

HNO3 H2SO4

Para los hidrocarburos el proceso general es similar a la combustión, aunque pueden formarse diversas especies químicas intermedias. Ejemplo del proceso global: CH4

HCHO

CO

En todos los casos anteriores se dan mecanismos de reacción en los cuales la especie química clave para iniciar el proceso es el radical libre hidroxilo y posteriormente participan otros radicales libres, especies que se tratarán en mayor detalle en la lección 33. La fase sólida comprende partículas de naturaleza inorgánica y orgánica que intervienen en las reacciones de superficie. La fase líquida comprende las gotas que intervienen en las reacciones en fase acuosa. El comportamiento químico en estas dos fases comprende diversas reacciones químicas, como las que ocurren en los procesos siguientes, las cuales han sido estudiadas por Harrison60:

59

HARRISON, R. M. El medio ambiente. Introducción a la química medio ambiental y a la contaminación. Zaragoza: Editorial Acribia, S. A., 2003. p. 56. 60

Ibíd., p. 61, 63-64.

301

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los ácidos nítrico y sulfúrico que se forman mediante reacciones en fase gaseosa siguen experimentando cambios, como ser absorbidos por las gotas de agua Contenido didáctico Química Ambiental presentes, debido adelsucurso solubilidad en ella. Por otra parte estos ácidos pueden reaccionar con partículas sólidas como las de NaCl, de origen marino, para convertirse en sulfato o nitrato de sodio. HNO3 + NaCl

NaNO3 + HCl

H2SO4 + 2NaCl

Na2SO4 + 2HCl

Otras reacciones, de común ocurrencia, en las que intervienen estos ácidos son las que se llevan a cabo con el amoníaco. NH3 + HNO3

NH4NO3

NH3 + H2SO4

NH4HSO4

NH3 + NH4HSO4

(NH4)2SO4

Debido a que los nitratos y los sulfatos son compuestos solubles en agua podrán existir en la atmósfera como partículas sólidas o como gotas, dependiendo de la humedad relativa. En la fase acusa (gotas de agua líquida en forma de nubes, brumas y niebla) se pueden acumular sustancias (gaseosas o sólidas) y ocurrir reacciones químicas que transforman a las especies presentes. Ejemplo: La presencia de SO2 dentro de la gota de agua resulta en la presencia de una mezcla de las siguientes especies químicas: SO32- (ión sulfito), HSO3- (ión bisulfito) y H2SO3 (ácido sulfuroso sin disociar). El predominio de una u otra especie dependerá del valor del pH. Cuando en la gota la especie dominante es el HSO3- este puede oxidarse en la fase acuosa. En las nubes, las sustancias oxidantes más importantes son el ozono y el peróxido de hidrógeno, las cuales deben ser adsorbidos por la gota de agua, desde la fase gaseosa, para llevar a cabo la reacción de oxidación. El ozono actúa a valores de pH altos:

302

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

O3 + HSO3-

H+ + SO42- + O2

ElContenido peróxidodidáctico de hidrógeno actuar a valores de pH bajos (rango ácido) del cursopuede Química Ambiental H2O2 + HSO3-

H+ + SO42- + H2O

Las dos reacciones anteriores no muestran los mecanismos de formación del ácido sulfúrico, pero se sabe que, al igual que en la fase gaseosa, en la solución acuosa también participan radicales libres. En conclusión, para este ejemplo del ácido sulfúrico, se puede decir que su presencia en la atmósfera tiene lugar a través de dos trayectorias diferentes:  Reacción fotoquímica para la formación del ácido, con la subsiguiente absorción en las gotas de agua.  Oxidación en la fase acuosa.

ACTIVIDAD # 17: Investigue en el caso de los óxidos de nitrógeno las vías que conducen a la formación de nitrato en las nubes. ¡Discuta su respuesta con el tutor!

Lección 32: Características químicas de la estratosfera PALABRAS CLAVE: formación y destrucción del ozono, especies catalizadoras, familias y reacciones catalizadoras, ciclos acoplados, ciclos nulos, especies almacén.

En la estratosfera que se encuentra ubicada después de la tropopausa (capa terminal de la troposfera) y que se extiende desde los 12 km hasta los 50 km ocurren reacciones fotoquímicas en las que intervienen principalmente el ozono (O3) y el oxígeno diatómico (O2). El ozono absorbe radiación ultravioleta de longitudes de onda entre 200 y 290 nm, mientras que el O2 absorbe en valores menores de 200 nm, esto es, radiaciones de mayor energía. El O3 y el O2 sufren fotodisociación y mediante una secuencia de reacciones, entre ellas, de interacción entre el ozono y el oxígeno atómico: 303

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

O + O3

2O2

seContenido forman didáctico y se disocian, loQuímica cual daAmbiental como resultado una concentración estacionaria del curso de ozono, que se constituye en el filtro de las radiaciones ultravioleta necesario para mantener las condiciones de vida del planeta. La concentración de O3 en la estratosfera es de varias ppm, mucho mayor que la correspondiente a la de la troposfera donde máximo llega a algunos cientos de ppb. Se acostumbra expresar la cantidad total de ozono atmosférico sobre cualquier punto del planeta en unidades Dobson (UD). Esta unidad es igual a una capa de ozono puro con espesor de 0,001 mm a una presión de 1 atm y temperatura de 273 K. En términos generales, las cantidades totales de ozono son de hasta 450 UD en las regiones polares, 350 UD en las templadas y de 250 UD en las ecuatoriales.

32.1. Reacciones de formación y destrucción no catalítica del ozono. Este tema ha sido presentado por diferentes autores entre ellos Figueruelo y Dávila61 y Manahan62 cuyos planteamientos principales se consideran a continuación. El ozono se forma mediante una serie de reacciones, la primera de ellas fotoquímica: O2 + h ɣ

O+O

(7.1)

En seguida tiene lugar una reacción en la que participan especies de tercer cuerpo: O + O2 + M

O3 + M

(7.2)

Una vez que se forma el ozono, éste absorbe radiación ultravioleta que se transforma en calor y da lugar a la formación de O2, fenómeno que se representa con las siguientes reacciones: 61

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Química física del ambiente y de los procesos medioambientales. Barcelona: Editorial Reverté, S. A., 2004. p. 413-414. 62

MANAHAN, S. E. Óp. Cit., p. 381-382.

304

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

O3 + h ɣ

O2 + O

(7.3)

didáctico del Ambiental OContenido + O3 O2curso + OQuímica (7.4) 2

Las reacciones (7.1) a (7.4) se conocen como el ciclo de Chapman en honor al investigador que las estudió cuantitativamente, hacia la tercera década del siglo XX. Las reacciones (7.3) y (7.4) se pueden representar con una reacción global: 2O3

3O2

(7.5)

Esta reacción (7.5) tiene una energía libre de formación negativa que indica que la reacción está favorecida termodinámicamente y, por tanto, el ozono es inestable. Sin embargo la velocidad de esta reacción de descomposición del ozono es relativamente baja y no alcanza para mantener el nivel de oxígeno en la estratosfera, situación por la cual también se da la descomposición del ozono en presencia de especies químicas catalizadoras.

32.2. Reacciones catalíticas de destrucción del ozono Como en el numeral anterior se consideran algunos planteamientos de Figueruelo y Dávila63 y Manahan64. Las especies químicas (atómicas y moleculares) que actúan como catalizadores tienen origen, bien sea natural o por contaminación. De manera general estas especies se representan con la letra X y conforman familias denominadas XOx. Las tres familias principales son: HOx, NOx y ClOx. La forma general en que actúan estas especies X se presenta en las reacciones siguientes: X + O3

XO + O2

(7.6)

XO + O

X + O2

(7.7)

Las reacciones (7.6) y (7.7) se pueden representar con una reacción global:

63

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M, Op. Cit., p. 416-420.

64

MANAHAN, S. E. Óp. Cit., p. 382-383.

305

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

O3 + O

3O2

(7.8)

LaContenido especiedidáctico XO es del un curso radical (en adelante Química Ambiental sólo se representará como XO• cuando se quiera resaltar su naturaleza) y la reacción (7.7) ocurre en zonas de la estratosfera con concentraciones de O apreciables. La especie X actúa como catalizador y, además, como especie clave que favorece la realización de un ciclo de reacciones conformado por (7.6) y (7.7). 32.2.1. Origen de las familias de especies catalizadoras. 32.2.1.1. Familia HOx Su origen corresponde a la baja estratosfera. La especie determinante en la formación de los componentes de esta familia es el O * que es producto de la siguiente reacción: O3 + hɣ

O* + O2

donde: λ < 310 nm

(7.9)

Para la formación de especies HOx, el O* puede reaccionar con H2O en estado de vapor o con H2. Con el vapor de agua la reacción es la siguiente: O* + H2O (vapor)

2HO•

(7.10)

Las reacciones (7.9) y (7.10) se pueden representar con una reacción global: O3 + H2O (vapor)

2HO•

(7.11)

A pesar de que los contenidos de agua en la estratosfera son muy bajos, es la reacción principal en la formación de las especies HOx. Otra reacción a partir de la cual se pueden formar especies HOx, es la oxidación del metano que puede tener varias vías: reacción con O *, HO• o Cl•. Sin embargo, estas vías de oxidación son de rendimientos muy bajos. La velocidad de formación de especies HOx, por cualquiera de las vías mencionadas, depende de la formación de O*, la cual está sujeta a la constante de la reacción de fotólisis del ozono y a su concentración. Por otra parte, las especies HOx no permanecen constantemente en la estratosfera, sino que se presentan procesos químicos que conllevan la desaparición de estas especies. En ese evento participan el NO2 y el HNO3 de acuerdo con la siguiente secuencia de reacciones: 306

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

HO• + NO2 + M

HNO3 + M

(7.12)

HO• + HNOdidáctico 3 2O + NO 3 Contenido del curso H Química Ambiental

(7.13)

NO3 + hɣ

(7.14)

NO2 + O

La reacción global de desaparición de las especies HOx es: 2 HO•

H2O + O

Es importante tener en cuenta que la presencia de HNO 3 en estos procesos, de acuerdo con condiciones específicas, también puede dar lugar a la formación de las especies HOx. 32.2.1.2. Familia NOx Su origen corresponde a la troposfera, de forma directa o indirecta, y a la mesosfera y termosfera. La especie, de origen natural, determinante en la formación de los componentes de esta familia es el N2O. La oxidación del N2O, mediante una reacción fotolítica ocurre en aproximadamente un 94% y, aproximadamente el 6%, corresponde a una reacción del N2O con O*. Las reacciones correspondientes son: N2O + hɣ

N2 + O *

(7.15)

N2O + O*

2 NO

(7.16)

El N2O es un gas con efecto invernadero que tiene principalmente fuentes de origen natural. Estas fuentes son los océanos, los suelos tropicales (selvas húmedas y sabanas) y suelos templados (bosques y prados). Las especies NO y NO2 también llegan a la troposfera por fuentes antropogénicas. 32.2.1.3. Familia ClOx Su origen corresponde a la troposfera de forma directa o indirecta. La especie determinante en la formación de los componentes de esta familia es el Cl• que es producto de la descomposición en la estratosfera de gases que contienen cloro. Uno de estos gases es el cloruro de metilo que se forma naturalmente cuando, en la superficie de los océanos, el ión Cl- interactúa con la vegetación en descomposición. Al llegar a la troposfera sólo se destruye una parte del CH 3Cl y el resto asciende a la estratosfera, donde se presentan las siguientes reacciones, de las cuales la primera es de fotólisis: 307

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cl• + CH3•

CH3Cl + hɣ

(7.17)

Cl• + O3 didáctico del ClO• + Química O2 Contenido curso Ambiental

(7.18)

32.2.2. Reacciones de las familias de especies catalizadoras. 32.2.2.1 Familia HOx HO• + O3

HO2 + O2

(7.19)

HO2 + O

HO• + O2

(7.20)

La reacción neta es: O3 + O

2 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas > 40 km También se presenta otra secuencia de reacciones: HO• + O3

HO2 + O2

(7.19)

HO2 + O3

HO• + 2O2

(7.21)

La reacción neta es: 2O3

3 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas < 30 km La diferencia en los dos ciclos la marcan las segundas reacciones de cada ciclo: en el primero participa el O y en el segundo el O3. A mayor altura aumentan las concentraciones de HO•, O y O 2 y disminuye la de O3, lo cual explica la altura a la que predomina cada ciclo. 32.2.2.2 Familia NOx NO + O3

NO2 + O2

(7.22)

NO2 + O

NO + O2

(7.23)

La reacción neta es: O3 + O

2 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas elevadas. 308

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

También se presenta otra secuencia de reacciones: NO + O3 didáctico del NO (7.22) 2 + O 2 Contenido curso Química Ambiental NO2 + O3

NO3 + O2

(7.24)

NO3 + hɣ

NO + O2

(7.25)

La reacción neta es: 2O3

3 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas bajas. Las diferencias entre ciclos y la altura a la cual ocurren son similares a las planteadas para las reacciones de la familia HOx. 32.2.2.3 Familia ClOx Cl• + O3

ClO• + O2

(7.26)

ClO• + O

Cl• + O2

(7.27)

La reacción neta es: O3 + O

2 O2

También se presenta otra secuencia de reacciones: Cl• + O3

ClO• + O2

(7.26)

Cl• + O3

ClO• + O2

(7.26)

ClO• + ClO• + M

Cl2O2 + M

(7.28)

Cl2O2 + hɣ

Cl• + ClO2

(7.29)

ClO2 + M

Cl• + O2 + M

(7.30)

La reacción neta es: 2 O3

3 O2

32.2.3. Interacciones entre reacciones de las familias Este tipo de interacciones también puede ocasionar la destrucción del ozono. 309

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El hecho de que tengan lugar unos u otros ciclos depende de las constantes de velocidad de las reacciones involucradas y de las concentraciones de las especies Contenido didáctico Química Ambiental que dan origen a del loscurso componentes de las familias; este último parámetro tiene relación directa con la altura de la estratosfera. 32.2.3.1 HOx y ClOx Cl• + O3

ClO• + O2

(7.26)

HO• + O3

HO2 + O2

(7.19)

ClO• + HO2

HOCl + O2

(7.31)

HOCl + hɣ

HO• + Cl•

La reacción neta es: 2 O3

3 O2

32.2.3.2. NOx y ClOx Cl• + O3

ClO• + O2

(7.26)

NO + O3

NO2 + O2

(7.22)

ClO + NO2 + M

ClONO2 + M

(7.32)

ClONO2 + hɣ

Cl• + NO3

(7.33)

NO3 + hɣ

NO + O2

(7.25)

La reacción neta es: 2 O3

3 O2

Las secuencias anteriores de reacciones se conocen como ciclos acoplados. Otras interacciones no conducen a la destrucción directa del ozono sino que dan origen a reacciones donde se producen los promotores de las familias, como O *, el cual finalmente desencadenará la secuencia de reacciones para la destrucción del ozono. Este tipo de secuencia de reacciones se conoce como ciclo nulo. Ejemplo: Cl• + O3

ClO• + O2 310

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ClO• + NO

Cl• + NO2

* NO NO + OQuímica 2 + hɣ didáctico del Contenido curso Ambiental

La reacción neta es: O3 + hɣ

O* + O2

32.4. Formación de especies almacén Cuando a través de diversas reacciones ocurre la transformación de las especies activas en la destrucción del ozono hacia especies relativamente inactivas, se dice que se ha dado lugar a la formación de especies almacén. Estas especies pueden ser permanentes o transitorias. El hecho anterior ocurre porque en la estratosfera se producen reacciones competitivas (reacciones de terminación) frente a aquellas en que están involucradas las especies X y OX. Ejemplos: Formación de almacenes permanentes: HO• + NO2 + M

HNO3 + M

(7.33)

Esta reacción de terminación tiene como producto HNO3. Una parte importante de este compuesto emigra a la troposfera donde se elimina; la parte restante se mantiene relativamente estable en la estratosfera. Formación de almacenes transitorios: Cl• + NO2 + M

ClONO2

(7.34)

El ClONO2 actúa como almacén transitorio de las especies activas Cl• y ClO• debido a que estas pueden regenerarse mediante las siguientes reacciones: ClONO2 + hɣ

Cl• + NO3

(7.35)

ClONO2 + hɣ

ClO• + NO2

(7.36)

La formación de cualquiera de los dos tipos de especies almacén es importante porque interrumpen la cinética de destrucción del ozono.

311

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ACTIVIDAD # 18: Investigue otros casos de reacciones de terminación, Contenido didáctico del curso Química Ambiental identifique los productos y establezca si son especies almacén, permanentes o transitorias. ¡Discuta su respuesta con el tutor!

Lección 33: Características químicas de la troposfera PALABRAS CLAVE: radicales libres: alquilo, alquilperoxilo, alcoxilo, hidroxilo, hidroperoxilo, nitrato, ozono, óxidos de nitrógeno, alcanos, alquenos, alquinos, compuestos orgánicos oxigenados.

La troposfera con su espesor de 8-12 km (los valores más bajos en los polos y los más altos en el ecuador) contiene una gran cantidad de especies químicas, además del ozono, que son muy reactivas. En esta lección se hará énfasis en la participación de las especies denominadas radicales libres en reacciones con compuestos orgánicos e inorgánicos presentes en la troposfera. Entre los radicales libres se encuentran los siguientes:  Alquilo: representados en forma general como R•  Alquilperoxilo: RO2•  Alcoxilo: RO•  Hidroxilo: HO•  Hidroperoxilo: HO2•  Nitrato: NO3•

NOTA: como se indicó en la lección anterior, los radicales libres no se representarán permanentemente con el signo “•”, sólo ocasionalmente cuando se quiere resaltar su naturaleza.

312

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenido didáctico del curso Ambiental algunos planteamientos deQuímica 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

313

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 Contenido didáctico Química Ambiental radicales son losdel curso 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 314

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se originan por transformación de los radicales alquilperoxilo. Presentan una gran dinámica química en la que tienen lugar reacciones con el oxígeno atmosférico, en didáctico del Química Ambiental unContenido alto porcentaje, decurso 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• Aldehído

(7.48)

Donde: RO• es el radical primario de estructura general RCH2-O• b) Para un alcoxilo secundario, la reacción general es: RO• + O2

R1R2CO + HO2• cetona

(7.49)

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: 315

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

R1R2R3CO•

R1CO R2 + R3• Cetona

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

316

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ejemplo: R1CH=CHR HO• R1CH- CHR2OH 2 + del Contenido didáctico curso Química Ambiental •

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 317

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

noche, se constituye en una alternativa frente a la de adición de los HO•, en las reacciones de oxidación atmosférica. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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 318

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Descomposición-isomerización: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

 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:

319

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

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

320

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

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 NO 3•, 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) 321

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

RCHO + HO•

• RCO + H2O

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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.

322

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Las reacciones generales se presentan, a continuación, tomando como ejemplo el etanol: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

• CH3CHOH + H2O

1) CH3CH2OH + HO•

Se presenta en el mayor porcentaje (alrededor del 90%) • CH3CH2O + H2O

2) CH3CH2OH + HO•

Se presenta en un porcentaje bajo (alrededor del 5%) • CH2CH2OH + H2O

3) CH3CH2OH + HO•

También se presenta en un porcentaje de alrededor del 5%.

Lección 34: Reacciones del oxígeno atmosférico PALABRAS CLAVE: ciclo del oxígeno, fotosíntesis, descomposición oxidativa, oxidación de materia orgánica, oxidación de sustancias inorgánicas.

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 sedimentarias antiguas.

orgánica

(Ej.

carbón)

contenida

en

rocas

323

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

4. Oxidación de sustancias inorgánicas reducidas expuestas por la erosión (Ej. minerales portadores de Fe2+) y gases reducidos debido a la actividad Contenido didáctico del curso Química Ambiental 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

324

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CO2 + H2O + hɣ

CH2O + O2

ElContenido ciclo representado de manera en la Figura 39 indica que el O2 presente didáctico del curso Químicageneral Ambiental 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.

325

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección Reacciones Contenido35: didáctico del cursoácido-base Química Ambiental PALABRAS CLAVE: formación de especies ácidas y básicas, reacciones de neutralización.

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) H+ + HCO3-

CO2 (acuoso) + H2O

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

326

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

interés, desde el punto de vista de la contaminación, porque son responsables de la ocurrencia de la lluvia ácida. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

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: NO3- (acuoso) + (2 CH2O) (biomasa) + H+

NH3 (g) + 2 CO2 + H2O

Se forma de manera natural por la descomposición de desechos de plantas y animales y en el suelo por la acción de bacterias sobre nitratos, que pueden estar presentes de forma natural o agregados en calidad de fertilizantes. El amoníaco es el único compuesto básico presente en la atmósfera en cantidades apreciables, que tiene un cierto grado de solubilidad en el agua y que, en consecuencia, se disuelve en las gotas de agua atmosféricas y puede cumplir la función de neutralizar los ácidos. 35.3. Reacciones ácido-base A continuación se presentan dos ejemplos de reacciones en las que participan las especies básicas, antes mencionadas, frente a ácidos fuertes existentes en la atmósfera. Ca (OH)2 (s) + H2SO4 (acuoso)

CaSO4 (s) + 2 H2O

(7.50)

NH3 (acuoso) + HNO3 (acuoso)

NH4NO3 (acuoso)

(7.51)

NH3 (acuoso) + H2SO4 (acuoso)

NH4HSO4 (acuoso)

(7.52)

En relación con las reacciones (7.51) y (7.52) Manahan69 establece los siguientes efectos: presencia en la atmósfera del NH4+ como sal sólida disuelta que tiene carácter corrosivo y acción neutralizante de las especies ácidas de la atmósfera.

69

MANAHAN, Óp. Cit., p. 379.

327

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Ejercicios y preguntas 1)Contenido Complete la siguiente información relacionada con las capas de la atmósfera: didáctico del curso Química Ambiental CAPA

ALTURA

TEMPERATURA

VIENTOS

FENÓMENOS RELEVANTES

Troposfera Estratosfera Mesosfera Termosfera Exosfera

2) Defina los siguientes conceptos:  Estado excitado  Radicales libres  Tercer cuerpo  Reacciones fotoquímicas 3) Indique los dos grandes tipos de desactivación de una especie química excitada y para cada uno establezca las diferencias entre los mecanismos involucrados. 4) En la troposfera uno de los procesos más importantes es la oxidación, respecto a éste indique:  La especie química clave para iniciar el proceso  Los resultados globales de la combinación del oxígeno con el CO, los óxidos de de nitrógeno, el dióxido de azufre y el metano. 5) Tomando como ejemplo la formación de los ácidos nítrico y sulfúrico, explique la participación de las fases sólida y líquida de la atmósfera en las diferentes reacciones. 6) Establezca la diferencia entre las concentraciones deseables del ozono en la estratosfera y en la troposfera. Explique. 328

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

7) Mediante el ciclo de Chapman explique las reacciones de formación y destrucción no catalítica del ozono. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

8) Con respecto a las reacciones catalíticas de destrucción del ozono indique:  Las principales especies químicas catalizadoras.  Su origen.  Su mecanismo general de reacción. 9) ¿Qué son las denominadas especies almacén, qué clase hay y qué papel desempeñan en los mecanismos de destrucción del ozono. 10) En la troposfera tiene lugar una gran cantidad de reacciones con la participación de radicales libres:  Enumere los principales radicales indicando su origen.  Para cada uno presente, por lo menos, dos ejemplos de su reactividad. 11) A partir del ciclo del oxígeno atmosférico, explique la participación de esta especie química en intercambios entre la hidrosfera, la litosfera y la atmósfera. 12) Explique el origen de las especies ácidas y básicas en la atmósfera.

329

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CAPITULO 8: CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA Introducción Contenido didáctico del curso Química Ambiental Como punto de partida del estudio de la contaminación atmosférica es importante plantear algunas definiciones existentes al respecto. Voguel y Alva 70 establecen: “la contaminación del aire es cualquier condición atmosférica en la que sustancias presentes producen un efecto adverso medible en la salud del humano, de los animales y vegetales, o bien un daño físico en los materiales (por ejemplo edificaciones y monumentos)”. Así mismo definen como contaminante atmosférico “toda aquella sustancia que cause una desviación en la composición química media de la atmósfera. Los contaminantes pueden encontrarse en estado sólido, líquido y gaseoso”.

Lección 36: Tipos y fuentes de contaminantes

PALABRAS CLAVE: contaminantes primarios, contaminantes secundarios, emisión, fuente de emisión, fuente fija, fuente fija puntual, fuente fija dispersa, fuente natural, fuente móvil.

36.1. Tipos de contaminantes Los contaminantes de la atmósfera pueden clasificarse como primarios y secundarios:

70

VOGEL MARTÍNEZ, Enrique y ALVA URDANIVIA, Ricardo. Capítulo 17. Contaminación atmosférica. En: ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. México: International Thomson Editores, 1997. p. 386-388.

330

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

Figura 40. Clases de contaminantes atmosféricos71

Entre los contaminantes primarios se tienen: SO2

CH4

CO

N2O

NOx

HFC

NH3

PFC

COVEM

SF6

Partículas < 10µm

Metales pesados

CO2

COP

Donde: COVEM = Compuestos Orgánicos Volátiles, excepto CH4

71

Elaborada por la autora del módulo

331

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

HFC = hidrofluorocarbonados PFC = perfluorocarbonados Contenido didáctico del curso Química Ambiental Metales pesados: principalmente Hg, Pb, Cd COP = Contaminantes Orgánicos Persistentes Los contaminantes primarios que aparecen en la columna de la izquierda son los responsables del 90% de la contaminación atmosférica. Los contaminantes secundarios están relacionados con la contaminación fotoquímica, la lluvia ácida y los agujeros de ozono. Entre estos compuestos están el ozono, trióxido de azufre, ácido sulfúrico, cetonas, aldehídos y dióxido de nitrógeno y materia particulada generada por reacciones químicas atmosféricas que actúan sobre los contaminantes primarios gaseosos. 36.2. Fuentes de contaminantes Se clasifican en dos grandes grupos: fijas y móviles. A este respecto, la legislación colombiana, Decreto 948 del 5 de junio de 1995, modificado por el Decreto 2107 de noviembre 30 de 1995, establece el Reglamento de Protección y Control de la Calidad del Aire, el cual presenta las siguientes definiciones: Emisión: es la descarga de una sustancia o elemento al aire, en estado sólido, líquido o gaseoso, o en alguna combinación de éstos, proveniente de una fuente fija o móvil. Fuente de emisión: es toda actividad, proceso u operación, realizados por los seres humanos, o con su intervención, susceptibles de emitir contaminantes al aire. Fuente fija: corresponde a la situada en un lugar determinado e inamovible, aún cuando la descarga de contaminantes se produzca en forma dispersa. El decreto subdivide la fuente fija en dos subcategorías: Fuente fija puntual: la que emite contaminantes al aire por ductos o chimeneas. Fuente fija dispersa o difusa: es aquella en que los focos de emisión están dispersos en un área, por razón del desplazamiento de la acción causante de la emisión, como en el caso de las quemas abiertas controladas en zonas rurales.

332

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Fuente móvil: es aquella que, por razón de su uso o propósito, es susceptible de desplazarse, como los automotores o vehículos de transporte a motor de cualquier Contenido didáctico del curso Química Ambiental naturaleza. Punto de descarga: es el ducto, chimenea, dispositivo o sitio por donde se emiten los contaminantes a la atmósfera.

36.2.1. Ejemplos de fuentes fijas: Existe una gran cantidad que incluye las plantas de energía, industrias químicas, refinerías de petróleo, fábricas, imprentas, lavanderías y chimeneas residenciales (que utilicen madera). Las actividades asociadas con estas fuentes son principalmente la combustión de carbón y petróleo en plantas de generación de energía y la emisión de contaminantes que pueden resultar como subproductos en procesos industriales. Entre los contaminantes producidos están SO2, NOx, CO2, CO e hidrocarburos. Aunque no está establecido en la legislación colombiana, también se considera el concepto de fuente natural. En este tipo de fuentes se incluyen las emisiones producidas por volcanes, océanos, suelos, vegetación y la actividad microbiana en suelos y océanos; a los productos de esta última se les denomina emisiones biogénicas que comprenden dióxido y monóxido de carbono, metano, hidrocarburos no metanogénicos y compuestos nitrogenados y azufrados, los cuales desempeñan un papel importante en las reacciones que tienen lugar en la troposfera, específicamente en la formación del ozono. Dentro de una fuente fija pueden existir varios puntos de descarga. En el caso, por ejemplo, de una industria química, los contaminantes del aire pueden emitirse desde conductos de ventilación, tanques de almacenamiento, sitios de manejo de aguas residuales y áreas de tratamiento, instalaciones de carga y descarga y fugas en equipos. 36.2. Ejemplos de fuentes móviles: El automóvil se considera la principal fuente móvil de contaminación del aire debido a que produce cantidades importantes de monóxido de carbono y en cantidades menores óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles. Adicionalmente, sus emisiones contienen plomo. 333

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los buses, camiones y locomotoras, por lo general, tienen motores diesel que producen mayor cantidad de óxidos de nitrógeno que los automóviles. Los aviones Contenidoutilizan didácticocombustible del curso Química Ambiental también diferente al de los automóviles, el cual produce principalmente óxidos de nitrógeno y, además, monóxido de carbono e hidrocarburos. Lección 37: Consumo del ozono de la estratosfera

PALABRAS CLAVE: clorofluorocarbonados, hidrofluoroclorocarbonados, hidrofluorocarbonados, halones, bromuro de metilo, tetracloruro de carbono.

En la lección 32, numeral 2, se hizo referencia a las especies químicas que actúan como catalizadores del consumo de ozono y que se representan con la letra X. Los átomos de halógenos, especialmente Cl y Br, son catalizadores X de destrucción de ozono. Entre las sustancias que contienen halógenos y contribuyen a la disminución del ozono están los CFCs, HCFCs, HFCs, halones y bromuro de metilo y tetracloruro de carbono. Las sustancias anteriores son bastante estables en la troposfera, pero se degradan en la estratosfera, mediante reacciones fotoquímicas, liberando átomos de halógenos que son los que destruyen el ozono estratosférico. Los CFCs son compuestos formados únicamente por cloro, flúor y carbono, se conocen como clorofluorocarbonados y absorben radiación UV y también infrarroja (IR) debido a las vibraciones de tensión de los enlaces C - F y C – Cl y, también, de flexión de los enlaces C – Cl. Los CFCs se han utilizado como refrigerantes, disolventes y para la fabricación de plásticos esponjosos, porque poseen volatilidad adecuada, son inertes químicamente y se han considerado inocuos. Los más comunes son el CFC-11, CFC-12, CFC-113, CFC-114 y CFC-115. Los HCFCs son compuestos formados por H, Cl, F y C, se conocen como hidrofluoroclorocarbonados. Ejemplo: CHF2Cl, denominado HCFC-22. Debido a la presencia del hidrógeno, se comportan de forma diferente a los CFCs. Se degradan en la troposfera por acción de los radicales HO• que reaccionan con el hidrógeno, lo cual determina un tiempo de vida media menor en estos compuestos. Por lo anterior, se han utilizado como sustituto de los compuestos CFCs. 334

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los HCFCs que contienen un grupo metilo, por ejemplo el CH3-CFCl2 y el CH3CF2Cl podrían ser buenos sustitutos de los compuestos CFCs, pero en la práctica didáctico del curso Química Ambiental noContenido es posible utilizarlos debido a que son altamente inflamables. Los más empleados son el HCFC-22, HCFC-141b, HCFC-141a y HCFC-123. Los HFCs son compuestos formados por H, F y C, se conocen como hidrofluorocarbonados. Ejemplo: CH2F-CF3, denominado HFC-134a, no reacciona fácilmente con el radical HO•. Los compuestos HFCs se utilizan como sustitutos de los CFCs y los HCFCs. Los hidrofluorocarbonados reaccionan para formar HF que es estable frente a los radicales hidroxilos, lo cual evita la formación de radicales de flúor que reacción con el ozono para descomponerlo. En el recuadro siguiente se presenta una explicación de la nomenclatura utilizada para los compuestos anteriores, basada en lo expuesto por Figuerelo y Dávila72.

72

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 371-372.

335

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 NOMENCLATURA DE COMPUESTOS 1. Clorofluorocarbonados (CFCs): La sigla anterior se presenta acompañada de dígitos que constituyen un código, el cual indica el número de átomos de los elementos que conforman un compuesto específico, así:   

Las unidades, el número de átomos de F. Las decenas, el de átomos de C. El número de átomos de cloro no se incluye en el código y se obtiene por diferencia entre los que podrían unirse al carbono menos los de flúor.  Las centenas aparecen cuando están presentes dos o más carbonos enlazados entre sí y el resto de sus uniones son con los halógenos. El digito corresponde al número de carbonos enlazados menos uno. En este caso, decenas y centenas coinciden. Ejemplos: CFC-11 = CFCl3; CFC-12 = CF2Cl2; CFC-113 = CF3-CCl3 2. Hidrofluorocarbonados (HFCs): Los dígitos indican:    

Las unidades, átomos de flúor. Las decenas, átomos de hidrógeno más uno. El número de átomos de cloro no se incluye en el código y se obtiene por diferencia entre los que podrían unirse al carbono menos los de flúor. Las centenas el número de carbonos menos uno; cuando la diferencia es cero se omite.

Ejemplos: HFC-32 = CH2F2; HFC-125 = CHF2-CF3; HFC-134a = CH2F-CF3 En el último ejemplo se observa una letra. Ésta identifica los isómeros, según su simetría. El isómero más simétrico no lleva letra, la a se emplea para el siguiente isómero en simetría y las letras sucesivas a medida que van siendo menos simétricos El código que acompaña a la sigla tuvo origen comercial, que posteriormente se fue generalizando.

336

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los halones son compuestos fluorados de carbono con otros halógenos, incluido el Br y no contienen hidrógeno. Ejemplos: CF3Br y CF2BrCl. Se utilizan en Contenido didáctico curso Química Ambientaldel Br en la atmósfera, el cual afecta extintores y son ladelcausa del aumento grandemente la estabilidad de la capa de ozono. El bromuro de metilo (CH3Br) es un compuesto de origen tanto natural como sintético. De forma natural se libera de los océanos y de los suelos, además, se produce y emite durante procesos de combustión de biomasa. Por otra parte, se sintetiza y se usa como fumigante. Debido a la presencia de átomos de hidrógeno, parte de este compuesto se elimina en la troposfera, pero otra alcanza la estratosfera, donde mediante reacciones fotoquímicas libera bromo atómico (Br•), que como ya se ha mencionado propicia la descomposición del ozono. El tetracloruro de carbono (CCl4) es una sustancia utilizada como disolvente y compuesto intermedio en la fabricación de los CFCs. Es estable en la troposfera y alcanza la estratosfera donde producto de reacciones fotoquímicas genera cloro atómico (Cl•). Respecto a esta temática del ozono de la estratosfera y de su consumo por la presencia de diferentes especies químicas, el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM, presenta información importante, en su página WEB, de la cual se retoman las tablas que se presentan a continuación: Tabla 12. COMPUESTOS QUE APORTAN CLORO A LA ESTRATÓSFERA73

Aporte de Sustancias cloro a la Vida media agotadoras estratósfera atmosférica(años) de Ozono (%)

Potencial de Emisiones agotamiento (miles de de ozono toneladas/año)* (ODP)

Emitidas por Actividades Humanas CFC-12

32

100

1

130-160

CFC-11

23

45

1

70-110

CFC-113 (CCl2FCClF2)

7

85

1

10-25

73

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Ozono estratosférico. http://ingles.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=publicaciones&lFuncion=loadCon tenidoPublicacion&id=34

337

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental CCl4

12

26

0,73

70-90

CH3CCl3

4

5

0,12

20

0,02 - 0,12

340-370

0,02

3.000-4.000

Contenido didáctico del curso Química Ambiental HCFC

4

1-26

Fuentes Naturales CH3Cl

16

1.3

*Emisiones globales en el año 2000

Tabla 13. COMPUESTOS QUE APORTAN BROMO A LA ESTRATÓSFERA74 Potencial de Emisiones (miles de agotamiento de ozono * toneladas/año) (ODP) Emitidas por Actividades Humanas 16 6 ~ 10 65 12 ~3 0,7 0,38 160-200

Sustancias Aporte de bromo a agotadoras de Ozono la estratósfera (%)

Halon-1211 Halon-1301 CH3Br Otros halones

20 14 5-20 4

CH3Br Gases de corta vida como el Bromoformo.

27-42 15

Vida media atmosférica(años)

Fuentes Naturales 0,7

0,38

160-200

1

* Emisiones globales en el año 2000

En esta lección se hace énfasis en las reacciones de las CFCs y los halones. 37.1. Absorción de radiación por los CFCs y reacciones subsecuentes Si se considera un rango de radiaciones solares (UV) entre 120 nm y 360 nm de longitud de onda (λ) se encuentra la siguiente secuencia de absorciones por parte de diferentes especies químicas: a. A λ < 142 nm, absorción por parte del O2, a alturas alrededor de 40 km. b. A λ entre 185-210 nm, absorción muy efectiva por parte de los CFCs. c. A λ entre 200-325 nm, absorción por parte del O3, a alturas alrededor de 20 km.

74

Ibíd.

338

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para absorber la luz UV, la mayoría de las moléculas de CFC deben alcanzar las partes medias y altas de la estratosfera donde encuentran suficiente cantidad de Contenidode didáctico del curso Ambiental a altitudes inferiores que ocasionan la radiación esa clase. El Química CFC-11absorbe destrucción del ozono, también, en la baja estratosfera. En los compuestos CFCs con sus enlaces C – F y C – Cl, la absorción de la radiación rompe el enlace más débil que corresponde al C – Cl, así: CF2Cl2 + hɣ

CF2Cl + Cl•

(8.1)

CF2Cl + hɣ

CF2 + Cl•

(8.2)

Los Cl• formados mediante las anteriores reacciones fotoquímicas generan la destrucción del ozono, a través de diferentes reacciones. La gran mayoría de estas reacciones se presentaron en la Lección 32. Características químicas de la estratosfera (remítase a los numerales 2.2.3. Familia ClOx, 2.3.1. HOx y ClOx y 2.3.2. NOx y ClOx). 37.2. Absorción de radiación por los halones y reacciones subsecuentes. Los halones, de manera similar a los CFCs, liberan Br• como resultado de reacciones fotoquímicas. Ejemplo: CF3 + Br•

CF3Br + hɣ

El Br• formado a partir de los halones genera la destrucción del ozono, a través de diferentes reacciones, denominadas de la familia BrOx:

Familia BrOx Br• + O3

BrO• + O2

(8.3)

BrO• + O

Br• + O2

(8.4)

La reacción neta es: O3 + O

2 O2

También se presentan las siguientes reacciones: Br• + O3

BrO• + O2

(8.5)

Br• + O3

BrO• + O2

(8.6) 339

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

BrO• + BrO• + M

Br2O2 + M

(8.7)

BrContenido Br• + BrO (8.8) 2O2 + hɣdidáctico del 2 curso Química Ambiental Br• + O2 + M

BrO2 + M

(8.9)

La reacción neta es: 2 O3

3 O2

ACTIVIDAD # 19: Revise los conceptos principales alrededor del tema de ozono estratosférico en el sitio WEB del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM: http://ingles.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=public aciones&lFuncion=loadContenidoPublicacion&id=34 ¡Discuta su respuesta con el tutor!

Lección 38: Óxidos y compuestos orgánicos volátiles: comportamiento y efectos ambientales PALABRAS CLAVE: características, fuentes, reacciones y efectos ambientales de: CO, CO2, NO, NO2, NO3, SO2, SO3 y COV’s.

Los contaminantes atmosféricos de mayor ocurrencia comprenden gases inorgánicos, principalmente óxidos de carbono, nitrógeno y azufre, y vapores de compuestos orgánicos que se evaporan a temperatura y presión ambientales. 38.1. Monóxido de carbono Este compuesto tiene un punto de ebullición de -192°C, temperatura por encima de la cual existe como un gas incoloro, inodoro e insípido; tiene solubilidad extremadamente baja en agua, es inflamable y arde con llama azul. Los niveles de CO, que se aloja principalmente en la cada inferior de la atmósfera, provienen tanto de fuentes naturales, como de las actividades humanas. 340

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

38.1.1. Fuentes naturales: o Descomposición de Química materiaAmbiental vegetal, incluyendo la clorofila, y organismos Contenido didáctico del curso

marinos del orden de los hidrozoos, que libera CO directamente a la atmósfera.

o Oxidación atmosférica del metano (CH4) que se origina en la descomposición de sustancias orgánicas que se encuentran en condiciones anaeróbicas (por ejemplo, pantanos y arrozales), especialmente en regiones tropicales. La formación del CO ocurre en dos etapas: a) oxidación del CH4 a formaldehido por reacción con radicales HO•, vía radicales metilo, metoperóxido y metoxilo. CH4 + HO•

CH3• + H2O

(8.10)

CH3• + O2

CH3OO•

(8.11)

CH3OO• + NO• CH3O• + O2

CH3O• + NO2• HCHO + HO2•

(8.12)

(8.13)

b) fotólisis del formaldehido. HCHO + hɣ

H• + HCO•

(8.14)

HCO• + O2

HO2• + CO

(8.15)

La oxidación del CH4 como fuente de CO es un proceso por medio del cual se genera el monóxido de carbono dentro de la atmósfera, a diferencia de la descomposición del material vegetal, a partir de la cual el monóxido se introduce directamente en la atmósfera. 38.1.2. Fuentes antropogénicas: o Medios de transporte: por carretera (con uso de motor a gasolina y diesel), aviones, buques, ferrocarriles. o Combustión de fuentes estacionarias de carburantes: carbón, petróleo, gas natural, madera. o Pérdidas en procesos industriales: elaboración de negro de humo, refinerías de petróleo, acerías, fundiciones de hierro, elaboración de pasta de papel kraft. o Eliminación de residuos sólidos: incineración al aire libre, municipal. 341

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Procesos varios: incendios forestales, quemas agrícolas, quemas de residuos de carbón. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

38.1.3. Procesos de formación del CO antropogénico: De acuerdo con Stoker y Seager75 tres grandes procesos encierran la mayor parte de la química del CO importante en los estudios de contaminación. 38.1.3.1. Combustión incompleta de compuestos que contienen carbono, debido a cantidad insuficiente de oxígeno disponible. 2C + O2

2CO

(8.16)

38.1.3.2. Reacción entre CO2 y materiales que contienen carbono, a temperaturas elevadas. CO2 + C

2CO

(8.17)

Esta reacción se presenta en procesos industriales, como los altos hornos. En estos casos es útil porque actúa como agente reductor en la producción de hierro a partir de minerales de óxido de hierro. Sin embargo, en el proceso industrial neto puede escapar hacia la atmósfera una cantidad del monóxido que puede actuar como contaminante. 38.1.3.3. Disociación del CO2 a altas temperaturas. CO2

CO + O

(8.18)

Esta reacción requiere temperaturas entre 1745°C y 1940°C. 38.1.4. Efectos ambientales La concentración de CO ambiental está directamente relacionada con las zonas de alto tráfico vehicular, donde las emisiones son altas. Su permanencia en el aire ambiental depende, además de las tasas de emisión, de las tasas de dispersión y eliminación. La tasa de dispersión depende de factores meteorológicos como velocidad y dirección del viento, turbulencia del aire y estabilidad atmosférica. En las zonas urbanas los períodos de turbulencia son muy cortos comparados con los de

75

STOKER, H. Stephen y SEAGER Spencer L. Química ambiental. Contaminación del aire y del agua. Barcelona: Blume, 1981. p. 26-28.

342

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

estancamiento, lo cual causa una dispersión baja y favorece el aumento de la concentración de este gas en el aire. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En cuanto a la eliminación, se presentan las siguientes situaciones: o El monóxido de carbono se elimina de la atmósfera por reacción con el radical HO•; este radical mediante reacciones subsiguientes se recupera. CO + HO•

CO2 + H

(8.19)

O2 + H + M

HO2• + M

(8.20)

HO2• + NO

HO• + NO2

(8.21)

HO2• + HO2•

H2O2 + O2

(8.22)

H2O2 + hɣ

2 HO•

(8.23)

o Otras reacciones atmosféricas, como la siguiente: 2CO + O2 2CO2 son demasiado lentas, por lo cual no representan un mecanismo de eliminación apreciable del gas. Por hora del día (esto es con presencia de luz solar), con esta reacción se logra la eliminación de alrededor del 0,1% del CO disponible. o Los océanos son fuentes de emisión del monóxido y no sumideros. o Las plantas superiores no han mostrado capacidad de eliminación apreciable del CO de la atmósfera que las rodea. o Los suelos si han demostrado cierta capacidad para eliminar el CO de la atmósfera, mediante procesos de naturaleza biológica, en donde participan activamente diversas especies de hongos. La tasa de eliminación depende de la temperatura y del tipo de suelo. Como resultado neto, en las áreas urbanas y sus alrededores se favorece la concentración de este gas, el cual a concentraciones > 50 ppm se torna peligroso para la salud humana y de los animales. 38.1.4.1. Efectos sobre la salud del hombre y de los animales. Reacciona con la hemoglobina (Hb) de la sangre alterando su función vital de transporte de oxígeno en el organismo. La hemoglobina lleva oxígeno en forma de oxihemoglobina (O2Hb) desde los pulmones hasta las células y CO2 (como CO2Hb) desde éstas hasta los pulmones.

343

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En presencia de CO, la hemoglobina puede formar la carboxihemoglobina (COHb), debido a que su afinidad por el CO es doscientas veces superior con Contenidoaldidáctico cursocircunstancias, Química Ambiental respecto O2. Endel estas se reduce la capacidad de transporte de oxígeno. Los efectos del CO sobre la salud se miden con base en la concentración de COHb en la sangre, la cual está en relación directa con la concentración de CO presente en el aire inhalado. Después de un determinado tiempo, contado a partir de la inhalación del aire, se establece un equilibrio entre la concentración del monóxido en el aire y la concentración de COHb en la sangre. El tiempo requerido para alcanzar el equilibrio es más corto en personas con gran actividad física que en personas en reposo. Los principales efectos observados en la salud de acuerdo con los niveles de COHb en la sangre son los siguientes: o 1-2%: algunas alteraciones del comportamiento. o >2-5%: alteraciones del sistema nervioso central, especialmente funciones psicomotrices (ej.: agudeza visual). o >5-10%: alteraciones en las funciones cardíacas y pulmonares. o >10-80%: dolor de cabeza, fatiga, fallas respiratorias, coma, muerte. 38.1.4.2. Efectos sobre las plantas y microorganismos: No se han observado efectos negativos en el crecimiento y desarrollo de las plantas superiores, cuando los niveles de CO alcanzan hasta 100 ppm, con exposición de una a tres semanas. Las mediciones de este gas en el ambiente que rodea las plantas y sus microorganismos asociados difícilmente supera el nivel mencionado. Excepcionalmente, se observó inhibición en la capacidad de fijación de nitrógeno en bacterias que viven en las raíces de leguminosas después de una exposición de un mes a una concentración de 100 ppm de CO76. 38.2. Dióxido de carbono

76

Ibíd., p. 33.

344

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Este compuesto es un gas incoloro, denso, que forma parte de la composición de la troposfera y es poco reactivo. El comportamiento del CO2 está determinado por Contenido didáctico del curso Química dos componentes principales, suAmbiental ciclo natural y los cambios inducidos por las actividades humanas.

Figura 41. Ciclo del CO277

La Figura 41 muestra los componentes que determinan el comportamiento de este gas.

77

Tomada y adaptada de: http://homepage.mac.com/uriarte/cicloCO2.html

345

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los depósitos naturales del carbono que participan en el ciclo del CO 2 son el subsuelo, las profundidades del océano, las aguas superficiales oceánicas, la Contenidoy didáctico del curso Química Ambiental biomasa la atmósfera, entre los cuales se dan intercambios y equilibrios. Las actividades humanas que participan en este ciclo son la quema de combustibles fósiles, la agricultura y la deforestación. Como resultado de la quema el CO2 se deposita directamente en la atmósfera. Como lo describen Raiswell et al78, en las zonas terrestres el dióxido de carbono es captado por la vegetación, mediante la fotosíntesis, y almacenado en las plantas y en la materia orgánica. Es devuelto a la atmósfera como resultado de la respiración de algunos organismos, y en un tiempo mucho más largo, cuando tiene lugar la descomposición microbiológica en el sistema edáfico (suelo). Entre las aguas superficiales oceánicas y la atmósfera se mantiene un equilibrio como resultado de la disolución continua y la desgasificación del CO 2. La transferencia de capas superficiales oceánicas a las más profundas es muy lenta y sólo hay mezcla efectiva en las regiones polares. Por lo anterior, las adiciones de CO2 a la atmósfera debidas a las actividades antropogénicas se mantienen en la atmósfera y en las capas superficiales de los océanos y en cantidades escasas en las capas profundas. Se han realizado análisis de la concentración atmosférica de CO2, y de otros gases del denominado efecto de invernadero, teniéndose información de los últimos 150.000 años. Los resultados indican que las concentraciones han variado en la escala temporal de las glaciaciones, de manera que son bajas en los periodos glaciales y relativamente altas en los períodos interglaciares. Se podría concluir que el aumento registrado desde el siglo pasado corresponde a las fluctuaciones naturales, si se tiene en cuenta que nos encontramos en un período postglacial; sin embargo, el aumento actual supera las predicciones basadas en los registrados del pasado y se ha acelerado durante los últimos 160 años. La situación anterior se atribuye a los efectos combinados del uso de combustibles fósiles y las quemas con fines agrícolas que han ocasionado un aumento de 80 ppm, desde mediados del siglo XIX hasta nuestros días. Este

78

RAISWELL, R. W. et al. Óp. Cit., p. 39-40.

346

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

aumento se considera un componente del cambio climático global, que se estudiará en mayor detalle en la lección 39. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

38.3. Óxidos de nitrógeno

Los óxidos de interés en la química de la troposfera son: NO, NO2, el radical NO3 y el N2O5. Generalmente se utiliza la notación NOx para representar conjuntamente al NO y NO2 involucrados en la contaminación del aire. 38.3.1. Fuentes de óxidos de nitrógeno o El NO atmosférico proviene de fuentes naturales (aproximadamente 80%) y antropogénicas (aproximadamente 20%). o Prácticamente la totalidad del NO2 es de origen antropogénico. o Las principales fuentes antropogénicas son: medios de transporte, combustión de fuentes estacionarias de carburantes (carbón, petróleo, gas natural, madera), pérdidas en procesos industriales (fabricación de ácido nítrico), eliminación de residuos sólidos, quemas agrícolas e incendios forestales. o En la combustión las cantidades producidas dependen de la temperatura de combustión y de la proporción N:O; por lo general, el porcentaje más bajo corresponde a la formación del NO2 que es 340 nm y < 400 nm. Los estados excitados del SO2 se desactivan fácilmente por colisión y transferencia de energía al O2, por lo cual este mecanismo no se considera efectivo ni de alta incidencia en su oxidación. 38.4.3.2. Oxidación en fase gaseosa Entre las principales especies potencialmente oxidantes, presentes en la troposfera están: ozono, oxígeno atómico y los radicales HO•. SO2 + O* + M SO2 + O3

SO3 + M SO3 + O2

(8.59) (8.60)

La reacción 8.59 no tiene lugar permanentemente, debido a que las concentraciones de oxígeno atómico en la troposfera son bajas. Se dará en 353

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

presencia de NO2 en cantidades suficientes, que puedan generar O, mediante reacciones de fotodisociación. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La reacción 8.60 también tiene una incidencia menor debido a que la velocidad de reacción es baja82. La reacción con el radical hidroxilo es el mecanismo más eficiente y de velocidad alta. El mecanismo de esta oxidación comprende la siguiente secuencia de reacciones: SO2 + HO• + M

HOSO2 + M

(8.61)

HOSO2 + O2

HO2• + SO3

(8.62)

HO2• + NO

HO• + NO2

(8.63)

Esta secuencia permite, además de la formación del SO 3, la regeneración de los radicales hidroxilos. 38.4.3.3. Equilibrios producto de la disolución en agua. SO2 + H2O

SO2. H2O

(8.64)

SO2. H2O

HSO3- + H*

(8.65)

HSO3-

SO32- + H+

(8.66)

Se producen los iones bisulfito y sulfito cuyas concentraciones dependen del valor del pH. 38.4.4. Reacciones del SO3 SO3 + H2O SO3. H2O + H2O

SO3. H2O H2SO4.H2O

(8.67) (8.68)

El SO3 producido por oxidación del SO2 o el emitido directamente a la atmósfera reacciona rápidamente reacciona rápidamente con el vapor de agua generando ácido sulfúrico. 38.4.5. Efectos ambientales de los SOx

82

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 306.

354

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Son las especies químicas precursoras de la formación del ácido sulfúrico, componente importante de la lluvia ácida. Esta temática se abordará en la lección Contenido didáctico del curso Química Ambiental 40. 38.4.5.1. Efectos en la salud del hombre El SO2 actúa sobre el sistema respiratorio, dependiendo de la concentración, así83: o Concentración mínima a la cual se observa respuesta en los seres humanos: 0.2 ppm o Valor de partida para el reconocimiento del olor del gas: 0,5 ppm o Valor de partida que induce constricción de los bronquios: 1,6 ppm o Causa inmediata de irritación en la garganta: 8,0 ppm o Causa irritación en los ojos: 10,0 ppm o Causa tos: 20,0 ppm 38.4.5.2. Efectos en las plantas Los SOx afectan las plantas de dos formas principales: o De forma aguda, esto es, a concentraciones altas (> 0,10 ppm) durante un tiempo corto (una hora hasta un mes), ocasionando necrosis de las hojas, que se inicia con el secamiento, pasando por tonos blancuzcos. o De forma crónica, esto es, a concentraciones bajas (< 0,10 ppm) durante tiempos prolongados (más de un mes hasta varios años), ocasionando lesiones en las hojas que se manifiestan en un color amarillento, el cual se incrementa gradualmente, llegando a observarse afectación del mecanismo de síntesis de la clorofila. 38.4.5.3. Efectos en los materiales. o En ambientes contaminados con SO2, corrosión de un gran número de metales, especialmente el hierro y el cinc. o El ácido sulfúrico procedente de la contaminación atmosférica ataca materiales de construcción como el mármol, caliza y argamasa. Los carbonatos presentes en estos materiales se transforman en sulfatos que 83

STOKER, H. Stephen y SEAGER Spencer L. Óp. Cit., p. 107.

355

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

son solubles en agua. Los materiales se observan picados y se debilitan mecánicamente. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o El cuero absorbe fácilmente SO2, con lo cual pierde resistencia y puede llegar a desintegrarse. o El papel absorbe SO2 que se oxida hasta H2SO4, lo cual produce decoloración y fragilidad hasta que el papel se torna quebradizo.

38.5. Compuestos orgánicos volátiles (COV’s) Son sustancias orgánicas en las que además del carbono, hidrógeno y oxígeno es posible encontrar otros elementos como por ejemplo el N, S, F, Cl y Br. Se evaporan a temperatura y presión ambientales generando vapores. Entre estos compuestos encontrados en la atmósfera están el metano, butano, propano, xileno, alcohol butílico, metiletilcetona, acetona, etilenglicol y tricloroetileno. 38.5.1. Fuentes de los COV’s 38.5.1.1. Fuentes naturales Emitidos directamente por plantas, por ejemplo, el isopreno, pineno y limoneno. 38.5.1.2. Fuentes antropogénicas Procesos industriales relacionados con la producción de disolventes, pinturas y barnices con base disolvente, pegamentos, dispersantes y desengrasantes, principalmente. 38.5.2. Reacciones de oxidación de los COV’s En estas reacciones intervienen principalmente los radicales HO• y NO 3•. Con el primero las reacciones se llevan a cabo durante el día y con el segundo en la noche. La secuencia de reacciones que tiene lugar, durante el día, se presenta a continuación, utilizando como ejemplo de compuesto orgánico el más sencillo, el metano. La oxidación se inicia con los radicales hidroxilos y la subsecuente formación del radical metilo: 356

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

HO + CH4

H2O + CH3

(8.69)

LaContenido adición didáctico de oxígeno produce el radical metilperoxilo: del curso Química Ambiental CH3 + O2

CH3O2

(8.70)

En seguida se da la intervención del NO y el O 2 para la formación del formaldehido: CH3O2 + NO

CH3O + NO2

(8.71)

CH3O + O2

HCHO + HO2

(8.72)

Por reacción del radical hidroxiperoxilo se recupera el radical hidroxilo: HO2 + NO

HO + NO2

(8.73)

La reacción neta es: CH4 + 2NO + 2O2

HCHO + HO2 + 2NO2

(8.74)

El primer compuesto carbonilo producido (en este caso formaldehido) reacciona con el radical hidroxilo recuperado, dando origen a otra serie de reacciones, que da lugar a la formación de otro compuesto carbonilo, el CO para el ejemplo presente: HCHO + HO

HCO + H2O

(8.75)

HCO + O2

HO2 + CO

(8.76)

A partir de los radicales hidroperoxilo formados en la reacción 8.76 ocurrirá otra secuencia de reacciones que se iniciará con la reacción equivalente a la 8.73, si hay suficiente cantidad de NO disponible: HO2 + NO

NO2 + HO

(8.77)

CO + OH + M

H + CO2 + M

(8.78)

H + O2 + M

HO2 + M

(8.79)

HO2 + NO

NO2 + HO

(8.80)

La reacción neta es: CO + O2 + NO

CO2 + NO2

(8.81)

357

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Cuando en la atmósfera no hay suficiente cantidad de NO disponible la secuencia de reacciones que se iniciará con la reacción equivalente a la 8.73 será la Contenido didáctico del curso Química Ambiental siguiente: HO2 + O3

HO + 2O2

(8.82)

CO + HO + M

H + CO2 + M

(8.83)

H + O2 + M

HO2 + M

(8.84)

HO2 + O3

HO + 2O2

(8.85)

En esta secuencia se consume ozono y la reacción neta es: CO + O3

CO2 + O2

(8.86)

Las reacciones 8.77 y 8.82 son competitivas y la mayor ocurrencia de una de ellas depende de las concentraciones de los reactivos y las velocidades de reacción.

38.5.3. Efectos ambientales de los COV’s Tienen efectos que se podrían denominar opuestos, debido a que participan en las reacciones de formación del ozono en la troposfera y en las de destrucción del ozono en la estratosfera. Como consumidores de ozono influyen en la degradación de la capa de ozono. Tal es el caso de compuestos como el tricloroetano y el tetracloruro de carbono. Por el contrario, la reacción de estos compuestos orgánicos con los NOx presentes en la atmósfera, en presencia de luz solar, da origen al ozono troposférico. Resulta, también, una serie de reacciones que produce formación de ozono a nivel del suelo, fenómeno que se denomina smog fotoquímico, que consiste básicamente en atmósferas ricas en ozono, de un color carmelito. El ozono es perjudicial para las plantas, animales y el ser humano, porque puede afectar severamente las funciones respiratorias. El fenómeno de smog fotoquímico se tratará en mayor detalle en la lección 40.

358

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 39: El efecto invernadero y el de alteración de la capa de ozono Contenido didáctico del curso Química de Ambiental PALABRAS CLAVE: vibración los átomos, momento dipolar, radiación infrarroja, gases invernadero, efecto invernadero intensificado, vórtex, nubes estratosféricas polares, reacciones de superficie.

Los contaminantes atmosféricos 39.1. El efecto invernadero El efecto invernadero es un fenómeno atmosférico natural que permite mantener la temperatura del planeta, al retener parte de la energía proveniente del sol; hace que la temperatura media de la superficie de la tierra sea 33°C mayor que la que tendría si no existieran gases en la atmósfera que absorben energía. Alrededor del 70% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra es devuelta al espacio. Los diferentes gases y otros componentes de la atmósfera no absorben igual la radiación solar. Algunos gases como el O2 y el N2 son transparentes a casi todas las radiaciones, mientras que otros como el vapor de agua, el dióxido de carbono, el gas metano y los NOx son transparentes a las radiaciones de corta longitud de onda (ultravioleta y visible), mientras que absorben las radiaciones largas (infrarrojas). Esta diferencia es decisiva en la producción del efecto invernadero. 39.1.1. Mecanismo del efecto invernadero La Tierra emite radiación en el rango del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo (IR), entre 5000-50.000 nm (5-50 µm) con un máximo a una λ de 15.000 nm (15 µm); sin embargo, no emite al espacio exterior toda la radiación proveniente del sol. Parte de la radiación es reabsorbida, aún en ambientes no contaminados, por el vapor de agua, el dióxido de carbono y el gas metano y emitida en todas las direcciones. Este re-direccionamiento de la energía IR térmica es el efecto de invernadero. La luz se absorbe cuando encuentra una molécula y la frecuencia de la luz coincide con algún movimiento interno de la molécula. En la región IR, los movimientos de interés son los de vibración de los átomos que constituyen una molécula. Los principales tipos de vibración en una molécula son el de tensión de enlace y la vibración de flexión. La primera corresponde al movimiento oscilatorio, de dos átomos, relativo a cada uno de ellos. La segunda se presenta en moléculas con 359

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

tres o más átomos y consiste en la oscilación en la distancia entre dos átomos unidos a un tercer átomo común, pero no unidos entre sí. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Para que haya absorción de radiación IR, además de la existencia de las vibraciones, debe haber un cambio en la magnitud del momento dipolar, mientras ocurren las vibraciones. El gas Ar, el N2 y el O2 tienen momentos dipolares cero y ésta es la razón por la cual no absorben radiación IR. 39.1.2. El efecto invernadero intensificado Como resultado del efecto invernadero, la Tierra se mantiene lo suficientemente caliente como para hacer posible la vida sobre el planeta. De no existir el fenómeno, las fluctuaciones climáticas serían intolerables. Sin embargo, una pequeña variación en el delicado balance de la temperatura global puede causar graves estragos. En los últimos cien años la Tierra ha registrado un aumento de entre 0,4 y 0,8 °C en su temperatura promedio. El uso de combustibles fósiles y la deforestación han provocado el aumento de las concentraciones de CO2 y metano, además de otros gases, como los NOx, que absorben radiación IR, provocando la intensificación del fenómeno que, entonces, se denomina efecto invernadero intensificado, y se considera como responsable del consecuente aumento de la temperatura global, más allá de los cambios que siempre han operado de forma natural. 39.1.3. Gases invernadero84 Corresponden a aquellos que absorben radiación en la región espectral del IR terrestre, así: o Las moléculas de agua en estado de vapor, abundantes en la atmósfera, absorben radiación IR térmica debido a la vibración de flexión H – O – H, con un máximo alrededor de 6,3 µm (6.300 nm). La concentración de vapor de agua en la atmósfera aumenta exponencialmente con la temperatura. En consecuencia, la cantidad de IR

84

BAIRD, Colin. Química ambiental. Barcelona: Editorial Reverté S. A., 2001. p. 186-195.

360

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

térmica redirigida por el vapor de agua, aumentará como resultado cualquier calentamiento global inducido por otros gases.

de

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Las moléculas de CO2 presentes en la atmósfera absorben el 50% de la radiación IR térmica, emitida por la tierra a longitudes de onda entre14 y 16 µm, junto con una parte del rango 12-14 µm y 16-18 µm. Esta absorción se presenta debido a los movimientos rotacionales del dióxido de carbono, cuando cambia la energía vibracional. Cualquier aumento en la concentración de CO2 en la atmósfera impedirá que escape más radiación infrarroja, lo cual conduce al incremento en la temperatura promedio de la tierra. La concentración de este gas ha aumentado alrededor de un 30%, si se compara con los niveles correspondientes a la era preindustrial, esto es, a mediados del siglo XVIII, que eran de cerca de 280 ppm. A partir del año 2000 se han medido incrementos anuales hasta de 0,4% (1,5 ppm), frente a los de los años sesenta que eran de la mitad. o El gas metano presenta un máximo de absorción de radiación IR a 7,7 µm debido a las vibraciones de flexión del ángulo HCH. Las vibraciones de tensión del enlace C – H están fuera de la región de IR terrestre y, por tanto, no contribuyen a la absorción de radiación. o El N2O también es activo en la absorción de radiación IR terrestre debido a la vibración de flexión que tiene un máximo a 8,6 µm y a la de tensión a 7,7 µm que coincide con la del CH4. o El O3 contribuye a la absorción de radiación IR debido a sus vibraciones de tensión que se presentan entre 9 – 10 µm y la de flexión que es cercana a la del dióxido de carbono. o Los compuestos clorocarbonados y fluorocarbonados (CFCs) también son gases invernadero debido a las vibraciones de tensión de los enlaces C –F y C – Cl que absorben a aproximadamente 9 µm, y las vibraciones de flexión entre C y F y Cl que también se presentan en el rango de IR terrestre.

No es posible predecir con exactitud las consecuencias, en distintos lugares del planeta, de un aumento creciente de la temperatura promedio de la tierra, pero es previsible que, entre los muchos efectos posibles, los desiertos se hagan más cálidos pero no más húmedos, y entre un tercio y la mitad de todos los glaciares y gran parte de todos los casquetes polares se fundan, poniendo en peligro las 361

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

ciudades y los campos situados en los valles que se encuentran por debajo del glaciar. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Una de las estrategias para poder revertir o disminuir estos efectos es buscar nuevas alternativas de energía que sean renovables y no contaminantes, tales como la hidroeléctrica, la eólica y la fuerza del mar, y buscar para el cultivo especies vegetales de rápido crecimiento en ciclos anuales, que no impliquen un cambio en la ecología del área al utilizarlas. 39.2. Alteración de la capa de ozono En la lección 32 se presentó el tema de la destrucción catalítica del ozono, en la estratosfera, a través de las reacciones de especies pertenecientes a las denominadas familias HOx, NOx y ClOx, que constituyen ciclos con la siguiente reacción neta: 2O3

3O2

Esta destrucción se ha estudiado en zonas específicas del planeta y a nivel global. Las zonas específicas constituyen los agujeros de ozono sobre la Antártida y sobre regiones del Ártico. 39.2.1. Destrucción del ozono sobre la Antártida. La disminución de la concentración de ozono se viene detectando desde finales de los años setenta y coincide con la variación de las condiciones del tiempo en las estaciones anuales. Las especies almacén como el HCl y ClONO2 que, durante parte del año, mantienen inactivas las especies Cl• y ClO• que son radicales muy activos en la destrucción del ozono, durante el invierno polar, sufren transformaciones. Las especies inactivas de cloro se convierten en cloro molecular durante los meses oscuros de invierno, pasando a ser el gas predominante en la baja estratosfera. La formación del Cl2 ocurre en la superficie de partículas formadas por una solución que contiene agua, ácido sulfúrico y ácido nítrico. Usualmente estas partículas en forma de gotas de agua o cristales sólidos, producto de la condensación del vapor de agua, no son de común ocurrencia en la estratosfera porque la cantidad de agua en esta región es muy baja; no obstante, debido a que en invierno la temperatura de la estratosfera es -80°C sobre el Polo Sur, la condensación tiene lugar.

362

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Debido a las bajas temperaturas, la presión del aire disminuye (de acuerdo con la ley de los gases ideales, PV = nRT) y este fenómeno junto con el efecto de la Contenidode didáctico del curso Química Ambiental rotación la tierra, produce una masa de aire rotante con velocidades que pueden ser > de 300 km/h, que se conoce como vórtex. En el vórtex no puede penetrar materia y el aire contenido en su interior queda aislado y a muy bajas temperaturas por varios meses que cubren parte de la primavera. Las partículas que se forman por condensación de los gases en el vórtex generan las nubes estratosféricas polares (NEPs). Se considera que las partículas formadas son de dos tipos85: o Tipo I: partículas pequeñas que contienen agua y los ácidos sulfúrico y nítrico, pueden ser sólidos cristalinos o una mezcla de sólido y líquido. Convencionalmente se les denomina “cristales”. o Tipo II: cristales de mayor tamaño y estructura diferente, constituidas por hielo y probablemente ácido nítrico que se forman a temperaturas < -80°C. Un estudio del Instituto de Tecnología de Massachusetts, citado por Baird 86, establece que las reacciones de los cristales de hielo en las NEPs ocurren dentro de una pequeña capa acuosa presente en la superficie del cristal, en donde el ClONO2 y HCl gaseosos entran en contacto con las moléculas de agua. La secuencia de reacciones es la siguiente: ClONO2 (g) + H2O (ac) HCl (g)

capa acuosa

Cl- (ac) + HOCl (ac)

HOCl (ac) + HNO3 (ac) H+ (ac) + Cl- (ac) Cl2 (g) + HNO3 (ac)

(8.87) (8.88) (8.89)

El Cl2 se acumula durante los meses oscuros del invierno y cuando en la primavera aparece la luz, o las masas de aire se mueven hacia el vórtex, en el que incide algo de luz solar, se da la siguiente reacción: Cl2 + hɣ

2Cl•

(8.90)

Igualmente el HOCl que se libere desde la superficie de los cristales reacciona de la siguiente manera: 85

BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 51.

86

BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 51.

363

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

HOCl + hɣ

HO• + Cl•

(8.91)

Los radicales Cl reaccionarán con el ozono de acuerdo con las Contenido didáctico del curso Químicaactivamente Ambiental reacciones 7.26 a 7.30 ya estudiadas. Cuando avanza la primavera y las NEPs y el vórtex desaparecen, el cloro vuelve a transformarse en una especie inactiva y la concentración de ozono aumenta, hasta alcanzar valores cercanos a los normales. Cada año se repite este ciclo. Antes de que los niveles de ozono aumenten apreciablemente, el aire pobre en ozono de la Antártida puede mezclarse con aire de las cercanías y, entonces, la concentración de ozono estratosférico de regiones vecinas como Australia, Nueva Zelanda y partes meridionales de Suramérica disminuye temporalmente. 39.2.2. Destrucción del ozono en el Ártico. El fenómeno es similar al que se presenta en la Antártida, pero menos intenso, debido principalmente a que las temperaturas no son tan bajas y son de menor duración, y a que hay mayor circulación de aire en las zonas a su alrededor. En consecuencia, las NEPs se forman con menor frecuencia y su permanencia es más corta. Por otra parte, generalmente, sólo se forman partículas tipo I sobre las cuales reaccionan el ClONO2 y el HCl para formar el Cl2. A partir del cloro molecular se presentan las mismas reacciones enunciadas en el numeral anterior. En esta región, el vórtex ha presentado una tendencia a romperse a finales del invierno, esto es, durante un período temprano en relación con la aparición de la luz solar en la primavera. Lo anterior favorece que el HNO 3 en las partículas se transforme en NO2, mucho antes de que la luz solar pueda desencadenar la reacción con Cl2O2. Lo anterior conlleva a que parte del Cl2 se transforme a ClONO2 antes de participar en las reacciones de destrucción del O3, lo cual se refleja en una menor alteración de la capa de ozono. Sin embargo, este comportamiento ha empezado a cambiar debido a dos factores: a) las temperaturas, en esta región, tienden ahora a ser mucho más bajas en la estratosfera, aumentando el tiempo de permanencia de las NEPs y b) la forma del vórtex del Ártico es irregular, lo cual ocasiona que parte de su extensión pase sobre un área iluminada a finales del invierno produciendo una disminución temporal del ozono. 39.2.3. Destrucción global del ozono

364

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se ha detectado pérdida de ozono en zonas diferentes a las polares. La explicación a este fenómeno es que las reacciones que ocurren sobre los cristales, Contenido didáctico del curso Químicafrías Ambiental también son posibles en gotas de líquido conformadas, en gran parte, por H2SO4, el cual está presente en la baja estratosfera, sobre todas las latitudes. La presencia del ácido sulfúrico tiene dos fuentes principales: a) la oxidación del gas sulfuro de carbonilo, COS, compuesto de origen natural, con tiempo de permanencia en la atmósfera suficiente para que pueda alcanzar la estratosfera y b) entrada directa a la estratosfera de SO2, ya sea de origen natural (erupciones de volcanes) o por actividades antropogénicas. Las reacciones en las gotas (explicadas anteriormente para el caso de los cristales) tienen lugar cuando la temperatura es lo suficientemente baja para que ocurra la disolución del HCl y no se presente ninguna reacción neta. Otras reacciones en la superficie de las gotas consisten en la transformación de NO2• en NO3• por acción del mismo ozono (reacciones 8.36 y 8.37). Estas reacciones normalmente son reversibles, en fase gaseosa, pero en presencia de cantidad suficiente de gotas líquidas se favorece la formación de ácido nítrico, ya presentada en la reacción 8.55, que se retoma a continuación: N2O5 + H2O + superficie

2 HNO3

En este caso la superficie corresponde a gotas de H2SO4. El efecto neto de estas reacciones es que se disminuyen las cantidades disponibles de NO2• que podrían desactivar el cloro mediante la formación de ClONO2. Por otra parte, en las latitudes medias, en la baja estratosfera, predominan las reacciones de destrucción del ozono por la acción de halógenos (cloro y bromo atómicos) y los radicales hidroxilos. Retome, en este punto, las reacciones 7.26 a 7.31. Lección 40: El smog fotoquímico y la lluvia ácida PALABRAS CLAVE: neblumo, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, COVs, radiación solar, radicales libres, ozono, PAN, ácido sulfúrico, ácido nítrico

40.1. El smog fotoquímico.

365

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La palabra smog se deriva de la contracción de dos vocablos en inglés, smoke cuya traducción al español es humo, y fog que se traduce como niebla. En Contenido curso Química Ambiental español eldidáctico vocablodelcorrespondiente a smog es neblumo, pero su uso está poco difundido y predomina la utilización del término en inglés. Los contaminantes primarios a partir de los cuales se origina el smog son los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y otros compuestos orgánicos volátiles; otro componente fundamental es la luz solar que permite la formación de concentraciones altas de radicales libres que participan activamente en la formación de smog, cuyos productos finales son el ozono, el ácido nítrico y los compuestos orgánicos parcialmente oxidados. 40.1.1. Formación del smog fotoquímico El proceso químico global se puede representar de la manera siguiente87: COV’s + NO + O2 + hɣ

mezcla de: O3, HNO3, compuestos orgánicos

Este proceso consiste de una gran cantidad de reacciones diferentes en las cuales participan, a su vez, varios compuestos químicos actuando simultáneamente. La cadena de reacciones que caracteriza al smog fotoquímico comprende tres grandes categorías: o La interconversión de NO y NO2. En este punto retome las reacciones 8.23 a 8.43, en las cuales se evidencia la formación de ozono, la oxidación en presencia de compuestos orgánicos y la dinámica de las reacciones con radicales. o La oxidación de hidrocarburos. La reacción representativa de esta categoría es la de los alquenos en presencia de los radicales hidroxilos. En este punto retome las reacciones del numeral 33.4. o La generación y destino de radicales libres88. Tienen especial importancia, en las etapas finales de un smog fotoquímico, las siguientes reacciones: HO• + NO2•

87

BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 91.

88

BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 151-154.

HNO3

(8:92)

366

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Esta reacción es el principal sumidero troposférico de radicales hidroxilo. Las últimas etapas en un día de smog se caracterizan por la formación, en Contenido didáctico del curso Química Ambiental grandes cantidades, de agentes oxidantes como el ácido nítrico. HO• + NO•

HONO

hɣ

HO• + NO•

(8.93)

El ácido nitroso formado es estable durante la noche, pero en presencia de luz solar se descompone y se recuperan los radicales. Lo anterior explica lo observado en el amanecer, en zonas con smog, en donde la concentración de HO• aumenta grandemente y reacciona para empezar la oxidación de hidrocarburos. Otra reacción entre radicales es la siguiente:

(8.94) Se forma un nitrato de peroxiacilo. Cuando R = CH3, el producto es el nitrato de peroxiacetilo (PAN). A manera de síntesis, se puede decir que la ocurrencia diaria del fenómeno de smog fotoquímico empieza al amanecer cuando a partir del ácido nitroso y el ozono remanentes del día anterior, por la acción de la luz solar, se inicia la generación de radicales hidroxilo. La concentración de radicales libres aumenta a medida que entran en la atmósfera óxido nítrico e hidrocarburos (procedentes, por ejemplo, de la contaminación vehicular) que sufren reacciones fotoquímicas. El aumento de los radicales libres en las primeras horas de la mañana favorece la oxidación de óxido nítrico a dióxido de nitrógeno, que por fotólisis causa el característico aumento de la concentración de ozono al mediodía. La alta concentración de radicales libres presentes en horas de la tarde produce oxidantes como el PAN. Al atardecer, cuando generalmente se da otro pico de contaminación vehicular, se aumenta la presencia de óxido nítrico e hidrocarburos que reaccionan rápidamente por la presencia de los radicales libres.

367

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

En la noche las reacciones se detienen por falta de luz solar; sólo se dan algunas reacciones de oxidación de hidrocarburos debido a la presencia de NO 3•. El ácido Contenido del curso Ambiental nitroso quedidáctico se forma en Química la oscuridad se mantiene estable, hasta el otro día, cuando ayuda a dar nuevamente comienzo al proceso de smog. De entre los productos del smog fotoquímico se puede resaltar como contaminantes secundarios importantes el ozono y el nitrato de peroxiacetileno. 40.1.2. El ozono El O3 a bajas altitudes, ozono troposférico, y en particular el ozono superficial (a nivel del suelo) presente en niveles relativamente altos es perjudicial, debido a que reacciona fuertemente con otras moléculas alterándolas o destruyéndolas. Por lo anterior, actúa como un contaminante tóxico para la salud humana, produciendo daños respiratorios y pulmonares, dolores de pecho, irritación de garganta y ojos, empeoramiento de enfermedades preexistentes del corazón, ataques de tos, jadeo y dificultades de respiración en la realización de ejercicios. Las exposiciones repetidas y prolongadas al O3 pueden ocasionar daños permanentes a los pulmones89. La vegetación también sufre los efectos nocivos del ozono. Se presenta deterioro de las hojas de las plantas, se reduce el rendimiento de los cultivos y el crecimiento de los bosques porque interfiere en la capacidad de producción y almacenamiento de nutrientes. En consecuencia, las plantas se hacen más susceptibles al ataque de insectos, a las inclemencias del tiempo y a la acción de otros contaminantes. Igualmente, el ozono deteriora materiales como el caucho, los plásticos, los colorantes y las pinturas, y corroe los metales. Otro efecto de este gas es contribuir al calentamiento global. Los efectos negativos anteriores del ozono superficial son opuestos a los positivos y necesarios del ozono estratosférico ya presentados. 40.1.3. Nitrato de peroxiacetilo (PAN)

89

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios http://www2.ideam.gov.co/sectores/ozono/troposferico.htm

Ambientales,

IDEAM.

Ozono

troposférico.

368

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Es un oxidante muy fuerte y activo biológicamente; produce lagrimeo y dificultades respiratorias. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

También puede perjudicar las cosechas si se encuentra en concentraciones iguales o mayores de 10 ppm y puede inactivar las enzimas. 40.2 La lluvia ácida La lluvia ácida es un fenómeno que se produce por la combinación de óxidos de nitrógeno y azufre provenientes de las actividades humanas, con el vapor de agua presente en la atmósfera para dar como resultado ácido nítrico y sulfúrico, respectivamente. Estos ácidos se precipitan posteriormente a tierra acidificando los suelos, pero pueden ser arrastrados a grandes distancias de su lugar de origen antes de depositarse en forma de lluvia. La lluvia ácida tiene un pH inferior a 5,0 y puede ir hasta 2,5 y excepcionalmente 1,5. En este punto es conveniente precisar que la lluvia natural, esto es, no contaminada, también es ácida, con un valor de pH alrededor de 5,6, que es significativamente menos ácido. El carácter ácido de la lluvia natural se debe a la presencia de dióxido de carbono atmosférico, a partir del cual se establecen los siguientes equilibrios: CO2 (g) + H2O (l)

HCO3- + H+

H2CO3 (ac) (8.95)

Ión bicarbonato

ácido carbónico

Aunque el dióxido de carbono está presente en la atmósfera en niveles más altos que el dióxido de azufre contribuye menos en la acidez debido a dos causas: o La solubilidad del CO2 en agua es menor que la del SO2, como lo indican sus constantes de Henry: 3,38 x 10-2 mol L-1 atm-1 y 1,2 mol L-1 atm-1, respectivamente. o La Ka1 correspondiente al equilibrio entre el CO2 en agua y la formación de HCO3- es de 4,45 x 10-7, mientras que la Ka1 del equilibrio entre SO2 en agua y la formación de HSO3- es 1,7 x10-2. El término lluvia ácida tiene su origen en estudios atmosféricos realizados en Inglaterra en el siglo XIX, pero actualmente cabría denominarla deposición ácida, ya que puede presentarse en forma líquida (agua), sólida (nieve), o incluso como niebla, ésta última tan efectiva en su capacidad de destrucción como lo es la deposición líquida.

369

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Las intensidades de las lluvias ácidas actuales se relacionan con las actividades industriales, principalmente con las emisiones de las centrales térmicas y con las Contenido didáctico del curso Química Ambiental producidas por la combustión de hidrocarburos que contienen S, N, Cl, entre otros. También tienen cierta importancia los procesos de desnitrificación de fertilizantes añadidos a los suelos en dosis excesiva y los procesos naturales similares que se producen en las zonas de manglares, arrozales y volcanes. Actualmente se concentran en los países de mayor desarrollo económico, pero progresivamente se están extendiendo a otras áreas. 40.2.1. Formación del H2SO4 Las diferentes reacciones que tienen lugar en la fase gaseosa se presentaron en la lección 38, numeral 38.4.3. Retome en ese punto las reacciones 8.59 a 8.68. La formación también puede ocurrir mediante reacciones de oxidación en fase acuosa y sobre superficies de los sólidos. 40.2.1.1. En fase líquida En la fase líquida los oxidantes potenciales del SO 2 son los mismos de la fase gaseosa, es decir, O2, HO, HO2, NO3 y O3, pero hay que añadir los iones metálicos, siempre presentes en los aerosoles, y las sustancias orgánicas que pueden actuar como promotores o inhibidores en la formación del ácido sulfúrico. La oxidación catalizada por iones metálicos corresponde a un proceso en cadena que se presenta a continuación90: La especie FeOH2+ actúa como catalizador que con el S4+ forma un intermedio el SO3-, que reacciona con el O2 para mediante reacciones sucesivas formar el ión sulfato: Fe3+ + H2O

FeOH2+ + H+

FeOH2+ + HSO3SO3- + O2 SO5- + HSO3-

90

Fe2+ + SO3- + H2O SO5-

(8.96) (8.97) (8.98)

2 SO42-

(8.99)

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 314-319.

370

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

La presencia de sustancias orgánicas en la atmósfera favorece la formación de H2O2 que también da lugar a la formación de ácido sulfúrico: Contenido didáctico del curso Química Ambiental -

H2O2 + HSO3-

HSO4 + H2O

(8.100)

HSO4- + H+

H2SO4

(8.101)

Los radicales libres oxidantes, HO, HO2 y NO3, pueden estar presentes en la fase acuosa mediante su disolución desde la fase gaseosa. Estos radicales reaccionan con el S4+ disuelto, para formar las especies intermedias SO3-. HO + HSO3-

H2O + SO3-

(8.102)

HO + SO32-

OH- + SO3-

(8.103)

NO3 + HSO3-

NO3- + H+ + SO3-

(8.104)

NO3 + SO32-

NO3- + SO3-

(8.105)

Las especies intermedias SO3- dan, entonces, lugar a la formación del ácido sulfúrico en secuencias de reacciones, como la presentada en 8.98 y 8.99.

40.2.1.2. Sobre superficies sólidas. Esta es una tercera vía de formación del ácido sulfúrico. Las superficies sólidas pueden estar suspendidas en la fase gaseosa o en el interior de las gotas líquidas. Adicionalmente, cuentan como superficies sólidas la superficie de la corteza terrestre y de estructuras. Se ha encontrado que el SO2 se oxida en la atmósfera sobre partículas de grafito y de hollín, con la posterior formación de iones sulfato sobre esas superficies, debido a la presencia de vapor de agua. Las reacciones con la presencia de H2O2 (8.100 y 8.101) también se presentan sobre hielo. El polvo mineral es otra superficie apta para la oxidación del SO 2. El mecanismo de la reacción comprende un primer paso que se denomina fisisorción del SO2 sobre los sitios activos, un segundo paso que es la oxidación a S 6+, por el O3, con formación de bisulfato. MOOH + SO2

MOOH… SO2

(8.106) 371

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

MOOH… SO2 + O3

MOOH… HSO4- + O2

(8.107)

MContenido representa un átomo deQuímica metal Ambiental y el resaltado amarillo indica que son especies didáctico del curso químicas superficiales. La presencia de vapor de agua activa permanentemente las superficies del polvo mineral. En consecuencia, el rendimiento en la producción del H2SO4 aumenta con el grado de humedad. 40.2.2. Formación del HNO3 Al igual que en el caso del ácido sulfúrico, las diferentes reacciones de formación tienen lugar en la fase gaseosa, las cuales se presentaron en la lección 38, numeral 38.3.2. Retome en ese punto las reacciones 8.35 a 8.47, 8.50 y 8.51. Las reacciones de N2O5 que conducen a la formación del ácido también pueden ocurrir sobre agua líquida y sólida, disoluciones de ácido sulfúrico y aerosoles91. En nubes o aerosoles marinos, el HNO3 formado permanece en la fase líquida: N2O5 (g) + H2O (l)

2 HNO3 (aq)

(8.108)

En aerosoles de ácido sulfúrico, el HNO3 formado pasa a la fase gaseosa debido a que su solubilidad es baja en esas disoluciones: N2O5 (g) + H2O (H2SO4)

2 HNO3 (gas)

(8.109)

40.2.3 Comportamiento diferencial del H2SO4 y el HNO3 En la atmósfera, estos ácidos presentan comportamientos físicos y químicos diferentes entre sí. o El HNO3 es muy soluble en agua y también muy volátil, por lo cual puede encontrarse en fase gaseosa en concentraciones altas. Por el contrario, el H2SO4 es muy poco volátil y sólo se encuentra en forma de aerosol. o Los dos ácidos reaccionan con las bases presentes en la atmósfera para formar sales. El comportamiento del HNO3 con NH3, la base más abundante en la troposfera es el siguiente: NH3 (g) + HNO3 (g)

91

NH4NO3 (s, aq)

(8.110)

FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 325-326.

372

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El nitrato formado puede permanecer tanto en disolución como en fase sólida. Tiene punto de delicuescencia del 62% de humedad relativa a 0°C. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Como lo establece la reacción 8.110 puede volatilizarse después de formar la sal

o El H2SO4 tiene un comportamiento diferente frente al NH3. A concentraciones bajas de la base, el ácido presente en los aerosoles se mantiene en una proporción alta como H2SO4 (aq) y en una cantidad muy baja como NH4HSO4 (s). A concentraciones más altas de NH3 predomina la especie NH4HSO4 (s). Cuando las cantidades de ácido y base son muy similares se empieza a formar en el aerosol (NH4)3H(SO4)2 (s). Cuando la cantidad de NH3 es por lo menos 50% mayor que la del ácido se empieza a formar (NH4)2(SO4) (s). o Los puntos de delicuescencia de las sales derivadas del ácido sulfúrico son: NH4HSO4 (s) = 40% de humedad relativa (NH4)3H(SO4)2 (s) = 69% de humedad relativa (NH4)2(SO4) (s) = 80% de humedad relativa En cada caso a valores superiores a los enunciados, las sales se transformarán en líquidos.

40.2.4. Efectos ambientales de la lluvia ácida. Los efectos de la precipitación ácida en lagos y corrientes de aguas implica la muerte de crustáceos, insectos acuáticos y moluscos y la desaparición de fitoplancton, lo que provoca con el tiempo la imposibilidad de sobrevivencia del resto de la fauna por falta de alimento. Los efectos de este fenómeno varían en el suelo de acuerdo con su poder amortiguador o capacidad buffer, así por ejemplo en los países nórdicos, el pH baja rápidamente, se liberan grandes cantidades de aluminio tóxico que finalmente va a pasar a los ríos; por el contrario, en los países mediterráneos, los suelos tienen alto poder amortiguador frente a la acidez, dada la abundancia de materiales carbonatados y son capaces de neutralizar el impacto de las lluvias ácidas. De manera general, se puede decir que cuando la lluvia ácida se precipita a tierra es transportada hacia los lagos por las aguas superficiales, acidifica los suelos y 373

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

fija elementos como el calcio y el magnesio, que los vegetales necesitan para desarrollarse; también reduce los nutrientes al variar su ciclo, provoca la Contenido didáctico del curso Química Ambiental movilización de elementos tóxicos como el aluminio (soluble a pH < 4,2), incrementa la movilidad de metales pesados, causa variaciones en la composición y estructura de la microflora y microfauna. En el ser humano, la lluvia ácida determina un incremento muy importante de las afecciones respiratorias (asma, bronquitis crónica, por ejemplo) y un aumento de los casos de cáncer. Afecta también a las construcciones y materiales. Es común observar monumentos, edificios o construcciones de piedra, alterados por la acción de la lluvia ácida que reacciona con los componentes graníticos o calcáreos, demoliéndolos o debilitándolos.

Ejercicio: 1) Para los fenómenos conocidos como efecto invernadero, smog fotoquímico y lluvia ácida establecer las especies químicas emitidas que intervienen. Solución: Especie química

Efecto Smog Lluvia invernadero fotoquímico ácida

CO2

X

NOX

N2O

N2O

SOX

X X

CH4

X

CFCs

X

COVs

X

Hidrocarburos

X

374

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Preguntas y ejercicios 1)Contenido Defina los siguientes conceptos: didáctico del curso Química Ambiental  Contaminantes primarios  Contaminantes secundarios  Emisión  Fuente de emisión  Fuente fija  Fuente fija puntual  Fuente fija dispersa  Fuente natural  Fuente móvi 2) Entre las sustancias que contienen halógenos y contribuyen a la disminución del ozono están los CFCs, HCFCs, HFCs, halones y bromuro de metilo y tetracloruro de carbono. Explique por qué son más inestables en la estratosfera y las respectivas consecuencias ambientales. 3) Compare la constitución química de CFCs, HCFCs y HFCs, y para cada uno de ejemplos de su reactividad. 4) De ejemplos de compuestos pertenecientes al grupo denominado COV y explique la diferencia entre las reacciones de oxidación que experimentan en el día y en la noche. 5) ¿Por qué se dice que los COVs tienen efectos ambientales opuestos? 6) Respecto a la lluvia ácida explique:  Qué especies químicas emitidas intervienen.  El proceso de formación del ácido sulfúrico  El proceso de formación del ácido nítrico  Los efectos ambientales 375

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

8) Respecto al smog fotoquímico explique:  Quédidáctico especies emitidas intervienen Contenido delquímicas curso Química Ambiental  La cadena de reacciones que lo caracteriza, en presencia y en ausencia de luz solar.  Los efectos ambientales 9) Compare el proceso de destrucción del ozono en el Ártico frente al que tiene ocurrencia en el Antártico. 10) Explique las similitudes y diferencias entre el efecto invernadero y el efecto invernadero intensificado. 11) Explique la dinámica de cada uno de los denominados gases invernadero.

376

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

CAPITULO 9: MUESTREO ATMOSFÉRICO Introducción Contenido didáctico del curso Química Ambiental El muestreo atmosférico se enmarca dentro de los programas de vigilancia y seguimiento de la calidad del aire que deben tener objetivos definidos. La OMS y la US-EPA y otras entidades reguladoras ambientales del mundo han trabajado sobre este tema y han hecho recomendaciones acerca de los objetivos que deberían contemplar estos programas a nivel de los diferentes países. En Colombia el IDEAM, que es el organismo encargado de ejercer el control de la contaminación atmosférica y la protección de la calidad del aire de acuerdo con la ley y los reglamentos, hace referencia a los siguientes objetivos sugeridos por la US-EPA92: o Evaluar el cumplimiento de los estándares de calidad de aire y /o el progreso logrado en este sentido. o Activar procedimientos de control para prevenir o aliviar episodios de contaminación. o Observar las tendencias de la polución en una región, incluyendo áreas no urbanas. o Proveer bases de datos para investigación y evaluación de los efectos urbanos, de uso de tierras y transporte. o Dar bases para planeación; desarrollo y evaluación de estrategias de control; y desarrollo y validación de modelos de difusión.

92

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Protocolo para la vigilancia y seguimiento del módulo aire del Sistema de Información Ambiental. Bogotá D. C: IDEAM, 2005. p. 1.

377

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 41: Tipos de muestreo Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: pasivo, activo, automático, con sensores remotos, con bioindicadores.

Se presentan a continuación cinco tipos de muestreo y sus usos más comunes de acuerdo con el objetivo de vigilancia de la calidad del aire. Los valores asignados del 1 al 3 indican la utilidad, correspondiendo el 3 al tipo más recomendado para cumplir con el objetivo propuesto y el 0 que no es recomendado para ese objetivo93. Tipos de muestreo

3

Con sensores remotos 2

Con bioindicadores 0

2

3

2

0

2

2

2

3

2

2

3

0

0

0

2

1

3

3

1

3

2

3

2

1

1

1

3

3

0

2

2

2

1

3

3

3

1

1

0

3

1

1

3

0

1

2

3

3

1

OBJETIVOS Pasivo

Activo

Automático

Implementación de planes de contingencia Alertas ambientales: vigilancia de valores máximos. Investigación del transporte de contaminantes atmosféricos. Barrido de contaminantes en una trayectoria. Rastreo de tendencias temporales de calidad de aire. Medición del impacto de las medidas de control en la calidad de aire. Calibración y evaluación de modelos de dispersión. Efectos de la contaminación atmosférica global. Inventario de efectos. Estudios de salud pública.

1

3

1

Medición de concentraciones de fondo. Medición perimetral a industrias riesgosas.

93

Ibíd., p. 18.

378

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Las características de cada tipo de muestreo, caracterizado por el tipo de muestreador, se presentan a continuación94. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

41.1. Pasivo

Proporciona una forma sencilla y económica de evaluar la calidad del aire en un área. Se basa en el principio de absorción molecular. Permite recolectar una muestra, integrada en un período definido (por lo general de una semana a un mes), por difusión molecular en un material absorbente, específico para cada contaminante. Es muy útil cuando se trata de identificar lugares críticos, de alta concentración de contaminantes, cerca de vías de alto tráfico o de áreas industriales, donde estudios más detallados pueden ser necesarios. Permite la medición integral pero con baja resolución temporal, por lo que es más adecuado para evaluar la exposición a largo plazo. 41.2 Activo La muestra se recolecta por medios físicos o químicos para un posterior análisis de laboratorio. Usualmente se toma un volumen conocido de aire y se bombea a través de un colector (un filtro en el caso de las partículas o una solución química para los gases), durante un período de tiempo determinado. Después se retira el colector y se lleva al laboratorio para análisis. Es de uso común desde hace mucho tiempo alrededor del mundo, por lo cual existen datos disponibles que permiten comparar las tendencias con otros lugares. La calidad de los datos obtenidos con este tipo de muestreo depende del acondicionamiento de la muestra y los procedimientos de laboratorio empleados para el análisis. 41.3. Automático Permite evaluar el comportamiento de los contaminantes atmosféricos, tanto en el tiempo como en el espacio. Facilita la realización de mediciones de tipo puntual con alta resolución (promedios horarios, o mejores) para la mayoría de los contaminantes. Posibilita el análisis en línea por métodos como UV, fluorescencia o quimioluminiscencia.

94

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 16-17.

379

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

41.4. Con sensores remotos Es útil endidáctico diversas situaciones, en particular en cercanía de fuentes, para Contenido del curso Química Ambiental mediciones verticales en la atmósfera y para multicomponentes. Utiliza técnicas espectroscópicas de paso largo entre un emisor de luz y un receptor, o entre un emisor, un espejo y un receptor, mediante las cuales se obtienen datos integrados. 41.5. Con bioindicadores Permite identificar de manera flexible y barata la presencia de niveles de contaminación o áreas donde se necesitan mediciones más detalladas. Es muy específica de cada sitio o región, por lo cual requiere de estandarización.

Lección 42: Definición de sitios de muestreo95 PALABRAS CLAVE: áreas representativas, número de sitios, microlocalización de sitios.

La definición de sitios de muestreo no sigue un patrón aplicable universalmente a cualquier área urbana o rural y para cualquier objetivo, debido a que la distribución de contaminantes y los factores meteorológicos, son fenómenos dinámicos que no sólo varían en el tiempo y en el espacio en un área dada de una misma zona urbana o de una región, sino que también varían de una región a otra. 42.1. Áreas representativas El criterio general es seleccionar sitios representativos del área de estudio, como por ejemplo, centro de las ciudades, sectores industriales, zonas comerciales, zonas de gran densidad de tráfico y zonas residenciales. La representatividad de un área de estudio se debe establecer teniendo en cuenta, también, el objetivo del monitoreo, así: o Para la verificación del cumplimiento de las normas de calidad del aire se deben elegir: las áreas con las concentraciones más altas de contaminantes o cerca de las fuentes de contaminantes más importantes, las áreas de mayor densidad poblacional para poder establecer tanto la línea base como los peores casos de contaminación, algunas áreas de la 95

Ibíd., p. 10,12.

380

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

periferia para medir la exposición de población y el transporte de contaminantes. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

A propósito de cumplimiento de las normas de calidad del aire, en la Tabla 14 se presentan las normas para Colombia, establecidas en la resolución No. 601 de 2006, capítulo II.

o Para la vigilancia de episodios de emergencia se deben seleccionar áreas densamente pobladas, donde estén muy amenazadas la salud y el bienestar de la población. Por ejemplo: cerca de grandes fuentes fijas de contaminación, de hospitales, centros educativos o sitios de reunión de poblaciones de alto riesgo como niños y ancianos. o Para un seguimiento de tendencias se deben elegir: áreas urbanas con la mayor densidad de población y áreas no urbanas de topografías diferentes como, tierras de cultivo, bosques, montañas y costas. Estas últimas áreas no se consideran específicamente blancos de control con aire limpio respecto a las áreas urbanas, sino como criterio de comparación relativa entre áreas urbanas y áreas no urbanas cercanas. o Para mediciones para investigación se deben seleccionar áreas cerca de la población de estudio, con base en información sobre morbilidad y mortalidad por incidencia de infecciones respiratorias agudas, en la ciudad o región de interés, que proporcione evidencia concreta de la exposición de la población más vulnerable a altos niveles de contaminación.

381

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 14. Norma de calidad del aire en Colombia (a condiciones de referencia de 25°C y 760 mm Hg)96 Contenido didáctico del curso Química Ambiental CONTAMINANTE

LÍMITE MÁXIMO PERMISIBLE ppb

anual

300

24 horas

70

anual

150

24 horas

31

80,00

anual

96

250,00

24 horas

287

750,00

3 horas

53

100,00

anual

80

150,00

24 horas

106

200,00

1 hora

41

80,00

8 horas

61

120,00

1 hora

8800

10,00

8 horas

35000

40,00

1 hora

Partículas suspendidas menores a 10 µ (PM 10)

Dióxido de nitrógeno (NO2)

Ozono (O3)

Monóxido de carbono (CO)

3

100 Partículas suspendidas totales (PST)

Dióxido de azufre (SO2)

µg/m

TIEMPO DE EXPOSICIÓN

42.2. Número de sitios El número de sitios se establece en función de la población que habita en el área que se pretende monitorear, de la problemática de contaminación existente en el área y del método de muestreo y de los equipos que se van a utilizar. La OMS propone los criterios para fijar el número de sitios de muestreo teniendo en cuenta el número de habitantes y el parámetro a analizar (ver Tabla 15).

96

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 5.

382

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 15. Promedio sugerido de sitios de muestreo según la densidad de población97 Contenido didáctico del curso Química Ambiental Número de habitantes (millones)

PARÁMETRO A MONITOREAR

8

10

10

5

4

5

3

SO2

NOx

O3

CO

Meteorológicos*

2

1

1

1

1

*Velocidad y dirección del viento y gradientes térmicos. El número de sitios propuestos anteriormente se deben ajustare de acuerdo con las situaciones siguientes: 1. En áreas con alta densidad industrial, incrementar el número de sitios para PM y SO2 2. En zonas donde se utilicen combustibles pesados, aumentar los sitios para SO2 3. En áreas con tráfico intenso, duplicar los sitios para CO, NOx y O3 4. En ciudades con población > 4 millones, con tráfico ligero, se pueden reducir para CO, NOx y O3 5. En regiones con terreno topográficamente complejo, se requiere aumentar los sitios para los diferentes parámetros. Una vez seleccionadas las áreas representativas, el número de sitios y los contaminantes que se van a monitorear, se debe hacer una microlocalización de los sitios propuestos. Para esto se deben tener en cuenta los siguientes criterios, para lograr mediciones representativas y significativas: o

97

Los muestreadores no deben colocarse cerca de las salidas de sistemas de aire acondicionado o ventilaciones de edificios.

Ibíd., p. 10.

383

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Se deben evitar zonas de parqueo, depósitos de reactivos químicos o de combustibles. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o No deben estar en sitios muy cercanos a acumulaciones de residuos sólidos o líquidos. o Deben estar alejados de carreteras sin pavimento, campos deportivos o lotes sin vegetación que los cubra. o Los muestreadores y los caminos de medición deben ubicarse a determinadas distancias de las vías vehiculares, según el contaminante (ver Tabla 16).

Tabla 16. Distancia mínima de separación entre vías vehiculares y muestreadores o caminos de medición98 VALOR PROMEDIO DEL TRÁFICO VEHICULAR POR DÍA

DISTANCIA DE SEPARACIÓN MÍNIMA (metros)

O3

NO2

CO

Precursores de O3

< 10000

10

10

10

>10

15000

20

20

25

20

20000

30

30

45

30

30000 40000

98

80 50

50

115

50000

135

60000

150

50

70000

100

100

100

1100000

250

250

250

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 13.

384

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Lección 43: Técnicas de muestreo Contenido didáctico del curso Química Ambiental PALABRAS CLAVE: filtración, colisión, sedimentación, fuerza centrífuga, adsorción, absorción, condensación y muestreo directo.

Se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo con la naturaleza del contaminante99: 43.1. Para partículas atmosféricas 43.1.1. Filtración: es la técnica más utilizada. Consiste en hacer pasar la muestra, con ayuda de una bomba, y midiendo el flujo, a través de un dispositivo, el filtro, que retiene las partículas. Los mecanismos por los que puede funcionar el filtro son fuerza de gravedad, por choque directo o por difusión. El tipo de filtro seleccionado dependerá de factores como eficacia en la recolección de determinado tamaño de la partícula, caída de presión y características de flujo, concentraciones de fondo de constituyentes traza dentro del medio filtrante, y características químicas y físicas del filtro con relación al entorno de la muestra (estabilidad mecánica, estabilidad térmica, estabilidad química, capacidad de carga, resistencia al flujo, pureza). 43.1.2. Colisión: utiliza un pequeño chorro por el que se fuerza la circulación de una corriente de aire, lo que incrementa la velocidad y momento de las partículas suspendidas, las cuales se recolectan sobre una superficie obstructora. Los aparatos de colisión o incidencia pueden ser húmedos o secos y de impacto en cascada. Los de colisión húmeda operan con un chorro y superficie de recolección bajo líquidos, razón por la cual requieren velocidades de flujo elevadas para una recolección óptima que resulte eficaz. Los de impacto en cascada utilizan las propiedades de impacto aerodinámico de las partículas, para separar la muestra en diferentes fracciones, según el tamaño, mediante el uso de chorros y superficies de recolección secuenciales. Al incrementarse la velocidad del chorro y/o disminuir el intervalo entre el chorro y la superficie de recolección, se consigue que la muestra se fraccione.

99

HARRISON, R. M. Óp. Cit., p. 306-312.

385

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

43.1.3. Sedimentación: consiste en la recolección de partículas conseguida al permitir que se depositen por gravedad en un vaso de recolección. Es la técnica Contenido didáctico curso Química Ambiental de que el vaso o cilindro colocado en más sencilla, pero del presenta el inconveniente el propio curso de las partículas que caen modifica su patrón de flujo, por lo cual no hay certeza de que el material recogido sea representativo de las condiciones reales. 43.1.4. Fuerza centrífuga: se utilizan los ciclones en los cuales se fuerza a pasar el aire de forma ascendente, por un conducto vertical, realizando un movimiento helicoidal, para finalmente salir por un conducto lateral. 43.2. Para muestras gaseosas 43.2.1. Adsorción: la adsorción, como ya se había mencionado, en la unidad 2, en las propiedades del suelo, es un fenómeno de superficie. En este caso, las moléculas de los compuestos presentes en el aire interactúan por atracciones intermoleculares con la superficie de la fase de recolección y, en consecuencia, se concentran. Los materiales más utilizados como adsorbentes son el carbón activado, el gel de sílice, la alúmina y varios polímeros acuosos. El adsorbente seleccionado no debe reaccionar químicamente con las muestras recolectadas, a menos que corresponda al uso intencionado de adsorción química. Igualmente, se debe evitar que las especies químicas que se van a analizar reaccionen con otras especies presentes en el aire muestreado, durante la recolección o durante la etapa de almacenamiento. Por ejemplo, se ha encontrado que ciertos hidrocarburos se polimerizan al reaccionar con el ozono atmosférico; en estos casos se utiliza un prefiltro selectivo que separa al oxidante de la corriente de aire y permite el paso de los compuestos de interés. Las propiedades de desorción del material también son importantes para garantizar la recuperación cuantitativa de la muestra; se prefiere que sea posible la regeneración del adsorbente para usos posteriores. El carbón activado, por ejemplo, es un adsorbente muy eficiente, pero se dificulta la desorción cuantitativa; es así como, la separación por arrastre de vapor da lugar a reacciones hidrolíticas y también se presentan inconvenientes con la destilación al vacío y las extracciones con disolventes. 43.2.2. Absorción: consiste en la disolución de los gases en una fase líquida de recolección o en una reacción química con el absorbente. La absorción de los gases en los líquidos es una de las técnicas más utilizadas; el contacto directo del gas con el líquido hace que la transferencia de materia ocurra entre las dos fases 386

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

en direcciones controladas básicamente por los gradientes de concentración de los componentes individuales. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Esta técnica se emplea para separar principalmente los siguientes gases: H 2S, CO2, NH3, SO2, NOx, HCl, HF, HBr, HCN, benceno, tolueno y metanol. 43.2.3. Condensación: consiste en enfriar una corriente de aire a temperaturas por debajo del punto de ebullición de la sustancia de interés, lo cual hace posible, además de la condensación, la concentración de los gases. Una limitación del método tiene que ver con la posible congelación del vapor de agua presente en el aire y, en consecuencia, el bloqueo progresivo del dispositivo utilizado para el muestreo. Este problema se puede solucionar si el dispositivo de muestreo consta de una parte, de gran volumen destinada a recoger el agua y una segunda, a una temperatura lo suficientemente baja, para recolectar los componentes para análisis. 43.2.4. Muestreo directo: utiliza un contenedor impermeable para recolectar las muestras, sin utilizar la técnica de concentración en el campo; mediante esta técnica las muestras se envían directamente al laboratorio en bolsas de FEPTeflon o en latas de acero inoxidable especialmente tratadas para la determinación de hidrocarburos empleando, por ejemplo, cromatografía de gases. En la técnica de bolsa el contenedor desinflado se coloca en una caja rígida que se vacía lentamente; así, el aire pasa a la bolsa flexible, que queda sellada una vez inflada. Posteriormente, las muestras se extraen por medio de una jeringa hipodérmica especial para extraer gases. Para llenar las latas rígidas a gran presión se utilizan bombas de material inerte, que permiten el muestreo de volúmenes grandes de aire. 43.2.5. Técnicas específicas: se consideran dos ampliamente utilizadas. La de humos y SO2 de NSAP (National Survey of Air Pollution) del Reino Unido y el de Hi-Vol para partículas suspendidas empleado en la Red Nacional de Muestreo de Aire de los Estados Unidos. En la lección 44 se presentarán los equipos utilizados en estas dos técnicas de muestreo. Lección 44: Equipos y materiales para muestreo PALABRAS CLAVE: sistema activo, sistema pasivo, captadores.

387

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Los equipos para muestreo varían de acuerdo con el tipo de ambiente monitoreado y la naturaleza del contaminante. Al igual que en las técnicas de Contenido didáctico del curso Química muestreo, los hay específicos paraAmbiental material particulado y para gases. También hay equipos muestreadores independientes del sistema de análisis posterior y otros incorporados al analizador. Los equipos también se pueden considerar desde el punto de vista del sistema de muestreo: el pasivo, en el cual los componentes a analizar entran solos en el equipo, y el activo, en el que la muestra se fuerza para que pase. 44.1. Equipos para sistema activo de muestreo. En forma general, se puede establecer que los equipos para muestreo activo constan de: a. Entrada y tuberías b. Sistema de medición de flujo c. Bomba d. Sistema de recolección de muestra De acuerdo con la naturaleza del contaminante se tienen los siguientes sistemas de recolección de muestras100: Tabla 17. Sistemas de recolección según tipo de contaminante TIPO DE CONTAMINANTE

RECOLECCIÓN Bolsas de plástico Recipientes evacuados

GASES

COMPUESTO QUÍMICO RECOLECTADO N2, O2, CO, CO2, hidrocarburos y COVs

Absorción en fase líquida

SO2, NOx

Adsorción

NO2, PAN

Denuder

Aerosoles y gases ácidos, SO2

100

http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf. Toma de muestra y análisis de contaminantes atmosféricos. p. 17-19, 21-22.

388

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental Filtros impregnados Filtros

ContenidoPARTÍCULAS didáctico del curso Química Ambiental Impactadores

SO2 Diferentes partículas

tamaños

de

Figura 42. Sistemas de recolección para muestreo activo Para la recolección de gases por el sistema de absorción en fase líquida se utilizan los siguientes compuestos: 389

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Agua: para recolectar gases polares como, por ejemplo, sulfuro de hidrógeno y amoníaco. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Etanol: para ésteres y aldehídos orgánicos. o Ácido clorhídrico diluido: para aminas primarias. o Solución diluida de hidróxido de sodio: para anhídrido sulfuroso.

Los equipos para sistemas activos de muestreo se pueden clasificar en cuatro grupos principales: a) captadores de gases y partículas, b) captadores de partículas, c) captadores por precipitación y d) captadores de compuestos orgánicos volátiles (COVs)101. 44.1.1. Captadores de gases y partículas El captador de pequeño volumen se puede emplear específicamente para partículas, específicamente para gases o para ambos al mismo tiempo. Está constituido por los siguientes componentes: 44.1.1.1. Filtro para la retención de partículas. Existen diferentes tipos de filtros (papel, fibra de vidrio, entre otros) que se colocan en un soporte especial a la entrada del aire captado. El soporte consta de dos válvulas, que pueden ser metálicas o de material plástico y un conducto para la entrada del aire aspirado. En medio de las válvulas se coloca el filtro que posteriormente se cierra herméticamente mediante cualquier sistema de aseguramiento. 44.1.1.2. Borboteador Recipiente para la recolección de contaminantes gaseosos. Consiste en un frasco lavador de gases, tipo Dreschsel, de vidrio resistente, incoloro (borosilicato), cuya capacidad dependerá del contaminante que se va a estudiar y del método que se vaya a utilizar para el análisis. 44.1.1.3. Contador de gas 101

FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 408-412, 419420. http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623.

390

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tiene como función determinar el volumen de aire muestreado, valor respecto al cual se expresan los resultados obtenidos en los análisis. Usualmente se utiliza un Contenidoseco didáctico del curso Química Ambiental de medición de caudal de aire de 1,5 contador pequeño, con una capacidad a 3 litros por minuto. 44.1.1.4. Bomba aspirante Bomba de membrana, movida por un motor eléctrico con capacidad para aspirar entre dos y cuatro m3 de aire en un período de 24 horas. 44.1.1.5. Forma de uso Los diferentes componentes del equipo se conectan mediante tubos de vidrio o plástico inerte, que usualmente tienen un diámetro interno de 8 mm. La conexión con el exterior consiste en un conducto plástico que sale de la entrada del portafiltros y termina, en el extremo opuesto, en un embudo con un diámetro entre 3 y 5 cm. De acuerdo con el contaminante específico que se va a estudiar, se seleccionan el filtro y la solución captadora adecuados y se colocan en el portafiltros y el borboteador, respectivamente. Se anota la lectura del contador, se pone en funcionamiento la bomba, se deja transcurrir el tiempo de toma de la muestra, se apaga y se hace una nueva lectura del contador. La diferencia entre las lecturas corresponde al volumen de aire captado. Este tipo de captador se utiliza para la determinación de SO2 y humo. Actualmente este equipo se está empezando a sustituir por un método de fluorescencia de UV.

44.1.2. Captadores de partículas El captador de alto volumen se utiliza para la determinación gravimétrica de partículas de tamaño > 0,1 µ. Está constituido por los siguientes componentes: 44.1.2.1. Soporte para el filtro Dispositivo de forma troncocónica (cilíndrica, con uno de los extremos más delgado) que en la base tiene tres rejillas metálicas, colocadas una sobre otra, con el fin de proporcionar resistencia mecánica. 44.1.2.2. Conjunto de aspiración 391

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Consta de conductos que salen de la base inferior del filtro y lo comunican con el equipo motobomba de vacío que realiza la aspiración de la muestra de aire. Su Contenido del curso Ambiental caudal estádidáctico entre 40-60 m3Química por hora. 44.1.2.3. Gasómetro contador Con capacidad para medir 60 m3 por hora de aire. En otros captadores de alto volumen se reemplaza este dispositivo por un caudalímetro que proporciona el valor de la cantidad de volumen de aire por hora, en lugar del valor del volumen total. 44.1.2.4. Forma de uso Se coloca el filtro, se conecta la motobomba regulando el caudal deseado y se registra la lectura del contador. Se deja transcurrir el tiempo de toma de la muestra, se apaga la motobomba y se hace una nueva lectura del contador. La diferencia entre las lecturas proporciona información acerca del tiempo transcurrido y el volumen de aire desplazado. Este tipo de captador se utiliza como técnica patrón para la determinación de partículas totales en suspensión.

Figura 43. Captador de alto volumen102 Otros captadores de partículas son: 102

http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf. Toma de muestra y análisis de contaminantes atmosféricos. Óp. Cit., p. 22

392

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o De volumen medio, MVS: flujo aproximado de 6 m3/hora, límite de captación 10 µg/m3, rango de captación 0,1-25 ó 50 µm. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o De volumen medio, LVS: flujo aproximado de 2 m3/hora, límite de captación 50 µg/m3, rango de captación 0,1-10 µm. o Clasificador de aerosoles de rango amplio, WRAC: flujo aproximado de 2000 m3/hora e impactadores de 10, 20, 40 y 60 µm.

44.1.3. Captadores por precipitación Se utilizan para la determinación de partículas sedimentables, las cuales se depositan por gravedad en el interior de un frasco colector. Está constituido por los siguientes componentes: 44.1.3.1. Soporte y rejilla protectora El soporte es un trípode de alrededor de 1,35 m de altura y la rejilla tiene una malla con tamaño de poro de 25 mm, para evitar la entrada, por ejemplo, de insectos y hojas. 44.1.3.2. Depósito colector Puede ser de vidrio o acero inoxidable, consta de un embudo colector usualmente con diámetro (D) de 315 mm. Permite calcular los mg/m2 de partículas sedimentables por día. Este valor se puede comparar con el límite legal establecido. 44.1.3.3. Frascos colectores Con capacidad de 10-20 litros, fabricados en vidrio o plástico.

44.1.4. Captadores de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) Existen dos tipos principales: 44.1.4.1. Captación en trampas Se utilizan tubos de adsorción de carbón o tenax. Los gránulos de carbón se empaquetan en tubos de vidrio de una longitud de 5-10 cm. El tubo se tapa en un extremo con un tapón de lana de vidrio, ajustado a una presión de 46-53 mbar, para evitar la pérdida de contaminante cuando se muestrea a un caudal de 2 L/min. 393

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

El tiempo de muestreo se establece experimentalmente de manera que se obtenga una cantidad de muestra suficiente para el análisis. Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Se ha encontrado que este sistema tiene una eficacia de captación del 95% para hidrocarburos alifáticos, independientemente del caudal de muestreo. 44.1.4.2. Captación en canister. Los canister son botellas de acero inoxidable de diferentes capacidades volumétricas. El interior de las botellas debe estar recubierto de teflón o estar electropulido. La muestra de aire se introduce mediante vacío o presión.

44.2. Equipos para sistema pasivo de muestreo. Estos equipos no utilizan bombas para forzar el paso de las muestras de aire. Las muestran entran por difusión de los contaminantes hacia la superficie del muestreador. Después del tiempo de muestreo se realiza la extracción de la muestra para análisis posterior. Los captadores pasivos se rigen por la primera ley de Fick que establece que las especies moleculares dispersas en el aire, a una concentración C, se difunden de acuerdo con la siguiente igualdad: dm

dC = DS

dt

dl

Donde: m = masa de gas que se difunde a través de la sección S, en moles D = coeficiente de difusión del gas, en cm2/min C = concentración ambiental del gas, en moles/cm3 l = longitud de difusión, en cm. S = superficie de difusión, en cm2 t= tiempo de difusión en minutos

394

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Conociendo las características del captador pasivo, específicamente su superficie de difusión (S), se puede establecer con base a la ecuación de Fick la siguiente Contenido didáctico del curso Química Ambiental igualdad: m C= Q.t Donde: Q = coeficiente de captación, en dimensiones de flujo de gas (cm 3/min) Los equipos permiten recolectar una muestra, integrada en un período definido (por lo general de una semana a un mes), por difusión molecular en un material absorbente, específico para cada contaminante. Es muy útil cuando se trata de identificar lugar críticos, de alta concentración de contaminantes, cerca de vías de alto tráfico o de áreas industriales, donde estudios más detallados pueden ser necesarios. En la difusión de contaminantes desde el aire hacia el medio de adsorción, la fuerza impulsora es el gradiente de concentración entre el aire circundante y la superficie de adsorción donde la concentración se considera nula. Las moléculas gaseosas se difunden hacia el interior del muestreador donde son recogidas cuantitativamente en un filtro impregnado o en un material adsorbente. De esta manera se alcanza una concentración promedio en el tiempo considerado sin requerimientos de electricidad, bombas u otro equipo de soporte103. Hay dos clases de equipos de muestreo pasivo los cuales se diferencian en el mecanismo empleado para la difusión del aire hacia la superficie absorbente. o Muestreador de tubo: la difusión se controla con una capa de aire estancada. o Muestreador de membrana: la difusión se dirige por una penetración subsecuente a través de una membrana semipermeable. La concentración promedio de los contaminantes adsorbidos se determina por medio de análisis instrumental utilizando espectrofotometría, cromatografía de gases o cromatografía de iones.

103

Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire. Bogotá: Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2010. p. 70.

395

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

Figura 44. Esquema general de un muestreador pasivo104 Los muestreadores pasivos de relación longitud/diámetro > 1 proporcionan un límite de detección alto y son referenciados como de Alta Dosis; las dimensiones corresponden comúnmente a longitudes de 50 mm y diámetros de 10 mm. Los de relación longitud/diámetro < 1 proporcionan un límite de detección menor y se conocen como de Baja Dosis; las dimensiones incluyen longitudes de 10mm y diámetros de 20 mm. Estos últimos poseen una velocidad de muestreo 20 veces mayor, debido al aumento del área transversal y a la disminución de la longitud de difusión del gas105.

Lección 45: Análisis de laboratorio106 PALABRAS CLAVE: análisis continuo, análisis discontinuo, fluorescencia de UV, quimioluminiscencia, IR, UV, HPLC, AA, ICP, cromatografía de gases, cromatografía iónica, espectrometría de masas, radiación β, gravimetría, potenciometría, conductometría, reflectometría, difracción de RX, fluorescencia de RX.

104

Ibíd., p. 71

105

Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Óp. Cit., p. 73.

106

FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 422-429. http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623.

396

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Las técnicas utilizadas para el análisis de los contaminantes dependen del método de captación: Contenido didáctico del curso Química Ambiental

o Los métodos de captación continua implican el análisis del contaminante en el punto de muestreo, de forma continua y automática. o Los métodos de captación discontinua implican el transporte del contaminante desde el punto de muestreo hasta el laboratorio.

45.1. Técnicas utilizadas en análisis continuo

Tabla 18. Técnicas para análisis continuo CONTAMINANTE

TÉCNICA

Dióxido de azufre

Fluorescencia de UV

Dióxido de nitrógeno

Quimioluminiscencia

Monóxido de carbono

Absorción de infrarrojo

Ozono

Absorción UV

Benceno

Cromatografía de gases

Partículas

Absorción de radiación β

Los fundamentos de las técnicas anteriores se presentan a continuación107. 45.1.1. Fluorescencia de UV Se basa en la emisión de luz por parte de las moléculas excitadas (en este caso de SO2) por radiación UV, cuando vuelven a su estado fundamental. Las reacciones involucradas son: SO2 + hɣ

SO2*

(9.1)

107

FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 425-429. http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623.

397

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

SO2*

SO2 + hɣ (UV)

(9.2)

LaContenido intensidad de ladel radiación fluorescente didáctico curso Química Ambientales proporcional al número de moléculas de SO2 en el volumen de detección y es, por tanto, proporcional a la concentración de SO2. Por lo tanto: F=k

x

CSO2

(9.3)

Donde: F = intensidad de la radiación fluorescente k = factor de proporcionalidad CSO2 = concentración de SO2 La determinación debe realizarse a temperatura y presión constantes. 45.1.2. Quimioluminiscencia La quimioluminiscencia es la emisión de luz durante una reacción química. Utilizada para el análisis de NO2 se basa en las reacciones siguientes: NO + O3 NO2*

NO2* + O2 NO2 + hɣ

(9.4) (9.5)

El dióxido de nitrógeno excitado emite radiación en la región del infrarrojo cercano (600-3000 nm) con un máximo alrededor de 1200 nm. Para la determinación del NO2 se convierte en NO en un convertidor: NO2

convertidor (catalizador)

NO

(9.6)

El NO se analiza entonces de acuerdo con las reacciones 9.4 y 9.5. 45.1.3. Absorción de radiación infrarroja no dispersiva La atenuación de la luz infrarroja que pasa a través de una cámara es una medida de la concentración del compuesto(s) químico(s) presente(s) en la cámara, de acuerdo con la ley de Lambert-Beer. Cuando se utiliza esta técnica para la determinación del CO presente en una muestra de aire, se debe tener en cuenta que no sólo este compuesto absorberá

398

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

luz infrarroja, sino también la mayoría de las moléculas heteroatómicas, especialmente agua y CO2, que tienen bandas anchas que pueden interferir en la Contenidodel didáctico medición CO. del curso Química Ambiental 45.1.4. Absorción de radiación ultravioleta El aire muestreado se aspira continuamente a través de una celda óptica de absorción, donde se irradia con radiación monocromática, con centro en 253,7 nm, desde una lámpara estabilizada de descarga de Hg, a baja presión. La radiación UV que pasa a través de la celda de absorción, se mide con un fotodiodo sensible o un detector fotomultiplicador y se convierte en una señal eléctrica que se puede medir. La absorción de esta radiación por parte del aire muestreado en la celda de absorción es una medida de la concentración de ozono en el aire. 45.1.5. Cromatografía de gases No se presentan los principios de esta técnica, sino los pasos previos a la introducción de la muestra en el equipo, para el caso de la determinación de benceno. Un volumen medido de la muestra de aire se fuerza a través de un tubo de adsorción. La selección del adsorbente adecuado permitirá la retención del benceno en el tubo y la eliminación de la corriente de aire. La desorción del benceno captado en el tubo se realiza mediante calor y se transfiere mediante un gas portador inerte a un cromatógrafo de gases equipado con una columna capilar y un detector de ionización de llama u otro detector apropiado. Ates de entrar en la columna, la muestra se concentra en una trampa criogénica, luego se calienta para liberar la muestra en la columna o en una precolumna, en donde los hidrocarburos de punto de ebullición mayor se eliminan por retroflujo.

399

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

45.1.6. Absorción de radiación beta Esta técnica se rigedelpor la ley de absorción Contenido didáctico curso Química Ambiental empírica: N = No

X

e-km

(9.7)

Donde: N = número de electrones transmitidos por unidad de tiempo (cuentas por segundo) medidos después del filtro. No = número de electrones incidentes por unidad de tiempo (cuentas por segundo). k = coeficiente de absorción por unidad de masa (cm2/mg) m = masa por área (mg/cm2) de materia que absorbe la radiación beta. En la práctica se pasa un volumen conocido de aire a través de un filtro, sobre el cual se recolecta el material particulado. La masa total del material se determina por medición de la absorción de la radiación beta.

45.2. Técnicas utilizadas en análisis discontinuo Una vez llegan las muestras al laboratorio, deben manipularse de manera que se asegure que no habrá riesgo de contaminación, y se deben identificar de forma inequívoca. De acuerdo con la naturaleza del contaminante que se quiere analizar se seleccionará la técnica más adecuada.

400

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Tabla 19. Técnicas para análisis discontinuo Contenido didáctico del curso Química Ambiental

TIPO DE CONTAMINANTE

TÉCNICA

GASES Gravimetría/Reflectometría

PARTÍCULAS X

Potenciometría/Conductimetría

X

X

Espectrofotometría UV/Vis.

X

X

Espectrometría AA

X

ICP

X

Cromatografía iónica Cromatografía gasesEspectrometría de masas

X

X

Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

X

X

Fluorescencia de RX/Difracción RX

X

Los fundamentos de algunas de estas técnicas se describieron de manera general en las Unidades 1 y 2. La mayoría son de uso común en los laboratorios, por lo cual no son objeto de estudio en esta lección. Se remite al estudiante a textos de análisis instrumental.

401

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Actividades de Autoevaluación de Ambiental la UNIDAD 3 Contenido didáctico del curso Química

402

UNIVERSIDAD

NACIONAL

ABIERTA Y

A DISTANCIA

–

UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Fuentes Documentales de la Unidad 3 Contenido didáctico del curso Química Ambiental

BAIRD, Colin. Química ambiental. Barcelona: Editorial Reverté, 2001. ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. Thomson, 1997. 666 p.

México:

FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. Consultado en: http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623. FIGUERUELO, Juan y DÁVILA, Martín. Química física del ambiente y de los procesos medioambientales. Barcelona: Editorial Reverté, 2004. HARRISON, R. El medio ambiente. Introducción a la química medio ambiental y a la contaminación. Zaragoza: Editorial Acribia, 2003. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Protocolo para la vigilancia y seguimiento del módulo aire del Sistema de Información Ambiental. Bogotá: IDEAM, 2005. MANAHAN, S. Introducción a la química ambiental. Ediciones, 2007.

México D. F.: Reverté

Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire. Bogotá: Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2010. RAISWELL, R. et al. Química ambiental. Barcelona: Ediciones Omega, 1983. STOKER, H. y SEAGER Spencer. Química ambiental. Contaminación del aire y del agua. Barcelona: Blume, 1981.

403