Teoría de Flujo Subterráneo

Presentación del tema: "Teoría de Flujo Subterráneo"— Transcripción de la presentación:

1 Teoría de Flujo Subterráneo
Capítulo 10 Conceptos Básicos de Química Alberto Rosas Medina Semestre Posgrado en Ciencias de la Tierra

2 Capítulo del 10.4 al 10.4.2 10.4.1 Reacciones oxido reducción
Química orgánica

3 Reacciones Oxidación-Reducción
Reacciones oxidación-Reducción (redox) son envolventes de cambios de estados de oxidación de reactantes y juegan un papel central en muchas de las reacciones en aguas naturales, agua y procesos de tratamiento de desechos . El comportamiento de compuestos conteniendo carbón, nitrógeno, sulfuro, hierro y manganeso en aguas naturales (y procesos de tratamiento) es muy grandemente influenciada por reacciones redox.

4 El átomo es eléctricamente neutro
El estado de oxidación de un átomo o hierro es la suma de cargas positivas y negativas. Por lo tanto en un átomo la oxidación es cero. La perdida de electrones desde un átomo produce un estado de oxidación positiva (incremento) y concomitantemente la ganancia de electrones por un átomo reduce el estado de oxidación a un valor negativo.

5 Metales: son caracterizados por su tendencia a ser oxidados por la perdida de uno o dos electrones para la mayor electronegatividad. El ion resultante cargado positivamente es llamado cation, el cual ahora tiene un estado de oxidación incrementado. El número de electrones perdidos depende sobre el número de grupo del metal en la tabla periódica. Una reacción oxidación típica está dada por Donde el estado de oxidación del calcio ha sido incrementado de cero a dos

6 El no metal está ahora cargado negativamente y es llamado anión
El no metal está ahora cargado negativamente y es llamado anión. El proceso de adquirir electrones es llamado reducción. Una típica reacción reducción está dada por El intercambio de electrones para formar aniones y cationes siempre ocurren juntos. Entonces una reacción oxidación requiere también una reacción reducción – por lo tanto la nomenclatura reacciones oxidación-reducción. Un ejemplo de reacción oxidación-reducción es la formación de cloruro de sodio, sal blanca de mesa

7 La ecuación para esta reacción puede ser

8 Electronegatividad:capacidad de un átomo de una molécula covalente para atraer los electrones del enlace.

9 Quizá la forma más simple de reacción redox es la reacción combinación
Quizá la forma más simple de reacción redox es la reacción combinación. Aquí un elemento es oxidado yel otro es reducido. La combinación es reversible. El resultado es una reacción descomposición

10 Reacción redox de desplazamiento único
Reacción redox de desplazamiento único. Un elemento reemplaza a otro desde un compuesto. En este proceso el elemento reemplazante es siempre oxidado y el reemplazado es reducido. Considere el siguiente ejemplo en donde el hidrógeno es desplazado por hierro metálico

11 Química Orgánica La química orgánica juega un papel mayor en la contaminación subterránea. Compuestos orgánicos son estos que contienen carbono. El término de química orgánica es reflejo de las observaciones de los primeros compuestos orgánicos que fueron derivados de las fuentes naturales y seres vivientes. El término ahora abarca la subarea química dedicada al estudio de compuestos conteniendo carbono.

12 Considerable importancia desde la perspectiva de la calidad del agua es la observación que mientras sales inorgánicas son fácilmente solubles en el agua, compuestos orgánicos no son solubles en el agua.

13 La nomenclatura CH4 denota metano cuyo estructura molecular es
El metano es el hidrocarburo más simple, su molécula esta formada por un átomo de carbono (C), al que se encuentran unidos cuatro átomos de hidrógeno (H). A temperatura ambiente es un gas y se halla presente en la atmósfera.

14 Las principales fuentes productoras de metano son:
los procesos de descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno (anaerobiosis), se lo conoce como “gas de los pantanos”; en este aspecto, las grandes extensiones de cultivos de arroz (145 millones de hectáreas en todo el mundo) y las zonas pantanosas, emiten importantes cantidades de metano. El proceso digestivo de los rumiantes (bovinos). La combustión (incendios) de biomasa en bosques tropicales y sabanas. La actividad microbiana en aguas servidas (cloacas). Determinadas acumulaciones de hidrocarburos tales como campos de petróleo, gas y carbón lo emiten espontáneamente (fugas).

15 La industria agrícola-ganadera, con su necesaria expansión, genera y libera este gas originado en la descomposición de la biomasa remanente y en el aumento de las poblaciones de ganado (rumiantes). Las industrias extractivas de carbón, petróleo y gas actúan como fuentes de liberación de metano a la atmósfera. Sus propiedades físicas y químicas y su presencia en la atmósfera, lo incluyen dentro del grupo de “gases de efecto invernadero”, ocupando el tercer lugar, detrás del dióxido de carbono y de los CFC, y contribuyendo en un 15 % al calentamiento global. Se ha observado, además, que el metano deteriora la capacidad autolimpiante de la atmósfera.

16 Las series homologas comienzan con el metano pueden ser escritas como metano CH4, etano CH3CH3 o C2H6 y propano CH3CH2 CH3 o C3H8. El etano es un hidrocarburo alifático alcano con dos átomos de carbono, de fórmula C2H6. A condiciones normales es gaseoso y un excelente combustible. Su punto de ebullición está en -88 °C. El etano funde a -183,2 °C y hierve a -88,5 °C. A temperatura ambiente es un gas inflamable. Junto con otros hidrocarburos, el etano se encuentra en los depósitos de gas natural y también puede encontrarse en el crudo de petróleo. El etano se separa del metano (constituyente principal del gas natural) y se craquea para producir eteno (C2H4).

17 El propano es un gas incoloro e inoloro
El propano es un gas incoloro e inoloro. Pertenece a los hidrocarburos alifáticos (los alcanos). Su fórmula química C3H8. El butano es un hidrocarburo saturado, parafínico o alifático, inflamable, gaseoso que se licúa a presión atmosférica a -0,5 grados centígrados, formado por cuatro átomos de carbono y por diez de hidrógeno, cuya fórmula química es C4H10. El butano presanta dos isómeros el n-butano y el isobutano o metilpropano.

18 El butano comercial es un gas licuado, obtenido por destilación del petróleo, compuesto principalmente por butano normal (60%), propano (9%), isobutano (30%) y etano (1%). La principal aplicación del gas butano es la de combustible en hogares para la cocina y agua caliente, ya que debido a sus limitaciones de transporte y almacenaje no suele consumirse en grandes cantidades.

19 Compuesto Estructura A ciclíco: Arreglos de estructura no circular de átomos. Carbo cíclico: Uno o más círculos hechos de átomos de carbono. Heterocíclico: Uno o más círculos conteniendo otros átomos diferentes de carbono.

20 Ejemplos de tres clases

21 El siguiente ejemplo muestra el concepto

22 En química un metil (o más apropiadamente) grupo metilo es un grupo funcional, hidrófobo alqueno que deriva del metano (CH4). Tiene como fórmula :-CH3 En química es una ramificación o resto alquilo de una cadena hidrogenada en un compuesto orgánico. El grupo metil, forma parte de una "familia" de compuestos orgánicos llamados "series homólogas" ya que siguen un mismo patrón. Los primeros cuatro tienen nombres específicos (metilo, etilo, propilo y butilo) mientras que los que siguen sólo se denominan con la raíz latina de la cantidad de carbonos (penta, hexa, etc) y la terminación -il. A pesar de llamarse "metilo" cuando forman parte de un compuesto, se le omite la "o" final al nombrarlo. Así, por ejemplo se puede encontrar el 2-metil propano.

23 Grupos funcionales comunes

24 Compuesto acíclicos: Compuestos alifáticos consiste de compuestos aciclicos o cíclicos saturados o insaturados. Se mencionarán algunos compuestos que se encuentran en contaminantes hidrogeológicos. Los compuestos aciclicos que no contienen múltiplos vínculos llamados alcanos (parafinas), estos conteniendo múltiples vínculos son llamados alquenos.

25 Los alcanos son hidrocarburos, es decir que tienen sólo átomos de carbono e hidrógeno. La fórmula general para alcanos alifáticos (de cadena lineal) es Cn H2n+2 , y para cicloalcanos es CnH2n. También reciben el nombre de hidrocarburos saturados. Los alcanos son moléculas orgánicas formadas únicamente por átomos de carbono e hidrógeno, sin funcionalización alguna, es decir, sin la presencia de grupos funcionales como el carbonilo, carboxilo, amida, etc. Esto hace que su reactividad sea muy reducida en comparación con otros compuestos orgánicos, y es la causa de su nombre no sistemático: parafinas (del latín, poca afinidad).

26 La relación C/H es de Cn H2n+2 siendo n el número de átomos de carbono de la molécula (advertir que esta relación sólo se cumple en alcanos lineales o ramificados no cíclicos, por ejemplo el ciclobutano, donde la relación es CnH2n). Todos los enlaces dentro de las moléculas de alcano son de tipo simple o sigma, es decir, covalentes por compartición de un par de electrones en un orbital s, por lo cual la estructura de un alcano sería de la forma:

27 donde cada línea representa un enlace covalente
donde cada línea representa un enlace covalente. El alcano más sencillo es el metano con un solo átomo de carbono. Otros alcanos conocidos son el etano, propano y el butano con dos, tres y cuatro átomos de carbono respectivamente. A partir de cinco carbonos, los nombres se derivan de numerales griegos: pentano, hexano, heptano...

28 Alquenos: Los alquenos son hidrocarburos que tienen doble enlace carbono-carbono en su molécula, y por eso son denominados insaturados. La fórmula general es CnH2n. Se puede decir que un alqueno no es más que un alcano que ha perdido un hidrógeno produciendo como resultado un enlace doble entre dos carbonos. Al igual que ocurre con otros compuestos orgánicos, algunos alquenos se conocen todavía por sus nombres no sistemáticos, en cuyo caso se sustituye la terminación -eno sistemática por -ileno, como es el caso del eteno que en ocasiones se llama etileno, o propeno por propileno. Los alquenos cíclicos reciben el nombre de cicloalquenos. Ver también la Producción de Olefinas a nivel industrial.

29 Alquinos: Los alquinos son hidrocarburos alifáticos con al menos un triple enlace entre dos átomos de carbono. Se trata de compuestos metaestables debido a la alta energía del triple enlace carbono-carbono. Su fórmula general es CnH2n-2

30 Los halógenos son los elementos no metales del grupo 17 (anteriormente grupo VIIA) de la tabla periódica: Flúor (F) Cloro (Cl) Bromo (Br) Yodo (I) Astato (At)

31 En química se denomina alcohol (del árabe al-khwl الكحول, o al-ghawl الغول, "el espíritu", "toda sustancia pulverizada", "líquido destilado") (ver origen del término en la desambiguación) a aquellos hidrocarburos saturados, o alcanos que contienen un grupo hidroxilo (-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno enlazado de forma covalente. Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios, o terciarios, en función del número de átomos de hidrógeno sustituidos en el átomo de carbono al que se encuentran enlazado el grupo hidroxilo. A nivel del lenguaje popular se utiliza para indicar comúnmente a una Bebida alcohólica, que presenta etanol.

32 Componentes Carbocíclico: Están divididos en aromáticos y aciclicos.

33 Benceno: El benceno o ciclohexatrieno es un hidrocarburo poliinsaturado de fórmula molecular C6H6, con forma de anillo (se le llama anillo bencénico, o aromático, ya que posee un olor particularmente llamativo para cierto tipo de individuos) y puede considerarse una forma poliinsaturada del ciclohexano. En el benceno cada átomo de carbono ocupa el vértice de un hexágono regular, ocupa dos valencias con los dos átomos de carbonos adyacentes, una tercera valencia con un átomo de hidrógeno y la cuarta denominada 'oculta' dirigiéndola hacia el centro del anillo hexagonal formada en algunos casos de carbono y en otros de alguna base nitrogenada. Cada átomo de carbono comparte su electrón libre con toda la molécula (según la teoría de orbitales moleculares), de modo que la estructura molecular adquiere una gran estabilidad y elasticidad.

34 El benceno es un líquido incoloro de aroma dulce y sabor ligeramente amargo ,similar al de la hiel. Se evapora al aire rápidamente y es poco soluble en agua. Es sumamente inflamable o flamable, volátil y se forma tanto en procesos naturales como en actividades humanas. El benceno se usa en grandes cantidades en los EEUU y Bolivia. Se encuentra en la lista de los 20 productos químicos de mayor volumen de producción. Algunas industrias usan el benceno como punto de partida para manufacturar otros productos químicos usados en la fabricación de plásticos, resinas, nilón y fibras sintéticas como lo es el kevlar y en ciertos polimeros. También se usa benceno para hacer ciertos tipos de gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos y pesticidas. Los volcanes e incendios forestales constituyen fuentes naturales de benceno. El benceno es también un componente natural del petróleo crudo, gasolina y humo de cigarrillo

35 Clorobenceno: El clorobenceno es un líquido incoloro, inflamable, de olor aromático parecido a almendras. Cierta porción se disolverá en agua, pero se evapora rápidamente al aire. No ocurre en forma natural en el ambiente. La producción de clorobenceno en los EE. UU. ha disminuido por más de un 60% del máximo registrado en En el pasado fue usado para fabricar otras sustancias químicas, tales como fenol y DDT. En la actualidad, el clorobenceno es usado como solvente para formulaciones de pesticidas, para desgrasar partes de automóviles y como intermediario en la manufactura de otras sustancias químicas. El clorobenceno es usado como solvente para ciertas formulaciones de pesticidas, como desgrasador y para manufacturar otras sustancias químicas. Niveles de clorobenceno altos pueden dañar el hígado y los riñones y afectar el cerebro.

36 ¿Qué le sucede al clorobenceno cuando entra al medio ambiente?
El clorobenceno liberado al aire es degradado lentamente por reacciones con otras sustancias químicas y por la luz solar, o puede ser removido por la lluvia. En el agua, el clorobenceno se evaporará al aire y/o será degradado por bacterias. Cuando se libera al suelo, es degradado rápidamente por bacterias, pero cierta cantidad se evaporará al aire y otra parte puede filtrarse al agua subterránea. El clorobenceno no se acumula en la cadena alimentaria

37 ¿Qué son los diclorobencenos?
Existen tres isómeros del diclorobenceno: el 1,2-diclorobenceno, el 1,3-diclorobenceno y el 1,4-diclorobenceno. Los diclorobencenos no ocurren naturalmente en el ambiente. El 1,2-diclorobenceno es un líquido incoloro o amarillento usado para fabricar herbicidas. El 1,3-diclorobenceno es un líquido incoloro usado para fabricar herbicidas, insecticidas, medicamentos y tintes. El 1,4-diclorobenceno, el más importante de los tres isómeros, es un sólido incoloro o blanco con un olor fuerte y penetrante. Cuando se expone al aire se convierte lentamente de sólido a vapor. La mayoría de las personas pueden oler el 1,4-diclorobenceno cuando se encuentra en concentraciones muy bajas en el aire. ¿Qué les sucede a los diclorobencenos cuando entran al medio ambiente? El 1,4-diclorobenceno es liberado al ambiente cuando se usa en bolas para polillas y en barras desodorizantes para retretes. Muy poco del 1,4-diclorobenceno en el ambiente proviene de sitios de desechos peligrosos..

38 Una cantidad de 1,2- y 1,3-diclorobenceno es liberada al ambiente cuando estos compuestos se usan para fabricar herbicidas y cuando se usan productos que contienen estos diclorobencenos. Los diclorobencenos no se disuelven fácilmente en el agua; las pequeñas cantidades que entran al agua se evaporan al aire rápidamente. En ocasiones, los diclorobencenos se adhieren al suelo y los sedimentos. En el suelo, los diclorobencenos no se degradan fácilmente por la acción de microorganismos. Existe evidencia de que las plantas y peces absorben los diclorobencenos

39 Compuestos derivados de benceno cancerigenos
El tolueno o metilbenceno, (C6H5CH3) es la materia prima a partir de la cual se obtienen derivados del benceno, el ácido benzoico, el fenol, la caprolactama, la sacarina, medicamentos, colorantes, perfumes, TNT y detergentes.

40 Su nombre deriva del bálsamo del árbol Myroxylon balsamum (Bálsamo Tolu o bálsamo de Colombia) del cual Henri Etienne Sainte-Claire Deville lo obtuvo por primera vez en 1844 mediante destilación seca. Existe en forma natural en el petróleo crudo y en el árbol tolú. También se produce durante la manufactura de gasolina y de otros combustibles a partir de petróleo crudo y en la manufactura de coque a partir de carbón. También está presente en el humo de los cigarillos. Químicamente se genera en la ciclodehidrogenación del n-heptano en presencia de catalizadores y pasando por el metilheptano. Además se obtiene como subproducto en la generación de etileno y de propeno. La producción anual mundial del tolueno es de 5 a 10 millones de toneladas.

41 El Xileno es el nombre de los dimetilbencenos
El Xileno es el nombre de los dimetilbencenos. Según la posición relativa de los grupos metilo en el anillo de benceno. Se diferencia entre orto-, meta-, y para- xileno (o con sus nombres sistemáticos 1,2-; 1,3-; y 1,4-dimetilbenceno. Se trata de líquidos incoloros e inflamables con un característico olor parecido al tolueno. Los xilenos se encuentran en el los gases de coque, en los gases obtenidos en la destilación seca de la madera (de allí su nombre: xilon significa madera en griego) y en algunos petróleos. Tienen muy buen comportamiento a la hora de su combustión en un motor de gasolina y por esto se intenta aumentar su contenido en procesos de reforming. Los xilenos son nocivos. Sus vapores pueden provocar dolor de cabeza, náuseas y malestar general. Este producto se encuentra en los spray de pintura en gran cantidad

42 El benzo[a]pireno está presente como un componente del contenido total de hidrocarburos aromáticos policíciclicos en el medio ambiente. La exposición humana a benzo[a]pireno se produce fundamentalmente a través del humo del tabaco, la inhalación de aire contaminado y por ingestión de comida y agua contaminadas por efluentes de combustión.

43 El fenol en forma pura es un sólido cristalino incoloro a temperatura ambiente. Su fórmula química es C6H5OH, y tiene un punto de fusión de 43ºC y un punto de ebullición de 182ºC. El fenol es un alcohol. Puede sintetizarse mediante la oxidación parcial del benceno. El fenol es una sustancia manufacturada. El producto comercial es un líquido. Tiene un olor repugnantemente dulce y alquitranado. Se puede detectar el sabor y el olor del fenol a niveles más bajos que los asociados con efectos nocivos. El fenol se evapora más lentamente que el agua y una pequeña cantidad puede formar una solución con agua. El fenol se inflama fácilmente, es corrosivo y sus gases son explosivos en contacto con la llama.

44 El fenol se usa principalmente en la producción de resinas fenólicas
El fenol se usa principalmente en la producción de resinas fenólicas. También se usa en la manufactura de nylon y otras fibras sintéticas. El fenol es muy utilizado en la industria química, farmacéutica y clínica como un potente fungicida, bactericida, antiséptico y desinfectante, también para producir agroquímicos, policarbonatos, en el proceso de fabricación de ácido acetilsalicílico (aspirina) y en preparaciones médicas como enjuagadientes y pastillas para el dolor de garganta. De ser ingerido en altas concentraciones, puede causar envenenamiento, vómitos, decoloración de la piel e irritación respiratoria.

45 Policlorinato bifenil
fenol

46 Compuesto Heterocíclico

47 Reacciones de transformación: Desde perspectivas ambientales, son 5 transformaciones químicas orgánicas de interés: Fotoquímica, hidrólisis, oxidación, reducción y biotransformación.

48 Reacciones de Eliminación

49 La transformación de tetracloroeteno y tricloroeteno con la liberación resultante del ión de cloruro es la siguiente: