FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

QUÍMICA AMBIENTAL I Unidades de Concentración Unidades de Concentración: Los siguientes dos sistemas son frecuentemente utilizados para expresar la composición. A. Masa/Masa A. Masa/Masa: (Expresada comúnmente como peso/Peso) o, de manera más explicita, masa soluto sobre masa de solución. Unidad Típica en mg/Kg, que también se expresa como ppm(partes por millón). Este método no depende de la temperatura.

Porcentaje en peso Ejm: Soluto 1% de NaCl y Disolvente 99% Agua Partes por millón Ejm: mg de NaCl/Kg agua Molalidad (m) = # Moles de Soluto/1000g de Disolvente

B. Masa/Volumen: (Expresada comúnmente como peso/Volumen) o, de manera más explicita, masa de soluto sobre volumen de solución. Una unidad típica es mg/L. Este método depende de la temperatura, pues el volumen varía con la misma. mg/L (1000 mg NaCl en 1L de solución) Molaridad (M)= #Moles de solución/1L Sol. Ejm: Ejm: Una solución 1M de NaCl contiene 1 mol o 58,5 g de NaCl por litro de Solución.

Normalidad (N)= Normalidad (N)= #Equivalentes de Soluto/1L Sol. meq/L meq/L (Para sistemas muy diluidos, en muchos casos es conveniente emplear miliequivalentes por litro (meq/L) en vez de equivalentes por Litro (eq/L). 1 eq/L=1000 meq/L

Concentración en términos de un constituyente común En la química del agua resulta útil expresar las concentraciones en términos de un constituyente común cuando el agua contiene diferentes formas químicas, pues todas contienen el constituyente común.

Por ejemplo, los compuestos de nitrógeno pueden estar presentes en las aguas residuales en las siguientes formas:  Nitrógeno Amoniacal NH 4 +, NH 3  Nitrógeno Orgánico Diversas formas  Nitrógeno de Nitrito NO 2 -  Nitrógeno de Nitrato NO 3 - Se acostumbra informar todos los resultados en términos de nitrógeno (N) para que sea posible comparar los valores en forma directa.

Ejm: Ejm: Una análisis de nitrógeno que proviene de una muestra de aguas residuales dio los siguientes resultados:  Amoniaco30 mg/L NH 3  Nitrito0,1 mg/L NO 2 -  Nitrato1,5 mg/L NO 3 -  Nitrógeno orgánico (diversas formas) 5 mg/L N Encuentre la concentración total de nitrógeno?

Solución:  NH 3 =  NH 3 =30 mg/L NH 3 *(14 mg N/17mg NH 3 ) NH 3 = 24,7 mg/L N-NH 3  NO 2 - =  NO 2 - =0,1 mg/L NO 2 - *(14 mg N/46 mg NO 2 - ) NO 2 - =0,03 mg/L N-NO 2 -  NO 3 - =  NO 3 - =1,5 mg/L NO 3 - *(14 mg N/62 mg NO 3 - ) NO 2 - =0,34 mg/L N-NO 3 -  Nitrógeno Orgánico  Nitrógeno Orgánico = 15 mg/L N  Concentración Total de Nitrógeno = 40,1 mg/L N

Reacciones Química Ácido-Base: Las reacciones ácido-base, quizá la clase más importante de equilibrios, son especialmente importantes en la química del agua. Definición de Ácidos y Bases según Lowry-Bronsted establece: Un ácido es una sustancia que tiene tendencia a ceder o donar un protón (H + ), y una base es aquella que muestra tendencia a incorporar o aceptar un protón.

HCl + H 2 O ↔ H 3 O + + Cl - Ácido Base Ácido Conjugado Base Conjugada El HCl es un ácido porque dona un protón (H + ) a la base H 2 O, la cual la acepta para convertirse en H 3 O +. Una vez que un ácido ha donado un protón, es capaz de aceptar otro y, por tanto, se escribe como una base conjugada, que en este caso es Cl -. De forma similar, una base que ha aceptado un protón tiene ahora la posibilidad de donarlo, y por consiguiente se dice que es un ácido conjugado, en este caso H 3 O +. El HCl y el Cl - solo difieren en un protón, y se les conoce como un par ácido-base conjugado, de la misma manera que el H 3 O + y el H 2 O.

Cuando el agua reacciona con, NH 3, que es una base, se comporta como un ácido y no como una base. NH 3 + H 2 O ↔ NH OH - Base Ácido Ácido Conjugado Base Conjugada Aquí estamos tratando con los pares ácido-Base conjugados NH 4 + con NH 3, y H 2 O con OH -.

Fuerza de un Ácido:

El Sistema Carbónico El sistema ácido-base conjugada mas importante en las interacciones aire/agua es el carbónico, el cual controla el pH de la mayor parte de las aguas naturales y se compone de las siguientes especies:  Dióxido de carbono, CO 2, en forma gaseosa, CO 2(g) o disuelto en agua, CO 2(ac).  Ácido carbónico, H 2 CO 3  Ion bicarbonato, H 2 CO 3 -  Ion carbonato, CO 3 -  Sólidos a base de carbonatos, principalmente de calcio y de magnesio.

Entre los ejemplos que tienen importancia en el sistema carbónico en el campo ambiental se cuentan los siguientes:  La producción de CO 2 en la respiración biológica.  El consumo de CO 2 en la fotosíntesis.  El intercambio de CO 2 entre aire y agua.  La disociación de carbonatos minerales, principalmente CaCO 3 y MgCO 3, por las aguas subterráneas.  La capacidad amortiguadora de las aguas naturales, que principalmente proviene del sistema carbónico (acidez y alcalinidad).

 Ablandamiento de aguas.  Diversos procesos de tratamiento de agua y de aguas residuales.  El intercambio entre las formas sólida y disuelta del CaCO 3 (MgCO 3 ) en el fondo de los lagos.

Los equilibrios del sistema Carbónico:

Capacidad Amortiguadora de las Aguas Naturales El conocimiento del sistema carbónico nos ayuda a entender como es que la mayor parte de las aguas naturales son capaces de resistir los cambios de pH cuando se agrega o se forma material ácido o alcalino. En las aguas naturales esta capacidad amortiguadora es atribuible sobre todo a la presencia de especies del sistema carbónico.

Acidez y Alcalinidad  Acidez: Es una medida de la capacidad del agua para neutralizar una base fuerte. En las aguas naturales esta capacidad por lo general se atribuye a ácidos como H 2 CO 3 y algunas veces a ácidos fuertes. En Algunas aguas naturales, las fuentes principales de acidez son el dióxido de carbono proveniente de la atmosfera y de la oxidación de la materia orgánica, la acidez mineral de los residuos industriales y el drenaje de las minas y de la lluvia ácida.

O Alcalinidad: Es una medida de la capacidad de un agua para neutralizar a un ácido fuerte. En las aguas naturales esta capacidad se puede atribuir a bases como HCO 3 -, CO 3 2- y OH - lo mismo que a las especies presentes con frecuencia en pequeñas concentraciones como son silicatos, boratos, amoniaco, fosfatos y bases orgánicas.

Curva de titulación para una mezcla hidróxido carbonato

Representación Gráfica de la Titulación de muestras que contienen varios componentes de alcalinidad