FUNDAMENTOS DE QUIMICA ACUATICA Río Cali.Colector marginal izquierdo. Dagma- UV 2006.

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1 FUNDAMENTOS DE QUIMICA ACUATICA Río Cali.Colector marginal izquierdo. Dagma- UV 2006

2 Disolvente

3 Antes de la disociación Después de la disociación, en el equilibrio Disociación de un ácido fuerte Ácidos Fuertes

4 Antes de la disociación Después de la disociación en el equilibrio Disociación de un ácido débil Ácidos Débiles

5 CONSTANTE DE ACIDEZ - Ka PARA UN ACIDO, LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Ka, SE REFIERE A LA REACCION EN LA CUAL UN ACIDO DONA UN PROTON A UNA MOLECULA DE AGUA. VALORES ALTOS DE Ka INDICAN QUE EL ACIDO TIENE UNA FUERTE TENDENCIA A DONAR UN PROTON AL AGUA, DENOMINANDOSE ACIDO FUERTE Y VALORES DE Ka DENOTAN ACIDOS DEBILES SE IONIZAN PARCIALMENTE. EL LIMITE ENTRE LOS ACIDOS FUERTES Y DEBILES SE PUEDE ESTABLECER ALREDEDOR DE pKa CERCANO A 0.8 (HIO 3 ) O Ka = 1.6 x10 -1

6 pH ALCALINIDAD ACIDEZ DUREZA PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS

7 pH Una medida convencional de la acidez o basicidad de soluciones acuosas es el llamado pH. Por definición el pH de una solución es igual al logaritmo negativo de la concentración de los iones hidronio (H 3 O + ) en la solución. pH = - log  H 3 O + 

8 a 25°C Kw = [H + ] [OH - ] = 1,0 x 10 -14 si pX = - Log X pKw = pH + pOH = 14 Donde: pH = -Log [H + ] pOH = - Log [OH + ], pKw = - Log Kw

9 En el agua la concentración de los iones hidronio es de 1.0 x 10 -7 a 25  C. El pH del agua pura será: pH = - log 1.0 x 10 -7 = 7.0 [H + ] = [OH - ] la solución es neutra. [H + ] >> [OH - ] la solución es Acida. [H + ] << [OH - ] la solución es básica.

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11 La Escala de pH Cada unidad de pH es 10 veces mas grande que la previa. Un cambio de 2 unidades de pH significa 100 veces mas básico o acido Cada unidad de pH es 10 veces mas grande que la previa. Un cambio de 2 unidades de pH significa 100 veces mas básico o acido x10x100

12 Que afecta el contenido de pH? Geología Local Condiciones del Suelo Vegetación Actividades de Minería Vertimientos Industriales Otras actividades humanas pH de la lluvia y fuentes de contaminación atmosférica. Photo taken by Carlye Calvin © University Corporation for Atmospheric Research

13 Ejercicio 1.Calcular pH a 25 o C de: a) una solución ideal de ácido Clorhidrico (HCl) 3,7x10 -3 M, b) una solución ideal de HCl, 1,00x10 -8.c) una solución ideal de ácido Sulfurico (H 2 SO 4 ) 3,7x10 -3 M

14 SISTEMA CARBONATO El sistema carbonato es el más importante en las aguas naturales. ESPECIES CONSTITUYENTES - Dioxido de Carbono, (CO 2 ) gaseoso. - Dioxido de Carbono, (CO 2 ) acuoso. - El ácido Carbonico, (H 2 CO 3 ) - El ión bicarbonato, (HCO 3 - ) - El ión carbonato, (CO 3 -2 )

15 EL AGUA DISUELVE EL CO2 MEDIANTE EL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE GASES

16 ESPECIES CARBONATADAS Y SU EQUILIBRIO Los componentes del sistema Carbonato están interrelacionadas por medio de los siguientes equilibrios: CO 2 (g)= CO 2 (ac) K = K H = 10 -1.5 = Cte de Henry CO 2 (ac) + H 2 O =H 2 CO 3 K = 10 -2.8 H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - K 1 = 10 -3.5 H 2 CO 3 * = H + + HCO 3 - K a1 = 10 -6.3 H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - K a2 = 10 -10.3

17 SISTEMA CARBONATO EN EL AGUA 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 02468101214 pH X (FRACCION MOLAR) H 2 CO 3 HCO 3 ? CO 3 =

18 ALCALINIDAD Alcalinidad es la cantidad de iones en el agua que reaccionan para neutralizar iones hidrógeno sin tener un cambio significativo en su pH. La alcalinidad es la capacidad para neutralizar ácidos. Se distingue entre la basicidad y un alta alcalinidad, que mientras el pH es un factor de INTENSIDAD, la alcalinidad es un factor de CAPACIDAD.

19 Principales constiuyentes: los carbonatos (CO 3 -2 ) bicarbonatos (HCO 3 - ) hidróxidos (OH-) Algunos que también imparten alcalinidad al agua en menor proporción, son los silicatos, boratos y fosfatos.

20 Esta propiedad amortiguadora que permite que las aguas reciban sustancias ácidas sin sufrir cambios fuertes en su pH, debido a la presencia de los CO 3 -, HCO 3 -, y OH - se explica al observar las reacciones que se llevan a cabo. HCO3- + H+H2CO3CO2 + H2O

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22 REPRESENTACION GRAFICA DE TITULACION DE MUESTRAS QUE CONTIENEN VARIAS FORMAS DE ALCALINIDAD

23 CALCULO DE LAS DIFERENTES CLASES DE ALCALINIDAD F = Alcalinidad a la Fenolftaleina en mg CaCO 3 / l M = Alcalinidad total en mg CaCO 3 / l

24 CALCULO DE ALCALINIDAD Muestra de 50 ml. Sí pH >8,3 Titulación con HCl 0,02 N, hasta pH 8,3. (alcalinidad a la Fenolftaleina) Titular con HCl 0,02N, hasta pH 4,5. (alcalinidad Total) Calcular Alcalinidad. mgCaCO3/L=(N*V HCl *50000)/V muestra

25 Ejercicio 50 ml de una muestra requiere 8 ml de HCl, 0,025 N para alcanzar el punto de equivalencia a un pH de 8,3 y 32 ml adicionales para alcanzar un punto de equivalencia de pH 4,5. Cuales son las especies principales presentes y cuales son sus concentraciones? Calcular la alcalinidad Total y la fenolftaleina.

26 ACIDEZ MINERAL LA ACIDEZ MINERAL ESTA PRESENTE EN MUCHOS DESECHOS INDUSTRIALES, PARTICULARMENTE LOS DE LA INDUSTRIA METALURGIA Y ALGUNOS DE LA PRODUCCION DE MATERIALES ORGANICOS SINTETICOS.

27 DRENAJE ACIDO DE MINAS EL DRENAJE DE MINAS CONTIENE CANTIDADES SIGNIFICATIVAS DE ACIDO SULFURICO O SALES DE SULFURO, PIRITA DE HIERRO (FeS 2 ) ESTAN PRESENTES. 2S + 3O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 FeS 2 + 3 (1/2)O 2 + H 2 O FeSO 4 + H 2 SO 4 LAS BACTERIAS SON BACTERIAS DE SULFURO - OXIDANTES BAJO CONDICIONES AEROBICAS. BACTERIAS

28 Quebrada el Chocho con aguas de minas de carbón que descargan al río aguacatal

29 CALCULOS DE ACIDEZ PARA UN AGUA CUYA ACIDEZ ES DEBIDA A ESPECIES H + Y CARBONATADAS EL PUNTO FINAL DE LA TITULACION EL PUNTO FINAL DE LA TITULACION DE LA ACIDEZ TOTAL ES A UN pH TAL QUE LA CANTIDAD ESTEQUIOMETRICA DE OH - (NaOH 0.1 M) HA SIDO AGREGADA PARA COMPLETAR LAS SIGUIENTES REACCIONES: H + + OH - H 2 O H 2 CO 3 +OH - HCO 3 - + H 2 O HCO 3 - + OH - CO 3 = + H 2 O

30 CALCULO DE ACIDEZ Muestra de 50 ml. Sí pH <4,5 Titulación con NaOH 0,02 N, hasta pH 4,5. (Acidez Mineral) Titular con NaOH 0,02N, pH inicial entre 4,5 y pH 8,3, llevando hasta pH 8,3. (½ de la acidez debido al CO 2 ). Si pH entre 8,3 y 4,5 Titular con HCl 0,02 N, hasta pH 4,5 (Acidez por bicabonatos). Calcular Acidez Total. Acidez Total = Ac. mineral+Ac. CO 2 +Ac. HCO3 -2

31 DUREZA La DUREZA es una característica química del agua que está determinada por el contenido iones multivalentes, principalmente calcio y magnesio..

32 IMPACTOS La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles. En calderas y sistemas enfriados por agua, se producen incrustaciones en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor

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34 OXIDACION - REDUCCION REACCIÓN REDOX Una reacción redox está constituida por dos(2)partes o semireacciones: OXIDACIÓN: En la cual una sustancia pierde o dona electrones (agente reductor-donor de electrones). Fe +2 Fe +3 + e - REDUCCION: En la cual una sustancia gana o acepta electrones (agente oxidante – aceptor de electrones): Fe +2 + 2e - Fe 0 Toda reacción de oxidación debe estar acompañada de una reducción, pues no pueden existir electrones libres en solución.

35 NUMERO DE OXIDACION Es la carga hipotética sobre un átomo luego de que haya compartido sus electrones libres. Ejemplo: Na + Número de oxidación = +1 Cl - Número de oxidación = -1

36 Ejercicio Identificar el agente oxidante y el agente reductor, en las dos reacciones. –Cd(s) + 2Ni 3+ (aq)  Cd 2+ (aq) + 2Ni 2+ (aq) –Sn 2+ (aq) + 2Ce 4+ (aq)  Sn 4+ (aq) + 2Ce 3+ (aq)

37 Los fundamentos de los números o estados de oxidación son: 1.En los elementos libres cada átomo tiene un número de oxidación. 2.En los iones simples, el número de oxidación es igual a la carga del ión. 3.Los halógenos tienen un número de oxidación de 1 - 4.En la mayoría de compuestos, el oxígeno tiene un número de oxidación de 2 -. 5.En la mayoría de los compuestos, el hidrógeno tiene un número de oxidación de 1 +. 6.En las moléculas neutras el Nro. de oxidación es cero. 7.En los iones complejos el Nro. de oxidación resulta de la carga del ión.

38 Ejercicio Asignar los número de oxidación, a los átomos de los compuestos siguientes: –SO 2 –CO 2 –CuCl –KMnO 4 SO 4 2-

39 Aplicaciones de las reacciones de Oxidación - Reducción

40 La solubilización y precipitación del hierro y del manganeso, en el tratamiento de aguas subterráneas. Uso de cloro y ozono en el tratamiento de agua residual para la desinfección. El tratamiento del agua residual, la eliminación del nitrógeno mediante denitrificación. En los digestores anaerobios de agua residual / lodos que producen metano/ En las plantas de tratamiento de agua residual municipal e industrial, la oxidación de sustancias orgánicas, caracterizadas por las reducciones de la DBO o la DQO. La corrosión de los metales. APLICACIONES

41 PRECIPITACION Y SOLUBILIDAD Fenómenos de gran importancia tanto en las aguas en su estado natural como en su tratamiento. Están basados en el fenómeno de precipitación los siguientes tratamientos : - Ablandamiento con cal-soda -Remoción de Hierro -Coagulación con sales metálicas -Remoción de Fósforo

42 PRODUCTO DE SOLUBILIDAD - Kps El producto de solubilidad es el nombre dado a la constante de equilibrio que describe la reacción en la cual un precipitado se disuelve en agua pura para formar sus iones constituyentes. En general para una sustancia AmBn AmBn ===> mA -n + nB +m Tendría un producto de solubilidad Kps = [ A -n ] m [ B +m ] n

43 CONSIDERACIONES a. Sí [ A-n] m [ B+m] n >> Kps la sustancia se precipita b. Sí [ A-n] m [ B+m] n << Kps La sustancia se disuelve c.. Sí [ A-n] m [ B+m] n = Kps Se tiene una disolución saturada de la sustancia

44 Ejercicio Una disolución contiene Ag + 1,0 x 10 -2 M y Pb +2 2,0 x10 -2 M. Cuando se agrega Cl - a la disolución, precipitan de esta tanto AgCl (Kps =1,8x10 -10) como PbCl2 (Kps = 1,7x10-5). Que concentración Cl – es necesaria para iniciar la precipitación de cada sal? Cual de las sales precipita primero?

45 FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD - PRESENCIA DE UN ION EXTRAÑO O DIVERSO - PRESENCIA DE UN ION COMUN - LA TEMPERATURA

46 APLICACION DE LOS FENOMENOS DE PRECIPITACION Y SOLUBILIDAD PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS NATURALES Y AGUAS RESIDUALES COMO: - Ablandamiento del agua - Remoción de metales pesados - Indice de Langelier o índice de saturación del CaCO 3. - Remoción de Fósforo - Coagulación - floculación - Etc.

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