INTRODUCCIÓN
OBJETIVO: Al finalizar la asignatura el Participante estará en capacidad de aplicar las bases teóricas y describir los procesos de tratamiento del agua para su adecuación a los usos.
NOTA: ESTIMADOS ESTUDIANTES LOS DOS PRIMEROS CAITULOS SON DE CARACTER INFORMATIVO Y DE REPASO A PARTIR DEL CAPITULO III SON LAS EXPOSICIONES.
VII Agua para Sistemas de Enfriamiento
IX Eliminación del cianuro y del cromo
I EL AGUA, SUSTANCIA EXCEPCIONAL.
El agua acompaña siempre a la vida. El ser humano necesita por lo menos 1kg/dia de agua para sobrevivir.
El agua en sí presenta un cierto número de propiedades excepcionales: físicas, fisico-químicas y químicas.
El agua participa en las reacciones fundamentales de los fenómenos biológicos y físicos: constituye un reactivo. Es igualmente un producto (combustión, ejemplo la respiración).
El agua es un solvente, propiedad que se usa en todas las aplicaciones corrientes.
El agua es también un medio de transporte fundamental. Así, sirve para transportar energía (intercambio térmico, equilibrio de las temperaturas a la superficie de la Tierra), contiene los elementos minerales necesarios a la vida, y transmite enfermedades.
De lo que precede se puede concluir que, el agua, al igual que el oxígeno, es una sustancia primordial en la superficie de la Tierra.
1 Generalidades
1.1 El agua, constituyente natural.
El cuerpo humano contiene de un 65 a 70% de agua; los peces de un 75 a 80%. La proporción es más variada en los vegetales: algunas plantas acuáticas contienen más del 95% de agua.
1.2 Aguas naturales.
El volumen de agua a la superficie de la Tierra se evalúa en un 1,36 109 km3, sin tomar en cuenta el agua de hidratación de los minerales de la corteza terrestre.
Un 97.2% de esta agua se encuentra en los océanos y mares que representan un 71% de la superficie del globo. Los hielos polares (29.106 km3) constituyen 2,1% de los 2.5% faltantes. En efecto, lagos, ríos representan en primera aproximación 0.2 106 km3 y las aguas subterráneas 8.106 km3.
La humedad atmosférica representa de 15 a 20000 km3 de agua líquida.
La cantidad de agua de hidratación de los minerales es probablemente muy importante: algunos autores la evalúan como igual a la mitad del agua de los océanos.
1.3 Ciclo del agua.
La evaporación o lluvia anual representa aproximadamente 500000 km3. Las tierras dejan evaporarse el 16% y reciben el 24%: los 40000 km3 de diferencia regresan al mar por los ríos.
La evaporación de 500000 km3 de agua corresponde a aproximadamente 270 1015 calorías.
1.4 Aguas oceánicas
La salinidad promedia es de 36 g/l (7 en el mar Báltico, 40 en el mar Rojo, 200 en el Gran Lago Salado).
El agua del mar contiene alrededor de 50 elementos: 85% de la salinidad se debe al cloro y sodio. La tabla siguiente reporta los iones esenciales:
| | g/100g de salinidad (equiv.g) | % en eq.g | g/kg de agua de mar |
| Cl- | 55,2 (1,55) | 45,4 | 19,0 |
| Br- | 0,2 (0,0025) | 0.008 | 0,065 |
| SO4-- | 7,7 (0,16) | 4,6 | 2,65 |
| HCO3- | 0,2 (0,0033) | 0,01 | 0,14 |
| Na+ | 30,6 (1,33) | 39,0 | 10,6 |
| K+ | 1,1 (0,0275) | 0,9 | 0,38 |
| Ca++ | 1,2 (0,06) | 1,8 | 0,4 |
| Mg++ | 3,7 (0,28) | 8,2 | 1,3 |
| | 99,9 (3,41) | 99,9 | 34,5 |
Se puede observar que [Na+]/[Cl-] = 0.85 y que el agua del mar representa fuente considerable de magnesio.
1.5 Necesidades en agua.
En las peores de las condiciones, el hombre podría vivir con 5 litros de agua al día. Actualmente, el gasto diario para asegurar las necesidades domésticas en un país desarrollado es del orden de 150 a 200 litros por habitante en una ciudad media. El consumo diario tomando en cuenta todas las necesidades (domésticas, colectividades, industriales, agrícolas), es superior a 1 m3 (500 a 600 m3/año.hab. en Europa Occidental y 1000 a 1200 m3 en los U.S.A.).
Las necesidades en agua para producir una tonelada de cada uno de los siguientes productos son:
| Producto | Toneladas de agua |
| Trigo | 1500 |
| Arroz | 4000 |
| Acero | 150-200 |
| Aluminio | 1300 |
| Papel | 300 |
| Abonos nitrogenados | 500 |
El aumento de las necesidades de consumo se debe al crecimiento de la población y de la industria, desarrollo del consumo individual y extensión de la irrigación para fertilizar las zonas áridas.
2 Propiedades del agua
El agua común es una mezcla de un centenar de combinaciones moleculares obtenidas a partir de los elementos de números atómicos 1 y 8.
2.1 Agua pura
Se obtiene por destilación o congelación. Es muy agresiva y debe conservarse en recipientes de cuarzo ya que disuelve pequeñas cantidades de vidrio común.
2.2 Propiedades físicas
Las coordenadas del punto triple son:
p = 4,6 mm Hg
T = 0,01 OC
Lo que significa que a 0,01 OC y bajo 4.6 mm Hg el agua líquida se encuentra en equilibrio con el hielo y el vapor de agua.
El hielo existe bajo 6 formas alotrópicas; solo el hielo I, hielo ordinario, tiene una densidad inferior a 1 (d=0.917). Por consiguiente, la congelación conduce a un aumento de volumen del orden del 1/11.
calor específico: 0.5 cal/g ó 9 cal/mol
calor de fusión: 80 cal/g ó 1430 cal/mol
Para el agua líquida la masa específica aumenta de 0 hasta 4 OC y después decrece cuando aumenta la temperatura. Su valor es de aproximadamente 1 kg/dm3 a 4 OC. El calor específico del agua se utilizó para definir la caloría.
La conductividad térmica se expresa por:
C = 0.4769 (1 + 0,002948 t) en kcal/m.h. OC
Esta conductividad térmica tiene un valor bajo (100 veces menor que la de la plata; 10 veces menor que la del mercurio) aún cuando es mayor que la de los solventes orgánicos comunes.
Calor latente de vaporización: 539 cal/g ó 9,7 kcal/mol a 100 OC.
El vapor de agua tiene una densidad de 0,6235 con respecto al aire; la masa del aire húmedo se obtiene en primera aproximación con la relación:
m (g/l) = (0,4645/T) (p - 3/8 f)
p (mm Hg) : presión total
f (mm Hg) : presión de saturación
T (OC) : temperatura del aire
calor específico: 0,45 cal/g ó 8 cal/mol
conductividad térmica: 0.020 kcal/m.h. OC a 100 OC
0.026 kcal/m.h. OC a 200 OC
0.031 kcal/m.h. OC a 300 OC
2.3 Propiedades fisico-químicas
Se clasifican en este renglón las propiedades del agua como solvente (solubilidad,pH,....).
Para conocer estas propiedades se debe conocer la estructura real del agua.
El agua es un líquido asociado, lo que significa que se comporta como una sustancia de peso molecular superior a 18. Numerosos datos corroboran este hecho:
- una constante de Trouton igual a 25,9 cuando el valor normal es 20,7 0,8;
- un valor anormalmente alto de la temperatura de ebullición;
- el peso molecular obtenido por crioscopia es aproximadamente igual al doble del valor esperado.
Estructura de la molécula
Está constituida por dos átomos de hidrógeno ligados a un tomo de oxígeno de electronegatividad mucho más grande. Por consiguiente, el enlace OH está polarizado.
energía de formación del agua: -220 kcal/mol
longitud del enlace OH: 0,96 Å medidos en
valor del ángulo HOH: 104.5o fase vapor
momento dipolar: 1.84 D (en un solvente inerte)
constante dieléctrica: 80 u.e.s.
Estructura del agua líquida
Debido a su carácter dipolar, el agua tiende a organizarse de manera a tener los átomos de hidrógeno vecinos de los átomos de oxígeno de las otras moléculas. Existe así una asociación con carácter de pseudoenlace llamada "enlace de hidrógeno" con una energía del orden de 2 a 3 kcal.
El modelo de asociación más admitido para las moléculas de agua es el tetraédrico constituido por 9 átomos con:
O-H = 1,0 Å
O---H = 1,76 Å
ángulo HOH = 104,5 O
Debido a su carácter, el agua tiende a asociarse con los dipolos o iones y constituye un excelente solvente. El agua disuelve en un grado más o menos mayor todas las sustancias que presentan cierto carácter de salinidad o polaridad. Cuando es muy pura el agua es muy agresiva. A medida que la concentración en soluto aumenta esta agresividad disminuye muy rápidamente. Las sustancias que se disuelven con facilidad en el agua son las que pueden asociarse formando enlaces de hidrógeno o que pueden ionizarse suficientemente y conducen a iones fácilmente solvatados por el agua.
Solubilidad de los gases
Solubilidad en cm3/litro de agua
| T oC | H2 | O2 | N2 | H2S | CO2 | SO2 | NH3 |
| 0 | 21,5 | 49 | 24 | 4670 | 1700 | 79800 | 1050000 |
| 20 | 18,2 | 31 | 16 | 2580 | 880 | 39400 | 654000 |
| 30 | 16,0 | 19 | 11 | | | | |
Caso del aire
Solubilidad en cm3/litro de agua
| T oC | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| Aire | 29,2 | 25,7 | 22,9 | 20,5 | 18,7 | 17,1 | 15,7 |
| O2 | 10,2 | 8,9 | 7,9 | 7,0 | 6,4 | 5,8 | 5,3 |
| N2 | 19,0 | 16,8 | 15,0 | 13,5 | 12,3 | 11,3 | 10,4 |
Solubilidad de las sales
| | TOC | g/l | | | TOC | g/l |
| NaCl | 30 | 264 | | CaCl2 | 20 | 427 |
| Na2SO4 | 20 | 162 | | CaSO4,2H2O | 18 | 2 |
| NaHCO3 | 10 | 76 | | Ca(HCO3)2 | 15 | 1,9 |
| NaHCO3 | 60 | 140 | | CaCO3 | 20 | 0,03 |
| Na2CO3 | 20 | 178 | | MgCO3 | 20 | 0,08 |
| Na3PO4 | 20 | 100 | | Al2(SO4)3,18H2O | 20 | 517 |
Solubilidad de los compuestos orgánicos
La solubilidad es función de las propiedades del soluto: salinidad, posibilidad de enlace de hidrógeno, polaridad de los enlaces y polarizabilidad de los enlaces y moléculas.
Los alcanos son insolubles; sin embargo, los de bajo número de átomos de carbono forman hidratos que son unos sólidos blancos donde las moléculas de hidrocarburos se quedan bloqueadas en la red cristalina del agua.
Los alcoholes de bajo número de tomos de carbono son solubles en cierta proporción. Solo el metanol y etanol son totalmente solubles. A partir del C9, los alcoholes son prácticamente insolubles.
Los ácidos hasta C4 son infinitamente solubles (excepto el isobutírico).
Este conjunto de datos puede explicarse considerando que la molécula orgánica est constituida de dos partes:
- una parte hidrofílica (polar o asociativa)
- una parte lipofílica (orgánica)
Es evidente que una molécula que presenta varios puntos hidrofílicos es particularmente soluble (caso de los azúcares).
Ionización y pH
2 H2O ==== H3O+ + OH-
K = [H3O+][OH-]/[H2O]2
Ke= [H3O+][OH-]
| TOC | 18 | 22 | 25 | 35 | 37 | 40 | 100 | 218 |
| Ke 1014 | 0,74 | 1,00 | 1,27 | 2,71 | 3,13 | 3,80 | 48 | 461 |
| pH neutralidad | 7,07 | 7,00 | 6,94 | 6,78 | 6,75 | 6,71 | 6,16 | 5,67 |
Según Loewenthal y Marais (1976):
pKe = 4787,3 / T + 7,1321 logT + 0,010365 T – 22,801
donde T es la temperatura en Kelvin.
El pH de neutralidad varía con la temperatura pero es un grave error decir que el agua se acidifica cuando aumenta la temperatura.
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