2013

AGUA

QUÍMICA MENCIÓN

QM-40

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INTRODUCCIÓN

La importancia del agua es enorme, es fundamental para la vida, es indispensable para mantener

la higiene, y con ella la salud; se utiliza en la industria como medio de enfriamiento y de

generación de vapor; en el campo es esencial para los cultivos; en las ciudades se emplea

también para el riego, el drenaje de desperdicios, el control de incendios y el llenado de lagos,

canales y represas.

El agua es en muchos aspectos una sustancia única, es el disolvente más frecuente, es líquido a

temperatura ambiente (en un intervalo de temperatura amplio). No es inflamable ni tóxica y, lo

que es más importante, disuelve una gran cantidad de sustancias.

Para poder obtener un conocimiento fundamental de las propiedades del agua, es necesario estar

familiarizado con su estructura.

Propiedades estructurales:

La molécula de agua tiene geometría angular

El ángulo de enlace H-O-H tiene un valor de 104,45º y los enlaces son de tipo covalente

polar.

Dado que el átomo oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno se generan polos

positivos y negativos en su estructura (la molécula presenta un dipolo). Muchos de los

hechos que se detallan más tarde son una consecuencia de esta polaridad.

Las moléculas de agua son polares, razón por la cual es un excelente disolvente de múltiples

sustancias polares.

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INTERACCIONES INTERMOLECULARES

Debido a que todas las moléculas de agua presentan un dipolo, los átomos de hidrógeno se

encuentran enlazados al oxígeno más próximo mediante una interacción covalente (enlace). Sin

embargo, en estado líquido y sólido (moléculas más próximas), el átomo de hidrógeno se

encuentra atraído débilmente al átomo de oxígeno de otra molécula mediante un tipo de atracción

conocido como enlace de hidrógeno (puente de hidrógeno).

Este enlace se puede describir como el resultado de la atracción electrostática entre un átomo de

hidrógeno con carga parcial positiva en la molécula y un átomo oxígeno con carga parcial negativa

de otra.

Los enlaces de hidrógeno, que mantienen unidas entre sí a las moléculas de agua en el hielo, son

considerablemente más fuertes que las fuerzas de Van Der Waals que existen entre las moléculas

de la mayor parte de los estados líquidos y sólidos, pero son mucho más débiles que la mayoría

de los enlaces covalentes.

La estructura del hielo permite la existencia de un número máximo de enlaces de hidrógeno (uno

por cada átomo). La estructura resultante es poco usual ya que contiene una considerable

cantidad de espacio vacío. Si la estructura espacial en el hielo fuese compacta y los átomos de

oxígeno e hidrógenos ocupasen los espacios existentes, la densidad sería por lo menos de 1,9

g/cc, en vez de 0,917 g/cc que es el valor promedio calculado.

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PROPIEDADES MACROSCÓPICAS Las propiedades de la materia (visibles, medibles y observables) relacionadas con las alteraciones

en su estructura, o bien, los fenómenos que competen a un cambio es su estructura íntima,

(reacciones de descomposición, electrólisis, ácido-base, entre otras), guardan relación en gran

medida con la masa de materia sometida a análisis.

El agua es un compuesto con una masa molar pequeña, contrariamente sus propiedades físicas y

químicas presentan magnitudes elevadas y bastante particulares. La densidad anómala en estado

sólido, la gran capacidad calorífica y la elevada tensión superficial son algunos ejemplos.

Previo al análisis conviene agrupar las distintas propiedades de acuerdo con su naturaleza y

características:

Propiedades extensivas de la materia

Una propiedad extensiva es aquella que depende de la cantidad de material que se examine

(volumen y masa por ejemplo).

Propiedades intensivas de la materia

Una propiedad es intensiva cuando NO depende de la cantidad de material examinado (color,

punto de fusión, densidad, etc.)

Analicemos algunas propiedades relevantes observables en el agua:

ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN

La gran fuerza de cohesión entre las moléculas de agua, se justifica por la gran tendencia a unirse

con otras moléculas vecinas (interacciones puente de hidrógeno), lo que la convierte en un líquido

prácticamente incompresible, capaz de conferir volumen y turgencia a muchos seres vivos uni o

pluricelulares y con un punto de ebullición anormalmente alto (comparado con otras

moléculas de similar masa molar).

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ELEVADA TENSIÓN SUPERFICIAL

Otra de las propiedades fisicoquímicas particulares en el agua es su tensión superficial. Como se

sabe, las moléculas de la superficie en una fase líquida o sólida (interfase) poseen menos

moléculas que aquellas ubicadas en su interior. Este hecho permite que la distancia de separación

molécula-molécula sea ligeramente mayor en la interfase, lo que les confiere un exceso de

energía (tensión en la superficie).

La tensión superficial representa la energía necesaria para aumentar el área de la interfase en una

unidad. Se expresa, por tanto, en unidades de energía por cada unidad de área: J/m2.

El agua presenta una tensión superficial comparativamente mayor que la de otros líquidos de

similar masa molar, en parte debido a la existencia de los puentes de hidrógeno. Un ejemplo, es

cuando de compara con el etanol, un alcohol orgánico que si bien tiene mayor masa molar,

también presenta interacciones puente de hidrógeno. A 25ºC, el valor para la tensión superficial

en el agua es de 72 mJ/m2, mientras que para el etanol a la misma temperatura es de 21 mJ/m2.

La presencia de solutos en disolución acuosa modifica el valor para la tensión superficial. Las

sustancias hidrófilas en disolución incrementan su valor, en cambio, la disolución de sustancias

hidrófobas lo disminuyen.

Esta elevada tensión superficial hace que el agua a temperatura ambiente sea líquida y

no gas.

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CAPILARIDAD

Es la propiedad que tienen los líquidos que dependen de su tensión superficial, que le otorga la

capacidad de subir o bajar por un tubo capilar de un radio determinado. Esto hace que el agua del

subsuelo, en caso de terrenos húmedos ascienda por pequeños poros, lo que hace que se vean las

típicas manchas de humedad en paredes y en el caso de arbustos y árboles el agua llegue a las

hojas de mayor altura.

DENSIDAD DEL AGUA

La presencia de enlaces puente de hidrógeno también incide en los valores de densidad que el

agua evidencia. En fase líquida su densidad es mayor que en fase sólida. Además presenta un

comportamiento anómalo en el sentido de que este valor se modifica con la temperatura,

aumentando conforme se enfría hasta un valor máximo (1,000 g/mL) a 3,98ºC. Bajo este valor de

temperatura la densidad disminuye.

Cuando el agua solidifica y forma hielo, su valor de densidad disminuye. A 0ºC toma un valor de

0,917 g/mL. Este comportamiento es muy raro y se asocia al incremento de volumen que se

produce como consecuencia del aumento del número de puentes de hidrógeno.

Cuando el hielo funde, solo se destruye alrededor de un 12% del número de enlaces puente de

hidrógeno, por lo que el líquido conserva, a 0 ºC, la mayor parte de su estructura sólida. La

ruptura de enlaces de hidrógeno permite que algunas moléculas de agua puedan situarse a mayor

proximidad unas de otras. Esta es la razón por la que la densidad del agua es ligeramente mayor

que la del hielo y permite que éste flote sobre el líquido.

Conforme aumenta la temperatura, la densidad del agua se modifica por dos motivos. Por un

lado, el aumento de la temperatura (entre 0ºC y 4ºC) facilita la disminución del número de

enlaces de hidrógeno aumentando el valor para su densidad. Sin embargo, el incremento de

temperatura, representa una mayor energía cinética molecular, vale decir, mayor velocidad en los

movimientos moleculares, produce un efecto de expansión, aumentando el volumen y

produciéndose el consiguiente descenso en la densidad. De estos dos factores, el primero

predomina entre 0º y 4ºC, mientras que el segundo ocurre sobre los 4ºC resultando de ambos

que la densidad del agua tiene un valor máximo a 3.98ºC.

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Densidad máxima

Densidad máxima

3,9

8 º

C

ºC

Densidad (g/cm3)

1

0,9

0,8

0 ºC Temperatura (ºC) 4 ºC

ELEVADO CALOR ESPECÍFICO (cal/ºC·g)

Para poder evaporar agua líquida se necesita una gran cantidad de calor. Lo curioso es que el

agua es un compuesto con una masa molar pequeña, sin embargo se necesita 1 caloría para

elevar en tan sólo 1 grado centígrado la temperatura de 1 gramo de agua. Con este calor, se

rompen los enlaces puente de hidrógeno que mantienen cohesionadas a las moléculas en estado

líquido y luego, parte de ese calor, permite que las moléculas ganen energía suficiente para pasar

al estado gaseoso.

El alto valor para el calor específico la convierte es un buen amortiguador térmico que mantiene

prácticamente constante la temperatura interna de los seres vivos a pesar de las variaciones

externas.

ALTO CALOR DE VAPORIZACIÓN

La cantidad de calor necesaria para evaporar (paso al estado vapor) 1 gramo de agua es de

alrededor de 540 calorías. Un valor excesivo tratándose de un compuesto con una masa molar

extraordinariamente pequeña. El elevado calor de vaporización permite, por ejemplo, disipar

grandes cantidades de calor corporal evaporando pequeñas cantidades de agua en el sudor.

ELEVADA CONSTANTE DIELÉCTRICA (e)

El agua presenta uno de los valores de constante dieléctrica más altos (comparada con otros

líquidos). La constante dieléctrica, o permitividad eléctrica relativa de un medio, representa la

cantidad de veces que la fuerza de acción recíproca (atracción o repulsión) entre dos cargas

eléctricas en dicho medio es menor que en el vacío, en otras palabras, la constante dieléctrica

da cuenta de la capacidad del medio disolvente para “anular” las cargas y por tanto

permitir la disolución de sustancias. Este elevado valor de e convierte al agua en un excelente

disolvente de especies iónicas y polares (por solvatación o hidratación).

Debido a su alto momento dipolar, las moléculas de agua orientan sus dipolos alrededor de las

cargas iónicas y de las moléculas polares, rebajando la fuerza con la que interaccionan entre sí y

dando lugar a especies hidratadas en disolución. Esta propiedad permite que las sales

cristalizadas y otros compuestos iónicos se disocien en sus respectivos iones (cationes y aniones),

los que son atraídos (y “anulados”) con fuerza por los dipolos del agua.

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Además, debido a su polaridad, el agua disuelve con facilidad otros compuestos no iónicos, pero

que presentan grupos funcionales polares (como alcoholes, aldehídos y cetonas) al establecerse

enlaces de hidrógeno entre ellos. El agua también dispersa, formando micelas con muchos

compuestos anfipáticos (que poseen simultáneamente grupos polares y no polares).

Todo ello la convierte en la sustancia disolvente por excelencia. Esta capacidad es responsable de

dos importantes funciones del agua en los seres vivos:

a) Es el vehículo de transporte que permite la circulación de sustancias en el interior de los

organismos y en su intercambio con el exterior.

b) Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquímicas, ya que la mayor parte de las

biomoléculas se encuentra disuelta en ella y necesita un medio acuoso para interaccionar.

ALGUNAS PROPIEDADES QUÍMICAS

La casi totalidad de las reacciones asociadas con la vida animal y vegetal necesitan agua para

ocurrir; hasta la putrefacción de la materia orgánica requiere la presencia de humedad, por esta

razón las frutas y las carnes secas, tardan mucho más en descomponerse y la desecación de los

alimentos constituye el método más económico e importante para conservarlos.

Algunas reacciones del agua:

Descomposición: 1600ºC

2(g) 2(g)Pt22H O 2H + O

Electrólisis: H+

2(g) 2(g)Electricidad22H O 2H + O

Reacción con metales alcalinos: K + H2O 2 KOH + H2(g)

Reacción con óxidos básicos: Na2O + H2O 2 NaOH

Reacción con óxidos ácidos: SO3 + H2O H2SO4

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EL CICLO DEL AGUA

Sólo 1/4000 de la masa del planeta es agua, de acá, tres cuartas partes de la superficie terrestre

están cubiertas por agua (aproximadamente un 98% es agua salada).

CICLO

La lluvia cae sobre la Tierra en grandes cantidades, sin embargo, la mayor parte del agua de

lluvia cae sobre el mar o en regiones inaccesibles, poco menos de un 2% del agua de la Tierra se

encuentra congelada en los casquetes polares, lo que deja menos del 1% disponible como agua

dulce. El agua se evapora constantemente de las superficies, tanto acuáticas como terrestres.

Este vapor de agua se condensa en nubes y regresa a la Tierra en forma de lluvia, aguanieve y

nieve. Esta agua dulce forma parte de los casquetes polares, fluye en forma de arroyos y ríos,

llenando los lagos y depósitos subterráneos. El reciclaje del agua renueva nuestro suministro de

agua dulce. El agua de lluvia acarrea partículas de polvo de la atmósfera al suelo, y también

disuelve un poco de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono mientras cae a través del aire.

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LAS AGUAS DURAS

El agua que contiene un exceso de sales de calcio, magnesio o hierro se denomina agua dura.

Cuando los iones metálicos (Ca+2 y Mg+2) reaccionan con los aniones del jabón forman una

sustancia insoluble, impidiendo la acción limpiadora del jabón, por lo tanto, este tipo de agua no

debe ser usada para cocinar alimentos, ni industrialmente porque forma costras en las calderas.

Es necesario remover las sales de calcio y magnesio para poder ser utilizadas, ya sea doméstica o

industrialmente, mediante un proceso denominado ablandamiento y que consiste en precipitar

esas sales o utilizar resinas denominadas de intercambio iónico, que retienen los iones Ca+2, Mg+2,

Fe+3 y los cambian por otros cationes que no causan problemas.

La dureza del agua puede ser:

temporal (debido a iones bicarbonato HCO3-), que se elimina con hacer hervir el agua,

provocando la precipitación de la dureza en forma del conocido “sarro”.

permanente (debido a iones sulfatos SO42-), que se precipitan con “ablandadores”.

Algunas de las reacciones que permiten eliminar la dureza permanente del agua se presentan a

continuación:

Con carbonato de sodio o sosa

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4

Con fosfato trisódico (Na3PO4)

PO4-3 + H2O HPO4

-2 + OH-

3 Mg+2 + 2 PO4-3 Mg3(PO4)2

Intercambio de iones, tratamiento con zeolita (Silicato doble de sodio y aluminio)

NaAlSi2O6 + Ca+2 Ca(AlSi2O6)2

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LAS AGUAS NEGRAS

Los microorganismos patógenos presentes en el agua son un problema que tiene su origen en la

materia orgánica presente en el agua. La descomposición bacteriana de esta materia orgánica

agota el oxígeno disuelto en el agua y las transforma en aguas negras. Una vez que se agota

todo el oxígeno presente en un efluente de agua, predominan los procesos anaerobios de

descomposición, generándose gases como NH3, H2S y CH4.

Cuando un efluente con materia orgánica sufre descomposición, los productos de desecho

gaseosos causan problemas de salubridad y muerte de ese ecosistema. Una medida de la cantidad

de oxígeno necesaria para esta degradación es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Cuanto

mayor es la cantidad de desechos orgánicos degradables, mayor será el valor para la DBO. Si la

DBO es lo bastante alta, se asume agotamiento del oxígeno y ningún ser vivo (con excepción de

los anaerobios) puede sobrevivir en el efluente.

AGUAS ÁCIDAS En su caída, las aguas lluvias arrastran por disolución algunos contaminantes atmosféricos, como

óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre, que se convierten en ácido nítrico (HNO3) y sulfúrico

(H2SO4).

SO3 + H2O H2SO4

Éstos ácidos caen sobre la Tierra como lluvia, nieve o simplemente niebla ácida. Algo similar

ocurre con los óxidos de nitrógeno en la atmósfera.

AGUA POTABLE

Son aquellas aptas para beber y contienen sustancias como sales de Mg, Ca, Na, K y aire, debe

estar libre de microorganismos patógenos, nitritos, nitratos y material orgánico.

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En muchos casos el agua que bebemos proviene de presas, lagos y ríos .Esta agua podría estar

muy contaminada con sustancias químicas y microorganismos patógenos. Lograr que esta agua

sea segura y aceptable para el paladar implica varios pasos de tratamiento químico y físico.

ETAPAS GENERALES DE OBTENCIÓN

1. Procesos Físicos:

Eliminación de ripios, ramas, papeles, gravillas y arenas (tamizado).

Decantación.

Filtración.

2. Procesos Físico-Químicos:

Coagulación o floculación

Cloración

Fluoración.

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Esquema detallado para la obtención de agua potable

CAPTACIÓN

El agua cruda se obtiene de dos fuentes distintas, aguas superficiales (lagos y ríos) y aguas

subterráneas (pozos profundos). En esta etapa se eliminan los sólidos grandes como basura,

ramas y hojas que pudiese contener el agua.

DESARENACIÓN Y O TAMIZADO

En esta etapa el agua es conducida a estanques desarenadores, en donde se disminuye la

velocidad del agua y por efecto de la gravedad, la arena existente decanta, y el agua se aclara.

COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN

En esta etapa se agregan al agua coagulantes como cloruro férrico AlCl3 y sulfato de aluminio

Al2(SO4)3 que facilitan la aglomeración de partículas pequeñas aún existentes en el agua,

haciéndolas más pesadas. La coagulación es un proceso que consiste en la desestabilización de las

partículas coloidales a través de la neutralización de sus cargas, generalmente negativas.

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DECANTACIÓN

Las partículas aglomeradas por efecto de la gravedad se depositan en el fondo del estanque, lo

que produce la clarificación del agua.

FILTRACIÓN

A continuación el agua se somete a un filtrado que permite eliminar los flóculos al quedar

retenidos en el sistema de filtros. Los filtros están formados con capas de principalmente carbón

activo, arena y gravilla.

CLORACIÓN

Al agua ya filtrada se le incorpora cloro para la eliminación de microorganismos patógenos

presentes como bacterias y hongos, además contribuye a la eliminación de olores.

ADICIÓN DE FLÚOR

El último paso es agregar flúor al agua como medida general para prevenir la formación de caries.

Los contenidos óptimos son del orden de 1,5-2,5 mg/L, contenidos mayores provocan aparición de

fluorosis dental.

AGUAS RESIDUALES Y SU TRATAMIENTO Las aguas residuales son aquellas aguas producidas (contaminadas) durante las actividades del

hombre ya sea en procesos industriales, domésticos, agrícolas, pecuarios y en general de

cualquier otra actividad. Respecto de los contaminantes que contiene, se diferencian de acuerdo

con la procedencia y actividad realizada, por ejemplo las aguas municipales (casas) están

contaminadas principalmente con materia orgánica y detergentes. Aquellas usadas en trabajos

agrícolas y ganaderos contienen principalmente pesticidas y fungicidas y desechos orgánicos de

animales. Para evitar los daños a la salud y el medio ambiente estas aguas residuales se tratan.

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Es interesante hacer un poco de historia, ya que el proceso de lodos activados nació precisamente

del estudio al río Támesis durante la revolución industrial, cuando grandes volúmenes de contaminantes eran descargados en sus aguas.

Tras observación y experimentación descubrieron que existía un lodo activo que se encargaba de

la limpieza del agua. Posteriormente descubrieron que ese lodo activo se conformaba de colonias

de bacterias –principalmente e-colli, proveniente de la flora intestinal de humanos y animales-

que se encargaba de digerir los contaminantes, y que el oxígeno suministrado por cascadas,

rápidos, etc. evitaba la producción de olores (al contrario de lo que pasaba en los pantanos y aguas estancadas donde no había suministro de oxígeno).

En un principio, las plantas de tratamiento se desarrollaron con métodos empíricos, y para los

años 70’s, las normas de descarga se volvieron sumamente estrictas, lo que motivó el desarrollo

de un tratamiento secundario del agua residual. El sistema de lodos activados resultó tan

confiable y seguro, que actualmente más del 70% del agua tratada a nivel mundial se realiza con

este sistema sus diferentes modalidades.

TRATAMIENTO

TRATAMIENTO PRIMARIO

Consiste en la eliminación del material sólido (palos, piedras, hojas) mediante métodos mecánicos

como filtración, flotación y sedimentación (decantación).

TRATAMIENTO SECUNDARIO

En esta etapa se elimina hasta el 90% de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. La

eliminación se produce por procesos fisicoquímicos (lodos activados, aireación y métodos

anaerobios).El tratamiento secundario más común es el de los lodos activados donde las aguas

residuales provenientes del tratamiento primario pasan a un tanque de aireación en donde se

burbujea aire u oxígeno, desde el fondo del tanque para favorecer el rápido crecimiento de

bacterias y otros microorganismos. Las bacterias utilizan el oxígeno para descomponer los

desechos orgánicos de estas aguas. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman el lodo

activado, el cual sedimenta y se lleva a un tanque digestor aeróbico para su degradación.

Finalmente este lodo se utiliza en la fertilización de campos de cultivo, (aunque también se

incinera o se lleva a un relleno sanitario). Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas

se elimina cerca del 90 % de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica.

TRATAMIENTO TERCIARIO

Se denomina tratamiento terciario a cualquier tratamiento que se realice después de la etapa

secundaria, el fin de este tipo de tratamiento es eliminar la mayor cantidad de desechos antes de

enviar las aguas nuevamente a un río o directamente al mar.

Las operaciones que se utilizan en los tratamientos terciarios son: adsorción por carbón activado,

osmosis inversa, microfiltración, intercambio iónico, electrodiálisis, cloración y ozonización.

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Esquema detallado para el tratamiento

Tratamiento primario

Tratamiento secundario

Tratamiento terciario (osmosis inversa)

DMTR-QM40

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