DETERMINACIÓN DE ALCALINIDAD EN UNA MUESTRA PROBLEMA

ALKALINITY DETERMINATION IN A TEST SAMPLE

JEFERSON DAVID MESA JURADO UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO, FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y TECNOLOGÍAS

LABORATORIO –CONTROL DE CALIDAD

RESUMEN La alcalinidad es la capacidad ácidoneutralizante de una sustancia química en solución acuosa y es la medida de la capacidad tampón de dicha solución acuosa, o lo que es lo mismo, la capacidad de ésta para mantener su pH estable frente a la adición de un ácido o una base. Las determinaciones de alcalinidad pueden dar estimaciones exactas de las concentraciones de los iones que la componen, hidróxido,bicarbonato y carbonato.En esta práctica de laboratorio se analizó la muestra problema No 13para determinar el contenido de iones que le generan alcalinidad por medio de valoraciones volumétricas, logrando determinar gran presencia de iones carbonato y bicarbonato. Palabras Claves:alcalinidad, ion, carbonato, bicarbonato, valoración volumétrica, curva de valoración, punto de equilibrio, material volumétrico.

ABSTRACT The alkalinity is the ability of a chemicalacidoneutralizante in aqueous solution and is a measure of the ability of an aqueous buffer, or what is the same, the capacity thereof to maintain the pH stable to the addition of an acid or a base. Determinations of alkalinity can give accurate estimates of the concentrations of ions that compose it, hydroxide, bicarbonate and carbonate. In this lab analyzed the sample No. 13 to determine the content of ions that generate alkalinity by volumetric titration, obtaining determine large presence of carbonate and bicarbonate ions. Key Words:alkalinity, ion, carbonate, bicarbonate, titration, titration curve, equilibrium, volumetric.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:

- Determinar la cantidad de iones hidroxilo, carbonato y bicarbonato presentes en una muestra problema,aplicando el método volumétrico para la determinación cuantitativa de estos iones en mezclas compatibles.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

- Establecer la naturaleza de las especies alcalinaspresentes en la muestra.

- Determinar el agente valorante adecuado para las valoraciones volumétricas de la muestra problema.

- Calcular la cantidad de las especies alcalinas presentes en la muestra problema.

INTRODUCCIÓN La alcalinidad de un agua es su capacidad para neutralizar ácidos y constituye la suma de todas las bases titulables. El valor medido puede variar significativamente con el pH de punto final utilizado. La alcalinidad es la medida de una propiedad agregada del agua, y solamente puede interpretarse en términos de sustancias específicas cuando se conoce la composición química de la muestra. Es muy importante en muchos usos y tratamientos de agua naturales y residuales. La alcalinidad de muchas aguas de superficie depende primordialmente de su contenido en carbonatos (CO3

-2) ybicarbonatos (HCO3

-) e hidroxilos (OH-), por lo que suele tomarse como una indicación de la concentración de estos componentes. Los valores determinados pueden incluir también la contribución de boratos, fosfatos, silicatos y otras bases, cuando se hallen presentes. La alcalinidad por exceso de metales alcalinotérreos tiene importancia para la determinación de la aceptabilidad de un agua para irrigación. Las determinaciones de alcalinidad se utilizan en la interpretación y el control de los procesos de tratamiento de aguas limpias y residuales. Las aguas residuales domesticas tienen una alcalinidad menos (o sólo ligeramente mayor) que la del suministro. Los digestores anaerobios que actúan adecuadamente presentan alcalinidades sobrenadantes típicas con cifras de 2000 a 4000 mg de carbonato cálcico. El agua pura químicamente H2O es una sustancia neutra, que no manifiesta carácter alcalino ni cualidades ácidas. Pero las aguas naturales, aun las que tengan un alto grado de pureza, contienen soluciones diluidas de gases atmosféricos y de minerales del suelo y son estos productos los encargados de suministrarles o comunicarles a las aguas las propiedades ácidas y alcalinas que estas pueden poseer. La alcalinidad es producida por sustancias que al contacto con el agua, es decir, por hidrólisis producen iones hidroxilo OH-, así por ejemplo la cal, los carbonatos y bicarbonatos, son productos que le comunican alcalinidad a las aguas, de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Ca(OH)2 Ca++ + 2OH- Cal ión calcio + 2 iones hidroxilos

CO-23 + 2 H2O H2CO3 + 2OH

Carbonato

HCO-3 + H2O H2CO3 + OH

Bicarbonato

Podríamos decir también que la alcalinidad, es la capacidad que tiene una sustancia de juntarse con iones H+, lo que originaría moléculas de agua así:

OH- + H+ H2O

La alcalinidad del agua no es una propiedad inherente a ella, si no que deriva directa o indirectamente de algunos solutos, que la acompañan en su recorrido o sitio de almacenamiento transmitiéndole esta propiedad. En los procesos de coagulación del tratamiento del agua, se añade corrientemente cal con el fin de incrementar la alcalinidad del agua que deba tratarse, sin embargo para la coagulación de los fangos concentrados en el tratamiento del agua residual, frecuentemente se lava el fango con el fin de reducir la alcalinidad antes de añadir un coagulante metálico. Los bicarbonatos y los carbonatos pueden producir CO2 en el vapor, que es una fuente de corrosión en las líneas de condensado. También pueden producir espumas, provocar arrastre de sólidos con el vapor y fragilizar el acero de las calderas. Se distingue entre la alcalinidad total o título alcalimétrico total (TAC), medida por adición de ácido hasta el viraje del anaranjado de metilo, a pH entre 4,4 y 3,1, también conocido como alcalinidad m, y la alcalinidad simple o título alcalimétrico (TA), medida por el viraje de la fenolftaleína, a pH entre 9,8 y 8,2, conocido como alcalinidad p. A partir de ambas mediciones se pueden determinar las concentraciones en carbonato, bicarbonato e hidroxilo. El término alcalinidad tal como está presentado podríamos decir que no está bien usado, puesto que decimos, que el agua con un pH de 7,0 en neutra y aguas con un pH > 7,0 son alcalinas y de pH < 7,0 son ácidas, pero la realidad es que en las aguas encontramos alcalinidad hasta un pH de 4 a 5, esto debido que para este caso específico, y sobre todo en aguas naturales, la alcalinidad es producida por el ion bicarbonato y este permanece en el agua, hasta valores de pH entre 4 a 5. - Alcalinidad al hidróxido solamente: si la muestra contiene solamente alcalinidad el hidróxido, no podrá detectarse en ella sino alcalinidad a la fenolftaleína (F), la cual representará toda la alcalinidad que la muestra tiene, es decir F=T. El valor de la alcalinidad de carbonato será cero. Las aguas con un alto, por encima de 10 cm con las que contiene generalmente alcalinidad al hidróxido. - Carbonato solamente: Si la muestra contiene alcalinidad carbonática dará en la titulación valores iguales de F y M, es decir alcalinidad a la fenolftaleína y al naranja de metilo (M). Entonces F=M porque cada uno de los indicadores mide la mitad del carbonato, entonces el valor de la alcalinidad carbonática será 2M o 2F o T, es decir el valor de la alcalinidad a la fenolftaleína o al naranja de metilo multiplicado por dos. Las muestras con pH superior a 9,5 son las que presentan la alcalinidad al carbonato. - Bicarbonato solamente: estas muestras presentarán alcalinidad al naranja de metilo, es decir M y esta será igual a la alcalinidad total y F (alcalinidad a la fenolftaleína) será igual a cero. Las

muestras de agua que contienen alcalinidad bicarbonática son aquellas que tienen un pH menor o igual a 8,3. M = alcalinidad bicarbonática = alcalinidad total. - Hidróxido y carbonato: Si la muestra contiene alcalinidad cáustica y carbonática simultáneamente, ofrecerá valores de F y M, pero aquí los valores de M tendrán que ser mayores de F, es decir F puede ser menor que T/2 (alcalinidad total sobre dos). Alcalinidad carbonática = 2M o 2 (T - F). Alcalinidad cáustica = (T - 2F) o (2F - T). - Carbonato y bicarbonato: si la muestra contiene alcalinidad carbonática y bicarbonática presentará como en el caso anterior valores de F y M, pero aquí los valores de M tendrán que ser mayores que los valores de F, es decir F debe ser menor que T/2 (alcalinidad total sobre dos). Las muestras de agua con alcalinidad carbonática y bicarbonática tienen normalmente un pH mayor a 8,3 y menor que 11,0. Los cálculos se pueden hacer así: Alcalinidad carbonática = 2F Alcalinidad bicarbonática = (T – 2F) Se supone que no hay alcalinidad cáustica. La alcalinidad al hidróxido o alcalinidad cáustica, normalmente está ausente de las aguas naturales no contaminadas, casi ninguna corriente de agua contiene alcalinidad carbonática manifiesta, y teóricamente deben ser aguas de un pH menor de 8,3. Sin embargo algunas aguas superficiales contienes un pH mayor de 8,3 especialmente por la presencia de carbonato y silicatos (SiO3

-). Lo normal es que la alcalinidad carbonática de las aguas sea menor de 1 mg/L. Las aguas muy cargadas de CO2, pueden tener grandes cantidades de alcalinidad en forma de bicarbonato, esto sucede muy comúnmente en lagos o aguas represadas, que contienen gran cantidad de algas como sucede por ejemplo en la región de Urabá, donde el fenómeno que se sucede lo podemos describir brevemente así: Las algas utilizan el CO2 en su actividad fotosintética, especialmente en aguas poco profundas, haciendo que el pH suba a valores tan altos como 10, y en la noche las algas en vez de consumir, producen CO2, aspecto este que tiende a bajar el pH como conclusión podríamos decir que las aguas de las fuentes de abastos en regiones como Urabá son muy alcalinas. En términos sanitarios el uso del valor de alcalinidad de las aguas, solo es importante para la realización de diversos tratamientos, como ablandamiento, coagulación. Si todas las bases, productoras de alcalinidad de las aguas, son sales de Ca y Mg la alcalinidad y dureza, serán resultados iguales, pero si la alcalinidad total es mayor que la dureza, quiere esto decir, que hay

otro tipo de sales, además de las de Ca y Mg, que pueden ser de Na y/o K. Ahora si la alcalinidad es menor que la dureza, el agua debe tener sales de Ca y Mg, que no tienen carbonatos sino sulfatos. El valor de alcalinidad para aguas de uso doméstico debe ser menor de 10 mg/L. .*9-

METODOLOGIA

Para realizar las valoraciones, se realizó una prueba con una cantidad de muestra agregando fenolftaleína (FF), si esta se pone rosada indica que hay especies básicas para lo cual debemos valorar con un ácido estándar. Si se pone incoloro indica que hay especies ácidas y se debe de valorar con una base estándar y con naranja de metilo (NM) como indicador (dando coloración naranja). Como se determinaron especies básicas se tomaron alícuotas de 10mL de la muestra y se les adicionófenolftaleína como primer indicador (Viraje: rosado - incoloro), se valoró con H2SO4estándar y luego se le adicionó el segundo indicador que es el naranja de metilo (Viraje: naranja - rojo) y se siguió valorando con H2SO4 hasta cambio de coloración.

PROCEDIMIENTO

La muestra que se analizó fue la No 13. Esta se aforo en el balón No 1 de 100mL previamente calibrado y luego se midió su pH que fue de 11,3, esto confirmó la presencia de especies básicas y que debía usar un agente valorante de comportamiento ácido. Para realizar la valoración se adicionó una alícuota de 10mL de la muestra problema a un erlenmeyer y luego se adicionaron 3 gotas del indicador fenolftaleína. Luego de esto la solución se tornó de un color rosado - violeta (Figura 1).

Figura 1. Coloración al adicionar el indicador fenolftaleína a la muestra.

El agente valorante a utilizar fue el H2SO4 0,2 N, este se adicionó a una bureta de 10 mL previamente calibrada y se enrazo hasta la marca de 0 mL, evitando la presencia de burbujas en el pico de esta.

En la primera valoración se gastaron 0,5 mL de H2SO4 0,2 N para llegar al punto de equivalencia que es cuando la solución se torna de un color rosado tenue. Como se gastó tan poca cantidad del agente valorante, esto nos indicaba que estaba demasiado concentrado para valorar la muestra, por eso se procedió a diluirlo. Para esto se tomó una alícuota de 10 mL y se diluyó en un balón de 100 mL. Una vez diluido el agente valorante se procedió a realizar una segunda titulación, en esta se adicionó una alícuota de 10 mL de la muestra problema a un erlenmeyer y luego se adicionaron gotas del indicador fenolftaleína, y para llegar al punto de equivalencia se gastaron 3,3 mL de H2SO4 0,02 N, llegando así a un color rosa tenue (Figura 2).

Figura 2. Coloración al llegar al punto de equivalencia de la valoración con FF y H2SO4 0,02 N.

Luego a la solución se le adicionaron 3 gotas de naranja de metilo y se siguió valorando, para que al llegar a los 8,4 mL de H2SO4 0,02 N se obtuviera al segundo punto de equivalencia, con una coloración rojo-caramelo (Figura 3).

Figura 3. Coloración al llegar al punto de equivalencia de la valoración con NM y H2SO4 0,02N.

Este mismo procedimiento se realizó 5 veces y los resultados obtenidos sobre el volumen de H2SO4

gastado en cada una, se muestran en la Tabla 1:

Valoración mL H2SO4 con FF mL H2SO4 con NM mL Totales

1 3,3 5,1 8,4

2 3,1 5,0 8,1

3 3,3 5,2 8,5

4 3,2 5,1 8,3

5 3,0 5,3 8,3

Tabla 1.Volumen (mL) de H2SO4 gastado en las 5 valoraciones de la muestra problema No 13.

ANÁLISIS Y RESULTADOS Para determinar la concentración real del agente valorante, se tuvo en cuenta la concentración inicial de la solución, el factor de dilución y las respectivas correcciones de los materiales calibrados. Con ayuda de la pipeta se tomó una alícuota real de 9,900284 mL de H2SO4 0,2 N y se aforo con agua destilada en un balón aforado No 1 de 99,5301584 mL. Con la ayuda de la ecuación de dilución tenemos:

[H2SO4]= 9,900284 mL * 0,02N[H2SO4] = 0,0019894 N 99,5301584mL Se determina entonces que la concentración real utilizada en las valoraciones volumétricas no fue de 0,02 N si no de 0,0019894 N. Como las medidas volumétricas fueron realizadas con la bureta, se deben corregir de acuerdo a su curva de calibración que es:

Y = 0,9926X – 0,1185

Para obtener el volumen real de cada mL de los datos de la Tabla 1, se realizó el siguiente procedimiento: Despejamos X de la ecuación general de la bureta y remplazamos los valores de Y.

X = Y + 0,1185 / 0,9926

Donde X = mL real y Y = mL experimental

Para la valoración 1 se gastaron 3,3 mL con FF y 5,1 mL con NM, entonces los mL reales serán:

X = 3,3 mL + 0,1185 / 0,9926 X = 3,44398549mL

X = 5,1 mL + 0,1185 / 0,9926 X = 5,2574048mL

En la Tabla 2 se muestran todos los volúmenes (mL) reales de NaOH gastado en las 5 valoraciones.

Valoración mL H2SO4 con FF mL H2SO4 con NM mL Totales

1 3,44398549 5,2574048 8,58200685

2 3,24249446 5,15665928 8,2797703

3 3,44398549 5,35815031 8,68275237

4 3,34323998 5,2574048 8,48126133

5 3,14174894 5,45889583 8,48126133

𝑥 3,32309087 5,297703 8,50141044 Tabla 2.Volúmenes (mL) reales de H2SO4 gastado en las 5 valoraciones.

Para determinar la cantidad de las especies alcalinas se tuvo en cuenta la tabla de relación de alcalinidad especificada (Tabla 3.) La alcalinidad de carbonato se presenta cuando el volumen de la fenolftaleína no es 0, sino menor que el volumen total. La alcalinidad de hidróxido se presenta si el volumen de la fenolftaleína supera la mitad del volumen total. La alcalinidad de bicarbonato se presenta si el volumen de la fenolftaleína es menor que la mitad del volumen total.

Resultado Alcalinidad OH- Alcalinidad CO3-2 Alcalinidad HCO3

-

F = 0 0 0 T

F < ½ T 0 2F T – 2F

F > ½ T 2F – T 2(T – F) 0

F = T 0 0 0

F = T/2 0 2F 0 Tabla 3.Relación de alcalinidad de acuerdo al volumen de fenolftaleína (F) y el volumen total (T). Con base en la Tabla 3 se define que la relación es: F < ½ T, por ende la muestra problema No 13 contiene carbonatos y bicarbonatos. Para determinar su cantidad se realizaron los siguientes cálculos: - Alcalinidad Carbonática: 8,50141044 mL * 0,0019894eq-g * 60 mg * 2 = 0,2029 mg CO3

-2 / mL mL 1 eq-g 10 mL - Alcalinidad Bicarbonática: 8,50141044 mL * 0,0019894 eq-g * 61 mg * 1 = 0,1031 mg HCO3

- / mL mL 1 eq-g 10 mL

CONCLUSIONES

- La medición de la alcalinidad del agua es de gran importancia, puesto que sirve para fijar los parámetros del tratamiento químico que se debe realizar al agua en función en función de su uso. Además, ayuda al control de corrosión y la incrustación en los sistemas que utilizan agua como materia prima o en su proceso.

- La relación de alcalinidad de la muestra de acuerdo a los volúmenes gastados en las valoraciones con FF y NM fue F < ½ T,puesto que 3,32309087 mL < (8,50141044mL / 2).

- Teniendo en cuenta la relación de los volúmenes gastados en las valoraciones volumétricas, se determina que la muestra No 13 no presenta contenido de ion hidroxilo (OH-), solo carbonato (CO3

-2) y bicarbonato (HCO3-).

- La presencia de estos iones que generan alcalinidad en las aguas puede convertirse en un serio problema ambiental tanto para la salud pública como para el medio ambiente, puesto que genera complicaciones en el sistema inmunológico de los seres. Por eso es de gran importancia tener un control constante de estos en las aguas.

- El CO3-2 se encontró en una cantidad de 0,2029 mg/mL.

- El HCO3

- se encontró en una cantidad de 0,1031 mg/mL.

BIBLIOGRAFÍA - APHA. AWWA. WPCF. 1992. “Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales”. Editorial Diaz de Santos, primera edición, pp 2-40, 2-41, 2-42. - Baird C. 2001. “Química Ambiental”. Editorial Reverté, primera edición, pp 465-468. - Rigola Lapeña M. 1990. “Tratamiento de Aguas Industriales: Aguas de Proceso y Residuales”. Editorial quebecor.