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Universidad Mayor de San Simón Facultad de Ciencias Y Tecnología Carrera de Ingeniería Civil

Química del agua

CAPITULO 1 GENERALIDADES 1.1. INTRODUCCION. El agua es el compuesto químico que nos es más familiar, el más abundante y el de mayor significación en nuestras vidas. Aunque el agua no se considera un alimento, ya que su ingesta no genera calorías, es indispensable para la vida, pues aunque no se ingiera alimento alguno, un humano puede sobrevivir varias semanas, pero muere a los 5 a 10 días si es privado de agua. Las necesidades humanas de agua son de 2 a 5 litros diarios, entre la ingerida como tal y la incorporada en los alimentos Los antiguos consideraron el agua como uno de los cuatro elementos, siendo el aire, la tierra y el fuego los demás. Esta teoría al ser aceptada por Aristóteles, perduro durante 2000 años Hasta finales del siglo XVIII. No se reconoció que el agua era una sustancia compuesta. En 1781, Cavendish se mostró sorprendido al obtener agua por combustión de hidrógeno en el aire, y Lavoiser pudo mostrar poco después que el agua era un compuesto formado únicamente por hidrógeno y oxígeno. Casi las tres cuartas partes de la superficie terrestre están cubiertas de agua. Y se encuentra ampliamente repartida por la tierra de manera muy diversa, pero presente en todas partes.

Figura 1.1 El ciclo del agua

En estado sólido, en forma de hielo o nieve, esta cubre las regiones mas frías de la tierra. En estado líquido, en ríos lagos y mares cubre casi las tres cuartas partes de la tierra, en una profundidad que llega a rebasar en ciertos puntos once kilómetros con un valor medio de 3865 m. Lic. Maritza Arnez Torrico 1

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En estado de vapor, se encuentra en la atmósfera, en cantidades que varía según el lugar y la época del año, pero que normalmente puede alcanzar unas 50000 toneladas en el aire que gravita sobre 1 km2. Agua de mares y océanos Agua dulce de ríos, lagos y subterráneas

1.35*109 Km3 7.5*105 Km3

Agua de hielo polar y de cumbres 2.5*107 Km3 Agua de vapor atmosférico 5.1*104 Km3 Agua total de la hidrosfera 1.4*109 Km3 Cuadro 1.1 Cantidad y distribución del agua en la tierra

La materia viva contiene agua en cantidades importantes, siendo de un 70% la constituyente del cuerpo humano. Los alimentos contienen agua en proporción que varia desde un 7.3 % en la harina de avena, a un 94.7 % en la lechuga. Definitivamente, el agua es el principal fundamento de la vida vegetal y animal y por tanto, es el medio ideal para la vida, es por ello que las diversas formas de vida prosperan allí donde hay agua. 1.2. IMPORTANCIA DEL AGUA La excepcional importancia del agua desde el punto de vista químico y general: Reside: QUIMICO:

La casi totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en los organismos vivos, animales y vegetales, sino en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se realizan en el laboratorio y en la industria, tiene lugar entre sustancias disueltas esto es, entre soluciones acuosas. GENERAL:

El agua juega un papel primordial en el desarrollo de los seres vivos sobre la tierra, pudiéndose decir que es la base de la vida. En efecto, la mayor parte del organismo humano esta formado por agua y constituye el primero de sus alimentos después del aire. Es imprescindible para la higiene tanto del individuo como de su hábitat. Asimismo es fundamental para el desarrollo de los tejidos, vegetales y esta asociado a multitud de minerales y rocas. Ejerce, por tanto, una gran influencia en el desarrollo de la agricultura, industria, vías de comunicación y de las fuentes de energía. Según esto y atendiendo a su utilización podemos clasificar el agua en: Lic. Maritza Arnez Torrico 2

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Domestico

Comercial

Usos del agua

Industrial

Bebida Usos domésticos

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Higiene personal Higiene de la vivienda Vehiculo para eliminar residuos varios

Higiene Vías de comunicación Fuente de energía Incorporada a diversos productos manufacturados Como elemento auxiliar de fabricación Como refrigerante o transportador de calor Aguas para fines generales

Agrícola

Riegos Lavado de terrenos

Publico

Demanda de incendios Higiene de las poblaciones

Para la mayoría de estos usos, es de primordial interés realizar un control de calidad del agua, ya que ligeras variaciones en el contenido de alguna de las sustancias presentes pueden variar sensiblemente su calidad y hasta la pueden convertir en inservible y altamente peligrosa para la salud. De la consideración somera de los apartados, se deduce la importancia que tiene, el estudio de esta parcela de la Química del Agua, que nos enseña a usar de manera correcta una determinada agua, estudiando el origen, valoración y acción de los distintos elementos o iones presentes en ella, ya sea en disolución, ya en suspención. Pero, si de acuerdo con lo anterior, es importante esta materia, no lo es menos si consideramos que con el incremento de la industria, así como con la aglomeración del habitante humano en las ciudades, los cursos superficiales de agua e incluso en muchos casos los subterráneos se ven alterados en su composición natural, de tal manera que se convierte en inservible e incluso peligrosa, para los usos corrientes a que la destina el hombre. Esto hace que paralelamente al capitulo enunciado antes de la Química del agua, haya que estudiar otro capitulo que modernamente se ha revelado como trascendente, mediante el que se trata de conocer si un curso de agua está contaminado, o mejor, si se ha hecho inservible para un determinado uso, así como la capacidad de vertido del mismo. 1.3.

EL AGUA.

Pero, ante todo, se debe definir ¿que es el agua? (aquí se habla del agua pura, no del agua natural que siempre contiene disueltos sólidos y gases). Prescindiendo de consideraciones históricas, generalmente se dice que el agua es una combinación de hidrogeno y oxigeno de formula química H2O. Pero con el descubrimiento de los isótopos del hidrogeno y oxigeno, se ha visto que la definición del agua presenta gran complejidad. La combinación del oxigeno con el deuterio, isótopo del

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hidrogeno de masa 2 forma el agua pesada D2O y el tritio T2O o agua hiperpesada, igualmente existe un agua semipesado de formula HDO. Si a esto se añade que existen tres oxígenos O16,O17,O18 nos encontramos con que el cuerpo que se llama agua, es una mezcla de 18 cuerpos posible, aunque en la práctica sea una mezcla de agua ligera (H2O) y de muy pequeñas cantidades de agua pesada D2O y de agua hiperpesada T2O. Los otros compuestos no existen prácticamente. Esta complicación, unida a su polaridad de la que luego hablaremos, hace que todas las constantes físicas del agua sean anormales. El agua sólida se presenta bajo seis formas alotrópicas en las que una sola, el hielo ordinario, es más ligero que el agua liquida. El agua se presenta corrientemente, en condiciones ambientales naturales, en uno de los tres estados: gaseoso (vapor de agua), líquido, o sólido y su importancia físico-química es tal, que las temperaturas de transformación de un estado en otro han sido tomadas como puntos fijos. Es por lo tanto, un líquido con grandes anomalías, entre las cuales se encuentran como las más importantes. El valor máximo de su densidad la presenta el agua liquida a la temperatura de + 3,98 °C Como consecuencia de la anterior anomalía, el agua sufre una expansión al solidificarse. Tiene una tensión superficial muy elevada. Calor especifico elevado. Un gran calor latente de fusión. Conductividad térmica elevada. Poder ionizante fuerte y constante dieléctrica elevada. Gran poder disolvente. Propiedades de combinación. Propiedades oxidantes. En efecto, su densidad es 1 (exactamente 0,9999) y pasa por un máximo a la temperatura de + 3,98°C esto a presión ordinaria. La viscosidad del agua, contrariamente a lo que pasa con otros líquidos, disminuye cuando la presión aumenta. El agua liquida se solidifica a cero grados, dando hielo y experimentando un aumento de volumen. Hierve a 100°C y 760 mmHg. Tanto el punto de congelación como el de ebullición son anormales, debido a las asociaciones moleculares. El punto de ebullición debería estar, si la molécula fuese única, por debajo de – 63,5°C. Por otro lado, el agua pura es poco conductora de la corriente eléctrica, estando ligeramente disociada en: H3 O+ + 2H+ +

2H2O H2O

OHO=

Tiene la propiedad de producir la disociación electrolítica y la hidrólisis. Por otra parte, una gran cantidad de compuestos toman el estado coloidal en su contacto. En los minerales, el agua se encuentra en las formas siguientes: Como agua de constitución, de cristalización, de inhibición de adsorción. Además en los organismos se encuentra como combinada fisiológicamente. El agua representa el 70% en peso del cuerpo humano, encontrándose 1/3 de la misma extracelularmente y los 2/3 restantes en el interior de la célula, como agua libre, agua combinada o agua estructural.

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En los seres vivientes, existe una verdadera corriente de agua que pasa a través del cuerpo y que constituye el medio imprescindible para que se puedan realizar las reacciones órgano biológicas, interviniendo en las diversas etapas del metabolismo. Los seres vivientes no consumen agua químicamente pura, ya que de lo que disponen es de agua natural, la cual es una solución de numerosas sustancias mas o menos concentradas en el agua, estas aportan propiedades particulares, tanto favorables como desfavorables. Estas sustancias que se disuelven en el agua, pueden ser gaseosas liquidas o sólidas y como ya se dijo, el estudio de las propiedades constituye una parte de la química del agua. La Biología del agua se ocupa del estudio de los microorganismos presentes en la misma, bacterias, hongos, algas y en general de todas las plantas, animales que viven en su seno y puede condicionar su calidad en uno u otro sentido. 1.4.

COMPOSICION DEL AGUA.

La determinación de la composición exacta del agua, ha sido objeto de muchísimas investigaciones, utilizándose dos métodos generales, análisis y síntesis. Método de análisis, en el que se parte de un peso conocido del compuesto, que se descompone en sus elementos constituyentes, determinando sus pesos respectivos. Método de síntesis, se determinan las proporciones en que los elementos se combinan para formar el compuesto. Las primeras determinaciones más exactas de la relación ponderal en que se combinan el hidrogeno y el oxigeno, para formar el agua, se deben al Químico Americano Edward Morley (18321923), quien utilizo el método de síntesis, para la determinación de la composición del agua. El Hidrogeno y el Oxigeno se pesaban separadamente, el hidrogeno absorbido en paladio y el oxigeno en globos de unos 15 a 20 litros. Los gases reaccionaban en un aparato especial, provisto de electrodos de platino entre los cuales se hacia saltar una chispa eléctrica; el agua formada se condensaba y se pesaba. Como resultado de once ensayo Morley encontró 16 partes en peso de oxigeno, se unían con 2.0154 partes en peso de hidrogeno esto es, una relación de 16 a 2x1.0077. La relación actual, más rigurosamente encontrada es de 15.999 a 2x1.0079 siendo ambas las masas atómicas del oxigeno e hidrogeno respectivamente. La electrolisis del agua muestra que la relación de combinación en volumen del hidrogeno al oxigeno es de 2 a 1. 1.5.

PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA.

El agua pura es un líquido inodoro, insípido, transparente y prácticamente incoloro, solo en grandes espesores presenta un tono débilmente azul verdoso. Las propiedades físicas del agua se resumen en el cuadro 1.2 Cuadro 1.2. Masa molar 18.015 g/mol Cal. De formación Pto. De congelación 0.0°C Cal. Fusión Pto. De ebullición 100 °C Cal. Vapor a 20°C Temp. critica 374.2 °C Cal. vapor a 100°C Pres. critica 218.4 Atm. Calor especifico

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-68.3 kcal/mol 79.7 cal/g 585.5 cal/g 539.5 cal/g 1 cal/g

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La densidad del agua aumenta anormalmente al elevar la temperatura de 0° a 4°C en la que alcanza su valor máximo de 1 g/mL. Por encima o por debajo de esta temperatura el agua se dilata y su densidad disminuye, según se observa en el Cuadro 1.3, en la que se incluye la densidad del hielo con fines comparativos. Cuadro 1.3. Variación de la densidad del agua con la temperatura Temp. Densidad °C Hielo 0 0.917 Agua 0 0.99987 1 0.99993 3 0.99999 3.89 1.00000

Temp. °C 6 10 15 20 100

Densidad 0.99999 0.99973 0.99913 0.99823 0.95838

Las anomalías del comportamiento de la densidad del agua, con relación a las demás sustancias, que se dilatan regularmente con la temperatura son: su considerable expansión al pasar al estado sólido, y la localización del máximo de su densidad. El agua congela a 0°C y se convierte en hielo y como su densidad disminuye a 0.917g/mL el hielo que se forma flota sobre el agua. Este fenómeno es sumamente raro, ya que todas las demás substancias se contraen en la solidificación. Este comportamiento especial del agua es muy conveniente, porque si ocurriese con el agua lo mismo que con la mayoría de los líquidos, los mares, lagos y ríos de zonas frías, al congelarse el agua en al superficie, lo congelado se iría al fondo, de modo que al llegar el verano el hielo acumulado en el fondo persistiría, a causa de la resistencia térmica del medio, lo cual modificaría por completo el medio acuático tal como lo conocemos. El comportamiento especial del agua, en lo que respecta a la variación anormal de la densidad entre 0 °C y 4 °C y en lo valores elevados de los calores latentes de fusión y de vaporización, se debe a la asociación de sus moléculas, determinado por el carácter peculiar de su enlace covalente, con participación iónica a través de puentes de hidrogeno, del cual explicaremos detalladamente mas adelante. 1.6.

LA MOLECULA DEL AGUA: SU ESTRUCTURA.

Figura 1.3 La molécula del agua Lic. Maritza Arnez Torrico 6

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Las propiedades de las moléculas que forman una determinada sustancia son la base de sus propiedades físicas y químicas, por lo que un estudio fisico-quimico de cualquiera de ellas debe realizarse, estudiando las propiedades estructurales, mecánicas, eléctricas, magnéticas etcétera, de sus moléculas constituyentes. La molécula de agua esta constituida por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, estando saturada desde el punto de vista de sus valencias ordinarias (dos negativas del oxigeno y una positiva de cada hidrogeno) pero posee restos de las cargas, las llamadas fuerzas de VAN DER WAALS-LONDON. El átomo de oxigeno posee un numero atómico de 8, lo que nos indica que tiene 8 electrones en la corteza, repartidos, 2 en la primera capa o capa K y 6 en la segunda o capa L. Esta última capa es la que determina sus propiedades químicas. Esta capa se subdivide a su vez en tres subcapas: dos de ellas, formadas por un par de electrones cada uno, con sus espines antiparalelos y opuestos, y una tercera subcapa, con dos electrones con sus espines en paralelo, electrones que no están acoplados y que son los responsables de la valencia del oxigeno. H H

+

O

+

+

H

O

H

+ K L K L Esquemas electrónicos de la molécula de agua y de su formación

Los dos electrones aportados por cada uno de los hidrógenos se asocian en antiparalelo con cada unos de lo dos electrones que tenían sus espines en paralelo del oxigeno, formando una capa de 8 electrones estable, ya que tiene la estructura de un gas noble. Ahora bien, los dos electrones de los hidrógenos son como absorbidos por el oxigeno, de donde resulta una polaridad eléctrica negativa de este elemento y una polaridad eléctrica positiva de los hidrógenos. Al haber polaridad habrá un momento eléctrico denominado momento polar cuyo valor es de 1,85*10-18. De lo dicho anteriormente se deduce que la molécula de agua tendrá una forma triangular, forma que se justifica, tanto por la teoría de las uniones químicas como del estudio de su formación, por la mecánica ondulatoria. La representación más simple de este modelo es: H

H

r

C

r O

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Fig: 2.1

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Que en el O se sitúa el núcleo de oxigeno acompañado de los dos electrones K y una carga de + 6 electrones. En los puntos H los núcleos de hidrogeno con + 1 electrón. El punto C es el centro de gravedad y esta situado en la bisectriz del ángulo formado por los radios r que unen O con H (ángulo HOH) y donde se sitúa la carga negativa igual a – 8e. Como el oxigeno tiene mas afinidad para las cargas negativas, el centro de gravedad de las cargas positivas estará mas cerca de H. Esto justifica la polaridad de la molécula de agua, a la cual le confiere un momento permanente dirigido según la bisectriz del ángulo HOH, estando el polo positivo hacia los hidrógenos y en negativo hacia él oxigeno (Fig.3.1). H(δ+)

H(δ+)

O(δ-)

+

-

Fig: 1.3. Momento eléctrico resultante en la molécula de agua

1.7.

EL PUENTE DE HIDROGENO.

Dado que el átomo de oxígeno es pequeño y bastante electronegativo, la concentración de electrones en su entorno es elevada, por lo que las cargas negativas sobre oxígeno y positivas entre los átomos de hidrógeno son considerables. Se deduce que las atracciones dipolo-dipolo entre moléculas de agua son importantes, en realidad muy fuertes, porque las moléculas polares de agua, siendo pequeñas, pueden acercarse mucho más que moléculas mayores y pueden atraerse fuertemente por su gran polaridad. Esta atracción dipolo-dipolo que es inusualmente fuerte y en la que participa el átomo de hidrógeno se denomina puente de hidrógeno.

Figura 1.4. Puente de hidrogeno Lic. Maritza Arnez Torrico 8

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Esta asociación intermolecular que se da en el agua líquida y en el hielo, se suele representar por una línea de puntos. En el hielo, la longitud del enlace de hidrógeno es de 1,77 Å que se compara con la longitud del enlace covalente H-O de 0,99 Å. Esta estructura muestra que cada átomo de oxígeno de las moléculas de agua que forman una masa de hielo, está unido por dos enlaces covalentes a dos átomos de hidrógeno y por puente de hidrógeno a moléculas vecinas. La energía de los puentes de hidrógeno es aproximadamente un 1% del enlace covalente. Esta gran diferencia de energía hace la distinción entre el enlace covalente, que es un enlace químico y por lo tanto muy fuerte, y el mal llamado enlace de hidrógeno, que sólo es una asociación física, porque es una atracción dipolo-dipolo. Sí se admite que los átomos de hidrogeno y oxigeno son independientes y las capas electrónicas esféricas y adoptando, por otra parte, el valor de 1,32  para el diámetro del oxigeno (valor que se ha encontrado para otras moléculas en las que este se halla como constituyente) se encuentra para él hidrogeno un diámetro de 0,6  y para la molécula de agua un diámetro máximo de alrededor de 2,12 A y mínimo de 1,55.

0,66 1,55 À

0,30

2,12 

Fig. 1.5 Valores deducidos para la molécula de agua. Estos valores deben ser considerados como exclusivamente indicativos

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Figura 1.6. Red tridimensional

Se explicó que en la molécula de agua los pares electrónicos enlazantes y no enlazantes están orientados hacia los vértices de un tetraedro irregular, por lo que al considerar una masa de hielo, sus moléculas forman una inmensa red tridimensional altamente ordenada que evita que las moléculas se acerquen mucho entre sí. El puente de hidrógeno que se establece, hace que las moléculas de agua adopten una estructura que deja huecos Hexagonales que forman una especie de canales a través de la red tridimensional. 1.8.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y DE LA WEB

1. – “QUIMICA DEL AGUA”

2.-

Jose G. Catalan Lafuente

TRATAMIENTO DE AGUAS

3. - "http://es.wikipedia.org/wiki/Coloide" 4. - [email protected]

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