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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente

Curso: Balance másico y energético en problemáticas ambientales Actividad 6 - Trabajo colaborativo 1  Objetivos: Evaluar la aplicación de los conocimientos adquiridos por el estudiante en la Unidad 1, frente a una posible situación que se pueda presentar en su desempeño laboral.

La estrategia de aplicación corresponde al aprendizaje basado en problemas. Ésta estrategia fue escogida, con el propósito de familiarizar al estudiante con el uso y manejo de cálculos en ingeniería, esperando que se adquieran las destrezas matemáticas necesarias para el desarrollo de las siguientes dos Unidades del curso y para su desempeño profesional como ingenieros. El aplicativo consta de 1 ejemplo y 30 problemas para su resolución y desarrollo. 

Actividades:

1. Realizar un documento de trabajo en el que se incluya el desarrollo paso a paso de todas las preguntas del Aplicativo que se encuentra al final de este document o. 

Recomendaciones para la elaboración del ejercicio:

- En este caso especifico, el uso del foro está limitado a resolver dudas y a interactuar con los demás estudiantes acerca de la forma de resolución de los problemas, mas no para presentar dichos problemas ya desarrollados. Tenga en cuenta que las intervenciones deben darse dentro de un lenguaje de cordialidad, entre compañeros de estudio. - El trabajo debe contener la siguiente estructura: Portada (1 página) Desarrollo paso a paso de los problemas descritos en el Aplicativo (máximo una página por problema). Esto quiere decir que la extensión del trabajo será de máximo a 31 páginas. - El trabajo debe ser desarrollado en su integridad únicamente por los miembros del grupo. Evite realizar fraudes, copias de otros grupos e incluso pagar por el desarrollo de los problemas de este aplicativo. - El formato del trabajo es el siguiente: Tamaño hoja: carta Márgenes: superior, inferior, izquierdo y derecho: 2,5 cm Interlineado: sencillo 1

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Texto: Arial 11 puntos Formato de entrega: PDF Evaluación: Para la evaluación del trabajo se tendrán en cuenta los siguientes criterios:  Buena presentación del documento  Cumplimiento de todas las exigencias de la guía de la actividad  Cumplimiento (número de problemas desarrollados correctamente)  Correcto uso de decimales y cifras significativas.  Correcto uso de símbolos del sistema de unidades. 

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Actividad 6 – Aplicativo del Trabajo Colaborativo 1

Respetados estudiantes. Esta actividad corresponde al desarrollo de un trabajo colaborativo basado en problemas a partir de las temáticas tratadas en todas las lecciones de la primera unidad del curso. Usted debe enviar a través de la plataforma el documento de desarrollo de este aplicativo, de acuerdo con las recomendaciones dadas para la resolución de esta actividad. La fecha de envió del documento será programada en la página web del curso. Muchos Éxitos! Planteamiento de problemas Ejemplo 1. En una fábrica de pinturas se genera un agua residual que contiene plomo (207.5 g/mol), magnesio (24.3 g/mol) y zinc (65.4 g/mol). Se desea determinar la dureza del agua, para lo cual se procedió de la siguiente manera: Una muestra de 15 ml se trata con NaCN que enmascara al Zn e impide su reacción con EDTA, la valoración del Mg y el Pb requiere 42.22 ml de EDTA 0.2064 M. Después de alcanzado el punto de equivalencia se agrega una disolución del complejante BAL (2,3-dimercapto-1propanol) el cual reacciona selectivamente con el Pb liberando al EDTA unido previamente al Pb, el cual es valorado con 19.35 ml de Mg2+ 0.07657. Por último se añade formaldehido para desenmascarar al Zn y se valora con 28.63 ml de EDTA. Solución. Determinación de la dureza del agua Para la valoración del magnesio y plomo, se asume que por cada mol de EDTA que reacciona, reacciona un mol de plomo o de magnesio y que cada mol de estos elementos es proporcional a un mol de CaCO3. Entonces se plantea una ecuación dimensional donde: (

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Para valorar el zinc, se asume de igual manera que por cada mol de EDTA que reacciona, reacciona un mol de zinc, el cual es proporcional a un mol de CaCO3. La ecuación dimensional que se plantea es:

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La Dureza total se calcula como la suma de las durezas de los tres elementos en la muestra:

Problema 1. 50 ml de una muestra de agua residual se analizaron en relación a su contenido de nitrógeno total por el método Kjeldahl y el NH3 liberado se recogió en 10 ml de HCl 0.1062 M. El exceso de ácido requiere en su valoración por retroceso 8.89 ml de NaOH 0.0925 M. Exprese los resultados de este análisis en porcentaje peso a volumen de nitrógeno en la muestra. Respuesta. 6.71 %p/v N. Utilice la siguiente información para responder los problemas 2 a 4. La determinación de la acidez total se realiza en la práctica en base a una valoración ácido-base, utilizando como reactivo valorante una base fuerte como el hidróxido de sodio (NaOH) y tomando como punto de equivalencia pH= 7,0. Para detectar dicho punto utilizaremos el indicador "azul de bromotimol", cuyo intervalo de viraje se encuentra comprendido entre los valores de pH (6,0-7,5) y la variación es de color amarillo a azul-verdoso. En un erlenmeyer de 200 ml se introdujeron 10.00 ml de vino blanco exactamente medidos y se diluyeron con 50.00 ml de agua destilada libre de anhídrido carbónico. Posteriormente se añadieron unas gotas del indicador "azul de bromotimol", con lo que la muestra adquirió un color amarillo-verdoso. En una bureta de 25.00 ml se envaso hasta el aforo una disolución de NaOH 0,1 N. Se inició la valoración añadiendo gota a gota el reactivo valorante al erlenmeyer con la muestra hasta que el color de esta viró a verde-azulado, punto en el cual consideramos que se ha alcanzado el punto de equivalencia. En este punto se leyó un volumen gastado de NaOH de 13.15 ml. Problema 2. Calcule la acidez total expresada como mg de CaCO3 (100 g/mol) por litro de vino. Respuesta. 6575 mg CaCO3/l. Problema 3. Calcule la acidez total expresada como gramos de ácido tartárico (HOOC(CHOH)2COOH = 150 g /mol) por litro de vino. Asuma que el ácido tartárico es el único componente del vino. Respuesta. 9.86 g Ac. Tart./l. Problema 4. Calcule la concentración molar M del acido cítrico (HOOC(OH)C(CH2COOH)2 = 192 g/mol). Asuma que el único componente acido del vino es el acido cítrico. Respuesta. 0.438 M. Problema 5. ¿Cuánto hay que pesar de sulfato de sodio (142 g/mol), para que al aforarlo a 1.0 litro nos de una solución de 100 ppm de sulfatos? Respuesta. 0.1479 g. Problema 6. Para una dotación de 100 litros por habitante, por día, un caudal de un litro por segundo abastece a:

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Respuesta. 864 habitantes. Problema 7. 48.57 ml de una disolución de NaOH (40 g/mol) necesitaron 29.71 ml de H2SO4 (98 g/mol) 0.03926 N para dar un punto final con el indicador verde de bromocresol. Calcule la Normalidad del NaOH. Respuesta. 0.024 N. Problema 8. La determinación de alcalinidad total se basa en el mismo principio de las titulaciones acidobase empleado para determinar la acidez total. En este caso, un acido fuerte de concentración conocida se emplea para valorar la muestra tomando como referencia del punto final un pH de 7.0. Del ejercicio anterior calcule la alcalinidad de la muestra expresada como mg de CaCO3 por litro de solución. Respuesta. 1200.76 mg CaCO3/l. Problema 9. El análisis de muestras industriales normalmente se realiza en medio acuoso por su facilidad de manipulación. Una muestra impura de 0.2500 gramos de cloruro de potasio (74.4 g/mol) se disolvió en 500 ml de agua y se tituló con un exceso de AgNO3, dando como resultado la formación de 0.2912 g de AgCl (143.4 g/mol). Calcule el porcentaje de KCl en la muestra. Respuesta. 15.11 %p/p. Problema 10. La demanda química de oxígeno teórica (DQOT) de un compuesto en una muestra se agua se puede calcular si se conoce la concentración del componente en la muestra. Para realizarlo se utiliza una ecuación balanceada en la cual el componente se oxida estequiometricamente en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características: - Caudal: 20 l/s; - Glicina (CH2(NH2)COOH = 75g/mol): 700 mg/l - Ácido acético (CH3COOH = 60 g/mol): 1800 ppm - Ácido propanoico (CH3CH2COOH 74g/mol): 0,5 kg/m3 - Sólidos en suspensión (SST): 400 mg/l Para esta agua residual indique: La DQO teórica aportada por la glicina. Asuma que la base amoniacal se oxida hasta nitratos. Respuesta. 1120 mg O2/l. Problema 11. La demanda química de oxígeno teórica (DQOT) de un compuesto en una muestra se agua se puede calcular si se conoce la concentración del componente en la muestra. Para realizarlo se utiliza una ecuación balanceada en la cual el componente se oxida estequiometricamente en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características: - Caudal: 20 l/s; - Glicina (CH2(NH2)COOH = 75g/mol): 700 mg/l - Ácido acético (CH3COOH = 60 g/mol): 1800 ppm - Ácido propanoico (CH3CH2COOH 74g/mol): 0,5 kg/m3 - Sólidos en suspensión (SST): 400 mg/l Para esta agua residual indique: La DQO teórica aportada por el ácido acético.

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Respuesta. 1920 mg O2/l. Problema 12. La demanda química de oxígeno teórica (DQOT) de un compuesto en una muestra se agua se puede calcular si se conoce la concentración del componente en la muestra. Para realizarlo se utiliza una ecuación balanceada en la cual el componente se oxida estequiometricamente en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características: - Caudal: 20 l/s; - Glicina (CH2(NH2)COOH = 75g/mol): 700 mg/l - Ácido acético (CH3COOH = 60 g/mol): 1800 ppm - Ácido propanoico (CH3CH2COOH 74g/mol): 0,5 kg/m3 - Sólidos en suspensión (SST): 400 mg/l Para esta agua residual indique: La DQO teórica aportada por el ácido propanóico. Respuesta. 756.76 mg O2/l. Problema 13. La demanda química de oxígeno teórica (DQOT) de un compuesto en una muestra se agua se puede calcular si se conoce la concentración del componente en la muestra. Para realizarlo se utiliza una ecuación balanceada en la cual el componente se oxida estequiometricamente en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características: - Caudal: 20 l/s; - Glicina (CH2(NH2)COOH = 75g/mol): 700 mg/l - Ácido acético (CH3COOH = 60 g/mol): 1800 ppm - Ácido propanoico (CH3CH2COOH 74g/mol): 0,5 kg/m3 - Sólidos en suspensión (SST): 400 mg/l Para esta agua residual indique: La DQO teórica total. Respuesta. 3796.76 mg O2/l. Problema 14. La demanda química de oxígeno teórica (DQOT) de un compuesto en una muestra se agua se puede calcular si se conoce la concentración del componente en la muestra. Para realizarlo se utiliza una ecuación balanceada en la cual el componente se oxida estequiometricamente en presencia de oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características: - Caudal: 20 l/s; - Glicina (CH2(NH2)COOH = 75g/mol): 700 mg/l - Ácido acético (CH3COOH = 60 g/mol): 1800 ppm - Ácido propanoico (CH3CH2COOH 74g/mol): 0,5 kg/m3 - Sólidos en suspensión (SST): 400 mg/l Para esta agua residual indique: Si el agua que se vierte, una vez depurada, contiene 25 mg SST/l, y por la línea de fangos se obtienen lodos húmedos con un 80 % de humedad, ¿qué cantidad se retirará anualmente de esos lodos húmedos? Respuesta. 1182.6 ton/año.

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Problema 15. En el proceso de curtido del cuero se generan altos volúmenes de agua residual. Una muestra de 50 ml de agua residual se trata con 40 ml de HCl 0.1140 M. La valoración por retroceso requiere 18.21 ml de NaOH 0.09802 M. Calcule la alcalinidad de la muestra expresada como % P/V de Ba(OH)2 (171.3g/mol) Respuesta. 0.475 %. Problema 16. Una muestra (25 ml) de agua residual proveniente de una planta de lavado de carbón requiere 20.73 ml de NaOH 0.04136 M para lograr un punto final de fenolftaleína. Exprese la acidez del agua en mg CaCO3/l Respuesta. 1714.79 mg CaCO3/l. Problema 17. Del ejercicio anterior calcule la acidez expresada en gramos de ácido carbónico (H2CO3 = 62g/mol) por litro. Asuma que toda la acidez de la muestra proviene del ácido carbónico. Respuesta. 2.13 g H2CO3/l. Problema 18. Una destilería produce 32000 dm3 de alcohol diarios, con un consumo de agua de 3.34 m3/h. El agua residual corresponde al 60 % del agua que ingresa a la planta y tiene una DQO equivalente a 60 g/l. Para poder realizar el vertimiento la DQO debe ser rebajada al 20 % de su valor inicial. Si en una ciudad, un habitante genera en promedio una carga contaminante de DQO aproximada de 375 mg/h. ¿Cuántos habitantes debe tener la ciudad para generar una carga de DQO similar a la generada por la destilería? Respuesta. 320640 habitantes. Problema 19. Una destilería produce 32000 dm3 de alcohol diarios, con un consumo de agua de 3.34 m3/h. El agua residual corresponde al 60 % del agua que ingresa a la planta y tiene una DQO equivalente a 60 g/l. Para poder realizar el vertimiento la DQO debe ser rebajada al 20 % de su valor inicial. Si el costo del tratamiento es de 0.002 COP por mg de O2 reducido. ¿Cuál es el costo mensual de tratamiento del agua residual de la destilería? Respuesta. 138516480 COP/mes. Problema 20. Tradicionalmente, la dureza del agua se definía en función de la capacidad de los cationes presentes en el agua para sustituir a los iones sodio o potasio de los jabones y formar productos poco solubles que causan depósitos sólidos en los lavabos o en las tuberías. Muchos cationes de cargas múltiples comparten esta indeseable propiedad. Sin embargo, la concentración de iones calcio y magnesio en el agua natural excede con mucho la de cualquier otro ion metálico. Por consiguiente, la dureza se expresa ahora según la concentración de carbonato de calcio que es equivalente a la concentración total de todos los cationes multivalentes de una muestra. La determinación de la dureza es una prueba analítica útil, que mide la calidad del agua para usos domestico e industrial. Es una prueba de importancia para la industria, ya que al calentar el agua dura precipita el carbonato de calcio, el cual ocluye calderas y tuberías. En una plataforma (cantera) de explotación de dolomita CaCO3.MgCO3 (184.4 g/mol) se valoraron 50 ml de agua residual con EDTA 0.05 M, gastándose 28.37 ml de este último. Calcule la dureza total y la dureza de calcio en el agua residual expresadas como mg de CaCO3/l (100 g/mol). Respuesta. 2837 y 1418.5 mg CaCO3/l.

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Problema 21. Del ejercicio anterior calcule el porcentaje de pureza de la dolomita si se consume el mismo volumen de EDTA en la valoración de una muestra de 0.1414 g de dolomita. Respuesta. 92.49 %. Problema 22. El magnesio (24.305 g/mol) en una muestra de 0.7162 g de talco para los pies se disolvió en 500 ml de agua destilada. De esta disolución se tomaron 100 ml y se valoraron a pH 10 con la sal disódica del acido etilen-di-amino-tetra-acético (Na2EDTA o Na2H2Y PM = 308 g/mol). En el punto final de la valoración se consumieron 21.27 ml de Na2H2Y 0.01645 M. Si la relación del magnesio con la sal del EDTA es 1 a 1, calcule el porcentaje de magnesio en la muestra. Respuesta. 5.94 %p/p. Problema 23. La determinación de oxigeno disuelto en agua se basa en la rápida oxidación del Mn(OH)2 solido a Mn(OH)3 en un medio alcalino. Cuando se acidifica, el Mn(III) rápidamente desprende yodo a partir del yoduro. Una muestra de agua de 250 ml en un recipiente tapado se trató con 1.00 ml de una solución concentrada de NaI y NaOH y 1.0 ml de una solución de Mn(II). La oxidación del Mn(OH) 2 se completó en aproximadamente 1 minuto Los precipitados se disolvieron añadiendo 2.0 ml de H 2SO4 concentrado, liberándose una cantidad de yodo equivalente al Mn(OH)3 (y por lo tanto al O2 disuelto). Una alícuota de 25 ml (de los 254 ml) se valoró con 13.67 ml de tiosulfato de sodio 0.000942 M. Calcule el oxígeno disuelto en mg de O2 por litro de muestra (suponga que los reactivos están libres de O2 y tenga en cuenta las diluciones de la muestra. Las ecuaciones químicas a manejar son Las reacciones a manejar son: 4Mn(OH)2 (s) + O2 (ac) + 2H2O => 4Mn(OH)3 (s) precipitado color carmelita 2Mn(OH)3 + 3I- + 6H+ => I3- + 6H2O + 2Mn+2 I3- + 2(S2O3)-2 => 3I- + (S4O6)-2 Respuesta. 4.19 mg O2/l. Problema 24. Se prepara una disolución de EDTA disolviendo alrededor de 4 g de la sal disodica en 1 l de agua aproximadamente. Se requieren, de media, 42.35 ml de esta disolución para valorar alícuotas de 50.00 ml de un patrón que contiene 0.7682 g de MgCO3 por litro (84 g/mol). La valoración de una muestra de 25.00 ml de agua mineral con pH = 10 precisa 18.81 ml de la disolución de EDTA. Una alícuota de 50 ml de agua mineral se alcaliniza fuertemente hasta precipitar el magnesio como Mg(OH)2. La valoración con un indicador especifico para el calcio requiere 31.54 ml de la disolución de EDTA. Calcule a. La concentración molar del EDTA b. La dureza de magnesio expresada en ppm de MgCO3 (84 g/mol) Respuesta. 0.0108 M y 110.3 ppm. Problema 25. En una planta potabilizadora de aguas se necesita preparar diariamente 1000 Kg. de un coagulante al 3% en peso y se dispone de soluciones al 7% y al 2% en peso. ¿En qué proporción deben mezclarse las dos soluciones y cuanto se requiere de cada una? Respuesta. Proporción 1 sln al 7 %/4 sln al 2%, y, 200 Kg. sln al 7%, 800 Kg. sln al 2% Problema 26. Del ejercicio anterior, una planta procesadora de cemento genera un agua residual con un caudal diario de 4m3/día con una DQO de 220 mg/l y SST de 0.135 g/l si cada Kg. del coagulante preparado puede remover 0.58 g. de DQO y 0.48 g. de SST diga si se cumple con la norma de DQO max. 45mg/l y SST max. 35mg/l. Respuesta. Cumple en el caso de SST y no cumple en el caso de DQO.

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Problema 27. Una pastelería tiene un depósito para aguas residuales de 20 m3 de capacidad, completamente lleno de una disolución acuosa de glucosa 0.015 M. para poder verterla debe rebajar la DBO hasta 35 mg/l. Si el costo del tratamiento es de 0.3 Pesos por mg de O2 reducido. ¿Cuál será el costo total de la operación? Respuesta. 17070000 Pesos. Problema 28. Si accidentalmente se descargaran 100 libras (453.6g/libra) de azúcar de caña (sacarosa, C12H22O11), en un arroyo saturado con oxigeno del aire a 25 °C ¿Cuántos litros de esta agua se contaminarían hasta el grado de eliminar todo el oxigeno disuelto por biodegradación? La concentración de oxigeno disuelto en agua a 25 °C es 8.32 mg/l. Respuesta. 6344056 l de agua Problema 29. Se hacen reaccionar 100 g de Zn con ácido clorhídrico en exceso para obtener hidrógeno y cloruro de zinc. ¿Qué masa de HCl reacciona?¿Qué volumen de disolución 5 M de HCl necesitaremos? Respuesta. 111.6 g de HCl y 0.61 l de solución Problema 30. Una forma de obtener hierro puro a partir de óxido de hierro (III) es hacer reaccionar este óxido con aluminio, obteniéndose hierro y óxido de aluminio. Calcular la masa de aluminio necesaria para transformar completamente 150 g de óxido de hierro (III), la cantidad de hierro obtenido, y, la cantidad de óxido de aluminio que se produce. Respuesta. 50.69 g de aluminio, 105.06 g de hierro y 95.676 g de oxido de aluminio

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