Qc 12 2007

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Qc 12 2007

  1. 1. CURSO: QUÍMICA COMÚN MATERIAL QC N°12 EL AGUA AGUA Según la historia bíblica de Moisés, al guiar a los israelitas en su éxodo de Egipto hacia el desierto, llegó a donde una zona donde escaseaba el agua, Marah. Aquí no pudieron beberla porque su sabor era amargo. Según narra en Éxodo, DIOS ordenó a Moisés arrojar un árbol al agua para purificarla. Recordemos que una de las propiedades de las soluciones básicas es que son amargas. El agua en Marah era probablemente alcalina (tales aguas son comunes en zonas desérticas). Se ha intentado dar una explicación química a la purificación del agua salobre por Moisés. El árbol posiblemente estaba muerto y había sido desierto. blanqueado por el sol del desierto. Los grupos alcohol de la celulosa se habrían oxidado a grupos carboxilos. Estos grupos pueden neutralizar el álcali del agua. Moisés no necesitó tener conocimientos científicos acerca apropiada. de la purificación del agua para aplicar la tecnología apropiada.
  2. 2. INTRODUCCIÓN Entre el 60 y 90% del peso de los organismos vivientes corresponde a agua. El agua cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre, y en ella se inició la vida hace cuatro mil millones de años. Este líquido fundamental al solidificar, ocupa mayor volumen, por eso los lagos y ríos congelan de arriba hacia abajo, lo que permite la vida de peces y vegetales acuáticos. El agua es un magnífico disolvente de multitud de sales, en el agua de mar se han concentrado las sales que los ríos, a través del tiempo, han disuelto a su paso. La importancia social de este líquido es enorme, es fundamental para la vida, es indispensable para mantener la higiene, y con ella la salud; en la industria se le utiliza 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, represas y también agrada nuestra vista en piletas ornamentales. ESTRUCTURA Fue Henry Cavendish quien en el siglo XVIII preparó agua quemando hidrógeno en el aire, pero fue Lavoisier quien pudo demostrar que el agua se forma únicamente de hidrógeno y oxígeno. El norteamericano Edward Morley en 1890, logró determinar que 16 partes ponderales de oxígeno se unen con 2,0154 partes de hidrógeno. El agua es en muchos aspectos una sustancia única, es el disolvente más frecuente, es líquido a temperaturas ambiente y tiene un intervalo de existencia como líquido relativamente amplio. No es inflamable ni tóxico y, lo que es más importante, disuelve una gran variedad de sustancias. Para poder obtener un conocimiento fundamental de las propiedades del agua, es necesario estar familiarizado con su estructura. 2
  3. 3. Como una molécula gaseosa, el agua que se presenta en forma de unidades individuales que poseen estructura (I). Puesto que la molécula es angular y el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, las moléculas de agua son polares. El extremo del átomo de oxígeno de la molécula posee una pequeña carga negativa ( δ -), mientras que los extremos de los átomos de hidrógeno tienen una pequeña carga positiva ( δ +). Muchos de los hechos que discutiremos son consecuencia de esta polaridad. Cuando se enfría un conjunto de moléculas de agua, tiene lugar la condensación para formar un líquido. El posterior enfriamiento produce hielo. Puesto que la estructura del líquido es más compleja que la del sólido, consideraremos en primer lugar la estructura del hielo. El hielo cristaliza en varias estructuras distintas. Consideraremos solamente la forma ordinaria que se obtiene por congelación del agua a presión atmosférica; las demás estructuras sólo son estables a temperaturas elevadas. La estructura ordinaria del hielo se conoce ahora perfectamente, mediante técnicas de difracción de rayos X y neutrones. La difracción de rayos X localiza solamente los átomos de oxígeno, éstos se encuentran localizados de acuerdo a la figura: 3
  4. 4. Oxígeno • Hidrógeno Cada oxígeno tiene cuatro átomos de oxígenos vecinos situados a 2,76 Å. Todos los ángulos O-O-O son de 109,5 correspondiendo al ángulo tetraédrico. Recientes estudios de difracción de neutrones han permitido deducir que cada átomo de hidrógeno se encuentra situado entre dos átomos de oxígeno y está más próximo a uno de ellos (0,97 Å) que al otro (1,79 Å). En estas posiciones, el hidrógeno reduce las repulsiones entre los oxígenos que poseen pequeñas cargas negativas. De hecho, los átomos de oxígeno separados por hidrógenos en el hielo, se encuentran más próximos que los átomos de oxígeno vecinos que pertenecen a dos moléculas diferentes en otros sólidos que contienen oxígeno (3,0 Å). En el agua, un átomo de hidrógeno se encuentra enlazado al oxígeno más próximo mediante una interacción esencialmente covalente, mientras que se encuentra enlazado más débilmente al oxígeno más distante mediante el tipo de enlace conocido como enlace de hidrógeno (puente de hidrógeno). 4
  5. 5. Este enlace se puede describir como el resultado de la atracción electrostática entre un hidrógeno que posee una carga parcial positiva en la molécula polar de agua y el oxígeno con una carga parcial negativa de otra molécula. El enlace de hidrógeno se presenta entre moléculas, conteniendo una de ellas un hidrógeno unido a un átomo o grupo muy electronegativo, y la otra, con dicho átomo electronegativo. δ+ X átomo cargado negativamente δ− Y δ+ • • H Par libre de electrones δ− Z hidrógeno cargado positivamente enlace covalente polar enlace de hidrógeno El enlace de hidrógeno tiene un efecto esencial sobre las propiedades del agua condensada y juega un papel importante en la química de muchos compuestos que contienen hidrógeno. 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. Analicemos valores, los enlaces de hidrógeno en el agua tienen una fuerza de enlace aproximada a unas 4 Kcal/mol; el enlace O-H del agua tiene una fuerza de 11 Kcal/mol; la atracción de van der Waals entre dos átomos de neón es menor que 1 Kcal/mol. Todo esto produce puntos de fusión y de ebullición del agua anormalmente elevados. El neón, que es una sustancia sin enlaces de hidrógeno, contiene el mismo número de electrones que el agua, pero hierve a -246ºC. La estructura del hielo permite la existencia del máximo número de enlaces de hidrógeno, es decir, uno por cada átomo de hidrógeno. La estructura resultante es poco usual en el sentido de que contiene una considerable cantidad de espacio vacío. Si el hielo tuviera una estructura con un empaquetamiento compacto de los átomos de oxígeno y los hidrógenos ocuparen los agujeros existentes entre los oxígenos, la densidad sería por lo menos de 1,9 g/cc, en vez de 0,917 g/cc que es el valor observado. 5
  6. 6. Las formas del hielo que se obtienen a presiones elevadas, tienen estructuras más compactas. Cuando el hielo funde, se produce una contracción porque se rompen algunos de los enlaces de hidrógeno y resulta una estructura más compacta. El hielo es uno de los pocos sólidos que se contraen por fusión, la baja densidad del hielo es una propiedad vital, de forma que nuestro clima sería absolutamente distinto si el hielo no flotase en el agua líquida. La estructura del agua líquida ha sido estudiada por muchos científicos, aunque no se ha alcanzado todavía un completo acuerdo. Esto se debe a que los líquidos, en general, tienen estructuras completamente desordenadas que son difíciles de describir de acuerdo con un modelo simple; dichos estudios han puesto de manifiesto que en el agua líquida, cada oxígeno se encuentra en promedio un poco más cerca de otros cuatro oxígenos. Se admite generalmente la presencia de un gran número de enlaces de hidrógenos y está claro que la estructura posee una considerable cantidad de espacios vacíos, aunque el agua líquida sea más densa que el hielo. Un modelo simple, que probablemente guarda una semejanza con el agua líquida es una estructura similar a la que presenta el hielo a una alta presión, dicha estructura tendría algunos agujeros como consecuencia de la pérdida de algunas moléculas de agua. El número de agujeros aumenta con la temperatura, lo cual explica el hecho de que la densidad disminuya con la temperatura (por encima de 4º C). PROPIEDADES Al hablar de propiedades de algún tipo de materia (en nuestro caso del agua), es necesario tener muy claro a que tipo de propiedades nos referimos. Una clasificación frecuente es hablar de propiedades químicas y físicas. Las propiedades químicas son las que exhibe la materia cuando experimenta cambios en su composición. Por ejemplo: descomposición, electrólisis, reacción con ácidos. Las propiedades físicas es cuando estamos en ausencia de cualquier cambio de composición o estructura. Por ejemplo: punto de fusión, punto de ebullición, calor específico, dureza. Por otro lado, las propiedades de la materia se pueden clasificar también en extensivas o intensivas. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de material que se examine. Por ejemplo: volumen, masa. Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de material examinado .Por ejemplo: color, punto de fusión. Esto nos permite comprender que todas las propiedades químicas son intensivas. 6
  7. 7. PROPIEDADES DEL AGUA El agua es un líquido transparente, incoloro, inodoro e insípido. Grandes volúmenes presentan un color azul o azul verdoso. Al congelarse su volumen aumenta pero su densidad disminuye, por ello el hielo flota en el agua líquida. Fórmula molecular: H2O Punto de ebullición a 1 atm: 100° C Punto de congelación a 1 atm: 0° C Calor de fusión: 80 cal/g Calor específico del vapor: 0,5 cal/g °C Calor específico del líquido: 1 cal/g °C Calor específico del hielo: 0,5 cal/g °C Densidad de la fase sólida a 0 °C: 0.917 g/ ml Densidad de la fase líquida a 4 °C: 1 g/ml Densidad de la fase gaseosa a 100° C: 0,598 g/ml Fórmula estructural: molécula angular Calor de vaporización: 540 cal/g Presión crítica: 217,5 atm Temperatura crítica: 374° C Calor de formación del agua líquida: 68,3 Kcal/mol Calor de formación del hielo: 70,4 Kcal/mol Calor de formación del agua gaseosa: 58,0 Kcal/mol Otra propiedad inusitada del agua, que cabe destacar, es su elevada capacidad calorífica. Diferentes sustancias tienen diferente capacidad para almacenar la energía que se absorbe como calor. La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una sustancia en 1 °C. El calor específico es la capacidad calorífica de una muestra de 1 gramo, es decir, la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de 1 g de la sustancia en 1 °C. Ahora podemos explicar porque las enormes cantidades de agua en la superficie terrestre actúan como un gigantesco termostato para moderar las variaciones diarias de la temperatura. Una característica más que hace al agua única, es su elevado calor de vaporización, se requiere de una gran cantidad de calor para evaporar una cantidad pequeña de agua. Esto es importante para nosotros, porque nos permite disipar grandes cantidades de calor corporal evaporando pequeñas cantidades de agua en el sudor. Este efecto también explica la capacidad que tienen los lagos y océanos para regular el clima. Una fracción importante del calor, que de otra forma elevaría la temperatura de la Tierra, se usa para evaporar agua de la superficie de un lago o del mar. Es por ello que en el verano se siente más fresco cerca de una extensión grande de agua que en las zonas terrestres del interior. Todas estas fascinantes propiedades del agua se deben a la singular estructura de sus moléculas. 7
  8. 8. 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: 2 H2O 1600ºC  → Pt 2 H2(g) + O2(g) Dada la estabilidad del agua, se requiere catalizador y altísima temperatura para descomponerla. Electrólisis: 2 H2O H+  → Electricidad 2 H2(g) + O2(g) Es necesario acidular el agua para hacerla conductora de la electricidad. Reacción con carbono: C + H2O 1000 ºC  → CO(g) + H2(g) La mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno se conoce como “gas de agua”. Reacción con cloro: Cl2 + H2O 500 º C → 2 HCl + 1 2 O2(g) El cloro disocia el vapor de agua y se origina ácido clorhídrico. Reacción con metales alcalinos: K + H2O  2 KOH + H2(g) → Esta reacción es muy exotérmica y puede ser explosiva. Reacción con metales alcalino-térreos: Ca + 2 H2O  → Ca(OH)2 + H2(g) El hidróxido de calcio formado se conoce como “cal apagada”. Reacción con óxidos básicos: Na2O + H2O  2 NaOH → Con los óxidos metálicos , el agua forma los hidróxidos. Reacción con óxidos ácidos: SO3 + H 2O  H2SO4 → Con los óxidos ácidos o anhídridos el agua forma los oxiácidos. Reacción con peróxidos metálicos: Na2O2 + 2 H2O  H2O2 + 2 Na+ + 2 OH→ Se forma peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) que es importante en la industria textil como decolorante de fibras. Reacción de hidrólisis: A- + H2O  HA + → R+ + H2O  ROH + → - OH- hidrólisis básica o aniónica H+ hidrólisis ácida o catiónica A es un anión proveniente de un ácido débil (HA) y R+ es un catión proveniente de una base débil (ROH). 8
  9. 9. Agua en nuestro planeta En nuestra Tierra, sólo 1/4000 de la masa del planeta es agua y de su superficie, las tres cuartas partes están cubiertas por agua (es como si se comparara con una pelota de tenis mojada en su superficie). De ésta agua, casi el 98% es salada, agua de mar que no se puede beber ni usar en la mayor parte de los procesos industriales. En virtud de su naturaleza polar, el agua tiende a disolver a las sustancias iónicas. Esta capacidad de disolución del agua explica lo salado del mar. El agua de lluvia disuelve minerales (de naturaleza iónica) y los transporta por los arroyos y ríos hasta el mar. Ahí, el calor del sol evapora una parte del agua y deja atrás las sales. Los océanos se vuelven más salados con el paso de los años, pero el proceso es muy lento. El incremento en el contenido de sal no es perceptible durante una vida humana. 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, Un 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. ALGUNAS CLASIFICACIONES: AGUAS DURAS El agua que contiene un exceso de sales de calcio, magnesio o hierro se denomina agua dura (aproximadamente 0,6 g/litro). Los iones positivos reaccionan con los iones negativos del jabón para formar una sustancia insoluble (especie de nata), impidiendo la acción limpiadora del jabón ya que se pega a la ropa y hace que se vea sucia. Este tipo de agua no puede ser usada para cocinar los 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 otro cationes que no causen problemas. El agua blanda puede contener iones como Na+ o K+ éstos no forman esa nata insoluble con el jabón. Si la dureza es debida a bicarbonatos se dice que es temporal, ya que se quita por ebullición, de otra manera se dice que la dureza es permanente. 9
  10. 10. Ablandadores de agua Se han ideado diferentes agentes y métodos para ablandar el agua, a fin de facilitar la acción de los jabones. Un ablandador de agua eficaz es la sosa para lavar, que corresponde químicamente al carbonato de sodio (Na2CO3 — 10 H2O). Este compuesto alcaliniza el agua, lo que evita la precipitación de los ácidos grasos y elimina la presencia de los iones calcio y magnesio del agua dura. El que se encarga de ello es el ión carbonato, que reacciona con el agua y aumenta el pH, es decir, aumenta la alcalinidad de la solución. CO3-2 + H2O  HCO3- + OH→ Además, el ión carbonato reacciona con los iones que causan la dureza del agua y los elimina como sales insolubles. Ca+2 + CO3-2  CaCO3 → Mg+2 + CO3-2  MgCO3 → El fosfato trisódico ( Na3PO4 ) es otro agente ablandador del agua. Al igual que la sosa para lavar, hace alcalina a la solución y precipita a los iones calcio y magnesio. PO4-3 + H2O  HPO4-2 + OH→ 2 PO4-3 + 3 Mg+2  Mg3(PO4)2 → Además, al parecer los fosfatos contribuyen al proceso de limpieza, aunque todavía no se sabe cómo lo hacen. AGUAS NEGRAS Los microorganismos patógenos (que causan enfermedades) no son el único problema que tiene su origen en los desechos humanos que vertimos en nuestras vías de agua. La descomposición bacteriana de la materia orgánica agota el oxígeno disuelto en el agua y enriquece las aguas con nutrientes vegetales. Una corriente puede soportar sin problemas una cantidad pequeña de desechos, pero cuando en un cuerpo de agua se vierten enormes cantidades de aguas negras sin tratar, pueden ocurrir cambios indeseables. La mayor parte de los materiales orgánicos pueden ser degradados por microorganismos, esta degradación puede ser aeróbica o anaeróbica. La oxidación aeróbica ocurre en presencia de oxígeno disuelto, 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, lógicamente, mayor será la DBO. Si la DBO es lo bastante alta, se agotará el oxígeno y ningún ser vivo (con excepción de los microorganismos anaeróbicos que producen olores desagradables) puede sobrevivir en el lago o corriente. 10
  11. 11. Las corrientes de agua se pueden regenerar, y las más rápidas pronto vuelven a la vida a medida que el movimiento del agua introduce oxígeno en ella. Los lagos con poco o ningún flujo pueden permanecer muertos durante años. Si hay suficiente oxígeno disuelto, las bacterias aeróbicas (las que requieren oxígeno) oxidan la materia orgánica hasta dióxido de carbono, agua y diversos iones inorgánicos. El agua está relativamente limpia, pero los iones, sobre todo los nitratos y fosfatos, pueden servir como nutrientes para el crecimiento de algas, que también causan problemas. Cuando las algas mueren, se convierten en desechos orgánicos y elevan el DBO, este proceso se denomina eutroficación. Cuando el oxígeno disuelto en un cuerpo de agua se agota por un exceso de materia orgánica, ya sea que provenga de aguas negras, algas muertas u otras fuentes, predominan los procesos de descomposición anaeróbica. En lugar de oxidar la materia orgánica, las bacterias anaeróbicas la reducen y se forma metano (CH4). El azufre se convierte en sulfuro de hidrógeno (H2S) y otros compuestos orgánicos malolientes El nitrógeno se reduce a amoníaco (NH3) y aminas también malolientes. Los desagradables olores son una buena indicación de que el agua está sobrecargada con desechos orgánicos. Ningún ser viviente, aparte de los microorganismos anaeróbicos, pueden sobrevivir en tales aguas. AGUAS ÁCIDAS En su caída las aguas meteóricas, nombre con que comúnmente se denomina a las aguas lluvias, arrastran por disolución algunos contaminantes atmosféricos, como óxidos de nitrógeno, que se convierten en ácido nítrico y óxidos de azufre, que se convierten en ácido sulfúrico. Aunque las reacciones reales son más complejas que las que mostramos aquí, el resultado neto es el mismo. Parte del dióxido de azufre reacciona con el oxígeno de aire para formar trióxido de azufre. SO2 + O2  → 2 SO3 Luego, el trióxido de azufre reacciona con agua para formar ácido sulfúrico. SO3 + H2O  → H2SO4 Éstos ácidos caen sobre la Tierra como lluvia ácida o nieve ácida, (o se depositan como niebla ácida) o se absorben en partículas. La lluvia ácida se define como lluvia que presenta un pH menor que 5,6. Se ha informado de lluvia con un pH de hasta 2,1 y niebla con un pH de hasta 1,8 (éstos valores son más bajos que el vinagre o el jugo de limón). La lluvia ácida se debe, como dijimos, principalmente a los óxidos de azufre que emiten las plantas termoeléctricas y fundidoras, y a los óxidos de nitrógeno emitidos por las plantas termoeléctricas y los automóviles. Estos ácidos a menudo recorren grandes distancias antes de precipitarse en forma de lluvia o de nieve. 11
  12. 12. Estas lluvias ácidas corroen los metales, la piedra caliza y el mármol. Otro tipo de aguas ácidas, son las que pueden originarse al fluir ácidos de minas abandonadas hacia corrientes de agua. El agua ácida es perjudicial para la vida en los lagos y corrientes de agua, los efectos de las aguas ácidas sobre los organismos vivos son difíciles de establecer con precisión, tal vez el efecto más importante de la acidez es que causa la liberación de iones tóxicos de las rocas y los suelos. Por ejemplo, los iones aluminio que están firmemente unidos en las arcillas y otros minerales, son liberados por el ácido. Los iones aluminio no son muy tóxicos para los seres humanos, pero al parecer son mortales para los peces jóvenes. Muchos de los lagos que están muriendo sólo tienen peces viejos; ninguno de los jóvenes sobrevive. Irónicamente, los lagos destruidos por un exceso de acidez suelen ser muy hermosos, el agua es cristalina y chispeante; un marcado contraste con los lagos en los que los peces mueren por agotamiento de oxígeno después de que ocurren florecimientos de algas. Los ácidos no representan una amenaza para los lagos y arroyos en las zonas donde las rocas son de piedra caliza (carbonato de calcio), la cual puede neutralizar el exceso de ácido. CaCO3 + piedra caliza 2 H3 O+  Ca+2 + → CO2 + 3 H2O ácido En cambio donde las rocas son principalmente de granito, no hay tal neutralización. Las aguas ácidas pueden tratarse con piedra caliza pulverizada, u otras sustancias básicas. Se han realizados algunos intentos en este sentido, pero el proceso es costoso y la mejoría sólo dura unos cuantos años. Una forma obvia de aliviar el problema es eliminar el azufre de la hulla antes de quemarla o lavar los gases de las chimeneas para atrapar los óxidos de azufre. Se han logrado avances considerables en esta área, pero tales remedios son costosos y encarecen por el alto consumo de electricidad. AGUAS POTABLES Son aquellas aptas para beber y contienen sustancias como sales de Mg, Ca, Na, K y aire, ausencia de microorganismos patógenos, nitritos, nitratos y material orgánico. 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. El agua que se va a purificar por lo general se coloca en un tanque de asentamiento donde se le trata con cal apagada y un floculador como sulfato de aluminio. Estos materiales reaccionan para formar una masa coloidal de hidróxido de aluminio. 3 Ca(OH)2 cal apagada + Al2(SO4)3 sulfato de aluminio  2 Al(OH)3 → hidróxido de aluminio + 3 CaSO4 sulfato de calcio El hidróxido de aluminio atrapa partículas de tierra y bacterias, a continuación, el agua se filtra a través de arena y grava. 12
  13. 13. Por lo regular, el agua se somete a una aireación; se rocía al aire para eliminar olores y mejorar su sabor (el agua sin aire disuelto es insípida). A veces el agua se filtra a través de carbón activado para eliminar compuestos coloridos y aromáticos. En el paso final, llamado cloración, se añade cloro para eliminar cualquier bacteria que pudiera quedar. En algunas comunidades que usan agua de río se requiere mucho cloro para matar todas las bacterias, y el sabor del cloro puede percibirse en el agua. Fluoruros La dureza del esmalte de nuestros dientes puede correlacionarse hasta cierto punto con la cantidad de fluoruro presente, el esmalte dental es un fosfato de calcio complejo llamado hidroxiapatita. Los iones fluoruros sustituyen a algunos de los iones hidroxilo para formar un mineral más duro llamado fluoroapatita. Ca5(PO4)3OH + F-  Ca5(PO4)3F + → OH- Se han agregado concentraciones de 0,7 a 1,0 ppm (por peso) de fluoruro, casi siempre como H2SiF6 o Na2SiF6. Algunas personas objetan el hecho de que se añada fluoruro al agua, los fluoruros son venenos agudos en concentraciones de moderadas a altas. De hecho, el fluoruro de sodio (NaF) se usa como veneno para cucarachas y ratas. Sin embargo, al parecer cantidades pequeñas del ion fluoruro contribuyen a nuestro bienestar. AGUAS MINERALES Son las que contienen disueltos algunos compuestos en proporciones altas. Si contienen CO2 se denominan carbónicas, con cloro son cloradas, con carbonato de sodio se llaman sodadas. Las aguas termales son aguas minerales que además tienen un gran contenido calórico. CONTAMINACIÓN DEL AGUA Según la historia bíblica de Moisés, éste al guiar a los israelitas en su éxodo de Egipto hacia el desierto, llegó a una zona donde escaseaba el agua, Marah, donde los israelitas no pudieron beber el agua porque su sabor era amargo. Según se narra en el Éxodo, Dios ordenó a Moisés arrojar un árbol al agua para purificarla. Recuerda que una propiedades de las soluciones básicas es que son amargas. El agua en Marah probablemente era básica o alcalina (tales aguas son comunes en zonas desérticas). Se ha intentado dar una explicación química a la purificación del agua salobre por Moisés. El árbol probablemente estaba muerto y había sido blanqueado por el sol del desierto. Los grupos alcohol de la celulosa se habrían oxidado a grupos carboxilos. Estos grupos ácidos pueden neutralizar el álcali del agua. Moisés no necesitó tener conocimientos científicos acerca de la purificación del agua para aplicar la tecnología apropiada. 13
  14. 14. Contaminación química La Revolución Industrial añadió una nueva dimensión a nuestros problemas de contaminación del agua. Muchas fábricas se construyeron a orillas de corrientes de aguas, y los desechos se vertieron en ellas para ser transportadas a otros lugares. El surgimiento de la agricultura moderna ha dado pie a una mayor contaminación por los fertilizantes y plaguicidas que van a dar al sistema acuático. El transporte de petróleo causa derrames en los océanos, estuarios y ríos. Los ácidos que llegan al agua provenientes de minas, fábricas y de la precipitación ácida. Las sustancias químicas de uso doméstico también contribuyen a la contaminación del agua cuando se vierten al drenaje detergentes, disolventes y otros compuestos. Contaminación biológica Con la aparición de las grandes ciudades aparece también el problema de la eliminación de los desechos humanos. La contaminación de los suministros de agua por microorganismos patógenos provenientes de desechos humanos era un problema grave en todo el mundo hasta hace unos 100 años. Durante la década de 1830 terribles epidemias de cólera azotaron el mundo occidental. La tifoidea y la disentería eran comunes. Hoy en día, como el resultado del tratamiento químico, en las naciones avanzadas, los suministros de agua son generalmente seguros. Sin embargo, las enfermedades transmitidas por el agua siguen siendo comunes en gran parte de Asia, África y América Latina. De hecho, se estima que cerca del 80% de todas las enfermedades del mundo se deben a agua contaminada. La gente con enfermedades transmitidas por el agua llena la mitad de las camas de hospital del mundo y fallece a razón de 25.000 personas cada día. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Durante muchos años la mayor parte de las comunidades se limitan a conservar sus aguas negras en estanques de sedimentación durante cierto tiempo antes de descargarlo a una corriente, lago u océano. Hoy en día, se utiliza un tratamiento primario de aguas negras que elimina parte de los sólidos en forma de lodos. El efluente tiene una enorme demanda bioquímica de oxígeno y a menudo se agota todo el oxígeno disuelto en el estanque y se inicia la descomposición anaeróbica (con sus característicos olores). 14
  15. 15. El efluente de una planta de tratamiento primario contiene mucha materia orgánica disuelta y suspendida. Una planta de tratamiento secundario de aguas negras hace pasar el efluente de la planta de tratamiento primario por filtros de arena y grava, en este paso hay cierta aireación, y las bacterias aeróbicas convierten la mayor parte de la materia orgánica en materias inorgánicas estables. A menudo se utiliza una combinación de los métodos de tratamiento primario y secundario llamado método de lodos activados. Las aguas negras se depositan en tanques y se airean con potentes ventiladores, lo cual provoca la formación de grandes cúmulos porosos llamados flóculos, que sirven para filtrar y absorber contaminantes. Las bacterias aeróbicas convierten al material orgánico en lodos, y partes de él se recicla para mantener funcionando el proceso. El lodo eliminado se almacena en amplios terrenos, se vierten al mar o se queman en incineradores. Algunas veces son utilizados como fertilizantes. Existen otros tratamientos más avanzados y por supuesto de mayor costo. Uno de estos tratamientos avanzados, llamado también tratamiento terciario, es la utilización de carbono activado en la filtración, el carbono absorbe en su superficie las moléculas orgánicas que son difíciles de eliminar por cualquier otro método. Después de cierto tiempo, el carbono se satura y deja de ser efectivo, aunque se puede regenerar por calentamiento ya que así expulsa las sustancias absorbidas. De mayor costo existe el método de “osmosis inversa” que consiste en un filtrado a presión a través de una membrana semipermeable. Por lo general el efluente de las plantas de tratamiento de agua se trata con cloro antes de regresarlo a las vías de agua. Se añade el cloro en un intento de eliminar los microorganismos patógenos que pudiera haber todavía en el agua. Este tratamiento ha sido muy efectivo para evitar la diseminación de enfermedades infecciosas transmitidas por el agua como la fiebre tifoidea. Además que algo de cloro permanece en el agua lo que constituye una protección residual contra las bacterias patógenas. Sin embargo, la cloración no es eficaz contra los virus como los que causan la hepatitis. 15
  16. 16. TEST DE EVALUACIÓN - MÓDULO 12 1. Con respecto al compuesto agua, es correcto afirmar que I) II) III) IV) cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre. es un magnífico disolvente de múltiples sales. constituye entre el 60 y 90% del peso de los organismos vivientes. en ella se inició la vida hace cuatro mil millones de años. A) sólo I B) sólo II C) sólo I y III D) sólo II y IV E) I, II, III y IV 2. En general, entre las interacciones que pueden existir en y entre moléculas en estado líquido y sólido se encuentran 1. enlace covalente. 2. fuerzas de Van Der Waals. 3. puentes de hidrógeno. Al comparar la fuerza o intensidad de estas interacciones, se pueden ordenar de mayor a menor de la siguiente manera A) 1 - 2 - 3 B) 3 - 1 - 2 C) 1 - 3 - 2 D) 2 - 3 - 1 E) 3 - 2 - 1 3. De las siguientes propiedades del agua, sólo una de ella es considerada propiedad extensiva. Indique cual A) volumen B) calor específico C) densidad D) punto de ebullición E) punto de congelación 4. Una persona puede disipar grandes cantidades de calor corporal evaporando pequeñas cantidades de agua del sudor. Esto ocurre porque A) se requiere de una pequeña cantidad de calor para evaporar una gran cantidad de agua. B) el agua presenta un elevado calor de vaporización. C) el agua se evapora fácilmente. D) el vapor de agua condensa rápidamente. E) el agua presenta un punto de ebullición de 100°C. 16
  17. 17. 5. El agua al reaccionar con un anhídrido u óxido no metálico, forma A) un oxiácido. B) una base. C) una sal. D) “gas de agua”. E) hidrógeno y oxígeno. 6. El agua potable generalmente contiene A) selenio para eliminar la presencia de posibles bacterias. B) plomo para eliminar los olores y mejorar su sabor. C) flúor en pequeñas cantidades para endurecer el esmalte de los dientes. D) compuestos coloridos y aromáticos. E) cadmio para que se vea más cristalina. 7. El proceso de potabilización del agua generalmente se realiza en cuatro etapas, las que se indican a continuación sin que estén necesariamente en el orden correcto en que se realizan. 1. 2. 3. 4. Filtración para atrapar los sólidos que quedan en suspensión. Decantación mediante el cual se separa el agua de los sólidos. Cloración para tener la certeza de eliminar los microorganismos más resistentes. Floculación para atrapar partículas de tierra y bacterias. Ordenados en forma secuencial los procesos deben ser A) 4 - 2 - 1 - 3 B) 1 - 2 - 3 - 4 C) 3 - 1 - 2 - 4 D) 2 - 1 - 4 - 3 E) 4 - 2 - 3 - 1 8. Las aguas duras son aquellas que contienen un exceso de calcio y magnesio. Esta agua no se puede usar directamente a nivel doméstico o industrial ya que I) II) III) disminuye la acción limpiadora de los jabones. forma residuos de sales de bicarbonato en el fondo de ollas y calderas. el consumo humano puede ser tóxico. A) sólo I B) sólo II C) sólo III D) sólo I y II E) I, II y III 17
  18. 18. 9. La aparición del sarro de la tetera o hervidor eléctrico se explica − A) por efecto del calor, se unen los iones Ca+2 y CO 3 2 para producir el precipitado de CaCO3. B) con la evaporación del agua se origina una mayor concentración, quedando el agua ácida y precipitando las sales que contiene. C) la evaporación del agua alcaliniza las sales que contiene y precipitan depositándose en el fondo de estos recipientes. D) con el calor la solubilidad de todas las sales que contiene el agua disminuye, por lo tanto precipitan y se depositan en el recipiente. E) el agua potable trae consigo muchas sales insolubles que se depositan en las teteras y hervidores. 10. Un tratamiento del agua residual más avanzado y, por supuesto, de mayor costo puede ser el I) II) III) filtrado con carbón activado aumento de temperatura osmosis inversa A) sólo II B) I y II C) I y III D) II y III E) I, II y III Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://clases.e-pedrodevaldivia.cl/ DSIQM12 18

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