01_Estudio Del Agua Quimica Inor

FIAS-UNICA QUIMICA INORGANICA y AMBIENTAL------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Estudio del Agua

Estructura

El agua tiene una estructura molecular angular y triatómica formada por 2 átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, con un ángulo de separación entre los enlaces O – H de aproximadamente 105º .El tipo de enlace entre H – O – H es covalente normal polar pero el par de electrones tiende a estar mas cerca del oxigeno por ser un elemento bastante electronegativo; generado así carga negativa y formando un polo negativo (no iones) en el oxigeno, mientras que hidrogeno queda con polo positivo por disminución de electrones, es por esta razón que el agua presenta carácter dipolar: un polo negativo debido al oxigeno y otro positivo por el hidrogeno.

Ocurrencia y abundanciaEl agua es el compuesto mas abúndate de la naturaleza, formando parte de los seres vivos, en un porcentaje de 65 en el cuerpo humano; en las frutas alcanza hasta el 96% de agua.El agua se encuentra en 3 estados o fases, solido, (constituyendo el hielo de las regiones polares, en forma de nieve en las cumbres altas y como escarcha en las estaciones invernales).En el estado liquido conforman los océanos, lagos, ríos, etc., y en su estado gaseoso forma parte de la capa de gaseosa que rodea la tierra y que proporciona la humedad ambiental indispensable para los seres vivos.

Características Generales y propiedades

Características del agua

Formula molecular: H2O

Formula estructural:

-------------------------------------------------Dr. Pedro Córdova Mendoza

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http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Watermolecule.png

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Watermolecule.png


Formula electrónica:

Peso Molecular : 18,016 u.m.a

Características organolépticas: Color: incoloraSabor: insípidaOlor: inodora

Densidad en fases gaseosa: 0,598 g/lt. (A 100º C y i atm )

Densidad en fase liquida: 1,000 g/ml.

Densidad en fase sólida: 0,917 g/ml. (a 0º C)

Punto de fusión: 0º C (1 atm de presion)

Punto de ebullición: 100º C (1 atm de presion)

Temperatura crítica: 365º C

Presión crítica: 200 atm

Capacidad calorífica: 1 cal/g ºC

Sistema cristalino: Hexagonal

Propiedades físicasEl agua a temperatura ambiente se encuentra en estado liquido, no tiene olor, ni sabor, hierve a 100º C y se solidifica a 0º C. Es incolora pero en los mares tiene una tonalidad azul verdosa por encontrarse en grandes proporciones.Al congelarse su volumen aumenta pero su densidad disminuye, su máxima densidad esta a los 4º C.El agua es un gran disolvente de sólidos, como jabones, sales, etc. de líquidos como ácidos alcoholes y de gases como el anhídrido carbónico.

Propiedades químicasEl agua a condiciones normales es una sustancia estable pero a temperaturas elevadas puede descomponerse, por ejemplo, a temperatura de 1600º C y en presencia de platino al rojo vivo se logra disociada en hidrogeno y oxigeno, otro método de descomposición del agua es por electrolisis.


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Reacciones con otras sustancias

a) Reacciona con los no metales. El carbón reduce el vapor del agua a una temperatura de 1000º C liberando

hidrogeno y formando monóxido de carbono con el oxigeno.

C + H2O CO + H2

Si la temperatura sobrepasa los 1000º C se produce el gas carbónico.

C + 2H2O CO2 + 2H2

El cloro disocia al vapor de agua a temperatura de 500º C formando el HCl con el hidrogeno y liberando oxigeno.

Cl2 + H2O 500º C 2HCl + ½ O2

b) Reacciones con Metales.

El sodio descompone el agua en frió produciendo soda cáustica (hidróxido de Na) e hidrogeno.

Na + H2O NaOH + ½ H2

El potasio produce con el agua una reacción en la que se forma potasa cáustica (hidróxido de K) e hidrogeno.

K + H2O KOH + ½ H2

Estas reacciones son altamente exotérmicas y muy violentas.

El magnesio reacciona con el agua en caliente produciendo el oxido de magnesio e hidrogeno.

Mg + H2O MgO + H2

El Calcio reacciona con el agua en frío produciendo cal apagada (Hidróxido de Ca) e hidrogeno.

Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2

El hierro reacciona con el agua formando oxido de hierro e hidrogeno.

3Fe(al rojo) + 4H2O Fe3O4 + 4 H2


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PPunto de presión

Q0º 82º 100º

C

ES

760 mmHg

380 mmHg

1 mm Hg


c) Reacción con los óxidos.Con los óxidos metálicos, el agua forma los hidróxidos o bases.

Reacción con los anhídridosEl agua con los anhídridos produce los oxácidos respectivos Ejemplo: El anhídrido carbónico con el agua produce el acido carbónico.

CO2 + H2O H2CO3

El anhídrido sulfúrico produce el acido sulfúrico.

SO3 + H2O H2SO4

Diagrama de estados o fases del aguaComo el agua se presenta en 3 estados físicos o fases; solidó, líquido y gaseoso; para pasar de un estado a otro lo hacen por variación de temperatura ó sea que van acompañado de absorción o emisión de calor ocasionando cambios en el volumen y la presión de sistema.

El diagrama de estado o de fases del agua es una grafica que resume la coexistencia de los tres estados donde se a variado controladamente la temperatura y la presión.


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FASE LIQUIDA

FASE GASEOSA

TEMPERATURA

PRESION APLICADAFA

SE

S

OL

IDA

PR

ES

ION

DE

L

VA

PO

R


En la figura se muestra el diagrama de fases: P representa el punto triple, la línea PE representa la coexistencia de las fases liquida y gaseosa.

La línea PQ representa la coexistencia de las fases sólida liquida y gaseosa y la línea PS representa la coexistencia de los fases sólida y liquida.; E es el punto de ebullición.Esta grafica permite observar algunas fases del comportamiento del agua: el punto triple se establece por encima de 0º C (0.008º C) y a 4.58 mm. Hg. o sea que a esta presión el hielo no se funde a 0º C que es el punto de fusión normal; por debajo de 760 mm. Hg. el punto de fusión es un poco mayor que 0º C.

Por debajo de la presión correspondiente al punto triple o sea a una presión de 1 a 3 mm. Hg. el hielo pasa por el estado líquido (sublimación). Cuanto menor sea la presión exterior menor será el punto de ebullición.

Obsérvese por ejemplo, el punto de ebullición a una presión de 380 mm. Hg. (intersección de la línea punteada C con la línea PE).

Clases de agua

a) Aguas NaturalesSon las que permanecen en la superficie de la tierra o también dentro de ella, arrastrando diversas sustancias en el recorrido por eso no son puras y contienen sales minerales como cloruros, nitratos, sales cálcicos, CO2 y sustancias orgánicas, las aguas de lluvias son menos impuras que las anteriores y se denominan aguas meteóricas.

b) Aguas PotablesSon aptos para beber y contienen elementos necesarios para el organismo como CO2, aire y sales de Na, K, Ca, y Mg en proporciones optimas para el metabolismo.El agua potable debe poseer ciertas características para ser aceptada como tal:

1) Frescura, transparencia, inodora, incolora e insípida.2) Debe contener aire en solución para que no sea indigesta.3) Debe disolver bien el jabón sin presencia de grumos y cocer bien las legumbres.4) No debe contener gérmenes patógenos ni amoniaco, nitritos, nitratos o materias

orgánicas.5) No debe contener sales minerales en exceso

c) Aguas duras o crudasson los que contienen exceso de sales de Ca y Mg estas sales con el palmitato de sodio que es la parte esencial del jabón, forman palmitatos de Ca y Mg que son insolubles, por este motivo no disuelven el jabón ni dan espuma, tampoco cocen bien las legumbres.Existe un método para determinar la dureza del agua llamada hidrotimetría. Se basa en la precipitación de Ca y Mg en forma de grumos blancas dentro de una solución jabonosa, si no hay exceso de Ca y Mg la espuma persiste (el jabón utilizado es especial llamado medicinal o de Marsella).Este tipo de aguas contiene porcentajes de sales más o menos de 0.60 gr/lt agua, por esta razón se denominan duras.


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d) Aguas blandas Son aguas duras tratadas, es decir se han sometido a ciertos procesos químicos o físicos con el fin de remover las sustancias en exceso como los bicarbonatos, cloruros, sulfatos, etc. Este proceso se conoce como ablandamiento de aguas.

e) Aguas MineralesSon las aguas que contienen disueltos algunos compuestos en proporciones relativamente altos. Los que contienen H2S se llama sulfhídricos o sulfurosas, si contienen CO2 se denomina acidulas o carbónicas (tienen sabor picante) con sodio son sodadas, con cloro cloradas, selenitosas, con sulfato de cobre, etc.También existen las aguas cuyas temperaturas pasa de los 30º C y se conocen como aguas termales.

f) Agua pesada Es la que presenta en su estructura, en vez de los átomos de H+ y O16 que forma el agua normal, los isótopos de estos elementos presentan la formula D2O. De acuerdo con los isótopos presente habrá diferentes clases de agua pesada, las mas común es la D2O16

también la D2O18 en la cual no solo esta presente el deuterio sino también el isótopo superior del O16.Cuando se trata al T2O, otro isótopo del hidrógeno ya se tiene aguas extra pesadas, es muy poco abundante y puede obtenerse por medio de la reacción electrolítica para sintetizar H2, aprovechando los residuos de la reacción.Este mecanismo se lleva a cabo sometiendo a electrolisis dichos residuos y obteniendo así el deuterio, este se quema posteriormente en atmósfera de oxigeno teniéndose finalmente el D2O.Otro modo de obtener agua pesada es por medio de la electrolisis del agua común, en la cual se liberan mayores cantidades de hidrogeno que de deuterio. Si se sigue el proceso en forma continuada poco a poco el agua normal se va convirtiendo en agua pesada, pues cada vez contiene mayores cantidades de deuterio y menores cantidades de hidrogeno.El agua pesada muestra propiedades diferentes a las del agua normal.

Densidad (25º C) 1.1056Punto de Ebullición 101.42º CPunto de Solidificación 3.8º CTiempo de máx. Densidad 11.6º C

Dentro de sus propiedades químicas reacciona mas lentamente que el agua común, las sales son menos solubles en ella, sin embargo este tipo de agua tiene gran aplicación en los reactores nucleares moderando el proceso de aceleración de neutrones; también en farmacia tiene aplicación de tipo medicinal. En el cuerpo humano hay alrededor de siete a diez gramos de agua pesada.


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Purificación del agua Los métodos de purificación del agua son:Filtración, ozonización, cloración, destilación y resinas de intercambio iónico.

La ozonización.- Es el método por el cual se inyecta ozono al agua asegurando una buena mezcla; es un método eficaz pero costoso.

La destilación.- se utiliza mucho en el laboratorio para retirar del agua, las sustancias que puedan interferir en los análisis químicos.La cloración.-Es el tratamiento de aguas común en nuestro medio y consiste en hacer burbujear cloro gaseoso dentro del agua, sin embargo para destruir ciertas bacterias como el tifus es indispensable la adición de grandes cantidades de cloro, lo que produce un sabor desagradable en el agua, siendo prudente airearla bien para evitar este problema.En general antes de la cloración, se clarifican las aguas añadiendo Al2(SO4)3 con el fin de precipitar los carbonatos presentes en forma de sulfatos, posteriormente se filtran mediante filtros de piedra, grava y arena, una vez separadas las impurezas se procede a inyectar el cloro que destruye las bacterias y finalmente se airea con el objeto de expulsar el exceso de cloro y de algunos otros gases que pueda contener. De esta forma se mejora el sabor y se hace más potable.

Resinas de intercambio iónico.- Los intercambiadores iónicos son compuestos de altos pesos moleculares, cuyos átomos están unidos por enlaces covalentes; se utiliza para ablandar las aguas con exceso de sales, el intercambio sucede de acuerdo con la reacción:

Ca+2 + 2Na+ 2Na+ + Ca+2

Los círculos negativos representan los sitios negativos del intercambiador.

Para poder retirar el calcio del agua dura es necesario, pasarlo por cantidades apreciables de intercambiadores, que se han introducido dentro de una columna y a través de la cual se hace pasar el agua dura, cuando el intercambiador ha agotado sus iones Na obviamente ya no produce mas intercambio y se requiere regenerarlos tratándolo con solución de cloruro de sodio. En esta forma se logra el ablandamiento completo del agua.Estos intercambiadores llamados zeolitas forman parte del grupo de los silicatos y ya no se utilizan mucho, pero se han logrado sintetizar otras sustancias que superan a los zeolitas, estas nuevas sustancias son de tipo orgánico constituyendo grandes redes hidrocarbonadas con ejemplos SO3 para hacerlos negativos o grupos N(CH3)3 para hacerlos positivos, a los cuales se han llamados resinas intercambiadoras. Cuando se combinan las resinas aniónicas y las catiónicas se obtiene un intercambiador ideal para la separación de soluciones salinas; por lo cual se emplea en laboratorios e industrias para el ablandamiento de aguas.Hoy se ensayan técnicas que consisten en tratar el agua con fluor (fluoración) con muy buenos resultados, ya que esta sustancia confiere al agua buenas propiedades, especialmente en las bacterias.


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Contaminación de las AguasLas sustancias contaminantes son de varias clases, por ejemplo los de tipo orgánico, como son desechos de animales o de humanos que la descomponerse favorecen el desarrollo de numerosas bacterias patógenas, causando infecciones y graves enfermedades a los seres que las utilizan o ingieren.

También hay contaminaciones de tipo químico, estas se refieren a residuos de industrias químicas y que son tan graves como las anteriores, pero muchas de estas sustancias son toxicas como Hg, el arsénico, el plomo, también las que forman parte de pesticidas y fungicidas, utilizados en la agricultura para exterminar plagas, todas estas sustancias causan la muerte de la fauna acuática y fuertes intoxicaciones en los seres humanos.

Otras sustancias que resultan peligrosas cuando están exceso son los fosfatos, los cuales se utilizan mucho en la industria de los fertilizantes y formando parte de detergentes, los que al ser arrastrados por las aguas son un medio propicio para el desarrollo de microorganismos perjudiciales, quienes al multiplicarse toman el oxigeno disuelto en el agua, impidiendo el normal desarrollo de la vida acuática.


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