GENERALIDADES. La molécula de agua. Propiedades. Química en Solución acuosa. Aguas ambientales-abundancia 1. Química en solución acuosa 2007

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1 GENERALIDADES Química en solución acuosa 2007 La molécula de agua Molécula de tipo AX 2 E 2 Angular Enlace O-H Alta energía Alta polaridad Capacidad para formar enlaces de hidrógeno Aguas ambientales-abundancia 2 Propiedades Alta constante dieléctrica Disolución de sales Enlaces de hidrógeno Puntos fusión y ebullición Alto calor específico Alto calor de vaporización Densidad Transparente a ondas visibles y UV Aguas ambientales-abundancia 3 Aguas ambientales-abundancia 1

2 Propiedades del agua Agua como solvente Disolución Transporte Propiedades químicas ácido-base redox Aguas ambientales-abundancia 4 La distribución zonal ATMÓSFERA HIDROSFERA CORTEZA Biosfera MANTO NÚCLEO Aguas ambientales-abundancia 5 Distribución de la masa terrestre NÚCLEO (31.4%) 3500 Km MANTO (68.2%) 3000 Km ATMÓSFERA ( %) 100 Km CORTEZA (0.4%) HIDROSFERA (0.024%) 30 Km Aguas ambientales-abundancia 6 Aguas ambientales-abundancia 2

3 Clasificación geoquímica de los elementos Atmófilos Litófilos H Calcófilos Siderófilos He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Aguas ambientales-abundancia 7 Corteza Predominio de elementos que forman compuestos de alta estabilidad termodinámica con el oxígeno En general, se estabilizan las formas oxidadas de los elementos Integrada por especies aniónicas del oxígeno, y cationes de elementos litófilos: óxidos, silicatos, aluminosilicatos, carbonatos, fosfatos, nitratos Los cationes de elementos calcófilos se encuentran como sulfuros Aguas ambientales-abundancia 8 Abundancia de elementos en la corteza terrestre (ppm) O Si Al Na K Mg 1000 H F P C S 100 Li Cl 10 N 1 Be B 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 He Ne Sc Ar Ca Ti Fe Mn Sr Ni Zn Rb Zr V Cr Co Cu As Br Sn Ge Mo Cd I Se Ag Sb Pd Te Kr Ru Rh Xe NÚMERO ATÓMICO Aguas ambientales-abundancia 9 Aguas ambientales-abundancia 3

4 Atmósfera Componentes volátiles de elementos no metálicos unidos por enlace covalente, formando pequeñas moléculas Elementos atmófilos: hidrógeno, nitrógeno, gases nobles Las moléculas presentes en la atmósfera tienen baja o mediana solubilidad en agua Aguas ambientales-abundancia 10 Las moléculas de la atmósfera Molécula Concentración (% volumen) Molécula Concentración (% volumen) N Ne O He H 2 O 0-4 CH 4 2x10-4 Ar H 2 5x10-5 CO NO 5x10-5 Composición a nivel del mar Aguas ambientales-abundancia 11 Dioxígeno (I) En la atmósfera, proviene principalmente de la Biosfera La presencia de dioxígeno libre en la atmósfera es la causa del desequilibrio termodinámico en la superficie de la Tierra Es la especie determinante del carácter oxidante de la atmósfera De baja solubilidad en agua: 2.5x10-4 M, a 25ºC, para agua en equilibrio con la atmósfera La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura Aguas ambientales-abundancia 12 Aguas ambientales-abundancia 4

5 Dioxígeno (II) Las aguas naturales en contacto con la atmósfera, contienen oxígeno disuelto En general, el O 2 es el principal agente oxidante en aguas naturales superficiales Al reaccionar, cada átomo de oxígeno se reduce al estado de oxidación -2 (H 2 O en medio ácido, OH - en medio básico) Aguas ambientales-abundancia 13 Dióxido de carbono (I) Proviene principalmente de emisiones volcánicas y actividad biológica en la Biosfera Tiene algo de solubilidad en agua, por lo que se encuentra presente tanto en agua de lluvia como en agua de evaporación El CO 2 (óxido ácido) disuelto interviene en equilibrios ácido-base de gran influencia en el establecimiento del ph de las aguas naturales Aguas ambientales-abundancia 14 Dióxido de carbono (II) Disuelto en agua, genera formación de distintas especies (H 2 CO 3, HCO 3-, CO 3 2- ), estableciéndose un conjunto de equilibrios químicos que las relacionan El agua pura, en equilibrio con el CO 2 atmosférico tiene un ph de 5.7, controlado por la primera disociación del H 2 CO 3 Aguas ambientales-abundancia 15 Aguas ambientales-abundancia 5

6 Dióxido de carbono (III) En aguas naturales, el ph varía habitualmente entre 4 y 9 Los valores más bajos, se originan por contacto con suelos con alto contenido de CO 2 (descomposición aeróbica de materia orgánica) Los valores más altos, por presencia de carbonatos minerales poco solubles, especialmente CaCO 3 Aguas ambientales-abundancia 16 Biosfera Está constituida por los organismos vivos Relación de masas: 1 Biosfera 300 Atmósfera 7x10 4 Hidrosfera 1.30x10 6 Corteza Contenida por la corteza y la hidrosfera, en la zona de contacto con la atmósfera Elementos más abundantes: O, C, H, N, Ca, P, K, S, Mg, Na, Cl Aguas ambientales-abundancia 17 Hidrosfera Agua Océanos y mares Hielos Masa estimada (kg) 1.40 x (97%) x Aguas dulces Subterráneas Superficiales x x TOTAL 1.45 x Aguas ambientales-abundancia 18 Aguas ambientales-abundancia 6

7 Ciclo hidrológico RESERVORIOS /10 15 Kg H 2 O EVAPORACIÓN TRANSPIRACIÓN 71 ATMÓSFERA 1500 EVAPORACIÓN 425 MASA CONTINENTAL: AGUAS SUBTERRÁNEAS Y SUPERFICIALES HIELO PRECIPITACIÓN 111 PRECIPITACIÓN 385 FLUJOS ANUALES /10 15 Kg H 2 O RÍOS 40 OCÉANOS 1.40X10 6 Aguas ambientales-abundancia 19 Circulación de los elementos ATMÓSFERA EVAPORACIÓN H, C, O PRECIPITACIÓN H, C, N, O, S EXTRACCIÓN Na, Mg, Cl, Br, I HIDROSFERA CAPTACIÓN H, C, O, Si, S, Ca CONTAMINACIÓN Ni, Cu, Cd, Pb, Hg SEDIMENTACIÓN Si, S, Mn, Fe ENVEJECIMIENTO FUENTES HIDROTERMALES C, Na, Mg, Si, S, Cl, K, Ca INDUSTRIA CORTEZA BIOSFERA Aguas ambientales-abundancia 20 Especiación química Los elementos se encuentran formando las especies químicas que resultan termodinámicamente favorecidas La forma o formas químicas que adopta cada elemento dependen de: Características del elemento (tamaño, electronegatividad, estado de oxidación, etc.) Las condiciones del sistema acuoso en particular (temperatura, ph, potencial redox, presencia de otros elementos, etc.) Aguas ambientales-abundancia 21 Aguas ambientales-abundancia 7

8 Principales especies en aguas naturales Cationes Aniones simples H Hidroxo y oxo aniones solubles He Li Be Insolubles B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Agua moderadamente aireada, ph entre 5.5 y 7.0 Aguas ambientales-abundancia 22 Envejecimiento de la corteza Combinación de acciones físicas y químicas producidas por las precipitaciones sobre los minerales de la superficie terrestre Es una consecuencia del ciclo hidrológico Los principales agentes químicos del proceso de envejecimiento son el agua (hidrólisis) y el dioxígeno disuelto (oxidación) El ph del agua influye en forma importante sobre las reacciones que se producen Los ríos transportan hacia el mar las sales solubles e insolubles que se generan Aguas ambientales-abundancia 23 Los ríos Abundancia de elementos: variable con la composición del suelo ph: Sales disueltas: concentraciones totales del orden de 100 ppm Especies predominantes: Ca 2+ y HCO 3 - Sustancias suspendidas: concentraciones totales del orden de 500 ppm Especies predominantes: óxido-hidróxidos de Si, Al y Fe Aguas ambientales-abundancia 24 Aguas ambientales-abundancia 8

9 Abundancia de elementos disueltos en ríos Elemento Concentración (mol/l) Elemento Concentración (mol/l) Carbono 8.8x10-4 Flúor 7.0x10-5 Calcio 3.6x10-4 Potasio 5.4x10-5 Sodio 1.7x10-4 Azufre 4x10-5 Cloro 1.4x10-4 Aluminio 2x10-5 Magnesio 1.4x10-4 Hierro 7x10-6 Silicio 1.3x10-4 Bromo 8x10-7 Aguas ambientales-abundancia 25 Distribución relativa: agua de río/corteza terrestre Relación Elemento Al Fe, P, Si, K Na, Mg, B, Sr, Ca, U, Li, F, Zn, Pb Cl, Br, I, S, N, C Aguas ambientales-abundancia 26 Movilidad y potencial iónico Radio/pm Carga iónica o Estado de oxidación Solubles Insolubles Oxoaniones Aguas ambientales-abundancia 27 Aguas ambientales-abundancia 9

10 Los océanos (valores en la superficie) Temperatura: 25ºC ph: 8.0 Potencial redox hasta 0.8V Concentración de sales disueltas: 3.5% Principales cationes: Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ Principales aniones: Cl -, SO 4 2-, HCO 3-, CO 3 2-, Br - Aguas ambientales-abundancia 28 Abundancia de elementos disueltos en el mar Elemento Concentración (mol/l) Elemento Concentración (mol/l) Cloro Silicio 1x10-3 Sodio Bromo 8.4x10-4 Magnesio Boro 2x10-4 Calcio Flúor 7x10-5 Potasio Aluminio 2x10-8 Azufre Hierro 1x10-9 Aguas ambientales-abundancia 29 Distribución relativa: agua de mar/agua de río Relación Elemento Al, Fe, Zn, Pb P, Si, F, C, N Sr, Ca, U, Li, S, I Cl, Br, Na, K, Mg, B Aguas ambientales-abundancia 30 Aguas ambientales-abundancia 10

11 Balances La más importante vía de ingreso de elementos es el aporte de los ríos, que extraen elementos de la corteza Las vías de egreso más importantes son la precipitación de sales insolubles, la captación por la Biosfera y las reacciones con los sedimentos marinos Ríos Fuentes hidrotermales Precipitación Filtrado de corteza Para cada elemento, en un intervalo de tiempo: Q = Entrada Salida Sedimentación Reacciones con sedimentos Captación biológica Evaporación Aguas ambientales-abundancia 31 Balance dinámico El mar puede considerarse en estado estacionario, y que los elementos ingresan y egresan con flujos constantes, sin acumularse En esas condiciones, se puede calcular el tiempo promedio de residencia de un elemento en el mar: Tiempo de residencia de un elemento (τ) = masa total / flujo (entrada o salida) Aguas ambientales-abundancia 32 Tiempos de residencia τ /años Flujo /10 12 Kg/año Elemento Flujo τ Sodio 0.2 8x10 7 Cloro 0.2 5x10 8 Azufre 0.4 1x10 7 Silicio 0.2 5x10 4 Fósforo x10 5 Selenio 8x10-6 5x10 4 Plomo x10 2 Aluminio x10 2 Hierro x10 2 Aguas ambientales-abundancia 33 Aguas ambientales-abundancia 11

12 Elementos conservativos Tiempos de residencia altos Bajos flujos de remoción En el transcurso del tiempo, presentan acumulación Son los de mayor concentración en los océanos Su concentración no varía con la profundidad Aguas ambientales-abundancia 34 Elementos no-conservativos Tiempos de residencia bajos Concentraciones bajas Altos flujos de remoción Reciclados: removidos principalmente por captación biológica Arrastrados: removidos principalmente por sedimentación Concentraciones fuertemente variables con la profundidad: Reciclados: concentraciones aumentan con la profundidad Arrastrados: concentraciones disminuyen con la profundidad Aguas ambientales-abundancia 35 Aguas ambientales-abundancia 12