DETERMINACIÓN DE ph, ACEIDEZ, ALCALINIDAD, Y DUREZA EN MUESTRAS DE AGUA.

DETERMINACIÓN DE ph, ACEIDEZ, ALCALINIDAD, Y DUREZA EN MUESTRAS DE AGUA. Nicolás Duque, Código: 214796 nduqueg@unal.edu.co Manuel Alejandro Montero, Código: 244655 mamonteros@unal.edu.co Andrea Vergara Villada, Código: 215189 ayvergarav@unal.edu.co 1. INTRODUCCIÓN El control de la calidad del agua implica el establecimiento de criterios de calidad para definir los lineamientos y normas o requisitos mínimos que debe satisfacer un agua para que sea apropiada para un uso determinado. La medición de ph, acidez, alcalinidad y dureza en las muestras, es hoy en día una de las medidas analíticas más importantes en el control de calidad de las mismas. La acidez y alcalinidad son utilizados como indicadores de la productividad de cuerpos de agua naturales; además, estas medidas (de alcalinidad especialmente) son utilizados en la interpretación y control del tratamiento de aguas claras y aguas residuales. Por ejemplo, las aguas residuales crudas de origen doméstico tienen una alcalinidad menor de o ligeramente mayor que el suministro de agua potable. Otro parámetro utilizado con gran frecuencia es la dureza, y esta es definida como la suma de las concentraciones de calcio y magnesio, expresadas como CaCO3 en mg/l. El rango de dureza varía entre 0 y cientos de mg/l, dependiendo de la fuente de agua y el tratamiento a que haya sido sometida. A continuación se presenta un estudio de calidad de 6 muestras diferentes, mediante la determinación de la dureza, ph, alcalinidad y acidez de cada una de ellas, con su análisis respectivo. 2. OBJETIVOS Determinar la calidad del agua a través de los parámetros posibles de obtener por métodos volumétricos. Calcular la dureza total, cálcica y magnesica de las muestras de agua dadas a partir de datos experimentales. Emplear un medidor de ph para la caracterización y análisis inicial de las muestras de agua. Utilizar el diagrama de distribución de especies como instrumento inicial de la caracterización de la muestra de agua. Determinar la acidez debida a sales hidrolizables y/o minerales de las muestras problema de agua. 1

Determinar la alcalinidad debida a hidróxidos, bicarbonatos y/o carbonatos de las muestras de agua dadas. 3. DATOS A partir de métodos volumétricos, se obtuvieron los resultados experimentales de la tabla 1. La muestra 4-32177 presentaba olores fuertes imposibilitando el análisis químico. Tabla 1: Datos experimentales obtenidos en laboratorio. Alcalinidad Acidez Muestra ph Mixto (Verde Bromocresol/Rojo de Metilo) Naranja de Metilo Total Naranja de Metilo Fenolftaleína Total Dureza Cálcica Dureza Total ml H 2SO 4 (0,02N) ml NaOH (0,02N) ml EDTA (0,02N) 1-32179 7,83 0 12,5 12,5 0 2,4 2,4 4,4 5,1 2-32151 10,55 6,6 6,4 13,0 0 0 0 0,8 2,1 3-32156 11,32 5,5 2,6 8,1 0 0 0 1,4 2,1 4-32177 8,35 - - - - - - - - 5-32104 5,65 0 0,2 0,2 0 9,8 9,8 1,3 5 Para el cálculo de los diferentes parámetros se tomaron los valores experimentales y se determinó características fisicoquímicas de cada muestra. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ALCALINIDAD Muestra 1 32179 Debido a que el volumen gastado de H 2 SO 4 para el viraje del indicador mixto es igual a cero y el volumen total gastado de H 2 SO 4, es solo debida al viraje por naranja de metilo, según las heurísticas y el diagrama de distribución de especies, se tiene alcalinidad debida a bicarbonatos, donde el volumen para el cálculo es igual al volumen total. Muestra 2 32151 2

Debido a que el volumen gastado de H 2 SO 4 para el viraje del indicador mixto es mayor a ½ del volumen total gastado de H 2 SO 4, según las heurísticas y el diagrama de distribución de especies, se tiene alcalinidad debida a hidróxidos y a carbonatos, donde el volumen para el cálculo debida hidróxidos es igual 2F-T y la alcalinidad debida a carbonatos es igual a 2NM o 2(T-F). (F = Volumen a Fenolftaleína, T = Volumen Total, NM =Volumen a naranja de metilo). Muestra 3-32156 Al igual que la muestra anterior, según las heurísticas y el diagrama de distribución, se tiene alcalinidad debida a hidróxidos y a carbonatos. Muestra 5 32104 Debido a que el volumen gastado de H 2 SO 4 para el viraje del indicador mixto es igual a cero y el volumen total gastado de H 2 SO 4, es solo debida al viraje por naranja de metilo, según las heurísticas y el diagrama de distribución de especies, se tiene alcalinidad 3

debida a una leve concentración de bicarbonatos, donde el volumen para el cálculo es igual al volumen total. ACIDEZ Muestra 1 32179 En este caso al tener un ph entre 4,5 y 8,5 solo se tiene acidez debida a sales hidrolizables y a CO 2, por lo cual la acidez total es igual a este tipo de acidez. Muestra 2 32151 Debido a que el ph es mayor al punto de viraje de la fenolftaleína se tiene un valor de acidez igual a cero. Muestra 3 32156 Al igual que la muestra anterior, el ph de la muestra es mayor al punto de viraje de la fenolftaleína, por consiguiente la acidez será igual a cero. Muestra 5 32104 En este caso al tener un ph entre 4,5 y 8,5 solo se tiene acidez debida a sales hidrolizables y a CO 2, por lo cual la acidez total es igual a este tipo de acidez. 4

DUREZA TOTAL (DT), CALCICA Y MAGNESICA Para el cálculo de la dureza total se tiene en cuenta el volumen gastado de EDTA para el cambio de viraje con el indicador NET (Negro de eriocromo T). Para la dureza cálcica se tiene en cuenta el volumen gastado de EDTA para el cambio de viraje con Murexide, y la dureza por magnesio es determinada por la diferencia entre ambas durezas. Muestra 1 32179 Muestra 2 32151 Muestra 3 32156 5

Muestra 5 32104 DUREZA CARBONACEA (DC) Y NO CARBONACEA (DNC) Muestra 1 32179 Para el cálculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) es alcalinidad total (AT) que es 250, para lo cual tenemos y la Con la anterior relación se determina: Muestra 2 32151 Para el cálculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) que es alcalinidad total (AT) que es, para lo cual tenemos y la 6

Con la anterior relación se determina: Muestra 3 32156 Para el cálculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) que es alcalinidad total (AT) que es, para lo cual tenemos y la Con la anterior relación se determina: Muestra 5 32104 Para el cálculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) es alcalinidad total (AT) que es 20, para lo cual tenemos y la Con la anterior relación se determina: En la tabla 2, se presenta los resultados finales de acidez, alcalinidad, ph y dureza para las diversas muestras problema. Tabla 2: Resultados a partir de los datos experimentales obtenidos en laboratorio. Alcalinidad (mg CaCO 3 /L) Acidez(mg CaCO 3 /L) Dureza(mg CaCO 3 /L) (mg CaCO 3 /L) (mg CaCO 3 /L) Muestra ph Total - HCO 3 - CO 3 OH - Total SyCO 2 Mineral DT Dca DMg DC DNC 32179 7,83 250 250 0 0 240 240 0 510 440 70 250 260 32151 10,55 260 0 256 4 0 0 0 210 80 130 210 0 32156 11,32 810 0 520 290 0 0 0 210 140 70 210 0 32104 5,65 20 20 0 0 196 196 0 500 130 370 20 480 32185 7,69 7

Los valores de alcalinidad presentados para las muestras 32179, 32151 y 32156 tienen un alto valor, lo cual se considera que es una solución muy amortiguadora y no solo esto, si no que hace parte importante para el desarrollo de diversas especies porque es útil como reserva de CO2 necesario para el proceso de la fotosíntesis; para la muestra 32104 se tiene un ph bajo y la alcalinidad presentada es igual a 20 mg CaCO 3 /L indicando que debe ser agua tomada de un vertimiento o de una fuente contaminada debido a que los valores típicos en diferentes cuerpos de agua son superiores a 20mg CaCO 3 /L. De igual manera si se requiere un tratamiento posterior como la coagulación-floculación es importante que el agua contenga algún grado de alcalinidad ya que al realizar este proceso se consume especies responsables de la basicidad y en el caso de las muestras 32179 y 32104 el ph esta entre 5 y 9 posibilitando las operaciones de tratamiento para el vertimiento de estas aguas a los cuerpos de agua. En las muestras 32156 y 32151 es necesario hacer un ajuste del ph ya que están en un valor muy alcalino. Para las muestras 32151 y 32156 no se presentan valores de acidez, debido a que el ph es superior a 8.3, lo cual indica que no existen contaminación ya sea natural o antrópica por minerales, y de igual manera indica que no existen sales hidrolizables, la muestra 32179 contiene tanto acidez como alcalinidad, dado por el ph intermedio que presenta, la acidez de esta muestra se debe a algunas sales hidrolizables y la alcalinidad es debido más que todo a iones bicarbonatos, mientras que para la muestra 32104 se tiene una acidez relativamente alta con un valor de 196 mg CaCO3/L, y debido al ph que tiene puede indicar que esta cantidad se encuentra más relacionado con la presencia de sales hidrolizables, la muestra está por encima de un ph de 4,5 lo que conlleva la presencia de una alcalinidad mínima de 20 mg CaCO 3 /L generada por iones bicarbonato este valor de acidez se presenta posiblemente por acción humana indicando un vertimiento aguas arribas de actividades no reguladas que podrían ser de interés para los organismos de vigilancia, control y del debido cumplimiento del decreto 3930 de 2010. Ninguna de las muestras analizadas presentaron acides por compuestos minerales, ya que todas tienen un ph superior a 4,5. Por lo anterior la acidez presente en las muestras se deben a ácidos débiles con poco poder de disociación, en la mayoría de casos por sales hidrolizables. Para dos muestras analizadas el ph es muy alcalino que a su vez tiene relación con los resultados obtenidos de dureza. Para la determinación de la dureza se utilizó un método volumétrico por titulación con EDTA e indicadores orgánicos en donde se determinó las dureza debida a iones de calcio y magnesio, así mismo se calculó la dureza total que tiene en cuenta otros iones polivalentes de menor importancia y cantidad. Todas las muestras analizadas en el presente escrito, tienen valores de durezas elevadas superiores a 200 mg CaCO 3 /L, lo cual clasifica a estas como agua dura, siendo necesario una operación en el tratamiento de agua que remueva los iones calcio y magnesio responsables de la dureza, como el uso de zeolitas o resinas de intercambio iónico, esta dureza afectara los equipos domésticos e industriales como calderas, chaquetas de reactores, intercambiadores de calor entre otros. 8

Las muestras 32151 y 32156 tienen un ph alcalino generado por la presencia de iones carbonatos, hidróxidos y trazas de bicarbonatos, por esto último la dureza carbonacea en estas dos muestras es relativamente baja a comparacion de las otras dos muestras, ya que no presenta alta cantidad de bicarbonato. La Dureza de estas dos muestras es menor a las muestras 32104 y 32179 porque estas dos últimas además de presentar contenidos altos de bicarbonato expresadas en el valor de dureza carbonacea, contienen valores altos de dureza no carbonacea traducidas en aniones de la muestra. 5. CUESTIONARIO 1. Cuál es el ph aproximado de una solución 2,0 N de HCl? El ph de una solución se calcula de la siguiente manera. HClH + + Cl - La concentración de ácido clorhídrico es de 2.0 N, por ser una molecular con un solo ion hidronio, esta concentración normal, será la misma molar. Por lo anterior, la concentración de este acido será de 2 mol/l. El ácido clorhídrico es un ácido fuerte que se disocia completamente en ion hidronio y ion cloruro, por consiguiente la concentración del ion hidronio es de 2 mol/l. Entonces el ph será: Matemáticamente el ph de esta solución de ácido clorhídrico es incoherente ya que la escala de ph esta entre 0 y 14. Para soluciones muy concentradas como este caso, el ph se aproxima a 0, ya que para un ph igual a cero de una solución de ácido clorhídrico, la concentración de esta debe ser de 1 N. 2. Cuál es el ph aproximado de una solución 0,02 N de NaOH? Para calcular el ph de una solución acuosa básica es necesario utilizar la siguiente formula. Por ser una base, es necesario hacer uso la ecuación que involucra la constante de ionización de 10-14. 9

El hidróxido de sodio es una base fuerte, por consiguiente presenta una ionización completa NaOHNa + + OH - Además de lo anterior, esta base presenta solamente una unidad formula del ion hidroxilo, lo que permite igualar las concentraciones en normalidad a molaridad, por consiguiente, la concentración de iones hidroxilo del hidróxido de sodio es de 0,02 mol/l. Para soluciones con alta concentración de base, el ph se acercara a 14. 3. Cuál es la concentración del ion hidróxido si la concentración del ion hidrogeno es 3,0x10-2 mol/l? A partir de la constante de ionización se puede realizar el cálculo de iones hidronio o hidroxilo a partir del otro par conocido. 4. Una muestra de agua recolectada en el campo tenía ph de 6,8. En el momento de la llegada de la muestra al laboratorio para el análisis, el ph había aumentado a 7,5. De una posible explicación a este cambio. Si la muestra de agua pertenece a una fuente en la cual los contenidos de dióxido de carbono son elevados, puede presentarse el incremento del ph en un tiempo determinado, ya que este oxido acido puede reaccionar con los iones hidronio del agua; si las condiciones de presión y temperatura son diferentes de un lugar a otro, puede aumentar la velocidad de reacción del CO 2, convirtiéndose paulatinamente en bicarbonatos o carbonatos, dependiendo del tiempo que dure la muestra si analizar, y cambios de temperatura y presión, generando un aumento del ph. 5. Se observó que un abastecimiento de agua tenía una concentración de ion bicarbonato de 50 mg/l y un contenido de CO 2 de 30 mg/l. Calcule el ph aproximado del agua (temperatura de 25ºC) El ph de una solución en equilibrio de bicarbonato y dióxido de carbono se calcula a partir de la fórmula de Henderson-Hasselbach. 10

El pk para el sistema bicarbonato/dióxido de carbono a 25 ºC es de 6,3; además de esto las unidades de concentración para aplicar en la formula anterior deben estar en mol/l. ( ) ( ) ( ) ( ) El ph de la muestra de agua con los contenidos de dióxido de carbono y bicarbonato descritos anteriormente es de 6,4. Si el contenido de CO 2 del agua anterior se redujera a 3 mg/l por aireación Cuál sería entonces el ph? ( ) ( ) El ph para una muestra con solamente 3 mg/l de dióxido de carbono y 50 mg/l de bicarbonato es de 7,4; la diferencia con la muestra con 30 mg/l de CO 2, es que al remover el dióxido de carbono por aireación se elimina la posibilidad de generación de ácido carbónico que pueda disminuir el ph. 6. Al realizar un análisis en una serie de muestras, se encontraron los siguientes valores de ph: 5,5; 3,0; 11,2; 8,5; 7,4; 9,0; Qué concluye usted con respecto a la posible presencia de una alcalinidad considerable de bicarbonato, carbonato e hidróxido en cada muestra? La alcalinidad que presenta una muestra de agua por la presencia de ion bicarbonato, carbonato e hidróxidos, se analiza de una mejor manera con el diagrama de distribución de especies del dióxido de carbono que se presenta en la figura 1. 11

Figura 1: Formas de carbono inorgánico a diferente ph. Para una muestra de agua de ph 5,5 la especie predominante será el dióxido de carbono que a su vez reaccionara con el agua del medio para producir ácido carbónico sin disociarse, por consiguiente el ph será de carácter acido. La muestra con ph 3,0 no presentara alcalinidad debido a que la única especie en solución será el dióxido de carbono que reaccionara para producir acido carbónico, así que el medio es totalmente acido. La muestra de ph 11,2 será de carácter básico con presencia de carbonatos e hidróxidos con trazas de ion bicarbonato, según el diagrama de distribución de especies, se puede apreciar que a este ph el porcentaje de ion carbonato se aproxima al 80%, en este caso, no habrá presencia de dióxido de carbono que pueda generar la conversión de ácido carbónico, es por esto que la muestra es totalmente alcalina. A un ph de 8,5 la especie predominante son los iones bicarbonatos, en el diagrama de distribución de la figura 1, se puede apreciar que aproximadamente el 98% es ion bicarbonato y el restante hará parte de leves contenidos de dióxido de carbono que le dará la tenue acidez, y el ion carbonato que promueve la alcalinidad de la muestra. Un ph de 7,4 expresa una acidez más elevada que la muestra anterior, esto se debe a que los porcentajes de ion bicarbonato se reduce a 85% y el resto es dióxido de carbono que promueve la formación de ácido carbónico. En la muestra de ph 9, se promueve la alcalinidad debido a la presencia de iones carbonatos en casi un 10% según el diagrama de distribución de especies, contrario a la muestra con ph 7,4. 7. Suponiendo que el efecto de las sales disueltas sobre la actividad iónica es insignificante y que la temperatura de la muestra de agua es de 25 ºC: a. Calcule la concentración del ion bicarbonato (en mg/l como HCO 3 - ) si el ph de la muestra es 10,3 y si la concentración de carbonato es 120 mg/l (como CO 3-2 ) EL cálculo de la concentración de ion bicarbonato a partir del contenido de carbonato ser realiza a partir de la reacción reversible de disociación del bicarbonato. 12

HCO 3 - CO 3-2 + H + Partiendo de la ecuación de Henderson-Hasselbach, con una constante pk=10.33 a 25ºC, se encuentra el valor de la siguiente manera. ( ) ( ) Entonces ( ) ( ) La concentración de bicarbonato en la solución descrita es de 128 mg/l. b. Calcule las alcalinidades por hidróxido, carbonato, bicarbonato y total de la solución anterior. ( ) ( ) ( ) ( ) La alcalinidad de la muestra por bicarbonatos es de 210 mg CaCO 3 /L y por carbonatos de 200 mg CaCO 3 /L. Esto quiere decir que el porcentaje de bicarbonato es 49% y 51% para carbonatos, y analizando el diagrama de distribución de especies, el ph de esta solución será aproximadamente 10.3. 8. CONCLUSIONES Para las muestras 32151 y 32156 con altos valores de alcalinidad, es importante conocer la fuente de las muestras y su turbiedad, ya que debe ser necesario un tratamiento de coagulación-floculación y esta alcalinidad favorece el proceso; posteriormente es de importancia neutralizar los vertimientos para no causar daños al medio ambiente. 13

La muestra 32104 presenta una alta acidez debida a sales hidrolizables lo cual facilita el tratamiento con bases débiles para la neutralización de las aguas. Ninguna de las aguas puede ser utilizada para uso industrial, debido a su alto contenido de iones calcio y magnesio representados en la dureza total. Es necesario hacer un tratamiento con resinas de intercambio iónico o tierras adsorbentes. El tratamiento de la muestra 32179 y 32104, cuya dureza es no carbonacea, debe ser diseñado de forma distinta a las otras dos muestras que presentan solo dureza carbonacea de acuerdo al uso final que se le piense dar al agua de dicha fuente La muestra 32179 tiene un ph de 7.83 estable para ser vertida en cuerpos de agua, pero es necesario hacer un tratamiento que remueva la dureza cálcica. 9. BIBLIOGRAFÍA - Biblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental. Control de calidad del agua y análisis de las normas. Documento disponible en línea. Consultado 27/09/14. http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031275/031275.pdf - Fisicanet. Determinación de la dureza en aguas mediante volumetría complejométrica. Documento disponible en línea. Consultado 27/09/14. http://www.fisicanet.com.ar/quimica/aguas/lb01_agua_dureza.php - Recinto Universitario de Mayaguez, Puerto Rico. Manual de Ecología. Documento disponible en línea. Consultado 27/09/14. http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-alcalinidad.pdf 14