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TEMA 8: El agua naturalTEMA 8: El agua natural

Ingeniera SanitariaIngeniera SanitariaAutor: JICGAutor: JICG

EL AGUA. CARACTERSTICAS Y PROPIEDADES

La mayora de las molculas de agua tienen un peso molecular de 18. Sin embargo, puesto que el hidrgeno y el oxgeno tienen cada uno tres istopos, hay 18 pesos moleculares posibles del agua.istopos, hay 18 pesos moleculares posibles del agua.

Solamente abundan el H2O, el D2O, o agua pesada, y el HDO, o agua hiperpesada, estas dos ltimas en mucha menor cantidad.

La frmula del agua, H2O, en s misma no explica las propiedades singulares que posee. En una molcula de agua los tomos de hidrgeno g q p g gestn separados entre s por un ngulo de 105, adyacentes al tomo de oxgeno, de forma que la molcula es asimtrica, cargada positivamente del lado del hidrgeno y negativamente del lado del oxgeno.

Por esta razn se dice que la molcula de agua es bipolar o es un bipolo. Los bipolos se atraen y forman agregados. A los enlaces entre molculas que resultan de esta fuerza de atraccin se los llama "puentes de hidrgeno".

CARACTERSTICAS DEL AGUA

Los puentes de hidrgeno son responsables de muchas de las propiedades peculiares que presenta el agua.

Densidad (). La densidad mxima del agua se alcanza a los 4 C, 1000 kg/m3. La congelacin del agua es por lo tanto bastante distinta que la de los otros lquidos. Los puentes de hidrgeno producen un reordenamiento cristalino que q p g p qhace que el hielo se expanda ms all del volumen del lquido original, de forma que su densidad resulta menor, y flota. Si este no fuese el caso, los cuerpos de agua se congelaran por el fondo, y la vida en la forma en que la conocemos no

i ti existira. La densidad del agua pura a 15C, a la presin atmosfrica, es de

0.9999 kg/L. La de las aguas naturales vara con el contenido de sustancias disueltas El agua de mar de salinidad 35 g/L tiene unasustancias disueltas. El agua de mar, de salinidad 35 g/L, tiene una densidad de 1.0243 kg/L a 20 C.

Viscosidad. Es la propiedad que tiene un lquido de oponer resistencia a todo movimiento, ya sea interno o global del flujo. La fuerza que se opone al y g jdeslizamiento viene dada por la frmula de Newton:

En donde S es la superficie de contacto, dv/dx es un gradiente de velocidad, y es la viscosidad dinmica. Su unidad es el poise (Po): 1 poise = 1 g/cm/s = 1 dina s/cm2.

Es un factor fundamental de las prdidas de carga y, por lo tanto, desempea un papel importante en el tratamiento del agua. Disminuye cuando aumenta la temperatura. Aumenta conforme aumenta el contenido de sales disueltas por lo que es ms viscosa el agua de marcontenido de sales disueltas, por lo que es ms viscosa el agua de mar que la de un ro.

Calor especfico. La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de masa de agua 1 grado centgrado, constituye el calor especfico del1 kg de masa de agua 1 grado centgrado, constituye el calor especfico del agua. Es la sustancia que mayor calor especfico tiene: 4.180 J/kg/C. El del hielo es de 2.090 J/kg/C. Vara en funcin de la temperatura y presenta un mnimo a 35 C.

Calor latente. Es la cantidad de calor necesaria para efectuar el cambio de estado de la unidad de masa previamente llevada a la temperatura que corresponda a la presin reinante.

Este calor que se absorbe al realizarse el cambio de estado en un Este calor, que se absorbe al realizarse el cambio de estado en un sentido, se libera al realizarse en sentido inverso. La energa requerida para romper un puente de hidrgeno y liberar una molcula de H2O para formar vapor es mucho mayor que la requerida por otros p p y q q pcompuestos qumicos comunes.

El calor de vaporizacin del agua (en el punto de ebullicin, a la presin atmosfrica) es de 539 kcal/kg. A causa de esto,

el vapor de agua tiene un alto contenido energtico y es un medio efectivo para transferir energa durante las operaciones de la industria, en casas

Debido a los valores elevados del calor especfico y latente de vaporizacin del agua, las grandes masas de este lquido actan como termorreguladores, suavizando los g q g ,climas. Tensin superficial. Es la fuerza de traccin que se ejerce sobre la superficie

del lquido. El agua tiene una tensin superficial muy elevada debido a los puentes de hidrgenopuentes de hidrgeno.

La tensin superficial disminuye al aumentar la temperatura. Se mide en Newton/metro. La presencia en el agua de sustancias

disueltas modifica el valor de la tensin superficial Si las sustanciasdisueltas modifica el valor de la tensin superficial. Si las sustancias son hidrfilas aumenta ligeramente y si son hidrfobas desciende de forma considerable. A este ltimo tipo de sustancias se las denomina tenso-activas, y se distribuyen sobre todo en la superficie del lquido. Cuando existen sustancias tenso-activas se producen espumas con facilidad. Los detergentes son un caso tpico.

Conductividad. El agua es ligeramente conductora de la electricidad, pero t d ti id d i l d l t t i l i i blaumenta su conductividad si se le aaden sales u otros materiales ionizables.

Las unidades son microsiemens por centmetro (S/cm); tambin se expresa como 1/(ohm.m).

Color Incluso el agua pura no es incolora; tiene un tinte azul verdoso en Color. Incluso el agua pura no es incolora; tiene un tinte azul verdoso en grandes volmenes. Es necesario diferenciar entre color verdadero, debido al material en solucin y el color aparente debido a la materia suspendida. El color afecta estticamente la potabilidad de las aguas y afecta como colorante de ciertos productos cuando se utiliza en su fabricacin.

Turbidez. La turbidez es la dificultad del agua para transmitir la luz debido a los materiales en suspensin, coloidales o muy finos. Son materiales difciles de d t filtdecantar y filtrar.

La medicin se hace por comparacin con la turbidez inducida por diversas sustancias. Se utilizan los aparatos denominados turbidmetrosturbidmetros.

La turbidez en grandes masas de agua se puede medir tambin mediante la introduccin de un disco blanco, disco Secchi, y la valoracin se hace en funcin de la profundidad a partir de la cual p paquel se deja de ver.

La unidad de medida es el metro. Un agua puede tener mucho color, pero poca turbidez.

Un agua negra puede no ser turbia, pero no dejar pasar la luz. El color, la turbidez y la conductividad se van a utilizar como parmetros de

calidad del agua.

PROPIEDAD DISOLVENTE DEL AGUA

El agua es el lquido que ms sustancias disuelve, por eso se denomina disolvente universal. Esta propiedad disolvente, de gran importancia para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrgeno con otras sustancias , dando lugar a capac dad pa a o a pue es de d ge o co o as sus a c as , da do uga adisoluciones moleculares. Tambin las molculas de agua pueden disolver sustancias salinas que se disocian formando disoluciones inicas.

En las disoluciones inicas, los iones de las sales son atrados por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de molculas de agua en forma de iones hidratados.

El agua, por su carcter bipolar, tiene el poder de rodear a un in de carga positiva con la parte negativa de su molcula o a la inversa aislando a este in de los que lecon la parte negativa de su molcula, o a la inversa, aislando a este in de los que le rodean y neutralizando las fuerzas de atraccin que mantenan la integridad de la estructura cristalina a la que perteneca. El in rodeado, o hidratado, con molculas de agua puede dejar el retculo cristalino y desplazarse en la masa de agua g p j y p gtransformndose en un in disuelto.

En una disolucin intervienen dos componentes: solutos, o fase dispersa, y disolvente, o fase dispersante.

Durante su ciclo global, el agua establece contacto con los gases en la atmsfera y con los minerales que hay en la corteza terrestre. As, el agua disuelve cierta cantidad (mayor o menor) de casi todos los gases y slidos con los que se pone en contactocontacto.

Carcter disolvente con los gases. La solubilidad de los gases sigue la ley de Henry: la cantidad de gas que se disuelve es proporcional medianteley de Henry: la cantidad de gas que se disuelve es proporcional mediante el coeficiente de solubilidad o de absorcin del gas por el lquido (litros de gas por litro de agua a la presin atmosfrica), a la masa especfica del gas D (kg/m3), y a la presin parcial P del gas (atmsfera) en contacto con el ( g ), y p p g ( )agua. La ley se puede interpretar como que la cantidad de gas disuelto en agua es directamente proporcional a la presin parcial del gas sobre la superficie del agua.

Carcter disolvente con los slidos. En general, cuando se pone en contacto una sal cristalina y agua se producen dos fenmenos: por una parte las molculas del cristal pasan a formar parte de la disolucin y por p p p y potra, molculas de la disolucin pasan al cristal. Ambas velocidades son diferentes, y en principio predominar una de ellas, siempre con tendencia a igualarse. Puede suceder que no de tiempo a igualar las velocidades porque el cristal se ha disuelto totalmente. Tambin, puede ocurrir que las dos velocidades se igualen, entonces la solucin estar saturada, y no conseguiremos aumentar la concentracin de la sal en la disolucin. La disolucin de los slidos se ver favorecida por reacciones del tipo cido-base, de oxidacin-reduccin, de hidratacin, de hidrlisis, etc.

La velocidad de disolucin depende de: La concentracin del soluto en la masa de agua. La superficie de contacto entre soluto y disolvente. Sales trituradas se

disolvern ms rpido y mejor. La renovacin de la superficie de contacto. Existe un fenmeno local

de concentracin de soluto en las proximidades del cristal. Si hay turbulencia o se desplaza la masa de agua se mejora la mezcla.

La temperatura. A mayores temperaturas la energa cintica es mayor en las molculas las partculas se mueven y hay ms renovacin delen las molculas, las partculas se mueven, y hay ms renovacin del agua con alta concentracin que existe en las proximidades del cristal.

El tiempo.

Solubilidad de los lquidos en el agua. La solubilidad de un lquido en el agua depende de la polaridad de las molculas del lquido considerado. Si las molculas del lquido contienen por ejemplo muchos grupos OH-las molculas del lquido contienen, por ejemplo, muchos grupos OH-, como los alcoholes o los azcares, el lquido es muy soluble.

IMPURIFICACIN NATURAL DEL AGUA

El agua en la naturaleza, en su diversas etapas del ciclo hidrolgico, no va a estar en estado puro, va a contener impurezas. Se trata de impurezas naturales y no de contaminantes.naturales y no de contaminantes.

La composicin general de los diferentes tipo de agua en la hidrosfera puede estudiarse mejor dentro del marco de referencia del ciclo hidrolgico.

El contenido de sales disueltas en el agua de mar (slidos totales disueltos) El contenido de sales disueltas en el agua de mar (slidos totales disueltos) es aproximadamente de 34.500 mg/L.

De los ocanos el agua se evapora y es transportada sobre los continentes en donde puede precipitar de una forma u otra (lluvia nieve granizo etc )en donde puede precipitar de una forma u otra (lluvia, nieve, granizo, etc.).

Durante su paso del ocano a la superficie terrestre el agua atraviesa la parte inferior de la atmsfera. En este trayecto, y durante los procesos de

d i ti l ibilid d d ilib l d lcondensacin, tiene la posibilidad de equilibrarse con los gases de la atmsfera. En esa misma atmsfera estn contenidos todos los gases asociados a la contaminacin atmosfrica de las comunidades urbanas-industriales consecuencia de las actividades de produccin y combustinindustriales, consecuencia de las actividades de produccin y combustin.

El N2 y el O2, principales constituyentes atmosfricos naturales, son ligeramente solubles en agua, pero algunos de los otros gases (CO2 y SO2) 2 2son muy solubles.

La lluvia, la niebla y la nieve que se genera en una atmsfera que contiene altas concentraciones de SO2 puede ser muy cida (smog cido). Este tipo 2 p y ( g ) pde impurificacin no sera natural.

El agua de lluvia, en condiciones naturales, alcanza un pH entre 5.5 y 6.5, ligeramente cido y menor que el del agua de mar.g y q g

El agua de lluvia cada sobre la superficie terrestre establece contacto con rocas, suelo, sedimentos, as como con animales y vegetales. Durante ese contacto se llevan a cabo reacciones qumicas que modifican lacontacto se llevan a cabo reacciones qumicas que modifican la composicin del agua.

El agua arrastra del suelo materiales en suspensin o los disuelve. Hojas, residuos (slidos gruesos) humus compuestos orgnicos arcillas limosresiduos (slidos gruesos), humus, compuestos orgnicos, arcillas, limos (slidos en suspensin), sales disueltas, etc., pasan a formar parte de las aguas de escorrenta natural. Las arcillas y los limos, sustancias de gran peso molecular y una alta carga elctrica (gran volumen y poco peso) son p y g (g y p p )arrastradas por el agua y se mantienen en su seno de forma muy estable, forman suspensiones coloidales y dan origen a turbidez en las aguas.

En el mismo suelo el agua va a encontrar elevadas concentraciones de CO2, como consecuencia de procesos biolgicos que han enriquecido elCO2, como consecuencia de procesos biolgicos que han enriquecido el aire que ha quedado atrapado en los huecos intersticiales del suelo.

En el momento que el agua llega se produce una rpida disolucin, producindose cido carbnico Es a baja temperatura cuando se disuelveproducindose cido carbnico. Es a baja temperatura cuando se disuelve mayor cantidad de CO2 en el agua.

El tipo de formacin geolgica sobre la que discurra el agua tambin va a determinar el tipo de sales disueltas que transportedeterminar el tipo de sales disueltas que transporte. En rocas gneas, por ejemplo granitos, los materiales estn cristalizados y

apenas se va a producir disolucin. Aparecern aguas muy cristalinas, sin apenas mineralizar, aunque ser normal la aparicin de slice en pequeas p , q p p qconcentraciones.

En rocas sedimentarias las aguas se cargan de sales con ms facilidad. Hay algunos grupos de rocas, como las calizas o las dolomas en las que hay una gran aportacin de carbonatos de calcio y de magnesio, fundamentalmente.

Las calizas son carbonatos clcicos (CO3Ca) ms o menos impuros. Pueden ser amorfas o cristalizadas (la calcita es el cristal ms frecuente). El carbonato clcico es muy poco soluble en agua qumicamente pura pero es muy solubleclcico es muy poco soluble en agua qumicamente pura, pero es muy soluble en agua que contenga abundante cido carbnico u otros cidos. La reaccin de disolucin en el agua carbnica es la siguiente:

Bicarbonato clcico

El bicarbonato de calcio es muy inestable y muy soluble en agua. La velocidad de disolucin del carbonato clcico es mayor conforme aumenta la temperatura. A medida que el agua cargada de cido carbnico disuelvela temperatura. A medida que el agua cargada de cido carbnico disuelve el carbonato clcico, aumenta el pH, prximo a 7.

La precipitacin de los carbonatos es particularmente importante en los lugares donde las aguas afloran a la superficie despus de un recorridolugares donde las aguas afloran a la superficie despus de un recorrido subterrneo. Las corrientes de agua son capaces de transportar al aire libre hasta 60 mg/L de carbonato clcico. Esta cifra, mucho menor que las concentraciones que podemos encontrar en agua subterrneas o aguasconcentraciones que podemos encontrar en agua subterrneas o aguas impregnadas con cidos orgnicos, es suficiente para asegurar la exportacin constante de materia desde las regiones calcreas al mar.

Qu factores inciden en la impurificacin?

Entre los factores que inciden o determinan la capacidad de un agua para disolver compuestos en la naturaleza, tenemos: Composicin de suelos y terrenos Determinados por el tipo de roca madre Composicin de suelos y terrenos. Determinados por el tipo de roca madre

que ha ido degradndose. Temperatura. Un aumento de la temperatura aumenta la solubilidad de la

mayora de las sales, y disminuye la solubilidad de los gases.y y y g Superficie de contacto. El grado de contacto entre agua y slido influye sobre

el grado de disolucin. Las aguas superficiales se cargan menos de sales que las subterrneas, que tienen un contacto mucho mayor con los materiales a di ldisolver.

Tiempo de contacto. Concentracin de CO2. Altas concentraciones de anhdrido carbnico

aumentan la capacidad para disolver carbonatos (CO3=)aumentan la capacidad para disolver carbonatos (CO3=). Concentracin de sales. La cantidad de oxgeno que va a poder tener en

disolucin un agua es menor cuanto mayor sea su concentracin de sales. La presencia de cloruros va a favorecer la solubilidad de sulfatos y carbonatos.presencia de cloruros va a favorecer la solubilidad de sulfatos y carbonatos.

Capacidad de intercambio inico (o catinico) de los suelos. Las arcillas ricas en ion sodio, Na+, si se ponen en contacto con agua que presente iones Ca++ realizan intercambio de iones con facilidad. Los iones sodio pasan al agua y los de calcio a las arcillas.

Evaporacin. En el suelo y en las masas de agua aparecen concentraciones elevadas, no habituales, de sales debido al proceso de evaporacin natural ( j l M M t )(p.ej.: el Mar Muerto).

A partir del conocimiento de estos factores y de las interrelaciones entre suelos y rocas con el agua es posible estimar la calidad de una determinada agua natural o, a la inversa, en funcin de la calidad del agua que analicemos conocer el tipo de macizo rocoso o suelos que ha atravesado.

La Hidrogeoqumica estudia en profundidad estas relaciones.

MEDICIN DE IMPUREZAS. ndices de calidad

Para conocer la calidad de un agua debemos medir la cantidad de impurezas que contiene.

Se pueden diferenciar dos tipos de medidas: directa e indirecta Se pueden diferenciar dos tipos de medidas: directa e indirecta. A su vez se puede diferenciar entre medida directa individual o agrupada.

Cuando realizamos una medida directa individual buscamos conocer la concentracin de un determinado componente.

Conforme al Sistema Internacional de Unidades (SI) la concentracin se expresa en miligramos de soluto por litro de disolucin (mg/L).

Si se supone que la densidad de la solucin es 1 se puede hablar indistintamente de mg/L o partes por milln en peso (ppm). g p p p (pp )

Ambas magnitudes en calidad de aguas son equivalentes.

Otras formas de expresar la concentracin son: microgramos por litro (g/L), miliequivalentes por litro (me/L) o la molaridad (mol/L o mmol/L).

pH. El pH se define como el logaritmo negativo (en base 10) de la concentracin de ion hidrgeno, siendo adimensional, es decir: pH = - logconcentracin de ion hidrgeno, siendo adimensional, es decir: pH log [H+] en la cual [H+] = concentracin de H+.

La definicin de neutralidad para el agua significa un pH = 7. La escala de pH va de 0 a 14 Que un agua sea de carcter cido implica por tanto unpH va de 0 a 14. Que un agua sea de carcter cido implica por tanto un pH < 7.

La basicidad implica todo lo contrario es decir un pH > 7. El pH de la mayora de las aguas naturales est entre 6 y 9 que El pH de la mayora de las aguas naturales est entre 6 y 9, que

permanece relativamente constante a menos que la calidad del agua cambie debido a factores naturales o antropognicos, aumentando la acidez o la basicidadacidez o la basicidad.

Como la mayor parte de las formas de vida son sensibles a los cambios de pH, es importante que el impacto antropognico (por ejemplo, las descargas de aguas residuales) sea minimizadodescargas de aguas residuales) sea minimizado.

PARMETROS DE MEDIDA AGRUPADA

DUREZA. La dureza permite conocer la cantidad de sales disueltas de calcio y magnesio que contiene un agua.

La presencia de estas sales va a ser un problema tanto para su uso como La presencia de estas sales va a ser un problema tanto para su uso como potables como para su utilizacin en procesos industriales. La dureza va a ser un indicador de la capacidad de un agua para producir incrustaciones. Las incrustaciones son tpicas en intercambiadores de calor calderasLas incrustaciones son tpicas en intercambiadores de calor, calderas, tuberas, etc.

El trmino "dureza" procede del pasado, se origin en el uso casero del agua para el lavado y para cocinar Se encontr que algunas aguas eranagua para el lavado y para cocinar. Se encontr que algunas aguas eran duras para lavar por que se necesitaba ms jabn para producir espumas con ellas.

Tambin se tena constancia de que con ciertas aguas la coccin de las Tambin, se tena constancia de que con ciertas aguas la coccin de las legumbres era ms difcil. La relacin entre la dureza y la espuma se utiliz como parmetro de comparacin y se creo una solucin estndar de jabn para poder estimar la presencia de sales de Calcio y Magnesio aunque elpara poder estimar la presencia de sales de Calcio y Magnesio, aunque el Hierro y Manganeso tambin consumen jabn.

Hay diferentes tipos de dureza: Dureza total TH: mide el contenido total de Ca+2 y Mg+2. Se puede distinguir y g p g

entre dureza de Calcio, THCa, y la dureza de Magnesio, THMg. Dureza permanente o no carbonatada: principalmente mide el contenido de

sulfatos y cloruros de Ca y Mg despus de someter el agua a ebullicin durante di h El t d d tit d d d d l di i d lmedia hora. El mtodo es de poca exactitud y depende de las condiciones de la

ebullicin. Dureza temporal o carbonatada: mide el contenido de bicarbonatos y

carbonatos de Ca y Mg; es igual a la diferencia (a) - (b)carbonatos de Ca y Mg; es igual a la diferencia (a) - (b).

La dureza se puede expresar en diferentes unidades. Por lo general se /L d b t l i (CO C )expresa en mg/L o ppm de carbonato clcico (CO3Ca).

Las aguas con dureza total menor que 50 mg CO3Ca/L se clasifican como blandas, hasta 100 ppm ligeramente duras, hasta 200 ppm moderadamente duras, y a partir de 200 ppm muy duras

Para disminuir su dureza, las aguas se pueden someter a tratamiento de ablandamiento o desmineralizacin.

ALCALINIDAD. La alcalinidad es una medida para determinar la capacidad de neutralizar cidos. A la alcalinidad contribuyen principalmente los iones bi b t HCO3 b t CO3 2 hid il OH t bi lbicarbonato, HCO3-, carbonato, CO3+2, e hidroxilo, OH -, pero tambin los fosfatos, cido silcico u otros cidos de carcter dbil.

Se distingue entre la alcalinidad total o ttulo alcalimtrico completo, TAC, tambin conocido como alcalinidad m, y la alcalinidad simple o ttulo alcalimtrico, TA, conocido como alcalinidad p. A partir de ambas mediciones se pueden determinar las concentraciones en carbonato, bi b t hid idbicarbonato e hidrxido.

Se expresa en las mismas unidades que la dureza. La alcalinidad se corrige por descarbonatacin con cal, tratamiento con cido, o d i li i i t bi i idesmineralizacin por intercambio inico.

Las aguas que tienen valores de alcalinidad altos son consideradas indeseables, debido a la dureza excesiva y la elevada concentracin de sales de sodio. Las aguas con valores bajos pueden sufrir acidificacin.

RESIDUO SECO. Al evaporar un agua natural con impurezas de sales p g pobtendremos en el fondo del recipiente un residuo seco. Esta evaporacin debe realizarse a 105 C. El residuo seco, que englobar las sales y otras sustancias, se pesa y se expresa en mg/L.

PARMETROS DE MEDIDA INDIRECTA

Las impurezas del agua se pueden medir de forma indirecta. Un mtodo de medida indirecta de sales es la conductividad. El agua aumenta su conductividad si se le aaden sales u otros materiales ionizables. Este tipoconductividad si se le aaden sales u otros materiales ionizables. Este tipo de medicin puede ser muy til. Medir la conductividad toma 5 segundos, mientras que determinar el contenido de slidos disueltos es cuestin de horas.

CONDUCTIVIDAD. La conductividad elctrica es la medida de la capacidad de un agua para conducir la electricidad Es indicativa de la materiade un agua para conducir la electricidad. Es indicativa de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura contribuye mnimamente a la conductividad, y en su casi totalidad es el resultado del movimiento de los iones de las impurezas presentes. Se utiliza un conductivmetro cuyolos iones de las impurezas presentes. Se utiliza un conductivmetro cuyo fundamento es la medida de la resistencia del medio acuoso al paso de la electricidad.

La resistividad es la medida inversa de la conductividad Debe La resistividad es la medida inversa de la conductividad. Debe especificarse la temperatura de medicin.

La conductividad se expresa como microsiemens por centmetro (S/cm). Un agua ultrapura tiene valores de resistividad de 18.24 Mohms.cm y 0.05483 S/cm a 25 C.

Existe una clara relacin entre la cantidad de sales disueltas y la Existe una clara relacin entre la cantidad de sales disueltas y la conductividad.. Si se mide la conductividad, se puede hacer una estimacin del contenido de sales disueltas (SDT), en mg/L, multiplicando el valor medido en S/cm por un coeficiente que oscila entre 1,4 a 0,70. p q , ,