DETERMINACIN DE pH, ACEIDEZ, ALCALINIDAD, Y DUREZA EN MUESTRAS DE AGUA.

Nicols Duque, Cdigo: 214796nduqueg@unal.edu.co

Manuel Alejandro Montero, Cdigo: 244655mamonteros@unal.edu.co

Andrea Vergara Villada, Cdigo: 215189 ayvergarav@unal.edu.co1. INTRODUCCIN

El control de la calidad del agua implica el establecimiento de criterios de calidad para definir los lineamientos y normas o requisitos mnimos que debe satisfacer un agua para que sea apropiada para un uso determinado. La medicin de pH, acidez, alcalinidad y dureza en las muestras, es hoy en da una de las medidas analticas ms 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; adems, estas medidas (de alcalinidad especialmente) son utilizados en la interpretacin y control del tratamiento de aguas claras y aguas residuales. Por ejemplo, las aguas residuales crudas de origen domstico tienen una alcalinidad menor de o ligeramente mayor que el suministro de agua potable. Otro parmetro 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 vara entre 0 y cientos de mg/L, dependiendo de la fuente de agua y el tratamiento a que haya sido sometida. A continuacin se presenta un estudio de calidad de 6 muestras diferentes, mediante la determinacin de la dureza, pH, alcalinidad y acidez de cada una de ellas, con su anlisis respectivo.2. OBJETIVOS

Determinar la calidad del agua a travs de los parmetros posibles de obtener por mtodos volumtricos.

Calcular la dureza total, clcica y magnesica de las muestras de agua dadas a partir de datos experimentales.

Emplear un medidor de pH para la caracterizacin y anlisis inicial de las muestras de agua.

Utilizar el diagrama de distribucin de especies como instrumento inicial de la caracterizacin de la muestra de agua.

Determinar la acidez debida a sales hidrolizables y/o minerales de las muestras problema de agua. Determinar la alcalinidad debida a hidrxidos, bicarbonatos y/o carbonatos de las muestras de agua dadas.3. DATOSA partir de mtodos volumtricos, se obtuvieron los resultados experimentales de la tabla 1. La muestra 4-32177 presentaba olores fuertes imposibilitando el anlisis qumico.Tabla 1: Datos experimentales obtenidos en laboratorio.MuestrapHAlcalinidadAcidezDureza ClcicaDureza Total

Mixto (Verde Bromocresol/Rojo de Metilo)Naranja de MetiloTotalNaranja de MetiloFenolftalenaTotal

ml H2SO4 (0,02N)ml NaOH (0,02N)ml EDTA (0,02N)

1-321797,83012,512,502,42,44,45,1

2-3215110,556,66,413,00000,82,1

3-3215611,325,52,68,10001,42,1

4-321778,35--------

5-321045,6500,20,209,89,81,35

Para el clculo de los diferentes parmetros se tomaron los valores experimentales y se determin caractersticas fisicoqumicas de cada muestra.4. RESULTADOS Y DISCUSIN

ALCALINIDAD Muestra 1 32179Debido a que el volumen gastado de H2SO4 para el viraje del indicador mixto es igual a cero y el volumen total gastado de H2SO4, es solo debida al viraje por naranja de metilo, segn las heursticas y el diagrama de distribucin de especies, se tiene alcalinidad debida a bicarbonatos, donde el volumen para el clculo es igual al volumen total.

Muestra 2 32151Debido a que el volumen gastado de H2SO4 para el viraje del indicador mixto es mayor a del volumen total gastado de H2SO4, segn las heursticas y el diagrama de distribucin de especies, se tiene alcalinidad debida a hidrxidos y a carbonatos, donde el volumen para el clculo debida hidrxidos es igual 2F-T y la alcalinidad debida a carbonatos es igual a 2NM o 2(T-F). (F = Volumen a Fenolftalena, T = Volumen Total, NM =Volumen a naranja de metilo).

Muestra 3 - 32156Al igual que la muestra anterior, segn las heursticas y el diagrama de distribucin, se tiene alcalinidad debida a hidrxidos y a carbonatos.

Muestra 5 32104Debido a que el volumen gastado de H2SO4 para el viraje del indicador mixto es igual a cero y el volumen total gastado de H2SO4, es solo debida al viraje por naranja de metilo, segn las heursticas y el diagrama de distribucin de especies, se tiene alcalinidad debida a una leve concentracin de bicarbonatos, donde el volumen para el clculo es igual al volumen total.

ACIDEZ Muestra 1 32179En este caso al tener un pH entre 4,5 y 8,5 solo se tiene acidez debida a sales hidrolizables y a CO2, por lo cual la acidez total es igual a este tipo de acidez.

Muestra 2 32151Debido a que el pH es mayor al punto de viraje de la fenolftalena 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 fenolftalena, por consiguiente la acidez ser igual a cero.

Muestra 5 32104En este caso al tener un pH entre 4,5 y 8,5 solo se tiene acidez debida a sales hidrolizables y a CO2, por lo cual la acidez total es igual a este tipo de acidez.

DUREZA TOTAL (DT), CALCICA Y MAGNESICAPara el clculo 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 clcica 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

Muestra 5 32104

DUREZA CARBONACEA (DC) Y NO CARBONACEA (DNC) Muestra 1 32179Para el clculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) es y la alcalinidad total (AT) que es 250 , para lo cual tenemos

Con la anterior relacin se determina:

Muestra 2 32151Para el clculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) que es y la alcalinidad total (AT) que es , para lo cual tenemos

Con la anterior relacin se determina:

Muestra 3 32156Para el clculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) que es y la alcalinidad total (AT) que es , para lo cual tenemos

Con la anterior relacin se determina:

Muestra 5 32104Para el clculo se debe tener en cuenta la Dureza total (DT) es y la alcalinidad total (AT) que es 20 , para lo cual tenemos

Con la anterior relacin 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 CaCO3/L)Acidez(mg CaCO3/L)Dureza(mg CaCO3/L)(mg CaCO3/L)(mg CaCO3/L)

MuestrapHTotalHCO3-CO3-OH-TotalSyCO2MineralDTDcaDMgDCDNC

321797,8325025000240240051044070250260

3215110,5526002564000210801302100

3215611,328100520290000210140702100

321045,65202000196196050013037020480

321857,69

Los valores de alcalinidad presentados para las muestras 32179, 32151 y 32156 tienen un alto valor, lo cual se considera que es una solucin muy amortiguadora y no solo esto, si no que hace parte importante para el desarrollo de diversas especies porque es til como reserva de CO2 necesario para el proceso de la fotosntesis; para la muestra 32104 se tiene un pH bajo y la alcalinidad presentada es igual a 20 mg CaCO3/L indicando que debe ser agua tomada de un vertimiento o de una fuente contaminada debido a que los valores tpicos en diferentes cuerpos de agua son superiores a 20mg CaCO3/L. De igual manera si se requiere un tratamiento posterior como la coagulacin-floculacin es importante que el agua contenga algn 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 estn 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 contaminacin ya sea natural o antrpica 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 ms 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 ms relacionado con la presencia de sales hidrolizables, la muestra est por encima de un pH de 4,5 lo que conlleva la presencia de una alcalinidad mnima de 20 mg CaCO3/L generada por iones bicarbonato este valor de acidez se presenta posiblemente por accin humana indicando un vertimiento aguas arribas de actividades no reguladas que podran ser de inters 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 cidos dbiles con poco poder de disociacin, en la mayora de casos por sales hidrolizables. Para dos muestras analizadas el pH es muy alcalino que a su vez tiene relacin con los resultados obtenidos de dureza.Para la determinacin de la dureza se utiliz un mtodo volumtrico por titulacin con EDTA e indicadores orgnicos en donde se determin las dureza debida a iones de calcio y magnesio, as mismo se calcul 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 CaCO3/L, lo cual clasifica a estas como agua dura, siendo necesario una operacin 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 inico, esta dureza afectara los equipos domsticos e industriales como calderas, chaquetas de reactores, intercambiadores de calor entre otros.Las muestras 32151 y 32156 tienen un pH alcalino generado por la presencia de iones carbonatos, hidrxidos y trazas de bicarbonatos, por esto ltimo 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 ltimas adems 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. Cul es el pH aproximado de una solucin 2,0 N de HCl?

El pH de una solucin se calcula de la siguiente manera.

HClH+ + Cl-

La concentracin de cido clorhdrico es de 2.0 N, por ser una molecular con un solo ion hidronio, esta concentracin normal, ser la misma molar. Por lo anterior, la concentracin de este acido ser de 2 mol/L.

El cido clorhdrico es un cido fuerte que se disocia completamente en ion hidronio y ion cloruro, por consiguiente la concentracin del ion hidronio es de 2 mol/L.

Entonces el pH ser:

Matemticamente el pH de esta solucin de cido clorhdrico 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 solucin de cido clorhdrico, la concentracin de esta debe ser de 1 N.

2. Cul es el pH aproximado de una solucin 0,02 N de NaOH?

Para calcular el pH de una solucin acuosa bsica es necesario utilizar la siguiente formula.

Por ser una base, es necesario hacer uso la ecuacin que involucra la constante de ionizacin de 10-14.

El hidrxido de sodio es una base fuerte, por consiguiente presenta una ionizacin completa

NaOHNa+ + OH-

Adems 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 concentracin de iones hidroxilo del hidrxido de sodio es de 0,02 mol/L.

Para soluciones con alta concentracin de base, el pH se acercara a 14.

3. Cul es la concentracin del ion hidrxido si la concentracin del ion hidrogeno es 3,0x10-2 mol/L?

A partir de la constante de ionizacin se puede realizar el clculo de iones hidronio o hidroxilo a partir del otro par conocido.

4. Una muestra de agua recolectada en el campo tena pH de 6,8. En el momento de la llegada de la muestra al laboratorio para el anlisis, el pH haba aumentado a 7,5. De una posible explicacin a este cambio.

Si la muestra de agua pertenece a una fuente en la cual los contenidos de dixido 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 presin y temperatura son diferentes de un lugar a otro, puede aumentar la velocidad de reaccin del CO2, convirtindose paulatinamente en bicarbonatos o carbonatos, dependiendo del tiempo que dure la muestra si analizar, y cambios de temperatura y presin, generando un aumento del pH.

5. Se observ que un abastecimiento de agua tena una concentracin de ion bicarbonato de 50 mg/L y un contenido de CO2 de 30 mg/L. Calcule el pH aproximado del agua (temperatura de 25C)

El pH de una solucin en equilibrio de bicarbonato y dixido de carbono se calcula a partir de la frmula de Henderson-Hasselbach.

El pK para el sistema bicarbonato/dixido de carbono a 25 C es de 6,3; adems de esto las unidades de concentracin para aplicar en la formula anterior deben estar en mol/L.

El pH de la muestra de agua con los contenidos de dixido de carbono y bicarbonato descritos anteriormente es de 6,4.

Si el contenido de CO2 del agua anterior se redujera a 3 mg/L por aireacin Cul sera entonces el pH?

El pH para una muestra con solamente 3 mg/L de dixido de carbono y 50 mg/L de bicarbonato es de 7,4; la diferencia con la muestra con 30 mg/L de CO2, es que al remover el dixido de carbono por aireacin se elimina la posibilidad de generacin de cido carbnico que pueda disminuir el pH.

6. Al realizar un anlisis en una serie de muestras, se encontraron los siguientes valores de pH: 5,5; 3,0; 11,2; 8,5; 7,4; 9,0; Qu concluye usted con respecto a la posible presencia de una alcalinidad considerable de bicarbonato, carbonato e hidrxido en cada muestra?

La alcalinidad que presenta una muestra de agua por la presencia de ion bicarbonato, carbonato e hidrxidos, se analiza de una mejor manera con el diagrama de distribucin de especies del dixido de carbono que se presenta en la figura 1.

Figura 1: Formas de carbono inorgnico a diferente pH.Para una muestra de agua de pH 5,5 la especie predominante ser el dixido de carbono que a su vez reaccionara con el agua del medio para producir cido carbnico sin disociarse, por consiguiente el pH ser de carcter acido.

La muestra con pH 3,0 no presentara alcalinidad debido a que la nica especie en solucin ser el dixido de carbono que reaccionara para producir acido carbnico, as que el medio es totalmente acido.

La muestra de pH 11,2 ser de carcter bsico con presencia de carbonatos e hidrxidos con trazas de ion bicarbonato, segn el diagrama de distribucin de especies, se puede apreciar que a este pH el porcentaje de ion carbonato se aproxima al 80%, en este caso, no habr presencia de dixido de carbono que pueda generar la conversin de cido carbnico, 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 distribucin de la figura 1, se puede apreciar que aproximadamente el 98% es ion bicarbonato y el restante har parte de leves contenidos de dixido de carbono que le dar la tenue acidez, y el ion carbonato que promueve la alcalinidad de la muestra.

Un pH de 7,4 expresa una acidez ms elevada que la muestra anterior, esto se debe a que los porcentajes de ion bicarbonato se reduce a 85% y el resto es dixido de carbono que promueve la formacin de cido carbnico.

En la muestra de pH 9, se promueve la alcalinidad debido a la presencia de iones carbonatos en casi un 10% segn el diagrama de distribucin de especies, contrario a la muestra con pH 7,4.

7. Suponiendo que el efecto de las sales disueltas sobre la actividad inica es insignificante y que la temperatura de la muestra de agua es de 25 C:a. Calcule la concentracin del ion bicarbonato (en mg/L como HCO3-) si el pH de la muestra es 10,3 y si la concentracin de carbonato es 120 mg/L (como CO3-2)

EL clculo de la concentracin de ion bicarbonato a partir del contenido de carbonato ser realiza a partir de la reaccin reversible de disociacin del bicarbonato.

HCO3-CO3-2 + H+

Partiendo de la ecuacin de Henderson-Hasselbach, con una constante pK=10.33 a 25C, se encuentra el valor de la siguiente manera.

Entonces

La concentracin de bicarbonato en la solucin descrita es de 128 mg/L.

b. Calcule las alcalinidades por hidrxido, carbonato, bicarbonato y total de la solucin anterior.

La alcalinidad de la muestra por bicarbonatos es de 210 mg CaCO3/L y por carbonatos de 200 mg CaCO3/L. Esto quiere decir que el porcentaje de bicarbonato es 49% y 51% para carbonatos, y analizando el diagrama de distribucin de especies, el pH de esta solucin ser 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 coagulacin-floculacin y esta alcalinidad favorece el proceso; posteriormente es de importancia neutralizar los vertimientos para no causar daos al medio ambiente. La muestra 32104 presenta una alta acidez debida a sales hidrolizables lo cual facilita el tratamiento con bases dbiles para la neutralizacin 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 inico o tierras adsorbentes. El tratamiento de la muestra 32179 y 32104, cuya dureza es no carbonacea, debe ser diseado 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 clcica.

9. BIBLIOGRAFA

Biblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental. Control de calidad del agua y anlisis de las normas. Documento disponible en lnea. Consultado 27/09/14.http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031275/031275.pdf

Fisicanet. Determinacin de la dureza en aguas mediante volumetra complejomtrica. Documento disponible en lnea. Consultado 27/09/14.http://www.fisicanet.com.ar/quimica/aguas/lb01_agua_dureza.php

Recinto Universitario de Mayaguez, Puerto Rico. Manual de Ecologa. Documento disponible en lnea. Consultado 27/09/14.http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p2-alcalinidad.pdf

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