química ambiental modulo v2

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

401549 – QUÍMICA AMBIENTAL

MARÍA DEL PILAR TRIANA NOVOA

Autora

STELLA DÌAZ NEIRA

Directora Nacional

MERY LILIANA LÓPEZ MARTÍNEZ

Acreditadora

BOGOTÁ

Agosto de 2010

2

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Contenido didáctico del curso Química Ambiental

Contenido didáctico del curso Química Ambiental

INDICE DE CONTENIDO

Unidad 1. QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO

Unidad Capítulos y Lecciones Página

1 Capítulo 1. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA

16

Lección 1. Estructura molecular y propiedades del agua 17

Lección 2. Fundamentos de termodinámica química 28

Lección 3. Reacciones y equilibrios en presencia del agua 38

Lección 4. Contaminantes químicos del agua 70

Lección 5. Parámetros químicos de la calidad del agua 84

PREGUNTAS Y EJERCICIOS 94

Capítulo 2. TRATAMIENTO QUÍMICODEL AGUA 96

Lección 6. Procesos químicos en el tratamiento del agua 96

Lección 7. Potabilización del agua 108

Lección 8. Composición de las aguas residuales 128

Lección 9. Tratamiento de aguas residuales 131

Lección 10. Reutilización de aguas residuales 139


Capítulo 3. MUESTREO DE AGUAS 147

Lección 11. Tipo de muestras 147

Lección 12. Criterios técnicos para el muestreo 149

Lección 13. Equipos y envases para muestreos 156

Lección 14. Conservación de las muestras 158

Lección 15. Parámetros químicos de análisis 160


3



Autoevaluación 180

Respuestas a la autoevaluación de la Unidad 1

Fuentes documentales de la Unidad 1 181

Unidad 2. QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO

2 Capítulo 4. CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL SUELO

186

Lección 16. Conceptos básicos 187

Lección 17. Propiedades de los suelos 188

Lección 18. Reacciones y equilibrios en el suelo 212

Lección 19. Calidad del suelo y compuestos que lo alteran 220

Lección 20. Análisis de la calidad del suelo 235


Capítulo 5. TRATAMIENTO DEL SUELO 240

Lección 21. Importancia y clasificación de los tratamientos 240

Lección 22. Tratamientos por contención o aislamiento 245

Lección 23. Tratamientos por transferencia o extracción 249

Lección 24. Tratamientos por transformación química 254

Lección 25. Tratamientos por transformación biológica 258


Capítulo 6. MUESTREO DE SUELOS 264

Lección 26. Variabilidad de los suelos 264

Lección 27. Tipo de muestreos 267

Lección 28. Criterios técnicos para el muestreo 270

Lección 29. Equipos y materiales para muestreos 272

Lección 30. Parámetros químicos de análisis 277

4




Autoevaluación 290



Unidad 3. QUÍMICA Y COMPONENTE ATMOSFÉRICO 292

3 Capítulo 7. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA ATMÓSFERA 297

Lección 31. Principales procesos químicos atmosféricos 298

Lección 32. Características químicas de la estratosfera 303

Lección 33. Características químicas de la troposfera 312

Lección 34. Reacciones del oxígeno atmosférico 323

Lección 35. Reacciones ácido-base 326


Capítulo 8. CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA 330

Lección 36. Tipos y fuentes de contaminantes 330

Lección 37. Consumo del ozono de la estratosfera 334

Lección 38. Óxidos y compuestos orgánicos volátiles 340

Lección 39. El efecto invernadero y el de alteración de la capa de ozono

359

Lección 40. El smog fotoquímico y la lluvia ácida 365


Capítulo 9. MUESTREO ATMOSFÉRICO

377

Lección 41. Tipos de muestreo 378

Lección 42. Definición de tipos de muestreo 380

Lección 43. Técnicas de muestreo 385

Lección 44. Equipos y materiales para muestreos 387

5



Lección 45. Análisis de muestras en el laboratorio 396

PREGUNTAS Y EJERCICIOS

Autoevaluación



6



LISTADO DE TABLAS

UNIDAD 1

Tabla N° Nombre de la tabla Página

1 Ángulo de enlace de compuestos homólogos del agua 18

2 Principales propiedades del agua 22

3 Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de algunas semi-reacciones, a 25°C

54

4 Productos de solubilidad en agua, a 25°C, de algunas sales 68

5 Materiales radiactivos presentes en sistemas acuosos 77

6 Procesos utilizados en tratamientos de agua según la clase de contaminantes

97

7 Métodos para el ablandamiento del agua 121

8 Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de muestras, según tipo de análisis

155

UNIDAD2


9 Valores de capacidad de intercambio catiónico 204

10 Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos

244

11 Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos 222

UNIDAD 3


12 Compuestos que aportan cloro a la estratosfera 337

13 Compuestos que aportan bromo a la estratosfera 338

14 Norma de calidad del aire en Colombia 382

15 Promedio sugerido de sitios de muestreo según la densidad

de población

383

7



16 Distancia mínima de separación entre vías vehiculares y

muestreadores o caminos de medición

384

17 Sistemas de recolección según tipo de contaminante 388

18 Técnicas para análisis continuo 397

19 Técnicas para análisis discontinuo 401

LISTADO DE FIGURAS

UNIDAD 1

Figura N° Nombre de la figura Página

1 Componentes de la ecosfera 12

2 Pares de electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de agua

17

3 Representación de una molécula de agua 18

4 Punto de fusión de compuestos homólogos del agua 19

5 Punto de ebullición de compuestos homólogos del agua 19

6 Estructura ordenada del agua 20

7 Repartición del agua por compartimento ambiental 24

8 Diagrama de fases del agua 30

9 Variación con el pH de las especies químicas del C en solución acuosa a 25°C

49

10 Compartimientos ambientales y equilibrios del sistema CO2-HCO3

-- CO32-

51

11 Rango de condiciones oxidantes en sistemas acuosos 57

12 Zonas y agentes oxidantes y reductores en sistemas acuosos 59

13 Abundancia de metales traza en la corteza terrestre 76

14 Tipos de membranas para ultrafiltración 105

15 Representación del fenómeno de ósmosis inversa vs. ósmosis

106

8



16 Representación de las corrientes de permeado y rechazo 107

17 Estructura básica de una celda de electrodiálisis 108

18 Procesos de potabilización de aguas crudas 109

19 Determinación del número de muestras requeridas para cuantificar la concentración promedio de un analito

154

UNIDAD 2


20 Proporciones relativas (en volumen) de los componentes del suelo

189

21 Estructura general de las arcillas 192

22 Perfil general del suelo 196

23 Triángulo de clases texturales 199

24 Tipos de estructura del suelo 200

25 Representación de mineral de arcilla con carga negativa superficial

202

26 Representación de sustancias orgánicas con grupos ionizados

203

27 Representación de la acidez activa y de la intercambiable 206

28 Proporción promedio de bases en el suelo 207

29 Representación de la disponibilidad de nutrientes a diferentes valores de pH

208

30 Esquema de una doble capa difusa 213

31 Relación entre pH y la saturación de bases 215

32 Diagrama Eh-pH para diferentes especies químicas del Fe 217

33 Procesos resultantes de la degradación química de suelos 224

34 Tratamientos del suelo 243

35 Técnica de deshalogenación de contaminantes del suelo 257

36 Puntas para barreno 274

37 Esquema general del proceso de muestreo de suelos 276

9



UNIDAD 3


38 Capas de la atmósfera 295

39 Ciclo del oxígeno atmosférico 324

40 Clases de contaminantes atmosféricos 331

41 Ciclo del CO2 345

42 Sistemas de recolección para muestreo activo 389

43 Captador de alto volumen 392

44 Esquema general de un muestreador pasivo 396

10



ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso académico: Química Ambiental (Evaluación y

Control de la Contaminación) fue diseñado en el año 2010 por la Química María

del Pilar Triana Novoa, Master of Science en Ciencia del Suelo y Manejo de

Aguas.

El contenido didáctico corresponde a la primera versión del curso, con

actualizaciones hechas en el II sem del 2012, por la Directora del curso, Química

Stella Díaz Neira, con estudios de Especialización en Aprendizaje Autónomo y

actualmente Docente Ocasional en la sede Mutis de Bogotá.

Las actualizaciones se hicieron en algunos enlaces a sitios web, siguiendo las

observaciones hechas por la Evaluadora del curso, Especialista Mery Liliana

López, con estudios de Maestría en Ingeniería Ambiental quien actualmente es

Docente Auxiliar del CEAD de Pasto.

11



INTRODUCCIÓN

La preocupación por el medio ambiente es una constante en nuestros días y son

muchas las voces que se levantan por todo el mundo para llamar la atención sobre

los problemas ambientales y la necesidad de encontrar soluciones a las

problemáticas de vieja data, a las actuales y que minimicen o prevengan las

futuras.

Nuestro medio ambiente está constituido por ecosistemas que son sistemas

termodinámicamente abiertos, es decir, con flujo permanente de materia y

energía. De aquí el papel primordial de la química y del químico para comprender

los procesos químicos que ocurren en el medio ambiente, tanto los de tipo natural

como los derivados de la actividad humana, y para proponer, mediante un trabajo

interdisciplinario, formas de manejo apropiado de los ecosistemas que permitan

mantener su equilibrio o corregir los daños existentes.

Este curso de química ambiental presta atención especial a la naturaleza química

y a la movilidad y transporte de los compuestos químicos contaminantes, con el fin

de determinar su destino final en el medio ambiente, caracterizarlos, cuantificarlos,

prever posibles desequilibrios originados por su presencia y establecer procesos

de control y seguimiento, que favorezcan la preservación de los ecosistemas.

En el contexto anterior se han seleccionado los principales conceptos a tratar en

este curso, los cuales como es tradicional se presentan subdivididos en los tres

componentes abióticos de la ecosfera: hidrosfera (agua), litosfera (suelo) y

atmósfera (aire).

La Figura 1 presenta estos tres componentes, denominados también

compartimentos ambientales o ambientes físicos mayores de la tierra, enlazados a

la biosfera que es el componente biótico. Todos interactúan y conforman la

ecosfera.

12



Figura 1. Componentes de la ecosfera1

Este tratamiento por compartimentos ambientales, tiene ante todo fines

pedagógicos, pero es importante tener en cuenta que en la naturaleza están

interrelacionados, que existen interfases de contacto, que hay abundante

intercambio de materia y energía y que el equilibrio dinámico entre ellos se afecta

por la alteración en las propiedades y dinámica químicas de cualquiera de sus

componentes.

Para cada uno de los tres compartimentos se hace énfasis en los procesos

químicos en los que intervienen diversos compuestos que dan lugar a múltiples

reacciones, a fenómenos de interfase y a cambios en estados de equilibrio

químico.

La naturaleza y concentración de los compuestos que intervienen permiten

determinar si se trata o no de contaminantes y la forma en que pueden alterar la

calidad de los compartimentos ambientales, todo lo cual conlleva a la selección y

aplicación de tratamientos específicos que buscan la restauración y el

mantenimiento del equilibrio ambiental.

1 GARZA-CUEVAS, Raúl y GONZÁLEZ GONZÁLEZ, LETICIA. Capítulo 6. Principios de ciencia

ambiental. En: ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. México:

International Thomson Editores, 1997. p. 102.

13



UNIDAD 1

Nombre de la Unidad QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO

Palabras clave Propiedades y reacciones del agua, usos del

agua, tipos de contaminantes del agua,

agua doméstica, agua industrial, agua

potable, agua residual, análisis del agua,

tratamientos y reutilización del agua.

Introducción El agua es una de las sustancias más

importantes en la naturaleza. Los seres

humanos estamos constituidos por un

promedio de 80% de agua, los diferentes

procesos biológicos requieren de agua, es

el hábitat de los organismos presentes en

los ecosistemas acuáticos y,

adicionalmente, la requerimos para múltiples

usos.

El agua no se encuentra ni se estudia como

sustancia químicamente pura, sino en forma

de soluciones, suspensiones y dispersiones

coloidales acuosas presentes en los

diferentes compartimentos ambientales.

Cuando su composición o su estado se

alteran de manera que ya no puede

utilizarse para determinados propósitos, se

habla de deterioro de su calidad por

presencia de contaminantes.

Justificación La disponibilidad y la calidad del agua son

importantes para garantizar la vida sobre la

tierra y la realización de toda clase de

actividades humanas.

Por lo anterior es importante conocer qué

tipo de contaminantes pueden deteriorarla,

14



cómo es su reactividad y cuáles

tratamientos son apropiados para su

recuperación y reutilización.

Intencionalidades Formativas Contribuir al desarrollo de la capacidad

analítica e investigativa del estudiante, a

partir del conocimiento y análisis de los

principios que rigen los fenómenos químicos

inherentes a la estructura y reactividad

química del agua.

Desarrollar en el estudiante la capacidad de

relacionar el comportamiento químico del

agua, junto con el de los diversos

compuestos disueltos en ella, sus

reacciones y sus equilibrios, con las

problemáticas propias de las prácticas

ambientales, para contribuir a establecer

procesos de control y seguimiento, que

favorezcan la preservación del medio

ambiente.

Denominación de capítulo 1 CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES

QUÍMICAS DEL AGUA

Denominación de Lección 1 Estructura molecular y propiedades del agua

Denominación de Lección 2 Fundamentos de termodinámica química

Denominación de Lección 3 Reacciones y equilibrios en presencia del

agua

Denominación de Lección 4 Contaminantes químicos del agua

Denominación de Lección 5 Parámetros químicos de la calidad del agua

Denominación de capítulo 2 TRATAMIENTO QUÍMICO DEL AGUA

Denominación de Lección 6 Procesos químicos en el tratamiento del

agua

Denominación de Lección 7 Potabilización del agua

15



Denominación de Lección 8 Composición de las aguas residuales

Denominación de Lección 9 Tratamiento de aguas residuales

Denominación de Lección 10 Reutilización de aguas residuales

Denominación de capítulo 3 MUESTREO DE AGUAS

Denominación de Lección 11 Tipo de muestras

Denominación de Lección 12 Criterios técnicos para el muestreo

Denominación de Lección 13 Equipos y envases para muestreos

Denominación de Lección 14 Conservación de las muestras

Denominación de Lección 15 Parámetros químicos de análisis

16



UNIDAD 1

QUÍMICA Y COMPONENTE HÍDRICO

El agua es una de las sustancias más importantes en la naturaleza. Los seres

humanos estamos constituidos por un promedio de 80% de agua, los diferentes

procesos biológicos requieren de agua, es el hábitat de los organismos presentes

en los ecosistemas acuáticos y, adicionalmente, la requerimos para múltiples

usos.

El agua no se encuentra ni se estudia como sustancia químicamente pura, sino en

forma de soluciones, suspensiones y dispersiones coloidales acuosas presentes

en los diferentes compartimentos ambientales.

Cuando su composición o su estado se alteran de manera que ya no puede

utilizarse para determinados propósitos, se habla de deterioro de su calidad por

presencia de contaminantes.

Debido a que la disponibilidad y la calidad del agua son importantes para

garantizar la vida sobre la tierra y la realización de toda clase de actividades

humanas, es importante conocer qué tipo de contaminantes pueden deteriorarla,

cómo es su reactividad y cuáles tratamientos son apropiados para su recuperación

y reutilización.

CAPITULO 1: CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA

Introducción

La estructura del agua la hace una sustancia singular con un número de

propiedades únicas que son indispensables para la vida en la tierra.

Sin embargo, el agua no se encuentra como sustancia químicamente pura, sino

que presenta gran cantidad de especies químicas en forma de soluciones,

suspensiones y dispersiones coloidales.

Es así como con base en la composición y usos del agua se puede establecer el

concepto de contaminación del agua. Existen diversas definiciones, cuya forma

más general desde el punto de vista ambiental, significa cualquier desviación a

partir de un estado normal.

17



En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la estructura

y reactividad del agua y qué tipo de contaminantes pueden afectar su calidad.

Lección 1: Estructura molecular y propiedades del agua

1.1. Estructura y comportamiento del agua

El agua como compuesto químico está conformado por dos átomos de hidrógeno

y uno de oxígeno, en donde la organización tridimensional de los átomos que

conforman la molécula de agua está determinada, en gran parte, por la repulsión

que se presenta entre los pares de electrones de la capa de valencia del átomo de

oxígeno. En la Figura 2 se observan cuatro pares de electrones, dos de los cuales

se utilizan para los enlaces covalentes entre el oxígeno y cada uno de los iones

hidrógenos.

Figura 2. Pares de electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de

H2O2

2 Tomada y adaptada de: http://racalviz.blogspot.com/2007/11/estructura-qumica-del-agua.html

PALABRAS CLAVE: puentes de hidrógeno, dipolar, hidratación, constante

dieléctrica, calor específico, calor latente de vaporización y fusión, impurezas

del agua, usos el agua.

http://racalviz.blogspot.com/2007/11/estructura-qumica-del-agua.html

18



Los dos pares de electrones no compartidos y la electronegatividad mayor del

oxígeno respecto a la del hidrógeno originan una configuración angular de carácter

dipolar. El valor del ángulo de enlace de la molécula de H2O se observa en la

Figura 3.

Figura 3. Representación de una molécula de agua3

La Tabla 1 permite hacer una comparación entre los ángulos de enlace de la serie

H2O, H2S, H2Se y H2Te. Se observa una disminución secuencial, con una

diferencia mucho más marcada entre los dos primeros componentes de la serie.

Una explicación probable de la disminución de los ángulos de enlace de los

hidruros está en el aumento del tamaño del átomo central de las moléculas de los

compuestos y la disminución de su electronegatividad, a medida que aumenta el

período en el que se ubica el átomo central de los compuestos.

Tabla 1. Angulo de enlace de compuestos homólogos del agua

COMPUESTO ANGULO DE ENLACE

H2O 104,5°

H2S 92,2°

H2Se 91,0°

H2Te 89,5°

3 Elaborada por María del Pilar Triana Novoa

19



No obstante la similitud en la geometría molecular de la serie, el agua es un

compuesto único que no comparte con los otros compuestos las propiedades

fisicoquímicas. Entre estas propiedades, las Figuras 4 y 5 presentan los valores de

los puntos de fusión y de ebullición de la serie de compuestos.

Figura 4. Punto de fusión de compuestos homólogos del agua

Figura 5. Punto de ebullición (P = 1 atm) de compuestos homólogos del agua

Un análisis de los datos de los puntos de fusión y ebullición de la serie de

compuestos muestra que el compuesto de mayor masa molecular el H2Te (129,62

g) tiene un punto de fusión cercano a los -50°C y de ebullición cercano a los -2°C y

que a medida que la masa molecular es menor los valores de los puntos

disminuyen. Sería de esperar que, el componente más liviano de la serie, el H2O

(18,01 g) presentara un punto de fusión por debajo de los -85°C y uno de

ebullición menor a los -61°C, lo cual se traduciría en que el H2O fuera un gas en el

rango de valores de temperatura y presión ambientales de la tierra.

20



Sin embargo, la tendencia cambia abruptamente hacia valores significativamente

superiores, ubicados dentro de un rango, que hace del agua la única sustancia

que en las condiciones naturales de nuestro planeta se presente en los tres

estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gas).

Este comportamiento del agua tiene explicación al nivel de las atracciones

intermoleculares o fuerzas intermoleculares, específicamente las conocidas como

puentes de hidrógeno que corresponden a un tipo especial de interacción dipolo-

dipolo.

En el agua esta interacción es especialmente fuerte y se presenta entre el átomo

de hidrógeno que hace parte de un enlace polar, O – H, en una molécula y un

átomo de oxígeno (electronegativo) que hace parte de otra molécula de agua. El

acomodamiento de varias moléculas unidas por puentes de hidrógeno alrededor

de cada molécula de agua genera una estructura ordenada, a manera de una red

(Figura 6), que es la causa, en gran extensión, de su comportamiento particular y

de sus propiedades fisicoquímicas.

------ Puente de hidrógeno

Figura 6. Estructura ordenada del agua4

4 Tomada de: http://fisexpscs.blogspot.com/2009/10/agua.html

http://fisexpscs.blogspot.com/2009/10/agua.html

21



1.2. Propiedades del agua

La estructura descrita anteriormente hace del agua una sustancia singular con un

número de propiedades únicas que son indispensables para la vida (Tabla 2.

Principales propiedades del agua) en la tierra.

22



Tabla 2. Principales propiedades del

agua

23



1.3. Impurezas del agua

En la práctica, el agua no se encuentra ni se estudia como sustancia

químicamente pura, sino en forma de soluciones, suspensiones y dispersiones

coloidales acuosas presentes en los diferentes compartimentos ambientales

(Figura 7).

ACTIVIDAD # 1: Para complementar la información acerca de la estructura

química y las propiedades del H20, revise el material que se encuentra en:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000051/lecciones/cap01/06_03.htm

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000051/lecciones/cap01/06_03.htm

24



Figura 7. Repartición del agua por compartimento ambiental5

La gran cantidad de especies químicas presentes en las aguas naturales se debe

a las siguientes causas principales: la propiedad del agua como solvente

extraordinario, su capacidad reactiva y su acción como agente erosivo. Entre las

especies químicas se destacan las siguientes:

1.3.1. Gases: provenientes de tres fuentes principales y que alcanzan un grado

determinado de disolución al entrar en contacto con el agua, así:

5 Información basada en datos publicados por US Geological Survey: http://www.usgs.gov/

EL AGUA EN

NUESTRO

PLANETA

http://www.usgs.gov/

25



1.3.2. Iones: al igual que los gases tienen origen diverso y forman soluciones

acuosas de diferentes concentraciones. A continuación se presentan los iones

presentes en mayor concentración de acuerdo con su procedencia:

26



1.3.3. Compuestos inorgánicos de origen específico: provenientes de la

meteorización de minerales presentes en la corteza terrestre, causada por ataque

químico y arrastre por parte del agua. Entre estos compuestos los más frecuentes

son las arcillas y las arenas, los cuales forman suspensiones acuosas.

Arcillas: desde el punto de vista mineralógico, comprenden todos los silicatos

laminares secundarios, con tamaño de partícula < 2µ.

Arenas: estos materiales son el producto de alteración de rocas y corresponden a

partículas que, desde el punto de vista de la geología, tienen un tamaño

comprendido entre 0,063 mm y 2 mm.

1.3.4. Materia orgánica: corresponde a especies bien en solución o en

suspensión o dispersión coloidal. En el primer caso se encuentran los

aminoácidos, los hidratos de carbono, los ácidos grasos y alcoholes, entre otros

compuestos, producto de la descomposición de seres vivos. En el segundo caso,

esto es, el de sustancias de naturaleza coloidal, están los ácidos húmicos y los

fúlvicos que son una fracción muy importante de la materia orgánica de los suelos,

y las proteínas y los polisacáridos procedentes de seres vivos.

27



1.4. Usos del agua

El agua natural con las propiedades y las características descritas anteriormente, y

principalmente la correspondiente a las aguas continentales superficiales (lagos y

ríos) y a las subterráneas, se utiliza con diferentes finalidades, las cuales

determinan la forma de valorar la contaminación potencial y actual y los

respectivos tratamientos deseables. Estos últimos tópicos se estudiarán en el

capítulo 2.

Los usos del agua para consumo son de los siguientes tipos generales:

Abastecimiento doméstico

Industrial

Agropecuario

Para cada uso los indicadores de calidad son diferentes. Es así como, por

ejemplo, el agua para abastecimiento humano, denominada también agua

potable, debe cumplir con ciertos estándares, esto es, con valores máximos

aceptables de concentraciones de ciertas especies químicas presentes, y de otros

parámetros como pH y conductividad, los cuales se detallan en la lección 5. Por

otra parte, en la lección 7 se indican los tratamientos a que deberá someterse el

agua para uso potable que no cumpla con los requisitos establecidos para ese fin.

Otros tipos de usos del agua son:

Acuicultura

Hidroeléctricas

Recreación y estética

Navegación

Un aspecto de gran relevancia derivado de los diferentes usos que se le dan al

agua es la contaminación a la que es sometida. De ésta resultan las denominadas

aguas residuales cuyas características y tratamientos se presentan en la lección

8 y en la 9, respectivamente.

Previamente a la caracterización de los contaminantes químicos del agua se

abordarán, por necesarios para entender su comportamiento y tratamiento,

aspectos relacionados con la termodinámica y la reactividad del agua.

28



Lección 2: Fundamentos de termodinámica química

Los conceptos anteriores permiten establecer

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia el cambio o

transformaciones de la energía de una forma a otra. La termodinámica química es

la rama de la química relacionada con las energías de los sistemas químicos y, de

forma particular, con las transformaciones energéticas y el trabajo realizado

durante las reacciones químicas.

Los diferentes sistemas tienden a experimentar un cambio espontáneo e

irreversible de un estado inicial de no equilibrio hacia un estado final de equilibrio.

Esto es válido para procesos físicos y químicos.

La función de estado que establece la condición de equilibrio y espontaneidad es

la energía libre de Gibbs o entalpía libre que se denomina con la letra G.

A condiciones de temperatura y presión constantes la variación de la energía libre

respecto a la cantidad de materia se denomina potencial químico y se representa

con la letra µ.

Esta magnitud intensiva se puede asignar a cualquier especie química, para

caracterizar el comportamiento termodinámico de esta especie cuando reacciona

con otra especie química, tanto en el sentido o dirección en que las reacciones

pueden tener lugar, como en el de los estados de equilibrio químico. Esto se aplica

a reacciones homogéneas, heterogéneas y a cambios de fase6.

2.1. Equilibrio de los estados físicos

El equilibrio entre los estados físicos de una sustancia se denomina equilibrio

heterogéneo porque están presentes dos o más regiones homogéneas, fases, las

cuales se encuentran separadas unas de otras por interfases.

Durante el equilibrio se produce un intercambio constante de materia entre las

fases, hecho posible gracias a que las interfases son áreas de contacto y no se

6 WASER, J. Termodinámica química fundamental. Barcelona: Reverté. S. A., 1972. p.128.

PALABRAS CLAVE: energía libre de Gibbs, potencial químico, diagrama de

fases, ley del equilibrio químico, constante de equilibrio, autoprotólisis,

soluciones acuosas, electrolitos.

29



puede dar la presencia de membranas impermeables o semipermeables. Debido

al flujo constante de materia, se habla de un equilibrio heterogéneo dinámico.

Este tipo de equilibrio involucra, a la vez, otros tipos de equilibrio: térmico,

mecánico y químico.

En el equilibrio térmico, las fases se encuentran a la misma temperatura y no hay

flujo de calor entre ellas. En termodinámica este hecho se conoce como principio

cero, el cual establece que para dos fases A y B se debe cumplir que:

TA = TB

En el equilibrio mecánico la presión es constante en todas las partes del sistema y,

por tanto, se debe cumplir que para las fases A y B:

PA = PB

En el equilibrio químico, la velocidad de intercambio o flujo de materia en una y

otra dirección hacia las fases es igual. Para una especie química determinada, su

potencial químico (µ) debe ser igual en todas las partes del sistema.

Desde el punto de vista de la termodinámica, este equilibrio químico se establece

en términos de la energía libre de Gibbs (G), así:

dG T, P = 0

Si para dos fases A y B de un sistema corresponden potenciales químicos µA y µB

de una especie química, y si en el equilibrio dn moles de la especie pasan de la

fase A hacia la Fase B, se puede establecer que:

dG T, P = - µAdn + µBdn = 0

Luego:

µA = µB

Los tres equilibrios anteriores se aplican y cumplen en cada fase y también entre

las fases.

Los equilibrios entre fases de una sustancia se pueden representar en un plano

donde las coordenadas corresponden a valores de presión y temperatura que se

determinan experimentalmente para cada sustancia. Esta representación se

denomina diagrama de fases.

El agua por su importancia como constituyente fundamental de todos los

organismos vivos y por su papel determinante en los procesos tanto naturales

30



como industriales, es una de las sustancias más estudiadas y su diagrama de

fases se conoce y utiliza desde hace mucho tiempo atrás (ver Figura 8. Diagrama

de fases del agua).

Figura 8. Diagrama de fases del agua7

En el diagrama se observan tres áreas claramente definidas: sólido (hielo), líquido

(agua) y vapor, cada una correspondiente a una fase única. Dentro de cada una

de estas áreas, se pueden variar independientemente la presión y la temperatura,

sin que se dé un cambio de fase.

Las áreas se encuentran limitadas por las líneas AB, AC y AD.

7 Adaptada de: FERGUSON, F. D. y JONES, T. K. La regla de las fases. Madrid: Alhambra, 1968.

p. 18.

31



La línea AB representa el equilibrio en la interfase sólido-vapor y en cada uno de

los puntos sobre esta línea tiene lugar el equilibrio entre las dos fases.

De igual forma, la línea AC representa el equilibrio de la interfase líquido-vapor y la

línea AD el de la interfase sólido-líquido. En cada punto de las líneas ocurre el

equilibrio de las fases correspondientes.

En cualquiera de los equilibrios anteriores, el sistema agua es monovariante, es

decir, que a un valor seleccionado de temperatura corresponde un valor único de

presión, y viceversa, para que se dé el equilibrio respectivo.

Cada línea contiene la representación de fenómenos que son muy familiares, así:

sobre la línea AC está el punto de ebullición normal del agua, N, a 100°C y 760

mm Hg = 1 atm de presión. La línea se corta en el punto C, que se conoce como

punto crítico, a 374°C y 218 atm, en el cual el líquido y el vapor no se pueden

distinguir.

Sobre la línea AD está el punto de fusión normal del agua, M, a 0,0023°C y 1 atm

de presión. La pendiente negativa de esta línea, que indica que al aumentar la

presión disminuye el punto de fusión del agua, está de acuerdo con el fenómeno

conocido en relación con el aumento de volumen del agua en la solidificación.

Sobre el diagrama aparece, también, el punto A conocido como punto triple, a

0,0098°C y 4,58 mm Hg, en el cual coexisten en equilibrio las tres fases, sólido,

líquido y vapor. Este punto es inmodificable y es una constante fundamental del

agua.

Otra información importante que proporciona el diagrama son los cambios o

reacciones de fase. Si, por ejemplo, partimos del punto L, con una cierta cantidad

de hielo y, manteniendo la presión constante, calentamos el hielo hasta M,

encontramos el equilibrio sólido-líquido y al continuar el calentamiento en dirección

de N, volvemos a una sola fase, líquida, con una disminución del volumen de la

cantidad de agua con la que partimos.

Si el anterior recorrido se hubiera realizado partiendo de una presión inferior a

4,58 mm Hg, no habría tenido lugar la ocurrencia de la fase líquida y se habría

dado directamente el proceso de sublimación del agua. Este fenómeno es de gran

utilidad en las industrias farmacéutica y de alimentos y se conoce como

liofilización.

32



2.2. Equilibrio en las reacciones químicas

El concepto termodinámico del equilibrio químico está directamente relacionado

con consideraciones energéticas que permitan la verificación de la ley del

equilibrio químico y, además, relacionar la constante de equilibrio con datos

termodinámicos.

Como ya se mencionó, la fuerza que impulsa al sistema a cambiar de un estado

inicial a un cierto estado final se mide mediante el cambio en la energía libre para

el proceso. A su vez, el cambio en la energía libre se define como la diferencia

entre las energías libres de los estados final e inicial. La diferencia se expresa

como ∆G, cuando el sistema experimenta un cambio finito de estado, así:

∆G = Gfinal - Ginicial

2.2.1. Estados estándar y energías libres de formación

La energía libre de una especie química depende de la temperatura y la presión,

así como de la naturaleza y la cantidad de la sustancia. En consecuencia, se hace

necesario establecer unas condiciones para el estado estándar de las diferentes

clases de sustancias, de manera que los valores de la energía libre absoluta de un

elemento o la energía libre de formación de un compuesto se puedan especificar

de forma precisa.

El estado estándar de una sustancia depende de su estado de agregación. No

obstante, para todos los estados estándar se aplica una temperatura de 298 K ó

25 °C. Para una sustancia gaseosa, el estado estándar se define, además con una

presión de 101 kPa (1 atm). Para un líquido o sólido, se considera el estado

estándar como el del líquido puro o el sólido puro, respectivamente, a una presión

de 101 kPa. Para solutos, incluyendo electrolitos, no electrolitos e iones

individuales, se considera el estado estándar como aquel en el cual sus

actividades, es decir, sus concentraciones efectivas son la unidad molar, a una

presión de 101 kPa.

Por convención, se ha establecido un valor de cero a la energía libre de la forma

más estable de cualquier elemento puro, en su estado estándar. Para un

compuesto químico se debe determinar el cambio de energía libre de la reacción

por medio de la cual se forma el compuesto a partir de sus elementos, cuando

todos los reactantes y los productos están en su estado estándar. Este cambio de

energía libre se denomina energía libre estándar de formación, para la cual se

utiliza el símbolo ∆Gf0.

Ejemplos:

33



1) H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (g) tiene ∆Gf0 = -54,54 kcal/mol

El valor negativo de ∆Gf0 para la reacción de formación del agua y para cualquier

otra reacción significa que los reactivos se convertirán espontáneamente en

productos, cuando todas las sustancias están en sus estados estándar. En otras

palabras, significa que la reacción es espontánea, así el proceso sea

cinéticamente lento.

2) ½ N2 (g) + ½ O2 (g) NO (g) tiene ∆Gf0 = +20,72 kcal/mol

En éste y en cualquier caso el valor positivo de ∆Gf0 significa que la reacción no

es espontánea.

En la reacción del ejemplo, se formará una pequeña cantidad del óxido nítrico,

pero la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno, cada uno en su estado estándar,

no se llevara a cabo en la extensión suficiente para producir el óxido en su estado

estándar.

2.2.2. Cambio de energía libre para una reacción

En forma general, para cualquier reacción, el cambio de energía libre estándar es

el siguiente:

∆Go = Σ∆Gf0 (productos) - Σ∆Gf

0 (reactantes)

La ecuación indica que el cambio de energía libre estándar de una reacción es

igual a la suma de las energías libres estándar de los productos menos la suma de

las energías libres estándar de los reactantes.

Los valores de la energía libre estándar de formación de varias sustancias se

encuentran en tablas en la literatura. Algunos valores se pueden consultar en:

http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap7/termodim/termodim.htm

Diríjase directamente a la sección titulada: Energía libre, espontaneidad y

equilibrio y ubique la tabla de datos de energía libre estándar de formación,

∆Gf0.

La aplicación del concepto de cambio de energía libre estándar para una reacción

general se puede plantear de la manera siguiente:

aA + bB cC + dD

Si se asume que los reactantes y los productos están en las condiciones de

estado estándar, se tiene:

http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap7/termodim/termodim.htm

34



∆Go = c [∆Gf0(C)] + d [∆Gf

0(D)] - a [∆Gf0(A)] - b [∆Gf

0(B)] (1.1)

Si el sistema no está bajos las condiciones de estado estándar, entonces:

∆G = c [∆Gf(C)] + d [∆Gf(D)] - a [∆Gf(A)] - b [∆Gf(B)] (1.2)

De la sustracción de la ecuación (1.1) de la ecuación (1.2) y una reacomodación

de los términos resultantes, se obtiene:

∆G - ∆Go = c [∆Gf(C] - ∆Gf0(C)] + d [∆Gf(D) - [∆Gf

0(D)] - a [∆Gf(A) - ∆Gf0(A)] - b

[∆Gf(B) - ∆Gf0(B)] (1.3)

Por otra parte, se tiene para cualquier sustancia, la siguiente expresión, derivada

de una de las leyes de la termodinámica:

∆Gf = ∆Gf0 + RT ln a

∆Gf - ∆Gf0 = RT ln a

Donde: R = constante universal de los gases

T = temperatura absoluta

ln a = logaritmo natural de la actividad o concentración efectiva de la sustancia de

interés, en moles/litro

Aplicando esta expresión a cada una de las especies de la reacción general (A, B,

C y D) y sustituyendo en (1.3) se tiene:

∆G - ∆Go = c RT ln aC + d RT ln aD - a RT ln aA - b RT ln aB

Con la reacomodación de los términos y combinación de los términos logarítmicos

se obtiene:

∆G - ∆Go = RT ln (aC)c + RT ln (aD)d - RT ln (aA)a - RT ln (aB)b

(aC)c (aD)d ∆G - ∆Go = RT ln

(aA)a (aB)b

(aC)c (aD)d ∆G = ∆Go + RT ln (1.4)

(aA)a (aB)b

35



2.3. Energía libre y el estado de equilibrio

Retomando el concepto ya planteado que el cambio de energía libre es la medida

de la fuerza que genera que una reacción tienda espontáneamente de un estado

de no equilibrio a un estado de equilibrio, se deduce que en el estado de equilibrio

la fuerza es cero y, por tanto, el cambio de energía libre, ∆G, es cero.

Luego para una reacción general, bajo condiciones de equilibrio, la ecuación (1.4)

es:

(aC)c (aD)d 0 = ∆Go + RT ln

(aA)a (aB)b

(aC)c (aD)d ∆Go = - RT ln (1.5)

(aA)a (aB)b

Se puede reconocer que la relación matemática del término logarítmico de la

ecuación (1.5) es equivalente a la constante de equilibrio, K. Luego en el equilibrio:

∆Go = - RT ln K (1.6)

Transformando la ecuación (1.6) en función del logaritmo en base decimal, se

tiene:

∆Go = - 2,303 RT log K (1.7)

Se concluye, entonces, que la ley del equilibrio analizada desde las leyes de la

termodinámica conduce a la expresión de la constante de equilibrio, para una

reacción química.

Adicionalmente, se observa que es posible calcular la constante de equilibrio a

partir de datos termodinámicos.

Para el caso de la reacción de formación del agua, bajo condiciones estándar, se

puede establecer lo siguiente:

H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (g) tiene ∆Gf0 = -54,54 kcal/mol

Utilizando la ecuación 7 se tiene:

-54,54 = - 2,303 RT log K

36



Luego:

(54,54) log K = = 39,99 (2,303) (0,001987) (298)

Se obtiene el valor de K hallando el antilogaritmo. De esta manera se obtiene:

K = 9,88 x 1039

El valor negativo de ∆Go de la reacción y el valor muy alto de la constante de

equilibrio, K, son coherentes e indican que la reacción es espontánea.

2.4. Equilibrio en soluciones acuosas

Todos hemos escuchado, en alguna ocasión, la expresión “el agua es el solvente

universal”, la cual refleja el papel predominante de las soluciones acuosas.

Un gran número de fenómenos y reacciones a nuestro alrededor involucran la

presencia de soluciones acuosas:

En los organismos vivos: las soluciones acuosas tienen la importante función de

transportar iones y moléculas desde y hasta las células. La gran mayoría de los

fluidos corporales son soluciones acuosas, por ejemplo, orina, saliva, sudor, jugo

gástrico y lágrimas.

En el ambiente: todos los cuerpos de agua (océanos, ríos, lagos) son enormes

soluciones acuosas porque contienen disueltas gran variedad de sustancias

resultantes de los procesos geoquímicos naturales o de procesos antropogénicos,

que en muchos casos resultan contaminantes.

En la industria: muchas de las reacciones químicas que forman parte de los

procesos industriales, así como los productos resultantes, se presentan en forma

de soluciones acuosas. Por ejemplo, los detergentes y los fertilizantes líquidos.

Para iniciar el estudio del equilibrio en soluciones acuosas, es importante

considerar el equilibrio del agua en las condiciones naturales-ambientales en

nuestro planeta:

2.4.1. Constante de equilibrio del agua:

El agua es un electrolito débil y por esto es un pobre conductor de la electricidad.

37



En la débil ionización del agua, una molécula actúa como ácido y cede un protón y

otra molécula de agua actúa como base y acepta el protón:

H2O (l) + H2O (l) H3O+

(ac) + OH-(ac)

De forma abreviada la reacción de equilibrio se puede escribir de la siguiente

manera:

H2O (l) H+ (ac) + OH-

(ac)

El fenómeno representado por esta ecuación química se conoce como

autoprotólisis, y la correspondiente constante de equilibrio es:

Kc = [H+] [OH-] = Kw

No aparece en el denominador la concentración del agua por tratarse de un líquido

puro. La constante de equilibrio para el agua se denomina de autoprotólisis o de

producto iónico del agua y se representa mediante el símbolo Kw.

A 25°C, Kw = (1 x 10-7) (1 x 10-7) = 1 x 10-14

Donde, 1 x 10-7 moles/L es la concentración tanto de H+ como de OH-.

Si bien el agua es una sustancia que conduce muy pobremente la electricidad, las

soluciones acuosas que contienen compuestos iónicos son buenas conductoras

de la electricidad. Por tanto, un soluto que se disuelve en un solvente, como el

agua, para producir una solución buena conductora de electricidad se denomina

un electrolito.

2.4.2. Equilibrio de electrolitos fuertes

En general, los compuestos iónicos en solución se denominan electrolitos

fuertes, porque existen casi completamente en forma de iones. Las sales como el

cloruro de sodio son un ejemplo de este tipo de electrolitos.

Esta situación se representa con la siguiente reacción:

NaCl (acuosa) Na+ (acuosa) + Cl- (acuosa)

38



La flecha indica que la reacción se desplaza hacia la derecha, esto es, que la sal

está prácticamente presente en forma iónica.

2.4.3. Equilibrio de electrolitos débiles

Existen algunos compuestos moleculares que frente al agua tienden a formar

iones. Este es el caso de algunos ácidos, por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl), el

ácido acético (CH3COOH) y compuestos como el amoníaco (NH3).

Los compuestos moleculares que generan cantidades pequeñas de iones cuando

se disuelven en agua se denominan electrolitos débiles

Esta situación se representa, por ejemplo para el ácido acético, mediante la

siguiente reacción:

CH3COOH (acuosa) CH3COO- (acuosa) + H+ (acuosa)

La doble flecha indica que la reacción ocurre en ambas direcciones, es decir, que

en la solución acuosa el ácido acético está presente tanto en forma molecular

(lado izquierdo) como en forma iónica (lado derecho). Este estado se conoce

como equilibrio químico.

De acuerdo con las impurezas del agua mencionadas en la lección anterior, los

equilibrios de las soluciones con electrólitos merecen atención especial, por lo cual

esta temática se aborda con algún nivel de detalle en la siguiente lección.

Lección 3: Reacciones y equilibrios en presencia del agua


La interacción del agua con los otros compartimentos ambientales (suelo y aire) y

la consecuente presencia en el agua de diferentes especies químicas, da origen a

las siguientes reacciones principales:

PALABRAS CLAVE: pares conjugados ácido-base, hidrólisis, agentes oxidantes,

agentes reductores, producto de solubilidad, ligandos, compuestos de

coordinación.

39



3.1. Reacciones de hidrólisis

La reacción de iones con agua para producir soluciones que no son neutras se

conoce como hidrólisis. En forma general, se conoce como hidrólisis la reacción

en la cual una molécula de agua se rompe para producir los iones H3O+ y OH-.

3.1.1. Reacciones de aniones con agua

Una solución acuosa que contiene la base conjugada de un ácido débil es básica.

Un ejemplo de este tipo de reacciones se presenta con el ión sulfato, SO42-. Este

anión es la base conjugada del ión sulfato ácido, HSO4-.

SO42- + H2O HSO4

- + OH-

Base 1 ácido 2 ácido 1 base 2

A la anterior reacción de hidrólisis del SO42- corresponde la siguiente expresión de

la constante de equilibrio o constante de hidrólisis:

[HSO4-] [OH-]

Kb = [SO4

2-] (1.8)

40



La fuerza del anión básico se mide con la magnitud de Kb que está relacionada

con la fuerza de su ácido conjugado y, por tanto, con Ka. La ecuación química de

ionización del ácido es la siguiente:

HSO4- + H2O H3O

+ + SO42-

La condición de equilibrio para esta reacción es:

[H3O+] [SO4

2-] Ka = [HSO4

-] (1.9)

El producto de (1.8) por (1.9) corresponde a la siguiente igualdad:

Ka x Kb = [H3O+] [OH-] = Kw

Luego:

Ka x Kb = 1,0 X 10-14 (1.10)

En unidades de pK se tiene:

pKa + pKb = pKw = 14

La ecuación (1.10) se refiere únicamente a un ácido y su base conjugada.

En relación con los equilibrios anteriores es importante tener en cuenta las

siguientes consideraciones:

La base conjugada de un ácido más fuerte que el ión H3O+ no origina una reacción

de hidrólisis.

La base conjugada de un ácido moderadamente más fuerte que el H2O

experimenta hidrólisis hasta que se alcanza el estado de equilibrio.

La base conjugada de un ácido que es aproximadamente igual en fuerza al H2O

experimenta una hidrólisis casi completa.

La base conjugada de un ácido mucho más débil que el H2O experimenta una

hidrólisis completa.

La fuerza relativa de algunos pares conjugados ácido-base, con respecto al H2O,

se puede consultar en:

41



www.tutoresuniversitarios.com/sacateun7/.../tutorial%20-%20acido-base.pdf en la

página 5 de 11.

3.1.2. Reacciones de cationes con agua

Los ácidos conjugados de bases débiles experimentan hidrólisis debido a que son

lo suficientemente ácidos para donarle un protón al H2O. Un ejemplo es la

hidrólisis del ión amonio, NH4+, ácido conjugado de la base NH3.

NH4+ + H2O NH3 + H3O

+

Ácido 1 base 2 base 1 ácido 2

A la anterior reacción de hidrólisis del NH4+ corresponde la siguiente expresión de

la constante de equilibrio o constante de hidrólisis:

[NH3] [H3O+]

Ka = [NH4

+]

Debido a que: Ka x Kb = [H3O+] [OH-] = Kw y conociendo que Kb = 1,8 x 10-5

se puede establecer que la constante de hidrólisis del NH4+ tiene un valor de

5,6 x 10-10.

Los cationes trivalentes y algunos divalentes también experimentan hidrólisis. Por

esto, soluciones acuosas de sales como, Cr (NO3)3, Al2 (SO4)3, FeCl3 y Zn (NO3)2

tienen carácter ácido; los cationes de estas sales enlazan moléculas de agua y

una vez hidratados actúan como ácidos.

Un ejemplo de los equilibrios que se presentan en este tipo de soluciones acuosas

se presenta, a continuación, para un catión trivalente que usualmente enlaza seis

moléculas de agua.

Al (H2O)63+ + H2O H3O

+ + Al (OH) (H2O)52+

Al (OH) (H2O)52+ + H2O H3O

+ + Al (OH)2(H2O)4+

Al (OH)2(H2O)4+ + H2O H3O

+ + Al (OH)3(H2O)3 (precipitado)

Ácido 1 base 2 ácido 2 base 1

El precipitado de hidróxido de aluminio se utiliza en la purificación del agua debido

a que tiene buenas propiedades como adsorbente.

http://www.tutoresuniversitarios.com/sacateun7/.../tutorial%20-%20acido-base.pdf

42



También se presenta hidrólisis de diferentes sustancias orgánicas, principalmente

las que tienen grupos funcionales éster, amida y fosfato, así:

RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH

RCONHR’ + H2O RCOOH + R’NH2

R’O-P-O-R’’ + H2O R’OH + HO-P-O-R’’ OR OR

Otras reacciones de hidrólisis importantes, desde el punto de vista de la química

ambiental, son aquellas que se presentan cuando el agua entra en contacto con el

suelo y actúa sobre los minerales y otras sustancias presentes en él. En estos

casos, como resultado, se solubilizan diversos compuestos. Ejemplo, reacción de

la fosforita:

Mg2SiO4 (s) + 4 H2O 2 Mg (OH)2 (acuoso) + H4SiO4 (acuoso)

3.2. Reacciones ácido-base

El aparte anterior, relacionado con la hidrólisis, es un tipo particular de reacciones

ácido-base. Esto es evidente si se retoma la definición de ácidos y bases de los

químicos Brönsted y Lowry. Un ácido Brönsted-Lowry es una especie química que

tiene tendencia a donar o perder un protón, mientras que una base Brönsted-

Lowry es una sustancia que acepta o gana un protón.

Derivados de estas definiciones aparecen los conceptos de ácido conjugado y

base conjugada: la pérdida de un protón por parte de un ácido de Brönsted-Lowry

origina la formación de la correspondiente base de Brönsted-Lowry, la cual se

denomina la base conjugada del ácido que la generó.

ACTIVIDAD # 2: Establezca las reacciones del Al (OH)3(H2O)3 con una base fuerte

y con un ácido fuerte. ¿Qué concluye respecto a la naturaleza de esta sustancia?

Realice las mismas reacciones para el Fe(OH)3(H2O)3 y compárelas con las del

aluminio.

¡Discuta sus resultados con el tutor!

43



De manera análoga, la adición de un protón a cualquier base de Brönsted-Lowry

origina la formación del ácido conjugado de la base que lo generó.

En este aparte, además de las definiciones anteriores se retoma el concepto de

acidez y basicidad basado en los estudios de Svante Arrhenius sobre los

electrolitos, que establece que una sustancia es ácida cuando en una solución

acuosa se ioniza para formar o liberar iones H+ (protones), y una sustancia es

básica cuando en una solución acuosa se ioniza para formar o liberar iones

hidroxilo, (OH)-.

3.2.1. Concepto de pH:

Este concepto se utiliza para expresar la acidez o la basicidad de una solución, sin

necesidad de utilizar todo el tiempo los valores de concentración del H+ y del OH-

en términos de exponentes negativos en base 10.

El pH se define como:

pH = - log [H+]

Es el logaritmo negativo de la concentración de iones H+, en moles/L. Por tanto:

[H+] = antilog (-pH)

De la misma manera, el pOH se define como:

pOH = - log [OH-]

Es el logaritmo negativo de la concentración de iones OH-, en moles/L.

Si a la constante de producto iónico del agua se le aplica el logaritmo negativo se

tiene:

- log Kw = pKw = 14

De donde:

pKw = pH + pOH = 14

Con base en la expresión anterior se construyó la escala de pH que va de 0 a 14.

Una solución con un pH < 7 es ácido

Una solución con pH = 7 es neutra

Una solución con pH > 7 es básica o alcalina

44



Ejercicios:

1) Calcular el pH de una solución en la cual [H+] = 6,38 x 10-5 M

pH = - log (6,38 x 10-5)

pH = - log 6,38 – log 10-5

pH = - log 6,38 – (- 5)

pH = - 0,805 + 5

pH = 4,195

2) Una solución a 25°C tiene pH 3,89. Calcular [OH-].

[H+] = 10-pH

[H+] = 10-3,89

[H+] = 1,3 x 10-4

[H+] [OH-] = Kw = 1 x 10-14

Kw 1 x 10-14 [OH-] = = [H+] 1,3 x 10-4 [OH-] = 7,7 x 10-11 M 3.2.2. pH de ácidos y bases fuertes

En las soluciones de ácidos fuertes, como el HCl, o de bases fuertes, como el

NaOH, se asume que la ionización es completa y se representa mediante las

siguientes reacciones:

HCl H+ + Cl-

NaOH Na+ + OH-

En estos casos la concentración de iones H+ o de iones OH-, según la sustancia

sea un ácido o una base, es igual a la concentración inicial de la respectiva

sustancia, y con base en ese valor se puede calcular el pH o el pOH.

Ejercicios:

1) Calcular el pH de una solución de HCl 1,0 x 10-2 M

45



pH = - log [1,0 x 10-2] = 2,0

2) Calcular el pH de una solución de KOH 5,0 x 10-3 M

Kw 1,0 x 10-14 [H+] = = [OH-] 5,0 x 10-3 [H+] = 2,0 x 10-12 M

pH = - log [2,0 x 10-12] = 11,7

Sin embargo, cuando la solución que contiene el ácido o la base fuerte es muy

diluida, esto es < 10-7, se debe tener en cuenta la autoprotólisis del agua.

Ejercicio:

3) Calcular el pH de una solución de HCl 1,0 x 10-8 M

Para resolver este problema se debe considerar:

o La contribución de los iones H+ procedentes de la ionización del agua.

o La electro neutralidad de la solución, esto es, que el número de iones

positivos debe ser igual al número iones negativos:

[H+] = [OH-] + [Cl-]

En la solución de HCl 1,0 x 10-8 M: [Cl-] = 1,0 x 10-8 M y si [H+] = x

[OH-] = [H+] - [Cl-]

[OH-] = x - 1,0 x 10-8

Por otra parte:

[H+] [OH-] = Kw

x (x - 1,0 x 10-8) = 1,0 x 10-14

x2 - 1,0 x 10-8x - 1,0 x 10-14 = 0

Despejando la ecuación de segundo grado se obtiene:

x = 1,05 x 10-7 M ó – 9,5 x 10-8 M

46



Debido a que una concentración no puede ser negativa, se rechaza el valor

negativo y entonces,

pH = - log x = - log [1,05 x 10-7] = 6,98

3.2.3. pH de ácidos y bases débiles

Un ácido o una base débil no se ionizan completamente en una solución acuosa. Por lo tanto, la concentración de iones H+ o de iones OH- es siempre menor que la concentración original del respectivo ácido o base. En estos casos se establece un equilibrio entre las formas iónicas y la forma molecular de las sustancias. Para un ácido débil, la representación general de la ecuación de equilibrio es:

HA H+ + A-

La constante de equilibrio o de ionización se representa con el símbolo Ka

[H+] [A-] Ka =

[HA]

Para una base débil, la representación general de la ecuación de equilibrio es:

B + H2O (l) BH+ + OH-

La constante de equilibrio o de ionización se representa con el símbolo Kb

[BH+] [OH-] Kb =

[B]

Ejercicio: 1) Para una solución 0,18 M del ácido fórmico, se requiere determinar el pH. La Ka de ácido fórmico es 1,76 x 10-4 Se plantea primero la ecuación de equilibrio químico y Ka:

HCHO2 H+ + (CHO2)-

[H+] [(CHO2)

-] Ka = = 1,76 x 10-4

[HCHO2]

47



Toda la información anterior la podemos sintetizar en la tabla siguiente:

HCHO2 H+ (CHO2)

-

Moles / L = M

Estado inicial 0,18 0 0

Cambio durante la

reacción -x +x +x

Estado de

equilibrio 0,18-x x x

x2

1,76 x 10-4 = 0,18 - x En el término 0,18 – x, el valor de x es mínimo comparado con 0,18, por lo cual se puede obviar. Entonces: x2

1,76 x 10-4 = 0,18 31,7 x 10-6 = x2 5,63 x 10-3 = x corresponde a la concentración de H+ Luego: pH = - log [H+] = - log (5,63 x 10-3) = 2,25 La ionización de un ácido débil se describe generalmente mediante el grado de ionización, el cual se representa con el símbolo α, y corresponde a la fracción del ácido, inicialmente presente, que se ioniza. Matemáticamente es la relación entre el número de moles / L que se ioniza respecto a la concentración (c) inicial del ácido: [A-] 5, 63 x 10-3 α = = = 3,13 x 10-2 ó 3,13% c 0,18

Actividad # 3: Calcule el pH de una solución 0,10 M de amoníaco (NH3) que es

una base débil. Kb del amoníaco = 1,77 x 10-5

Respuesta: pH = 11,12

¡Desarrolle paso a paso el ejercicio y solicítele retroalimentación al tutor!

48



3.2.4. Equilibrios ácido- base en sistemas ambientales

Desde el punto de vista ambiental, el sistema CaCO3, CO2 y H2O constituye un

caso importante en el cual están involucrados equilibrios ácido-base.

En un sistema acuoso natural la presencia del CO2 tiene origen atmosférico y

también proviene de los procesos metabólicos de los seres vivos. Cuando el

sistema acuoso, con CO2 disuelto, entra en contacto con el suelo en el cual hay

presencia de CaCO3, contenido en piedras calizas, se establecen diversos

equilibrios químicos.

Si se considera en primera instancia el equilibrio entre el CO2 y el H2O se tiene:

CO2 (g) + H2O H2CO3 K1

H2CO3 HCO3- + H+ K2

HCO3- CO3

2- + H+ K3

Donde:

[H2CO3] K1 = PCO2

[HCO3-] [H+]

K2 = [H2CO3]

[CO32-] [H+]

K3 = [HCO3

-]

El CO2 disuelto en agua es, por tanto, una mezcla de tres especies químicas: una

neutra y dos tipos de iones, el bicarbonato y el carbonato.

[H2CO3] = K1 PCO2 (1.11)

[HCO3-] = K2 K1 PCO2 / [H

+] (1.12)

[CO32-] = K3 K2 K1 PCO2 / [H

+]2 (1.13)

49



Las concentraciones de estas especies están relacionadas entre sí y con el pH.

Las variaciones de las concentraciones de estas especies con respecto al pH se

presentan en la Figura 9.

Si ahora se considera, adicionalmente, la presencia del carbonato de calcio, se

tiene:

CaCO3 (s) + H2CO3 Ca++ + 2HCO3- (1.14) K4

El H2CO3 expresa el CO2 disuelto en agua.

Figura 9. Variación con el pH de las especies químicas de C en soluciones

acuosas a 25°C8

[Ca++] [HCO3-]2

K4 = [H2CO3]

Se presenta aquí una especie química adicional, los iones Ca++ cuya

concentración está determinada tanto por el producto de solubilidad del carbonato

de calcio como por su concentración en el equilibrio (1.14).

8 Adaptada de: BOLT, G. H y BRUGGENWERT, M. G. M. Soil Chemistry A. Basic Elements.

Amsterdam: Elsevier, 1978. p. 101.

50



En relación con el producto de solubilidad del carbonato de calcio, se tiene:

CaCO3 (s) Ca++ + CO32- Kps

Kps = [Ca++] [CO32-] = [Ca++]2 = [CO3

2-]2

Luego:

K2Kps K4 = K3 (1.15)

Por la estequiometria de (1.14) se puede establecer que [HCO3-] = 2 [Ca++] y por la

ecuación (1.11) se sabe que [H2CO3] = K1 PCO2, luego:

[Ca++] (2[Ca++])2

K4 = K1 PCO2 (1.16)

Se puede hallar, entonces, la concentración del ión calcio, es decir, su solubilidad

(s) en la solución acuosa, a partir de (1.15) y (1.16):

[Ca++] = s = ∛ (K2KpsK1 PCO2 /4K3)

Es así como el equilibrio expresado en (1.14) determina parámetros del agua en

los sistemas naturales, tales como pH y dureza.

ACTIVIDAD # 4: Compruebe la veracidad de las expresiones:

K4 = (K2Kps) /K3

y

[Ca++] = s = ∛ (K2KpsK1 PCO2 /4K3)

¡Discuta sus respuestas con el tutor!

51



Los tres compartimentos ambientales aire, agua y suelo intervienen en los

equilibrios estudiados, dando lugar a condiciones particulares que determinan el

comportamiento de las especies químicas CO2 – HCO3- - CO3

2- (ver Figura 10.

Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 – HCO3- - CO3

2-).

CO2

AIRE

H2CO3 HCO3 + H+

CaCO3 (s) + H2CO3 Ca++ + 2HCO3-

AGUA

SUELO Caliza CaCO3

Figura 10. Compartimentos ambientales y equilibrios del sistema CO2 –

HCO3- - CO3

2-)9

9 Elaborada por María del Pilar Triana Novoa

ACTIVIDAD # 5: Determine si la [Ca++] presente en un cuerpo de agua, a 20°C,

varía cuando la presión de CO2 presente en el aire pasa de 3,7 x 10-4 atmósferas a

3,7 x 10-3atmósferas. Justifique su conclusión.

¡Discuta su respuesta con el tutor!

52



3.3. Reacciones de oxidación-reducción

De forma similar a los equilibrios ácido-base, en los sistemas acuosos se

presentan equilibrios entre especies químicas oxidadas y especies químicas

reducidas. Este equilibrio se expresa como:

Ox + ne- + mH+ Red + m/2 H2O

Donde:

Ox = especie oxidada

Red = especie reducida

n = número de electrones

La constante de equilibrio para esta reacción es:

Red K = Ox (e-)n (H+) m (1.17)

Donde (e-) se denomina disponibilidad electrónica, potencial de electrodo y

actividad electrónica. La actividad electrónica no tiene relación con la actividad de

los iones en solución porque la concentración de los electrones libres en solución

muy pequeña.

3.3.1. El potencial de electrodo

El potencial de electrodo se denomina con el símbolo Eh, y es por definición un

potencial de reducción, mientras que la actividad electrónica se asocia con pe. La

ecuación (1.17) se puede transformar en la ecuación de Nernst:

RT Red 0,059 Red 0,059 Eh – Eh° = log = - log - pH nF (Ox) (H+) m n Ox n/m (1.18)

Donde:

Eh° = potencial estándar del electrodo

R = constante de los gases.

53



T = temperatura absoluta

F = constante de Faraday; 1F = 96.500 C/mol e- = 96.500 J/V-mol e-

0,059 = cociente de las constantes a 25°C

El potencial estándar debe definirse en términos de un estado de referencia

arbitrario, porque como en el caso de la energía libre, no se puede definir el

potencial absoluto. El Eh° se relaciona con la energía libre estándar de Gibbs

mediante la siguiente igualdad:

G° = - nFEh° = - 96,48 nEh°

Donde G° se expresa en julios.

El potencial estándar corresponde a aquel en el cual los reactivos y productos

están en su estado normal. El estado normal de una sustancia es un estado

referencial que permite obtener valores relativos de cantidades termodinámicas

como la energía libre. A todas las sustancias se les asigna una actividad unitaria

en su estado normal.

Para los gases, el estado normal tiene las propiedades de un gas ideal, a una

atmósfera de presión. Para solutos en solución diluida corresponde a un estado en

que el soluto tiene las propiedades de un soluto diluido infinitamente a una

concentración igual a la unidad (molalidad o fracción molar)10.

Por convención a la semireacción del hidrógeno se le ha asignado un valor de

potencial estándar igual a 0 voltios a cualquier temperatura.

2H+ (ac) + 2e- H2 (g) Eh° = 0 V

La Tabla 3 muestra los potenciales estándar de electrodo (potenciales de

reducción) de las semireacciones de varios elementos. Los potenciales altos

indican que el estado oxidado está disponible y acepta electrones fácilmente.

10 SKOOG, Douglas et al. Fundamentos de química analítica. México: Editorial Thomson, 2005.

p.506-515.

54



Tabla 3. Potenciales estándar de electrodo (potenciales de reducción) de

algunas semi-reacciones, a 25°C11

Reacción Eh° (V)

3.3.2. La disponibilidad o actividad electrónica

El potencial de electrodo pe es una expresión alternativa de la disponibilidad

electrónica. A partir de la ecuación (1.17) se tiene:

pe + pH = log K – log (Red) + log (Ox)

11 BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons, 2001. p. 113.

55



Cuando n = m

La suma de pe y pH tiene la ventaja de que puede usarse como uno de los ejes de

una gráfica de dos dimensiones, mientras que las concentraciones (o las

actividades) de las especies reducidas y oxidadas estarían en el otro eje. La suma

de pe y pH también tiene sentido desde el punto de vista matemático debido a que

el intervalo numérico del pe y del pH es similar. Cada uno tiene aproximadamente

igual peso en la suma, en concordancia con su importancia compartida en el

equilibrio.

La suma de pe y pH, sin embargo, implica que ambos estén en el equilibrio, y esto

es poco frecuente en el caso del pe. No obstante, los diagramas de pe + pH

pueden ejemplificar una gran cantidad de datos termodinámicos y proporcionar

una representación del comportamiento de los elementos químicos en la

naturaleza.

A 25°C, pe = 0,059 Eh.

El rango de los potenciales electrónicos, en los sistemas que contienen agua, está

limitado por la estabilidad del agua respecto a la oxidación y la reducción.

Los potenciales electrónicos altos pueden oxidar el agua a O2.Los potenciales

electrónicos bajos pueden reducir el agua a H2. Si una solución contiene un agente

oxidante como el Cl2 con un potencial de electrodo mayor que el del par H2O-O2, o

semi-reacción, el agente oxidante puede oxidar el agua a O2:

½ O2 + 2e- + 2 H+ H2O (1.19)

En contraste, los agentes reductores fuertes pueden reducir el agua a H2.

2H+ + 2 e- H2 (1.20)

El ión H+ se reduce antes que el H2O, pero el H+ está presente siempre en

soluciones acuosas porque el agua se disocia. El par H+ - H2 es el límite más bajo

del potencial de electrodo en sistemas acuosos y en suelos.

Sustituyendo en la ecuación de Nernst se obtiene la siguiente expresión para el

límite superior de las condiciones oxidantes en agua y en suelos:

0,059 1 Eh = Eh° - log - 0,059 pH

4 PO2

56



Para el límite inferior se obtiene:

0,059 1 Eh = Eh° - log - 0,059 pH

4 PH2 Donde PO2 y PH2 son las presiones parciales de los gases oxígeno e hidrógeno.

Los gases son esencialmente ideales a presiones bajas, y así la presión parcial y

la actividad son iguales. El Eh depende del pH y de la concentración de gas pero

únicamente cambia 15 mV por un cambio de diez veces en PO2 y 30 mV por un

cambio de diez veces en PH2.

Los límites Eh del agua, y por tanto del suelo y de los sistemas biológicos se

representan en la Figura 11 a una presión parcial de 1 atm de O2 y H2. El agua es

estable entre las dos líneas. El O2 es estable en condiciones oxidantes y

potenciales de electrodo por encima de la línea superior. El H2 es estable a

potenciales por debajo de la línea inferior.

La ecuación (1.17) se puede transformar en:

(H2O)1/2 K = y (H+) (e-) (PO2)

1/4 pe + pH = 20,78 + ¼ log PO2

Los valores de pe + pH varían desde 20,78 a condiciones altamente oxidantes a

pO2 = 1 y pH = 0, hasta pe + pH = 0 a condiciones altamente reductoras cuando

pH2 = 1 (ver Figura 11)

57



Figura 11. Rango de condiciones oxidantes en sistemas acuosos12

Como ya se ha mencionado, las consideraciones anteriores suponen un estado de

equilibrio del sistema. Sin embargo, es importante tener presente que en un

sistema acuoso natural, una laguna, por ejemplo, las condiciones de oxidación-

reducción varían entre las zonas superficiales que están en contacto con el

oxígeno atmosférico y las zonas más profundas.

Adicionalmente, en estos sistemas las reacciones de oxidación-reducción son

relativamente lentas y, en la mayoría de los casos, son catalizadas por

12 Figura adaptada de: Ibíd., p.119.

58



microorganismos. Por esto, las concentraciones de los agentes oxidantes y los

reductores difícilmente se encuentran en equilibrio y las reacciones se dan de

manera particular, a diferentes niveles del sistema.

De todas maneras, las expresiones matemáticas de Eh y las relaciones Eh-pH son

una buena aproximación que permite entender las tendencias de los sistemas

acuosos naturales, las actividades biológicas y los problemas de contaminación

que se dan en ellos, los cuales involucran, en un gran porcentaje, reacciones de

oxidación-reducción.

Los principales agentes oxidantes en el agua son: oxígeno, nitratos, sulfatos,

dióxido de carbono, dióxido de manganeso e hidróxido de hierro (III).

Los principales agentes reductores en el agua son: la materia orgánica y el ión

amonio.

Mediante un diagrama pe + pH en función del pH se pueden distinguir las

diferentes zonas de un sistema acuoso natural y la presencia de los principales

agentes oxidantes y agentes reductores. En la Figura 12 se observan las

siguientes zonas principales:

59



Figura 12. Zonas y agentes oxidantes y reductores en un sistema acuoso13

13 Adaptada de: OROZCO, C. et al. Contaminación ambiental. Una visión desde la química. Madrid:

Thomson Editores, 2003. p. 53.

60



o Por encima de pe + pH = 20,78 se presenta una zona de procesos

aerobios, altamente oxidante, con desprendimiento de oxígeno.

o El área comprendida aproximadamente entre la línea punteada a, a lo largo

de todo el rango de pH, y la línea que delimita el valor de pe + pH = 20,78

también corresponde a una zona de procesos aerobios, con valores de pe

altos y presencia predominante de oxígeno disuelto en el agua, que actúa

como agente oxidante.

o El área comprendida aproximadamente entre la línea punteada a, a lo largo

de todo el rango de pH, y la línea punteada b, corresponde a una zona de

procesos anóxicos (en ausencia de oxígeno), en la cual se siguen

presentando reacciones de oxidación, pero debido a agentes oxidantes de

menor fuerza que el oxígeno, como son los iones nitrato, NO3- y los iones

sulfato, SO42-.

o El área por debajo de la línea punteada b, a lo largo de todo el rango de pH,

corresponde a una zona de procesos anaeróbicos con valores de pe bajos,

donde el medio acuoso es reductor.

o Por debajo de la línea que delimita el valor de pe + pH = 0 también

corresponde a una zona de procesos anaerobios, altamente reductora, con

desprendimiento de hidrógeno.

En la figura también se observan los diferentes agentes oxidantes y

reductores ubicados aproximadamente de acuerdo al valor de pH en el cual

hacen presencia predominante.

Otro aspecto importante de las relaciones pe y pH en sistemas acuosos es que

permiten un cálculo aproximados de la relación entre la forma oxidada y la

forma reducida de una compuesto químico, en el equilibrio.

Ejercicio:

Si se considera la presencia del elemento hierro en un sistema acuoso, se

presentará el siguiente equilibrio:

Fe3+ + e- Fe2+

Se tiene para este equilibrio, pe° = 13,2

61



Luego:

[Fe2+] pe = 13,2 – log

[Fe3+]

Si ahora, se considera el agua en condiciones anaerobias con un valor de pe

= - 3, se tiene:

[Fe2+] -3 = 13,2 – log

[Fe3+] [Fe2+] 16,2 = log [Fe3+] [Fe2+] = 1,58 x 1016

[Fe3+] El valor de la relación (>>> 1) indica que en estas condiciones la especie química

predominante será el ión Fe2+.

Teniendo en cuenta las condiciones anaerobias y la relación pe + pH = 0, se sabe

que pe = - pH. Luego para las condiciones anteriores se tiene la presencia del ión

Fe2+ en condiciones ácidas, alrededor de un valor de pH = 3. Sin embargo, si se

toma como referencia la figura 12 se observa, que en las mismas condiciones

anaeróbicas pero a condiciones neutras o alcalinas el elemento estará en forma

de Fe (OH)2 precipitado.

Otra situación es considerar condiciones aerobias y un pe = 13,52. En este caso,

se tiene:

[Fe2+] 13,52 = 13,2 – log

[Fe3+]

[Fe2+] -0,32 = log [Fe3+]

62



[Fe2+] = 0,48

[Fe3+]

El valor de la relación (<<<1) indica que en estas condiciones la especie química

predominante será el ión Fe3+.

Teniendo en cuenta las condiciones aerobias y la relación pe + pH = 20,78 se

sabe que pH = 20,78 – pe = 7,26. Luego para las condiciones anteriores se tiene

la presencia del Fe oxidado en forma de Fe (OH)3 precipitado, porque se

encuentra en condiciones alrededor de la neutralidad. Sin embargo, si se toma

como referencia la figura 12 se observa, que en las mismas condiciones aeróbicas

pero a condiciones ácidas el elemento estará en forma de ión Fe3+.

3.4. Reacciones de formación de complejos

Las especies químicas que tienen estructuras constituidas por un ión metálico

central enlazado a un grupo de moléculas o iones circundantes se denominan

complejos metálicos o simplemente complejos. Los compuestos que contienen

complejos se conocen como compuestos de coordinación.

Las moléculas o iones alrededor del ión metálico se conocen como agentes

complejantes o ligandos, los cuales generalmente son o aniones o moléculas

polares que tienen al menos un par de electrones de valencia no compartidos.

Entre las moléculas están el agua (H2O) y el amoníaco (NH3).

Ejemplo de complejo14:

14 Tomado y adaptado de: http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/metales-transicion

+++ Ión metálico

mmetálicome

tálico

Ligandos

http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/metales-transicion

63



En los sistemas acuosos naturales, además de las moléculas antes mencionadas,

se presentan otros ligandos importantes de naturaleza inorgánica como son los

iones OH- y X- y de naturaleza orgánica con los siguientes grupos funcionales

principales: RCOO-, RO-, RNH2 y ROPO32-.

En estos sistemas los ligandos provienen con frecuencia de contaminación por

detergentes o por residuos de procesos de galvanización.

Las reacciones de formación de complejos caracterizan ciertos tipos de

contaminación y, por otra parte, son determinantes en el tratamiento de aguas. Al

respecto, los siguientes aspectos son de interés especial:

1) Los agentes complejantes presentes en los sistemas acuosos pueden

ocasionar que algunos metales pesados, que inicialmente pueden precipitar

en forma de hidróxidos o carbonatos poco solubles, se vuelvan a solubilizar

o se movilicen mediante la formación de complejos muy estables.

2) La formación de compuestos de coordinación explica la interrelación entre

los problemas de contaminación por metales pesados y de contaminación

por agentes complejantes.

3) La formación de complejos entre iones metálicos y agentes complejantes

posibilita el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados

mediante la utilización de resinas quelatantes.

4) Las reacciones de formación de complejos influyen en otras reacciones

como las de precipitación, oxidación o floculación utilizadas en tratamientos

de aguas para la eliminación de metales pesados y materiales coloidales.

Ejercicio:

La reacción de formación global del complejo zinc-tetraamina se representa con el

siguiente equilibrio:

Zn++ + 4 NH3 Zn(NH3)4++

Cada molécula de amonio le dona un par de electrones al ión zinc y se forma un

enlace covalente entre las dos especies químicas.

Esta reacción de formación de complejos realmente ocurre de una manera paso a

paso de acuerdo con los siguientes equilibrios:

Zn++ + NH3 Zn(NH3)++

64



Zn(NH3)++ + NH3 Zn(NH3)2

++

Zn(NH3)2++ + NH3 Zn(NH3)3

++

Zn(NH3)3++ + NH3 Zn(NH3)4

++

Estas ecuaciones representan la formación de la monoamina, diamina, triamina y

tetraamina del complejo de zinc, respectivamente.

Constante de formación paso por paso

Cada equilibrio tiene asociada una constante, Kn, donde para este ejemplo el

subíndice n toma un valor para indicar el número de ligandos amoníaco

adicionados a un complejo que contiene n-1 moléculas de amoníaco.

Las respectivas constantes de formación para el complejo son:

[Zn(NH3)++]

K1 =

[Zn++] [NH3]

[Zn(NH3)2++]

K2 =

[Zn(NH3)++] [NH3]

[Zn(NH3)3++]

K3 =

[Zn(NH3)2++] [NH3]

[Zn(NH3)4++]

K4 =

[Zn(NH3)3++] [NH3]

Constante de formación global

También se utiliza esta otra clase de constantes de equilibrio que corresponde a

las reacciones globales. Para el ejemplo se tiene:

Zn++ + NH3 Zn(NH3)++

Zn++ + 2 NH3 Zn(NH3)2++

Zn++ + 3 NH3 Zn(NH3)3++

65



Zn++ + 4 NH3 Zn(NH3)4++

Para las respectivas constantes de equilibrio se utiliza el símbolo βn, donde el

subíndice n representa el número total de ligandos adicionados al ión zinc.

[Zn(NH3)++]

β1 =

[Zn++] [NH3]

[Zn(NH3)2++]

β2 =

[Zn++] [NH3]2

[Zn(NH3)3++]

β3 =

[Zn++] [NH3]3

[Zn(NH3)4++]

β4 =

[Zn++] [NH3]4

Se observa claramente que existe una relación entre las constantes, K y las

constantes, β. A partir de dicha relación se ha establecido lo siguiente:

β1 = K1

β2 = K1 K2

β3 = K1 K2 K3

β4 = K1 K2 K3 K4

En la práctica, los valores de las constantes, K, de un determinado complejo,

pueden utilizarse para hallar las concentraciones molares de cada una de las

especies químicas presentes en el equilibrio.

Ejercicio:

Para el complejo zinc-tetra amina se conoce que K1 = 186, K2 = 219, K3 = 251 y K4

= 112.

66



Se requiere conocer las concentraciones molares, en el equilibrio, de cada una de

las especies, Zn(NH3)++, Zn(NH3)2

++, Zn(NH3)3++ y Zn(NH3)4

++, sabiendo que las

concentraciones en el equilibrio del amoníaco y el Zn++ son respectivamente

0,0100 y 0, 00100 M.

Los valores se calculan de la siguiente manera:

Para la especie Zn(NH3)++, con base en la expresión de la constante β1, se puede

encontrar que:

[Zn(NH3)++] = β1 [Zn++] [NH3]

[Zn(NH3)++] = 186 (1,00 x 10-3) (1,00 x 10-2)

[Zn(NH3)++] = 1,86 x 10-3 M

Para las demás especies se sigue un procedimiento igual usando, según

corresponda, las expresiones de las constantes β2, β3 y β4 y hallando los valores

de cada constante, β, en función de su respectiva relación con las constantes K.

3.5. Reacciones de precipitación

El estudio del equilibrio en reacciones de precipitación tiene relación con el concepto de solubilidad, y se presenta en sales que se conocen como “insolubles” pero que en realidad poseen una muy ligera pero medible solubilidad en agua.

3.5.1. Producto de solubilidad

El equilibrio de este tipo de reacciones se puede representar de manera general de la manera siguiente:

ACTIVIDAD # 6: Para el ejemplo anterior halle las concentraciones de las

especies restantes.

Respuestas: [Zn(NH3)2++] = 4,08 x 10-3 M

[Zn(NH3)3++] = 1,02 x 10-2 M

[Zn(NH3)4++] = 1,15 x 10-2 M

¡Desarrolle paso a paso el ejercicio y verifique que encuentra los valores

correctos!

67



MX(s) M+ + X-

Sal “insoluble” catión anión

La constante de equilibrio para esta reacción es:

Kc = [M+] [X-] = Kps

La sal como es un sólido puro se omite en la expresión de equilibrio. Para este tipo de reacciones la constante se denomina constante del producto de solubilidad o simplemente producto de solubilidad y se representa con el símbolo Kps.

Cuando se establece este equilibrio la solución está saturada y el producto de solubilidad corresponde al producto de las concentraciones del catión y el anión en la solución saturada.

Las concentraciones individuales del catión y del anión pueden modificarse añadiendo sales solubles, pero el producto de solubilidad, a una determinada temperatura, permanece constante.

A continuación se presentan las reacciones y expresiones de equilibrio de algunas

sales “insolubles”, y en la Tabla 4 aparecen los valores del producto de solubilidad:

AgCl(s) Ag+ (acu) + Cl- (acu) Ksp = [Ag+] [Cl-]

Al(OH)3(s) Al3+ (acu) + 3OH- (acu) Ksp = [Al3+] [OH-]3

Ca3(PO4)2(s) 3Ca2+ (acu) + 2(PO4)3- (acu) Ksp = [Ca2+]3 [PO4

-3]2

CaCO3(s) Ca2+ (acu) + CO32- (acu) Ksp = [Ca2+] [CO3

2-]

FeS(s) Fe2+ (acu) + S2-(acu) Ksp = [Fe2+] [S2-]

BaSO4(s) Ba2+ (acu) + SO42- (acu) Ksp = [Ba2+] [SO4

2-]

68



Tabla 4. Productos de solubilidad, en agua, a 25°C, de algunas sales

El producto de solubilidad se puede utilizar para determinar si es posible o no es

posible precipitar una sal cuando los iones tienen una concentración determinada.

Para esto los valores de concentración de los iones se sustituyen en la expresión

de equilibrio (Kps) y se determina Q (cociente de la reacción).

Existen tres situaciones posibles de valores de Q frente a los valores de Ksp:

1) Q < Ksp, la solución no está saturada

2) Q > Ksp, la solución está sobresaturada

3) Q = Ksp, la solución está saturada

Únicamente para las situaciones 2 y 3 es posible la precipitación de la sal.

Ejercicio: Se quiere determinar si el sulfato de bario (BaSO4) precipitará en una

solución que contiene cloruro de bario (BaCl2) 0,005 M y sulfato de sodio (Na2SO4)

0,010 M.

La reacción es:

BaSO4(s) Ba2+ + SO42-

Kps = 1,08 x 10-10

Según los datos del problema las concentraciones iniciales son:

[Ba] = 0,005 M

[SO4] = 0,010 M

69



Q = [Ba] [SO4]

Q = [0,005] [0,010] = 5 x 10-5

Q > Kps, luego el sulfato de bario puede precipitar en esta solución

3.5.2. Solubilidad y producto de solubilidad

La solubilidad y el producto de solubilidad no se deben confundir. La solubilidad de

una sal es la cantidad máxima de la sal que se puede disolver en una cantidad

determinada de solvente y a una temperatura específica. La presencia de otras

sustancias puede afectar la solubilidad; el producto de solubilidad por ser una

constante de equilibrio depende únicamente de la temperatura.

De todas maneras, existe una relación entre solubilidad y producto de solubilidad,

si se conoce el valor de uno de estos parámetros, se puede calcular el otro.

Por ejemplo, con base en el valor del producto de solubilidad del cloruro de plata,

AgCl, se puede calcular la solubilidad de esta sal en agua pura y en una solución

de NaCl a una concentración determinada.

Según la Tabla 4, el Kps del AgCl es 1,74 x 10-10. Luego:

AgCl(s) Ag+ + Cl-

Ksp = [Ag+] [Cl-]

1,74 x 10-10 = [Ag+] [Cl-], a 25°C.

Donde la concentración de los iones plata es igual a la de los iones cloruro. Si

denominamos esta concentración con la letra x, se tiene:

1,74 x 10-10 = x. x

1,74 x 10-10 = x2

1,32 x 10-5 = x

Entonces, 1,32 x 10-5 moles / L, es la solubilidad del AgCl en agua a 25°C.

Si ahora en lugar de agua pura, se considera una solución acuosa de NaCl al

0,015 M, la solubilidad del AgCl en esta solución será:

AgCl(s) Ag+ + Cl-

x + 0,015 + x

70



y,

1,74 x 10-10 = x (0,015 + x)

Considerando que la mayor contribución de iones cloruro proviene del NaCl el

término (0,015 + x), se puede aproximar a 0,015. Entonces:

1,74 x 10-10 = x (0,015)

1,16 x 10-8 = x

Luego 1,16 x 10-8 moles / L, es la solubilidad del AgCl en una solución acuosa de

NaCl al 0,015 M. Solubilidad que es mucho menor que la encontrada para agua

pura.

El fenómeno anterior se conoce como el efecto del ión común porque el

descenso en la solubilidad se origina por la adición de una sal que contiene un ión

común con la sal “insoluble”.

Las reacciones de precipitación-solubilización tienen aplicación y son importantes

en los tratamientos de aguas potables y de aguas residuales.

Lección 4: Contaminantes químicos del agua


En la lección 1 se estableció que el agua no se encuentra como sustancia

químicamente pura, sino que presenta gran cantidad de especies químicas en

forma de soluciones, suspensiones y dispersiones coloidales. Igualmente se

estableció que el agua se puede destinar a diferentes usos.

4.1. Concepto de contaminación del agua.

Con base en la composición y usos del agua se puede establecer el concepto de

contaminación del agua. Existen diversas definiciones, cuya forma más general

desde el punto de vista ambiental, significa cualquier desviación a partir de un

estado normal.

PALABRAS CLAVE: agentes contaminantes, agentes físicos, agentes químicos,

agentes biológicos, metales pesados, metales traza, compuestos orgánicos

sintéticos, bionutrientes, eutrofización.

71



Así mismo algunas organizaciones internacionales han divulgado sus definiciones,

algunas de las cuales se presentan a continuación:

C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961: “Un agua está contaminada cuando se ve

alterada en su composición o estado, directa o indirectamente, como

consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para

uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad

natural”

Carta del agua del Consejo de Europa, 1968: “La contaminación consiste en

una modificación, generalmente provocada por el hombre, de la calidad del agua,

haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la

agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales

domésticos y la vida natural”.

Organización Mundial de la Salud: “Debe considerarse que un agua está

polucionada, cuando su composición o su estado están alterados de tal modo que

ya no reúnen las condiciones a una u otra o al conjunto de utilizaciones a las que

se hubiera destinado en su estado natural”.

A partir de las anteriores definiciones se puede concluir que la contaminación del

agua se establece a partir de las siguientes premisas:

El referente es la composición natural del agua

La medición de la contaminación está relacionada con el uso al que está

destinada el agua.

El origen de la contaminación es la actividad antropogénica directa o

indirecta.

4.2. Clasificación de los contaminantes

La clasificación más difundida, y la que se considera en este texto, corresponde a

aquella que considera la naturaleza de los agentes que la producen. Existen tres

grandes grupos de agentes: físicos, químicos y biológicos.

72



La atención se centrará en los agentes químicos, pero previamente se hará una

mención corta a los otros dos tipos de agentes.

4.2.1. Agentes físicos. El calor, o contaminación térmica, afecta las propiedades

fisicoquímicas de los sistemas acuosos y en consecuencia puede inducir cambios

medio ambientales.

Este tipo de contaminación proviene del agua caliente liberada de centrales

eléctricas y procesos industriales y vertida en los sistemas acuosos después de

ser utilizada como refrigerante. Los efectos principales del calor son los siguientes:

Disminución de la solubilidad del O2. La solubilidad de los gases en H2O

disminuye con el aumento de la temperatura. La concentración de

saturación del O2 disminuye alrededor de 25% por un aumento de 10°C en

la temperatura del agua.

Incremento en la velocidad de las reacciones químicas, incluida la de los

procesos metabólicos. Se ha establecido, de forma aproximada, que la

velocidad de una reacción se duplica con un aumento de temperatura de

10°C.

Alteración de las condiciones favorables de vida para los organismos

acuáticos. Este aspecto está muy relacionado con los dos efectos

mencionados anteriormente, por lo cual algunos investigadores califican

este efecto como indirecto y de largo plazo. Algunas de las condiciones que

se ven afectadas son el intervalo de velocidades en el que los procesos

metabólicos son viables, así una mayor velocidad de respiración implica

una mayor didsponibilidad de oxígeno, lo cual no se favorece con el

aumento de temperatura del agua. Igualmente, con una mayor velocidad de

bombeo de agua por las branquias de los organismos se favorece la

exposición a sustancias tóxicas disueltas y, en consecuencia, se disminuye

el tiempo de vida. Otro efecto es la variación en la cantidad y calidad del

73



alimento de los organismos: a temperaturas entre 30-35°C se favorece el

crecimiento de algas verdeazuladas mientras que se disminuye el de las

algas verdes y las diatomeas que constituyen el alimento de los organismos

autóctonos; esta situación, en el largo plazo, conduce a la extinción de esos

organismos.

4.2.2. Agentes biológicos

La contaminación de los cuerpos de agua por organismos tales como bacterias,

virus y protozoarios tiene origen en las descargas que contienen desechos de

personas infectadas y en las de lodos de procesos biológicos de tratamientos de

agua.

Las enfermedades más comunes producidas por estos microorganismos son la

tifoidea, el cólera, la disentería, hepatitis infecciosa y amibiasis.

4.2.3. Agentes químicos

Estos agentes se pueden a su vez subdividir en tres grandes grupos:

74



4.2.3.1. Inorgánicos

La presencia de contaminantes en los sistemas acuosos en forma de sales, ácidos

y metales tiene los siguientes efectos principales, incremento de la acidez, la

salinidad y la toxicidad.

A continuación se presentan las fuentes y características principales de algunos

de estos contaminantes inorgánicos.

Anión cianuro. En agua el CN- da lugar a la reacción de hidrólisis, formándose el

HCN que es un ácido débil, volátil. Se establece el siguiente equilibrio:

CN- + H2O HCN (g) + OH- Kb = 1,7 x 10-5

Tanto el CN- como el HCN son compuestos altamente tóxicos debido a que se

enlazan a la enzima ferricitocromo oxidasa, la cual cataliza el proceso de

fosforilación oxidativa que impide el suministro de O2 a las células y,

consecuentemente, se detienen sus procesos metabólicos.

El CN- se utiliza en electrodeposición, extracción de oro, limpieza de metales y es

un subproducto de las fábricas de coque y de gas. La quema de biomasa es una

de las fuentes principales de HCN. Las emisiones gaseosas y de cenizas con

cianuro pueden llegar a los cuerpos de agua por difusión, deposiciones seca y

húmeda y transporte desde largas distancias.

Anión fluoruro. En cuerpos de agua dulce no contaminados su concentración varía

entre 0,01-0,3 mg/L y en sistemas marinos entre 1,2-1,5 mg/L. Sin embargo, estos

valores se pueden aumentar de 10 a 100 veces debido a actividades

antropogénicas tales como la adición de fluoruros al agua potable, descargas de

fábricas de abonos, factorías de aluminio, industrias cerámicas y, además la

erosión de depósitos minerales.

El fluoruro es tóxico para las algas, plantas acuáticas, invertebrados y peces en

los sistemas de agua dulce y marinos. Los organismos que se ven más afectados

son los que viven en aguas blandas debido a que la biodisponibilidad del ión

fluoruro disminuye con la dureza de las aguas.

Metales.

Desde el punto de vista de la química los metales se pueden agrupar en dos

subcategorías: los livianos y los de transición.

75



Los metales livianos tienen una densidad baja, son químicamente muy reactivos y

no sirven como materiales estructurales. A esta subcategoría pertenecen los

grupos 1A y 2A.

Los metales de transición tienen dureza elevada, una densidad alta, por lo cual

también se les denomina metales pesados (con densidad alrededor de cinco

veces mayor que la del agua), no reaccionan fácilmente, comparativamente con

los livianos) y son útiles como materiales estructurales. A esta subcategoría

pertenecen los grupos localizados hacia el centro de la tabla periódica con la letra

B.

Con el fin de tener claridad respecto a los resultados e interpretaciones respecto a

trabajos sobre contaminación por agentes químicos, es útil conocer algunos de los

términos comúnmente utilizados para referirse a los metales.

En estudios ambientales se ha generalizado, erróneamente, la utilización del

término metales pesados para referirse a la contaminación por metales, sin

distinguir entre las subcategorías. Por otra parte, se utiliza el término metal traza

para indicar la abundancia natural en la corteza terrestre, la cual para esta

categoría se ha establecido como igual o menor al 0,1% (1000 mg/kg).

Los metales traza son importantes desde el punto de vista de contaminación

ambiental debido a sus efectos sobre los organismos vivos. En la Figura 13. se

presentan los metales que se consideran traza.

76



Figura 13. Abundancia de metales traza en la corteza terrestre15

Los metales traza participan en los ciclos naturales que van desde las rocas al

suelo, de ahí a los organismos vivos, al agua y a los sedimentos y, luego,

nuevamente a las rocas. En consecuencia, es de esperar que se encuentren

concentraciones naturales muy bajas de estos metales en los alimentos y el agua

potable y que, por tanto, los organismos vivos estén expuestos a ellos; más aún,

los organismos vivos requieren varios de estos metales para sus procesos

metabólicos, en cantidades mínimas.

Estos metales empiezan a ser contaminantes por el aumento de sus

concentraciones, como consecuencia de actividades antropogénicas tales como,

minería, industrias metalúrgicas, de pinturas, fabricación de vidrio, textiles, de

curtiembres, aplicación de abonos y refinerías.

Elementos radiactivos

15 Basada en datos publicados en “Composition of the Earth’s Crust” por Raymond L. Parker, del

U. S. Dept. of the Interior, citado por: Stoker, H. y Seager, S. Química Ambiental. Contaminación

del aire y del agua.

ACTIVIDAD # 7: profundice en el tema de contaminación por metales traza,

específicamente Pb, Hg y Cd, en el siguiente sitio web:

http://www.uhu.es/francisco.cordoba/asignaturas/postgrado/contaminantes/doc/met

ales.pdf

http://www.uhu.es/francisco.cordoba/asignaturas/postgrado/contaminantes/doc/metales.pdf

http://www.uhu.es/francisco.cordoba/asignaturas/postgrado/contaminantes/doc/metales.pdf

77



Los cuerpos de aguas naturales presentan algún grado de radiactividad

proveniente de la presencia de isótopos radiactivos naturales tales como el 40K y 87Rb. Sin embargo, las actividades antropogénicas que involucran procesos

nucleares con fines industriales y farmacológicos van en aumento, con el

consecuente incremento de la radiactividad de las aguas.

Los isótopos radiactivos solubles tienden a acumularse a lo largo de las cadenas

tróficas, por lo cual la preocupación actual gira en torno a la contaminación de los

organismos acuáticos, que pueden transferir los radioisótopos al hombre a través

de los alimentos. El hombre también puede ingerirlos a través de las aguas de

bebida. En la Tabla 5 se presentan algunos de los radioisótopos presentes en

sistemas acuosos naturales.

TABLA 5. Materiales radiactivos presentes en sistemas acuosos

RADIOISÓTOPO PROCEDENCIA

226Ra

Desintegración del 238U 210Pb

230Th

90Sr

Reactores y armas nucleares (fisión) 131I

137Cs

14C Reacción de N2 con neutrones

cósmicos

32Si Fisión nuclear del argón atmosférico

por colisión con rayos cósmicos

40K Desintegración natural

3H Acción de rayos cósmicos sobre gases

atmosféricos

4.2.3.2. Orgánicos

Bajo esta denominación se agrupan los compuestos formados principalmente de

carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos compuestos se descargan en los

78



cuerpos de agua en forma de materia orgánica, que puede ser utilizada por los

microorganismos para sintetizar nuevos compuestos, y en forma de estructuras

moleculares complejas, en un gran porcentaje sintetizadas por el hombre, difíciles

de degradar por los microorganismos y que por tanto permanecen por períodos de

tiempo largo en el agua.

En el proceso de degradación de la materia orgánica los microorganismos utilizan

el oxígeno disuelto en el cuerpo de agua y, por lo tanto, existe una relación entre

la cantidad de materia orgánica presente en el agua y la cantidad de oxígeno que

se requiere para lograr su oxidación. La cantidad de materia orgánica se

determina mediante una prueba denominada Demanda Bioquímica de Oxígeno

(DBO). Otra prueba utilizada es la Demanda Química de Oxígeno (DQO), en la

cual se utiliza un agente oxidante fuerte, como el ión dicromato (Cr2O72-), para

oxidar la materia orgánica.

Las principales fuentes de generación de contaminación por materia orgánica son

los drenajes sanitarios y las industrias alimenticias y de celulosa.

El grupo de compuestos orgánicos sintetizados se utilizan principalmente como

detergentes, como pesticidas en agricultura, para uso industrial como disolventes,

limpiadores, desengrasantes y para fabricación de plásticos. A este grupo

pertenecen también los productos derivados del petróleo.

Detergentes. Un detergente contiene diversos tipos de compuestos: surfactante,

estructurador y varios.

El surfactante es un agente humectador que disminuye la tensión superficial del

agua, lo cual facilita que ésta penetre más en el tejido textil. Además, por su

carácter dipolar sirve de puente entre las partículas de suciedad y el agua. Los

surfactantes comúnmente utilizados son los sulfonatos de alquilo lineales (SAL)

como el dodecilbencenosulfonato de sodio.

El estructurador es un agente secuestrante que se unen a los iones Ca2+ y Mg2+

presentes en el agua dura, para que no interfieran en la acción del surfactante.

79



Los estructuradores comúnmente utilizados, hasta hace un tiempo, eran los

polifosfatos, como el tripolifosfato de sodio.

Los ingredientes varios son compuestos como perfumes, enzimas, agentes anti-

redeposición y productores de brillo.

Los problemas de contaminación generados por los detergentes se relacionan con

los estructuradores que aunque se degradan lentamente, mediante la siguiente

reacción de hidrólisis (ejemplo con el tripolifosfato),

P3O10 5- + H2O 2 H2PO4

2- + H2PO4 –, para convertirse en ortofosfatos

que no son tóxicos, sí contienen fósforo que se halla involucrado en el proceso de

eutrofización.

Con el fin de disminuir la problemática relacionada con la eutrofización, se ha

tratado de sustituir los polifosfatos y se han estudiado compuestos como la sal de

sodio del ácido nitrilotriacético.

Pesticidas. Estos compuestos de acuerdo con el uso se clasifican de la manera

siguiente:

Insecticidas

Fungicidas

Herbicidas

Plaguicidas específicos: rodenticidas, moluscicidas y nematocidas.

Por otra parte, de acuerdo con la composición y la estructura química, entre los

pesticidas están los hidrocarburos clorados, de los cuales el pionero fue el DDT.

Hoy en día, su utilización está prohibida en la mayoría de los países debido a su

alto grado de toxicidad.

80



La estabilidad química de estos compuestos los hace persistentes y poco

específicos. Además, su carácter hidrofóbico hace que se acumulen en los tejidos

grasos, a lo largo de la cadena trófica y a través del tiempo, en un proceso de

bioacumulación.

A continuación, se presentan algunas estructuras de hidrocarburos clorados.

81



82



Los policloro bifenilos (BPC) son otro tipo de hidrocarburos clorados y

estructuralmente están constituidos por un sistema de dos anillos bencénicos, en

los que un número variable de hidrógenos se puede sustituir por átomos de cloro.

La toxicidad de los BPC asociada con efectos agudos varía según el grado de

cloración.

4.2.3.3. Bionutrientes

En condiciones naturales, los sistemas acuosos tienen contenidos relativamente bajos de N y P, elementos que forman parte de los nutrientes requeridos para el crecimiento vegetal. No obstante, como consecuencia de la actividad antropogénica, el aporte de nutrientes se ha ido incrementando a lo largo del tiempo.

Estos nutrientes llegan a los cuerpos de agua a través de las corrientes procedentes de las cuencas fluviales que arrastran suelo y nutrientes disueltos; además, algunos procesos atmosféricos también aportan nutrientes al agua.

Por otra parte, en los sistemas de agricultura intensiva, los nitratos y los fosfatos son los fertilizantes más utilizados, y algunas cantidades de ellos son transportados por las aguas de percolación de las tierras de cultivo.

Otras fuentes de nitratos y fosfatos son las aguas residuales domésticas y comerciales y los desechos industriales.

ACTIVIDAD # 8: complemente el tema de contaminación por pesticidas o

plaguicidas, en el siguiente sitio web:

http://iibce.edu.uy/posdata/drit.htm

http://www.fao.org/docrep/W2598S/w2598s06.htm

http://iibce.edu.uy/posdata/drit.htm

http://www.fao.org/docrep/W2598S/w2598s06.htm

83



La suma de aportes de nutrientes, principalmente nitratos y fosfatos, aumenta sus cantidades en los cuerpos de agua, en forma desproporcionada, con la consecuente proliferación del fitoplancton que se conoce como eutrofización de los medios acuosos.

La eutrofización trae consigo diversas consecuencias, así:

Pérdida de transparencia del agua, lo cual disminuye la actividad fotosintética por la falta de luz.

Aumenta la descomposición de la materia orgánica.

Como consecuencia de los aspectos anteriores, disminuye la concentración de oxígeno disuelto.

La disminución del oxígeno origina la muerte de los organismos aerobios y da lugar a condiciones anóxicas y reductoras que favorecen las reacciones de fermentación y la producción de gases tóxicos, tales como CH4 y H2S.

Ejercicio:

Los organismos ambientales deciden adelantar un estudio de muestras de agua

recolectada a la entrada de los acueductos locales (justo antes de que se inicie el

tratamiento en el respectivo acueducto), en tres municipios, con las siguientes

actividades económicas principales:

Municipio 1: Población total: 200.000 habitantes, con 30% de la población en el

área urbana dedicada al comercio y población del área rural dedicada a la minería

y producción de cerámicas.

Municipio 2: Población total: 800.000 habitantes, con 50% de la población del área

urbana dedicada al comercio y población del área rural dedicada a la agricultura.

Municipio 3: Población total: 2.500.000 habitantes, con 80% de la población del

área urbana dedicada a las industrias alimenticias, metalúrgicas y de pinturas, y

población del área rural dedicada al cultivo de flores.

Previo al análisis en el laboratorio de las muestras, se solicita a los participantes

en el estudio establecer, para cada municipio, que tipos de contaminantes

químicos se podrían esperar como característicos de sus actividades y comparar

entre municipios el predominio relativo de los contaminantes.

Solución:

84



Análisis por municipio: En el municipio 1 la actividad principal es la minería, por lo

tanto se esperaría presencia de contaminantes inorgánicos, especialmente

metales y aniones fluoruro y cianuro.

En el municipio 2 una actividad importante es la agricultura, por lo que se

esperaría presencia de contaminantes orgánicos sintéticos representados

principalmente por pesticidas y por contaminantes del tipo bionutrientes (N y P),

estos últimos adicionados en forma de fertilizantes nitrogenados y fosfatados.

En el municipio 3 es la actividad industrial en ramas específicas que indicarían la

presencia de materia orgánica y de metales.

Análisis comparado de los municipios: En las tres muestras de agua se espera

presencia de materia orgánica procedente de las aguas residuales domésticas; su

concentración será mayor para el municipio 3 por el número de habitantes y el

aporte adicional de las industrias alimenticias. La concentración menor sería la del

municipio 1. Las mismas consideraciones aplican para la presencia de

compuestos orgánicos sintetizados, cuya presencia se esperaría por el uso de

detergentes.

El otro tipo de contaminante común a los municipios 1 y 3, los metales, en

principio se esperaría mayor para el municipio 3, pero se requeriría información

más detallada sobre intensidad de la explotación minera y producción de las

industrias

Al finalizar esta lección, junto con las lecciones anteriores, se han estudiado los

temas relacionados con las propiedades del H2O, las reacciones características de

los sistemas acuosos y los principales contaminantes, lo cual hace posible abordar

el tópico de caracterización y calidad del agua.

Lección 5: Parámetros químicos de calidad del agua

Los parámetros de calidad del agua se establecen de acuerdo con el tipo de uso al

cual se destine. Esto implica que un agua requiere una caracterización para

determinar los atributos biológicos, físicos y químicos que definen su aptitud de

uso.

85



Se han establecido unos análisis básicos del agua que permiten la caracterización

y, además, suministran información para definir los tratamientos, cuando estos se

requieran. Estos análisis se presentan en el capítulo 3, lección 15.

5.1. Clasificación de usos del agua en Colombia

La información que se presenta a continuación se basa en la normatividad

existente en el país, para la clasificación de usos del agua: Decreto 1594 de 1984,

Capítulo III, Artículos 29-36, del Ministerio de Agricultura.

Se consideran los siguientes usos del agua:

a. Consumo humano y doméstico. Contempla su empleo en actividades tales

como:

o Fabricación o procesamiento de alimentos en general y en especial

los destinados a su comercialización o distribución.

o Bebida directa y preparación de alimentos para consumo inmediato.

o Satisfacción de necesidades domésticas, individuales o colectivas,

tales como higiene personal y limpieza de elementos materiales o

utensilios.

o Fabricación o procesamiento de drogas, medicamentos, cosméticos,

aditivos y productos similares.

b. Preservación de flora y fauna: comprende la utilización en actividades

destinadas a mantener la vida natural de los ecosistemas acuáticos y

terrestres y de sus ecosistemas asociados, sin causar alteraciones

sensibles a ellos, o para actividades que permitan la reproducción,

supervivencia, crecimiento, extracción y aprovechamiento de especies

hidrobiológicas en cualquiera de sus formas, tal como en los casos de

pesca y acuicultura.

c. Agrícola: comprende su empleo para irrigación de cultivos.

d. Pecuario: comprende su empleo para el consumo del ganado en sus

diferentes especies y demás animales.

e. Recreativo. Comprende su utilización cuando se produce:

o Contacto primario, como en la natación y el buceo.

o Contacto secundario, como en los deportes náuticos y la pesca.

86



f. Industrial. Comprende su empleo en actividades tales como:

o Procesos manufactureros de transformación o explotación.

o Generación de energía.

o Minería

g. Transporte: comprende su empleo para la navegación de cualquier tipo de

embarcación o para la movilización de materiales por contacto directo.

5.2. Parámetros químicos de calidad del agua para consumo humano

La Resolución 2115 de 2007 del Ministerio de Protección Social y el Ministerio de

Ambiente establece que el agua para consumo humano no podrá sobrepasar los

valores máximos aceptables para los siguientes parámetros:

PARÁMETRO VALOR MÁXIMO ADMISIBLE OBSERVACIONES

Conductividad 1000 µS/cm

pH 6,5 – 9,0

Antimonio 0,02 mg /L Expresados como Sb

Arsénico 0,01 mg /L Expresados como As

Bario 0,7 mg /L Expresados como Ba

Cadmio 0,03 mg /L Expresados como Cd

Cianuro libre y disociable 0,05 mg / L Expresados como CN-

Cobre 1,0 mg /L Expresados como Cu

Cromo total 0,05 mg /L Expresados como Cr

Mercurio 0,001 mg /L Expresados como Hg

Níquel 0,02 mg /L Expresados como Ni

Plomo 0,01 mg /L Expresados como Pb

Selenio 0,01 mg /L Expresados como Se

Trihalometanos totales 0,2 mg /L Expresados como THMs

87



Hidrocarburos aromáticos

policíclicos 0,01 mg /L Expresados como HAP

Carbono orgánico total 5,0 mg /L Expresados como COT

Nitritos 0,1 mg /L Expresados como NO2-

Nitratos 10 mg /L Expresados como NO3-

Fluoruros 1,0 mg /L Expresados como F-

Calcio 60 mg /L Expresados como Ca

Alcalinidad total 200 mg /L Expresados como CaCO3

Cloruros 250 mg /L Expresados como Cl-

Aluminio 0,2 mg /L Expresados como Al3+

Dureza total 300 mg /L Expresados como CaCO3

Hierro total 0,3 mg /L Expresados como Fe

Magnesio 36 mg /L Expresados como Mg

Manganeso 0,1 mg /L Expresados como Mn

Molibdeno 0,07 mg /L Expresados como Mo

Sulfatos 250 mg /L Expresados como SO4-2

Zinc 3 mg /L Expresados como Zn

Fosfatos 0,5 mg /L Expresados como PO4-3

No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, materiales flotantes

provenientes de actividad humana, radioisótopos y otros no removibles por

tratamiento convencional que puedan afectar la salud humana

5.3. Parámetros químicos de calidad del agua para uso agrícola

El Decreto 1594 de 1984, Capítulo IV, Artículo 40, del Ministerio de Agricultura

establece los siguientes parámetros admisibles. Para algunos parámetros que el

decreto no establece valores, se reportan datos de uso a nivel internacional.

88



PARÁMETRO VALOR ADMISIBLE OBSERVACIONES

Conductividad 100 - 250 µS/cm

Puede usarse para riego de la

mayoría de los cultivos, en

casi cualquier tipo de suelo

(manual No. 60 Dpto. de

Agricultura USA).

pH 4,5 – 9,0

Aluminio 5,0 mg /L Expresados como Al


Berilio 0,1 mg /L Expresados como Be



Cromo 0,1 mg /L Expresados como Cr+6

Cobalto 0,05 mg /L Expresados como Co

Níquel 0,2 mg /L Expresados como Ni


Selenio 0,02 mg /L Expresados como Se

Flúor 1,0 mg /L Expresados como F

Hierro 5,0 mg /L Expresados como Fe

Litio 2,5 mg /L Expresados como Li

Manganeso 0,2 mg /L Expresados como Mn

Molibdeno 0,01 mg /L Expresados como Mo

Vanadio 0,1 mg /L Expresados como V

Zinc 2 mg /L Expresados como Zn

Boro 0,3 – 0,4 mg /L Expresados como B. Depende

del tipo de suelo y de cultivo

Se deben hacer mediciones sobre las siguientes características:

a. Conductividad

89



b. Relación de adsorción de sodio (RAS) que indica los riesgos de salinización

y alcalinización de los suelos

c. Porcentaje de sodio posible (PSP)

d. Salinidad efectiva y potencial

e. Carbonato de sodio residual

f. Radionucleídos

El parámetro conductividad se refiere a la conductividad eléctrica que refleja la

capacidad del agua para conducir corriente eléctrica y, por tanto, está

directamente relacionada con la concentración de sales disueltas en el agua.

La medición de la conductividad eléctrica del agua es, entonces, una medida de la

salinidad. Niveles excesivos de salinidad en el agua de riego reducen la

disponibilidad de agua para el cultivo (debido a la presión osmótica) y esto causa

la reducción del rendimiento.

5.4. Parámetros químicos de calidad del agua para uso pecuario


establece los siguientes parámetros admisibles.



Boro 5,0 mg /L Expresados como B



Cromo 1,0 mg /L Expresados como Cr6+

Mercurio 0,01 mg /L Expresados como Hg


Contenido de sales 3.000 mg /L Peso total

Nitrito 10,0 mg /L Expresados como N

Nitratos + Nitritos 100,0 mg /L Expresados como N

Aluminio 5,0 mg /L Expresados como Al

90



Zinc 25,0 mg /L Expresados como Zn

5.5. Parámetros químicos de calidad del agua para fines recreativos,

mediante contacto primario




Compuestos fenólicos 0,002 mg /L Expresados como fenol

pH 5,0 – 9,0

Oxígeno disuelto 70% de saturación

Tensoactivos 0,5 mg /L Expresados como sustancias

activas al azul de metileno

No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, presencia de material

flotante proveniente de actividad humana; sustancias tóxicas o irritantes cuya

acción por contacto, ingestión o inhalación, produzcan reacciones adversas sobre

la salud humana.

El nitrógeno y el fósforo deberán estar en proporción que no cause eutrofización.

5.6. Parámetros químicos de calidad del agua para fines recreativos,

mediante contacto secundario




pH 5,0 – 9,0

Oxígeno disuelto 70% de saturación

Tensoactivos 0,5 mg /L Expresados como sustancias

activas al azul de metileno

91



Al igual que para las aguas de contacto primario:

No se acepta película visible de grasas y aceites flotantes, presencia de material

flotante proveniente de actividad humana; sustancias tóxicas o irritantes cuya

acción por contacto, ingestión o inhalación, produzcan reacciones adversas sobre

la salud humana.

El nitrógeno y el fósforo deberán estar en proporción que no cause eutrofización.

Ejercicio:

El análisis de la legislación en cuanto a parámetros y valores máximos permisibles

indica que estos varían según el uso al que se vaya a destinar el agua. Respecto

a este tópico, se pide realizar un análisis comparativo, identificando algunos de los

parámetros más relevantes.

Solución:

pH (unidades de pH):

Tipo de uso del

agua

Valor máximo

permisible Observaciones

Consumo humano 6,5 – 9,0 El rango más estrecho es para el

consumo humano, el cual es muy

cercano al que exhiben las aguas

naturales (no contaminadas).

Para los fines recreativos, el rango es

más amplio, debido a que aunque hay

contacto directo con la piel,

especialmente en el contacto primario,

el riesgo de ingestión está en un nivel

secundario.

El mayor rango permisible es para uso

agrícola, toda vez que en el suelo, el

agua va a entrar en equilibrio con la

solución del suelo y la fase sólida de

éste, donde los valores cercanos o

mayores a 5,0 hasta un valor alrededor

de 8,0 constituyen un intervalo que

permite el desarrollo de un cultivo

Uso agrícola 4,5 – 9,0

Fines recreativos-

contacto primario 5,0 – 9,0

Fines recreativos-

contacto

secundario

5,0 – 9,0

92



promedio.

En general, se considera que el pH de

las aguas tanto crudas como tratadas

debería estar entre 5,0 y 9,0 porque en

este rango se pueden controlar los

efectos en el comportamiento de otros

constituyentes del agua.

Conductividad (µS/cm)

Tipo de uso del

agua

Valor máximo


Consumo humano

1000

Presenta un valor alto respecto al del

uso agrícola. No se consideran que las

sales tengan efectos importantes sobre

la salud. El límite se establece

principalmente por los efectos en el

gusto que le imparten al agua

Uso agrícola

100-250

El rango a valores relativamente bajos

busca evitar la salinidad, por los

perjuicios en el rendimiento de los

cultivos

Compuestos fenólicos (mg/L)

Tipo de uso del

agua

Valor máximo


Fines recreativos-

contacto primario 0,002

Son tóxicos para el hombre a ciertas

concentraciones y aún a valores bajos

alteran las características organolépticas

debido a su intenso olor y sabor

desagradables.

Fines recreativos-

contacto secundario

No se considera

como parámetro de

control

93



Metales (mg/L)

Tipo

de

metal

Valor máximo permisible

Observaciones Consumo

humano

Uso

pecuario

Uso

agrícola

Cr 0,05 1,0 0,1

Mayor restricción para el consumo

humano. En aguas superficiales está

como Cr (III) a pH < 5 y en esta forma

es esencial para el hombre pues

promueve la acción de la insulina y

como Cr (VI) a pH > 5 y tiene efectos

fisiológicos adversos

Hg 0,001 0,01

No aparece

como

parámetro

de control


humano. Metal muy tóxico para el

hombre en las formas aguda y tóxica

Pb 0,01 0,1 5,0


humano. Tiene gran capacidad de

bioacumulación; afecta prácticamente

todos los órganos de seres humanos

y animales

94




1) Establezca las diferencias principales entre el comportamiento del agua y sus

compuestos homólogos. A que se atribuyen estas diferencias; justifique su

respuesta.

2) Enumere por lo menos cinco propiedades del agua, con sus valores respectivos

y explique su importancia para la existencia y mantenimiento de la vida en nuestro

planeta.

3) Cuál es la composición química de las aguas naturales. ¿Se puede hablar de

agua pura? Justifique su respuesta.

4) De las especies químicas presentes en el agua natural ¿Cuáles conforman

soluciones? ¿Cuáles suspensiones o dispersiones coloidales? Y en cada caso

¿Cuál es su origen?

5) Establezca la relación entre los usos del agua y las denominadas aguas

residuales.

6) Establezca la relación entre potencial químico, energía libre de Gibbs y

equilibrio químico.

7) Con base en el diagrama de fases del agua, explique qué fenómenos están

representados en los siguientes puntos: N, C, M y A.

8) Con base en el fenómeno conocido como liofilización, explique las reacciones o

cambios de fase del agua.

9) Establezca la relación entre los valores de ∆Go y K de la reacción de formación

del agua y el concepto de espontaneidad.

10) Plantee tres ejemplos de hidrólisis del agua, estableciendo en cada caso las

reacciones balanceadas.

11) La solución acuosa de un ácido débil, HA, tiene un pH de 3,5. La

concentración del ácido en la solución es 0,15 M. Determine la constante de

disociación, Ka, del ácido débil.

12) Para la solución acuosa 0, 65 M de NaCN, determine el pH. Tenga en cuenta

que la disolución de la sal produce hidrólisis básica. Ka (HCN) = 6,2 x 10-10

CN- + H2O HCN + OH-

95



13) Enumere los principales agentes oxidantes y los reductores en el agua.

Considere procesos aeróbicos y anaeróbicos y, para cada caso, relacione la

ocurrencia de los agentes con los diferentes valores de pH.

14) Un agua residual contiene 8,5 mg/L de Ni2+. Se requiere tratar el agua con una

solución de NaOH para precipitar el níquel. Calcule la cantidad de NaOH requerida

y la concentración de Ni2+, expresada en ppb, en el agua residual después de

tratada.

Ni2+ + 2 NaOH Ni (OH)2 + 2 Na+

Tenga en cuenta que el Ni (OH)2 es poco soluble y la concentración de Ni2+ está

regida por su producto de solubilidad, Kps = 5,5 x 10-16

15) Para cada uno de los tres grandes grupos de agentes químicos de

contaminación de las aguas, elabore una tabla que muestre los principales tipos

de especie química al interior de cada grupo con la correspondiente fuente y el

respectivo efecto contaminante.

96



CAPITULO 2: TRATAMIENTO QUÍMICO DEL AGUA

Introducción

El tratamiento de aguas comprende una serie de procesos que tienen como

finalidad reducir o remover los contaminantes del agua. Para esto es preciso tener

en cuenta, en primera instancia, los diferentes tipos de contaminantes y conocer

las reacciones que tienen lugar en un sistema acuoso. Estos aspectos junto con la

calidad de agua que se requiere, la cual está determinada por el uso previsto para

ella, determinan la clase de tratamiento que debe aplicarse, en una situación

específica.

A los tratamientos van asociados procesos de naturaleza biológica, física y

química. En este capítulo se hace énfasis en los procesos físico-químicos.

Lección 6: Procesos químicos en el tratamiento de aguas


Debido a que la naturaleza de la contaminación presente en la aguas es uno de

los determinantes fundamentales de los tipos de tratamientos de aguas existentes,

se puede establecer una relación directa entre los procesos involucrados en los

tratamientos y las diferentes clases de contaminantes. La Tabla 6 muestra dicha

relación para los principales procesos físico-químicos y químicos, no se presentan

los conocidos como puramente físicos ni los biológicos.

PALABRAS CLAVE: coagulación, ultrafiltración, ósmosis inversa, electrodiálisis

97



Tabla 6. Procesos utilizados en tratamientos de agua según la clase de

contaminantes

Partículas groseras y finas

Partículas

coloidales

Sales y

otras esp.

Inorgánicas

disueltas

Metales

Sustancias

orgánicas

disueltas

Bionutrientes

nitrogenados

Bionutrientes

fosforados

PROCESOS

FISICO-

QUÍMICOS

Decantación X

Filtración X

Coagulación X X

Floculación X

Ultrafiltración X

Ósmosis

inversa X X

Electrodiálisis X

PROCESOS

QUÍMICOS

Oxidación

catalítica X

Cloración X

Ozonización X

Oxidación

con aire

húmedo

X

Precipitación X X X

Reducción

electrolítica X

Extracción

por

intercambio

iónico

X X X

98



Extracción

líquido-

líquido

X

A continuación, para algunos de los procesos utilizados en la remoción de las

partículas de diferentes tamaños se presentan sus características principales. Este

tema es de interés especial porque la presencia de sustancias sólidas constituye

un problema importante de contaminación.

Existen sólidos con tamaños de partícula considerados grandes (> 0,01mm), los

cuales se pueden separar ya sea por sedimentación bajo la influencia de la

gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas de las

partículas y del agua. También puede utilizarse la filtración.

Los sólidos con tamaños de partícula < 0,01mm no sedimentan rápidamente y se

requieren otros procesos para su remoción; entre estos sólidos están los coloides

constituidos, entre otros, por limo fino y bacterias. A todos estos sólidos se les

puede aplicar el proceso de coagulación-floculación.

6.1. Coagulación-floculación química del agua

6.1.1. Coagulación

El proceso de coagulación propiamente dicho consiste en desestabilizar las

partículas coloidales, reduciendo las fuerzas de repulsión existente entre ellas

para formar agregados de mayor tamaño, esto es, flóculos (floc) susceptibles de

sedimentación. Para esto se adicionan coagulantes, especialmente sales de hierro

y aluminio.

La acción del coagulante tiene lugar a través de dos mecanismos consecutivos:

1. Neutralización de la carga negativa de las partículas coloidales.

2. Precipitación de los productos de baja solubilidad que forman los

coagulantes, con las partículas coloidales como núcleo de precipitación, las

cuales quedan inmersas dentro del precipitado.

Ilustración de los mecanismos:

Utilización del sulfato de aluminio (alumbre) que es el coagulante estándar en los

tratamientos de agua.

99



Cuando el Al2(SO4)3 se adiciona al agua, se comporta como un electrolito y se

ioniza formando Al3+ y SO42-. El Al3+ se puede combinar con las partículas

coloidales (C) para neutralizar parcialmente su carga negativa:

Al3+ + Al

Por otra parte:

Al3+ + 3 H2O Al (OH)3 + 3 H+

Las partículas coloidales inmersas en el precipitado del hidróxido de aluminio

favorecen la agregación de las partículas y, por tanto, la floculación y la

sedimentación.

Los siguientes factores influyen en el proceso de coagulación:

a) pH. Afecta la solubilidad de los precipitados formados por el hierro y el

aluminio, cuyas sales son las más utilizadas como coagulantes. Por tanto

se deben tener en cuenta las curvas de solubilidad, en función de pH, para

los compuestos de hierro y aluminio que precipitan, durante el proceso de

coagulación. También se ha observado que el pH afecta la carga de las

partículas coloidales y el tiempo requerido para la formación de los flóculos.

b) Agitación de la mezcla. Debe ser rápida para que el coagulante se difunda

lo más rápido posible y la neutralización sea total antes de que se forme el

precipitado. Así la coagulación será óptima porque involucrará la mayoría

de las partículas coloidales presentes.

C

C

C

C

ACTIVIDAD # 9: considere que el agua con partículas coloidales a la que adiciona

el sulfato de aluminio contiene CO2 disuelto. Plantee la reacción de equilibrio que

se presenta para la precipitación del hidróxido de aluminio.

¡Discuta su respuesta con el tutor en foro virtual!

100



c) Tipo y cantidad de coagulante. En cada caso específico de tratamiento, la

selección del coagulante y la dosis se deben ajustar mediante ensayos de

laboratorio.

Ejercicios de usos de coagulantes:

1) Uso de sulfato de aluminio (alumbre) que reacciona con la alcalinidad natural

del agua para formar floc de hidróxido de aluminio.

NOTA: En aguas naturales la alcalinidad del agua se debe a la presencia de

bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, principalmente.

Para una planta de tratamiento que utiliza 100 mg/L de alumbre para coagular

agua turbia superficial, calcular:

a) La cantidad de alcalinidad natural que se consume.

b) La cantidad de mg/L de hidróxido de aluminio que se producen.

Solución:

La reacción que tiene lugar es la siguiente:

Al2(SO4)3. 14 H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2

En esta reacción el bicarbonato de calcio representa la alcalinidad, la cual se

acostumbra expresar como CaCO3 que tiene masa molecular = 100.

Entonces:

a) La relación estequiométrica indica una relación 1:3 para alumbre: bicarbonato

de calcio y la masa molecular del alumbre es 594. Luego:

Alcalinidad natural-CaCO3 = (3 x 100 g x 100 mg/L) /594 g = 51 mg /L

b) La relación estequiométrica indica una relación 1:2 para alumbre: hidróxido de

aluminio y la masa molecular del hidróxido de aluminio es78. Luego:

Al(OH)3 producido = (2 x 78 g x 100 mg/L) /594 g = 26 mg/L

2) Uso de sulfato ferroso que a pH suficientemente elevado (generalmente se

utiliza cal, CaO, para subir el pH) y en presencia del oxígeno disuelto del agua,

precipita como hidróxido férrico.

Para una planta que utiliza 640 kg/día de sulfato ferroso, como coagulante,

calcular la cantidad de cal, con pureza del 80%, requerida.

101



Solución:

La reacción que tiene lugar es la siguiente:

2FeSO4. 7H2O + 2Ca(OH)2 + ½ O2 2Fe(OH)3 + 2CaSO4 + 13 H2O

Por la relación estequiométrica y teniendo en cuenta que se acostumbra expresar

el hidróxido de calcio como cal, CaO que tiene masa molecular 56, se tiene:

Cal requerida = (56 g x 640 kg/día) / (278 g x 0,80) = 161 kg/día

6.1.2. Floculación

Una vez la suspensión coloidal está desestabilizada se da inicio al proceso de

floculación.

Existen compuestos químicos que ayudan en la etapa de formación de los

flóculos, tales como la sílice activada y los polielectrolitos, que algunos denominan

floculantes, cuyas características y usos se presentan con base en los

planteamientos de Franco16.

Los floculantes se utilizan para contrarrestar situaciones como las siguientes:

o Presencia de flóculos pequeños, de sedimentación lenta, formados durante

la coagulación a baja temperatura.

o Presencia de flóculos frágiles que se fragmentan al someterse a las fuerzas

hidráulicas en los estanques y filtros de arena.

Su acción se da, por tanto, al nivel de la velocidad de reacción y al de la calidad

del flóculo.

Según su naturaleza los floculantes pueden ser minerales u orgánicos. Entre los

minerales están la sílice activada y los agentes adsorbentes-ponderantes y entre

los orgánicos los conocidos como polielectrolitos.

16 FRANCO, Freddy Leonardo. Acueductos y alcantarillados. Universidad Nacional, Facultad de

Ingeniería y Arquitectura, Departamento de Ingeniería Civil, Sede Manizales. En:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080004/index.html


102



6.1.1. Sílice activada: se obtiene a partir de una solución de silicato de sodio

neutralizada parcialmente con un ácido; generalmente, se utiliza con un

coagulante de aluminio. Ofrece las siguientes ventajas:

o Aumenta la velocidad de coagulación.

o Disminuye la cantidad requerida de coagulante.

o Permite rangos más amplios de pH para una coagulación óptima.

o Favorece la formación de flóculos más grandes y más densos.

o Permite una coagulación más eficaz a temperaturas bajas y mejor

eliminación del color.

o Favorece la floculación de las aguas muy turbias.

o Mejora las características de la filtración.

También presenta las siguientes desventajas:

o Su preparación exige un control riguroso para evitar la gelificación.

o Puede producir turbidez residual elevada.

o No es eficaz en todos los tipos de agua.

o Puede inhibir la floculación si se sobredosifica.

En la actualidad, la utilización de la sílice activada ha disminuido debido al

descubrimiento de los polielectrolitos.

6.1.2. Agentes adsorbentes-ponderantes: comprenden principalmente las arcillas,

el carbonato de calcio, el carbón activado y la tierra de diatomeas. Cumplen las

siguientes funciones:

o Aumentar la densidad de flóculos ya formados. Este efecto se conoce como

función ponderante que se presenta con la adición de arcillas bentoníticas y

el carbonato de calcio.

o Generar un pre-flóculo, que aumenta de volumen rápidamente, mediante la

adsorción de partículas coloidales. Este efecto se conoce como función

adsorbente que se presenta con la adición de carbón activado o tierra de

diatomeas.

103



6.1.3. Polielectrolitos: estos compuestos orgánicos pueden ser naturales o

sintéticos.

Los naturales como el almidón, materiales proteínicos, alginatos y compuestos de

celulosa se caracterizan por tener cadenas de carbono largas, masa molecular

alta, ser bicolides, en su mayoría de tipo no iónico y algunos pueden estar

cargados eléctricamente. Son coadyuvantes eficaces de la floculación, se

requieren en cantidades más altas que los sintéticos, pero son menos costosos.

Los sintéticos tienen características similares a las de los naturales, pero de

acuerdo con la carga eléctrica pueden ser aniónicos, catiónicos y no iónicos. Su

preparación a partir de monómeros (disponibles en la mayoría de las plantas de

tratamiento de aguas) es fácil y puede adecuarse a necesidades específicas de

uso.

Los polielectrolitos en general aumentan grandemente el tamaño de los flóculos,

pero al igual que la sílice, tienen una dosis óptima, que si se sobrepasa produce

una floculación deficiente. Son especialmente útiles cuando la floculación se

dificulta por variaciones en la calidad del agua y por la influencia de temperaturas

bajas. Para su utilización se deben tener en cuenta los siguientes aspectos

importantes:

o Para los polielectrolitos aniónicos la dosis óptima aumenta linealmente con

la dosificación de sulfato de alúmina, sin que se modifique el margen de pH

óptimo para la coagulación. Debido a esto su acción es independiente de la

acidez o alcalinidad, de la dureza y de la turbiedad.

o Los polielectrolitos catiónicos si se utilizan conjuntamente con coagulantes

metálicos presentan ventajas como reducción en la dosificación del

coagulante, disminución de interferentes sobre la coagulación y facilitan la

floculación de organismos vivos (algas y bacterias, por ejemplo).

o Previamente a la selección de un polielectrolito, se deben realizar ensayos

de laboratorio y determinar el tiempo que debe transcurrir entre la adición

del coagulante y el floculante.

o Cuando la descarbonatación se hace con cal, es aconsejable seleccionar

un floculante no iónico o aniónico.

o En el caso de clarificación, es aconsejable seleccionar un floculante no

iónico o ligeramente aniónico o catiónico.

104



o En presencia de gran cantidad de materia orgánica o cuando el valor del pH

está cerca al del equilibrio es aconsejable ensayar en primer lugar un

floculante catiónico.

Una desventaja en el uso de los polielectrolitos consiste en su toxicidad potencial,

por lo cual se debe tener en cuenta la legislación vigente sobre sustancias tóxicas.

6.2. Ultrafiltración

Es un proceso de filtración superior a los métodos convencionales utilizados para

la concentración de soluciones coloidales debido a que:

o Evita la acción desnaturalizante de los agentes de precipitación o del calor.

o Permite la remoción de sales así como la del solvente.

o Asegura la recuperación cuantitativa de los coloides.

o Requiere de poca atención por parte del operador.

La ultrafiltración se basa en mecanismos de tamización y utiliza una técnica

basada en el principio de exclusión por tamaño de las especies a separar. Su

aplicación tiene como límites un tamaño de partículas comprendido entre 0,001 y

0,02 µ.

Existen varios tipos de membranas para aplicaciones diferentes, cuyo diámetro

debe ser inferior al de las partículas coloidales, de manera que puedan pasar las

impurezas de naturaleza iónica o molecular y las moléculas del medio dispersante.

Las partículas coloidales que quedan retenidas sobre la superficie de la membrana

pueden ser lavadas sucesivamente, con líquido de igual composición a la del

medio dispersante, hasta que se eliminen completamente las impurezas.

Se aplica presión o succión entre 2-8 atmósferas. La membrana normalmente se

mantiene entre dos telas metálicas muy finas para evitar que se rompa, o se

coloca sobre un soporte muy poroso, como una placa filtrante de vidrio17.

Existen tres tipos principales de membranas (Figura 14):

o Membranas espirales que permiten que el agua a filtrar recorra toda la

membrana y sea recogida en un canal central. Reducen los costos de

17 SHAW, D. J. Introducción a la química de superficies y coloides. Madrid: Editorial Alhambra, S.

A., 1977. p. 16.

105



energía al disminuir los requerimientos de bombeo. Se pueden operar a

altas presiones y altas temperaturas.

o Membranas tubulares (½" o 1" de diámetro). Trabajan muy bien en altas

concentraciones de contaminantes, su limpieza puede ser tanto química

como mecánica y su taponamiento es mínimo. Soportan altas temperaturas

y altos rangos de pH.

o Membranas de fibra hueca que proporcionan una cantidad de área de

filtración muy amplia en relación con el diámetro reducido que tienen.

Figura 14. Tipos de membranas para ultrafiltración18

18 http://www.acsmedioambiente.com/LoNuevo/membranas.htm

Tubular

Fibra hueca Espiral

http://www.acsmedioambiente.com/LoNuevo/membranas.htm

106



6.3. Ósmosis inversa

Es otro de los procesos de membrana bajo presión muy útil para la desalinización

del agua. Se basa en la circulación forzada del agua a través de una membrana

semipermeable (generalmente de acetato de celulosa o de poliamida). Si la

presión ejercida es superior a la presión osmótica, la membrana actúa como

barrera para las sales y/o moléculas, rechazándolas (Figuras 15 y 16).

Es así como el agua pura que va formando una capa, de determinado espesor,

sobre la membrana es forzada bajo presión a pasar a través de sus poros. Se

obtienen entonces dos corrientes: una libre de sales (permeado) y la otra

concentrada en sales (rechazo).

Los sistemas de ósmosis inversa utilizados para la reducción de sólidos totales

disueltos y contaminantes iónicos específicos son prácticos, libres de manejo de

regenerantes y con capacidad de producción continua.

El desarrollo alcanzado en los últimos años por las membranas semipermeables

presenta una solución muy ventajosa como consecuencia de su bajo costo

operativo, alta confiabilidad, bajo mantenimiento, facilidad de operación y óptima

performance.

La operación de las unidades de ósmosis inversa es continua e interrumpida,

requiriendo un mínimo consumo de productos químicos y mano de obra para su

atención.

Figura 15. Representación del fenómeno de ósmosis inversa vs. ósmosis19

19 http://www.aquatecnia.com/index.asp?idp=653

http://www.aquatecnia.com/index.asp?idp=653

107



Figura 16. Representación de las corrientes de permeado y rechazo20

6.4. Electrodiálisis

Es un proceso electroquímico de separación que utiliza membranas

eléctricamente cargadas y un potencial eléctrico para separar especies iónicas de

electrolitos fuertes (sales), presentes en un cuerpo o corriente de agua que puede

contener también especies no cargadas.

Esta técnica es más eficaz y rápida que la diálisis cuando la dispersión coloidal

tiene impurezas solamente de naturaleza iónica. En este caso, el campo eléctrico

generado induce el movimiento de los iones.

El agua fluye entre compartimentos separados por membranas alternadamente

permeables a los cationes y aniones. Los cationes se mueven hacia el cátodo que

tiene carga negativa y los aniones hacia el ánodo que está cargado positivamente.

Se van formando capas adyacentes y alternadas del agua purificada y del agua

con altos contenidos de las sales que se han removido. Las capas enriquecidas se

recirculan para evitar la concentración excesiva de sales.

20 http://purepro.com.ve/osmosis.html

Corriente de permeado

Corriente de rechazo

http://purepro.com.ve/osmosis.html

108



La estructura básica de una célula de electrodiálisis (Figura 17) consta de tres

compartimentos separados por membranas. En el compartimiento central se

encuentra la dispersión coloidal y en los compartimentos anódico (lado izquierdo)

y catódico (lado derecho) se encuentra el solvente (medio dispersante). Una vez

se cierra el circuito eléctrico los iones positivos se movilizan hacia el cátodo

(electrodo negativo) y los iones negativos hacia el ánodo (electrodo positivo)

descargándose en ellos.

Figura 17. Estructura básica de una celda de electrodiálisis21

Lección 7: Potabilización del agua


La potabilización del agua tiene como finalidad hacer el agua apta para el

consumo humano, entendido éste de acuerdo con el Decreto 1594 de 1984,

Capítulo III, Artículo 30, del Ministerio de Agricultura (considerado en la Lección 5).

El tratamiento aplicado dependerá del origen del agua, que en términos generales,

puede ser de dos clases.

21 Figura elaborada por María del Pilar Triana Novoa

PALABRAS CLAVE: filtración gruesa, sedimentación, coagulación-floculación,

cloración, cloro libre disponible, cloro combinado disponible, ablandamiento

MEMBRANAS

CÁTODO (-) (+) ÁNODO

SOLUCIÓN

COLOIDAL

SOLVENTE SOLVENTE

109



Agua natural, cruda que puede provenir de ríos, lagos, embalses o de

fuentes subterráneas.

Agua residual de origen doméstico o industrial

Para el caso de aguas naturales, crudas de origen superficial se aplica un

tratamiento denominado convencional que de acuerdo con el Decreto 1594 de

1984 comprende los siguientes procesos: coagulación, floculación sedimentación,

filtración y desinfección.

Para aguas residuales de origen doméstico o industrial se deben aplicar los

procesos que se indican en la lección 9 y, posteriormente, verificar que se

cumplen los parámetros admisibles para agua potable; de lo contrario, se

aplicarán los correctivos a los que haya lugar, de acuerdo con lo estipulado en el

tratamiento convencional.

En la práctica el tratamiento convencional puede tener unas variantes

relacionadas con las necesidades, eventualmente identificadas, de una filtración

gruesa y de un proceso de ablandamiento. La Figura 18 muestra los procesos

básicos incluyendo la filtración gruesa.

Figura 18. Procesos de potabilización para aguas crudas22

22 Tomado de: http://www.aquapurificacion.com/agua-municipal.htm

http://www.aquapurificacion.com/agua-municipal.htm

110



7.1. Filtración gruesa

La filtración gruesa utilizando rejas y mallas que detienen troncos, ramas, piedras

y cualquier otro elemento de tamaño relativamente grande que flote o se

transporte en el recurso de agua objeto del tratamiento.

7.2. Desarenador

Luego pasa a una etapa de reposo en el desarenador, donde se permite la

sedimentación de partículas con diámetro de partícula equivalente a las de las

arenas.

7.3. Coagulación- floculación

El proceso siguiente es la coagulación (que engloba coagulación-floculación-

sedimentación) ya analizado en la lección anterior.

El proceso final corresponde a la desinfección, el cual se trata con algún grado de

detalle a continuación.

7.4. Desinfección

Comprende los diferentes procesos que tienen como objetivo impedir la

diseminación de las enfermedades de origen hídrico, mediante la eliminación de

microorganismos patógenos, pero que, no obstante, no destruyen las esporas.

7.4.1. Con cloro y compuestos derivados

Este tipo de tratamiento utiliza para las aguas la acción del cloro y compuestos

derivados como son los hipocloritos de calcio y sodio.

7.4.1.1. Características de la cloración

111



112



7.4.1.2. Reacciones del cloro con el agua

A partir de cloro elemental gaseoso o líquido:

Se presentan dos reacciones principales:

(2.1) Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl-

Ácido hipocloroso

(2.2) HOCl OCl- + H+

Ión hipoclorito

Respecto a la reacción (2.1), en la práctica, se utilizan concentraciones de Cl2

menores de 1000 mg/L que favorecen la reacción de hidrólisis, efectiva en un valor

cercano al 100%, siempre y cuando el pH sea mayor de 3.

En la reacción (2.2) el grado de disociación del ácido hipocloroso depende del pH.

Las especies químicas ácido hipocloroso e ión hipoclorito presentes en el agua se

conocen como cloro libre disponible; también se denominan residual de cloro libre.

De acuerdo con el valor del pH, la presencia de estas especies en el agua es la

siguiente:

Valor de pH Especie química predominante

Igual o < 6 HOCl

7,7 Cantidades aproximadamente iguales

de HOCl y OCl-

Igual o > 9 OCl-

Entre estas dos especies químicas, el que actúa como desinfectante de mayor

efectividad es el ácido hipocloroso, en una proporción de 80 a 100 veces superior

a la del ión hipoclorito, frente al exterminio de E. coli.

Ejercicios:

1) Calcular los porcentajes relativos de ácido hipocloroso y de ión hipoclorito

presentes en agua bajo tratamiento a pH = 6, a 20°C. La constante de disociación

del ácido, a 20°C es 2,7 x 10-8.

113



Solución:

El equilibrio que se presenta corresponde a:

114



2) Para el tratamiento de desinfección en una planta, se tiene una concentración

de ácido hipocloroso de 0,8 mg/L-Cl2. Calcular la concentración de cloro libre en

agua con pH = 5 y temperatura de 20°C. La constante de disociación del ácido, a

20°C es 2,7 x 10-8.

115



Solución:

A partir de hipoclorito de sodio:


(2.3) NaOCl Na+ + OCl-

(2.4) OCl- + H2O HOCl + OH-

Cuando se favorece la tendencia de desplazamiento del equilibrio de la reacción

(2.4) hacia la derecha se presentará un aumento de la alcalinidad del agua.

A partir del hipoclorito de calcio:

116




(2.5) Ca(OCl)2 Ca++ + 2OCl-

(2.6) 2OCl- + 2H2O 2HOCl + 2OH-

El desplazamiento del equilibrio de estas dos reacciones hacia la derecha

favorecen el incremento de la alcalinidad y la dureza total del agua (para estos dos

últimos parámetros ver lección 15 y numeral 7.5 de ablandamiento,

respectivamente).

7.4.1.3. Reacciones de formación de cloraminas

La adición de cloro a un agua que contiene amoníaco da lugar a reacciones en

que participan este último compuesto y el ácido hipocloroso presente en los

diferentes equilibrios químicos enunciados anteriormente. Los productos

principales de estas reacciones son la monocloramina, dicloramina y tricloramina.

(2.7) NH3 + HOCl NH2Cl + H2O

Monocloramina

(2.8) NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O

Dicloramina

(2.9) NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O

Tricloramina

Las cloraminas se conocen como cloro combinado disponible; también se

denominan residuales de cloro combinado.

Los factores que influyen en estas reacciones son pH, temperatura, concentración

de amoníaco, dosis de cloro aplicadas al agua y tiempo de contacto.

Las cloraminas son más estables que los residuales de cloro libre, pero estos

últimos son más efectivos como desinfectante.

Cuando todo el amoníaco y las aminas han reaccionado con el cloro, empieza a

formarse un residual de cloro libre. A cierta concentración crítica, la concentración

de cloro libre es lo suficientemente alta como para oxidar las cloraminas.

Oxidación de cloraminas:

(2.10) NH2Cl + NHCl2 + HOCl N2O + 4HCl

117



Con la desaparición de las cloraminas se reduce el cloro residual. Cuando se lleva

a cabo la oxidación de todos los compuestos susceptibles de ser oxidados por

cloro, todo el cloro adicionado produce un residual de cloro libre. El punto en el

cual la oxidación de los productos del amoníaco es completa, se conoce como

punto de quiebre.

Debido a la preocupación creciente alrededor de una serie de subproductos

tóxicos de la cloración, en el agua tratada en los sistemas de distribución, ha

aumentado el interés por las cloraminas como desinfectante alternativo, al formar

menos subproductos de desinfección. Por esto en muchos casos se incorpora en

la práctica de la desinfección final, amoníaco, para generar expresamente la

formación de cloraminas.

Los subproductos de la desinfección son principalmente los trihalometanos y los

ácidos haloacéticos. Entre los primeros se incluyen el cloroformo, el

bromodiclorometano, el clorodibromometano y el bromoformo, todos ellos volátiles

y con capacidad carcinogénica detectada en animales de experimentación.

En relación con las cloraminas, ni los organismos ni las guías internacionales

sobre calidad del agua las asocian con efectos en la salud, ni a corto ni a largo

plazo. La OMS recomienda una concentración máxima de 3 mg/L de cloraminas,

que se basa en una ingestión tolerable diaria (TDI) de monocloramina de 94 mg/kg

de peso del cuerpo23.

Ejercicio:

Calcular la cantidad de ácido hipocloroso (HOCl) expresado como cloro (Cl2) que

se requiere para destruir 1 mg/L de amoníaco (NH3) expresado como nitrógeno

(N), al punto de quiebre.

Solución:

La reacción que representa la oxidación al punto de quiebre es la siguiente:

2NH3 + 3HOCl N2 + 3H2O + 3HCl

23 RAMÍREZ, Francisco. Desinfección del agua con cloro y cloraminas.

http://www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/20/42/a42.pdf 2005, p 56

http://www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/20/42/a42.pdf

118



De acuerdo con la relación estequiométrica 3 moles de HOCl reaccionan con 2

moles de NH3.

Expresando el HOCl como Cl2 y el NH3 como N se tiene:

Cl2 3 x 71 = = 7,6 NH3- N 2 x 14 Por tanto, se requieren 7,6 mg/L – Cl2 para destruir 1 mg/L de NH3-N

7.4.1.4. Demanda de cloro

La determinación de la demanda de cloro es importante para cuantificar la

concentración y la capacidad de las especies químicas, que contienen cloro,

requeridas en la etapa de desinfección del agua, para decidir el agente

desinfectante a utilizar y la dosis de cloro a aplicar.

Demanda de cloro = dosis de cloro – cloro residual

La demanda de cloro es diferente según el tipo de agua que se vaya a tratar. Se

deben tener en cuenta con las siguientes situaciones cuando se adiciona cloro a

un agua que contiene agentes reductores, amoníaco y aminas orgánicas:

o Inicialmente el cloro reacciona con los agentes reductores, es decir, la

demanda de cloro es la ejercida por estos agentes, la cual se conoce como

demanda inmediata de cloro, y no se aprecia formación de cloro residual.

o Enseguida el cloro reacciona con la cantidad presente de amoníaco y de

aminas orgánicas para formar cloro residual combinado.

o Una vez agotados el amoníaco y las aminas orgánicas empieza a formarse

cloro residual libre.

o A medida que aumenta la formación de cloro residual libre se alcanza una

concentración de éste, denominada crítica, suficiente para oxidar las

cloraminas. En esta etapa, el consumo del cloro residual libre va

acompañado de la formación de óxido nitroso, nitrógeno, tricloruro de

nitrógeno y ácido clorhídrico.

o El punto en el que la oxidación por parte del cloro es completa se denomina

punto de quiebre. A partir de este punto, el cloro adicionado da lugar a la

formación de cloro residual libre.

119



7.4.2. Con ozono

El ozono utilizado como desinfectante tiene características germicidas iguales o

superiores a las del cloro. Un residual de ozono de 0,1 mg/L, durante cinco

minutos, es adecuado para desinfectar aguas con contenido alto de materia

orgánica y que estén libres de material suspendido.

Para su utilización el ozono debe producirse in situ mediante el paso de oxígeno o

de aire seco a través de una descarga eléctrica de 5.000 a 20.000 voltios y 50 a

60 hertz, con un consumo de energía de 10 a 25 kWh por kg de O3. Una limitante

para su uso es, precisamente, el consumo alto de energía requerido para su

producción.

Como germicida sus ventajas radican en su capacidad para remover problemas de

color, olor y sabor, y que su efectividad alta no se ve afectada por los compuestos

de amoníaco ni por el pH.

La desventaja, además de su costo, frente a otros germicidas, es su solubilidad

baja en agua y que debido a su inestabilidad no deja concentración residual en

ella, es decir, que cuando se descompone el único compuesto residual es más

oxígeno disuelto.

Su inestabilidad y el efecto residual prácticamente nulo se pueden considerar

como una ventaja desde el punto de vista de efectos para la salud, debido a que

se minimizan los riesgos de actividad como gas muy tóxico.

Sin embargo, en sistemas de desinfección con ozono se debe controlar su

reacción con el ión bromuro (Br-) que conduce a la formación del ión bromato

(BrO3-), el cual tiene efectos adversos sobre el riñón, el intestino y el oído de los

seres humanos. Se tiene establecida una concentración límite de bromato de 0,01

mg/L

Con base en las características germicidas del cloro y el ozono y en su reactividad

un programa de desinfección puede contemplar la ozonización y la cloración en

etapas secuenciales. La aplicación inicial del ozono produce la oxidación de

fenoles, la destrucción de gérmenes y favorece una mejor calidad física del agua,

mientras que la cloración posterior garantiza una concentración residual

desinfectante para protección del agua en todo el sistema de distribución.

120



7.5. Ablandamiento

Este proceso se aplica eventualmente como parte del tratamiento de potabilidad

del agua. Su aplicación no tiene efectos significativos sobre la potabilidad, pero sí

tiene efectos en relación con los siguientes aspectos:

o Permite una eficiencia mayor en el lavado tanto de ropa como de artefactos

domésticos.

o Reduce la cantidad de jabón y detergentes necesaria en el lavado.

o Favorece la preparación y cocción de los alimentos.

o Aminora la presencia de incrustaciones en conductos y artefactos

domésticos.

o Ayuda a mejorar la eficiencia de la etapa de filtración.

El proceso de ablandamiento de aguas duras es costoso en la fase de

implementación de infraestructura y en la de operación. Por esto, su aplicación no

es generalizada y sólo en los casos de una dureza total mayor de 200 mg/L que

puede causar problemas de distribución y utilización del agua se justifica su

utilización.

En la Tabla 7 se presentan los métodos utilizados para el ablandamiento de agua.

121



Tabla 7. Métodos para el ablandamiento del agua

CON CAL Y

CARBONATO DE

SODIO (soda ash)

CON SODA

CÁUSTICA

CON RESINAS DE

INTERCAMBIO

CATIÓNICO

PRINCIPIO

Precipitación del Ca como carbonato y del Mg

como hidróxido, con base en la baja solubilidad

del CaCO3 (Kps = 5 x 10-9

) y del Mg(OH)2 (Kps=

9 x 10-12

)

El Ca y el Mg son

reemplazados por el Na

presente en la resina

COMPUESTOS

ADICIONADOS

Ca(OH)2

y

Na2CO3

Na (OH) Resina con Na como

catión activo

REACCIONES

INVOLUCRADAS

(1) Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2

2CaCO3 + 2H2O

(2) Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2

CaCO3 + MgCO3

+ 2H2O

(3) MgCO3 + Ca(OH)2

CaCO3 + Mg(OH)2

(4) MgSO4 + Ca(OH)2

Mg(OH)2 + CaSO4

(5) CO2 + Ca(OH)2

CaCO3 + H2O

(6) CaSO4 + Na2CO3

CaCO3 + Na2SO4

(7) Ca(OH)2 + CO2 pH>9,5

CaCO3 + H2O

(8) Mg(OH)2 + CO2 pH>9,5

MgCO3 + H2O

(9) CaCO3 + CO2 + H2O

pH < 8,6 Ca(HCO3)2

1) CO2 + 2NaOH

Na2CO3 + H2O

2) Ca(HCO3)2 + 2NaOH

CaCO3

+Na2CO3

+ 2H2O

3) Mg(HCO3)2 + 4NaOH

Mg(OH)2 +

2Na2CO3 + 2H2O

4) MgSO4 + 2NaOH

Mg(OH)2 +

Na2SO4

Ca2+

(HCO3)2

1) Na2R + (SO4)2-

Mg2+

2Cl-

Ca 2NaHCO3

R + Na2SO4

Mg 2NaCl

Ca

2) R + NaCl

Mg

Ca

Na2R + Cl2

Mg

R = Resina. Puede

utilizarse, por ejemplo,

zeolita

ETAPAS

1) y 2) Remoción de dureza

carbonácea.

3) y 4) Remoción de dureza

por magnesio.

5) Remoción del dióxido de

carbono

6) Remoción de dureza no

carbonácea.

7) a 9) Recarbonatación

1) Remoción del CO2

2) y 3) Remoción de

dureza carbonácea.

4) Remoción de dureza

no carbonácea

1) Remoción del Ca y el

Mg del agua.

2)Reactivación de la

resina

122



Debido a que el proceso de ablandamiento tiene relación directa con el parámetro

denominado dureza, a continuación se presentan sus principales características.

Dureza: se presenta en las aguas debido a la presencia de iones metálicos

divalentes que pueden reaccionar con el jabón para formar precipitados y de

ciertos aniones que pueden formar incrustaciones.

Los principales cationes son: Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe2+ y Mn2+

Los principales aniones son: HCO3-, SO4

2-, Cl-, NO3- y SiO3

2-

La dureza se expresa en mg/L como CaCO3

Dureza total: en la mayoría de las aguas corresponde a la dureza ocasionada por

los iones calcio y magnesio, por tanto:

Dureza total = dureza por calcio + dureza por magnesio

Dureza carbonácea: corresponde a la parte de la dureza total químicamente

equivalente a los bicarbonatos presentes en el agua. Debido a que los

bicarbonatos también son la principal forma de alcalinidad, en las aguas naturales,

entonces:

Alcalinidad (mg/L) = dureza carbonácea (mg/L)

Usualmente se presentan dos situaciones:

Alcalinidad < dureza total; entonces: dureza carbonácea

(mg/L) = alcalinidad (mg/L)

Alcalinidad > ó = dureza total; entonces: dureza

carbonácea (mg/L) = dureza total (mg/

La dureza carbonácea se denomina también dureza temporal o no permanente

debido a que desaparece mediante ebullición prolongada:

Ca2+ + 2HCO3- ∆ CaCO3 + CO2 + H2O

Dureza no carbonácea: corresponde a la dureza que no está relacionada

químicamente con los bicarbonatos, por tanto:

Dureza no carbonácea = dureza total – alcalinidad

La dureza no carbonácea incluye principalmente sulfatos, cloruros y nitratos de

calcio y magnesio.

123



Dureza no carbonácea negativa: se presenta cuando la alcalinidad es mayor que

la dureza total. El valor negativo indica que no se puede hablar de dureza, pero se

acostumbra a denominarla dureza no carbonácea negativa.

La alcalinidad mayor que la dureza total se explica por la existencia de una

cantidad de iones bicarbonato mayor que la necesaria para contrarrestar las

cargas positivas de los iones causantes de la dureza; el exceso estará asociado a

iones, como el Na+ y K+.

Ejercicio:

Se realizó un análisis de una muestra de agua y con base en los resultados se

determinó llevar a cabo el proceso de ablandamiento.

Los resultados del análisis fueron:

CO2 = 8,0 mg/L HCO3- = 127,0 mg/L

Ca2+ = 44,4 mg/L SO42- = 42,2 mg/L

Mg2+ = 15,4 mg/L Cl- = 26,3 mg/L

Na+ = 15,2 mg/L

a) Expresar los resultados de los análisis en meq/L (miliequivalentes/litro)

b) Corroborar la electroneutralidad de la solución, mediante un diagrama y

establecer los posibles compuestos presentes.

c) Establecer en mg/L-CaCO3 la dureza total, la dureza carbonácea y la dureza no

carbonácea.

d) Calcular los mg/L de Ca(OH)2 necesarios para reaccionar con 1mg/L de las

siguientes especies químicas: CO2 expresado como CO2, Mg2+ expresado como

CaCO3, dureza carbonácea.

e) Calcular los mg/L de Na2CO3 necesarios para reaccionar con 1mg/L de dureza

no carbonácea.

f) De acuerdo con los resultados de los análisis de la muestra de agua, calcular la

dosis de cal (Ca(OH)2) requerida para reaccionar con el CO2, la dureza

carbonácea y la dureza por magnesio.

g) Calcular la dosis total de cal (Ca(OH)2) aplicada, si al ejecutar el proceso de

ablandamiento se decidió adicionar un exceso de 50 mg/L

124



h) Calcular la cantidad de Na2CO3 requerida para el ablandamiento.

Solución:

a) Resultados del análisis en meq/L (miliequivalentes/litro):

Especie química mg/L en la

muestra

Masa de 1 meq

(mg)

No. de meq/L en

la muestra

CO2 8,0 22,0 0,36

Ca2+ 44,4 20,0 2,22

Mg2+ 15,4 12,0 1,28

Na+ 15,2 23,0 0,66

HCO3- 127,0 50,0* 2,54

SO42- 42,2 48,0 0,88

Cl- 26,3 35,5 0,74

*Se expresa como CaCO3

b) CO2 = 0,36 meq/L

0 2,0 4,0 meq/L

Cationes Ca2+ Mg2+ Na+

2,25 3,5 4,16

0 2,0 4,0 meq/L

Aniones HCO3- SO4

2- Cl-

2,54 3,42 4,16

Electroneutralidad: Σ de cationes = Σ de aniones

Compuestos posibles: Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, MgSO4, MgCl, NaCl

125



c) Dureza total = dureza por calcio + dureza por magnesio

Dureza total = (2,22 x 50*) + (1,28 x 50*)

Dureza total = 111 + 64 = 175 mg/L – CaCO3

*masa de un meq de CaCO3

Dureza carbonácea = 2,54 x 50 = 127 mg/L – CaCO3

Dureza no carbonácea = dureza total – alcalinidad

Debido a que alcalinidad = dureza carbonácea

Dureza no carbonácea = dureza total – dureza carbonácea

Dureza no carbonácea = 175 – 127 = 48 mg/L – CaCO3

d)

Especie química

Masa

molecular

(g)

Ca(OH)2 74

CO2 44

CaCO3* 100

*Mg2+ y HCO3- se expresan como CaCO3

Teniendo en cuenta la estequiometria de las reacciones de la Tabla 7:

- Reacción 7, columna izquierda: 1 mol de CO2 reacciona con 1 mol de

Ca(OH)2. Por tanto:

Ca(OH)2 74 = = 1,68 CO2 44 Se requieren 1,68 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de CO2,

expresado como CO2

- Reacciones 3 y 4, columna izquierda: 1 mol del carbonato de magnesio o

una mol del sulfato de magnesio reaccionan con 1 mol de Ca(OH)2. Por

tanto, para Mg2+ expresado como CaCO3 se tiene:

126



Ca(OH)2 74 = = 0,74 CaCO3 100

Se requieren 0,74 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de Mg2+

expresado como CaCO3.

- Reacciones 1 y 2, columna izquierda: 1 mol de bicarbonato de calcio o una

mol de bicarbonato de magnesio reaccionan con 1 mol de Ca(OH)2. Por

tanto, para la dureza carbonácea expresada como CaCO3 se tiene:

Ca(OH)2 74 = = 0,74 CaCO3 100

Se requieren 0,74 mg/L de Ca(OH)2 para reaccionar con 1 mg/L de dureza

carbonácea expresada como CaCO3.

e) Tabla 7, reacción 6, columna izquierda: 1mol de sulfato de calcio reacciona con 1

mol de carbonato de calcio.

Especie química

Masa

molecular

(g)

Na2CO3 106

CaCO3* 100

*CaSO4 expresado como carbonato de calcio

Na2CO3 106 = = 1,06 CaCO3 100

Se requieren 1,06 mg/L de Na2CO3 para reaccionar con 1 mg/L de dureza

carbonácea, expresada como CaCO3.

f) Dosis de Ca(OH)2 requeridas para:

- CO2 = 8,0 x 1,68 = 13,44 mg/L de Ca(OH)2

- Dureza carbonácea = 127 x 0,74 = 93,98 mg/L de Ca(OH)2

127



- Dureza por magnesio: 1,28 meq/L x 50* = 64 mg/L

64 x 0,74 = 47,36 mg/L de Ca(OH)2

* masa de 1 meq de CaCO3

g) Dosis total de Ca(OH)2 aplicada: Σ dosis para CO2, dureza carbonácea, por

magnesio, en exceso = 13,44 + 43,98 + 47,36 + 50,00 = 204,78 mg/L de Ca(OH)2

h) Cantidad de Na2CO3 requerida para el ablandamiento:

Dureza no carbonácea = 48 mg/L – CaCO3

Dosis de Na2CO3 = 48 mg/L – CaCO3 x 1,06 = 50,88 mg/L de Na2CO3 requeridos

para el ablandamiento.

7.6. Agua segura

La Organización Panamericana de la Salud (OPS) establece que generalmente se

define como agua segura el agua apta para el consumo humano, de buena calidad

y que no genera enfermedades. Es un agua que ha sido sometida a algún proceso

de potabilización o purificación casera.

El concepto de agua segura se origina en la dificultad que tienen muchos países

en vías de desarrollo de disponer de agua potable, entendida como aquella que

cumple estrictamente con las normas de calidad establecidas y controladas por las

autoridades locales e internacionales.

La dificultad radica en los altos costos que implica el tratamiento del agua, para

cumplir con los estándares de potabilidad. Por esto, se han creado programas de

cooperación internacional que tienen como objetivo divulgar procedimientos fáciles

y económicos de obtener agua segura.

Las tecnologías divulgadas comprenden tres operaciones principales:

1. Clarificación del agua en el hogar: comprende la sedimentación, el uso de

sustancias químicas y el uso de sustancias naturales.

2. Filtración del agua en el hogar: comprende la utilización del filtro de

bioarena, del filtro lento domiciliario o del filtro de mesa.

3. Desinfección del agua en el hogar: comprende hervido, cloración casera,

desinfección solar del agua y filtros de cerámica.

128



Ejercicio:

Se tomó una muestra de una fuente de agua natural que se piensa utilizar como

agua potable. Una vez realizado el análisis se encontraron las siguientes

sustancias que se deben eliminar para cumplir con la legislación establecida para

aguas potables: arenas, limo fino y bacterias, sales de calcio y magnesio y

metales.

Determine que procesos se deben realizar como parte del tratamiento del agua.

Solución:

La eliminación de las sustancias se puede realizar de la siguiente manera:

Arenas: decantación o filtración

Limo fino y bacterias, los cuales constituyen un sistema coloidal: coagulación-

floculación y filtración.

Sales de calcio y magnesio: ablandamiento

Metales: precipitación o extracción por intercambio iónico

Lección 8: Composición de las aguas residuales


Los habitantes de las poblaciones bien sean urbanas o rurales generan residuos

que pueden ser tanto sólidos como líquidos. Las aguas residuales corresponden a

la fracción líquida resultante de la combinación de los residuos líquidos, los cuales

PALABRAS CLAVE: características físicas, características químicas,

características biológicas

ACTIVIDAD # 10: Para conocer más acerca de las características de estas

tecnologías y de su funcionamiento a nivel casero consulte el siguiente sitio WEB:

http://www.aguasegura.org/es/sedimentacion.php

http://www.aguasegura.org/es/sedimentacion.php

129



básicamente consisten de agua que ha sido contaminada durante los diferentes

usos a los cuales ha sido sometida.

De acuerdo con lo anterior se puede hablar de dos grandes tipos de aguas

residuales:

Agua residual doméstica: proveniente de zonas residenciales, comerciales,

institucionales y recreativas.

Agua residual no doméstica: proveniente de industrias.

A continuación se presenta la composición general de estos tipos de aguas, a

través de sus componentes físicos, químicos y biológicos.

8.1. Características físicas

PARÁMETRO DESCRIPCIÓN

Sólidos Totales Comprenden la materia sedimentable,

la materia coloidal y la materia disuelta.

Desde el punto de vista de la química

analítica, se definen como la materia

que se obtiene como residuo después

de evaporar el agua a una temperatura

entre 103°C-105°C.

Color Se origina por la presencia en el agua

de sustancias disueltas y sólidos en

suspensión o coloidales.

Los colores comúnmente observados

son: negro, carmelito claro y gris claro y

oscuro.

Olor Aparece debido a la presencia de

compuestos como el indol, escatol,

sulfuro de hidrógeno y mercaptanos,

entre otros

Temperatura Generalmente tiene un valor más alto

que el de agua de abastecimiento

debido a que se incorpora agua caliente

proveniente del uso doméstico y

130



procesos industriales.

Afecta las reacciones químicas y los

procesos biológicos

8.2. Características químicas


Materia orgánica biodegradable Comprende principalmente proteínas

(40-50%), carbohidratos (25-50%) y

grasas y aceites (8-12%). Los fenoles

según el tipo específico pueden ser

biodegradables o difícilmente

biodegradables. Se mide mediante la

determinación de la demanda biológica

de oxígeno (DBO) y la demanda

química de oxígeno (DQO).

Materia orgánica refractaria Comprende compuestos difícilmente

degradables o no degradables. Entre

estos compuestos están los agentes

tensoactivos y los pesticidas.

Materia inorgánica Comprende diversas sustancias, como

las que el agua disuelve cuando entra

en contacto con rocas y minerales, las

cuales se constituyen en componentes

naturales, que en términos generales

no son peligrosos y que, por tanto, no

son el objetivo principal en los

tratamientos. Sin embargo, se

encuentran otras sustancias, que de

acuerdo con su concentración, son

peligrosas y afectan los usos del agua

como los cloruros, el azufre y metales

como el níquel, el manganeso, el

plomo, el cromo, el cadmio, el cinc, el

cobre, el hierro y el mercurio.

131



Nutrientes Incluyen principalmente el nitrógeno y

el fósforo.

El nitrógeno en sus diferentes formas:

amoniacal, nitritos, nitratos y orgánico.

El fósforo en diferentes formas:

polifosfatos, ortofosfatos y orgánico.

Gases Algunos de ellos proceden de la

descomposición de la materia orgánica:

Sulfuro de hidrógeno, amoníaco y

metano.

Otros gases presentes son: nitrógeno,

oxígeno y dióxido de carbono

8.3. Características biológicas


Microorganismos Comprenden eucariotas, bacterias y

arquebacterias

Patógenos Comprende bacterias, parásitos

(protozoos y helmintos) y virus

Organismos indicadores Comprende organismos coliformes

cuya presencia es numerosa y fácil de

comprobar. Se utilizan como indicador

de la posible presencia o de la ausencia

de organismos patógenos.

Lección 9: Tratamiento de aguas residuales

PALABRAS CLAVE: operaciones unitarias, procesos unitarios, niveles de

tratamiento

132



Los procesos normalmente utilizados para el tratamiento de las aguas residuales

aplican tanto para aguas procedentes de uso doméstico como para aquellas

procedentes de uso industrial.

La diferencia más notoria se da alrededor de la presencia de metales pesados que

es poco usual en aguas de origen doméstico, mientras que en las de origen

industrial es más frecuente, dependiendo del tipo de industria como las de

metalurgia, química y electrónica.

En el tratamiento de aguas residuales se utilizan operaciones unitarias y procesos

unitarios. Las operaciones unitarias se refieren a los métodos de tratamiento en

los que predominan los fenómenos físicos. Por su parte, los procesos unitarios

corresponden a los métodos en que la eliminación de los contaminantes involucra

reacciones químicas o biológicas.

Las operaciones unitarias más comunes comprenden: desbaste, mezclado,

floculación, sedimentación, flotación, transferencia de gases y filtración.

Entre los procesos químicos unitarios más utilizados se contemplan la

precipitación, la adsorción y la desinfección.

Las operaciones y procesos unitarios se combinan para reducir los contaminantes

presentes hasta un nivel aceptable, de acuerdo con el uso que se vaya a dar al

agua tratada. La combinación de operaciones y procesos constituyen un sistema

de tratamiento.

Cada sistema de tratamiento es particular porque depende de la composición y

características del agua que se va a tratar. Sin embargo, se puede establecer que

prácticamente todo sistema de tratamiento consta de tres subsistemas o niveles

principales: primario, secundario y terciario.

Niveles de tratamiento

133



Según el tipo de agua a tratar se puede requerir de un tratamiento previo al

primario. Este tratamiento preliminar tiene como finalidad la remoción de

materiales que puedan causar problemas de funcionamiento y mantenimiento en

los reactores y sistemas auxiliares. En este caso se utilizan principalmente las

siguientes operaciones:

o Desbaste y dilaceración, para eliminar sólidos gruesos. El desbaste utiliza la

retención en superficies; los elementos utilizados son las rejas (aberturas >

25 mm) y los tamices (aberturas de hasta 6 mm). La dilaceración consiste

en la trituración de sólidos gruesos en tamaños menores y más

homogéneos.

o Flotación para eliminar grasas y aceites.

o Desarenado, para eliminar materia en suspensión gruesa.

El tratamiento primario elimina gran parte del material sólido y rebaja

moderadamente la DBO. Para esto se permite la sedimentación de los sólidos y se

eliminan las espumas sobrenadantes.

En el tratamiento secundario se utilizan procesos biológicos para continuar

disminuyendo la DBO y reducir el material sólido restante. El proceso biológico

más utilizado es el de lodos activados, en el cual la acción bacteriana se aumenta

favoreciendo el contacto de aire, lodo y el efluente proveniente del tratamiento

primario.

134



El tratamiento terciario, también denominado avanzado, tiene como finalidad la

eliminación de casi la totalidad de los contaminantes disueltos y en suspensión

remanentes después del tratamiento secundario. Si se trata de metales pesados

se puede utilizar precipitación química e intercambio de iones.

Ejercicios:

1) Realice la siguiente lectura tomada de:

http://www.enziclean.com/articulos/tratamiento_biologico_de_aguas_residuales_uso_de_bacterias_beneficas.

html

LAS AGUAS NEGRAS

La naturaleza procesa la contaminación mediante procesos cíclicos

(geoquímicos), pero actualmente le resultan insuficientes para procesar tanto la

contaminación que es generada por las actividades del hombre como la propia.

En todos los grandes centros urbanos del planeta Tierra se generan grandes

cantidades de aguas negras como consecuencia del desarrollo de las actividades

humanas, por lo que las principales fuentes de aguas negras son la industria, la

ganadería, la agricultura y las actividades domésticas que se incrementan con el

crecimiento de la población humana.

Por otra parte, en la mayoría de los países los sistemas de aguas negras

domésticas es el mismo para recibir las aguas pluviales lo cual provoca mayores

problemas de contaminación porque acelera la distribución de aguas negras a

lugares no previstos para ello.

Las aguas negras son generadas por las actividades humanas y sólo en países

desarrollados son tratadas parte de ellas para eliminarles los componentes

considerados peligrosos y para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

antes de ser arrojados a las fuentes naturales. Sin embargo, en casi todos los

países todavía las industrias arrojan las aguas de desecho a los desagües sin

ningún tratamiento previo y en la mayoría de los países subdesarrollados son

pocas las industrias que les dan algún tratamiento antes de ser desechadas, lo

que a nivel global hace que el problema de la generación de las aguas negras

aumente a medida que crece la población, la industria y las demás actividades

humanas.

Los contaminantes biodegradables de las aguas negras pueden ser degradados

mediante procesos naturales o en sistemas de tratamientos hechos por el hombre,

en los que acelera el proceso de descomposición de la materia orgánica con

microorganismos.

http://www.enziclean.com/articulos/tratamiento_biologico_de_aguas_residuales_uso_de_bacterias_beneficas.html

http://www.enziclean.com/articulos/tratamiento_biologico_de_aguas_residuales_uso_de_bacterias_beneficas.html

135



Se le llama tratamiento primario de aguas negras al proceso que se usa para

eliminar los sólidos de las aguas contaminadas; secundario, al que se usa para

reducir la cantidad de materia orgánica por la acción de bacterias (disminuir la

demanda bioquímica de oxígeno) y terciario, al proceso que se usa para eliminar

los productos químicos como fosfatos, nitratos, plaguicidas, sales, materia

orgánica persistente, entre otros.

Entre las disciplinas que participan en los proceso de tratamientos de aguas

contaminadas se encuentran: ingenierías y ciencias exactas (ingeniería química,

ingeniería civil, ingeniería mecánica y eléctrica, química y física), ciencias de la

vida (biología, biología marina, microbiología, bacteriología), ciencias de la tierra

(geología, hidrología, oceanografía) y, ciencias sociales y económicas (leyes,

sociología, ciencias políticas, relaciones públicas, economía y administración).

Tratamiento primario de las aguas negras

Entre las operaciones que se utilizan en los tratamientos primarios de aguas

contaminadas están: la filtración, la sedimentación, la flotación, la separación de

grasas y aceites y la neutralización.

El tratamiento primario de las aguas negras es un proceso mecánico que utiliza

cribas para separar los desechos de mayor tamaño como palos, piedras y trapos.

Las aguas negras de las alcantarillas llegan a la cámara de dispersión en donde

se encuentran las cribas, de donde pasan las aguas negras al tanque de

sedimentación. De aquí los sedimentos pasan a un tanque digestor y luego al

lecho secador, para luego ser utilizados como fertilizante en las tierras de cultivo o

a un relleno sanitario o son arrojados al mar.

Del tanque de sedimentación, el agua es conducida a un tanque de desinfección

con cloro (para matarle las bacterias) y una vez que cumpla con los límites de

depuración sea arrojada a un lago, un río o al mar.

Otra manera de hacer el tratamiento primario a las aguas negras conocidas

también como aguas crudas de albañal, consiste en hacerla pasar a través de una

criba de barras para separar los objetos de mayor tamaño. Algunas plantas de

tratamiento de aguas negras tienen trituradores para los objetos grandes con el

objeto de que no obstruyan esta etapa del tratamiento.

Luego pasan las aguas a un tanque de sedimentación donde fluye lentamente

para que sedimenten las piedras, arena y otros objetos pesados. De éste tanque

las aguas negras pasan a otro grande llamado de asentamiento, en donde se

sedimentan los sólidos en suspensión (quedan como lodos en el fondo del tanque)

y, los aceites y las grasas flotan en forma de nata o espuma.

136



Después de este proceso, en algunos casos, el agua que queda entre el lodo y la

nata se escurre o libera al ambiente o se le da un tratamiento con cloro (proceso

de cloración) para matarle las bacterias antes de ser arrojadas al ambiente o se

hace pasar al tratamiento secundario.

El tratamiento primario de las aguas negras elimina alrededor del 60% de los

sólidos en suspensión y el 35% de los materiales orgánicos (35% de la demanda

bioquímica de oxígeno). Solamente en los países desarrollados se trata cerca del

30% de las aguas negras domésticas mediante el tratamiento primario y cerca del

60% se somete al tratamiento secundario ya que éste cuesta aproximadamente el

doble de lo que cuesta el tratamiento primario.

Tratamiento secundario de las aguas negras

Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento secundario de las aguas

contaminadas están el proceso de lodos activados, la aireación u oxidación total,

filtración por goteo y el tratamiento anaeróbico.

El tratamiento secundario de aguas negras es un proceso biológico que utiliza

bacterias aerobias como un primer paso para remover hasta cerca del 90 % de los

desechos biodegradables que requieren oxígeno. Después de la sedimentación, el

agua pasa a un tanque de aireación en donde se lleva a cabo el proceso de

degradación de la materia orgánica y posteriormente pasa a un segundo tanque

de sedimentación, de ahí al tanque de desinfección por cloro y después se

descarga para su reutilización.

El tratamiento secundario más común para el tratamiento de aguas negras es el

de los lodos activados. Las aguas negras que provienen del tratamiento primario

pasan a un tanque de aireación en donde se hace inyecta aire a presión o se

produce un efecto de agitación mecánica desde el fondo del tanque, con el

propósito de brindar un rápido crecimiento de las bacterias aeróbicas y otros

microorganismos. Las bacterias aeróbicas utilizan el oxígeno para descomponer

los desechos orgánicos de las aguas negras.

Los sólidos en suspensión y las bacterias forman una especie de lodo conocido

como lodo activado, el cual se deja sedimentar y luego es llevado a un tanque

digestor aeróbico para que sea degradado. Finalmente el lodo activado es

utilizado como fertilizante en los campos de cultivo, incinerado, llevado a un

relleno sanitario o arrojado al mar.

Otras plantas de tratamiento de aguas negras utilizan un dispositivo llamado filtro

percolador en lugar del proceso de lodos activados. En este método, las aguas

negras a las que les han sido eliminados los sólidos grandes, son rociadas sobre

137



un lecho de piedras de aproximadamente 1.80 metros de profundidad. A medida

que el agua se filtra entre las piedras entra en contacto con las bacterias que

descomponen a los contaminantes orgánicos.

A su vez, las bacterias son consumidas por otros organismos presentes en el filtro.

Del tanque de aireación o del filtro percolador se hace pasar el agua a otro tanque

para que sedimenten los lodos activados. El lodo sedimentado en este tanque se

pasa de nuevo al tanque de aireación mezclándolo con las aguas negras que se

están recibiendo o se separa, se trata y luego se tira o se entierra.

Una planta aeróbica de tratamiento de aguas negras produce grandes cantidades

de lodos que se necesitan eliminar como desechos sólidos. El proceso de

eliminación de sólidos de las aguas negras no consiste en quitarlos y tirarlos, sino

que se requiere tratarlos antes de tirarlos y su eliminación es complicada y

costosa.

Algunas plantas de tratamiento de aguas negras utilizan filtros trampa, en donde

las bacterias aerobias llevan a cabo el proceso de degradación de la materia

orgánica cuando las aguas escurren a través de un lecho grande lleno de piedra

triturada cubierta de bacterias aerobias y de protozoarios.

Tratamiento de aguas en plantas anaeróbicas

El proceso de degradación de los residuos orgánicos también se puede producir

en condiciones anaeróbicas. En este caso, las bacterias que descomponen la

materia orgánica no utilizan oxígeno y se producen reacciones químicas

diferentes. La desventaja de la descomposición anaeróbica es la producción de

gases como el metano y compuestos sulfurosos que producen malos olores, por lo

cual el control de estos gases es un proceso de atención particular. La ventaja

principal del tratamiento anaeróbico es que no utiliza energía externa para mover

componentes mecánicos como los aireadores utilizados en la plantas aeróbicas.

Normalmente las plantas de tratamiento ya sean aeróbicas o anaeróbicas, utilizan

la flora natural para realizar los procesos de degradación de la materia orgánica.

Sin embargo, este proceso se puede acelerar o potenciar utilizando bacterias

benéficas mediante la bio-ingeniería. Uno de tales productos es el compuesto de

bacterias llamado Enziclean que es una mezcla de bacterias aeróbicas,

anaerobias y facultativas; es decir, que trabajan en ambientes tanto aerobios como

anaerobios. La calidad biológica de estas bacterias es tal, que inclusive pueden

sustituir completamente la necesidad de una planta de tratamiento en pequeñas

industrias o granjas o en tratamientos domésticos.

138



Limitaciones del tratamiento biológico

Como los tratamientos primario y secundario de aguas negras no eliminan a los

nitratos ni a los fosfatos, éstos contribuyen a acelerar el proceso de eutroficación

de los lagos, de las corrientes fluviales de movimiento lento y de las aguas

costeras.

Los tratamientos primario y secundario de las aguas negras tampoco eliminan

productos químicos persistentes como los plaguicidas, ni los radioisótopos de vida

media grande, los ambientalistas los consideran insuficientes, limitados e

imperfectos, por lo que exigen que se debe hacer un mejor tratamiento de las

aguas negras y de los desechos industriales, así como evitar una sobrecarga.

Para esto se tienen contemplados los tratamientos terciarios.

Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas negras eliminan cerca del

90% de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica (90%

de la demanda bioquímica de oxígeno). Una parte de los sólidos eliminados en

este tratamiento se utiliza para la elaboración de fertilizantes pero la mayor parte

de ellos se usa de relleno de terrenos o se tira al mar.

2) Con base en los planteamientos presentados en el inicio de esta lección y los

complementados en la lectura anterior, establezca el tratamiento para un agua

residual en la cual se encontraron sólidos gruesos, sólidos en suspensión, materia

orgánica biodegradable, aceites y Cr (VI).

Respuesta:

Para eliminar los sólidos gruesos y aceites se deberán aplicar tratamientos previos

al primario consistentes en desbaste o dilaceración, para los sólidos gruesos y

flotación para los aceites.

El tratamiento primario de sedimentación se utilizará para sólidos en suspensión.

Este tratamiento también eliminará parte de la materia orgánica (alrededor del

35%).

Para eliminar el resto de materia orgánica biodegradable se requerirá tratamiento

secundario que según las posibilidades de la planta de tratamiento puede ser

anaerobio, por ejemplo, aireación u oxidación completa o lodos activados. Se

recomendaría el tratamiento anaerobio si al medir el DBO del agua se encuentra

que es mayor de 300 ppm.

El cromo que es un metal pesado requerirá un tratamiento terciario, como la

precipitación química. Para eliminar el cromo (VI) se debe reducir primero a cromo

139



(III), por ejemplo con sulfito de sodio en medio ácido, para precipitación posterior

en medio básico (con Ca(OH)2) en forma de hidróxido de cromo, Cr(OH)3.

En este caso específico sería preciso eliminar el cromo antes del tratamiento

biológico (secundario) porque el cromo (VI) es muy tóxico para los

microorganismos que estarían actuando para degradar la materia orgánica.

Lección 10: Reutilización de aguas residuales tratadas

La reutilización de aguas residuales es una opción viable, que ya empieza a

considerarse como un elemento importante en la planificación de recursos

hídricos, en lugares donde la distribución de éstos es desigual o existen períodos

prolongados de sequías.

Un plan de reutilización de las aguas residuales implica que las nuevas categorías

de uso se tengan claramente delimitadas, para que en la etapa de recuperación se

apliquen los métodos de tratamiento que garanticen la calidad del agua requerida

para el nuevo uso.

10.1 Categorías de uso

Las categorías que exigen los estándares de calidad más altos y los controles más

estrictos son el agua potable y el agua para procesar alimentos, por esto no se

consideran como las opciones más deseables e inmediatas para la reutilización.

Entonces, el mayor potencial de reutilización está en los siguientes campos:

Irrigación de tierras de cultivo, de pastos para ganadería y campos

deportivos que utilizan grama. En estos casos es de gran interés que el

agua mantenga buenos niveles de nutrientes, como el nitrógeno y fósforo,

por lo que su tratamiento no tendría que incluir la remoción exhaustiva de

estos elementos.

PALABRAS CLAVE: categorías de nuevo uso, control de calidad, tratamiento de

lodos residuales

140



De enfriamiento y de proceso en aplicaciones industriales. En estos casos

la calidad requerida es relativamente baja, pero no deben descuidarse

aspectos como incrustaciones y corrosión de equipos y conductos.

Recarga del agua subterránea, mediante inyección directa en un acuífero o

aplicación al suelo permitiendo la percolación. En este caso parte del

tratamiento se complementa por procesos de biodegradación y la acción del

suelo y subsuelos como filtros purificadores del agua.

En cualquier caso se debe controlar el potencial de contaminantes nocivos y tener

claramente establecidos los límites permisibles, según el campo de aplicación.

Otro aspecto de interés que surge a raíz del tratamiento de aguas residuales son

los residuos sólidos, semisólidos (lodos) y contaminantes concentrados que se

obtienen separados de las aguas tratadas.

Esta situación se ha constituido en un problema complejo y costoso para la

ingeniería de aguas residuales y se están desarrollando métodos para su

eliminación y evacuación.

10.2. Tipos de lodos24

10.2.1. Lodo crudo: corresponde a aquel que no ha sido tratado ni estabilizado,

tiende a producir acidificación y tiene olor. Se extrae de las plantas de tratamiento

de aguas residuales.

10.2.2. Lodo primario: consiste en productos no disueltos de las aguas residuales

y su composición depende de las características del área de recolección de las

aguas. Generalmente contiene gran cantidad de material orgánico y su

consistencia es de fluido denso, con un porcentaje de agua de 93-97%.

Se produce durante el tratamiento primario de las aguas residuales.

10.2.3. Lodo activo: consiste principalmente de flóculos que contienen biomasa

viva y muerta, además de partículas minerales y orgánicas adsorbidas.

Se produce durante el tratamiento biológico del agua, en el tanque de aireación,

con el cual se busca eliminar la materia orgánica disuelta y los nutrientes de las

aguas residuales. Este tratamiento se caracteriza por la interacción de distintos

tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxígeno y consumen materia

orgánica.

24 http://www.lenntech.es/tipo-de-lodos.htm

http://www.lenntech.es/tipo-de-lodos.htm

141



Los flóculos se remueven para separar la biomasa del agua limpia y un volumen

determinado, según requerimientos, puede bombearse de nuevo al tanque de

aireación.

10.2.4. Lodo activo de retorno: corresponde al lodo que se lleva de nuevo al

tanque de aireación.

10.2.5. Lodo secundario: contiene partículas no hidrolizables y biomasa

resultantes del metabolismo celular.

10.2.6. Lodo terciario: se produce en procesos posteriores al tratamiento biológico,

tales como la adición de agentes floculantes.

10.2.7. Lodo o fango digerido: se produce durante los procesos de digestión

aeróbica. Tiene color negro, olor a tierra y un porcentaje de materia orgánica del

45 al 60%.

10.3. Tratamiento de los lodos25.

10.3.1. Estabilización: se lleva a cabo principalmente para reducir la presencia de

patógenos, eliminar los olores desagradables y reducir o eliminar el potencial de

putrefacción.

Entre las técnicas de estabilización están la digestión anaerobia, la digestión

aerobia, la estabilización con cal, el tratamiento térmico y el compostaje, siendo

las más utilizadas e importantes las dos primeras.

10.3.1.1. Digestión anaerobia: produce la degradación de la materia orgánica en

ausencia de oxígeno molecular.

La materia orgánica presente en la mezcla de lodos primarios y secundarios se

convierte en metano y dióxido de carbono principalmente. El proceso se lleva a

cabo en un reactor completamente cerrado, donde se introducen los lodos de

forma continua y se dejan por períodos de tiempo largos.

El lodo estabilizado que se extrae del proceso tiene un bajo contenido de materia

orgánica y de microorganismos patógenos vivos.

25 http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capitulo8.pdf

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capitulo8.pdf

142



Los dos tipos de digestores más empleados son los de alta y baja carga. En los de

baja carga no se calienta ni se mezcla el contenido del digestor y el tiempo de

permanencia es de 30 a 60 días.

En los de alta carga el contenido del digestor se calienta y se mezcla

completamente. La mezcla se hace mediante recirculación del gas, utilización de

mezcladores mecánicos, bombeo o mezcladores con tubos de aspiración. El

calentamiento busca optimizar la velocidad de digestión y el tiempo de

permanencia es menor a 15 días.

10.3.1.2. Digestión aerobia: es similar al proceso de lodos activados. En cuanto se

agota el suministro de sustrato disponible, los microorganismos empiezan a

consumir su propio protoplasma (respiración endógena) para obtener la energía

necesaria para las reacciones de mantenimiento celular.

El tejido celular se oxida a dióxido de carbono, amoníaco y agua por vía aerobia.

Se oxida entre el 75-80% del tejido celular, debido a que el resto corresponde a

componentes inertes y compuestos orgánicos no biodegradables.

Las principales ventajas de esta digestión comparada con la anaerobia son:

o Se obtienen valores menores de DBO en el líquido sobrenadante.

o El producto final es biológicamente estable y sin olor.

o Los costos de infraestructura son menores.

Las principales desventajas son:

o El lodo resultante tiene características pobres para la deshidratación

mecánica.

o El costo energético relacionado con el suministro de oxígeno necesario es

alto.

La digestión aerobia se utiliza, por lo general, en plantas de tratamiento con

capacidad inferior a 20.000 m3/ día.

10.3.2. Espesamiento: tiene como función reducir el volumen del lodo en

aproximadamente 30-80%, antes de cualquier otro tratamiento.

Este proceso se realiza por medio de las siguientes operaciones:

10.3.2.1. Gravedad o sedimentación: es efectiva en el tratamiento de lodo

primario.

143



Se utilizan tanques circulares, hacia los cuales se conduce el lodo diluido para

depositarlo en una cámara de alimentación central. Una vez el lodo se sedimenta

y se compacta, el lodo espesado se extrae por la parte inferior del tanque y se

bombea a los digestores y el sobrenadante se devuelve al sedimentador primario.

10.3.2.2. Centrifugación: se utiliza con los lodos activados.

Consiste en la decantación de las partículas de lodo bajo la influencia de fuerzas

centrífugas

10.3.2.3. Flotación: resulta efectiva para el tratamiento de cultivo biológico en

suspensión, por ejemplo para lodos activados.

La flotación por aire disuelto es la más utilizada. Consiste en introducir aire en una

solución que se mantiene a una presión determinada; cuando se despresuriza la

solución, el aire disuelto se libera en forma de burbujas finamente divididas que

arrastran el lodo hasta la superficie, en donde se recolecta con un desnatador.

10.3.3. Secado: se lleva a cabo permitiendo la evaporación del agua existente en

los lodos, bien sea por mecanismos de convección o de radiación.

En el secado por convección, los lodos se tratan con aire caliente en un tambor o

cinturón de secado.

En el secado por radiación el calor se suministra mediante energía solar o

elementos infrarrojos.

Ejercicio:

Del análisis de una muestra de agua residual doméstica se conocieron los

siguientes resultados: conductividad = 680 µS/cm; DBO = 205 mg O2/L; DQO =

520 mg O2/L; dureza total: 100 mg CaCO3/L

Con base en la información anterior establezca: a) que tipo de especies químicas

y de contaminantes pueden estar presentes y b) si el agua se va a reutilizar como

agua de riego ¿qué otros parámetros sería importante conocer y por qué?

Solución:

a) La conductividad indica un contenido alto de sales disueltas; la dureza total la

presencia de calcio y magnesio que corresponderán a una cantidad relativamente

importante de los cationes que conforman las sales presentes; el DBO y el DQO

indican un contenido alto de materia orgánica y su relación (alrededor de 0,4)

señala que la cantidad de materia orgánica no biodegradable es de una magnitud

similar a la biodegradable.

144



b) Si el agua se va a reutilizar como agua de riego sería importante conocer: la

concentración de sodio y determinar el índice SAR que indica los peligros de

salinización y alcalinización de los terrenos y la concentración de metales pesados

que pueden ser tóxicos para las especies vegetales.

145




1) Para la eliminación de partículas coloidales y de sales disueltas en aguas ¿qué

procesos físico-químicos pueden utilizarse? Para cada uno de ellos explique en

qué consisten.

2) El cloruro férrico reacciona con la alcalinidad del agua o en su defecto con cal

para formar floc de hidróxido férrico.

Si una planta trata 500 m3/día de agua con 20 mg/L de FeCl3 y el agua contiene la

alcalinidad suficiente, resuelva los siguientes puntos:

a. Plantee la reacción química correspondiente.

b. Determine la alcalinidad requerida.

c. Calcule el consumo diario de cloruro férrico.

3) Indique los floculantes inorgánicos y los orgánicos de mayor uso en el

tratamiento de aguas y establezca una comparación entre ventajas y desventajas

entre estos tipos de floculantes.

4) El esquema siguiente corresponde a los procesos utilizados en una planta de

tratamiento de aguas:

Explique:

a. Qué tipo de contaminante se trata en cada proceso.

b. En qué procesos se debe adicionar reactivos químicos y qué productos se pueden utilizar.

5) El cloro se utiliza para el control de microorganismos en aguas. Plantee la reacción de cloro elemental gaseoso con el agua y explique el efecto de su adición en el pH del agua.

6) Determine la relación estequiométrica, expresada en masa, para la destrucción de nitrógeno amoniacal con cloro, al punto de quiebre.

146



7) Para una concentración de ácido hipocloroso de 1,4 mg/L-Cl2, calcule la

concentración de cloro libre en agua con pH 7 y temperatura de 20°C. La

constante de disociación del ácido, a 20°C es 2,7 x 10-8.

8) Indique que especies químicas constituyen el denominado residual de cloro

libre y cuáles el residual de cloro combinado. Compare su estabilidad y efectividad

como desinfectantes.

9) Existen diferentes métodos para el ablandamiento del agua. Para los siguientes

métodos indique su principio y los compuestos requeridos.

a. Con cal y carbonato de sodio.

b. Con soda cáustica.

c. Con resinas de intercambio catiónico.

10) Se requiere precipitar la dureza de un agua de la cual se tiene la siguiente

información: dureza total = 380 mg/L-CaCO3; Mg2+ = 100 mg/L-CaCO3; alcalinidad

= 270 mg/L-CaCO3; CO2 = 30 mg/L. ¿Qué cantidad de cal (Ca(OH)2) y soda ash

(Na2CO3) se requieren?

11) Considere un agua residual industrial que contiene las siguientes especies

químicas contaminantes: metales pesados, cianuros, fenoles y sales disueltas.

Establezca por medio de qué parámetros podría identificar la presencia de esas

especies químicas y qué tratamientos utilizaría para su eliminación.

12) Los lodos resultantes del tratamiento de aguas residuales requieren ser

eliminados y evacuados. Indique los tratamientos utilizados y el objetivo de cada

uno de ellos.

147



CAPITULO 3: MUESTREO DE AGUAS

Introducción

Parte de la información consignada en las siguientes lecciones se basa en las

consideraciones presentadas en los Métodos normalizados para el análisis de

aguas potables y residuales (APHA-AWWA-WPCF)26, texto que forma parte de la

bibliografía recomendada.

Lección 11: Tipo de muestras

Para la recolección de muestras se deben tener en cuenta los análisis que se van

a realizar y la finalidad de los resultados respectivos. Existen tres grandes tipos de

muestras: simples o de sondeo, compuestas e integradas.

Muestras simples o de sondeo: corresponden a aquellas recolectadas en un

sitio y un tiempo determinados y que por tanto, en sentido estricto, representan

únicamente la composición de la fuente en ese sitio y tiempo.

En el caso de fuentes con composición constante durante un período de tiempo

relativamente prolongado o a lo largo de distancias considerables en todas las

direcciones, estas muestras pueden considerarse representativas de toda la

fuente y no simplemente muestras puntuales. Ejemplos de fuentes donde puede

aplicarse este criterio son algunos suministros de agua y algunas aguas

superficiales.

Si la variación de la composición del agua depende del tiempo, estas muestras

simples se pueden recolectar a intervalos de tiempo apropiados y analizarlas por

separado para determinar la amplitud, frecuencia y duración de las variaciones.

Cuando se trata de variaciones estacionales de los sistemas naturales será

necesario realizar la recolección de las muestras a lo largo de varios meses.

26APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales.

Madrid, España: Díaz de Santos. 1992. p. 1-33 a 1-46.

PALABRAS CLAVE: muestras simples, muestras compuestas, muestras

integradas

148



Cuando la variación de la composición no está en función del tiempo sino del

espacio, se deben seleccionar cuidadosamente los diferentes sitios para la

recolección de las muestras.

De acuerdo con los componentes o parámetros que se necesite analizar, se debe

determinar la conveniencia bien sea de realizar los análisis lo más pronto posible,

inclusive en el mismo sitio de muestreo, o de conservar la muestra para análisis

posterior en el laboratorio.

En el caso de componentes o parámetros que pueden sufrir variaciones en el

tiempo se debe evitar la conservación de las muestras. Entre estos parámetros se

encuentran, entre otros, los siguientes: todos los gases disueltos, el cloro residual,

el sulfuro soluble, la temperatura y el pH. Adicionalmente, las variaciones en los

parámetros anteriores pueden tener efectos en otros componentes o parámetros

como el hierro, el manganeso, la alcalinidad y la dureza.

Muestras compuestas: corresponden a una mezcla de muestras simples

recolectadas en el mismo sitio pero en tiempos diferentes. Este tipo de muestras

también se conocen como compuestas-tiempo.

Estas muestras son las apropiadas para determinar los valores de

concentraciones medias utilizados, por ejemplo, para calcular la carga o eficiencia

de una planta de tratamiento de aguas residuales.

El estándar para gran parte de los análisis de una muestra compuesta

corresponde a un período de tiempo representativo de 24 horas. Sin embargo,

para medir efectos variables o irregulares de descargas y operaciones especiales

deben seleccionarse períodos de muestreo que representen los tiempos en los

que tienen lugar las circunstancias especiales.

Este tipo de muestras es una alternativa que constituye un ahorro de tiempo y de

costos en el laboratorio frente al análisis de un gran número de muestras simples,

cuyos resultados deben someterse a una serie de cálculos, para obtener valores

medios o totales de los parámetros estudiados.

Estas muestras no deben utilizarse para determinar componentes o parámetros

que sufren variaciones en el tiempo.

Muestras integradas: corresponden a mezclas de muestras individuales

recolectadas en distintos sitios pero simultáneamente o con la menor diferencia de

tiempo posible.

149



Este tipo de muestras se requieren para el análisis, por ejemplo, de aguas de ríos

o corrientes cuya composición varía según la anchura y la profundidad. En estos

casos para medir la composición promedio o la carga total se debe recurrir a

mezclas de muestras que representen distintos puntos de la sección transversal y

que sean proporcionales a los flujos relativos.

Para los lagos naturales y artificiales, por el contrario, se ha encontrado en la

práctica que ni los resultados totales ni los promedios son significativos, debido a

que son más importantes las variaciones locales. Por tanto, no se utilizan

muestras integradas sino las individuales.

Lección 12: Criterios técnicos para el muestreo


El muestreo es una herramienta clave de la investigación científica. Mediante el

muestreo se determina que parte de una realidad debe estudiarse para poder

hacer inferencias acerca de dicha realidad.

La parte seleccionada debe reflejar las similitudes y diferencias encontradas en

ésta y ejemplificar sus características. La parte de la realidad que reúne esas

condiciones se denomina muestra representativa.

Los conceptos anteriores junto con la premisa, muy conocida, que establece que

la calidad del resultado de una determinación analítica no puede ser mejor que la

muestra sobre la cual se realiza, implican que el proceso de muestreo se realice

bajo criterios que garanticen la integridad y representatividad de las muestras.

Los diversos criterios técnicos para la realización del muestreo se encuentran

incorporados en los siguientes aspectos principales: procedimiento de cadena de

custodia, métodos de toma de muestras, número de muestras y cantidad de la

muestra.

12.1. Procedimiento de cadena de custodia: comprende los pasos involucrados

en la tenencia y manipulación de la muestra, desde el momento en que se toma

hasta el de la realización de las determinaciones analíticas y su eliminación. Este

PALABRAS CLAVE: muestra representativa, cadena de custodia, métodos de

toma de muestras, número de muestras, cantidad de muestra.

150



procedimiento es de especial importancia cuando los resultados del análisis de la

muestra se requieran como parte de un pleito o demanda. Aunque éste no sea el

caso, siempre sería aconsejable adoptar este procedimiento como control rutinario

del recorrido de la muestra.

Los pasos principales son los siguientes:

1. Etiquetado de la muestra: se pueden utilizar etiquetas adhesivas o placas

que se deben diligenciar con tinta indeleble en el momento de la toma, y

adherirlas al envase en ese momento o antes. Se debe consignar mínimo la

identificación de la muestra, fecha, hora y lugar de la toma y nombre de

quien realiza la recolección.

2. Sellado de la muestra: se pueden utilizar sellos de papel o plásticos que se

colocarán de manera que sea necesario romperlos para abrir la muestra.

Preferiblemente, los sellos deben llevar información que debe coincidir

perfectamente con la consignada en las etiquetas.

3. Diligenciamiento del libro de registro de campo: en el libro debe constar la

siguiente información, objeto de la recolección, localización del punto de

muestreo, nombre y dirección del contacto de campo, tipo de muestra; si

ésta procede de aguas residuales, hay que identificar el proceso que las

produce y el nombre y dirección del productor del material. También es

necesario consignar el número y volumen de las muestras recolectadas, el

método de la toma, la fecha y la hora, en lo posible, referencias del lugar en

forma de mapas o fotografías, observaciones y mediciones de campo y

firmas del personal responsable de las observaciones.

4. Registro de la cadena de custodia: debe contener la siguiente información,

identificación de la muestra, fecha, hora y lugar de la toma, tipo de muestra,

firmas de la persona que ha hecho la toma y de las que han participado en

la cadena de posesión y fechas de las diferentes posesiones.

5. Solicitud de análisis de la muestra: consta de dos partes, una con la

información de campo, que debe ser diligenciada por el que toma la

muestra. La otra parte corresponde al laboratorio, deberá ser diligenciada

por el personal de éste y debe incluir el nombre de la persona que recibe la

muestra, identificación que se le asigna a la muestra en el laboratorio, fecha

de recepción y análisis a realizar.

6. Envío de la muestra al laboratorio: la muestra se entregará en el laboratorio

lo más pronto posible, acompañada del registro de la cadena de custodia y

151



de la solicitud de análisis. La recibirá la persona que se va a encargar de la

custodia.

7. Recepción y almacenamiento de la muestra: en el laboratorio, la persona

encargada recibe la muestra y, en primera instancia, inspecciona su estado

y la existencia del sello. Luego, revisa la información de la etiqueta y del

sello y las compara con la del registro de la cadena de custodia.

Finalmente, le asigna la identificación de laboratorio, registra la entrada al

laboratorio y la guarda en un lugar apropiado de almacenamiento, hasta

que sea asignada a un analista.

8. Asignación de la muestra para análisis: el coordinador del laboratorio realiza

la asignación de la muestra y a partir de ese momento, tanto el coordinador

como el analista son los responsables del cuidado y la vigilancia de la

muestra.

12.2. Métodos de toma de muestras: la toma de muestras es una operación

crítica debido a que repercute en los resultados analíticos y en su interpretación.

En forma general, se puede hablar de dos métodos de toma de muestras: el

manual, que para programas de rutina o a gran escala resulta demasiado costoso

en tiempo y dinero, y el de toma automática, cuyo uso va en aumento.

El muestreo manual se selecciona cuando se presentan las siguientes

condiciones:

o Los parámetros a evaluar pueden sufrir alteraciones al utilizar el equipo

automático.

o La forma de operación del equipo automático no permite un muestreo

apropiado.

o El encargado del muestreo detecta condiciones poco usuales, difíciles de

manejar con el equipo automático.

El muestreo automático se selecciona cuando favorece las siguientes condiciones:

o Permite la recolección de muestras en lugares de difícil acceso a los

encargados del muestreo.

o Reduce los errores humanos en la manipulación.

o Brinda la posibilidad de realizar tomas con mayor frecuencia.

o Disminuye los costos de mano de obra.

152



o Disminuye los riesgos de accidente para el personal encargado del

muestreo.

Por otra parte, existe un buen número de métodos que técnicamente difieren en

cuanto a las operaciones y los equipos especiales que involucran, dependiendo

del tipo de aguas, del punto de muestreo y de los análisis que se vayan a realizar.

En relación con el tipo de aguas se tiene, por ejemplo, un método para muestras

de aguas residuales y otro método para aguas subterráneas.

En relación con la incidencia que en los métodos de toma de muestras tienen los

tipos de análisis que se vayan a realizar, existe un aspecto crítico que consiste en

el tipo de envase, al cual se hará referencia en la Lección 13.

12.3. Número de muestras

Debido a las variaciones de carácter aleatorio presentes en toda determinación

analítica y a la presencia de materiales diversos en los sitios de muestreo, los

cuales pueden constituirse en fuentes de alteración de la composición propia de

las muestras, una muestra única puede no ser suficiente para lograr el nivel de

confiabilidad deseado en los resultados de los análisis.

Por lo anterior, se hace necesario establecer el número aconsejable de muestras

que se debe recolectar para la cuantificación de un determinado analito. Para esto

se debe conocer su desviación estándar global y establecer el valor aceptado de

incertidumbre.

ACTIVIDAD # 11: Establezca las diferencias existentes, en las operaciones y

en los equipos y materiales utilizados, entre los métodos de toma de

muestras para los dos tipos de aguas mencionados anteriormente. Para esto

consulte los siguientes sitios web:

Para aguas residuales: El Instructivo TI 0187 del IDEAM

http://institucional.ideam.gov.co:8080/jsp/info/institucional/media/descargas/124_La

boratorio_Calidad/452_%20Protocolos_Calidad_Agua/Protocolo_toma_muestras/TI

0187_Toma_Muestras_AguasResiduales.pdf

Para aguas subterráneas: La guía MVOTMA/DINAMA/DCA/DEA/G001

http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCIQFjAA&url=http%3A%2F%

2Fanterior.mvotma.gub.uy%2Fdinama%2Findex.php%3Foption%3Dcom_docman%26task%3Ddoc_download

%26gid%3D233%26Itemid%3D367&ei=NLgWUKCfCenF0QGfvoDoBw&usg=AFQjCNGBnvrZRjVYFrC0EGnOn

EvAxC3J7Q

http://institucional.ideam.gov.co:8080/jsp/info/institucional/media/descargas/124_Laboratorio_Calidad/452_%20Protocolos_Calidad_Agua/Protocolo_toma_muestras/TI0187_Toma_Muestras_AguasResiduales.pdf



http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCIQFjAA&url=http%3A%2F%2Fanterior.mvotma.gub.uy%2Fdinama%2Findex.php%3Foption%3Dcom_docman%26task%3Ddoc_download%26gid%3D233%26Itemid%3D367&ei=NLgWUKCfCenF0QGfvoDoBw&usg=AFQjCNGBnvrZRjVYFrC0EGnOnEvAxC3J7Q




153



Se tiene, entonces, la siguiente expresión matemática:

ts N ≥ U Donde: N = número de muestras

t = t de Student para un nivel de confianza determinado

s = desviación estándar global

U = incertidumbre aceptada

Con base en esta expresión matemática también se pueden construir gráficas de

N vs. s/U, para diferentes niveles de confianza, y establecer el número de

muestras que se deben recolectar para el análisis de un analito a un determinado

nivel de confianza.

2

154



Figura 19. Determinación del número de muestras requeridas para

cuantificar la concentración promedio de un analito27

Por ejemplo, mediante interpolación en la gráfica, se encuentra que para un

analito con s = 0,8 mg/L y con U = ± 0,2 mg/L, para trabajar con un nivel de

confianza del 90%, habría que recolectar mínimo 40 muestras.

12.4. Cantidad de muestra

La cantidad promedio de muestra requerida para cada uno de los análisis

químicos es de 500 mL. La Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos

para la toma de muestras muestra los volúmenes mínimos de muestra necesarios

según tipo de análisis. La cantidad total de muestra requerida variará según el

número de parámetros que se vayan a analizar; en la práctica se recolectan

alrededor de 2L.

No se puede utilizar la muestra recolectada para los análisis químicos para realizar

análisis bacteriológicos, porque los métodos de toma y manipulación de las

muestras son diferentes.

27 APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales.

Madrid, España: Díaz de Santos. 1992. Figura 1060: I p. 1-41.

155



Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de

muestras, según tipo de análisis28

DETERMINACIÓN

ANALÍTICA

CANTIDAD

MÍNIMA DE

MUESTRA

(mL)

CARACTERÍSTICAS DEL

ENVASE

CONSERVACIÓN

(características/ tiempo

máximo recomendado)

pH - Plástico (polietileno o

equivalente), vidrio

No conservar/ 2 h

Salinidad 240 Vidrio, sello de lacre No conservar o emplear

sello de lacre/6 meses

Sílice - Plástico (polietileno o

equivalente)

Conservar a 4°C en la

oscuridad (no congelar) /

refrigerar 28 d

Sulfato - Plástico (polietileno o



oscuridad/28 d

Sulfuro 100 Plástico (polietileno o



oscuridad + 4 gotas de

AcZn 2N +NaOH hasta

pH>9

Acidez 100 Plástico (polietileno o

equivalente),

vidrio-borosilicato


oscuridad/24 h

Alcalinidad 200 Plástico (polietileno o



oscuridad/24 h

Corgánico total 100 Vidrio No conservar o

refrigerar a 4°C en la

oscuridad + HCl hasta

pH<2

Dióxido de

cloro

500 Plástico (polietileno o


No conservar/0,5 h

Cloro residual 500 Plástico (polietileno o


No conservar/0,5 h

Pesticidas - Vidrio lavado con disolventes

orgánicos, revestimiento de

TFE, tapadera


oscuridad + ácido

ascórbico(1000mg/L) si

existe cloro residual/7d

Fenoles 500 Plástico (polietileno o



oscuridad + H2SO4

hasta pH<2

Dióxido de C 100 Plástico (polietileno o


No

conservar/inmediato

28 Basada en: APHA, AWWA & WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y

residuales. Madrid, España: Díaz de Santos. 1992. Tabla 1060: I p. 1-42 a 1-44.

156



Cromo VI 300 Plástico (polietileno o

equivalente), vidrio lavados con

H2O: HNO3 (1:1)


oscuridad/24 h

Mercurio 500 Plástico (polietileno o

equivalente), vidrio lavados con

H2O: HNO3 (1:1)

Añadir HNO3 hasta

pH<2, conservar a 4°C

/28 d

Amoníaco 500 Plástico (polietileno o


Añadir H2SO4 hasta

pH<2, conservar a

4°C/7d

Nitrato + Nitrito 200 Plástico (polietileno o


Añadir H2SO4 hasta

pH<2, conservar a

4°C/ninguno

Bromuro - Plástico (polietileno o


Ninguna/28 d

Lección 13: Equipos y envases para muestreos


13.1. Equipos

Su utilización depende del método de toma de muestras. La toma manual implica

que no hay utilización de equipo alguno. En este caso las muestras se toman

directamente en el recipiente que se va a enviar al laboratorio o en el que se utilice

para las determinaciones in situ; generalmente, se aplica en grifos de redes de

distribución, canales de riego, arroyos de poca profundidad y pozos dotados de

bombas de extracción, donde el programa de muestreo tenga una periodicidad

baja y no sea a gran escala.

El método de toma automática de muestras utiliza equipos que se programan de

acuerdo con necesidades específicas que están determinadas por factores como

la profundidad, el flujo de corriente y la distancia a la orilla, entre otros.

Adicionalmente, los equipos requieren controles precisos en relación con la

velocidad de bombeo y el tamaño de los tubos, según el tipo de muestra que vaya

a recolectarse. Las tomas automáticas se utilizan principalmente en ríos,

embalses, pozos sin bomba y grandes depósitos de almacenamiento.

PALABRAS CLAVE: control de equipos muestreadores, envases de polietileno,

envases de vidrio, características estructurales de los envases.

157



Los equipos muestreadores automáticos son de dos tipos principales:

o Dependientes del tiempo: corresponden a aquellos que toman muestras

simples o compuestas, sin tener en cuenta las variaciones del caudal.

o Dependientes del volumen: corresponden a aquellos que sí tienen en

cuenta las variaciones de caudal.

13.2. Envases

Existen diversos tipos de envases que se diferencian por las características

estructurales, las cuales son acordes con el sitio de muestreo y por el tipo de

material del cual están hechos.

En relación con las características estructurales, los principales tipos de envases

son:

o Toma-muestra sencillo, son botellas, generalmente, de abertura amplia (no

menos de 35 mm en la boca) y de capacidades diferentes (no menos de

120 mL).

o Botella Van Dorn, tiene sistema de cierre doble, activado por un mensajero.

Se encuentra, usualmente, en tres tamaños (2,3 y 5 litros).

o Botellas lastradas, se encuentran lastradas y unidas mediante una cuerda o

cadena, la cual permite a la botella abrirse a la profundidad deseada.

o Bailer, consta de dos tapas y a la profundidad deseada, si se estira

mediante una cuerda o tubo, se cierra tomando la muestra.

o Coliwasa (Composite Liquid Waste Sampler), consiste en un tubo equipado

con un cierre final que se puede abrir cuando el tubo se introduce en el

material que se quiere muestrear.

Respecto al tipo de material del cual están hechos los envases, existen dos clases

principales, polietileno o su equivalente y vidrio, se utilizan según los compuestos

que contenga la muestra de agua y que se vayan a analizar.

La utilización de vidrio no es conveniente, por ejemplo, para la determinación de

sílice y sodio porque se pueden lixiviar, ni para metales debido a que parte de

ellos pueden quedarse adsorbidos en las paredes. En los casos anteriores se

prefiere el uso de envases de plástico.

La lixiviación de sílice y sodio que son componentes básicos del vidrio, se puede

producir por la acción del agua que los remueve en forma de suspensión coloidal y

158



en disolución, respectivamente, lo cual conduce a una sobreestimación de la

cantidad de estas especies químicas presentes en la muestra de agua bajo

estudio.

Por otra parte, la utilización de envases de plástico no es conveniente, por

ejemplo, para la determinación de compuestos orgánicos volátiles, algunos de los

cuales pueden disolverse en este material o pueden lixiviar sustancias de éste.

Adicionalmente, las paredes de estos envases pueden resultar porosas para este

tipo de compuestos, o pueden degradarse y romperse. En estos casos es

preferible utilizar envases de vidrio.

En la Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de

muestras, según tipo de análisis, se muestran para parámetros específicos los

tipos de envases recomendados.

Lección 14: Conservación de las muestras


Las técnicas de conservación de las muestras de agua tienen como finalidad

demorar los cambios químicos y biológicos que puedan tener lugar después de la

recolección de las muestras.

Independientemente de la clase de agua de la cual provengan las muestras, la

conservación nunca es completa, es decir, no se logra la estabilización total de

todos los constituyentes.

Debido a lo anterior, cuando los análisis no se pueden realizar inmediatamente

después de la recolección, se debe considerar la naturaleza de los cambios

posibles en la muestra, para seleccionar las técnicas de conservación más

apropiadas.

14.1. Naturaleza de los cambios de la muestra.

Existen parámetros que en cuestión de minutos cambian significativamente y, por

tanto, no existe opción diferente a determinarlos en el momento en que se realiza

PALABRAS CLAVE: variación de equilibrios, actividad microbiana, procesos

redox.

159



la recolección. Estos son: temperatura, pH y la cantidad de gases disueltos, como

son el oxígeno y el dióxido de carbono.

Otros parámetros se afectan indirectamente por los cambios en los parámetros

mencionados anteriormente. Este es el caso de los valores de calcio y de la

dureza total que podrían disminuir por la precipitación del calcio originada en una

variación del equilibrio pH-alcalinidad-dióxido de carbono.

Otro gran número de cambios se debe básicamente a procesos de oxidación

reducción, en muchos de los cuales la gran responsable es la actividad

microbiana:

o El hierro y el manganeso son solubles en los estados de menor oxidación y,

por el contrario, relativamente insolubles en los estados de mayor

oxidación; por tanto, dependiendo del potencial redox de la muestra, estos

elementos podrán precipitar o disolverse.

o Las especies químicas nitrato-nitrito-amoníaco pueden presentar variación

en su cantidad relativa.

o Los sulfitos pueden aumentar su contenido por reducción de los sulfatos y

el cloro residual puede ser reducido a cloruro.

o El cromo hexavalente puede ser reducido a ión crómico.

o Los sulfitos, los iones ferrosos, el yoduro y el cianuro se pueden perder por

oxidación.

o Algunos elementos solubles pueden unirse orgánicamente en las

estructuras celulares o pueden ser liberados mediante lisis celular.

14.2. Técnicas de conservación

La naturaleza de los cambios de mayor ocurrencia en las muestras de agua

determina, por lo cual las técnicas se enfocan a limitar la acción de los

microorganismos, a demorar la hidrólisis de los compuestos químicos y a reducir

la volatilidad de los componentes.

En consecuencia las acciones comprenden básicamente:

o Control del pH

o Adición de productos químicos

o Filtración

160



o Refrigeración

o Congelación

o Uso de envases hechos de ciertos materiales y, además, ámbar u opacos

La adición de conservantes químicos, previa verificación de que no alterarán el

análisis que se vaya a realizar a la muestra, deberá realizarse en el envase antes

de colocar la muestra, para garantizar que la totalidad de ésta entrará en contacto

con el conservante en el momento de la recolección.

Teniendo en cuenta que una técnica de conservación puede ser adecuada para un

tipo de análisis y para otros no, se puede presentar la necesidad de hacer varias

veces la recolección de una muestra y mantener y conservar las diversas tomas

por separado, para realizar los diferentes análisis requeridos.

En la Tabla 8. Recopilación de algunos criterios técnicos para la toma de

muestras, según tipo de análisis, se muestran para parámetros específicos las

técnicas de conservación recomendadas.

Lección 15: Parámetros químicos de análisis

Los análisis básicos del agua permiten la caracterización y, además, suministran

información para definir los tratamientos, cuando estos se requieran.

En esta lección se hará énfasis en los parámetros químicos y sólo se enumeran, a

continuación, los biológicos y físicos de mayor interés.

Los análisis biológicos comprenden un examen bacteriológico de la muestra de

agua. Se llevan a cabo dos ensayos básicos:

Número de bacterias estimadas mediante conteo total en placa.

Presencia o ausencia de organismos coliformes.

Los análisis físicos comprenden los siguientes ensayos:

PALABRAS CLAVE: alcalinidad, acidez, dureza, compuestos de nitrógeno,

compuestos de azufre, compuestos de fósforo, hierro y manganeso, fluoruros,

cloruros, OD, DBO, DQO, sodio, potasio, sílice, grasas y aceites, detergentes.

161



Turbidez

Color

Olor y sabor

Temperatura

Sólidos

Conductividad

Análisis químicos básicos

PARÁMETRO DEFINICIÓN/ORIGEN IMPORTANCIA DETERMINACIÓN

ANALÍTICA

pH

La concentración de H+ en el agua no necesariamente indica la presencia de ácidos. La presencia de sales como las de aluminio, por hidrólisis, puede generar [H+] mayores o iguales a 1 x 10-4 M

Tiene mucha influencia en una serie de reacciones que ocurren en el agua. Un agua con pH< 6,0 se considera agresiva y corrosiva para los metales. Tiene gran importancia en el tratamiento del agua, especialmente en la coagulación, desinfección y estabilización.

Potenciométrica

Alcalinidad

Capacidad para neutralizar ácidos o medida del contenido total de iones OH-. En aguas naturales se

Sirve para evaluar la capacidad tampón del agua. El valor también es necesario para

Titulación potenciométrica o por medio de indicadores, con una solución de un ácido, como el

162




ANALÍTICA

debe a la presencia de bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos.

determinar la viabilidad de los procesos de coagulación, ablandamiento y control de la corrosión.

sulfúrico. Se realiza en dos etapas sucesivas determinadas por los puntos de equivalencia de los bicarbonatos y el ácido carbónico. Se expresa como mg/L de carbonato de calcio

Acidez

Capacidad para neutralizar bases o medida del contenido total de sustancias ácidas. Puede deberse a la presencia de CO2, la presencia de acidez mineral y la hidrólisis de ácidos conjugados de bases débiles, de bases conjugadas de ácidos débiles y de sales de cationes trivalentes y algunos divalentes.

Sirve para evaluar si un agua es estable, es corrosiva o es incrustante.

Titulación con una solución de NaOH y determinación de los puntos de equivalencia de cada uno de los compuestos que originan la acidez.

Dureza

Concentración de sales minerales, primordialmente de calcio y magnesio presentes en determinada cantidad de agua. Se debe a la presencia, en el agua, de cationes divalentes (especialmente: Ca++, Mg++, Sr++, Fe++ y

Sirve para evaluar si un agua es apropiada para uso doméstico e industrial y para determinar la necesidad de adelantar un proceso de ablandamiento.

Titulación complexométrica con el uso de EDTA o de sus sales de sodio

163




ANALÍTICA

Mn++) que forman precipitados al reaccionar con los jabones y de aniones (especialmente: HCO3

-, SO42-, Cl-,

NO3- y SiO3

2-) que pueden formar incrustaciones.

Compuestos

de nitrógeno

Se estudian las siguientes formas del nitrógeno: amoniacal, nitratos, nitritos y orgánico. Las diferentes formas del nitrógeno existentes en la naturaleza y las reacciones de transformación no son una excepción en el agua, como compartimento ambiental.

Las diversas formas son indicadores del tipo de contaminación, así: Predominio de nitrógeno orgánico y amoniacal indica contaminación reciente y peligro potencial alto. La presencia de nitratos, en un alto porcentaje, indica ocurrencia de la contaminación con bastante anterioridad respecto al momento de hacer el análisis.

Para las formas amoniacales, nitratos y nitritos se utilizan métodos colorimétricos. Para el nitrógeno orgánico y total el método de Kjeldahl (digestión, destilación y titulación)

Compuestos

de azufre

Dependiendo de las condiciones del agua se presentan diferentes formas del azufre: SO4

2-, HSO4-,

SO32-, HSO3

-, S2O32-,

SO2, H2S, HS-.

De acuerdo con la concentración de sulfatos se pueden determinar problemas potenciales de

Sulfatos: método turbidimétrico Sulfuros y sulfitos: método yodométrico

164




ANALÍTICA

olor y corrosión, por su reducción a H2S, por ejemplo en alcantarillas. La subsecuente oxidación del H2S puede ocasionar ataques a los materiales de concreto de, por ejemplo, las alcantarillas.

Compuestos

de fósforo

Se estudian las siguientes formas del fósforo: ortofosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicos. Estas formas pueden existir bien sea como soluciones o como suspensiones

La información sobre concentración se requiere para estudios de contaminación de cuerpos naturales de agua, debido a su incidencia en la eutrofización, y para establecer los mecanismos de purificación y tratamiento de las aguas.

La forma que se va a cuantificar se convierte a un ortofosfato. El ortofosfato se hace reaccionar para formar un complejo coloreado (usualmente fosfomolibdato azul) y la concentración se determina por colorimetría.

Hierro y

manganeso

En aguas subterráneas están presentes como Fe++ y Mn++. En aguas que contienen oxígeno disuelto están presentes como Mn4+

y como Fe3+

La información sobre concentración se requiere para determinar la aptitud de uso de aguas subterráneas. Se requiere, también, para establecer sistemas de tratamiento y

Colorimétricos: para hierro dos métodos principales: con fenantrolina y con tripiridina; para manganeso el método del persulfato. Absorción atómica: para ambos elementos. De acuerdo con los

165




ANALÍTICA

purificación y para el control de la corrosión en tuberías.

niveles de concentración la técnica de llama o la de horno de grafito.

Fluoruros Los fluoruros son compuestos poco solubles en agua

La información sobre concentración se requiere para determinar la necesidad de adición o de remoción, en las aguas de consumo.

Métodos colorimétricos y electrodos de membrana selectiva

Cloruros

Están presentes en todas las aguas naturales: en las aguas de mar es el anión predominante; a los ríos llegan por la acción disolvente del agua sobre la capa vegetal de los terrenos; por descargas de aguas residuales.

Las pruebas de cloruros son útiles para establecer la trayectoria de contaminación de pozos. La concentración de cloruros se utiliza para determinar la necesidad de desalinización, en aguas para consumo, y el tipo de equipos requeridos para dicho fin.

Método de Mohr

Sílice

Dependiendo del pH del agua, se puede encontrar en las siguientes formas: partículas coloidales de SiO2, ácido silícico e iones silicato.

De acuerdo con la concentración de sílice se pueden determinar problemas potenciales de incrustaciones, por ejemplo, en

Formación de ácido molibdosilícico y determinación colorimétrica.

166




ANALÍTICA

calderas y turbinas.

Oxígeno

disuelto (OD)

Proviene de la mezcla agua aire y del oxígeno producido por la fotosíntesis de las plantas acuáticas

Determina la existencia de condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Permite establecer si se constituye en un agente de corrosión para el hierro y el acero

Método de las modificaciones de Alsterberg al método de Winkler

Demanda

bioquímica de

oxígeno

(DBO5)

Medida de la cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos heterótrofos durante el proceso de oxidación o mineralización de la materia orgánica, en un período de 5 días a 20°C La materia orgánica oxidada corresponde a compuestos orgánicos biodegradables que pueden ser inclusive compuestos aromáticos.

Permite determinar la cantidad de materia orgánica presente en aguas. Se manejan los siguientes indicadores: - DBO < 3ppm de O2 corresponde a aguas muy puras. - DBO entre 3-5 ppm de O2 corresponde a aguas con pureza intermedia. - DBO > 8 ppm de O2 corresponde a aguas contaminadas - DBO entre 100-400 ppm de O2 corresponde a aguas residuales urbanas.

Técnica de dilución

167




ANALÍTICA

- DBO > 400 hasta 10.000ppm de O2 corresponde a aguas industriales.

Demanda

química de

oxígeno (DQO)

Medida del contenido orgánico total de una muestra, oxidable por dicromato en solución ácida. No se oxidan los compuestos aromáticos.

El valor DQO junto con el de DBO, permite establecer las condiciones de biodegradabilidad y se requiere para determinar la eficiencia de las unidades de tratamiento. La relación DQO/DBO se conoce como índice de biodegradabilidad: DQO/DBO = 1,5 indica materia orgánica muy biodegradable. DQO/DBO = 2,0 indica materia orgánica moderadamente biodegradable. DQO/DBO = 10 indica materia orgánica poco biodegradable. También se tienen establecidos

Digestión y titulación colorimétrica del dicromato residual

168




ANALÍTICA

indicadores con la relación DBO/DQO, así: DBO/DQO < 0,2 corresponde a contaminantes no biodegradables. DBO/DQO > 0,6 corresponde a contaminantes biodegradables.

Sodio

En las aguas naturales, se encuentra en forma iónica proveniente de sales muy solubles, generalmente cloruros. En aguas residuales proviene de la orina y de las sales de uso industrial.

De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción. En el caso de aguas para consumo, no hay límites de concentración establecidos. Pero para en aguas para riego se debe controlar su contenido porque afecta las propiedades físico-químicas del suelo y el crecimiento de las plantas,

Absorción atómica o emisión con llama. Electrodos de membrana selectiva para sodio.

Potasio

En aguas naturales se encuentra en forma iónica, junto con el sodio, pero en menor concentración

De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción. Aunque es un nutriente esencial,

Absorción atómica o emisión con llama. Electrodos de membrana selectiva para potasio

169




ANALÍTICA

es catártico y, por esto, por encima de ciertos valores (> 2000 mg/L) no es recomendable en aguas para consumo.

Grasas y

aceites

Comprenden varias clases de lípidos que incluyen en su estructura química, principalmente, ésteres de ácidos grasos de cadena larga e hidrocarburos de cadena larga con un grupo ácido carboxílico en un extremo.

De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de pretratamiento y la eficiencia de los procesos de remoción

Separación de las sustancias por acidificación y posterior extracción mediante freón-113 o hexano sobre un frasco de destilación. Evaporación del solvente orgánico y pesada del residuo seco.

Detergentes

Conformados por varios tipos de compuestos. Uno de ellos el surfactante que puede ser de dos tipos principales: sulfonatos de alquilbenceno lineales y sulfatos de alquilbenceno de cadena ramificada

De acuerdo con la concentración, indican el potencial de formación de espuma y el riesgo de eutrofización

Formación de complejo coloreado y medición espectrofotométrica a 652 nm

METALES

PESADOS

Los metales pesados están presentes en el agua superficial, principalmente, procedentes de las actividades industriales y comerciales.

En las aguas existen en forma coloidal, de partículas y en fases disueltas. Las formas

De acuerdo con la concentración, se determina la necesidad de remoción.

Estos metales tienen niveles óptimos de concentración, por encima de los cuales resultan

Existen diversos métodos cuya selección para una aplicación particular debe tener en cuenta factores como la sensibilidad, la exactitud y la precisión del método.

Algunos de estos

170




ANALÍTICA

solubles generalmente son iones, quelatos o complejos organometálicos no ionizables.

La solubilidad depende del pH, la concentración de los ligandos con los cuales el metal puede enlazarse y por el estado de oxidación de los componentes del sistema.

Se consideran de interés para los sistemas acuíferos superficiales los siguientes: Cr, As, Cd, Hg, Sb y Pb.

tóxicos.

La concentración máxima permisible de estos metales depende del uso que se la vaya a dar al agua que los contiene.

métodos son:

Espectrometría de absorción atómica con técnica de llama.

Espectrometría de absorción atómica con horno de grafito.

Espectrometría de absorción atómica por generación de hidruros.

Espectrometría de absorción atómica mediante vapor frío.

Espectrometría de emisión atómica con técnica de llama.

Espectrometría de emisión atómica por plasma acoplado inductivamente (ICP).

Espectrometría de masas acoplada con ICP

Ejercicios:

1) Alcalinidad:

171



Determinar la alcalinidad total del agua y sus diversas formas, para una muestra

de 210 mL de agua con un pH de 10, la cual requirió 12 mL de H2SO4 0,02 N para

alcanzar un pH de 8,3 y 20 mL adicionales del mismo ácido, con igual

concentración para alcanzar un pH de 4,5.

Solución:

Como ya se mencionó la alcalinidad se debe a la presencia de bicarbonatos,

carbonatos e hidróxidos. Por tanto, en la titulación con el ácido sulfúrico se

presentan los siguientes equilibrios químicos:

H+ + OH- H2O

H+ + CO32- HCO3

-

H+ + HCO3- H2CO3

Las respectivas curvas de titulación, presentan los siguientes resultados:

a. La concentración de iones OH- libres se neutraliza a un valor de pH > 8,3.

b. La mitad de los carbonatos se neutraliza a pH 8,3 y el total a pH 4,5.

c. Los bicarbonatos se neutralizan a pH 4,5.

De acuerdo con lo anterior, la alcalinidad total comprende la alcalinidad por

bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, corresponde a pH 4,5 y se denomina T y la

alcalinidad a pH 8,3 se denomina de fenolftaleína, F.

Las relaciones entre los diferentes tipos de alcalinidad pueden calcularse con

base en la tabla siguiente:

Resultado de la

titulación

Alcalinidad de

hidróxidos como

CaCO3

Alcalinidad de

carbonatos

como CaCO3

Alcalinidad de

bicarbonatos

como CaCO3

F = 0 0 0 T

F < ½ T 0 2F T – 2F

F = ½ T 0 2F 0

F > ½ T 2F - T 2(T – F) 0

F = T T 0 0

172



De acuerdo con los datos del problema, se tiene.

Cálculo de alcalinidad total (T):

Alcalinidad total = (32 x 0,02 x 50.000) / 210 = 152,38 mg/L – CaCO3

Cálculo de alcalinidad de fenolftaleína (F):

Alcalinidad F = (12 x 0,02 x 50.000) / 210 = 57,14 mg/L – CaCO3

De acuerdo con estos resultados y la información de la tabla anterior, se puede

concluir que para la muestra de agua del problema:

Alcalinidad total = 152,38 mg/L – CaCO3

Alcalinidad de hidróxidos, como CaCO3 = 0

Alcalinidad de carbonatos, como CaCO3 = 114,28 mg/L – CaCO3

Alcalinidad de bicarbonatos, como CaCO3 = 38,10 mg/L – CaCO3

173



2) Compuestos de nitrógeno:

Una muestra de agua, con pH = 7,5 tiene un contenido de nitrógeno amoniacal de

1,5 mg/L-N. Calcular la cantidad de NH3 no ionizado.

Solución:

El equilibrio químico que se presenta es el siguiente:

NH4+ NH3 + H+

[NH3] [H+]

K = = 5,6 x 10-10

[NH4+]

174



3) Sodio y potasio: Calcular la concentración de sodio y potasio de una muestra de agua con los

siguientes resultados de análisis.

Ca2+ = 16,0 mg/L

Mg2+ = 12,2 mg/L

Fe2+ = 7,6 mg/L

Al3+ = 2,7 mg/L

HCO3- = 112,2 mg/L

CO32- = 44,1 mg/L

SO42- = 25,0 mg/L

Cl- = 25,6

Solución:

El cálculo se hace con base en la concentración, expresada en meq/L, de los

demás cationes y aniones presentes en la muestra de agua. La diferencia entre la

suma de los aniones y los cationes se asume que es igual a la cantidad de sodio

más potasio, la cual se acostumbra expresar como sodio.

Entonces:

Especie química mg/L en la

muestra

Masa de 1 meq

(mg)

No. de meq/L en

la muestra

Ca2+ 16,0 20,0 0,80

Mg2+ 12,2 12,0 1,02

Fe2+ 7,6 28,0 0,27

Al3+ 2,7 9,0 0,30

HCO3- 112,2 61,0 1,84

CO32- 44,1 30,0 1,47

SO42- 25,0 48,0 0,52

175



Cl- 25,6 35,5 0,72

Σ cationes = 2,39 meq/L

Σ aniones = 4,55 meq/L

Luego:

Na + K = Σ aniones - Σ cationes

Na + K = 4,55 – 2,39 = 2,16 meq/L

Expresando la concentración como Na se tiene:

Na + K = 2,16 meq/L x 23 mg/meq

Na + K = 49,7 mg/L – Na

4) Oxidación de la materia orgánica:

El análisis de una muestra de agua presenta los siguientes resultados:

DBO5 = 210 mg O2 /L y DQO = 569 mg O2 /L

Establecer el posible tipo de agua y la naturaleza de la materia orgánica que

contiene.

Solución:

El valor del DBO entre 100-400 indica un tipo de agua residual urbana.

La relación DQO/DBO = 2,7 indica la presencia de materia orgánica

moderadamente biodegradable.

176




1) Para las siguientes fuentes de agua, de las cuales se requiere un análisis de

parámetros químicos, indique el tipo de muestra que tomaría: agua superficial con

variaciones estacionales, planta de tratamiento (para determinar su eficiencia),

lago natural, río con variaciones en composición según ancho y profundidad. En

cada caso justifique su respuesta, incluyendo los criterios de sitio y tiempo de

muestreo.

2) Indique los criterios técnicos que garantizan la integridad y representatividad de

las muestras de agua recolectadas para análisis, explicando para cada caso su

incidencia en los resultados analíticos.

3) Con base en lo desarrollado en la Actividad # 11 complete el siguiente cuadro

relacionado con características del muestreo según tipo de aguas (cuando alguno

de los ítems no aplique al tipo de agua, escriba NA en la celda correspondiente):

TIPO DE AGUA

RESIDUAL SUBTERRÁNEA

Tipo de muestra

Operaciones previas al

muestreo

Equipos principales

Envases para muestreo

Parámetros para

análisis en campo

Manipulación y

conservación de

muestras para análisis

en el laboratorio

Operaciones en campo

Métodos de aforo de

caudales

Procedimientos

especiales de aforo

177



(indicar cuándo se usan)

Purgado del pozo

Orden del muestreo

Comentarios

específicos

4) Con base en el método gráfico de N vs. s/U

Establezca el número de muestras de agua que se deben recolectar para el

análisis de los analitos que se presentan en la siguiente tabla.

178



Analito

S (desviación

estándar)

mg/L

U

(incertidumbre)

mg/L

N (número de muestras)

Nivel de confianza

99% 95% 90%

pH 0,3 0,1

Cr 0,03 0,02

Fe 0,4 0,1

Fosfatos 0,05 0,025

¿Qué concluye respecto a los valores de la relación s/U y los diferentes niveles de

confianza? ¿Cuáles son las implicaciones prácticas en el muestreo y cuáles en los

resultados analíticos?

5) Indique al menos cinco parámetros cuya determinación analítica se debe

realizar directamente en campo (en el momento de recolección de la muestra).

Justifique su respuesta.

6) Establezca la finalidad de las técnicas de conservación de las muestras de

aguas y los controles que se ejercen en la práctica.

7) Determine la alcalinidad de una muestra de 60 mL de agua que requiere de 7

mL de ácido sulfúrico 0,025 N para alcanzar un pH = 4,5.

8) Para un agua con contenido de nitrógeno amoniacal de 14 mg/L-N y pH = 6,0,

determine la concentración de NH3 no ionizado y de ión NH4+.

9) Considere la siguiente situación: a 10 mL de agua residual con OD (oxígeno

disuelto) = 0 mg/L se le adicionan 290 mL de agua de dilución con OD = 9,6 mg/L

y la mezcla se somete a un ensayo de DBO; después de la incubación el OD de

de la mezcla es 6,0 mg/L. Determine el DBO del agua residual.

10) En aguas superficiales las concentraciones de hierro ferroso en solución son

muy bajas (< 1 mg/L), mientras que en aguas subterráneas son apreciables, de

acuerdo con la siguiente reacción:

4Fe2+ + 8HCO3- + 2H2O + O2 4 Fe(OH)3 + 8CO2

179



a. Calcule cómo afectarán la alcalinidad, 4 mg/L de Fe2+ disueltos en agua.

b. Explique si la oxidación del hierro puede tener efecto sobre el pH del agua.

180



Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD

181



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http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/metales-transicion



http://www.usgs.gov/

183



UNIDAD 2

Nombre de la Unidad QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO

Palabras clave Composición del suelo, factores y procesos

formadores, reacciones químicas en la

solución del suelo y en la interfase sólido-

líquido, dinámica de las especies químicas

(nutrientes y contaminantes) a través del

perfil del suelo, análisis de sus parámetros

de calidad, alteración de su calidad,

tratamiento y remediación.

Introducción El suelo es uno de los soportes de nuestra

vida. Es un sistema abierto, complejo y

polifuncional que interacciona con la

atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la

biosfera.

Es responsable del control de los procesos

bioquímicos superficiales y, además, se

comporta como un filtro a través del cual se

producen y regulan los flujos de materia y

energía.

Como tal filtro, es susceptible de

contaminarse como consecuencia de las

actividades antropogénicas, lo cual puede

conducir a su deterioro y a impedir que

cumpla con alguna de sus funciones.

Justificación El suelo es uno de los recursos naturales

más importantes que existen en la

naturaleza; sin embargo, actualmente,

muchos suelos del mundo y de nuestro país

se encuentran en proceso de degradación,

especialmente por contaminación química.

La degradación puede conducir a un impacto

184



negativo en el medio ambiente debido a que

de la salud del suelo depende el

abastecimiento de nutrientes para las

plantas, la capacidad de amortiguación, la

destrucción de patógenos y la inactivación de

compuestos tóxicos.

Por lo anterior, es importante conocer sus

propiedades químicas y la naturaleza y la

dinámica de las especies químicas

contaminantes, para tomar medidas

preventivas de protección o de remediación,

que le permitan seguir cumpliendo las

funciones tanto agrícolas como ambientales

que desempeña en los ecosistemas

terrestres.





que tienen lugar a lo largo del perfil del suelo.


relacionar el comportamiento de las especies

químicas presentes en el suelo, sus


problemáticas propias de las prácticas

ambientales, para contribuir a establecer



ambiente.

Denominación de capítulo 4 CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES

QUÍMICAS DEL SUELO

Denominación de Lección 16 Conceptos básicos

Denominación de Lección 17 Propiedades de los suelos

Denominación de Lección 18 Reacciones y equilibrios en el suelo

185



Denominación de Lección 19 Calidad del suelo y compuestos que lo

alteran

Denominación de Lección 20 Análisis de la calidad del suelo

Denominación de capítulo 5 TRATAMIENTO DEL SUELO

Denominación de Lección 21 Importancia y clasificación de los

tratamientos

Denominación de Lección 22 Tratamientos por contención o aislamiento

Denominación de Lección 23 Tratamientos por transferencia o extracción

Denominación de Lección 24 Tratamientos por transformación química

Denominación de Lección 25 Tratamientos por transformación biológica

Denominación de capítulo 6 MUESTREO DE SUELOS

Denominación de Lección 26 Variabilidad de los suelos

Denominación de Lección 27 Tipo de muestreos

Denominación de Lección 28 Criterios técnicos para el muestreo

Denominación de Lección 29 Equipos y materiales para muestreos

Denominación de Lección 30 Parámetros químicos de análisis

186



UNIDAD 2

QUÍMICA Y COMPONENTE SUELO

El suelo es uno de los soportes de nuestra vida. Es un sistema abierto, complejo y

polifuncional que interacciona con la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la

biosfera.

Es responsable del control de los procesos bioquímicos superficiales y, además,

se comporta como un filtro a través del cual se producen y regulan los flujos de

materia y energía.

En calidad de filtro, es susceptible de contaminarse como consecuencia de las

actividades antropogénicas, lo cual puede conducir a su deterioro y a impedir que

cumpla con alguna de sus funciones.

Actualmente, muchos suelos del mundo y de nuestro país se encuentran en

proceso de degradación, especialmente por contaminación química.

La degradación puede conducir a un impacto negativo en el medio ambiente

debido a que de la salud del suelo depende el abastecimiento de nutrientes para

las plantas, la capacidad de amortiguación, la destrucción de patógenos y la

inactivación de compuestos tóxicos.

El conocimiento tanto de sus propiedades químicas como de la naturaleza y la

dinámica de las especies químicas contaminantes es indispensable, si se trata de

adoptar medidas preventivas de protección o de remediación, que le permitan a

este recurso natural seguir cumpliendo las funciones tanto agrícola como

ambiental que desempeña en los ecosistemas terrestres.

CAPITULO 4: CONTAMINACIÓN Y PROPIEDADES QUÍMICAS DEL SUELO

Introducción

El suelo es un cuerpo complejo constituido por componentes tanto sólidos

(minerales y orgánicos), como líquidos y gaseosos que le proporcionan una

naturaleza dinámica.

187



La presencia de las tres fases en el suelo establece la existencia de un sistema

complejo en el cual tienen lugar reacciones y equilibrios químicos múltiples, en los

que las interfases sólido- líquido y líquido-gas son determinantes.

Aunque hoy en día se reconoce la importancia del suelo y su impacto en el

bienestar de la humanidad y el ambiente, muchos suelos del mundo y de nuestro

país se encuentran en proceso de degradación.

En términos generales, se puede hablar de degradación química del suelo, como

el resultado de la acumulación de sustancias que ocasionan un desequilibrio en

sus condiciones. Entre esas sustancias son de especial importancia los metales

pesados y los agroquímicos que en la práctica se asocian con el término

contaminación química.

En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la

composición del suelo, la reactividad de las especies químicas presentes y el tipo

de contaminantes que pueden afectar su calidad.

Lección 16: Conceptos básicos

1. Definición

El suelo es un constituyente natural de la corteza terrestre, con el que todos los

seres humanos tenemos contacto y acerca del cual nos hemos formado algún tipo

de concepto. Como lo menciona Thompson29 para un ingeniero civil puede ser el

soporte y fuente de material para la construcción de edificaciones, para el

agricultor el medio para la producción de cultivos y para la mayoría de nosotros la

fuente de la cual derivamos nuestro alimento.

El suelo es un material de gran complejidad que tiene múltiples definiciones que

dependen de la formación y enfoque hacia su utilización que tenga la persona que

las elabore.

29 THOMPSON, Louis M y TROEH, Frederick R. Los suelos y su fertilidad. 4 ed. Barcelona :

Reverté, 1982. p. 1.

PALABRAS CLAVE: cuerpo natural, sistema trifásico, factores formadores, perfil

del suelo, horizontes maestros.

188



Para los fines de este módulo se trabajará con una definición formulada a partir de

puntos de vista más técnicos, por USDA:

El suelo es un cuerpo natural compuesto de sólidos (minerales y materia

orgánica), líquidos y gases que existe sobre la superficie de la tierra, ocupa

un espacio y se caracteriza por uno o por los dos aspectos siguientes:

presentar horizontes o capas que se diferencian del material inicial como

resultado de las adiciones, pérdidas, transferencias y transformaciones de

energía y de materia, o por la capacidad para soportar plantas arraigadas

en un ambiente natural30.

2. Importancia

Desde el punto de vista agroecológico y ambiental, su importancia radica en el

hecho de que allí crecen y se nutren de él las plantas, las cuales proporcionan

alimentos para el hombre y elementos necesarios para el vestido y la vivienda.

También sustenta los pastos y otras plantas que sirven de alimento para los

animales de los cuales se utiliza la carne, la piel y la lana. Además, el suelo es

soporte y fuente de materiales para las vías, los puentes, las construcciones y

otras obras en las ciudades y el campo.

El suelo hace parte de los ecosistemas terrestres y, en consecuencia, de la vida

misma. Es regulador del ciclo del agua.

3. Composición

A partir de la definición arriba planteada es evidente que en el suelo están

presentes los tres estados de la materia. Por esto, se conoce como un sistema

trifásico.

La parte sólida forma el esqueleto del suelo y está constituida por los minerales

provenientes de la roca madre y por la materia orgánica de los organismos vivos.

Las partículas sólidas no están perfectamente empaquetadas entre sí, sino que

entre ellas existen espacios vacios que se denominan poros.

Las fases líquida y gaseosa del suelo se alojan en los poros. La fase líquida se

conoce como el agua del suelo, pero en realidad es una solución acuosa con

diversas sales y gases disueltos. La fase gaseosa es el aire del suelo que en las

30 UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil taxonomy : a basic system of soil

classification for making and interpreting soil surveys. 2 ed. Washington : USDA, 1999. p. 9.

189



capas más cercanas a la superficie del suelo tiene una composición similar a la del

aire atmosférico.

Los poros más pequeños usualmente contienen agua y los más grandes contienen

aire. Los componentes de las tres fases se hallan mezclados en diferentes

proporciones en los suelos; sin embargo, la Figura 20 muestra una proporción

que se considera promedio y típica.

Figura 20. Proporciones relativas (en volumen) de los componentes del

suelo

Los componentes minerales del suelo provienen de su roca madre y varían

grandemente en cuanto a composición química, tamaño y forma de las partículas

individuales y velocidad de meteorización.

El tamaño de las partículas minerales varía en un rango amplio: los fragmentos de

diámetro superior a 76 mm se denominan piedras, los fragmentos menores de 76

mm y mayores de 2 mm se conocen como gravas. Tanto las piedras como las

gravas no proporcionan las condiciones requeridas para el crecimiento de plantas

y tienen efectos adversos en las propiedades físicas del suelo, como la

permeabilidad y susceptibilidad a la erosión; además se constituyen en una

limitante para las labores de cultivo.

190



Las partículas con diámetro igual o menor de 2 mm se subdividen, a su vez, en

tres clases principales, que según las normas del Departamento de Agricultura de

los Estados Unidos de América (USDA)31 corresponden a los siguientes tamaños:

o Arena que comprende partículas con diámetros entre 2 mm y 0,05 mm, las

cuales se observan a simple vista.

La composición mineralógica de las arenas varía de acuerdo con el tipo de

roca de la que proceden, lo cual guarda relación con la región geográfica a

la cual pertenecen.

En términos generales, el cuarzo es el mineral predominante en la arena,

pero se encuentra acompañado por otros minerales, entre los cuales se

destacan los siguientes: feldespatos, anfíboles, micas y piroxenos.

o Limo que comprende partículas con diámetros entre 0,002 mm y menores

de 0,05 mm.

o Arcilla que comprende partículas con diámetros menores de 0,002 mm.

La estructura de las arcillas corresponde a una serie de láminas dispuestas

paralelamente, cuya unidad básica comprende dos láminas tetraédricas

dispuestas una encima y otra debajo de una lámina octaédrica central (Ver Figura

21 Estructura general de las arcillas).

Cada lámina tetraédrica consta de tetraedros en los cuales el catión dominante es

el Si4+, el cual puede ser sustituido frecuentemente por Al3+ y ocasionalmente por

Fe3+. Los tetraedros se unen entre sí a través de iones O2- situados en sus vértices

basales, el vértice apical queda libre.

Cada lámina octaédrica consta de octaedros con un catión metálico en el centro,

el cual usualmente puede ser alguno de los siguientes: Al3+, Mg2+, Fe2+ o Fe3+.

También se han encontrado, aunque con menor ocurrencia, el litio y los otros

elementos de transición, excepto el escandio. En los vértices de cada octaedro se

localizan aniones que pueden ser O2-, OH- y F-. Los octaedros se unen entre sí

mediante aristas comunes.

Las láminas tetraédricas y octaédricas se unen unas a otras en ensambles

estructurales que se conocen como capas.

31 UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil survey laboratory information

manual. Lincoln, Nebraska : USDA, 1995. p. 13.

191



A

B

192



C

Figura 21. Estructura general de las arcillas: A. Tetraedro de silicio y lámina

tetraédrica; B. Octaedro y lámina octaédrica; C. Unidades básicas separadas

por un espacio interlaminar

La materia orgánica del suelo está constituida por restos de plantas y animales

bien sea frescos o en diferentes grados de descomposición y por tejidos vivos y

muertos de los microorganismos.

La materia orgánica, a medida que se descompone, libera varios de los elementos

necesarios para la nutrición de las plantas. Las cantidades y los tiempos

empleados para la liberación varían de acuerdo con la naturaleza de los

elementos.

Además de la provisión de nutrientes, otra función importante de la materia

orgánica en el suelo es actuar como agente cementante de las partículas

minerales para formar agregados que favorecen una estructura del suelo, con una

cantidad adecuada de poros, para una buena aireación. Esta función es de

especial relevancia en suelos con contenidos medio a alto de arcillas.

Unidad básica

Espacio interlaminar

193



El agua, o mejor la solución acuosa del suelo es de gran importancia porque

contiene los elementos disponibles para la nutrición de las plantas y es necesaria

para los diferentes procesos fisiológicos de éstas.

El agua del suelo se encuentra en permanente movimiento debido a que partcipa

en diferentes procesos, como son:

la entrada del agua en el suelo mediante la infiltración, las entradas

laterales y el ascenso a partir de una capa freática.

La redistribución que se da por transferencia y acumulación.

Absorción por las plantas.

Evaporación

Las fuentes de agua para el suelo son la lluvia y el riego. Parte de esta agua

penetra la superficie del suelo y es absorbida y retenida por las diversas partículas

del suelo; otra parte se puede acumular en la superficie y constituye una causa

potencial de erosión; otra parte vuelve a la atmósfera debido a la evaporacción y a

la transpiración de las plantas y otra fracción se infiltra hacia la profundidad y

eventualmente reaprovisiona la reserva de agua del suelo.

El aire o fase gaseosa del suelo es determinante en su productividad. Debe existir

una permanente aireación, es decir, debe haber intercambio entre el aire del suelo

y el aire atmosférico para prevenir una deficiencia de O2 y un exceso de CO2 en la

zona radical; de esta manera se favorece la respiración adecuada de las raíces.

Por otra parte, los microorganismos del suelo también respiran y cuando la

aireación no es suficiente compiten por el O2 con las raíces.

La aireación del suelo depende del volumen de los poros que se encuentre

ocupado por el aire, por tanto, su transferencia disminuye a medida que estos se

saturan de agua. Se requiere, entonces, un balance adecuado entre la cantidad de

agua y de aire presentes en un suelo.

4. Formación de los suelos

Existen cinco factores formadores que explican su conformación y desarrollo:

1) Material parental, del cual se forman.

2) Relieve, donde se encuentran.

194



3) Clima, que permite su evolución.

4) Organismos, que lo asocian con un medio viviente.

5) Tiempo o edad de los mismos, que es la dimensión en la cual actúan los

otros factores formadores.

Los materiales parentales se originan a partir de las rocas, los sedimentos y la

materia orgánica sobre los que actúan agentes físico-químicos y biológicos.

El clima con sus componentes, la lluvia, la temperatura, los vientos y la radiación

solar influyen o determinan la formación de los suelos. La lluvia y la temperatura

contribuyen a la fragmentación de las rocas. La temperatura, además, influye en la

velocidad de los procesos físico-químicos y biológicos, en tal forma que, por

ejemplo, en las zonas de páramo la actividad biológica es muy lenta, lo cual

ocasiona acumulación de materia orgánica, en determinadas altitudes.

Los organismos. El hombre, las plantas y otros organismos ejercen su acción

aportando sustancias orgánicas y minerales que contribuyen a la formación del

suelo.

La lombriz de tierra, los insectos, las larvas y otros estados inmaduros habitan el

suelo y participan en su formación. Además, ingieren materia orgánica y mineral

para producir deyecciones que constituyen material transformado y agregado.

El relieve o forma de la superficie terrestre, modifica la acción de otros factores y

procesos al determinar la exposición al sol, a las lluvias y a los vientos. También

influye en otras características como la presencia del nivel freático y en la

suceptibilidad de los suelos a la remoción de partículas, generalmente mediante la

erosión.

El tiempo durante el cual interctuan los factores formadores, tiene mucha

importancia debido a que de éste depende que se alcancen estados de madurez,

juventud o vejez en los suelos.

5. Los procesos de formación de los suelos.

Los procesos generales constituyen los eventos responsables de su formación.

Actúan de forma permanente y se agrupan en cuatro categorías principales:

ganancias, pérdidas, translocaciones y transformaciones.

195



6. El perfil del suelo

Como resultado de la acción de los factores y de los procesos, y de acuerdo con el

predominio de uno u otro y de su intensidad, se originan capas que se denominan

196



horizontes maestros y su conjunto constituye el perfil del suelo (ver Figura 22.

Perfil general del suelo).

Figura 22. Perfil general del suelo32

32 Tomada de:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion1/capitulo04/tema03/01_0

4_03.htm

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion1/capitulo04/tema03/01_04_03.htm

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion1/capitulo04/tema03/01_04_03.htm

197



Horizontes maestros. Estas capas sintetizan y revelan la historia del suelo, a

través de los procesos que los generan. Los horizontes O, A, E, B y C se

denominan horizontes maestros.

o Horizonte O: se caracteriza porque su composición dominante es la materia

orgánica que comprende restos, por ejemplo, de hojas y otro tipo de

materiales orgánicos parcialmente descompuestos. Se conoce también

como mantillo o litter.

o Horizonte A: es la zona de máxima acumulación de materia orgánica

humificada (humus).

o Horizonte E: se caracteriza por la pérdida de arcilla, hierro, aluminio o

combinación de éstos, permitiendo la acumulación de arenas y limos.

o Horizonte B: es subsuperficial y allí han ocurrido más intensamente los

procesos de formación del suelo, por ejemplo, transformaciones de unos

materiales en otros, o migraciones, concentraciones de elementos o

compuestos como arcilla, hierro y materia orgánica entre otros.

o Horizonte C: es el más profundo y el menos afectado por la acción de los

factores y procesos formadores del suelo; generalmente se asocia con el

material parental.

o Horizonte D: corresponde al lecho rocoso consolidado.

Lección 17: Propiedades de los suelos

Los suelos tienen características y propiedades que los definen y son útiles para

su uso y manejo. Éstas pueden ser de naturaleza física, química, biológica y

mineralógica.

En esta lección se hará énfasis en las propiedades químicas, pero previamente se

realizará una mención breve a los otros tipos de propiedades.

PALABRAS CLAVE: textura, estructura, porosidad, densidad, infiltración,

contenidos de minerales, poblaciones de fauna, funciones de microorganismos,

capacidad de intercambio catiónico, acidez del suelo, bases intercambiables,

disponibilidad de nutrientes.

198



1. Propiedades físicas

Los suelos presentan propiedades físicas que dependen de la naturaleza de sus

componentes, de las cantidades relativas de cada uno de ellos y de la forma en

que se interrelacionan entre sí.

El conocimiento de las propiedades físicas permite inferir, por lo menos de manera

aproximada algunos aspectos químicos y biológicos de la fertilidad de los suelos.

Entre las propiedades físicas del suelo están las siguientes:

Textura: corresponde al porcentaje en peso de cada una de las tres

fracciones minerales, arena, limo y arcilla. Dependiendo de la proporción de

estas fracciones en un suelo determinado se le asigna una clase textural

(ver Figura 23. Triángulo de clases texturales). A partir de la textura se

pueden inferir aspectos relacionados con la porosidad, la retención de

humedad, el riesgo de erosión hídrica, la permeabilidad y la capacidad de

intercambio catiónico, entre otros.

Densidad real o de partículas: corresponde a la densidad media de su fase

sólida. Es importante porque permite calcular la porosidad del suelo,

evaluar la concentración y medir la velocidad de sedimentación de las

partículas en suspensión. Para un horizonte determinado tendrá un valor

prácticamente constante en el tiempo porque la naturaleza de las partículas

no cambia.

Densidad aparente: corresponde a la relación masa-volumen incluyendo la

parte sólida y los poros, los cuales pueden estar llenos de agua o de aire.

Esta propiedad influye en el desarrollo radical y en la emergencia de las

plántulas, debido a que se relaciona con otras propiedades como la

humedad, la porosidad y el desarrollo de la estructura. Presenta variaciones

grandes en sentido vertical y horizontal del perfil del suelo.

Estructura: corresponde al arreglo u organización de las partículas y la

configuración interna de la matriz del suelo. Se visualiza en forma de

agregados que dan lugar a ciertos modelos estructurales. Es un concepto

cualitativo e influye en las propiedades mecánicas y en procesos como la

germinación, el crecimiento de las raíces, tráfico sobre la superficie y la

erosión y la degradación (ver Figura 24. Tipos de estructura del suelo).

199



Figura 23. Triángulo de clases texturales de los suelos33

Porosidad: se define como la relación entre el volumen de poros y el

volumen total del suelo; se relaciona con la estructura de cada horizonte.

Con algunas limitaciones se puede calcular a partir de los valores de

densidad real y aparente.

Porosidad = 1 – (densidad aparente / densidad real)

Infiltración: se aplica a los procesos de entrada de agua al suelo, por flujo

vertical desde su superficie a lo largo de todo el perfil. Esta propiedad está

relacionada con la cantidad de agua que entra a la zona radical y la

cantidad que escurre. Se mide en unidades de velocidad y por esto se

denomina, también, velocidad de infiltración.

33 Tomado de: http://www.cm.colpos.mx/meteoro/progde/textu/index.htm

http://www.cm.colpos.mx/meteoro/progde/textu/index.htm

200



Temperatura: corresponde a un valor en un sitio y un momento

determinados, porque cambia en el tiempo y el espacio. Determina las

velocidades y direcciones de los procesos físicos, químicos y biológicos.

Color: es una de las propiedades más visibles del suelo. De forma indirecta

tiene relación con la temperatura y la humedad. Es un indicador de

aspectos importantes: origen geológico, grado de intemperismo, fenómenos

de oxidación-reducción, presencia de materia orgánica y procesos de

lixiviación y acumulación de compuestos orgánicos.

Figura 24. Tipos de estructura del suelo34

2. Propiedades mineralógicas

Corresponden básicamente a la caracterización de las fracciones arena y arcillas

de los suelos, desde el punto de vista de los minerales que contienen. El

conocimiento del contenido y el tipo de arenas y de arcillas permite conocer su

34 Tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/09/28/74849

http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/09/28/74849

201



capacidad para retener el agua y los nutrientes, su facilidad de drenaje, la cantidad

y clase de poros, como también su estado de evolución y de fertilidad.

Fracción arena: para su estudio se separa la fracción con diámetros entre

150µ y 200µ. Esta fracción se lava para eliminar residuos de arcilla o

materia orgánica. El análisis se hace con microscopio de luz polarizada.

Fracción arcilla: el método más utilizado en la determinación de la

mineralogía de las arcillas es la difracción de rayos X. Sin embargo, no es

un método absoluto y es recomendable utilizar métodos complementarios

como el análisis térmico diferencial y el térmico gravimétrico.

3. Propiedades biológicas

Se relacionan principalmente con el tipo de organismos presentes en el suelo y

sus actividades. Algunos análisis al respecto se enumeran a continuación.

Poblaciones de fauna en el suelo: taxonomía e índices de diversidad

Microorganismos del ciclo del nitrógeno: nitrificantes, amonificantes,

fijadores de nitrógeno y denitrificantes

Reductores de sulfato, bacterias anaerobias

Microorganismos anaerobios o extremófilos

Solubilizadores de fosfatos

4. Propiedades químicas

La química del suelo encierra aspectos de la química de soluciones y de la

química de fases sólidas. En especial, la zona de contacto entre las fases líquida y

sólida es fundamental y tiene que ver con la química coloidal, en la cual las

fuerzas superficiales son importantes.

Es así como, por lo general, los iones adsorbidos sobre la superficie de las

partículas sólidas se encuentran en mayor cantidad que la presente en la solución

del suelo y se establece un equilibrio químico dinámico entre ellos. Con base en

este equilibrio se puede estudiar una importante propiedad química, la capacidad

de intercambio catiónico.

202



Capacidad de Intercambio catiónico (CIC)

Los minerales que constituyen la fracción arcilla (complejo de cambio o coloidal

mineral) y el humus (complejo de cambio o coloidal orgánico) poseen esta

propiedad, debido a que poseen sitios con cargas negativas que atraen cationes.

Las cargas negativas responsables de la capacidad de intercambio catiónico

tienen orígenes diversos. En los minerales de las arcillas tienen lugar sustituciones

de cationes que se conocen también como sustituciones isomórficas.

Como ya se mencionó en la lección anterior, estas sustituciones ocurren porque

en la capa tetraédrica de los minerales arcillosos, excepto los caoliníticos, el

aluminio (Al3+) puede sustituir al silicio (Si4+) y en las capas dioctaédricas el

magnesio (Mg2+) o el hierro (Fe2+) pueden sustituir al aluminio (Al3+), sin cambiar

la forma de las láminas de los minerales, dando lugar a un desbalance de cargas

que resulta en cargas negativas que se neutralizan con cationes retenidos en la

superficie de las láminas o entre ellas (ver Figura 25) .

Las cargas negativas también aparecen en los bordes rotos de los minerales,

porque sus estructuras se mantienen por secuencias continuas de enlaces iónicos;

cuando en el borde quedan cargas negativas, éstas atraen cationes.

Figura 25. Representación de mineral de arcilla con carga negativa

superficial35

35 Tomado y adaptado de: http://www.sagan-gea.org/hojaredsuelo/paginas/13hoja.html

http://www.sagan-gea.org/hojaredsuelo/paginas/13hoja.html

203



Otro origen de las cargas negativas está en la ionización de H+ de los grupos

carboxilo y fenólico de sustancias orgánicas humificadas. Los aniones resultantes

se neutralizan con cationes (ver Figura 26).

Figura 26. Representación de sustancias orgánicas con grupos ionizados36

Los cationes en los minerales o en las sustancias orgánicas se denominan

intercambiables si pueden ser sustituidos por otros disueltos en el agua que rodea

las partículas, es decir, en la solución del suelo.

El intercambio de cationes es un proceso reversible entre las fases líquida y sólida

del suelo, la suma de estos cationes corresponde a la capacidad de intercambio

catiónico que usualmente se expresa en miliequivalentes por 100 g de suelo que

en unidades del Sistema Internacional corresponde a centimoles carga por

kilogramo de suelo (cmol (+) /kg suelo).

La magnitud de la capacidad de intercambio catiónico depende, en parte, del pH

siendo menor en condiciones ácidas y aumentando hacia los valores básicos.

36 Tomado de: http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/05/30/66696

http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/05/30/66696

204



Otro factor que influye en la magnitud de la CIC es la naturaleza del complejo

coloidal (ver Tabla 9).

Tabla 9. Valores de capacidad de intercambio catiónico

COMPONENTE PRINCIPAL DEL

COMPLEJO COLOIDAL

CIC (cmol (+) / kg suelo)

Caolinita 3-15

Ilita y clorita 10-40

Montmorillonita 80-150

Vermiculita 100-160

Humus 300-500

La capacidad de intercambio catiónico es un indicador de la fertilidad potencial del

suelo debido a que se relaciona con la cantidad de nutrientes que puede retener

para poner a disposición de las plantas bajo condiciones determinadas.

Acidez del suelo

A esta propiedad se han referido varios autores, los cuales la han relacionado con

diferentes especies químicas, así:

Fassbender y Bornemisza: “depende del contenido de hidrógeno ionizable,

del aluminio disociable en numerosas formas y, en menor grado, de los

ACTIVIDAD # 12: Establezca porque la capacidad de intercambio catiónico

aumenta a valores de pH básicos.

¡Discuta su respuesta con su tutor en foro virtual!

205



iones de hierro y manganeso, todos en equilibrio con la solución del suelo

donde ocurren variadas reacciones de hidrólisis”37.

Garavito: “depende del hidrógeno y el aluminio intercambiables o no

intercambiables y del hidrógeno de la materia orgánica”38.

Teniendo en cuenta consideraciones como las anteriores, Garavito39 ha definido

diferentes tipos de acidez en el suelo, así:

Acidez activa: corresponde a los iones hidrógeno en la solución del suelo; se

determina al medir el pH (ver Figura 27).

Acidez intercambiable: corresponde a los iones aluminio e hidrógeno

intercambiables con una sal neutra como cloruro de potasio normal (ver Figura

27).

Acidez no intercambiable: Corresponde a los iones Al (OH)2+, al hidrógeno unido a

la materia orgánica y al de los grupos Si-OH de las arcillas. Se disocia poco a poco

en la medida que se aumente el pH y no se extrae con una sal neutra.

Acidez total: es la suma de las anteriores.

37 FASSBENDER, H. W. y BORNEMISZA, E. Química de suelos con énfasis en suelos de América

Latina, citado por MALAGON CASTRO et al. Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación,

distribución y uso. Santafé de Bogotá : Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423.

38 GARAVITO, F. Propiedades químicas de los suelos, citado por MALAGON CASTRO et al.

Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación, distribución y uso. Santafé de Bogotá :

Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423.

39 Ibíd.

206



Figura 27. Representación de la acidez activa y de la intercambiable40

Bases intercambiables y saturación de bases

Comprenden los metales alcalinos y alcalinotérreos adsorbidos sobre las arcillas o

en la materia orgánica que pueden cambiarse entre sí o con otro ión cargado

positivamente en la solución del suelo. En la práctica, se consideran bases

intercambiables el calcio, el magnesio, el sodio y el potasio, las cuales constituyen

el 99% de las bases de cambio.

40 Tomada y adaptada de: http://www.exactas.unlpam.edu.ar/academica/catedras/edafologia/practicos/reaccion%20del%20suelo.htm

http://www.exactas.unlpam.edu.ar/academica/catedras/edafologia/practicos/reaccion%20del%20suelo.htm

207



Figura 28. Proporción promedio de bases en el suelo41

Las bases presentes en mayor cantidad en los sitios de intercambio catiónico son

por lo general el calcio y el magnesio.

El 1% de otras bases incluye micronutrientes como Fe2+, Cu2+, Mn2+ y Zn2+ cuya

presencia es importante, debido a que son indispensables para las plantas en

cantidades trazas, las cuales son suficientes para cubrir sus necesidades.

El denominado porcentaje de saturación de bases corresponde al de sitios de

intercambio catiónico ocupados por las bases. Por ejemplo, si se encuentra que la

suma de las cantidades de las bases intercambiables (Ca2+, Mg2+, K+ y Na+) es

18 cmol(+) / kg suelo, y el suelo tiene una CIC de 34 cmol(+) / kg suelo, el

porcentaje de saturación de bases es de 53. Si la misma cantidad de bases se

encuentra en un suelo con una CIC de 26 cmol (+) / kg suelo, el porcentaje de

saturación de bases es ahora de 69.

Disponibilidad de nutrientes

A través de los años, con el avance en los métodos y técnicas de la química

analítica se ha incrementado la lista de los elementos químicos presentes en el

suelo y en las plantas. Sin embargo, en relación con la nutrición de las plantas

tradicionalmente se consideran tres grandes grupos:

o Macronutrientes: N, P, K

o Elementos secundarios: Ca, Mg, S

41 Elaborada por la autora del módulo

208



o Micronutrientes: Fe, Mn, B, Cu, Zn, Mo, Cl

La disponibilidad se refiere a que los elementos se encuentren en el suelo en

condiciones de ser tomados por las plantas para su nutrición. En este punto un

factor crítico es el pH debido a que influye en la tasa de liberación de nutrientes

por meteorización, en la solubilidad y en la cantidad de iones almacenados en los

sitios de intercambio catiónico.

La Figura 29 es una representación aproximada de la correspondencia entre los

valores de pH y la disponibilidad adecuada (franja más ancha) o la deficiencia

(franja más angosta) para cada uno de los nutrientes. Por ejemplo, se puede

establecer que a valores de pH menores a 5,5 se aumenta la posibilidad de

deficiencia de la mayoría de los elementos, excepto con el hierro para el cual esta

situación se presenta a valores de pH superiores a 6.5.

Figura 29. Representación de la disponibilidad de nutrientes a diferentes

valores de pH42

42 Tomada de: http://www.pasturasyforrajes.com/alfalfa/requerimientos-del-suelo/disponibilidad-de-

nutrientes

http://www.pasturasyforrajes.com/alfalfa/requerimientos-del-suelo/disponibilidad-de-nutrientes

http://www.pasturasyforrajes.com/alfalfa/requerimientos-del-suelo/disponibilidad-de-nutrientes

209



Ejercicios:

En un estudio ambiental realizado en tres sitios de la Sabana de Bogotá se

encuentra la siguiente información:

Sitio 1: Suelo con 30% de arcilla, 20% de limo y 50% de arena y una CIC

(capacidad de intercambio catiónico) de 25 cmol (+) /kg suelo.

Sitio 2. Suelo con 29% de arcilla, 20% de limo y 51% de arena y una CIC




Analizar la información anterior y responder:

a) ¿Cuál es la clase textural de los sitios y ésta qué relación guarda con otras

propiedades como porosidad, permeabilidad, retención de humedad,

almacenamiento de nutrientes y velocidad de infiltración?

b) Entre el sitio 1 y 2 la composición porcentual del componente mineral del

complejo de cambio es idéntica. Sin embargo, la CIC del sitio 2 es mayor que la

del sitio 1. ¿A qué se puede atribuir esta diferencia?

Solución:

a) Para determinar la clase se debe utilizar el triángulo textural, para interpolar los

porcentajes, de cada tipo de partículas, que tienen los diferentes sitios en estudio.

Antes de hallar la clase textural para el ejercicio propuesto, veamos cómo se

maneja el triángulo.

210



Tomado de:ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_Training/FAO_Training/General/x6706s/x6706s06.htm

La ilustración muestra como se interpolan los valores en el triángulo para un suelo

con 33% de arcilla, 33% de arena y 33% de limo. Se siguen los siguientes pasos:

Se ubica el valor del porcentaje de arcilla (33%) a lo largo del lado izquierdo

del triángulo y se sigue la línea horizontal paralela a la base del triángulo.

Luego se ubica el valor del porcentaje de arena (33%) en la base del

triángulo y se sigue la línea ascendente con inclinación hacia la izquierda,

hasta el punto de cruce con la horizontal que se siguió para la arcilla. En la

gráfica, el corte corresponde al punto central donde se encuentran las

flechas; con este punto se encuentra la clase textural, que para este

ejemplo es franco arcillosa (ver Figura 23 que corresponde al triángulo

con los nombres de las clases texturales)

Dos valores ubicados en el triángulo son suficientes para hallar la clase,

porque se está trabajando con porcentajes.

A manera de comprobación, a partir del punto de corte siga la línea con

inclinación hacia la derecha hasta alcanzar la escala de porcentaje de limo,

que aparece al lado derecho del triángulo, debe llegar al valor de 33%

Franco arcillosa

ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_Training/FAO_Training/General/x6706s/x6706s06.htm

211



Ahora para el ejercicio propuesto, los sitios 1 y 2 tienen la misma composición

porcentual: 29% de arcilla, 20% de limo y 51% de arena.

Siguiendo los pasos anteriormente indicados, se encuentra la clase franco-

arcillosa-arenosa.

Para el sitio 3, la composición porcentual es 10% de arcilla, 15% de limo y 75% de

arena, para la cual se encuentra la clase franco-arenosa.

Para establecer la relación de la clase textural con otras propiedades es

importante tener en cuenta lo estudiado en la lección que se puede sintetizar de la

manera siguiente:

Propiedad Tipo de partícula

Arena Limo Arcilla

Porosidad Alta

(macroporosidad)

Alta

(microporosidad)

Alta

(microporosidad)

Velocidad de

infiltración

Alta Baja a media Baja

Permeabilidad Alta Baja a media Baja

Retención de

humedad

Baja Baja Alta

Almacenamiento

de nutrientes

Bajo Bajo a medio Alto

Según lo planteado en este ejercicio, para los suelos de los tres sitios se presenta

una relación más marcada de las propiedades respecto a la arena, que es la

fracción predominante.

b) Aunque la textura de los suelos del sitio 1 y el sitio 2 son iguales, la CIC del sitio

2 puede ser mayor que la del sitio 1, debido a presencia en el sitio 2 de una mayor

cantidad de materia orgánica. Esto se deduce del hecho de que la capacidad de

intercambio catiónico se debe tanto al complejo coloidal mineral como al orgánico.

212



Lección 18: Reacciones y equilibrios en el suelo

La presencia de las tres fases en el suelo establece la existencia de un sistema

complejo en el cual tienen lugar reacciones y equilibrios químicos múltiples, en los

que las interfases sólido- líquido y líquido-gas son determinantes.

En la superficie de interacción sólido-líquido, es decir, en el plano de contacto

entre la fase sólida iónica y la fase líquida acuosa juega un papel de primordial

importancia la constante dieléctrica alta de la solución del suelo, debido a que las

moléculas polares del agua poseen una tendencia fuerte a causar disociación de

los grupos superficiales del sólido.

Por otra parte, la capa de líquido adyacente a la fase sólida se encuentra

modificada en relación con el seno de la solución, tanto en la estructura como en

la composición iónica.

Lo anterior da lugar, en los suelos, a la consideración de la teoría de la

denominada doble capa difusa. En esta teoría se plantea que se esperaría que un

gran número de contra-iones se uniera firmemente a la superficie de la partícula

coloidal cargada eléctricamente formando una doble capa eléctrica compacta. Sin

embargo, el movimiento térmico impide la formación de la capa compacta y tiende

a producir una distribución uniforme de los co-iones y contra-iones.

El efecto combinado de las fuerzas eléctricas y la agitación térmica origina, en

consecuencia, una doble capa difusa, que se visualiza, en la Figura 30, como un

segmento en la cercanía de la superficie coloidal con un gran número de contra-

iones y, después, otro segmento en donde la distribución de cargas se va

haciendo más uniforme, a medida que aumenta la distancia, a la superficie

coloidal.

PALABRAS CLAVE: interfase sólido-líquido, interfase líquido-gas, doble capa

difusa, capacidad amortiguadora, sistema CO2-H2O, el hierro en suelos

aeróbicos y anaeróbicos

213



Figura 30. Esquema de una doble capa difusa43

Lo anterior muestra que el equilibrio sólido-líquido no es simple porque se dan

diferentes niveles de atracción electrostática. En términos prácticos, se considera

que existe una región en la fase líquida, la cual no tiene mayor influencia de la

fase sólida (en el esquema está representada por la denominada “solución más

uniforme eléctricamente”) y por esto se trata como cualquier solución acuosa.

En consecuencia, se simplifica la representación del equilibrio de las dos fases,

así:

Suelo – A+ + B+ Suelo – B+ + A+

Donde:

A+ = cationes adsorbidos en el complejo coloidal del suelo

B+ = cationes presentes en la solución del suelo

1. Reacciones ácido-base


Superficie coloidal cargada positivamente

Concentración de contra-iones Solución más uniforme

eléctricamente

214



Con base en este equilibrio tienen lugar reacciones, por ejemplo, de tipo ácido-

base, que explica la capacidad amortiguadora del suelo.

1.1. Capacidad amortiguadora (buffer) del suelo

La adición de ácidos o de bases produce una variación en el valor del pH; sin

embargo, cuando los suelos están tamponados, la variación puede ser

relativamente pequeña respecto a las cantidades de los compuestos añadidos.

La capacidad amortiguadora de un suelo tiene que ver con:

La presencia de complejo de cambio o coloidal en su composición. A mayor

contenido de arcillas y/o materia orgánica mayor será la capacidad

amortiguadora.

La capacidad de intercambio catiónico. A mayor CIC mayor será la

capacidad amortiguadora.

Las situaciones que se presentan son las siguientes: al adicionar un ácido al

suelo, una cantidad pequeña de los iones H+ permanece en la solución y los

restantes se intercambian con los cationes adsorbidos en el complejo de cambio y

ocupan su lugar. La reacción contraria tiene lugar cuando se adiciona una base,

los iones H+ que están unidos al complejo de cambio son reemplazados por los

cationes de la base y pasan a la solución y reaccionan con los iones OH- para

formar agua.

Lo anterior muestra claramente que las adiciones de ácidos o bases al suelo

afectan ligeramente el pH y, a la vez, modifican el porcentaje de saturación de

bases. A medida que aumenta el pH se incrementa el porcentaje de saturación de

bases y viceversa.

Los suelos con complejos de cambio con mayor CIC presentan valores de pH

menores para cualquier nivel de saturación de bases (ver Figura 31).

215



Figura 31. Relación entre pH y la saturación de bases44

1.2. Equilibrios del sistema CO2-H2O en presencia de carbonatos sólidos.

Por otra parte, la interacción de las fases líquida y gaseosa también da origen a

reacciones ácido-base, la más relevantes las relacionadas con el sistema CO2-

H2O. Para una revisión de los equilibrios y las correspondientes reacciones,

remítase a la lección 3, en el aparte “reacciones ácido-base”.

En relación con este sistema, es importante resaltar que el gas CO2 siempre

presente en el suelo delimita las concentraciones máximas posibles de muchos

cationes en la solución del suelo. El ión Ca2+ es uno de los cationes más

abundantes, entre los que forman carbonatos con baja solubilidad, lo cual

44 Tomada y adaptada de:

THOMPSON, Louis M y TROEH, Frederick R. Los suelos y su fertilidad. 4 ed. Barcelona :

Reverté, 1982. p. 215.

216



concuerda con la situación que se encuentra en la práctica, esto es, que muchos

suelos contienen carbonatos de calcio sólidos.

Los carbonatos de calcio cristalinos que se encuentran, en mayor proporción, en el

suelo son la calcita y la aragonita. Otros carbonatos presentes son la dolomita,

CaMg (CO3)2 y magnesita, MgCO3. La siderita, FeCO3, se encuentra en ciertos

suelos anaeróbicos.

La presión local del CO2 en el suelo, junto con el pH del sistema, controla la

concentración máxima de los cationes relevantes, en cambio la presencia de

carbonatos sólidos en el suelo establecerán la concentración real de los cationes

relevantes en la solución del suelo, sin que dejen de influir el pH y la presión del

CO2.

De acuerdo con lo anterior, es común que se presente que bajo condiciones de

lavado excesivo por el agua de lluvia, lo cual genera un nivel total bajo de

electrolitos en la solución del suelo, el complejo de cambio de los suelos que

contienen CaCO3 esté casi completamente saturado con iones Ca2+.

Para las reacciones y equilibrios del sistema CO2-H2O en presencia de carbonatos

sólidos, remítase nuevamente a la lección 3, en el aparte “reacciones ácido-base”.

2. Reacciones de oxidación-reducción

Algunas de las reacciones de oxidación-reducción más frecuentes en el suelo se

deben al hierro, el cual está presente en cantidades que varían ampliamente.

En suelos aeróbicos el hierro puede estar presente en la forma de α-Fe2O3

(hematita), γ-Fe2O3 (maghematita), α-FeOOH (goethita), γ- FeOOH (lepidocrocita)

o Fe(OH)3. nH2O (hidróxido férrico hidratado). Los cuatro primeros compuestos

son formas cristalinas, mientras que el hidróxido es una forma amorfa. Ésta última,

frecuentemente, regula la solubilidad del hierro en el suelo.

En suelos anaeróbicos la solubilidad del hierro puede estar regulada por

compuestos como el hidróxido ferroso, Fe (OH)2, la siderita, FeCO3, el sulfuro

ferroso, FeS2 y la magnetita, Fe3O4, que es un compuesto férrico-ferroso.

Los minerales de Fe (II) en las rocas del material parental se oxidan

espontáneamente en suelos aeróbicos, aunque lo hacen muy lentamente. La

disponibilidad de electrones para las reacciones de oxidación-reducción en los

suelos está determinada por la oxidación de compuestos de carbono (materia

orgánica) realizada por microorganismos.

La reducción del Fe (III) en soluciones ácidas es:

217



Fe3+ + e- Fe2+ (4.1)

La concentración de Fe (III) a los valores más usuales de pH en los suelos (4,0 a

6,5) es muy baja debido a que los hidroxi-óxidos de Fe (III) son muy insolubles. La

reacción en la cual el Fe (III) acepta electrones en los suelos es en la reducción

del hidroxi-óxido de Fe (III) sólido:

FeOOH + e- + 3H+ Fe2+ + 2H2O (4.2)

Si se sustituye (4.1) en la ecuación de Nernst se obtiene:

Eh = Eho – 0,0059 (log [Fe2+] + 3pH) (4.3)

El diagrama Eh-pH para el Fe (ver Figura 32) muestra que el Fe3+ es

predominante bajo condiciones extremadamente ácidas y oxidantes. El Fe2+ y el

FeOOH son las formas predominantes en suelos típicos bien aireados. La región

de estabilidad del FeCO3 aumenta cuando aumenta PCO2.

Figura 32. Diagrama Eh – pH para diferentes especies químicas del Fe45

45 Tomada y adaptada de: BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley &

Sons, 2001. p. 124.

218



Ejercicios:

1) Para los mismos suelos del ejercicio de la lección 17, esto es:

Sitio 1: Suelo con 30% de arcilla, 20% de limo y 50% de arena y una CIC






a) Ordene de mayor a menor la capacidad amortiguadora de los suelos. Explique.

b) Para el sitio con menor sensibilidad al cambio de pH, explique a que se debe

esta característica.

Solución:

a) De mayor a menor capacidad amortiguadora: sitio 2 > sitio 1> sitio 3 porque a

mayor capacidad de intercambio catiónico mayor capacidad amortiguadora.

b) El sitio con menor sensibilidad al cambio de pH, esto es, con mayor capacidad

amortiguadora y mayor CIC se explica porque cuando hay adición de un ácido,

una gran cantidad de iones H+ se intercambian con cationes adsorbidos en el

complejo de cambio y ocupan su lugar, y son pocos los que quedan en la solución

del suelo.

Cuando se adiciona una base una gran cantidad de los iones H+ que están unidos

al complejo de cambio son reemplazados por los cationes de la base y pasan a la

solución y reaccionan con los iones OH- para formar agua.

En ambas situaciones el pH de la solución del suelo no sufrirá cambios

significativos.

2) En un suelo, donde predominan las condiciones reductoras, se encuentran en

equilibrio las especies disueltas HS- y SO42- y se midió un valor de pe de -4,0.

a) Establezca la reacción de reducción y la ecuación de pe

b) Con base en lo anterior determine la relación de concentraciones SO42- / HS-. El

valor obtenido hacia donde indica que está desplazado el equilibrio en este suelo.

219



NOTA: pH del suelo = 8 y pe° = 4,25

Solución:

a) La semi-reacción que se considera es:

1/8 SO42- + 9/8 H+ + e- 1/8 HS- + ½ H2O

La ecuación de pe se establece con base en la ecuación de Nernst:

[SO42-]1/8

pe = pe° + log + log [H+]9/8

[HS-]1/8

b) Relación de las concentraciones SO4

2- / HS-:

[SO42-]1/8 9

-4,0 = 4,25 + log - pH [HS-]1/8 8 [SO4

2-]1/8 9 -4,0 = 4,25 + log - (8) [HS-]1/8 8 De donde:

[SO42-] / [HS-] = 1 x 10-3

El equilibrio está desplazado hacia la especie química reducida: HS-

220



Lección 19: Calidad del suelo y compuestos que la alteran

1. Calidad del suelo

El concepto de calidad del suelo ha tenido varias acepciones desde que a finales

de la década de los ochentas empezó a cobrar importancia. Puede decirse que las

diferentes definiciones surgen de las diversas funciones que tiene el suelo, las

cuales se pueden englobar en dos aspectos principales:

1. Fertilidad y productividad

2. Sostenibilidad y calidad ambiental

Alrededor de estas funciones se espera que el suelo mantenga sus propiedades,

físicas, químicas y biológicas para mantener la productividad sostenible y que, a la

vez, actúe como filtro para atenuar contaminantes ambientales.

Aunque hoy en día se reconoce la importancia del suelo y su impacto en el

bienestar de la humanidad y el ambiente no se ha establecido una directriz única y

universal que establezca los criterios de selección de parámetros que sirvan de

indicadores de la calidad del suelo y de interpretación de los resultados de su

medición.

De cualquier forma, el establecimiento de criterios debería tener en cuenta que los

suelos pertenecen a determinados ecosistemas con características y potenciales

específicos y variados.

Dentro de los indicadores de calidad del suelo se han considerado sus

propiedades físicas, químicas y biológicas, así como los diferentes procesos que

allí tienen ocurrencia.

Debido a la diversidad de suelos y ecosistemas no existen valores únicos para

estas propiedades sino rangos y apreciaciones promedio que permiten establecer

tendencias o cambios en las condiciones de un suelo en relación con su calidad,

de acuerdo con funciones específicas.

PALABRAS CLAVE: indicadores de calidad, degradación química, salinización,

sodificación, nitrificación, acidificación, acumulación, movilidad, metales

pesados, agroquímicos.

221



En esta lección se hará énfasis en las propiedades químicas como indicadores de

la calidad del suelo. Para tal fin se presenta a continuación la Tabla11.

Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos46, la cual presenta

las principales propiedades químicas, sus rangos de valores y apreciaciones

acerca de los mismos, que sirven de base para establecer tendencias de cambio

en la calidad de los suelos.

46 ORTEGA, D. F. Consideraciones generales para interpretar análisis de suelos, citado por

MALAGON CASTRO et al. Suelos de Colombia : origen, evolución, clasificación, distribución y

uso. Santafé de Bogotá : Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. p. 423.

222



223



2. Compuestos que alteran la calidad química del suelo.

En contraste con los otros dos compartimentos ambientales, esto es, el agua y el

aire, la contaminación del suelo no se puede medir fácilmente en términos de la

composición química porque, como se ha podido observar en las lecciones

precedentes, el suelo presenta una gran dinámica, en cuanto a componentes y

reacciones químicas, directamente relacionada con el ecosistema al que

pertenece y, por tanto, un suelo “puro” es indefinible.

Aunque, en muchos casos, se puede determinar que una cierta sustancia proviene

de la actividad humana, haciendo una comparación con muestras no expuestas,

esto no es suficiente para establecer si un suelo está deteriorado o no.

En términos generales, se puede hablar de degradación química, como el

resultado de la acumulación de sustancias que ocasionan un desequilibrio en las

condiciones del suelo y pueden dar origen a procesos como los siguientes:

224



Figura 33. Procesos resultantes de la degradación química de suelos47

El proceso de acumulación de metales pesados y agroquímicos es, el que en la

práctica se asocia, con el término contaminación química.

47 Elaborada por la autora del módulo.

225



2.1. Metales pesados

Se consideran principalmente los siguientes: Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sn,

Ba, Hg y Pb.

La acumulación de estos metales ya se ha detectado en suelos de Colombia y de

acuerdo con su dinámica pueden presentarse las siguientes situaciones:

Permanecer disueltos en la solución del suelo o ser fijados por procesos de

adsorción, complejación y precipitación dependiendo de características del

suelo como: textura, pH, mineralogía de las arcillas, capacidad de

intercambio catiónico, contenido de materia orgánica, condiciones redox,

contenido de carbonatos, óxidos de Fe y Mn, entre otros.

Ser absorbidos por las plantas, según el pH, la concentración de cationes,

la competencia de cationes, la presencia de ligandos orgánicos e

inorgánicos, para así incorporarse a las cadenas tróficas.

Pasar a la atmósfera por volatilización.

Movilizarse a las aguas superficiales o subterráneas; este fenómeno puede

describirse en términos de la conductividad hidráulica, de acuerdo con la

cantidad y distribución de los poros del suelo, así como del contenido de

humedad.

Estos metales pueden estar presentes en el suelo en forma natural, pero la

contaminación, en la gran mayoría de casos, es de origen antropogénico, por

acumulación progresiva resultado del uso excesivo y continuo de fertilizantes e

insumos agrícolas, la utilización de lodos, residuos industriales y urbanos, la

depositación atmosférica proveniente de humos industriales o la utilización de

aguas de riego contaminadas por efluentes industriales y desechos urbanos.

2.2. Agroquímicos

Se pueden agrupar en dos grandes categorías: fertilizantes y pesticidas.

Los fertilizantes

Las plantas toman del suelo los elementos químicos que requieren para su

nutrición. Cuando el suelo tiene una cantidad insuficiente de alguno o varios de los

elementos requeridos, esta situación puede corregirse mediante la adición de

compuestos que contengan dichos elementos, es decir, por adición de

fertilizantes. Los fertilizantes pueden ser inorgánicos (minerales) u orgánicos.

226



Debido a que las plantas requieren en cantidades altas los denominados

macronutrientes (N, P y K), los fertilizantes que los contienen se utilizan en

grandes cantidades, bien sea con cada elemento por separado, caso en el cual se

denominan fertilizantes simples, o en mezclas de los elementos, que se conocen

como fertilizantes compuestos.

Cuando se realiza una aplicación excesiva de los fertilizantes pasan a ser

contaminantes del suelo. A continuación, se presentan los efectos de la

fertilización inadecuada con N y P.

Fertilizantes nitrogenados: el problema de contaminación tiene que ver con la

acumulación de nitratos, los cuales por lixiviación pueden pasar a las aguas

subterráneas o por arrastre incorporarse a los cauces y reservorios superficiales.

Las concentraciones indeseables de nitrógeno en el agua tienen repercusión en

aspectos ecológicos y de salud.

En relación con los peligros para la salud, el nitrógeno en forma de nitratos, que

por lixiviación puede ir a las aguas subterráneas y de allí al agua de consumo,

puede causar metemoglobinemia o cianosis en los niños. En el ganado también se

puede presentar la metemoglobinemia, deficiencia de vitamina A, dificultades en la

reproducción, abortos y pérdidas en la producción de leche.

Los daños se presentan porque los nitratos que se consumen en el agua se

transforman en nitritos, por la acción de bacterias existentes en el estómago, y

estos, a su vez, se transforman en nitrosaminas que son compuestos

cancerígenos que afectan el estómago y el hígado.

El tipo de suelo y el régimen de pluviosidad influyen en la cantidad de nitratos que

alcanzan las aguas subterráneas. Los suelos con capacidad de intercambio

catiónico alta, esto es, partículas coloidales minerales u orgánicas con cargas

negativas, repelen los aniones y, por tanto, lixiviarán los nitratos.

Respecto a los aspectos ecológicos, el mayor peligro es la eutrofización que

significa enriquecimiento con elementos nutrientes, lo cual puede causar el

crecimiento rápido de las plantas acuáticas. A este fenómeno ya se hizo referencia

en la lección 4.

Fertilizantes fosfatados: el peligro, como en el caso del nitrógeno, está relacionado

con el fenómeno de eutrofización. Sin embargo, la amenaza es menor que en el

caso del nitrógeno, si se tiene en cuenta la baja solubilidad de los fosfatos y, por

tanto, su inmovilidad en el suelo. En general, los fosfatos se adsorben o precipitan,

227



mientras que una fracción pequeña se puede mover con el agua de lavado, en

concentraciones alrededor de 1 x 10-5 M.

Los pesticidas

Estas sustancias se conocen también como plaguicidas y sirven para combatir los

parásitos de los cultivos, del ganado y de los animales domésticos. Desde el punto

de vista de los organismos que combaten se pueden clasificar en: insecticidas,

acaricidas, fungicidas, herbicidas, roedoricidas, molusquicidas y alguicidas, entre

los principales.

El uso de los pesticidas causa efectos adversos relacionados con los siguientes

aspectos:

1. Desequilibrios ecológicos: a) multiplicación de algunas especies que compiten

naturalmente con una determinada especie contra la cual actúa el pesticida.

Ejemplo: incrementos notables de algunos ácaros con el uso de DDT; b)

disminución continúa de la población de una especie, por la utilización masiva de

los compuestos químicos. Ejemplo: mortandad de especies de aves, en las zonas

de utilización de los pesticidas; c) afectación de organismos en cuerpos de agua.

Ejemplo: desequilibrios en el plancton y población de peces y crustáceos, cuando

la aplicación de los compuestos químicos se realiza en zonas ubicadas en las

cercanías de ríos y lagos.

2. Resistencia: los parásitos desarrollan mecanismos de defensa frente a los

plaguicidas dando lugar a organismos resistentes a esos compuestos químicos, lo

cual, en primera instancia, conlleva a la aplicación de dosis mayores de los

pesticidas para lograr un determinado índice de mortalidad.

3. Toxicidad residual: a) residuos de plaguicidas en alimentos, producto del

tratamiento de cultivos y cosechas con esos compuestos químicos. Frente a esta

situación se ha hecho necesario establecer las tolerancias de residuos de

plaguicidas en los alimentos; b) residuos en el medio biológico, esto es, en la flora

y la fauna de las zonas en que se realizan los tratamientos, y en zonas más

amplias a las que llegan los residuos arrastrados por el viento, las corrientes

marinas y las cadenas biológicas.

Composición química de los pesticidas

Los pesticidas también se pueden clasificar de acuerdo con su estructura química.

Entre los grupos principales están: hidrocarburos clorados, organofosforados,

carbamatos y naturales.

228



Hidrocarburos clorados: son compuestos químicos sintéticos derivados de

hidrocarburos (petróleo, gas) que contienen cloro en su molécula y poseen una

alta toxicidad especialmente para insectos. Dentro de este grupo existen cinco

subgrupos principales:

o DDT = 2,2-bis-(p-clorofenil)-1,1,1-tricloroetano y análogos

Estructura general de compuestos análogos del DDT

En la estructura general, X puede ser un halógeno o un radical, Z generalmente

es un hidrógeno y R en la mayoría de los casos mantiene la estructura –C-Cl3

o HCH = 1,2,3,4,5,6-hexaclorociclohexano

La molécula de HCH tiene ocho isómeros cis y trans, según la posición axial o

ecuatorial de los átomos de cloro. A continuación se presentan las estructuras

correspondientes a los cuatro isómeros de mayor interés.

229



Los isómeros del HCH son estables a la luz, al calor, al aire y a los ácidos fuertes,

mientras que en presencia de bases, aún a temperatura ambiente, los isómeros α,

ɣ y δ pierden HCl y forman triclorobenceno; el isómero β se descompone

lentamente en estas condiciones y con rapidez a altas temperaturas.

o Ciclodienos clorados: se caracterizan por tener, al menos, un ciclo con un

doble enlace y por ser moléculas policloradas. La denominación dada a

estos compuestos se debe a la forma como se obtiene el doble enlace, esto

es, por la síntesis de Diels-Alder o síntesis diénica; por tanto, el nombre no

significa que tiene dos enlaces dobles.

De estos compuestos algunos, de los más conocidos, son el aldrín, dieldrín

y endrín que son derivados clorados del dimetannaftaleno.

Dimetannaftaleno

o Terpenos clorados: son compuestos resultantes de la cloración por adición

y sustitución de terpenos naturales o modificados. No tienen una

230



composición definida, sino que corresponden a mezclas complejas de

productos más o menos clorados y de diversos isómeros.

o Derivados alifáticos: a este grupo pertenecen los fumigantes halogenados

alifáticos que son gaseosos o volátiles y tóxicos para muchos seres vivos.

Entre este tipo de compuestos los de mayor utilización en la práctica son: el

bromuro de metilo, el 1,2-dibromoetileno, el 1,3-dicloropropeno y la

cloropicrina (Cl3CNO2)

Organofosforados: son derivados orgánicos del ácido fosfórico que tienen una

acción tóxica relativamente selectiva. Son ésteres o amidas que se subdividen en

los siguientes grupos:

o Ésteres fosfóricos que, a su vez, pueden ser: (a) ortofosfatos de alquilo, (b)

ortofosfatos de arilo y (c) pirofosfatos de alquilo.

(a) (b) (c)

o Ésteres tiofosfóricos o tiofosfatos de alquilo o arilo de dos formas

principales: (a) fosfotionatos y (b) fosfotiolatos.

(a) (b)

o Ésteres ditiofosfóricos o ditiofosfatos de alquilo o arilo.

231



o Amidas del ácido fosfórico

o Ésteres fosfónicos o alquilfosfonatos de alquilo o arilo.

o Ésteres fosfínicos o dialquilfosfinatos de alquilo o arilo

Carbamatos: son compuestos derivados del ácido carbámico.

232



Tienen fórmula general:

Los compuestos con esta estructura actúan principalmente como insecticidas y

cuando la estructura corresponde a N-fenilcarbamatos, su acción es

fundamentalmente herbicida.

Naturales: se obtienen básicamente de plantas. Los subgrupos principales son la

nicotina, la rotenona y la piretrina.

o Nicotina y sus análogos: la nicotina es un alcaloide, de estructura sencilla,

que se obtiene de las especies Nicotiana tabacum y Nicotiana rustica. De la

primera se obtiene el tabaco y la segunda se cultiva únicamente para

extraer la nicotina.

o Rotenona y sus análogos: se obtiene de las raíces de varias leguminosas

de la subfamilia de las Papilionáceas, especialmente los géneros Derris,

233



Lonchocarpus, Tephrosia y Milletia. La estructura química de la rotenona es

la siguiente:

o Piretrina: se obtiene de las flores del pelitre o Pyrethrum que comprende

varias especies del género Chrysanthemum. La estructura química

corresponde a dos ésteres activos conocidos como piretrina I y piretrina II

3. Transporte y acumulación de los contaminantes en el suelo.

Para el conocimiento del fenómeno de contaminación se debe necesariamente

abordar el tema de los procesos de transporte y acumulación en los suelos.

La movilidad y la acumulación de los contaminantes están regidas grandemente

por la interacción de los compuestos con la fase sólida del suelo y en casos

específicos por su degradabilidad. Los tipos principales de interacciones son:

1. Adsorción, la cual es inducida por la atracción electrostática entre los

compuestos cargados y los constituyentes del suelo con carga opuesta.

2. Repulsión electrostática cuando la carga eléctrica del compuesto y la del

constituyente del suelo son del mismo signo. Usualmente, este es el caso con

234



ciertos aniones y la carga predominantemente negativa de, por ejemplo, los

minerales de arcilla.

3. Quimisorción. Este mecanismo de interacción, a menudo, es difícil de distinguir

de la adsorción electrostática, excepto por el valor de la energía de adsorción, que

es considerablemente mayor en el caso de la quimisorción. Esta última se

caracteriza, usualmente, porque el intercambio con otros compuestos es muy

limitado y, precisamente, esta situación es una de las causas de la energía de

adsorción alta.

Aunque los tres mecanismos constituyen las mayores interacciones entre los iones

y los constituyentes del suelo, para compuestos específicos pueden prevalecer

mecanismos diferentes de enlace. Así, por ejemplo, en el caso de compuestos

orgánicos, fuerzas de atracción de van der Waals, como las de London, formación

de puentes de hidrógeno, de puentes de sales y puentes de iones metálicos

pueden contribuir a las uniones.

4. Reacciones de precipitación y disolución. Tienen que ver con los equilibrios

químicos en los sistemas tratados en la lección 18. Estos equilibrios pueden jugar

un papel predominante en el control de la movilidad de ciertos compuestos como

los metales pesados y el fósforo. Un aspecto de importancia crucial en los

problemas de contaminación del suelo es la velocidad de las reacciones, esto es,

el estudio de la cinética de las reacciones.

5. Descomposición y reacciones de transformación. Muchos compuestos están

sujetos a reacciones como la degradación fotoquímica, la degradación microbiana

o a la combinación de estas reacciones. Un ejemplo de esto es el destino de los

pesticidas o productos químicos orgánicos que incluyen, por ejemplo, ciertos

acondicionadores del suelo. Entonces, la persistencia en el suelo, aire o agua, la

cual está regida por la degradabilidad del compuesto, es uno de los factores

principales respecto a los posibles efectos peligrosos para el ambiente.

Los mecanismos de interacción mencionados anteriormente pueden ocurrir bien

sea en forma separada o en combinación de unos con otros, ya sea de manera

sucesiva, simultánea o alternadamente.

235



Lección 20: Análisis de la calidad del suelo

El análisis del suelo en el laboratorio forma parte del “continuum” de observación

de este cuerpo natural, que se inicia con la fotografía aérea, con el fin de separar

los diferentes paisajes, continua con el estudio de campo para hallar la relación

suelo-paisaje, con el estudio del pedón, la descripción morfológica de los distintos

horizontes, la realización de algunas pruebas de campo, relacionadas

principalmente con sus propiedades físicas y prosigue con la toma de muestras

(perturbadas y no perturbadas) para análisis en el laboratorio.

La información obtenida en el laboratorio contribuye a establecer el modelo de

distribución de suelos en el paisaje, las relaciones entre los distintos suelos, así

como a determinar los componentes y procesos de flujo en el sistema suelo-medio

ambiente. Todo esto enfocado a, por una parte, establecer la génesis y evolución

del suelo y, por otra, a interpretar cual es el comportamiento esperable, cual su

respuesta frente a acciones externas, principalmente las de origen antrópico y a

determinar con fines prácticos su calidad con miras a su uso y manejo.

Las metodologías y técnicas de trabajo en el laboratorio se agrupan usualmente

de acuerdo con las propiedades a estudiar, así: análisis químicos, análisis físicos,

análisis mineralógicos y micromorfológicos y análisis biológicos.

A continuación se presentan algunos conceptos básicos relacionados con las

metodologías utilizadas en la ejecución de análisis químicos.

Análisis Químicos:

Los análisis químicos de laboratorio, en muestras tamizadas a 2 mm, constituyen

la metodología clásica para caracterizar el suelo, esto es, para determinar los

elementos constituyentes, la fertilidad química y las sustancias contaminantes,

entre otros aspectos.

La cantidad total de cada elemento presente puede determinarse mediante la

“digestión” total de la muestra de suelo y la posterior cuantificación. Este tipo de

análisis es de utilidad en estudios donde se requiere información relacionada

PALABRAS CLAVE: cantidad total, disponibilidad del nutriente, solución

extractante, titulación potenciométrica y volumétrica, colorimetría, absorción y

emisión atómica y cromatografía líquida de alta resolución.

236



principalmente con el modelo de intemperismo, pero no es adecuado cuando se

busca determinar la calidad del suelo, por ejemplo para uso agrícola.

Desde el punto de vista de la relación suelo-planta, esto es, de la relación entre la

disponibilidad de nutrientes y la toma de nutrientes por la planta, los análisis

químicos permiten cuantificar la disponibilidad del nutriente e interpretarla a la

luz del conocimiento de la dinámica del elemento bajo determinadas condiciones

del suelo (pH, contenido de materia orgánica, contenido de arcillas, potenciales

redox, entre otros).

Es así como, para la cuantificación de la disponibilidad del nutriente, en el

laboratorio se siguen metodologías basadas en una “simulación” de los equilibrios

e interacciones entre componentes del suelo-nutrientes y nutrientes-planta. Estas

simulaciones se hacen mediante la utilización de “soluciones extractantes”, las

cuales son sustancias químicas en disolución que en contacto con una muestra de

suelo reproducen, con un determinado grado de precisión estadística, la “fuerza”

con que una planta promedio tomaría un nutriente sometido a las condiciones de

equilibrio del suelo bajo estudio. Esta etapa se denomina de extracción y va

seguida por la de cuantificación propiamente dicha.

Durante la etapa de cuantificación se determinan los contenidos de los nutrientes

disponibles o de los contaminantes presentes en la solución extractante mediante

la utilización de diversas técnicas analíticas que se pueden agrupar de la siguiente

forma:

Titulación potenciométrica y volumétrica

Colorimetría

Absorción y emisión atómica

Cromatografía líquida de alta resolución

En términos generales los principios que fundamentan estas técnicas son:

Titulación potenciométrica y volumétrica: determinación del punto de

equivalencia de una solución de concentración exacta y conocida. En este punto el

número de equivalentes del analito (elemento o compuesto en estudio) es igual al

número de equivalentes de la solución valorante y, por tanto, la concentración del

analito puede ser calculada.

El punto de equivalencia puede ser detectado por el cambio de color de una

solución indicadora de pH, para el caso de la titulación volumétrica, o por un

cambio brusco de potencial en el caso de la titulación potenciométrica.

237



Colorimetría: determinación de la concentración de un analito (molécula) en

solución con base en la propiedad que tienen las moléculas de absorber energía

proveniente de un haz de luz de una longitud de onda seleccionada de acuerdo

con el color de la solución. La concentración del analito es proporcional a la

cantidad de luz absorbida.

Absorción y emisión atómica: determinación de la concentración de un analito

(elemento) en solución con base en la propiedad que tienen los átomos de

absorber o emitir energía de determinada longitud de onda cuando son llevados a

un estado excitado o cuando regresan a su estado fundamental. En este caso la

concentración es proporcional a la absorción o a la emisión de energía.

Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC): separación, identificación y

cuantificación de compuestos orgánicos (pesticidas, por ejemplo). Es un método

físico de separación basado en la distribución de los componentes de una mezcla

entre dos fases inmiscibles, una fija o estacionaria y otra móvil. La fase móvil es

un líquido que fluye a través de una columna que contiene a la fase estacionaria.

A diferencia de la cromatografía clásica, en este tipo de cromatografía las

partículas de la fase estacionaria son del tamaño de los micrones, lo cual hace

más eficiente la separación, y requiere de altas presiones para lograr que fluya la

fase estacionaria.

238




1) El suelo se conoce como un sistema trifásico. Describa los constituyentes de

cada una de las fases y su importancia.

2) Establezca el papel y la importancia de los poros del suelo.

3) Entre los componentes de la fase sólida del suelo están las arcillas. Establezca

el lugar que ocupan las siguientes especies químicas, en la estructura de este

componente del suelo: Si4+, Al3+, Fe3+, Mg2+, Fe2+, O2-, OH- y F-.

4) ¿Cuál es la constitución de la materia orgánica del suelo y cuáles sus funciones

principales?

5) ¿Cuáles son las fuentes de agua para el suelo y en qué procesos interviene?

6) En la conformación y desarrollo del suelo intervienen factores formadores.

Enumérelos e indique su incidencia.

7) Describa los eventos responsables de la formación del suelo.

8) ¿Cuál es el resultado de la acción de los procesos y factores formadores del

suelo. Explique detalladamente.

9) Utilizando el triángulo textural, establezca la clase para cada uno de los

siguientes casos:

Suelo A: arcilla 43%, arena 15% y limo 42%

Suelo B: arcilla 5%, arena 80% y limo 15%

Establezca un paralelo entre las clases texturales encontradas en relación

con las siguientes propiedades: CIC, capacidad amortiguadora y retención

de agua y nutrientes.

10) En un suelo se encuentran en equilibrio las siguientes especies disueltas: NO2

y NO3 y se mide un valor de pe de 7,15.

Establezca la semi-reacción de reducción y la ecuación de pe.

Con base en lo anterior determine la relación de concentraciones NO3/NO2.

El valor obtenido hacia dónde indica que está desplazado el equilibrio en

este suelo.

NOTA: pH del suelo = 6 y pe° = 14,15

239



11) ¿Con qué funciones del suelo se asocia el concepto de calidad del suelo?

Defina calidad del suelo.

12) ¿A qué tipo de degradación del suelo se le denomina contaminación química?


13) Indique los principales metales pesados encontrados en los suelos y las

actividades antropogénicas que determinan su presencia.

14) Establezca la influencia de las propiedades físicas y químicas del suelo en la

movilidad de los metales pesados.

15) Explique los tipos principales de interacciones entre los contaminantes del

suelo y la fase sólida de éste.

16) Establezca la diferencia entre un análisis de contenido total de una especie

química presente en el suelo y un análisis de contenido disponible. ¿Cuál es la

utilidad de cada tipo de análisis?

240



CAPITULO 5: TRATAMIENTO DEL SUELO

Introducción

El suelo es un elemento frágil del medio ambiente, que bien puede considerarse

un recurso natural no renovable debido a que su velocidad de formación y

recuperación es muy lenta comparada con la de los procesos que contribuyen a

su degradación.

Lo anterior hace imperativo que se eviten o detengan los procesos de degradación

por contaminación o que, en última instancia, se adelanten procesos para su

recuperación y posterior aprovechamiento.

En la actualidad se cuenta con una amplia gama de tecnologías de recuperación

de suelos contaminados. En este capítulo se presentan técnicas que incluyen

tratamientos in situ, es decir, que actúan sobre los contaminantes en el lugar en el

que se localizan, y tratamientos ex situ que son los que requieren la excavación

previa del suelo para su posterior tratamiento ya sea en el mismo lugar (on-site) o

en instalaciones externas, lo cual implica su transporte (off-site).

Lección 21: Importancia y clasificación de los tratamientos

En el capítulo anterior se estableció que el suelo es un receptor de contaminantes

de gran relevancia debido a que interactúa permanentemente con los otros dos

compartimentos ambientales, esto es, el agua y el aire.

En esta interacción, la presencia de contaminantes puede verse desde dos

perspectivas: (a) considerar que el suelo en sí mismo es un remedio suficiente

para inmovilizar los contaminantes, a través de su fase sólida y (b) considerar los

mecanismos de movilización (lixiviado, volatilización, arrastre de las corrientes

superficiales, erosión y bioacumulación en organismos vivos, entre otros) que

transfieren los contaminantes a los otros compartimentos ambientales y a través

de la cadena trófica.

La última situación está más acorde con la realidad debido a que el suelo como

filtro retenedor tiene limitaciones que están relacionadas con los tipos de suelos y

PALABRAS CLAVE: clasificación de tratamientos, criterios de clasificación,

naturaleza de los procesos, técnicas de descontaminación, lugar del tratamiento.

241



con las cantidades y clases de contaminantes adicionados. Por esto es

conveniente su depuración por medio de técnicas apropiadas.

Para determinar cuándo se hace necesaria la aplicación de las técnicas y cuál de

ellas es la más apropiada, se debe realizar un estudio de las características de la

contaminación y el entorno, y predecir la posible evolución de los contaminantes.

Para esto se deberá obtener información relacionada con los siguientes aspectos:

De la zona donde se presenta la contaminación: datos geográficos,

hidrológicos y climatológicos. Del área específica donde se presenta la

contaminación: tipo (difusa o localizada), profundidad (superficial o

profunda) y existencia o no de afectación de aguas subterráneas.

Del suelo: propiedades fisicoquímicas como textura, porosidad, grado de

humedad, pH, contenido de materia orgánica, potencial redox, CIC, entre

otras. Para establecer la prevalencia y evolución de los procesos de

transporte y acumulación de los contaminantes.

De los contaminantes: naturaleza química y su especiación, distribución

entre las diferentes fases (adsorbidos, disueltos o precipitados).

Con base en la información anterior se puede pasar a la etapa de selección de la

técnica apropiada de tratamiento del suelo.

Tipos de tratamientos

Se pueden clasificar de acuerdo de varias formas. Los dos criterios más utilizados

son: el lugar donde se realiza el tratamiento y la naturaleza del proceso utilizado.

Lugar donde se realiza el tratamiento:

In situ: la técnica se aplica en el lugar donde se encuentra el contaminante.

Este tratamiento requiere de un tiempo largo para su realización de forma

completa (meses, años), pero tiene un impacto ambiental relativamente bajo.

Ex situ: contrariamente al caso anterior, la técnica se aplica en un lugar externo

donde se encuentra el contaminante. Se deben realizar operaciones de

excavación, extracción y transporte del contaminante hasta el lugar donde se

realizará el tratamiento. Después del tratamiento, en lo posible, se debe devolver

la masa del suelo tratado a su lugar de origen.

242



Se utiliza cuando se requiere un tratamiento rápido e intensivo. Tiene como

limitantes el alto consumo energético, la alteración del ecosistema y el impacto

ambiental por las operaciones realizadas.

On site: la técnica se aplica en la superficie de la zona donde se localiza el

contaminante. Se deben realizar operaciones de excavación y adecuación de la

superficie

En este tipo de tratamiento el tiempo de realización es menor que el del

tratamiento in situ y un consumo energético intermedio entre los dos tratamientos

anteriores. En relación con el tratamiento ex situ, se suprime la operación de

transporte, por lo cual el consumo energético es intermedio entre los dos

tratamientos anteriores.

Naturaleza del proceso utilizado (ver Figura 34. Tratamientos del suelo)

243



Figura 34. Tratamientos del suelo48

La selección de la técnica de tratamiento dependerá de cada situación particular,

por esto, es muy útil establecer la interrelación entre los criterios utilizados para la

clasificación de los tratamientos y la naturaleza de los contaminantes. Esta

relación se presenta en la Tabla 10. Interrelación de criterios para la selección de

tratamientos de suelos.


244



Tabla 10. Interrelación de criterios para la selección de tratamientos de suelos49

PROCESO TÉCNICA CONTAMINANTE LUGAR TIEMPO

CONTENCIÓN O

AISLAMIENTO

Sellado Metales pesados,

pesticidas

In situ o

ex situ

Largo

Vitrificación Metales pesados,

pesticidas

In situ Medio

Disminución de la volatilización Compuestos orgánicos

volátiles

In situ Corto

Estabilización Metales pesados In situ o

ex situ

Corto

TRANSFERENCIA

Extracción de vapores Compuestos orgánicos

volátiles

In situ Medio

Inyección de aire Compuestos orgánicos

volátiles

In situ Medio

Aireación Compuestos orgánicos

volátiles

Ex situ Largo

Enjuague Metales pesados In situ Medio

Lavado Metales pesados,

pesticidas

Ex situ Corto

Campo eléctrico Metales pesados,

compuestos orgánicos

In situ Medio

Extracción al vacío Hidrocarburos del

petróleo

In situ Medio

TRANSFORMACIÓN

Química

Oxidación Compuestos orgánicos,

pesticidas

In situ Corto

Deshalogenación

Compuestos orgánicos

y pesticidas

halogenados

In situ Corto

Biológica

Estimulación Compuestos orgánicos,

pesticidas

In situ Largo

Ventilación Compuestos orgánicos,

algunos pesticidas

In situ Medio

49 Adaptada de: http://www.miliarium.com/prontuario/tratamientosuelos/TratamientoSuelos.htm

http://www.miliarium.com/prontuario/tratamientosuelos/TratamientoSuelos.htm

245



PROCESO TÉCNICA CONTAMINANTE LUGAR TIEMPO

Uso de

geomembranas

Lodos de refinería Ex situ Medio

Biopilas Compuestos orgánicos

volátiles, pesticidas

Ex situ Medio

Lección 22: Tratamientos por contención o aislamiento

El proceso de contención o aislamiento comprende el uso de barreras que impiden

bien sea la movilidad y transferencia de los contaminantes hacia otros

compartimentos ambientales o la ampliación del área contaminada.

1. Sellamiento

Dentro de este tipo de proceso la técnica de sellado comprende dos

procedimientos, uno in situ conocido como macro encapsulación y el otro ex situ

conocido como de vertimiento controlado.

Macro encapsulación que se basa en la construcción de barreras de

diferentes tipos, así: (a) verticales con relleno, se excavan alrededor del

área contaminada, hasta profundidades de alrededor de 15 m y con

espesor promedio de 0,9 m y se aplican capas de relleno que consta de

una mezcla de arcillas del mismo suelo o arcillas especiales y,

opcionalmente, cemento; el relleno cumple dos funciones, evitar el

derrumbamiento y limitar las propiedades filtrantes; (b) de hormigón, que se

introduce armado en la excavación; (c) con inyección de cemento, se

realiza la adición a alta presión, previa instalación de una estructura de

varillas huecas inyectoras, localizadas alrededor del área contaminada;

cuando la adición del cemento se termina, se retiran las varillas; (d) con

adición de sustancias químicas, que reducen la permeabilidad del suelo y

controlan la diseminación del contaminante; se inyecta por debajo del área

contaminada y no debe alcanzar el nivel freático.

Vertedero controlado, en donde, previa realización de la excavación, la

masa contaminada se retira y se traslada a un vertedero controlado, el cual

PALABRAS CLAVE: barreras, macro encapsulación, vertedero, vitrificación ,

volatilización, estabilización.

246



tiene barreras naturales de arcillas o artificiales como polietileno; el suelo se

somete a un tratamiento similar al de los residuos sólidos tóxicos (ver a

continuación el recuadro relacionado con esta temática).

RESIDUOS SÓLIDOS TÓXICOS

Los residuos tóxicos y peligrosos, en general, son los que debido a su composición y

características corrosivas, reactivas, explosivas, tóxicas, inflamables o biológicamente

infecciosas representan un riesgo para la salud humana y no humana, los recursos

naturales y el medio ambiente.

Respecto al resto de los residuos industriales difieren en los siguientes aspectos

principales:

Tienen efectos nocivos a corto, mediano o largo plazo.

Requieren tratamientos en condiciones exigentes y bajo un mayor control por el

riesgo que generan.

Los tratamientos a los que se pueden someter son de diferente naturaleza: físicos,

químicos y biológicos, pero todos tienen como objetivo la recuperación de recursos, la

descontaminación y la reducción de volumen previamente a su disposición en la tierra.

Los tratamientos químicos más utilizados se realizan mediante reacciones de oxidación,

reducción, precipitación y recuperación de solventes y combustibles. No son exclusivos

para los residuos sólidos tóxicos y algunos de ellos se presentan en la lección 24.

Para seleccionar el tratamiento se debe tener en cuenta la naturaleza del residuo, la

característica deseada del efluente resultante y los aspectos ambientales. Al igual que

para las aguas residuales, el tratamiento se puede realizar a tres niveles:

Primario: corresponde a una preparación del residuo para otros tratamientos.

Secundario: elimina los constituyentes peligrosos.

Terciario: comprende el tratamiento del efluente generado previamente al vertido

final.

247



2. Vitrificación

Consiste en la introducción de dos electrodos, dispuestos en un diseño rectangular

alrededor del área contaminada, a través de los cuales se conduce corriente

eléctrica hasta lograr temperaturas promedio altas de cerca de 1800°C. De esta

manera se logra la fusión del suelo presente entre los electrodos, posteriormente

se permite el enfriamiento que da origen a la conformación a un bloque sólido del

suelo, semejante al vidrio, que contiene los electrodos.

Existen varios factores que afectan la efectividad del procedimiento:

Humedad del suelo: a mayor contenido de humedad, mayor es el gasto

energético, por el consumo de energía para lograr la vaporización del agua,

antes de iniciar la fusión.

Porosidad del suelo: a mayor porosidad, menor es la eficiencia en la

conducción y acción de la corriente eléctrica.

Presencia de sales: a mayor cantidad de sales, aumenta la conductividad

eléctrica, lo cual dificulta el aumento en la temperatura.

Se utiliza para la descontaminación de metales pesados que quedan confinados

dentro del suelo vitrificado o para la eliminación de compuestos orgánicos que por

las altas temperaturas se transforman en compuestos volátiles, los cuales se

recuperan en la superficie mediante sistemas especiales.

Tiene gran utilidad en la descontaminación de compuestos muy refractarios pero

tiene dos limitantes importantes: (1) es efectivo sólo en situaciones de

contaminación superficial (máximo 6 metros); (2) desactiva, es decir, inutiliza el

suelo tratado.

3. Disminución de la volatilización de compuestos

Tiene como función evitar que los compuestos volátiles, especialmente los

orgánicos se evaporen y se depositen en la atmósfera. Se pueden utilizar tres

procedimientos:

Disminución de la porosidad: específicamente de los poros que contienen

aire, mediante su saturación con agua, para impedir que pasen al

compartimento, aire. Este procedimiento debe considerar la solubilidad y

248



movilidad del contaminante para controlar la lixiviación hacia aguas

subterráneas.

Control de la temperatura: evitar el calentamiento debido, por ejemplo, a

exposición excesiva a la radiación solar, lo cual favorece la volatilización de

los compuestos.

Sellado de la capa superficial: mediante la aplicación de una capa de

hormigón para impedir el paso de los compuestos volátiles hacia el aire

atmosférico.

Esta técnica proporciona una solución temporal que debe complementarse con

alguna otra de las técnicas disponibles por transferencia o transformación.

4. Estabilización

Consiste básicamente en modificar la solubilidad de los contaminantes de manera

que se favorezca la formación de sales insolubles. Este proceso está relacionado

directamente con el valor de pH del suelo donde se encuentra el contaminante,

así:

Rango amplio de pH desde valores ácidos a básicos: precipitación de

sulfuros insolubles de diferentes metales pesados; se adicionan mezclas de

cal y sulfuro y cementos poliméricos de sulfuro.

Valores de pH básicos: precipitación de metales pesados, excepto As y Cr,

como hidróxidos y silicatos; se adiciona cemento Portland.

Valores de pH de moderadamente ácidos a moderadamente básicos:

precipitación de los metales pesados en forma de fosfatos.

Otra forma de lograr la estabilización es mediante la adición de adsorbentes que

pueden fijar el contaminante mediante el mecanismo de sorción. Estos

adsorbentes deben tener un área superficial alta y ser químicamente estable; son

de diferente naturaleza, tales como óxidos de hierro, materia orgánica humificada,

silicatos laminares, carbón activado y bentonitas.

249



Lección 23: Tratamientos por transferencia o extracción

El proceso tiene como finalidad sacar el contaminante del suelo, mediante

transferencia a un medio líquido o un medio gaseoso, para realizar su tratamiento

en el exterior.

Dependiendo del medio que se utilice para la transferencia y las operaciones que

se lleven a cabo, usualmente se utilizan las técnicas siguientes:

1. Extracción de vapores

Esta técnica se utiliza, principalmente, para la extracción de compuestos orgánicos

volátiles que tengan una presión de vapor > 0,5 mm de Hg. Se aplica en la zona

no saturada del suelo, es decir, donde los poros no estén llenos de agua; allí se

perforan los pozos que deben estar por encima del nivel freático y se genera vacío

para expulsar los contaminantes volátiles.

Los pozos se trabajan en la práctica a profundidades entre 1,5 m y 90 m. El

número de pozos que se deben perforar, para una situación específica, depende

del tipo de suelo y de la magnitud de la contaminación y puede variar entre uno y

decenas o cientos. Cuando se requiere mejorar la eficiencia se combinan con

pozos de inyección de aire

Los gases generados se recolectan para someterlos a un tratamiento posterior o

para almacenarlos mediante confinamiento.

2. Inyección de aire

Se aplica en la zona saturada del suelo, mediante canales excavados en forma

vertical o en forma horizontal, por debajo del nivel freático, a los cuales se les

inyecta aire.

El aire inyectado hace desplazar el equilibrio líquido- vapor, en el sentido de la

vaporización favoreciendo la volatilización de inclusive los compuestos orgánicos

volátiles más insolubles.

PALABRAS CLAVE: extracción, inyección, aireación, enjuague, lavado,

electromigración, electroforesis, electroósmosis.

250



Los caudales de aire permiten mantener en contacto el suelo y las aguas

subterráneas y tratar una cantidad grande de las aguas.

La eficiencia de esta técnica depende de la permeabilidad, la cual aumenta a

condiciones de humedad baja del suelo, y de los contenidos bajos de materia

orgánica que disminuyen las posibilidades de adsorción del contaminante sobre el

complejo coloidal orgánico.

3. Aireación

Esta técnica consiste en excavar el suelo, tomar una determinada cantidad de

éste, extenderla sobre una superficie impermeable, en forma de una capa fina y

esperar a que los compuestos orgánicos se volatilicen.

Es un proceso lento, de eliminación pasiva y que presenta como limitante el hecho

de que los contaminantes pasan directamente a la atmósfera, sin tratamiento

previo. Sin embargo en la práctica se ha observado que este tipo de

contaminantes, una vez en la atmósfera se degradan rápidamente por reacción

con radicales hidroxilo o por acción de las radiaciones ultravioleta.

Algunas actividades, como las presentadas a continuación, sirven para mejorar la

eficiencia de esta técnica:

Remoción periódica mediante el arado, por ejemplo.

Aplicación de riego para favorecer la desorción y disolución de los

contaminantes en el agua, la cual al evaporarse los arrastra hacia la

superficie.

La acción de extender el suelo favorece el aumento de su temperatura y lo

expone a la acción de los vientos, todo lo cual favorece la volatilización de

los contaminantes.

4. Enjuague

En esta técnica se utiliza una solución de constitución específica, de acuerdo con

la naturaleza de los contaminantes que se quieren movilizar a través de ella.

Las soluciones más utilizadas son las siguientes:

251



Soluciones acuosas ácidas (ácido nítrico y ácido clorhídrico, usualmente)

para metales pesados y algunos contaminantes de naturaleza orgánica.

Soluciones acuosas básicas (hidróxido de sodio, principalmente) para

metales pesados y compuestos fenólicos.

Soluciones que contienen sustancias tensioactivas para compuestos de

naturaleza aceitosa.

Soluciones que contienen disolventes orgánicos para contaminantes de

naturaleza orgánica.

Solamente H2O para contaminantes muy solubles en este compuesto.

Cuando la contaminación es superficial se aplica la solución y se deja fluir por

medio de bombeo, o por la acción de la gravedad, si el suelo está en pendiente y,

posteriormente, se recolecta el fluido a través de túneles o canales exteriores

construidos previamente.

Cuando la contaminación se presenta a cierta profundidad, la solución se aplica

mediante inyección en pozos, surcos, canales, excavaciones, o a través de

sistemas de infiltración y sistemas de aspersión, se deja actuar y finalmente se

bombea hacia la superficie.

La solución que contiene los contaminantes se somete a tratamiento en la

superficie y, posteriormente, se puede reutilizar para nuevos enjuagues.

Esta técnica es eficiente para contaminantes cuya estructura química corresponde

a la de hidrocarburos y en suelos con una porosidad adecuada en cuanto a

tamaño y distribución a través del perfil.

Las condiciones adversas para la eficiencia de esta técnica son los suelos con

contenidos altos de arcillas y con varios tipos de contaminantes, porque las

soluciones tienen cierta especificidad.

Otra limitante de esta técnica es el riesgo de contaminación de las aguas

subterráneas con los componentes de las soluciones de enjuague utilizadas.

ACTIVIDAD # 13: Establezca porque los suelos con contenidos altos de

arcilla afectan la eficiencia de la técnica de enjuague en el tratamiento de

suelos.


252



5. Lavado

A diferencia de la técnica anterior, la de lavado se realiza ex situ: se lleva a cabo la

excavación del área contaminada y se transporta la correspondiente masa de

suelo a un lugar destinado para realizar el tratamiento de lavado.

La técnica comprende procesos físicos y químicos. El proceso físico consiste en

un fraccionamiento por tamaño de partículas del suelo, fraccionamiento

granulométrico, con el fin de tratar por separado las partículas más pequeñas

(arcillas y limos) que corresponden a las más contaminadas, teniendo en cuenta

que poseen una mayor capacidad de adsorción comparadas con las partículas

gruesas (arenas).

Las fracciones, por separado, se introducen en un reactor junto con la solución de

lavado seleccionada según la naturaleza de los contaminantes; en esta etapa se

debe controlar el pH de la solución, para controlar la eficiencia del tratamiento.

Las fracciones sólidas tratadas se someten a secado y, posteriormente, se

devuelven a su lugar de origen.

La fracción líquida utilizada se somete a un proceso de tratamiento, para posible

reutilización.

Una limitante de esta técnica es la necesidad de realizar lavados secuenciales con

diferentes soluciones, cuando existen diferentes tipos de contaminantes en el

suelo.

6. Aplicación de un campo eléctrico

En esta técnica de aplicación in situ, se aplica una corriente eléctrica de baja

intensidad entre un par de electrodos colocados en el área contaminada del suelo,

para inducir la movilidad de las sustancias contaminantes.

La presencia del campo eléctrico da origen a tres mecanismos principales de

movilidad de los contaminantes:

Electromigración: las especies químicas con carga eléctrica se desplazan

hacia el electrodo de signo opuesto al de su carga iónica. Al cátodo que es

el electrodo negativo se dirigen las especies con carga positiva y al ánodo

se dirigen las especies con carga negativa.

253



Electroforesis: movimiento de partículas sólidas coloidales en suspensión

que se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo) con moléculas del

contaminante adsorbidas e su superficie.

Electroósmosis: movimiento en masa del líquido. La solución del suelo

presenta un frente de cargas positivas, que se genera por el efecto

electrostático de las cargas negativas predominantes en la fase sólida del

suelo; el frente positivo se dirige, entonces, hacia el cátodo.

En el compartimiento catódico se recolecta la solución que contendrá los

contaminantes extraídos por el movimiento electroosmótico y se somete a

un tratamiento para la descontaminación.

La diferencia de potencial entre los electrodos favorece la electrólisis del

agua.

H2O 2H+ + ½ O2 + 2e- en el ánodo (5.1)

2 H2O + 2e- 2OH- + H2 en el cátodo (5.2)

En consecuencia, el compartimento anódico se acidifica y el catódico se

alcaliniza. Los iones H+ se desplazan rápidamente hacia el cátodo de

manera que aparece un frente ácido que recorre la región bajo la influencia

del campo eléctrico.

El frente ácido favorece la liberación de cationes metálicos adsorbidos en la

superficie del complejo de cambio del suelo (fase sólida), permitiendo su

extracción.

Sin embargo se debe tener en cuenta que a medida que se lleva a cabo la

electrólisis del agua, la velocidad del movimiento electroosmótico disminuye

y la extracción es menos eficiente. Para resolver esta dificultad, se

adicionan soluciones que neutralicen la acidez.

En el compartimiento catódico se puede presentar la precipitación sobre el

electrodo de hidróxidos de los metales, lo cual afecta la conductividad de

electrodo y exige un mayor consumo de energía para mantener el campo

eléctrico. En consecuencia, en este caso también se adicionan soluciones

para neutralizar la alcalinidad. Igualmente, se puede considerar la

alternativa de utilizar membranas de intercambio iónico para impedir el paso

de los iones OH- a la solución del suelo.

Para el tratamiento de una zona contaminada, en la práctica, se requiere la

instalación de varios pares de electrodos, con separación de 2 a 10 m entre

254



ellos y a profundidades de hasta 20m. Las diferencias de potencial del

campo varían entre 40 y 200 voltios y la densidad de corriente de 0,5-5 A

m-2.

7. Extracción al vacío

La técnica consiste en extraer aire y agua del suelo utilizando vacío. Se logran los

siguientes efectos:

Favorecer el flujo de aire fresco en la zona contaminada para favorecer la

actividad de los microorganismos.

Extraer los contaminantes (especialmente hidrocarburos) con menor

densidad que el agua que se encuentren como sobrenadantes en el nivel

freático y en el agua capilar.

En este último caso, al agua extraída con los sobrenadantes se le aplican

tratamientos de separación de las fases acuosa y orgánica.

Lección 24: Tratamientos por transformación química

Las técnicas mediante transformación química utilizan reacciones químicas que

conducen a la transformación de las especies contaminantes en formas inocuas.

Se pueden aplicar in situ o ex situ.

Cuando el tratamiento se hace in situ se requieren ciertas condiciones específicas

que garanticen la eficiencia de la reacción, así: mezcla homogénea de los

reactivos, control del pH, suministro de calor para reacciones endotérmicas y

enfriamiento para reacciones exotérmicas.

Teniendo en cuenta lo anterior, en muchos casos se prefiere extraer la masa de

suelo contaminado y transportarla a un reactor donde se adicionan los reactivos

químicos adecuados y se ajustan las condiciones para la reacción

correspondiente.

Entre las reacciones químicas utilizadas con mayor frecuencia están la oxidación y

la deshalogenación.

PALABRAS CLAVE: oxidación, reducción, deshalogenación, complejación

255



1. Oxidación

Se aplica en presencia de contaminantes que son susceptibles de ser oxidados,

como son las diferentes clases de compuestos orgánicos, cuyos productos

principales de la oxidación son el H2O y el CO2, los cuales son compuestos

inocuos.

Los oxidantes más utilizados son los siguientes:

Ozono: las reacciones con este compuesto son muy eficientes,

especialmente en medios ácidos; oxida los contaminantes por acción

directa o por la formación de radicales hidroxilo, HO•. La reacción es de

primer orden y, por lo tanto, es bastante rápida.

Se presentan algunas dificultades en el manejo de este compuesto debido

a que además de ser gaseoso, es muy reactivo e inestable. Por lo anterior,

en la práctica, se produce en sitios cercanos al lugar donde se va a efectuar

el tratamiento.

Peróxido de hidrógeno: se acostumbra utilizar este compuesto, en forma

líquida, en presencia de Fe2+, mezcla que se conoce como “reactivo

fenton”, el cual favorece la formación de radicales hidroxilo, HO•, que como

ya se mencionó en el caso anterior, son especies oxidantes muy fuertes

que actúan sobre una gran variedad de compuestos orgánicos.

Las reacciones que conllevan a la formación de los radicales son las

siguientes:

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + HO• + OH- (5.3

Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HOO• + H+ (5.4)

Al igual que en el caso del ozono, la oxidación es eficiente a valores de pH

muy ácidos y es poco efectiva a valores de pH moderadamente ácidos.

Permanganato de potasio o de sodio: estos compuestos se utilizan en

solución acuosa o en forma sólida. Tienen la ventaja de ser compuestos

menos costosos que el ozono y el peróxido de hidrógeno, pero la

desventaja de que la reacción de oxidación es mucho más lenta.

Actúan en un rango de pH mucho más amplio que en los dos casos

anteriores, esto es, con valores entre 3,5-12.

256



Los oxidantes se adicionan al suelo mediante pozos ubicados a diferentes

profundidades; generalmente, se diseña un sistema cerrado, que facilita la

reinyección del compuesto y favorece un mayor contacto entre el oxidante y los

compuestos contaminantes.

2. Deshalogenación

Se aplica para separar los halógenos, especialmente el cloro, de los

contaminantes del suelo, disminuyendo de esta forma su peligrosidad.

Esta reacción se utiliza de manera especial para bifenilos policlorados, dioxinas y

una gran variedad de pesticidas.

Los reactivos más utilizados son los siguientes:

Compuestos básicos, como CaO, Ca(OH)2 y NaOH. La reacción es

exotérmica y produce una elevación del pH a valores entre 9 y 11 que

resulta en la deshalogenación, o más usualmente, la descloración.

La reacción es rápida, no es costosa energéticamente y los costos de

operación y mantenimiento son relativamente bajos. La eficacia del

tratamiento disminuye en suelos con altos contenidos de humedad, arcillas

o materia orgánica.

APEG (glicolato polietilénico): este reactivo comprende un hidróxido de

metales alcalinos y un glicol polietilénico. La base puede ser de sodio o de

potasio, siendo la de potasio la de mayor utilización. Durante la reacción el

hidróxido reacciona con el halógeno formando una sal que no es tóxica y el

glicol polietilénico pasa a ocupar el lugar del halógeno en la molécula del

contaminante, haciéndolo así menos peligroso.

Estas técnicas de transformación química se pueden realizar in situ, situación en

la cual los reactivos se aplican mediante inyección. También se pueden realizar ex

situ y comprende las operaciones que se presentan en la Figura 35. Técnica de

deshalogenación de contaminantes del suelo.

257



Figura 35. Técnica de deshalogenación de contaminantes del suelo50

3. Otras reacciones

Además de las reacciones consideradas anteriormente, otras tienen lugar en

combinación con técnicas de tratamiento de suelos contaminados, como las

siguientes:

Reacciones de complejación: en la técnica de lavado para la extracción de

metales pesados.


258



Reacciones de precipitación: en la técnica de estabilización de metales

pesados.

Reacciones de reducción: en la técnica de barreras activas utilizadas para

la extracción del cloro presente en compuestos organoclorados. En estas

barreras se colocan compuestos reductores, como por ejemplo virutas de

hierro mezcladas con material de relleno.

Lección 25: Tratamientos por transformación biológica

Las técnicas mediante transformación biológica se conocen también como

técnicas de biorremediación. Tienen como finalidad coadyuvar en los procesos

de biodegradación aeróbica o anaeróbica que se presenta como un fenómeno

natural en los suelos.

El principio de estas técnicas se basa en la actividad de diversos

microorganismos, los cuales metabolizan los compuestos orgánicos presentes en

el suelo, es decir, degradan estos compuestos.

1. Estimulación

ACTIVIDAD # 14: Considere un suelo contaminado con Cd2+ al cual se decide

aplicarle un tratamiento de contención, mediante la técnica de estabilización.

Se utiliza como reactivo una solución de Na(OH). a) Establezca la reacción

respectiva. b) La Ksp del hidróxido de cadmio, 5,9 x 10-15, ¿qué información le

da respecto a la efectividad del tratamiento?


PALABRAS CLAVE: biorremediación, condiciones aerobias, condiciones

anaerobias

259



Esta técnica tiene como finalidad favorecer las condiciones que facilitan la

biodegradación natural, proporcionando principalmente nutrientes, nuevos

microorganismos, o ambos, a los suelos contaminados con compuestos orgánicos.

Teniendo en cuenta las condiciones naturales en que ocurre la biodegradación, la

técnica responde a procesos de la siguiente naturaleza:

Aerobia: la técnica se aplica a través de pozos en los que se introduce una

solución acuosa, a un valor de pH apropiado (5-9), que contiene nutrientes,

particularmente fósforo y nitrógeno, microorganismos (opcionalmente) y una

fuente de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno. Para que los

microorganismos degraden los contaminantes orgánicos, hasta convertirlos

en CO2, H2O y una nueva biomasa celular, se requiere también una

temperatura mayor de 15°C; por esto en suelos contaminados, localizados

en clima frío, usualmente se utilizan mecanismos para aumentar la

temperatura del suelo, como la ubicación de mantas de calor que cubren la

superficie del suelo.

Anaerobia: la técnica busca crear condiciones aerobias, debido a que en

ausencia de oxígeno los contaminantes son degradados a compuestos

intermedios o finales que, usualmente son más tóxicos que los iniciales.

2. Ventilación

Esta técnica se usa en las zonas no saturadas del suelo contaminado, mediante la

aplicación de caudales bajos de aire que apoyan la actividad microbiana sobre

hidrocarburos derivados del petróleo y algunos pesticidas, adsorbidos por el

complejo coloidal del suelo.

Esta técnica no elimina los metales pesados, pero puede favorecer las reacciones

de oxidación-reducción que los pueden estabilizar por adsorción o

bioacumulación.

3. Uso de geomembranas

ACTIVIDAD # 15: Investigue las condiciones y productos del metabolismo de

microorganismos que actúan sobre contaminantes presentes en el suelo.


260



Esta técnica se realiza ex situ, por lo cual se realiza le excavación del suelo

contaminado, cuya masa se transporta y se coloca sobre una geomembrana

(material geosintético utilizado como impermeabilizante) ubicada sobre la

superficie de un terreno que puede ser cercano a la zona contaminada o en una

pileta perforada para tal fin.

La masa de suelo a tratar se acomoda de manera que alcance alrededor de 50 cm

de espesor, donde la descontaminación se lleva a cabo por la acción de los

microorganismos presentes en el suelo. Esta técnica tiene la ventaja de que

permite controlar las condiciones requeridas para la biodegradación de los

compuestos contaminantes, como son: contenido de humedad, aireación y pH.

Las operaciones para el mantenimiento de las condiciones consisten en aplicar

riego, voltear periódicamente el suelo y mantener el pH en valores cercanos a la

neutralidad. Opcionalmente se pueden aplicar nutrientes e inocular

microorganismos.

El terreno o la pileta deben contar, también, con un sistema de drenaje para

recolectar los efluentes, los cuales generalmente se someten a tratamiento

especial.

Las masas de suelo descontaminadas se retiran y se pueden devolver a su lugar

de origen. Para hacer el proceso más eficiente, no se retira toda la masa de suelo

tratado, sino que se deja una capa sobre la cual se coloca una nueva cantidad de

suelo contaminado; de esta manera se aprovecha la actividad de los

microorganismos presentes en la capa de suelo que permanece.

Esta técnica no es muy recomendada, por su baja eficiencia, cuando los

contaminantes corresponden a hidrocarburos muy pesados, con anillos en la

estructura o contienen cloro.

4. Biopilas

Esta técnica también se realiza ex situ y las características de diseño y operación

son muy similares a la técnica de utilización de geomembranas.

Se utilizan cuando los contaminantes del suelo son muy volátiles o se requiere que

la biodegradación tome un tiempo muy corto.

Las principales diferencias con respecto a la técnica descrita anteriormente son las

siguientes: además del sistema de recolección de efluentes, posee un sistema de

aireación constituido por tuberías de PVC, conectadas con un generador de vacío

o de presión negativa que obliga el paso del oxígeno atmosférico a través de la

261



pila de suelo contaminado; la masa de suelo que se va a someter a tratamiento

puede alcanzar dos metros de altura hasta un máximo de tres metros; la parte

superior de la pila está cubierta por plásticos impermeables, para impedir la

volatilización de los compuestos orgánicos.

En esta técnica se debe llevar un control de las variables temperatura, humedad,

pH y cantidad de nutrientes.

ACTIVIDAD # 16: Investigue sobre otras técnicas de biorremediación de

suelos contaminados como son el compostaje, la incineración y la

fitorremediación. Para cada una establezca el principio, las ventajas y las

limitaciones.


262




1) ¿Qué tipo de información se debe recolectar previamente a la etapa de

selección de una técnica de tratamiento de un suelo contaminado? Justifique su

respuesta.

2) Se determinó la presencia del siguiente tipo de contaminantes en un suelo:

metales pesados, pesticidas y compuestos orgánicos volátiles.

Seleccione el proceso y técnica que utilizaría para tratar cada tipo de

contaminante por separado de manera que se cumplan los siguientes criterios:

a. Impacto ambiental y consumo energético bajos. Justifique su respuesta.

b. Tiempo corto a cualquier costo ambiental y energético.

c. Para cada caso explique la naturaleza del proceso y el procedimiento

general que se aplica en la técnica.

3) Respecto a la técnica de vitrificación establezca:

a. Tipo de contaminantes para los que se utiliza comúnmente.

b. Factores o condiciones del suelo que afectan la efectividad del tratamiento.

4) ¿Qué tipo de técnica utilizada para el tratamiento de suelos contaminados, se

basa en la modificación de la solubilidad del contaminante (principalmente metales

pesados)? Teniendo en cuenta la influencia del pH del suelo, determine los

reactivos que se deben usar y el tipo de compuesto químico que se forma para la

eliminación del contaminante, en los siguientes casos:

a. A valores de pH en el rango básico

b. A valores de pH en el rango de moderadamente ácido a moderadamente

básico.

c. Rango amplio de pH desde ácido hasta básico.

5) En la técnica de enjuague ¿cuáles son las soluciones más utilizadas? Relacione

cada solución con el tipo de contaminante para el cual es más efectiva y

establezca la diferencia con la técnica de lavado

7) Respecto a la técnica de electroósmosis establezca:

263



a. El tipo de proceso al que pertenece y la correspondiente finalidad.

b. El compartimento en el que se recolectan los contaminantes.

c. La forma en que se afecta la efectividad de la extracción y la solución a esta

dificultad.

8) Considere un suelo contaminado con Pb2+ al cual se decide aplicarle un

tratamiento de contención, mediante la técnica de estabilización. Se utiliza como

reactivo una solución de NaI. a) Establezca la reacción respectiva. b) La Ksp del

yoduro de plomo, 7,1 x 10-9, ¿qué información le da respecto a la efectividad del

tratamiento?

10) Establezca el principio de las técnicas de biorremediación y describa las

características de las técnicas de estimulación y de biopilas.

264



CAPITULO 6: MUESTREO DE SUELOS

Introducción

El muestreo es la fuente de error más importante en el uso e interpretación de los

resultados de análisis de suelos. Para minimizar al máximo esta fuente de error se

deben manejar con claridad las causas de variabilidad de los suelos y la finalidad

de los análisis que se realizan en el laboratorio.

Lo anterior permitirá la selección apropiada de los tipos de muestreo y la

aplicación de criterios técnicos de muestreo, manipulación y conservación de las

muestras, requeridos para lograr el trabajo en el laboratorio sobre una muestra

representativa del suelo bajo estudio

Lección 26: Variabilidad de los suelos

En el capítulo 4, lección 16, se estableció que el suelo es un cuerpo natural que

ocupa un volumen y que es el producto de la acción de diferentes factores y

procesos de formación que actúan a escala temporal y espacial. Las condiciones

anteriores determinan una gran variabilidad que es de origen natural o inherente al

suelo y se manifiesta directamente en la heterogeneidad de las propiedades

físicas, químicas, mineralógicas y biológicas.

Otra fuente de variabilidad, que se suma a la anterior, es la adquirida o inducida

por el uso y el manejo a que se somete el suelo como, por ejemplo, el tipo de

producción histórica de cultivos, el laboreo, la aplicación de agroquímicos o el

depósito de lodos y residuos de origen doméstico o industrial, en su superficie o

mediante excavaciones.

La variabilidad se presenta en forma lateral, con la profundidad (horizontes) y a

través del tiempo.

PALABRAS CLAVE: variabilidad natural, variabilidad inducida, geostadística,

mapas de suelos, redes de muestreo.

265



Lo anterior indica que las “propiedades cuantitativas del suelo no pueden ser

tratadas como simples variables estocásticas, porque su variación sobre la

superficie de la tierra está gobernada por la interacción de muchas escalas

espaciales”51.

Se han adelantado numerosos trabajos de investigación enfocados hacia la

variabilidad de los suelos y, por tanto, de sus propiedades, para lo cual se han

aplicado criterios estadísticos clásicos y de geostadística.

Los resultados obtenidos al aplicar técnicas geostadísticas se han utilizado para

elaborar mapas de suelos, los cuales representan una ayuda para diseñar redes

de muestreo en estudios de contaminación.

Las delineaciones o áreas individuales hechas en un mapa e identificadas con un

mismo símbolo corresponden a una unidad de suelo con factores y procesos de

formación similares, en donde la distribución de horizontes y las propiedades

también son semejantes.

La importancia de las redes de muestreo basadas en este tipo de mapas consiste,

por una parte, en que el suelo dentro de un área espacial definida se puede

considerar homogéneo y, por otra, en que una vez muestreados, identificados y

cuantificados los contaminantes en una zona determinada, se facilita la predicción

de su comportamiento y, por tanto, su peligrosidad actual y potencial, mediante el

análisis de las posibles interacciones con la fase sólida, líquida y gaseosa del

suelo.

Por ejemplo: se tiene el siguiente segmento de un mapa de algunas propiedades

químicas del suelo con tres áreas individuales, identificadas con los números 1, 2

y 3.

51 DIJKERMAN, J.C. Pedology as a science: the role of data, models and theories in the study of

natural soils systems, citado por MALAGÓN, Dimas et al. Suelos de Colombia: IGAC, 1995. p. 419

266



La información que acompaña el mapa establece para cada área lo siguiente:

Área 1: Suelos con presencia de carbonatos de calcio, pH = 8,5 y buena aireación

del suelo.

Área 2: Suelos arcillosos con presencia de óxidos de hierro e inundados y pH = 4

Área 3: Suelos con CIC alta debido a la presencia de materia orgánica, pH = 6,8

Se realizó un muestreo en las tres áreas y se encontró la presencia de Cd en cada

una de ellas.

Respecto al comportamiento de los metales pesados en el suelo se sabe:

1. En general los cationes de metales pesados tienen mayor movilidad bajo

condiciones ácidas y el aumento del pH por encalado usualmente reduce su

disponibilidad.

2. Los procesos químicos más importantes que afectan el comportamiento y la

biodisponibilidad de metales son los relacionados con la adsorción de

estos, presentes en la fase líquida, sobre la fase sólida del suelo.

3. Diferentes mecanismos están involucrados en la adsorción, tales como el

intercambio catiónico y los fenómenos de co-precipitación.

4. Según el tipo de mineral presente en el suelo se favorece la co-precipitación

de metales traza. Por ejemplo: los óxidos de hierro co-precipitan

principalmente con: V, Mn, Ni, Cu, Zn, Mo; los óxidos de manganeso con:

Fe, Co, Ni, Zn, Pb; los carbonatos de calcio con: V, Mn, Fe, Co y Cd.

1

3

2

267



5. Las condiciones de oxidación-reducción influyen tanto en la cantidad de

óxidos hidratados presentes, como en la capacidad de adsorción del suelo.

La aparición de condiciones reductoras causa la disolución de los óxidos.

Con base en la información anterior se puede esperar el siguiente comportamiento

del cadmio:

En el área 1: Baja biodisponibilidad y movilidad del metal a través del perfil del

suelo favorecida por el pH alto y la co-precipitación con el carbonato de calcio.

En el área 2: Se favorece una mayor disponibilidad y movilidad del metal debido a

una disminución de la CIC del suelo que se presenta a valores bajos de pH.

Además, las condiciones reductoras presentes por la inundación del suelo, causan

la disolución de los óxidos y con esto se produce la liberación de los iones del

metal que pudieran estar adsorbidos sobre ellos.

En el área 3: Disponibilidad y movilidad reducidas del metal por la CIC alta y pH

con valor cercano a la neutralidad.

Es evidente, entonces, que cualquier plan de muestreo debe establecer y delimitar

la variabilidad inherente y la inducida del suelo, con el fin de obtener muestras que

permitan exactitud y precisión en la determinación de los parámetros en estudio.

La exactitud se refiere aquí a la cercanía del valor del parámetro analizado

respecto al promedio correspondiente al área homogénea del suelo en estudio, y

la precisión indica la reproducibilidad de los resultados.

Lección 27: Tipos de muestreo

Los criterios expuestos a continuación se basan, en gran parte, en la norma

técnica colombiana NTC 365652.

52 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Gestión ambiental.

Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar contaminación. Bogotá, ICONTEC, 1994. 8 p.

PALABRAS CLAVE: unidad de muestreo, muestra simple, muestra compuesta,

muestreos no sistemáticos, muestreos sistemáticos.

268



Para evaluar el grado de contaminación de un suelo existen diferentes patrones de

muestreo, los cuales se aplican en las unidades de muestreo que son de dos tipos

principales:

1. Unidad natural de muestreo: es una unidad de suelo con factores y

procesos de formación similares, en donde la distribución de horizontes y

las propiedades también son similares. Corresponde a las áreas delineadas

en los mapas de suelos antes mencionados. Cuando no se cuenta con los

mapas de suelos, las unidades se establecen en el terreno mediante

observación y aplicación de criterios derivados del conocimiento del terreno,

por parte de profesionales capacitados en el tema.

2. Unidad práctica de muestreo: corresponde a toda o una parte de una

unidad natural.

Además de las unidades de muestreo, los patrones de muestreo contemplan dos

clases principales de muestras:

Muestra simple: corresponde a una muestra individual de un volumen

determinado de suelo. Proporciona información puntual respecto a los

parámetros que se analicen.

Muestra compuesta: corresponde a la mezcla de varias muestras simples

que se toman al azar y deben cumplir con los siguientes requisitos: a) cada

muestra simple debe tener el mismo volumen y representar la misma

sección transversal del volumen total y b) el número de muestras simples

debe ser el suficiente para que represente todo el volumen que se quiere

analizar.

Los tipos de muestreo son de dos clases principales: irregulares y regulares

Los muestreos irregulares se conocen también como no sistemáticos y se realizan

en la unidad natural o en la unidad práctica de muestreo, en donde el número de

muestras compuestas que se colectan depende del tipo de contaminante. Se

subdividen en muestreo de trazado y muestreo en zig-zag.

Los muestreos de trazado más utilizados son en forma de N, S, W y X

269



La distancia entre puntos de muestreo sobre cada diagonal debe ser la misma.

Los muestreos en zig-zag deben atravesar toda el área bajo estudio.

Los muestreos no sistemáticos no se recomiendan cuando se busca determinar la

localización de la contaminación.

Los muestreos regulares se conocen también como sistemáticos o de rejillas

regulares. Este patrón de muestreo es el más utilizado para determinar la

contaminación del suelo. El tipo de muestra que se obtiene y analiza es simple.

La dimensión de la cuadrícula puede variarse de acuerdo con el detalle requerido

y los puntos de muestreo también se pueden localizar en las intersecciones de las

líneas.

Este patrón de muestreo suministra observaciones igualmente separadas que son

convenientes para aplicaciones estadísticas y de computación. Así mismo, con

sistemas de simulación tridimensional manual o digitalizado cada sitio de muestreo

puede ser georeferenciado.

270



Lección 28: Criterios técnicos para el muestreo

En el muestreo del suelo, el punto central es obtener una muestra representativa

de la unidad de muestreo. El concepto de representatividad de la muestra es el

mismo aplicado en el muestreo de aguas, en el sentido que debe reflejar las

similitudes y diferencias encontradas en la realidad seleccionada para estudio y

ejemplificar sus características.

La aplicación de los criterios técnicos establecidos para el muestreo permite

garantizar la representatividad e integridad de la muestra. Los diversos criterios

técnicos para la realización del muestreo se encuentran incorporados en los

siguientes aspectos principales:

1. Determinar y especificar el tipo de contaminante que se va a evaluar para, en

primer lugar, tomar las medidas de seguridad necesarias para proteger a la

persona que va a realizar el muestreo y, en segundo, para definir el tipo de

análisis y los indicadores que se van a evaluar.

2. Separar y delinear las unidades de muestreo del área afectada.

3. Seleccionar y aplicar el tipo de muestreo que se ajuste al propósito del estudio.

4. Antes de iniciar la toma de las muestras, marcar la localización de los puntos de

muestreo.

5. Con el objeto de establecer el grado de contaminación, es indispensable tomar

muestras testigo, esto es, de sectores contiguos no afectados, de la unidad natural

o unidad práctica contaminada.

6. Profundidad del muestreo: en general, de los sitios contaminados se deben

tomar muestras horizonte por horizonte teniendo en cuenta los siguientes

aspectos:

a) Los horizontes se deben muestrear independientemente cada uno de ellos,

en los diferentes sitios de muestreo, teniendo cuidado de que no se

mezclen materiales de las diferentes capas.

PALABRAS CLAVE: representatividad de la muestra, naturaleza del

contaminante, muestra testigo, profundidad de muestreo, número de sitios,

número y cantidad de muestra.

271



b) Registrar la profundidad total alcanzada, el espesor de los horizontes y las

profundidades a las cuales se han obtenido las muestras. Estos datos se

deben registrar en centímetros o metros por debajo de la superficie del

suelo, anotando en forma separada el espesor del horizonte de humus, si

es el caso.

c) Cuando no se percibe en campo la profundidad a la que ha penetrado el

contaminante o cuando el suelo no presente diferenciación de horizontes,

se recomienda tomar muestras a profundidades previamente establecidas.

d) Para el caso específico de contaminantes solubles en agua y por tanto muy

móviles dentro del suelo, debe considerarse la textura, la velocidad de

infiltración, la conductividad hidráulica y la profundidad en que aparece el

nivel freático, con el fin de definir las profundidades a muestrear.

e) En el sistema de muestreo de los sectores testigo se deberán contemplar

las profundidades que se establecieron en el área contaminada.

7. Número de sitios: debe ser suficiente para que la muestra sea representativa de

las variaciones presentes en cada unidad de muestreo. La EPA propone los

siguientes criterios, los cuales pueden tomarse como guía y adaptarse a cada

estudio en particular:

TIPO DE UNIDAD DE MUESTREO53 TAMAÑO # DE

SITIOS

Áreas agrícolas, pecuarias y/o forestales 4 ha 50

Áreas de influencia industrial (urbanas y rurales) 225 m2 16

8. Número de muestras: depende del tamaño de la unidad natural o unidad

práctica de muestreo, así54:

53 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Gestión ambiental.

Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar contaminación. Bogotá : ICONTEC, 1994. p. 7

54 Ibíd.

272



ÁREA (A) (hectáreas)

NÚMERO DE MUESTRAS

COMPUESTAS (n)

0 a 2 1

> 2 a 5 2

> 5 a 10 3

> 10 a15 4

> 15 a 20 5

> 20 a 30 6

Para tamaños superiores a los indicados en la tabla, se debe emplear la siguiente

ecuación: n = 1 + (A)1/2.

Cada muestra compuesta debe obtenerse a partir de por lo menos 3 muestras

simples o submuestras.

9. Tamaño de las muestras: el volumen de muestra depende del tipo de suelo a

muestrear, y en la práctica se determina en peso de la muestra. Se recomiendan

las siguientes cantidades:

a) Para suelos arenosos y arcillosos: entre 500 y 1000 g.

b) Para suelos con horizontes orgánicos (suelos forestales, principalmente):

entre 300 y 500 g.

c) Para suelos con fracciones en aumento de grava y piedra: mínimo 1000 g.

Lección 29: Equipos y materiales para el muestreo

Para el muestreo del suelo, todos los elementos utilizados deben estar limpios.

1) Pala cavadora: el uso de palas es recomendable para muestras que se tomen a

una profundidad aproximada de 25 cm. Durante todo el muestreo se debe

recolectar el mismo volumen de suelo.

PALABRAS CLAVE: pala cavadora, barrenos, balde, bolsas plásticas, nevera

tipo picnic, formatos y tarjetas de identificación.

273



La muestra obtenida con la pala se manipula de la siguiente manera: se elimina el

suelo contenido en los bordes alrededor de la pala (franja de alrededor de 5 cm

medidos dese el borde hacia el interior de la pala) y se utiliza la muestra que

queda en el centro de la pala. Si se trata de una muestra individual se empaca en

bolsas plásticas y se rotula; si la muestra hace parte de una muestra compuesta

se deposita en un recipiente dispuesto para la mezcla y homogenización de las

diferentes muestras.

2) Barrenos: Estas herramientas son las más utilizadas porque se pueden utilizar a

diferentes profundidades de muestreo.

Existen varios tipos de barrenos:

De sonda o tubo: apropiados para muestreos superficiales de suelos

suaves. Las muestras se obtienen en volúmenes uniformes y a la misma

profundidad.

De taladro: apropiados para muestreos de suelos arcillosos, compactados o

pedregosos.

Holandés: apropiados para muestreos de suelos a profundidades de hasta

1,5 m.

Shelby (de pared delgada): apropiados para muestreos de suelos suaves

(arenas) y duros (gravas) a profundidades desde 0 cm hasta el lecho de la

roca.

En la Figura 36 se presentan diferentes tipos de puntas para barrenos

desarmables: de izquierda a derecha: a) Riverside, para suelos pesados,

mezclados con grava fina y saturados o secos; b) suelos pedregosos, con

alto contenido de grava; c) espiral, para atravesar horizontes muy duros y d)

captura piedras.

274



Figura 36. Puntas para barreno55

3) Balde: se utiliza para depositar submuestras o muestras individuales que

forman parte de una muestra compuesta, las cuales finalmente se mezclan y

homogenizan.

4) Bolsas plásticas (polietileno): se utilizan para empacar las muestras. Se debe

revisar el contenido de PBC (bifenil policlorados) que puede incidir en la presencia

de sustancias contaminantes.

5) Neveras tipo picnic: se utilizan para congelar o refrigerar las muestras con hielo

seco, cuando la naturaleza del contaminante y el tipo de análisis a realizar así lo

requieran.

55 Tomado de: http://www.interfasetres.com.ar/producto/muestreo-de-suelos/barrenos

275



6) Formatos de recolección de la información de muestreo: deben incluir la

siguiente información: fecha de muestreo, nombre y profesión de la persona que

realiza el muestreo, localización geográfica de la zona de muestreo, descripción

del área afectada, uso actual del área, régimen de lluvias, profundidad del

muestreo, presencia del nivel freático (profundidad en centímetros), tipo de

contaminante, tipo de análisis solicitados, presentación de un mapa o esquema de

la zona muestreada, relación de las muestras recolectadas, nomenclatura de los

horizontes y observaciones generales.

7) Tarjetas de identificación: se utilizan para identificar cada muestra claramente.

Se deben proteger con plástico para evitar el deterioro y pérdida de la información.

Deben contener la siguiente información: fecha de muestreo, localización

geográfica, profundidad de muestreo, nombre y/o código de la muestra y análisis

solicitados.

Las etapas características del proceso de muestreo con los equipos y materiales

requeridos se presentan en la Figura 37.

276



Figura 37. Esquema general del proceso de muestreo de suelos56: (1) Limpieza de

la superficie del suelo. (2) Delimitación de las unidades de muestreo. (3) Equipos y materiales. (4) Aplicación del tipo de

muestreo. (5) Toma de muestra con pala y eliminación de parte de la muestra ubicada en los bordes de la pala. (6)

Obtención de una muestra compuesta a partir de la mezcla y homogenización de muestras individuales. (7) Empaque y

rotulación de las muestras.

56Ibíd., p. 8: il.

277



Lección 30: Parámetros químicos de análisis

Los resultados del estudio de los parámetros químicos conforman una parte

importante de la información requerida para determinar los elementos

constituyentes, la fertilidad química y las sustancias contaminantes presentes en

un determinado tipo de suelo.

Análisis químicos de caracterización para la interpretación de la calidad de

los suelos


ANALÍTICA

CONTENIDO DE

HUMEDAD DEL

SUELO (PW)

Es una de las propiedades menos constantes del suelo. Se determina a 105°C, previo secado del suelo al aire (máximo 40°C).

El agua eliminada a 105°C tiene relación con el agua móvil o no ligada y de ninguna manera puede reportarse como equivalente a la humedad correspondiente a capacidad de campo, ni al agua combinada.

La determinación del PW se hace con el fin de relacionar los resultados de las determinaciones de otros parámetros del suelo a una base común, esto es, el secado del material en estufa a 105°C

Se utilizan las operaciones de secado y pesada.

Se expresa en porcentaje

PALABRAS CLAVE: caracterización del suelo

278




ANALÍTICA

pH

La reacción del suelo se mide por la actividad de los iones hidrógeno expresada en términos de pH, la cual influye en aspectos tales como la disponibilidad de los nutrientes y la actividad de los microorganismos.

El pH es uno de los parámetros más usados debido a que se relaciona e influye en el comportamiento de variables físico químicas, biológicas y mineralógicas fundamentales del suelo.

Se utilizan métodos colorimétricos y electrométricos para medir el pH de los suelos.

El método colorimétrico se utiliza únicamente en campo y se basa en el cambio de color producido por la actividad del ión hidrógeno con un indicador del tipo ácido-base. Este método es aproximado ya que en muchos casos se enmascara el color debido a la presencia de materia orgánica y/o sesquióxidos.

El método electrométrico que es el más utilizado se basa en la medición de un potencial de un electrodo sensible al ión hidrógeno en relación con un electrodo de referencia.

CAPACIDAD DE

INTERCAMBIO

CATIÓNICO (CIC).

La presencia de los cationes se ubica en tres categorías: fase sólida, intercambiable y soluble. Los intercambiables son los que se pueden reemplazar por medio de soluciones de sales neutras que

Probablemente la propiedad más importante y distintiva de los suelos consiste en que éstos pueden retener iones y liberarlos lentamente a la solución del suelo

Los métodos utilizados pueden agruparse de la siguiente manera:

1. Los cationes intercambiables se reemplazan por amonio, bario, calcio o sodio y el catión adsorbido

279




ANALÍTICA

fluyen a través del suelo. Los solubles se remueven con sólo agua.

Los cationes intercambiables son retenidos en la superficie de minerales del suelo y dentro del enrejado cristalino de algunos minerales o por algunos compuestos orgánicos, pero pueden ser reversiblemente reemplazados por aquellos de soluciones salinas y ácidas. La suma de estos cationes se define como Capacidad de Intercambio Catiónico.

y a las plantas. (esto es, el catión utilizado para reemplazar los cationes intercambiables del suelo) se cuantifica posteriormente mediante titulación ácido-base.

2. Utilización de ácidos diluidos y titulación del hidrógeno y el aluminio que saturan el material de intercambio, con una base, hasta pH 7,0 u 8,5.

3. Operacionales, en los cuales la CIC no se determina directamente, sino por la suma de bases intercambiables (Ca++, Mg++, Na+ , K+ ), más el aluminio e hidrógeno de cambio.

El orden de magnitud de la CIC para un mismo suelo depende del método utilizado para su determinación, por lo tanto, cuando se reportan los valores es de gran importancia

280




ANALÍTICA

especificar el método utilizado en términos de pH de la solución reemplazante y la clase de sal empleada.

Se expresa en cmol (+) /

kg suelo

BASES

INTERCAMBIABLES

Las bases intercambiables están constituidas por metales alcalinos o alcalinotérreos unidos a la arcilla y a los constituyentes orgánicos de los suelos. Las principales bases intercambiables son calcio, magnesio, potasio y sodio.

El contenido de bases intercambiables, especialmente calcio, magnesio y potasio, se utiliza como uno de los criterios para determinar la calidad del suelo para uso agrícola. Los suelos fértiles presentan altos contenidos de calcio y magnesio. Una saturación de bases menor del 35% se considera baja y el correspondiente suelo se clasifica como de baja calidad, en relación con un uso agrícola.

Los métodos utilizados en la determinación de las bases intercambiables se fundamentan en el desplazamiento de las bases adsorbidas sobre el complejo de cambio del suelo, mediante el uso de soluciones concentradas de sales, como acetato o cloruro de amonio, acetato o cloruro de sodio o cloruro de bario.

Una vez extraídas las bases se cuantifican de la siguiente manera:

Ca y Mg mediante titulaciones complexométricas con indicador, o por absorción atómica técnica de llama.

Na y K por emisión de llama.

Los resultados para

cada base se expresan

281




ANALÍTICA

en cmol (+) / kg suelo

CONDUCTIVIDAD

ELÉCTRICA

La conductividad eléctrica en medios líquidos corresponde a su capacidad para transportar corriente eléctrica. Una solución electrolítica permite el paso de la corriente por la migración de los iones bajo la influencia de un gradiente de potencial.

Se utiliza para indicar la concentración total de especies químicas iónicas presentes en la solución del suelo, es decir, sirve como un estimativo del contenido de sales solubles en el suelo. Valores > 4 mS/cm indican suelos moderadamente salinos, > 8 mS/cm fuertemente salinos y >16 mS/cm muy fuertemente salinos.

La medición de la conductividad eléctrica se realiza mediante el uso de conductímetros. Estos instrumentos constan básicamente de dos placas de un material como el platino a las que se aplica una diferencia de potencial. Los conductímetros miden una conductividad específica resultante de la conductividad medida multiplicada por la constante de la celda del instrumento. Los valores se expresan en dS/ m, mS/cm ó µS/cm

TEXTURA DEL

SUELO

La textura se refiere específicamente a las proporciones relativas de las partículas de arena, limo y arcilla en la fracción fina, es decir tamizado a través de una malla con diámetro igual a 2mm.

La textura es importante porque se relaciona con la cantidad de agua que puede almacenar un suelo, su movimiento a través del perfil y la facilidad de abastecimiento de nutrientes y de aire; todo esto de gran importancia

En la caracterización básica del suelo se utiliza el método de Bouyoucos modificado que no emplea técnicas específicas por tipo de agente cementante. Únicamente contempla la dispersión de las partículas en una solución acuosa mediante la presencia de una sal o mezcla de varias sales de sodio. La

282




ANALÍTICA

para las plantas.

Esta propiedad es también importante en la determinación de la movilidad de sustancias contaminantes, en la taxonomía y el mapeo de los suelos, en la clasificación de las tierras con fines de riego y drenaje, en la conservación de los suelos y en el manejo de las cuencas hidrográficas.

Se requiere conocer la distribución por tamaño de partículas para determinar la clase textural.

efectividad de los agentes dispersantes depende de la adsorción del sodio en los sitios de intercambio y de la neutralización de las propiedades coagulantes del calcio. Por lo anterior se considera un método semicuantitativo.

Después de la dispersión se pueden diferenciar las partículas por tamaño. La técnica más usada para la separación de las partículas se basa en la relación entre su tamaño y la velocidad con que caen a través de una columna de líquido viscoso, generalmente agua. La distribución de las partículas por tamaño se basa en el diámetro que presenten.

El método consiste en determinar la cantidad de sólidos en suspensión por medio del hidrómetro. Esto es posible debido a que la profundidad del centro de flotación del hidrómetro varía con la densidad de la suspensión.

Se debe tener cuidado especial en controlar todos los parámetros que influyen en la velocidad de

283




ANALÍTICA

sedimentación, especialmente la temperatura a la cual se realiza el proceso.

La distribución de las partículas se expresa en porcentaje

CARBONO

ORGÁNICO

El carbono es el componente principal de la materia orgánica que puede determinarse cuantitativamente.

La cuantificación del carbono orgánico permite obtener un estimativo de la cantidad de materia orgánica presente en un suelo.

Esta información es importante para calificar un suelo debido a que la materia orgánica tiene numerosas funciones: proporciona elementos necesarios para la nutrición de las plantas, determina la actividad biológica en el suelo, mejora las propiedades físicas y contribuye en la CIC que es una propiedad química de primer

Los métodos para estimar el contenido de carbono de los suelos son de dos tipos: métodos directos, basados en el proceso de combustión (oxidación seca), en los cuales el contenido de carbono se mide cuantitativamente por el CO2 desprendido y métodos indirectos o de oxidación húmeda, basados en la reducción del ión dicromato, donde el contenido de carbono se mide por titulación del ión dicromato no reducido.

Para el método de oxidación húmeda, después de la adición de la solución de dicromato de potasio a la muestra de suelo, se realiza la adición subsecuente de ácido sulfúrico concentrado para elevar la temperatura a aproximadamente 120°C. Así se logra una eficiencia de la oxidación

284




ANALÍTICA

orden.

También tiene funciones ambientales, como son la captura de carbono y la calidad del aire.

de cerca del 84% de C presente, dentro del minuto siguiente a la adición.

El contenido de C orgánico se expresa en porcentaje del elemento en suelo seco en la estufa a 105°C. También puede expresarse como materia orgánica del suelo, multiplicando el porcentaje de carbono por el factor 1,724 (factor de Van Bemmelen) obtenido en el supuesto de que la materia orgánica del suelo contiene un 58% de carbono.

ACIDEZ

INTERCAMBIABLE

Está constituida principalmente por aluminio monomérico y por pequeñas cantidades de hidrógeno de intercambio.

Se define como la parte de la acidez del suelo que se remplaza con una solución de sal neutra no amortiguada.

La acidez intercambiable se restringe a los suelos con un pH igual o inferior a 5,5 y se constituye en la base para determinar los requerimientos de encalado.

La determinación consiste en una extracción con sal neutra no amortiguada y la posterior titulación, en el extracto, de la acidez total. La solución salina utilizada debe cumplir dos requisitos fundamentales, alta concentración del ión desplazante y conservación del aluminio en forma soluble. La solución más comúnmente utilizada es el KCl, 1 N. Por este mismo método es

285




ANALÍTICA

posible diferenciar entre aluminio e hidrógeno intercambiables.

FÓSFORO

DISPONIBLE

El fósforo en el suelo se puede encontrar en la materia orgánica (incluyendo los microorganismos), en compuestos inorgánicos, adsorbido por minerales de arcilla y en la solución del suelo, en la cual la cantidad presente es muy pequeña.

La cantidad de fósforo presente en estas formas depende del contenido de materia orgánica, la clase de mineral de arcilla y el tipo de compuestos inorgánicos de fósforo. La concentración en la solución del suelo refleja la cantidad de las formas solubles de fósforo presentes.

Si el contenido de materia orgánica es bajo, aproximadamente el 90% del total del fósforo se presenta en forma inorgánica. La solubilidad de las diferentes formas

El contenido se utiliza como uno de los criterios para determinar la calidad del suelo para uso agrícola.

Valores de concentración < 30 ppm indican contenidos bajos que pueden afectar la nutrición de las plantas.

Las determinaciones del fósforo en el suelo tienen dos etapas distintas. La primera, es la extracción, para obtener una solución que contenga la forma de fósforo del suelo que se quiere evaluar y, la segunda, la determinación cuantitativa del fósforo en dicha solución.

Algunos de los métodos para la extracción son: soluciones extractoras ácidas no amortiguadas, soluciones alcalinas, soluciones de sales débilmente ácidas amortiguadas, soluciones que contienen fluoruro, agua, y resinas de intercambio aniónico.

Para la cuantificación se utiliza la colorimetría con base en la formación de azul de molibdeno. Es un método de cuantificación muy sensible, por lo cual es apropiado para extractos de suelo que contienen pequeñas cantidades de fósforo. El método se basa en la formación de

286




ANALÍTICA

inorgánicas de fósforo depende del pH.

un complejo de fosfomolibdato, el cual se reduce con cloruro estanoso para producir un color denominado, azul de molibdeno. La intensidad del color azul varía con la concentración de P, pero se afecta también por otros factores como la acidez, la presencia de arseniatos, silicatos y otras sustancias que pueden influir en las condiciones de oxidación-reducción del sistema.

METALES

PESADOS

Los metales pesados están presentes en el material parental del suelo, pero la mayor fuente de estos metales tiene origen en las actividades antropogénicas.

Se consideran principalmente los siguientes: Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sn, Ba, Hg y Pb.

La determinación de los metales pesados se realiza por diversas razones.

Entre estas razones están las siguientes:

1) El establecimiento de una línea base de conocimiento de la cantidad total de los metales, con respecto a la cual se pueden evaluar los cambios

Existen diversos métodos cuya selección para una aplicación particular debe tener en cuenta factores como la sensibilidad, la exactitud y la precisión del método.

Los métodos son los mismos enumerados en el capítulo 3 para las aguas; difiere el tratamiento preliminar de las muestras:

Espectrometría de absorción atómica con técnica de llama.

Espectrometría de

287




ANALÍTICA

producidos en la composición del suelo por contaminación, toma por parte de las plantas o manipulación en las labores agrícolas.

2) Para evaluar la disponibilidad de los metales para cultivos agrícolas y de esta manera la probabilidad de su entrada en la cadena alimenticia de animales y seres humanos.

Por lo tanto, el análisis de los metales pesados en el suelo juega un papel importante en la predicción de la toma por parte de las plantas y en la predicción y diagnóstico de enfermedades, en cultivos y animales de granja, relacionadas con deficiencia o toxicidad, así como en la evaluación de problemas de contaminación

absorción atómica con horno de grafito.

Espectrometría de absorción atómica por generación de hidruros.

Espectrometría de absorción atómica mediante vapor frío.

Espectrometría de emisión atómica con técnica de llama.

Espectrometría de emisión atómica por plasma acoplado inductivamente (ICP).

Espectrometría de masas acoplada con ICP

288




ANALÍTICA

ambiental.

La magnitud de la contaminación por un metal determinado se puede medir determinando su concentración y comparándola con la obtenida en análisis previos o con los contenidos en suelos no contaminados.

PESTICIDAS

Los pesticidas son compuestos orgánicos que se subdividen en grupos según el tipo de plagas que controlan.

Los pesticidas que pueden descomponerse con facilidad son biodegradables, mientras que los resistentes a la desintegración se llaman persistentes.

El análisis de estos compuestos se requiere para tener un control en los niveles de concentración de estos compuestos en matrices medioambientales (suelo, agua y aire) y biológicas (alimentos, tejidos animales y tejidos vegetales).

El control incluye tanto los residuos de plaguicidas, como sus metabolitos y productos de degradación o de reacción, que estén presentes en la matriz de estudio.

El proceso de análisis consta de varias etapas:

1) Pre-tratamiento de la muestra.

2) Extracción del analito de la muestra.

3) Purificación del extracto.

4) Preconcentración.

5) Análisis cromatográfico.

Se puede utilizar cromatografía de gases o líquida, con un detector adecuado. Generalmente se trabajan estos tipos de cromatografía acopladas con espectrometría de masas.

289




1) Describa las características principales de los muestreos regulares y de los

irregulares.

2) Un programa de monitoreo de contaminación de suelos delimitó como áreas de

estudio las siguientes:

Agrícola con extensión de 10 ha.

De influencia industrial con extensión de 35 ha.

Para cada área establezca el número de sitios de muestreo y el de muestras

compuestas que se deben tomar.

3) El tipo de herramientas utilizadas en el muestreo de suelos depende de la

profundidad a la que se va a realzar el estudio y de las características del suelo.

Indique la herramienta más adecuada para las siguientes situaciones:

Profundidad de muestreo 20 cm y suelos suaves

Profundidad de muestreo 100 cm y suelos arcillosos

4) ¿Qué parámetros del suelo son importantes para determinar la movilidad de los

contaminantes? Justifique su respuesta y para cada uno indique el método

utilizado para su análisis.

5) Se realizó la determinación del pH a dos muestras de suelos con los siguientes

resultados: muestra 1: pH = 6,7 y muestra 2: pH = 4,8. Para cuál de las muestras

se esperaría encontrar una cantidad apreciable de acidez intercambiable.


6) En un suelo contaminado con pesticidas se decide aplicar técnicas de

biorremediación y para determinar la viabilidad del tratamiento se solicita el

resultado del análisis de carbono orgánico. Explique la relación de este parámetro

con la viabilidad del tratamiento.

7) El resultado del análisis de conductividad eléctrica de dos muestras de suelos

arrojó los siguientes resultados: muestra 1: 7 mS/cm y muestra 2: 20 mS/cm.

¿Qué muestra presenta más evidencia de degradación química del suelo? ¿de

qué tipo de degradación se trata y cuáles son sus efectos?

290



Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 2

291




BOHN, H. y Mc NEAL, Brian. Soil Chemistry. New York: John Wiley & Sons,

2001. 307 p.

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.

Gestión ambiental. Suelo. Toma de muestras de suelo para determinar

contaminación. Bogotá: ICONTEC, 1994. 8 p.

MALAGÓN et al. Suelos de Colombia: origen, evolución, clasificación, distribución

y uso. Santafé de Bogotá: Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1995. 632 p.

THOMPSON, Louis y TROEH, Frederick. Los suelos y su fertilidad. 4ed.

Barcelona: Reverté, 1982. 649 p.

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil survey laboratory

information manual. Lincoln, Nebraska: USDA, 1995.

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil taxonomy: a basic

system of soil classification for making and interpreting soil surveys. 2 ed.

Washington: USDA, 1999.

292



UNIDAD 3

Nombre de la Unidad QUÍMICA Y COMPONENTE

ATMOSFÉRICO

Palabras clave Características de la estratosfera y la

troposfera, reacciones químicas, tipos y

fuentes de contaminantes, alteración de la

capa de ozono, smog fotoquímico, sitios y

técnicas de muestreo, para seguimiento de la

calidad del aire, y análisis de muestras en el

laboratorio.

Introducción La atmósfera terrestre es el compartimento

ambiental menos denso y constituye la capa

más externa del planeta.

De las capas que conforman la atmósfera, la

composición y comportamiento de la

estratosfera y la troposfera son del mayor

interés desde el punto de vista ambiental,

debido a que alojan el aire que determina el

funcionamiento de la ecosfera y, por ende,

de la vida en la tierra.

El número creciente e incontrolado de

actividades antropogénicas está causando

una desviación notable en la composición

promedio del aire, lo cual ha generado

efectos adversos medibles en la salud de los

seres humanos, de los animales y de las

plantas, daño físico en los materiales y

desequilibrio climático.

Justificación La composición promedio del aire se altera

cada día más, debido a operaciones de

conversión de energía, y a la adición de

numerosas sustancias derivadas de

procesos de síntesis química (industrias de

fabricación de materiales) y procesos de

293



fundición, principalmente.

Por lo anterior, el conocimiento de la

naturaleza y la dinámica de las especies

químicas tanto naturales como

contaminantes son indispensables, si se trata

de adoptar medidas preventivas para la

minimización del impacto actual.





que tienen lugar en la atmósfera.


relacionar el comportamiento de las especies

químicas presentes en la atmósfera, sus


problemáticas derivadas de las actividades

antropogénicas, para contribuir a establecer



ambiente.

Denominación de capítulo 7 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA

ATMÓSFERA

Denominación de Lección 31 Principales procesos químicos atmosféricos

Denominación de Lección 32 Características químicas de la estratosfera

Denominación de Lección 33 Características químicas de la troposfera

Denominación de Lección 34 Reacciones del oxígeno atmosférico

Denominación de Lección 35 Reacciones ácido-base

Denominación de capítulo 8 CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA

Denominación de Lección 36 Tipos y fuentes de contaminantes

Denominación de Lección 37 Consumo del ozono de la estratosfera

294



Denominación de Lección 38 Óxidos y compuestos orgánicos volátiles

Denominación de Lección 39 Efecto invernadero y alteración de la capa de

ozono

Denominación de Lección 40 Smog fotoquímico y lluvia ácida

Denominación de capítulo 9 MUESTREO ATMOSFÉRICO

Denominación de Lección 41 Tipos de muestreo

Denominación de Lección 42 Definición de sitios de muestreo

Denominación de Lección 43 Técnicas de muestreo

Denominación de Lección 44 Equipos y materiales para muestreo

Denominación de Lección 45 Análisis de muestras en el laboratorio

295



UNIDAD 3

QUÍMICA Y COMPONENTE ATMOSFÉRICO

Figura 38. Capas de la atmósfera57

La atmósfera terrestre es el compartimento ambiental menos denso y constituye la

capa más externa del planeta. Está conformada por varias capas, cuya

composición varía con la altura y en orden ascendente son:

57 Tomada de: http://geo.ya.com/ascensiones/atmosfera.htm

http://geo.ya.com/ascensiones/atmosfera.htm

296



Troposfera: se extiende desde el nivel del mar hasta una altura de alrededor de 12

km. Comprende el 80% de la masa de la atmósfera y el 95% del aire; los cambios

y reacciones que ocurren en ella inciden en los procesos de formación y sustento

de los seres vivos y determinan el clima.

Su temperatura disminuye a medida que aumenta la altura, alcanzando un mínimo

cercano a los -65°C en los 8000 m, con vientos de hasta 200 km/h.

Estratosfera: comprende el espacio entre los 12 y 50 km de altura. Aloja el resto

de la masa atmosférica, su temperatura es estacionaria y los vientos se mantienen

en calma.

El ozono hace presencia a partir de los 20 km de altura, alcanzando su mayor

concentración a los 50 km, altura a partir de la cual empieza a disminuir.

En esta capa, la dispersión de la luz solar origina el color azul característico del

denominado cielo.

Mesosfera: se extiende entre los 50 y 90 km de altura. La temperatura que se

encontraba bajo cero, asciende a 0°C, pero a los 75 km vuelve a descender hasta

alcanzar los -80°C. Los vientos son de carácter estacional, soplando del este hacia

el oeste en verano y en sentido contrario en invierno.

Alrededor de los 70 km se presenta el fenómeno de “nubes noctilucientes” (ver 1

en Figura 38) que son nubes de polvo o cristales de hielo que debido a la altitud,

aún de noche, están iluminadas por el sol.

A partir de los 80 km, por una parte, se reflejan las ondas de radio cortas y

ultracortas que permiten la comunicación a larga distancia (ver 2 en Figura 38) y

también ocurre el fenómeno denominado de “estrellas fugaces” (ver 3 en Figura

38), que se debe a la resistencia que ofrece la atmósfera al material meteórico o a

la basura espacial que penetra.

Termosfera: comprende el espacio entre los 90 y 600 km. También aquí se

presentan “las estrellas fugaces” que se aprecian hasta alrededor de los 120 km y

se reflejan las ondas de radio cortas y ultracortas, que abarcan una franja hasta

los 300 km de altura. En el intervalo 90-400 km se forman “las auroras polares”

(ver 4 en Figura 38).

A partir de los 400 km, la temperatura aumenta, alcanzando 2000°C durante el día

y 300° en la noche, debido a que la radiación no es retenida. En esta zona se

ubican los transbordadores espaciales y los satélites de órbita baja (ver 5 en

Figura 38).

297



Exosfera: se extiende desde los 600 hasta los 800 km. Está compuesta

principalmente de hidrógeno que tiene su origen en el vapor de agua que liberan

los océanos, cuyas moléculas sufren fotólisis con producción de oxígeno e

hidrógeno. Este último por ser menos denso permanece a grandes alturas.

En esta capa se encuentra el resto de satélites artificiales y la basura espacial.

Entre las zonas anteriores, la composición y comportamiento de la estratosfera y

la troposfera son del mayor interés desde el punto de vista ambiental, debido a

que alojan el aire que determina el funcionamiento de la ecosfera y, por ende, de

la vida en la tierra.

El número creciente e incontrolado de actividades antropogénicas está causando

una desviación notable en la composición promedio del aire, lo cual ha generado

efectos adversos medibles en la salud de los seres humanos, de los animales y de

las plantas, daño físico en los materiales y desequilibrio climático.

El conocimiento de la naturaleza y la dinámica de las especies químicas tanto

naturales como contaminantes son indispensables, si se trata de adoptar medidas

preventivas para la minimización del impacto actual.

CAPITULO 7: PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA ATMÓSFERA

Introducción

La mezcla de gases denominada aire tiene, en condiciones naturales, la siguiente

composición promedio: nitrógeno, 78%, oxígeno 21%, argón 0,93%, neón

0,0018%; también contiene vapor de agua, dióxido de carbono y metano, en

proporciones mucho más bajas.

Sin embargo, cada día se altera la proporción de estos compuestos debido a

operaciones de conversión de energía, y se adicionan numerosas sustancias

derivadas de procesos de síntesis química (industrias de fabricación de

materiales) y procesos de fundición, principalmente.

En este capítulo se abordan los conceptos necesarios para entender la

composición del aire, la reactividad de las especies químicas presentes y el tipo

de contaminantes que pueden afectar su calidad.

298



Lección 31: Principales procesos químicos atmosféricos

La atmósfera es un sistema complejo y de alta reactividad en el cual se presenta

un gran número de procesos físicos y químicos de manera simultánea.

Para abordar los procesos químicos es importante manejar algunos conceptos

directamente relacionados con la química de la atmósfera, caracterizada por la

reacciones fotoquímicas. Estas reacciones ocurren debido a que las moléculas

que conforman el aire absorben la radiación electromagnética proveniente del sol,

especialmente la luz ultravioleta.

Hay cinco conceptos importantes que de acuerdo con Manahan58 se deben

considerar:

1) La constante de Plank, la cual se representa con la letra h. Se presenta en las

reacciones fotoquímicas porque la energía que participa en estas reacciones, E =

hɣ, corresponde a la de un fotón de luz visible o ultravioleta. El término ɣ es la

frecuencia de la radiación electromagnética.

Ejemplo: CH4 + 2O2 + hɣ CO2 + 2H2O

2) La radiación ultravioleta participa predominantemente en las reacciones

fotoquímicas porque tiene una frecuencia mayor que la de la luz visible y por lo

tanto posee mayor energía para romper los enlaces químicos de las especies

químicas que la absorben.

3) Estado excitado: El producto de una reacción fotoquímica puede resultar con un

exceso de energía electrónica que se conoce como estado excitado, el cual hace

que la correspondiente especie química sea más reactiva. Este estado se

representa con un asterisco (*).

Ejemplo: O3 + hɣ O* + O2

El O* producido se encuentra en estado excitado.

58 MANAHAN, S. E. Introducción a la química ambiental. México D. F.: Reverté Ediciones, 2007. p.

354.

PALABRAS CLAVE: radiación electromagnética (visible y ultravioleta), estado

excitado, radicales libres, tercer cuerpo, reacción fotoquímica, desactivación,

fluorescencia, fosforescencia, reacciones de fase, reacciones de oxidación

299



4) Radicales libres: corresponden a especies químicas con un electrón no

apareado. Son muy reactivos y participan en la mayoría de las reacciones

químicas que se presentan en la atmósfera. Se representan con un punto (•).

Ejemplo: O* + H2O HO• + HO•

Los productos son dos radicales hidroxilo libres, HO•.

5) Tercer cuerpo: corresponde a una molécula, generalmente de O2 o N2, que

participa en reacciones absorbiendo la energía liberada y evitando de esta manera

que la molécula del producto de la reacción se descomponga. Se denomina con la

letra M.

Ejemplo: O+ O2 + M O3 + M

La participación de la radiación electromagnética, proveniente del sol, en los

procesos atmosféricos da lugar a las reacciones fotoquímicas, que no ocurrirían

en ese compartimento ambiental sin la presencia de ese tipo de energía.

31.1. Reacciones fotoquímicas.

Una reacción fotoquímica tiene lugar cuando una especie química en estado de

baja energía (estable) absorbe un fotón de la radiación y como resultado pasa a

un estado excitado. Posteriormente, tienen lugar otras reacciones determinadas

por el tipo de proceso de desactivación que sufra la especie excitada.

Los procesos de desactivación se pueden dividir en dos grandes grupos:

Desactivación por relajaciones sin emisión de radiación.

Desactivación con emisión de radiación electromagnética.

En la desactivación por relajaciones sin emisión de radiación se pueden

presentar dos mecanismos generales:

Conversión externa: el exceso de energía que tiene la especie excitada

(átomos o moléculas) se pierde por choques entre esta especie y otras a su

alrededor, a las cuales transfiere energía con un incremento mínimo de la

temperatura.

Ejemplos:

O2* + M O2 + M (con tercer cuerpo)

300



O2* + O3 2O2 + O (directa)

O2* + Na O2 + Na* (directa con formación de otra especie

excitada)

Conversión interna: el exceso de energía que tiene la especie excitada se

pierde mediante relajaciones vibracionales, de las cuales se favorecen los

niveles electrónicos que son de energía similar y puede ocurrir un

traslapamiento.

Ejemplos:

O2* O + O (disociación)

AB* AB† (transferencia intramolecular hacia un nuevo

estado energético (†) que también puede ser excitado)

Otra reacción sin intervención de una especie diferente a la excitada es la

conocida como fotoionización, en la cual hay pérdida de un electrón.

Ejemplo:

N2* N2

+ + e-

En la desactivación con emisión de radiación electromagnética conocida

como luminiscencia también se pueden presentar dos mecanismos generales:

Fluorescencia: la desactivación de la especie excitada se hace mediante la

emisión de radiación de una longitud de onda mayor, es decir de menor

energía. La diferencia entre la energía absorbida y la emitida por la especie

química se libera mediante vibraciones moleculares. Este tipo de

desactivación es muy rápida, toma un tiempo de millonésimas de segundo

(< 10-6 segundos).

Fosforescencia: proceso similar al anterior, pero en el cual el tiempo de

desactivación es mayor, puede durar varios segundos e incluso minutos.

Ejemplo de luminiscencia:

NO2* NO2 + hɣ

31.2. Reacciones de fase

301



Otro aspecto importante a considerar en la química atmosférica es la coexistencia

de los tres estados de la materia: fase gaseosa, fase líquida y fase sólida, cada

una con un papel importante en los procesos químicos.

En relación con la química de la fase gaseosa en la troposfera, como lo plantea

Harrison59, uno de los procesos generales más importantes es la oxidación, en la

cual participa el oxígeno.

Los resultados globales de la combinación del oxígeno con sustancias

comúnmente existentes en la atmósfera, como son el monóxido de carbono, los

óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre, se presentan a continuación:

CO CO2

NO, NO2 HNO3

SO2 H2SO4

Para los hidrocarburos el proceso general es similar a la combustión, aunque

pueden formarse diversas especies químicas intermedias.

Ejemplo del proceso global:

CH4 HCHO CO

En todos los casos anteriores se dan mecanismos de reacción en los cuales la

especie química clave para iniciar el proceso es el radical libre hidroxilo y

posteriormente participan otros radicales libres, especies que se tratarán en mayor

detalle en la lección 33.

La fase sólida comprende partículas de naturaleza inorgánica y orgánica que

intervienen en las reacciones de superficie.

La fase líquida comprende las gotas que intervienen en las reacciones en fase

acuosa.

El comportamiento químico en estas dos fases comprende diversas reacciones

químicas, como las que ocurren en los procesos siguientes, las cuales han sido

estudiadas por Harrison60:

59 HARRISON, R. M. El medio ambiente. Introducción a la química medio ambiental y a la

contaminación. Zaragoza: Editorial Acribia, S. A., 2003. p. 56.

60 Ibíd., p. 61, 63-64.

302



Los ácidos nítrico y sulfúrico que se forman mediante reacciones en fase gaseosa

siguen experimentando cambios, como ser absorbidos por las gotas de agua

presentes, debido a su solubilidad en ella.

Por otra parte estos ácidos pueden reaccionar con partículas sólidas como las de

NaCl, de origen marino, para convertirse en sulfato o nitrato de sodio.

HNO3 + NaCl NaNO3 + HCl

H2SO4 + 2NaCl Na2SO4 + 2HCl

Otras reacciones, de común ocurrencia, en las que intervienen estos ácidos son

las que se llevan a cabo con el amoníaco.

NH3 + HNO3 NH4NO3

NH3 + H2SO4 NH4HSO4

NH3 + NH4HSO4 (NH4)2SO4

Debido a que los nitratos y los sulfatos son compuestos solubles en agua podrán

existir en la atmósfera como partículas sólidas o como gotas, dependiendo de la

humedad relativa.

En la fase acusa (gotas de agua líquida en forma de nubes, brumas y niebla) se

pueden acumular sustancias (gaseosas o sólidas) y ocurrir reacciones químicas

que transforman a las especies presentes.

Ejemplo:

La presencia de SO2 dentro de la gota de agua resulta en la presencia de una

mezcla de las siguientes especies químicas: SO32- (ión sulfito), HSO3

- (ión bisulfito)

y H2SO3 (ácido sulfuroso sin disociar). El predominio de una u otra especie

dependerá del valor del pH.

Cuando en la gota la especie dominante es el HSO3- este puede oxidarse en la

fase acuosa. En las nubes, las sustancias oxidantes más importantes son el ozono

y el peróxido de hidrógeno, las cuales deben ser adsorbidos por la gota de agua,

desde la fase gaseosa, para llevar a cabo la reacción de oxidación.

El ozono actúa a valores de pH altos:

303



O3 + HSO3- H+ + SO4

2- + O2

El peróxido de hidrógeno puede actuar a valores de pH bajos (rango ácido)

H2O2 + HSO3- H+ + SO4

2- + H2O

Las dos reacciones anteriores no muestran los mecanismos de formación del

ácido sulfúrico, pero se sabe que, al igual que en la fase gaseosa, en la solución

acuosa también participan radicales libres.

En conclusión, para este ejemplo del ácido sulfúrico, se puede decir que su

presencia en la atmósfera tiene lugar a través de dos trayectorias diferentes:

Reacción fotoquímica para la formación del ácido, con la subsiguiente

absorción en las gotas de agua.

Oxidación en la fase acuosa.

Lección 32: Características químicas de la estratosfera

En la estratosfera que se encuentra ubicada después de la tropopausa (capa

terminal de la troposfera) y que se extiende desde los 12 km hasta los 50 km

ocurren reacciones fotoquímicas en las que intervienen principalmente el ozono

(O3) y el oxígeno diatómico (O2).

El ozono absorbe radiación ultravioleta de longitudes de onda entre 200 y 290 nm,

mientras que el O2 absorbe en valores menores de 200 nm, esto es, radiaciones

de mayor energía.

El O3 y el O2 sufren fotodisociación y mediante una secuencia de reacciones,

entre ellas, de interacción entre el ozono y el oxígeno atómico:

ACTIVIDAD # 17: Investigue en el caso de los óxidos de nitrógeno las vías

que conducen a la formación de nitrato en las nubes.


PALABRAS CLAVE: formación y destrucción del ozono, especies catalizadoras,

familias y reacciones catalizadoras, ciclos acoplados, ciclos nulos, especies

almacén.

304



O + O3 2O2

se forman y se disocian, lo cual da como resultado una concentración estacionaria

de ozono, que se constituye en el filtro de las radiaciones ultravioleta necesario

para mantener las condiciones de vida del planeta.

La concentración de O3 en la estratosfera es de varias ppm, mucho mayor que la

correspondiente a la de la troposfera donde máximo llega a algunos cientos de

ppb.

Se acostumbra expresar la cantidad total de ozono atmosférico sobre cualquier

punto del planeta en unidades Dobson (UD). Esta unidad es igual a una capa de

ozono puro con espesor de 0,001 mm a una presión de 1 atm y temperatura de

273 K.

En términos generales, las cantidades totales de ozono son de hasta 450 UD en

las regiones polares, 350 UD en las templadas y de 250 UD en las ecuatoriales.

32.1. Reacciones de formación y destrucción no catalítica del ozono.

Este tema ha sido presentado por diferentes autores entre ellos Figueruelo y

Dávila61 y Manahan62 cuyos planteamientos principales se consideran a

continuación.

El ozono se forma mediante una serie de reacciones, la primera de ellas

fotoquímica:

O2 + hɣ O + O (7.1)

En seguida tiene lugar una reacción en la que participan especies de tercer

cuerpo:

O + O2 + M O3 + M (7.2)

Una vez que se forma el ozono, éste absorbe radiación ultravioleta que se

transforma en calor y da lugar a la formación de O2, fenómeno que se representa

con las siguientes reacciones:

61 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Química física del ambiente y de los procesos

medioambientales. Barcelona: Editorial Reverté, S. A., 2004. p. 413-414.

62 MANAHAN, S. E. Óp. Cit., p. 381-382.

305



O3 + hɣ O2 + O (7.3)

O + O3 O2 + O2 (7.4)

Las reacciones (7.1) a (7.4) se conocen como el ciclo de Chapman en honor al

investigador que las estudió cuantitativamente, hacia la tercera década del siglo

XX.

Las reacciones (7.3) y (7.4) se pueden representar con una reacción global:

2O3 3O2 (7.5)

Esta reacción (7.5) tiene una energía libre de formación negativa que indica que la

reacción está favorecida termodinámicamente y, por tanto, el ozono es inestable.

Sin embargo la velocidad de esta reacción de descomposición del ozono es

relativamente baja y no alcanza para mantener el nivel de oxígeno en la

estratosfera, situación por la cual también se da la descomposición del ozono en

presencia de especies químicas catalizadoras.

32.2. Reacciones catalíticas de destrucción del ozono

Como en el numeral anterior se consideran algunos planteamientos de Figueruelo

y Dávila63 y Manahan64.

Las especies químicas (atómicas y moleculares) que actúan como catalizadores

tienen origen, bien sea natural o por contaminación.

De manera general estas especies se representan con la letra X y conforman

familias denominadas XOx. Las tres familias principales son: HOx, NOx y ClOx.

La forma general en que actúan estas especies X se presenta en las reacciones

siguientes:

X + O3 XO + O2 (7.6)

XO + O X + O2 (7.7)


63 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M, Op. Cit., p. 416-420.

64 MANAHAN, S. E. Óp. Cit., p. 382-383.

306



O3 + O 3O2 (7.8)

La especie XO es un radical (en adelante sólo se representará como XO• cuando

se quiera resaltar su naturaleza) y la reacción (7.7) ocurre en zonas de la

estratosfera con concentraciones de O apreciables.

La especie X actúa como catalizador y, además, como especie clave que favorece

la realización de un ciclo de reacciones conformado por (7.6) y (7.7).

32.2.1. Origen de las familias de especies catalizadoras.

32.2.1.1. Familia HOx

Su origen corresponde a la baja estratosfera. La especie determinante en la

formación de los componentes de esta familia es el O* que es producto de la

siguiente reacción:

O3 + hɣ O* + O2 donde: λ < 310 nm (7.9)

Para la formación de especies HOx, el O* puede reaccionar con H2O en estado de

vapor o con H2. Con el vapor de agua la reacción es la siguiente:

O* + H2O (vapor) 2HO• (7.10)


O3 + H2O (vapor) 2HO• (7.11)

A pesar de que los contenidos de agua en la estratosfera son muy bajos, es la

reacción principal en la formación de las especies HOx.

Otra reacción a partir de la cual se pueden formar especies HOx, es la oxidación

del metano que puede tener varias vías: reacción con O*, HO• o Cl•. Sin embargo,

estas vías de oxidación son de rendimientos muy bajos.

La velocidad de formación de especies HOx, por cualquiera de las vías

mencionadas, depende de la formación de O*, la cual está sujeta a la constante de

la reacción de fotólisis del ozono y a su concentración.

Por otra parte, las especies HOx no permanecen constantemente en la

estratosfera, sino que se presentan procesos químicos que conllevan la

desaparición de estas especies.

En ese evento participan el NO2 y el HNO3 de acuerdo con la siguiente secuencia

de reacciones:

307



HO• + NO2 + M HNO3 + M (7.12)

HO• + HNO3 H2O + NO3 (7.13)

NO3 + hɣ NO2 + O (7.14)

La reacción global de desaparición de las especies HOx es:

2 HO• H2O + O

Es importante tener en cuenta que la presencia de HNO3 en estos procesos, de

acuerdo con condiciones específicas, también puede dar lugar a la formación de

las especies HOx.

32.2.1.2. Familia NOx

Su origen corresponde a la troposfera, de forma directa o indirecta, y a la

mesosfera y termosfera. La especie, de origen natural, determinante en la

formación de los componentes de esta familia es el N2O. La oxidación del N2O,

mediante una reacción fotolítica ocurre en aproximadamente un 94% y,

aproximadamente el 6%, corresponde a una reacción del N2O con O*. Las

reacciones correspondientes son:

N2O + hɣ N2 + O* (7.15)

N2O + O* 2 NO (7.16)

El N2O es un gas con efecto invernadero que tiene principalmente fuentes de

origen natural. Estas fuentes son los océanos, los suelos tropicales (selvas

húmedas y sabanas) y suelos templados (bosques y prados).

Las especies NO y NO2 también llegan a la troposfera por fuentes

antropogénicas.

32.2.1.3. Familia ClOx

Su origen corresponde a la troposfera de forma directa o indirecta. La especie

determinante en la formación de los componentes de esta familia es el Cl• que es

producto de la descomposición en la estratosfera de gases que contienen cloro.

Uno de estos gases es el cloruro de metilo que se forma naturalmente cuando, en

la superficie de los océanos, el ión Cl- interactúa con la vegetación en

descomposición. Al llegar a la troposfera sólo se destruye una parte del CH3Cl y

el resto asciende a la estratosfera, donde se presentan las siguientes reacciones,

de las cuales la primera es de fotólisis:

308



CH3Cl + hɣ Cl• + CH3• (7.17)

Cl• + O3 ClO• + O2 (7.18)

32.2.2. Reacciones de las familias de especies catalizadoras.

32.2.2.1 Familia HOx

HO• + O3 HO2 + O2 (7.19)

HO2 + O HO• + O2 (7.20)

La reacción neta es:

O3 + O 2 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas > 40 km

También se presenta otra secuencia de reacciones:

HO• + O3 HO2 + O2 (7.19)

HO2 + O3 HO• + 2O2 (7.21)


2O3 3 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas < 30 km

La diferencia en los dos ciclos la marcan las segundas reacciones de cada ciclo:

en el primero participa el O y en el segundo el O3.

A mayor altura aumentan las concentraciones de HO•, O y O2 y disminuye la de

O3, lo cual explica la altura a la que predomina cada ciclo.

32.2.2.2 Familia NOx

NO + O3 NO2 + O2 (7.22)

NO2 + O NO + O2 (7.23)


O3 + O 2 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas elevadas.

309




NO + O3 NO2 + O2 (7.22)

NO2 + O3 NO3 + O2 (7.24)

NO3 + hɣ NO + O2 (7.25)


2O3 3 O2

Este ciclo de reacciones ocurre a alturas bajas.

Las diferencias entre ciclos y la altura a la cual ocurren son similares a las

planteadas para las reacciones de la familia HOx.

32.2.2.3 Familia ClOx

Cl• + O3 ClO• + O2 (7.26)

ClO• + O Cl• + O2 (7.27)


O3 + O 2 O2


Cl• + O3 ClO• + O2 (7.26)

Cl• + O3 ClO• + O2 (7.26)

ClO• + ClO• + M Cl2O2 + M (7.28)

Cl2O2 + hɣ Cl• + ClO2 (7.29)

ClO2 + M Cl• + O2 + M (7.30)


2 O3 3 O2

32.2.3. Interacciones entre reacciones de las familias

Este tipo de interacciones también puede ocasionar la destrucción del ozono.

310



El hecho de que tengan lugar unos u otros ciclos depende de las constantes de

velocidad de las reacciones involucradas y de las concentraciones de las especies

que dan origen a los componentes de las familias; este último parámetro tiene

relación directa con la altura de la estratosfera.

32.2.3.1 HOx y ClOx

Cl• + O3 ClO• + O2 (7.26)

HO• + O3 HO2 + O2 (7.19)

ClO• + HO2 HOCl + O2 (7.31)

HOCl + hɣ HO• + Cl•


2 O3 3 O2

32.2.3.2. NOx y ClOx

Cl• + O3 ClO• + O2 (7.26)

NO + O3 NO2 + O2 (7.22)

ClO + NO2 + M ClONO2 + M (7.32)

ClONO2 + hɣ Cl• + NO3 (7.33)

NO3 + hɣ NO + O2 (7.25)


2 O3 3 O2

Las secuencias anteriores de reacciones se conocen como ciclos acoplados.

Otras interacciones no conducen a la destrucción directa del ozono sino que dan

origen a reacciones donde se producen los promotores de las familias, como O*, el

cual finalmente desencadenará la secuencia de reacciones para la destrucción del

ozono. Este tipo de secuencia de reacciones se conoce como ciclo nulo.

Ejemplo:

Cl• + O3 ClO• + O2

311



ClO• + NO Cl• + NO2

NO2 + hɣ NO + O*


O3 + hɣ O* + O2

32.4. Formación de especies almacén

Cuando a través de diversas reacciones ocurre la transformación de las especies

activas en la destrucción del ozono hacia especies relativamente inactivas, se dice

que se ha dado lugar a la formación de especies almacén. Estas especies pueden

ser permanentes o transitorias.

El hecho anterior ocurre porque en la estratosfera se producen reacciones

competitivas (reacciones de terminación) frente a aquellas en que están

involucradas las especies X y OX.

Ejemplos:

Formación de almacenes permanentes:

HO• + NO2 + M HNO3 + M (7.33)

Esta reacción de terminación tiene como producto HNO3. Una parte importante de

este compuesto emigra a la troposfera donde se elimina; la parte restante se

mantiene relativamente estable en la estratosfera.

Formación de almacenes transitorios:

Cl• + NO2 + M ClONO2 (7.34)

El ClONO2 actúa como almacén transitorio de las especies activas Cl• y ClO•

debido a que estas pueden regenerarse mediante las siguientes reacciones:

ClONO2 + hɣ Cl• + NO3 (7.35)

ClONO2 + hɣ ClO• + NO2 (7.36)

La formación de cualquiera de los dos tipos de especies almacén es importante

porque interrumpen la cinética de destrucción del ozono.

312



Lección 33: Características químicas de la troposfera

La troposfera con su espesor de 8-12 km (los valores más bajos en los polos y los

más altos en el ecuador) contiene una gran cantidad de especies químicas,

además del ozono, que son muy reactivas.

En esta lección se hará énfasis en la participación de las especies denominadas

radicales libres en reacciones con compuestos orgánicos e inorgánicos presentes

en la troposfera. Entre los radicales libres se encuentran los siguientes:

Alquilo: representados en forma general como R•

Alquilperoxilo: RO2•

Alcoxilo: RO•

Hidroxilo: HO•

Hidroperoxilo: HO2•

Nitrato: NO3•

NOTA: como se indicó en la lección anterior, los radicales libres no se

representarán permanentemente con el signo “•”, sólo ocasionalmente cuando se

quiere resaltar su naturaleza.

ACTIVIDAD # 18: Investigue otros casos de reacciones de terminación,

identifique los productos y establezca si son especies almacén, permanentes

o transitorias.


PALABRAS CLAVE: radicales libres: alquilo, alquilperoxilo, alcoxilo, hidroxilo,

hidroperoxilo, nitrato, ozono, óxidos de nitrógeno, alcanos, alquenos, alquinos,

compuestos orgánicos oxigenados.

313



A continuación se presentan el origen y las reacciones de los tres radicales

enumerados anteriormente, a partir de los alcanos, para lo cual se consideran

algunos planteamientos de Figueruelo y Dávila65

33.1. Radicales alquilo

Se originan por la reacción de los alcanos presentes en la troposfera con los

radicales HO•, NO3• y Cl•. Las reacciones generales de formación se presentan a

continuación:

La principal reacción de los radicales alquilo es con el oxígeno atmosférico, así:

R• + O2 + M RO2• + M* (7.37)

El producto principal es la formación del radical alquilperoxilo, con la intervención

de un tercer cuerpo que absorbe la energía resultante de la interacción de los

reactantes. La eliminación de la energía en exceso es mucho más fácil a medida

que aumentan la masa molecular y las ramificaciones del radical alquilo que

participe en la reacción.

33.2. Radicales alquilperoxilo

65 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M, Op. Cit., p. 143-191

314



En el numeral anterior se pudo observar que estos radicales se originan en la

reacción de los radicales alquilo con el oxígeno atmosférico. Estos nuevos

radicales son los reactantes claves en reacciones tanto en ambientes

contaminados con óxido nítrico como en sistemas naturales.

33.2.1. Reacción con NO (especialmente ambientes contaminados).

Esta reacción puede ocurrir por dos vías:

a) Transformación en radical alcoxilo.

RO2• + NO RO• + NO2 (7.38)

b) Formación de alquilnitratos.

RO2• + NO RONO2 (7.39)

La formación de alquilnitratos aumenta cuando la cadena del radical

alquilperoxilo aumenta su longitud y con radicales secundarios. Por otra parte, los

alquilnitratos se comportan como almacenes transitorios del radical alquilperoxilo y

del óxido nítrico, debido a que pueden permanecer estables a temperatura

ambiente durante varios días; de todas maneras, los alquilnitratos se pueden

disociar mediante reacciones de fotolisis.

33.2.2. Reacción con radicales hidroperoxilo

RO2• + HO2• ROOH + O2 (7.40)

33.2.3. Reacción de descomposición bimolecular

2 RO2• aldehído (RCHO) + alcohol (ROH) (7.41)

2 RO2• éster (ROOR) (7.46)

Las reacciones en 33.2.2. y 33.2.3. se presentan preferencialmente en ambientes

no contaminados.

33.2.4. Reacción con NO3•

RO2• + NO3• RO• + NO2 + O2 (7.47)

Esta reacción, en cuanto da lugar a la formación del radical alcoxilo, es

equivalente a la reacción (7.38). Sin embargo ocurre en ausencia de la luz solar y

a alta velocidad.

33.3. Radicales alcoxilo

315



Se originan por transformación de los radicales alquilperoxilo. Presentan una gran

dinámica química en la que tienen lugar reacciones con el oxígeno atmosférico, en

un alto porcentaje, de isomerización y de descomposición. Además, en atmósferas

contaminadas reaccionan con los óxidos de nitrógeno presentes.

33.3.1. Reacción con el oxígeno atmosférico.

Esta es la reacción primaria de estos radicales. Se caracteriza por la formación de

un radical hidroperoxilo, mediante la toma de un hidrógeno del radical orgánico,

por parte del oxígeno atmosférico, y de un compuesto orgánico que dependerá de

la naturaleza del radical alcoxilo, así:

a) Para un alcoxilo primario, la reacción general es:

RO• + O2 RCHO + HO2• (7.48) Aldehído Donde: RO• es el radical primario de estructura general RCH2-O•

b) Para un alcoxilo secundario, la reacción general es:

RO• + O2 R1R2CO + HO2• (7.49) cetona

Donde: RO• es el radical secundario de estructura general R1R2CH-O•

33.3.2. Reacción de isomerización intramolecular.

Se presenta en cadenas de cinco, seis y siete miembros en donde ocurre una

transformación del radical alcoxilo en un radical hidroxialquilo.

Ejemplo:

CH3(CH2)2CH2O• •CH2(CH2)2CH2OH

33.3.3. Reacciones de descomposición

Se produce el rompimiento, por acción térmica, del radical alcoxilo para dar lugar a

la formación de un compuesto carbonílico y un radical alquilo. la descomposición

ocurre de manera que se favorece la formación del radical alquilo más estable.

El compuesto carbonílico que se forma puede ser un aldehído o una cetona.

Ejemplo:

316



R1R2R3CO• R1CO R2 + R3• Cetona

33.3.4. Reacciones con óxidos de nitrógeno.

En ambientes contaminados, estos radicales reaccionan con NO (óxido nítrico) y

NO2 dióxido de nitrógeno, en cada caso por dos vías diferentes:

a) Formación de alquilnitritos o alquilnitratos.

Ejemplos:

(CH3)CHO• + NO (CH3)CHONO Alquilnitrito (CH3)CHO• + NO2 (CH3)CHONO2

Alquilnitrato b) Formación de un compuesto carbonilo y de ácido hiponitroso o nitroso.

Ejemplos:

(CH3)CHO• + NO (CH3)CO + HNO cetona ácido hiponitroso

(CH3)CHO• + NO2 (CH3)CO + HNO2

cetona ácido nitroso

33.4. Reacciones de los alquenos

En la atmósfera existe una gran cantidad de alquenos de origen natural y producto

de actividades antropogénicas. Debido a su naturaleza química (doble enlace) son

más reactivos que los alcanos y, en consecuencia, su permanencia en la

atmósfera es corta (del orden de horas).

Las principales reacciones de los alquenos se presentan con los radicales HO•,

Cl•, NO3• y con el ozono.

33.4.1. Reacción con HO•

Puede ocurrir por dos vías:

a) Formación de radicales β-hidroxialquílicos

Esta reacción es de adición electrofílica.

317



Ejemplo:

R1CH=CHR2 + HO• R1CH- CHR2OH •

Estos radicales β-hidroxialquílicos reaccionarán con oxígeno atmosférico,

hidroperoxilo y óxidos de nitrógeno de formas análogas a las presentadas

anteriormente para los radicales alquílicos.

b) Formación de radicales alquenílicos

Ejemplo:

R1R2C=CR3R4 + HO• R1R2C=CR3 + R4OH •

33.4.2. Reacción con NO3•

Produce la formación de radicales β-nitrooxoalquilo o β-alquilnitratos, mediante

adición del radical nitrato al doble enlace, en el carbono menos sustituido y la

velocidad es mayor a medida que aumenta el tamaño y la ramificación de la

cadena o el grado de sustitución con grupos electro donadores.

Esta reacción es predominante frente a la de HO• debido a la mayor afinidad

electrónica del radical nitrato.

Ejemplo:

Estos radicales β-nitrooxoalquilo o β-alquilnitratos reaccionarán con oxígeno

atmosférico, hidroperoxilo y óxidos de nitrógeno de formas análogas a las

presentadas anteriormente para los radicales alquílicos.

33.4.3. Reacción con ozono

Consiste en una oxidación atmosférica que se inicia sin la participación de un

radical libre, pero como producto puede resultar el HO•. Debido a que se lleva a

cabo tanto en atmósferas naturales como en contaminadas, y en el día o en la

318



noche, se constituye en una alternativa frente a la de adición de los HO•, en las

reacciones de oxidación atmosférica.

La adición electrofílica del ozono a los alquenos tiene un mecanismo que

comprende varios pasos.

a) Formación de un molozónido u ozónido primario:

b) Rompimiento del molozónido:

c) Reacciones de los birradicales de Criegee

Los birradicales son especies químicas inestables (tienen exceso de energía),

con una gran capacidad oxidante. A partir de su formación, se pueden dar

diferentes vías de reacción que se presentan a continuación:

Estabilización:

Ejemplo:

• • • • R1R2COO (excitado) + M R1R2COO (estable) + M

319



Descomposición-isomerización:

Con formación de éster: • • Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2 + R2 + CO2 R1CH2C(O)OR2 (excitado) R1CH2R2 + CO2

Con formación de hidroperóxido: Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH=C(OOH)R2 (excitado) • R1CH=C(OOH)R2 (excitado) R1CHC(O)R2 + HO

Con eliminación de O (oxígeno atómico en su estado fundamental): • •

Ejemplo: R1CH2C(R2)OO (excitado) R1CH2C(O)R2 + O

Esta reacción se presenta en un porcentaje muy bajo. Difícilmente se

observa en el aire a temperatura y presión ambientales.

De las reacciones anteriores cobra especial importancia la que produce radicales

hidroxilo, favoreciendo su presencia en cantidades importantes, especialmente en

la noche, cuando no hay reacciones fotoquímicas que son su fuente principal.

33.5. Reacciones de los alquinos

Son de menor ocurrencia que la de los alcanos y alquenos debido a que los

alquinos son menos reactivos. La reacción más posible es la de oxidación en

presencia de radicales hidroxilo, la cual tiene varias etapas que se presentan a

continuación:

a) De adición:

Ejemplo:

320



Como producto de la adición se forma una nueva entidad química (aducto)

estable, a partir de la cual se da la siguiente reacción:

a. Con O2

Tiene dos vías posibles:

Vía 1: Formación de glioxal

Se recuperan los radicales hidroxilos.

El glioxal excitado presenta el siguiente comportamiento:

Vía 2: Formación de ácido fórmico

321



Los radicales HCO• formados por cualquiera de las dos vías reaccionan de la

manera siguiente:

HCO• + O2 HO2• + CO

La oxidación de los alquinos tiene como balance final la formación de radicales

HO2• en mayor cantidad que los radicales HO• que participan en la reacción inicial

de adición, debido a que en la de descomposición del glioxal se producen dos

moles de HCO•.

Los alquinos también tienen una baja reactividad con los radicales NO3•, pero al

igual que en el caso de los alquenos, cuando ocurre la reacción, ésta resulta

competitiva frente a aquella con HO•, especialmente en ausencia de luz solar.

33.6. Reacciones de los compuestos orgánicos oxigenados

Estos compuestos, al igual que los hidrocarburos estudiados en los numerales

anteriores, reaccionan principalmente con los radicales HO•, NO3• y Cl•, siendo el

más activo el HO•.

En el caso de estos compuestos, sin embargo, la luz es un factor adicional que

participa en las reacciones de degradación, debido a la presencia del grupo

carbonilo (C=O) que es cromóforo y absorbe en la región de 250-350 nm.

33.6.1. Compuestos con grupo funcional carbonilo

Para el caso de aldehídos y cetonas de cadena larga las reacciones de

degradación en la atmósfera se llevan a cabo, de forma predominante, a partir de

la presencia del radical HO•.

No obstante, para compuestos de cadena corta, como el formaldehido,

acetaldehído, acetona, glioxal y 2-3 butanediona las reacciones fotolíticas

compiten con las del radical HO•.

• Reacción con formación de radicales acilo (RCO)

322



• RCHO + HO• RCO + H2O El radical acilo presenta una secuencia de reacciones, así: Reacción con O2

Con formación del radical acilperoxilo. Este radical presenta reacciones rápidas

con los óxidos de nitrógeno:

El radical acilperoxilo al reaccionar con el óxido nítrico produce el radical RCOO•

El radical RCOO•, a su vez, se descompone de la manera siguiente:

Se produce el radical alquilo y dióxido de carbono.

La reacción con el dióxido de nitrógeno es:

Se producen peroxiacilnitratos. Entre estos compuestos es muy conocido el

peroxiacetilnitrato (PAN) como causante de la irritación de los ojos en ambientes

contaminados.

33.6.2. Alcoholes

El radical HO• interacciona con los alcoholes alifáticos tomando el hidrógeno del

enlace O-H o del enlace C-H. La reacción se realiza en un alto porcentaje con el

hidrógeno de este último enlace, debido a que su energía de disociación es menor

que la del enlace O-H.

323



Las reacciones generales se presentan, a continuación, tomando como ejemplo el

etanol:

• 1) CH3CH2OH + HO• CH3CHOH + H2O Se presenta en el mayor porcentaje (alrededor del 90%) • 2) CH3CH2OH + HO• CH3CH2O + H2O Se presenta en un porcentaje bajo (alrededor del 5%) • 3) CH3CH2OH + HO• CH2CH2OH + H2O También se presenta en un porcentaje de alrededor del 5%.

Lección 34: Reacciones del oxígeno atmosférico

El oxígeno es una especie química que participa en intercambios entre la

atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Además, es un elemento indispensable en

una de las funciones principales de los organismos vivos, la respiración, por

medio de la cual mediante procesos de oxidación se libera la energía utilizada

para el metabolismo.

El ciclo del oxígeno atmosférico está determinado por cuatro procesos

fundamentales que se presentan en la Figura 39.

1. Fotosíntesis terrena y marina.

2. Descomposición oxidativa de la vegetación en los suelos y respiración

3. Oxidación de materia orgánica (Ej. carbón) contenida en rocas

sedimentarias antiguas.

PALABRAS CLAVE: ciclo del oxígeno, fotosíntesis, descomposición oxidativa,

oxidación de materia orgánica, oxidación de sustancias inorgánicas.

324



4. Oxidación de sustancias inorgánicas reducidas expuestas por la erosión (Ej.

minerales portadores de Fe2+) y gases reducidos debido a la actividad

volcánica

Figura 39. Ciclo del oxígeno atmosférico66

Como lo plantea Raiswell67, los cuatro procesos constituyen los flujos principales

hacia y desde la reserva de oxígeno atmosférico, el cual se presenta en relación

con el depósito de CO2, sin considerar la dinámica completa de este último.

Específicamente en los procesos 2, 3 y 4 intervienen microorganismos y se

consume oxígeno atmosférico. El proceso 4 es una salida de oxígeno fuera de la

reserva atmosférica que se equilibra por la fotosíntesis.

Un ejemplo de los procesos oxidantes en minerales frecuentes en la superficie

terrestre (proceso 4) es el siguiente:

2 Fe2+ (aq) + 5 H2O (l) + ½ O2 (g) 2 Fe (OH)3 (s) + 4 H+ (aq)

La reacción de fotosíntesis que permite el equilibrio del ciclo es la siguiente:


67 RAISWELL, R. W. et al. Química ambiental. Barcelona: Ediciones Omega, S. A., 1983. p. 14-15

325



CO2 + H2O + hɣ CH2O + O2

El ciclo representado de manera general en la Figura 39 indica que el O2 presente

en la atmósfera proviene de la fotosíntesis, lo cual muestra la importancia de este

proceso en el equilibrio atmosférico.

Formas del oxígeno en la atmósfera superior.

El oxígeno existe en formas diferentes al diátomico, O2, así:

a) Átomos de oxígeno, O.

b) Moléculas excitadas de oxígeno, O2*

c) Ozono, O3

De acuerdo con Manahan68, el oxígeno atómico es estable en la termosfera debido

a que allí difícilmente tienen lugar las reacciones en las que interviene un tercer

cuerpo requerido para la reacción de este tipo de oxígeno.

En la atmósfera superior el oxígeno atómico se origina en una reacción

fotoquímica:

O2 + hɣ O + O

Los átomos de oxígeno se presentan en la atmósfera en estado fundamental, O, y

en estados excitados, O*. La reacción para la producción el estado es a partir de

la siguiente reacción del ozono:

O3 + hɣ O* + O2 (λ < 308 nm)

El oxígeno en estado excitado emite luz a tres longitudes de onda: 636 nm, 630

nm y 558 nm (todas en el rango visible) debido a lo cual observamos el

denominado resplandor celeste.

68 MANAHAN, Óp. Cit., p. 379-381.

326



Lección 35: Reacciones ácido-base

35.1. Especies ácidas

Las especies ácidas presentes en la atmósfera pueden tener su origen en las

reacciones que presentan compuestos como CO2 y SO2, así:

Dióxido de carbono:

CO2 (g) H2O CO2 (acuoso)

CO2 (acuoso) + H2O H+ + HCO3-

La disolución en gotas de agua de la atmósfera de cantidades relativamente bajas

del dióxido de carbono que, posteriormente, da lugar a la disociación en iones H+ y

en iones bicarbonato, le proporciona a la atmósfera un carácter ligeramente ácido.

Dióxido de azufre:

SO2 (g) + H2O H+ + HSO3-

El ácido formado y disociado tiene un carácter ligeramente más ácido que el

formado a partir del CO2.

Otras especies químicas ácidas en la atmósfera se deben a la presencia de

contaminantes secundarios producto de la oxidación de óxidos de nitrógeno y

azufre, principalmente.

Oxidación del dióxido de azufre:

SO2 + ½ O2 + H2O (2 H+ + SO42-) (acuoso)

Oxidación del dióxido de nitrógeno:

2 NO2 + ½ O2 + H2O 2(H+ + NO3-) (acuoso)

El ácido sulfúrico y el ácido nítrico tienen un carácter ácido mucho más fuerte que

el de los formados por la disolución del CO2 y el SO2. Por esta razón, son de

PALABRAS CLAVE: formación de especies ácidas y básicas, reacciones de

neutralización.

327



interés, desde el punto de vista de la contaminación, porque son responsables de

la ocurrencia de la lluvia ácida.

35.2. Especies básicas

Las especies básicas son de menor ocurrencia en la atmósfera que las ácidas. Por

ejemplo, el óxido, el hidróxido y el carbonato de calcio pueden estar presentes en

la atmósfera, en forma de partículas, provenientes de ceniza y minerales

constituyentes de las rocas existentes en la corteza terrestre.

El amoníaco es la especie básica de mayor relevancia en la atmósfera. El origen

de este gas está representado en la siguiente reacción:

NO3- (acuoso) + (2 CH2O) (biomasa) + H+ NH3 (g) + 2 CO2 + H2O

Se forma de manera natural por la descomposición de desechos de plantas y

animales y en el suelo por la acción de bacterias sobre nitratos, que pueden estar

presentes de forma natural o agregados en calidad de fertilizantes.

El amoníaco es el único compuesto básico presente en la atmósfera en cantidades

apreciables, que tiene un cierto grado de solubilidad en el agua y que, en

consecuencia, se disuelve en las gotas de agua atmosféricas y puede cumplir la

función de neutralizar los ácidos.

35.3. Reacciones ácido-base

A continuación se presentan dos ejemplos de reacciones en las que participan las

especies básicas, antes mencionadas, frente a ácidos fuertes existentes en la

atmósfera.

Ca (OH)2 (s) + H2SO4 (acuoso) CaSO4 (s) + 2 H2O (7.50)

NH3 (acuoso) + HNO3 (acuoso) NH4NO3 (acuoso) (7.51)

NH3 (acuoso) + H2SO4 (acuoso) NH4HSO4 (acuoso) (7.52)

En relación con las reacciones (7.51) y (7.52) Manahan69 establece los siguientes

efectos: presencia en la atmósfera del NH4+ como sal sólida disuelta que tiene

carácter corrosivo y acción neutralizante de las especies ácidas de la atmósfera.

69 MANAHAN, Óp. Cit., p. 379.

328



Ejercicios y preguntas

1) Complete la siguiente información relacionada con las capas de la atmósfera:

CAPA ALTURA TEMPERATURA VIENTOS FENÓMENOS

RELEVANTES

Troposfera

Estratosfera

Mesosfera

Termosfera

Exosfera

2) Defina los siguientes conceptos:

Estado excitado

Radicales libres

Tercer cuerpo

Reacciones fotoquímicas

3) Indique los dos grandes tipos de desactivación de una especie química

excitada y para cada uno establezca las diferencias entre los mecanismos

involucrados.

4) En la troposfera uno de los procesos más importantes es la oxidación, respecto

a éste indique:

La especie química clave para iniciar el proceso

Los resultados globales de la combinación del oxígeno con el CO, los

óxidos de de nitrógeno, el dióxido de azufre y el metano.

5) Tomando como ejemplo la formación de los ácidos nítrico y sulfúrico, explique

la participación de las fases sólida y líquida de la atmósfera en las diferentes

reacciones.

6) Establezca la diferencia entre las concentraciones deseables del ozono en la

estratosfera y en la troposfera. Explique.

329



7) Mediante el ciclo de Chapman explique las reacciones de formación y

destrucción no catalítica del ozono.

8) Con respecto a las reacciones catalíticas de destrucción del ozono indique:

Las principales especies químicas catalizadoras.

Su origen.

Su mecanismo general de reacción.

9) ¿Qué son las denominadas especies almacén, qué clase hay y qué papel

desempeñan en los mecanismos de destrucción del ozono.

10) En la troposfera tiene lugar una gran cantidad de reacciones con la

participación de radicales libres:

Enumere los principales radicales indicando su origen.

Para cada uno presente, por lo menos, dos ejemplos de su reactividad.

11) A partir del ciclo del oxígeno atmosférico, explique la participación de esta

especie química en intercambios entre la hidrosfera, la litosfera y la atmósfera.

12) Explique el origen de las especies ácidas y básicas en la atmósfera.

330



CAPITULO 8: CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA

Introducción

Como punto de partida del estudio de la contaminación atmosférica es importante

plantear algunas definiciones existentes al respecto. Voguel y Alva 70 establecen:

“la contaminación del aire es cualquier condición atmosférica en la que sustancias

presentes producen un efecto adverso medible en la salud del humano, de los

animales y vegetales, o bien un daño físico en los materiales (por ejemplo

edificaciones y monumentos)”.

Así mismo definen como contaminante atmosférico “toda aquella sustancia que

cause una desviación en la composición química media de la atmósfera. Los

contaminantes pueden encontrarse en estado sólido, líquido y gaseoso”.

Lección 36: Tipos y fuentes de contaminantes

36.1. Tipos de contaminantes

Los contaminantes de la atmósfera pueden clasificarse como primarios y

secundarios:

70 VOGEL MARTÍNEZ, Enrique y ALVA URDANIVIA, Ricardo. Capítulo 17. Contaminación

atmosférica. En: ENKERLIN, Ernesto et al. Ciencia ambiental y desarrollo sostenible. México:

International Thomson Editores, 1997. p. 386-388.

PALABRAS CLAVE: contaminantes primarios, contaminantes secundarios,

emisión, fuente de emisión, fuente fija, fuente fija puntual, fuente fija dispersa,

fuente natural, fuente móvil.

331



Figura 40. Clases de contaminantes atmosféricos71

Entre los contaminantes primarios se tienen:

SO2 CH4

CO N2O

NOx HFC

NH3 PFC

COVEM SF6

Partículas < 10µm Metales pesados

CO2 COP

Donde:

COVEM = Compuestos Orgánicos Volátiles, excepto CH4


332



HFC = hidrofluorocarbonados

PFC = perfluorocarbonados

Metales pesados: principalmente Hg, Pb, Cd

COP = Contaminantes Orgánicos Persistentes

Los contaminantes primarios que aparecen en la columna de la izquierda son los

responsables del 90% de la contaminación atmosférica.

Los contaminantes secundarios están relacionados con la contaminación

fotoquímica, la lluvia ácida y los agujeros de ozono. Entre estos compuestos están

el ozono, trióxido de azufre, ácido sulfúrico, cetonas, aldehídos y dióxido de

nitrógeno y materia particulada generada por reacciones químicas atmosféricas

que actúan sobre los contaminantes primarios gaseosos.

36.2. Fuentes de contaminantes

Se clasifican en dos grandes grupos: fijas y móviles.

A este respecto, la legislación colombiana, Decreto 948 del 5 de junio de 1995,

modificado por el Decreto 2107 de noviembre 30 de 1995, establece el

Reglamento de Protección y Control de la Calidad del Aire, el cual presenta las

siguientes definiciones:

Emisión: es la descarga de una sustancia o elemento al aire, en estado sólido,

líquido o gaseoso, o en alguna combinación de éstos, proveniente de una fuente

fija o móvil.

Fuente de emisión: es toda actividad, proceso u operación, realizados por los

seres humanos, o con su intervención, susceptibles de emitir contaminantes al

aire.

Fuente fija: corresponde a la situada en un lugar determinado e inamovible, aún

cuando la descarga de contaminantes se produzca en forma dispersa.

El decreto subdivide la fuente fija en dos subcategorías:

Fuente fija puntual: la que emite contaminantes al aire por ductos o chimeneas.

Fuente fija dispersa o difusa: es aquella en que los focos de emisión están

dispersos en un área, por razón del desplazamiento de la acción causante de la

emisión, como en el caso de las quemas abiertas controladas en zonas rurales.

333



Fuente móvil: es aquella que, por razón de su uso o propósito, es susceptible de

desplazarse, como los automotores o vehículos de transporte a motor de cualquier

naturaleza.

Punto de descarga: es el ducto, chimenea, dispositivo o sitio por donde se emiten

los contaminantes a la atmósfera.

36.2.1. Ejemplos de fuentes fijas:

Existe una gran cantidad que incluye las plantas de energía, industrias químicas,

refinerías de petróleo, fábricas, imprentas, lavanderías y chimeneas residenciales

(que utilicen madera).

Las actividades asociadas con estas fuentes son principalmente la combustión de

carbón y petróleo en plantas de generación de energía y la emisión de

contaminantes que pueden resultar como subproductos en procesos industriales.

Entre los contaminantes producidos están SO2, NOx, CO2, CO e hidrocarburos.

Aunque no está establecido en la legislación colombiana, también se considera el

concepto de fuente natural.

En este tipo de fuentes se incluyen las emisiones producidas por volcanes,

océanos, suelos, vegetación y la actividad microbiana en suelos y océanos; a los

productos de esta última se les denomina emisiones biogénicas que comprenden

dióxido y monóxido de carbono, metano, hidrocarburos no metanogénicos y

compuestos nitrogenados y azufrados, los cuales desempeñan un papel

importante en las reacciones que tienen lugar en la troposfera, específicamente en

la formación del ozono.

Dentro de una fuente fija pueden existir varios puntos de descarga. En el caso, por

ejemplo, de una industria química, los contaminantes del aire pueden emitirse

desde conductos de ventilación, tanques de almacenamiento, sitios de manejo de

aguas residuales y áreas de tratamiento, instalaciones de carga y descarga y

fugas en equipos.

36.2. Ejemplos de fuentes móviles:

El automóvil se considera la principal fuente móvil de contaminación del aire

debido a que produce cantidades importantes de monóxido de carbono y en

cantidades menores óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles.

Adicionalmente, sus emisiones contienen plomo.

334



Los buses, camiones y locomotoras, por lo general, tienen motores diesel que

producen mayor cantidad de óxidos de nitrógeno que los automóviles. Los aviones

también utilizan combustible diferente al de los automóviles, el cual produce

principalmente óxidos de nitrógeno y, además, monóxido de carbono e

hidrocarburos.

Lección 37: Consumo del ozono de la estratosfera

En la lección 32, numeral 2, se hizo referencia a las especies químicas que actúan

como catalizadores del consumo de ozono y que se representan con la letra X.

Los átomos de halógenos, especialmente Cl y Br, son catalizadores X de

destrucción de ozono. Entre las sustancias que contienen halógenos y contribuyen

a la disminución del ozono están los CFCs, HCFCs, HFCs, halones y bromuro de

metilo y tetracloruro de carbono.

Las sustancias anteriores son bastante estables en la troposfera, pero se

degradan en la estratosfera, mediante reacciones fotoquímicas, liberando átomos

de halógenos que son los que destruyen el ozono estratosférico.

Los CFCs son compuestos formados únicamente por cloro, flúor y carbono, se

conocen como clorofluorocarbonados y absorben radiación UV y también infrarroja

(IR) debido a las vibraciones de tensión de los enlaces C - F y C – Cl y, también,

de flexión de los enlaces C – Cl.

Los CFCs se han utilizado como refrigerantes, disolventes y para la fabricación de

plásticos esponjosos, porque poseen volatilidad adecuada, son inertes

químicamente y se han considerado inocuos. Los más comunes son el CFC-11,

CFC-12, CFC-113, CFC-114 y CFC-115.

Los HCFCs son compuestos formados por H, Cl, F y C, se conocen como

hidrofluoroclorocarbonados. Ejemplo: CHF2Cl, denominado HCFC-22. Debido a la

presencia del hidrógeno, se comportan de forma diferente a los CFCs. Se

degradan en la troposfera por acción de los radicales HO• que reaccionan con el

hidrógeno, lo cual determina un tiempo de vida media menor en estos

compuestos. Por lo anterior, se han utilizado como sustituto de los compuestos

CFCs.

PALABRAS CLAVE: clorofluorocarbonados, hidrofluoroclorocarbonados,

hidrofluorocarbonados, halones, bromuro de metilo, tetracloruro de carbono.

335



Los HCFCs que contienen un grupo metilo, por ejemplo el CH3-CFCl2 y el CH3-

CF2Cl podrían ser buenos sustitutos de los compuestos CFCs, pero en la práctica

no es posible utilizarlos debido a que son altamente inflamables.

Los más empleados son el HCFC-22, HCFC-141b, HCFC-141a y HCFC-123.

Los HFCs son compuestos formados por H, F y C, se conocen como

hidrofluorocarbonados. Ejemplo: CH2F-CF3, denominado HFC-134a, no reacciona

fácilmente con el radical HO•.

Los compuestos HFCs se utilizan como sustitutos de los CFCs y los HCFCs. Los

hidrofluorocarbonados reaccionan para formar HF que es estable frente a los

radicales hidroxilos, lo cual evita la formación de radicales de flúor que reacción

con el ozono para descomponerlo.

En el recuadro siguiente se presenta una explicación de la nomenclatura utilizada

para los compuestos anteriores, basada en lo expuesto por Figuerelo y Dávila72.

72 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 371-372.

336



NOMENCLATURA DE COMPUESTOS

1. Clorofluorocarbonados (CFCs):

La sigla anterior se presenta acompañada de dígitos que constituyen un código, el

cual indica el número de átomos de los elementos que conforman un compuesto

específico, así:

Las unidades, el número de átomos de F.

Las decenas, el de átomos de C.

El número de átomos de cloro no se incluye en el código y se obtiene por

diferencia entre los que podrían unirse al carbono menos los de flúor.

Las centenas aparecen cuando están presentes dos o más carbonos

enlazados entre sí y el resto de sus uniones son con los halógenos. El digito

corresponde al número de carbonos enlazados menos uno. En este caso,

decenas y centenas coinciden.

Ejemplos:

CFC-11 = CFCl3; CFC-12 = CF2Cl2; CFC-113 = CF3-CCl3

2. Hidrofluorocarbonados (HFCs):

Los dígitos indican:

Las unidades, átomos de flúor.

Las decenas, átomos de hidrógeno más uno.

El número de átomos de cloro no se incluye en el código y se obtiene por

diferencia entre los que podrían unirse al carbono menos los de flúor.

Las centenas el número de carbonos menos uno; cuando la diferencia es cero

se omite.

Ejemplos:

HFC-32 = CH2F2; HFC-125 = CHF2-CF3; HFC-134a = CH2F-CF3

En el último ejemplo se observa una letra. Ésta identifica los isómeros, según su

simetría. El isómero más simétrico no lleva letra, la a se emplea para el siguiente

isómero en simetría y las letras sucesivas a medida que van siendo menos simétricos

El código que acompaña a la sigla tuvo origen comercial, que posteriormente se fue

generalizando.

337



Los halones son compuestos fluorados de carbono con otros halógenos, incluido

el Br y no contienen hidrógeno. Ejemplos: CF3Br y CF2BrCl. Se utilizan en

extintores y son la causa del aumento del Br en la atmósfera, el cual afecta

grandemente la estabilidad de la capa de ozono.

El bromuro de metilo (CH3Br) es un compuesto de origen tanto natural como

sintético. De forma natural se libera de los océanos y de los suelos, además, se

produce y emite durante procesos de combustión de biomasa. Por otra parte, se

sintetiza y se usa como fumigante.

Debido a la presencia de átomos de hidrógeno, parte de este compuesto se

elimina en la troposfera, pero otra alcanza la estratosfera, donde mediante

reacciones fotoquímicas libera bromo atómico (Br•), que como ya se ha

mencionado propicia la descomposición del ozono.

El tetracloruro de carbono (CCl4) es una sustancia utilizada como disolvente y

compuesto intermedio en la fabricación de los CFCs. Es estable en la troposfera y

alcanza la estratosfera donde producto de reacciones fotoquímicas genera cloro

atómico (Cl•).

Respecto a esta temática del ozono de la estratosfera y de su consumo por la

presencia de diferentes especies químicas, el Instituto de Hidrología, Meteorología

y Estudios Ambientales, IDEAM, presenta información importante, en su página

WEB, de la cual se retoman las tablas que se presentan a continuación:

Tabla 12. COMPUESTOS QUE APORTAN CLORO A LA ESTRATÓSFERA73

Sustancias agotadoras de Ozono

Aporte de cloro a la

estratósfera (%)

Vida media atmosférica(años)

Potencial de

agotamiento de ozono

(ODP)

Emisiones (miles de

toneladas/año)*

Emitidas por Actividades Humanas

CFC-12 32 100 1 130-160

CFC-11 23 45 1 70-110

CFC-113 (CCl2FCClF2)

7 85 1 10-25

73 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Ozono estratosférico.

http://ingles.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=publicaciones&lFuncion=loadCon

tenidoPublicacion&id=34

http://ingles.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=publicaciones&lFuncion=loadContenidoPublicacion&id=34


338



CCl4 12 26 0,73 70-90

CH3CCl3 4 5 0,12 20

HCFC 4 1-26 0,02 - 0,12 340-370

Fuentes Naturales

CH3Cl 16 1.3 0,02 3.000-4.000

*Emisiones globales en el año 2000

Tabla 13. COMPUESTOS QUE APORTAN BROMO A LA ESTRATÓSFERA74

Sustancias agotadoras de Ozono

Aporte de bromo a la estratósfera (%)

Vida media atmosférica(años)

Potencial de agotamiento de ozono

(ODP)

Emisiones (miles de toneladas/año)

*

Emitidas por Actividades Humanas

Halon-1211 20 16 6 ~ 10

Halon-1301 14 65 12 ~ 3

CH3Br 5-20 0,7 0,38 160-200

Otros halones 4

Fuentes Naturales

CH3Br 27-42 0,7 0,38 160-200

Gases de corta vida como el Bromoformo.

15 1

* Emisiones globales en el año 2000

En esta lección se hace énfasis en las reacciones de las CFCs y los halones.

37.1. Absorción de radiación por los CFCs y reacciones subsecuentes

Si se considera un rango de radiaciones solares (UV) entre 120 nm y 360 nm de

longitud de onda (λ) se encuentra la siguiente secuencia de absorciones por parte

de diferentes especies químicas:

a. A λ < 142 nm, absorción por parte del O2, a alturas alrededor de 40 km.

b. A λ entre 185-210 nm, absorción muy efectiva por parte de los CFCs.

c. A λ entre 200-325 nm, absorción por parte del O3, a alturas alrededor de 20

km.

74 Ibíd.

339



Para absorber la luz UV, la mayoría de las moléculas de CFC deben alcanzar las

partes medias y altas de la estratosfera donde encuentran suficiente cantidad de

radiación de esa clase. El CFC-11absorbe a altitudes inferiores que ocasionan la

destrucción del ozono, también, en la baja estratosfera.

En los compuestos CFCs con sus enlaces C – F y C – Cl, la absorción de la

radiación rompe el enlace más débil que corresponde al C – Cl, así:

CF2Cl2 + hɣ CF2Cl + Cl• (8.1)

CF2Cl + hɣ CF2 + Cl• (8.2)

Los Cl• formados mediante las anteriores reacciones fotoquímicas generan la

destrucción del ozono, a través de diferentes reacciones. La gran mayoría de

estas reacciones se presentaron en la Lección 32. Características químicas de la

estratosfera (remítase a los numerales 2.2.3. Familia ClOx, 2.3.1. HOx y ClOx y

2.3.2. NOx y ClOx).

37.2. Absorción de radiación por los halones y reacciones subsecuentes.

Los halones, de manera similar a los CFCs, liberan Br• como resultado de

reacciones fotoquímicas.

Ejemplo:

CF3Br + hɣ CF3 + Br•

El Br• formado a partir de los halones genera la destrucción del ozono, a través de

diferentes reacciones, denominadas de la familia BrOx:

Familia BrOx

Br• + O3 BrO• + O2 (8.3)

BrO• + O Br• + O2 (8.4)


O3 + O 2 O2

También se presentan las siguientes reacciones:

Br• + O3 BrO• + O2 (8.5)

Br• + O3 BrO• + O2 (8.6)

340



BrO• + BrO• + M Br2O2 + M (8.7)

Br2O2 + hɣ Br• + BrO2 (8.8)

BrO2 + M Br• + O2 + M (8.9)


2 O3 3 O2

Lección 38: Óxidos y compuestos orgánicos volátiles: comportamiento y

efectos ambientales

Los contaminantes atmosféricos de mayor ocurrencia comprenden gases

inorgánicos, principalmente óxidos de carbono, nitrógeno y azufre, y vapores de

compuestos orgánicos que se evaporan a temperatura y presión ambientales.

38.1. Monóxido de carbono

Este compuesto tiene un punto de ebullición de -192°C, temperatura por encima

de la cual existe como un gas incoloro, inodoro e insípido; tiene solubilidad

extremadamente baja en agua, es inflamable y arde con llama azul.

Los niveles de CO, que se aloja principalmente en la cada inferior de la atmósfera,

provienen tanto de fuentes naturales, como de las actividades humanas.

ACTIVIDAD # 19: Revise los conceptos principales alrededor del tema de

ozono estratosférico en el sitio WEB del Instituto de Hidrología, Meteorología

y Estudios Ambientales, IDEAM:

http://ingles.ideam.gov.co:8080/jsp/loader.jsf?lServicio=Publicaciones&lTipo=public

aciones&lFuncion=loadContenidoPublicacion&id=34


PALABRAS CLAVE: características, fuentes, reacciones y efectos ambientales

de: CO, CO2, NO, NO2, NO3, SO2, SO3 y COV’s.



341



38.1.1. Fuentes naturales:

o Descomposición de materia vegetal, incluyendo la clorofila, y organismos

marinos del orden de los hidrozoos, que libera CO directamente a la

atmósfera.

o Oxidación atmosférica del metano (CH4) que se origina en la

descomposición de sustancias orgánicas que se encuentran en condiciones

anaeróbicas (por ejemplo, pantanos y arrozales), especialmente en

regiones tropicales. La formación del CO ocurre en dos etapas:

a) oxidación del CH4 a formaldehido por reacción con radicales HO•, vía

radicales metilo, metoperóxido y metoxilo.

CH4 + HO• CH3• + H2O (8.10)

CH3• + O2 CH3OO• (8.11)

CH3OO• + NO• CH3O• + NO2• (8.12)

CH3O• + O2 HCHO + HO2• (8.13)

b) fotólisis del formaldehido.

HCHO + hɣ H• + HCO• (8.14)

HCO• + O2 HO2• + CO (8.15)

La oxidación del CH4 como fuente de CO es un proceso por medio del cual

se genera el monóxido de carbono dentro de la atmósfera, a diferencia de

la descomposición del material vegetal, a partir de la cual el monóxido se

introduce directamente en la atmósfera.

38.1.2. Fuentes antropogénicas:

o Medios de transporte: por carretera (con uso de motor a gasolina y diesel),

aviones, buques, ferrocarriles.

o Combustión de fuentes estacionarias de carburantes: carbón, petróleo, gas

natural, madera.

o Pérdidas en procesos industriales: elaboración de negro de humo, refinerías

de petróleo, acerías, fundiciones de hierro, elaboración de pasta de papel

kraft.

o Eliminación de residuos sólidos: incineración al aire libre, municipal.

342



o Procesos varios: incendios forestales, quemas agrícolas, quemas de

residuos de carbón.

38.1.3. Procesos de formación del CO antropogénico:

De acuerdo con Stoker y Seager75 tres grandes procesos encierran la mayor parte

de la química del CO importante en los estudios de contaminación.

38.1.3.1. Combustión incompleta de compuestos que contienen carbono, debido a

cantidad insuficiente de oxígeno disponible.

2C + O2 2CO (8.16)

38.1.3.2. Reacción entre CO2 y materiales que contienen carbono, a temperaturas

elevadas.

CO2 + C 2CO (8.17)

Esta reacción se presenta en procesos industriales, como los altos hornos. En

estos casos es útil porque actúa como agente reductor en la producción de hierro

a partir de minerales de óxido de hierro. Sin embargo, en el proceso industrial neto

puede escapar hacia la atmósfera una cantidad del monóxido que puede actuar

como contaminante.

38.1.3.3. Disociación del CO2 a altas temperaturas.

CO2 CO + O (8.18)

Esta reacción requiere temperaturas entre 1745°C y 1940°C.

38.1.4. Efectos ambientales

La concentración de CO ambiental está directamente relacionada con las zonas

de alto tráfico vehicular, donde las emisiones son altas. Su permanencia en el aire

ambiental depende, además de las tasas de emisión, de las tasas de dispersión y

eliminación.

La tasa de dispersión depende de factores meteorológicos como velocidad y

dirección del viento, turbulencia del aire y estabilidad atmosférica. En las zonas

urbanas los períodos de turbulencia son muy cortos comparados con los de

75 STOKER, H. Stephen y SEAGER Spencer L. Química ambiental. Contaminación del aire y del

agua. Barcelona: Blume, 1981. p. 26-28.

343



estancamiento, lo cual causa una dispersión baja y favorece el aumento de la

concentración de este gas en el aire.

En cuanto a la eliminación, se presentan las siguientes situaciones:

o El monóxido de carbono se elimina de la atmósfera por reacción con el

radical HO•; este radical mediante reacciones subsiguientes se recupera.

CO + HO• CO2 + H (8.19)

O2 + H + M HO2• + M (8.20)

HO2• + NO HO• + NO2 (8.21)

HO2• + HO2• H2O2 + O2 (8.22)

H2O2 + hɣ 2 HO• (8.23)

o Otras reacciones atmosféricas, como la siguiente: 2CO + O2 2CO2 son

demasiado lentas, por lo cual no representan un mecanismo de eliminación

apreciable del gas. Por hora del día (esto es con presencia de luz solar),

con esta reacción se logra la eliminación de alrededor del 0,1% del CO

disponible.

o Los océanos son fuentes de emisión del monóxido y no sumideros.

o Las plantas superiores no han mostrado capacidad de eliminación

apreciable del CO de la atmósfera que las rodea.

o Los suelos si han demostrado cierta capacidad para eliminar el CO de la

atmósfera, mediante procesos de naturaleza biológica, en donde participan

activamente diversas especies de hongos. La tasa de eliminación depende

de la temperatura y del tipo de suelo.

Como resultado neto, en las áreas urbanas y sus alrededores se favorece la

concentración de este gas, el cual a concentraciones > 50 ppm se torna peligroso

para la salud humana y de los animales.

38.1.4.1. Efectos sobre la salud del hombre y de los animales.

Reacciona con la hemoglobina (Hb) de la sangre alterando su función vital de

transporte de oxígeno en el organismo. La hemoglobina lleva oxígeno en forma de

oxihemoglobina (O2Hb) desde los pulmones hasta las células y CO2 (como

CO2Hb) desde éstas hasta los pulmones.

344



En presencia de CO, la hemoglobina puede formar la carboxihemoglobina

(COHb), debido a que su afinidad por el CO es doscientas veces superior con

respecto al O2. En estas circunstancias, se reduce la capacidad de transporte de

oxígeno.

Los efectos del CO sobre la salud se miden con base en la concentración de

COHb en la sangre, la cual está en relación directa con la concentración de CO

presente en el aire inhalado. Después de un determinado tiempo, contado a partir

de la inhalación del aire, se establece un equilibrio entre la concentración del

monóxido en el aire y la concentración de COHb en la sangre. El tiempo requerido

para alcanzar el equilibrio es más corto en personas con gran actividad física que

en personas en reposo.

Los principales efectos observados en la salud de acuerdo con los niveles de

COHb en la sangre son los siguientes:

o <1% de COHb en la sangre: no se presentan efectos apreciables.

o >1-2%: algunas alteraciones del comportamiento.

o >2-5%: alteraciones del sistema nervioso central, especialmente funciones

psicomotrices (ej.: agudeza visual).

o >5-10%: alteraciones en las funciones cardíacas y pulmonares.

o >10-80%: dolor de cabeza, fatiga, fallas respiratorias, coma, muerte.

38.1.4.2. Efectos sobre las plantas y microorganismos:

No se han observado efectos negativos en el crecimiento y desarrollo de las

plantas superiores, cuando los niveles de CO alcanzan hasta 100 ppm, con

exposición de una a tres semanas. Las mediciones de este gas en el ambiente

que rodea las plantas y sus microorganismos asociados difícilmente supera el

nivel mencionado.

Excepcionalmente, se observó inhibición en la capacidad de fijación de nitrógeno

en bacterias que viven en las raíces de leguminosas después de una exposición

de un mes a una concentración de 100 ppm de CO76.

38.2. Dióxido de carbono

76 Ibíd., p. 33.

345



Este compuesto es un gas incoloro, denso, que forma parte de la composición de

la troposfera y es poco reactivo. El comportamiento del CO2 está determinado por

dos componentes principales, su ciclo natural y los cambios inducidos por las

actividades humanas.

Figura 41. Ciclo del CO277

La Figura 41 muestra los componentes que determinan el comportamiento de este

gas.

77 Tomada y adaptada de: http://homepage.mac.com/uriarte/cicloCO2.html

346



Los depósitos naturales del carbono que participan en el ciclo del CO2 son el

subsuelo, las profundidades del océano, las aguas superficiales oceánicas, la

biomasa y la atmósfera, entre los cuales se dan intercambios y equilibrios.

Las actividades humanas que participan en este ciclo son la quema de

combustibles fósiles, la agricultura y la deforestación. Como resultado de la quema

el CO2 se deposita directamente en la atmósfera.

Como lo describen Raiswell et al78, en las zonas terrestres el dióxido de carbono

es captado por la vegetación, mediante la fotosíntesis, y almacenado en las

plantas y en la materia orgánica. Es devuelto a la atmósfera como resultado de la

respiración de algunos organismos, y en un tiempo mucho más largo, cuando

tiene lugar la descomposición microbiológica en el sistema edáfico (suelo).

Entre las aguas superficiales oceánicas y la atmósfera se mantiene un equilibrio

como resultado de la disolución continua y la desgasificación del CO2. La

transferencia de capas superficiales oceánicas a las más profundas es muy lenta y

sólo hay mezcla efectiva en las regiones polares.

Por lo anterior, las adiciones de CO2 a la atmósfera debidas a las actividades

antropogénicas se mantienen en la atmósfera y en las capas superficiales de los

océanos y en cantidades escasas en las capas profundas.

Se han realizado análisis de la concentración atmosférica de CO2, y de otros

gases del denominado efecto de invernadero, teniéndose información de los

últimos 150.000 años. Los resultados indican que las concentraciones han variado

en la escala temporal de las glaciaciones, de manera que son bajas en los

periodos glaciales y relativamente altas en los períodos interglaciares.

Se podría concluir que el aumento registrado desde el siglo pasado corresponde

a las fluctuaciones naturales, si se tiene en cuenta que nos encontramos en un

período postglacial; sin embargo, el aumento actual supera las predicciones

basadas en los registrados del pasado y se ha acelerado durante los últimos 160

años.

La situación anterior se atribuye a los efectos combinados del uso de

combustibles fósiles y las quemas con fines agrícolas que han ocasionado un

aumento de 80 ppm, desde mediados del siglo XIX hasta nuestros días. Este

78 RAISWELL, R. W. et al. Óp. Cit., p. 39-40.

347



aumento se considera un componente del cambio climático global, que se

estudiará en mayor detalle en la lección 39.

38.3. Óxidos de nitrógeno

Los óxidos de interés en la química de la troposfera son: NO, NO2, el radical NO3 y

el N2O5.

Generalmente se utiliza la notación NOx para representar conjuntamente al NO y

NO2 involucrados en la contaminación del aire.

38.3.1. Fuentes de óxidos de nitrógeno

o El NO atmosférico proviene de fuentes naturales (aproximadamente 80%) y

antropogénicas (aproximadamente 20%).

o Prácticamente la totalidad del NO2 es de origen antropogénico.

o Las principales fuentes antropogénicas son: medios de transporte,

combustión de fuentes estacionarias de carburantes (carbón, petróleo, gas

natural, madera), pérdidas en procesos industriales (fabricación de ácido

nítrico), eliminación de residuos sólidos, quemas agrícolas e incendios

forestales.

o En la combustión las cantidades producidas dependen de la temperatura de

combustión y de la proporción N:O; por lo general, el porcentaje más bajo

corresponde a la formación del NO2 que es <10% de los óxidos de

nitrógeno totales producidos.

38.3.2. Reacciones de los óxidos de nitrógeno

38.3.2.1. Reacciones del NO

2NO + O2 2NO2 (8.24)

El anterior equilibrio está desplazado hacia la izquierda, lo cual indica que este tipo

de oxidación es de baja ocurrencia en la atmósfera.

NO + O3 NO2 + O2 (8.25)

Esta oxidación con participación del ozono sí es de común ocurrencia en la

atmósfera. En presencia de radiación solar el NO2 formado sufre fotólisis, seguida

de una rápida recuperación del ozono, así:

NO2 + hɣ NO + O* (8.26)

348



O* + O2 + M O3 + M (8.27)

La reacción (8.27) es la única de formación de ozono en la troposfera.

Cuando no hay presencia de compuestos orgánicos en la atmósfera, las

reacciones (8.24), (8.25) y (8.27) se constituyen en un ciclo de formación y

destrucción de NO, NO2 y O3.

En presencia de compuestos orgánicos tienen lugar reacciones de oxidación por

dos vías diferentes, así:

RO + NO2 (8.28)

NO + RO2

RONO2 (8.29)

La reacción (8.29) compite con la reacción (8.24) en la oxidación del NO.

Otras reacciones del NO se presentan con los radicales HO2, HO, RO y NO3, así:

NO + HO2 NO2 + HO (8.30)

NO + HO + M HONO (8.31)

Esta reacción (8.31) con formación de ácido nitroso, si tiene lugar al terminar el

día, sirve para almacenar NO y HO durante la noche. En presencia de luz solar el

HONO sufrirá reacción fotoquímica con liberación de radicales HO.

Las reacciones con radicales RO se dan por dos vías principales y también

almacenan NO durante la noche:

R1R2CO + HONO (8.32)

NO + RO

RONO (8.33)

Al igual que el HONO los RONO también sufren fotólisis en forma rápida.

La reacción con NO3 es una reacción rápida que controla la concentración de esta

especie química durante la noche.

NO + NO3 2NO2 (8.34)

349



38.3.2.2. Reacciones del NO2

La fotólisis ya presentada en el numeral anterior (8.26):

NO2 + hɣ NO + O*

Presenta reacciones similares a las del NO con las especies químicas, HO, O3,

NO3, HO2, RO, RO2:

NO2 + HO + M HONO2 (8.35)

Esta reacción con formación del ácido nítrico es importante como sumidero de los

compuestos de nitrógeno en la atmósfera.

La reacción con ozono, de especial importancia en ausencia de la luz solar, es

fuente de radicales NO3 que participan en la oxidación de los compuestos

orgánicos presentes en la atmósfera:

NO2 + O3 NO3 + O2 (8.36)

La reacción con NO3 es nocturna y reversible. El N2O5 producido es un almacén

temporal del NO3:

NO2 + NO3 + M N2O5 + M (8.37)

La reacción con el HO2 (radical hidroxiperoxilo) produce un compuesto inestable

térmicamente, el ácido peroxinítrico; en las zonas frías de la troposfera este ácido

puede ser un almacén de NO2.

NO2 + HO2 + M HO2NO5 + M (8.38)

La reacción con el radical alquilperoxilo produce alquilperoxinitratos que también

son especies térmicamente inestables:

NO2 + RO2 + M RO2NO5 + M (8.39)

La reacción con el radical alcoxilo tiene dos vías:

RONO2 (8.40)

NO2 + RO

R1R2CO + HNO2 (8.41)

Además de la formación de los alquilnitratos (8.40), en presencia de hidrógenos

disponibles se puede formar el ácido nitroso y un compuesto carbonílico.

350



El dióxido nitroso también puede reaccionar con el agua, reacción que se lleva a

cabo sobre superficies líquidas o sólidas. No se conoce exactamente el

mecanismo de esta reacción; actualmente se acepta que no hay intervención del

NO y que se da la formación de un complejo superficial, NO2.H2O, que es el

proceso limitante79.

NO2 + H2O + superficie NO2.H2O (superficie) (8.42)

NO2.H2O (superficie) + NO2 HONO + HNO3 (8.43)

38.3.2.3. Reacciones del NO3

En los numerales anteriores se presentaron las reacciones con el NO2 y el NO que

se constituyen en sus materias primas (reacciones 8.37 y 8.34, respectivamente).

Para el caso de la reacción 8.37, se da un mecanismo alterno, pero en

proporciones muy bajas:

NO3 + NO2 NO + NO2 + O2 (8.44)

El NO3 presenta reacciones fotoquímicas por dos vías:

NO3 + hɣ NO + O2 donde: λ <712 nm (8.45)

NO3 + hɣ NO2 + O* donde: λ <587 nm (8.46)

Las reacciones anteriores indican que el NO3 se presentará en concentraciones

apreciables sólo en la noche cuando están presentes el ozono y el dióxido de

nitrógeno, y no hay presencia de hidrocarburos ni NO.

Las reacciones con los alcanos son de captura de un átomo de hidrógeno con la

formación de HNO3 y un radical alquilo.

NO3 + RH R + HNO3 (8.47)

Las reacciones con los alquenos se dan en dos vías principales:

79 FIGUERUELO, Juan E. y DÁVILA, Martín M. Óp. Cit., p. 196.

351



R1R2C–CR3R4ONO2 (8.48)

NO3 + R1R2C=CR3R4

R1R2C–O-CR3R4 + NO2 (8.49)

Se producen especies alquilnitratos y oxoalquilos, respectivamente

Los mecanismos de la reacción con el radical hidroxiperoxilo no están aún bien

definidos80, se han sugerido dos vías principales:

HNO3 + O2 (8.50)

NO3 + HO2

HO + NO2 + O2 (8.51)

También se presenta una reacción bimolecular, con rendimientos muy bajos:

NO3 + NO3 2NO2 + O2 (8.52)

38.3.2.4. Reacciones del N2O5

El N2O5 formado a partir de la reacción 8.37 sufre fotólisis por dos vías principales:

NO3 + NO2* (8.53)

N2O5 + hɣ

NO3 + NO + O (8.54)

Se puede deducir de las dos reacciones anteriores que la existencia del N2O5 es

transitoria durante el día; mientras dure su presencia puede reaccionar con el

agua, en forma lenta, si ésta se encuentra en estado de vapor, y en forma rápida

si se realiza con agua líquida o sólida, para formar ácido nítrico.

N2O5 + H2O + superficie 2 HNO3 (8.55)

38.3.3. Efectos ambientales


352



Son las especies químicas precursoras de la formación del ácido nítrico,

componente importante de la lluvia ácida. Esta temática se abordará en la lección

40.

38.3.3.1. Efectos sobre la salud del hombre y de los animales.

Los NOx son potencialmente peligrosos para la salud. La efecto tóxico del NO está

representado en su capacidad para oxidarse a NO2. El dióxido de nitrógeno es

cuatro veces más tóxico que el NO81.

Los efectos principales del NO2 sobre la salud, tanto de hombres como de

animales, a medida que aumenta su concentración, tienen que ver con el sistema

respiratorio: percepción a través del olfato (el umbral olfativo está entre 1 y 3 ppm),

irritación nasal, dificultades respiratorias, dolores agudos en el tracto respiratorio,

edema pulmonar y la muerte (concentraciones iguales o mayores a 100 ppm).

38.3.3.2. Efectos sobre materiales.

o Pérdida de color de los tintes de los textiles.

o Corrosión de cables trenzados de cuproníquel, ocasionada principalmente

por nitratos particulados.

38.4. Óxidos de azufre

Los óxidos de azufre que se emiten a la atmósfera son el SO2 y el SO3. Se utiliza

la notación SOx para representar conjuntamente estos dos gases. La mayor

cantidad emitida corresponde al SO2 en una proporción de alrededor del 98%.

El SO2 tiene punto de fusión de -75,5°C y punto de ebullición de -10,0°C. Es

incoloro, con olor acre e irritante a concentraciones > 3 ppm.

El SO3 tiene punto de fusión de 16,9°C y punto de ebullición de 44,8°C, por lo cual

puede condensarse fácilmente. Es incoloro y muy reactivo.

38.4.1. Fuentes de óxidos de azufre

o La entrada directa a la atmósfera se origina en actividades antropogénicas,

principalmente, combustión del carbón y petróleo, fundiciones de cobre,

cinc y plomo y actividades de transporte.

o Las emisiones volcánicas pueden aportar una cantidad reducida de SO2.

81 STOKER, H. Stephen y SEAGER Spencer L. Óp. Cit., p. 62.

353



o Aportes indirectos mediante la oxidación en la atmósfera del H2S. Este

aporte es grandemente significativo y tiene origen natural y antropogénico.

El origen natural comprende la descomposición biológica a nivel marino y

terrestre y la actividad volcánica. La otra fuente son las operaciones

industriales como la curtiembre, vulcanización del caucho, refinación del

petróleo y fabricación de pasta de papel.

38.4.2. Reacciones de formación de SOx para emisión directa.

La combustión de cualquier compuesto que contenga azufre produce SO2 y SO3,

que se puede representar mediante las siguientes reacciones:

S + O2 SO2 (8.56)

2SO2 + O2 2SO3 (8.57)

La producción de SO3 es baja debido a que este gas es inestable a altas

temperaturas. A 1200°C se descompone en SO2 y O2

38.4.3. Reacciones del SO2 en la atmósfera

38.4.3.1. Fotoquímica

SO2 + hɣ SO2* (8.58)

El SO2 en su estado fundamental absorbe energía dando lugar a tres diferentes

estados excitados que podrían facilitar su oxidación. Los rangos de longitud de

onda a los cuales absorbe energía son: a) λ > 240 nm y < 330 nm y b) λ >340 nm

y < 400 nm.

Los estados excitados del SO2 se desactivan fácilmente por colisión y

transferencia de energía al O2, por lo cual este mecanismo no se considera

efectivo ni de alta incidencia en su oxidación.

38.4.3.2. Oxidación en fase gaseosa

Entre las principales especies potencialmente oxidantes, presentes en la

troposfera están: ozono, oxígeno atómico y los radicales HO•.

SO2 + O* + M SO3 + M (8.59)

SO2 + O3 SO3 + O2 (8.60)

La reacción 8.59 no tiene lugar permanentemente, debido a que las

concentraciones de oxígeno atómico en la troposfera son bajas. Se dará en

354



presencia de NO2 en cantidades suficientes, que puedan generar O, mediante

reacciones de fotodisociación.

La reacción 8.60 también tiene una incidencia menor debido a que la velocidad de

reacción es baja82.

La reacción con el radical hidroxilo es el mecanismo más eficiente y de velocidad

alta. El mecanismo de esta oxidación comprende la siguiente secuencia de

reacciones:

SO2 + HO• + M HOSO2 + M (8.61)

HOSO2 + O2 HO2• + SO3 (8.62)

HO2• + NO HO• + NO2 (8.63)

Esta secuencia permite, además de la formación del SO3, la regeneración de los

radicales hidroxilos.

38.4.3.3. Equilibrios producto de la disolución en agua.

SO2 + H2O SO2. H2O (8.64)

SO2. H2O HSO3- + H* (8.65)

HSO3- SO3

2- + H+ (8.66)

Se producen los iones bisulfito y sulfito cuyas concentraciones dependen del valor

del pH.

38.4.4. Reacciones del SO3

SO3 + H2O SO3. H2O (8.67)

SO3. H2O + H2O H2SO4.H2O (8.68)

El SO3 producido por oxidación del SO2 o el emitido directamente a la atmósfera

reacciona rápidamente reacciona rápidamente con el vapor de agua generando

ácido sulfúrico.

38.4.5. Efectos ambientales de los SOx


355



Son las especies químicas precursoras de la formación del ácido sulfúrico,

componente importante de la lluvia ácida. Esta temática se abordará en la lección

40.

38.4.5.1. Efectos en la salud del hombre

El SO2 actúa sobre el sistema respiratorio, dependiendo de la concentración, así83:

o Concentración mínima a la cual se observa respuesta en los seres

humanos: 0.2 ppm

o Valor de partida para el reconocimiento del olor del gas: 0,5 ppm

o Valor de partida que induce constricción de los bronquios: 1,6 ppm

o Causa inmediata de irritación en la garganta: 8,0 ppm

o Causa irritación en los ojos: 10,0 ppm

o Causa tos: 20,0 ppm

38.4.5.2. Efectos en las plantas

Los SOx afectan las plantas de dos formas principales:

o De forma aguda, esto es, a concentraciones altas (> 0,10 ppm) durante un

tiempo corto (una hora hasta un mes), ocasionando necrosis de las hojas,

que se inicia con el secamiento, pasando por tonos blancuzcos.

o De forma crónica, esto es, a concentraciones bajas (< 0,10 ppm) durante

tiempos prolongados (más de un mes hasta varios años), ocasionando

lesiones en las hojas que se manifiestan en un color amarillento, el cual se

incrementa gradualmente, llegando a observarse afectación del mecanismo

de síntesis de la clorofila.

38.4.5.3. Efectos en los materiales.

o En ambientes contaminados con SO2, corrosión de un gran número de

metales, especialmente el hierro y el cinc.

o El ácido sulfúrico procedente de la contaminación atmosférica ataca

materiales de construcción como el mármol, caliza y argamasa. Los

carbonatos presentes en estos materiales se transforman en sulfatos que

83 STOKER, H. Stephen y SEAGER Spencer L. Óp. Cit., p. 107.

356



son solubles en agua. Los materiales se observan picados y se debilitan

mecánicamente.

o El cuero absorbe fácilmente SO2, con lo cual pierde resistencia y puede

llegar a desintegrarse.

o El papel absorbe SO2 que se oxida hasta H2SO4, lo cual produce

decoloración y fragilidad hasta que el papel se torna quebradizo.

38.5. Compuestos orgánicos volátiles (COV’s)

Son sustancias orgánicas en las que además del carbono, hidrógeno y oxígeno es

posible encontrar otros elementos como por ejemplo el N, S, F, Cl y Br. Se

evaporan a temperatura y presión ambientales generando vapores.

Entre estos compuestos encontrados en la atmósfera están el metano, butano,

propano, xileno, alcohol butílico, metiletilcetona, acetona, etilenglicol y

tricloroetileno.

38.5.1. Fuentes de los COV’s

38.5.1.1. Fuentes naturales

Emitidos directamente por plantas, por ejemplo, el isopreno, pineno y limoneno.

38.5.1.2. Fuentes antropogénicas

Procesos industriales relacionados con la producción de disolventes, pinturas y

barnices con base disolvente, pegamentos, dispersantes y desengrasantes,

principalmente.

38.5.2. Reacciones de oxidación de los COV’s

En estas reacciones intervienen principalmente los radicales HO• y NO3•. Con el

primero las reacciones se llevan a cabo durante el día y con el segundo en la

noche.

La secuencia de reacciones que tiene lugar, durante el día, se presenta a

continuación, utilizando como ejemplo de compuesto orgánico el más sencillo, el

metano.

La oxidación se inicia con los radicales hidroxilos y la subsecuente formación del

radical metilo:

357



HO + CH4 H2O + CH3 (8.69)

La adición de oxígeno produce el radical metilperoxilo:

CH3 + O2 CH3O2 (8.70)

En seguida se da la intervención del NO y el O2 para la formación del

formaldehido:

CH3O2 + NO CH3O + NO2 (8.71)

CH3O + O2 HCHO + HO2 (8.72)

Por reacción del radical hidroxiperoxilo se recupera el radical hidroxilo:

HO2 + NO HO + NO2 (8.73)


CH4 + 2NO + 2O2 HCHO + HO2 + 2NO2 (8.74)

El primer compuesto carbonilo producido (en este caso formaldehido) reacciona

con el radical hidroxilo recuperado, dando origen a otra serie de reacciones, que

da lugar a la formación de otro compuesto carbonilo, el CO para el ejemplo

presente:

HCHO + HO HCO + H2O (8.75)

HCO + O2 HO2 + CO (8.76)

A partir de los radicales hidroperoxilo formados en la reacción 8.76 ocurrirá otra

secuencia de reacciones que se iniciará con la reacción equivalente a la 8.73, si

hay suficiente cantidad de NO disponible:

HO2 + NO NO2 + HO (8.77)

CO + OH + M H + CO2 + M (8.78)

H + O2 + M HO2 + M (8.79)

HO2 + NO NO2 + HO (8.80)


CO + O2 + NO CO2 + NO2 (8.81)

358



Cuando en la atmósfera no hay suficiente cantidad de NO disponible la secuencia

de reacciones que se iniciará con la reacción equivalente a la 8.73 será la

siguiente:

HO2 + O3 HO + 2O2 (8.82)

CO + HO + M H + CO2 + M (8.83)

H + O2 + M HO2 + M (8.84)

HO2 + O3 HO + 2O2 (8.85)

En esta secuencia se consume ozono y la reacción neta es:

CO + O3 CO2 + O2 (8.86)

Las reacciones 8.77 y 8.82 son competitivas y la mayor ocurrencia de una de ellas

depende de las concentraciones de los reactivos y las velocidades de reacción.

38.5.3. Efectos ambientales de los COV’s

Tienen efectos que se podrían denominar opuestos, debido a que participan en las

reacciones de formación del ozono en la troposfera y en las de destrucción del

ozono en la estratosfera.

Como consumidores de ozono influyen en la degradación de la capa de ozono. Tal

es el caso de compuestos como el tricloroetano y el tetracloruro de carbono.

Por el contrario, la reacción de estos compuestos orgánicos con los NOx

presentes en la atmósfera, en presencia de luz solar, da origen al ozono

troposférico.

Resulta, también, una serie de reacciones que produce formación de ozono a nivel

del suelo, fenómeno que se denomina smog fotoquímico, que consiste

básicamente en atmósferas ricas en ozono, de un color carmelito.

El ozono es perjudicial para las plantas, animales y el ser humano, porque puede

afectar severamente las funciones respiratorias.

El fenómeno de smog fotoquímico se tratará en mayor detalle en la lección 40.

359



Lección 39: El efecto invernadero y el de alteración de la capa de ozono

Los contaminantes atmosféricos

39.1. El efecto invernadero

El efecto invernadero es un fenómeno atmosférico natural que permite mantener la

temperatura del planeta, al retener parte de la energía proveniente del sol; hace

que la temperatura media de la superficie de la tierra sea 33°C mayor que la que

tendría si no existieran gases en la atmósfera que absorben energía.

Alrededor del 70% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra es

devuelta al espacio. Los diferentes gases y otros componentes de la atmósfera no

absorben igual la radiación solar. Algunos gases como el O2 y el N2 son

transparentes a casi todas las radiaciones, mientras que otros como el vapor de

agua, el dióxido de carbono, el gas metano y los NOx son transparentes a las

radiaciones de corta longitud de onda (ultravioleta y visible), mientras que

absorben las radiaciones largas (infrarrojas). Esta diferencia es decisiva en la

producción del efecto invernadero.

39.1.1. Mecanismo del efecto invernadero

La Tierra emite radiación en el rango del espectro electromagnético

correspondiente al infrarrojo (IR), entre 5000-50.000 nm (5-50 µm) con un máximo

a una λ de 15.000 nm (15 µm); sin embargo, no emite al espacio exterior toda la

radiación proveniente del sol.

Parte de la radiación es reabsorbida, aún en ambientes no contaminados, por el

vapor de agua, el dióxido de carbono y el gas metano y emitida en todas las

direcciones. Este re-direccionamiento de la energía IR térmica es el efecto de

invernadero.

La luz se absorbe cuando encuentra una molécula y la frecuencia de la luz

coincide con algún movimiento interno de la molécula. En la región IR, los

movimientos de interés son los de vibración de los átomos que constituyen una

molécula.

Los principales tipos de vibración en una molécula son el de tensión de enlace y la

vibración de flexión. La primera corresponde al movimiento oscilatorio, de dos

átomos, relativo a cada uno de ellos. La segunda se presenta en moléculas con

PALABRAS CLAVE: vibración de los átomos, momento dipolar, radiación

infrarroja, gases invernadero, efecto invernadero intensificado, vórtex, nubes

estratosféricas polares, reacciones de superficie.

360



tres o más átomos y consiste en la oscilación en la distancia entre dos átomos

unidos a un tercer átomo común, pero no unidos entre sí.

Para que haya absorción de radiación IR, además de la existencia de las

vibraciones, debe haber un cambio en la magnitud del momento dipolar, mientras

ocurren las vibraciones.

El gas Ar, el N2 y el O2 tienen momentos dipolares cero y ésta es la razón por la

cual no absorben radiación IR.

39.1.2. El efecto invernadero intensificado

Como resultado del efecto invernadero, la Tierra se mantiene lo suficientemente

caliente como para hacer posible la vida sobre el planeta. De no existir el

fenómeno, las fluctuaciones climáticas serían intolerables. Sin embargo, una

pequeña variación en el delicado balance de la temperatura global puede causar

graves estragos. En los últimos cien años la Tierra ha registrado un aumento de

entre 0,4 y 0,8 °C en su temperatura promedio.

El uso de combustibles fósiles y la deforestación han provocado el aumento de las

concentraciones de CO2 y metano, además de otros gases, como los NOx, que

absorben radiación IR, provocando la intensificación del fenómeno que, entonces,

se denomina efecto invernadero intensificado, y se considera como responsable

del consecuente aumento de la temperatura global, más allá de los cambios que

siempre han operado de forma natural.

39.1.3. Gases invernadero84

Corresponden a aquellos que absorben radiación en la región espectral del IR

terrestre, así:

o Las moléculas de agua en estado de vapor, abundantes en la atmósfera,

absorben radiación IR térmica debido a la vibración de flexión H – O – H,

con un máximo alrededor de 6,3 µm (6.300 nm).

La concentración de vapor de agua en la atmósfera aumenta

exponencialmente con la temperatura. En consecuencia, la cantidad de IR

84 BAIRD, Colin. Química ambiental. Barcelona: Editorial Reverté S. A., 2001. p. 186-195.

361



térmica redirigida por el vapor de agua, aumentará como resultado de

cualquier calentamiento global inducido por otros gases.

o Las moléculas de CO2 presentes en la atmósfera absorben el 50% de la

radiación IR térmica, emitida por la tierra a longitudes de onda entre14 y 16

µm, junto con una parte del rango 12-14 µm y 16-18 µm. Esta absorción se

presenta debido a los movimientos rotacionales del dióxido de carbono,

cuando cambia la energía vibracional.

Cualquier aumento en la concentración de CO2 en la atmósfera impedirá

que escape más radiación infrarroja, lo cual conduce al incremento en la

temperatura promedio de la tierra.

La concentración de este gas ha aumentado alrededor de un 30%, si se

compara con los niveles correspondientes a la era preindustrial, esto es, a

mediados del siglo XVIII, que eran de cerca de 280 ppm. A partir del año

2000 se han medido incrementos anuales hasta de 0,4% (1,5 ppm), frente a

los de los años sesenta que eran de la mitad.

o El gas metano presenta un máximo de absorción de radiación IR a 7,7 µm

debido a las vibraciones de flexión del ángulo HCH. Las vibraciones de

tensión del enlace C – H están fuera de la región de IR terrestre y, por

tanto, no contribuyen a la absorción de radiación.

o El N2O también es activo en la absorción de radiación IR terrestre debido a

la vibración de flexión que tiene un máximo a 8,6 µm y a la de tensión a 7,7

µm que coincide con la del CH4.

o El O3 contribuye a la absorción de radiación IR debido a sus vibraciones de

tensión que se presentan entre 9 – 10 µm y la de flexión que es cercana a

la del dióxido de carbono.

o Los compuestos clorocarbonados y fluorocarbonados (CFCs) también son

gases invernadero debido a las vibraciones de tensión de los enlaces C –F

y C – Cl que absorben a aproximadamente 9 µm, y las vibraciones de

flexión entre C y F y Cl que también se presentan en el rango de IR

terrestre.

No es posible predecir con exactitud las consecuencias, en distintos lugares del

planeta, de un aumento creciente de la temperatura promedio de la tierra, pero es

previsible que, entre los muchos efectos posibles, los desiertos se hagan más

cálidos pero no más húmedos, y entre un tercio y la mitad de todos los glaciares y

gran parte de todos los casquetes polares se fundan, poniendo en peligro las

362



ciudades y los campos situados en los valles que se encuentran por debajo del

glaciar.

Una de las estrategias para poder revertir o disminuir estos efectos es buscar

nuevas alternativas de energía que sean renovables y no contaminantes, tales

como la hidroeléctrica, la eólica y la fuerza del mar, y buscar para el cultivo

especies vegetales de rápido crecimiento en ciclos anuales, que no impliquen un

cambio en la ecología del área al utilizarlas.

39.2. Alteración de la capa de ozono

En la lección 32 se presentó el tema de la destrucción catalítica del ozono, en la

estratosfera, a través de las reacciones de especies pertenecientes a las

denominadas familias HOx, NOx y ClOx, que constituyen ciclos con la siguiente

reacción neta:

2O3 3O2

Esta destrucción se ha estudiado en zonas específicas del planeta y a nivel global.

Las zonas específicas constituyen los agujeros de ozono sobre la Antártida y

sobre regiones del Ártico.

39.2.1. Destrucción del ozono sobre la Antártida.

La disminución de la concentración de ozono se viene detectando desde finales de

los años setenta y coincide con la variación de las condiciones del tiempo en las

estaciones anuales.

Las especies almacén como el HCl y ClONO2 que, durante parte del año,

mantienen inactivas las especies Cl• y ClO• que son radicales muy activos en la

destrucción del ozono, durante el invierno polar, sufren transformaciones.

Las especies inactivas de cloro se convierten en cloro molecular durante los

meses oscuros de invierno, pasando a ser el gas predominante en la baja

estratosfera.

La formación del Cl2 ocurre en la superficie de partículas formadas por una

solución que contiene agua, ácido sulfúrico y ácido nítrico. Usualmente estas

partículas en forma de gotas de agua o cristales sólidos, producto de la

condensación del vapor de agua, no son de común ocurrencia en la estratosfera

porque la cantidad de agua en esta región es muy baja; no obstante, debido a que

en invierno la temperatura de la estratosfera es -80°C sobre el Polo Sur, la

condensación tiene lugar.

363



Debido a las bajas temperaturas, la presión del aire disminuye (de acuerdo con la

ley de los gases ideales, PV = nRT) y este fenómeno junto con el efecto de la

rotación de la tierra, produce una masa de aire rotante con velocidades que

pueden ser > de 300 km/h, que se conoce como vórtex.

En el vórtex no puede penetrar materia y el aire contenido en su interior queda

aislado y a muy bajas temperaturas por varios meses que cubren parte de la

primavera.

Las partículas que se forman por condensación de los gases en el vórtex generan

las nubes estratosféricas polares (NEPs). Se considera que las partículas

formadas son de dos tipos85:

o Tipo I: partículas pequeñas que contienen agua y los ácidos sulfúrico y

nítrico, pueden ser sólidos cristalinos o una mezcla de sólido y líquido.

Convencionalmente se les denomina “cristales”.

o Tipo II: cristales de mayor tamaño y estructura diferente, constituidas por

hielo y probablemente ácido nítrico que se forman a temperaturas < -80°C.

Un estudio del Instituto de Tecnología de Massachusetts, citado por Baird86,

establece que las reacciones de los cristales de hielo en las NEPs ocurren dentro

de una pequeña capa acuosa presente en la superficie del cristal, en donde el

ClONO2 y HCl gaseosos entran en contacto con las moléculas de agua. La

secuencia de reacciones es la siguiente:

ClONO2 (g) + H2O (ac) HOCl (ac) + HNO3 (ac) (8.87)

HCl (g) capa acuosa H+ (ac) + Cl- (ac) (8.88)

Cl- (ac) + HOCl (ac) Cl2 (g) + HNO3 (ac) (8.89)

El Cl2 se acumula durante los meses oscuros del invierno y cuando en la

primavera aparece la luz, o las masas de aire se mueven hacia el vórtex, en el

que incide algo de luz solar, se da la siguiente reacción:

Cl2 + hɣ 2Cl• (8.90)

Igualmente el HOCl que se libere desde la superficie de los cristales reacciona de

la siguiente manera:

85 BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 51.


364



HOCl + hɣ HO• + Cl• (8.91)

Los radicales Cl reaccionarán activamente con el ozono de acuerdo con las

reacciones 7.26 a 7.30 ya estudiadas.

Cuando avanza la primavera y las NEPs y el vórtex desaparecen, el cloro vuelve a

transformarse en una especie inactiva y la concentración de ozono aumenta, hasta

alcanzar valores cercanos a los normales. Cada año se repite este ciclo.

Antes de que los niveles de ozono aumenten apreciablemente, el aire pobre en

ozono de la Antártida puede mezclarse con aire de las cercanías y, entonces, la

concentración de ozono estratosférico de regiones vecinas como Australia, Nueva

Zelanda y partes meridionales de Suramérica disminuye temporalmente.

39.2.2. Destrucción del ozono en el Ártico.

El fenómeno es similar al que se presenta en la Antártida, pero menos intenso,

debido principalmente a que las temperaturas no son tan bajas y son de menor

duración, y a que hay mayor circulación de aire en las zonas a su alrededor.

En consecuencia, las NEPs se forman con menor frecuencia y su permanencia es

más corta. Por otra parte, generalmente, sólo se forman partículas tipo I sobre las

cuales reaccionan el ClONO2 y el HCl para formar el Cl2. A partir del cloro

molecular se presentan las mismas reacciones enunciadas en el numeral anterior.

En esta región, el vórtex ha presentado una tendencia a romperse a finales del

invierno, esto es, durante un período temprano en relación con la aparición de la

luz solar en la primavera. Lo anterior favorece que el HNO3 en las partículas se

transforme en NO2, mucho antes de que la luz solar pueda desencadenar la

reacción con Cl2O2.

Lo anterior conlleva a que parte del Cl2 se transforme a ClONO2 antes de

participar en las reacciones de destrucción del O3, lo cual se refleja en una menor

alteración de la capa de ozono.

Sin embargo, este comportamiento ha empezado a cambiar debido a dos factores:

a) las temperaturas, en esta región, tienden ahora a ser mucho más bajas en la

estratosfera, aumentando el tiempo de permanencia de las NEPs y b) la forma del

vórtex del Ártico es irregular, lo cual ocasiona que parte de su extensión pase

sobre un área iluminada a finales del invierno produciendo una disminución

temporal del ozono.

39.2.3. Destrucción global del ozono

365



Se ha detectado pérdida de ozono en zonas diferentes a las polares. La

explicación a este fenómeno es que las reacciones que ocurren sobre los cristales,

también son posibles en gotas frías de líquido conformadas, en gran parte, por

H2SO4, el cual está presente en la baja estratosfera, sobre todas las latitudes.

La presencia del ácido sulfúrico tiene dos fuentes principales: a) la oxidación del

gas sulfuro de carbonilo, COS, compuesto de origen natural, con tiempo de

permanencia en la atmósfera suficiente para que pueda alcanzar la estratosfera y

b) entrada directa a la estratosfera de SO2, ya sea de origen natural (erupciones

de volcanes) o por actividades antropogénicas.

Las reacciones en las gotas (explicadas anteriormente para el caso de los

cristales) tienen lugar cuando la temperatura es lo suficientemente baja para que

ocurra la disolución del HCl y no se presente ninguna reacción neta.

Otras reacciones en la superficie de las gotas consisten en la transformación de

NO2• en NO3• por acción del mismo ozono (reacciones 8.36 y 8.37). Estas

reacciones normalmente son reversibles, en fase gaseosa, pero en presencia de

cantidad suficiente de gotas líquidas se favorece la formación de ácido nítrico, ya

presentada en la reacción 8.55, que se retoma a continuación:

N2O5 + H2O + superficie 2 HNO3

En este caso la superficie corresponde a gotas de H2SO4.

El efecto neto de estas reacciones es que se disminuyen las cantidades

disponibles de NO2• que podrían desactivar el cloro mediante la formación de

ClONO2.

Por otra parte, en las latitudes medias, en la baja estratosfera, predominan las

reacciones de destrucción del ozono por la acción de halógenos (cloro y bromo

atómicos) y los radicales hidroxilos. Retome, en este punto, las reacciones 7.26 a

7.31.

Lección 40: El smog fotoquímico y la lluvia ácida

40.1. El smog fotoquímico.

PALABRAS CLAVE: neblumo, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, COVs,

radiación solar, radicales libres, ozono, PAN, ácido sulfúrico, ácido nítrico

366



La palabra smog se deriva de la contracción de dos vocablos en inglés, smoke

cuya traducción al español es humo, y fog que se traduce como niebla. En

español el vocablo correspondiente a smog es neblumo, pero su uso está poco

difundido y predomina la utilización del término en inglés.

Los contaminantes primarios a partir de los cuales se origina el smog son los

óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y otros compuestos orgánicos volátiles; otro

componente fundamental es la luz solar que permite la formación de

concentraciones altas de radicales libres que participan activamente en la

formación de smog, cuyos productos finales son el ozono, el ácido nítrico y los

compuestos orgánicos parcialmente oxidados.

40.1.1. Formación del smog fotoquímico

El proceso químico global se puede representar de la manera siguiente87:

COV’s + NO + O2 + hɣ mezcla de: O3, HNO3, compuestos orgánicos

Este proceso consiste de una gran cantidad de reacciones diferentes en las cuales

participan, a su vez, varios compuestos químicos actuando simultáneamente.

La cadena de reacciones que caracteriza al smog fotoquímico comprende tres

grandes categorías:

o La interconversión de NO y NO2. En este punto retome las reacciones 8.23

a 8.43, en las cuales se evidencia la formación de ozono, la oxidación en

presencia de compuestos orgánicos y la dinámica de las reacciones con

radicales.

o La oxidación de hidrocarburos. La reacción representativa de esta categoría

es la de los alquenos en presencia de los radicales hidroxilos. En este

punto retome las reacciones del numeral 33.4.

o La generación y destino de radicales libres88. Tienen especial importancia,

en las etapas finales de un smog fotoquímico, las siguientes reacciones:

HO• + NO2• HNO3 (8:92)


88 BAIRD, Colin. Óp. Cit., p. 151-154.

367



Esta reacción es el principal sumidero troposférico de radicales hidroxilo.

Las últimas etapas en un día de smog se caracterizan por la formación, en

grandes cantidades, de agentes oxidantes como el ácido nítrico.

HO• + NO• HONO hɣ HO• + NO• (8.93)

El ácido nitroso formado es estable durante la noche, pero en presencia de

luz solar se descompone y se recuperan los radicales. Lo anterior explica lo

observado en el amanecer, en zonas con smog, en donde la concentración

de HO• aumenta grandemente y reacciona para empezar la oxidación de

hidrocarburos.

Otra reacción entre radicales es la siguiente:

(8.94)

Se forma un nitrato de peroxiacilo. Cuando R = CH3, el producto es el

nitrato de peroxiacetilo (PAN).

A manera de síntesis, se puede decir que la ocurrencia diaria del fenómeno de

smog fotoquímico empieza al amanecer cuando a partir del ácido nitroso y el

ozono remanentes del día anterior, por la acción de la luz solar, se inicia la

generación de radicales hidroxilo.

La concentración de radicales libres aumenta a medida que entran en la atmósfera

óxido nítrico e hidrocarburos (procedentes, por ejemplo, de la contaminación

vehicular) que sufren reacciones fotoquímicas.

El aumento de los radicales libres en las primeras horas de la mañana favorece la

oxidación de óxido nítrico a dióxido de nitrógeno, que por fotólisis causa el

característico aumento de la concentración de ozono al mediodía.

La alta concentración de radicales libres presentes en horas de la tarde produce

oxidantes como el PAN.

Al atardecer, cuando generalmente se da otro pico de contaminación vehicular, se

aumenta la presencia de óxido nítrico e hidrocarburos que reaccionan rápidamente

por la presencia de los radicales libres.

368



En la noche las reacciones se detienen por falta de luz solar; sólo se dan algunas

reacciones de oxidación de hidrocarburos debido a la presencia de NO3•. El ácido

nitroso que se forma en la oscuridad se mantiene estable, hasta el otro día,

cuando ayuda a dar nuevamente comienzo al proceso de smog.

De entre los productos del smog fotoquímico se puede resaltar como

contaminantes secundarios importantes el ozono y el nitrato de peroxiacetileno.

40.1.2. El ozono

El O3 a bajas altitudes, ozono troposférico, y en particular el ozono superficial (a

nivel del suelo) presente en niveles relativamente altos es perjudicial, debido a que

reacciona fuertemente con otras moléculas alterándolas o destruyéndolas. Por lo

anterior, actúa como un contaminante tóxico para la salud humana, produciendo

daños respiratorios y pulmonares, dolores de pecho, irritación de garganta y ojos,

empeoramiento de enfermedades preexistentes del corazón, ataques de tos, jadeo

y dificultades de respiración en la realización de ejercicios. Las exposiciones

repetidas y prolongadas al O3 pueden ocasionar daños permanentes a los

pulmones89.

La vegetación también sufre los efectos nocivos del ozono. Se presenta deterioro

de las hojas de las plantas, se reduce el rendimiento de los cultivos y el

crecimiento de los bosques porque interfiere en la capacidad de producción y

almacenamiento de nutrientes. En consecuencia, las plantas se hacen más

susceptibles al ataque de insectos, a las inclemencias del tiempo y a la acción de

otros contaminantes.

Igualmente, el ozono deteriora materiales como el caucho, los plásticos, los

colorantes y las pinturas, y corroe los metales.

Otro efecto de este gas es contribuir al calentamiento global.

Los efectos negativos anteriores del ozono superficial son opuestos a los positivos

y necesarios del ozono estratosférico ya presentados.

40.1.3. Nitrato de peroxiacetilo (PAN)

89 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Ozono troposférico.

http://www2.ideam.gov.co/sectores/ozono/troposferico.htm

http://www2.ideam.gov.co/sectores/ozono/troposferico.htm

369



Es un oxidante muy fuerte y activo biológicamente; produce lagrimeo y dificultades

respiratorias.

También puede perjudicar las cosechas si se encuentra en concentraciones

iguales o mayores de 10 ppm y puede inactivar las enzimas.

40.2 La lluvia ácida

La lluvia ácida es un fenómeno que se produce por la combinación de óxidos de

nitrógeno y azufre provenientes de las actividades humanas, con el vapor de agua

presente en la atmósfera para dar como resultado ácido nítrico y sulfúrico,

respectivamente. Estos ácidos se precipitan posteriormente a tierra acidificando

los suelos, pero pueden ser arrastrados a grandes distancias de su lugar de origen

antes de depositarse en forma de lluvia.

La lluvia ácida tiene un pH inferior a 5,0 y puede ir hasta 2,5 y excepcionalmente

1,5. En este punto es conveniente precisar que la lluvia natural, esto es, no

contaminada, también es ácida, con un valor de pH alrededor de 5,6, que es

significativamente menos ácido.

El carácter ácido de la lluvia natural se debe a la presencia de dióxido de carbono

atmosférico, a partir del cual se establecen los siguientes equilibrios:

CO2 (g) + H2O (l) HCO3- + H+ H2CO3 (ac) (8.95)

Ión bicarbonato ácido carbónico

Aunque el dióxido de carbono está presente en la atmósfera en niveles más altos

que el dióxido de azufre contribuye menos en la acidez debido a dos causas:

o La solubilidad del CO2 en agua es menor que la del SO2, como lo indican

sus constantes de Henry: 3,38 x 10-2 mol L-1 atm-1 y 1,2 mol L-1 atm-1,

respectivamente.

o La Ka1 correspondiente al equilibrio entre el CO2 en agua y la formación de

HCO3- es de 4,45 x 10-7, mientras que la Ka1 del equilibrio entre SO2 en

agua y la formación de HSO3- es 1,7 x10-2

.

El término lluvia ácida tiene su origen en estudios atmosféricos realizados en

Inglaterra en el siglo XIX, pero actualmente cabría denominarla deposición ácida,

ya que puede presentarse en forma líquida (agua), sólida (nieve), o incluso como

niebla, ésta última tan efectiva en su capacidad de destrucción como lo es la

deposición líquida.

370



Las intensidades de las lluvias ácidas actuales se relacionan con las actividades

industriales, principalmente con las emisiones de las centrales térmicas y con las

producidas por la combustión de hidrocarburos que contienen S, N, Cl, entre otros.

También tienen cierta importancia los procesos de desnitrificación de fertilizantes

añadidos a los suelos en dosis excesiva y los procesos naturales similares que se

producen en las zonas de manglares, arrozales y volcanes. Actualmente se

concentran en los países de mayor desarrollo económico, pero progresivamente

se están extendiendo a otras áreas.

40.2.1. Formación del H2SO4

Las diferentes reacciones que tienen lugar en la fase gaseosa se presentaron en

la lección 38, numeral 38.4.3. Retome en ese punto las reacciones 8.59 a 8.68.

La formación también puede ocurrir mediante reacciones de oxidación en fase

acuosa y sobre superficies de los sólidos.

40.2.1.1. En fase líquida

En la fase líquida los oxidantes potenciales del SO2 son los mismos de la fase

gaseosa, es decir, O2, HO, HO2, NO3 y O3, pero hay que añadir los iones

metálicos, siempre presentes en los aerosoles, y las sustancias orgánicas que

pueden actuar como promotores o inhibidores en la formación del ácido sulfúrico.

La oxidación catalizada por iones metálicos corresponde a un proceso en cadena

que se presenta a continuación90:

La especie FeOH2+ actúa como catalizador que con el S4+ forma un intermedio el

SO3-, que reacciona con el O2 para mediante reacciones sucesivas formar el ión

sulfato:

Fe3+ + H2O FeOH2+ + H+ (8.96)

FeOH2+ + HSO3- Fe2+ + SO3

- + H2O (8.97)

SO3- + O2 SO5

- (8.98)

SO5- + HSO3

- 2 SO42- (8.99)


371



La presencia de sustancias orgánicas en la atmósfera favorece la formación de

H2O2 que también da lugar a la formación de ácido sulfúrico:

H2O2 + HSO3- HSO4

- + H2O (8.100)

HSO4- + H+ H2SO4 (8.101)

Los radicales libres oxidantes, HO, HO2 y NO3, pueden estar presentes en la fase

acuosa mediante su disolución desde la fase gaseosa. Estos radicales reaccionan

con el S4+ disuelto, para formar las especies intermedias SO3-.

HO + HSO3- H2O + SO3

- (8.102)

HO + SO32- OH- + SO3

- (8.103)

NO3 + HSO3- NO3

- + H+ + SO3- (8.104)

NO3 + SO32- NO3

- + SO3- (8.105)

Las especies intermedias SO3- dan, entonces, lugar a la formación del ácido

sulfúrico en secuencias de reacciones, como la presentada en 8.98 y 8.99.

40.2.1.2. Sobre superficies sólidas.

Esta es una tercera vía de formación del ácido sulfúrico. Las superficies sólidas

pueden estar suspendidas en la fase gaseosa o en el interior de las gotas líquidas.

Adicionalmente, cuentan como superficies sólidas la superficie de la corteza

terrestre y de estructuras.

Se ha encontrado que el SO2 se oxida en la atmósfera sobre partículas de grafito

y de hollín, con la posterior formación de iones sulfato sobre esas superficies,

debido a la presencia de vapor de agua.

Las reacciones con la presencia de H2O2 (8.100 y 8.101) también se presentan

sobre hielo.

El polvo mineral es otra superficie apta para la oxidación del SO2. El mecanismo

de la reacción comprende un primer paso que se denomina fisisorción del SO2

sobre los sitios activos, un segundo paso que es la oxidación a S6+, por el O3, con

formación de bisulfato.

MOOH + SO2 MOOH… SO2 (8.106)

372



MOOH… SO2 + O3 MOOH… HSO4- + O2 (8.107)

M representa un átomo de metal y el resaltado amarillo indica que son especies

químicas superficiales.

La presencia de vapor de agua activa permanentemente las superficies del polvo

mineral. En consecuencia, el rendimiento en la producción del H2SO4 aumenta con

el grado de humedad.

40.2.2. Formación del HNO3

Al igual que en el caso del ácido sulfúrico, las diferentes reacciones de formación

tienen lugar en la fase gaseosa, las cuales se presentaron en la lección 38,

numeral 38.3.2. Retome en ese punto las reacciones 8.35 a 8.47, 8.50 y 8.51.

Las reacciones de N2O5 que conducen a la formación del ácido también pueden

ocurrir sobre agua líquida y sólida, disoluciones de ácido sulfúrico y aerosoles91.

En nubes o aerosoles marinos, el HNO3 formado permanece en la fase líquida:

N2O5 (g) + H2O (l) 2 HNO3 (aq) (8.108)

En aerosoles de ácido sulfúrico, el HNO3 formado pasa a la fase gaseosa debido a

que su solubilidad es baja en esas disoluciones:

N2O5 (g) + H2O (H2SO4) 2 HNO3 (gas) (8.109)

40.2.3 Comportamiento diferencial del H2SO4 y el HNO3

En la atmósfera, estos ácidos presentan comportamientos físicos y químicos

diferentes entre sí.

o El HNO3 es muy soluble en agua y también muy volátil, por lo cual puede

encontrarse en fase gaseosa en concentraciones altas. Por el contrario, el

H2SO4 es muy poco volátil y sólo se encuentra en forma de aerosol.

o Los dos ácidos reaccionan con las bases presentes en la atmósfera para

formar sales. El comportamiento del HNO3 con NH3, la base más

abundante en la troposfera es el siguiente:

NH3 (g) + HNO3 (g) NH4NO3 (s, aq) (8.110)


373



El nitrato formado puede permanecer tanto en disolución como en fase

sólida. Tiene punto de delicuescencia del 62% de humedad relativa a 0°C.

Como lo establece la reacción 8.110 puede volatilizarse después de formar

la sal

o El H2SO4 tiene un comportamiento diferente frente al NH3. A

concentraciones bajas de la base, el ácido presente en los aerosoles se

mantiene en una proporción alta como H2SO4 (aq) y en una cantidad muy

baja como NH4HSO4 (s). A concentraciones más altas de NH3 predomina la

especie NH4HSO4 (s). Cuando las cantidades de ácido y base son muy

similares se empieza a formar en el aerosol (NH4)3H(SO4)2 (s). Cuando la

cantidad de NH3 es por lo menos 50% mayor que la del ácido se empieza a

formar (NH4)2(SO4) (s).

o Los puntos de delicuescencia de las sales derivadas del ácido sulfúrico son:

NH4HSO4 (s) = 40% de humedad relativa

(NH4)3H(SO4)2 (s) = 69% de humedad relativa

(NH4)2(SO4) (s) = 80% de humedad relativa

En cada caso a valores superiores a los enunciados, las sales se

transformarán en líquidos.

40.2.4. Efectos ambientales de la lluvia ácida.

Los efectos de la precipitación ácida en lagos y corrientes de aguas implica la

muerte de crustáceos, insectos acuáticos y moluscos y la desaparición de

fitoplancton, lo que provoca con el tiempo la imposibilidad de sobrevivencia del

resto de la fauna por falta de alimento.

Los efectos de este fenómeno varían en el suelo de acuerdo con su poder

amortiguador o capacidad buffer, así por ejemplo en los países nórdicos, el pH

baja rápidamente, se liberan grandes cantidades de aluminio tóxico que finalmente

va a pasar a los ríos; por el contrario, en los países mediterráneos, los suelos

tienen alto poder amortiguador frente a la acidez, dada la abundancia de

materiales carbonatados y son capaces de neutralizar el impacto de las lluvias

ácidas.

De manera general, se puede decir que cuando la lluvia ácida se precipita a tierra

es transportada hacia los lagos por las aguas superficiales, acidifica los suelos y

374



fija elementos como el calcio y el magnesio, que los vegetales necesitan para

desarrollarse; también reduce los nutrientes al variar su ciclo, provoca la

movilización de elementos tóxicos como el aluminio (soluble a pH < 4,2),

incrementa la movilidad de metales pesados, causa variaciones en la composición

y estructura de la microflora y microfauna.

En el ser humano, la lluvia ácida determina un incremento muy importante de las

afecciones respiratorias (asma, bronquitis crónica, por ejemplo) y un aumento de

los casos de cáncer.

Afecta también a las construcciones y materiales. Es común observar

monumentos, edificios o construcciones de piedra, alterados por la acción de la

lluvia ácida que reacciona con los componentes graníticos o calcáreos,

demoliéndolos o debilitándolos.

Ejercicio:

1) Para los fenómenos conocidos como efecto invernadero, smog fotoquímico y

lluvia ácida establecer las especies químicas emitidas que intervienen.

Solución:

Especie

química

Efecto

invernadero

Smog

fotoquímico

Lluvia

ácida

CO2 X

NOX N2O N2O X

SOX X

CH4 X

CFCs X

COVs X

Hidrocarburos X

375



Preguntas y ejercicios

1) Defina los siguientes conceptos:

Contaminantes primarios

Contaminantes secundarios

Emisión

Fuente de emisión

Fuente fija

Fuente fija puntual

Fuente fija dispersa

Fuente natural

Fuente móvi

2) Entre las sustancias que contienen halógenos y contribuyen a la disminución

del ozono están los CFCs, HCFCs, HFCs, halones y bromuro de metilo y

tetracloruro de carbono.

Explique por qué son más inestables en la estratosfera y las respectivas

consecuencias ambientales.

3) Compare la constitución química de CFCs, HCFCs y HFCs, y para cada uno de

ejemplos de su reactividad.

4) De ejemplos de compuestos pertenecientes al grupo denominado COV y

explique la diferencia entre las reacciones de oxidación que experimentan en el

día y en la noche.

5) ¿Por qué se dice que los COVs tienen efectos ambientales opuestos?

6) Respecto a la lluvia ácida explique:

Qué especies químicas emitidas intervienen.

El proceso de formación del ácido sulfúrico

El proceso de formación del ácido nítrico

Los efectos ambientales

376



8) Respecto al smog fotoquímico explique:

Qué especies químicas emitidas intervienen

La cadena de reacciones que lo caracteriza, en presencia y en ausencia de

luz solar.

Los efectos ambientales

9) Compare el proceso de destrucción del ozono en el Ártico frente al que tiene

ocurrencia en el Antártico.

10) Explique las similitudes y diferencias entre el efecto invernadero y el efecto

invernadero intensificado.

11) Explique la dinámica de cada uno de los denominados gases invernadero.

377



CAPITULO 9: MUESTREO ATMOSFÉRICO

Introducción

El muestreo atmosférico se enmarca dentro de los programas de vigilancia y

seguimiento de la calidad del aire que deben tener objetivos definidos. La OMS y

la US-EPA y otras entidades reguladoras ambientales del mundo han trabajado

sobre este tema y han hecho recomendaciones acerca de los objetivos que

deberían contemplar estos programas a nivel de los diferentes países.

En Colombia el IDEAM, que es el organismo encargado de ejercer el control de la

contaminación atmosférica y la protección de la calidad del aire de acuerdo con la

ley y los reglamentos, hace referencia a los siguientes objetivos sugeridos por la

US-EPA92:

o Evaluar el cumplimiento de los estándares de calidad de aire y /o el

progreso logrado en este sentido.

o Activar procedimientos de control para prevenir o aliviar episodios de

contaminación.

o Observar las tendencias de la polución en una región, incluyendo áreas no

urbanas.

o Proveer bases de datos para investigación y evaluación de los efectos

urbanos, de uso de tierras y transporte.

o Dar bases para planeación; desarrollo y evaluación de estrategias de

control; y desarrollo y validación de modelos de difusión.

92 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Protocolo para la vigilancia y

seguimiento del módulo aire del Sistema de Información Ambiental. Bogotá D. C: IDEAM, 2005. p. 1.

378



Lección 41: Tipos de muestreo

Se presentan a continuación cinco tipos de muestreo y sus usos más comunes de

acuerdo con el objetivo de vigilancia de la calidad del aire. Los valores asignados

del 1 al 3 indican la utilidad, correspondiendo el 3 al tipo más recomendado para

cumplir con el objetivo propuesto y el 0 que no es recomendado para ese

objetivo93.

Tipos de muestreo

OBJETIVOS Pasivo Activo

Automá- tico

Con sensores remotos

Con bioindi-cadores

Implementación de planes de

contingencia 1 3 3 2 0

Alertas ambientales: vigilancia de

valores máximos. 1 2 3 2 0

Investigación del transporte de

contaminantes atmosféricos. 2 2 2 3 2

Barrido de contaminantes en una

trayectoria. 2 3 0 0 0

Rastreo de tendencias temporales de

calidad de aire. 2 1 3 3 1

Medición del impacto de las medidas

de control en la calidad de aire. 3 2 3 2 1

Calibración y evaluación de modelos

de dispersión. 1 1 3 3 0

Efectos de la contaminación

atmosférica global. Inventario de

efectos.

2 2 2 1 3

Estudios de salud pública. 3 3 1 1 0

Medición de concentraciones de

fondo. 3 1 1 3 0

Medición perimetral a industrias

riesgosas. 1 2 3 3 1

93 Ibíd., p. 18.

PALABRAS CLAVE: pasivo, activo, automático, con sensores remotos, con

bioindicadores.

379



Las características de cada tipo de muestreo, caracterizado por el tipo de

muestreador, se presentan a continuación94.

41.1. Pasivo

Proporciona una forma sencilla y económica de evaluar la calidad del aire en un

área. Se basa en el principio de absorción molecular. Permite recolectar una

muestra, integrada en un período definido (por lo general de una semana a un

mes), por difusión molecular en un material absorbente, específico para cada

contaminante. Es muy útil cuando se trata de identificar lugares críticos, de alta

concentración de contaminantes, cerca de vías de alto tráfico o de áreas

industriales, donde estudios más detallados pueden ser necesarios.

Permite la medición integral pero con baja resolución temporal, por lo que es más

adecuado para evaluar la exposición a largo plazo.

41.2 Activo

La muestra se recolecta por medios físicos o químicos para un posterior análisis

de laboratorio. Usualmente se toma un volumen conocido de aire y se bombea a

través de un colector (un filtro en el caso de las partículas o una solución química

para los gases), durante un período de tiempo determinado. Después se retira el

colector y se lleva al laboratorio para análisis.

Es de uso común desde hace mucho tiempo alrededor del mundo, por lo cual

existen datos disponibles que permiten comparar las tendencias con otros lugares.

La calidad de los datos obtenidos con este tipo de muestreo depende del

acondicionamiento de la muestra y los procedimientos de laboratorio empleados

para el análisis.

41.3. Automático

Permite evaluar el comportamiento de los contaminantes atmosféricos, tanto en el

tiempo como en el espacio.

Facilita la realización de mediciones de tipo puntual con alta resolución (promedios

horarios, o mejores) para la mayoría de los contaminantes.

Posibilita el análisis en línea por métodos como UV, fluorescencia o

quimioluminiscencia.

94 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 16-17.

380



41.4. Con sensores remotos

Es útil en diversas situaciones, en particular en cercanía de fuentes, para

mediciones verticales en la atmósfera y para multicomponentes. Utiliza técnicas

espectroscópicas de paso largo entre un emisor de luz y un receptor, o entre un

emisor, un espejo y un receptor, mediante las cuales se obtienen datos integrados.

41.5. Con bioindicadores

Permite identificar de manera flexible y barata la presencia de niveles de

contaminación o áreas donde se necesitan mediciones más detalladas. Es muy

específica de cada sitio o región, por lo cual requiere de estandarización.

Lección 42: Definición de sitios de muestreo95

La definición de sitios de muestreo no sigue un patrón aplicable universalmente a

cualquier área urbana o rural y para cualquier objetivo, debido a que la distribución

de contaminantes y los factores meteorológicos, son fenómenos dinámicos que no

sólo varían en el tiempo y en el espacio en un área dada de una misma zona

urbana o de una región, sino que también varían de una región a otra.

42.1. Áreas representativas

El criterio general es seleccionar sitios representativos del área de estudio, como

por ejemplo, centro de las ciudades, sectores industriales, zonas comerciales,

zonas de gran densidad de tráfico y zonas residenciales.

La representatividad de un área de estudio se debe establecer teniendo en cuenta,

también, el objetivo del monitoreo, así:

o Para la verificación del cumplimiento de las normas de calidad del aire se

deben elegir: las áreas con las concentraciones más altas de

contaminantes o cerca de las fuentes de contaminantes más importantes,

las áreas de mayor densidad poblacional para poder establecer tanto la

línea base como los peores casos de contaminación, algunas áreas de la

95 Ibíd., p. 10,12.

PALABRAS CLAVE: áreas representativas, número de sitios, microlocalización

de sitios.

381



periferia para medir la exposición de población y el transporte de

contaminantes.

A propósito de cumplimiento de las normas de calidad del aire, en la Tabla

14 se presentan las normas para Colombia, establecidas en la resolución

No. 601 de 2006, capítulo II.

o Para la vigilancia de episodios de emergencia se deben seleccionar áreas

densamente pobladas, donde estén muy amenazadas la salud y el

bienestar de la población. Por ejemplo: cerca de grandes fuentes fijas de

contaminación, de hospitales, centros educativos o sitios de reunión de

poblaciones de alto riesgo como niños y ancianos.

o Para un seguimiento de tendencias se deben elegir: áreas urbanas con la

mayor densidad de población y áreas no urbanas de topografías diferentes

como, tierras de cultivo, bosques, montañas y costas. Estas últimas áreas

no se consideran específicamente blancos de control con aire limpio

respecto a las áreas urbanas, sino como criterio de comparación relativa

entre áreas urbanas y áreas no urbanas cercanas.

o Para mediciones para investigación se deben seleccionar áreas cerca de la

población de estudio, con base en información sobre morbilidad y

mortalidad por incidencia de infecciones respiratorias agudas, en la ciudad

o región de interés, que proporcione evidencia concreta de la exposición de

la población más vulnerable a altos niveles de contaminación.

382



Tabla 14. Norma de calidad del aire en Colombia (a condiciones de

referencia de 25°C y 760 mm Hg)96

CONTAMINANTE

LÍMITE MÁXIMO

PERMISIBLE TIEMPO DE

EXPOSICIÓN

ppb µg/m3

Partículas suspendidas totales (PST)

100 anual

300 24 horas

Partículas suspendidas menores a 10 µ (PM 10)

70 anual

150 24 horas

Dióxido de azufre (SO2)

31 80,00 anual

96 250,00 24 horas

287 750,00 3 horas

Dióxido de nitrógeno (NO2)

53 100,00 anual

80 150,00 24 horas

106 200,00 1 hora

Ozono (O3)

41 80,00 8 horas

61 120,00 1 hora

Monóxido de carbono (CO)

8800 10,00 8 horas

35000 40,00 1 hora

42.2. Número de sitios

El número de sitios se establece en función de la población que habita en el área

que se pretende monitorear, de la problemática de contaminación existente en el

área y del método de muestreo y de los equipos que se van a utilizar.

La OMS propone los criterios para fijar el número de sitios de muestreo teniendo

en cuenta el número de habitantes y el parámetro a analizar (ver Tabla 15).

96 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 5.

383



Tabla 15. Promedio sugerido de sitios de muestreo según la densidad de

población97

Número de

habitantes (millones)

PARÁMETRO A MONITOREAR

Material Particulado

(PM) SO2 NOx O3 CO Meteorológicos*

< 1 2 2 1 1 1 1

1 - 4 5 5 2 2 2 2

4 - 8 8 8 4 3 4 2

> 8 10 10 5 4 5 3

*Velocidad y dirección del viento y gradientes térmicos.

El número de sitios propuestos anteriormente se deben ajustare de acuerdo con

las situaciones siguientes:

1. En áreas con alta densidad industrial, incrementar el número de sitios para

PM y SO2

2. En zonas donde se utilicen combustibles pesados, aumentar los sitios para

SO2

3. En áreas con tráfico intenso, duplicar los sitios para CO, NOx y O3

4. En ciudades con población > 4 millones, con tráfico ligero, se pueden reducir

para CO, NOx y O3

5. En regiones con terreno topográficamente complejo, se requiere aumentar

los sitios para los diferentes parámetros.

Una vez seleccionadas las áreas representativas, el número de sitios y los

contaminantes que se van a monitorear, se debe hacer una microlocalización de

los sitios propuestos. Para esto se deben tener en cuenta los siguientes criterios,

para lograr mediciones representativas y significativas:

o Los muestreadores no deben colocarse cerca de las salidas de sistemas

de aire acondicionado o ventilaciones de edificios.

97 Ibíd., p. 10.

384



o Se deben evitar zonas de parqueo, depósitos de reactivos químicos o de

combustibles.

o No deben estar en sitios muy cercanos a acumulaciones de residuos

sólidos o líquidos.

o Deben estar alejados de carreteras sin pavimento, campos deportivos o

lotes sin vegetación que los cubra.

o Los muestreadores y los caminos de medición deben ubicarse a

determinadas distancias de las vías vehiculares, según el contaminante (ver

Tabla 16).

Tabla 16. Distancia mínima de separación entre vías vehiculares y

muestreadores o caminos de medición98

VALOR

PROMEDIO DEL

TRÁFICO

VEHICULAR

POR DÍA

DISTANCIA DE SEPARACIÓN MÍNIMA (metros)

O3 NO2 CO Precursores de

O3

< 10000 10 10 10 >10

15000 20 20 25 20

20000 30 30 45 30

30000 80

40000 50 50 115 50

50000 135

60000 150

70000 100 100 100

1100000 250 250 250

98 Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM. Óp. Cit., p. 13.

385



Lección 43: Técnicas de muestreo

Se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo con la naturaleza del

contaminante99:

43.1. Para partículas atmosféricas

43.1.1. Filtración: es la técnica más utilizada. Consiste en hacer pasar la muestra,

con ayuda de una bomba, y midiendo el flujo, a través de un dispositivo, el filtro,

que retiene las partículas. Los mecanismos por los que puede funcionar el filtro

son fuerza de gravedad, por choque directo o por difusión.

El tipo de filtro seleccionado dependerá de factores como eficacia en la

recolección de determinado tamaño de la partícula, caída de presión y

características de flujo, concentraciones de fondo de constituyentes traza dentro

del medio filtrante, y características químicas y físicas del filtro con relación al

entorno de la muestra (estabilidad mecánica, estabilidad térmica, estabilidad

química, capacidad de carga, resistencia al flujo, pureza).

43.1.2. Colisión: utiliza un pequeño chorro por el que se fuerza la circulación de

una corriente de aire, lo que incrementa la velocidad y momento de las partículas

suspendidas, las cuales se recolectan sobre una superficie obstructora.

Los aparatos de colisión o incidencia pueden ser húmedos o secos y de impacto

en cascada.

Los de colisión húmeda operan con un chorro y superficie de recolección bajo

líquidos, razón por la cual requieren velocidades de flujo elevadas para una

recolección óptima que resulte eficaz.

Los de impacto en cascada utilizan las propiedades de impacto aerodinámico de

las partículas, para separar la muestra en diferentes fracciones, según el tamaño,

mediante el uso de chorros y superficies de recolección secuenciales. Al

incrementarse la velocidad del chorro y/o disminuir el intervalo entre el chorro y la

superficie de recolección, se consigue que la muestra se fraccione.

99 HARRISON, R. M. Óp. Cit., p. 306-312.

PALABRAS CLAVE: filtración, colisión, sedimentación, fuerza centrífuga,

adsorción, absorción, condensación y muestreo directo.

386



43.1.3. Sedimentación: consiste en la recolección de partículas conseguida al

permitir que se depositen por gravedad en un vaso de recolección. Es la técnica

más sencilla, pero presenta el inconveniente de que el vaso o cilindro colocado en

el propio curso de las partículas que caen modifica su patrón de flujo, por lo cual

no hay certeza de que el material recogido sea representativo de las condiciones

reales.

43.1.4. Fuerza centrífuga: se utilizan los ciclones en los cuales se fuerza a pasar el

aire de forma ascendente, por un conducto vertical, realizando un movimiento

helicoidal, para finalmente salir por un conducto lateral.

43.2. Para muestras gaseosas

43.2.1. Adsorción: la adsorción, como ya se había mencionado, en la unidad 2, en

las propiedades del suelo, es un fenómeno de superficie. En este caso, las

moléculas de los compuestos presentes en el aire interactúan por atracciones

intermoleculares con la superficie de la fase de recolección y, en consecuencia, se

concentran.

Los materiales más utilizados como adsorbentes son el carbón activado, el gel de

sílice, la alúmina y varios polímeros acuosos.

El adsorbente seleccionado no debe reaccionar químicamente con las muestras

recolectadas, a menos que corresponda al uso intencionado de adsorción química.

Igualmente, se debe evitar que las especies químicas que se van a analizar

reaccionen con otras especies presentes en el aire muestreado, durante la

recolección o durante la etapa de almacenamiento. Por ejemplo, se ha encontrado

que ciertos hidrocarburos se polimerizan al reaccionar con el ozono atmosférico;

en estos casos se utiliza un prefiltro selectivo que separa al oxidante de la

corriente de aire y permite el paso de los compuestos de interés.

Las propiedades de desorción del material también son importantes para

garantizar la recuperación cuantitativa de la muestra; se prefiere que sea posible

la regeneración del adsorbente para usos posteriores. El carbón activado, por

ejemplo, es un adsorbente muy eficiente, pero se dificulta la desorción cuantitativa;

es así como, la separación por arrastre de vapor da lugar a reacciones hidrolíticas

y también se presentan inconvenientes con la destilación al vacío y las

extracciones con disolventes.

43.2.2. Absorción: consiste en la disolución de los gases en una fase líquida de

recolección o en una reacción química con el absorbente. La absorción de los

gases en los líquidos es una de las técnicas más utilizadas; el contacto directo del

gas con el líquido hace que la transferencia de materia ocurra entre las dos fases

387



en direcciones controladas básicamente por los gradientes de concentración de

los componentes individuales.

Esta técnica se emplea para separar principalmente los siguientes gases: H2S,

CO2, NH3, SO2, NOx, HCl, HF, HBr, HCN, benceno, tolueno y metanol.

43.2.3. Condensación: consiste en enfriar una corriente de aire a temperaturas por

debajo del punto de ebullición de la sustancia de interés, lo cual hace posible,

además de la condensación, la concentración de los gases.

Una limitación del método tiene que ver con la posible congelación del vapor de

agua presente en el aire y, en consecuencia, el bloqueo progresivo del dispositivo

utilizado para el muestreo. Este problema se puede solucionar si el dispositivo de

muestreo consta de una parte, de gran volumen destinada a recoger el agua y una

segunda, a una temperatura lo suficientemente baja, para recolectar los

componentes para análisis.

43.2.4. Muestreo directo: utiliza un contenedor impermeable para recolectar las

muestras, sin utilizar la técnica de concentración en el campo; mediante esta

técnica las muestras se envían directamente al laboratorio en bolsas de FEP-

Teflon o en latas de acero inoxidable especialmente tratadas para la

determinación de hidrocarburos empleando, por ejemplo, cromatografía de gases.

En la técnica de bolsa el contenedor desinflado se coloca en una caja rígida que

se vacía lentamente; así, el aire pasa a la bolsa flexible, que queda sellada una

vez inflada. Posteriormente, las muestras se extraen por medio de una jeringa

hipodérmica especial para extraer gases.

Para llenar las latas rígidas a gran presión se utilizan bombas de material inerte,

que permiten el muestreo de volúmenes grandes de aire.

43.2.5. Técnicas específicas: se consideran dos ampliamente utilizadas. La de

humos y SO2 de NSAP (National Survey of Air Pollution) del Reino Unido y el de

Hi-Vol para partículas suspendidas empleado en la Red Nacional de Muestreo de

Aire de los Estados Unidos. En la lección 44 se presentarán los equipos utilizados

en estas dos técnicas de muestreo.

Lección 44: Equipos y materiales para muestreo

PALABRAS CLAVE: sistema activo, sistema pasivo, captadores.

388



Los equipos para muestreo varían de acuerdo con el tipo de ambiente

monitoreado y la naturaleza del contaminante. Al igual que en las técnicas de

muestreo, los hay específicos para material particulado y para gases.

También hay equipos muestreadores independientes del sistema de análisis

posterior y otros incorporados al analizador.

Los equipos también se pueden considerar desde el punto de vista del sistema de

muestreo: el pasivo, en el cual los componentes a analizar entran solos en el

equipo, y el activo, en el que la muestra se fuerza para que pase.

44.1. Equipos para sistema activo de muestreo.

En forma general, se puede establecer que los equipos para muestreo activo

constan de:

a. Entrada y tuberías

b. Sistema de medición de flujo

c. Bomba

d. Sistema de recolección de muestra

De acuerdo con la naturaleza del contaminante se tienen los siguientes sistemas

de recolección de muestras100:

Tabla 17. Sistemas de recolección según tipo de contaminante

TIPO DE

CONTAMINANTE RECOLECCIÓN

COMPUESTO QUÍMICO

RECOLECTADO

GASES

Bolsas de plástico N2, O2, CO, CO2,

hidrocarburos y COVs Recipientes evacuados

Absorción en fase líquida SO2, NOx

Adsorción NO2, PAN

Denuder Aerosoles y gases ácidos,

SO2

100 http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf. Toma de muestra y

análisis de contaminantes atmosféricos. p. 17-19, 21-22.

http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf

389



Filtros impregnados SO2

PARTÍCULAS

Filtros Diferentes tamaños de

partículas Impactadores

Figura 42. Sistemas de recolección para muestreo activo

Para la recolección de gases por el sistema de absorción en fase líquida se

utilizan los siguientes compuestos:

390



o Agua: para recolectar gases polares como, por ejemplo, sulfuro de

hidrógeno y amoníaco.

o Etanol: para ésteres y aldehídos orgánicos.

o Ácido clorhídrico diluido: para aminas primarias.

o Solución diluida de hidróxido de sodio: para anhídrido sulfuroso.

Los equipos para sistemas activos de muestreo se pueden clasificar en cuatro

grupos principales: a) captadores de gases y partículas, b) captadores de

partículas, c) captadores por precipitación y d) captadores de compuestos

orgánicos volátiles (COVs)101.

44.1.1. Captadores de gases y partículas

El captador de pequeño volumen se puede emplear específicamente para

partículas, específicamente para gases o para ambos al mismo tiempo. Está

constituido por los siguientes componentes:

44.1.1.1. Filtro para la retención de partículas.

Existen diferentes tipos de filtros (papel, fibra de vidrio, entre otros) que se colocan

en un soporte especial a la entrada del aire captado.

El soporte consta de dos válvulas, que pueden ser metálicas o de material plástico

y un conducto para la entrada del aire aspirado. En medio de las válvulas se

coloca el filtro que posteriormente se cierra herméticamente mediante cualquier

sistema de aseguramiento.

44.1.1.2. Borboteador

Recipiente para la recolección de contaminantes gaseosos. Consiste en un frasco

lavador de gases, tipo Dreschsel, de vidrio resistente, incoloro (borosilicato), cuya

capacidad dependerá del contaminante que se va a estudiar y del método que se

vaya a utilizar para el análisis.

44.1.1.3. Contador de gas

101 FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 408-412, 419-

420. http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623.

http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623

391



Tiene como función determinar el volumen de aire muestreado, valor respecto al

cual se expresan los resultados obtenidos en los análisis. Usualmente se utiliza un

contador seco pequeño, con una capacidad de medición de caudal de aire de 1,5

a 3 litros por minuto.

44.1.1.4. Bomba aspirante

Bomba de membrana, movida por un motor eléctrico con capacidad para aspirar

entre dos y cuatro m3 de aire en un período de 24 horas.

44.1.1.5. Forma de uso

Los diferentes componentes del equipo se conectan mediante tubos de vidrio o

plástico inerte, que usualmente tienen un diámetro interno de 8 mm.

La conexión con el exterior consiste en un conducto plástico que sale de la

entrada del portafiltros y termina, en el extremo opuesto, en un embudo con un

diámetro entre 3 y 5 cm.

De acuerdo con el contaminante específico que se va a estudiar, se seleccionan el

filtro y la solución captadora adecuados y se colocan en el portafiltros y el

borboteador, respectivamente.

Se anota la lectura del contador, se pone en funcionamiento la bomba, se deja

transcurrir el tiempo de toma de la muestra, se apaga y se hace una nueva lectura

del contador. La diferencia entre las lecturas corresponde al volumen de aire

captado.

Este tipo de captador se utiliza para la determinación de SO2 y humo. Actualmente

este equipo se está empezando a sustituir por un método de fluorescencia de UV.

44.1.2. Captadores de partículas

El captador de alto volumen se utiliza para la determinación gravimétrica de

partículas de tamaño > 0,1 µ. Está constituido por los siguientes componentes:

44.1.2.1. Soporte para el filtro

Dispositivo de forma troncocónica (cilíndrica, con uno de los extremos más

delgado) que en la base tiene tres rejillas metálicas, colocadas una sobre otra, con

el fin de proporcionar resistencia mecánica.

44.1.2.2. Conjunto de aspiración

392



Consta de conductos que salen de la base inferior del filtro y lo comunican con el

equipo motobomba de vacío que realiza la aspiración de la muestra de aire. Su

caudal está entre 40-60 m3 por hora.

44.1.2.3. Gasómetro contador

Con capacidad para medir 60 m3 por hora de aire.

En otros captadores de alto volumen se reemplaza este dispositivo por un

caudalímetro que proporciona el valor de la cantidad de volumen de aire por hora,

en lugar del valor del volumen total.

44.1.2.4. Forma de uso

Se coloca el filtro, se conecta la motobomba regulando el caudal deseado y se

registra la lectura del contador. Se deja transcurrir el tiempo de toma de la

muestra, se apaga la motobomba y se hace una nueva lectura del contador. La

diferencia entre las lecturas proporciona información acerca del tiempo

transcurrido y el volumen de aire desplazado.

Este tipo de captador se utiliza como técnica patrón para la determinación de

partículas totales en suspensión.

Figura 43. Captador de alto volumen102

Otros captadores de partículas son:

102 http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf. Toma de muestra y

análisis de contaminantes atmosféricos. Óp. Cit., p. 22

http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/muestreoyanalisispresentacion.pdf

393



o De volumen medio, MVS: flujo aproximado de 6 m3/hora, límite de captación

10 µg/m3, rango de captación 0,1-25 ó 50 µm.

o De volumen medio, LVS: flujo aproximado de 2 m3/hora, límite de captación

50 µg/m3, rango de captación 0,1-10 µm.

o Clasificador de aerosoles de rango amplio, WRAC: flujo aproximado de

2000 m3/hora e impactadores de 10, 20, 40 y 60 µm.

44.1.3. Captadores por precipitación

Se utilizan para la determinación de partículas sedimentables, las cuales se

depositan por gravedad en el interior de un frasco colector. Está constituido por los

siguientes componentes:

44.1.3.1. Soporte y rejilla protectora

El soporte es un trípode de alrededor de 1,35 m de altura y la rejilla tiene una

malla con tamaño de poro de 25 mm, para evitar la entrada, por ejemplo, de

insectos y hojas.

44.1.3.2. Depósito colector

Puede ser de vidrio o acero inoxidable, consta de un embudo colector usualmente

con diámetro (D) de 315 mm.

Permite calcular los mg/m2 de partículas sedimentables por día. Este valor se

puede comparar con el límite legal establecido.

44.1.3.3. Frascos colectores

Con capacidad de 10-20 litros, fabricados en vidrio o plástico.

44.1.4. Captadores de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs)

Existen dos tipos principales:

44.1.4.1. Captación en trampas

Se utilizan tubos de adsorción de carbón o tenax. Los gránulos de carbón se

empaquetan en tubos de vidrio de una longitud de 5-10 cm. El tubo se tapa en un

extremo con un tapón de lana de vidrio, ajustado a una presión de 46-53 mbar,

para evitar la pérdida de contaminante cuando se muestrea a un caudal de 2

L/min.

394



El tiempo de muestreo se establece experimentalmente de manera que se

obtenga una cantidad de muestra suficiente para el análisis.

Se ha encontrado que este sistema tiene una eficacia de captación del 95% para

hidrocarburos alifáticos, independientemente del caudal de muestreo.

44.1.4.2. Captación en canister.

Los canister son botellas de acero inoxidable de diferentes capacidades

volumétricas. El interior de las botellas debe estar recubierto de teflón o estar

electropulido.

La muestra de aire se introduce mediante vacío o presión.

44.2. Equipos para sistema pasivo de muestreo.

Estos equipos no utilizan bombas para forzar el paso de las muestras de aire. Las

muestran entran por difusión de los contaminantes hacia la superficie del

muestreador. Después del tiempo de muestreo se realiza la extracción de la

muestra para análisis posterior.

Los captadores pasivos se rigen por la primera ley de Fick que establece que las

especies moleculares dispersas en el aire, a una concentración C, se difunden de

acuerdo con la siguiente igualdad:

dm dC = DS dt dl Donde:

m = masa de gas que se difunde a través de la sección S, en moles

D = coeficiente de difusión del gas, en cm2/min

C = concentración ambiental del gas, en moles/cm3

l = longitud de difusión, en cm.

S = superficie de difusión, en cm2

t= tiempo de difusión en minutos

395



Conociendo las características del captador pasivo, específicamente su superficie

de difusión (S), se puede establecer con base a la ecuación de Fick la siguiente

igualdad:

m C = Q.t Donde:

Q = coeficiente de captación, en dimensiones de flujo de gas (cm3/min)

Los equipos permiten recolectar una muestra, integrada en un período definido

(por lo general de una semana a un mes), por difusión molecular en un material

absorbente, específico para cada contaminante. Es muy útil cuando se trata de

identificar lugar críticos, de alta concentración de contaminantes, cerca de vías de

alto tráfico o de áreas industriales, donde estudios más detallados pueden ser

necesarios.

En la difusión de contaminantes desde el aire hacia el medio de adsorción, la

fuerza impulsora es el gradiente de concentración entre el aire circundante y la

superficie de adsorción donde la concentración se considera nula. Las moléculas

gaseosas se difunden hacia el interior del muestreador donde son recogidas

cuantitativamente en un filtro impregnado o en un material adsorbente. De esta

manera se alcanza una concentración promedio en el tiempo considerado sin

requerimientos de electricidad, bombas u otro equipo de soporte103.

Hay dos clases de equipos de muestreo pasivo los cuales se diferencian en el

mecanismo empleado para la difusión del aire hacia la superficie absorbente.

o Muestreador de tubo: la difusión se controla con una capa de aire

estancada.

o Muestreador de membrana: la difusión se dirige por una penetración

subsecuente a través de una membrana semipermeable.

La concentración promedio de los contaminantes adsorbidos se determina por

medio de análisis instrumental utilizando espectrofotometría, cromatografía de

gases o cromatografía de iones.

103 Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Protocolo para el monitoreo y

seguimiento de la calidad del aire. Bogotá: Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial,

2010. p. 70.

396



Figura 44. Esquema general de un muestreador pasivo104

Los muestreadores pasivos de relación longitud/diámetro > 1 proporcionan un

límite de detección alto y son referenciados como de Alta Dosis; las dimensiones

corresponden comúnmente a longitudes de 50 mm y diámetros de 10 mm. Los de

relación longitud/diámetro < 1 proporcionan un límite de detección menor y se

conocen como de Baja Dosis; las dimensiones incluyen longitudes de 10mm y

diámetros de 20 mm. Estos últimos poseen una velocidad de muestreo 20 veces

mayor, debido al aumento del área transversal y a la disminución de la longitud de

difusión del gas105.

Lección 45: Análisis de laboratorio106

104 Ibíd., p. 71

105 Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Óp. Cit., p. 73.

106 FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 422-429.

http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/606/623.

PALABRAS CLAVE: análisis continuo, análisis discontinuo, fluorescencia de UV,

quimioluminiscencia, IR, UV, HPLC, AA, ICP, cromatografía de gases,

cromatografía iónica, espectrometría de masas, radiación β, gravimetría,

potenciometría, conductometría, reflectometría, difracción de RX, fluorescencia

de RX.


397



Las técnicas utilizadas para el análisis de los contaminantes dependen del método

de captación:

o Los métodos de captación continua implican el análisis del contaminante en

el punto de muestreo, de forma continua y automática.

o Los métodos de captación discontinua implican el transporte del

contaminante desde el punto de muestreo hasta el laboratorio.

45.1. Técnicas utilizadas en análisis continuo

Tabla 18. Técnicas para análisis continuo

CONTAMINANTE TÉCNICA

Dióxido de azufre Fluorescencia de UV

Dióxido de nitrógeno Quimioluminiscencia

Monóxido de carbono Absorción de infrarrojo

Ozono Absorción UV

Benceno Cromatografía de gases

Partículas Absorción de radiación β

Los fundamentos de las técnicas anteriores se presentan a continuación107.

45.1.1. Fluorescencia de UV

Se basa en la emisión de luz por parte de las moléculas excitadas (en este caso

de SO2) por radiación UV, cuando vuelven a su estado fundamental. Las

reacciones involucradas son:

SO2 + hɣ SO2* (9.1)

107 FERNÁNDEZ, Rosalía. Metodología de la evaluación de la calidad del aire. p. 425-429.



398



SO2* SO2 + hɣ (UV) (9.2)

La intensidad de la radiación fluorescente es proporcional al número de moléculas

de SO2 en el volumen de detección y es, por tanto, proporcional a la concentración

de SO2.

Por lo tanto:

F = k x CSO2 (9.3)

Donde:

F = intensidad de la radiación fluorescente

k = factor de proporcionalidad

CSO2 = concentración de SO2

La determinación debe realizarse a temperatura y presión constantes.

45.1.2. Quimioluminiscencia

La quimioluminiscencia es la emisión de luz durante una reacción química.

Utilizada para el análisis de NO2 se basa en las reacciones siguientes:

NO + O3 NO2* + O2 (9.4)

NO2* NO2 + hɣ (9.5)

El dióxido de nitrógeno excitado emite radiación en la región del infrarrojo cercano

(600-3000 nm) con un máximo alrededor de 1200 nm. Para la determinación del

NO2 se convierte en NO en un convertidor:

NO2 convertidor (catalizador) NO (9.6)

El NO se analiza entonces de acuerdo con las reacciones 9.4 y 9.5.

45.1.3. Absorción de radiación infrarroja no dispersiva

La atenuación de la luz infrarroja que pasa a través de una cámara es una medida

de la concentración del compuesto(s) químico(s) presente(s) en la cámara, de

acuerdo con la ley de Lambert-Beer.

Cuando se utiliza esta técnica para la determinación del CO presente en una

muestra de aire, se debe tener en cuenta que no sólo este compuesto absorberá

399



luz infrarroja, sino también la mayoría de las moléculas heteroatómicas,

especialmente agua y CO2, que tienen bandas anchas que pueden interferir en la

medición del CO.

45.1.4. Absorción de radiación ultravioleta

El aire muestreado se aspira continuamente a través de una celda óptica de

absorción, donde se irradia con radiación monocromática, con centro en 253,7 nm,

desde una lámpara estabilizada de descarga de Hg, a baja presión.

La radiación UV que pasa a través de la celda de absorción, se mide con un

fotodiodo sensible o un detector fotomultiplicador y se convierte en una señal

eléctrica que se puede medir. La absorción de esta radiación por parte del aire

muestreado en la celda de absorción es una medida de la concentración de ozono

en el aire.

45.1.5. Cromatografía de gases

No se presentan los principios de esta técnica, sino los pasos previos a la

introducción de la muestra en el equipo, para el caso de la determinación de

benceno.

Un volumen medido de la muestra de aire se fuerza a través de un tubo de

adsorción. La selección del adsorbente adecuado permitirá la retención del

benceno en el tubo y la eliminación de la corriente de aire.

La desorción del benceno captado en el tubo se realiza mediante calor y se

transfiere mediante un gas portador inerte a un cromatógrafo de gases equipado

con una columna capilar y un detector de ionización de llama u otro detector

apropiado.

Ates de entrar en la columna, la muestra se concentra en una trampa criogénica,

luego se calienta para liberar la muestra en la columna o en una precolumna, en

donde los hidrocarburos de punto de ebullición mayor se eliminan por retroflujo.

400



45.1.6. Absorción de radiación beta

Esta técnica se rige por la ley de absorción empírica:

N = No X e-km (9.7)

Donde:

N = número de electrones transmitidos por unidad de tiempo (cuentas por

segundo) medidos después del filtro.

No = número de electrones incidentes por unidad de tiempo (cuentas por

segundo).

k = coeficiente de absorción por unidad de masa (cm2/mg)

m = masa por área (mg/cm2) de materia que absorbe la radiación beta.

En la práctica se pasa un volumen conocido de aire a través de un filtro, sobre el

cual se recolecta el material particulado. La masa total del material se determina

por medición de la absorción de la radiación beta.

45.2. Técnicas utilizadas en análisis discontinuo

Una vez llegan las muestras al laboratorio, deben manipularse de manera que se

asegure que no habrá riesgo de contaminación, y se deben identificar de forma

inequívoca.

De acuerdo con la naturaleza del contaminante que se quiere analizar se

seleccionará la técnica más adecuada.

401



Tabla 19. Técnicas para análisis discontinuo

TÉCNICA TIPO DE CONTAMINANTE

GASES PARTÍCULAS

Gravimetría/Reflectometría X

Potenciometría/Conductimetría X X

Espectrofotometría UV/Vis. X X

Espectrometría AA X

ICP X

Cromatografía iónica

Cromatografía gases-

Espectrometría de masas

X X

Cromatografía líquida de alta

resolución (HPLC)

X X

Fluorescencia de

RX/Difracción RX

X

Los fundamentos de algunas de estas técnicas se describieron de manera general

en las Unidades 1 y 2. La mayoría son de uso común en los laboratorios, por lo

cual no son objeto de estudio en esta lección. Se remite al estudiante a textos de

análisis instrumental.

402



Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 3

403




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química ambiental modulo v2

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