introduccion a la quimica ambiental
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Química AmbientalTRANSCRIPT
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Introduccin a la Qumica Ambiental
La Serena, Abril 2014
INTRODUCCION A LA QUIMICA AMBIENTAL
Dr. Hugo Maturana C.Dpto. Ing. De Minas
Universidad de La Serena
2014
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Curso de Geoqumica Ambiental. Tema 2: Introduccin a la Qumica Ambiental
La Serena, Octubre 2012
QUIMICA AMBIENTAL
La qumica ambiental, denominada tambin qumicamedioambiental es la aplicacin de la qumica al estudio de los problemas y la conservacin del ambiente.
Estudia los procesos qumicos que tienen lugar en el medioambiente global, o en alguna de sus partes: el suelo, los ros y lagos, los ocanos, la atmsfera, as como el impacto de las actividades humanas sobre nuestro entorno y la problemtica que ello ocasiona.
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La qumica ambiental y las cinco esferas La qumica ambiental estudia el
comportamiento de las sustancias qumicas en diferentes mbitos, ( origen, transporte y evolucin )
Lo anterior incluye procesos e interacciones en cinco esferas:
Mesosferaexosferageosferabiosferaantroposfera
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Qu se entiende por contaminacin?
Existen variadas definiciones para este concepto, sin embargo la mayora de ellas apuntan a algo similar a lo siguiente:
Cambio perjudicial en las caractersticas fsicas, qumicas o biolgicas del ambiente yque puede afectar la vida humana y de otras especies
La presencia en el ambiente, por accin del hombre, de cualquier sustancia qumica, objetos, partculas, microorganismos, formas de energa o componentes del paisaje urbano o rural, en niveles o proporciones que alteren la calidad ambiental y, por ende, las posibilidades de vida.
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Comportamiento de sustancias contaminantes en suelos y aguas
La cantidad y diversidad de sustancias contaminantes que pueden emitirse al ambiente estrelacionada directamente con el tipo de actividad antropognica (industrias, procesos, etc ), con las caractersticas fsicas de ellos (slidos, lquidos, gases, aerosoles), y con la forma en que ellos se gestionen antes de emitirse al ambiente.
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Propiedades de las sustancias qumicas y su comportamiento en el medio ambiente.
1.- El comportamiento de los contaminantes medioambiente depende bsicamente de sus propiedades fsicas, fisicoqumicas y , qumicas y de las caractersticas particulares del medio en que son vertidos, incluyendo la biota.
2.- Dichas propiedades y caractersticas son determinantes en los siguientes aspectos:
a) Forma en que se transportanb) Formas o especies qumicas que prevalecen en el medioc) Inderacciones con los componentes del mediod) Toxicidad
Adems, las propiedades de las sustancias contaminantes determinan laforma de tratamiento o abatimiento que se puede utilizar
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Propiedades de las sustancias qumicas de inters ambiental
Estado fsico ( slido, lquido o gas) Solubilidad ( solubilidad en agua o en fases poco polares) Reactividad qumica ( reacciones cido-base y redox) Interacciones fsicoqumicas con el medio abitico ( ej.
adsorcin) y bitico (ej. Biosorcin, bioacumulacin)
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Estado fsico de las sustancias qumicas El estado fsico que presentan los compuestos qumicos dependen
fundamentalmente de sus caractersticas estructurales ( tipo de enlace qumico, geometra molecular, peso molecular, posibilidad de puentes de hidrgeno, etc) .
La mayora de los metales en su estado elemental son slidos, excepto el mercurio (Hg) que es lquido.
Algunos elementos no metlicos son gases ( molculas diatmicas tales como el O2, N2,H2, gases nobles ), otros son slidos (Ej. S, As, P ) o lquidos ( Br)
Las sales inorgnicas e hidrxidos en general son slidos ( enlaces inicos o covalentes muy polares, ej. NaCl, As2O3, Ca(OH)2, NaOH
Compuestos covalentes inorgnicos pueden ser gases ( ej. NH3, H2S, HCl) o lquidos ( H2SO4, H3PO4, )
Los compuestos orgnicos pueden gases, lquidos o slidos, dependiendo de la presencia de heterotomos, del peso molecular y geometra molecular.
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Consecuencias derivades del estado fsico
El estado fsico es determinante en los procesos de transporte de los contaminantes, establecindose lo siguiente:
Slo los fluidos (gases o lquidos) tienen movilidad propia y en condiciones normales, lo hacen en funcin de una gradiente ( ej. de concentracin, (difusin) , de presin ( ej. gradiente hidrulico) o de temperatura (conveccin)
Los slidos no tienen movilidad propia sino que deben ser transportados por un fluido ( gas o lquido) (adveccin).
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EMBARGO, NO HAY QUE OLVIDAR 2 ASPECTOS IMPORTANTES:
UNA SUSTANCIA, YA SEA SLIDA O LQUIDA SIEMPRE POSEE UNA PRESIN DE VAPOR (VOLATILIDAD ) , Y ES FUNCIN DE LA TEMPERATURA.
UNA SUSTANCIA PUEDE CAMBIAR DE ESTADO FSICO EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA Y DE LA PRESIN
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Solubilidad en agua de contaminantes
El agua es el principal medio de transporte de contaminantes.
Dependiendo de las propiedades de solubilidad de los contaminantes, ellos sern transportados en forma disuelta o como una suspensin ( de slidos o lquidos).
En el caso de contaminantes en suspensin, el tamao de partcula y la densidad sern determinantes en las caractersticas del proceso de transporte y su destino.
Distribucin subterrnea de hidrocarburos (A) Aromticos de baja densidady (B) Halogenados de alta densidad despus de un gran derramamientoen la superficie (despus de Lawrence y Foster, 1987)
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El agua como solvente polar Las propiedades del
agua como solvente depende de su estructura molecular.
La solubilidad de una sustancia en un solvente determinado es el resultado de una interaccin efectiva soluto-solvente
En general, solutos polares se disuelven en solventes polares y solutos poco polares, en solventes poco polares.
El agua es un solvente polar
El agua es un buen solvente de solutos polares
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El pH es una medida de la acidez o basicidad
de una solucin.
El pH es la concentracin de iones o cationes hidrgeno [H+] presentes en determinada sustancia.
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Puesto que el agua est disociada en una pequea extensin en iones OH y H+,
H2O H+ + OH-
tenemos que:
Kw = [H+][OH] = 1014 en donde ,
[H+] es la concentracin de iones de hidrgeno[OH-] la de iones hidrxilo, y Kw es una constante conocida como producto inico del agua.
Por lo tanto,log Kw = log [H+] + log [OH]
14 = log [H+] + log [OH]
14 = log [H+] log [OH]
pH + pOH = 14
Sustancia/Disolucin pH
Disolucin de HCl 1 M 0 Jugo gstrico 1,5 Jugo de limn 2,4 Refresco de cola 2,5 Vinagre
2,9 Jugo naranja
3 Cerveza
4,5 Caf 5,0 T 5,5 Lluvia cida < 5,6 Orina 5,5-6,5 Leche 6,5 Agua pura 7,0 Saliva humana 6,5 a
7,4 Sangre
7,35 a 7,45 Agua de mar 8,0 Jabn de manos 9,0 a
10,0 Amonaco 11,5 Hipoclorito de sodio 13.5-14
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Reactividad QuimicaMetales pesados: Especiacin y solubilidad
La especie predominante en que se encuentran los metales en medios acuosos dependen del Eh , del pH o de ambos, adems de la composicin del medio
Las transformaciones de especies qumicas (reacciones) de los metales pesados pueden ser de tipo redox o de tipo cido-base
Hidrlisis: Fe+3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+
Redox Fe+3 + e Fe+2
Precipitacin Fe+2 + S-2 FeS
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Forma generalMox + H+ + e Mred + H2O
R. que depende del pH
Fe+3/Fe2O3 : Fe2O3 + 6 H+ 2 Fe+3 + 3 H2OR. que depende del EH
Fe+3/Fe+2 : Fe+3 + e Fe+2 E = + 0.77 v
R. que depende del Eh y del pH
Fe+3/FeO : Fe+3 + H2O + e FeO + 2 H+
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Aplicable a reacciones que no dependen del Eh (cido base)
aA + bB cC + dD
K = [ C]c [D ]d[ A]a [ B]b
Ej: Fe2O3 + 6 H+ 2 Fe+3 + 3 H2O
K = [ Fe+3]2-[Fe2O3 ] [H+ ]6
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Equilibrio carbnico en aguas naturales
Como en este equilibrio participan cidos dbiles y bases fuertes, ello le proporciona una importante capacidad buffer
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Ecuacin de Nerst
Aplicable a reacciones que dependen del Eh (redox)
a forma oxidada + n e b forma reducida
E + 0.059 log [forma oxidada]an [forma reducida]b
Ej: Fe+3/Fe+2 Fe+3 + e Fe+2 E = + 0.77 v
0.77 + 0.059 log Fe+3Fe+2
E =
E =
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Diagramas Eh-pH (H2O)
La forma qumica predominante (especie) en que se encuentra un metal en sistemas acuosos depende del Eh y pH del medio.
Un diagrama Eh-pH es una representacin termodinmica de condiciones de Eh y pH que favorece la existencia de una especie qumica determinada
Un Diagrama Eh- pH se obtiene experimentalmente o se construye bajo una base termodinmica.
Una forma prctica de establecer la especie predominante de un metal en un sistema acuoso es conocer el pH y el potencial redox del sistema y analizar el diagrama correspondiente
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Kps: Producto de solubilidad
Concepto aplicable a especies qumicas de baja solubilidad
Ej: sulfuros metlicos
MS M+2 + S-2
Kps = [M+2] [S-2]
HgS Hg + S
Kps = [Hg+2] [S-2] = 10-51
solucin
Hg+2 S-2S-2 Hg+2
HgS slido
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Kps HgS = 10-51
Kps CuS = 10-36
Kps Bi2S3 = 10-33
Kps CdS = 10-27
Kps PbS = 10-28
Kps SnS = 10-26
SOLUBILIDAD DE SULFUROS METALICOS
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Kps para hidrxidos metlicos
Me(OH)n Me+n + n OH-
Kps = [Me ] [OH]n
Ej. Fe(OH)3
Fe(OH3)3 Fe+3 + 3 OH-
Kps = [Fe+3 ] [OH]3 = 1.58 x 10-39
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Efecto del pH en la solubilidad del hierro
Fe (mg/L)
3
82 4 6 10 12
Fe(OH)3 Fe(OH2
pH
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Finalmente.- Las propiedades fisicas, fisicoqumicas
qumicas y termodinmicas determinan el comportamiento y destino de los contaminantes en el medio ambiente.
- Dichas propiedades son determinantes en el ciclo biogeoqumico incluyendo procesos tales como:
Precipitacin/disolucin/volatilizacin Transporte en medio acuoso y
atmsfera Bioacumulacin Adsorcin/desorcin en suelos y
sedimentos Toxicidad
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Distribucin de contaminantes en el ambiente bitico y abiotico
atmsfera intercambios energa
Agua gases lquidos slidos transformacionesfotoquimicas
dilucinDispersin
tranformacionesqumicas
sedimentacin (ej. hidrlisis)
difusin absorcin biotransformaciones bioacumulacin, biosorcin
sedimento
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Distribucin de un contaminante en el medio
Hidrosfera Atmsfera
Fases slidas
Contaminante
K
PS
KSW KSA
KAW
P = Presin de vaporS = SolubilidadK = Constante de adsorcin
Constantes de reparto entre el aire (A) el agua (W) y las fases slidas (S)
KAW KSW, , KSA =