QUIMICA ANALITICA

EVIDENCIA UNIDAD 3

“CUANTIFICACIÓN DE DUREZA DEL AGUA RESIDUAL PROVENIENTE DE FABRICAS ”

Profesor: Yasser Alejandro Chim Chi

Equipo No. 8

Alumnos: Ma. del Rosario Rebollar Campos AL12506414Laura Anahí Loera Puentes AL12507728Norma Lorena Hernández Pineda AL12502076

Marzo, 2013

“CUANTIFICACIÓN DE DUREZA DEL AGUA RESIDUAL PROVENIENTE DE FABRICAS”

INTRODUCCION

Del total de aguas residuales que se generan a diario en el país, sólo 46%, en promedio, recibe un tratamiento para producir agua limpia o reutilizable. A la fecha, sólo 11 entidades del país han superado la meta establecida por el gobierno federal de alcanzar una cobertura de 60%.De acuerdo con datos de la Comisión Nacional del Agua (Conagua), las entidades más avanzadas en este rubro son Aguascalientes, Baja California y Nuevo León, que alcanzaron ya una cobertura de 100%; les siguen Guerrero con 88%, Nayarit con 79%, Chihuahua y Sinaloa con 74%, Tamaulipas con 69%, Durango 68%, Quintana Roo 63% y San Luis Potosí con 62%.

Destacan con la cobertura más baja Yucatán y Campeche en el sureste, con 3% y 6%, respectivamente, mientras que en el centro del país Hidalgo y el Distrito Federal registran una cobertura de 15%, en ambos casos, mientras que en Morelos es de 20%.

Principales cationes

La formación de un complejo es el resultado de la interacción ácido-base de Lewis entre un átomo o ion central, con orbitales vacantes, y uno o más átomos o moléculas (ligandos) con al menos un par de electrones no compartidos. Normalmente el ion central es un catión metálico, que debe disponer de orbitales que sean simétricamente adecuados, estéricamente disponibles y de baja energía.

Si un ligando (p.e. H2O, Cl-, CN-) se une al ion central por una sola

posición, se denomina ligando monodentado; y si lo hace por dos o más (p.e. etilendiamina, ácido tilendiaminotetraacético), ligando polidentado. A estos últimos, se les denominan también agentes quelatantes y a los complejos que forman, quelatos, ya que originan estructuras en forma de anillo alrededor del catión central que confieren una mayor estabilidad al complejo que la que posee con ligandos monodentados

La magnitud de la constante de equilibrio, denominada constante de formación, nos da una medida cuantitativa de la estabilidad del complejo. Es decir, cuanto mayor es el valor de la constante de formación de un complejo, más favorecida está su formación a partir de sus componentes y como consecuencia mayor es su estabilidad. Los valores de las constantes de formación sirven, por tanto, para comparar la estabilidad relativa de dos complejos si ambos presentan similar estequiometría.

Este equilibrio puede verse afectado por la presencia de otros cationes metálicos y/o de otros ligandos, originando reacciones de competencia que serán más o menos importantes en función de la diferencia entre las distintas constantes de equilibrio. Así mismo, se ha de tener en cuenta que el pH del medio también influye en el equilibrio

de formación de un complejo, ya que tanto el catión metálico como los ligandos pueden sufrir reacciones parásitas con los protones o los grupos hidroxilo del medio. Este tipo de reacciones hace que disminuya las concentraciones de M y L libres en disolución, y por tanto, inducen la disociación del complejo ML.

Valoraciones de formación de complejos

Entre las múltiples aplicaciones que tiene la formación de complejos se puede destacar la cuantificación de cationes metálicos en disolución por valoración con disoluciones patrón de un agente complejante. Tales valoraciones son probablemente uno de los mejores métodos generales para la determinación de diversos iones metálicos en disolución con alta exactitud.

Uno de los reactivos más utilizados como valorante complexométrico es el ácido etilendiaminotetraacético (AEDT), el cual es un ácido tetraprótico que se representa de forma abreviada como H4Y. En inglés,

generalmente se denota como EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid). Los valores de sus pKa sucesivos son:

H4Y / H3Y- / H2Y2- / HY3- / Y4- 2.0 2.7 6.2 10.3

Tanto el ácido libre H4Y como la sal disódica Na2H2Y·2H2O (Na2-

EDTA·2H2O) pueden ser utilizados como patrones primarios para la

preparación de las disoluciones valorantes. Para ello, el ácido libre H4Y

se seca varias horas a 130-145 ºC y se disuelve posteriormente añadiendo la mínima cantidad de hidróxido sódico necesaria. La sal disódica tras ser secada a 80 ºC, se disuelve sin dificultad.

El EDTA es un ligando hexadentado. Posee seis pares de electrones no compartidos disponibles para formar enlaces covalentes coordinados simultáneamente con el mismo átomo metálico central, cuatro en los oxígenos de los grupos carboxílicos y otro en cada uno de los dos nitrógenos.

Todas las reacciones entre AEDT e iones metálicos tienen estequiometría 1:1 y pueden escribirse como:

Y4- + Mn+ ⇄ MY-4+n

Hay que recordar que en un amplio rango de pH el EDTA está protonado y para formar el quelato debe perder los protones, que pasan a la disolución, disminuyendo el pH. Por ello es fundamental tamponar la disolución para mantener un pH óptimo para que se desarrolle la valoración de forma cuantitativa. El complejo que forma el EDTA con los cationes metálicos puede representarse: ONMONOCH2CH2CH2CCCH2CH2COOOCH2COO

En las valoraciones de formación de complejos se utilizan como indicadores químicos colorantes orgánicos que forman quelatos coloreados con los iones metálicos. El negro de eriocromo T (NET) es uno de los más utilizados. Este indicador es un ácido triprótico (H3In),

siendo la primera disociación fuerte y las demás débiles:

H2In- HIn2-+H+rojoazulpK1 = 6.3pK2 = 11.6anaranjadoazulH++In3-HIn2-

Los complejos que forman los cationes metálicos con el NET generalmente son rojos, como lo es la especie H2In-. Debido a esto, para

poder detectar el ion metálico es necesario ajustar el pH a 7 (o más)

para que sea la especie HIn2- (de color azul) la que predomine en ausencia del ion metálico. Hasta el punto de equivalencia, el indicador forma complejo con el ion metálico, de forma que la disolución es roja. En el punto de equivalencia, la disolución se vuelve azul como consecuencia de la reacción:

MIn- + HIn2-+MY2-rojoazulHY3-

Una Reacción de formación de complejo entre un metal M y un ligando L puede representarse por:M + L ⇄ MLKf=[ML]M[L]

Determinación de la dureza del agua

Las valoraciones con EDTA se utilizan rutinariamente para determinar la dureza del agua. En hidrología, el término dureza se refiere a la concentración total de iones alcalinotérreos en el agua. Dado que las

concentraciones de Ca2+ y Mg2+ suelen ser mucho mayores que las de

otros alcalinotérreos, la dureza puede igualarse a [Ca2+] + [Mg2+], y normalmente se expresa como el número equivalente de miligramos de

CaCO3 por litro. Así, si en un agua [Ca2+] + [Mg2+] = 1mM, su dureza

será de 1 mmol de CaCO3 por litro y puesto que el peso molecular del

CaCO3 es 100, el agua tendrá 100 mg de CaCO3 por litro. El agua cuya

dureza es menor de 60 mg/L de CaCO3se considera blanda.

La dureza del agua se determina comúnmente valorando la muestra de agua con EDTA. En medio alcalino, este compuesto forma complejos

estables tanto con Ca2+ como con Mg2+, siendo las constantes de formación respectivas:

log K (CaY2-) = 11.0

log K (MgY2-) = 8.7

Para la determinación de la dureza total del agua (Ca2+ y Mg2+) se realiza una valoración de la muestra con EDTA después de ajustar el pH a 10 con un tampón. Teniendo en cuenta los valores de las constantes de formación, el magnesio forma un complejo con EDTA menos estable que el calcio, y por tanto, no se valora hasta que el calcio ha sido valorado. Por este motivo, un indicador para el ion magnesio, puede servir como indicador en la determinación de la dureza total del agua. Como indicador se utiliza el negro de eriocromo T (NET).

Al añadirle a la muestra de agua, a pH 10, unas gotas de indicador (NET)

se forma un complejo entre el Mg2+ y el indicador (MgIn-) de color rojo

que es menos estable que el MgY2-. Al ir añadiendo valorante (EDTA),

primero se compleja el Ca2+, después el Mg2+ libre, y finalmente se

produce el desplazamiento del Mg2+ que estaba formando complejo con

el indicador (MgIn-), produciéndose un cambio de color a azul.

Reacciones de valoración:

Ca2+ + Y4- --------------- CaY2-

Mg2+ + Y4- ---------- MgY2-

En el punto de equivalencia:

MgIn- + Y4- + H+ -------MgY2- + InH2-

rojo azul Para la determinación de la dureza cálcica o magnésica individualmente, se opera de forma separada con dos alícuotas de muestra. En una se determina la dureza total según el procedimiento previamente descrito, y en la otra se determina únicamente el contenido de calcio. Para ello se valora la muestra de agua con EDTA a un pH

superior a 12. De esta manera el Mg2+ no interfiere al encontrarse precipitado como Mg(OH)2. El indicador utilizado en este caso es la

murexida.

Este indicador forma con el Ca2+ un complejo rosado menos estable

que el complejo CaY2-, por lo que al añadir EDTA, en primer lugar se

compleja el Ca2+ libre y después lo hace el que se encontraba formando el complejo Ca-murexida, cambiando el color de la disolución a violeta azulado (éste es el color del indicador libre en medio alcalino).

El propósito principal de esta evidencia es la verificación de la calidad del agua residual proveniente de las fábricas, específicamente la dureza de Calcio; si alguna fabrica esta fuera de los límites permisibles se deberá notificar para aplicar la normatividad.

Los métodos de tratamiento están relativamente normalizados, debido a la industrialización existen diferentes tipos de aguas residuales y hay que establecer el diseño de tratamiento de las mismas; los problemas técnicos y económicos que lleva consigo tales tratamientos obliga en muchos casos a hacer tratamientos separativos (segregación de aguas industriales) antes de su descarga en el alcantarillado municipal.

La Norma Oficial Mexicana NOM-CCA-031-ECOL/1993, establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales provenientes de la industria, actividades agroindustriales, de servicios y el tratamiento de aguas residuales a los sistemas de drenaje y alcantarillado urbano o municipal.

Las descargas de aguas residuales provenientes de la industria, actividades agroindustriales, de servicios y el tratamiento de aguas residuales a los sistemas de drenaje y alcantarillado urbano o municipal a que se refiere esta norma deben cumplir con las especificaciones que se indican en la tabla 1.

5.3 Condiciones particulares de descarga

Cuando las autoridades del Distrito Federal, estatales o municipales en el ámbito de su competencia, identifiquen técnicamente que alguna descarga a pesar del cumplimiento de los límites máximos permisibles establecidos en la tabla 1 de esta norma oficial mexicana, causen efectos negativos en las plantas de tratamiento de las aguas residuales municipales o en la calidad que éstas deben cumplir antes de su vertido al cuerpo receptor, podrán fijar condiciones particulares de descarga, en las que se establezcan límites máximos permisibles más estrictos para los parámetros previstos en la tabla 1 y en su caso, además límites máximos permisibles para aquellos parámetros que se consideren aplicables a la descarga, como pueden ser entre otros, los siguientes: Color, Fósforo total, Sulfuros, Nitrógeno total, Alcalinidad/acidez, Sólidos disueltos totales, Tóxicos orgánicos, Demanda química de oxígeno, Demanda bioquímica de oxígeno, Sólidos suspendidos totales, Metales pesados que no se incluyen en la tabla 1 e Hidrocarburos que no se incluyen en Tóxicos orgánicos.

5.4.3 Cuando el responsable de la descarga lleve a cabo cambios sustanciales en el proceso, que tenga como consecuencia una modificación de las características de las descargas, deberá reportarlo inmediatamente a la autoridad, acompañado de un análisis de sus efluentes.

5.5 Los responsables de las descargas deberán incluir en los reportes de la calidad de las aguas residuales a que se refiere la tabla 1 de esta norma oficial mexicana, los valores de los parámetros que resulten procedentes de conformidad con lo previsto en los puntos 5.2, 5.3, y 5.4 de esta norma oficial mexicana.

5.6 En el caso de que el responsable de la descarga, aún con un tratamiento secundario compruebe que no existe una tecnología accesible para cumplir con alguno de los parámetros fijados en la Tabla 1, tendrá el derecho de solicitar a la autoridad competente se le fijen condiciones particulares de descarga para este parámetro.

METODOLOGIA

Previamente a la descarga de aguas residuales se verificará que los parámetros aplicables a la descarga, como pueden ser los siguientes: Color, Dureza,Fósforo total, Sulfuros, Nitrógeno total, Alcalinidad/acidez, Sólidos disueltos totales, Tóxicos orgánicos, Demanda química de oxígeno, Demanda bioquímica de oxígeno, Sólidos suspendidos totales, Metales pesados e Hidrocarburos que no se incluyen en Tóxicos orgánicos.

Composición del agua residual

Esquema de una Depuradora de aguas residuales

MATERIAL* Pipeta volumétrica 25ml* Bureta* 2 Matraz Erlenmeyer* Soporte universal* Pinzas

Reactivos

* Indicador Negro de Eriocromo T (NET)* Disolución buffer de pH 10 (NH3 – NH4Cl)

Equipo:

Potenciómetro

Parrilla

Medidas de seguridad

EDTA

Properties

Molecular formula C10H16N2O8

Molar mass 292.24 g mol−1

Appearance Colourless crystals

Density 860 mg mL−1 (at 20 °C)

El EDTA y sus sales sódicas derivadas se utilizan para precipitar metales pesados tóxicos de manera que puedan ser excretados por la orina. La fijación de plomo, cadmio, níquel por el EDTA, muestra una relación favorable en el cuerpo humano, sin embargo, la unión a cobre, hierro y cobalto no es tan fuerte.

El EDTA quela óptimamente dentro de un estrecho margen de pH, dentro del cual están el pH de la sangre y de los líquidos tisulares. Para ser útil, el EDTA y cualquier agente quelante, deben tener un grado de pH de óptima actividad fijadora para cada metal.

El EDTA puede ser aplicado intravenosa o tópicamente. Aunque se

puede dar oralmente y su absorción en la vía digestiva es buena, se

prefiere administrar intravenosamente en virtud de ser más eficaz para

aumentar la tasa de excreción urinaria de los quelatos. Tras la

administración IV el fármaco se absorbe y después de 6 horas puede

detectarse en orina de un 60 a un 90% de la cantidad administrada. A

las 25 horas puede recuperarse hasta un 99%. El resto aparece en las

heces fecales. Los efectos farmacológicos del EDTA resultan de la

formación de quelatos con metales divalentes y trivalentes en el cuerpo.

En la forma de edetato de calcio disódico se aplica para quelar metales

con gran afinidad al quelante más que al calcio iónico. Es de gran

utilidad para quelar el plomo que se encuentra en hueso. En sangre, el

fármaco puede encontrarse en plasma y debido a que se excreta por vía

urinaria, el paciente debe ser evaluado cuidadosamente y certificar que

tiene una función renal adecuada. Se ha detectado un pequeño

porcentaje en el fluido espinal.

Hidróxido de sodio peligrosidad

Riesgos

Ingestión: Puede causar daños graves y permanentes al sistema

gastrointestinal.

Inhalación Irritación con pequeñas exposiciones, puede ser dañino o

mortal en altas dosis.

Piel: Los síntomas van desde irritaciones leves hasta úlceras graves.

Ojos: Puede causar quemaduras, daños a la córnea o conjuntiva.

Procedimiento

Cuantificación de dureza Ca

1. 50 mL de muestra se colocaron en un matraz. 2. Agregar  2 mL de la solución buffer para calcio.3. Agitar (el pH de la solución debe quedar entre 12 y 13). 4. Agregar 0.1 g de polvo indicador para calcio (murexida).5. Agitar de nuevo. Si el agua toma una coloración rosa, indicará la

presencia de calcio.6. Inicie la titulación de la muestra con la solución valorada de EDTA

(titule lo más rápido posible, después de adicionar el indicador). El vire es a un color púrpura-orquídea.

7. Tomar la lectura de mL de EDTA gastados.

Agua Potable Agua Residual Agua de RiegoBlanco 0.56 ml 2.82 ml 1.47 mlGasto 1 3.45 ml 35.89 ml 12.67 mlGasto 2 4 ml 33.53 ml 14.52 mlGasto 3 3.56 ml 37.61 ml 13.93 ml

Para esto se usó una solución valorada de EDTA 0.0078 N.

FUNDAMENTO E INTERPRETACION DE LA PRUEBA

Entre las múltiples aplicaciones que tiene la formación de complejos se puede destacar la cuantificación de cationes metálicos en disolución por valoración con disoluciones patrón de un agente complejante. Tales valoraciones son probablemente uno de los mejores métodos generales para la determinación de diversos iones metálicos en disolución con alta exactitud.

Uno de los reactivos más utilizados como valorante complexométrico es el ácido etilendiaminotetraacético (AEDT), el cual es un ácido tetraprótico que se representa de forma abreviada como H4Y. En inglés,

generalmente se denota como EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid). Los valores de sus pKa sucesivos son:

H4Y / H3Y- / H2Y2- / HY3- / Y4- 2.0 2.7 6.2 10.3

RESULTADOS

Para esto se usó una solución valorada de EDTA 0.0078 N.

Agua Potable Agua Residual Agua de RiegoBlanco 0.56 ml 2.82 ml 1.47 mlGasto 1 3.45 ml 35.89 ml 12.67 mlGasto 2 4 ml 33.53 ml 14.52 mlGasto 3 3.56 ml 37.61 ml 13.93 ml

CALCULOS

Ca +2 = V X N X 1000ml muestra

Ca +2 = V X N X 1000ml muestra

Muestra 1 Ca +2 = ( 35,89 ml - 2,82 ml BLanco) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 5,15892 M

Muestra 2 Ca +2 = (33,53 ml -2,82 ) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 4,78076 M

Muestra 2 Ca +2 = ( 37,61 - 2,82 ml X 0,0078 M X 1000)50 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 5,42724 M

Promedio Dureza

Ca +2 = 5,1223 M

AGUA RESIDUAL

Ca +2 = V X N X 1000ml muestra

Muestra 1 Ca +2 = ( 3,45-0,56 ml BLanco) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 0,45084 M

Muestra 2 Ca +2 = (4-0,56 ml -2,82 ) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 0,53664 M

Muestra 2 Ca +2 = ( 3,56-0,56 ml X 0,0078 M X 1000)50 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 0,468 M

Promedio Dureza

Ca +2 = 0,4852 M

AGUA POTABLE

Ca +2 = V X N X 1000ml muestra

Muestra 1 Ca +2 = ( 12,67-1,47 ml Blanco) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 1,7472 M

Muestra 2 Ca +2 = (14,52-1,47 ) X 0,0078M X 100050 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 2,0358 M

Muestra 2 Ca +2 = ( 13,93-1,47 ml X 0,0078 M X 1000)50 ml muestra

meq/ L Ca +2 = 1,94376 M

Promedio Dureza

Ca +2 = 1,9089 M

AGUA RIEGO

ANALISIS DE RESULTADOS

Durante la titulación con EDTA todos los iones CA ++ Y Mg ++ libres forman complejos; posteriormente el EDTA descompone el complejo débil para formar un complejo mas estable con los iones que causan dureza.

La determinación de la dureza es una prueba analítica útil que proporciona una medida de la calidad del agua para uso doméstico, agrícola o industrial. La prueba es de particular importancia en la industria porque el calentamiento del agua dura precipita el carbonato de calcio que luego obtura calderas y tuberías.

Con estos datos proporcionados podemos cuantificar la dureza que se presenta en el agua residual y al que le hemos restado el volumen gastado del blanco y el resultado obtenido es de 5.12, por lo tanto se clasifica en agua blanda.

CONCLUSIONES

Del total de aguas residuales que se generan a diario en el país, sólo 46%, en promedio, recibe un tratamiento para producir agua limpia o reutilizable. A la fecha, sólo 11 entidades del país han superado la meta establecida por el gobierno federal de alcanzar una cobertura de 60%. Actualmente existen en el País plantas de proceso para el tratamiento de aguas residuales, tecnología y métodos de tratamiento normalizados, la contaminación es un problema serio y cada ciudadano debe estar consciente de ello y empezar a tomar medidas que estén a nuestro alcance y posibilidad para corregir el deterioro del medio ambiente antes de que sea demasiado tarde y si una empresa no cumple con los limites permisible hay que exigir como ciudadanos cuentas y como futuros profesionistas a que conocer la normatividad, los procesos y métodos de verificación de la calidad del agua residual para exigir que las empresas que no cumplan y que envían agua residual fuera de los limites permisibles, sean sancionadas.

REFERENCIAS

Gil Rodríguez Manuel. (2006). Depuración de aguas residuales: Modelización de procesos de lodos activos. Editorial: Consejo superior de investigaciones científicas. España

R.S. Ramalho. (1996). Tratamiento de aguas residuales. Editorial: Reverté S.A. Londres.

N. Riaño Cabrera. (2007). Fundamentos de Química analítica básica. Análisis cuantitativo. 2da. Edición. Ed. Universidad de Caldas. Colombia.

Herbert A. Lgitinen, Walter E. Harris. Chemical Analysis.(1982) Editorial: Mc Graw Hill Book Company. Segunda edicion. New York Estados Unidos de Norte America

Walter J. Weber. (2003). Control de calidad del agua Procesos fisicoquímicos. Editorial: Reverté S.A. España.

APHA, AWWA, WPFC, 1995 Standard Metidos for Examination of Water and Wastewater, 19th de., U.S.A. (Métodos normalizados para el análisis del agua y aguas residuales. 19ª. Edición E.U.A.)

Manual de Muestreo, Mediciones de Campo en Cuerpos de Agua y Descargas de Aguas Residuales; Gerencia de Calidad, Reuso del Agua e Impacto Ambiental, Comisión Nacional del Agua, 1994.