Precipitación disolución química de coordinación oxidación reducción

Precipitación DisoluciónQuímica de Coordinación

Oxidación -Reducción

PRECIPITACION Y SOLUBILIDAD

Fenómenos de gran importancia tanto en las aguas en su estado natural como en su tratamiento .

Están basados en el fenómeno de precipitación los siguientes tratamientos :

- Ablandamiento con cal-soda -Remoción de Hierro -Coagulación con sales metálicas -Remoción de Fósforo

NUCLEACION

El núcleo es una partícula fina sobre la cual la formación espontánea o la precipitación de un sólido puede llevarse a cabo.

La resina polímero-cerámica posee centros de nucleación a escala atómica. Estos centros atraen las sales de calcio y magnesio "obligándolas" a cristalizar por la alta concentración en la superficie de la

resina.  

Una vez que el cristal ha alcanzado un cierto tamaño este se desprende y se transforma en un "seed" o semilla, la cual continua cristalizando con las sales presentes en las

líneas.  

imágen de microscopía electrónica de un cristal semilla.

PRODUCTO DE SOLUBILIDAD - Kps

El producto de solubilidad es el nombre dado a la constante de equilibrio que describe la reacción en la cual un precipitado se disuelve en agua pura para formar sus iones constituyentes .

En general para una sustancia AmBn

AmBn mA- + nB +m

Tendría un producto de solubilidad

Kps = [ A-n] m [ B+m]n

CONSIDERACIONES

a. Sí [ A-n] m [ B+m]n >> Kps la sustancia se precipita

b. Sí [ A-n] m [ B+m]n << Kps la sustancia se disuelve

c. . Sí [ A-n] m [ B+m]n = Kp Se tiene una disolución

saturada de la sustancia

EL CARÁCTER CORROSIVO

Se entiende por corrosión el proceso de oxidación de los metales, durante su interacción con el medio ambiente y en especial, con el aire y el agua.

La formación de depósitos de óxido férrico, débilmente adheridos a la superficie del metal.

La reducción del calibre de las tuberías de conducción, por disolución del metal en un fluido corrosivo.

EN ESTRUCTURAS DE Fe LA CORROSION SE MANIFIESTA MEDIANTE:

FACTORES QUE IMPELEN CARÁCTER CORROSIVO AL AGUA

• Valores de pH inferiores a 7, indican aguas ácidas que favorecen el carácter corrosivo del agua.

• Concentraciones de Oxígeno Disuelto mayores a 2 mg/l, confieren un carácter corrosivo adicional.

* La presencia de gases disueltos de naturaleza ácida, tales como el CO2 y el H2S, (especialmente este último), le confieren al agua un carácter fuertemente corrosivo.

DAÑOS POR CORROSION

DAÑOS POR CORROSION

TRATAMIENTO DE AGUAS CORROSIVAS

Es importante tratar las aguas agresivas o corrosivas mediante las técnicas apropiadas según cada caso:

Neutralización con cal o carbonato de calcio

Filtración usando como medio filtrante el mármol o alguna zeolita o arcilla básica

INCRUSTACION

Es un depósito , una capa densa y dura de alta capacidad adherida a las superficies metálicas internas en equipos de transferencia de calor.

Generalmente está formado por sólidos Inorgánicos , Sulfatos, Carbonatos, Nitratos y cloruros de Calcio, Magnesio, Manganeso, Sílice y otros de difícil remoción química y mecánica.

DAÑOS POR INCRUSTACION

La “Incrustación”, es un fenómeno de deposición de minerales sobre la superficie interna de las tuberías que transportan un fluido. Los fenómenos de incrustación traen como consecuencia una reducción en el diámetro efectivo de conducción de las tuberías, que se traduce en una disminución del caudal de diseño y/o en un aumento de la presión interna, que termina finalmente por reventar las tuberías.

EL CARÁCTER INCRUSTANTE

FACTORES QUE IMPELEN CARÁCTER INCRUSTANTE AL AGUA

pH mayores a 7,5 aguas con tendencias incrustantes. Dureza Carbonatada > 300mg/l incrustación por precipitación de carbonato de calcio.

Concentraciones de hierro : Fe >0,5 ppm y/o Mn > 0,2 ppm, óxidos e hidróxidos de Fe

INDICE DE LANGELIER

Es definido como la diferencia entre el pH actual ( o medido de un agua ) y el valor del pH hipotético, si estuviera en equilibrio con el CaCO3 (s).

I. L = pHa - pHs

Donde : pHa = pH actual del agua pHs= pH del agua si estuviera en equilibrio con

CaCO3 (s) a las concentraciones del HCO3

- y Ca+2 en solución.

Si I. L = 0 El agua está en equilibrio con el CaCO3(s)

I. L > 0 El agua está saturada con respecto al CaCO3 (s) y tendería a precipitar

el CaCO3 (s) INCRUSTANTE

I. L< 0 El agua no está saturada con respecto CaCO3(s) y tenderá a disolver el CaCO3 (s) CORROSIVA

INDICE DE LANGELIER

ÍNDICE DE SATURACIÓN DE LANGELIER, LSI

La forma más ampliamente conocida para medir la estabilidad del agua es el desarrollado por Wilfred Langelier y expresado por la ecuación:

en donde: TF representa el “Factor de Temperatura”,

HF, el “Factor de Dureza”

AF el “Factor de alcalinidad”.

LSI = pH + TF + HF + AF ─ 12,1

APLICACIÓN DEL ÍNDICE DE LANGELIER.

LSI = 0 agua en condiciones óptimas de estabilidad.

LSI > 0 aguas de naturaleza incrustante LSI < 0 aguas de naturaleza corrosiva.

Ya que el agua en condiciones óptimas de saturación no es muy frecuente, se toleran variaciones de ± 0,5 en la aplicación del índice de Langelier.

QUIMICA DE COORDINACION

EDTA-Ca

QUÍMICA DE COORDINACIÓN

Es la parte de la química que se encarga del estudio de la formación, propiedades y reactividad de los complejos metálicos (generalmente metales de transición y sus ligandos)

COMPUESTO DE COORDINACION O COMPLEJO

Está compuesto por uno o más átomos o iones centrales, generalmente metales, con número de iones o moléculas que los rodean llamados LIGANDOS.

CLASES DE COMPLEJOS

-NO IONICOS Cl - Hg - Cl

-CATIONICOS Cu (NH3)+2

-ANIONICOS (EDTA -Ca) -2

MONODENTADOS SE FIJAN EN SOLO SITIO H2O, OH-, Cl-, CN-

MULTIDENTADOS SE FIJAN EN MAS DE UN SITIO COMPLEJO QUELATO

OO O O O O

Cl -Hg- ClCl -Hg- Cl M C=OM C=O M S M S

O O OO O O

MONONODENTADOMONONODENTADO MULTIDENTADOS MULTIDENTADOS

TIPOS DE LIGANDOS

COMPLEJOS MONONUCLEARESSon los que contienen un ión metálico central

COMPLEJOS POLINUCLEARESPoseen más de un ión metálico central

TIPOS DE COMPLEJOS

Se forman de la condensación (deshidratación ) de complejos mononucleares de hidroxoaluminio (III)

Al(H2O)6+3 + H2O Al (H2O)5 (OH)+2 +H3O+

ión ión

hexaacuoaluminio (III) monohidropentaacuoaluminio (III)

COMPLEJOS POLINUCLEARES DE HIDROXOALUMINIO (III)

+2 +2H2O HO

(H2O)4 - Al + Al - (H2O)4

H2O H2O

Complejos mononucleares

H O

(H2O)4 -Al Al - (H2O)4 + 2H2O O

H Complejo polinuclear

NUMERO DE COORDINACION Número total posible de enlaces a un átomo o ión

central , o el número total de especies coordinadas.

CO H2O Cl H2O H2O

CO Ni +2 CO Fe+3 Fe

H2O H2O CO H2O Cl Cl

No de coordinación No de coordinación No de Coordinación coordinación 4 6 3

ESTABILIDAD DE LOS COMPLEJOS

LIGANDO + ION METALICO COMPLEJO

Ejemplo:

NH3 (ac) + Cu +2 Cu(NH3)+2

[Cu(NH3)+2 ] / ( [Cu +2 ] [NH3 (ac)]) = 10 4 = K = Constante de ` estabilidad

K = constante de formación o estabilidad.

K de la reacción inversa = constante de disociación o inestabilidad

PAUTAS GENERALES SOBRE ESTABILIDAD DE COMPLEJOS1. CATIONES METALICOS -AALCALINOS Na+ Y K+ y ALCALINOTERREOS Ca+2 Y Mg+2

Y OTROS COMO EL Al+3 Y Si +4

SE COORDINAN CON LIGANDOS QUE CONTIENEN O COMO DADOR DE ELECTRONES: CO3

= , OH- , BO4-.

2. CATIONES METALICOS -B Ag+ , Zn+2, Hg+2, Pb+2, Sn +2

TIENEN GRAN TENDENCIA A FORMAR COMPLEJOS CON LIGANDOS QUE CONTENGAN S, P Y N COMO DADOR DE ELECTRONES : NH3 , SO4

= , PO4 -3 .

LOS METALES DE TRANSICION Cr+3 , Fe +3 , Ni+2

TIENEN UNA GRAN TENDENCIA A FORMAR COMPLEJOS CON GRAN VARIEDAD DE LIGANDOS.

3. LOS METALES ALCALINOS

FORMAN COMPLEJOS MAS INESTABLES Y RARA VEZ CON LIGANDOS DIFERENTES A H2O.

4. LOS LIGANDOS PRESENTAN VARIACIONES EN SU

CAPACIDAD DE FORMAR COMPLEJOS , ASI POR EJEMPLO , LOS FOSFATOS EL OH- Y EL CO3

= SON LIGANDOS FUERTES , MIENTRAS EL PERCLORATO ,ClO4

- Y EL NITRATO ,NO3

- SON DEBILES .

COMPLEJOS DE CU+2 CON AMINAS

ETILENAMINA

K=10 11

DIETILENAMINA

K=1016

TRIETILENDIAMINA

K=1020

H2N - CH2 - CH2 - NH2

Cu2+

CH2CH2

CH2 CH2

H2N

HN

NH2Cu2+

CH2CH2

CH2 CH2

H2N

HN

NHCu2+

H2N - CH2 - CH2

ESTABILIDAD DE LOS QUELATOS

1. LA ESTABILIDAD DE LOS QUELATOS AUMENTA CON EL INCREMENTO DEL NUMERO DE SITIOS DE COORDINACION ENTRE EL AGENTE QUELANTE Y EL ION METALICO CENTRAL , LO QUE SE CONOCE COMO EL EFECTO QUELANTE.

2. SI SE INTRODUCE UN LIGANDO QUE FORME COMPLEJOS CON DOS IONES METALICOS A UNA SOLUCION QUE LOS CONTENGA EN IGUAL CONCENTRACION , SE FORMARA PRINCIPALMENTE LOS QUE TENGAN MAYOR CONSTANTE DE ESTABILIDAD.

3. EN LA COMPENTENCIA DE UN NUMERO DE LIGANDOS POR UN ION METALICO SIMPLE Y LA COMPETENCIA DE UN NUMERO DE IONES METALICOS POR UN LIGANDO SIMPLE SE FORMARA PREFERENCIALMENTE EL COMPLEJO CON MAYOR CONSTANTE DE ESTABILIDAD.

COMPLEJOS DE Ca+2 Y Mg+2

Ca+2 + EDTA-4 (EDTA-Ca)-2 K=10 10.7

Mg+2 + EDTA-4 (EDTA-Mg)-2 K=10

8.7

DEBIDO A QUE LA CONSTANTE DE ESTABILIDAD DEL COMPLEJO (EDTA-Ca)-2 ES MUCHO MAYOR QUE LA DEL COMPLEJO (EDTA-Mg)-2 , LA REACCION DEL EDTA-4 Y EL Ca+2 SE COMPLETA VIRTUALMENTE ANTES DE LLEVARSE A CABO CUALQUIER REACCION ENTRE EL EDTA-4 Y EL Mg+2

QUELATO HEMOGLOBINA-Fe

QUELATO DE HEMOGLOBINA

DUREZA

La DUREZA es una característica química del agua que está determinada por el contenido iones multivalentes, principalmente calcio y magnesio.

FUENTES DE DUREZA

Los iones naturales más abundantes en las aguas naturales son el calcio y el magnesio.

En pequeña proporción iones como Fe+2, Mn+2, Sr+2 y Al+3.

Para propósitos prácticos la dureza puede ser representada por la suma de los iones Ca+2 y Mg+2.

CLASES DE DUREZA

- DUREZA TEMPORAL CARBONÁTICA Se debe a la presencia de carbonatos y bicarbonatos

cálcico y magnésico. Se puede remover por ebullición o agregando la cantidad equivalente de hidróxido cálcico (cal apagada) o soda cáustica.

- DUREZA PERMANENTE NO CARBONÁTICA No se debe a carbonatos sino a la presencia en el

agua de sulfatos, cloruros, nitratos y silicatos alcalinotérreos. Se remueve mediante el carbonato de sodio.

La dureza carbonatada es sensible al calor y precipita fácilmente a temperaturas altas

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

Mg(HCO3)2 Mg(OH)2 + 2 CO2

IMPACTOS

La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles.

En calderas y sistemas enfriados por agua, se producen incrustaciones en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor

CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGÚN SU DUREZA

RANGO (mg/l CaCO3)

Menor de 50

50 - 150

150 - 300

Mayor de 300

CLASIFICACION

SUAVE

MODERADAMENTE

DURA

DURA

MUY DURA

Los jabones de sodio reaccionan con los cationes metálicos multivalentes para formar un precipitado, perdiendo además sus propiedades surfactantes.

Una reacción típica de catión divalente es:2NaCO2C17H33+Catión+2 Catión+2(CO2C17H33)2+2Na+

El Efecto limpiador del jabón no ocurre hasta que los iones de dureza son precipitados por ablandamiento del agua por el jabón.

EDTA

K DE COMPLEJOS

NEGRO DE ERIOCROMO - EB-T

REACCION DEL EBT CON EL Mg+2

-N=N-

OHOH

SO3H

O2N

-N=N-

OO

SO3H

O2N

+ Mg2+

+ 2H+

Mg

ETB (Azul)

ETB – Mg (rojo)

OXIDACIÓN-REDUCCIÓN

Las frutas contienen hierro, cuando cortamos la fruta este hierro toma contacto con el oxigeno del aire y se oxida, por eso adquiere ese color rojizo o amorronado, un buen ejemplo es la manzana, esta fruta tiene mucho hierro en su composición química, a los pocos minutos de cortarse se pone de color rojizo.

Básicamente se produce por la presencia en los tejidos de una enzima llamada poli fenol oxidasa (PPO) y cuando uno corta una manzana, con el corte se libera la enzima que se encuentra en las células de la fruta. Al liberarse, la enzima oxida (para esto interviene oxígeno) los fenoles (compuestos aromáticos) presentes en las células.Esta reacción produce compuestos de color marrón.

REACCION REDOX

Una reacción redox está constituida por

dos(2)partes o semireacciones: OXIDACIÓN: En la cual una sustancia pierde o

dona electrones. Fe+2 Fe+3 + e-

REDUCCION: En la cual una sustancia gana o acepta electrones:

Fe+2 + 2e- Fe0

Toda reacción de oxidación debe estar acompañada de una reducción, pues no pueden existir electrones libres en solución.

EQUILIBRIO REDOX

Existe una analogía conceptual entre las reacciones ácido base y las oxido reducción.

ACIDOS Dadores de protones BASES Aceptores de protones

AGENTES Dadores de electrones REDUCTORES

(Se oxidan) AGENTES Aceptores de electrones OXIDANTES

(Se reducen)

NUMERO DE OXIDACION

Es la carga hipotética sobre un átomo luego de que haya compartido sus electrones libres.

Ejemplo: Na+ Número de oxidación =+1

Cl - Número de oxidación =-1

1.En los elementos libres cada átomo tiene un número de oxidación.

2.En los iones simples, el número de oxidación es igual a la carga del ión.

3.Los halógenos tienen un número de oxidación de 1-

4.En la mayoría de compuestos, el oxígeno tiene un número de oxidación de 2-.

5.En la mayoría de los compuestos, el hidrógeno tiene un número de oxidación de 1+.

6.En las moléculas neutras el Nro. de oxidación es cero. 7.En los iones complejos el Nro. de oxidación resulta de la

carga del ión.

Los fundamentos de los números o estados de oxidación son:

POTENCIAL DE OXIDACION - REDUCCION

Nos sirve para determinar la dirección de una reacción de oxidación -reducción . Aquel ión que presente el mayor potencial de oxidación será el que oxida y se reducirá aquel que tenga el menor potencial.

RELACION ENTRE G0 y E0

c

Go = -nFEo c

Donde:

n = Número de electrones que se intercambian en la reacción.

F =constante de Faraday,

23.06 Kcal /v-equiv( 96500 Coul/eq)

Luego :

Eoc > 0 G o < 0 reacción espontánea

Eoc < 0 G o > 0 reacción no espontánea

Eoc es independiente de la estequiometría de la reacción

ECUACION DE NERNST

Conociendo :G = Go + RT ln Q dividiendo entre -nF:

- G/nF = - Go/nF - RT /nF ln Q E = Eo - RT/nF lnQ

E = Eo - (0,059 / n ) Log Q Ecuación de Nernst

Aplicaciones de las reacciones de Oxidación - Reducción

La solubilización y precipitación del hierro y del manganeso, en el tratamiento de aguas subterráneas.Uso de cloro y ozono en el tratamiento de agua residual para la desinfección.El tratamiento del agua residual, la eliminación del nitrógeno mediante denitrificación. En los digestores anaerobios de agua residual / lodos que producen metano/En las plantas de tratamiento de agua residual municipal e industrial, la oxidación de sustancias orgánicas, caracterizadas por las reducciones de la DBO o la DQO.La corrosión de los metales.

APLICACIONES EN AGUAS

•Existe un equilibrio entre los agentes oxidantes y reductores. •La materia orgánica se encuentra reducida y tiende a oxidarse, es reductora, ya que al oxidarse tiene que reducir a otro de los materiales del suelo. •Por el contrario el oxígeno es oxidante. •Por otra parte hay muchos elementos químicos que funcionan con valencias variables, pudiendo oxidarse o reducirse según el ambiente que predomine.

EQUILIBRIO REDOX EN SUELOS

En los suelos normales el ambiente es aireado y por tanto la tendencia general es oxidante.

En los suelos hidromorfos la saturación en agua tiende a provocar un ambiente reductor

Los valores de pH y potencial redox (medidas Eh) delimitan los campos de estabilidad de los materiales del suelo.