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CAPÍTULO 10 ALCALINIDAD 10.1 Aspectos teóricos La alcalinidad de una muestra de agua es su capacidad para reaccionar o neutralizar iones hidronio (H + ) hasta un valor de pH igual a 4,5. La alcalinidad es causada principalmente por los bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos presentes en solución y, en menor grado, por los boratos, fosfatos y silicatos, que puedan estar presentes en la muestra. En un sentido estricto las principales especies causantes de alcalinidad y su asociación con una posible fuente de aguas, es la siguiente: Hidróxidos, OH ─ Aguas naturales, residuales e industriales Bicarbonatos, HCO 3 ─ Aguas naturales y residuales Carbonatos, CO 3 = Aguas naturales y residuales Bióxido de carbono, CO 2 Aguas subterráneas, residuales y/o profundas Silicatos, SiO 3 = Aguas subterráneas Bi-Silicatos, HSiO 3 ─ Aguas subterráneas Boratos, BO 3 ≡ , Aguas subterráneas y residuales agrícolas Monoboratos, HBO 3 = Aguas subterráneas y residuales agrícolas Biboratos, H 2 BO 3 ─ Aguas subterráneas y residuales agrícolas Fosfatos, PO 4 ≡ , ARD 1 , agrícolas e industriales Monofosfatos, HPO 4 = ARD, agrícolas e industriales Bifosfatos, H 2 PO 4 ─ ARD, agrícolas e industriales Pese a lo anterior, en la mayoría de los cuerpos de aguas naturales, la alcalinidad se halla asociada al “sistema carbonato”, esto es, a los carbonatos, bicarbonatos y ácido carbónico presentes. Por esta razón la alcalinidad suele tomarse como un indicativo de la concentración de estas sustancias (figura 10.1), sin que ello quiera decir que, para todos los casos, la alcalinidad se deba exclusivamente al sistema carbonato. Las aguas subterráneas relativamente antiguas que discurren por estratos arenosos constituyen una buena excepción, en donde la alcalinidad también se halla relacionada a los silicatos disueltos. La alcalinidad, en la mayoría de los cuerpos de aguas naturales, tiene su origen en el sistema carbonato, debido a que el bióxido de carbono y los bicarbonatos forman parte del metabolismo de los organismos vivos, aeróbicos o anaeróbicos, donde quiera que haya agua, materia orgánica y unas condiciones mínimas de supervivencia. Ya que esta posibilidad es frecuente en la mayoría de los cuerpos de agua que nos rodean, el “sistema carbonato” está presente en todos ellos: M. O. + O 2 / Fe 3+ / NO 3 ─ , etc. → CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 ≈ 100 mg de CO 2 / litro de agu a a CN 2 1 ARD: Aguas residuales domésticas. 2 CN: Condiciones normales, una atmósfera de presión y 25 ºC de temperatura.
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CAPTULO 10 ALCALINIDAD
10.1 Aspectos tericos La alcalinidad de una muestra de agua es su capacidad para reaccionar o neutralizar iones hidronio (H+) hasta un valor de pH igual a 4,5. La alcalinidad es causada principalmente por los bicarbonatos, carbonatos e hidrxidos presentes en solucin y, en menor grado, por los boratos, fosfatos y silicatos, que puedan estar presentes en la muestra. En un sentido estricto las principales especies causantes de alcalinidad y su asociacin con una posible fuente de aguas, es la siguiente: Hidrxidos, OH Aguas naturales, residuales e industriales Bicarbonatos, HCO3
Aguas naturales y residuales Carbonatos, CO3
= Aguas naturales y residuales Bixido de carbono, CO2 Aguas subterrneas, residuales y/o profundas Silicatos, SiO3
= Aguas subterrneas Bi-Silicatos, HSiO3
Aguas subterrneas Boratos, BO3
, Aguas subterrneas y residuales agrcolas Monoboratos, HBO3
= Aguas subterrneas y residuales agrcolas Biboratos, H2BO3
Aguas subterrneas y residuales agrcolas Fosfatos, PO4
, ARD1, agrcolas e industriales Monofosfatos, HPO4
= ARD, agrcolas e industriales Bifosfatos, H2PO4
ARD, agrcolas e industriales Pese a lo anterior, en la mayora de los cuerpos de aguas naturales, la alcalinidad se halla asociada al sistema carbonato, esto es, a los carbonatos, bicarbonatos y cido carbnico presentes. Por esta razn la alcalinidad suele tomarse como un indicativo de la concentracin de estas sustancias (figura 10.1), sin que ello quiera decir que, para todos los casos, la alcalinidad se deba exclusivamente al sistema carbonato. Las aguas subterrneas relativamente antiguas que discurren por estratos arenosos constituyen una buena excepcin, en donde la alcalinidad tambin se halla relacionada a los silicatos disueltos. La alcalinidad, en la mayora de los cuerpos de aguas naturales, tiene su origen en el sistema carbonato, debido a que el bixido de carbono y los bicarbonatos forman parte del metabolismo de los organismos vivos, aerbicos o anaerbicos, donde quiera que haya agua, materia orgnica y unas condiciones mnimas de supervivencia. Ya que esta posibilidad es frecuente en la mayora de los cuerpos de agua que nos rodean, el sistema carbonato est presente en todos ellos: M. O. + O2 / Fe
3+ / NO3, etc. CO2 + H2O
CO2 + H2O H2CO3 100 mg de CO2 / litro de agua a CN
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1 ARD: Aguas residuales domsticas. 2 CN: Condiciones normales, una atmsfera de presin y 25 C de temperatura.
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H2CO3 H+ + HCO3
Primera disociacin. HCO3
H+ + CO3= Segunda disociacin.
[H+][HCO3
] KA1 = ---------------- = 10
6,34 [H2CO3]
[H+][CO3=]
KA2 = ---------------- = 1010,25
[HCO3]
Debido a que el ion bicarbonato tiene caractersticas anfteras, una de las principales consecuencias de la existencia del sistema carbonato en el agua, consiste en que ste, le imparte a la misma una ligera capacidad buffer. As, la cantidad o concentracin del sistema carbonato en el agua determina su capacidad amortiguadora, mientras que la proporcin entre los componentes de dicho sistema, CO2, HCO3
y CO3=, determinan su valor de pH, figura 10.1.
pH y Sistema Carbonato. TSA-01-2003
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
X(F
RA
CC
ION
MO
LA
R) H2CO3
HCO3
CO3=
FIGURA 10.1 SISTEMA CARBONATO EN EL AGUA. FUENTE: AUTOR
La alcalinidad en el agua se expresa como la concentracin equivalente de iones hidroxilo, en mg/l, o como la cantidad equivalente de CaCO3, en mg/l. La alcalinidad, entendida como la concentracin de metales alcalinotrreos, tiene importancia en la determinacin de la calidad del agua para riego y es, adems, un factor importante en la interpretacin y el control de los procesos de purificacin de aguas residuales. La alcalinidad se mide por titulacin de una alcuota de muestra con HCl o H2SO4 de concentracin 0,02 N, utilizando indicadores como fenolftalena, cuando las muestras tienen un pH mayor de 8,3 o naranja de metilo, en caso contrario. En el primer caso se habla de alcalinidad P o alcalinidad a la phenolphtaleine, mientras que en el segundo caso se habla de alcalinidad M o alcalinidad al Methyl orange. La figura 10.2 facilita la escogencia de un indicador para las mediciones de alcalinidad o acidez. Ya que la alcalinidad es una funcin directa del sistema carbonato en la muestra, los valores de alcalinidad obtenidos in situ suelen diferir de los obtenidos en el laboratorio sobre muestras que
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han sido transportadas, debido a que stas pueden absorber o desprender CO2, antes de la medicin en el laboratorio. Esta variacin es especialmente importante en muestras de agua subterrnea provenientes de acuferos confinados o en muestras provenientes de aguas profundas, debido a que los equilibrios de disolucin de los gases contenidos, estn determinados por las presiones imperantes a dichas profundidades.
Azul de T
imol
Am
ari
llo d
e M
etilo
Rojo
de M
etilo
A
zul de B
rom
otim
ol
R
ojo
de F
enol
T
imolfta
lein
a
9876543210
1413121110
Nara
nja
de M
etilo
Fenoftale
ina
Am
ari
llo d
e A
liza
rina
Azu
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Bro
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enol
Vio
leta
de M
etilo
FIGURA 10.2. INDICADORES COMUNES Y SUS RANGOS DE VIRAJE. FUENTE: AUTOR
Para efectos de obtener el valor ms real posible de la alcalinidad en el agua del acufero o a la profundidad del muestreo, es importante medir la alcalinidad In Situ o en la boca del pozo; para efectos de obtener un mejor balance inico en los resultados analticos conjuntos de estas muestras, puede ser preferible dejar equilibrar la muestra a la presin atmosfrica del laboratorio, antes de realizar la medicin, figura 10.3.
FIGURA 10.3 ALCALINIDAD P. FUENTE: AUTOR
10.2 Materiales e instrumentos
Agitador magntico. Pipetas aforadas de 25, 50 y 100 ml. Erlenmeyers de 250 ml. Bureta de 25 o 50 ml. Frasco lavador.
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10.3 Reactivos
Solucin patrn de acido clorhdrico o sulfrico, de concentracin 0,02 N
Solucin indicadora mixta de verde de bromocresol (viraje de amarillo a azul cuando el pH pasa de 4,0 a 5,6) y rojo de metilo (viraje de rojo a amarillo cuando el pH pasa de 4,4 a 6,2). Disuelva 100 mg de verde de bromocresol sal sdica y 20 mg de sal de sodio de rojo de metilo, en 100 ml de agua destilada.
Solucin alcohlica de fenolftaleina.
Solucin de tiosulfato de sodio.
Agua destilada.
10.4 Rutina
Mida una alcuota de 25, 50 o 100 ml de muestra en un erlenmeyer de 250 ml.
Si la muestra contiene cloro residual, adicione unas gotas de solucin de Tiosulfato.
Agregue dos gotas de fenolftalena. Si la solucin se torna fucsia, titule con H2SO4 0,02 N, agitando hasta desaparicin del color en la solucin y registre el dato como alcalinidad P.
A la muestra en la cual determin la alcalinidad anterior, adicione 3 gotas de solucin de
indicador mixto y titule con H2SO4 0,02N hasta cambio de verde a salmn (amarillo-rojizo).
10.5 Clculos y expresin de los resultados Los resultados se calculan con base en la ecuacin V1 x N1 = V2 x N2 y se expresan en mg CaCO3 teniendo en cuenta que 1 mili equivalente de ion hidroxilo, equivale a 50 mg de carbonato de calcio, CaCO3.
10.6 Prctica de laboratorio La parte experimental de ste y el anterior captulo tiene por objeto correlacionar el fundamento de las mediciones con la operatividad en el laboratorio. Se espera que el estudiante adquiera habilidad y prctica en la ejecucin de estas mediciones y destreza para correlacionar las observaciones experimentales con las reacciones qumicas que rigen cada proceso. Adems de realizar las mediciones de acidez o alcalinidad en las muestras de rutina, durante esta prctica se medir la acidez mineral y carboncea de una muestra artificial que puede estar representada por una bebida artificial tipo Limonada Postobn, Seven Up o cualquier bebida ctrica incolora y la alcalinidad P y M de otra muestra artificial que esta representada por una solucin acuosa de bicarbonato de sodio, lechada de cal, creolina, o, de un blanqueador comercial libre de cloro3.
3 El cloro reacciona con la fenolftaleina, descomponindola e inutilizando sus bondades como indicador.
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Tome una alcuota de 100 ml con pipeta aforada en un erlenmeyer de 250 ml.
Adicionar 3 gotas de Indicador Fenolftaleina.
Adicionar 3 gotas de Indicador N. de Metilo.
Acidez pH < 5
Si el pH es menor de 4
Si el pH es menor de 6
Titule con NaOH 0,02 N hasta viraje de Naranja a Amarillo y registre el volumen consumido como ACIDEZ MINERAL
Titule con NaOH 0,02 N hasta viraje de Incoloro a Rosado y registre el volumen consumido como ACIDEZ CARBONACEA
Tome una alcuota de 100 ml con pipeta aforada en un erlenmeyer de 250 ml.
Adicionar 3 gotas de Indicador N. de Metilo
Adicionar 3 gotas de Indicador Fenolftaleina
Alcalinidad pH > 6
Si el pH > 8,5
Si el pH < 8,5
Titule con cido 0,02 N, hasta viraje de Rosado a Incoloro y registre el volumen consumido como ALCALINIDAD P
Titule con cido 0,02 N, hasta viraje de Amarillo a Naranja y registre el volumen consumido como ALCALINIDAD M
Diagrama de Flujo. Mediciones de Acidez y Alcalinidad.
