Tema 15. Hidrogeoquímica

8/4/2019 Tema 15. Hidrogeoquímica

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V-HIDROGEOQUÍMICA Y CONTAMINACIÓN

Tema 15. Hidrogeoquímica

1. La molécula del agua2. Propiedades del agua3. Características físico-químicas

4. Constituyentes de las aguas subterráneas



La molécula del agua

•H20

•D2O agua pesada•T2O agua hiperpesada•HDO agua semipesada•O17 y O18 18 formulaciones diferentes•Polaridad eléctrica•Enlace no estrictamente covalente

H

H

O 105

+

Puente de hidrógeno

Estructura tetraédrica

del agua

Reagrupamiento de

moléculas alrededor

de un catión



PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA

•Densidad 1 a 3,98 °C•Solidifica a 0° C aumento de volumen

•Elevado valor de tensión superficial•Calor de vaporización muy elevado (540 cal/g)•Calor de fusión (60 cal/g) portador de calor•Viscosidad < a > p (valores bajos)•Conductividad térmica muy elevada

•Disolvente más universal (liq, sol, gas)•Fuerte poder ionizante•Constante dieléctrica elevada•Conductividad eléctrica muy baja estado puro

(0,045 μS/cm a 18 ºC)

•Oxidante; moléculas disociadasO g O dis

NaCl Na Cl

NH g NH dis

NH dis NH OH NH OHH O CaCO CO g Ca HCO Ca H O

H O

H O

H O

H O H O

2 2

3 3

3 4 42 3 2 2 3 2 2 2 3

2

2

2

2 2

( ) ( )

( ) ( )

( )( )



Conductividad: como consecuencia de su contenido iónico, el agua se

hace conductora a la electricidad.Aumenta con la concentración iónica y con T (18 o 25 °C > 1%/ °C)La unidad de medida es el μS/cm ó μmho/cm. ConductivímetrosConductividad en aguas dulces: 100-2000 μS/cmConductividad en agua de mar: 45.000Conductividad en salmueras:100.000 μS/cm.

Características físico-químicas

Temperatura: zona neutra en los acuíferos. Por encima, variacionesdiarias o estacionales de la T ambiente (radiación solar); por debajo,

gradiente geotérmico (3ºC/100 m)(flujo calorífico interno). Franjas deHeterotermia y Homotermia.La distribución espacial de T en un acuífero depende de:- la conductividad térmica e hidráulica del medio,- la relación longitud/profundidad de la cuenca,- configuración del nivel freático,

- distribución de la temperatura ambiente respecto a las zonas derecarga y descargaMedida de T in situ. TermistoresParámetro importante en el control del quimismo de las aguas



Características físico-químicas (cont.)

Densidad: masa de 1 l de agua (g/cm3). 1 a 1,025 mar

Color: capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible.Causas internas e externas. Método Platino-Cobalto (Cl3Co + Cl6PtK2).Unidad 1 mg/l de Pt. Naturales < 5 mg/L Pt

Turbidez: Dificultad para transmitir la luz. ppm SiO2.> 9 ppm muy turbia

Sabor y Olor: Características organolépticas. Medida por dilución hastadesaparición. Se expresa como relación vol empleado/vol original sales, M.O. descomposición

Resíduo seco: sustancias que permanecen después de la evaporación de

un volumen determinado de agua, generalmente un litro, una vezeliminadas las que hubieran estado en suspensión. mg/l (110 o 180 °C).

Σcat + Σan –1/2 HCO3

R.S. en aguas dulces: 50-1500 mg/lR.S. en agua de mar: 35.000 mg/lR.S. en salmueras: 300.000 mg/l



Características físico-químicas (cont.)TSD: peso de todas las sustancias disueltas en el agua, sean o novolálites. No es exactamente igual al RS debido a procesos dedeshidratación, pérdidas de CO2, etc.. que tienen lugar al calentar el

agua a 110 ºC para obtener el residuo seco. Calculado.

TAC y TA: La alcalinidad de un agua determina su capacidad paraneutralizar ácidos.

La alcalinidad TAC mide la capacidad de neutralización hasta pH=4,5La alcalinidad TA hasta pH=8,3.En la mayoría de las aguas naturales la alcalinidad está producida por losiones carbonato y bicarbonato aunque, en ocasiones, otros ácidos débilescomo el silícico, fosfórico, bórico y ácidos orgánicos pueden contribuir deforma notable.

TAC: 100-300 mg/l de CaCO3, TA: 0-10 mg/l de CaCO3.

pH: -log<H+>. 6,5-8 (18 o 25 ºC), 8: agua de mar; 3-11excepcionalmente. > a >T. 8%/°CEl pH juega un papel importante en muchos procesos químicos ybiológicos de las aguas subterráneas naturales (equilibrio carbonático,

procesos redox, etc..). Es fácilmente alterable por lo que sudeterminación debe hacerse en el momento de la toma de la muestra.Determinación in situ. pH-metros.



Características físico-químicas (cont.)

Dureza: Mide la capacidad del agua para consumir jabón o producirincrustaciones. Aunque en la reacción con jabón para producir

compuestos insolubles pueden intervenir Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Ba, Zn,etc.., actualmente la dureza se mide en términos de contenido en Ca yMg (dureza total).Dureza permanente y dureza temporal representan la parte de la durezaasociada al Cl y al SO4 y la parte a las especies carbónicas,respectivamente.

La dureza suele expresarse en mg/l de CaCO3 o en grados franceses : ºF= 10 mg/l de CaCO3. aguas duras: incrustantes, blandas: agresivas

DQO y DBO: La demanda química de oxígeno mide la capacidad de unagua para consumir oxidantes en procesos químicos (materia orgánica

oxidable, FeII, MnII, NH4, etc..).La demanda bioquímica de oxígeno es la cantidad de oxígeno precisapara eliminar, por procesos biológicos aerobios, la materia orgánicacontenida en un agua. Suele referirse a un periodo de cinco días.Aguas naturales DQO:1-15 mg/l, aguas subterráneas DBO5 < 1 mg/l deO2



Se mide también en NTU

nephelometric turbidity units

5 50 500 NTU

Turbidímetro manual



Sensor de turbidez

Sensor de conductividad

Turbidímetro

en continuo Detalle



SONDA CONDUCTIVIDAD

Y TEMPERATURA



Cl-: El ión cloruro no forma sales de baja solubilidad, no se oxidani se reduce en aguas naturales, no es adsorbidosignificativamente ni entra a formar parte de procesosbioquímicos, lo que le da un carácter de trazador casi ideal. Ion

conservativo. Usado cálculo infiltración. 10-250 mg/l en dulces;18.000-20.000 mar; salmueras, hasta 200.000.

• Lluvia (núcleos de condensación). Hasta 100 ppm normalmente<30 ppm. Disminuye con distancia al mar.• Aguas congénitas y fósiles

• Intrusión marina• Terrenos evaporíticos• Contaminación residuos sólidos y líquidos urbanos• Lavados suelos tras el estío

Constituyentes mayoritarios

ANIONES



SO2-4: Sales moderada a muy solubles.

El comportamiento del ión sulfato puede desviarsesignificativamente del teórico predecible en base a los principios

de su disolución, por su tendencia a formar iones complejos conNa y Ca y a incorporarse a procesos biológicos.El ión sulfato está sujeto a procesos de reducción,especialmente en presencia de bacterias y materia orgánica. Enambientes reductores, a pH menor que 7, la forma reducida

estable es el H2S, mientras que en soluciones alcalinaspredomina el HS-.En aguas dulces, la concentración normal de sulfatos puedevariar entre 2 y 150 mg/l. En aguas salinas, asociado al Ca,puede llegar a 5000 mg/l; asociado al Mg y Na, en salmueras,

puede alcanzar hasta 200.000 mg/l. 3000 mg/l mar.• Lluvia• Lavado suelos zonas áridas y semiáridas• Oxidación de sulfuros• Disolución de yeso y anhidrita• Actividades industriales, urbanas y agrícolas



HCO3 y CO3: relacionado con pH, CO2 gas y disuelto.El anhídrido carbónico se disuelve en el agua en función de su presiónparcial (pCO2). Una parte permanece en disolución en forma de gas

mientras otra reacciona con el agua para dar ácido carbónico que sedisocia parcialmente para dar iones carbonato y bicarbonato.Precipita con facilidad. 50-400 mg/l dulces. 100 mg/l mar.Concentraciones de hasta 1000 mg/l pueden encontrarse en aguaspobres en Ca y Mg o en las que se producen fenómenos de liberación deCO2 (p.e. reducción de sulfatos) en el acuífero.

CO3 despreciable en pH <8,3.Está sujeto a complejos procesos de disolución - precipitación, por loque es necesario analizarlo "in situ".• Atmosfera y, sobre todo, suelo, CO2

• Calizas y dolomías. La disolución de calizas y dolomías, potenciadapor el aporte de CO2 y/o ácidos orgánicos o inorgánicos, es una de las

fuentes principales de carbonatos y bicarbonatos.• Hidrólisis de silicatos. Aunque con velocidades de incorporación alagua mucho menores, la hidrólisis de silicatos es otro de losmecanismos que da lugar a la formación de estos iones.• Indirectamente, materia orgánica (contaminación)



NO3 y NO2 : El nitrógeno puede aparecer en forma de NH3, NH4 y, por oxidación,estas formas reducidas pueden transformarse en NO2 y, finalmente en NO3 quees la forma más usual y estable. Los procesos de oxidación-reducción de lasespecies nitrogenadas en el agua están influenciados por fenómenos biológicos y,en consecuencia, los productos finales dependerán del número y tipo de

organismos que intervengan en ellos.Los nitratos son relativamente estables pero pueden ser fijados por el terreno oser reducidos a nitrógeno o amonio en ambientes reductores. Son indicadores decontaminación alcanzando entonces elevadas concentraciones y presentando,por regla general, una estratificación clara con predominio de las concentracionesmás elevadas en la parte superior de los acuíferos libres. Nitratos no precipitan.Los nitratos pueden estar presentes en las aguas subterráneas bien comoresultado de la disolución de rocas que los contengan, lo que ocurre raramente,bien por la oxidación bacteriana de materia orgánica. Su concentración en aguassubterráneas no contaminadas raramente excede de 10 mg/l.1000 mg/l contaminadas. Mar <1 ppm• Lluvia tormentas• Nitrificación natural (leguminosas)

• Descomposición materia orgánica

• Contaminación urbana• Contaminación agrícola

• Lavado minerales nitrogenados• Emanaciones volcánicas,

lavado suelos antiguos

El ión nitrito puede estar presente en las aguas bien como consecuencia de laoxidación del NH3 o como resultado de la reducción, microbiana o no, de losnitratos. Su presencia en el agua debe considerarse como un indicio fundado deuna posible contaminación reciente (dada su inestabilidad) y, tal vez, de laimpotabilidad del agua debida a la toxicidad de este ión.



CATIONESCa2+: Suele ser el catión principal en la mayoría de las aguas naturalesdebido a su amplia difusión en rocas ígneas, sedimentarias ymetamórficas. En rocas sedimentarias aparece fundamentalmente en

forma de carbonatos (calcita, aragonito y dolomita) o sulfatos (yeso yanhidrita).Los controles de la concentración de calcio en el agua subterráneapueden resumirse en tres: equilibrio carbonático, aporte de H+(función del aporte de CO2) e intercambio iónico. Los dos primeros,íntimamente relacionados entre sí, limitan la concentración de calcio ala correspondiente a las condiciones de equilibrio en función de pCO2,pH, HCO3 y CO3. El intercambio iónico ente calcio y otros cationes(sodio fundamentalmente), retenidos en la superficie de minerales conlos que entra en contacto el agua, se potencia notablemente enterrenos arcillosos de baja permeabilidad.

La concentración de Ca varía ampliamente en las aguas subterráneas.A. naturales: 10-250 mg/l. 50.000 mg/l salmueras. En aguas deterrenos yesíferos hasta 600 mg/l.• Lluvia, caliza, dolomía, anhidrita y yeso• Cemento calizo rocas• Ataque feldespatos y otros silicatos cálcicos



Mg2+: Menos abundante que el calcio en aguas naturales, procedede la disolución de rocas carbonatadas (dolomías y calizasmagnesianas), evaporitas y de la alteración de silicatos

ferromagnesianos, así como de agua marina.La solubilidad de la magnesita (MgCO3) en las aguas subterráneasnaturales es mayor que la de la calcita por lo que, en condicionesnormales, el MgCO3 no precipita directamente de la disolución demodo que, para un periodo dilatado de tiempo, puede producirsecierto grado de sobresaturación respecto a los diferentes

carbonatos magnésicos.Los procesos de intercambio iónico influyen también en lasconcentraciones de magnesio en aguas subterráneas. En ellas, elmagnesio es retenido con preferencia al calcio en suelos y rocas.En aguas naturales el contenidos de ión magnesio no suelesobrepasar los 40 mg/l. En terrenos calcáreos pueden rebasarse los

100 mg/l y en terrenos evaporíticos pueden alcanzarse valores de1000 mg/l. Mar: 1200 mg/l.• Ataque dolomías y calizas dolomíticas• Silicatos magnésicos y ferromagnésicos• Sales evaporíticas (carnalita, kaiserita ....)• Mezcla aguas marinas, Contaminación



Na+: El sodio es liberado por la meteorización de silicatos tipo albita y ladisolución de rocas sedimentarias de origen marino y depósitosevaporíticos en que se presenta fundamentalmente como NaCl.

Una fuente importante de sodio la constituyen los aportes de aguamarina en regiones costeras, tanto por intrusión marina como porinfiltración del agua de lluvia a la que se incorpora desde el mar.Las sales de sodio son altamente solubles y tienden a permanecer ensolución ya que no se producen entre ellas reacciones de precipitación,como ocurre en el caso del calcio. Sin embargo, el sodio puede ser

adsorbido en arcillas de elevada capacidad de cambio catiónico y puedeser intercambiado con calcio provocando una disminución de la durezade las aguas.La presencia de sodio en aguas naturales es muy variable pudiendoalcanzar hasta 120.000 mg/l en zonas evaporíticas; sin embargo,raramente sobrepasa 100 ó 150 mg/l en aguas dulces normales. Mar

10.000 mg/l.• Lluvia, Disolución sales evaporíticas• Ataque feldespatos y otros silicatos• Lavado sedimentos marinos, Cambio de bases• Mezcla agua marina, Contaminación urbana e industrial• Relación procesos magmáticos



K+: Procede de la meteorización de los feldespatos y ocasionalmente dela solubilización de depósitos de evaporitas, en particular de sales tiposilvina (KCl) o carnalita (KCl MgCl2).El potasio tiende a ser fijado irreversiblemente en procesos de

formación de arcillas y de adsorción en la superficie de minerales conalta capacidad de intercambio iónico.En aguas subterráneas no suele sobrepasar los 10 mg/l (0,1-10 ppm), aexcepción de algunas salmueras (100.000 ppm). 400 mg/l mar.En ocasiones, más altas concentraciones pueden ser indicio decontaminación por vertidos de aguas residuales.

• Lluvia. Ataque ortosa, micas, arcillas• Disolución sales potásicas naturales (silvina, carnalita..)• Contaminación industrial, minera, urbana y abonos

Sílice: El origen fundamental de la sílice en el agua subterránea son losprocesos de hidrólisis de feldespatos y silicatos en general. El cuarzo o la

sílice amorfa, por su baja solubilidad, fuertemente dependiente de latemperatura, no son fuentes significativas del SiO2 del agua subterránea.Aunque la sílice disuelta suele representarse como SiO2, en la mayoríade las aguas naturales aparece como H4SiO4 monomérico que nocomienza a disociarse hasta valores de pH superiores a 9, siendo susolubilidad prácticamente independiente del pH hasta dicho valor.

El valor de SiO2 en agua subterránea suele sobrepasar los 3-8 mg/l.

GASES DISUELTOS



GASES DISUELTOSCO2 : El CO2 disuelto en agua procede fundamentalmente de la zonaedáfica (respiración de organismos y descomposición de la materiaorgánica) en la que alcanza presiones parciales del orden de 10-1 a 10-3

bar (0,0003 bar en la atmósfera exterior).Soluble, hidrolizable, básico en disolución bicarbonatos. 1-30 ppm. 1500en carbónicas.Pp CO2 0,00033-0,00044 atm. En suelos, 0,001-0,1 atm• Atmósfera y suelo, Descomposición materia orgánica• Emanaciones magmáticas

O2: Su importancia deriva del hecho de su capacidad de oxidación dediferentes tipos de constituyentes que se encuentran en forma reducida yde modificar, en consecuencia, la solubilidad de los mismos.En último término, la fuente de oxígeno disuelto en aguas en contacto conel aire es la atmósfera. Una fuente indirecta es también el proceso defotosíntesis.Aunque el oxígeno disuelto se puede consumir en procesos de oxidaciónde materia orgánica en la superior de la zona no saturada, su contenido enaguas subterráneas profundas puede ser notable.El contenido en oxígeno disuelto puede llegar incluso a valores desaturación: 13,3 mg/l a 10 ºC y 7,6 a 30ºC. Sin embargo, las aguas

anóxicas son frecuentes. 0-5 ppm aguas naturales• Atmósfera y gases ZNS. Fotosíntesis aguas superf.



MINORITARIOS

El ión fluoruro parece estar relacionado con la alteración de rocasplutónicas. Su concentración raramente supera los 2 mg/l.

El ión bromuro es abundante en agua de mar (65 mg/l) y casiinexistente en aguas dulces. Es un buen indicador de intrusión marina.Se determina por espectrofotometría visible o cromatografía iónica.

El ión yoduro aunque no suele aparecer más que como elementotraza, puede tener gran importancia hidrogeoquímica. Su circulaciónparece estar influenciada notablemente por procesos bioquímicos. Enagua del mar su concentración es de 0.06 mg/l.

El boro es esencial, en pequeñas cantidades, para el crecimiento de lasplantas. En concentraciones excesivas, tanto en los suelos como en elagua de riego puede tener elevada toxicidad para ciertos cultivos.

Procede de la alteración de rocas ígneas, gases volcánicos, aguamarina (4,6 mg/l), terrenos evaporíticos, detergentes y aguasresiduales industriales.

El ión estroncio procede de sales de Sr asociadas a rocascarbonatadas y de aportes de agua de mar.

MINORITARIOS



MINORITARIOSEl fósforo en las aguas naturales parece encontrarse en forma deortofosfato (PO4

-3). Al igual que el nitrato, es un nutriente esencial paralas plantas pero se encuentra en concentraciones mucho menores queéste, probablemente por su acusada tendencia a formar iones complejosy compuestos de baja solubilidad con un extenso número de metales ypor ser adsorbido por sedimentos hidrolizados, especialmente mineralesde la arcilla, en el suelo.• Disolución de rocas ígneas o sedimentarias marinas• Fertilizantes fosfatados• Aguas residuales de origen urbano (detergentes) o ganadero, etc..

El hierro suele encontrarse en forma de FeII aunque puede presentarsecomo FeIII, FeOH, en función del pH, contenido en oxígeno ydependiendo a menudo del contenido del agua en otros iones(carbonatos, bicarbonatos, sulfatos...).Su concentración en el agua está controlada por procesos de equilibrioquímico como oxidación-reducción, precipitación y disolución dehidróxidos, carbonatos y sulfuros, formación de complejos especialmentecon materia orgánica y también por la actividad metabólica de animales yplantas.Valores entre 1 y 10 mg/l pueden ser comunes, aunque lo normal es quese encuentre por debajo de 0,1 mg/l.

• Silicatos hierro (pequeñas proporciones mayor parte R.S.)• Entubaciones. Estable Fe2+, y casi nulo Fe3+



Valores frecuentes de la composición química de las aguas naturales

Aniones Agua lluvia Agua mar Agua subterráneaCloruro 0-20 mg/l 2000 mg/l 10-250 mg/lSulfato 0-10 mg/l 3000 mg/l 10-300 mg/lBicarbonato 0-20 mg/l 120 mg/l 50-350 mg/lNitrato 0 - 5 mg/l 1 mg/l 0-300 mg/l (contam)

Bromuro 0 mg/l 65 mg/l 0 - 2 mg/lCationes Sodio 10000 mg/l 5 -150 mg/lCalcio 400 mg/l 10-250 mg/lMagnesio 1200 mg/l 1 - 75 mg/lPotasio 400 mg/l 1 - 10 mg/lEstroncio 13 mg/l 0 - 1 mg/l

Otras caract.Conductividad 45000 S/cm 100-200 S/cm

Tema 15. Hidrogeoquímica

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