Química Ambiental · Water and soil
Química del agua y del suelo
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
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Lo que aprenderás
- Use the carbonic acid pKa values to find which carbonate species dominates at a given pH and calculate hardness and alkalinity as mg/L CaCO₃.
- Draw the polar mechanisms of chlorine hydrolysis, chloramine formation, phenol chlorination and CO₂ hydration, and explain how pH sets the HOCl/OCl⁻ ratio.
- Explain how disinfection byproducts form and draw the hydrolysis and substitution reactions that degrade esters and alkyl halides in natural waters.
- Order the electron acceptors of natural waters, convert potentials to pE and calculate oxygen demand.
- Predict how pH, redox state and ligand softness control the solubility, mobility and toxicity of metals and metalloids in water and soil.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (8 partes)
El sistema del carbonato
El CO₂ disuelto reacciona con el agua: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2 H⁺ + CO₃²⁻. Si se tratan juntos el CO₂ disuelto y el H₂CO₃, pKa1 ≈ 6.35 y pKa2 ≈ 10.33 a 25 °C. Por debajo de pH 6.35 predomina el CO₂ disuelto, entre 6.35 y 10.33 predomina el bicarbonato, y por encima de 10.33 predomina el carbonato; a pH 8, típico de ríos y agua de mar, la mayor parte del carbono inorgánico es HCO₃⁻ (cerca del 97 % en agua dulce y del 90 % en agua de mar, cuyas constantes se desplazan por su contenido de sales). La relación entre cualquier par adyacente se obtiene de pH − pKa = log([base]/[ácido]). La hidratación del CO₂ sin catalizar es lenta (de segundos a minutos): el agua se adiciona al carbono y el zwitterión pierde un protón frente a otra molécula de agua. Añadir CO₂ al agua de mar consume carbonato, CO₂ + CO₃²⁻ + H₂O → 2 HCO₃⁻, que es la razón por la que la acidificación del océano baja el estado de saturación del CaCO₃, dificulta la formación de conchas y las disuelve donde el agua de mar queda subsaturada.
Dureza y alcalinidad
La dureza es la concentración total de Ca²⁺ y Mg²⁺, expresada como la masa de CaCO₃ con el mismo número de moles (M = 100.09 g/mol): dureza = (mol/L de Ca²⁺ + mol/L de Mg²⁺) × 100.09 g/mol. La dureza temporal es la parte compensada por el bicarbonato; al hervir se elimina el CO₂ y precipita CaCO₃ (la incrustación de la tetera). La dureza permanente está compensada por sulfato o cloruro y resiste la ebullición. La alcalinidad es la capacidad de neutralizar ácido, debida sobre todo a HCO₃⁻, CO₃²⁻ y OH⁻; se mide por valoración con ácido fuerte hasta pH ≈ 4.5 y también se expresa como mg/L de CaCO₃ (un CaCO₃ neutraliza dos H⁺). El agua en contacto con caliza gana ambas cosas: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻, y cuanto más CO₂ se disuelve, más caliza se disuelve.
Cloración y cloraminas
El cloro gaseoso reacciona con el agua: Cl₂ + H₂O → HOCl + H⁺ + Cl⁻, una dismutación en la que un cloro pasa de 0 a +1 y el otro a −1. El ácido hipocloroso (pKa ≈ 7.5) es el desinfectante fuerte; el ion hipoclorito es decenas de veces menos eficaz, así que la desinfección es más rápida a pH 6.5–7 que a pH 8.5. El HOCl y el OCl⁻ juntos constituyen el cloro libre. Frente al amoníaco, el HOCl transfiere su cloro al nitrógeno: NH₃ + HOCl → NH₂Cl + H₂O. La monocloramina predomina cerca de pH 8 cuando la relación másica Cl₂:N es inferior a unas 5:1; es un desinfectante más débil pero más persistente que forma muchos menos subproductos clorados, por lo que muchas empresas de agua la usan en las tuberías de distribución. Añadir más cloro oxida las cloraminas a N₂ (2 NH₃ + 3 HOCl → N₂ + 3 H₂O + 3 H⁺ + 3 Cl⁻); el residual cae a un mínimo, el punto de ruptura (Cl₂:N ≈ 7.6:1 en masa), y solo entonces se acumula el cloro libre.
Subproductos de desinfección
El HOCl también es un agente clorante electrófilo. La materia orgánica natural contiene fenoles y unidades de metilcetona; los iones fenóxido atacan el cloro del HOCl en las posiciones orto y para, sale el hidróxido y la pérdida del protón del anillo restaura la aromaticidad. La cloración repetida da 2,4,6-triclorofenol, y la ruptura del anillo y las reacciones de tipo haloformo liberan trihalometanos (CHCl₃, CHBrCl₂, CHBr₂Cl, CHBr₃) y ácidos haloacéticos. El bromuro del agua de origen se oxida a HOBr, así que también se forman trihalometanos bromados. La forma más segura de reducir estos subproductos es eliminar los precursores orgánicos (coagulación, carbón activado) antes de clorar; subir el pH baja la fracción de HOCl pero acelera la formación de trihalometanos, que está catalizada por base.
Hidrólisis y sustitución de contaminantes orgánicos
En las aguas naturales los ésteres se hidrolizan sobre todo por ataque del hidróxido al carbono del carbonilo (adición, luego salida del alcóxido y después transferencia de protón para dar el carboxilato). La constante de velocidad de pseudo-primer orden es kOH[OH⁻], así que por encima de pH 7 cada unidad de pH acelera la reacción diez veces, y t½ = ln 2/(kOH[OH⁻]). La reactividad sigue al grupo saliente: las amidas son las más lentas, luego los ésteres de alquilo, los ésteres de arilo y los anhídridos. Los plastificantes ftalatos, como el ftalato de dimetilo, se hidrolizan de un éster a la vez. Los haluros de alquilo sufren sustitución SN2: en el agua intersticial anóxica, el ion hidrogenosulfuro (HS⁻), mucho mejor nucleófilo que el agua, convierte el bromometano en metanotiol.
Redox en aguas naturales
El estado redox del agua se expresa como pE = E/0.05916 V a 25 °C; un pE alto es oxidante. Cuando las bacterias oxidan materia orgánica, usan los aceptores de electrones en orden decreciente de rendimiento energético: O₂, luego NO₃⁻ (desnitrificación a N₂), MnO₂ (a Mn²⁺), oxihidróxidos de Fe(III) (a Fe²⁺), SO₄²⁻ (a H₂S) y por último CO₂ (a CH₄). Por eso un lago estratificado pierde primero el O₂ de su agua del fondo y luego libera Fe²⁺ y Mn²⁺ solubles y, finalmente, H₂S. El oxígeno es poco soluble (unos 9 mg/L a 20 °C, menos cuando hace más calor), así que la demanda de oxígeno de los residuos orgánicos importa: la demanda teórica de oxígeno se deduce de la oxidación ajustada, p. ej. C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. La nitrificación (NH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃⁻ + 2 H⁺ + H₂O) y la oxidación de la pirita en los residuos mineros también liberan ácido.
Metales y metaloides en el agua y el suelo
El comportamiento de los metales depende de su especiación. El Fe³⁺ y el Al³⁺ hidratados son ácidos (Fe(H₂O)₆³⁺ pKa ≈ 2.2), y sus hidróxidos se disuelven al bajar el pH, por lo que los suelos ácidos liberan Al³⁺ tóxico. Los suelos retienen cationes en los sitios con carga negativa de la arcilla y el humus; la capacidad de intercambio catiónico se cuenta en moles de carga, así que un Ca²⁺ ocupa dos sitios. Los iones metálicos blandos como Hg²⁺, Cd²⁺ y Pb²⁺ se unen a los ligandos de azufre (tiolatos, sulfuro) mucho más fuertemente que a los ligandos de oxígeno. En los sedimentos anóxicos, las bacterias reductoras de sulfato metilan el Hg²⁺ a CH₃Hg⁺, que se une a los tioles de las proteínas, atraviesa las membranas y se biomagnifica en los peces. El estado de oxidación importa tanto como el pH: el cromato, Cr(VI), es soluble y tóxico, mientras que el Cr(III) precipita como su hidróxido; el arsenito, As(III), es el H₃AsO₃ neutro a pH 7 (pKa ≈ 9.2), mientras que el arsenato, As(V), es aniónico y se adsorbe con fuerza en los óxidos de hierro.
Lo que conviene recordar
La química de las aguas naturales es equilibrios ácido-base y redox más unas cuantas reacciones polares: pH − pKa fija las relaciones de carbonato y de HOCl/OCl⁻, el HOCl transfiere Cl a nucleófilos de N, O y C, el hidróxido y el HS⁻ degradan ésteres y haluros de alquilo, la escala redox decide qué aceptor se está usando, y el pH, el estado de oxidación y la blandura de los ligandos deciden a dónde van los metales.
Problemas de práctica (40)
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Dibuja el mecanismo 6
Subproductos y contaminantes orgánicos
- El bromometano se encuentra con el ion hidrógeno sulfuro en un sedimento anóxicoDibuja la reacción SN2 del ion hidrógeno sulfuro con el bromometano y explica por qué el HS⁻ supera al agua incluso a concentración milimolar.
- Hidrólisis con hidróxido del dimetil ftalato en agua naturalDibuja la adición de hidróxido a un grupo éster del dimetil ftalato, la salida del metóxido y la transferencia de protón que da el anión metil ftalato y metanol.
- Cloración del fenóxido por el ácido hipoclorosoDibuja cómo el fenóxido ataca al cloro del ácido hipocloroso a través de su carbono para y cómo la pérdida del protón del anillo restaura el 4-clorofenóxido aromático.
Cloración y desinfección
- Hidrólisis del cloro en aguaDibuja cómo el agua ataca al cloro disuelto para dar ácido hipocloroso, cloruro e hidronio, e identifica la reacción como una dismutación.
- Formación de monocloramina a partir de amoniaco y ácido hipoclorosoDibuja la transferencia de cloro del ácido hipocloroso al amoniaco que da monocloramina y agua, y explica por qué la velocidad alcanza su máximo cerca de pH 8.5.
Equilibrios de carbonato y dureza
- Hidratación del CO₂ disuelto por el aguaDibuja cómo el agua se adiciona al dióxido de carbono disuelto y cómo una segunda molécula de agua arranca un protón para dar bicarbonato e hidronio.
Predice el producto 3
Metales en agua y suelo
- Aluminio en un suelo acidificadoPredice cómo cambia la concentración de aluminio disuelto al bajar el pH del suelo.
Redox en aguas naturales
- Hierro en el fondo de un lago estratificadoPredice cómo cambia el hierro disuelto en el agua del fondo del lago cuando esta se vuelve anóxica.
Equilibrios de carbonato y dureza
- Agua subterránea bajo un suelo forestalPredice cómo la presión de CO₂ del aire del suelo modifica la cantidad de caliza que disuelve el agua subterránea.
Clasificar 6
Metales en agua y suelo
- Arsenito y arsenato a pH 7Clasifica las formas mayoritarias del arsénico(III) y el arsénico(V) en aguas subterráneas a partir de sus valores de pKa.
Equilibrios de carbonato y dureza
- Carbono inorgánico en un río a pH 8Identifica la especie de carbono inorgánico disuelto mayoritaria a partir del pH y de los dos valores de pKa del ácido carbónico.
- ¿Qué sal disuelta se elimina al hervir?Clasifica las sales disueltas como dureza temporal, dureza permanente o ninguna de las dos.
Cloración y desinfección
- ¿Qué cloramina se forma en la planta?Identifica la principal especie de cloro que se forma cuando se dosifica cloro en agua con exceso de amoníaco a pH casi neutro.
Redox en aguas naturales
- ¿Qué le ocurre al fertilizante de amonio en un suelo aireado?Clasifica la conversión de amonio en nitrato como una oxidación y predice su efecto sobre el pH del suelo.
Subproductos y contaminantes orgánicos
- Identifica el trihalometanoClasifica los subproductos de la cloración y reconoce un trihalometano por su fórmula CHX₃.
Comparar 4
Cloración y desinfección
- Ordena los desinfectantes con cloroOrdena el ácido hipocloroso, el hipoclorito y la monocloramina según su eficacia germicida.
Subproductos y contaminantes orgánicos
- ¿Qué compuestos acilo duran más en un río?Ordena los compuestos acilo según su velocidad de hidrólisis en agua natural a partir de la basicidad del grupo saliente.
Metales en agua y suelo
- ¿Qué ligando retiene el mercurio con más fuerza?Compara ligandos para unirse al Hg²⁺ mediante el razonamiento ácido-base duro-blando.
Redox en aguas naturales
- ¿Qué aceptor de electrones se usa después?Ordena los aceptores de electrones de las aguas naturales según la secuencia en que las bacterias los usan para oxidar la materia orgánica.
Calcular 11
Equilibrios de carbonato y dureza
- Alcalinidad total a partir de una valoraciónCalcula la alcalinidad total como mg/L de CaCO₃ a partir de una valoración con ácido sulfúrico hasta el punto final de pH 4.5.
- ¿Cuánto carbono inorgánico es CO₂ disuelto?Calcula la fracción del carbono inorgánico total que está como CO₂ disuelto a partir del pH y los valores de pKa.
- Dureza total de un agua de pozoConvierte las concentraciones de calcio y magnesio en dureza total expresada como mg/L de CaCO₃.
Cloración y desinfección
- Dosis teórica en el punto de quiebreCalcula la relación másica teórica de Cl₂ a nitrógeno amoniacal en el punto de quiebre a partir de la oxidación balanceada del amoníaco a N₂.
- ¿Cuánto cloro libre es HOCl a pH 8?Calcula el porcentaje de cloro libre presente como ácido hipocloroso a partir del pH y su pKa.
Metales en agua y suelo
- Calcio retenido por los sitios de intercambio de un sueloConvierte la capacidad de intercambio catiónico de un suelo en la masa de calcio que puede retener.
- pH de una disolución de hierro(III)Calcula el pH de una disolución de hierro(III) hidratado a partir del pKa del ion acuo, resolviendo la ecuación cuadrática cuando el ácido no está débilmente ionizado.
Subproductos y contaminantes orgánicos
- Vida media de un éster en un lagoCalcula la vida media de un éster contaminante a partir de su constante de velocidad de segundo orden con el hidróxido y del pH del agua.
Redox en aguas naturales
- Demanda teórica de oxígeno de un residuo de azúcarCalcula la demanda teórica de oxígeno de un residuo orgánico disuelto a partir de su ecuación de oxidación balanceada.
- Convertir un potencial medido en pEConvierte un potencial redox medido en voltios a pE a 25 °C.
- Electrones liberados en la oxidación de la piritaCuenta los electrones que se pierden cuando la pirita se oxida por completo a Fe³⁺ y sulfato, usando el estado de oxidación del disulfuro.
Encuentra el error 1
- ¿Oxígeno y sulfuro de hidrógeno juntos?Diagnostica una descripción de equilibrio inconsistente de una muestra de agua usando la escalera redox.
Interpreta la evidencia 1
- Cómo leer una curva de punto de quiebreInterpreta la región descendente de una curva de cloración al punto de quiebre en términos de la oxidación de las cloraminas.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué plastificante era?Reconstruye, a partir de los dos productos de hidrólisis hallados en un sedimento, el éster plastificante del que provienen.
Planea una síntesis 2
Metales en agua y suelo
- Detener una pluma de cromatoElige una estrategia de remediación para el cromo en agua subterránea a partir de la solubilidad de sus dos estados de oxidación.
Subproductos y contaminantes orgánicos
- Reducir los trihalometanos en una planta de agua de ríoElige el cambio de tratamiento que reduce la formación de trihalometanos sin debilitar la desinfección.
Explica por qué 5
Cloración y desinfección
- ¿Por qué cambiar el residual a cloramina?Explica por qué las empresas de agua usan monocloramina en lugar de cloro libre como desinfectante residual en redes de distribución largas.
Metales en agua y suelo
- ¿Por qué se añade fosfato al agua potable?Explica cómo la dosificación de ortofosfato reduce el plomo en el agua de grifo mediante la precipitación de una capa insoluble de fosfato de plomo.
- Por qué el metilmercurio es la forma peligrosaExplica cómo la metilación microbiana en los sedimentos convierte el mercurio inorgánico en una forma que se acumula en los peces.
Equilibrios de carbonato y dureza
- Más carbono, menos carbonatoExplica por qué absorber CO₂ reduce la concentración de ion carbonato del agua de mar aunque aumente el carbono disuelto total.
Redox en aguas naturales
- Mortandad de peces en un verano cálidoExplica por qué el oxígeno disuelto disminuye en aguas cálidas ricas en nutrientes, a partir de la solubilidad de los gases y la respiración.
¿Atascado con química del agua y del suelo? Escanea el problema.
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