3.3 PURIFICACION BIOLÓGICA DEL AGUA
La purificación de biológica del agua se realiza para bajar la carga orgánica de compuestos orgánicos disueltos. Los microorganismos, principalmente bacterias, hacen la descomposición de estos compuestos. Hay dos categorías principales de tratamiento biológico: tratamiento aerobio y tratamiento anaerobio.
La demanda biológica de oxígeno (DBO) define la carga orgánica. En sistemas aerobios el agua se airea con aire comprimido (con oxígeno en algunos casos simplemente), mientras que los sistemas anaerobios funcionan bajo condiciones libres de oxígeno
3.3.1 Estructura y propiedades de los líquidos. Modelo cinético molecular de los líquidos
Un líquido está formado por moléculas que están en movimiento constante y desordenado, y cada una de ellas chocan miles de millones de veces en un lapso muy pequeño. Pero, las intensas fuerzas de atracción entre cada molécula, o enlaces de hidrogeno llamados dipolo-dipolo, eluden el movimiento libre, además de producir una cercanía menor que en la que existe en un gas entre sus moléculas. Además de esto, los líquidos presentan características que los colocan entre el estado gaseoso completamente caótico y desordenado, y por otra parte al estado sólido de un liquido (congelado) se le llama ordenado. Por lo tanto podemos mencionar los tres estados del agua (liquido universal), sólido, gaseoso y liquido.
COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN
A los líquidos se les considera incomprensibles debido que dentro de ellos existen fuerzas extremas que entre sus moléculas las cuales se atraen, por otra parte cuando a un liquido se le aplica una presión su volumen no se ve afectado en gran cantidad, ya que sus moléculas tienen poco espacio entre sí; por otra parte si aplicamos un cambio de temperatura a un líquido su volumen no sufrirá cambios considerables. Cabe señalar que cuando las moléculas de un líquido están en continuo aumento de movimiento es por causa del aumento de alguna temperatura que esté experimentando el mismo lo cual inclina al liquido a aumentar la distancia de sus moléculas, a pesar de esto las fuerzas de atracción que existen en el líquido se oponen a ese distanciamiento de sus moléculas.
DIFUSIÓN
Al realizar la mezcla de dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunden en todas las moléculas del otro líquido a mucha menor velocidad, cosa que en los gases no sucede. Sí deseamos ver la difusión de dos líquidos, se puede observar dejando caer una pequeña cantidad de tinta (china) en un poco de agua. Debido a que las moléculas en ambos líquidos están muy cerca, cada molécula conlleva una inmensidad de choques antes de alejarse, puede decirse que millones de choques. La distancia promedio que se genera en los choques se le llama trayectoria libre media y, en los gases es más grande que en los líquidos, cabe señalar que esto sucede cuando las moléculas están bastantemente separadas. A pesar de lo que se menciona anteriormente hay constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, por lo que los líquidos se difunden mucho más lentamente que los gases.
FORMA Y VOLUMEN
En un liquido, las fuerzas de atracción son suficientemente agudas para limitar a las moléculas en su movimiento dentro de un volumen definido, a pesar de esto las moléculas no pueden guardar un estado fijo, es decir que las moléculas del líquido no permanecen en una sola posición. De tal forma que las moléculas, dentro de los límites del volumen del líquido, tienen la libertad de moverse unas alrededor de otras, a causa de esto, permiten que fluyan los líquidos. Aún cuando, los líquidos poseen un volumen definido, pero, debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.
VISCOSIDAD
Algunos líquidos, literalmente fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. Los líquidos como la maleza y el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetra cloruró de carbono no lo son. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad. En otro método, se utilizan esferas de acero que caen a través de un líquido y se mide la velocidad de caída. Las esferas más lentamente en los líquidos más viscosos
TENSIÓN SUPERFICIAL
En un líquido, cada molécula se desplaza siempre bajo influencia de sus moléculas vecinas. Una molécula cerca del centro del líquido, experimenta el efecto de que sus vecinas la atraen casi en la misma magnitud en todas direcciones. Sin embargo, una molécula en la superficie del líquido no está completamente rodeada por otras y, como resultado, solo experimenta la atracción de aquellas moléculas que están por abajo y a los lados. Por lo tanto la tensión superficial actúa en un líquido perpendicular a cualquier línea de 1cm de longitud en la superficie del mismo.
3.3.2 PROPIEDADES DEL AGUA: PUNTOS DE FUSION EBULLICION. DENSIDAD. CAPACIDAD CALORICA .CALORES LATENTES DE FUSION Y DE EVAPORACION Y TENSION SUPERFICIAL PODER DISOLVENTE.
Nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrógeno y oxígeno H2O.
Estado físico: sólida, liquida y gaseosa
Color: incolora
Sabor: insípida
Olor: inodoro
Punto de congelación: 0°C
Punto de ebullición: 100°C
Densidad: 1 g. /c.c. a 4°C
Capacidad calorífica: es superior a la de cualquier otro líquido o sólido, siendo su calor específico de 1 cal/g
Calores latentes de evaporización y de fusión: (540 y 80 cal/g, respectivamente) son también excepcionalmente elevados
Tensión superficial: Agua 72.8g (10-3N/m)
Poder de disolución: El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal
3.3.3 Composición del agua. Electrolisis y síntesis
El agua es un líquido constituido por dos sustancias gaseosas: oxigeno e hidrógeno, un volumen de oxigeno por 2 de hidrógeno; su fórmula química es el H2O.
ELECTROLISIS
La composición del agua la podemos comprobar efectuando la electrólisis de dicha sustancia.
Es un proceso por el cual se separan los elementos que lo componen por medio de la electricidad:
Se aplica una corriente eléctrica continúa mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo y el conectado al negativo como cátodo.
Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o de aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).
La fuente de alimentación eléctrica aporta la energía adecuada para separar los iones y aumentar y aumentar su concentración en los electrodos. En los electrodos se produce una transferencia de electrones y los iones creando así nuevas sustancias; lo que ocurre es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria.
SINTESIS
Se basa en el análisis retrosintético, aportado por el químico Elías James Corey.
Esta técnica es planificada hacia atrás, es decir partiendo del punto final hasta llegar a los compuestos de partida asequibles mediante una serie de pasos donde las estructuras precursoras son cada vez más sencillas.
Los reactivos y condiciones de cada una de estas reacciones necesitan ser considerados para dar un producto puro y con un buen rendimiento, estos serán producidos normalmente usando métodos generales de síntesis. Para ser útiles estos métodos han de dar un rendimiento alto y ser aplicables a un amplio rango de sustratos.
3.3.4 Estructura molecular del agua: Enlaces covalentes. Moléculas polares y no polares. Puentes de hidrógeno.
Los enlaces covalentes se producen por compartición de electrones entre dos o más átomos. Este tipo de enlace se produce cuando existe electronegatividad polar pero la diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficientemente grande como para que se efectúe transferencia de electrones. De esta forma, los dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital, denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos gaseosos no metales.
La polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas en la misma. Esta propiedad está íntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, fuerzas intermoleculares, etc.
Al formarse una molécula de modo covalente el par de electrones tiende a desplazarse hacia el átomo que tiene mayor electronegatividad. Esto origina una densidad de carga desigual entre los núcleos que forman el enlace (se forma un dipolo eléctrico). El enlace es más polar cuanto mayor sea la diferencia entre las electronegatividades de los átomos que se enlazan; así pues, dos átomos iguales atraerán al par de electrones covalente con la misma fuerza (establecida por la Ley de Coulombs) y los electrones permanecerán en el centro haciendo que el enlace sea no polar. Pero un enlace polar no requiere siempre una molécula polar; para averiguar si una molécula es polar hay que atender a la cantidad de enlaces polares y la estructura de la molécula.
Las moléculas no polares son aquellas moléculas que se producen por la unión entre átomos que poseen igual electronegatividad, por lo que las fuerzas con las que los átomos que conforman la molécula atraen los electrones del enlace son iguales, produciéndose así la anulación de dichas fuerzas. Un ejemplo de una molécula no polar es la molécula de Oxígeno (O2). En esta molécula cada átomo de Oxígeno atrae a los electrones compartidos hacia sí mismo con una misma intensidad pero en sentidos opuestos, por lo que se anulan las fuerzas de atracción y la molécula no se convierte en un dipolo.
Ciclo del Carbono
La estructura del agua favorece las interacciones para formar puentes de Hidrógeno, el arreglo siempre es perpendicular entre las moléculas participantes, además, es favorecido por que cada protón unido a un Oxígeno muy electronegativo encuentra un electrón no compartido con el que interactúa uno a uno. De lo anterior se concluye que cada átomo d Oxígeno en el agua interacciona con 4 protones, dos de ellos unidos covalentemente y dos a través de puentes de Hidrógeno.
3.3.5 Regulación del clima
En la regulación del clima global participan todos los sistemas de la naturaleza: la atmósfera y la hidrosfera (sobre todo los océanos), la criosfera (hielo, nieve), la litosfera (la corteza terrestre) y la biosfera. En las últimas décadas, también el ser humano (como causante del aumento en la emisión de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono y el metano) se ha convertido en un factor que afecta al clima.
En el sistema climático de la Tierra, el mar cumple una función primordial. La elevada capacidad calórica del agua marina y las particularidades de su balance térmico, como la mezcla de las capas superiores, amortiguan las diferencias de temperatura a lo largo del año. Tanto el sistema de circulación general de la atmósfera como el de los océanos contribuyen, en proporciones similares, al equilibrio térmico entre las latitudes altas y bajas.
Además, los océanos influyen sobre el clima no sólo térmicamente, sino también como parte de los grandes ciclos biogeoquímicos, especialmente el ciclo del carbono que, en forma de dióxido de carbono, es fundamental para la futura evolución del clima.
Es un ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del clima de la Tierra, y en él se ven implicadas actividades básicas para el sostenimiento de la vida.
El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte de compuestos como: la glucosa, carbohidratos importantes para la realización de procesos como: la respiración; también interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2 (dióxido de carbono) tal como se encuentra en la atmósfera.
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 21 años.
La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.
Los productos finales de la combustión son CO2 y vapor de agua. El equilibrio en la producción y consumo de cada uno de ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la vida.
Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno, además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos. Como todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente, no es posible siquiera imaginar la cantidad de CO2 empleada en la fotosíntesis.
En la medida de que el CO2 es consumido por las plantas, también es remplazado por medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.
En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los incendios.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.
3.3.6 Disoluciones. Concentración en por ciento y molar.
Molaridad
Una expresión útil y común de la concentración de un soluto es la molaridad. Se representa por el símbolo M y se define como
Molaridad= numero de moles de soluto/ numero de litros de solución= M=(n/v)
Para determinar la molaridad de un soluto se debe conocer la cantidad de soluto disuelto en suficiente solvente como para producir un volumen especifico de solución. Para expresar la molaridad, la masa del soluto se convierte a número de moles de soluto, y después los moles se dividen entre el volumen de solución en litros.
Al conocer la molaridad, es posible obtener un número específico de moles de sustancia en solución midiendo un volumen determinado. La molaridad de la solución se usa como factor de conversión para hallar moles de solución a partir del volumen de solución.
D = m/V
m: masa
V: volumen
La masa que corresponde a un volumen dado de sustancia se obtiene multiplicando el volumen por la densidad.
m= VD
El volumen de una masa dada de sustancia se calcula multiplicando la masa por el inverso de la densidad o dividiendo la masa entre la densidad
V= (m/D) = m (1/D)
Composición en porcentaje según la masa o peso.
La cantidad de cada componente en una solución se puede expresar en términos del porcentaje en una masa determinada de solución. El porcentaje por masa de un componente de la solución se halla dividiendo la masa del componente entre la masa de solución y multiplicando por 100.
Porcentaje del componente= (masa del componente/masa de la solución) 100
Las composiciones en porcentaje se utilizan en la industria y la medicina para expresar las concentraciones de ciertas soluciones.
Las concentraciones en porcentaje de masa expresan la cantidad de soluto por unidad de masa de solución, mientras que la molaridad indica la cantidad de soluto por unidad de volumen de solución.
3.3.7 Electrolitos y no electrolitos.
La observación de si una solución conduce la electricidad aera una indicacion de si hay iones presentes en ella. Una sustancia que forma una solucion acuosa que conduce la electricidad se llama electrolito. Un electrolito debe formar iones en solucion.
Una sustancia que forma una solucion acuosa que no conduce la electricidad se llama no electrolito. El hecho de que una sustancia sea un no electrolito indica que no forma iones cuando se disuelve.
Si una sustancia es o no electrolito se determina preparando una solucion acuosa de la sustancia y probando experimentalmente su conductividad electrica.
3.3.8 Acidos, bases y pH
Los científicos observaron hace mucho tiempo que ciertas sustancias, que ahora se conocen como acidos, se caracterizaban por:
A) tener sabor agrio
B) ser capaces de disolver ciertos metales
C) cambiar el color del colorante vegetal llamado papel tornasol de azul a rojo
D) reaccionar con sustancias quimicas llamadas bases.
La palabra “acido” proviene de la palabra latina acidus que significa “agrio”.
Otra clase de compuestos, llamados bases son, en cierto sentido, las sustancias quimicas opuestas a los acidos. Las bases tienen:
A) sabor amargo
B) son resbalosas al tacto
C) cambian el color del papel tornasol de rojo a azul
D) reaccionan químicamente con los acidos
Un acido es una sustancia que forma iones hidrogeno (H+) en solucion acuosa y una base es una sustancia que forma iones hidroxido (OH-) en solucion acuosa.
pH
La mayor parte de las soluciones biologicas y de las soluciones empleadas en los laboratorios quimicos tienen concentraciones especificas de ion hidronio o acidez especifica.
Cuando un acido esta en solucion, reacciona con el agua aumentando la concentración de ion hidronio.
Dado que estas concentraciones cubren un rango muy amplio, se ha diseñado una escala especial para expresar las concentraciones de ion hidronio en soluciones acuosas. Se llama escala de pH y se basa en la siguiente definición: el pH es el negativo del logaritmo de la concentración de ion hidronio
pH = -log [H3O+]
El pH permite expresar la concentración de ion hidronio como un simple numero. Esto se debe a que el logaritmo de un numero es la potencia a la cual se debe elevar 10 para obtener el numero.
3.3.9 Neutralización y formación de bases
cuando a una solucion de Na (HO), en la que se encuentra cationes Na+ y aniones OH-, se añade solucion de HCL, que contiene cationes H+ y aniones CL-, se produce una reaccion quimica: el anion OH-del hidroxido se une al cation H+ del acido formado agua y el cation Na+ de la base se combina con el anion CL- de l acido originando cloruro de sodio. esto queda expresado en la siguiente ecuacion quimica:
Na (OH) + HCL→ H2O + NaCL
entonces, desaparecen las cationes hidrogeno, responsable del sabor agrio dela acido, y los aniones ixhidrilo que le confiere el sabor amargo a la base.
luego, si se colocan igual numero de moleculas de Na(OH) y de HCL, solo queda una solucion de cloruro de sodio en agua. el acido ha neutrado al hidroxido o viceversa,formandose agua y sal para igualar la ecuación.
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Sin la acción humana, la calidad del agua vendría determinada por la erosión del substrato mineral, los procesos atmosféricos de evapotranspiración y sedimentación de lodos y sales, la lixiviación natural de la materia orgánica y los nutrientes del suelo por los factores hidrológicos, y los procesos biológicos en el medio acuático que pueden alterar la composición física y química del agua..jpg)
