Problemas Resueltos De Contaminacion Ambiental

188 Pages·2016·120.99 MB·Spanish

by  Orozco C.

Los problemas numéricos propuestos en este libro, sea cual sea el capítulo al
que pertenecen, pued"r r"rolrlrsé haciendo uso de conocimientos básicos de Qui
*i"á qrr" cualqu-ier alumno de estudios de carácter científico o técnico posee' Así,
pr"ái.o referentes a estequiometría tales como la pureza de
-urr"¡u.
"ü,r -*tiátt"ias y Ll re"ondr"im"plieton.to y ajuste de las reacciones; las formas de expresión
de la concentración de disoluciánés; cálculos con gases ideales; los equilibrios en
disolución acuosa, puru que el alumno pueditenerlos presentes al tratar de
;;i;;i;"* los prob"lei"m. as y ciestiones que ." ptopon"n, se acompaña un breve
resumen de los mismos.
ESTEQU¡OMEIRIA
REPRESE]IIACÚil DE I.AS REAGGIO]IES QUíMrcAS
a) Represantación: Reactivos -+ Productos
Ejemplo: H2SO4 + NaOH -t NarSOo + H2O
b) Reordcnación de dtomos : ajustarlas atómicamente'
EjemPIo: HrSOo + 2 NaOH + Na2SOo + 2H2O
c) Inücación dcl esta.do físico dc lns sustancias: gas (g), líquido (l), sólido (s),
solución acuosa (aq).
ii"mplo: H2SO4 (aq) + 2 NaOH (s) + NarSOo (aq) + 2 HzO (1)
d) consen¡ar cargc$ eléctrícas:si algunos de losagentes. que intervienen en el pro-
ceso poseen cargas eléctricas, el bálance neto de las mismas debe conservarse en
los dos miembros'
Ejemplos: Al'.(aq) + NarPOo (aq) -+ AIPOo(s) J.s Nu.qq] ^
Crró.,f:(aq) * t¿ ft.(uq) + 6e--+ 2Cf'(ad + 7 HzO (l)
TIPOS DE REAGGIO]IES OUíMrcAS
a) Reaccioncs dcido'base
NaOH+HCl+NaCl+H2O
Neutralización:
Hidrólisis: FeCl3 + 3 H2O -+ 3 HCI + Fe(OH),
b) Reacciones de precipitación, intercambio y formación de compleios
NaCl (aq) + RgÑO, (aq) -+ AgCl(s) + NaNO, (aq)
AeCl (s)i Z UsoOn(ail -+ tag(NH3)rl cl (aq)+ 2 Hro(l)
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n Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
c) Reacciotus de oxi-dación'reducción
Transferencia de electrones: Zr?' + Cu + Z¡ + Cuz*
Combustión: CoH,o + 1312 O., -+ 4CO2 + 5 H2O
d) Reacciones en química otgdnica
Se clasific.n en *uchas ocásiones atendiendo al mecanismo de reacción: susti-
tución, adición, eliminación, homolíticas, "'
Atendiendo a la frnalidad dcl proceso se habla dc:
R"r*i"""t dá sintesls: N2 G)+ 3 H, (g) + 2 NH, (g)
Reacciones de descomposición: CaCO¡(s) + CaO (s)+ COzG)
RE]IDIMIE]IIO
En los procesos químicos no siempre se obtiene la cantidad de productos que
teóricamente cabe por la estequiometría del proceso. Hay que tener en
cuenta la eficiencia "or pie"nrdui.m iento de la reacción (R, \, o/o)'
R(\)(VCoa)nt=idafdf ide sustancia Pura
00
R(rt)(Eo)=c""t¡a"#:#nf;;:?#2r.""'"ñ""roo
Reactit¡o Limitante: Reactivo que en una reacción química se encuentra en
defecto en cuanto a su relación e3tequiom éticao reactivo que s9 consume total-
mente en la reacción. Los cálculos ástequiométricos se deben de realizar siem-
pre con el reactivo limitante.
PUREZA Y HUMEDAD IIE TAS SUSIA]IGIAS
Lapurezao riqueza de una sustancia se expresa en porcentaje e indica la canti-
dad de sustancia quÍmica pura en 100 gramos de sustancia bruta.
pureza p(vo) - cantido'd"de sustlncia pur? xloo
=
Cantidnd bruta de sustancia
En el caso particular de que Ia impureza sea agua, se define el concepto de
humedad, expresándolo en párcentaje como la cantidad de agua presente en 100
gramos de sustancia húmeda.
Cantidad de agua
Humcdad = H(Vo) = 00
C antidad sustancia húmedn
CáIculo de cantidad de sustancia seca:
xW
sustancia seca = cantidnd sustancia húmeda
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
EXPRESIO]I IIE LA GOIIGEIITRAGIO]I IIE SOLUGIOI{ES
UI{IDAIIES FISIGAS:
.
Vo Masa (Peso) = g soluto / 100 g solución
.
VoVolumsn = cm3 soluto / 100 cm3 solución
.
Vo Masah¡oiumcn = g soluto / 100 cm3 solución
c P.artes por millón ppm una parte en un millón de partes
=
c Partes por billón ppb una parte en un billón de partes (1000 millones)
=
Expresiones muy habitunbs pera concentración dc contanninantes en el aguay
enl.aatmódera:
o Agun: Dado que se considera en soluciones diluidas que la densidad del agua
es lg.cm-3, se manejan las siguientes equivalencias:
1 ppm = I mg/I 1 ppb = 1 pg/l I ppt = | ILEII
I ppm = 103 ppb = 10ó ppt
.
Aire: Al tratarse de un medio gaseoso las unidades empleadas son:
unidadesvolumen/volumen: l ppm = I cm3/m3; l ppb = I mm3/m3
unidades masa / volumen: mg/mt ; llg/nrn'; pg/m'
Nm3 significa metros cúbicos en condiciones nornales (1 atm y 0"C)
U]IIDAIIES QUIMIGAS:
Fracción mol.ar = r = fio moles de un componente / n" moles totales
Xi= & Dnr; Xx,=
1
a Mol"aridad = M = n" moles de soluto / litro solución
a Normalidad = N = no moles de equivalentes de soluto / litro solución
n" moles de equivalentes = gramos / peso equivalente
Cailc!'lo del Peso equivalente:
Acidos
Eq = Mol / n" de H* que puede ceder
Bases Eq = Mol / n" de OH que cede o de H. que acepta
Iones Eq = Mol del ión / n" de carga del ión
Mol
Sales Eq=
Carga del catiónxn" de cationes
o bien,
Mol
Eo= .
=
Carga del aniónxno de aniones
Oxidantes-reductores Eq = Mol / n" de electrones que cede o capta
Molalidad = ttt = n" moles de soluto / kg de disolvente
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
PROPIEDAIIES GOTIGATIUAS DE tAS DISOLUGIO]IES
- Son aqu_etlas cuyo valor depende del número de partículas presentes en la diso-
lución, no del tipo de soluto. Únicamente es preciso áistinguir ii el soluto es de tipo
molecular o de tipo electrolito.
soruTos MoTEGUTARES (1t0 DAl{ toltEs Eil Er PR0GES0 DE DtSorUGún}:
o !esi9\t de vapor la presión de vapor de la disolución es siempre menor que
la del disolvente puro. Se rige por la Ley de Raoult:
p
P=Po.x¿ = presión de vapor de la disolución
po = presión de vapor del disolvente puro
xa = fracción molar del disolvente
' Temperatura de congelnció2.'la temperatura de congelación de la disolución
es inferior a la del disolvente puro. La magnitud del áescenso viene dada por
la siguiente ley:
= &.m magnitud del descenso de T
^T" ^TK" constante crioscópica del disolvente
m molalidad de la disolución
o Tbmperatura dc ebullición: la temperatura de ebullición de la disolución es
superior a la del disolvente puro. La magnitud del ascenso viene dada por la
siguiente ley:
AT"=I!.m AT"
= magnitud del ascenso de T
K"=
constante ebulloscópica del disolvente
m=
molalidad de la disolución
' Presión osmótica: es la presión que habría que ejercer sobre una disolución
en contacto con el disolvente puro a través de una membrana semipermeable
para eütar el paso neto de moléculas de disolvente hacia la rnisma (proceso de
ósmosis).
fI = c.R.T fI= presión osmótica de la disolución
R_
constante de los gases ideales
T=
temperatura de trabajo
Q= concentración de la disolución en moles/l
SOIUTÍIS ETEGTROTITOS {At DISOLUERSE OGASIO]IA]I LA APARrcÚil
DE r0ilEs Ell rA Dtsorucúil}:
Al haber en la disolución más partículas que moléculas iniciales poseía el solu-
to, debe incluirse en el ciálculo de las propiedades coligativas un factoi corrector. Se
emplea con frecuencia el denominads ,,factor i de-Vanl Hoff,. Las ecuaciones
para el cálculo de todas las propiedades coligativas son iguales a las de los solutos
moleculares pero multiplicadas por este factór corrector.
i=l+cr(v-1)
6¡ = grado de disociación aparente
V = flo total de iones que origina el electrolito al disociarse
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y probtemas
EQUITIBRIOS ElI SOTUGÚil AGUOSA
En el agua se pueden establecer equilibrios químicos con multitud de sustancias
distintas. Este hácho, y dado que los equilibrios químicos siempre pueden de¡nla-
zarse en uno u otro sentido módificando distintas variables (Principio de Le Chate-
lier), se traduce en que la naturaleza de las especies presentes en el agua puede ser
disiinta según r"u.r- lur condiciones específicas de un agua determinada en un
momento i'ado. Entre los equilibrios que más importancia pueden tener debemos
destacar:
EQUrL¡BRI0S ÁCDO-snSr: CÁtcut0s llE pH
La presencia en aguas naturales o residuales de ácidos, bases o sales capaces de
sufrir ñid.Olirir puede modificar la acidez o basicidad del medio.
Concepto de pH: pH = - log [H.] pOH = - log [OH-]
LH.ltoH-l =K*= 10-14 = pH+pOH= 14
-
Acidas y basesfuertes.. en una concentración molar c, se supone disociación total.
E' jemplo: HCI + HrO -+ Cl-+ H*
Ei un cálculo aproximado: [H.] = c + pH = 'log c
Ejemplo: NaOH + H2O -+ Na* + OH-
"
Ei un cdlculo aproximado: [OIÍ] = s + pOH = - log c
Ácidos y bases débilcs: en una concentración molar, c
Ejeáplo: CH3COOH + H2O S CH3COO- + H.
rf*
En un cdbulo aProximado: [H* ] =
Ejemplo: NH3 + H2O $' NHa* + OH-
toH-l=w
En un cdlculo aproximado
Sales con hidrólisis dci.da:
Ejemplo: NH4CI + H2O -+ NHa* + Cl-
s
NHr'+ H2O NH3 + H3O*
K*
En un cdbulo aproximado: [H*]= + pH <7
Kb
Salcs con hidrólisis básica:
Ejemplo: NaCH3COO + H2O -+ CH3COO- + Na*
s
CH3COO- + H2O CH3COOH + OH
En un cdlculo aproximado: [H* ] = K_ .c ) pH>7
Ko
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tr Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
EQUITIBRIOS DE OXIDACÚil.REDUGGÚil:
La presencia de cantidades mayores o menores de oxígeno disuelto en el agua,
o la existencia de ciertas especies ton poder oxidante o reductor puede inducir la
variación de la natur aleza dZlas especiés presentes. En general, la presencia de for-
mas oxidadu" o r"drááár á"p""a" a"t aáo-inado poiencial redox del agua y del
pH de la misma.
Las reacciones de oxidación-reducción se ajustan habitualmente mediante eI
método del ión-electrón.
-+
Ejemplo:KMnOo + C2H5OH + HrSOa Mn*2 + CO2 + H2O
Se ajustan las semirreacciones de oxidación y reducción por separado, siguien-
do los siguientes Pasos:
i. S" r:["t. el nú'mero de átomos del elemento que se oxida o reduce:
--,
Reducción: MnOo- Mn*2
Oxidación: C2H'OH -) 2 CO2
2. En medio ácido se ajustan los átomos de oxígeno e hidrógeno utilizando
moléculas de HrO Y Ht:
Reducción: MnOa + 8 H* -+ Mn*2 + 4H2O
Oxidación: C2H5OH + 3 HrO -+ 2 CO2+ 12!1.
En medio básióo se ajusta empleando moléculas de H2o y oH-.
3. Se ajustan las cargas eléctricas de cada semirreacción utilizando electrones:
Reducción: MnOo- + 8 H* + 5 e- -) Mn*2 + 4H2O
Oxidación: CTHTOH + 3 H2O -+ 2 COz+ lZ}I* + 12 e-
4. Se igualan los electrones ganados o perdidos en cada semirreacción multipli-
.anáo por el coeficiente adecuado:
Reducción: (MnOa-+ 8 H* + 5 e- -+ Mn*2 + 4HrO)x12
oxidación: (crHrog + 3 H2o -+ 2 co2+ 12IJ'+ 12 e-) x 5
5. se obtiene la ecuación iónica ajustada sumando las dos semirreacciones:
12 MnOa-+ 5 CTHTOH + 36 H* -+ 12}r/rn*z + 10 CO2 + 33 H2O
6. Se ajusta la ecuación molecular comespondiente:
l2KMnOo + 5C2H5OH + 18H2SOa -+ 12Mn(SOo) + l0cor+ 33HrO + 6 Kz(SO+)
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
EOUILIBRIOS IIE SOTUBITIZACIÓil.PREGIPITACÚil:
Están regidos por el valor del producto de solubilidad (K) de las sustancias
denominadas poco solubles o insolubles. La conqentración de estas sustancias en
disolución vendrá dada por su solubilidad (s). Se establece un equilibrio heterogé-
neo entre la sal sóIida y los iones en disolución.
Ejemplo 1: AIPO, (s) S Al'.(aq) + POa3-(aq)
+
K(opo, = [Al'*] [POo'-] - s2 s = [Al't] = [PO43-] = Je(enmoles/l)
(s)
Ejemplo 2: (Ca)r(POo), -) 3 Ca2.(aq) + 2 POo3-(aq)
K,
K = [Ca2t]3 [POo'-]' = (3s)3. (2s)2 = 108ss :á
1"u¡.iron¡, 108
[Ca2*1 = 3t [Poo'-] = 2s (en moles/l)
EQUIIIBRIOS IIE GOMPIEJAGIOII:
Muchos iones metálicos, en especial los de transición, pueden combinarse con
moléculas o iones (ligandos), para formar los llamados «iones complejos". La gran
afinidad de un catión metálico por determinados ligandos, explica la gran estabili-
dad de un complejo. Los ligandos pueden ser de naturaleza orgánica o inorgánica.
Debido a estos equilibrios muchos metales se encuentran en forma de complejos en
las aguas naturales o residuales.
Hd.*4CN- !;
Ejemplos: [Hg(CN)o]'z-
Z¡:rz'+ (EDTA)4- S IZn(EDTA)]'?-
GO]ISTA]ITES IIE EQUITIBRIO:
Los valores de constantes de equilibrio utilizados son los recogidos enHandbook
of Chemistry and Physics, CRC Press, 64 edición.
Las constantes de equilibrio hacen referencia a concentraciones expresadas en
mol.l-l y se simbolizan de la siguiente forma:
o § Constante de ionización ácida.
o § Constante de ionización básica.
o § Constante de inestabilidad (disociación) de compuestos de coordinación.
o I( Constante de producto de solubilidad.
. K* Constante de producto iónico del agua.
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
GASES IIIEALES
Ecuación dc estada: PV = nRT
C ondiciones nortnaLes : Presión = 1 atm. Temperatura = 273 K
1 mol de gas ocupa 22,4litros
Ley d" Dalton de las presioncs parcialcs: p. = I pr
Pi = Xi. Pt
TERMOQUIMIGA
Conüciones estdnd.ar: Presión: 1 atm. Temperatura habitual: 298 K (25"C)
Concentración de sustancias en disolución: I molar
Poder calortfico.'El poder calorÍfico de una sustancia (combustible, residuo, ...) se
define como la cantidad de calor que se desprende en la combustión (reacción con
un exceso de oxígeno), a la presión de una át*órf".., de 1 kg de sustancia sólida o
líquida, o de I m3 de gas en condiciones normales. Unidades en kcal&g ó kcaUNm3
.
Poder Calorífico Superior (PCS): calor desprendido cuando el agua obteni-
da en la combustión se condensa a líquido.
.
Poder Calorífico Inferior(PCl).' calor desprendido cuando eI agua producida
en la combustión está en estado gaseoso.
COTGEPTOS DE QUIMIGA AMBIE]ITAI
DBO (Demanda Biológica o Bioquímica da Oxígeno):
Mide Ia cantidad de oxígeno necesaria para que los microorganismos aerobios
presentes en un agua oxiden la materia orgánica biodegradable. Se mide en mg
Orll (ppm Or).
DBO Total (DBO,): mide el oxígeno necesario para la oxidación total de la mate-
ria orgánica biodegradable
DBO en 5 días (DBO'): mide el oxÍgeno que se consume incubando una muestra
de agua, a20C, durante cinco días. Aproximadamente un 60-700/o deltotal.
Eiemplo: Agua con una concentración de 100 mg de glucosa/l(P, = 180)
CóH12Oó + 6 02-+ 6 CO, +6 H2O
Uq=f@, qft
*-ii?k,
DBor = = t06,7rns oz/t
DQO (Demanda Química dc Oxígeno):
Mide la cantidad de oxígeno equivalente a los agentes químicos, dicromato o
pernanganato de potasio, necesarios para la oxidación de la materia orgánica
de un agua, bio y no biodegradable. Se mide también en mg Orl1.
Ejemplo: Si 100 mI de un agua consumen 20 ml de una disolución 0,1 N de
dicromato de potasio para su oxidación total, su DQO se calcularía:
n" equivalentes de dicromato de potasio = 20.103 . 0,1 = 2.10'3
n" equivalentes de oxígeno = n" de equivalentes de dicromato
n" de gramos de oxígeno = no de equivalentes de oxígeno x Peso equi-
valente del oxÍgeno
n" de grarnos de oxígeno = 2.10-3 . 8 = 16. 10-3
Deo = l1060.1m0]glH OrzO , 10lg3m g, 1013m1l = 169 mBI Oz
XVII¡ @ ITES-Panninfo
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Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
GO]ISTA]ITES FíSIGAS:
AI utilizar constantes fÍsicas universales, se ha tomado para ellas, en general, el
valor expresado en unidades tradicionales. Así, se emplea:
o Constante de los gases:
R = 0,082 atm.l.mol-1.K-1
R = 8,314 J.mol-l.I(1
R = 1,987 cal.mol-1.I(1
.
Condiciones nofinales o estándar para gases:
Temperatura: OoC ó 273K
Presión: 1 atm ó 101,39 kPa
.
Volumen molar medido a presión y temperatura estándar = 22,4l.moI1
UI{IDADES DE MEIIIDA:
MÚLTIPLOS Y SUBMÚLrtPLOS MÁS FRECUENTES:
Prefiio Símbolo Significado Eiemplo (Unidad de masa)
Tera T 1012 Teragramo =1012 g
Giga G 10e Gigagramo = 10e g
Mega M 106 Megagramo = 106 g
Kilo k 103 Kilogramo = 103 g
Hecta H 102 Hectogramo = 102 g
Deci d 10-1 Decigramo = 10-19
Centi c 102 Centigramo = 10¿ g
Miti m 10-3 Milioramo (mo) = 10-3 o
Micro u 10-6 Microgramo (u.g) = 10-6 g
Nano n l0-e Nanooramo (no) = 10-e o
Pico p 1 0r2 Picogramo (pg) = 10-12 g
Femto f 1 0r5 Femtogramo (fg) = 10-'u g
ABREUIATURAS UTITIZADAS E]I EL LIBRO:
CE Concentración Efectiva
CFCs Clorofluorocarbonos
COT Carbono Orgánico Total
cov Compuestos Orgánicos Volátiles
DBO Demanda Biológica de Oxígeno
DL Dosis Letal
DQO Demanda Química de Oxígeno
HAP Hidrocarburo Aromático Policíclico
HCFCs Hidroclorofl uorocarbonos
SS Sólidos en Suspensión
TSD Total de Sólidos Disueltos
@ ITES-Paraninfo XIX
tr Conocimientos básicos de química para la resolución de cuestiones y problemas
MASAS ATOMIGAS:
Siguiendo la recomendación del Comité de Enseñanza de la Química de la
I.U.P.A.C., los valores de las masas atómicas se han tomado con cuatro cifras signi-
ficativas:
Elemento Símbolo Número Masa Elemento Símbolo Número Masa
aiómico atómica. atómico atómica. !;
I ir
Actinio Ac 89 227* Flúor F 19,00
Aluminio AI 13 26,98 Fósforo P 15 30,97 .l:,
Americio Am 95 243* Francio Fr 87 223"
Antimonio Sb 51 121,8 Gadolinio Gd 64 157,3
Argón Ar 18 39,95 Galio Ga 31 69,72
Arsénico As 33 74,92 Germanio Ge 32 72,59
Astato At 85 210* Hafnio HI 72 178,5
Azufre S 16 32,07 Helio He 2 4,003
Bario Ba 56 137,3 Hidrógeno H 1 1,008
Berkelio BK 97 247" Hierro Fe 26 55,85
Berilio Be 4 9,012 Holmio Ho 67 164,9
Bismuto Bi B3 209,0 lndio ln 49 1 14,8
Boro B 5 10,81 lridio lr 77 192,2
Bromo Br 35 79,90 Iterbio Yb 70 173,0
Cadmio Cd 48 112,4 Itrio Y 39 88,91
Calcio Ca 20 40,08 Kriptón Kr 36 83,80
Californio cf 98 249* Lantano La 57 138,9
Carbono c 6 12,01 Laurencio Lr 103 257*
Cerio Ce 58 140,1 Litio Li 3 6,491
Cesio Cs 55 132,9 Lutecio Lu 71 175,0
Cloro cl 17 35,45 Maonesio Ms 12 24,31
Cobalto Co 27 58,93 Manoaneso Mn 25 54,94
Cobre Cu 29 63,55 Mendelevio Md 101 256*
Cromo Cr 24 52,00 Mercurio Hg 80 200,6
Curio Cm 96 247* Molibdeno Mo 42 95,94
Disprosio DV 66 162,5 Neodimio Nd 60 144,2
Einstenio Es 99 254* Neón Ne 10 20,18
Erbio Er 6B 167,3 Neotunio Np 93 237*
Escandio Se 21 44,96 Niobio Nb 41 92,91
Estaño Sn 50 118,7 Níquel Ni 28 58,69
Estroncio Sr 3B 87,62 Nitrógeno N 7 14,01
Europio Eu 63 152,0 Nobelio No 102 253.
Fermio Fm 100 253. 0ro Au 79 197,0
xx @ ITES-Paraninfo