introduccion a la quimica ambiental

Introduccin a la Qumica Ambiental

La Serena, Abril 2014

INTRODUCCION A LA QUIMICA AMBIENTAL

Dr. Hugo Maturana C.Dpto. Ing. De Minas

Universidad de La Serena

2014

Curso de Geoqumica Ambiental. Tema 2: Introduccin a la Qumica Ambiental

La Serena, Octubre 2012

QUIMICA AMBIENTAL

La qumica ambiental, denominada tambin qumicamedioambiental es la aplicacin de la qumica al estudio de los problemas y la conservacin del ambiente.

Estudia los procesos qumicos que tienen lugar en el medioambiente global, o en alguna de sus partes: el suelo, los ros y lagos, los ocanos, la atmsfera, as como el impacto de las actividades humanas sobre nuestro entorno y la problemtica que ello ocasiona.



La qumica ambiental y las cinco esferas La qumica ambiental estudia el

comportamiento de las sustancias qumicas en diferentes mbitos, ( origen, transporte y evolucin )

Lo anterior incluye procesos e interacciones en cinco esferas:

Mesosferaexosferageosferabiosferaantroposfera



Qu se entiende por contaminacin?

Existen variadas definiciones para este concepto, sin embargo la mayora de ellas apuntan a algo similar a lo siguiente:

Cambio perjudicial en las caractersticas fsicas, qumicas o biolgicas del ambiente yque puede afectar la vida humana y de otras especies

La presencia en el ambiente, por accin del hombre, de cualquier sustancia qumica, objetos, partculas, microorganismos, formas de energa o componentes del paisaje urbano o rural, en niveles o proporciones que alteren la calidad ambiental y, por ende, las posibilidades de vida.



Comportamiento de sustancias contaminantes en suelos y aguas

La cantidad y diversidad de sustancias contaminantes que pueden emitirse al ambiente estrelacionada directamente con el tipo de actividad antropognica (industrias, procesos, etc ), con las caractersticas fsicas de ellos (slidos, lquidos, gases, aerosoles), y con la forma en que ellos se gestionen antes de emitirse al ambiente.



Propiedades de las sustancias qumicas y su comportamiento en el medio ambiente.

1.- El comportamiento de los contaminantes medioambiente depende bsicamente de sus propiedades fsicas, fisicoqumicas y , qumicas y de las caractersticas particulares del medio en que son vertidos, incluyendo la biota.

2.- Dichas propiedades y caractersticas son determinantes en los siguientes aspectos:

a) Forma en que se transportanb) Formas o especies qumicas que prevalecen en el medioc) Inderacciones con los componentes del mediod) Toxicidad

Adems, las propiedades de las sustancias contaminantes determinan laforma de tratamiento o abatimiento que se puede utilizar



Propiedades de las sustancias qumicas de inters ambiental

Estado fsico ( slido, lquido o gas) Solubilidad ( solubilidad en agua o en fases poco polares) Reactividad qumica ( reacciones cido-base y redox) Interacciones fsicoqumicas con el medio abitico ( ej.

adsorcin) y bitico (ej. Biosorcin, bioacumulacin)



Estado fsico de las sustancias qumicas El estado fsico que presentan los compuestos qumicos dependen

fundamentalmente de sus caractersticas estructurales ( tipo de enlace qumico, geometra molecular, peso molecular, posibilidad de puentes de hidrgeno, etc) .

La mayora de los metales en su estado elemental son slidos, excepto el mercurio (Hg) que es lquido.

Algunos elementos no metlicos son gases ( molculas diatmicas tales como el O2, N2,H2, gases nobles ), otros son slidos (Ej. S, As, P ) o lquidos ( Br)

Las sales inorgnicas e hidrxidos en general son slidos ( enlaces inicos o covalentes muy polares, ej. NaCl, As2O3, Ca(OH)2, NaOH

Compuestos covalentes inorgnicos pueden ser gases ( ej. NH3, H2S, HCl) o lquidos ( H2SO4, H3PO4, )

Los compuestos orgnicos pueden gases, lquidos o slidos, dependiendo de la presencia de heterotomos, del peso molecular y geometra molecular.



Consecuencias derivades del estado fsico

El estado fsico es determinante en los procesos de transporte de los contaminantes, establecindose lo siguiente:

Slo los fluidos (gases o lquidos) tienen movilidad propia y en condiciones normales, lo hacen en funcin de una gradiente ( ej. de concentracin, (difusin) , de presin ( ej. gradiente hidrulico) o de temperatura (conveccin)

Los slidos no tienen movilidad propia sino que deben ser transportados por un fluido ( gas o lquido) (adveccin).



EMBARGO, NO HAY QUE OLVIDAR 2 ASPECTOS IMPORTANTES:

UNA SUSTANCIA, YA SEA SLIDA O LQUIDA SIEMPRE POSEE UNA PRESIN DE VAPOR (VOLATILIDAD ) , Y ES FUNCIN DE LA TEMPERATURA.

UNA SUSTANCIA PUEDE CAMBIAR DE ESTADO FSICO EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA Y DE LA PRESIN



Solubilidad en agua de contaminantes

El agua es el principal medio de transporte de contaminantes.

Dependiendo de las propiedades de solubilidad de los contaminantes, ellos sern transportados en forma disuelta o como una suspensin ( de slidos o lquidos).

En el caso de contaminantes en suspensin, el tamao de partcula y la densidad sern determinantes en las caractersticas del proceso de transporte y su destino.

Distribucin subterrnea de hidrocarburos (A) Aromticos de baja densidady (B) Halogenados de alta densidad despus de un gran derramamientoen la superficie (despus de Lawrence y Foster, 1987)



El agua como solvente polar Las propiedades del

agua como solvente depende de su estructura molecular.

La solubilidad de una sustancia en un solvente determinado es el resultado de una interaccin efectiva soluto-solvente

En general, solutos polares se disuelven en solventes polares y solutos poco polares, en solventes poco polares.

El agua es un solvente polar

El agua es un buen solvente de solutos polares



El pH es una medida de la acidez o basicidad

de una solucin.

El pH es la concentracin de iones o cationes hidrgeno [H+] presentes en determinada sustancia.

Puesto que el agua est disociada en una pequea extensin en iones OH y H+,

H2O H+ + OH-

tenemos que:

Kw = [H+][OH] = 1014 en donde ,

[H+] es la concentracin de iones de hidrgeno[OH-] la de iones hidrxilo, y Kw es una constante conocida como producto inico del agua.

Por lo tanto,log Kw = log [H+] + log [OH]

14 = log [H+] + log [OH]

14 = log [H+] log [OH]

pH + pOH = 14

Sustancia/Disolucin pH

Disolucin de HCl 1 M 0 Jugo gstrico 1,5 Jugo de limn 2,4 Refresco de cola 2,5 Vinagre

2,9 Jugo naranja

3 Cerveza

4,5 Caf 5,0 T 5,5 Lluvia cida < 5,6 Orina 5,5-6,5 Leche 6,5 Agua pura 7,0 Saliva humana 6,5 a

7,4 Sangre

7,35 a 7,45 Agua de mar 8,0 Jabn de manos 9,0 a

10,0 Amonaco 11,5 Hipoclorito de sodio 13.5-14



Reactividad QuimicaMetales pesados: Especiacin y solubilidad

La especie predominante en que se encuentran los metales en medios acuosos dependen del Eh , del pH o de ambos, adems de la composicin del medio

Las transformaciones de especies qumicas (reacciones) de los metales pesados pueden ser de tipo redox o de tipo cido-base

Hidrlisis: Fe+3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+

Redox Fe+3 + e Fe+2

Precipitacin Fe+2 + S-2 FeS



Forma generalMox + H+ + e Mred + H2O

R. que depende del pH

Fe+3/Fe2O3 : Fe2O3 + 6 H+ 2 Fe+3 + 3 H2OR. que depende del EH

Fe+3/Fe+2 : Fe+3 + e Fe+2 E = + 0.77 v

R. que depende del Eh y del pH

Fe+3/FeO : Fe+3 + H2O + e FeO + 2 H+



Aplicable a reacciones que no dependen del Eh (cido base)

aA + bB cC + dD

K = [ C]c [D ]d[ A]a [ B]b

Ej: Fe2O3 + 6 H+ 2 Fe+3 + 3 H2O

K = [ Fe+3]2-[Fe2O3 ] [H+ ]6



Equilibrio carbnico en aguas naturales

Como en este equilibrio participan cidos dbiles y bases fuertes, ello le proporciona una importante capacidad buffer

Ecuacin de Nerst

Aplicable a reacciones que dependen del Eh (redox)

a forma oxidada + n e b forma reducida

E + 0.059 log [forma oxidada]an [forma reducida]b

Ej: Fe+3/Fe+2 Fe+3 + e Fe+2 E = + 0.77 v

0.77 + 0.059 log Fe+3Fe+2

E =

E =

Diagramas Eh-pH (H2O)

La forma qumica predominante (especie) en que se encuentra un metal en sistemas acuosos depende del Eh y pH del medio.

Un diagrama Eh-pH es una representacin termodinmica de condiciones de Eh y pH que favorece la existencia de una especie qumica determinada

Un Diagrama Eh- pH se obtiene experimentalmente o se construye bajo una base termodinmica.

Una forma prctica de establecer la especie predominante de un metal en un sistema acuoso es conocer el pH y el potencial redox del sistema y analizar el diagrama correspondiente

Kps: Producto de solubilidad

Concepto aplicable a especies qumicas de baja solubilidad

Ej: sulfuros metlicos

MS M+2 + S-2

Kps = [M+2] [S-2]

HgS Hg + S

Kps = [Hg+2] [S-2] = 10-51

solucin

Hg+2 S-2S-2 Hg+2

HgS slido



Kps HgS = 10-51

Kps CuS = 10-36

Kps Bi2S3 = 10-33

Kps CdS = 10-27

Kps PbS = 10-28

Kps SnS = 10-26

SOLUBILIDAD DE SULFUROS METALICOS

Kps para hidrxidos metlicos

Me(OH)n Me+n + n OH-

Kps = [Me ] [OH]n

Ej. Fe(OH)3

Fe(OH3)3 Fe+3 + 3 OH-

Kps = [Fe+3 ] [OH]3 = 1.58 x 10-39


Efecto del pH en la solubilidad del hierro

Fe (mg/L)

3

82 4 6 10 12

Fe(OH)3 Fe(OH2

pH

Finalmente.- Las propiedades fisicas, fisicoqumicas

qumicas y termodinmicas determinan el comportamiento y destino de los contaminantes en el medio ambiente.

- Dichas propiedades son determinantes en el ciclo biogeoqumico incluyendo procesos tales como:

Precipitacin/disolucin/volatilizacin Transporte en medio acuoso y

atmsfera Bioacumulacin Adsorcin/desorcin en suelos y

sedimentos Toxicidad

Distribucin de contaminantes en el ambiente bitico y abiotico

atmsfera intercambios energa

Agua gases lquidos slidos transformacionesfotoquimicas

dilucinDispersin

tranformacionesqumicas

sedimentacin (ej. hidrlisis)

difusin absorcin biotransformaciones bioacumulacin, biosorcin

sedimento

Distribucin de un contaminante en el medio

Hidrosfera Atmsfera

Fases slidas

Contaminante

K

PS

KSW KSA

KAW

P = Presin de vaporS = SolubilidadK = Constante de adsorcin

Constantes de reparto entre el aire (A) el agua (W) y las fases slidas (S)

KAW KSW, , KSA =

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