TRABAJO PRÁCTICO Nº 4 Aguas

Transcripción

63.03 QUIMICA II
Trabajos Prácticos de Laboratorio
TRABAJO PRÁCTICO Nº 4
Aguas
El agua es un constituyente de todos los seres vivos. Es un material de principal
importancia en tecnología pues sirve como solvente, agente de transmisión del calor,
reactivo químico, etc. El agua casi nunca es pura en la naturaleza y según el uso para que
se la destine es el tratamiento al que se la debe someter.
Las aguas naturales pueden contener gases y sales disueltos, polvo, polen, etc.; en
suspensión.
El agua de lluvia (que es una de las más puras) tan pronto penetra en el suelo comienza a
atacar a diversas rocas, tejidos en descomposición, etc., y en su recorrido el agua que se
infiltra disuelve sustancias minerales. Así el agua subterránea puede contener disueltos
diversos compuestos de Ca, Mg, Na etc., tales como cloruros, sulfatos nitratos, etc. Las
aguas que contienen dióxido de carbono ya sea de origen atmosférico o disuelto durante
su pasaje por el suelo atacan a los carbonatos, tales como las calizas, el carbonato de
hierro (II) etc., formando hidrogenocarbonatos (bicarbonatos) solubles.
Agua para uso doméstico
El agua “potable” debe ser o estar:
a) libre de material en suspensión
b) incolora
c) inodora
d) libre de microorganismos patógenos
e) de sabor aceptable es decir dulce, no salada o amarga.
f) Blanda
Agua para uso industrial
En algunas industria las aguas naturales, aún el agua de mar, se usan sin tratamiento
alguno.
En otros casos, el agua debe cumplir especificaciones aún mucho más estrictas que las
que corresponden al agua para alimentación. Las aguas empleadas en calderas no deben
formar depósitos o incrustaciones (sarro) es decir no deben ser aguas duras.
Agua dura
Se dice que un agua es dura cuando su contenido en iones disueltos Ca2+ y Mg2+ excede
lo tolerado para el uso al que se destina dicha agua. Se comprende pues que no hay un
único valor del máximo de Ca2+ y Mg 2+ tolerable para todos los diferentes usos a que se
destina el agua.
La dureza de un agua se manifiesta por:
a) “cortado” del jabón
El jabón es una sal de sodio de un ácido graso superior (generalmente de 16 a 18 átomos
de carbono por molécula). Estos jabones son solubles, al menos dispersables
coloidalmente, en agua y se caracterizan por la formación de espuma.
En cambio, las sales (“jabones”) de los cationes Ca2+ y Mg2+ son insolubles en agua.
Se dice que el agua dura corta el jabón, ya que solo mediante un gran agregado de éste
(Superando la cantidad estquiometricamente necesaria para precipitar todo el Ca2+ y
Mg2+) se logra espuma y la detergencia de una lejía de jabón.
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b) Formación de depósitos (sarro)
Los hidrogenocarbonatos (“bicarbonatos “) de calcio y de magnesio solubles en agua se
descompones por calentamiento, se elimina el dióxido de carbono y precipitan los
correspondientes carbonatos que son insolubles y se incrustan en las superficies
calefactoras.
La dureza del agua se clasifica en:
I) dureza temporaria: es la que desaparece por calentamiento, es debida a los
bicarbonatos de Ca y Mg
Ca(CO3H)2 (aq)
CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)
II) dureza permanente: no es eliminada por el calentamiento, es debida a otras sales
solubles de Ca y Mg ( cloruros , sulfatos etc.)
Las incrustaciones debidas a la dureza permanente son originadas principalmente por el
sulfato de calcio, ya que las otras sales: CaCl2, Mg Cl2 y MgSO4 son muy solubles en
agua. El sulfato de calcio, es medianamente soluble, 2g/l a 20 ºC, pero 1,6 g/l a 100ºC.
Por eso, cuando el agua de una caldera se calienta y parte se convierte en vapor, se
deposita CaSO4 en forma compacta, de modo que redisolución con agua es
prácticamente imposible.
Expresión de la dureza de una agua
Se suele expresar la dureza de un agua en términos de concentración de carbonato de
calcio; por ejemplo 1mol de MgSO4 =120g es equivalente a 1 mol de CaCO3 = 100g pues,
de ser soluble el carbonato de Ca, 100 g de CaCO3 cortarían la misma cantidad de jabón
(2 moles) que 120 g de MgSO4.
La razón de la elección del carbonato de calcio como sustancia de referencia es que su
peso molecular es exactamente 100, lo que facilita los cálculos.
1 gramo Francés de dureza, es una dureza equivalente a la de 1g de CaCO3 en 100 L de
agua.
Determinación de la dureza de un agua
La dureza de un agua se puede determinar:
a) por el método del jabón:
Consiste en titular el agua con una solución de jabón de concentración conocida, el
indicador es la propia espuma del jabón, que sólo se forma cuando toda la dureza se ha
consumido (o sea después que el jabón de sodio se ha combinado con los iones Ca y Mg
formando jabones insolubles) con un volumen de solución de jabón que se lee en una
bureta.
Cálculo de la dureza :
Si 1cm3 de solución de jabón corresponde a 2,5 mg de CaCO3 por lo tanto si para V cm3
de agua dura se han gastado (n-f) cm3 de solución de jabón, la dureza referida a 1000cm3
de agua será:
D= (n-f)2500/V = mgCaCO3 /L
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N+cm3 de solución jabonosa gastados
F= factor de espuma
V= volumen de la muestra empleada (en cm3)
Reacción:
2JNa + Ca2+
J
Ca
+ 2Na+
J
J representa el resto hidrocarbonado de la molécula de jabón.
Cálculo del factor de espuma:
1cm3 solución de jabón--------2.5 mg CaCO3
(n-f) cm3 sc. de jabón-----------(n-f)2.5
Vcm3--------(n-f)2.5
1000cm3-------(n-f) 2500/V
b) por el método del EDTA
Este método consiste en titular la solución de agua dura con una solución de sal de sodio
del ácido etilén –diamino-tetracético (EDTA) y utilizando como indicador negro de
eriocromo T, NET, (Eriochrome black T) que forma un complejo de color rojo vinoso el
cual vira a azul cuando se ha agregado una cantidad de sal de EDTA que
estequiometricamente corresponde a la reacción:
Me2+ 2OH - + Na2 (C10H12N2O8H2) Æ Na2 (C10H12N2O8Me) + 2 H2O
El medio tiene que ser básico para que se disponga de los iones OH- necesarios, tal como
lo indica la ecuación.
LIMITES ACEPTABLES DE DUREZA
Tipo de agua
Contenido en dureza total (ppm CaCO3)
Blandas
Menos de 50
Medianas
Entre 50 y 150
Duras
Entre 150 y 300
Muy duras
Más de 300
Ablandamiento del agua (eliminación de dureza)
Los métodos de ablandamiento se basan en algunos de los siguientes objetivos:
1) producir compuestos insolubles de Ca y Mg o
2) Mantener el Ca y Mg en solución, pero con perdida de su carácter iónico.
Ablandamiento del agua por el método de cal-soda
El carbonato de calcio es el compuesto (de constitución química más sencilla) de Ca más
insoluble.
Solubilidad de CaCO3 en agua a 20ºC 0,01g/l
El hidróxido de magnesio es el menos soluble de los compuestos de magnesio.
Solubilidad de Mg(OH)2 en agua a 20ºC 0,009 g/l
El método de la cal-soda se basa en la obtención de compuesto insolubles de Ca y Mg en
el uso consecutivo de cal (hidróxido de calcio) y soda (carbonato de sodio).
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Dureza debida a iones calcio(eliminación)
El hidrógenocarbonato de calcio –dureza temporaria- puede ser convertido en carbonato
tratado con un hidróxido.
El hidróxido más barato es el de calcio (cal apagada) de modo que se utiliza en esta
etapa.
Ca(CO3H)2 + Ca(OH)2
2CaCO3 + H2O
La dureza permanente debido a cloruros, nitratos,etc. Se elimina tratando con carbonato
de sodio (soda)
CaCl2 + Na2CO3
CaCO3 + NaCl
Dureza debida al magnesio(eliminación)
Siendo el Mg(OH)2 el mas insoluble de los compuestos sencillos de magnesio, se eliminan
ambas durezas (temporaria y permanente de magnesio) con cal (Ca(OH)2 )
Dureza temporaria
Mg(CO3H)2 +2 Ca(OH)2
Mg(OH)2 +2CaCO3
Dureza permanente:
MgCl2 +Ca(OH)2
Mg(OH)2
+ 2H2O
+ CaCl2
Como sé puede observar al eliminarse la dureza permanente de Mg se crea dureza
permanente de Ca.
Eliminación de la dureza por el uso de zeolitas y de resinas de intercambio.
Existen varios sílicoaluminatos naturales y artificiales cuyas fórmulas de óxidos son :
nSiO2 . Al2O3 . Na2O (abreviadamente ZNa2)
nSiO2 . Al2O3 . Ca2O (abreviadamente ZCa)
nSiO2 . Al2O3 . Mg2O (abreviadamente ZMg)
En el que n=5 a 13.
Son materiales insolubles en agua y químicamente constituyen macro-aniones fijos
neutralizados eléctricamente con iones Na, Ca, etc. Que se sustituyen entre sí con relativa
facilidad.
Estos silicoaluminatos llamados zeolitas se mantienen formando un lecho dentro de
tanques cilíndricos (“columnas”). se hace pasar el agua dura (solución que contiene Ca 2+
y Mg2+) por un lecho de estos intercambiadores iónicos al estado sódico y ocurre lo
siguiente:
ZNa2 (s) +
Ca2+
ZCa(s)
+
2Na+
intercambiador sódico
agua dura
intercambiador agotado
agua blanda
La reacción puede hacerse total gracias a que el agua atraviesa un lecho de cierto
espesor, encontrándose poco a poco con silicoaluminato puramente sódico.
Cuando el intercambiador está ”agotado” hay que regenerarlo. Se agrega una solución
concentrada haciendo pasar a través del lecho, una solución concentrada de una sal de
sodio (NaCl).
Generalmente la regeneración se realiza haciendo pasar la solución de la sal de sodio en
el sentido inverso (por ej; ascendente) al que se empleó para el agua dura(por ej;
descendente).
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Reacción que tiene lugar al regenerar la zeolita:
Ca(s)
2Na+
+
intercambiador agotado
ZCa(s)
salmuera
+
intercambiador regenerado
Ca2+
efluente que se desecha
existen intercambiadores artificiales como las permutitas y las resinas de intercambio.
Las resinas de intercambio tienen la siguiente constitución:
Resina catiónica
Resina aniónica
H
O-
S
O
N
R'
O
H
H
R
Donde R y R’ son radicales orgánicos.
Las resinas actúan como las zeolitas intercambiando iones, pero su gran ventaja es que
se las puede utilizar para:
Deionización del agua: es decir que se pueden eliminar totalmente los cationes y
aniones existentes en el agua. Se procede haciendo pasar agua:
a)Por un lecho de resina catiónica sulfónica al estado de ácido:
RSO3H (S)
+
Resina catiónica ácida
Na+
+
cationes del agua Na
R-SO3Na(s)
+
resina catiónica agotada
H+
acidez del agua
efluyente sin otros
cationes ej.: HCl
b) pasar a continuación el agua “decationizada” por un segundo lecho de resina aniónica
al estado de hidróxido (resina neutralizadora):
R-NH3OH (S)
+
Resina aniónica como hidróxido
H+
+ Cl-
agua con acidez
R’-NH3Cl(s)
+
H2O
resina aniónica agotada
Con lo que queda el agua deionizada.
La regeneración de las resinas agotadas se efectúa con soluciones acuosas de ácidos e
hidróxidos, según la columna, haciendo pasar dichas soluciones a través de los lechos sin
sacar la resina de las respectivas columnas.
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PARTE EXPERIMENTAL
Materiales
Solución alcohólica de jabón
Solución de Na2CO3 (soda)
Solución de Ca(OH)2
Bureta
Erlenmeyers
Embudo
Papel de filtro
1)Determinación de dureza por el método del jabón (análisis cualitativo)
Se determina el factor de espuma. Para esto se coloca en un tubo de ensayo 3 cm3 de
agua destilada y se agrega solución jabón hasta que se forme un anillo de espuma
persistente de jabón y se mide aproximadamente el volumen de jabón gastado.
V1 =
Se coloca en otro tubo de ensayo 3 cm3 de agua dura y se agrega solución de jabón hasta
que se forme una espuma persistente de jabón.
V2=
¿En cual se gasta mas jabón? ¿Porqué?
2)Determinación de la dureza del agua con EDTA
a)Se miden se toman 10ml de agua corriente y se añaden 1ml de solución buffer
NH4+/NH3
Se añaden aproximadamente 4 gotas de NET. se titula con EDTA hasta conseguir un
color azul tenue
Nota: antes de titular colocar un papel blanco en la mesada para poder distinguir el cambio de
color.
Medir el volumen utilizado de EDTA y realizar el siguiente cálculo.
1ml EDTA ----------- 0,1 mg CaCO3
Vgastado EDTA------X1
10ml muestra----------X1 mgCaCO3
1000mlmuestra--------1000.X1/25=X2
1ppmCaCO3= 1mgCaCO3/litro
1ºF = 10ppm
X2= X2ppmCaCO3
Si lo expresamos en grados franceses (ºF)
10ppm-----1ºF
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X2ppm------X3ºF
b)realizar la misma operación que en el ítem a) pero con una muestra de agua mineral y
luego de calcular la ppm de CaCO3; comparar con lo declarado por el fabricante del agua
en el envase. Ubicar ambas muestras según los límites de dureza y clasificarlas como
aguas blandas medianas o duras.
4)Ablandamiento de aguas: método cal-soda
a) tratamiento con cal : en esta etapa del proceso se elimina toda la dureza temporaria y
además la permanente debida al Mg2+ por el agregado de cal, Ca(OH)2.
b) Tratamiento con soda: en esta etapa del proceso se elimina la dureza permanente
debida al Ca2+por el agregado de carbonato de sodio.
Técnica:
Colocar en dos tubos de ensayos 10cm3 de agua con dureza temporaria y permanente.
Uno de ellos quedará como testigo.
A uno de ellos agregar 1cm3 de agua de cal previamente filtrada y agitar.
Luego al mismo tubo agregar 1 cm3 de solución de carbonato de sodio y agitar.
Filtrar la solución y recogerla en un tubo limpio. Agregar a este tubo y al tubo sin tratar
(testigo) tres gotas de solución de jabón y agitar.
Ecuaciones correspondientes al agregado de cal:
Ecuaciones correspondientes al agregado de soda:
Cuestionario:
1)a) escribir la ecuación que representa el “cortado del jabón”.
b)calcular la masa de jabón desaprovechado cuando en un lavado industrial se prepara
1000 L de lejía de jabón (admitiremos estearato de sodio al 80%)con una solución de
agua sin tratar que contiene 40 mg de Ca2+ y 12 mg de Mg2+ por litro.
2) ¿Puede considerarse método industrial de eliminación de dureza temporaria al
calentamiento de un agua que la contiene? ¿ Porqué?.
3) ¿Cuales son los inconvenientes que causan las incrustaciones en los tubos de
calderas?
4) Escribir las ecuaciones “moleculares” e iónicas que muestran la acción del carbonato
de sodio sobre sales de calcio, correspondientes a ambos tipos de dureza.
5) Escribir las ecuaciones “moleculares “e iónicas que muestran la acción del hidróxido
de Ca sobre sales de Mg correspondientes a ambos tipos de dureza. Mediante otras
ecuaciones mostrar la necesidad de un tratamiento adicional con carbonato de sodio
para lograr un ablandamiento prácticamente total.
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