DETERMINAC DETERMINACIÓN IÓN CLORURO, CLORURO, HIERRO Y SULFATO SULFATO Minakshi Brand Torres cod: 0610042 Aleja Alejand ndro ro Roda Rodass Pad Padil illa la cod: cod: 05 0531 3155 5533 Presentado a: Héctor Mario Gutiérrez Z. 8 de Mayo de 20 2007. Universidad del Valle. Santiago de Cali.
1.0 INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN N Desde tiempos tiempos pasados pasados se han han utilizado utilizado las aguas subterráneas subterráneas como principa principall fuente de agua potable, por esta razón es requerido realizar un estudio previo antes de su distribución distribución y consumo. Dentro de las determin determinaciones aciones que se se realizan al agua se encuentran encuentran las de de concentración de sustancias como son hierro, magnesio y sulfatos; esta práctica trata en estas determinaciones por medio del proceso de la espectrofotometría y la aplicación de la ley de Beer-Lambert, en donde se relacionan la tramitancia, la absorbancia absorbancia y la concentración concentración mediante las ecuaciones correspondientes. correspondientes. La práctica consiste como primera instancia en la determinación de cloruros, la cual debe ser realizada realizada tanto a la muestra como al agua destilada destilada y consiste en una titulación titulación en donde donde se involucran involucran además, nitrato de plata plata y cromato de potasio. El siguiente paso es la determinación de sulfuros en la cual se ven representados los principios de la ley de Beer-Lambert y la espectrofotometría, a través de la medición medición de la luz absorbida por por la muestra muestra habiendo pasado anteriormente anteriormente por un proceso en donde donde se agrega cloruro de bario bario y solución amortiguadora, amortiguadora, y complementariamen complementariamente te se agita con el propósito se catalizar catalizar las reacciones que fundamentan el proceso. Posteriormente se realiza la determinación determinación de la concentración concentración de hierro hierro total total en la cual mediante la la adición de distintos reactivos pasando por procedimientos importantes en el desarrollo de las reacciones como por ejemplo el calentamiento para la reducción del volumen volumen de la la soluci solución, ón, el el enfria enfriamien miento to y el cambio cambio del del pH pH y así así finalme finalmente nte realizar realizar la determinación determinación de la concentración en el espectrofotómetro espectrofotómetro aplicando aplicando nuevamente la ley de Beer-Lambert. Finalmente se comparan los resultados obtenidos con las normas que establecen los límites de concentración de los distintos componentes que son de interés y se concluye si el agua muestreada necesita o no un tratamiento que le permita ser apta para el consumo humano, descartando de esta manera los posibles posibles riesgos que pueda llevar llevar a la salud humana, humana, por lo menos a lo que corresponde esta parte del estudio.
2.0 OBJETI OBJETIVOS VOS 2.1 Genera General: l: •
Determinar Determinar la concentración concentración de cloruros, sulfatos sulfatos e hierro en una muestra de agua subterránea.
2.2 Específicos: •
•
•
•
Utiliz Utilizar ar la espectr espectrofot ofotome ometría tría y la ley de Beer-L Beer-Lambe ambert rt para encontra encontrarr la tramitanciá y absorbancia de la muestra de agua subterránea. Comprobar la relación relación existente existente entre la tramitancia tramitancia y la absorbancia con la concentración de hierro y sulfato de la muestra de agua subterránea. Cuantificar la concentración de hierro y sulfato utilizando curvas de calibración específicas para cada elemento. Utilizar el método volumétrico para la determinación de la concentración de cloruros y el error que se presenta con este método.
3.0 MARCO TEORICO TEORICO 3.1 Análi Análisis sis Colori Colorimétr métrico ico Much Muchas as de las las dete determ rmin inac acio ione nes s en el anál anális isis is quím químic ico o de una una mues muestr tra a se cuantifican cuantifican con métodos métodos colorimétricos. colorimétricos. Para realizar realizar estas determinacion determinaciones es colorimétricas las substancias forman un compuesto cuyas características de color son definidas y en magnitud directamente proporcional a la sustancia que se va a medir. Las soluciones soluciones del compuesto compuesto coloreado coloreado deben de de tener propiedades que cumplan la ley de beer y la ley de lambert. •
Ley de Lambert Lambert Esta ley relaciona relaciona la absorción de luz con la profundidad profundidad o espesor de la solución solución coloreada. coloreada. La ley establece establece que cada cada capa de igual igual espesor absorbe absorbe una fracció fracción n igual igual de la luz que que le atravie atraviesa, sa, cuando cuando un rayo rayo de luz luz monocr monocrom omát átic ica a pasa pasa a través través de un medio medio absor absorben bente te,, su intensi intensidad dad decrece exponencial exponencialmente mente a medida medida que la longitud longitud del medio medio aumenta. aumenta. T = I / Io = 10
-KL
; dond donde e
__s
T = tra trans nsmi mita tanc ncía ía de la solu soluci ción ón I = intensidad de luz que penetra la solución. inten ensi sida dad d de de la la luz luz que que aban abando dona na la Io = int solución L = longitud de la capa absorbente K = constante de la solución
•
ley de Beer Esta relaciona la concentración de la solución con la absorción de luz. La ley establece que la intensidad de un rayo de luz monocromática decrece exponencialmente con el aumento de la concentración del medio absorbente. T = I / Io = 10
-KC
; donde C = concentración de la solución
Por lo tanto todo elemento que obedezca la ley de beer mostrara que la concentración del elemento en la muestra es proporcional a la absorbancia o densidad óptica. La absorbancia tiene unidades de absorbancia y se puede calcular por medio de la formula: Abs = - log (%T / 100) (1) Para determinar si una solución coloreada obedece la ley de beer se puede preparar una serie de muestras en el intervalo de concentración deseada (estándares) y se someten a ensayo en un espectrofotómetro; al colocar el porcentaje de transmisión de luz (escala log) en un papel semilogaritmico, se obtiene una línea recta si el compuesto solución obedece la ley de beer. En la práctica, si el fotómetro tiene escala en términos de absorbancia, es mas sencillo hacer una curva de calibración sobre papel grafico rectangular en términos de absorbancia contra concentración y también se obtiene una línea recta si el compuesto obedece la ley de beer.
3.1.2 Espectrofotómetro Uno de los instrumentos principales del laboratorio es el espectrofotómetro. Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática (de un largo de onda particular) a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto permite realizar dos funciones: • •
Dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra. Decir cuanta cantidad de la sustancia que interesa está presente en la muestra
Este instrumento esta compuesto por:
Fuente de radiación: tiene intensidad constante en el rango de longitud de onda que cubre, genera longitudes entre 400nm y 700nm.
Portacelda para la muestra : compartimiento donde se coloca la muestra y el cual separa la banda de longitud de onda deseada del resto del espectro y la dispersa al compartimiento de la muestra.
Fotodetector : El cual mide cuantitativamente la radiación que pasa por la muestra.
3.2 Cloruros El ión cloruro es una de las especies de cloro de importancia en aguas, éstos aparecen en todas las aguas naturales en concentraciones que varían ampliamente, por ejemplo en aguas de mar el nivel de cloruros es muy alto, aproximadamente de 19000 mg/L, mientras que en aguas superficiales su contenido es generalmente menor que el de los bicarbonatos y sulfatos. Los cloruros logran acceder a las aguas naturales al disolverlos de la capa vegetal y de las formaciones profundas, otra manera de introducción de los cloruros es la mezcla constante de agua salada con agua dulce ya que las aguas de mar son mas densas y fluyen aguas arriba a través de aguas dulces de los ríos que fluyen aguas abajo. Los cloruros también se encuentran presentes en los excrementos humanos principalmente en la orina, la cual contiene una cantidad de cloruros casi igual a la consumida en los alimentos (6 gramos de cloruro de persona por día), estos cloruros en la orina incrementan el contenido de Cl- en las aguas residuales en unos 20 mg/L por encima del contenido propio del agua. Por consiguiente, los efluentes de aguas residuales añaden cantidades de cloruros a las fuentes receptoras. Muchos residuos industriales contienen cantidades apreciables de cloruros. Los cloruros en concentraciones razonables no son peligrosos para la salud y son un elemento esencial para las plantas y los animales. En concentraciones de 250 mg/L producen un sabor salado en el agua, el cual es rechazado por el consumidor; para el consumo humano el contenido de cloruros se limita a 250 mg/L.
3.2.1 Determinación de Cloruros Las determinaciones de cloruros son utilizadas para detectar contaminación por aguas residuales y por residuos industriales, además de su utilización para el seguimiento de la ruta de polución en pozos y para efectuar aforos en efluentes superficiales mediante la descarga de concentraciones adecuadas las cuales permiten determinar los tiempos transcurridos entre una y otra estación de aforo y de toma de muestras. Los cloruros interfieren la determinación de nitratos y DQO. El método argentometrico o método de Mohr es una de las maneras de determinar los cloruros. Este método emplea una solución de nitrato de plata para la titulación, en la cual el ión cloruro es precipitado como cloruro de plata blanco mediante la reacción: Cl- + AgNO3 → AgCl ↓ + NO3El punto final de la titulación puede ser detectado con la utilización del indicador cromato de potasio que es capaz de mostrar la presencia en exceso de iones
Ag+ de tal manera que cuando la concentración de iones cloruro se acerca a la extinción, el ión plata aumenta su concentración hasta exceder el producto de solubilidad del cromato de plata y posteriormente forma un precipitado de color amarillo-rojizo (color ladrillo). K2CrO4 + 2AgNO3 → Ag2CrO4 ↓ + 2KNO3 Como se necesito un exceso de Ag+ para notar una cantidad visible de precipitado, entonces del volumen total de titulante gastado debe de reducirse aproximadamente de 0.2- 0.8 mg/L y así corregir el error. Además para este método la muestra debe neutralizarse o hacerse ligeramente alcalina.
3.3 Hierro El hierro se encuentra presente en gran cantidad en suelos y minerales principalmente en su formas de oxido ferrico insoluble, sulfuro de hierro, FeS2 y pirita. Las aguas principalmente las subterráneas pueden obtener el hierro de forma natural debido a que las cantidades apreciables de CO2 que se producen por oxidación bacterial de la materia orgánica con la cual el agua entra en contacto, se pueden disolver en cantidades apreciables de carbonato ferroso. De la misma manera que se disuelven carbonatos de calcio y magnesio FeCO3 + CO2 + H2O
↔
Fe+2 + 2HCO3-
Los problemas con el hierro predominan cuando éste está presente en el suelo como compuestos férricos insolubles. Si existe oxigeno disuelto en el agua, la solución del hierro de tales suelos con el agua no ocurre, aun en presencia suficiente de CO2, pero, en condiciones anaeróbicas, el hierro férrico es reducido a hierro ferroso y la solución ocurre sin ninguna dificultad. En suministros de agua este puede crear problemas, como por ejemplo: •
• • •
Corrosión o obstrucción de las tuberías (directamente, por precipitación y formación de depósitos) Mal aspecto del agua Sabor metálico del agua Manchado en prendas de ropa y tanques de almacenamiento
El Fe+3 es la única forma estable del hierro en aguas que contengan oxigeno, por ello esta forma puede ser reducida a la forma soluble Fe+2, solamente bajo condiciones reductoras anaerobias. Uno de los hechos que indica que el hierro entran en solución al agua mediante cambios ambientales por acción biológica, son las aguas subterráneas con cantidades apreciables de hierro presente como Fe+2, las cuales carecen siempre de oxigeno disuelto y tienen presencia de un alto contenido de CO2, indicando que se han desarrollado condiciones anaerobias y que ha existido oxidación bacterial de la materia orgánica. Aguas subterráneas con hierro ferroso en solución, al ponerlas en contacto con oxigeno del aire presentan la siguiente reacción:
4Fe+2 + 8HCO3- + 2H2O + O2 ↔ 4Fe(OH)3 ↓ + 8CO2↑ La conversión anterior del hierro al estado ferrico remueve la alcalinidad reemplazándola por CO2 y puede tener un efecto pronunciado sobre el pH del agua. En aguas superficiales las concentraciones de hierro son generalmente bajas, menores de 1 mg/L. Las aguas subterráneas, por el contrario pueden contener cantidades apreciables de hierro, comúnmente hasta 10 mg/L.
3.3.1 Determinación de Hierro La determinación del hierro es de gran importancia para el estudio de nuevas fuentes del abastecimiento de agua, especialmente subterráneas, ya que aguas con contenidos de hierro de 0.3 mg/L son objetables mientras que aguas con contenido mayor de estos límites requieren tratamiento. También son necesarias para establecer el tipo de tratamiento requerido, controlar el proceso de purificación y ayudar en la solución de problemas de bacteria fijadoras de hierro en sistemas de distribución. Uno de los métodos para determinación de hierro mas utilizados es el método con fenantrolina, el cual se basa en la reacción del compuesto 1.10 fenantrolina con el Fe+2 para formar un ión complejo de color rojo-naranja. El color formado obedece la ley de Beer y se puede medir por comparación visual o por medio del fotómetro, y cuya concentración se determina por interpolación de la lectura con una curva de calibración. Por lo general cuando la muestra de análisis se expone a la atmósfera se presenta alguna oxidación de Fe+2 a Fe+3 y posteriormente la precipitación del hidróxido ferrico, por la anterior razón antes de agregar el compuesto de fenantrolina es necesario asegurar que todo el hierro se encuentra en su forma soluble, lo cual se logra al tratar la muestra con acido clorhídrico, el cual disuelve el hidróxido ferrico. Fe (OH)3 + 3H+
↔
Fe+3 + 3H2O
Después añadir hidroxilamina para reducir la forma Fe+3 obtenida a condición ferrosa. 4Fe+3 + 2NH2OH
↔
4Fe+2 + N2O + H2O + 4H+
Y finalmente si agregar la fenantrolina que reaccionará con todo el Fe+2.
Mediante modificaciones adecuadas del método, se puede determinar hierro total, hierro disuelto o hierro suspendido. En la determinación se pueden presentar interferencias por presencia de fosfatos o metales pesados.
3.4 Sulfatos En las aguas uno de los iones mas comunes es el ión sulfato, este contenido de sulfatos es de gran importancia ya que aguas con un alto contenido de este ión tienden a formar incrustaciones en calderas, además como los sulfatos de sodio y magnesio tienen un efecto purgante en los niños se recomienda un presencia máxima de 250 mg/L. En aguas residuales la cantidad de sulfatos es de gran importancia para determinar los problemas que pueden surgir por olor y corrosión de las alcantarillas, debida a la reducción de los sulfatos a H2S bajo condiciones anaerobias.
3.4.1 Determinación de Sulfatos La concentración de sulfatos se puede determinar por medio del método de cloruro de bario para concentraciones hasta de 60 mg/L, este método se basa en la precipitación del ión sulfato como sulfato de bario en presencia de un medio acido. Para lograr esta precipitación se utiliza una solución amortiguadora de acido clorhídrico y glicerina, la cual mantiene los sulfatos en su forma libre SO4-2 y no permite que el precipitado formado caiga rápido. Bajo estas condiciones se puede medir la absorción de la solución de sulfato de bario por medio de un espectrofotómetro y posteriormente determinar la concentración del ión sulfato por comparación de la lectura con una curva de calibración. Las reacciones presentes en la determinación son: SO4-2 + 2HCl → H2SO4 + 2ClH2SO4 + BaClO4 → BaSO4 ↓ + 2HCl
4.0 MATERIALES Y REACTIVOS • • • • • • • • •
Erlenmeyer (250 ml) Probeta (100 ml) Vaso de Precipitados (100 ml) Tubo nessler (100 ml) Espátula Pinzas Pera de succión Bureta (25 ml) Pipeta volumétrica (2 ml, 10 ml)
• • • • • • • • • • • • • • • •
Soporte Plancha de laboratorio Agitador magnético Fotómetro Solución nitrato de plata (0,0147 N) Indicador de Mohr (Cromato de potasio) Solución acondicionadora para sulfatos Cristales de Cloruro de Bario Solución de acido clorhídrico Hidroxilamina Fenantrolina Solución amortiguadora de acetato de amonio Acido Sulfúrico Hidróxido de sodio Agua destilada Muestra de agua Subterránea
5.0 DESCRIPCIÓN DEL METODO En esta práctica se determina la concentración de los iones cloruro, sulfato y hierro en una muestra de agua subterránea. Antes de ser llevada a cabo las determinaciones, se debe de asegurar que la muestra de agua subterránea tenga un valor de pH entre 4 y 9 unidades, para esta parte se toma un pequeño volumen de la muestra en un vaso de precipitados y luego se lleva al potenciómetro. En caso que el valor de pH de la muestra se encuentre dentro del rango establecido se puede continuar con las posteriores determinaciones, de lo contrario se debe de realizar un ajuste al pH de la muestra: •
•
Si el pH de la muestra es muy alto se debe ajustar adicionando acido sulfúrico hasta que el valor se encuentre dentro del rango establecido. Si el pH de la muestra es muy bajo se debe ajustar adicionando hidróxido de sodio hasta que el valor se encuentre dentro del rango establecido.
Después de realizar la comprobación del rango de pH de la muestra se procede a realizar las mediciones de las concentraciones correspondientes a cloruro, hierro y sulfato.
Medición Cloruro Para realizar con la mayor exactitud posible la medición de cloruros en la muestra de agua subterránea, se debe de llevar a cabo dos titulaciones: la primera titilación pretende calcular la concentración de estos iones en la muestra de agua subterránea y la otra, también llamada “titulación blanco” se realiza por razones ya antes nombradas para determinar la concentración de estos iones en
el indicador cromato de potasio. El procedimiento es el mismo para cada una de las titulaciones, lo único que cambia es la muestra a titular, ya que una es agua subterránea y la otra, agua destilada: Se toma un volumen de muestra de 50 ml con una pipeta volumétrica y se vierten dentro de un erlenmeyer, luego se le adicionan 20 gotas del indicador de Mohr (cromato de potasio). Con la adición de este indicador la muestra toma un color amarillo, posteriormente se procede a realizar la titulación con nitrato de plata, el punto final de la titulación se lleva a cabo cuando el color amarillo de la muestra vire a un color café rojizo (color ladrillo). Por ultimo se toma el volumen gastado.
Medición Sulfatos Antes de realizar la medición de sulfatos se debe calibrar el espectrofotómetro a un porcentaje de tramitanciá del 100%, esto se realiza vertiendo agua destilada en el portacelda del fotómetro ya que este tipo de agua no tiene partículas que impidan el paso de la luz por el portacelda y disminuyan el porcentaje de tramitanciá. Después de calibrar el espectrofotómetro se toma un volumen de 100 ml de muestra de agua subterránea con una probeta y se vierte en el erlenmeyer, adicionalmente se agregan 5 ml de solución acondicionadora y aproximadamente 0.2 gr de cloruro de bario. La solución se agita durante un lapso de tiempo de un minuto con la ayuda de un agitador magnético que se introduce dentro de la solución y una mini estufa que con el calor que genera ocasiona que el agitador gire dentro de la solución y la agite, después de pasado el lapso de tiempo se deja reposar la solución durante dos minutos y se lleva al fotómetro.
Imagen 1. Agitador magnético, compuesto por un magneto recubierto con teflón
La medición de tramitancía de la muestra con el fotómetro se debe realizar a los dos minutos siguientes del último lapso de tiempo de dos minutos y con una longitud de onda de 420 nm. Con el valor obtenido de la tramitancía se calcula la absorbancia y se comparan estos dos valores con la curva de calibración del sulfato para poder interpolar y así obtener el valor de la concentración de sulfatos presente en la muestra de agua subterránea. La curva de calibración del sulfato se realiza con los siguientes datos obtenidos de la medición de una muestra con concentraciones ya conocidas.
Concentración mg/L de SO4-2 10 15 20 30 40 70
% Tramitancía 96 94 92 89 87 83
Tabla 1. Datos para curva de calibración de sulfatos
Medición Hierro Total De igual manera que en la medición de sulfatos se debe de realizar la calibración del fotómetro a un porcentaje de tramitanciá del 100% con agua destilada. Ya con el fotómetro calibrado se toma un volumen de 50 ml de muestra de agua subterránea con una pipeta volumétrica y se vierte en un erlenmeyer, a la muestra se le adiciona 2 ml de acido clorhídrico y 1 ml de hidroxilamina. Posteriormente la solución se evapora al colocarla en una plancha de laboratorio hasta que el volumen de la solución se reduzca aproximadamente a 15 o 20 ml; cuando esto pase se retira el erlenmeyer utilizando las pinzas y se enfría la solución colocando en contacto el erlenmeyer con agua fría.
Evaporación y Disminución del volumen
Plancha de laboratorio
Imagen 2. Calentamiento y evaporación de la muestra Con acido clorhídrico e hidroxilamina
Cuando la solución se enfría, se pasa a un tubo nessler y se afora a 50 ml con agua destilada, posteriormente se vierte en el erlenmeyer y se le adiciona 10 ml de solución amortiguadora de acetato de amonio, la cual garantiza que el pH esté por debajo de 3 unidades. Ya con ese rango bajo de pH se pueden adicionar 2ml de fenantrolina y se agita un poco para asegurar que la mezcla se homogenice, luego se espera durante un lapso de tiempo de 15 minutos para que la muestra desarrolle color y posteriormente se realiza la lectura en el fotómetro, lavando primero el portacelda con un volumen suficiente de la solución para eliminar residuos anteriores, se llena con la solución, se seca por fuera y se reubica de tal forma que la luz de la fuente pase a través de el y se pueda realizar la medición del porcentaje de tramitanciá a una longitud de onda de 510 nm. Con el valor obtenido del porcentaje de tramitanciá se calcula la absorbancia y se comparan estos dos valores con la curva de calibración del hierro, para poder
realizar una interpolación y llegar a la concentración de hierro total presente en la muestra de agua subterránea. La curva de calibración del hierro se realiza con los siguientes datos obtenidos de la medición de una muestra con concentraciones ya conocidas. Concentración mg/L de Fe 0.2 0.5 1.0 1.5 1.2
% Transmitancía 100 99 96 85 81
Tabla 2. Datos para curva de calibración de hierro total
6.0 RESULTADOS YANALISIS DE RESULTADOS 6.1 Resultados Para la determinación de la concentración de hierro y sulfato en la muestra se debe de tener en cuenta lo siguiente. Se realizan dos graficas en base a los datos para las curvas de calibración de cada compuesto: •
•
La primera grafica consiste en la representación del % de tramitancia versus concentración del compuesto. Esta grafica se realiza ubicando los datos de la concentración para la curva de calibración del compuesto en escala normal sobre el eje de la “y”, y el % de tramitancia en escala logarítmica sobre el eje de la “x”. luego se aplica la regresión lineal y se obtiene la grafica linealizada para los datos y sus correspondientes datos de linealización. La segunda grafica consiste en la representación de absorbancia versus concentración del compuesto. Para esta grafica los datos de tramitancia para la curva de calibración del compuesto deben de ser expresados en unidades de absorbancia por medio de la ecuación (1), luego se grafican los datos obtenidos teniendo en cuenta que la concentración del compuesto se ubica sobre el eje “x”, y la absorbancia sobre el eje y. por ultimo se aplica la regresión lineal para obtener la grafica linealizada de los datos y sus correspondientes datos de linealización.
Después de graficar las curvas de calibración para el hierro y el sulfato, se encuentran las concentraciones de cada uno de ellos por medio de tres métodos distintos: •
Interpolación: En éste se ubica sobre el eje de tramitancia en escala logarítmica el porcentaje de tramitancia de la muestra según el compuesto a determinar. Luego se traza una recta paralela al eje “x”
hasta que corte con la grafica de linealización y se observa el intervalo que genera la proyección de este corte sobre el eje “x”. •
•
Ecuación de tramitancia: para hallar la concentración del compuesto con este método, se utilizan los datos de la linealización de tramitancia. Primero se reemplazan los parámetros y el valor de tramitancia de la forma Log (%T) en la ecuación y posteriormente se despeja la variable “x”. esta variable me representa la concentración del compuesto en la muestra de agua. Ecuación de absorbancia: en este método se utilizan los datos de linealización de la grafica de absorbancia versus concentración. Los valores de los parámetros y el valor de absorbancia, que se calcula con la formula (1) con la tramitancia de la muestra, se reemplazan en la ecuación y posteriormente se despeja la variable “x” que representa la concentración del compuesto en la muestra.
Cloruros Para la determinación de cloruros se debe de tener en cuenta la normalidad del titulante: AgNO3 = 0.0147 N Y la formula que permite expresar el resultado de la determinación en mg/L-Cl: mg / L- Cl = Vtitulante * Ntitulante * 35450 mg / equiv.- Cl
Vmuestra
Determinación
Cloruros
Volumen De Muestra (ml)
Coloración Coloración Titulante Inicial Final Utilizado
50
AgNO3 Amarillo
Volumen de Titulación (ml) 3.5
Ladrillo
Tabla 3. Resultados del método volumétrico para Determinación de cloruros
Utilizando la formula dada anteriormente y los resultados de la titulación mostrados en la tabla 3 se obtiene que la concentración de cloruros en la muestra es de:
36.48 mg / L – Cl Realizando posteriormente la titulacion blanco para determinar las impurezas de cloruro presentes en el cromato de potasio, se obtienen resultados del indicador semejantes a los de la tabla 3, solo que el volumen gastado en la titulacion es de 0.7 ml. Reemplazando este valor en la formula se tiene que la concentración de cloruros en el indicador es de:
7.29 mg / L – Cl Realizando la resta de la titulacion en blanco a la titulacion de la muestra se obtiene la verdadera concentración de cloruros.
29.19 mg / L – Cl Sulfatos La lectura de tramitancia del espectrofotómetro y la absorbancia, calculada con su respectiva formula, para esta muestra son:
% Tramitancia = 81 Absorbancia = 0.09 unidades de absorbancia Las graficas de regresión lineal para la curva de calibración de sulfato y sus correspondientes datos de linealización son los siguientes: 98 97 96 95 94 93 92
a i c n a t i m a r T %
CURVA DE CALIBRACION DE SULFATOS Concentracion vs % Tramitancia
91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 10
20
30
40
50
60
70
-2
Concentracion mg / L - SO 4
Grafica 1. Concentración de sulfato versus tramitancia
Datos de linealización:
Ecuación: yscale(Y) = A + B * xscale(X) Parameter Value Error ----------------------------------------------------------- A 1,9863 0,00441 B -0,00103 1,19911E- 4 -----------------------------------------------------------R SD N P ------------------------------------------------------------0,97397 0,0059 6 0,00101 -----------------------------------------------------------
0,09
CURVADE CALIBRACION DE SULFATOS Concentracion vs Absorbancia
0,08 0,07
a i c n a b r o s b A
0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 10
20
30
40
50
Concentacion mg / L - SO
60
70
-2
4
Grafica 2. Concentración de sulfato versus absorbancia
Datos de linealización:
Ecuación: Y=A+B*X Parameter Value Error ----------------------------------------------------------- A 0,0137 0,00441 B 0,00103 1,19911E- 4 -----------------------------------------------------------R SD N P -----------------------------------------------------------0,97397 0,0059 6 0,00101 ------------------------------------------------------------
La concentración de sulfato presente en la muestra de acuerdo a cada método es la siguiente:
75 – 80 mg / L – SO4-2
•
Con Interpolación:
•
Con la ecuación de tramitancia:
75.54 mg / L – SO4-2
•
Con la ecuación de absorbancia:
75.54 mg / L – SO4-2
Hierro Para esta determinación se debe de tener en cuenta que la lectura de tramitancia y absorbancia del espectrofotómetro corresponden a los de una muestra diluida al 86%, debido a que después de aforar a 50 ml la solución que
contenía acido clorhídrico e hidroxilamina en el tubo nessler, se presento un derrame de 7 ml de la solución al pasarla del tubo nessler a el erlenmeyer. De este paso en adelante se realizaron la adición de reactivos y medición de la muestra de igual manera en como se explica en la metodología. La lectura de tramitancia del espectrofotómetro y la absorbancia, calculada con su respectiva formula, son:
% Tramitancia = 100 Absorbancia = 0 unidades de absorbancia Las graficas de regresión lineal para la curva de calibración de hierro y sus correspondientes datos de linealización son los siguientes:
CURVA DE CALIBRACION HIERRO TOTAL Concentracion vs % Tramitancia 10 0
95 a i c n a t i
90
m a r T %
85
80
0,0
0 ,2
0,4
0 ,6
0,8
1,0
1 ,2
1,4
Concentracion m g / L - Fe
1 ,6
1,8
+2
Grafica 3. Concentración de hierro versus tramitancia
Datos de linealización:
Ecuación: yscale(Y) = A + B * xscale(X) Parameter Value Error ----------------------------------------------------------- A 2,02036 0,01037 B -0,055 0,00844 -----------------------------------------------------------R SD N P ------------------------------------------------------------0,96641 0,01233 5 0,00735 -----------------------------------------------------------
2,0
2 ,2
CURVA DE CALIBRACION HIERRO TOTAL Concen tracion vs Absorbancia 0,10
0,08
0,06 a i c n a b r o s b
0,04
A
0,02
0,00
0 ,0
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
1 ,0
1 ,2
1 ,4
Con centracion mg / L - Fe
1 ,6
1 ,8
2 ,0
2 ,2
+2
Grafica 4. Concentración de hierro versus absorbancia
Datos de linealización:
Ecuación: Y=A+B*X Parameter Value Error ----------------------------------------------------------- A -0,02036 0,01037 B 0,055 0,00844 -----------------------------------------------------------R SD N P -----------------------------------------------------------0,96641 0,01233 5 0,00735 --------------------------------------------- -------- -----
La concentración de hierro presente en la muestra de acuerdo a cada método es la siguiente:
0.35 – 0.4 mg / L – Fe+2
•
Con Interpolación:
•
Con la ecuación de tramitancia:
0.37 mg / L – Fe+2
•
Con la ecuación de absorbancia:
0.37 mg / L – Fe+2
6.2 Análisis de Resultados •
Para la determinación volumétrica de cloruros en la muestra se puede observar que el 19.9% de la concentración de cloruros cuantificados en la primera titulación, antes de restar los de la titulación blanco, corresponde a las impurezas del indicador cromato de potasio. Siendo éste un porcentaje
de impurezas muy alto para un indicador ya que aumenta la concentración real de cloruros en casi 7.9 mg / L – Cl, como se pudo observar en la titulación blanco, lo cual podría llevar a que se tomaran desiciones un poco erróneas sobre las repercusiones de esta concentración en situaciones de comparación con alguna norma sobre el hecho de exceder o no la norma estipulada. En cuanto a las determinaciones de la concentración de hierro y sulfato en la muestra. Se puede observar que por medio de la interpolación no se obtiene una estimación puntual sobre la concentración ya sea de hierro o sulfato sino una estimación por intervalo principalmente debida a la escala en la que se encuentra la grafica, la concepción del observador y las bases teóricas de la estadística. Por el contrario si se dispone de la ayuda de un interfaz grafico que al realizar la regresión lineal muestre la ecuación característica de la regresión, se puede realizar una estimación puntual del valor de la concentración de hierro o sulfato en la muestra. A pesar de lo anterior se puede notar que las concentraciones de hierro y sulfato calculadas por medio de las ecuaciones de tramitancia y absorbancia: Sulfatos: 75.54 mg / L – SO4-2 +2 Hierro: 0.37 mg / L – Fe Se encuentran dentro del intervalo obtenido al realizar la interpolación: Sulfatos: 75 – 80 mg / L – SO4-2 +2 Hierro: 0.35 – 0.4 mg / L – Fe Mostrando así que los resultados de concentración de hierro y sulfato obtenidos por medio de los tres métodos son muy parecidos y tienen gran exactitud, por lo tanto se puede utilizar cualquiera y no necesariamente los tres para realizar estas determinaciones. Por ejemplo en caso de no tener un interfaz grafico para que de las ecuaciones de la regresión, se utiliza la interpolación.
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En la determinación de concentración de hierro, el valor obtenido no corresponde a la concentración real que presenta la muestra, debido a que la solución fue diluida al 86% lo cual genera un error al medir con el espectrofotómetro, debido a que las muestras diluidas aumentan la tramitanciá, indicando que hay menor cantidad de hierro en la muestra que la que hay en realidad.
Los cloruros tienen una propiedad característica que es la de generar sabor salado al agua según la concentración en la que se encuentre; en esta práctica la determinación de estos iones mostró que la concentración de cloruros es 29.19 mg / L, la cual no excede el límite de 250 mg / L y por consiguiente lo mas probable es que el sabor salado no sea apreciable por el consumidor, claro que hay que resaltar que este margen que se da puede muchas veces sobrepasarse, todo depende de las adaptaciones y la aceptación que tengan los usuarios consumidores.
Otro de los problemas que se evitan con la determinación dada de cloruros en esta muestra de agua subterránea, es que éste no sería la causa por la cual se afectan las tuberías metálicas por corrosión ya que tendría que sobrepasar los 50 mg/L y por consiguiente, tampoco tiene problemas de decoloración. Pero si se llegara a tener una alta concentración se podría disminuir con la interacción con otros iones especialmente el bicarbonato.
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Con respecto a la determinación de sulfatos, la concentración que presenta la muestra (75.54 mg/L–SO4-2) se encuentra por abajo del limite de concentración de sulfatos a partir del cual el agua toma un sabor desagradable para el consumidor y tiene efectos laxantes, 250 mg/L – SO4-2, por lo tanto el agua no presenta problemas en cuanto a problemas de sabor debido a concentración de sulfatos, ni tampoco tiene efectos sobre la salud de las personas, especialmente los niños, de producir diarrea transitoria. A pesar de no poderse establecer una concentración fija para la corrosividad de un agua rica en cloruros y sulfatos, debido a la interacción con otros iones, especialmente el bicarbonato, se ha estimado que aguas con 50 mg/L tanto de cloruros como de sulfatos se pueden considerar como posiblemente corrosivas. En cuanto a la concentración de cloruros y sulfatos en la muestra, se puede decir que es un agua posiblemente corrosiva, principalmente debida ésta característica a la concentración de sulfatos que sobrepasa por 25.5 mg/L el límite estimado, ya que la de cloruros a pesar de ser un poco cercana no sobrepasa el limite.
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Del hierro se sabe que se presenta en mayor concentración en aguas profundas (subterráneas) y en las aguas superficiales que exhiban propiedades ácidas, por esta razón puede ser que la concentración de hierro +2 del agua de muestra, que fue de 0,37 mg/L – Fe excede el límite +2 establecido por la norma de 0,3 mg/L – Fe para aguas con fines de potabilización. Además con la concentración de hierro presente en la muestra, hay mayor probabilidad de presentarse problemas de decoloración de lavandería (generación de manchas) y porcelana, y la presencia de un sabor metálico, descrito algunas veces como sabor agridulce astringente, el cual empieza a +2 detectarse en el rango de 0,1 a 1,0 mg / L – Fe .
7.0 SOLUCIÓN PREGUNTAS ¿Cuales son los problemas generados por la presencia de hierro y manganeso en aguas potables? La presencia de hierro y manganeso en aguas potables puede generar problemas como:
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Corrosión y obstrucción de las tuberías (directamente, por precipitación y formación de depósitos, o indirectamente, favoreciendo el desarrollo de bacterias especificas). Mal aspecto del agua, debido a que su color amarillo tiende a confundirse con la presencia de orina. Sabor metálico y decoloración en los alimentos durante la cocción. Inconvenientes por tinciones y manchas, tanto en ropas, tanques de almacenamiento y accesorios de plomería. Demanda alta de cloro para eliminación de estos durante procesos como la desinfección.
¿Cuáles metales pesados se deben estar monitoreando en el agua potable? Los metales pesados que se deben estar monitoreando en el agua son especialmente plomo, mercurio y cadmio. Esto es debido a que las sales solubles en agua de estos metales pesados son muy tóxicas y acumulables por los organismos que los adsorben, los cuales a su vez son fuente de contaminación de cadenas alimenticias al ser ingerido por alguno de sus eslabones. Al ser ingeridos por el hombre en el agua y alimentos contaminados por los compuestos de mercurio, plomo o cadmio le provocan ceguera, amnesia, raquitismo, miastenia o hasta la muerte., en general. Por ejemplo, el plomo en el hombre provoca saturnismo, la cual es una enfermedad que engloba trastornos nerviosos, digestivos y renales; el mercurio provoca en el hombre alteraciones en la mucosa intestinal e inhibición de ciertas enzimas y en las mujeres embarazadas puede producir alteraciones genéticas, lesiones renales, y del sistema nervioso central y hasta la muerte y por ultimo, el cadmio puede provocar daños en el aparato digestivo, en riñones y en los huesos (produce descalcificación y lesiones en la médula ósea) e inhibir algunos procesos enzimáticos. Por estas razones de riesgo y en base a la presencia de estos metales en el agua, se han determinado valores límites máximos de concentración los cuales se exhiben en el decreto 475 de 1998: Para agua potable: • • •
Cadmio: 0.003 mg/L Mercurio: 0.001 mg/L Plomo: 0.01 mg/L
Y para agua segura: • • •
Cadmio: 0.005 mg/L Mercurio: 0.002 mg/L Plomo: 0.02 mg/L
¿Por qué el ión cloruro se considera un apropiado indicador y trazador? Es considerado un apropiado indicador y trazador en las evaluaciones de calidad de aguas, debido a que es una sustancia que comúnmente se halla presente en las fuentes de contaminación en concentraciones relativamente altas, generalmente mas altas que las del contaminante, y que cumple con las condiciones de ser muy soluble, inerte frente al medio en el que se mueve y relativamente fácil de medir. Su aplicación como indicador y trazador en los estudios de calidad de aguas se fundamenta en que su desplazamiento se anticipa al desplazamiento del contaminante y en tal sentido “anuncia” con anticipación la contaminación potencial de una determinada fuente, dando así, un margen de tiempo para la aplicación de medidas de control. Además se puede decir que el ion cloruro que cumplen con las mismas características de los indicadores, pero que al no existir originalmente en la fuente, se adicionan de modo artificial con el propósito de rastrear o hacer seguimiento a un evento potencialmente contaminante.
¿Debido a que razón se ha fijado el limite de sulfatos de 250 mg / L? Se ha fijado este límite de sulfatos debido a que el sulfato de calcio y el sulfato de magnesio por encima de dicha concentración tienen un efecto purgante especialmente sobre los niños.
8.0 CONCLUSIONES •
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La concentración de cloruros, hierro y sulfatos presente en la muestra de +2 agua subterránea es 29.19 mg / L – Cl, 0.37 mg / L – Fe , 75.54 mg / L – SO4-2, respectivamente.
El valor de tramitanciá de la muestra para la determinación de hierro fue del 100%, lo que indica que la concentración de hierro en la muestra es muy mínima aproximadamente cero. Esto se ve sustentado por el valor +2 de concentración de hierro del 0.37 mg / L – Fe .
Las curvas de calibración son herramientas muy útiles para determinar las concentraciones de ciertos compuestos en muestras de agua, conociendo con anterioridad los valores de tramitanciá y absorbancia de la muestra.
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los métodos para determinar las concentraciones de hierro, sulfato y cloruros a partir de los datos de linealizacion de las curvas de calibración son de gran presición ya que tanto en la interpolación como en el uso de las ecuaciones de linealizacion, los resultados o valores se encuentran dentro del mismo intervalo o coinciden en el mismo valor. De la espectrofotometría se puede decir que a mayor tramitanciá menor será la concentración del componente de la muestra que se desea medir, y a mayor absorbancia, mayor será la concentración del componente medido. Siendo así la tramitancia y la absorbancia mediciones indirectamente proporcionales.
El indicador cromato de potasio induce un error en el calculo de cloruros aproximadamente del 20% que corresponde a una cantidad de impurezas de cloruros presentes en el indicador de 7.29 mg / L – Cl, los cuales se calcularon por medio de la titulación blanco con agua destilada.
La concentración de hierro presente en la muestra de agua subterránea es la única determinación que excede el límite de concentración establecido para la calidad estética del agua, lo cual puede implicar problemas como sabor metálico y decoloración, principalmente.
Las concentraciones de sulfatos y cloruros se encuentran dentro del margen de concentración para aguas subterráneas con fines de potabilización, lo que indica que la muestra de agua subterránea tiene menos posibilidades de presentar problemas en cuanto a corrosión, sabor salado, o efectos laxantes.
Los limites de concentración de hierro, sulfato y cloruro en aguas subterráneas con fines de potabilización se basan principalmente en factores estéticos del agua como lo son sabor, color, olor y otros no menos importantes como corrosividad, manchado.
Uno de los principales indicadores de contaminación de aguas subterráneas por vertimientos de aguas residuales son los cloruros, ya que estos se ven aumentados en las aguas subterráneas por las altas concentraciones de los desechos que se encuentran presentes en la orina y las sobras de preparación de alimentos en la cocina.
la fenontralina no es como los demás indicadores tales como el cromato de potasio, la fenolftaleina, mixto, etc. Debido a que estos últimos indicadores no se involucran en la reacción que se esta llevando a cabo en la solución, mientras que la fenontralina si lo hace, lo cual se sustenta por la generación de una coloración en la solución, a partir de este hecho se puede usar la espectrofotometría.
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Las reacciones de oxido-reducción son de gran importancia en la determinación de hierro, ya que por medio de estas se puede cuantificar +3 +2 el hierro total de la muestra, al reducir todo el Fe a Fe .
Las disoluciones afectan las lecturas espectrofotometricas debido a que generan un aumento en la lectura de la tramitanciá, dando como resultado un cálculo erróneo de la concentración del compuesto que se desea cuantificar.
9.0 BIBLIOGRAFÍA •
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BARCO, Arnoldo Ramírez. Diccionario de Química, Santiago de Cali, Colombia, Grupo Editorial Norma Educativa, Enero de 1999.
ROMERO, Jairo Alberto Rojas. Acuiquimica, 1a.ed. Santafé de Bogota, Colombia, Editorial Presencia, Febrero de 1996.
KEMMER & MACCALLION, Frank N. y Jhon, Manual del Agua. su naturaleza, tratamientos y aplicaciones, México, MC Graw Hill, Nalco, Chemical Company, 1989.
Calidad y Tratamiento del Agua, manual de suministros de agua comunitaria, Aravaca, Madrid, MC Graw Hill Profesional, American Water Works Asociation, 2002.
