Tratagua II

CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS Departamento de Ingeniería Química.

TRATAMIENTO DE AGUAS 2.- L A M O L E C U L A DE A G U A Composición química del agua Fueron Cavendish y Lavoisier en 1780 los primeros en demostrar que el agua estaba compuesta de oxígeno e hidrógeno . Posteriormente Humboldt y Gay Lussac, en 1805, determinaron que la relación volumétrica entre H y O era de 2 a 1. Dumas en 1842 comprobó que la relación de peso entre estos elementos era aproximadamente 2 a 16. Así quedo establecido que la molécula de agua esta constituida por H2 O . Figura 1

Apuntes del Maestro: Alfredo Meza García.

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La estructura molecular del agua es sumamente compleja y aun no comprendida, considerando que existen tres isótopos del hidrógeno y seis del oxígeno: Elemento Isótopos 1

Hidrógeno H 2H 3H Oxígeno

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O

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O O

16

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O O 19 O 18

Peso Isotópico 1.008123 2.014708

Nombre Hidrógeno Deuterio Tritio

Abundancia % 99.98 0.02

H D Radiactivo

Oxígeno

16.00000

Oxígeno

99.76

17.00450 18.00490

Oxígeno

0.04 0.02

Los isótopos que conforman la mayor parte del agua son 1 H y el 16 O , pero las proporciones de los otros isótopos hacen que el peso molecular sea de 18.02 ó 18.03 y no de 18.00. El agua en que el 1 H se reemplaza por 2 H (D) y cuya formula es D2 O , se le llama agua pesada . Polaridad de la molécula. La forma y algunas propiedades de las moléculas dependen de las características de los enlaces que se establezcan entre sus átomos. Enlace iónico ó electrovalente; Es formado por la transferencia de electrones de un átomo a otro, que origina la formación de iones con cargas de signo opuesto y de magnitud igual que se atraen electrostáticamente. Na:Cl En este caso se producen entre los átomos una transferencia de electrones: uno gana electrones y queda cargado negativamente mientras que el otro pierde y queda cargado positivamente. Enlace covalente; Es el que existe cuando en vez de pasar electrones de uno a otro átomo para formar la capa externa estable de ocho electrones generalmente, hay uno ó mas electrones comunes compartidos por los dos átomos, de manera que cada uno logre su estabilidad. Cl : Cl Enlace de Hidrógeno; Es el formado por un átomo de hidrógeno cuando atrae dos átomos diferentes simultáneamente, estableciendo un puente entre ellos. La tendencia de un átomo a atraer electrones y quedar cargado negativamente determina su electronegatividad, llevando esto a formar dos polos de signo contrario en una molécula que produce un momento eléctrico llamado “momento dipolar” . NH3, H2S, HCl, CO2, H2O son dipolares. Cuando su momento dipolar es cero se considera que su forma es lineal, esto es que sus átomos están colocados sobre una recta, como el O-C-O. En este caso los momentos dipolares se balancean y su resultante es nula. Cuando el momento dipolar es mayor que cero la molécula se

TRATAGUA II Apuntes M en C. Alfredo Meza G.

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considera doblada, formando un ángulo sobre uno de sus átomos, sin que exista un centro de simetría. La molécula del agua tiene una forma angular con el oxígeno colocado en el vértice y las uniones formando un ángulo de aprox 104.5°. Un debye equivale a 10 –18 unidades electrostáticas de carga (Ues) por cm. Esta son unidades CGS basadas en la intensidad de las cargas eléctricas.

Compuesto Momento (debye) HCN 2.93 HCl 1.03 HBr 0.78 HI 0.38 H2O 1.85 H2S 0.95 NH3 1.49 SO2 1.61 CO2 0.00 CO 0.12 NO 0.16

Compuesto CH3CF CH2Cl CH2Br CH3I C2H5Cl

Estructura y Dimensiones de la molécula:

Hidrógeno Polo + Oxígeno

λ Polo -

Hidrógeno

Longitud de la unión λ x 10 8 cm

0.95718

Angulo de las Uniones

104.523°

Peso atómico Ref BENEDICT

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Momento (debyes) 1.81 1.87 1.8 1.64 2.05

Momento Debye Figura 2

1.85

Los dos átomos de hidrógeno están separados entre sí por 104.5°, adyacentes al átomo de oxígeno, de forma que la molécula es asimétrica, cargada positivamente del lado del hidrógeno y negativamente del lado del oxígeno. Por esta razón, se dice que el agua es dipolar. Esto hace que las moléculas se aglomeren, el hidrógeno de una atrae el oxígeno de la vecina y la unión trae como resultado de estas fuerza entre moléculas lo que se le nombra " Puente de Hidrógeno".


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Figura 3


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CAUSAS Y EFECTOS DEL “ PUENTE DE HIDRÓGENO” La energía de los enlaces de hidrógeno son de 2 a 8 Kcal/mol, dependiendo de la electronegatividad de los elementos, siendo este valor pequeño comparado con los correspondientes enlaces ordinarios de valencia que son del orden de : 87 Kcal/mol para C-H y 84 Kcal/molpara N-H. Según el principio de “ PAULI” un átomo de hidrógeno no se puede asociar con mas de dos electrones, por lo tanto en la formación de un enlace de hidrógeno no es posible que los dos átomos que se encuentran unidos de esta manera estén ligados por un enlace covalente. La fortaleza de este enlace aumenta en general al aumentar la electronegatividad de los átomos que están unidos por intermedio de hidrógeno, estos pueden ser iguales ó diferentes como Fluor, Oxígeno, Cloro, Nitrógeno. Una molécula polar: Un enlace covalente entre dos átomos diferentes estará asociado con un momento dipolar, su valor vendrá dado por el producto de la carga electrónica y el desplazamiento relativo de los centros eléctricos positivos y negativos. La magnitud del momento dipolar ó de la polaridad del enlace depende primeramente de la diferencia en electronegatividad de los dos elementos que lo forman. Esto se puede evaluar midiendo el momento dipolar ó por la energía de enlace . El orden de atracción electrónica es el siguiente: H

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Ionización y Solvatación. El carácter bipolar del agua impide que las substancias que se disuelven en ellas conserven sus moléculas intactas. La disolución implica la ionización ó fraccionamiento de las moléculas en átomos ó grupos de átomos (radicales) con una carga eléctrica positiva (cationes) o negativa (aniones). Cuando el soluto se dispersa cada extremo de la molécula de la sustancia es atraído por el dipolo de carga opuesta, lo que produce la ruptura molecular y la consiguiente disociación iónica. En el agua no existen compuestos con moléculas enteras, sino compuestos ionizados parcial ó totalmente, llamados electrolitos débiles ó fuertes. Cada ion crea ó transporta su propio campo eléctrico y por consiguiente no puede permanecer aislado de las moléculas de agua que la rodean y están polarizadas por el contrario producen una atracción electrostática entre él y los dipolos, los cuales quedan formando una envoltura a su alrededor orientada según la carga. Cuanto mas sea el campo del ion , tanto más moléculas de agua atraerá hacia sí. Este fenómeno es llamado solvatación en general e hidratación en particular para el agua. El número de moléculas absorbidas por cada ion se le llama número de coordinación , varia entre 2 y 10 . El número 2 produce un sistema de coordinación lineal, el 4 es tetrahédrico y el 6 octahédrico.

Tensión superficial elevada. Entre las moléculas de un líquido se presentan fuerzas de atracción llamadas fuerzas de Van der Waals. Por eso cuando un líquido tiene una superficie libre de contacto con otro líquido ó con un gas, las moléculas de la interfase sufren una compresión que se opone a incrementar el área de dicha interfase y tiende a concentrar mas moléculas en ella. Este fenómeno se le llama tensión superficial y se debe a la desigualdad de las fuerzas de atracción a que quedan sometidas las moléculas en la superficie de contacto entre líquido y gas ó líquido y líquido que son mayores en un lado que en otro. Thomas Young mostró en 1805, que las propiedades mecánicas de la superficie podían equipararse a la de una membrana elástica infinitesimal estirada con determinada tensión y que se opone a todo esfuerzo para aumentar su área, lo cual no se puede hacer sin realizar un trabajo. Lo que hace que haya una resultante perpendicular a la superficie y dirigida hacia el interior del líquido. La tensión superficial causa la elevación del agua en los tubos capilares La capilaridad, efecto cuando los átomos de hidrógeno se mueven hacia arriba para humedecer la superficie de una línea de agua en un tubo delgado.


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La polaridad de la molécula del agua actúa sobre los iones de una estructura cristalina hidratando y evitando se recombinen y recristalicen, efecto de disolución, llamada al agua "Disolvente Universal".

Disociación del agua Las moléculas del agua se encuentran enteras, salvo algunas pequeñísimas cantidades que se disocian, esta proporción de moléculas puede considerarse constante:

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-7

El agua se ioniza muy ligeramente produciendo únicamente 10-7 moles de iónes hidrógeno y de iónes de hidroxilo por litro, lo que le da una propiedad aislante.


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Al disolver sales ú otros materiales ionizables en el agua, se desarrolla la conductividad eléctrica, que proporciona una medida de su contenido en minerales disueltos. Las conductividades de las disoluciones de electrólitos en agua pura a 25°C, en función de la concentración. El agua pura tiene una conductividad de 0.05482 microsiemen/cm a 25°C ó una resistividad de 48'240,000 ohms/cm


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Coagulación En tratamiento de aguas interesa la disolución coloidal , la dispersión de sólidos en líquido que es la que forman gran parte de los problemas de apariencia, del color y turbiedad del agua. Los coloides se dividen en: moleculares y no moleculares ( micelares); liofilicos y liofóbicos, diuturnos y caducos, orgánuicos e inorgánicos. Los coloides moléculares , están constituidos por substancias polímeras, formadas por largas cadenas orgánicas, con pesos moleculares muy grandes (15,000 – 100,000 )y tamaños de entre 10 2 y 5 x 10 2 mμ de longitud por 0.2 y 1 mμ de grosor. Estos polimeros son como la gelatina, las proteinas, el almidón, no obstante de estar dispersados molecularmente, no constituyen verdaderos solutos, sino coloides. El termino “Coloide” significa “ gelatinoso” y fue dado por Graham a las dispersiones de proteínas, al comprobar que no se comportaban como verdaderas soluciones. Los coloides de asociación ó micelares, pueden formarse por la asociación de moléculas más pequeñas de minerales (ejem. oro ) o compuestos orgánicos (ejem: jabones, detergentes), que espontáneamente se aglutinan en presencia de un dispersante en partículas de tamaño coloidal. Los coloides liofílicos, (hidrofílicos cuando se refieren al agua ) están constituidos por las dispersiones moléculares de substancias poliméricas o substancias aglutinadas en tamaño coloidal, que tienen una fuerte atracción por el solvente y reaccionan químicamente con el agua, en la cual están dispersados ( ejem; jabones, materia orgánica encontrada


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en aguas negras). Su estabilidad depende de la capa de hidratación que los rodea en la cuál hay molñéculas de agua adheridas que actúan como barrera que impide el contacto entre partículas. Los coloides liofóbicos, están formados por substancias con tendencia a ser poco solubles en el dispersante (ejem; arcillas, metales ) y por lo mismo son mucho mas inestables que los liofílicos. Son el tipo de dispersiones de mas interés en tratamiento de agua. Los coloides Diuturnos, (termino propuesto por Mysels 1959, que significa de larga duración ), son aquellos que no se modifican ó aglutinan durante mucho tiempo comparado con el periodo de observación. Los coloides caducos, son al contrario, los transitorios que se aglutinan ó cambian rápidamente. Forma de los Coloides La forma de los coloides tienen relación directa con sus propiedades, Se pueden clasificar en; Isométricas, que tienen las misma dimensio en todas direcciones ( esferas, poliedros ), anisométricas que se extienden preferentemente en uno ó dos dimensiones , tales como cilndros, láminas, cintas etc. Propiedades de los coloides, Propiedades cinéticas

Movimiento Browniano Difusión Presión Osmótica

Propiedades Ópticas

Efecto Tyndall-Faraday

PROPIEDADES OPTICAS DE LOS COLOIDES A) Dispersión de la luz (efécto Tyndall-Faraday): La dispersión de la luz es proporcional al tamaño de las partículas. B) Opalescencia: Las soluciones coloidales son incoloras generalmente. Sin embargo, algunas pueden ser coloreadas. Esto depende de la diseminación de la luz y a la adsorción selectiva bajo cierta longitud de onda.

EFECTO TYNDALL Todos hemos observado la difusión de la luz por partículas de polvo cuando un rayo entra en la habitación oscura a través de una rendija en una cortina o puerta ligeramente entreabierta. Las partículas de polvo, muchas de la cuales son demasiado pequeñas para ser vistas, tienen el aspecto de puntos brillantes dentro del rayo luminoso. Si las partículas son realmente de tamaño coloidal, no vemos a las partículas en si mismas; lo que vemos es mas bien la luz difundida por ellas. Este fenómeno, conocido como efecto Tyndall, se debe al hecho de que las partículas pequeñas difunden la luz en todas direcciones. Las partículas mas pequeñas que las de tamaño coloidal, moléculas por ejemplo, también difunden la luz. Sin embargo, a no ser que la capa de moléculas a través de las que pasa la luz no sea muy gruesa, el cielo o un lago profundo por ejemplo, el efecto no es apreciable a nuestros ojos. El efecto Tyndall puede utilizarse para diferenciar entre una dispersión coloidal y una solución verdadera, porque los átomos, moléculas o iones que estan presentes en una solución no difunden la luz apreciablemente. Esta difusión de la luz explica la opacidad de las dispersiones coloidales. Por ejemplo, aunque tanto el aceite de oliva como el agua son transparentes, una dispersión coloidal de ambas tiene un aspecto lechoso. El azul del cielo se debe al hecho de que las partículas pequeñas, incluyendo las partículas de nitrogeno y oxigeno, difunden las longitudes de onda mas cortas (azul) mas efectivamente que las longitudes de onda mas largas. Si no fuese por esta


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difusión, la luz llegaria a nosotros unicamente por transmisión directa del sol o por reflexion en otras superficies; de aquí que el cielo deberia aparecer negro durante el día lo mismo que sucede por la noche, actuando el sol como un inmenso foco luminoso durante las horas del dia. Coloración Propiedades de superficie

Adsorción

Electrocinetismo

Movimiento browniano

MOVIMIENTO BROWNIANO Coloide, suspensión de partículas diminutas de una sustancia, llamada fase dispersada, en otra fase, llamada fase continua, o medio de dispersión. Las partículas de una dispersión coloidal real son tan pequeñas que el choque incesante con las moléculas del medio es suficiente para mantener las partículas en suspensión; el movimiento al azar de las partículas bajo la influencia de este bombardeo molecular se llama movimiento browniano. Sin embargo, si la fuerza de la gravedad aumenta notablemente mediante una centrifugadora de alta velocidad, la suspensión puede romperse y las partículas precipitarse.

El Movimiento browniano es el movimiento errático constante de partículas diminutas suspendidas en un líquido o un gas. Debido a su movimiento propio, las moléculas del fluido chocan aleatoriamente con las partículas suspendidas y hacen que éstas se muevan. En 1905, Albert Einstein dio una explicación matemática del fenómeno y lo integró en la teoría cinética. El científico francés Jean Baptiste Perrin realizó una de las primeras estimaciones del número de Avogadro mediante un estudio cuantitativo del movimiento browniano. ROBERT BROWN Este movimiento fue descubierto por el botánico inglés Robert Brown (1773-1858) en 1827 durante sus investigaciones sobre el polen de las plantas. En aquella época el concepto de átomos no estaba todavía arraigado y se desconocía la estructura interna de la materia. Por ello, el hecho de que un grano de polen flotando sobre el agua se moviese aleatoriamente bajo la influencia de una fuerza "desconocida" causó cierta sorpresa. Muchos lo asemejaron al movimiento que sufren las partículas de polvo cunando se observan en un rayo de sol. No fue hasta cuarenta años más tarde cuando se conjeturó, correctamente, que el movimiento podía deberse a colisiones casuales de unas partículas invisibles mucho más pequeñas. TRATAGUA II Apuntes M en C. Alfredo Meza G.

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Si un día vamos al cine y observamos en la oscuridad el haz de luz que emite el proyector, nos daremos cuenta de que hay muchas partículas, muy pequeñas, que se están moviendo incesantemente. Veremos que lo hacen en forma zigzagueante y en todas direcciones. Observaremos que ¡también se mueven hacia arriba! ¿Qué partículas son éstas? Sencillamente son las partículas de polvo que hay en el aire. Observemos con cuidado la bocanada de humo que lanza al aire un fumador. Veremos que está compuesta de pequeñísimas partículas que se están moviendo continuamente en todas las direcciones, también en zigzag. Otro caso es el siguiente: Póngase polvo de color en un vaso y luego, poco a poco, viértase agua sobre él. Observaremos que las partículas de polvo, una vez que empiezan a estar en contacto con el líquido se mueven en forma incesante, accidentada y en todas las direcciones. En particular veremos que se mueven también ¡hacia arriba! Si esperamos un intervalo de tiempo lo suficientemente grande nos daremos cuenta de que el polvo se mezcla con el agua, formando lo que se llama una suspensión. Esta mezcla con el tiempo se homogeniza sin que ocurra, como uno esperaría intuitivamente, que las partículas de polvo caigan y se depositen en el fondo del vaso. Veremos que algunas partículas efectivamente caen, pero hay otras que suben. El hecho común en estos tres casos es que partículas muy pequeñas se hallan inmersas en un fluido. En el caso del haz de luz del cine, el fluido es el aire de la sala; en el caso del fumador, el fluido es también el aire de la atmósfera y en el tercer caso, el fluido es el agua. El movimiento descrito arriba, que lleva a cabo una partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido, se llama movimiento browniano. Este movimiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular (Figura 1). La trayectoria que sigue la partícula es en zigzag.


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Trayectoria irregular que sigue una partícula browniana.

EINSTEIN Los artículos de Anales discuten un fenómeno estudiado en 1827 por el botánico-conservador del Museo Británico Robert Brown: los granos de polen en suspensión en el agua se mueven de manera errática e imposible de predecir. En 1905 nadie había logrado explicar este movimiento browniano. Los problemas teóricos y matemáticos a los que se enfrentaba eran insuperables, pero Einstein los salvó con su brillante intuición física. Por un lado, dijo, tenemos el comportamiento microscópico del grano de polen, que podemos asimilarlo a una molécula gigante. Por otro, ese grano es lo suficientemente grande como para que también obedezca las mismas leyes que gobiernan el movimiento de un sólido en un líquido, como un submarino. Einstein llegó a la conclusión de que midiendo el desplazamiento medio del polen podía calcular el valor de constantes fundamentales como el número de Avogadro. La chispa de su genio son las palabras desplazamiento medio: no importa el recorrido real sino la distancia en línea recta desde el principio al final (imaginemos un coche subiendo un puerto; no importa las vueltas que dé la carretera –el camino browniano–; lo que interesa es la distancia recorrida en línea recta). Con todo ello se deduce que el polen se mueve porque las moléculas de agua chocan con él como en un billar microscópico. Por tanto, el calor no es otra cosa que

agitación

molecular.

Einstein

había

demostrado

la

existencia

de

los

átomos.

JEAN PERRIN El físico francés Jean Perrin (1870-1942) dio una bella descripción de este fenómeno: "En un fluido en equilibrio, como el agua dentro de un vaso, todas sus partes aparecen completamente sin movimiento. Si ponemos en el agua un objeto de mayor densidad, cae. La caída, es cierto, será más lenta si el objeto es menor; pero un objeto visible siempre termina en el fondo del vaso y no tiende a subir. Sin embargo, sería difícil examinar durante mucho tiempo una preparación de partículas muy finas en un líquido sin observar un movimiento perfectamente irregular. Se mueven, se detienen, empiezan de nuevo, suben, bajan, suben otra vez, sin que se vea que tiendan a la inmovilidad."

PROPIEDADES DE LOS COLOIDES.

Puesto que las partículas coloidales se están moviendo continuamente, ellas deben difundirse, es decir, esparcirse dentro del solvente. La difusión es así resultado del movimiento Browniano. La velocidad de la difusión es mucho más pequeña que la velocidad promedio del movimiento browniano de una partícula. Debido a que la velocidad de difusión es muy pequeña existe una gran cantidad de dificultades experimentales para medir la difusión. Mientras más grandes las partículas menor es la velocidad de difusión. Esta ultima esta caracterizada por


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el coeficiente de difusión o constante de difusión, es decir, el peso de material que pasa en un segundo a través de un plano de 1 cm² de superficie cuando el gradiente de concertación es la unidad. Imaginemos en fondo de un cilindro de 1 cm² a una solución 1 molar sobre la cual se vierte solvente cuidadosamente. El coeficiente de difusión es la cantidad de soluto que en 1 seg se ha dispersado de 1 cm de profundidad dentro del solvente. El coeficiente de difusión debe de estar en alguna forma relacionado con la trayectoria promedio A de las partículas. La teoría del movimiento browniano conduce a la siguiente ecuación: A² = 2Dt. (1) En el cual D es el coeficiente de difusión y t el tiempo en el cual la partícula se mueve la distancia A. Por otro lado, la teoría predice que el coeficiente de difusión es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al radio de la partícula y a la viscosidad del medio. La siguiente ecuación es cierta: D = RT / N * 1 / (6лηr)

(2)

Son validos para sistemas monodispersos con partículas esféricas. Para sistemas polidispersos o coloides con partículas no esféricas las relaciones son mucho mas complicadas. La difusión de partículas monodispersas de un limite definido de un sol concentrado nunca produce una capa más diluida bien definida, pero la concentración de las partículas que se mueven dentro del solvente puro decrece asintóticamente. En otras palabras, la mayoría de las partículas permanecen cerca del borde, pero algunas viajan mucho más lejos dentro del solvente puro. Mientras mas distante está la capa investigada contendrá menos partículas. Ello no quiere decir, que algunas de las partículas son mas ligeras, sino más bien que se van tan lejos debido a la probabilidad de ser lanzadas por impactos moleculares ocasionales extremadamente potentes. Las constantes de difusión no se calculan comúnmente con la ecuación (1) o (2) sino partiendo de la ley de Fick (1855). Esta ley dice que la cantidad difundida dm que viaja en la dirección x en un tiempo dt a través de un área Q es proporcional al gradiente de dc/dx dm = -D * Q * dc/dx * dt

(3)

donde D es la constante de proporcionalidad, es decir, el coeficiente de difusión y el signo negativo denota que el soluto (por ejemplo, las partículas coloidales) se difunden en la dirección que la concentración decrece, D tiene las dimensiones de superficie / tiempo, y los datos son expresados en unidades de cm²/seg. La solución de la ecuación (3) es muy complicada. Existen tablas para facilitar la determinación de D partiendo de los valores de concentración determinados en diferentes capas a diversos intervalos de tiempo. Los valores par D obtenidos en experimentos en difusión con coloides pueden ser introducidos en las ecuación (2) de manera que N y r pueden calcularse. Hay varias dificultades experimentales en la determinación de las constantes de difusión. Primero, es difícil juntar la solución y el solvente, o el coloide y el medio puro, para formar un borde definido sin perturbación. En el llamado método del borde libre el sol de mayor densidad es inicialmente separado mediante alguna clase de barrera del solvente más ligero en un tubo en forma de U, todo esto se pone en un termostato a temperatura constante, la barrera es cuidadosamente eliminada y la cantidad de esparcimiento se determina por algún método óptico. Experimentalmente es mucho más simple el método del disco poroso de Northrop y Anson: el sol es separado del solvente por un disco de vidrio poroso en el que aparece el gradiente de concentración. La difusión se mide tomando muestras del solvente en el cual la cantidad de sustancia en estudio es entonces determinada analíticamente. La velocidad de difusión puede también estimarse en observaciones por un microscopio, u ultramicroscopio, o con una ultracentrífuga. Fürth ha propuesto un micrométodo que ha resultado ser muy útil en experimentos de difusión con colorantes. La celda plana es pegada entre una placa del microscopio O y una cubierta de vidrio D; una división delgada Z separa a la celda en dos compartimientos. La solución se coloca debajo de S, que es una cámara rectangular, 15mm de ancho y 1mm de espesor. Una placa deslizable S separa a la solución del solvente y el límite se forma al eliminar a S por


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medio de un electroimán J. La parte derecha de la celda sirve como un estándar de comparación. La celda es montada al frente de un microscopio horizontalmente colocado. La investigación ultramicroscópica de la difusión se ha hecho en el laboratorio de Svedberg por Westgren. Por medio de la centrifugación de las partículas han sido traídas al fondo de una celda. La celda es observada microscópicamente con iluminación intensa y un fondo oscuro. Bajo la influencia del movimiento Browniano las partículas se mueven gradualmente hacia arriba del agua. La concentración de las partículas se determina contándolas a diferntes distancias del fondo con diferentes intervalos de tiempo. El cálculo de la constante de difusión D en este caso es simplificado por el hecho que una capa infinitamente delgada del sol se esparce dentro del solvente. La integración de la ecuación (3) entre los limites x2 y x1 conduce entonces a la siguiente ecuación: C1 / C2 =

e – ( x2 – x1 ) / 4 D * t

En el cual C1 y C2 son las concentraciones en la capas x1 y x2. Las constantes de difusión de los coloides son alrededor de 10-4 a 10-8 cm²/seg. Puesto que el coeficiente de difusión depende del tamaño de partícula es obvio que las mediciones de difusión tienen una cierta importancia en la medición del tamaño de partícula. Un método nuevo y preciso para el estudio de la difusión fue recientemente desarrollado por Tsvetkov y Klenin. Estos autores determinaron las pequeñas variaciones de las concentraciones en la celda de difusión por medio de un interferómetro de polarización. El método fue aplicado con éxito al estudio de la difusión de polímeros lineales. Presión osmótica

Presión osmótica La presión osmótica ocurre en soluciones acuosas y esta relacionada con los materiales disueltos (solutos) y el agua (solvente), este fenómeno ocurre cuando dos soluciones están separadas por una membrana permeable al agua e impermeable a los iones, donde el agua pasa de la zona mas diluida a la más concentrada. Esto sucede por el gradiente de concentración y como la membrana es permeable la única forma que tiene la naturaleza de que las dos concentraciones sean las mismas es pasando el agua de la zona mas diluida a la mas concentrada. La forma de reconocer la presión osmótica es colocar dos envases con un tuvo del mismo diámetro que sea del mismo diámetro, que sea su único contacto atmosférico, que sea vertical y al momento de empezar el experimento los dos tubos tengan agua, además, es necesario que los envases estén conectados por una membrana permeable al agua e impermeable a cualquier sustancia diluida y las soluciones deben de tener diferentes concentraciones; ya terminado de colocarse el experimento se espera y con el paso del tiempo se ira notando una diferencia de presiones entre los dos tubos cuando esta diferencia se estabilice esa es la presión osmótica.


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Hay una forma mas sencilla de que se calcule la presión osmótica ya que se encontró la formula que rige el proceso la cual es: π=MRT. De los cuales M es la concentración expresada en molaridad, R es la constante de los gases (0.0821L*atm/K*mol), T es la temperatura absoluta en Kelvins y la π es la presión osmótica en atmósferas de presión; cuando dos soluciones tienen la misma concentración se dice que las diluciones son isotónicas y cuando hay una diferencia en las concentraciones se le llama hipertónica a la mas concentrada e hipotónica a la menos concentrada. A pesar de que se sabe mucho de osmosis no se a podido determinar bien porque las membranas funcionan de forma permeable y porque en algunas ocasiones solo funcionan con algunos iones y en otras ocasiones solo funcionan con el agua; aunque se sabe que a veces depende del tamaño de los poros y otras veces depende de conceptos mas raros como la solubilidad del disolvente en la membrana. La hemólisis es cuando una célula tiene una concentración menor que el exterior y por lo tanto acepta agua de la solución exterior, hinchando la célula y terminando por reventarla. La crenación es el ejemplo contrario en el cual la célula tiene una concentración mayor que la concentración del exterior formando una presión osmótica la cual fuerza a la célula a ceder agua al exterior y como resultado la célula se encoge y muere por falta de agua. Otra bondad de la presión osmótica es el que se encuentra en los árboles muy altos ya que como hay una diferencia de concertaciones entre las zonas mas altas y las zonas las bajas se genera una presión osmótica que puede llegar a ser hasta de 15 atms; esta diferencia de concentración se mantiene por el hecho de que las plantas traspiran el agua generando un incremento en la concentración cada ves que se libera agua. En las celdas de membrana diseñadas especialmente el flujo osmótico del agua es invertido ejerciendo una presión del lado más concentrado, este proceso llamado "Osmosis Inversa", es muy aplicado en el tratamiento de aguas para poder separar iones que de otra forma seria casi imposibles de separar. La presión osmótica ocurre en soluciones acuosas y esta relacionada con los materiales disueltos ( solutos ) y el agua (solvente), este fenómeno ocurre cuando dos soluciones están separadas por una membrana, donde el agua pasa de la zona mas diluida a la más concentrada. TRATAGUA II Apuntes M en C. Alfredo Meza G.

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Este proceso controla la actuación de la células vivas, y explica el efecto de preservación de los alimentos mediante su salado; la sal crea una solución concentrada , separando las células de los organismos que pueden provocar la descomposición de los alimentos, cuando el agua dentro de sus cuerpos los abandona, tratando de diluir la solución salina externa. En la celdas de membrana diseñadas especialmente el flujo osmótico del agua es invertido ejerciendo una presión del lado mas concentrado, este proceso llamado "Osmosis Inversa", es muy aplicado en el tratamiento de aguas.

Estos procesos se utilizan para concentrar o purificar una solución o una suspensión (solvente-soluto) y para fraccionar una mezcla (soluto-soluto).


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OSMOSIS INVERSA ( OI ) La OI pertenece a las operaciones de membrana mediante presión. En este proceso el agua es separada de las sales disueltas en la solución por filtrado a través de una membrana semipermeable bajo presiones mayores que la presión osmótica causada por las sales disueltas en el agua residual. Las presiones de operación varían entre la presión atmosférica y 1000lb/in2 (6900 KN/m2). Existen diversas configuraciones de membranas que se utilizan en la práctica industrial. Sin embargo, la fibra fina hueca y los elementos arrollados en espiral son los más comunes en el caso de producción de agua potable. OTRAS PROPIEDADES Propiedades Ópticas Diseminación de la Luz Opalescencia Propiedades de Superficie Propiedades electrocinéticas Propiedades electrocinéticas: En este sentido se dice que los coloides en general tienen carga eléctrica y por tanto pueden ser afectados por campos eléctricos. Estas cargas pueden explicarse por la presencia de imperfecciones en la superficie de la estructura reticular. Puede también existir ionización y por tanto la superficie de los coloides puede ionizarse (los grupos funcionales probables de sufrir ionización son: -OH, -COOH, -OPO3H2 y -SH) y por último puede haber adsorción preferencial de iones en la superficie de los coloides o bien haber ligandos de coordinación. A bajos pH una carga positiva superficial prevalece. A altos pH prevalece la negativa y a pH intermedios podría haber un valor cero.


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La siguiente figura muestra que muchos materiales suspendidos y coloides sólidos que se encuentran en agua, sedimentos y suelos tienen una carga superficial y que dicha carga puede ser fuertemente afectada por el pH.

Figura: pH versus carga superficial y versus electroforesis. El agua se denomina el disolvente universal. Cuando disuelve a un mineral, se producen nuevos materiales a partir de los átomos liberados del mineral. Estas partículas fundamentales se llaman iones. La ruptura de un compuesto químico mediante su disolución en agua forma cationes, cargados positivamente, y aniones, cargados negativamente. En general, un aumento en la temperatura del agua provoca un aumento en la solubilidad de la mayor parte de las sales. Existen diferentes formas de demostrar este fenómeno de ionización. El más sencillo es un experimento en el cual se conecta un foco eléctrico a un circuito eléctrico que tiene dos polos separados sumergidos en un vaso con agua. Se agrega sal al agua aumentado la cantidad lentamente y poco a poco la luz se va intensificacndo, siendo la intensidad proporcional a la cantidad agragada de sal. En agua pura, el circuito está abierto; la corriente empieza a fluir hasta que están presentes los iones de sodio y cloruro de la sal para trasportar electrones a través de la solución. Si se agregaran cristales de azúcar al agua en vez de sal,nada ocurriría; la sal es un electrolito y el azúcar no. Cuando el cloruro de sodio se disuelve en el agua para producir iones sodio y cloruro, el sodio pierde el único electrón en su órbita externa cediendoselo al ión cloruro. El sodio, habiendo perdido una carga negativa, se carga positivamente en una unidad, y el cloruro, que ha acptado al electrón se carga negativamente en una unidad. Si se sumergen dos electrodos en la solución de cloruro de sodio y se aplica una corriente contínua, el sodio se moverá hacia el electrodo cargado negativamente ( cátodo) y el ión cloruro se moverá hacia el electrodo cargadao positivamente (ánodo) debido a este movimiento, el ión sodio positivo recibe el nombre de catión y el ión cloruro negativo el de anión.


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TAREA # 2 1.- A qué se debe la polaridad de la molécula del agua y que refiera explicando los efectos sobre las propiedades del agua. 2.- Explique todas las propiedades del agua, derivadas del puente de hidrógeno. 3.- Efectuar un trabajo de investigación de las siguientes propiedades en el agua de forma resumida. Encontrar la definición más apropiada en tratamiento del agua de los siguientes términos; Adsorción preferencial Propiedades Ópticas Diseminación de la Luz Opalescencia Propiedades de Superficie Propiedades electrocinéticas Presión osmótica Movimiento browniano Efecto Tyndall Electrocinetismo 4.- Resumir que es un coloide y sus propiedades, tipos, y comportamiento en el tratamiento del agua. 5.- Como es aplicada la propiedad de presión osmótica y desarrolle un experimento simple donde indique este fenómeno.


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Tratagua II

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