Ejemplo de la Práctica de Química General: Dureza de Agua para Calderas

1. Resumen

           La primera práctica del Laboratorio de Química General 2 se siguieron las directrices para la evaluación de la calidad del agua a ocupar en calderas industriales contenidas en la Norma Británica BS-2486. Una vez obtenidos los datos experimentales se procedió a la determinación mediante análisis estadístico de las muestras ensayadas en la práctica, obteniendo los valores promedio y rangos de incerteza de tres propiedades fisicoquímicas fundamentales al momento de evaluar la calidad del agua en el uso industrial arriba mencionado: Conductividad (medido en mS/cm); Acidez (medida en pH) y por último la cantidad de sólidos disueltos (medida en ppm). En todos los casos los resultados estuvieron dentro de la tolerancia permitida por la norma.

     Así mismo, se determinó la concentración del agua proporcionada para el análisis a través de un proceso de titulación. En dicho proceso se establecieron las relaciones de concentración y volumen entre una mezcla conocida (en este caso una solución de ácido sulfúrico a 0.02N de concentración) y la mezcla desconocida, de la cual se midió un volumen arbitrario (20 mL para ésta práctica).  La particularidad radicó en los factores de conversión de unidades de concentración, cambiando la Normalidad N por la molaridad M.  Analizada la normalidad y la concentración del reactivo titulador (ácido sulfúrico) se procedió mediante la relación entre el producto de la concentración-volumen del titulador y el volumen conocido del analito para determinar la concentración. Finalizado esto se trasladó a las unidades requeridas para la práctica, determinando que efectivamente el agua de la muestra se encontraba dentro del rango de tolerancia de la Norma en cuanto a su alcalinidad cáustica y alcalinidad total.

1. Resultados

1. Propiedades Fisicoquímicas de la Muestra: Utilizando para la recabación de tados un potenciómetro digital, se hicieron tres ensayos (corridas) con tres muestras diferentes de 20 mL de volumen de la misma mezcla y luego de evaluar el rango de incerteza, se obtuvo:

Tabla No.1 “Parámetros Fisicoquímicos de la muestra para el agua de caldera”.  Fuente: Elaboración propia, 2018.

1. Ácido Sulfúrico precipitado en reacción: Para la obtención de éste resultado se partió del análisis de concentración y titulaciones entre el ácido sulfúrico y el agua de caldera, teniendo como parámetro los indicadores de reacción (fenolftaleina y naranja de metilo) que determinaron en primera el volumen de ácido necesario para cambiar el nivel de pH de la mezcla de agua de caldera, indentificándose por el cambio de color en el agua gracias a la reacción del naranja de metilo. Luego de esto se estableció un volumen promedio (Ecuación 5) 

Tabla No.2 “Volumen de ácido sulfúrico precipitado en reacción”.  Fuente: Elaboración propia, 2018

1. Concentración molar del ácido sulfúrico: Conociendo la normalidad de la solución e ácido sulfúrico, se procedió a relacionar la misma con el factor de soluto para obtener la concentración en moles por litro.

1. Concentración molar de la mezcla de agua para caldera: Se procedió a relacionar la concentración y el volumen conocido (el ácido) con la concentración desconocida y el volumen conocido (agua para caldera) (Ecuación 4) Obtenida la concentración del agua se procedió a calcular por medio de un análisis estequiométrico la concentración de Carbonato de Calcio en el agua en unidades (mg/L) ó ppm, obteniendo los siguientes resultado:

Tabla No. 3 “Alcalinidad de la muestra”.  Fuente: Elaboración propia, 2018.

1. Interpretación de resultados

     La Norma británica BS-2486, parámetro de la primera práctica de laboratorio de Química General II, establece estándares de calidad generales para el agua utilizada en calderas industriales.  El objetivo de la práctica fue determinar la idoneidad del agua proporcionada para su uso en calderas. Esto se logró a través de la comparación de los resultados de análisis y mediciones practicados a la muestra y los parámetros  que la norma en mención establece para cada uno de los factores fisicoquímicos evaluados.

     Al analizar la muestra se obtuvieron resultados que sitúan a todos los parámetros requeridos por debajo de las cantidades máximas establecidas por la Norma. En el caso específico de la alcalinidad caústica del agua (31.52 ppm de Carbonato de Calcio) dista mucho de la máxima permitida (700 ppm de Carbonato de Calcio) por lo que se puede suponer que el agua proporcionada si bien es agua corriente y enturbecida a propósito, quizá estuvo poco tiempo en una caldera, tomando en cuenta que éste compuesto se encuentra en mayor abundancia en el agua de calderas por los cambios de temperatura en el interior de las mismas que solidifican las sales como el carbonato y las vuelven insolubles en agua.  Es difícil pensar entonces en que el agua dada en la muestra estuviese por mucho tiempo en contacto con el interior de una caldera debido a su baja concentración de Carbonato de Calcio.  Lo mismo sucede con otros factores que se encuentran muy por debajo de la tolerancia permitida por la Norma. Finalmente se puede suponer que el agua tampoco estuvo en mucho tiempo contacto con la corrosión caústica típica de las calderas, o bien, la caldera en cuestión es un buen ejemplo del mantenimiento correcto y uso adecuado de esta maquinaria.

     Existen otros aspectos no evaluados que pudieron servir para dar certeza de si el agua en cuestión era o no de caldera, como la cantidad de sólidos suspendidos, la concentración de secuestrantes de oxígeno, la concentración de fosfatos y de silíces. Esto se debió en su mayoría a que los reactivos con que se contaban reaccionan de forma más general a los niveles de pH y no desencadenan una reacción específica. (Referencia No.2) La importancia de la determinación de la calidad del agua de caldera radica en que la evaluación preventiva de aspectos como éste permiten prolongar la vida útil de la maquinaria y asegurar procesos con altos índices de calidad. (Referencia No. 5)

     Finalmente se plantea como hipótesis que el agua utilizada en el análisis no sea agua de caldera sino agua de alimentación, lo que significa que el tiempo que estuvo en contacto con los tubos internos donde ocurren las calcificaciones y corrosiones producidas por las sales de carbono. Esto debido a los parámetros de tolerancia que la Norma fija para el agua de alimentación de vapor que, en rango de alcalinidad total está muy cerca (35. 52 ppm de la muestra por 25 ppm permitidos por la Norma) así como la semejanza con el pH encontrado en la muestra (7.95 pH) y la tolerancia máxima de la norma (8.5-9.5)pH. De ser así, efectivamente el agua proporcionada pudo venir de los depósitos utilizados para guardar el agua para alimentar las calderas y generar vapor. (Referencia No.5)

1. Conclusiones

1.  A través de la evaluación de las propiedades fisicoquímicas del agua, se pudo establecer un punto de comparación del factor de alcalinidad del agua de caldera proporcionada en la muestra  con la norma británica BS-2486.
2. Se determinó la alcalinidad cáustica del agua a través del método de titulaciones, estableciendo la misma en (5,35) ppm de Carbonato de calcio presente en la mezcla, por lo que la misma cumple con la norma británica BS-2486 que fija el máximo de alcalinidad en el agua ideal para calderas en 700 ppm de Carbonato de Calcio.
3. Se determinaron las magnitudes de las otras propiedades fisicoquiímicas, siendo éstas la conductividad, fijada en 0.97 mS/cm (comparanda con  la máxima permitida de 7000 mS/cm de la norma). La cantidad de sólidos disueltos, calculada en 694 ppm (comparada con la máxima permitida de 3500 ppm de la norma). El nivel de pH general del agua, registrado en 7.95 (comparada con la máxima permitida de 10.5-11.8 pH a 25°C de la norma) por lo que se puede concluir que el agua evaluada es apta para su uso en calderas industriales.
4. . A través de análisis estequiométrico y la relación entre las medidas de concentración de normalidad y molaridad, se calculó la concentración de la solución de ácido sulfúrico (3.15E-4M) y con ésta se pudo calcular la concentración de la mezcla de agua.

1. Procedimiento

1. Procedimiento: Propiedades Fisicoquímicas

1.  Se midieron 20 mL de muestra y se depositaron en un Beaker de 50 mL.
2.  Se midió la conductividad de la muestra utilizando el potenciómetro.
3.  Se midió la concentración de sólidos disueltos en la muestra utilizando el potenciómetro.
4.  Se midió la acidez de la muestra utilizando papel pH.
5.  Se repitió el procedimiento anterior con dos muestras más.

1. Determinación de Alcalinidad

1. Se tomaron 20 mL de muestra en un Erlenmeyer.
2. Se agregaron 2 gotas de indicador fenolftaleína.
3. Al  obtener una coloración rosa, se tituló con ácido sulfúrico 0,02 N y se mezcló a través de agitación magnética  la muestra.
4. Al no obtener ninguna coloración se procedió con el paso número 5.
5. Se agregaron 3 gotas de indicador naranja de metilo
6. Se observó el cambio de color a naranja.
7. Se tituló con ácido sulfúrico 0.02 N.
8. Se tituló con ácido sulfúrico hasta que la muestra cambió de color naranja a salmón.
9. Se anotó el volumen de ácido sulfúrico utilizado.
10. Se repitieron los pasos del 1 al 7 dos veces más.

1. Hoja de datos originales

[pic 6]

1.  Muestra de cálculo

7.1 Cálculo de Molaridad de la solución de Ácido Sulfúrico ()[pic 7]

En la práctica experimental se utilizó una solución de ácido sulfúrico cuya normalidad era de 0.02 N.  Al convertir éste factor de concentración a molaridad, la teoría química establece la relación de molaridad y normalidad a través de:

   (Ecuación 1)[pic 8]

Despejando la molaridad “M” se tiene:

   (Ecuación 2)[pic 9]

Dónde:

  Es la molaridad, expresada en unidades de concentración   de la solución.[pic 10][pic 11]

  Es la media de Normalidad ya conocida[pic 12]

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