Fisicoquimica Ambiental

FISICOQUIMICA AMBIENTAL

TC-3

Grupo: 358115 _ 28

Director del Curso

Jairo Granados

Gloricet Sanabria

Código:

Ingeniería Ambiental

Acacias Meta

José Jaiver Poveda

Código: 93344147

Ingeniería Ambiental

Cead. J, A, G

Alexandra Aguirre Avilés

Código: 1003465757

Ingeniería Ambiental

Acacias Meta

Adriana Alejandra Gutiérrez Murcia

Código: 1007194139

Ingeniería Ambiental

Cead Pitalito

Bogotá Noviembre 23 / 2014

Ejercicios.

En un experimento, se mezclaron 200mL de agua destilada a temperatura de :T1=80°C, con 200mL de una muestra de agua residual que se encontraba almacenada en un Vaso Dewar a una temperatura T0 de 21°C; después de agitar durante 10 min, se observó que la temperatura de equilibrio (Teq) fue de 47°C. Teniendo en cuenta que la masa del calorímetro (mc) es: 675 g y su calor específico es (Cc): 2,1 cal /g. °C.

Datos experimentales:

Datos Calorimetría Mc = 675 g Cc = 2,1 cal / g.°C

Agua Destilada V_1=200 mL

Teq = 47°C.

Agua Residual

T_0=21 ° C

Calcular:

Las Densidades de las muestras de agua a las respectivas temperaturas, (expresarlas con 4 cifras decimales)

Tenemos que:

Para T0 21°C

d=(30,0658-7,48*〖10〗^(-3) *21)/30=0,9969 g/ml

Para T1 80°C

d=(30,0658-7,48*〖10〗^(-3) *80)/30=0,9822 g/ml

Masas de Agua Utilizadas:

d=m/V →m=V ×d

Masa de agua residual.

m_1=0,9969 g/ml*200 ml=199,38 g

Masa agua destilada.

m_2=0,9822 g/ml*200ml=196,44 g

1.2 La cantidad de calor (en Kcal, KJ y BTU), que ganó ó absorbió el sistema calorímetro + agua

Q_sn= -(m_c*C_C (T_eq-T_0)+m_H2O*C_H2O (T_eq-T_1)

Reemplazando:

Q_sn= -(675 g*2.1 cal/(g°C) (47-21)°C+196.44 g*1cal/(g°C) (47-80)°C)

Q_sn= -30372.480 cal

Q_sn=-30372.480 cal*(1 Kcal)/(1000 cal)=-30.3725 Kcal

Q_sn= -30372.480 cal*(4.18 J)/(1 cal)=-126956.966 J*(1 KJ)/(1000 J1)=-126.9569 KJ

Q_sn= -30372.480 cal*(1 BTU)/(252 cal)=-120.5257 BTU

1.3 La Capacidad Calorífica de la muestra (Cm) del agua residual, en Cal /g.°C y KJ /Kg.K

Recordar: 1 cal=4,18J; 1BTU=252 cal; °K = °C + 273

Con base en la ecuación de balance de calor:

Tenemos:

m_c C_c (T_eq-T_0 )+ m_1 C_m (T_eq-T_0 )= -m_2 C_H2O (T_eq-T_1)

m_1=masa agua residual= 199.38 g

m_2=masa agua destilada= 196.44 g

675 g*2.1 cal/(g°C) (47-21)°C+ 199.38 gC_m (47-21)°C= -196.44g .1cal/(g°C) (47-80)°C

675 g*2.1 cal/(g°C) (26)°C+ 199.38 gC_m (26)°C= -196.44g .1cal/(g°C) (-33)°C

36855 cal+ 199.38 gC_m (26)°C=6482.52 cal

Despejamos

C_m=(6482.52 cal-36855 cal)/(199.38 g .26°C)=(-30372.48 cal)/(5183.88 g°C)= -5.8590 cal/(g°C)

C_m=-5.8590 cal/(g°C)*(4.1868 KJ/(Kg°K))/(1 cal/(g°C))= -24.5306 KJ/(Kg°K)

2. Se realizó un análisis fisicoquímico de dos muestras de suelo en el laboratorio, encontrándose los valores que muestra la tabla 1:

Tabla 1: Resultados hallados en el análisis fisicoquímico de suelos

Tipo de muestras Humedad (%) pH Ep ( mV) dr (g/cm3) CIC(meq/kg)

SFQ 39,45 5,78 150 2,68 13,58

SFO 46,34 6,89 35 2,31 18,35

SFQ: Suelo con fertilización Química

SFO: Suelo con fertilización orgánica

Ep: Energía potencial eléctrica

mV: milivoltios

dr: densidad real

CIC: Capacidad de intercambio catiónico (meq cationes/Kg suelo)

Tabla 2: Técnicas analíticas utilizadas en el análisis fisicoquímico de suelos

Variable analizada Técnica analítica utilizada

Humedad (%) Secado en horno a 105°C por 24 horas pH

Ph Potenciometría con electrodo de vidrio

Ep ( mV) Potenciometría con electrodo de vidrio

dr (g/cm3) Picnómetro

CIC(meq/kg) Extracción con acetato de amonio 1N y titulación volumétrica con NaOH 0,1 N

Teniendo en cuenta las 5 preguntas centrales descritas a continuación, elaborar un diagrama UVE heurístico que tenga como finalidad interpretar analíticamente los resultados encontrados en la tabla 1:

FUNDAMENTO PREGUNTAS METODOLOGIA

2.1 ¿Cómo se clasifican las muestras de suelo en virtud de su pH y capacidad de intercambio catiónico? ¿Qué indican estos resultados?

Suelo en virtud de su pH

Muy ácido: pH. < 5,5

Ácido: 5,6< pH. < 6,5

Neutro: 6,6 > pH < 7,5

Básico o ligeramente alcalino: 7,6 > pH > 8,5

Muy alcalino: pH > .8, 6

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

La Capacidad de intercambio catiónico (CIC) es la medida de la cantidad de cationes que pueden ser absorbidos o retenidos por un suelo.

Estos suelos tienen cantidades variables y diferentes clases de arcilla y materia orgánica, de modo que la capacidad de intercambio catiónico (CIC) total varía considerablemente. La materia orgánica tiene una capacidad de intercambio catiónico alta, por lo que los suelos con un alto contenido de materia orgánica presentan por lo general una Capacidad de intercambio catiónico mayor que la de los suelos con un bajo contenido de materia orgánica.

Si hablamos de plantas los cationes revisten mayor importancia, es decir el calcio (Ca++), magnesio (Mg++), potasio (K+), amonio (NH4+), sodio (Na+) e hidrógeno (H+).

Según la clasificación de las muestras su pH se clasifican como acida neutra o alcalina y en los datos suministrados se tiene que para SFQ= 5,78 es moderadamente ácido, mientras que para SFO = 6,89 su PH es neutro.

Según la clasificación de los suelos en virtud de su capacidad de intercambio catiónico se mide según sus meq/100g de muestra de suelo, y en los datos suministrados se tiene 13,58 meq/1000g, para el SFQ al realizar la conversión se dice que la Capacidad de intercambio catiónico es 1,358meq/100 y para SFO es18, 35 meq/1000g su conversión es 1,850 meq/100 esto significa que estos suelos presentan muy baja Capacidad de intercambio catiónico.

Según los resultados del pH se dice que estos suelos son poco fértiles porque no poseen la capacidad de retener los nutrientes.

2.2 ¿Cuál es la relación fisicoquímica entre potencial electrocinético y energía potencial eléctrica en los suelos? ¿Qué significan los valores de Ep encontrados en este análisis?

En el campo eléctrico, se tiene energía potencial eléctrica esta es la encargada de hacer el trabajo de trasportación de la micela la cual tiene un potencial electrocinético, donde la energía potencial eléctrica se cuantifica así =ep= al trabajo realizado para trasportar la carga.

Potencial Electrocinético: Es aquella que corresponde a la superficie de cizallamiento incipiente, es decir donde la velocidad es cero, pero donde su gradiente no es nulo.

Energía Potencial Eléctrica: Es aquella que tiene un cuerpo con carga eléctrica por estar bajo la influencia de un campo eléctrico, es decir la fuerza eléctrica del campo es la que realiza el trabajo sobre el cuerpo cargado.

2.3 ¿Cuál es la concentración de Hidrogeniones, hidroxilos y pOH de los suelos estudiados?

El pH permite encontrar la concentración de moles de hidrogeniones en una solución.

Concentración de hidrogeniones (H+)

pH = -log [H+]

pH = 5.78

[H+]=ant log⁡〖(-〗 5,78)=1.6595x10^(-6)

pH =6.89

[H+]=ant log⁡〖(-〗 6,89)=1.288x10^(-7)

Concentración de hidroxilos

10^(-14)=[H3O^+ ]+[OH^- ]

pH= 5.78  OH=(10^(-14))/[H3O^+ ] = (10^(-14))/(1.6595x10^(-6) )=6.060 x 10^(-11)

pH= 6.89  OH=(10^(-14))/[H3O^+ ] = (10^(-14))/(1.288x10^(-7) )=7,8 x 10^(-12)

pOH de los suelos estudiados

pH + pOH = 14  pOH= 14- pH

pH= 5.78  pOH= 14- 5.78= 8,22 pH= 6.89  pOH= 14- 6.89= 7,11

2.4 ¿Cuál es la relación fisicoquímica entre % de humedad, porosidad y densidad real de los suelos analizados? ¿Qué significan estos valores?

Encontramos que la densidad real determina las densidades de un suelo, este parámetro de medición se centra en estudiar la relación existente entre el peso del suelo seco y el volumen ocupado por sus partículas, esto significa que se está excluyendo el porcentaje de volumen ocupado por la porosidad los cuales son ocupados por gases y agua. Además la porosidad tiene una gran influencia en la capacidad de retención del agua a esta se le conoce como porcentaje de humedad.

Estos tres parámetros fisicoquímicos se relacionan entre sí porque las determinaciones de dr y dap, pueden establecer la porosidad de un suelo lo que determina su porcentaje de infiltración.

Análisis de los valores

Según los datos obtenidos SFQ presenta una densidad real mayor que SFO, lo que significa que la retención de humedad es menor en SFQ. Esto se da inicialmente por la presencia de materia orgánica en SFO dado que la densidad real disminuye con la presencia de materia orgánica.

2.5 ¿Cuál es el comportamiento fisicoquímico de los suelos con fertilización química, frente a los suelos con fertilización orgánica, de acuerdo a los resultados mostrados en el análisis?

Según los datos obtenidos se muestra que los suelos con fertilización química (SFQ) poseen mayor energía potencial eléctrica que los suelos SFO, aunque estos sean más ácidos, su capacidad de intercambio catiónico es menor, conservan menos agua lo que incrementa su densidad real. Los suelos SFO tienen capacidad de retención de humedad mayor que los suelos SFQ, baja energía de potencia eléctrica y una mayor capacidad de intercambio catiónico. En los SFQ hay un mayor índice de fertilidad que en los SFO.

4. En un proceso de investigación sobre remoción de metales pesados en aguas, por método espectrofotométrico, se evaluó la adsorción de los metales zinc y cobre, sobre la superficie de una arcilla zeolítica, encontrándose los resultados, mostrados en las tablas 4 y 5:

Tabla 4: Datos para la adsorción o remoción del metal Zn sobre superficie de Zeolita

C: concentración de la solución (mg/L) 1/C N: absorción de Zinc (mgZn/g absorbentes) 1/N

0,0 0(indeterminado) 0,0 0 (indeterminado)

0,5 2 1,6 0,625

1,0 1 2,0 0,5

1,5 0,666 3,0 0,3333

3,0 0,333 3,5 0,2857

4,0 0,25 3,9 0,2564

Tabla 5: Datos para la adsorción ó remoción del metal Cu sobre superficie de Zeolita

C: concentración de la solución (mg/L) 1/C N: absorción de cobre (mg Cu/g absorbentes) 1/N

0,0 0(indeterminado) 0,0 0(indeterminado)

0,1 10 1,0 1

0,2 5 2,0 0,5

0,5 2 3,0 0,3333

0,8 1,25 3,5 0,2857

1,2 0,8333 4,0 0,25

4.1 Elaborar: Mapa conceptual sobre zeolitas y Mentefacto conceptual relacionado con: Remoción de metales pesados.

4.2 Graficar N versus C, para cada metal pesado; realizar análisis comparativo

Análisis

En este grafico se observa que a mayor concentración de la solución se muestra una absorción proporcional, aunque esta no es constante, posee una correlación positiva de los datos; además se observa una pequeña dispersión entre el segundo y tercer valor, ya que no aumenta en la misma medida como lo hacen los otros, también se puede establecer que luego del valor 6 es posible un comportamiento de constante, por lo cual se observaría que a mayor concentración se obtendría la misma absorción del metal.

A continuación encontramos que los valores de absorción con cobre, aunque tiene la misma correlación creciente y positiva, estas tienen una dispersión mucho menor, incluyendo los datos determinantes (2 y 3), lo cual muestra que a mayor concentración se encuentra una absorción casi igual.

4.3 Graficar: 1/N Versus 1/ C, para cada metal pesado y analizar

Se observar que en las gráficas 7 y 8 son de doble recíproca, es decir, que se ha empleado el inverso de la concentración (1/N) contra el inverso de la absorción del metal (1/N) para trabajar los datos y obtener una posible línea recta, no obstante se muestra que la dispersión de los datos de la gráfica 7, imposibilita un poco la línea recta determinando una línea con los punto 3 y 4 fuera de la misma, corroborando que el comportamiento de absorción del cobre es más proporcional que le del zinc, con relación a la concentración de la solución, además este tratamiento de datos es específico para el cálculo de Km,Nm y A de absorción.

4.4 Linealizar las anteriores gráficas (4.3), por el método estadístico de los mínimos cuadrados, encontrar: pendiente (m), intercepto (b) sobre el eje Y, lo mismo que el coeficiente de correlación (r2) y analizar los respectivos valores.

Y= mx + b m=(y2-y1)/(x2-x1)  m=(n ∑▒〖xy-∑▒〖x∑▒y〗〗)/(n∑▒x²-|∑▒〖x|²〗)  b= (∑▒〖y∑▒〖x^2-∑▒〖x∑▒xy〗〗〗)/(n∑▒x²-|∑▒〖x|²〗) 

r= (n∑▒〖xy- (∑▒〖x)(∑▒〖y)〗〗〗)/√((n∑▒〖x²-(∑▒〖x)²) (n∑▒〖y^2-(∑▒〖y)²)〗〗〗〗)

# X1 X2 Y1 Y2 ∑▒y1² ∑▒y2² ∑▒x1² ∑▒x2² ∑▒x1y1 ∑▒x2y2

1 0

(indeterminado) 0

(indeterminado) 0 (indeterminado) 0

(indeterminado) 0 0 0 0 0 0

2 2 10 0,625 1 0,3906 1 4 100 1,25 10

3 1 5 0,5 0,5 0,25 0,25 1 25 0,5 2,5

4 0,666 2 0,3333 0,3333 0,1108 0,1108 0,4436 4 0,2222 0,6666

5 0,333 1,25 0,2857 0,2857 0,0816 0,0816 0,1109 1,5625 0,0952 0,3571

6 0,25 0,8333 0,2564 0,25 0,0657 0,0625 0,0625 0,6944 0,0641 0,2083

∑▒〖=4,2499〗 ∑▒〖=19,0833〗 ∑▒〖=2,0004〗 ∑▒〖=2,369〗 0,8987 1,5049 5,617 131,2569 2,1315 13,7320

m1=((6*2,1315)-(4,2499*2,0004))/((6*5,617)-(4,2499)²): 0,2741 b1= ((2,0004*5,617)-(4,2499*2,1315))/((6*5,617)-(4,2499)²) 0,1392 

r1= ((6*2,1315)-(4,2499*0,8987))/√((6*5,617)-(4,2499)²(|(6*0,8987)-(2,0004)^2 |) = 0,8309

m2=((6*13,7320)-(19,0833*2,369))/((6*131,2569)-(19,0833)²):0,0878  b2= ((2,369*131,2569)-(19,0833*13,7320))/((6*131,2569)-(19,0833)²)  0,11549

r2= ((6*13,7320)-(19,0833*2,369))/√((6*131,2569)-(19,0833)²((6*1,5049)-(2,369)²) = 0,977

4.5 Con base en la pendiente de cada recta y los interceptos, calcular: constante de equilibrio de adsorción (K), número de moles por gramo, que son necesarios para formar una monocapa (Nm), Área específica de adsorción(A), para cada metal evaluado, y analizar comparativamente estos resultados. Recordar:

Pendiente =1/(K Nm) intercepto: 1/Nm A= Nm. Na α 10-20

Na: número de Avogadro (6,023x1023)

α= área (α), en Angstrom cuadrados (27A°2)

Intercepto= 1/Nm Nm=1/(intercepto )  Nm1=1/( 0,1392)= 7,1839  Nm2=1/( 0,11549)= 8,6588

Pendiente =1/(K Nm) K: 1/(pendiente Nm)  K1: 1/(0,2741 7,1839)= 0,5078 K2: 1/(0,0878 8,6588) 1,3154

A1= 7,1839 *6,023x1023* 27A°2 *10-20=1168253,002 A2= 8,6588*6,023x1023* 27A°2 *10-20= 1408102,715

Análisis

Se observa que en la constante de absorción se muestra una mayor proporción para la absorción con cobre que con Zinc, característica definitiva de la isoterma de la superficie se satura con las moléculas a altas presiones.

El número de moles por gramo, que se utilizan para formar una monocapa, posee una diferencia muy mínima, proporcionándole homogeneidad al estudio y caracterizando una proporción de la concentración presente de cada metal.

Según la relación se comprende que en la adsorción se observa un área específica mayor en el tratamiento del cobre, corroborando la proporcionalidad de los valores para este proceso de remoción, mientras que para el zinc tiene menor por lo cual se puede decir que cada uno de estos metales interaccionan de forma diferente con el absorbente.

4.6 A partir de los parámetros de adsorción hallados en el numeral 4.5, plantear la ecuación de la doble recíproca de la isoterma de Langmuir, para cada metal estudiado

1/N =1/(K Nm) 1/c +1/Nm  N: absorción de Zinc (mgZn/g absorbentes) = 1/N = 0,2741 1/c +0,1392

 N: absorción de cobre (mg Cu/g absorbentes) =1/N = 0,0878 1/c +0,11549

4.7 Teniendo en cuenta lo obtenido en los numerales anteriores, Completar la tabla de resultados y realizar análisis comparativo

Parámetros de absorción Metal Zn Metal Cu

K 0,5078 1,3154

Nm 7,1839 8,6588

A 1168253,002 1408102,715

Ecuación de langmuir 1/N = 0,2741 1/c +0,1392 1/N = 0,0878 1/c +0,11549

GLOSARIO

ADSORCIÓN: Es el proceso por el cual los átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en determinada fase, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en otra fase. Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido o gas en la superficie de una sustancia solida o liquida.

CAPACIDAD CALORÍFICA: es la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de 1kg de masa. Sus unidades en el sistema Internacional son J/Kg K.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO:: Es un indicador del potencial del suelo para retener e intercambiar nutrientes vegetales, mediante la estimación de su capacidad para retener cationes (cationes = sustancias que tienen carga positiva).

GAS DE EFECTO INVERNADERO: son gases de la atmosfera, de origen natural y antropogenico, que absorben y emiten radiación en determinadas longitudes de ondas del espectro de radiación infrarroja emitido por la superficie de la tierra, la atmosfera y las nubes. Esta propiedad causa el efecto invernadero.

MÉTODO ESPECTROFOTOMÉTRICO: Es una técnica instrumental ampliamente utilizada por los físicos y químicos para poder determinar la composición cualitativa y cuantitativa de una muestra, mediante la utilización de patrones o espectros conocidos de otras muestras. El análisis espectral permite detectar la absorción o emisión de radiación electromagnética de ciertas energías, y relacionar estas energías con los niveles de energía implicados en una transición cuántica.

PH: es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O]+presentes en determinadas disoluciones.

PICNOMETRIA: es un método utilizado para determinar densidades relativas de sólidos o líquidos basada en la comparación de la masa de un determinado volumen de una sustancia con la masa del mismo volumen de otra sustancia tomada como término de comparación.

VASO DEWAR: es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar líquidos, fríos o calientes.

VELOCIDAD DE REACCION: Es una medida de la rapidez con la que se forman los productos o se consumen los reactivos.

ZEOLITAS: es un aluminosilicato cuya estructura forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de movimiento [ambos] que permiten el intercambio iónico y la deshidratación reversible

Análisis

Para la construcción de la ecuación de (langmuir), es necesario conocer la constante de equilibrio de adsorción (K), número de moles por gramo, que son necesarios para formar una monocapa (Nm), es decir, para determinar la identificación especifica de la ecuación. Poniendo en evidencia que si se remplazan los datos deseados se puede obtener mg del metal por absorbente como la concentración de la solución a la que fue analizada, comprendiendo que en cada metal la diferencia de moles de gramos que fueron necesarios para formar una monocapa no son muy alejadas, evidenciando que la constante de equilibrio es muy diferente por lo cual es mejor el proceso de absorción con el cobre que con el zinc.

BIBLIOGRAFIAS

[1] Jairo Enrique Granados Moreno, Director Nacional Modulo Fisicoquímica Ambiental.

[2] Jairo Enrique Granados Moreno, Ejercicios aplicados Fisicoquímica Ambiental.

[3] Orozco, C y col. (2008).Contaminación ambiental, una visión desde la química. Thomson.Paraninfo S.A.,

[4] Cubillos, G., Poveda, F.M. y Villaveces, J.L. (1989): Hacia una Historia Epistemológica de la Química. Academia Colombiana de Ciencias Exactas Físicas y Naturales, Bogotá

[5] Kotz, J. C., Treichel, J., & Paul, M. Química y Reacti

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