Parametros Fisicoquimicos Del Agua

SEGUNDA PARTE

PARAMETROS FISICO-QUIMICOS: ALCALINIDAD

DEFINIMOS ALCALINIDAD COMO la capacidad del agua para neutralizar ácidos o aceptar protones. Esta representa la suma de la bases que pueden ser tituladas en una muestra de agua. Dado que la alcalinidad de aguas superficiales está determinada generalmente por el contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, ésta se toma como un indicador de dichas especies iónicas. No obstante, algunas sales de ácidos débiles como boratos, silicatos, nitratos y fosfatos pueden también contribuir a la alcalinidad de estar también presentes. Estos iones negativos en solución están comúnmente asociados o pareados con iones positivos de calcio, magnesio, potasio, sodio y otros cationes. El bicarbonato constituye la forma química de mayor contribución a la alcalinidad. Dicha especie iónica y el hidróxido son particularmente importantes cuando hay gran actividad fotosintética de algas o cuando hay descargas industriales en un cuerpo de agua.

La alcalinidad, no sólo representa el principal sistema amortiguador del agua dulce, sino que también desempeña un rol principal en la productividad de cuerpos de agua naturales, sirviendo como una fuente de reserva para la fotosíntesis. Históricamente, la alcalinidad ha sido utilizada como un indicador de la productividad de lagos, donde niveles de alcalinidad altos indicarían una productividad alta y viceversa (Tabla 1).

Dicha correlación se debe en parte a que la disponibilidad del carbono es mayor en lagos alcalinos y también al hecho de que las rocas sedimentarias que contienen carbonatos, a menudo contienen también concentraciones relativamente altas de nitrógeno y fósforo

(en comparación con el granito, otras rocas ígneas y regiones donde el lecho rocoso ha sido desgastado y lavado, los cuales generalmente contienen bajas concentraciones de estos dos nutrientes limitantes y del CaCO3).

Tabla 1: Rangos de alcalinidad.

RANGO

ALCALINIDAD

(mg/L CaCO3)

BAJA < 75

MEDIA 75 - 150

ALTA > 150

* Datos tomados de Kevern (1989).

El sistema de alcalinidad tiene interacciones importantes con los procesos de fotosíntesis y respiración celular. Veamos en primer término las reacciones de equilibrio que describen la interacción de CO2 y H2O (Figura 1).

Figura 1: Equilibrio que describen la interacción de CO2 y H2O.

(1) CO2 + H2O H2CO3

(2) H2CO3 +

+ HCO -

(3) CO2 + H2O +

+ HCO -

1era. disociación de ácido carbónico:

[ H ][HCO3 ]

K1

[CO2 ][H 2 O]

(4) HCO - +

2da. disociación de ácido carbónico:

+ CO --

K2

[ H ][CO3 ] [ HCO3 ]

Dado que la concentración de ácido carbónico (H2CO3) es generalmente baja, las primeras dos ecuaciones se combinan para formar el equilibrio descrito en la ecuación

#3. Determinando los valores de las constantes de disociación K1 y K2 (las cuales varían con la temperatura y el pH), podemos calcular las concentraciones relativas de los componentes de estas ecuaciones de equilibrio. La figura 2 y la tabla 2 ilustran cómo el

por ciento de composición de dichos componentes varía con el pH.

Figura 2: Efecto del pH en el por ciento de composición de especies de bióxido de carbono en agua.

100

80

60 CO2

%

40 HCO3-

CO3--

20

0

3 4

5 6 7

pH

8 9

10 11

12 13

Tabla 2: Efecto del pH en las proporciones de especies iónicas de bióxido

de carbono en agua.

pH

4 CO2

0.996 HCO3-

0.004 CO3 2-

1.25 x 10-9

5 0.962 0.038 1.20 x 10-7

6 0.725 0.275 9.1 x 10-5

7 0.208 0.792 2.6 x 10-4

8 0.025 0.972 3.2 x 10-3

9 0.003 0.966 0.031

10 0.000 0.757 0.243

* Datos tomados de Hutchinson (1957).

Es evidente que las proporciones de las especies iónicas de bióxido de carbono son alteradas significativamente por cambios en pH. A un pH < 6, CO2 es la especie

dominante. A valores de pH entre 7 y 9, HCO3- predomina, mientras que CO32- comienza a aumentar su concentración significativamente a valores de pH > 9. El sistema de alcalinidad tiene interacciones importantes con los procesos de fotosíntesis y respiración. Dichas interacciones se ilustran en la figura 3 donde aparecen combinadas la primera y segunda disociaciones de ácido carbónico.

Figura 3: Efecto de procesos metabólicos en la alcalinidad.

Atmósfera

Agua

Ca++ + 2HCO3- CO2 + CO3= + Ca++ + H2O

pH ACIDO

Respiración

CaCO3

Sedimentos

pH BASICO

Fotosíntesis

Durante el proceso de fotosíntesis se consume CO2 desplazándose el equilibrio descrito en la figura 3 hacia la derecha, causando a su vez que el pH aumente. El aumento en pH se debe a que la baja en concentración de CO2 libre ocasiona a su vez una disminución

en la concentración del ión hidronio (H+) y por ende un aumento en pH. Dicho efecto lo

podemos apreciar al analizar las reacciones de equilibrio que describen la interacción de CO2 y H2O (Figura 1: ecuaciones 1 - 3). Si las concentraciones de CO2 libres disminuyen, entonces disminuyen también las concentraciones de H+ como lo establece la ecuación #3 y la constante de disociación K1. En adición, si el equilibrio descrito en la figura 2 se desplaza hacia la derecha durante periodos intensos de fotosíntesis, entonces la concentración de carbonatos debe aumentar causando que la concentración de H+ disminuya de acuerdo con la ecuación #4 (Figura 1) y la constante de disociación K2.

Según el CO2 es incorporado a fotosintetatos, su concentración en agua puede ser restituida por difusión molecular de CO2 atmosférico al agua o puede ser repuesto por el

sistema de alcalinidad a través de la disociación de bicarbonato (ecuación #1). En aguas con alta productividad, el proceso fotosintético puede agotar los niveles de CO2 libre, a tal punto que el crecimiento de plantas acuáticas se ve limitado y el pH puede alcanzar

valores mayores de 9 ó 10.

Por otro lado, los procesos de respiración aerobia y anaerobia generan CO2, el cual, dependiendo de su concentración, puede desplazar el equilibrio descrito en la ecuación

#1 hacia la izquierda, causando que el pH disminuya.

La actividad fotosintética puede redundar en la precipitación de carbonato de calcio (CaCO3), si la concentración de carbonato aumenta lo suficiente como para exceder la constante de solubilidad de carbonato de calcio (Ksp a 25 C = 10-8.35). Esa es una situación muy común en lagos de alta productividad con una alta alcalinidad, donde se puede observar una cubierta blancuzca sobre la superficie de estructuras vegetales y sobre el sedimento. Cuando la actividad del proceso de respiración excede la actividad fotosintética (se produce CO2 por respiración aerobia y anaerobia) disminuye la concentración de carbonato a tal punto que los depósitos de carbonato de calcio se disuelven en el agua.

El CaCO3 pueder ser producido también por procesos abióticos en lagos que reciben afluentes de manantiales con una alcalinidad alta, supersaturados con CO2. Una vez el afluente entra al lago, el CO2 se libera a la atmósfera (ecuación #1). El equilibrio se desplaza hacia la derecha, aumentando así la concentración de carbonato, a tal punto que excede el Ksp de CaCO3 y se precipita. Dichos lagos se caracterizan por presentar gránulos blancos finos suspendidos en la columna de agua, los cuales pueden causar turbidez en el agua.

Origen de carbonatos y bicarbonatos en agua dulce:

Los carbonatos y bicarbonatos presentes en cuerpos naturales de agua dulce se originan generalmente del desgaste y disolución de rocas en la cuenca que contienen carbonatos tales como la piedra caliza. A pesar de que la piedra caliza no es muy soluble en agua pura, su disolución es promovida

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