Laboratorio 2 alcalinidad, dureza y acidez PDF

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ALCALINIDAD, ACIDEZ Y DUREZAAlejandro Morales Molina Diana Catalina Delgado Maria José Zapata Rubio Presentado a Ing. Henry Aldemar Arciniegas Bacca 14 de marzo del 2021 Laboratorio de química ambiental Ingeniería sanitaria y ambiental Facultad de ingeniería Universidad del Valle1. ResumenSe busca d...

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ALCALINIDAD, ACIDEZ Y DUREZA Alejandro Morales Molina Diana Catalina Delgado Maria José Zapata Rubio Presentado a Ing. Henry Aldemar Arciniegas Bacca 14 de marzo del 2021 Laboratorio de química ambiental Ingeniería sanitaria y ambiental Facultad de ingeniería Universidad del Valle

1. Resumen Se busca determinar la capacidad de reacción de una muestra, esta capacidad puede ser medida como la alcalinidad,acidez y dureza. Conociendo inicialmente el volumen de una muestra, añadiendo un indicador específico para cada muestra y progresivamente una concentración del titulante, gracias al volumen de titulante añadido podremos conocer su capacidad de reacción, ya sea de neutralización de ácidos o bases o su capacidad para reemplazar iones.Gracias a un simulador que nos permitirá observar titulaciones y determinar si mas adelante tendremos formaciones de precipitados, actividad corrosiva y así mejorar el control de procesos biológicos en las plantas 1.1 Palabras Claves: Alcalinidad, acidez, dureza, indicadores, titulación, dureza carbonácea 2. Summary The aim is to determine the reaction capacity of a sample, this capacity can be measured as alkalinity, acidity and hardness. Knowing initially the volume of a sample, adding a specific indicator for each sample and progressively a concentration of the titrant, thanks to the volume of titrant added we can know its reaction capacity, either neutralization of acids or bases or its ability to replace ions.Thanks to a simulator that will allow us to observe titrations and determine if later on we will have precipitate formations, corrosive activity and thus improve the control of biological processes in the plants. 2.1 keywords: Alkalinity, acidity, hardness, indicators, titration, carbonaceous hardness

3. Introducción Sabemos que una muestra posee diferentes capacidades de reaccionar frente a la adición de otra sustancia, además medir su concentración con exactitud se nos dificulta, por ello pondremos a reaccionar muestras con titulantes e indicadores que nos muestren con que estamos trabajando. 4. Objetivos Objetivo general: Estudiar la reacción de una alícuota al ser disociada con sus cambios pertinentes de pH, se espera indicar su capacidad de reacción frente a un titulante y saber que tratamiento tomará la muestra Objetivos específicos: -

-

-

Identificar la dureza total de una muestra de agua a partir de información del titulante como la molaridad y luego de los cálculos respectivos llegar a su normalidad además del volumen de muestra y de titulante Reconocer para qué cantidad de carbonato de calcio por litro se determina su alcalinidad gracias a la normalidad del titulante y su volumen. Calcular los diferentes tipos dureza tomando como base la alcalinidad y dureza total, incluyendo aquí la información sobre su titulante en la que se desarrolló la reacción

5. Marco Teórico La alcalinidad del agua es su capacidad de neutralizar ácidos, y es la suma de todas las bases titulables; el valor medido puede variar significativamente con el pH de punto final empleado. La alcalinidad es una medida de una propiedad agregada del agua y se puede interpretar en términos de sustancias específicas sólo cuando se conoce la composición química de la muestra. Debido a que la alcalinidad de muchas aguas superficiales es primariamente una función del contenido de carbonato, bicarbonato e hidróxido, se toma como un indicador de la concentración de estos constituyentes. Las mediciones de alcalinidad se emplean en la interpretación y control de los procesos de tratamiento de aguas. Las aguas residuales domésticas tienen una alcalinidad menor, o ligeramente mayor, que la del agua de suministro. Los iones hidroxilo presentes en una muestra como resultado de disociación o hidrólisis de solutos reaccionan con adiciones de ácido estándar. En consecuencia la alcalinidad depende del pH de punto final empleado. La alcalinidad de una muestra se determina mediante el volumen de un ácido estándar requerido para titular una porción a un pH seleccionado. La titulación se efectúa a temperatura ambiente con un pH metro o un

titulador automático calibrados, o mediante indicadores coloreados. IDEAM (2005) presenta alcalinidad potencial. La acidez de una sustancia es el grado en el que es ácida. El concepto complementario es la basicidad. La escala más común para cuantificar la acidez o la basicidad es el pH, que sólo es aplicable para disolución acuosa. Sin embargo, fuera de disoluciones acuosas también es posible determinar y cuantificar la acidez de diferentes sustancias. Se puede comparar, por ejemplo, la acidez de los gases dióxido de carbono (CO2, ácido), trióxido de azufre (SO3, ácido más fuerte) y dinitrógeno (N2, neutro). La acidez de una sustancia se puede determinar por métodos volumétricos, es decir, midiendo los volúmenes. Ésta medición se realiza mediante una titulación, la cual implica siempre tres agentes o medios: el titulante, el titulado y el colorante. Cuando un ácido y una base reaccionan, se produce una reacción; reacción que se puede observar con un colorante. Un ejemplo de colorante, y el más común, es la fenolftaleína (C20 H14 O4), que vira (cambia) de color a rosa cuando se encuentra presente una reacción ácido-base. El agente titulante es una base, y el agente titulado es el ácido o la sustancia que contiene el ácido. (QUIMICA.ES). Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. El agua denominada comúnmente como “dura” tiene una elevada concentración de dichas sales y el agua “blanda” las contiene en muy poca cantidad. La unidad de medida de la dureza que se utiliza más habitualmente son los grados hidrométricos franceses (º H F). La presencia de sales de magnesio y calcio en el agua depende fundamentalmente de las formaciones geológicas atravesadas por el agua de forma previa a su captación. Las aguas subterráneas que atraviesan acuíferos carbonatados (calizas) son las que presentan mayor dureza y dichos acuíferos están formados por carbonatos de calcio y magnesio. (FACSA, 2017). Se realiza la práctica de laboratorio para determinar estas tres características, con sus respectivas especificaciones según corresponda en diferentes muestras de agua. 6. Materiales y reactivos 6.1 Acidez ● Tiosulfato de Sodio ● Fenolftaleína ● NaOH

6.2 Dureza ● ● ● ● ●

Bureta de 50 ml Beaker EDTA Negro de Ericromo T Agua de pozo

6.3 Alcalinidad ● ● ● ● ● ●

Beaker Bureta de 50 ml HCl Fenolftaleína Naranja de Metilo Agua de pozo

7. Descripcion del metodo 7.1 Para el laboratorio de Acidez se usaron los datos proporcionados por el profesor en clase, para después hacer los correspondientes cálculos, ayudándonos con búsquedas bibliográficas.En ese caso inicialmente tenemos 5o ml de muestra a la cual añadimos tres gotas de tiosulfato de sodio y tres gotas de fenolftaleína, encima de esta ubicamos gracias a un soporte una bureta con una concentración de 0,021N de NaOH y añadimos hasta que la mezcla se torne un poco rosa y observamos el volumen de NaOH añadido para realizar el cálculo de la acidez

Se usó el simulador de Amrita para hacer los laboratorios de Dureza y Alcalinidad, con los datos obtenidos se realizaron los diferentes cálculos para determinar tanto la dureza como la alcalinidad. 7.2 Dureza Agregamos 15 ml de agua de pozo en un beaker con una pequeña cantidad de el indicador de Negro de Eriocromo T, con ayuda de un soporte ponemos sobre este una bureta con un tiulante llamado EDTA a una concentracion de 0,1 M, este se añade a una velocidad que podemos modificar en el simulador en este caso usamos 0,1 hasta que la muestra cambia de un color vinotinto a un azul, finalmente observamos el volumen de EDTA añadido y calcumos su dureza.

7.3 Alcalinidad Agregamos 30 ml de agua de pozo en un beaker inicialmente tenemos una primera fase al usar fenolftaleína como indicador, encima de éste con ayuda de un soporte ubicamos una bureta con una solución de HCl con una concentración de 0,05 N, la muestra mas el indicador tiene un color fucsia que se torna incoloro, en este momento se cierra el paso de HCl y determinamos el volumen añadido. En su segunda fase cambiamos el indicador a naranja de metilo y determinamos la cantidad de HCl añadida para que cambie de naranja a rojo. Finalmente calculamos la alcalinidad a la fenolftaleína y la alcalinidad total 8. Resultados y análisis 8.1 Cálculos 8.1.1 Acidez

8.1.2 Dureza

8.1.3 Alcalinidad

8.1.4 Dureza carbonácea

8.1.5 Cálculo de las diferentes clases de alcalinidad F= 425 mg CACO3/L M= 783,33 mg CACO3/L M/2= 391,66 mg CACO3/L Tabla.1 Cálculo de las diferentes clases de alcalinidad valores de la alcalinidad mg CACO3/L caso

relación

condición

OH

CO3

HCO3

Total

2

F>M/2

OH y CO3

2F-M

2(M-F)

0

M

2

425>391

OH y CO3

66,67

716,66

0

783,33

(AWWA, APHA y WEF, 2005)

8.2 Análisis 8.2.1 Acidez: Inicialmente esperábamos que si la muestra presenta acidez reaccionara a el indicador añadido como lo es la fenolftaleína y observar el cambio de su color al reaccionar con una base como el NaOH.En cuanto al

cálculo de la acidez se esperaba cumplir con los datos necesarios para realizarlos. Finalmente con base a lo teórico, se desarrolló experimentalmente esta titulación logrando observar que nuestra muestra tenía acidez y calculamos su cantidad 8.2.2 Dureza: Teóricamente se habla de dureza como la capacidad de una muestra, gracias a esta capacidad se desarrollan distintas propiedades de la muestra, buscábamos determinar el valor de la dureza total y la dureza cálcica y observar el comportamiento de la muestra al ser titulada con EDTA. Concluyendo que la muestra presentaba dureza y se comportó como esperábamos tornando su color de vinotinto a azul. 8.2.3 Alcalinidad: Se esperaba que al realizar la práctica virtual se pudiera demostrar que al reaccionar con un ácido como el HCl este se titulará, además en su primera fase se decía que al usar fenolftaleína como indicador este se tornara incoloro, y en la segunda fase con un el naranja de metilo como indicador se tornara rojo. Gracias a estas dos fases se buscaba realizar el cálculo de la alcalinidad a la fenolftaleína y su alcalinidad total. En la práctica se pudo demostrar que estas titulaciones se daban para unas concentraciones específicas y se logró calcular su alcalinidad bajo cada caso, como se determinó que la alcalinidad a la fenolftaleína era mayor a un medio de la alcalinidad total pudimos desarrollar una tabla que nos permite expresar la alcalinidad respecto a hidróxidos, carbonatos y su totalidad.

9. Conclusiones ● La Alcalinidad se determina en forma volumétrica utilizando el principio de neutralización, para ello, se utilizan Ácidos Fuertes como el Ácido Sulfúrico o el Ácido Clorhídrico, el cual aportan los protones necesarios para la titulación. El cálculo de esta fue expresado anteriormente y nos limitamos a usar un titulante pero al realizar esto en un simulador nos permite tener mayor exactitud con la medición. ● La alícuota para la que se calculó la acidez nos permitió observar cómo se comportaba en un laboratorio real, esto nos brindó ventajas para observar lo práctico y al mismo tiempo una desventaja ya que esto presenta menor exactitud que una práctica virtual, pero finalmente se logró calcular y analizar su comportamiento ● Los indicadores son parte esencial en el proceso de viraje ya que nos permiten conocer hasta qué punto debemos añadir el titulante y

determinar la capacidad de reacción de la muestra, contamos con estos como una ayuda para titular ● Determinamos que la acidez, alcalinidad, y dureza son factores importantes para definir la calidad del agua y las propiedades para reaccionar químicamente en su purificación 10. Respuestas a preguntas 10.1 ¿Qué relación existe entre la alcalinidad y el pH de un agua? pH: es un indicador de la acidez de una sustancia. Está determinado por el número de iones libres de hidrógeno (H+) en una sustancia (pH y alcalinidad, 2021) Alcalinidad: Se refiere a Carbonatos, Bicarbonatos e Hidróxidos disueltos. Mientras más alta sea la alcalinidad del agua, mayor será su contenido de cal y, por lo tanto, mayor será también la rapidez con la que el agua podrá provocar el aumento del pH (Buechel, 2021).

10.2 ¿Demuestre mediante ecuaciones simultáneas los valores de alcalinidad cuando se tiene la presencia de carbonatos y bicarbonatos? Ecuación 1. VF: 1/2VCO3= Ecuación 2. VM: VCO3=+VHCO3Ecuación final. VCO3=: 2VF 10.3 En la determinación de alcalinidad se utilizó 10 ml de muestra, en la prueba se utilizó pHmetro en vez de indicadores, esta prueba requirió la adición 2,4 ml de H2SO4 0.02 N para llegar al pH 8,3 y posteriormente se tituló otra alícuota de 10 ml y se agregó 3,3 ml de ácido para llegar al pH 4,5. Identifique las especies presentes, calcule la alcalinidad aportada por cada una; finalmente, calcule la alcalinidad total. 10.3.1

10.3.2 Cálculo de las diferentes clases de alcalinidad F= 240 mg CACO3/L M=570 mg CACO3/L M/2=285 mg CACO3/L Tabla.2 Cálculo de las diferentes clases de alcalinidad valores de la alcalinidad mg CACO3/L caso relación

condición

OH

CO3

HCO3

Total

4

F285

CO3 Y HCO3

0

480

90

570

(AWWA, APHA y WEF, 2005) 10.4 ¿Cuáles son las diferencias entre la Dureza Cálcica y Magnésica y entre la Dureza Carbonática y no Carbonática? Diferencia entre dureza cálcica y magnésica: La dureza cálcica determina el contenido global de sales de calcio, mientras que la dureza magnésica determina el contenido total de sales de magnesio. (AQM laboratorios, 2014) Diferencia entre dureza carbonática y no carbonática: La dureza carbonatada hace referencia al bicarbonato de calcio y magnesio. Cuando el bicarbonato de calcio se calienta, se forma el carbonato de calcio sólido. Esta es la principal causa de formación de depósitos en calentadores

de agua y calderas. La dureza no carbonatada se debe principalmente a cloruros, nitratos y sulfatos de calcio y magnesio. (HACH, 2020)

10.5¿Muestre dos índices de características incrustantes o corrosivas y cuáles parámetros consideran? El Índice de Langelier es uno de los indicadores clave y más sencillos de usar para determinar si un agua es corrosiva o incrustante y en qué grado para poder hacer los tratamientos necesarios. Este índice, que no tiene unidades, se obtiene al combinar varios parámetros físico-químicos del agua. Podría definirse como la indicación del grado de saturación del carbonato de calcio en el agua, el cual se basa en el pH, la alcalinidad y la dureza de la misma. El valor del agua equilibrada es 0 y el rango ideal para el índice de Langelier está entre -0.5 y +0.5. Si el índice es positivo y superior a 0.5, se trata de un agua incrustante y el carbonato de calcio podría precipitar y formar placas calcáreas. Si el valor es negativo e inferior a -0.5 debe interpretarse que el agua es corrosiva y podría atacar a los equipos. En ambos casos, se deben tomar medidas para ajustar el pH, la alcalinidad total o la dureza. El índice de Estabilidad de Ryznar (RSI) es una modificación del índice de saturación de Langelier (LSI) para proporcionar una mejor indicación de la tendencia a la formación de incrustaciones de carbonato de calcio. Ryznar detectó que aguas de alta y baja dureza podían tener el mismo valor de LSI. Valoración RSI: >9.0 intolerablemente corrosiva 7.5-9.0 fuertemente corrosiva 7.0-7.5 corrosiva 6.0-7.0 ligeramente incrustante o corrosiva 5.0-6.0 ligeramente incrustante 4.0-5.0 fuertemente incrustante

11. Referencias bibliográficas ● AQM (2014). Dureza del agua: Tipos de análisis, Alberto Moro Gonzales. ● IDEAM (2007). Dureza Total en Agua con EDTA por Volumetría, Carlos Hernán Rodríguez M, Técnico Químico.

● IDEAM (2005). Alcalinidad potenciometría, Rocio Del Pilar Bojaca Química U.N. ● Troy Buechel, (2021). La alcalinidad del agua frente al pH- diferencias, disponible: https://cutt.ly/RzL1vIM [14 mar 2021] ● Universidad de los Llanos, (2018). Instructivo para determinar la alcalinidad en aguas....