Curso Modelos Geoquímicos, UPC
Acido-base
Carlos Ayora
Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del
Agua, CSIC
[email protected]
Conceptos
En las soluciones acuosas una mínima parte de moléculas de agua
(10-7/55.51) están disociadas:
H2O = H+ + OHpor lo que H+ y OH- compiten con los metales y ligandos aniónicos.
pH= -log aH+
Ácido: toda sustancia capaz de dar protones al disolverse en agua
Base: id que acepta protones
Ácido/base fuerte: se hallan casi completamente disociados (=1)
NaOH + H+ = Na+ + H2O
Ácido/base débil: solo están parcialmente disociados (0)
HCO3- + H+ = CO2(aq) + H2O
HCO3= CO32- + H+
Anfólitos: son ácidos/bases débiles que pueden actuar como ácido o
como base en función de la abundancia de protones en la solución
Conceptos
Acidez: capacidad de una solución de dar protones


2


Acidez  [ Cl ]  [NO 3 ]  2·[ SO 4 ]  [Na ]  [K ]  2·[ Ca
2
]  2·[ Mg
Fuentes de acidez:
-Disolución de ácidos fuertes y débiles:

3
CO 2 ( g )  H 2 O  HCO
SO 3 ( g )  H 2 O  SO
2
4
H

 2H

-Hidrólisis del agua por bases fuertes y débiles:
Al
3
Fe
3

 H 2 O  Al ( OH ) 2  H

 3 H 2 O  Fe ( OH ) 3  3 H
0

-Disolución de sales de ácidos fuertes y bases débiles:

2
KFe ( SO 4 ) 2 ( OH ) 6  3 H 2 O  K  Fe ( OH ) 3  2 SO 4  3 H
0

2
]
Conceptos
Alcalinidad: capacidad de una solución para aceptar protones =
habilidad para resistir cambios de pH cuando el agua se mezcla con
aguas o residuos ácidos.
d   Acidez
Alcalinida
Fuentes de alcalinidad:
-Disolución de bases fuertes: cáustica
NaO H  H

 Na

 H 2O
-Hidrólisis del agua por bases débiles:


Al ( OH ) 4  H  Al ( OH ) 3  H 2 O
2

0
2
CO 3  H  CO 3  H 2 O
-Disolución de sales de ácidos débiles y bases fuertes: minerales !!
CaCO

3
 H  Ca

2
feld .K  H  caolinita
 HCO
K


3
 SiO 2 ( aq )
Sistema carbónico
Es el principal responsable del pH en sistemas acuosos naturales.
Interacción agua-atmósfera:
(RA )
CO 2 ( g )  CO 2 ( aq )
K A  10
 1 . 47
[ CO 2 ( aq )]  p CO 2 ·10
 1 . 47
Especiación acuosa:
(R 0 )
H 2 CO 3  CO 2 ( aq )  H 2 O K 0  10
0

1 . 51
H 2 CO 3  H 2 CO 3  CO 2 ( aq )  CO 2 ( aq )
( R 1)
(R 2 )
HCO

3
0
 CO 2 ( aq )  H 2 O  H

2
CO 3  CO 2 ( aq )  H 2 O  2 H
K 1  10

6 . 35
K 2  10
16 . 68
Supongamos analizado el total de C disuelto (ej. CT= DIC = 0.005 m)
C T  [ CO 2 ( aq )]  [HCO

3
2
]  [ CO 3 ]
Substituyendo por RA, R1 y R2
C T  K A p CO 2 
K A p CO 2

K 1 [H ]

K A p CO 2
 2
K 2 [H ]
Sistema carbónico
Sea cual sea el valor de CT:
C T  [ CO 2 ( aq )]  [HCO
substituyendo por R1 y R2
C T  [ CO 2 ( aq )] 
despejando [CO2(aq)]:
CT
1
[HCO
2

3
]
[ CO 3 ] 
1

K 1 [H ]


1
K 1 [H ] 
CT
 2
K 2 [H ] 
Normalizando respecto CT:

K 1 [H ]

[ CO 2 ( aq )]
 2
K 2 [H ]
1
K 2 [H ]

[ CO 2 ( aq )]

 2
CT
2
]  [ CO 3 ]
CT
molar fraction
[ CO 2 ( aq )] 

3
0.8
CO2/TC
HCO3/TC
CO3/TC
0.6
0.4
0.2
0
4
6
8
pH
10
12
14
Alcalinidad de las aguas naturales
Concepto químico de alcalinidad: bases fuertes presentes en el agua:


Alcalinida d  [Na ]  [K ]  2·[ Ca
2
]  2·[ Mg
2


2
]  [ Cl ]  [NO 3 ]  2·[ SO 4 ]
Teniendo en cuenta que las aguas naturales también contienen
carbonatos, H+ y OH-, el balance de carga será:


0  [Na ]  [K ]  2·[ Ca
2
]  2·[ Mg
2


2



2
]  [ Cl ]  [NO 3 ]  2·[ SO 4 ]  [H ]  [ OH ]  [HCO 3 ]  2·[ CO 3 ]
pCO2=3.5
Restando ambas igualdades, la alcalinidad:



3
8
]
7
pH
Alcalinida d   [H ]  [ OH ]  [HCO ]  2·[ CO
2
3
9
Substituyendo las especies por su valor
en función de pCO2 y de H+ (RA,R1,R2)
6
5
4
3
-0.5 -0.25
0
0.25 0.5
alk (meq/L)
0.75
Pequeños cambios de acidez pueden producir cambios insignificantes o
muy fuertes de pH
1
Valoración con ácido
La alcalinidad se mide añadiendo un ácido y midiendo el pH hasta
alcanzar un valor de referencia.
Calcular la evolución del pH según la cantidad de HCl añadido
Se supone que DIC es constante (no desgasifica CO2) y =1
Se parte de una solución a pH 12 (NaOH= 0.01 m), se añade HCl 0.1m
Balance de cargas:





2
0  [Na ]  [ Cl ]  [H ]  [ OH ]  [HCO 3 ]  2·[ CO 3 ]
12
La cantidad de ácido añadido:




3
[ Cl ]  [Na ]  [H ]  [ OH ]  [HCO ]  2·[ CO
2
3
10
]
Y substituyendo las especies de C:



[ Cl ]  [Na ]  [H ] 
Kw

[H ]

CT

K 1 [H ] 

2C T
TIC= 0.005 m
8
pH

6
 2
K 2 [H ] 
4
  1
1

K 1 [H ]

1
2
 2
K 2 [H ]
0
5
10
HCl (meq/L)
15
20
T4: Problema
Una descarga ácida de una mina de 20 L/s y pH 3.61 va a parar a un
río de 130 L/s y pH=8.3. Calcular la alcalinidad y pH de la mezcla aguas
abajo. Suponer que el agua siempre está en equilibrio con la atmósfera.
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Ácido base