Química de la Atmósfera
1. Cinética del Ozono (Ciclo de Chapman)
En la estratosfera, la formación y destrucción del ozono está en estado estacionario dinámico.
O₂ + hν (λ < 242 nm) → 2 O• (Iniciación)
O• + O₂ + M → O₃ + M (Formación)
O₃ + hν (λ < 320 nm) → O₂ + O• (Fotólisis)
O• + O₃ → 2 O₂ (Terminación)
O• + O₂ + M → O₃ + M (Formación)
O₃ + hν (λ < 320 nm) → O₂ + O• (Fotólisis)
O• + O₃ → 2 O₂ (Terminación)
2. Smog Fotoquímico (Troposfera)
Ciclo de los NOx y COVs. La relación de estado fotoestacionario de Leighton:
[O₃] ≈ (k₁ · [NO₂]) / (k₂ · [NO])
Donde k₁ es la constante de fotólisis del NO₂ y k₂ la reacción de NO con O₃.
Química Acuática y Alcalinidad
1. El Sistema de Carbonatos (Abierto vs Cerrado)
El pH de las aguas naturales está controlado por el sistema CO₂/Carbonato. La Alcalinidad Total (Alc T) es la capacidad de neutralizar ácidos:
Alc T = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺]
2. Equilibrios Redox (Diagramas pE-pH)
En ingeniería ambiental usamos pE (potencial de electrones) en lugar de E (Voltios).
pE = -log{e⁻} = E_H / 0.059 (a 25°C)
pE grande (>0) → Condiciones Aerobias (Oxidantes)
pE pequeño (<0) → Condiciones Anaerobias (Reductoras)
pE grande (>0) → Condiciones Aerobias (Oxidantes)
pE pequeño (<0) → Condiciones Anaerobias (Reductoras)
Ingeniería de Aguas Residuales
1. Cinética de la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno)
La degradación de materia orgánica suele modelarse como una reacción de primer orden.
L_t = L_0 · e^(-k·t)
DBO_t = L_0 · (1 - e^(-k·t))
DBO_t = L_0 · (1 - e^(-k·t))
Donde L₀ es la DBO última (materia orgánica total) y DBOₜ es el oxígeno consumido al tiempo t.
2. Dureza y Ablandamiento
Eliminación de Ca²⁺ y Mg²⁺ mediante el proceso de Cal-Sosa (Lime-Soda). Estequiometría clave:
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaCO₃(s) + 2 H₂O
Problemas de Ingeniería (30)
Ejercicios de nivel universitario. Balances de materia, cinética ambiental y estequiometría industrial.
ING Un agua residual tiene una DBO₅ de 200 mg/L y una constante k = 0.23 d⁻¹ (base e). Calcule la DBO última (L₀) y la DBO restante a los 10 días.
1. Fórmula: DBOₜ = L₀(1 - e⁻ᵏᵗ).
2. Despejar L₀: 200 = L₀(1 - e^(-0.23 · 5)).
(1 - 0.316) = 0.684.
L₀ = 200 / 0.684 = 292.4 mg/L.
(1 - 0.316) = 0.684.
L₀ = 200 / 0.684 = 292.4 mg/L.
3. DBO remanente a 10 días (L₁₀): L₁₀ = L₀ · e^(-k·10).
4. L₁₀ = 292.4 · e^(-2.3) = 292.4 · 0.10.
L₀ = 292.4 mg/L ; L₁₀ = 29.3 mg/L
HARD Balance en Río (Mezcla): Un río (Q=10 m³/s, DBO=2 mg/L, DO=9 mg/L) recibe un vertido (Q=2 m³/s, DBO=300 mg/L, DO=1 mg/L). Calcule la DBO y Oxígeno Disuelto (DO) justo después de la mezcla.
1. Balance de masa conservativo (Q·C). Q_total = 12 m³/s.
2. DBO_mezcla = (10·2 + 2·300) / 12 = (20 + 600)/12 = 51.67 mg/L.
3. DO_mezcla = (10·9 + 2·1) / 12 = (90 + 2)/12 = 7.67 mg/L.
Déficit inicial (D₀) = DO_sat - DO_mezcla.
DBO = 51.7 mg/L ; DO = 7.7 mg/L
ING Análisis de agua: pH = 7.0, Alcalinidad Total = 200 mg/L como CaCO₃. Calcule las concentraciones molares de HCO₃⁻ y CO₂ disuelto. (pKa1=6.3, pKa2=10.3).
1. A pH 7, [CO₃²⁻] y [OH⁻] son despreciables. Alc ≈ [HCO₃⁻].
2. Convertir Alc a Molar: (200 mg/L CaCO₃) / (100 g/mol) · (1000 mg/g) = No.
Eq-g CaCO₃ = 50. Alc(eq/L) = 200e-3 / 50 = 4·10⁻³ eq/L = 4·10⁻³ M de HCO₃⁻.
Eq-g CaCO₃ = 50. Alc(eq/L) = 200e-3 / 50 = 4·10⁻³ eq/L = 4·10⁻³ M de HCO₃⁻.
3. Equilibrio: Ka1 = [H⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃*].
10^-6.3 = (10^-7)(4·10⁻³) / [CO₂].
10^-6.3 = (10^-7)(4·10⁻³) / [CO₂].
4. [CO₂] = (10^-7 · 4·10⁻³) / 10^-6.3 = 4·10⁻¹⁰ / 5·10⁻⁷ = 8·10⁻⁴ M.
[HCO₃⁻]=4 mM ; [CO₂]=0.8 mM
HARD Ablandamiento: Calcule la cantidad de Cal (Ca(OH)₂, 74 g/mol) y Sosa (Na₂CO₃, 106 g/mol) para tratar 1 m³ de agua con: 40 mg/L Ca²⁺, 24 mg/L Mg²⁺, 122 mg/L HCO₃⁻.
1. Pasar a meq/L (mili-equivalentes).
Ca: 40/20=2 meq/L. Mg: 24/12.15=1.97 meq/L. HCO₃: 122/61=2 meq/L.
Ca: 40/20=2 meq/L. Mg: 24/12.15=1.97 meq/L. HCO₃: 122/61=2 meq/L.
2. Dureza Total = 3.97 meq/L. Alcalinidad = 2 meq/L.
Dureza Carb = 2. Dureza No Carb = 1.97.
Dureza Carb = 2. Dureza No Carb = 1.97.
3. Demanda Cal: Eliminar Alc (2) + Eliminar Mg (1.97) = 3.97 meq/L.
Masa Cal = 3.97 meq/L · (74/2) mg/meq = 146.89 mg/L = 147 g/m³.
Masa Cal = 3.97 meq/L · (74/2) mg/meq = 146.89 mg/L = 147 g/m³.
4. Demanda Sosa: Eliminar Dureza No Carb = 1.97 meq/L.
Masa Sosa = 1.97 · (106/2) = 104.4 g/m³.
Masa Sosa = 1.97 · (106/2) = 104.4 g/m³.
147 g Cal ; 104 g Sosa
PARCIAL Conversión ppm a mg/m³: La norma de calidad del aire para SO₂ es 0.14 ppm (v/v) a 25°C y 1 atm. Exprese este valor en µg/m³.
1. Ley Gases Ideales: PV = nRT → n/V = P/RT.
2. Concentración total aire (mol/m³): P=101325 Pa.
C_aire = 101325 / (8.314 · 298) = 40.9 mol/m³.
C_aire = 101325 / (8.314 · 298) = 40.9 mol/m³.
3. Moles SO₂: 0.14 ppm = 0.14·10⁻⁶ mol SO₂ / mol aire.
Conc SO₂ = 0.14·10⁻⁶ · 40.9 = 5.72·10⁻⁶ mol/m³.
Conc SO₂ = 0.14·10⁻⁶ · 40.9 = 5.72·10⁻⁶ mol/m³.
4. Masa: 5.72·10⁻⁶ · 64 g/mol = 3.66·10⁻⁴ g/m³ = 366 µg/m³.
366 µg/m³
FINALpE de agua en equilibrio con O₂ atm (0.21 atm) a pH 7. (Eº = 1.23V).
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ ⇌ 2H₂O. pE = 20.75 - pH + 0.25log(P_O2) = 20.75 - 7 + (-0.17) = pE = 13.58
HARDVelocidad sedimentación partícula (Stokes). d=0.05mm, ρ=2.65.
v = [g(ρ-ρw)d²]/18μ. v ≈ 0.2 cm/s
PARCIALDQO vs DBO. Si DQO=500 y DBO=300, ¿es biodegradable?
Ratio DBO/DQO = 0.6. Si > 0.4, es Biodegradable.
INGEstequiometría oxidación glucosa. C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → ...
6CO₂ + 6H₂O. Relación másica O₂/Glucosa = 192/180 = 1.07 g O₂/g Glucosa.
PARCIALSignificado de pH de Lluvia Ácida.
pH < 5.6 (el pH natural por CO₂).
FINALAdsorción Carbón Activo (Freundlich). q = K·C^(1/n).
Linealizar: log(q) = log(K) + (1/n)log(C). Pendiente = 1/n.
INGCoagulación: ¿Por qué Al³⁺ es mejor que Na⁺?
Regla Schulze-Hardy: La efectividad crece exponencialmente con la carga (³⁺ >> ⁺).
HARDTiempo de Retención Hidráulica (TRH). V=1000 m³, Q=50 m³/h.
TRH = V/Q = 1000/50 = 20 horas
INGMetano en vertederos.
Condiciones anaerobias estrictas (pE muy bajo). Metanogénesis.
PARCIALEutrofización: Nutriente limitante.
En agua dulce suele ser P (Fósforo). En mar, N (Nitrógeno).
HARDDureza: 100 mg/L Ca²⁺. Expresar como CaCO₃.
100 * (100/40) = 250 mg/L CaCO₃
INGDiferencia Adsorción vs Absorción.
Adsorción: Superficie (física/química). Absorción: Volumen (disolución en el seno).
FINALCarga másica (F/M) fangos activos.
F/M = (Q·DBO) / (V·MLSS). Unidades: kg DBO/kg SSLM·d.
PARCIALDestrucción Ozono por Cl• (Catálisis).
Cl + O₃ → ClO + O₂; ClO + O → Cl + O₂. Cl se regenera.
INGLey de Henry para O₂ en agua. Kh=1.3e-3 M/atm.
P_O2 = 0.21 atm. C = 1.3e-3 * 0.21 = 2.73e-4 M (~8.7 mg/L).
HARDAlcalinidad Fenolftaleína vs Total.
Fenolftaleína (P): Hasta pH 8.3 (CO₃²⁻ → HCO₃⁻). Total (M): Hasta pH 4.5 (Todo a H₂CO₃).
INGCloración: HOCl vs OCl⁻. ¿Cual desinfecta mejor?
HOCl (Ácido hipocloroso). Es neutro y atraviesa membranas celulares mejor. Eficaz a pH < 7.5.
PARCIAL¿Qué es MPN/NMP en microbiología agua?
Número Más Probable. Estimación estadística de coliformes.
INGVolumen molar gas ideal a 25°C, 1 atm.
V = nRT/P = (1·0.082·298)/1 = 24.4 L (Usado en conversiones aire).
HARDpH de lluvia en equilibrio con CO₂ (350 ppm).
Usando Henry y Ka1. [H⁺] = √(Kh·P·Ka1). pH ≈ 5.6