Clase 2

Unidad I

QUÍMICA AMBIENTAL IIErnesto Cortés

22

1.1 Elementos, compuestos químicos y procesos ambientales

33

4

Ciclo del agua

4

55

66

77

88

9

1.2 Procesos fisicoquímicos en el ambiente

Planificar

Hacer

Verificar

Actuar

Sistemas de Gestión Ambiental

Tomar Decisiones

Análisis de Problemáticas Ambientales

Química Ambiental

Modelación Ambiental

10

11

Modelo Realidad

� Un modelo es una Expresión (matemática o física) que simula el movimiento de los compuestos químicos INTRA e INTER compartimentos (suelo, sedimentos, agua, biota y aire).

12

a) Balance de masa

� Es importante antes de iniciar un balance másico, reconocer las siguientes características.

i. Definir claramente el volumen de control

ii. Conocer las entradas y salidas que cruzan los límites del volumen de control.

iii. Conocer las características del transporte asociadas al volumen de control y las salidas-entradas de los límites

Entradas

Salidas

Volumen de

Control(´Procesos químicos, físicos y

biológicos)

13

� Un volumen de control puede ser una pequeña e infinitesimal o película delgada o una gran extensa zona del compartimiento analizado.

� Por ejemplo el volumen de control de un río puede ser una sección de un kilometro de un río.

� Existe modelo que segregan en varios volúmenes de control los cuerpos estudiados, para adecuados resultados se debe formar volúmenes de control que sean homogéneos.

19

1817

16

19

1817

16

1

54

3

2

1

54

3

2

20

28

27

26

21

29

20

28

27

26

21

29

12

1514

1312

1514

13

87

6

87

6

9

1110

9

1110

2423

22

25

HW#1

HW#2

HW#3

HW#4

(a) A river with tributaries (b) Q2K reach represent ation

Mai

n st

em

Trib 1

Trib2

Trib 3

i i + 1i −−−− 1Qi−−−−1 Qi

Qin,i Qout,i

14

� Una forma simple de expresar un balance de masa, se describe de la siguiente forma:

reaccionessalidasentradasnAcumulació ±−=

Fenómenos de Transportes

Si existe una degradación de la

sustancia estudio, el signo algebraico será

negativos.Si existe una formación del

producto, el signo algebraico será

positivo

15

Expresión del balance másico

SalidaEntradasnAcumulació −=

accionesEntradasSalida Re±=

� Si en la conceptualización del modelo se ha establecido que existe un estado conservativo (e.g. sustancias que tiende poco a la degradación), la ecuación se modifica de la siguiente

� Si se asume un sistema en estado estacionario (e.g. sin cambio de la concentración con respecto al tiempo, dC/dt=0). La expresión queda de la siguiente manera

16

� Una forma simple de expresar un balance de masa, se describe de la siguiente forma:

reaccionessalidasentradasnAcumulació ±−=

Fenómenos de Transportes

Si existe una degradación de la

sustancia estudio, el signo algebraico será

negativos.Si existe una formación del

producto, el signo algebraico será

positivo

1717

Reacción química

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Fenómenos de transporte

� Si bien las reacciones que sufre una sustancia química es un aspecto importante del destino de esta, otro aspecto importante son las tasa de transporte que sufre, por ejemplo en el medio acuático.

� Los transporte que ocurren en el medio acuático son:

� Advección: Transporte de una sustancia por la velocidad de la corriente (Transporte no difusivo)

� Difusión molecular : es el movimiento de un soluto debido a una fuerza motriz neta (gradientes de concentración, energía cinética, fugacidad). Dicha fuerza neta es cero en estado de equilibrio.

� Difusión turbulenta (Difusión de Eddy): es la mezcla partículas disueltas o finas causadas por turbulencias de micro escalas.

� Dispersión: La interacción de la difusión turbulenta y los gradientes de velocidad causan fuerzas transversales en el cuerpo de agua provocando una mezcla gradual.

19

20

Advección

Difusión turbulenta

Dispersión

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Ejemplo modelo: Advección en río

� Donde:

J= Cantidad de soluto transportado por unidad de tiempo

ū= Velocidad promedio del río

A= Área transversal del río

C= Concentración del soluto en el río

Q= Caudal del río

QCACuJ ==

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Ejemplo: Balance hídrico

� En el proceso del balance de masa para cursos de agua superficiales (e.g. ríos, lagos, esteros), es importante reconocer el balance hídrico que se genera en el volumen de control, el cual se puede expresar de la siguiente manera

� Si se requiere incluir la interacción con los acuíferos, la expresión es la siguiente

� En su forma diferencial

∑ ∑ −+−=∆ nEvaporaciónecipitacióEfluentesAfluentesnAcumulació Pr

∑ ∑ −+−−+=∆ nEvaporaciónecipitacióGWEfluentesGWAfluentesnAcumulació litraciónentradas Prinf

∑ ∑ −+−−+= EVPLVQQQQdt

dVlitraciónEGWeA inf

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b) Equilibrio de fases

L = C – F + 2 - r - a

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�Se denominan DISOLUCIONES (Mezcla) BINARIAS IDEALES a las siguientes:

�Esta constituidas por dos compuestos �La concentración del soluto es muy baja, por lo que existe una alta disolución por parte del disolvente�Se establece como hipótesis que las moléculas no interaccionan.�Al formar la disolución no existe un gasto o consumo energético. Junto con ello no hay un cambio de volumen�Los compuestos son químicamente similares

�Algunos Ejemplos: Alcohol-agua? Acido fuerte-agua? Aceite-agua? Tolueno-benceno?

b.1) Disoluciones ideales (DI)

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Si se mezcla dos líquidos volátiles y se comportan como

MEZCLA BINARIA IDEALES. Los vapores que se generan

se comportaran de la siguiente forma y se puede aplicar la

LEY DE DALTON (GAS IDEAL PV = nRT)

1Ecuación BAtotal PPP +=

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La expresión para los componentes A y B es:

(3)Ecuación

(2)Ecuación °

°

⋅=

⋅=

BBB

AAA

PXP

PXP

pA y pB, es la presión parcial de A y B en la mezclapo

A y poB, es la presión vapor de A y B puros

xA y xB , es la fracción molar de A y B en la fase líquida:

Ley de Raoult (Disolución Ideal DI)

Luego, un sistema formado por un GAS IDEAL (VAPOR) en equilibrio con una DI (LIQUIDO), debe satisfacer las ecuaciones 1,2 y3

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�La fracción molar XA de un componente A, en una

mezcla binaria, se expresa de la siguiente manera:

bA

AA nn

nX

+=

xA = Fracción molar del compuesto AnA y nB, número de moles de los compuesto de A y B en la mezcla

�Las fracciones molares de una mezcla binaria, cumplen

con la siguiente relación

1=+ BA XX

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�Si se sustituye la ecuación (1), (2) y (3), se obtiene:

°° += BBAAT PXPXP�Se deja en función de la fracción molar del compuesto A

°°°

°°°°°

+−=

−+=−+=

BABAT

BABAABAAAT

PXPPP

PXPPXPXPXP

)(

)1(

Ecuación lineal

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Presión vs composición del liquido (fracción molar)

30

Para calcular la composición del vapor se considera como un gas ideal. Por lo tanto, se puede aplicar la ecuación de estado

V

RTnP

V

RTnP

BB

AA

⋅=

⋅=

'

'

n’A y n’B son los moles en el vapor

Dividiendo cada presión tiene

'

'

B

A

B

A

n

n

P

P =

Diagrama de fases binarios liq-vap: mezcla ideal (Propuesto investigación y exposición)

3131

Dividiendo por n’T (moles totales en fase vapor) en ambos miembros de la ecuación:

'

'

'

'

'

'

'

'

''

''

''

'

'

B

A

B

A

B

A

T

B

T

A

TB

TA

B

A

TB

A

TB

A

X

X

P

P

X

X

n

n

n

n

nn

nn

P

P

nn

n

nP

P

=

==⋅⋅=⇒

⋅=

⋅

3232

)´(

expresión siguientela queda o,Resolviend

)1()()1()(

)1()1(''

'

'

'

'

°°°

°°

°°

°

°

°

°

−+⋅=

⋅−⋅=−⋅⋅

−=

⋅−⋅

⇒=⋅⋅=

ABAA

BAT

BAABAA

B

A

BA

AA

B

A

BB

AA

B

A

PPXP

PPP

PXXXPX

X

X

PX

PX

X

X

PX

PX

P

P

3333

PT vs Xi (PT vs Xi´) Temperatura constante

3434

( ) ABAB

AAA XPPP

PXX

°−°+°°='

Adicionalmente se puede expresar la fracción molar en la fase gaseosa del componente A (X´A), en función de la fracción molar en la fase líquida del componente A (XA).

3535

Diagrama de fases liq-vap: Temperatura vs Xi (Xi´) (Presión constante)

3636

Aplicación: Destilación fraccionada

3737

xA

Diagrama destilación fraccionada de mezcla binaria

3838

Las desviaciones a la Ley de Raoult ocurren cuando las sustancias que forman la disolución son muy diferentes, esto es, si las fuerzas intermoleculares son muy distintas. Así, el comportamiento de los componentes del líquido es diferente a cuando están puros.

Por ejemplo, las desviaciones positivas se pueden generar si la magnitud de las interacciones moleculares (atracción) son del tipo :

�Fuerzas intermoleculares del soluto y disolvente diferentes (Desviación (+) [p de vapor real > que la ideal])�Asociación molecular entre soluto-soluto ( Desviación (+))�Asociación molecular entre disolvente-disolvente (Desviación (+))

BABB

BAAA

−>−−>−

b.2) Desviaciones de la idealidad

3939

Para desviaciones negativas:

En general, este caso puede presentarse cuando las moléculas de los componentes se atraen más fuertemente que en estado púro o hay formación parcial de un compuesto.

BBBA

AABA

−>−−>−

4040

Desviación positiva y negativa

4141

4242

Formación de azeotropo(Mezcla de componentes químicos que, a

una concentración determinada, se comporta en el equilibrio liq-vap como si

fuera mono-componente)

4343

Resumen

44

b.3) Disolución Diluida Ideal (DDI): Ley de Henry

� La ley de Henry relaciona la presión parcial de un soluto en la fase vapor con la fracción molar del soluto en la solución

jjj Kxp =

� Donde:

Pj : Presión parcial del componente j en la fase gaseosa

Xj: Fracción molar del componente j en la solución

Kj: Constante de Henry especifica del componente j

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Constante de Henry

� Las unidades de la constante de Henry pueden variar dependiendo si una reacción se escribe en dirección desde la fase gaseosa a la fase acuosa o viceversa desde la fase acuosa a la fase gaseosa.

� Por lo tanto, es importante utilizar las unidades adecuadas, comprender por qué unidades particulares se utilizan, y ser capaz de convertir entre unidades diferentes

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Aplicación: oxígeno aire - agua

� Si tenemos la siguiente ecuación

� En este sistema se visualiza la transferencia del oxígeno disuelto desde la atmosfera al agua.

� En tal caso, el equilibrio se expresa

� Bajo esta expresión matemática de la ley de Henry se puede determinar la solubilidad de los gases en sistemas acuáticos

� Las unidades de la constante en este caso podrían ser:

)(2)(2 acg OO ⇔

[ ][ ]

[ ] [ ]2

2

)(2)(2

)(2

)(2OHac

O

ac

g

acH PKO

P

O

O

OK ×=⇒==

atmL

moles

47

LEY DE HENRY: APLICACIÓN EN LA TRANSFERENCIA DESDE LA FASE LÍQUIDA A LA FASE GASESOA

� Si el interés del estudio es comprender la transferencia desde la fase acuosa a la gaseosa. Por ejemplo para el tratamiento de los TCE descargados en sistema naturales, la ecuación se expresa

� En tal caso, el equilibrio se expresa

� Si las unidades de la fase gaseosa son descrita en moles/litros de gas y la fase acuosa son descrita en moles/litros de agua. La constante queda expresada en litros de gases por litros de agua

)()( gac TCETCE ⇔

[ ][ ])(

)(

ac

gH TCE

TCEK =

48

LEY DE HENRY: Unidades de conversión