Química del Agua (Hidrogeoquímica) CARMEN SUÁREZ Problemática del agua Fuente: Informe mundial de las Naciones Unidas de los Recursos Hídricos 2019: No dejar a nadie atrás Incremento de demanda • Superpoblación • Desarrollo económico • Hábitos de consumo: Ahorro/eficiencia Disminución de recursos • Reducción de recursos por contaminación y cambios en el ciclo: Control de vertidos Fuente: Informe mundial de las Naciones Unidas de los Recursos Hídricos 2019: No dejar a nadie atrás Ciclo hidrológico Composición En un agua natural dulce, los constituyentes químicos aparecen generalmente en forma iónica (sales casi totalmente disociadas). Con menor frecuencia se presentan en forma molecular, parcialmente disociadas o como iones complejos de sustancias orgánicas o inorgánicas •Mayores (> 10 mg/l; Ca, Mg, Na, K, HCO3, SO4, Cl). •Menores (0.01-10 mg/l; Fe, Br, I, NO3, Sr, Mn, Si, F) •Traza (<0.01 mg/; el resto) •Orgánicos (nanog/l –microg/l -- mg/l) •Isótopos ambientales… Factores y procesos que determinan la composición química del agua 1. Disolución, por ejemplo, los gases de la atmosfera o del suelo en contacto con las aguas de precipitación o de infiltración, o las sales solubles del suelo: C02, O2, N2, H2, Ar, He, NH3, CH4, etc. y las sales (CaCO3), (CaMg) CO3, CaSO3-2, H20, CaS04, NaCl, KCl, etc. 2. Ataque químico: ➢ Hidratación: CaS04 + 2H20 -------> CaS04 2H20 ➢ Hidrolisis: H2C03 + 20H- = CO3+ 2H20 ➢ Oxidación - Reducción: por ejemplo los sulfuros-sulfatos o nitritos-nitratos. ➢ El pH y ciertos fenómenos biológicos, son factores también de la solubilización de sustancias Adquisición primaria de los iones Disolución de aerosoles (CO2,CO, NH2) 1. Agua de lluvia Gases atmosféricos (N2, O2 etc.) Disolución de gases superficiales 2. Influencia del suelo Vegetación, clima, naturaleza litología 3. Influencia terreno geológico Superficie Contacto y trayecto 1. Agua Lluvia Clima Comportamiento Climas húmedos y templados • Elevado desarrollo de vegetación. • Aguas de escorrentías con bajo contenido de solidos disueltos. Climas áridos • Aguas de escorrentía con elevados contenidos de solidos disueltos, por evaporación, a pesar de ser desfavorable la meteorización de solutos. Climas con alternancia de estaciones secas y húmedas • Reacciones de meteorización. • Calidad química fluctúa según la estación. Climas fríos • Bajas temperaturas inhiben reacciones de meteorización. • Escorrentía con bajo contenido en sólido disueltos. Lluvia ácida ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOx) Y AZUFRE (SOx) Los principales compuestos de nitrógeno presentes en la atmósfera son las formas oxidadas NO, NO2 y HNO3, el HNO3 se forma en la atmósfera por oxidación del dióxido de nitrógeno, principalmente por reacción con el radical hidroxilo: NO2 +OH-------HNO3 Las emisiones de NO2 se convierten en un medio acidificante de la precipitación pluvial. De igual forma el SO2 (dióxido de azufre) que es el principal compuesto de azufre presente en la atmósfera contribuye mediante el H2SO4 a la formación de la lluvia ácida. 2. Influencia del suelo Acciones físicas: ▪ Filtrado del suelo y retención de MS: Porosidad, homogeneidad del medio, tamaño de poros. ▪ Acciones químicas: intercambio iónico, precipitación, disolución, adsorción. Cationes intercambiables, solidos disueltos se alteran. ▪ Acciones biológicas: oxidación de la materia orgánica 3. Litología Rocas ígneas: ▪ Ataque a silicatos (Na,Ca,K,Mg,) ▪ Baja salinidad (residuo seco del orden de 100ppm) ▪ Anión dominante HCO3 - ▪ Cationes dominantes Na+, Ca2+; Mg2+ y K+ en << proporción ▪ Cantidades significativas de SiO2 (20-100 ppm): Residuo de alteración de feldespatos y formación arcillas. Poco aporte por disolución de cuarzo ▪ K y Fe: pueden solubilizarse cantidades significativas. Rocas sedimentarias ▪ Detríticas: La mayoría de rocas (areniscas y gravas) están cementadas con materiales más o menos solubles de naturaleza principalmente carbonatada y que constituyen la fuente de elementos a las aguas. ▪ De precipitación: ▪ Como resultado de reacciones químicas que dan lugar a sales insolubles. ▪ Representadas por calizas y dolomías, fundamentalmente ▪ Las calizas puras aportan pocos iones, Ca2+ y HCO3- y cantidades variables de Mg2+ Por otro lado, en calizas impuras, y sobre todo margas, … ▪ Las dolomías puras aportan, a su vez, Ca2+, Mg2+ y HCO3- ▪ Evaporitas: Evaporación de aguas y por tanto son sales fácilmente solubles. La principal roca es el yeso, las aguas en contacto con ellas presentan elevadas cantidades de sales, pudiendo incluso originar salmueras. Las formaciones yesiferas pueden dar concentraciones muy elevadas de SO42- y Ca2+ ▪ Carbonosas o bituminosas: Fuente de cantidades de sales solubles procedentes de la materia viva que las originó. Ambiente reductor con presencia de Fe2+ y S2-. Aniones y cationes más abundantes Características químicas: • Sales muy solubles y estables en disolución, siendo difícilmente precipitables. No se oxida ni se reduce en aguas naturales, ni es adsorbido significativamente ni entra a formar parte de procesos bioquímicos-----buen trazador natural • En general asociado al Na, especialmente en aguas salinas Origen de Cl- al agua: • Rocas ígneas, lixiviación de rocas sedimentarias. (evaporitas) Sulfatos 2SO4 Características químicas • Sales de moderadamente solubles a muy solubles, excepto las de Sr y de Ba. • El comportamiento del S, en general, es muy dependiente del potencial redox (Eh) del agua, pudiendo aparecer en estados de oxidación de -2 a +6. Siendo muy móvil en condiciones oxidantes (sulfatos) e inmóvil en reducidas. • El ion sulfato está sometido a procesos de reducción, especialmente en presencia de bacterias y de materia orgánica. En ambientes reductores, a pH menor que 7, la forma reducida estable es el H2S mientras que en soluciones alcalinas predomina el ion HS-. Origen en el agua ▪ Rocas ígneas (oxidación de sulfuros) ▪ Rocas sedimentarias (disolución de yeso (CaS04-2H20) y anhidrita (CaSO4), representa el aporte cuantitativamente más significativo, especialmente, en subterráneas. Nitratos NO3-, nitritos NO2- y amonios NH4+ 1. Características químicas ▪ El nitrato, sales muy solubles y difícilmente precipitables. Tendencia a ser estable, en condiciones reductoras puede pasar a NO2-. NH4+ y a N2 .La mayoría de compuestos nitrogenados pasan a NO3- en medio oxidante. ▪ Procesos de oxidación-reducción, de las especies nitrogenadas en el agua, influenciados por fenómenos biológicos, así, el resultado final dependerá del número y tipo de organismos que intervengan en ellos y ambiente redox del medio. (N2 NH4+ NO2-. NO3- ) 2. Origen en aguas ▪ Nitrógeno atmosférico (80% en volumen). Compuestos nitrogenados de las aguas naturales están relacionados con ciclo del nitrógeno. En las rocas sólo se presenta como elemento minoritario. Calcio +2 Ca 1. Características químicas: ▪El intercambio iónico entre el Ca2+ y otros cationes (Na+ fundamentalmente), retenidos en la superficie de minerales con los que entra en contacto el agua, se potencia notablemente en terrenos arcilloso. ▪Sales moderada solubilidad Aporte de dureza y producción de incrustaciones 2. Origen en el agua ▪Disolución calizas; Disolución de yesos; lixiviación de feldespatos Magnesio 2+ Mg 1. Características químicas: ▪ Propiedades similares a las del ion Ca2+ pero más soluble y más fácil de precipitar ▪ Afectado por proceso de intercambio iónico ▪ Contribuye a la dureza del agua ▪ A pH elevado puede precipitar como Mg(OH)2 incrustante 2. Origen en el agua: ▪ Menos abundante que el Ca2+ en las aguas naturales, de solución de dolomías; alteración de silicatos, ferromagnesianos en rocas ígneas, rocas metamórficas. Sodio + Na 1. Características químicas ▪ Solubilidad elevada y difícil de precipitar ▪ Afectado fácilmente por el cambio de bases ▪ Las aguas naturales con elevados contenidos en Na+, suelen tener también elevados contenidos en F- 2. Origen en el agua ▪ El Na+ es liberado por la hidrólisis de silicatos tipo albita (NaAlSi308) y la disolución de rocas sedimentarlas de origen marino y depósitos evaporíticos, en que se presenta fundamentalmente como NaCl. ▪ Una fuente importante de Na+ la constituyen los aportes de agua marina en regiones costeras. Potasio + K 1. Características químicas: ▪ Solubilidad elevada y difícil de precipitar ▪ Afectado por el cambio de bases ▪ Adsorbido de forma poco reversible por arcillas de las formaciones (paso de montmorillonita a illita, para formar parte de su estructura, hecho que lo diferencia del Na). Este tipo de proceso provoca que, a pesar del elevado contenido en roca, las aguas tengan menos K+ que Na+, Excepto en las aguas muy diluidas. 2. Fuentes de K+ ▪ Procede de la meteorización de feldespatos y, ocasionalmente, de la solubilización Sílice SiO2 Características químicas: ▪ La mayoría de la SiO2 en el agua está en forma de H4SiO4, disuelta y coloidal, y sólo una pequeña básicas pueden contener cantidades importante de sílice iónica, siendo su solubilidad independiente del pH hasta valores superiores a 9. ▪ La sílice iónica contribuye algo a la alcalinidad del agua ▪ El CO2 juega un pale importante al evitar que el pH suba, limitando así la solubilidad de la sílice ▪ Hidrólisis de feldespatos y silicatos en general. ▪ El cuarzo o la sílice amorfa. por su baja solubilidad fuertemente dependiente de la temperatura, no son fuentes significativas del Si02 del agua Bicarbonatos HCO3 y Carbonatos 2CO3 Características químicas: ▪ Responsables de la alcalinidad del agua ▪ No son oxidables ni reducibles en aguas naturales ▪ El CO2 se disuelve en agua en función de su presión parcial (PC02) Una parte permanece en disolución en forma de gas y otra reacciona con el agua para dar (H2CO3) que se disocia parcialmente para dar iones carbonato y bicarbonato: CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+ ↔CO32-+ 2H+ ▪ Pueden precipitar con mucha facilidad como CaCO3 Fuentes: ▪ El CO2 disuelto en agua procede de la atmósfera, pero fundamentalmente de la zona edáfica (respiración de organismos y descomposición de la materia orgánica). ▪ La disolución de calizas y dolomias, potenciada por el aporte de CO2, es otra de las fuentes principales de carbonatos y bicarbonatos. ▪ Aunque con velocidades de incorporación al agua mucho menores, la hidrólisis de silicatos es otro de los mecanismos que da lugar a la formación de estos iones.
