El Agua

AGUAS CONTINENTALES

La mayor parte del agua del planeta, que cubre el 72% de su superficie, se haya en los océanos. El resto se encuentra en los continentes en forma de grandes masas de hielo y nieve en los casquetes polares y en campos de hielo; en menor proporción en lagos, ríos y capas del subsuelo y en forma de vapor en la atmósfera. La siguiente tabla muestra la desigual distribución del agua en la Tierra:

Fuente Porcentaje

• Océanos 97,39%
• Inlands, icebergs, glaciares 2,01% aproximadamente 2,6% de agua dulce
• Capas, humedad del suelo 0,58%
• Lagos y ríos 0,02%
• Atmósfera 0,001%

Cabe destacar que, según estos porcentajes, existe 29 veces más agua en el subsuelo que en ríos y lagos.

Aproximadamente el 2,6% del agua del planeta es agua no salada o “dulce” y de ésta solo el 10% se encuentra en lagos, ríos y subsuelo que es prácticamente el agua disponible en los continentes. Por lo tanto, el agua dulce es un recurso sumamente escaso y desgraciadamente para muchas poblaciones su distribución en los continentes es muy heterogénea.

El agua dulce proviene de dos fuentes; el agua superficial que se origina en la precipitación que no se infiltra en el suelo y el agua subterránea que se infiltra.

El agua superficial es captada y llevada a través de las cuencas hidrológicas hacia los cuerpos de agua superficial.

El agua subterránea o freática , ocupa todos los poros del subsuelo, dando lugar a una zona de saturación. Bajo esta zona hay un estrato rocoso impermeable. El transporte de agua en el subsuelo se realiza a través de capas o acuíferos, que son conductos saturados de agua a través de los cuales ésta escurre lentamente por gravedad. Los acuíferos se recargan naturalmente por precipitación infiltrada en el suelo.

Composición y Reacciones Químicas

Un componente esencial de las aguas superficiales es el oxígeno disuelto, puesto que la vida de los organismos depende de este gas. La oxigenación del agua se debe principalmente a la solubilización del oxígeno atmosférico y minoritariamente a su generación en la fotosíntesis, principalmente de algas. Sin embargo el oxígeno así formado durante el día, se consume en parte durante la noche, cuando las algas consumen oxígeno para su metabolismo.

CO 2 + H 2 O {CH 2 O} + O 2

.....................................materia orgánica

Luego de la muerte de las algas la degradación de esta biomasa también consume oxígeno.

La concentración (C) del oxígeno en agua depende, según la ley de Henry (C=k.P), de la presión parcial (P) del oxígeno en la atmósfera y de la temperatura del agua. Las unidades de la constante k son mol/L . atm. El valor de k para el O 2 es 1,28.10 -3 moles por litro a 1 atm y a 25°C. De este valor y de la presión parcial del oxígeno en agua, que es 0,0313 atm., se deduce que la concentración del oxígeno en agua a 25°C es 8,32 mg/L o 8,32 (partes por millón). Dado que la solubilidad de un gas en el agua disminuye con el aumento de temperatura, a 35°C la solubilidad del O 2 en H 2 O es 7,03 mg/L y a O°C aumenta a 14,74 mg/L. Estos valores expresan que la cantidad de oxígeno disuelto en agua es muy baja y que el aumento de temperatura incide fuertemente en su disminución, La degradación de la materia orgánica, representada por la fórmula mínima de los carbohidratos {CH 2 O}, por parte del oxígeno se puede representar por la ecuación, que es la inversa de la fotosíntesis:

.{CH 2 O} + O 2 CO 2 + H 2 O

materia orgánica

De su estequiometría se desprende que el peso de materia orgánica requerida para consumir 8,32 mg de O 2 en un litro de agua a 25°C es 7,8 mg de {CH 2 O}, lo cual pone de manifiesto que sólo basta muy poca materia orgánica para agotar el oxígeno disuelto en agua.

Dado que la materia orgánica no sólo son carbohidratos, una manera más práctica de analizar el consumo de oxígeno en la degradación de la materia orgánica en general, es medir los parámetros Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5 ) y Demanda Química de Oxígeno (DQO). El primero se refiere al oxígeno demandado por la descomposición biológica de dicha materia, mientras que el segundo concierne a la oxidación química de esta materia por un oxidante poderoso como es el dicromato potásico. Se define la DBO5 como el monto de oxígeno consumido por microorganismos para oxidar biológicamente la materia orgánica, cuando se incuba una muestra en la oscuridad durante 5 días a 20°C. La DQO es el monto de oxígeno requerido para la oxidación química de los constituyentes orgánicos e inorgánicos de un agua. Dado que la acción del oxidante afecta a toda la materia oxidable, el valor de la DQO es mayor que el de la DBO5 .

La solubilidad del dióxido de carbono en agua es mayor que la del oxígeno porque parte del CO2 disuelto en agua reacciona con ésta:

CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 -

El CO2 es por tanto un ácido, aunque débil, puesto que la constante de acidez (Ka 1 ) correspondiente a esta disociación es 4,45.10 -7 .

Gran parte del CO2 que se disuelve en el agua proviene del aire y una pequeña proporción, variable, se genera en la descomposición microbiana de la materia orgánica, por lo que está presente en casi todas las aguas continentales ya sean naturales o residuales. La concentración del CO2 en la atmósfera varía según posición y estación del año.

Se ha establecido el origen del CO2 en el agua. También este gas se consume cuando, disuelto en agua, entra en contacto con materiales que contienen carbonato de calcio, como es la calcita:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2HCO 3 -

La concentración del CO2 en agua determina el grado de disolución del CaCO3 .

La materia orgánica contenida en las aguas superficiales varía según el cuerpo de agua que la contenga y el entorno de este cuerpo. Su concentración puede ser de algunos miligramos por litro, sobrepasando algunas veces el valor de 50 mg/L. Su concentración se puede medir mediante el análisis del Carbono Orgánico Total (COT), que indica la materia orgánica global presente luego de analizar el CO2 que ésta desprende en su combustión. Tambien se puede medir mediante la DBO5 ó DQO. Aguas que poseen altos valores de DBO5 ó DQO significan que contienen mucha materia orgánica en disolución. Este hecho, como se dijo, produce un elevado consumo de oxígeno para degradar esta materia.

Tanto el COT como la DBO5 ó DQO expresan la materia orgánica en térmicos generales, pero no indican su composición, la cual es muy variada. Como su origen proviene de organismos, y sus productos de degradación o de metabolismo, se puede afirmar que la componen proteínas, carbohidratos y lípidos y/o sus productos de degradación: aminoácidos, monosacáridos, hidrocarburos, ácidos grasos, alcoholes, más otros componentes propios de los vegetales como pigmentos.

Muchos compuestos orgánicos interactúan con el material suspendido o con los sedimentos en los cuerpos de agua, absorbiéndose sobre éstos. Esta materia orgánica absorbida experimenta degradación química o bioquímica por caminos y velocidades diferentes que la que está en solución.

El origen y transformación de la materia inorgánica, más simple de presentar que la orgánica se discutirá, a continuación, a través de los procesos químicos que ocurren en las aguas continentales.

Los procesos químicos más comunes que ocurren en las aguas continentales, tanto superficiales como subterráneas son las reacciones ácido-base, las reacciones de oxidación-reducción y las reacciones de complejación.

La acidez de las aguas continentales, principalmente de las superficiales se debe, como ya se ha expresado, a la reacción del CO2 , que proviene de la atmósfera, con el agua. La acidez también resulta de la presencia de otros ácidos débiles.

La alcalinidad, que es la capacidad de aceptar protones, es importante en las reacciones en los medios geológicos y biológicos rodeados por el agua. Las aguas con elevada alcalinidad tienen pH elevados y generalmente contienen gran cantidad de sólidos disueltos. Las principales especies químicas responsables de la alcalinidad son los aniones hidroxilo, bicarbonato y carbonato:

HO - + H + H 2 O

CO 3 + H + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + H + HCO 3 -

Las reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox, involucran cambios en los estados de oxidación de las especies que toman parte en aquellas. La forma en la cual ellas ocurran dependerá de la presencia o ausencia del oxígeno disuelto en el agua. Sólo están comprometidos unos pocos elementos que formando compuestos pueden oxidarse o reducirse. Los elementos principales son: C, O, N, S, Fe y Mn. La mayoría de estas transformaciones son lentas y se aceleran por intervención de microorganismos.

En aguas que contienen oxígeno, condiciones aeróbicas, tienen lugar los procesos típicos de oxidación de especies que contienen dichos elementos, cuyos estados de oxidación aumentan. Por ejemplo:

{CH 2 O} + O 2 CO 2 + H 2 O

NH 4 + + O 2 + H 2 O NO 3 - + 6H +

HS - + 2O 2 SO 4 2-. + H +

Fe 2+ + 1/4 O 2 + 5/2 H 2 O Fe(OH) 3 + 2H +

2Mn 2+ + O 2 + 2H 2 O 2MnO 2 + 4H +

Por lo tanto, en aguas superficiales que están en contacto con la atmósfera se encuentran las especies NO 3 - , SO 4 2- , Fe(OH) 3 , MnO 2.

En ausencia de oxígeno, condiciones anaeróbicas, como las que existen en el fondo de los lagos, ocurren los procesos de reducción y la consiguiente existencia de especies reducidas tales como NH 3 , H 2 S, Fe 2+ , Mn 2+ . Estas especies pueden formarse con la participación de bacterias,

SO 4 2- .... H 2 S

Fe(OH) 3 Fe 2+

o formarse a costa de la oxidación de la materia orgánica. La reducción del dióxido de manganeso es un ejemplo:

2MnO 2 + {CH 2 O} + 4H + 2Mn 2+ + CO 2 + 3H 2 O

En las reacciones de complejación, un ión metálico (M n+ ) en agua puede combinarse con una especie donante de electrones (L - ) para formar un complejo o compuesto (o ión) de coordinación.

M n+ + nL - ML n

El donante (o donor) de electrones pueden ser ligandos con carga o neutros tales como carboxilatos (RCOO-), fenolatos (ArO-), fosfatos (ROPO 3 ), aminas alifáticas o aromáticas (R-NH 2 ) o compuestos heterocíclicos nitrogenados.

El número de grupos donantes de electrones del ligando que pueden unirse al ión metálico está dado por su número de coordinación cuyos valores son 2,4 y 6 frecuentemente. Estos son el número de pares de electrones que son donados por el ligando al ión metálico central. Importante en la química acuática son los complejos polimetálicos como el dímero de Fe(III) que se forma cuando el anión HO - actúa uniendo a dos iones Fe +3 :

2Fe(O 2 H) 5 H 2+ (O 2 H) 4 + 2H 2 O (ojo)

 

De este complejo dimérico se puede seguir perdiendo H + de sus moléculas de agua para dar HO - los cuales llevan a la formación de trímeros y polímeros.

El Al +3 también forma dímeros o polímeros por complejación con HO - .