alcalinidad

I. OBJETIVOS

Determinar la cantidad de alcalinidad en las muestras de agua potable, agua de mesa y agua tratada.

Comparar la alcalinidad de los 3 tipos de agua.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1.ALCALINIDAD TOTAL

Es la capacidad del agua para neutralizar ácidos y representa la suma de las bases que pueden ser tituladas. Dado que la alcalinidad de aguas superficiales está determinada generalmente por el contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, ésta se toma como un indicador de dichas especies iónicas.

Esta representa la suma de las bases que pueden ser tituladas en una muestra de agua. Dado que la alcalinidad de aguas superficiales está determinada generalmente por el contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, ésta se toma como un indicador de dichas especies iónicas. No obstante, algunas sales de ácidos débiles como boratos, silicatos, nitratos y fosfatos pueden también contribuir a la alcalinidad de estar también presentes. Estos iones negativos en solución están comúnmente asociados o pareados con iones positivos de calcio, magnesio, potasio, sodio y otros cationes. El bicarbonato constituye la forma química de mayor contribución a la alcalinidad. Dicha especie iónica y el hidróxido son particularmente importantes cuando hay gran actividad fotosintética de algas o cuando hay descargas industriales en un cuerpo de agua.

La medición de este parámetro es de gran importancia en las aguas potables y residuales, ya que el tratamiento indicado depende en gran parte de la alcalinidad del agua.

No sólo representa el principal sistema amortiguador (tampón, buffer) del agua dulce, sino que también desempeña un rol principal en la productividad de

cuerpos de agua naturales, sirviendo como una fuente de reserva de CO2 para la fotosíntesis.

Históricamente, la alcalinidad ha sido utilizada como un indicador de la productividad de lagos, donde niveles de alcalinidad altos indicarían una productividad alta y viceversa.

Dicha correlación se debe en parte a que la disponibilidad del carbono es mayor en lagos alcalinos y también al hecho de que las rocas sedimentarias que contienen carbonatos, a menudo contienen también concentraciones relativamente altas de nitrógeno y fósforo (en comparación con el granito, otras rocas ígneas y regiones donde el lecho rocoso ha sido desgastado y lavado, los cuales generalmente contienen bajas concentraciones de estos dos nutrientes limitantes y del CaCO3).

Internacionalmente es aceptada una alcalinidad mínima de 20 mg de CaCO3/L para mantener la vida acuática. Cuando las aguas tienen alcalinidades inferiores se vuelven muy sensibles a la contaminación, ya que no tienen capacidad para oponerse a las modificaciones que generen disminuciones del pH (acidificación).

Se han propuesto clasificaciones de las aguas según su capacidad amortiguadora (alcalinidad), lo que permite manejar descriptores categóricos sencillos a ser utilizados en el análisis de calidad de agua.

Tabla 3.1.Clasificación de los cuerpos de agua según su alcalinidad total

3.2.TÉCNICA DE DETERMINACIÓN

La alcalinidad se expresa como alcalinidad de fenoftaleína o alcalinidad total. Ambas formas se determinan por titulación con ácido sulfúrico. Un cambio de color por un indicador da el punto final. También se puede detectar con un

ALCALINIDAD 1

metro de pH. La titulación se hace en dos fases: alcalinidad de fenoftaleína (titulamos la muestra hasta un pH de 8.3) y alcalinidad total (titulamos la muestra hasta un pH de 4.5 utilizando anaranjado de metilo, bromocresol verde o una mezcla de bromocresol verde y rojo metilo como indicador).

Figura3.2.1Titulación de agua para determinar alcalinidad de fenolftaleína y alcalinidad

total.

Según añadimos ácido, se produce una caída gradual en el pH hasta llegar a 8.5. A partir de ese punto se observa una caída rápida en el pH con una inflexión pobremente definida alrededor del punto de equivalencia de 8.3. En este punto la mayor parte del CO32- se ha convertido a HCO3- y el color de la fenolftaleína cambia de rosado a incoloro.

Con la adición de más ácido se produce una disminución gradual del pH, hasta que llegamos a otro punto de inflexión alrededor del pH 4.5. Este punto corresponde a la conversión de la mayor parte del HCO3- a H2CO3 y CO2. Aquí el color del indicador anaranjado de metilo cambia de amarillo a rosa salmón.

Los resultados obtenidos de las determinaciones de alcalinidad de fenolftaleína y alcalinidad total proveen un método para la clasificación estequiométrica de las tres principales formas de alcalinidad presentes en aguas superficiales (bicarbonato, carbonato e hidróxido), asumiendo la ausencia de ácidos débiles inorgánicos u orgánicos (ej. silicio, fosfórico y bórico).

Dicha clasificación también presupone la incompatibilidad entre la alcalinidad de hidróxidos y la alcalinidad de bicarbonato. Dado que los cálculos están

ALCALINIDAD 2

basados en una relación estequiométrica, los resultados de alcalinidad no representan concentraciones reales de iones, particularmente cuando el pH es mayor de 10 (pH > 10). El esquema de clasificación establece que:

La alcalinidad de carbonato (CO32-) está presente cuando la alcalinidad de fenolftaleína no es cero, pero es menor que la alcalinidad total [T > P 0].

La alcalinidad de hidróxidos (OH-) está presente si la alcalinidad de fenolftaleína es mayor que la mitad de la alcalinidad total [P > 1/2 T].

La alcalinidad de bicarbonato (HCO3-) está presente si la alcalinidad de fenolftaleína es expresan como CaCO3 (mg/L). La conversión matemática de los resultados se ilustra en la siguiente tabla.menor de la mitad de la alcalinidad total [P < 1/2 T].

Estas relaciones pueden ser calculadas utilizando el siguiente esquema:P = alcalinidad de fenolftaleínaT = alcalinidad totala. Seleccione el valor más pequeño entre (P) y (T - P). Entonces la alcalinidad de carbonato (CO32-) será igual a dos veces el valor más pequeño.b. Cuando el valor más pequeño es P, el balance (T - 2P) es bicarbonato.c. Cuando el valor más pequeño es (T - P), el balance (2P - T) es hidróxido.

Tabla 3.2.2.Relaciones de alcalinidad.

P = alcalinidad de fenolftaleína (mg/L) CaCO3T = alcalinidad total (mg/L) CaCO3

ALCALINIDAD 3

III. PARTE EXPERIMENTAL

Primero agregamos 20ml de agua de mesa a una probeta

seguidamente se vierte a un Erlenmeyer. Luego agregamos 2 gotas

de fenoltaleina y observamos que la coloración no cambia

Posteriormente a la misma agua de mesa agregamos 2 gotas de

anaranjado de metilo y observamos que se torna de color naranja

por lo cual titulamos hasta que solución vire a un color rosa.

Luego realizamos los

pasos anteriores con agua potable agregando 20ml de agua de

potable en una probeta. Luego agregamos 2 gotas de fenoltaleina y

observamos que la coloración no cambia. Seguidamente agregamos

2 gotas de anaranjado de metilo y observamos que se torna de color

naranja por lo cual titulamos hasta que solución vire a un color rosa.

ALCALINIDAD 4

Ahora con agua tratada realizamos los pasos anteriores agregándole

20ml de agua de potable en una probeta. Luego agregamos 2 gotas

de fenoltaleina y observamos que la coloración se torna rosa por lo

cual titulamos hasta que se vuelva incolora. Seguidamente

agregamos 2 gotas de anaranjado de metilo y observamos que se

torna de color naranja por lo cual titulamos hasta que solución vire a

un color rosa

ALCALINIDAD 5

alcalinidad , mgcaco3l

= A∗N∗50000mlmuestra

IV. CÁLCULOS Y RESULTADOS

Hallamos la alcalinidad de cada tipo de agua con la siguiente ecuación.

Agua mesa

P=0T=2.2

alcalinidad , mgcaco 3l

=2.2∗0.02∗5000020

=110 ppm

Agua potable P=0T=1.4


=1.4∗0.02∗5000020

=70 ppm

Agua tratada

P=10.1


=10.1∗0.02∗5000020

=505 ppm

T=13.7


=13.7∗0.02∗5000020

=685 ppm

ALCALINIDAD 6

V. ANALISIS ESTADISTICO DESCRIPTIVO

Datos experimentales de 5 grupos.

(ppm) Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IV Grupo VP T P T P T P T P T

Agua de mesa

0 115 0 110 0 110 0 110 0 110

Agua potable

0 60 0 60 0 60 0 70 0 75

Agua tratada

490 680 505 620 485 770 505 685 485 655

AGUA DE MESA

Se analizara el conjunto de datos para un T de alcalinidad total

1. Ordenar datos110→x1

110→x2

110→x3

110→x4

115→x5

2. Verificamos si existe un valor discordante, para esto haremos la prueba Q.

Qexp=diferenciador discordante (Dd)−valor cercano(Vc)

Rango(i)Dd=x5;Vc=x4 ; i=x5−x1

Qexp=x5−x4x5−x1

=0

Hacemos la comparación con la tabla Q(critico)

N (nº datos) 90% 95%

4 0.765 0.8295 0.692 0.710

ALCALINIDAD 7

Se nota Q(critico)>Q exp

No existe un valor discordante, y se aceptan los datos recolectados.

3. Tabla de Frecuencias para las concentraciones

Clase

Límite Inferior

Límite Superior

Punto Medio

Frecuencia

Frecuencia

Relativa

Frecuencia

Acumulada

Frecuencia Rel. Acum.

Li-1 Li xi fi hi Fi Hi1 109 110.143 109.571 4 0.8000 4 0.80002 110.143 111.286 110.714 0 0.0000 4 0.80003 111.286 112.429 111.857 0 0.0000 4 0.80004 112.429 113.571 113.0 0 0.0000 4 0.80005 113.571 114.714 114.143 0 0.0000 4 0.80006 114.714 115.857 115.286 1 0.2000 5 1.00007 115.857 117.0 116.429 0 0.0000 5 1.0000

n=5 1.00

4. Histograma y polígono de frecuencia según la marca de clase

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Frec

uenc

ia

Marca de clase

ALCALINIDAD 8

5. Grafico ojiva de la frecuencia Relativa Acumulada según el marca de clase

6. La media aritmética

X=∑i=1

n

X i

n

X=110+110+110+110+1155

=111

7. La mediana

Me=110

8. ModaMo=110

En cuanto a la simetría de distribución de los datos dentro de la campana de gauss.Se puede deducir tiene un sesgo positiva hacia la derecha, porque la media >mediana y moda

9. Calculamos medidas de dispersión

9.1Varianza, mide en cuanto está separado los datos de la media

sx2=∑

i=1

n

¿¿¿

ALCALINIDAD 9

-0.2

-1.66533453693773E-16

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Marca de clase

Frec

uenc

ia R

elati

va A

cum

ulad

a

sx2=(110−111 )2∗4+¿¿

9.2Desviación estándar, también nos expresa cuanto está separado de la media

sx=√sx2sx=2.23607

9.3Coeficiente de variación, es muy útil cuando queremos comparar dos o más medidas de dispersión y éstas están en unidades diferentes o bien están en las mismas unidades pero sus medias son muy distintas.

CV=Desviacion estandart (s)X

∗100

n= número de datosX=promedio de datos

CV=2.23607111

∗100=2.014%

Comparamos con el CV teórico Química, CV ≤3%

Entonces los datos que nos muestra 2.014% < CV teórico, resulta que en los datos hay una baja dispersión y buena precisión.

9.4Límites de confiabilidad (LC)

LC=X ± t∗s√n

Dondet= dato de curva estándar normal de tablas=desviación estándarn =número de datos

Grado de libertad=n-1 90% 95%3 2.35 3.184 2.13 2.75

En este caso seria t=2.75 a un 95% de confianza

LC=111± 2.75∗2.23607√5

108.25≤LC 95%≤113.75

ALCALINIDAD 10

Se nota que los datos obtenidos se encuentran en este rango de intervalo de confianza, menos la concentración de 115 ppm por eso se rechaza.

10.Calculamos el valor que se va a reportar o aceptar entre la media aritmética o mediana, utilizamos la Desviación absoluta individual.

a) Desviación Promedio con respecto a la media

m=∑i=1

n

|X i−X|

δPx=mn

Donde

n=el número de datos

m=8 ; δPx=1.6

b) Desviación Promedio con respecto a la mediana

m=∑i=1

n

|X i−Me|

δPMe=mn

m=4 ;δPMe=0.8

Resultado

ComoδPMe<δPx entonces el valor reportado es la mediana por tanto la mediana representara la concentración de T de todos los datos hallado.

11.Resumen

ALCALINIDAD 11

s CV Valor reportado

Agua de mesa 2.2307 2.014% 110 ppm

AGUA DE POTABLE

Se analizara el conjunto de datos para un T de alcalinidad total


60→x2

60→x3

70→x4

75→x5



Rango(i)

Qexp=x5−x4x5−x1

=0.33



4 0.765 0.8295 0.692 0.710

Se nota Q(critico)>Q exp, No existe un valor discordante, y se aceptan los datos recolectados.


Clase Límite Inferior

Límite Superior

Punto Medio

Frecuencia

Frecuencia

Relativa

Frecuencia

Acumulada


Li-1 Li xi fi hi Fi Hi1 59 61.5714 60.2857 3 0.6000 3 0.60002 61.5714 64.1429 62.8571 0 0.0000 3 0.6000

ALCALINIDAD 12

3 64.1429 66.7143 65.4286 0 0.0000 3 0.60004 66.7143 69.2857 68.0 0 0.0000 3 0.60005 69.2857 71.8571 70.5714 1 0.2000 4 0.80006 71.8571 74.4286 73.1429 0 0.0000 4 0.80007 74.4286 77.0 75.7143 1 0.2000 5 1.0000

n=5 1.00


58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 780

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Marca de clase

Frec

uenc

ia


-0.2

-1.66533453693773E-16

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Marca de clase

Frec

uenc

ia R

elati

va A

cum

ulad

a

ALCALINIDAD 13


X=∑i=1

n

X i

n

X=60+60+60+70+755

=65

7. La mediana

Me=60

8. ModaMo=60




sx2=∑

i=1

n

¿¿¿

sx2= (60−65 )2∗3+(70−65 )2+ (75−65 )2

5−1=50.00


sx=√sx2sx=7.07107


ALCALINIDAD 14

CV=Desviacion estandart (s)

X∗100


CV=7.0710765

∗100=10.879%


Entonces los datos que nos muestra 2.014% < CV teórico, resulta que en los datos hay una baja dispersión y mala precisión.


LC=X ± t∗s√n



En este caso sería t=2.75 a un 95% de confianza

LC=65± 2.75∗7.07107√5

56.2201≤ LC 95%≤73.779


ALCALINIDAD 15


c) Desviación Promedio con respecto a la media

m=∑i=1

n

|X i−X|

δPx=mn

Donde


m=30 ;δPx=6

d) Desviación Promedio con respecto a la mediana

m=∑i=1

n

|X i−Me|

δPMe=mn

m=25 ;δPMe=5

Resultado


11.Resumen

ALCALINIDAD 16


Agua de Potable 7.07107 10.879% 60 ppm

AGUA DE TRATADA

Se analizara el conjunto de datos para un P de alcalinidad fenolftaleína


485→x2

490→x3

505→x4

505→x5



Rango(i)

Qexp=x4−x3x5−x1

=0.75



4 0.765 0.8295 0.692 0.710

Se nota Q(critico)<Q exp, Si existe un valor discordante.3. Tabla de Frecuencias para las concentraciones

Clase

Límite Inferior

Límite Superior

Punto Medio

Frecuencia

Frecuencia

Relativa

Frecuencia

Acumulada


Li-1 Li xi fi hi Fi Hi1 480 484.286 482.143 0 0.0000 0 0.00002 484.286 488.571 486.429 2 0.4000 2 0.40003 488.571 492.857 490.714 1 0.2000 3 0.6000

ALCALINIDAD 17

4 492.857 497.143 495.0 0 0.0000 3 0.60005 497.143 501.429 499.286 0 0.0000 3 0.60006 501.429 505.714 503.571 2 0.4000 5 1.00007 505.714 510.0 507.857 0 0.0000 5 1.0000

n=5 1.00



ALCALINIDAD 18

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Marca de clase

Frec

uenc

ia

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Marca de clase

Frec

uenc

ia re

lativ

a ac

umul

ada


X=∑i=1

n

X i

n

X=485+485+490+505+5055

=494

7. La mediana

Me=490

8. ModaMo=¿




ALCALINIDAD 19

sx2=∑

i=1

n

¿¿¿

sx2=

(485−494 )2∗2+ (490−494 )2+ (505−494 )2∗25−1

=105.00


sx=√sx2sx=10.247


CV=Desviacion estandart (s)

X∗100


CV=10.247494

∗100=2.07428%


Entonces los datos que nos muestra 2.014% < CV teórico, resulta que en los datos hay una baja dispersión y buena precisión.


LC=X ± t∗s√n




ALCALINIDAD 20

LC=494 ± 2.75∗10.247√5

481.277≤ LC 95%≤506.723

Se nota que los datos obtenidos se encuentran en este rango de intervalo de confianza.


e) Desviación Promedio con respecto a la media

m=∑i=1

n

|X i−X|

δPx=mn

Donde


m=33 ;δPx=6.6

f) Desviación Promedio con respecto a la mediana

m=∑i=1

n

|X i−Me|

δPMe=mn

m=40 ;δPMe=8

Resultado

ALCALINIDAD 21

ComoδPMe>δPx entonces el valor reportado es la mediana por tanto la mediana representara la concentración de T de todos los datos hallado.

11.Resumen

Se analizara el conjunto de datos para un T de alcalinidad Total


655→x2

680→x3

685→x4

770→x5



Rango(i)

Qexp=x5−x4x5−x1

=0.57

ALCALINIDAD 22


Agua Tratada (P) 10.247 2.07428% 494 ppm



4 0.765 0.8295 0.692 0.710

Se nota Q(critico)>Q exp, si existe un valor discordante, y se aceptan los datos recolectados.


Clase

Límite Inferior

Límite Superior

Punto Medio

Frecuencia

Frecuencia

Relativa

Frecuencia

Acumulada


Li-1 Li xi fi hi Fi Hi1 610 635.714 622.857 1 0.2000 1 0.20002 635.714 661.429 648.571 1 0.2000 2 0.40003 661.429 687.143 674.286 2 0.4000 4 0.80004 687.143 712.857 700.0 0 0.0000 4 0.80005 712.857 738.571 725.714 0 0.0000 4 0.80006 738.571 764.286 751.429 0 0.0000 4 0.80007 764.286 790.0 777.143 1 0.2000 5 1.0000

n=5 1.00


ALCALINIDAD 23

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Marca de clase

Frec

uenc

ia


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Marca de clase

Frec

uenc

ia R

elati

va A

cum

ulad

a


ALCALINIDAD 24

X=∑i=1

n

X i

n

X=620+655+680+685+7705

=682

7. La mediana

Me=680

8. ModaMo=¿




sx2=∑

i=1

n

¿¿¿

sx2=

(620−682 )2+(655−682 )2+ (680−682 )2+(685−682 )2+(770−682 )2

5−1

sx2=3082.504


sx=√sx2sx=55.5203


CV=Desviacion estandart (s)X

∗100


ALCALINIDAD 25

CV=55.520365

∗100=8.1408%


Entonces los datos que nos muestra 2.014% < CV teórico, resulta que en los datos hay una baja dispersión y mala precisión.


LC=X ± t∗s√n




LC=682± 2.75∗55.5203√5

613.062≤LC 95%≤750.938



ALCALINIDAD 26

g) Desviación Promedio con respecto a la media

m=∑i=1

n

|X i−X|

δPx=mn

Donde


m=182 ;δPx=36.4

h) Desviación Promedio con respecto a la mediana

m=∑i=1

n

|X i−Me|

δPMe=mn

m=180 ;δPMe=36

Resultado


11.Resumen

RESUMEN FINALALCALINIDAD 27


Agua de Potable (T) 55.5203 8.1408% 680 ppm

ppm P TP T

s CV s CV

Agua tratada 494 680 10.247 2.07428% 55.5203 8.1408%

VI. CONCLUSIONES

ALCALINIDAD 28

ppm P T S CVAgua de mesa 0 110 2.2307 2.014%

Agua potable 0 60 7.07107 10.879%

2.2307 2.014%

alcalinidad

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