MANUAL DE CAPACITACIN Y DESARROLLO DE HABILIDADES EN ACTIVIDADES DE PERFORACIN Y MANTENIMIENTO DE POZOS

MANUAL PARA ESPECIALISTAS EN FLUIDOS DE CONTROL

CAPITULO 1 QUMICA BSICA1.1 Introduccin a la qumica.

La Qumica es la ciencia que trata del estudio de la materia, de las transformaciones que experimenta y de los cambios de energa en estas transformaciones. Desde los albores de la civilizacin, el hombre ha tratado de comprender los cambios producidos en el mundo que Ie rodea debido a sus efectos sobre las condiciones en que vive. Estos cambios tales como la accin erosiva de la atmsfera sobre las rocas, la putrefaccin de la materia vegetal y animal, el fenmeno de la combustin, la generacin del petrleo y otros procesos naturales son fundamentalmente de naturaleza qumica. El hombre no se ha sentido satisfecho con las copiosas reservas nativas de materiales, ni con algunos de los procesos naturales que observa, si no que ha aplicado los principios de la qumica no solo para alterar el curso de muchos de estos procesos, sino tambin para transformar un gran nmero de dichas substancias en productos desconocidos en el mundo natural.

Aunque los conocimientos cientficos se han clasificado dentro de varias ciencias, como biologa, geologa, astronoma y otras, una hay una clara divisin entre ellas. Un anlisis cuidadoso de las otras ciencias revela que la qumica tiene afinidad con otras ciencias. As, en la biologa contribuye a la comprensin de las transformaciones qumicas que ocurren en las diminutas clulas integrantes del organismo vivo, en el conocimiento de la estructura molecular de protenas, hormonas, enzimas y cidos nucleicos. La geologa es un prodigioso lienzo natural que expone los cambios qumicos efectuados en las rocas durante las diversas eras geolgicas; la fsica se ocupa de las distintas formas de energa, tal como calor, luz y electricidad, pero los efectos de la energa sobre la materia son frecuentemente de ndole qumica; incluso la astronoma penetra en la qumica en busca de informacin sobre la naturaleza qumica de algunos astros. La qumica puede Ilamarse exactamente la ciencia fundamental de la transformacin de la materia.En primera instancia se puede clasificar a la qumica en dos ramas principales: qumica orgnica y qumica inorgnica. La qumica orgnica se ocupa de los compuestos que contienen al elemento carbono. El trmino orgnica se deriv originalmente del estudio qumico de los seres vivos: vegetales y animales. La qumica inorgnica se ocupa de los dems elementos, as como de algunos compuestos del carbono. Las sustancias que se clasifican como inorgnicas provienen principalmente de fuentes minerales y no de fuentes animales o vegetales. Toda industria depende de productos qumicos. En la industria del petrleo una aplicacin de la qumica se tiene en los sistemas de fluidos de perforacin empleados en la extraccin de hidrocarburos. Un sistema de fluido de perforacin est diseado con aditivos qumicos que proporcionan al fluido las caractersticas especficas, necesarias para interactuar con la formacin.1.2 Materia y su composicin

Materia es todo cuanto ocupa espacio y tiene masa. Toda la materia se compone de molculas y todas las molculas constan de tomos. La molcula es la unidad sin carga ms pequea de un compuesto y est formada por la unin de dos o ms tomos. EI tomo, que hasta hace poco se supona compacto e indivisible, es la parte mas pequea de una molcula; es decir, se ha considerado como la unidad de la materia. El tomo est constituido por partculas subatmicas todava ms pequeas, pero estos corpsculos subatmicos no tienen ya las propiedades qumicas de los elementos.La masa es una medida de la cantidad de materia o la cantidad de material contenido en algo. La masa de un objeto es una cantidad fija e invariable que es independiente de la ubicacin del cuerpo. La masa se puede medir con una balanza, comparndola con masas de valor conocido y fijo.

EI peso de un cuerpo es la medida de la atraccin gravitacional que la tierra ejerce sobre aquel. A diferencia de la masa, el peso vara dependiendo de la posicin relativa de un objeto o de su distancia a la tierra y de si la velocidad con que se mueve el objeto vara con respecto al movimiento de nuestro planeta. Las unidades comunes de masa son los gramos (g) y las libras-masa. EI volumen es una medida de la cantidad de espacio ocupado par la materia. Las unidades comunes de volumen del campo petrolfero son los galones (gal), barriles (bbl), pies cbicos (ft3), litros (I) y metros cbicos (m3).

La densidad se define como la relacin de una cierta masa de sustancia dividida por el volumen ocupado de dicha sustancia. Las unidades comunes de densidad del campo petrolfero son las libras par galn (Ib/gal), libras por pie cbico (lb/ft3), kilogramos por metro cbico (kg/m3) y gramos por centmetro cbico (g/cm3). La gravedad especfica es una expresin especial de la densidad que se usa para lquidos y slidos. Se trata de la relacin de la densidad de una sustancia dividida por la densidad de otra, generalmente del agua pura a una temperatura de 4 C. Asimismo, la densidad de los gases se suele expresar como "gravedad de gas", o como la relacin de la densidad de un gas particular dividida por la densidad del aire puro bajo condiciones estndar.

1.2.1 Clasificacin de la materiaLa materia existe en tres estados fsicos: Slido Lquido GaseosoLos slidos tienen forma y volumen definidos y sus partculas estn adheridas rgidamente entre si. La forma de un slido puede ser independiente del recipiente. Los slidos que se encuentran con frecuencia como la sal, el azcar, el cuarzo y los metales son cristalinos. La constitucin de los materiales cristalinos existe en distribuciones regulares, repetitivas y tridimensionales. Los slidos como los plsticos, el vidrio y las pastas, se llaman amorfos porque no tienen una configuracin geomtrica regular.Los lquidos tienen generalmente una densidad ms baja que los slidos, pero mayor que los gases. Los lquidos se adaptan fcilmente a la forma del recipiente que lo contiene Tanto los lquidos como los gases son fluidos que fluyen cuando se aplica una fuerza. Los lquidos pueden transformarse en slidos, bajando la temperatura hasta el punto en que las fuerzas de atraccin entre las molculas las mantienen dentro de una forma y un volumen determinados.

Un gas tiene un volumen indefinido y carece de forma fija, sus partculas se renen independientemente una de otra. Las partculas en estado gaseoso han adquirido la energa suficiente para superar las fuerzas de atraccin que las mantenan unidas como lquido o slido. Un gas presiona siempre en todas direcciones, sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Debido a esta propiedad, un gas llena por completo un recipiente. Las partculas de un gas estn relativamente lejos entre s, en comparacin con las de un lquido y un slido. El volumen real de las partculas de gas generalmente es muy pequeo en comparacin con el volumen del espacio ocupado por el gas. Por lo tanto se pueden comprimir hasta un volumen muy pequeo o expandir indefinidamente.El trmino material abarca todos los objetos o cosas materiales que constituyen el universo. Existen muchos miles de tipos distintos de materia, a los que se le conoce como sustancias. La sustancia es una especie particular de materia, con una composicin definida y fija. Se dice a veces que una sustancia es pura y puede ser tanto un elemento como un compuesto.

Una muestra de materia se puede clasificar como homognea o heterognea. La materia homognea tiene aspecto uniforme y las mismas propiedades en todos sus puntos. La materia que consiste en dos o ms fases, fsicamente distintas es heterognea. Una fase es una parte homognea de un sistema, separado de las otras partes por fronteras fsicas. Un sistema es la porcin de materia que estamos considerando.

Una sustancia pura, elemento o compuesto, siempre es de composicin homognea. Sin embargo una sustancia puede existir en fases diferentes en un sistema heterogneo. Por ejemplo cuando el hielo flota en agua, se tiene un sistema de dos fases compuesto por agua slida y agua lquida. El agua en cada fase tiene composicin homognea, pero como hay dos fases presentes el sistema es heterogneo. Una mezcla es un material que contiene dos o ms sustancias y puede ser homognea o heterognea. La composicin de las mezclas vara. Si agregamos azcar a un vaso con agua, se forma inmediatamente una mezcla heterognea. Las dos fases son slidas y lquidas. Pero al agitar, el azcar se disuelve para formar una mezcla o solucin homognea, todava estn presentes ambas sustancias; todas las partes de la solucin son dulces y lquidas. Muchas sustancias no forman mezclas homogneas. Si mezclamos azcar y arena fina, se forma una mezcla heterognea. Podr necesitarse un examen cuidadoso par percibir si es una mezcla heterognea, porque las fases (azcar y arena) son slidos blancos. La materia ordinaria est formada casi siempre por mezclas, si examinamos el suelo, el granito, el mineral de hierro o cualquier depsito natural, veremos que son mezclas heterogneas casi todas ellas.

Las substancias puras pueden ser separadas en dos categoras distintas: Elementos

Compuestos

Los elementos no pueden ser separados (descompuestos) o subdivididos en substancias ms simples mediante el uso de mtodos qumicos corrientes. Los elementos constituyen los componentes bsicos de todas las substancias y tienen propiedades exclusivas. Los compuestos pueden ser reducidos en dos o ms substancias ms simples (elementos o grupos de elementos).Una sustancia pura es un compuesto si puede ser subdividida en por lo menos dos elementos. Todos los compuestos estn formados por la combinacin de dos o ms elementos. Si una sustancia pura no puede ser separada en dos o ms elementos, se trata de un elemento. Resulta prctico designar a un elemento con una abreviatura llamada smbolo, en vez de usar el nombre completo. La siguiente Tabla 1.1 contiene el nombre qumico, el smbolo, el peso atmico y la valencia comn (carga elctrica) de los elementos de mayor inters para la industria de fluidos de perforacin.ElementoSmboloPeso AtmicoValencia comn

AluminioAI26.983+

ArsnicoAs74.925+

AzufreS32.062-

BarioBa137.342+

BoroB10.813+

BromoBr79.901-

CadmioCd112.402+

CalcioCa40.082+

CarbonoC12.014+

CesioCs132.911+

CloroCl35.451-

CobreCu63.542+

CromoCr51.9966+

EstaoSn118.692+

FlorF18.99841-

FsforoP30.975+

HidrgenoH1.0007971+

HierroFe55.8473+

LitioLi6.9391+

MagnesioMg24.312+

ManganesoMn54.942+

MercurioHg200.592+

NquelNi58.712+

NitrgenoN14.00675+

Oxigeno016.002-

PlataAg107.871+

PlomoPb207.192+

PotasioK39.101+

SilicioSi28.094+

SodioNa22.991+

TitanioTi47.904+

YodoI126.91-

ZincZn65.372+

ZirconioZr91.224+

Tabla 1.1.- Elementos comunes.

1.2.2 Teoras atomistas y estructura de la materiaDesde hace mucho tiempo la estructura de la materia ha intrigado y ocupado las mentes de los seres humanos. La semilla de la moderna teora atmica se sembr en el tiempo de los antiguos filsofos griegos. Se afirmaba que toda materia estaba compuesta de cuatro elementos: agua tierra, aire y fuego. Ms tarde, el filsofo Demcrito, pensaba que todas las formas de la materia eran divisibles hasta cierto punto en partculas invisibles, a las que llam tomos. Sostena que los tomos estaban en movimiento constante y que se combinaban entre s en varias formas. Esta hiptesis aparentemente especulativa no estaba basada en observaciones cientficas. Aristteles se opuso a esta teora y fue hasta 2000 aos despus que John Dalton revive el concepto de los tomos y propuso una hiptesis basada en hechos y evidencia experimental. La teora de Dalton se puede resumir como sigue:

Los elementos se componen de partculas diminutas e indivisibles, que se pueden llamar tomos.

Los tomos del mismo elemento son iguales en tamao y masa

Los tomos de elementos diferentes tienen masa y tamaos distintos.

Los compuestos qumicos se forman por unin de dos o ms tomos de diferentes elementos.

Los tomos se combinan para formar compuestos en relaciones numricas sencillas, como uno a uno, dos a uno, dos a tres, etc.

Los tomos de dos elementos pueden combinarse en diferentes relaciones formando ms de un compuesto.Las principales premisas de esta teora todava son vlidas, sin embargo, algunos enunciados se han modificado porque investigaciones posteriores a Dalton, demuestran que: a) los tomos estn compuestos de partculas subatmicas b) No todos los tomos de un elemento determinado tienen la misma masa y c) los tomos, en determinadas circunstancias, se pueden descomponer.

Con un gran nmero de experimentos se ha establecido el hecho de que un compuesto determinado siempre contiene los mismos elementos en las mismas proporciones de masa. Por ejemplo, el agua siempre contendr 11.2 % de hidrgeno y 88.8 % de oxgeno, en masa. Este no impide que puedan existir otras combinaciones del hidrgeno y agua, pero un compuesto con otra relacin de hidrgeno y oxgeno, no es agua. El perxido de hidrgeno, agua oxigenada, est formado por dos tomos de hidrgeno y dos tomos de oxgeno por cada molcula de perxido y contiene 5.9 % de hidrgeno y 94.1 de oxgeno en masa, sus propiedades son muy diferentes a las del agua.La ley de las composiciones definidas (o Constantes) establece que: Un compuesto siempre contiene dos o ms elementos combinados en una bien definida proporcin de masa.

La ley de las proporciones mltiples afirma que los tomos de dos o ms elementos pueden combinarse en diferentes relaciones para producir ms de un compuesto. La validez de esta ley y de las composiciones constantes es piedra angular en la qumica. En esencia estas leyes afirman que (1) la composicin de una determinada sustancia siempre ser la misma, sin importar su origen o cmo se forme, y (2) Siempre ser nica la composicin de sustancias diferentes formadas con los mismos elementos.

Faraday, descubri que ciertas sustancias, al disolverse en agua, podan conducir corriente elctrica. Tambin not que determinados compuestos se podan descomponer en sus elementos pasando una corriente elctrica a travs del compuesto. Los tomos de algunos elementos eran atrados por el electrodo positivo, mientras que los tomos de otros lo eran hacia el electrodo negativo. Farady concluy que esos tomos estaban cargados elctricamente. Los llam iones, utilizando la palabra griega ion que significa vagabundo.Cualquier carga que se mueve constituye una corriente elctrica. La carga debe viajar a travs de un medio conductor. Los Metales son muy buenos conductores, por lo que se emplean en forma de alambre o cables.

Arrhenius, ampli los trabajos de Faraday, dedujo que un in era un tomo dotado de carga positiva o negativa. Cuando se funda un compuesto, como el cloruro de sodio, conduca la electricidad, no era necesaria el agua. La explicacin de Arrhenius para esta conductividad era que al fundir el cloruro de sodio, se disociaba o descompona en iones cargados, Na+ y Cl-. Los iones sodio se movan hacia el electrodo negativo (ctodo), mientras que el cloruro hacia el electrodo positivo (nodo). Por ello los iones positivos se llaman cationes y los iones negativos aniones.

A partir de los trabajos de Faraday y Arrhenius, Stoney, dedujo que debe haber una unidad fundamental de electricidad asociada a los tomos. A esta unidad le llam electrn. Esta idea de la existencia del electrn, no pudo ser comprobada hasta los estudios experimentales de Thomson.El concepto del tomo y la determinacin de su estructura es uno de los mayores logros del intelecto humano.

Cualquier cantidad visible de un elemento contiene un vasto nmero de tomos idnticos. Pero cuando nos referimos a un tomo de un elemento, aislamos un solo tomo de la multitud para presentar el elemento en su forma ms simple. A pesar de que el tomo es inconcebiblemente pequeo (el dimetro va de 0.1 a 0.5 nanmetros, 1 nm = 1 X 10-9 mm) contiene todava partculas subatmicas, como electrones, protones y neutrones.El desarrollo de la teora atmica estuvo auxiliado en gran parte por la invencin de nuevos instrumentos. El tubo Crookes, abri las puertas a la estructura subatmica. Las emisiones generadas por el tuvo de Crookes se llaman rayos catdicos. Thomson demostr que los rayos catdicos viajan en lnea recta, tienen carga negativa, son desviados por campos elctricos y magnticos, producen sombras ntidas, y son capaces de mover una pequea rueda de paletas. Esto constituy el descubrimiento experimental de la unidad fundamental de carga, el electrn.El electrn (e-) es una partcula con carga elctrica negativa y con una masa de 9.11 x 10 -28 g. Esta masa es 1/1837 de un tomo de hidrgeno y corresponde a 0.0005486 unidades de masa atmica (uma) Una uma tiene 1.6606 X 10 -24 g. Aunque se conoce la carga real del electrn su valor no es conveniente para usos prcticas por lo que se le ha asignado una carga elctrica relativa -1. El dimetro del electrn no se ha determinado con exactitud pero se cree que es menor a 10 -12 cm.El protn es una partcula (p) con una masa relativa de 1 uma y una masa real de 1.673 x 10 -24 g. Su carga relativa (+1) es igual en magnitud, pero de signo opuesto, a la carga del electrn. La masa de un protn es ligeramente menor que la del tomo de hidrgeno.En el modelo atmico de Thomson, los electrnicos eran partculas con carga negativa incrustadas en una esfera slida. Como los tomos son elctricamente neutros, la esfera tambin contena igual nmero de protones o cargas positivas. Un tomo neutro poda transformarse en ion ganando o perdiendo electrones. Los iones positivos se explicaron suponiendo que el tomo neutro ha perdido electrones. Un in con una carga neta e +1 (por ejemplo, H+ o Li+) ha perdido un electrn. Un in con carga neta +3 (por ejemplo Al +3) ha perdido tres electrones. Los iones negativos se explicaron suponiendo que se haban agregado electrones adicionales a los tomos. Por ejemplo una carga neta de -1 (Cl- o F-) se produce por la adicin de un electrn. Una carga neta -2 (por ejemplo O-2) es el resultado de la adicin de dos electrones.La tercera partcula: el neutrn, descubierta por Chadwick, no tiene carga positiva ni negativa, y posee una masa relativa de aproximadamente 1 uma. Su masa real (1.657 x 10 -24 g) solo ligeramente superior a la de un protn. En la tabla 1.2 se muestran las propiedades de esas tres partculas subatmicas.PartculaSmboloCarga elctrica

relativaMasa realMasa relativa

ProtnpPositiva (1+)1.673 X 10 -241

NeutrnnNinguna (0)1.675 x10 -241

ElectrneNegativa (1-)9.11x10-28

Tabla 1.2 Masa y carga de las partculas subatmicas

Casi todas las propiedades qumicas ordinarias de la materia se pueden explicar suponiendo que los tomos consisten en electrones, protones y neutrones. La descripcin de la estructura atmica que se expone a continuacin se basa en la hiptesis que los tomos slo contienen estas partculas subatmicas principales. Se han descubierto muchos otros corpsculos subatmicos, como mesones, positrones, neutrinos y antiprotones. Por el momento no est claro si esas partculas existen realmente en el tomo o si se producen mediante reacciones que se llevan cabo dentro del ncleo. Becquerel hizo el descubrimiento de la radiactividad, y encontr que los elementos radiactivos emiten espontneamente rayos alfa, beta y gama a partir de sus ncleos.

Rutherford, estableci en el ao 1907, que las partculas alfa, cargadas positivamente, emitidas por algunos elementos radiactivos, son iones de helio. Con esas partculas Rutherford estableci la naturaleza nuclearia del tomo. En sus experimentos, dirigi un haz de iones helio con carga positiva (partculas alfa) hacia una lmina muy delgada de oro. Observ que la mayor parte de las partculas alfa pasaban a travs de la hoja, con una desviacin pequea o nula, pero algunas partculas se desviaban en ngulos grandes, y a veces una rebotaba hacia atrs alejndose de la hoja. Se conoca ya que las cargas iguales se repelen entre s, y que posiblemente un electrn con masa igual a 1/1837 uma quiz no tiene efecto apreciable sobre la trayectoria de una partcula alfa de 4 uma, 7350 veces ms grande que el electrn. Por lo tanto Rutherford dedujo que cada tomo de oro deba contener una masa con carga positiva ocupando un volumen relativamente minsculo y que cuando una partcula alfa se acerca lo suficiente a esta masa positiva, es desviada. Rutherford se refera a una masa con carga positiva como el ncleo del tomo. Como las partculas alfa tienen una masa relativamente grande, la magnitud de la desviacin (algunas en realidad rebotaron) indicaba que el ncleo es relativamente denso y pesado. Como la mayor parte de las partculas alfa pasaron libremente a travs del los aproximadamente cien tomos de oro sin ser desviadas en apariencia, dedujo que la mayor parte de un tomo consiste en espacio vaco. Cuando nos referimos a la masa de un tomo nos estamos refiriendo a la masa del ncleo. El ncleo contiene todos los protones y neutrones, lo cual representa ms del 99.9 % de la masa total de cualquier tomo. Por lo tanto, la masa de un tomo est determinada principalmente por las masas combinadas de sus protones y neutrones.

Fig. 1.1 Modelo de Rutherford

El modelo de Rutherford. Representaba el tomo como un sistema solar en miniatura en el que los electrones se movan como planetas alrededor del ncleo.

Rutherford estableci que los tomos contiene un ncleo denso, con carga elctrica positiva. Chadwick demostr que el tomo contiene neutrones, que son partculas con masa pero sin carga. Observ tambin que estn presentes electrones ligeros y con carga negativa, que compensan las cargas positivas del ncleo. Basndose en esta evidencia, se formul una descripcin general del tomo y de la ubicacin de sus partculas subatmicas. Cada tomo consiste en un ncleo rodeado por electrones. El ncleo contiene protones y neutrones, pero no electrones. En un tomo neutro la carga positiva del ncleo (debida a los protones) est compensada exactamente por los electrones negativos. Como la carga de un electrn es igual pero de signo contrario a la carga de un protn, un tomo neutro debe contener exactamente el mismo nmero de electrones y de protones. Sin embargo esta descripcin del tomo nucleario, un ncleo rodeado por electrones, no da informacin acerca de la disposicin de los electrones dentro del tomo. Teoras ms recientes, sugieren que los electrones en movimiento tienen propiedades de onda, al mismo tiempo que tienen masa. Posteriormente, Schordinger, introdujo un nuevo concepto, la mecnica cuntica o mecnica ondulatoria. Los electrones se describen, en trminos matemticos, como si tuvieran caractersticas duales, es decir, algunas propiedades del electrn se describen mejor en trminos de ondas, y otras en trminos de partculas (con masa).

Desde fines de la dcada de 1920, los conceptos de mecnica cuntica comienzan a prevalecer en las consideraciones tericas de la estructura atmica. La mecnica cuntica se basa en el concepto de que los electrones estn en niveles especficos de energa, pero no como rotando alrededor del ncleo en rbitas, sino como ubicados en orbitales. Un orbital es una regin en el espacio alrededor del ncleo donde hay una alta probabilidad de que se halle un determinado electrn.No todos los electrones de un tomo se ubican a la misma distancia del ncleo. La probabilidad de encontrar a los electrones es mxima a determinada distancia del ncleo, que se llaman niveles de energa o capas electrnicas, y pueden contener solo un cierto nmero de electrones. Los niveles de energa principales estn numerados 1 para el nivel ms cercano al ncleo y 7 para el nivel ms alejado. Tericamente el nmero de niveles de energa es infinito. El nmero de electrones que puede existir por nivel de energa es limitado. El nmero mximo puede calcularse con la frmula 2n2, donde n el nmero de nivel principal de energa. En la tabla 1.3 se muestra el nmero mximo de electrones que pueden ocupar cada nivel principal de energa.Nivel principal de energa nNmero mximo de electrones en cada nivel de energa, 2n2

12 x 12 = 2

22 x 22 = 4

32 x 32 = 6

42 x 42 = 18

Tabla 1.3 Nmero mximo de electrones que pueden ocupar cada nivel principal de energa.

Los principales niveles de energa contienen subniveles identificados por letras s, p, d y f. Estos orbitales son aquellos en los que se localizan los electrones. En la tabla 1.4 se muestra los nmero de orbitales posibles por tipo de subnivel as como el nmero posible de electrones.Tipo de subnivelNmero posible de orbitalesNmero posible de electrones

s12

p36

d510

f714

Tabla 1.4 Nmero de orbitales por subnivel, y su correspondiente nmero posible de electrones

Los electrones de cada subnivel tienen diferente nivel de energa. El orden se puede expresar de la manera siguiente:

s< p< d < fLas reglas para determinar que tipos de subniveles se presentan en un nivel dado de energa, conociendo el nmero mximo de electrones posibles para ese nivel, son las siguientes:

Un orbital no puede estar ocupado por ms de dos electrones. Los electrones ocupan los subniveles de energa mnima posibles; slo entran a un subnivel mayor cuando estn llenos o completos los subniveles de menor energa.

Los orbitales en un subnivel dado de igual energa estn ocupados por un electrn nico antes que entre un segundo electrn. Por ejemplo los tres orbitales p deben tener cada uno un electrn antes de que un segundo electrn pueda entrar a cualquiera de estos orbitales.

La interpretacin de la nomenclatura de electrones 2p6 es, 2 significa el nivel principal de energa, p, el tipo de subnivel electrnico, y 6 es el nmero de electrones en el subnivel y a electrones insuficientes para completar la capa.

En la tabla 1.5, se muestran los orbitales electrnicos de subniveles en cada nivel principal de energa, nmero mximo de orbitales y electrones en cada nivel de energa.

Nivel principal de energaSubnivel electrnicoNmero mximo de orbitalesNmero mximo de electrones

1S12

2s,p48

3s,p,d918

4s,p,d,f1632

5s,p,d,fincompletoa(50)a

6s,p,dincompletoa(72)a

7Sincompletoa(96)a

Tabla 1.5. Correlacin de orbitales con nmeros mximos de orbitales y electrones

El tomo ms sencillo es el hidrgeno, consiste de un ncleo con un solo protn y un orbital electrnico con un electrn. Este electrn ocupa un orbital s en el primer nivel de energa. Se mueve sin una trayectoria definida, ms bien en un movimiento rpido al azar por todo su orbital. Desde 1939 se han descubierto o sintetizado diecisiete elementos posteriores al uranio (nmero atmico del 93 al 109) Todos ellos tienen ncleos inestables y son radioactivos. Ms all del elemento 101, los istopos que se han sintetizado tienen duracin tan corta que no se ha logrado la identificacin qumica. La radioactividad se usa ampliamente para la evaluacin analtica en laboratorio de los productos qumicos y minerales. Algunos registros de evaluacin del pozo en perforacin usan una fuente radioactiva o la radiacin de fondo natural para identificar y evaluar las formaciones y los fluidos de las formaciones.1.3 Electrones de Valencia

La capa externa de los elementos tiende a formar estructura con capa externa estable y para algunos elementos, esta capa externa estable contiene 8 electrones (dos s y seis p) idntica a la estructura de los gases nobles. Los tomos sufren re-arreglos hasta llegar a una estructura de mayor estabilidad. Estos arreglos se logran perdiendo, ganando o compartiendo electrones de otros tomos. A los electrones de la capa externa se les llama electrones de valencia y son responsables de la mayor actividad electrnica. En la tabla 1.6 se muestra una lista de elementos y su respectiva carga elctricaElementoSmboloCarga elctrica

HidrgenoH1+

OxgenoO2-

PotasioK1+

SodioNa1+

CalcioCa2+

MagnesioMg2+

AluminioAl3+

ZincZn2+

HierroFe3+, 2+

PlataAg1+

CarbonoC4+

FsforoP5+

AzufreS2+,4+,6+

CloroCl1-,1+,3+,5+,7+

In o GrupoSmboloValencia

HidrxidoOH1-

xidoO2-

Carbonato CO32-

BicarbonatoHCO31-

SulfatoSO42-

SulfitoSO32-

NitratoNO31-

NitritoNO21-

FosfatoPO43-

AmonioNH41+

AcetatoC2H3O21-

Formiato CHO21-

TiocianatoSCN1-

Tabla 1.6 Smbolos comunes y carga elctrica

1.4 Enlaces qumicos.

La fuerza que mantiene unidos las uniones de carga opuesta o que ligan a los tomos se les llama enlaces qumicos. Los tipos principales son enlace inico y enlace covalente.De acuerdo al concepto de Niels Bohr, existen electrones a varios niveles discretos de energa que dependen de la cantidad de energa que ha absorbido el tomo. Si se aplica suficiente energa al tomo, se puede expulsar uno o ms electrones de su estructura, formando as un in positivo. La cantidad de energa necesaria para quitar a un tomo o a un in se llama energa de ionizacin. Dentro de la tabla peridica, la energa de ionizacin aumenta gradualmente. Los gases nobles tienen valores relativamente altos, lo que confirma la no reactividad de esta familia y la estabilidad de una estructura de 8 electrones en el nivel externo de energa. Los tomos tienen afinidad electrnica, esto es, capacidad de atraer electrones y formar iones negativos. La afinidad electrnica se puede definir como la cantidad de energa absorbida o liberada cuando se agrega un electrn a un tomo para formar un in negativo. Para la mayor parte de los elementos, se desprende calor cuando se agrega un electrn a un tomo.

La afinidad electrnica es la medida de atraccin de un tomo hacia un electrn o la tendencia a formar un in negativo. La afinidad electrnica tiende a ser ms alta en los no metales (en especial para los halgenos, oxgenos y azufre) y baja en los metales. La tendencia general de la afinidad electrnica (en la tabla peridica) es aumentar de izquierda a derecha en cualquier perodo, y disminuir de arriba abajo en una familia de elementos. 1.4.1. Enlaces inicosPara ver como un elemento puede llegar a tener una estructura de 8 electrones en su capa externa, examinemos la estructura electrnica del sodio y el cloro. Un tomo de sodio tiene 11 electrones: 2 en su primer nivel de energa, 8 en el segundo nivel, 1 en el tercero. Un tomo de cloro tiene 17 electrones: 2 en el primer nivel de energa, 8 en el segundo nivel y 7 en el tercero. Si un tomo de sodio transfiere o pierde su electrn 3s, su tercer nivel de energa queda vaco, y se transforma en un ion de sodio con configuracin electrnica idntica a la del gas noble nen. Este proceso absorbe energa

Un tomo que ha perdido o ganado electrones tendr una carga positiva o negativa, dependiendo de qu partculas cargadas (protones o electrones) queden en demasa. Un tomo cargado se llama ion. Al perder un electrn con carga negativa el tomo de sodio, se transforma en una partcula cargada positivamente, est partcula es un ion de sodio. La carga +1 se debe a que el ncleo sigue conteniendo 11 protones cargados positivamente, y los orbitales slo tienen 10 electrones electronegativos. Un tomo de cloro con 7 electrones en el tercer nivel de energa necesita 1 electrn para parear al que tiene en 3p para llegar a tener la estructura electrnica externa estable del argn. Al ganar 1 electrn, el tomo de cloro se transforma en un in cloruro (Cl-). Una partcula con carga negativa que contiene 17 protones y 18 electrones. Este proceso libera energa.

El electrn 3s del tomo de sodio pasa al orbital 3p lleno a medias en el tomo de cloro para formar un ion positivo de sodio y un ion negativo de cloro. El compuesto cloruro de sodio se forma porque los iones Na+ y Cl- se atraen fuertemente entre s por sus cargas electrostticas opuestas. La fuerza que mantiene unidos a los iones con cargas opuestas es un enlace inico.La reaccin qumica entre el sodio y el cloro es muy vigorosa, y produce mucho calor adems de la sal formada. Cuando se libera energa en una reaccin qumica, los productos son ms estables que los reactivos. Los tomos de sodio y cloro lograron una estructura electrnica de gas noble.1.4.2. Enlace covalenteEI intercambio de pares de electrones para formar enlaces entre tomos se llama enlace covalente. A diferencia del cloruro de sodio en el cual se produce una transferencia de electrones (enlace inico), el enlace covalente es el intercambio simultneo de electrones. Tanto el agua como el gas de hidrgeno son buenos ejemplos de compuestos con enlaces covalentes.

En una molcula de agua, cada uno de los dos tomos de hidrogeno comparte un electrn con los seis electrones de la segunda capa electrnica del oxigeno, para Ilenarla con ocho electrones. Asimismo, cada tomo de hidrgeno en una molcula de agua comparte uno de los seis electrones de la segunda capa electrnica del tomo de oxgeno para Ilenar su primera capa electrnica con dos electrones. Los compuestos que son objeto de un alto nivel de intercambio de electrones tienen altas fuerzas interatmicas y bajas fuerzas intramoleculares. En general, las bajas fuerzas intramoleculares no son suficientes para mantener una estructura rgida. Por ese motivo, los compuestos con enlaces covalentes suelen ser lquidos y gases.

Fig. 1.2 La molcula del aguaEnlace de hidrgeno: Algunos compuestos covalentes tienen un intercambio incompleto del electrn en el enlace. Esto resulta en cargas positivas y negativas parciales en los tomos dispuestos de una manera que polariza la molcula. Por ejemplo, en el agua (H2O), los dos tomos de hidrgeno permanecen parcialmente positivos y el tomo de oxgeno permanece parcialmente negativo. Las cargas negativas del oxgeno dominan un lado de la molcula, mientras que las cargas positivas de los tomos de hidrgeno dominan el otro lado, formando una molcula polar. Los tomos de hidrgeno de las molculas de agua son atrados por los tomos de oxgeno de otras molculas de agua cercanas. Esta atraccin entre el polo positivo de hidrgeno de una molcula y el polo negativo de oxgeno de otra molcula se llama enlace de hidrogeno. Se estima que las fuerzas de enlace de hidrgeno slo constituyen un dcimo a un treintavo de las fuerzas del enlace covalente. Estos enlaces dbiles alternan fcilmente entre las molculas y cambian de asociacin, es decir, formando y rompiendo enlaces entre las molculas cercanas.

El cido sulfhdrico (H2S) es un gas, aunque se trate de una molcula ms pesada que el agua (H2O), porque la distribucin de la carga no es polar. Los dos tomos de hidrgeno solo tienen una carga positiva dbil y el azufre slo es dbilmente negativo, formando una estructura equilibrada. La ausencia de una estructura polar fuerte permite que las molculas individuales se difundan en un gas bajo condiciones estndar.

Fig. 1.2 Enlace de hidrgeno.La polaridad del agua explica algunos de los fenmenos observados en los fluidos de perforacin. Las arcillas y las lutitas son estructuras complejas, fuertemente cargadas. La atraccin entre las cargas de la molcula de agua y los sitios de carga de las laminillas de arcilla resulta en la hidratacin de la arcilla. Las arcillas tienen una fuerte carga negativa en su gran superficie plana y cargas positivas a lo largo de sus bordes finos. EI lado de hidrgeno positivo de la molcula de agua es atrado por la gran superficie negativa de la arcilla y formara un enlace de hidrgeno con esta. Esta adsorcin de agua puede tener un espesor de varias capas, esparciendo e hinchando las capas adyacentes de arcilla.EI intercambio catinico (intercambio de cationes con enlaces inicos) dentro de una arcilla puede desplazar el agua de hidratacin y flocular las partculas de arcilla, porque sus enlaces son mas fuertes que los enlaces dbiles de hidrgeno del agua.

Muchos compuestos contienen enlaces covalentes y enlaces inicos. EI carbonato de sodio (Na2CO3) es un ejemplo de un compuesto que contiene enlaces covalentes y enlaces inicos. Los enlaces entre el carbono y el oxigeno en el grupo de carbonato (CO32-) son covalentes (intercambio de electrones), mientras que los enlaces entre el in sodio (Na+) y el grupo de carbonato son inicos (transferencia de electrones). Cuando el carbonato de sodio se disuelve, el sodio se disocia del grupo de carbonato, mientras que el carbono y el oxgeno del grupo de carbonato siguen funcionando como una sola unidad. EI enlace inico es tan fuerte como el enlace covalente, y ambos son mucho ms fuertes que el enlace de hidrgeno.

1.5 Nomenclatura qumicaLa nomenclatura qumica es el sistema de nombres que se usan para identificar a los compuestos. Cuando se formula una nueva sustancia se le debe asignar un nombre para distinguirlas de las dems. Los nombres comunes son nombres arbitrarios que no se basan en la composicin qumica de las sustancias. Antiguamente el nombre comn que se daba a una sustancia era considerando alguna de sus propiedades qumicas, por ejemplo el N2O que se utilizaba como anestsico en endodoncia se le llam gas hilarante porque induce a risa a quien lo inhala. Los nombres comunes tienen limitaciones definidas, a menudo en la industria se utilizan los nombres comunes, debido a que el nombre qumico es demasiado largo o muy tcnico.En qumica se prefiere usar nombres sistemticos para identificar con precisin la composicin qumica de las sustancias. El sistema de nomenclatura de compuestos inorgnicos fue propuesto por la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en ingles), que se reunin por primera vez en 1921. El sistema IUPAC considera a la sustancia compuesta de dos partes, una positiva y otra negativa. La parte positiva se escribe primero y se menciona despus. La parte negativa, generalmente no metlica, se escribe a continuacin, pero se menciona primero. Por ejemplo la sal se escribe NaCl, su nombre sistemtico es cloruro de sodio. Los nombres de los elementos se modifican con prefijos y sufijos para identificar las clases de compuestas.

En la tabla 1.7 se muestran algunos ejemplos de compuestos nombrados por su nombre comn y su formula y nombre qumico correspondientes.

NombreFormulaNombre Comn

xido de aluminioAl2O3Almina

Carbonato de barioBaCO3Withertta mineral

Sulfato de barioBaSO4Barita

sacarosaC12H22O11azucar de caa

Hidrxido de calcioCa(OH)2Cal hidratada o cal apagada

Carbonato de calcioCaCO3Caliza, mrmol, calcita

xido de calcioCaOCal viva, cal caliente

Sulfato de calcio anhidroCaSO4Anhidrita

Sulfato de calcio dihidratadoCaSO4. 2H2OYeso

Sulfato de Calcio hemihidratadoCaSO4.1/2H2OYeso de Pars

sulfato de cobre (II) pentahidratadoCuSO4.5H2Ovitriolo azul

xido frricoFe2O3hematita

xido de hidrgenoH20Agua

cido sulfricoH2S04Aceite de vitriolo

cido clorhdricoHClAcido muritico

cido ntricoHNO3Agua fuerte

carbonato de potasioK2CO3Potasa

Cloruro de potasioKClMuriato de potasa

Hidrxido de magnesioMg(OH)2Leche de magnesia

sulfato de magnesio heptahdidratadoMgSO4.7H2OSales de epsom

Monxido de dinitrgenoN2OGas hilarante

Tetraborato de sodio decahidratadoNa2B4O7.10H2OBorax

Pirofosfato cido de sodioNa2HP2O7SAPP

tiosulfato de sodioNa2S2O3Hipo

Sulfato de sodio decahidratadoNa2SO4. 10H2OTorta de sal, sal de glauber

Tetrafosfato de sodioNa6P4O13Phos

Cloruro de sodioNaClSal

Carbonato de sodio e hidrgenoNaHCO3Bicarbonato de sodio

hidrxido de sodioNaOHlejia, sosa castica

xido de plomoPbOlitargirio

Sulfuro de PlomoPbSGalena

AzufreSFlor de azufre

Dixido de silicioSiO2Cuarzo, slice

Sulfuro de zincZnSEsfalerita

Tabla 1.7 Nombre qumico, frmula y nombre comn.1.6 CompuestosUn compuesto es una sustancia compuesta por elementos en proporciones definidas. La sal comn es un compuesto inico: se puede descomponer en los elementos sodio (Na) y cloro (Cl). Las siguientes reglas aplican a todos los compuestos:

La composicin de un compuesto siempre es la misma; es definida y precisa.

Los elementos pierden su identidad (sus propiedades exclusivas) cuando son combinadas para formar un compuesto.

Un compuesto es homogneo.

Como un compuesto especfico siempre contiene los mismos elementos combinados precisamente segn la misma proporcin, su composicin puede ser representada par una formula. La formula de un compuesto representa una molcula del compuesto.

Los tomos y compuestos qumicos no forman ni reaccionan con una sola molcula a la vez. En cambio, millones de molculas y tomos estn reaccionando simultneamente. Debido a su pequeo tamao, es imposible contar el nmero de tomos involucrados en las reacciones qumicas. Se usa el peso para medir la cantidad de productos qumicos involucrados en las reacciones qumicas. Como un tomo de sodio pesa 22,99 uma y un tomo de cloro pesa 35,45 uma, entonces con base a la proporcin, los tomos en 22,99 de sodio debern combinarse con el nmero exacto de tomos en 35,45 de cloro para formar la sal. Este principio de proporcin es eficaz con cualquier unidad de medida -gramos, libras, kg, toneladas, etc. -el gramo es la unidad de medida que se usa ms comnmente. Cuando est expresado en gramos, el peso atmico corresponde a 6,023 x 1023 tomos. Esta cantidad es el peso molecular de un tomo-gramo o mol.

Un mol es una unidad de medida cuantitativa que contiene el nmero exacto de tomos, molculas o unidades de frmula que tienen una masa en gramos igual al peso atmico, molecular o de frmula. Un mol de un elemento contiene el mismo nmero de unidades qumicas (tomos, molculas o unidades) que la cantidad exacta de 12 g de carbono 12, 0 el nmero de Avogadro; 6,023 x 1023 de unidades qumicas. Un uso comn del mol es el peso frmula expresado en gramos. Para NaCI (sal), el peso frmula es 58,44, por lo tanto un mol de cloruro de sodio seria de 58,44 g.

EI nmero de tomos de un elemento en la frmula de un compuesto es igual al nmero de moles de ese elemento que son necesarios para constituir un mol del compuesto. En el agua, dos moles de hidrgeno reaccionan con un mol de oxgeno para formar un mol de agua. Con base al peso, el hidrgeno (peso atmico de 1,01) se combina con el oxgeno (peso atmico de 16,00) segn la proporcin de 2,02 g de hidrgeno a 16,00g de oxgeno; es decir, una proporcin de dos moles de hidrgeno a un mol de oxgeno. Por lo tanto, la formula es H2O.

EI carbono (peso atmico de 12,01) se combina con el oxgeno segn la proporcin de 12,01 g de carbono a 32,00g de oxgeno, para formar dixido de carbono. Por lo tanto, la frmula es CO2. EI subndice 2 se refiere solamente al oxigeno, y significa que hay dos tomos de oxigeno en cada molcula. Queda entendido que los tomos de una frmula en la cual no se especifica ningn subndice, tienen un subndice de 1.La suma de los pesos atmicos de los tomos de una formula qumica se llama peso frmula. Si la frmula qumica de una sustancia es la frmula molecular, el peso frmula tambin es el peso molecular. Por lo tanto, el peso frmula de NaCI es 58,44. Este valor se obtiene sumando el peso atmico del sodio (22,99) con el peso atmico del claro (35,45).

Un compuesto especfico siempre contiene los mismos elementos combinados precisamente segn la misma proporcin en peso, y la composicin es representada por la frmula ms simple que describe el compuesto. CaCI2, Fe203 y BaSO4 son ejemplos, de formulas de compuestos.1.6.1 EstequiometraLa razn por la que los compuestos contienen proporciones fijas de elementos es que los tomos reaccionan con otros tomos de conformidad con su valencia. Como se indica previamente, los tomos reaccionan de conformidad con estas proporciones, con base a los pesos fijos de cada tomo involucrado. La determinacin de los pesos se llama "estequiometra". La estequiometra trata sobre las cantidades y proporciones exactas de las sustancias que reaccionan. Los clculos estequiomtricos permiten determinar el peso y la proporcin exacta de los productos qumicos que reaccionaran, de manera que se puedan obtener los resultados1.6.2 Peso equivalenteEn muchos casos, las pruebas y las reacciones qumicas se realizan con materiales desconocidos. Como no conocemos la composicin exacta, muchas veces resulta prctico expresar los resultados en trminos de "equivalentes" de un compuesto estndar, en vez de moles. Por ejemplo, en ingeniera de fluidos, valoramos el filtrado de lodo base agua para medir la "dureza total" y expresamos el resultado como si se tratar exclusivamente de calcio. En realidad, esta valoracin de la dureza total mide tanto el magnesio como el calcio, de manera que expresamos la dureza total en "equivalentes" de calcio.

EI peso equivalente esta definido como el peso frmula de un elemento, compuesto o in dividido por el nmero de veces que esta involucrado en una reaccin especfica. Como ejemplo, para los cidos, el nmero de tomos de hidrgeno en la frmula qumica determina el peso equivalente. Los cidos reaccionan cediendo protones (iones hidrgeno). Suponiendo que se usa cido sulfrico (H2SO4, peso frmula de 98) para reducir el pH. La reaccin puede escribirse de la siguiente manera:

Un mol de H2SO4 reacciona con dos moles de OH-. Desde este punta de vista, 1/2 mol de cido sulfrico es equivalente a un mol de hidroxilo. Para quitar solamente un mol de OH-, se necesita solamente 1/2 mol de de H2SO4. Con base al peso frmula, esto corresponde a 98/2 49 g. Por lo tanto, el peso equivalente de H2SO4 es 49 g. Para consumir la misma cantidad de OH- usando cido clorhdrico (HCI, peso frmula de 36,5) que slo tiene un tomo de hidrgeno, la reaccin se escribir de la siguiente manera:

Como un mol de HCI reacciona con una mol de OH-, el peso equivalente del cido clorhdrico es su peso frmula, 36,5g. Mediante este mtodo de peso equivalente, 49 g de H2SO4 es equivalente a 36,5 g de HCI. Usando este principio, si una prueba piloto realizada en el laboratorio demuestra que se requieren 36,5 Ib/bbl de HCI para neutralizar un fluido de alto pH, y el equipo de perforacin slo tiene H2SO4 disponible, entonces el fluido tambin podra ser neutralizado con 49 Ib/bbl de H2SO4.1.7 Balance de ecuacionesUna de las primeras etapas incluidas en la determinacin de las reacciones estequiomtricas es balancear la ecuacin qumica. Las ecuaciones qumicas siempre deben mantener el mismo nmero de cada tomo en ambos lados de la ecuacin. Si todos los reactivos y productos son conocidos, la mejor manera de proceder consiste en seleccionar un elemento de valencia conocida y balancear toda la ecuacin basndose en este elemento. Muchos elementos pueden tener ms de una valencia, lo cual complica el proceso. Si esta presente, el oxgeno debera ser usado para balancear la ecuacin. La flecha o flechas indican las reacciones o transformaciones qumicas y deberan ser consideradas como un signo de igual (=) usado en matemtica. Consideremos la siguiente ecuacin desbalanceada que describe la reaccin entre el hierro (Fe3+) y el oxgeno (02-), produciendo xido de hierro.

Esta ecuacin no esta balanceada en lo que se refiere al nmero de tomos o cargas elctricas. Comenzando con el oxgeno, la ecuacin no est balanceada porque hay dos tomos de oxgeno en el lado izquierdo y tres en el lado derecho. Primero, balancear el numero de tomos de oxigeno, luego Ios tomos de hierro. Las cargas de valencia tambin estn desbalanceadas, con cuatro cargas negativas (2 x 2-) a la izquierda y seis cargas negativas (3 x 2-) a la derecha. Para balancear totalmente la ecuacin, debe haber cuatro tomos de hierro con 12 cargas positivas a la izquierda.

Si se usa un 2 delante del xido de hierro y un 3 delante del oxgeno, la ecuacin se convierte en:

Ahora, el nmero de tomos de oxgeno y las cargas negativas estn balanceados. Sin embargo, el hierro debe ser balanceado. Como resultado del balance de los tomos de oxgeno, ahora hay un tomo de hierro a la izquierda y cuatro tomos de hierro (2 x 2) [con 12 cargas positivas, 2 x 2 x 3+] a la derecha. Para balancear totalmente la ecuacin, debe haber cuatro tomos de hierro con 12 cargas positivas a la izquierda.

Si se coloca un 4 delante del hierro, la ecuacin queda balanceada:

Desde el punta de vista estequiomtrico, cuatro moles de hierro se combinan con tres moles de oxgeno para producir dos moles de xido de hierro.

Consideremos el siguiente problema: Usando la reaccin anterior, cuntos gramos de oxgeno seran necesarios para reaccionar con 140g de hierro a fin de producir xido de hierro?

4 moles de hierro + 3 moles de oxigeno= 2 moles de xido de hierro

Peso atmico de Fe = 55,85,

Por lo tanto 4 moles de Fe = 4 x 55,85 = 223,4 Peso atmico de 0 =16,Por lo tanto 3 moles de 02 = 3 x 2 x 16 = 96 Como se usa solamente 140g de hierro (no 223,4), la proporcin de 140 dividido por 223,4 puede ser multiplicada por Ios 96 g de oxgeno para determinar la cantidad de oxigeno necesaria para reaccionar con 140g de hierro.Oxigeno requerido = 140g Fe/223,4 g Fe x 96g O2 = 60,2g O2

Por lo tanto, se requiere 60,2g de oxgeno para reaccionar con 140g de hierro a fin de producir xido de hierro.1.8 SolubilidadEl trmino solubilidad describe la cantidad de una sustancia (soluto) que se puede disolver en una cantidad especfica de otra sustancia (solvente) en condiciones determinadas. Por ejemplo, 36.0 g de cloruro de sodio (NaCl) se disuelve en 36.0 g por 100 g de agua a 20 C.

La solubilidad se usa con frecuencia de modo relativo. Se dice que una sustancia es muy soluble, moderadamente soluble, poco soluble o insoluble. Aunque estos trminos no indican exactamente cunto soluto se disuelve, se usan con frecuencia para describir la solubilidad cualitativamente.Algunas veces tambin se utilizan los trminos miscible y inmiscible. Los lquidos pueden mezclarse y formar una solucin miscible; por ejemplo el alcohol y el agua forman una solucin miscible. El tetracloruro de carbono es inmiscible en agua.

1.8.1 Efectos del enlaceLa solubilidad de los compuestos en solventes polares, como el agua, puede ser generalmente explicada par sus enlaces. Los compuestos covalentes polares, como el CO2, son generalmente solubles en agua. Cuando su atraccin a los enlaces de hidrgeno del agua es ms fuerte que su atraccin alas cargas de otras molculas del compuesto, las molculas del compuesto se dispersan en la solucin. Los compuestos covalentes no polares, tales como el metano (CH4), son generalmente insolubles en el agua y otros solventes polares, pero suelen ser dispersables en solventes no polares, tales como el aceite diesel. AI disolverse, los compuestos no inicos estn molecularmente dispersos, pero no ionizados. Muchos compuestos inicos son solubles en el agua. Si las fuerzas de atraccin entre las molculas del agua y los iones son mayores que las fuerzas que mantienen los iones en sus cristales, los iones atraern una "capa" de molculas de agua y se liberaran de su red cristalina, de la manera ilustrada para el cloruro de sodio se ve en la siguiente figura.

Fig. 1.4 Cloruro de sodio disuelto en agua.Las sales (compuestos) con cationes monovalentes (sodio 1+) en carbonato de sodio, Na2CO3) o aniones monovalentes (cloro (1-) en cloruro de calcio, CaCI2) son generalmente solubles en el agua. Las sales de cationes multivalentes combinadas con aniones multivalentes (calcio (2+) y sulfato (2-) [en el yeso CaSO4, por ejemplo]) son generalmente insolubles o moderadamente solubles.Las fuerzas que mantienen unidos a los iones en las sales de cationes multivalentes y aniones multivalentes son considerablemente mas grandes que las fuerzas que mantienen unidos a los iones en las sales de cationes monovalentes o aniones monovalentes.

Los compuestos de enlace inico se disuelven o solubilizan en iones, mientras que los compuestos de enlace covalente son solubles como molculas. Las salmueras son soluciones con una alta concentracin de sales solubles y son ms viscosas que el agua dulce, porque las sales disueltas reducen el agua libre al atraer grandes capas de agua alrededor de ellas, lo que restringe el movimiento libre del agua. Los compuestos inicos son generalmente insolubles en los solventes no polares tales como el aceite diesel.

1.8.2 Cuantificacin de la solubilidadLa cantidad de soluto que se disolver en una cantidad de solvente para producir una solucin saturada se denomina solubilidad del soluto en el solvente. La solubilidad de un slido, lquido o gas en un lquido se expresa en unidades de gramos de soluto por 100g de agua. En la Tabla 1.8 se muestran la solubilidad de algunos compuestos.CompuestoNombre comnSolubilidad (g/100g de agua) a 20 C

NaOHSosa custica109

CaCl2Cloruro de calcio74.5

NaClCloruro de sodio36

KClCloruro de potasio34.0

Na2HCO3Bicarbonato de sodio9.6

Na2CO3Carbonato de sodio21.5

CaSO4Anhidrita0.2036

Ca(OH)2Cal hidratada0.165

MgCO3Carbonato de magnesio0.129

CaCO3Caliza0.0065

Mg(OH)2brucita0.0009 18 C

BaSO4Barita0.00024

ZnOOxido de cinc0.00042 18C

Tabla 1.8 Solubilidad de productos qumicos comunes.

1.8.3 Factores que afectan a la solubilidad Temperatura

pH (acido o bsico)

Ambiente inico (salinidad)

Presin

a. Temperatura La solubilidad aumenta a medida que la temperatura aumenta para la mayora de los slidos y lquidos. La solubilidad de los gases suele disminuir a medida que la temperatura aumenta.

b. pH EI pH es una medida del carcter acido o bsico relativo de una solucin La solubilidad de muchos productos qumicos depende del pH. Algunos productos qumicos, tales como las sales multivalentes de hidrxido y carbonato, son ms solubles en condiciones cidas. Otros productos qumicos solo son solubles en pH neutro, mientras que otros (cidos orgnicos tales como el lignito y el lignosulfonato) son ms solubles a pH> 9,5. Los iones calcio y magnesio son solubles a un pH acido a neutro, pero son menos solubles cuando el pH es alto, como se puede observar en la figura A medida que aumentan con el pH, los iones hidrxido reaccionan con el calcio y el magnesio para precipitar hidrxido de calcio e hidrxido de magnesio.

Fig. 1.5 Disminucin de la solubilidad del calcio en el filtrado a medida que el pH aumenta. Se aade Ca(OH)2 a una solucin de NaOH a 20 C

Otros compuestos, tales como los iones carbonato y sulfuro, cambian de especie cuando el pH aumenta. Par ejemplo, el CO2, un gas, reacciona con el agua para convertirse en acido carbnico a un pH bajo. Reaccionara con el hidrxido para formar iones bicarbonatos a un intervalo de pH neutro, y finalmente iones carbonato a un pH alto. En la figura siguiente se muestra un diagrama de existencia y predominio de las especies del carbonato a diferentes valores de pH. En esta figura se observa que el cido carbnico predomina en pH bajos (pH 10.25 (pK2) comienza la regin de predominio del carbonato.

Fig. 1.6 Porciento peso de las distintas especies del carbonato a diferentes valores de pH. La solubilidad de muchos productos qumicos del lodo depende del pH de la solucin. Por ejemplo, el lignito y el lignosulfonato son mas solubles a un pH mayor de 9,5, pero productos como goma xantana son mas eficaces en el intervalo de 7 a 11 pH. Otros aditivos son sensibles a un pH alto. Productos como la PHPA se hidrolizan y se vuelven menos eficaces a un pH alto (pH>10,5). La mayora de los productos que integran el lodo tienen un intervalo de pH ptimo para maximizar el rendimiento. Los fluidos de perforacin base agua son generalmente mantenidos dentro del intervalo de 8 a 12 pH para mejorar la solubilidad y el rendimiento de los productos qumicos, as como por razones de anticorrosin y de seguridad. Los ingenieros de lodo deben estar familiarizados con estos valores y mantener el sistema del fluido de perforacin dentro del intervalo de pH ptimo.

c. Ambiente inico (salinidad). La concentracin de cloruros, o salinidad, es especialmente importante para la ingeniera de lodos. EI aumento de la salinidad afecta los equilibrios qumicos que se dan en las sales y aditivos qumicos de lodo, provocando variaciones en sus puntos de solubilidad y precipitacin. Por ejemplo, el sulfato de calcio (yeso y anhidrita) alcanza su mayor solubilidad en una solucin de sal al 15%, donde es cuatro veces mas soluble que en el agua dulce.

Esta tendencia disminuye a medida que la salinidad se acerca al punto de saturacin. La cal (hidrxido de calcio) tambin es ms soluble en soluciones de salinidad moderada. Incluso los polmeros, que son sensibles a la precipitacin por cationes divalentes, son ms estables en ambientes salinos. EI ambiente inico del solvente tiene un gran impacto sobre las reacciones qumicas que se producirn y la estabilidad de varios productos.d. PresinEI aumento de la presin aumenta la solubilidad de un gas en un lquido, pero no tiene efecto sobre la solubilidad de los lquidos y slidos. Esta mayor solubilidad del gas es particularmente importante en el fondo del pozo, donde los gases estn sometidos a altas presiones que puede solubilizarlos.La importancia de la solubilidad relativa de los productos qumicos es que, en la solucin, el compuesto que tiene la ms baja solubilidad ser el primero en precipitarse. Par ejemplo, si se mezcla cloruro de calcio (alta solubilidad) en agua, el cloruro de calcio se ionizara en iones calcio y cloruro. Luego, si se aade carbonato de sodio (moderadamente soluble), esta se ionizara en iones sodio y carbonato, y el carbonato de calcio (baja solubilidad) se precipitara inmediatamente debido a la reaccin entre los iones solubles de calcio y los iones solubles de carbonato. La solubilidad relativa puede ser usada para determinar el producto qumico que debe ser aadido para eliminar a un producto qumico no deseado. Los dems iones presentes en el solvente afectan la solubilidad.

EI agua es un electrolito dbil que existe en la naturaleza como molculas de H2O. Puede ionizarse para formar iones hidronio (H3O+) e hidroxilo (OH-). La ionizacin del agua es estadsticamente rara, vista que solo una molcula en 556 millones se ioniza. EI agua esta en equilibrio con los iones mencionados anteriormente, de conformidad con la siguiente ecuacin:

EI smbolo (aq) indica que los iones estn disueltos en el agua, formando una solucin acuosa. Como el agua reacciona consigo misma para ionizarse, el proceso se llama autoionizacin. Este equilibrio con los iones hidronio e hidrxido sirve de base para la clasificacin de los cidos y las bases. Los cidos son substancias que adquieren iones hidrogeno (H+) al disolverse en el agua, aumentando la concentracin de hidronio [H30+]. La concentracin para diferentes iones esta indicada por el producto qumico mostrado entre corchetes, tal como [H+], para la concentracin de iones hidrgeno.

La expresin de equilibrio para el proceso de autoionizacin es la siguiente:

Este tipo de expresin de equilibrio se usa frecuentemente para describir las condiciones de equilibrio de las especies qumicas relacionadas. A la constante de equilibrio se Ie atribuye el smbolo Kw, donde el subndice (w) se refiere al agua. A 25C, Kw = 1,0 x 10-14, Kw depende de la temperatura (aumenta Kw) y de la concentracin inica de la solucin (salinidad).

Kw, el producto de [H+] y [OH-], permanece constante, siempre que la temperatura sea constante. En una solucin neutra, la concentracin de hidrogeno [H+] es igual a la concentracin de hidrxido [OH-]; por lo tanto, cada uno tendra una concentracin de 1,0 x 10-7, y la solucin tendra un pH 7,0.

Si [H+] aumenta, [OH-] disminuye y la solucin se vuelve ms cida. Asimismo, si [OH-] aumenta, [H+] debe disminuir y la solucin se vuelve ms bsica.

Los iones H+ (aq) y OH- (aq) siempre estn presentes en las soluciones acuosas que estn en equilibrio con el solvente. Los iones H+ (aq) y OH- (aq) pueden reaccionar con otros iones, afectando alas concentraciones de otros iones en la solucin. Por este motivo, se hacen referencias a las concentraciones de H+ (aq) y OH- (aq)Para facilitar esta referencia, los trminos pH y pOH se definen como:

Una relacin prctica entre el pH y el pOH puede ser determinada tomando el logaritmo negativo (indicado por una p) de Kw, resultando en:

Usando las definiciones anteriores de pH y pOH, podemos determinar que, a 25C:

Esta relacin de cidos y bases con valores para pH y [H+] mas pOH y [OH-], Relaciones derivadas de la ionizacin del agua. Desde neutra hacia arriba, aumenta acidez, desde neutra hacia abajo aumenta alcalinidad.

[H+]pH[OH-]pOHReaccin a

1.0 x 10-001.0 x 10-1414

1.0 x 10-111.0 x 10-1313

1.0 x 10-221.0 x 10-1212

1.0 x 10-331.0 x 10-1111

1.0 x 10-441.0 x 10-1010

1.0 x 10-551.0 x 10-99

1.0 x 10-661.0 x 10-88

1.0 x 10-771.0 x 10-77NEUTRA

1.0 x 10-881.0 x 10-66

1.0 x 10-991.0 x 10-55

1.0 x 10-10101.0 x 10-44

1.0 x 10-11111.0 x 10-33

1.0 x 10-12121.0 x 10-22

1.0 x 10-13131.0 x 10-11

1.0 x 10-14141.0 x 10-00

Fig. 1.9 Relacin entre el pH y la alcalinidad para el agua puraEn la tabla anterior, se observa que los valores de pH de neutro hacia arriba (0-7) aumenta la acidez, y que los valores de neutro hacia abajo, aumenta la alcalinidad. Una solucin que tiene un pH 2 no es el doble de cida que una solucin que tiene un pH 4; es 100 veces ms cida que una solucin con un pH 4.

Recordar que el valor de Kw cambia con la temperatura y la concentracin inica (salinidad), de manera que es posible que los valores de pH con un electrodo de pH no sean vlidos, a menos que se aplique un factor de correccin con base a la temperatura del lquido y la salinidad del fluido. Como se mencion previamente respecto a las sales, cuando NaCI (una sal neutra formada por la combinacin de un cido fuerte y una base fuerte) se disuelve en agua, los iones Na+ no se combinan con los iones OH- (para reducir el pH), porque NaOH es una base fuerte. Asimismo, los iones CI- no se combinan con los iones H+ (para aumentar el pH), porque HCI es un cido fuerte. Como resultado, no se eliminan de la solucin los iones H+ ni los iones OH, y el pH sigue siendo neutro. De nuevo, si la sal contiene el catin de una base fuerte y el anin de un cido fuerte, la solucin seguir siendo neutra. Sin embargo, si la sal contiene el catin de una base fuerte y el anin de un cido dbil, su solucin ser bsica (aumentando el pH), tal como ocurre con Na2CO3 (carbonato de sodio). En cambia, si la sal contiene el catin de una base dbil y el anin de un cido fuerte, su solucin ser cida (reduciendo el pH).Naturalmente, si se aade un cido, el pH disminuir, mientras que si se aade una base a la solucin neutra, el pH aumentar.1.9 AlcalinidadLas valoraciones de alcalinidad determinan las concentraciones de OH-, HCO-3 Y CO32- midiendo la cantidad de cido requerida para reducir el pH. Los boratos, silicatos, fosfatos, sulfatos y cidos orgnicos (como el lignito) tambin pueden entrar en la valoracin y/o los clculos del tratamiento, con base a los valores de alcalinidad. La alcalinidad es la potencia de combinacin de una base, medida par la cantidad de cido que puede reaccionar para formar una sal. En la ingeniera de lodos, la alcalinidad de fenolftalena (P) es indicada par el numero de milmetros de H2SO4 0,02N (Iodos base agua) requeridos para valorar un milmetro de filtrado (Pf) o lodo (Pm), reduciendo el pH hasta 8,3. La alcalinidad de filtrado de anaranjado de metilo (Mf) mide el cido requerido para reducir el pH hasta 4,3. La alcalinidad no es lo mismo que el pH, aunque sus valores tiendan generalmente a seguir la misma direccin. Una base fuerte, tal como la Sosa custica, aadida al agua pura ilustrara esta correlacin entre los valores de valoracin de alcalinidad y el pH, como lo indica la siguiente tabla; sin embargo, debido a la presencia de HCO3-, CO32- as como calcio y magnesio- en las aguas y los fluidos de perforacin del campo petrolfero, no se debera realizar ninguna correlacin.pHNaOH (lb/bbl)Pf

(cc 0.02N H2SO4)OH- (ppm)

70.00000140.0000050.0017

80.0000140.000050.017

90.000140.00050.17

100.00140.0051.7

110.0140.0517

120.140.5170

131.451,700

14145017,000

Fig. 1.10 Las bajas concentraciones de sosa custica (NaOH) en agua pura causan valores de pH y alcalinidades del filtrado relativamente altos.

Las medidas de alcalinidad (Pf, Mf Y otros valores) son usadas para calcular las concentraciones de hidroxilo, bicarbonato y carbonato, tales como se describen en API 138-1, Seccin 8, Tabla 8.1, yen el capitulo sobre Pruebas.

Como el valor de Mf puede ser una indicacin poco confiable de la contaminacin de bicarbonato si se usan cidos orgnicos o sales orgnicas (como el lignito o el acetato), otro procedimiento usa una medida de pH y el valor de Pf para calcular la concentracin de carbonato y bicarbonato. Estos clculos ayudan a monitorear y determinar la contaminacin de dixido de carbono, bicarbonato y carbonato. Adems, estos valores Ie proporcionan al ingeniero de lodos un entendimiento mas exhaustivo del ambiente inico y amortiguador del sistema de lodo, mas all de lo que se puede aprender solamente de un valor de pH.

1.9.1 cidos, bases y salesLos cidos se pueden describir como substancias que tienen un sabor agrio, producen efervescencia al entrar en contacto con carbonatos, cambian a rojo el color azul de tornasol y reaccionan con bases, lcalis y ciertos metales para formar sales. Todos los cidos contienen hidrgeno. Los cidos son calificados de "fuertes" o "dbiles", segn la concentracin de iones hidrogeno (H+) resultante de la ionizacin.

Las bases pueden ser descritas como substancias que tienen un sabor amargo, una textura "resbaladiza" en solucin, la capacidad de cambiar a azul el papel de tornasol rojo, y la capacidad de reaccionar con cidos para formar sales. Las bases no producen ninguna efervescencia al entrar en contacto con carbonatos. Los cidos reaccionan con las bases para formar sales. Una base es calificada de fuerte o dbil segn la cantidad de la molcula que se disocia en iones hidroxilo (OH-) en la solucin. Tanto los cidos como las bases pueden ser fuertes o dbiles, segn los elementos contenidos en el compuesto y su valencia. Las sales son simplemente combinaciones del anin (in negativo) de un cido y el catin (in positivo) de una base. Una sal puede ser neutra o tener una tendencia hacia la acidez o hacia la basicidad, segn las fuerzas relativas de los iones o grupos respectivos. Como se menciono anteriormente, la combinacin de un cido dbil con una base fuerte forma una sal alcalina, mientras que la combinacin de un cido fuerte con una base dbil forma una sal cida, y la combinacin de un cido fuerte con una base fuerte forma una sal neutra.

Nombre QumicaNombre comnFrmulaTipo

cido clorhdrico cido muriticoHClcido (fuerte)

cido sulfrico-H2SO4cido (fuerte)

cido ntricoAgua fuerteHNO3cido (fuerte)

cido fosfricoOrtofosfricoH3PO4cido (med. Dbil)

cido carbnicoSoda(destellante)H2CO3Acido (dbil)

cido ctrico-H3C5H507Acido (dbil)

Hidrxido de sodioSoda casticaNaOHBase (fuerte)

Hidrxido de potasioPotasa casticaKOHBase (fuerte)

Hidrxido de magnesioHidrato de magnesioMg(OH)2Base

Carbonato de sodioCarbonato de sodioNa2CO3Base (dbil)

Hidrxido de calcioCal apagadaCa(OH) Base (fuerte)

Oxido de calcioCal vivaCaOBase (fuerte)

Cloruro de sodioSal de rocaNaClSal

Cloruro de potasioPotasaKClSal

Cloruro de calcio-CaCl2Sal

Sulfato de calcioAnhidrita (yeso)CaSO4. 2H2OSal

Acido, bases y sales comunes

Tabla 1.11 cidos, bases y sales ms comunes que se usan en los fluidos de perforacin.

1.9.2 Soluciones amortiguadorasCiertas soluciones, Ilamadas soluciones amortiguadoras, resisten a grandes cambios de pH cuando se aade una base a un acido a una solucin. Muchos lquidos y productos qumicos de tratamiento del lodo usados en el campo petrolfero son soluciones amortiguadoras.

Las soluciones amortiguadoras se componen generalmente de un acido dbil y una sal que contienen el mismo anin, a una base dbil y una sal que contienen el mismo catin. La accin amortiguadora de una solucin que se compone de un cido dbil mas una sal del mismo cido ocurre porque: (1) la base aadida reacciona con el cido dbil para formar una mayor cantidad del in comn, y (2) el cido aadido reacciona con el in comn para producir el acido dbil. Un ejemplo de un acido dbil es el acido carbnico (H2CO3). Un ejemplo de una base dbil es el hidrxido amoniaco (NH4OH). Si se aade una pequea cantidad de acido fuerte, tal como HCI, al agua pura o una solucin diluida de cido en agua, la concentracin de iones hidrgeno (pH) del agua a de la solucin aumentara considerablemente. Sin embargo, si se aade la misma pequea cantidad de cido a una solucin amortiguadora que contiene un cido dbil y la sal soluble de este cido, el aumento de la concentracin de iones hidrogeno (pH) es tan leve que ser considerado insignificante a efectos prcticos. Los aniones de la sal del cido dbil aceptaron los iones H+ a medida que se aadan, y reaccionaron con estos para formar una cantidad adicional del cido dbil. EI resultado neto es que la concentracin de iones hidrgeno cambia muy poco; y el pH tampoco cambia mucho.

Este fenmeno puede producirse muy fcilmente cuando el ingeniero de lodos esta valorando (con un cido) los puntas finales de alcalinidad. En los fluidos que contienen muchos carbonatos, bicarbonatos e hidrxidos, tan pronto como los carbonatos se convierten en bicarbonatos, una solucin amortiguadora empieza a desarrollarse, resistiendo alas cambios de pH.

La trietanolamina, la sal y el xido de magnesio son productos qumicos usados para amortiguar los sistemas de lodo sensibles al pH. EI amortiguamiento puede ser muy ventajoso para mantener propiedades estables de los fluidos y resistir alas efectos perjudiciales de varios contaminantes.

1.9.3 ElectrolitoLas substancias cuyas soluciones en agua conducen la electricidad se Ilaman electrolitos y contienen iones positivos y negativos. Todas las soluciones de compuestos inicos son electrolitos. Todos los cidos, bases y sales son electrolitos. Los compuestos electrovalentes son formados por la transferencia de electrones (enlaces inicos); durante el proceso se producen iones positivos y negativos. Los compuestos slidos resultantes (sales e hidrxidos) tienen una estructura reticulada de cristales inicos. Esto significa que, en el caso de estos compuestos electrovalentes, los iones son formados al mismo tiempo que el compuesto se forma. Existen antes de que el compuesto se disuelva en el agua. Cuando dicho compuesto se disuelve, la red de cristales inicos se descompone y los iones se disocian en la solucin; el agua acta simplemente como un solvente. Las ecuaciones tpicas que ilustran la disociacin de estos iones preexistentes son las siguientes:

Como la capacidad que una solucin tiene para conducir la electricidad depende de la presencia de iones, se puede concluir que las soluciones que son excelentes conductores contienen altas concentraciones de iones (totalmente ionizadas), mientras que las soluciones que son mal conductores contienen bajas concentraciones de iones (no totalmente ionizadas). Los electrolitos que estn totalmente ionizados se Ilaman electrolitos fuertes, mientras que los que no estn totalmente ionizados se Ilaman electrolitos dbiles. Con muy pocas excepciones, las sales son electrolitos fuertes. La mayora de los hidrxidos (excepto Mg2+) son fuertes electrolitos, y en consecuencia, estn clasificados como bases fuertes. Los cidos como HCI, H2SO4 Y HNO3 son electrolitos fuertes, y por lo tanto, estn clasificados como cidos fuertes; la mayora de los dems cidos son moderadamente dbiles y estn clasificados como cidos dbiles. EI agua pura es un electrolito dbil y no es tan conductora como las soluciones de sales.

1.10 OsmosisUno de los fenmenos directamente vinculados con el cambio en la concentracin de molculas libres del disolvente es la osmosis. Dicho fenmeno se produce cuando se pone en contacto dos soluciones de distinta concentracin, separadas por una membrana semipermeable, que deja pasar las molculas del disolvente e impide en cambio, el paso de las partculas de sustancia disuelta. La smosis consiste en el paso espontneo del disolvente de una parte de este sistema a la otra. Una consecuencia importante de la disminucin de concentracin de molculas libres del disolvente durante el proceso de disolucin, es el descenso de la presin de vapor. Se conoce que un lquido se encuentra en equilibrio con su vapor, cuando el nmero de molculas que se evaporan en su superficie es igual al de las que se depositan en ella, procedentes de la fase de vapor. Como parte de la superficie de la solucin est ocupada por molculas de soluto no voltil ms o menos solvatadas, el nmero de molculas de disolvente que se desprenden de dicha superficie en una unidad de tiempo correspondiente, disminuye. Por lo anterior, en las soluciones, el estado de equilibrio se establece a menor presin de vapor que en los disolventes puros.En los fluidos de perforacin las pelculas de aceite que envuelven las gotas de agua dispersada en el aceite, actan como pelculas semi-permeables a travs de las cuales puede pasar el agua por smosis. La actividad de una solucin es una medida del vapor de agua a escapar de la solucin y se relaciona con el potencial qumico del agua o la disponibilidad del agua a reaccionar. EI agua tiene una actividad entre 0 y 1.0, y disminuye con el aumento de la concentracin de iones. Cuando se perforan zonas con arcillas hidrfilas, el agua emigrar a travs de la membrana semi-permeable, de una regin de baja salinidad (alta actividad) a una de mayor salinidad (actividad menor) por smosis. Si la actividad es ms alta en el fluido de perforacin que la actividad del agua de la formacin, el agua emigrar del fluido a la formacin. Conviene que el fluido de perforacin y la formacin tengan una actividad similar para minimizar la transferencia de agua del fluido de perforacin a la formacin. Fig. 1.7 Esquematizacin del fenmeno osmtico, C1 es una solucin de salmuera, con una concentracin C11.11 Anlisis volumtrico (titrimtrico)Los anlisis qumicos que se realizan a los fluidos de perforacin son por mtodos volumtricos: La cantidad de sustancia que se busca se determina de forma indirecta midiendo el volumen de una disolucin de concentracin conocida, que se necesita para que reaccione con el constituyente que se analiza o con otra sustancia qumicamente equivalente. El proceso de adicin de un volumen medido de la disolucin de concentracin conocida para que reaccione con el constituyente buscado, se denomina Valoracin. La disolucin de una concentracin conocida es una disolucin patrn, que puede prepararse de forma directa o por normalizacin mediante reaccin con un patrn primario. El punto final de la valoracin se aprecia por un cambio brusco de alguna propiedad del sistema reaccionante, estimado mediante un indicador; este cambio debera presentarse idealmente, en el momento en que se haya aadido una cantidad de reactivo equivalente a la sustancia buscada, es decir, en el punto estequiomtrico de la reaccin.

1.11.1 IndicadoresEl punto final de la valoracin se aprecia por un cambio brusco de alguna propiedad del sistema reaccionante o de alguna sustancia que se aade a dicha mezcla, indicador. Los mtodos principales de indicacin del punto final, que en general consisten en una observacin visual del cambio o en la medida de alguna propiedad fsica del sistema.

I Mtodos visuales:

a) el reactivo es autoindicador.

b) indicadores cido-base

c) Indicadores Redox

d) formacin de productos solubles de color diferente.

e) Desaparicin del color de la sustancia que se valoraf) Formacin de un segundo precipitado de color diferente a partir del precipitado principal.

g) Valoracin hasta la aparicin de turbidez.

h) Terminacin de la precipitacin o mtodo del punto claro

i) Indicadores de adsorcin

II Mtodos elctricos:

a) Potenciomtrico

b) Conductimtrico

c) Amperomtrico

d) Coulombimtrico.

IndicadorColor originalCambio de colorValoracinProductos Qumicos de valoracin

FenolftalenaRosado/rojo violeta: pH > 8.3Incoloro: pH < 8.3Pm,Pf, Pomcido sulfrico

Anaranjado de metilo/ verde bromocresolVerde: pH > 4.3Amarillo pH4.3Rosado/rojo pH< 4.3Mfcido sulfrico

Verde de bromocresolAzul: pH>3.8Amarillo pH5.4Rosado/rojo pH