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clase 2
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Clase 2
Unidad I
QUÍMICA AMBIENTAL IIErnesto Cortés
22
1.1 Elementos, compuestos químicos y procesos ambientales
33
4
Ciclo del agua
4
55
66
77
88
9
1.2 Procesos fisicoquímicos en el ambiente
Planificar
Hacer
Verificar
Actuar
Sistemas de Gestión Ambiental
Tomar Decisiones
Análisis de Problemáticas Ambientales
Química Ambiental
Modelación Ambiental
10
11
Modelo Realidad
� Un modelo es una Expresión (matemática o física) que simula el movimiento de los compuestos químicos INTRA e INTER compartimentos (suelo, sedimentos, agua, biota y aire).
12
a) Balance de masa
� Es importante antes de iniciar un balance másico, reconocer las siguientes características.
i. Definir claramente el volumen de control
ii. Conocer las entradas y salidas que cruzan los límites del volumen de control.
iii. Conocer las características del transporte asociadas al volumen de control y las salidas-entradas de los límites
Entradas
Salidas
Volumen de
Control(´Procesos químicos, físicos y
biológicos)
13
� Un volumen de control puede ser una pequeña e infinitesimal o película delgada o una gran extensa zona del compartimiento analizado.
� Por ejemplo el volumen de control de un río puede ser una sección de un kilometro de un río.
� Existe modelo que segregan en varios volúmenes de control los cuerpos estudiados, para adecuados resultados se debe formar volúmenes de control que sean homogéneos.
19
1817
16
19
1817
16
1
54
3
2
1
54
3
2
20
28
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26
21
29
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26
21
29
12
1514
1312
1514
13
87
6
87
6
9
1110
9
1110
2423
22
25
HW#1
HW#2
HW#3
HW#4
(a) A river with tributaries (b) Q2K reach represent ation
Mai
n st
em
Trib 1
Trib2
Trib 3
i i + 1i −−−− 1Qi−−−−1 Qi
Qin,i Qout,i
14
� Una forma simple de expresar un balance de masa, se describe de la siguiente forma:
reaccionessalidasentradasnAcumulació ±−=
Fenómenos de Transportes
Si existe una degradación de la
sustancia estudio, el signo algebraico será
negativos.Si existe una formación del
producto, el signo algebraico será
positivo
15
Expresión del balance másico
SalidaEntradasnAcumulació −=
accionesEntradasSalida Re±=
� Si en la conceptualización del modelo se ha establecido que existe un estado conservativo (e.g. sustancias que tiende poco a la degradación), la ecuación se modifica de la siguiente
� Si se asume un sistema en estado estacionario (e.g. sin cambio de la concentración con respecto al tiempo, dC/dt=0). La expresión queda de la siguiente manera
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� Una forma simple de expresar un balance de masa, se describe de la siguiente forma:
reaccionessalidasentradasnAcumulació ±−=
Fenómenos de Transportes
Si existe una degradación de la
sustancia estudio, el signo algebraico será
negativos.Si existe una formación del
producto, el signo algebraico será
positivo
1717
Reacción química
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Fenómenos de transporte
� Si bien las reacciones que sufre una sustancia química es un aspecto importante del destino de esta, otro aspecto importante son las tasa de transporte que sufre, por ejemplo en el medio acuático.
� Los transporte que ocurren en el medio acuático son:
� Advección: Transporte de una sustancia por la velocidad de la corriente (Transporte no difusivo)
� Difusión molecular : es el movimiento de un soluto debido a una fuerza motriz neta (gradientes de concentración, energía cinética, fugacidad). Dicha fuerza neta es cero en estado de equilibrio.
� Difusión turbulenta (Difusión de Eddy): es la mezcla partículas disueltas o finas causadas por turbulencias de micro escalas.
� Dispersión: La interacción de la difusión turbulenta y los gradientes de velocidad causan fuerzas transversales en el cuerpo de agua provocando una mezcla gradual.
19
20
Advección
Difusión turbulenta
Dispersión
21
Ejemplo modelo: Advección en río
� Donde:
J= Cantidad de soluto transportado por unidad de tiempo
ū= Velocidad promedio del río
A= Área transversal del río
C= Concentración del soluto en el río
Q= Caudal del río
QCACuJ ==
22
Ejemplo: Balance hídrico
� En el proceso del balance de masa para cursos de agua superficiales (e.g. ríos, lagos, esteros), es importante reconocer el balance hídrico que se genera en el volumen de control, el cual se puede expresar de la siguiente manera
� Si se requiere incluir la interacción con los acuíferos, la expresión es la siguiente
� En su forma diferencial
∑ ∑ −+−=∆ nEvaporaciónecipitacióEfluentesAfluentesnAcumulació Pr
∑ ∑ −+−−+=∆ nEvaporaciónecipitacióGWEfluentesGWAfluentesnAcumulació litraciónentradas Prinf
∑ ∑ −+−−+= EVPLVQQQQdt
dVlitraciónEGWeA inf
23
b) Equilibrio de fases
L = C – F + 2 - r - a
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�Se denominan DISOLUCIONES (Mezcla) BINARIAS IDEALES a las siguientes:
�Esta constituidas por dos compuestos �La concentración del soluto es muy baja, por lo que existe una alta disolución por parte del disolvente�Se establece como hipótesis que las moléculas no interaccionan.�Al formar la disolución no existe un gasto o consumo energético. Junto con ello no hay un cambio de volumen�Los compuestos son químicamente similares
�Algunos Ejemplos: Alcohol-agua? Acido fuerte-agua? Aceite-agua? Tolueno-benceno?
b.1) Disoluciones ideales (DI)
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Si se mezcla dos líquidos volátiles y se comportan como
MEZCLA BINARIA IDEALES. Los vapores que se generan
se comportaran de la siguiente forma y se puede aplicar la
LEY DE DALTON (GAS IDEAL PV = nRT)
1Ecuación BAtotal PPP +=
26
La expresión para los componentes A y B es:
(3)Ecuación
(2)Ecuación °
°
⋅=
⋅=
BBB
AAA
PXP
PXP
pA y pB, es la presión parcial de A y B en la mezclapo
A y poB, es la presión vapor de A y B puros
xA y xB , es la fracción molar de A y B en la fase líquida:
Ley de Raoult (Disolución Ideal DI)
Luego, un sistema formado por un GAS IDEAL (VAPOR) en equilibrio con una DI (LIQUIDO), debe satisfacer las ecuaciones 1,2 y3
27
�La fracción molar XA de un componente A, en una
mezcla binaria, se expresa de la siguiente manera:
bA
AA nn
nX
+=
xA = Fracción molar del compuesto AnA y nB, número de moles de los compuesto de A y B en la mezcla
�Las fracciones molares de una mezcla binaria, cumplen
con la siguiente relación
1=+ BA XX
28
�Si se sustituye la ecuación (1), (2) y (3), se obtiene:
°° += BBAAT PXPXP�Se deja en función de la fracción molar del compuesto A
°°°
°°°°°
+−=
−+=−+=
BABAT
BABAABAAAT
PXPPP
PXPPXPXPXP
)(
)1(
Ecuación lineal
29
Presión vs composición del liquido (fracción molar)
30
Para calcular la composición del vapor se considera como un gas ideal. Por lo tanto, se puede aplicar la ecuación de estado
V
RTnP
V
RTnP
BB
AA
⋅=
⋅=
'
'
n’A y n’B son los moles en el vapor
Dividiendo cada presión tiene
'
'
B
A
B
A
n
n
P
P =
Diagrama de fases binarios liq-vap: mezcla ideal (Propuesto investigación y exposición)
3131
Dividiendo por n’T (moles totales en fase vapor) en ambos miembros de la ecuación:
'
'
'
'
'
'
'
'
''
''
''
'
'
B
A
B
A
B
A
T
B
T
A
TB
TA
B
A
TB
A
TB
A
X
X
P
P
X
X
n
n
n
n
nn
nn
P
P
nn
n
nP
P
=
==⋅⋅=⇒
⋅=
⋅
3232
)´(
expresión siguientela queda o,Resolviend
)1()()1()(
)1()1(''
'
'
'
'
°°°
°°
°°
°
°
°
°
−+⋅=
⋅−⋅=−⋅⋅
−=
⋅−⋅
⇒=⋅⋅=
ABAA
BAT
BAABAA
B
A
BA
AA
B
A
BB
AA
B
A
PPXP
PPP
PXXXPX
X
X
PX
PX
X
X
PX
PX
P
P
3333
PT vs Xi (PT vs Xi´) Temperatura constante
3434
( ) ABAB
AAA XPPP
PXX
°−°+°°='
Adicionalmente se puede expresar la fracción molar en la fase gaseosa del componente A (X´A), en función de la fracción molar en la fase líquida del componente A (XA).
3535
Diagrama de fases liq-vap: Temperatura vs Xi (Xi´) (Presión constante)
3636
Aplicación: Destilación fraccionada
3737
xA
Diagrama destilación fraccionada de mezcla binaria
3838
Las desviaciones a la Ley de Raoult ocurren cuando las sustancias que forman la disolución son muy diferentes, esto es, si las fuerzas intermoleculares son muy distintas. Así, el comportamiento de los componentes del líquido es diferente a cuando están puros.
Por ejemplo, las desviaciones positivas se pueden generar si la magnitud de las interacciones moleculares (atracción) son del tipo :
�Fuerzas intermoleculares del soluto y disolvente diferentes (Desviación (+) [p de vapor real > que la ideal])�Asociación molecular entre soluto-soluto ( Desviación (+))�Asociación molecular entre disolvente-disolvente (Desviación (+))
BABB
BAAA
−>−−>−
b.2) Desviaciones de la idealidad
3939
Para desviaciones negativas:
En general, este caso puede presentarse cuando las moléculas de los componentes se atraen más fuertemente que en estado púro o hay formación parcial de un compuesto.
BBBA
AABA
−>−−>−
4040
Desviación positiva y negativa
4141
4242
Formación de azeotropo(Mezcla de componentes químicos que, a
una concentración determinada, se comporta en el equilibrio liq-vap como si
fuera mono-componente)
4343
Resumen
44
b.3) Disolución Diluida Ideal (DDI): Ley de Henry
� La ley de Henry relaciona la presión parcial de un soluto en la fase vapor con la fracción molar del soluto en la solución
jjj Kxp =
� Donde:
Pj : Presión parcial del componente j en la fase gaseosa
Xj: Fracción molar del componente j en la solución
Kj: Constante de Henry especifica del componente j
45
Constante de Henry
� Las unidades de la constante de Henry pueden variar dependiendo si una reacción se escribe en dirección desde la fase gaseosa a la fase acuosa o viceversa desde la fase acuosa a la fase gaseosa.
� Por lo tanto, es importante utilizar las unidades adecuadas, comprender por qué unidades particulares se utilizan, y ser capaz de convertir entre unidades diferentes
46
Aplicación: oxígeno aire - agua
� Si tenemos la siguiente ecuación
� En este sistema se visualiza la transferencia del oxígeno disuelto desde la atmosfera al agua.
� En tal caso, el equilibrio se expresa
� Bajo esta expresión matemática de la ley de Henry se puede determinar la solubilidad de los gases en sistemas acuáticos
� Las unidades de la constante en este caso podrían ser:
)(2)(2 acg OO ⇔
[ ][ ]
[ ] [ ]2
2
)(2)(2
)(2
)(2OHac
O
ac
g
acH PKO
P
O
O
OK ×=⇒==
atmL
moles
47
LEY DE HENRY: APLICACIÓN EN LA TRANSFERENCIA DESDE LA FASE LÍQUIDA A LA FASE GASESOA
� Si el interés del estudio es comprender la transferencia desde la fase acuosa a la gaseosa. Por ejemplo para el tratamiento de los TCE descargados en sistema naturales, la ecuación se expresa
� En tal caso, el equilibrio se expresa
� Si las unidades de la fase gaseosa son descrita en moles/litros de gas y la fase acuosa son descrita en moles/litros de agua. La constante queda expresada en litros de gases por litros de agua
)()( gac TCETCE ⇔
[ ][ ])(
)(
ac
gH TCE
TCEK =
48
LEY DE HENRY: Unidades de conversión