1 PRESENTA: M.C. J. ALFREDO OCHOA G. UNIVERSIDAD DE SONORA División de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Geología MATERIA HIDROGEOLOGIA II

2 PRINCIPIOS DE QUÍMICA Soluciones acuosas y las propiedades del agua Concentración y unidades Composición química del agua subterránea PROTOCOLOPARALAPLANEACIÓNDETRABAJOSDE CAMPO El concepto de muestra de agua representativa La “ correcta ” toma de muestras de agua subterránea Medición de parámetros de campo Trabajo de campo y laboratorio TRABAJO LABORATORIO DE CÓMPUTO Manejo de resultados mediante herramientas de cómputo (Excel, Surfer y Aquachem) TEMARIO DEL CURSO

3 PROTOCOLO PARA LA PLANEACIÓN DE TRABAJOS DE CAMPO EQUILIBRIO QUÍMICO Termodinámica y equilibrio químico Solubilidad de minerales Actividad y concentración Complejos en solución Cálculo de índices de saturación TRABAJO LABORATORIO DE CÓMPUTO Cálculos mediante herramientas de cómputo (Aquachem y PHREEQC) y representación gráfica de resultados (Excel y Surfer) TEMARIO DEL CURSO

4 REACCIONES ÁCIDO-BASE Y EL SISTEMA DE CARBONATOS La importancia del dióxido de carbono Alcalinidad Sistema abierto y cerrado para la disolución de carbonatos ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO Superficies de intercambio en suelos y acuíferos Intercambio iónico en agua subterránea (Efecto cromatográfico) Intercambio catiónico en relaciones agua dulce/agua salada PROCESOS Y REACCIONES REDOX Teoría básica de las reacciones de transferencia de electrones Diagramas redox Secuencias de reacciones redox en sistemas de agua subterránea Nitrato, hierro y sulfato en el agua subterránea, reacciones de reducción por diferentes agentes

5 PROCESOS Y REACCIONES REDOX Teoría básica de las reacciones de transferencia de electrones Diagramas redox Secuencias de reacciones redox en sistemas de agua subterránea Nitrato, hierro y sulfato en el agua subterránea, reacciones de reducción por diferentes agentes INTERPRETACIÓN HIDROGEOQUÍMICA BÁSICA GENERACIÓNDELMODELOHIDROGEOQUÍMICO CONCEPTUAL TRABAJO LABORATORIO DE CÓMPUTO Cálculos mediante herramientas de cómputo (Aquachem y PHREEQC) y representación gráfica de resultados (Excel y Surfer) Modelación inversa con PHREEQC TEMARIO DEL CURSO

6 GENERACIÓNDELMODELOHIDROGEOQUÍMICO CONCEPTUAL CASOS DE ESTUDIO: San Luis Potosí (evolución en rocas volcánicas fracturadas e identificación de procesos de mezclas de agua) Santo Domingo (procesos de salinización en acuíferos costeros) Cuatrociénegas (evolución en rocas sedimentarias calcáreas y efectos de evaporación en cuencas endorreicas) TRABAJO LABORATORIO DE QUÍMICA TEMARIO DEL CURSO

7 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS PORQUE ES INTERESANTE ESTUDIAR LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS AGUAS NATURALES? EL AGUA SE ESTUDIA PORQUE: 1) QUEREMOSUTILIZARLAYSUCOMPOSICIÓNQUÍMICA PERMITE ESTABLECER SI ES APTA PARA SU USO 2) ES NECESARIO CONOCER SU RELACIÓN CON EL AMBIENTE (SISTEMAS DE FLUJO) 3) ESTÁCONTAMINADAYESNECESARIODEFINIRLA EXTENSIÓNDEESAREGIÓNYLOSCONSTITUYENTESQUE PRESENTA 4)TIENE RELACIÓN CON MUCHOS PROCESOS GEOLÓGICOS

8 ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA 0 10 20 30 40 50 60 Agrícola Público urbano e industrial Industria autoabastecida A B A S T E C I M I E N T O D E A G U A E N M É X I C O ( K M 3 / A ÑO ) AGUA SUPERFICIAL AGUA SUBTERRÁNEA IMPORTANCIA DEL AGUA SUBTERRÁNEA COMO RECURSO CUANDO SE UTILIZA PARA SOLVENTAR LAS NECESIDADES DE DIFERENTES USOS PRODUCTIVOS

9 SECRETARÍA SALUBRIDAD ASISTENCIA DE Y NOM-127-SSA1-1994 LÍMITES PARAEL PERMISIBLES AGUADE CONSUMO (USO URBANO) HUMANO PÚBLICO- ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS CARACTERÍSTICALIMITE PERMISIBLE Organismos coliformes totales2 NMP/100 ml; 2 UFC/100 ml Organismos coliformes fecales No detectable NMP/100 ml; Cero UFC/100 ml Los resultados de los exámenes bacteriológicos se deben reportar en unidades de NMP/100 ml (número más probable por 100 ml), si se utiliza la técnica del número más probable o UFC/100 ml (unidades formadoras de colonias por 100 ml), si se utiliza la técnica de filtración por membrana. LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y ORGANOLÉPTICAS Color 20 unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto Olor y saborAgradable Turbiedad 5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro método LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS (Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad) CARACTERÍSTICA LIMITECARACTERÍSTICA PERMISIBLE LIMITE PERMISIBLE Aluminio0.20pH (unidades de pH) 0.05Aldrín y dieldrín 6.5-8.5 Arsénico 0.03 (  g/l) Bario0.70 Clordano (total de isómeros) 0.30 (  g/l) Cadmio0.005DDT (total de isómeros) 1.00 (  g/l) Cianuros (como CN-)0.07Gamma-HCH (lindano) 2.00 (  g/l) Cloro residual libre0.2-1.50Hexaclorobenceno 0.01 (  g/l) Cloruros (como Cl-)250.00 Heptacloro y epóxido de heptacloro 0.03 (  g/l) Cobre2.00Metoxicloro 20.00 (  g/l) Cromo total0.052,4 – D 50.00 (  g/l) Dureza total (como CaCO 3 ) 500.00Plomo0.025 Fenoles o compuestos fenólicos 0.001Sodio200.00 Fierro0.30Sólidos disueltos totales1000.00 Fluoruros (como F-)1.50Sulfatos (como SO4=)400.00 Manganeso0.15 Sustancias activas al azul de metileno (SAAM) 0.50 Mercurio0.001Trihalometanos totales0.20 Nitratos (como N)10.00Zinc5.00 Nitritos (como N)0.05 Nitrógeno amoniacal (como N) 0.50

10 ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA ESTÁNDARESINTERNACIONALES AGUA PARA USO POTABLE DECALIDADDEL WORLD HEALTH ORGANIZATION EPA ESTÁNDARESNACIONALESDE PARA USO POTABLE CALIDADDELAGUA SECRETARÍA DE SALUBRIDAD Y ASISTENCIA

11 ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA AUNQUE EN LA NOM-127-SSA1-1994 NO SE ESTABLECE EXPLICITAMENTE, ES POSIBLE REALIZAR UNA AGRUPACIÓN DE LAS DIVERSAS CARACTERÍSTICAS DE ACUERDO A SI SON: 1) INDICADORAS DE CONTAMINACIÓN, 2) ESTÉTICAS, 3) TÓXICAS ENTRE LOS INDICADORES SE PUEDE MENCIONAR:Coliformes, compuestos de nitrógeno, SAAM, fenoles, pH. LASCARACTERÍSTICASESTÉTICASSON:Color,turbiedad, salinidad, cloruros, sodio, hierro, manganeso, dureza total. TÓXICAS: Aluminio, bario, arsénico, cadmio, cobre, cromo, fluoruro,mercurio,nitrato,pesticidasorganoclorados, plomo, trihalometanos, sulfato.

12 ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA ESTÁNDARESINTERNACIONALES AGUA PARA USO AGRÍCOLA DECALIDADDEL QUE TOMAN EN CUENTA LA SALINIDAD QUE CONSIDERAN LA RELACIÓN DE ADSORCIÓN DE SODIO QUEANALIZANELEFECTODEELEMENTOSTRAZA ESPECÍFICOS COMO EL BORO

13 Recarga Regional (Flujo descendente) Lixiviación de minerales Flujo Regional Descarga Regional Manantiales Suelos, Manantiales y Humedales Salinos Recarga-Descarga local Húmedad relativa por deshielo Erosión de suelo Incremento de pH h Eh + - h Cl + h SO4SO4 HCO Eh- + T Cl Incremento de STD SO 4 HCO 3 Dismin ución O, CO 2 de agua fresca SIMBOLOGÍA Eh- - h h + h Isolineas de carga hidráulica Línea de flujo Manantial: frio y temal Freatofitas Xerofitas Condiciones Redox: Eh + Oxidante + T Temperatura Geotermal positiva y negativa T - - T Reductor Acumulación de minerales traza Cargas hidráulicas: Subhidrostáticas Hidrostática Superhidrostática Trampa hidráulica: Convergencia y acumulación de temperatura y materia transportada Zona de semi confinamiento: Incremento de STD RELACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA CON EL AMBIENTE

14 CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA LadefinicióndeCONTAMINANTEestablecequees o cualquiermateriaosustancia,osusosuscombinaciones compuestosderivadosquímicos obiológicostalescomo humos,polvos,gases,cenizas,bacterias,residuosy desperdicios y cualesquiera otros, que al incorporarse o adicionarse al aire, agua o tierra puedan alterar o modificar sus características naturales o las del ambiente. Deestemodo,cuandoel humanoporquetiene compuestosintroducidos aguanoes apta paraconsumo concentracionesanómalasde apartirde actividades antropogénicas, se clasifica como AGUA CONTAMINADA.

15 Categoría I : Fuentes diseñadas para descargar substancias CategoríaII : Fuentes diseñadas para almacenar, tratar y/o disponer substancias CategoríaIII : Fuentesdiseñadasparaalmacenar substancias durante su transporte Categoría IV : Fuentes que descargan substancias como una consecuencia de otras actividades lucrativas Categoría V: Fuentes que proporcionan un conducto para la entrada de agua contaminada a los acuíferos CategoríaVI: Fuentesnaturalescuyadescargaes incrementada por la actividad humana CLASIFICACIÓN DE FUENTES DE CONTAMINACIÓN DE ACUERDO CONOTA (1984)

16 Mineralogía Petrología Estratigrafía Estructural GEOLOGÍA GEOQUÍMICA DEL AGUA Materiales geológicos (cuerpos de roca y fluidos) Procesos diagenéticos Yacimientos minerales Reecristalización de rocas metamórficas Esfuerzos tectónicos Migración de hidrocarburos REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS

17 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS PROPIEDADES DEL AGUA Geometría de las moléculas de agua y el enlace de hidrógeno de las moléculas Las propiedades físicas del agua se deben a las interacciones que se producen a escala molecular, ya que la molécula de agua es de tipo polar. La distribución de la carga produce una atracción conocida como enlace de hidrógeno

18 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA: Es una molécula polar covalente, por lo que le permite disolver substancias. El enlace de hidrógeno que conjunta moléculas de agua condiciona el punto de ebullición elevado y que sea un liquído a temperatura ambiente. ESTA POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA CONDICIONA QUE HIDRATE LOS IONES DE SALES Y MINERALES, NEUTRALIZANDO LAS FUERZAS DE ATRACCIÓN QUE FORMAN LOS CRISTALES DE LOS MINERALES POR LO QUE LOS DISUELVE. CUANDO ESTÁN HIDRATADOS, LOS IONES ESTÁN SOLVATADOS POR MOLÉCULAS DE AGUA.

19 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS CONCENTRACIÓN Y CONVERSIÓN DE UNIDADES SOLVENTE (AGUA)SOLUTO (SUBTANCIAS DISUELTAS) mg / l  masa del soluto (mg ) ppm  masa del soluto (mg) volumen de solución(litro)volumen de solución(litro) masa de la solución (kg) mg ( ppm)  mg  1 ( l ) kgl  kg ALGUNASCONCENTRACIONESPUEDENEXPRESARSEEN DIFERENTESFORMAS,POREJEMPLOELNITRATOPUEDE EXPRESARSE EN TÉRMINOS DE LA MASA DE NITRÓGENO (N) O DE NITRATO (NO 3 ) -

20 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS UNASOLUCIÓNCON50mg/lDENO 3 QUECONCENTRACIÓN TIENE EN TÉRMINOS DE N-NO 3 ? - PESO MOLECULAR NO 3 = 14+(3 x 16)=62 14 x (mg N - NO- )x (mg N - NO- ) 62 50 (mg NO- )50 (mg NO- ) 33  l mg N - NO - l mg/l NO - 14 62 3 3   11.3 11.3 50 ALGUNASCONCENTRACIONESPUEDENEXPRESARSEEN DIFERENTESFORMAS,POREJEMPLOELNITRATOPUEDE EXPRESARSE EN TÉRMINOS DE LA MASA DE NITRÓGENO (N) O DE NITRATO (NO 3 ) -

21 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS CONCENTRACIÓN MOLAR MOLARIDAD ( M ).-Número de moles de soluto disuelto en 1 litro solución MOLALIDAD ( m ).- Número de moles de soluto disueltos en 1000 g de solución peso fórmula  1000 mg / lmg / l litro moles  g )  1000 mg molg mg  moles  peso fórmula ( ll FRACCIÓNMOLAR.-Seutilizaparasoluciones para mezclas de líquidos de fase no acuosa sólidasy moles de A  moles de B moles de A fracción molar de A 

22 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS EQUIVALENTES Y NORMALIDAD NORMALIDAD ( N ).-Concentración quetomaencuentala valencia de los solutos iónicos. Debido a que la suma de cargas positivas y negativas en una solución deben balancearse, la suma de normalidades de los solutos iónicos debe balancearse. Puede determinarse como el producto de la molaridad por la carga del ion. También se le denomina equivalente o miliequivalente por litro. LAS CONCENTRACIONES DE ALGUNOS PARÁMETROS QUÍMI- COS SE EXPRESAN COMO EL PESO EQUIVALENTE DE CARBO- NATO DE CALCIO (mg/l de CaCO 3 ), POR EJEMPLO LA DUREZA Y LA ALCALINIDAD.

23 REVISIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS EQUIVALENTES Y NORMALIDAD LA CONCENTRACIÓN DE ALGUNOS PARÁMETROS SE EXPRESA COMOELPESOEQUIVALENTEDECARBONATODECALCIO (mg/l CaCO 3 ). Por ejemplo la Dureza Total del agua se expresa como la suma de las concentración de Ca y Mg en términos de CaCO 3. Cual es la Dureza total de una muestra de agua que tiene 175 mg/l de Ca y 85 mg/lde Mg?

24 CLASIFICACIÓN DE LOS CONSTITUYENTES INORGÁNICOS DISUELTOS EN EL AGUA SUBTERRÁNEA CONSTITUYENTES MAYORES (CONCENTRACIÓN  5 mg/l) ANIONES Bicarbonato HCO 3 - Sulfato Cloruro SO 4 Cl - Calcio -2 CATIONES Sodio Na + MagnesioMg +2 Ca +2 SÍLICE Y ÁCIDO CARBÓNICO CONSTITUYENTES MENORES (CONCENTRACIÓN 0.01-10 mg/l) BORO, CARBONATO, FLUORURO, NITRATO, POTASIO, HIERRO CONSTITUYENTES TRAZA (CONCENTRACIÓN

25 VERIFICACIONES PERTINENTES PARA VALIDACIÓN DE LOS ANÁLISIS QUÍMICOS PREVIO AL ANÁLISIS DE LABORATORIO ANÁLISIS DEL PROCEDIMIENTO DE CAMPO UTILIZADO PARA LAMEDICIÓN DE PARÁMETROS DE CAMPO Y PRESERVACIÓN DE MUESTRAS UTILIZACIÓN DE HOJA DE CUSTODIA UTILIZACIÓN DE BLANCOS DE CAMPO DURANTE ANÁLISIS DE LABORATORIO METODOS ANALÍTICOS APROPIADOS PARA CADA UNA DE LAS DETERMINACIONES A REALIZAR (NORMA OFICIAL CORRESPONDIENTE O ESTÁNDAR METHODS) CONTROL DE CALIDAD (PRECISIÓN Y EXACTITUD) UTILIZACIÓN DE GRÁFICAS DE CONTROL

26 VERIFICACIONES PERTINENTES PARA VALIDACIÓN DE LOS ANÁLISIS QUÍMICOS POSTERIOR AL ANÁLISIS DE LABORATORIO PRECISIÓN.-ERRORESESTADÍSTICOSQUEREFLEJAN ELPROCEDIMIENTO FLUCTUACIONESALEATORIASEN ANALÍTICO (ANÁLISIS DE DUPLICADOS) EXACTITUD.-ERRORESSISTEMÁTICOSQUEREPRESENTAN DESVIACIONESSISTEMÁTICASDEBIDOAPROCEDIMIENTOS ERRÓNEOS (ANÁLISIS OINTERFERENCIASDURANTE DEREFERENCIAS ELANÁLISIS INTERNACIONALESY/O CONDICIÓN DE ELECTRONEUTRALIDAD)

27 VERIFICACIONES PERTINENTES PARA VALIDACIÓN DE LOS ANÁLISIS QUÍMICOS CONDICIÓN DE ELECTRONEUTRALIDAD %error   cat   anion *100  cat   anion LOS CATIONES Y ANIONES SE EXPRESAN EN meq/l; LOS ERRORES MAYORES AL 5-10% EN OCASIONES INDICAN LA NECESIDAD DE ANALIZAR CON DETALLE LOS RESULTADOS COMPARACIÓNENTRELACONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA CALCULADA Y LA MEDIDA PARA UNA AGUA EN LA QUE PREDOMINA EL HCO 3 Y EL Ca  aniones   cationes  CE  mhos / cm 100

28 VERIFICACIONES PERTINENTES PARA VALIDACIÓN DE LOS ANÁLISIS QUÍMICOS Los resultados de un análisis de laboratorio son: pH= 8.22 y C.E.=290  mhos/cm La condición de electroneutralidad rinde un –0.03% mg/lmg/lPeso Form.mmol/lcargacargameq/lmeq/l Ca42.540.081.061.0622.122.12 Mg3.213.2124.310.130.1320.260.26 Na13.722.990.600.6010.600.60 K1.181.1839.10.030.03 1 0.030.03 suma= 3.01suma= 3.01 Cl 31.235.450.880.88 -0.88-0.88 SO4SO4 3996.060.410.41 -2 -0.81-0.81 HCO3 79.961.021.311.31 -1.31-1.31 NO3NO3 1.31.3620.020.02 -0.02-0.02 suma=-3.02suma=-3.02

29 80604020 406080 20 40 60 80 20 40 60 80 20 40 60 80 20 40 60 80 CaNa+KHCO3Cl MgSO4

30 EJERCICIOS PARA COMPLEMENTAR LA INFORMACIÓN ANTERIOR 1.- Determinar el númerode oxidación NH 4 de oxidación del N en las siguientes especies N 2 del S en las siguientes especies químicas. 2.- Determinar el número químicas. 3.- Un análisis químico de rutina presenta los siguientes resultados (mg/l) Ca=93.9, Mg= 22.9, bicarbonato=344, sulfato 85, cloruro=9.0, pH=7.2. Expresar las concentraciones en términos de molaridad, molalidad y equivalentes, además calcular el error por balance de cargas y la familia de agua. 4.- Una salmuera tiene una densidad de 1.2 kg/l a 25º C, contiene 100,000 ppm de sodio. Expresar esta concentración en términos de mg/l. A 100º C la salmuera ocupa 0.84 litros, cual es la concentración (mg/l) de sodio a esta temperatura?. 5.- Analizar y completar (si fuera posible) el siguiente análisis (mg/l): Ca= 93, Mg=7, Na=18, K=2.4, HCO 3 =183, CO 3 =45, Cl=150, STD= 320, pH=6.7 NO3NO3  so4H2SHSFeSso4H2SHSFeS 22 