Teora de Flujo Subterrneo

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Teoría de Flujo Subterráneo

• Capítulo 10
• Conceptos Básicos de Química
• Alberto Rosas Medina
• Semestre 2008-1
• Posgrado en Ciencias de la Tierra

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Capítulo del 10.4 al 10.4.2

• 10.4.1 Reacciones oxido reducción
• 10.4.2 Química orgánica

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Reacciones Oxidación-Reducción

• Reacciones oxidación-Reducción (redox) son
  envolventes de cambios de estados de oxidación de
  reactantes y juegan un papel central en muchas de
  las reacciones en aguas naturales, agua y
  procesos de tratamiento de desechos .
• El comportamiento de compuestos conteniendo
  carbón, nitrógeno, sulfuro, hierro y manganeso en
  aguas naturales (y procesos de tratamiento) es
  muy grandemente influenciada por reacciones
  redox.

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• El átomo es eléctricamente neutro
• El estado de oxidación de un átomo o hierro es la
  suma de cargas positivas y negativas. Por lo
  tanto en un átomo la oxidación es cero.
• La perdida de electrones desde un átomo produce
  un estado de oxidación positiva (incremento) y
  concomitantemente la ganancia de electrones por
  un átomo reduce el estado de oxidación a un valor
  negativo.

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• Metales son caracterizados por su tendencia a
  ser oxidados por la perdida de uno o dos
  electrones para la mayor electronegatividad.
• El ion resultante cargado positivamente es
  llamado cation, el cual ahora tiene un estado de
  oxidación incrementado. El número de electrones
  perdidos depende sobre el número de grupo del
  metal en la tabla periódica. Una reacción
  oxidación típica está dada por
• Donde el estado de oxidación del calcio ha sido
  incrementado de cero a dos

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• El no metal está ahora cargado negativamente y es
  llamado anión. El proceso de adquirir electrones
  es llamado reducción. Una típica reacción
  reducción está dada por
• El intercambio de electrones para formar aniones
  y cationes siempre ocurren juntos. Entonces una
  reacción oxidación requiere también una reacción
  reducción por lo tanto la nomenclatura
  reacciones oxidación-reducción. Un ejemplo de
  reacción oxidación-reducción es la formación de
  cloruro de sodio, sal blanca de mesa

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• La ecuación para esta reacción puede ser

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• Electronegatividadcapacidad de un átomo de una
  molécula covalente para atraer los electrones del
  enlace.

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• Quizá la forma más simple de reacción redox es la
  reacción combinación. Aquí un elemento es oxidado
  yel otro es reducido.
• La combinación es reversible. El resultado es una
  reacción descomposición

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• Reacción redox de desplazamiento único. Un
  elemento reemplaza a otro desde un compuesto. En
  este proceso el elemento reemplazante es siempre
  oxidado y el reemplazado es reducido. Considere
  el siguiente ejemplo en donde el hidrógeno es
  desplazado por hierro metálico

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Química Orgánica

• La química orgánica juega un papel mayor en la
  contaminación subterránea. Compuestos orgánicos
  son estos que contienen carbono.
• El término de química orgánica es reflejo de las
  observaciones de los primeros compuestos
  orgánicos que fueron derivados de las fuentes
  naturales y seres vivientes.
• El término ahora abarca la subarea química
  dedicada al estudio de compuestos conteniendo
  carbono.

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• Considerable importancia desde la perspectiva de
  la calidad del agua es la observación que
  mientras sales inorgánicas son fácilmente
  solubles en el agua, compuestos orgánicos no son
  solubles en el agua.

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• La nomenclatura CH4 denota metano cuyo estructura
  molecular es
• El metano es el hidrocarburo más simple, su
  molécula esta formada por un átomo de carbono
  (C), al que se encuentran unidos cuatro átomos de
  hidrógeno (H).
• A temperatura ambiente es un gas y se halla
  presente en la atmósfera.

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• Las principales fuentes productoras de metano
  son
• los procesos de descomposición de la materia
  orgánica en ausencia de oxígeno (anaerobiosis),
  se lo conoce como gas de los pantanos en este
  aspecto, las grandes extensiones de cultivos de
  arroz (145 millones de hectáreas en todo el
  mundo) y las zonas pantanosas, emiten importantes
  cantidades de metano.
• El proceso digestivo de los rumiantes (bovinos).
• La combustión (incendios) de biomasa en bosques
  tropicales y sabanas.
• La actividad microbiana en aguas servidas
  (cloacas).
• Determinadas acumulaciones de hidrocarburos tales
  como campos de petróleo, gas y carbón lo emiten
  espontáneamente (fugas).

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• La industria agrícola-ganadera, con su necesaria
  expansión, genera y libera este gas originado en
  la descomposición de la biomasa remanente y en el
  aumento de las poblaciones de ganado (rumiantes).
  Las industrias extractivas de carbón, petróleo y
  gas actúan como fuentes de liberación de metano a
  la atmósfera.
• Sus propiedades físicas y químicas y su presencia
  en la atmósfera, lo incluyen dentro del grupo de
  gases de efecto invernadero, ocupando el tercer
  lugar, detrás del dióxido de carbono y de los
  CFC, y contribuyendo en un 15 al calentamiento
  global. Se ha observado, además, que el metano
  deteriora la capacidad autolimpiante de la
  atmósfera.

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• Las series homologas comienzan con el metano
  pueden ser escritas como metano CH4, etano CH3CH3
  o C2H6 y propano CH3CH2 CH3 o C3H8.
• El etano es un hidrocarburo alifático alcano con
  dos átomos de carbono, de fórmula C2H6. A
  condiciones normales es gaseoso y un excelente
  combustible. Su punto de ebullición está en -88
  C.
• El etano funde a -183,2 C y hierve a -88,5 C. A
  temperatura ambiente es un gas inflamable. Junto
  con otros hidrocarburos, el etano se encuentra en
  los depósitos de gas natural y también puede
  encontrarse en el crudo de petróleo. El etano se
  separa del metano (constituyente principal del
  gas natural) y se craquea para producir eteno
  (C2H4).

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• El propano es un gas incoloro e inoloro.
  Pertenece a los hidrocarburos alifáticos (los
  alcanos). Su fórmula química C3H8.
• El butano es un hidrocarburo saturado, parafínico
  o alifático, inflamable, gaseoso que se licúa a
  presión atmosférica a -0,5 grados centígrados,
  formado por cuatro átomos de carbono y por diez
  de hidrógeno, cuya fórmula química es C4H10. El
  butano presanta dos isómeros el n-butano y el
  isobutano o metilpropano.

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• El butano comercial es un gas licuado, obtenido
  por destilación del petróleo, compuesto
  principalmente por butano normal (60), propano
  (9), isobutano (30) y etano (1).
• La principal aplicación del gas butano es la de
  combustible en hogares para la cocina y agua
  caliente, ya que debido a sus limitaciones de
  transporte y almacenaje no suele consumirse en
  grandes cantidades.

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• Compuesto Estructura
• A ciclíco Arreglos de estructura no
  circular de
• átomos.
• Carbo cíclico Uno o más círculos hechos de
  átomos de carbono.
• Heterocíclico Uno o más círculos conteniendo
  otros
• átomos diferentes de
  carbono.

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• Ejemplos de tres clases

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• El siguiente ejemplo muestra el concepto

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• En química un metil (o más apropiadamente) grupo
  metilo es un grupo funcional, hidrófobo alqueno
  que deriva del metano (CH4). Tiene como
  fórmula -CH3
• En química es una ramificación o resto alquilo de
  una cadena hidrogenada en un compuesto orgánico.
  El grupo metil, forma parte de una "familia" de
  compuestos orgánicos llamados "series homólogas"
  ya que siguen un mismo patrón. Los primeros
  cuatro tienen nombres específicos (metilo, etilo,
  propilo y butilo) mientras que los que siguen
  sólo se denominan con la raíz latina de la
  cantidad de carbonos (penta, hexa, etc) y la
  terminación -il.
• A pesar de llamarse "metilo" cuando forman parte
  de un compuesto, se le omite la "o" final al
  nombrarlo. Así, por ejemplo se puede encontrar el
  2-metil propano.

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• Grupos funcionales comunes

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• Compuesto acíclicos Compuestos alifáticos
  consiste de compuestos aciclicos o cíclicos
  saturados o insaturados. Se mencionarán algunos
  compuestos que se encuentran en contaminantes
  hidrogeológicos.
• Los compuestos aciclicos que no contienen
  múltiplos vínculos llamados alcanos (parafinas),
  estos conteniendo múltiples vínculos son llamados
  alquenos.

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• Los alcanos son hidrocarburos, es decir que
  tienen sólo átomos de carbono e hidrógeno. La
  fórmula general para alcanos alifáticos (de
  cadena lineal) es Cn H2n2 , y para cicloalcanos
  es CnH2n. También reciben el nombre de
  hidrocarburos saturados.
• Los alcanos son moléculas orgánicas formadas
  únicamente por átomos de carbono e hidrógeno, sin
  funcionalización alguna, es decir, sin la
  presencia de grupos funcionales como el
  carbonilo, carboxilo, amida, etc. Esto hace que
  su reactividad sea muy reducida en comparación
  con otros compuestos orgánicos, y es la causa de
  su nombre no sistemático parafinas (del latín,
  poca afinidad).

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• La relación C/H es de Cn H2n2 siendo n el número
  de átomos de carbono de la molécula (advertir que
  esta relación sólo se cumple en alcanos lineales
  o ramificados no cíclicos, por ejemplo el
  ciclobutano, donde la relación es CnH2n). Todos
  los enlaces dentro de las moléculas de alcano son
  de tipo simple o sigma, es decir, covalentes por
  compartición de un par de electrones en un
  orbital s, por lo cual la estructura de un alcano
  sería de la forma

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• donde cada línea representa un enlace covalente.
  El alcano más sencillo es el metano con un solo
  átomo de carbono. Otros alcanos conocidos son el
  etano, propano y el butano con dos, tres y cuatro
  átomos de carbono respectivamente. A partir de
  cinco carbonos, los nombres se derivan de
  numerales griegos pentano, hexano, heptano...

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• Alquenos
• Los alquenos son hidrocarburos que tienen doble
  enlace carbono-carbono en su molécula, y por eso
  son denominados insaturados. La fórmula general
  es CnH2n. Se puede decir que un alqueno no es más
  que un alcano que ha perdido un hidrógeno
  produciendo como resultado un enlace doble entre
  dos carbonos.
• Al igual que ocurre con otros compuestos
  orgánicos, algunos alquenos se conocen todavía
  por sus nombres no sistemáticos, en cuyo caso se
  sustituye la terminación -eno sistemática por
  -ileno, como es el caso del eteno que en
  ocasiones se llama etileno, o propeno por
  propileno. Los alquenos cíclicos reciben el
  nombre de cicloalquenos. Ver también la
  Producción de Olefinas a nivel industrial.

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• Alquinos
• Los alquinos son hidrocarburos alifáticos con al
  menos un triple enlace entre dos átomos de
  carbono. Se trata de compuestos metaestables
  debido a la alta energía del triple enlace
  carbono-carbono. Su fórmula general es CnH2n-2

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• Los halógenos son los elementos no metales del
  grupo 17 (anteriormente grupo VIIA) de la tabla
  periódica
• Flúor (F)
• Cloro (Cl)
• Bromo (Br)
• Yodo (I)
• Astato (At)

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• En química se denomina alcohol (del árabe al-khwl
  ??????, o al-ghawl ?????, "el espíritu", "toda
  sustancia pulverizada", "líquido destilado") (ver
  origen del término en la desambiguación) a
  aquellos hidrocarburos saturados, o alcanos que
  contienen un grupo hidroxilo (-OH) en sustitución
  de un átomo de hidrógeno enlazado de forma
  covalente.
• Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios,
  o terciarios, en función del número de átomos de
  hidrógeno sustituidos en el átomo de carbono al
  que se encuentran enlazado el grupo hidroxilo.
• A nivel del lenguaje popular se utiliza para
  indicar comúnmente a una Bebida alcohólica, que
  presenta etanol.

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• Componentes Carbocíclico Están divididos en
  aromáticos y aciclicos.

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• Benceno
• El benceno o ciclohexatrieno es un hidrocarburo
  poliinsaturado de fórmula molecular C6H6, con
  forma de anillo (se le llama anillo bencénico, o
  aromático, ya que posee un olor particularmente
  llamativo para cierto tipo de individuos) y puede
  considerarse una forma poliinsaturada del
  ciclohexano. En el benceno cada átomo de carbono
  ocupa el vértice de un hexágono regular, ocupa
  dos valencias con los dos átomos de carbonos
  adyacentes, una tercera valencia con un átomo de
  hidrógeno y la cuarta denominada 'oculta'
  dirigiéndola hacia el centro del anillo hexagonal
  formada en algunos casos de carbono y en otros de
  alguna base nitrogenada. Cada átomo de carbono
  comparte su electrón libre con toda la molécula
  (según la teoría de orbitales moleculares), de
  modo que la estructura molecular adquiere una
  gran estabilidad y elasticidad.

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• El benceno es un líquido incoloro de aroma dulce
  y sabor ligeramente amargo ,similar al de la
  hiel. Se evapora al aire rápidamente y es poco
  soluble en agua. Es sumamente inflamable o
  flamable, volátil y se forma tanto en procesos
  naturales como en actividades humanas.
• El benceno se usa en grandes cantidades en los
  EEUU y Bolivia. Se encuentra en la lista de los
  20 productos químicos de mayor volumen de
  producción. Algunas industrias usan el benceno
  como punto de partida para manufacturar otros
  productos químicos usados en la fabricación de
  plásticos, resinas, nilón y fibras sintéticas
  como lo es el kevlar y en ciertos polimeros.
  También se usa benceno para hacer ciertos tipos
  de gomas, lubricantes, tinturas, detergentes,
  medicamentos y pesticidas. Los volcanes e
  incendios forestales constituyen fuentes
  naturales de benceno. El benceno es también un
  componente natural del petróleo crudo, gasolina y
  humo de cigarrillo

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• Clorobenceno
• El clorobenceno es un líquido incoloro,
  inflamable, de olor aromático parecido a
  almendras. Cierta porción se disolverá en agua,
  pero se evapora rápidamente al aire. No ocurre en
  forma natural en el ambiente.
• La producción de clorobenceno en los EE. UU. ha
  disminuido por más de un 60 del máximo
  registrado en 1960. En el pasado fue usado para
  fabricar otras sustancias químicas, tales como
  fenol y DDT. En la actualidad, el clorobenceno es
  usado como solvente para formulaciones de
  pesticidas, para desgrasar partes de automóviles
  y como intermediario en la manufactura de otras
  sustancias químicas.
• El clorobenceno es usado como solvente para
  ciertas formulaciones de pesticidas, como
  desgrasador y para manufacturar otras sustancias
  químicas. Niveles de clorobenceno altos pueden
  dañar el hígado y los riñones y afectar el
  cerebro.

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• Qué le sucede al clorobenceno cuando entra al
  medio ambiente?
• El clorobenceno liberado al aire es degradado
  lentamente por reacciones con otras sustancias
  químicas y por la luz solar, o puede ser removido
  por la lluvia.
• En el agua, el clorobenceno se evaporará al aire
  y/o será degradado por bacterias.
• Cuando se libera al suelo, es degradado
  rápidamente por bacterias, pero cierta cantidad
  se evaporará al aire y otra parte puede filtrarse
  al agua subterránea.
• El clorobenceno no se acumula en la cadena
  alimentaria

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• Qué son los diclorobencenos?
• Existen tres isómeros del diclorobenceno el
  1,2-diclorobenceno, el 1,3-diclorobenceno y el
  1,4-diclorobenceno. Los diclorobencenos no
  ocurren naturalmente en el ambiente. El
  1,2-diclorobenceno es un líquido incoloro o
  amarillento usado para fabricar herbicidas. El
  1,3-diclorobenceno es un líquido incoloro usado
  para fabricar herbicidas, insecticidas,
  medicamentos y tintes. El 1,4-diclorobenceno, el
  más importante de los tres isómeros, es un sólido
  incoloro o blanco con un olor fuerte y
  penetrante. Cuando se expone al aire se convierte
  lentamente de sólido a vapor. La mayoría de las
  personas pueden oler el 1,4-diclorobenceno cuando
  se encuentra en concentraciones muy bajas en el
  aire.
• Qué les sucede a los diclorobencenos cuando
  entran al medio ambiente?
• El 1,4-diclorobenceno es liberado al ambiente
  cuando se usa en bolas para polillas y en barras
  desodorizantes para retretes. Muy poco del
  1,4-diclorobenceno en el ambiente proviene de
  sitios de desechos peligrosos..

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• Una cantidad de 1,2- y 1,3-diclorobenceno es
  liberada al ambiente cuando estos compuestos se
  usan para fabricar herbicidas y cuando se usan
  productos que contienen estos diclorobencenos.
• Los diclorobencenos no se disuelven fácilmente en
  el agua las pequeñas cantidades que entran al
  agua se evaporan al aire rápidamente.
• En ocasiones, los diclorobencenos se adhieren al
  suelo y los sedimentos. En el suelo, los
  diclorobencenos no se degradan fácilmente por la
  acción de microorganismos. Existe evidencia de
  que las plantas y peces absorben los
  diclorobencenos

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• Compuestos derivados de benceno cancerigenos
• El tolueno o metilbenceno, (C6H5CH3) es la
  materia prima a partir de la cual se obtienen
  derivados del benceno, el ácido benzoico, el
  fenol, la caprolactama, la sacarina,
  medicamentos, colorantes, perfumes, TNT y
  detergentes.

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• Su nombre deriva del bálsamo del árbol Myroxylon
  balsamum (Bálsamo Tolu o bálsamo de Colombia) del
  cual Henri Etienne Sainte-Claire Deville lo
  obtuvo por primera vez en 1844 mediante
  destilación seca.
• Existe en forma natural en el petróleo crudo y en
  el árbol tolú. También se produce durante la
  manufactura de gasolina y de otros combustibles a
  partir de petróleo crudo y en la manufactura de
  coque a partir de carbón.
• También está presente en el humo de los
  cigarillos.
• Químicamente se genera en la ciclodehidrogenación
  del n-heptano en presencia de catalizadores y
  pasando por el metilheptano. Además se obtiene
  como subproducto en la generación de etileno y de
  propeno.
• La producción anual mundial del tolueno es de 5 a
  10 millones de toneladas.

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• El Xileno es el nombre de los dimetilbencenos.
  Según la posición relativa de los grupos metilo
  en el anillo de benceno. Se diferencia entre
  orto-, meta-, y para- xileno (o con sus nombres
  sistemáticos 1,2- 1,3- y 1,4-dimetilbenceno. Se
  trata de líquidos incoloros e inflamables con un
  característico olor parecido al tolueno.
• Los xilenos se encuentran en el los gases de
  coque, en los gases obtenidos en la destilación
  seca de la madera (de allí su nombre xilon
  significa madera en griego) y en algunos
  petróleos. Tienen muy buen comportamiento a la
  hora de su combustión en un motor de gasolina y
  por esto se intenta aumentar su contenido en
  procesos de reforming.
• Los xilenos son nocivos. Sus vapores pueden
  provocar dolor de cabeza, náuseas y malestar
  general. Este producto se encuentra en los spray
  de pintura en gran cantidad

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• El benzoapireno está presente como un
  componente del contenido total de hidrocarburos
  aromáticos policíciclicos en el medio ambiente.
  La exposición humana a benzoapireno se produce
  fundamentalmente a través del humo del tabaco, la
  inhalación de aire contaminado y por ingestión de
  comida y agua contaminadas por efluentes de
  combustión.

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• El fenol en forma pura es un sólido cristalino
  incoloro a temperatura ambiente. Su fórmula
  química es C6H5OH, y tiene un punto de fusión de
  43ºC y un punto de ebullición de 182ºC. El fenol
  es un alcohol. Puede sintetizarse mediante la
  oxidación parcial del benceno.
• El fenol es una sustancia manufacturada. El
  producto comercial es un líquido. Tiene un olor
  repugnantemente dulce y alquitranado.
• Se puede detectar el sabor y el olor del fenol a
  niveles más bajos que los asociados con efectos
  nocivos. El fenol se evapora más lentamente que
  el agua y una pequeña cantidad puede formar una
  solución con agua. El fenol se inflama
  fácilmente, es corrosivo y sus gases son
  explosivos en contacto con la llama.

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• El fenol se usa principalmente en la producción
  de resinas fenólicas. También se usa en la
  manufactura de nylon y otras fibras sintéticas.
  El fenol es muy utilizado en la industria
  química, farmacéutica y clínica como un potente
  fungicida, bactericida, antiséptico y
  desinfectante, también para producir
  agroquímicos, policarbonatos, en el proceso de
  fabricación de ácido acetilsalicílico (aspirina)
  y en preparaciones médicas como enjuagadientes y
  pastillas para el dolor de garganta.
• De ser ingerido en altas concentraciones, puede
  causar envenenamiento, vómitos, decoloración de
  la piel e irritación respiratoria.

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• Policlorinato bifenil
• fenol

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• Compuesto Heterocíclico

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• Reacciones de transformación Desde perspectivas
  ambientales, son 5 transformaciones químicas
  orgánicas de interés Fotoquímica, hidrólisis,
  oxidación, reducción y biotransformación.

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• Reacciones de Eliminación

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• La transformación de tetracloroeteno y
  tricloroeteno con la liberación resultante del
  ión de cloruro es la siguiente