Composición química y tipos de aguas naturales
Resumen
El agua es uno de los compuestos químicos más importantes para los seres humanos y la vida en general. El agua es uno de los recursos naturales más valiosos en nuestro planeta. En el presente trabajo, se pretende describir la composición y los tipos de aguas naturales a través de la explicación de sus características desde un punto de vista químico, para tener mejor conocimiento acerca de las fuentes, reacciones, transporte, efecto y destino de las especies químicas en el agua y para saber cómo pueden afectar en la disposición y en la calidad del agua. Se entiende por agua natural un sistema de cierta complejidad, no homogéneo, que puede estar constituido por una fase acuosa, una gaseosa y una o más fases sólidas. Las aguas naturales contienen en su seno una amplia variedad de sustancias y especies químicas, a causa fundamentalmente de la gran capacidad disolvente y reactiva del agua y de su potencial erosivo. Las aguas naturales están compuestas por gases, iones, especies ácidas, especies inorgánicas y materia orgánica. Existen procesos físico-químicos que influyen en la composición de las aguas. Hay una serie de fenómenos que pueden influir notablemente en los procesos físico-químicos y que limitan el contenido de sales disueltas. Las aguas naturales se clasifican en diferentes tipos, de esta forma se tienen el agua atmosférica, las aguas del subsuelo, como la edáfica y la subterránea, las aguas superficiales y aguas marinas. Cada tipo posee unas características y composición específicas. A través del desarrollo del presente documento, se concluyó que el agua es una sustancia verdaderamente prodigiosa, ya que nos relaciona a unos con otros y con el planeta entero; sin embargo, a pesar de su importancia, la despilfarramos y la contaminamos sin pensar antes que este es un recurso para el que no hay sustituto.
Palabras clave: agua, composición, propiedades, tipos, importancia
Abstract
Water is one of the most important chemical compounds to human beings and life in general. Water is one of the most valuable natural resources on our planet. In the present work aims to describe the composition and the types of natural waters through the explanation of its characteristics from a chemical point of view, to have better knowledge about the sources, reactions, transport, effects and fate of chemical species in the water and to know how they might affect the provision and the quality of the water. Water is a natural system with a certain degree of complexity, not homogeneous, which can be formed by an aqueous phase, a soda and one or more solid phases. Natural waters contain within a wide variety of substances and chemical species, mainly due to the large capacity and reactive solvent water and its potential erosive. Natural waters are composed of gases, ions, acidic species, species inorganic and organic matter. There are physical-chemical processes that influence the composition of the water. There is a series of phenomena which can significantly influence the physical-chemical processes and limiting the content of dissolved salts. Natural waters are classified into different types, in this way are the atmospheric water, the water of the subsoil, as the soil and groundwater, surface water and marine waters. Each type has a specific characteristics and composition. Through the development of this document, it was concluded that the water is a truly miraculous substance, because we are related to each other and to the entire planet; however, in spite of its importance, and pollute it because without thinking before that this is a resource for which there is no substitute.
Keywords: water, composition, properties, types, importance
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Describir la composición y los tipos de aguas naturales a través de la explicación de sus características desde un punto de vista químico, para que con ello se entiendan aspectos que tienen que ver con las fuentes, reacciones, transporte, efecto y destino de las especies químicas en el agua y para saber cómo pueden afectar en la disposición y en la calidad de la misma.
OBJETIVOS PARTICULARES
- Mencionar las principales especies químicas presentes en aguas naturales, clasificándolas de acuerdo a la forma química en la que se encuentran, y los factores de los cuales depende su composición.
- Señalar los procesos físico-químicos que tienen lugar en el seno de las aguas y que influyen en la composición de las mismas.
- Dar a conocer y explicar los fenómenos que limitan el contenido de sales disueltas en las aguas y que influyen en su composición.
- Presentar la clasificación de las aguas naturales y las características específicas para cada tipo de agua.
- Mostrar algunas formas de preparar tipos de agua.
- Hablar de la importancia del agua, así como de la problemática que se tiene acerca de su disposición, calidad y usos.
INTRODUCCIÓN
El agua es uno de los compuestos más importantes para la vida animal y vegetal y es el más empleado de los disolventes (Orozco et al., 2003).
El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido, (Snoeyink y Jenkins, 2004). Está formada por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno formando un ángulo de 105º (Rigola, 1989). Debido a la simetría de la molécula resultante, se presenta una polaridad de cargas que inducen la formación de enlaces de hidrógeno, responsables de las especiales propiedades físicas y químicas del agua (Rigola, 1989).
Se entiende por agua natural un sistema de cierta complejidad, no homogéneo, que puede estar constituido por una fase acuosa, una gaseosa y una o más fases sólidas (Orozco et al., 2003).
Las aguas naturales van a contener en su seno una amplia variedad de sustancias o especies químicas, a causa fundamentalmente de la gran capacidad disolvente y reactiva del agua y de su potencial erosivo (Orozco et al., 2003).
En la composición de las aguas naturales, van a influir una serie de variables, como son: el tipo de agua que se trate (marina, lacustre, superficial, subterránea, hielo, lluvia), y el tipo de terreno en el que se encuentre o atraviese, la temperatura y presión del medio, la época del año, etc. (Orozco et al., 2003).
Fijándose en el aspecto puramente cuantitativo, se debe indicar que el agua cubre aproximadamente el 72% de la superficie terrestre, y que la materia viva incluye en su composición altísimos porcentajes de esta sustancia. Valgan como ejemplo del contenido aproximado en agua de diversos organismos los siguientes datos: medusa 98%, embriones humanos >95%, recién nacido 70%, hombre adulto 60% y árboles 50% (Orozco et al., 2003).
Desde el punto de vista cualitativo, se puede señalar que todas las formas de vida, aun en el desierto, requieren una entrada importante de agua y casi todas las funciones de nutrición y excreción en los seres vivos se basan en el agua (Orozco et al., 2003).
El agua juega también un papel fundamental esculpiendo la superficie de la Tierra, moderando el clima y diluyendo los contaminantes. De hecho, sin agua la Tierra no tendría océanos, no habría vida tal como la conocemos y no habría seres humanos (Tyler, 2002).
DESARROLLO
COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS NATURALES
La composición del agua natural depende de muchos factores, tales como el tipo de agua (subterránea, marina, atmosférica), de su localización geográfica, de la estación del año que se considere, de la influencia antropogénica, etc. (Doménech, 2000).
Principales especies químicas presentes en las aguas naturales
Gases
Los gases más abundantes son los provenientes de la disolución de gases atmosféricos (CO2, N2 y O2 principalmente), los producidos por la actividad de los seres vivos (CO2 y O2) y los originados por la descomposición, aerobia o anaerobia, de los mismos (CO2, CH4, H2S, N2) (Orozco et al., 2003).
Sustancias inorgánicas
Los iones que se presentan en mayor concentración provienen (Orozco et al., 2003):
- De la disolución y meteorización de los materiales de la corteza terrestre, contándose entre los más abundantes los cationes Ca2+, Na+, Mg2+, K+, Fe2+, etc. (algunos de estos metales pueden estar en forma de especies complejas –compuestos de coordinación- con ligandos naturales orgánicos como ácidos húmicos, o inorgánicos como Cl-, OH-, etc.) y los aniones HCO3-, Cl-, SO42-, PO43-, F-, NO3-.
- De iones presentes en el agua de lluvia, como el H3O+ y el HCO3-.
- De los procesos de descomposición de los seres vivos: SO42-, PO43-, NO3-, NH4+, CH3COO-.
Sodio y Potasio
Los iones alcalinos más abundantes en el agua son el Na+ y el K+, los cuales están presentes en el medio acuoso a causa de procesos de meteorización de minerales (Doménech, 2000).
El ión sodio suele estar asociado con el ión cloruro. El contenido en aguas dulces suele estar entre 1 y 150 ppm, pero es fácil encontrar valores muy superiores, de hasta varios miles de ppm (Rigola, 1989).
El ión potasio es un nutriente esencial par la plantas y su concentración es usualmente inferior a la del ión sodio, en una relación inferior a 0.1(K+:Na+) (Doménech, 2000). Las aguas dulces no suelen contener más de 10 ppm y el agua de mar contiene alrededor de 400 ppm (Rigola, 1989).
Calcio y Magnesio
Entre los iones alcalinotérreos, los más comunes en las aguas naturales son el Ca2+ y el Mg2+. Estos elementos están presentes en forma de iones libres, y formando pares iónicos o complejos con aniones (M2+SO42-, MOH+, etc.). El origen de estos elementos debe buscarse en los procesos de disolución de minerales calcáreos, como la calcita (CaCO3) o la dolomita (MgCa(CO3)2). El calcio suele estar a una mayor concentración, por lo general en una relación Ca2+ :Mg2+ compendia entre 4:1 y 2:1. En el agua de mar y en otras aguas muy mineralizadas la relación puede invertirse. El factor que limita la presencia de estos elementos en el agua es la solubilidad de ciertas sales. Así, el carbonato de calcio es unas seis veces menos soluble que la correspondiente sal de magnesio. Otra sal de calcio bastante insoluble es la hidroxiapatita (Ca5(PO4)OH)), que se forma en medios alcalinos y que su precipitación es un factor limitante para la asimilación de fósforo por parte de las plantas (Doménech, 2000).
El contenido de calcio presente en las aguas dulces es de 10 a 250 ppm y de unos 400 ppm en el agua de mar. El contenido de magnesio en agua dulces está entre 1 y 100 ppm, y el agua de mar contiene unos 1300 ppm (Rigola, 1989).
Aluminio
Al pH que se encuentran las aguas naturales, el aluminio está presente a muy baja concentración en forma disuelta, debido a la baja solubilidad de los minerales que contienen este elemento, como son los aluminosilicatos y los hidróxidos y los óxidos de aluminio. Solamente a pH < 4, el aluminio en forma iónica puede liberarse de sus minerales. En disolución forma hidroxocomplejos, como Al(H2O)63+, Al(OH)(H2O)52+ y Al(OH)2(H2O)4+. En medios neutros precipita gasita (Al2O3·3H2O), formando pequeñas partículas coloidales (Doménech, 2000).
Hierro
El hierro está presente en la hidrosfera en forma de Fe divalente y trivalente. La primera es la forma habitual en ambientes reductores, tales como aguas subterráneas o en aguas profundas. En estas condiciones, se encuentra la forma iónica libre, Fe2+, o complejada con iones OH- (Fe(OH)+ y Fe(OH)3-). La especie Fe(OH)2 solo se encuentra en medios muy alcalinos en contraste, en medios bien aireados la forma estable es la trivalente. En medios ácidos las especies predominantes son Fe3+, Fe(OH)2+ y Fe(OH)2+. En medios con pH > 4, el Fe precipita como hidróxido. Normalmente, el Fe se encuentra en las aguas naturales a concentraciones de algunas unidades de ppm. No obstante, en aguas ricas en materia orgánica el Fe, y en particular el Fe(III), está a mayores concentraciones gracias a la formación de complejos con la fracción húmica de materia orgánica (Doménech, 2000).
Manganeso
El manganeso, al igual que el hierro, puede estar presente en el agua en varios estados de oxidación, siendo el II y el IV los más frecuentes. La forma II se encuentra en medios reductores, estando su concentración limitada por la formación del hidróxido, sulfuro y carbonato de Mn(II), cuyas respectivas solubilidades son muy bajas. La especie Mn(II) también forma complejos con el material húmico en disolución. En contacto con oxígeno disuelto, el Mn(II) se oxida a Mn(IV). Este proceso se realiza con rapidez en medios con pH > 9, si bien en presencia de partículas sólidas, principalmente óxidos de metales de transición, la oxidación puede ocurrir con facilidad en medios neutros. Una vez formada, la especie Mn(IV) se precipita como MnO2, la cual deteriora ostensiblemente las propiedades organolépticas del agua (Doménech, 2000).
Nitrógeno y Fósforo
Los compuestos inorgánicos de N y P, aunque se encuentran a bajas concentraciones en las aguas naturales, su presencia es relevante puesto que constituyen nutrientes esenciales para los organismos vivos. La presencia de ambos elementos en excesiva cantidad en el agua provoca un crecimiento rápido de algas y otras plantas verdes, que recubren la superficie de las aguas e impiden el paso de luz solar a las capas inferiores. Además, la descomposición de la biomasa generada consume oxígeno, empobreciendo el medio en este elemento. Este fenómeno se denomina eutrofización (Doménech, 2000).
La forma inorgánica predominante del P es como fosfato, particularmente H2PO4- y HPO42-. La concentración a la que se suele encontrar en las aguas naturales es muy baja (< 0.1 ppm), y ello es debido a la formación de los fosfatos de hierro (FePO4), aluminio (AlPO4), magnesio (Mg3(PO4)2) y, sobre todo, a la formación de la hidroxiapatita, cuya solubilidad es muy reducida (Doménech, 2000).
El nitrógeno se presenta en las aguas naturales bajo diferentes formas: amoniaco (NH3) o ión amonio (NH4+), nitrito (NO2-) o nitrato (NO3-). El NH4+ se encuentra en equilibrio con el NH3, siendo el pK de acidez del NH4+ de 9.25. en consecuencia, a pH neutro predominará el ión NH4+, siendo su concentración 180 veces mayor a la del NH3. el nitrógeno amoniacal, que procede básicamente de la descomposición de la materia orgánica animal, está presente en las aguas a concentraciones bajas (algunas centésimas de ppm). Buena parte de ello es debido a la fijación de ión amonio en los suelos, gracias a procesos de intercambio catiónico llevados a cabo principalmente con materiales arcillosos. La oxidación del ión NH4+, catalizada por bacterias nitrificantes, origina el ión NO2-. La concentración de esta especie en las aguas naturales es muy baja, debido a su oxidación a NO3-, que es la especie de nitrógeno inorgánico más estable en condiciones aerobias. La concentración a la que suele estar presente el ión NO3- en aguas naturales es superior a 0.01 ppm; la razón de lo anterior es que, a diferencia de lo que le sucede a ión NH4+, no es retenido por el suelo, sino que el NO3- presente en e medio edáfico es fácilmente percolado por el agua de infiltración. En efecto, las partículas sólidas del suelo poseen mayoritariamente carga negativa, debido a sustituciones isomórficas en aluminosilicatos o a la disolución de grupos ácidos y fenólico del humus. A consecuencia de ello, tienen lugar repulsiones electrostáticas entre estas partículas y las especies aniónicas en disolución que facilitan su percolación (Doménech, 2000).
Silicio
Un constituyente importante de las aguas naturales que suele encontrarse a concentraciones superiores a 1 ppm es el silicio. Este elemento se encuentra principalmente en forma de partículas de silicatos, sobre todo aluminosilicatos, las cuales se presentan en forma de granos muy finos, incluso de tamaño coloidal (diámetro inferior a 1 μm), razón por la que en medio acuoso permanecen en suspensión. Son aluminosilicatos típicos las arcillas, como la montmorillonita, la caolinita, la pirifilita, etc. Estos minerales presentan una gran superficie específica, así como una cierta carga en la red cristalográfica, la cual es el origen de la repulsión entre las partículas coloidales y dificulta a su vez su agregación y posterior precipitación (Doménech, 2000).
Cloruros
El ión cloruro, Cl-, forma sales en general muy solubles suele estar asociado al ión sodio, especialmente en aguas muy salinas. Las aguas dulces contienen entre 10 y 250 ppm de cloruros, pero no es raro encontrar valores mucho mayores. Las aguas salobres pueden tener centenares e incluso millares de ppm. El agua de mar contiene alrededor de 20000 ppm (Rigola, 1989).
El contenido en cloruros afecta la potabilidad del agua y su potencial uso agrícola e industrial. A partir de 300 ppm el agua empieza a adquirir un sabor salado (Rigola, 1989).
Sulfatos
El ión sulfato, SO42-, corresponde a sales de moderadamente solubles a muy solubles. Las aguas dulces contienen de 2 a 150 ppm, y el agua de mar cerca de 3000 ppm (Rigola, 1989).
Fluoruros
El ión fluoruro, F-, corresponde a sales de solubilidad en general muy limitada. No suele hallarse en proporciones superiores a 1 ppm. Tiene un efecto beneficioso sobre la dentadura si se mantiene su contenido alrededor de 1 ppm, y por este motivo, se añade a veces al agua potable (Rigola, 1989).
Merece ser señalada la presencia de especies ácidas en las aguas, que pueden tener un efecto importante en los procesos de meteorización, entre las que caben ser destacadas el CO2 o los ácidos orgánicos provenientes de la oxidación de la materia orgánica (Orozco et al., 2003).
Otras especies inorgánicas que se encuentran en suspensión proceden de la erosión y el ataque químico del agua sobre los materiales terrestres, siendo las arenas (sílice) y las arcillas (aluminosilicatos) las más abundantes (Orozco et al., 2003).
Los principales constituyentes inorgánicos presentas en las aguas naturales se muestran en la tabla 1 clasificados según su concentración y e la forma química en la que se encuentran, a excepción de los constituyentes minoritarios y traza, para los que solamente se especifica su símbolo químico (Doménech, 2000).
Tabla 1. Constituyentes inorgánicos en las aguas naturales (Doménech, 2000).
| Especies mayoritarias (1-1000 ppm) | Na+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, SO42-, Cl- |
| Especies secundarias (0.1-10 ppm) | Fe2+, Fe3+, Sr2+, K+, CO32-, NO3-, F-, H3BO3 |
| Especies traza (<10-3 ppm) | Be, Bi, Cs, Au, Pt, Ra, Ag, Sn |
Sustancias orgánicas
En cuanto a la materia orgánica disuelta presente en el agua y procedente de fuentes naturales, deben destacarse las especies provenientes de seres vivos, tales como aminoácidos, hidratos de carbono, ácidos grasos, alcoholes, terpenos, pigmentos naturales, etc., y en suspensión o estado coloidal las sustancias húmicas y fúlvicas, que constituyen la materia orgánica de los suelos, junto a otras macromoléculas orgánicas de origen natural, como proteínas y polisacáridos (Orozco et al., 2003).
Los compuestos orgánicos presentes en las aguas naturales provienen de los procesos metabólicos llevados a cabo por organismos autótrofos. Estos organismos sintetizan estos compuestos a partir de especies inorgánicas sencillas. Así mismo, la descomposición de la biomasa genera compuestos orgánicos. Como resultado de todo ello, se incorporan al agua una variada gama de compuestos orgánicos, como por ejemplo hidratos de carbono, ácidos carboxílicos, aminoácidos, aminas, polipéptidos, fenoles, ácidos grasos, etc. (Doménech, 2000).
Estos compuestos orgánicos sufren transformaciones químicas que dan lugar, o bien a productos de degradación más simples que los originales o bien a compuestos de condensación más resistentes a la biodegradación. Estos últimos pueden formar partículas coloidales que se mantienen en suspensión en el medio acuoso (Doménech, 2000).
La concentración a la que se suele encontrar la materia orgánica en las aguas naturales es, algunas decenas de ppm. En realidad, la concentración es muy variable, dependiendo del tipo de reservorio que se considere, del entorno natural y de la estación del año (Doménech, 2000).
Los compuestos fenólicos son las sustancias orgánicas comúnmente más abundantes en el medio hídrico. Pueden distinguirse compuestos monoméricos –mono y polihidroxifenólicos, generados como producto de transformaciones metabólicas de compuestos aromáticos y poliméricos, como los taninos y ligninas. Otra fracción importante de materia orgánica disuelta o en estado coloidal corresponde a las sustancias húmicas. Estos compuestos son polielectrolitos, es decir, polímeros con grupos iónicos o ionizables en las cadenas, que contienen fundamentalmente grupos hidroxilo y carboxilo. En realidad, se desconoce cuál es su fórmula química exacta (Doménech, 2000).
En las aguas naturales la fracción húmica comprende entre el 5 y el 75% de toda la materia orgánica disuelta y proviene, básicamente, de la percolación del agua a través del suelo. La materia húmica causa una degradación de las propiedades organolépticas del agua, dando lugar a una coloración entre amarilla y marrón, cuya intensidad aumenta al aumentar el pH del medio. Los dos componentes principales del humus, fácilmente separables mediante procesos de hidrólisis, son los ácidos húmicos y fúlvicos. Estos componentes se diferencian entre ellos por su composición empírica y en el número de grupos ácido en sus cadenas. Así, los ácidos húmicos, son más ricos en carbono y más pobres en oxígeno que los ácidos fúlvicos, mientras que éstos contienen más grupos ácido que aquellos (Doménech, 2000).
PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS QUE INFLUYEN EN LA COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS
Se puede resumir la posibilidad de incorporación de sustancias al agua según el siguiente esquema, el cual señala los tipos de procesos y reacciones en los que participa la propia agua o algunas de las especies existentes en el seno de la misma. También se indica la naturaleza de algunas de las sustancias que con más frecuencia aparecen en las aguas (Orozco et al., 2003):
Factores que afectan a los procesos físico-químicos
Se pueden señalar tanto factores inherentes a las propias características del agua como otros de tipo ambiental o referentes a las interacciones del agua con los terrenos y ricas con los que se pone en contacto (Orozco et al., 2003).
- Entre las características del agua, se pueden destacar: pH, potencial redox, temperatura, concentración de gases y especies disueltas, microorganismos (Orozco et al., 2003).
- Entre los factores ambientales deben destacarse la temperatura y la presión: la temperatura porque modifica la solubilidad de todas las sustancias y el producto de solubilidad de sales insolubles; la presión, porque es factor determinante en la solubilidad de gases y hasta de sales, como en el par carbonato/hidrogenocarbonato de calcio, que depende de la presión parcial del dióxido de carbono en el agua (Orozco et al., 2003).
- Entre los factores relativos a la interacción agua-terreno, merecen reseñarse: tiempo de contacto, superficie de contacto que incluye propiedades como la granulometría y porosidad del material sólido, capacidad de intercambio iónico y adsorción (Orozco et al., 2003).
FENÓMENOS LIMITANTES DEL CONTENIDO DE SALES DISUELTAS
La composición de un agua cambia a lo largo de su recorrido por el correspondiente cause, ya sea superficial o subterráneo, como consecuencia no sólo de los procesos físico-químicos, sino también por una serie de fenómenos que pueden influir en los mismos, entre los que se pueden destacar (Orozco et al., 2003):
- Cambio de fases. Las aguas, en el curso de su trayecto, principalmente el subterráneo, entran en contacto con sustancias sólidas que tienen la propiedad de cambiar sus iones con los contenidos en el agua, mediante procesos de adsorción. La adsorción puede ser de naturaleza física, con débiles uniones entre el material adsorbente y la especie adsorbida, o una adsorción química, a consecuencia de la formación de verdaderos enlaces químicos. Pueden así fijarse iones en la superficie e incluso en el interior de determinadas sustancias presentes e el terreno y también intercambiarse, principalmente, cationes fijos del terreno por cationes disueltos en el agua (Orozco et al., 2003).
- Concentración por disolución y por evaporación. La concentración por disolución se produce por influencias litológicas, pues las sales proceden de los terrenos drenados por el agua: los factores que influyen son la temperatura, la presión, superficie y tiempo de contacto, volumen de agua, etc. La concentración por evaporación tiene lugar por causas climáticas, teniendo lugar en zonas de superficie (Orozco et al., 2003).
- Nuevas disoluciones. La disolución de nuevas sales hace que pueda variar el contenido de las ya existentes, lo que puede producirse en dos sentidos opuestos, aumentando o disminuyendo la concentración. El primer efecto es el denominado efecto salino, por ejemplo, un aumento de la concentración de ión cloruro o ión sodio, permitirá un mayor disolución de sulfato o carbonato de calcio. El segundo efecto, denominado del ión común, provoca la precipitación de determinados iones; por ejemplo la disolución yesos (sulfato de calcio) podrá provocar a precipitación de carbonato de calcio en aguas con alto contenido en calcio (Orozco et al., 2003).
- Mezclas. En la confluencia de dos ríos o de un río con un embalse, se producen mezclas de aguas de distintas composiciones. Esto puede dar lugar a distintos tipos de procesos físico-químicos, en función de las diferentes especies disueltas en cada agua que se mezcla. El equilibrio existente, principalmente por fenómenos de precipitación (superación de producto de solubilidad de las sales) y en otros casos por procesos de complejación. Por formación o destrucción de determinados compuestos de coordinación (Orozco et al., 2003).
TIPOS DE AGUAS NATURALES
Agua atmosférica
El agua atmosférica corresponde al agua líquida natural presente en la atmósfera. Esta se concentra, prácticamente toda, en las nubes; el contenido de agua en las nubes es entre mil y cien mil veces mayor que el contenido en los aerosoles atmosféricos (Doménech, 2000). Se caracteriza porque (Orozco et al., 2003):
- Llevan en disolución los gases presentes en el aire: CO2, SO2, NO, O2, O3, CH4.
- Es un agua muy poco mineralizada (10-100 ppm como valores medios), dependiendo de las zonas marinas o continentales.
- Se trata de agua con bajo contenido de sustancias orgánicas provenientes de la oxidación de compuestos orgánicos en general y de algunos hidrocarburos simples, en particular.
Una nube es una solución supersaturada de partículas de agua líquida o sólida en el aire. Normalmente, en las nubes hay una mezcla de partículas sólidas y líquidas. Por término medio, el espacio libre entre partículas en la nube es unas cien veces la dimensión de éstas. El tamaño de las gotas en la nube está comprendido entre 10 y 50 μm. Sin embargo, las gotas terminan por agregarse para generar gotas de lluvia, las cuales poseen un diámetro aproximado de 1000 μm. Con tal tamaño, las gotas precipitan en la superficie terrestre (Doménech, 2000).
Tanto en su formación dentro de las nubes como durante su precipitación, las gotas líquidas van disolviendo sustancia atmosféricas, tanto sólidas como gaseosas. En realidad, las pequeñas gotas en el interior de la nube suelen formarse alrededor de partículas sólidas, las cuales actúan como núcleos de condensación. El tipo de partículas que suelen actuar como dichos núcleos son las partículas marinas, constituidas básicamente de NaCl, o bien partículas sólidas de óxidos procedentes de la erosión continental. Otras partículas nucleadoras son las sales amónicas (sulfatos y nitratos) (Doménech, 2000).
Aguas superficiales
Agua dulce
Es el agua, que independientemente de ser o no potable, tiene un contenido de sales tal que no llega a darle sabor (Nebel y Wright, 1999).
Como resultado de la purificación por evaporación, todas las formas de precipitación son de agua dulce, lo mismo que lagos, ríos, aguas subterráneas y otras masas que reciben un flujo abundante de agua de lluvia (Nebel y Wright, 1999).
Aguas superficiales de escorrentía (fluviales)
Entre sus características se pueden citar (Orozco et al., 2003):
- Su composición va depender fundamentalmente del tipo de terreno atravesado.
- La composición es variable en función del tramo de río considerado: procesos de erosión y disolución.
- Los estuarios son zonas especiales con fenómenos de estratificación y coagulación
Aguas lacustres y embalses
Se puede destacar que (Orozco et al., 2003):
En los que tienen una profundidad importante, superior a 8 metros, se produce una estratificación térmica que lleva a la existencia de dos zonas separadas por el termoclina, en una y otra tienen lugar distintos procesos, lo que origina una composición diferente en cada una de ellas Orozco et al., 2003):
- En las zonas superficiales (Epilimnion), se encuentran especies oxidadas como O2, CO2, SO42-, NO3-, Fe(III), Mn(IV).
- En las zonas profundas (Hypolimnion), se encuentran especies reducidas como CH4, H2S, NH3, Fe(II), Mn(II).
Aguas marinas
En ellas merece destacarse (Orozco et al., 2003):
- La influencia de los aportes de la atmósfera (a toda la superficie oceánica), de los ríos (zonas costeras), glaciares (regiones polares) y aguas hidrotermales (zonas profundas).
- Se produce una estructura en capas como en el caso de los lagos, con composiciones diferentes en cada una de ellas.
- Poseen una elevada salinidad (35-45 g/kg), al actuar como depósito de los restantes tipos de aguas, dependiendo su valor esencialmente de la climatología (evaporación) y de la profundidad.
- El valor de pH es bastante constante (7.8-8.2), debido al efecto tampón de los pares de sustancias existentes.
- El contenido en oxígeno disuelto disminuye con la profundidad.
- La materia orgánica es más abundante en las capas superficiales, debido a una mayor actividad del fitoplancton.
- La concentración de bionutrientes, compuestos de nitrógeno y fósforo, es muy variable.
Como muestra de lo señalado anteriormente, se puede observar, por ejemplo en la tabla 2, la diferencia de composición entre aguas saldas y agua dulces, en cuanto a algunas de las especies iónicas mayoritarias. Naturalmente, se trata de valores medios y de aguas no especiales, dentro de cada tipo (Orozco et al., 2003).
Tabla 2. Especies iónicas presentes en los diferentes tipos de aguas (Orozco et al., 2003).
| Iones principales | Agua de mar promedio(g/kg) | Agua fluvial promedio(g/kg) | Agua lacustre promedio(g/kg) |
| Cl- | 19.35 * | 0.008 | 0.026 |
| SO42- | 10.76 | 0.011 | 0.027 |
| HCO3- | 0.14 | 0.059 * | 0.155 * |
| Br- | 0.07 | - | - |
| Na+ | 10.76 * | 0.006 | 0.012 |
| Mg2+ | 1.29 | 0.004 | 0.006 |
| Ca2+ | 0.41 | 0.015 * | 0.043 * |
| K+ | 0.39 | 0.002 | 0.0015 |
Se observa cómo e el agua de mar la concentración de los iones que se encuentran en mayor proporción (ver asterisco) tiene valores mil veces más elevados que en los otros tipos de aguas. Los iones mayoritarios en la aguas marinas son Na+ y Cl-, frente a Ca2+ y HCO3- de las aguas fluviales. La razón parece deberse, en buena parte, a los crustáceos presentes en los océanos, que serían los responsables de la disminución de los iones calcio e hidrogenocarbonato del agua marina, al utilizarlos para formar sus esqueletos de carbonato de calcio (Orozco et al., 2003).
Pero además, el agua de los ríos y lagos puede tener una composición muy distinta en función de los terrenos que recorra o se encuentre, pues según la naturaleza de éstos, y dependiendo de multitud de factores como lo superficie y tiempo de contacto, velocidad de difusión, temperatura, presión, concentración de especies disueltas, etc., puede arrastrar en su seno diferentes sustancias. Así, las zonas yesíferas son responsables de mayor abundancia de iones sulfato y calcio; en zonas calizas y dolomíticas, gracias a la acidez de la aguas, será posible la disolución de algunas especies presentes en esta rocas; las zonas feldespáticas incorporan sílice, tanto en suspensión como n solución; las zonas ricas en sulfuro de hierro pueden aportar el catión hierro (II) e incluso aumentar la acidez de las aguas. La existencia de catión hierro (III) en algunas aguas profundas parece estar relacionada con depósitos subterráneos de compuestos de hierro, capaces de formar hidróxidos de hierro (III) con agua caliente, etc. En general, las aguas lacustres contienen una mayor concentración de sales disueltas que las fluviales, como se puede observar en la tabla 2 (Orozco et al., 2003).
Agua salada o salina
Agua de océanos y mares en su mayoría, que contiene al menos tres por ciento de sales (30 partes por millar). Es el agua que contiene sales en mayor proporción que las aguas normalmente destinadas a usos domésticos, agrícolas o industriales (Nebel y Wright, 1999).
Agua dura y agua blanda
El agua dura es aquella que contiene minerales, sobre todo carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio, por lo que corta el jabón e impide la formación de espuma. Produce escoria, cuajos u óxidos en calderas y calentadores. En cambio, el agua blanda es aquella casi libre de los minerales que hacen que el jabón precipite y forme incrustaciones, es decir, está casi libre de calcio y magnesio (Nebel y Wright, 1999).
En términos de dureza las aguas pueden clasificarse así (Romero, 1999):
| 0-75 mg/L | Blanda |
| 75-150 mg/L | Moderadamente dura |
| 150-300 mg/L | Dura |
| >300 mg/L | Muy dura |
Aguas del subsuelo
Como agua del subsuelo se entiende aquélla que se encuentra debajo de la corteza terrestre. Al igual que el agua superficial, la composición química del agua del subsuelo es muy variable, dependiendo de la localización y de la profundidad que se considere. Se pueden distinguir dos tipos de aguas: agua edáfica y agua subterránea, en las que se podría destacar (Orozco et al., 2003):
- Son muy importantes los procesos de intercambio de iones agua-suelo.
- Se produce la adsorción de determinados iones metálicos del agua mediante procesos de complejación con materiales arcillosos y sustancias húmicas.
- El proceso de filtración efectuado por el terreno produce unas aguas con ausencia de materiales en suspensión y de color.
- La mineralización es elevada, por lo que las aguas presentan una fuerte conductividad.
- Las condiciones reductoras conducen a la presencia de especies con bajo grado de oxidación: Fe(II), Mn(II), H2S.
Agua edáfica
El agua edáfica se localiza en la zona no saturada del subsuelo, en la cual el agua forma una capa superficial adsorbida sobre la superficie de las partículas sólidas. La composición química del agua edáfica es el resultado de su interacción con las partículas minerales, especialmente a través de intercambio iónico. La presencia de especies en el agua edáfica se debe también a su interacción con el aire del suelo, ya que el agua no llena completamente los poros existentes entre las partículas, sino que comparte el espacio poroso con el aire infiltrado. Los iones más abundantes en el agua edáfica son Cl-, SO42- y Ca2+, los cuales se encuentran a niveles comprendidos entre algunas decenas y varias centenas de ppm. Otros iones no tan abundantes son: Mg2+, H3SiO4-, HCO3-, K+, Na+ y Mn2+. La materia orgánica es mucho menos abundante en el agua edáfica, debido a su descomposición en procesos microbiológicos y en procesos químicos de oxidación que ocurren en el suelo (Doménech, 2000).
Agua subterránea
Esta agua se localiza en la zona saturada del subsuelo, es decir, en la región donde todos los poros están llenos de agua. Esta agua tiene su origen en la infiltración del agua superficial, lo cual hace que varíe su composición química, enriqueciéndose de elementos minerales y empobreciéndose de materia orgánica. Por lo anterior, usualmente el agua subterránea es de gran calidad para el consumo humano. Su elevada mineralización se debe a diversos procesos. Durante la infiltración del agua superficial se van incorporando sales solubles presentes en el suelo como cloruros, nitratos y sulfatos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Además, a causa de la presencia de CO2 en el agua edáfica, se produce la solubilización de carbonatos. Por ejemplo (Doménech, 2000):
En general, para los iones más abundantes, presentes a concentraciones entre algunas unidades y algunas centenas de ppm, se observa la siguiente ordenación para cationes: Ca2+ > Mg2+ > Na+ > K+; los aniones se presentan en el siguiente orden: HCO3- > Cl- > SO42-. El CO2 está presente en disolución a niveles elevados, mientras que la concentración de O2 es baja, siendo mínima en los horizontes más profundos del suelo, lugar en el que se desarrollan procesos anaerobios (Doménech, 2000).
FORMAS DE PREPARAR TIPOS DE AGUAS
Fórmula para preparar 8 litros de agua de mar (Covanaugh, 1956):
| Sustancia | Cantidad (g/8L) |
| NaCl | 197.8 |
| KCl | 4.96 |
| CaCl2·2H2O | 10.88 |
| MgCl2·6H2O | 37.28 |
| MgSO4·7H2O | 50.32 |
| KBr | 0.712 |
| NaF | 0.024 |
| SrCl2·6H2O | 0.296 |
| H3BO3 | 0.192 |
Fórmula para preparar 8 litros de agua de mar libre de HCO3- (Covanaugh, 1956):
| Sustancia | Cantidad (g/8L) |
| NaCl | 197.8 |
| KCl | 5.36 |
| CaCl2·2H2O | 10.88 |
| MgCl2·6H2O | 37.28 |
| MgSO4·7H2O | 50.32 |
Fórmula para preparar 1 litro de agua de mar libre de calcio y magnesio (Covanaugh, 1956):
| Sustancia | Cantidad (g/L) |
| NaCl | 25.53 |
| KCl | 9.00 |
| MgCl2 | 22.94 |
| MgSO4 | 25.50 |
| NaHCO3 | 2.15 |
Fórmula para preparar 1 litro de agua de mar libre de magnesio (Covanaugh, 1956):
| Sustancia | Cantidad (g/L) |
| NaCl | 28.15 |
| Na2SO4 | 7.24 |
| KCl | 9.00 |
| CaCl2 | 9.27 |
| NaHCO3 | 2.15 |
IMPORTANCIA, CALIDAD Y PROBLEMÁTICA DEL AGUA
¿Por qué el agua es tan importante?
El agua es uno de los compuestos químicos más importantes para los seres humanos y la vida en general, tal como se desarrolla en nuestro planeta (Orozco et al., 2003).
El agua es uno de los recursos más valiosos en nuestro planeta. Este líquido es tan importante porque ahí se originó la vida. Todos los procesos vitales de los seres vivos están asociados con el agua; las reacciones químicas que se llevan a cabo en nuestros cuerpos dependen de ella. Esta es la razón por la que todos los organismos contienen gran cantidad de agua (Leal et al., 1996).
Los organismos terrestres están constituidos en su mayor parte por agua; de un árbol, aproximadamente el 60% en peso es agua y la mayoría de los animales, incluidos los seres humanos, son agua en un 50-65% aproximadamente (Tyler, 2002).
Cada uno de nosotros necesita dos litros de agua al día para sobrevivir, pero se necesitan enormes cantidades de agua para suministrarnos alimento, refugio y el resto de nuestras necesidades y deseos. El agua juega también un papel fundamental esculpiendo la superficie de la Tierra, moderando el clima y diluyendo los contaminantes. De hecho, sin agua la Tierra no tendría océanos, no habría vida tal como la conocemos y no habría seres humanos (Tyler, 2002).
¿Cómo empleamos el agua dulce del mundo?
Desde 1950, la tasa mundial de consumo de agua de fuentes superficiales y subterráneas se ha incrementado en casi cinco veces y el empleo por persona se ha triplicado de acuerdo con un estudio, los humanos emplean en la actualidad aproximadamente el 54% de la escorrentía superficial mundial que, de forma realista, está disponible del ciclo hidrológico. A causa del incremento de la población y del desarrollo económico, las tasas de consumo de agua superficial se proyectan al doble ya exceder la escorrentía superficial disponible en un número creciente de zonas (Tyler, 2002).
Los usos del agua consumida varían de una región a otra y de un país a otro. En todo el mundo, aproximadamente el 25% del agua consumida se emplea en la producción de energía (producción de petróleo y de gas y de refrigeración de centrales energéticas) y en procesos industriales, limpieza y remoción de desechos. La agricultura y los productos manufacturados requieren grandes cantidades de agua, gran parte de la cual podría ser utilizada eficazmente y reutilizada (Tyler, 2002).
¿Qué causa la escasez de agua potable?
De acuerdo con Malin Falkenmark, experto en agua, hay cuatro causas que explican la escasez del agua (Tyler, 2002):
- El clima seco.
- La sequía (un periodo en el que las precipitaciones son mucho más bajas de lo normal y la evaporación más alta de lo normal).
- La desecación (secado del suelo como consecuencia de actividades tales como la deforestación o el exceso de pastoreo).
- Estrés del agua (baja disponibilidad del agua por persona a causa del creciente número de personas dependientes de los niveles relativamente fijos de escorrentía).
Desde los años 70, la escasez de agua intensificada por las sequías prolongadas ha matado a más de 24000 personas al año y originado muchos refugiados que han tenido que abandonar sus tierras secas. En zonas de escasez de agua, muchas mujeres y niños han de recorrer cada día grandes distancias, trasportando pesados jarros o bidones para conseguir exiguos suministros de agua, algunas veces contaminada. Millones de pobres de los países en vías de desarrollo no tienen otra elección que tratar de sobrevivir en tierras propensas a la sequía (Tyler, 2002).
¿Cómo podemos incrementar los suministros de agua?
Hay cinco maneras de aumentar el suministro de agua dulce en una zona determinada (Tyler, 2002):
- Construir presas y embalses para almacenar la escorrentía.
- Traer por superficie agua de otra zona.
- Extraer agua subterránea.
- Convertir agua salada en agua dulce (desalinización).
- Mejorar la eficacia en el empleo del agua.
¿Por qué es tan importante reducir el derroche de agua?
Es importante aumentar el suministro de agua en algunas zonas, pero el incremento de la población, de las necesidades de alimentos y de la industrialización superan finalmente esta aproximación. Tiene mucho más sentido, económica y ambientalmente, emplear el agua de un modo más eficaz (Tyler, 2002).
Mohamed El-Ashry, del Instituto Mundial de Recursos, estima que el 65-70% del agua que la gente usa en todo el mundo se despilfarra por evaporación, fugas y otras pérdidas. El-Ashry cree que es económica y técnicamente posible reducir la pérdida de agua al 15%, obteniéndose de ahí gran parte de las necesidades de agua para un futuro previsible (Tyler, 2002).
CONCLUSIÓN
- El agua está constituida por varias especies químicas, las cuales pueden estar disueltas o suspendidas en ella.
- La composición de las aguas depende de múltiples factores, tales como el tipo de agua, el tipo de terreno y la estación del año, por mencionar algunos.
- Es importante conocer los procesos físico-químicos que tienen lugar en el seno de las aguas ya que éstos determinan la posibilidad de incorporar sustancias al agua variando su composición.
- La composición de un agua cambia a lo largo de su recorrido, ya sea superficial o subterráneo, como consecuencia no sólo de los procesos físico-químicos, sino también por una serie de fenómenos que pueden influir en los mismos.
- Las aguas naturales se clasifican en diferentes tipos y cada uno de ellos posee unas características específicas en cuanto a su composición química.
- Es posible prepara tipos de aguas variando su composición química, lo cual es de gran importancia para cuando se quieren realizar experimentos bajo condiciones controladas.
- El agua es una sustancia verdaderamente importante ya que, nos relaciona a unos con otros y con el planeta entero; sin embargo, a pesar de su importancia, la despilfarramos y la contaminamos y también pagamos demasiado poco por tenerla disponible, estimulando así un mayor desperdicio y contaminación de este recurso, para el que no hay sustituto.
BIBLIOGRAFÍA
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Rigola, M. 1989. Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Ed. Productica, España, 11-13, 32-41.
Orozco, C., Pérez, A., González, N., Rodríguez, F. J. y Alfayate, J. M. 2003. Contaminación ambiental: una visión desde la química. Ed. Thomson, España, pp. 31, 41-62.
Tyler, G. 2002. Introducción a la ciencia ambiental: desarrollo sostenible de la Tierra. Quinta edición. Ed. Thomson, España, pp. 333-348.
Doménech, X. 2000. El medio hídrico terrestre. Tercera edición. Ed. Miraguano, Madrid, pp. 17-35.
Nebel, B. J. y Wright, R. T. 1999. Ciencias ambientales: ecología y desarrollo sostenible. Sexta edición. Ed Pearson, México, pp. 263-290.
Romero, J. A. 1999. Calidad de agua. Segunda edición. Ed. Alfaomega, México, 82-85.
Cavanaugh, G. M. 1956. Formulae and methods of the marine biological laboratory. Ed Marine biological laboratory, Massachusetts, pp. 79-72, 83-85.
Leal, M., Chávez, V. y Larralde, L. 1996. Temas ambientales. Ed. UNAM, México, pp. 13.
[a] Profesor Investigador de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.