Conviértete en un analista de calidad de agua Teach article

Traducido por César Díez Factor. Las actividades industriales e incluso los cambios geológicos pueden afectar a la calidad del agua, causando una contaminación que represente riesgos para la salud humana y el medio ambiente. Aprende cómo convertirte en un analista independiente para…

Corriente de agua
Imagen cortesía de k bottema /
Flickr

Las actividades industriales e incluso los cambios geológicos pueden ser muy perjudiciales para la calidad del agua, contaminándola con fertilizantes, pesticidas, iones metálicos o compuestos orgánicos que pueden representar  riesgos para la salud humana y el medio ambiente. Es por tanto crucial controlar constantemente la calidad de las fuentes de agua dulce, tales como los ríos.

Los analistas de calidad son una parte clave del proceso para mantenernos a salvo del agua contaminada. Ellos comprueban regularmente la calidad del agua realizando análisis cuantitativos (como la determinación de la cantidad de un ion en una disolución) en muestras reunidas  de varios lugares antes, durante y después del tratamiento del agua.

En la siguiente actividad, los estudiantes se ponen en el lugar de un analista de calidad de agua  que trabaja al lado de una planta de manufacturación similar a la Tata Steel de Scunthorpe, UK. Tendrán que reaccionar ante un escenario específico, realizar los análisis apropiados, y determinar si la planta está eliminando el tiocianato de su agua residual eficientemente.

Tiocianatos: un veneno omnipresente

El carbón se convierte en
coque en los hornos de
coque. Los iones tiocianato
son el subproducto

Imagen cortesía de la Royal
Society of Chemistry

Los iones tiocianato (SCN) son tóxicos para los organismos acuáticos y se sabe que afectan a la glándula tiroides de los humanos, reduciendo la capacidad de la glándula de producir las hormonas necesarias para el normal funcionamiento del cuerpo.

Los tiocianatos pueden tener muchos orígenes diferentes. La gasificación del carbón y la fabricación de productos químicos útiles a partir del carbón, por ejemplo, producen grandes cantidades de iones tiocianato, junto con un gran número de otros compuestos tóxicos tales como fenoles y amonio. Estos subproductos son por tanto constituyentes del agua residual de la planta.

Los tiocianatos se pueden encontrar también cuando se usa cianuro en la minería de metales preciosos. El cianuro se convierte en tiocianato por reacción con azufre, que se encuentra naturalmente en las menas:

8CN + S8 → 8SCN

Algunos pesticidas también pueden contener iones tiocianato como  su compuesto activo venenoso. Se encuentran trazas de tiocianato de forma natural en el cuerpo humano como producto derivado del metabolismo de la cisteína y la desintoxicación del cianuro –luego se excreta en la orina. Puede entrar en el cuerpo humano por el tabaco y es un producto  derivado del metabolismo de algunos medicamentos usados para tratar la hipertensión.

Microbios vs veneno

El proceso de eliminar los iones tiocianato del agua residual se lleva a cabo en unos grandes tanques de hormigón abiertos al aire que contienen lodos activos, un material biológicamente activo  formado por una gama de microorganismos que pueden descomponer los iones tiocianato y otros contaminantes en otros compuestos menos peligrosos. La reacción química que tiene lugar para neutralizar el tiocianato es:

SCN + 3H2O + 2O2 → HCO3 + NH4+ SO42- + H+

Esta reacción es un ejemplo de biorremediaciónw1, un proceso en el cual se usan microbios para limpiar suelos y aguas subterráneas contaminadas. Las plantas pueden también usarse para limpiar tierra contaminada, en un proceso llamado fitorremediaciónw2.

Antes y después del tratamiento, el agua puede ser analizada fácilmente para detectar la presencia de iones tiocianato. Si la disolución se vuelve de color rojo sangre tras añadir cloruro de hierro (III), entonces hay presentes iones tiocianato, como se ve en esta ecuación:

Paisaje industrial cerca de
Vancouver, Canadá

Imagen cortesía de Evan
Leeson / Flickr

Fe3+(aq) + SCN(aq) → [FeSCN]2+(aq)

or, more fully,

[Fe(H2O)6]3+(aq) + SCN(aq) → [Fe(H2O)5SCN]2+(aq) + H2O(l)

Esta reacción puede ser usada para el análisis cuantitativo de iones tiocianato en baja concentración. Usando un colorímetro, puedes medir la absorbancia a 480 nm del complejo [Fe(H2O)5SCN]2+ y deducir la concentración exacta de iones tiocianato, siempre y cuando no sea demasiado alta. También puedes usar una simple asociación de colores, aunque los resultados serán menos precisos y sólo cualitativos.

Escenario

Como se explica en la hoja de trabajo 1w3, los alumnos deben ponerse en el papel de un analista de calidad de una pequeña agencia independiente de control de calidad que comprueba los resultados para asegurar que cumplen los requisitos de la Agencia del Medio ambiente del Reino Unido.

Planta de acero en
Pittsburgh, PA, USA, en 1905

Imagen en el  Dominio Público.
Fuente: Biblioteca Pública de
Boston

Se sabe que el vertido de una planta industrial como  la Tata Steel situada en Scunthorpe contiene alrededor de 250 mg/dm3 (250ppm) de iones tiocianato. Sin embargo, el nivel seguro que da la Agencia del Medio ambiente del Reino Unido  es 10 mg/dm3, así que el vertido es tratado y la concentración de tiocianato se reduce a 1mg/dm3, muy por debajo de los límites de seguridad. Los iones tiocianato se extraen del vertido antes de que éste se eche al río Trent.

Ha habido un período de tiempo intensamente frío recientemente, que puede afectar a la actividad de los microorganismos. A la compañía le preocupa que esto haya afectado a su planta de tratamiento de aguas y haya reducido la efectividad en la eliminación de los iones tiocianato del agua a tratar.

Normalmente se analizan los tiocianatos en la planta tres veces al día usando un simple test: se añade a la muestra de agua una disolución ácida de cloruro de hierro (III) y la concentración de tiocianato se mide fotométricamente por la absorbancia debida al complejo tiocianato de hierro (III). Cada semana se realizan un total de 16 pruebas distintas. Las muestras del vertido entrante y el agua listo para descargarse al río también son llevadas para hacerles un análisis preciso.

Los analistas de la compañía han hecho la revisión, pero la compañía busca un analista independiente: tú!

 

Conviértete en un analista de calidad de agua – esquema general

Nota de seguridad

Debes usar una adecuada protección en ojos y manos para manejar los ácidos y los tiocianatos.  Puedes comprobar las normas de seguridad en la página de Science in School al final de esta edición impresa.

La siguiente actividad va dirigida a alumnos de 16 a 18 años y dura alrededor de 2 horas.

Trabajo prévio

Dentro del laboratorio de
análisis en la planta Tata
Steel

Imagen cortesía de la Royal
Society of Chemistry

1 – Prepara las siguientes disoluciones antes de comenzar la actividad práctica:

a-Disolución de tiocianato de potasio (KSCN) de 250 mg/dm3 (250 ppm). Disuelve 4,5 g de tiocianato de potasio en 500 cm3 de agua destilada. Después diluye 50 cm3 de esta disolución hasta 1 dm3: ahora está a una concentración de 250 mg/dm3 en iones de tiocianato.

b-Disolución ácida de cloruro de hierro (III) (FeCl3(H2O)6) de 0,41 mol/dm3. Disuelve 50 g de FeCl3(H2O)6 en unos 250 cm3 de una disolución de ácido clorhídrico (HCl) de 1 mol/dm3.

c-Doce muestras etiquetadas de diferentes concentraciones de iones de tiocianato.

  • Las muestras 1 a 4 representan el agua de una tubería de entrada que se introduce en la planta de tratamiento de agua residual. Diluye 10 veces la disolución de tiocianato de potasio de 250 mg/dm3 para obtener una concentración de 25 mg/dm3.  Luego deben diluirse ligeramente para presentar variación en la concentración a través de las cuatro muestras.
  • Las muestras 5 a 8 representan el agua tomada de la tubería cuando libera el vertido desde la planta de tratamiento de aguas al río. Deberían prepararse a una concentración de 5 mg/dm3: toma una pipeta de 10 cm3 de disolución de tiocianato de potasio 250 mg/dm3 y llévalo a un matraz aforado de 500 cm3; añade agua destilada hasta la marca.
  • Las muestras 9 a 12 representan el agua de los tanques de sedimentación. Deberían prepararse mezclando la disolución de tiocianato de potasio de 25 mg/dm3 con un volumen igual o doble de agua destilada. La proporción exacta entre la disolución de tiocianato y el agua no es crucial.
Figura 1. Plano anotado de la planta de tratamiento de agua residual indicando dónde se pueden tomar las muestras
Imagen cortesía de la Royal Society of Chemistry

2- Proporciona a los alumnos un plano de la planta (figura 1), la hoja de trabajo  1w3  esquematiza  la situación, y la hoja de trabajo 2w4  describe todos los detalles sobre el proceso de análisis.

3- Los alumnos deberían escribir una carta a la compañía que dirige la planta de tratamiento de aguas residuales solicitando muestras para el análisis. Deberían especificar en qué punto de la circulación del vertido que pasa por la planta quieren que se extraigan las muestras, cuántas muestras necesitan y cuándo deben ser tomadas. También deberían especificar la cantidad que se necesita de cada muestra, cómo deben ser tomadas y en qué tipo de recipiente deberían recogerse.

4- Los alumnos deberían trabajar en parejas para analizar sus muestras de acuerdo con el método descrito en la hoja de trabajo 2w4.

Materiales

  • Bureta
  • 7 matraces aforados de 100 cm3
  • Colorímetro y el filtro adecuado (azul) – una disolución del complejo presenta máxima absorción a 480 nm
  • 30 cm3 de disolución de tiocianato de potasio de concentración 250 mg/dm3 en iones tiocianato (250ppm)
  • 70 cm3 de una disolución de cloruro de hierro (III) 0,41 mol/dm3
  • 10 cm3 de una disolución de concentración desconocida en tiocianato (la cual necesitarás analizar en tu papel de analista de calidad de agua)

Procedimiento

Dentro del laboratorio de
análisis en la planta Tata
Steel

Imagen cortesía de la Royal
Society of Chemistry

Cuidado: utiliza protección de ojos. El cloruro de hierro (III) es irritante.

1. Haz una gráfica de calibración

a- Llena tres buretas, una con la disolución de tiocianato de potasio de 250 ppm en tiocianato, otra con agua destilada y otra con la disolución de cloruro de hierro (III).

b- A seis de los matraces aforados de 100 cm3, añádeles 0,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 y 10,0 cm3 de la disolución de tiocianato de potasio 250 mg/dm3 y etiquétalas de A a F.

c- Añade agua destilada a cada matraz hasta que suba el volumen a unos 80 cm3.

d- A cada matraz, añade 10 cm3 de la disolución de cloruro de hierro (III) y después añade agua destilada hasta que el volumen alcance los 100 cm3. Mezcla bien las soluciones.

Matraz

a

b

c

d

e

f

Volumen de disolución de tiocianato de potasio (cm3)

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10

Concentración de tiocianato (ppm)

0 5 10 15 20 25

e- Mide la absorbancia de cada disolución usando un colorímetro.

f- Dibuja una gráfica de absorbancia (eje y) frente a concentración de tiocianato (en ppm de tiocianato) (eje x) para las seis disoluciones.

2- Analiza la muestra

a- Añade 10 cm3 de la disolución de concentración desconocida en tiocianato a un matraz aforado de 100 cm3 y añade agua destilada hasta que suba el volumen a unos 80 cm3.

b- Añade 10 cm3 de la disolución de cloruro de hierro (III) al matraz y después añade agua destilada hasta que el volumen alcance los 100 cm3. Mezcla bien la disolución.

c- Mide la absorbancia de la disolución usando el colorímetro.

d- Usa la gráfica para encontrar la concentración.

3- Escribe un informe  para la compañía de tratamiento de aguas residuales resumiendo tus conclusiones e incluye una recomendación sobre si el vertido debe ser echado al río o no.  Los alumnos deberían describir la evidencia sobre la cual basan su recomendación y comentar la seguridad que tienen de sus resultados, teniendo en cuenta el error porcentual que puede haber en sus procedimientos analíticos.

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Web References

  • w1 – Lee más sobre casos de biorremediación.
  • w2 – Aprende más sobre la fitorremediación.
  • w3 – Descarga la hoja de trabajo 1, que esquematiza el escenario tras la actividad, en Word o en Pdf.
  • w4 – Descarga la hoja de trabajo 2, que describe el proceso de análisis, en Word o en Pdf.

Resources

Author(s)

Sarah Al-Benna enseña química en el Programa del Diploma del Bachillerato Internacional y ciencia general en el Programa de los Años Intermedios del Bachillerato Internacional en el Heidelberg International School, Alemania. Previamente enseñó en el International School of London, y en el sistema de educación estatal de UK en Reading y Ellesmere Port.


Review

La investigación en educación ha demostrado el valor de llevar ideas teóricas a situaciones de proyectos `vivos´– o en contextos del mundo real. Esta actividad práctica es un buen ejemplo para situar la química analítica clásica en un contexto de la vida real. También ofrece la oportunidad de desarrollar habilidades transferibles en el procesamiento de datos y la comunicación.


Marie Walsh, Limerick Institute of Technology, Irlanda




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