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Teora de Flujo Subterrneo

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Reacciones oxidaci n-Reducci n (redox) son envolventes de cambios de estados de ... incoloro de aroma dulce y sabor ligeramente amargo ,similar al de la hiel. ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Teora de Flujo Subterrneo


1
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.

4
  • 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.

5
  • 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

7
  • La ecuación para esta reacción puede ser

8
  • Electronegatividadcapacidad de un átomo de una
    molécula covalente para atraer los electrones del
    enlace.

9
  • 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

10
  • 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

11
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.

12
  • 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.

14
  • 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.

16
  • 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.

19
  • 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.

20
  • Ejemplos de tres clases

21
  • El siguiente ejemplo muestra el concepto

22
  • 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.

23
  • Grupos funcionales comunes

24
  • 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.

25
  • 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).

26
  • 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

27
  • 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...

28
  • 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.

29
  • 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

30
  • 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.

32
  • Componentes Carbocíclico Están divididos en
    aromáticos y aciclicos.

33
  • 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.

34
  • 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

35
  • 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.

36
  • 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

37
  • 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..

38
  • 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

39
  • 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.

40
  • 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.

41
  • 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

42
  • 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.

43
  • 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.

44
  • 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.

45
  • Policlorinato bifenil
  • fenol

46
  • Compuesto Heterocíclico

47
  • Reacciones de transformación Desde perspectivas
    ambientales, son 5 transformaciones químicas
    orgánicas de interés Fotoquímica, hidrólisis,
    oxidación, reducción y biotransformación.

48
  • Reacciones de Eliminación

49
  • La transformación de tetracloroeteno y
    tricloroeteno con la liberación resultante del
    ión de cloruro es la siguiente
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