Resumen se presentan una serie de ejercicios para estudiar cuestiones de Química, como son: formulación, masa molecular, estequiometría, ecuaciones químicas,




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fecha de publicación24.11.2015
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USO DE CLOROISOCIANURATOS PARA DESINFECCIÓN DEL AGUA


Aplicaciones de cuestiones de Química para la comprensión de compuestos usados en la vida cotidiana para la cloración del agua.

 

RESUMEN


Se presentan una serie de ejercicios para estudiar cuestiones de Química, como son: formulación, masa molecular, estequiometría, ecuaciones químicas, balanceo de ecuaciones, números de oxidación, reacciones ácido-base, tautomería, cargas formales, resonancia, agentes de cloración, y uso del cloro para la desinfección del agua, entre otras. Todas estas cuestiones se pueden estudiar, al menos en parte, mediante la información que se ofrece en los envases de cloroisocianuratos, como el cloroisocianurato sódico (anhídrido o dihidratado) o el ácido tricloroisocianúrico, que se utilizan para desinfectar el agua. Estos productos se encuentran en casi todos los hipermercados. Con este trabajo se pretende que los profesores dispongan de otra herramienta para mostrar a sus alumnos el interés y versatilidad de las cuestiones de Química. Cada profesor debería adecuar los ejercicios propuestos al nivel de sus alumnos.

 

INTRODUCCIÓN


Se suele utilizar coloquialmente el término “cloro” como denominación genérica de lo que, en realidad, son diferentes compuestos de cloro.

El cloro es un desinfectante que se ha usado para el tratamiento de aguas desde hace más de cien años. Su uso como desinfectante en agua potable y en piscinas es bien conocido. El propósito fundamental de la desinfección del agua es destruir organismos patógenos, con lo que se previenen enfermedades como fiebres tifoideas, cólera, disentería y hepatitis.

El cloro elemental se disuelve ligeramente en agua y se dismuta en ácido hipocloroso (HClO)  y ácido clorhídrico (HCl):

            Cl2 + H2O                 HClO + H+ + Cl-                                               [1]

Donde la constante de equilibrio a 25 ºC viene dada por:

                         [2]

El HClO es un ácido débil, que se disocia parcialmente:

            HClO  H+ + ClO-                                                                 [3]

La constante de disociación correspondiente, a 25 ºC,  es:

                                                  [4]

El HClO es el principal desinfectante del agua. Se usa para matar bacterias y algas, por lo que se comporta como un biocida, mientras que el ClO- es un agente oxidante fuerte. Así, el cloro como tal no es un desinfectante, sino en forma de HClO (para la sanitización) y de ClO- (para la oxidación). En el equilibrio recogido en la ecuación 1se observa la formación de HCl (ácido fuerte) en la hidrólisis de Cl2 disuelto, pero no es dañino para el ser humano por su baja concentración.

El pH del agua determina cuánto HClO, por la relación:

                                                        [5]

El cloro es más eficiente para pH 7.4-7.6. De acuerdo con la ecuación anterior, a altos valores de pH no se produce mucho desinfectante o HClO; dado que el cloro está mayormente como hipoclorito. Por ejemplo, a pH 7.0, el 78% del cloro existe como ácido hipocloroso, pero aumentando el pH hasta 8.0 se reduce la concentración de ácido hipoclorosos hasta sólo un 26%.

El ClO- se reduce al anión cloruro, que es inactivo, cuando cumple con su tare oxidante, según la semi-rreacción:

            ClO- + 2 H+ + 2 e-  Cl- + H2O                                                                    [6]

 

Como desinfectante del agua, el cloro se presenta de diversas maneras: cloro gas (se distribuye como líquido a presión), cloroisocianuratos (dicloroisocianurato sódico o ácido tricloroisocianúrico), hipoclorito cálcico, hipoclorito de litio, e hipoclorito sódico. El Cloro libre disponible, conocido normalmente por el acrónimo FAC (del ingles Free available chlorine) en el tratamiento industrial de aguas, es una medida del poder oxidante o biocida del cloro activo en un componente, expresado en términos de cloro elemental, y se da normalmente en porcentaje en peso.

El cloro disponible combinado es el cloro existente en el agua combinado con amoníaco o compuestos orgánicos nitrogenados (como aminas y proteínas), que se conocen como cloraminas. Las cloraminas no presentan propiedades desinfectantes y causan problemas como irritaciones oculares o de la piel, así como olores desagradables en piscinas. Las cloraminas también se conocen como cloro residual combinado y deben suponer una cantidad  mínima.

En la Tabla 1 se muestran las fórmulas de ciertos compuestos de cloro y el Cloro libre disponible correspondiente. Estos datos se pueden encontrar en las etiquetas de estos productos en los supermercados.

 

Tabla 1. Fórmulas y Cloro libre disponible (FAC) de cloroisocianuratos comunes.

Sustancia                                                        Fórmula química           FAC / % peso

Cloro                                                               Cl2                               100

Dicloroisocianurato sódico(NaDCC)      

            anhídrido                                              C3Cl2N3O3Na               62-63

            dihidratado                                           C3Cl2N3O3Na·2H2O      55-56

ácido tricloroisocianúrico (TCC)                         C3Cl3N3O3                    89-91

 

La luz ultravioleta degrada el cloro por una reacción fotoquímica:

            2 Cl2 + 2 H2O     U.V.   4 HCl + O2                                                         [7]

Si no se utiliza el ácido isocianúrico (1,3,5-triazina-2,4,6 (1H,3H,5H)-triona) como estabilizante, en un día soleado, el 90% del cloro activo se podría destruir por la acción del sol, en dos horas.

El dicloroisocianurato sódico (1,3-dicloro-1,3,5-triazina-2,4-diona-6-oxido dicloro), conocido por las siglas NaDCC, es el único tipo de cloro que no requiere la adición de neutralizante quimica o ácido isocianúrico, porque las disoluciones de NaDCC tienen un pH próximo a 7 y ofrecen la adecuada relación de cloro y estabilizante (ácido isocianúrico). Aparte de su uso en piscinas, el NaDCC es ampliamente utilizado para desinfección de biberones y lentes de contacto. El NaDCC es un oxidante que cuando se disuelve en agua se disocia en HCLO (cloro libre) y ácdo isocianúrico (estabilizante). Se vende en forma de granos y como tabletas (normalmente con base efervescente).

El ácido tricloroisocianúrico (tricloro-1,3,5-triazinotriona), conocido como TCC, se usa principalmente para agua de piscinas. Si no se usa adecuadamente puede ser causa de corrosión y deterioro de la piscina. Es necesario añadir unos 350 g de Na2CO3 (sosa) por cada kg de TCC utilizado. No requiere la adición de ácido isocianúrico.

A continuación se sugieren cuestiones de Química sobre los compuestos citados en esta introducción y sobre la cloración del agua.

 

CUESTIONES


Cuestión 1.

Buscando en Internet, manuales de Química, libros de quimica Orgánica, o catálogos de productos químicos, indicar la estructura quimica de los compuestos: NaDCC, TCC y ácido isocianúrico.

Cuestión 2.

Según se indica en la Introducción, cuando se disuelve en agua el NaDCC, se descompone en ácido hipocloroso y ácido isocianúrico. Escribir la ecuación química correspondiente balanceada.

Cuestión 3.

Si la reacción de la cuestión anterior es del tipo redox, calcular el número de oxidación de cada átomo y señalar las especies oxidantes y reductoras.

Cuestión 4.

Repetir las cuestiones 2 y 3 para el TCC.

Cuestión 5.

            Explicar cuáles de las especies anteriores presentan resonancia o la posibilidad de tautomería.

Cuestión 6.

            Explicar por qué la disolución de NaDCC es neutra y la de TCC es ácida.

Cuestión 7.

            Deducir por estequiometría los valores de cloro libre disponible (FAC) mostrados en la Tabla 1.

 

RESPUESTA A LAS CUESTIONES

Respuesta 1.

            La estructura química de los compuestos es:

 



Figura 1. Estructuras químicas del dicloroisocianurato sódico (a), ácido tricloroisocianúrico (b), y ácido isocianúrico(c).

Respuesta 2.

C3Cl2N3O3Na (s) + 2 H2O (l)  C3H3N3O3 (aq) + Na+ (aq) + ClO- (aq) + HClO (aq)                       [8]

Respuesta 3.

            Para calcular los números de oxidación, se procede:

 



Figura 2. Ejemplo de asignación de números de oxidación para el NaDCC.

 

Siguiendo el mismo procedimiento para la molécula de ácido isocianúrico, se concluye que en la reacción 8, dos átomos de N se reducen de -2 a -3, y dos átomos de Cl se oxidan de 0 a +1 (en la forma de HClO o ClO-). Así,dos átomos de N son agentes oxidantes y dos átomos de Cl son reductores.

Respuesta 4.

C3Cl3N3O3 (s) + 3 H2O (l)  C3H3N3O3 (aq) + 3 HClO (aq)                                               [9]

            Los tres átomos de N se reducen de -2 a -3, actuando como oxidantes, y los tres átomos de Cl son reductores, porque se oxidan de 0 a +1.

Respuesta 5.

            En el ácido isocianúrico y en el TCC, la resonancia no tiene importancia porque otras formas resonantes a las expuestas en la figura 1 tienen más cargas formales y por lo tanto contribuyen poco al híbrido de resonancia. Sin embargo, el anión dicloroisocianurato del NaDCC tiene resonancia:

 



Figura 3. Estructuras resonantes del anion dicloroisocianurato.

 

            Esta cuestión puede servir para aclarar la diferencia entre carga formal y número de oxidación (considerado en la cuestión 3). La carga formal es la calculada para cada átomo asumiendo que los electrones compartidos se distribuyen equitativamente entre los dos átomos enlazados, mientras que el número de oxidación asigna cada par de electrones compartido al átomo más electronegativo.

            Las dos estructuras de la Figura 3 tienen la misma contribución al híbrido de resonancia. Otras posibles presentan más cargas formales, por lo que contribuyen menos al híbrido de resonancia. El ácido isocianúrico tiene tautomería con el ácido cianúrico:

 



Figura 4. Tautomería del ácido isocianúrico (a) y el ácido cianúrico (b).

 

Respuesta 6.

            Como se demuestra en la ecuación 8, la disolución de NaDCC genera un ácido débil y una disolución amortiguadora de HClO y ClO-, pero la reacción 9 genera dos ácidos.

Respuesta 7.

            Los pesos moleculares son: NaDCC anhídrido (220.0 g/mol), NaDCC dihidrata  (256.0 g/mol), TCC (232.5 g/mol) y ácido isocianúrico (129.1 g/mol). Tomando como ejemplo la reacción de disolución del NaDCC anhídrido descrita en la ecuación 8, y la equivalencia entre cloro ácido hipocloroso o hipoclorito de la ecuación 1, el FAC de 100 g de NaDCC anhídrido es:

 

                                                                                                                                  [10]

            Como se observa en la Tabla 1, el valor tabulado es 62-63 %, i.e., ligeramente inferior al calculado. Procediendo de forma análoga, se llega a que el FAC de 100 g de NaDCC dihidrato es 55.5 g y para 100 g de TCC el valor es 91.6. En ambos casos estos valores son próximos a los de la tabla. Para el cloro, el FAC es 1000 % por definición.

 

BIBLIOGRAFÍA:

G. Pinto, B. Rohrig, “Use of chloroisocyanurates for disinfection of water”, Journal of Chemical Education, Vol. 80, pp. 41-44, 2003.

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