Alcalinidad del agua: qué es, determinación e importancia
La alcalinidad del agua es la resistencia de la misma que se opone a un cambio de pH debido a la adición de sustancias o líquidos ácidos. A menudo esta característica es confundida con la basicidad. La adición de CO2, por ejemplo, puede provocar una disminución de pH (basicidad) sin que se modifique la alcalinidad.
En el agua dulce la alcalinidad se debe principalmente al aporte de compuestos como el carbonato (CO32-), el bicarbonato (HCO3–) y el hidroxilo (OH–). En el agua de mar hay que añadir el aporte del hidróxido de boro (BOH4-), los silicatos (SiO42-) y los fosfatos (PO43- y HPO42-).
La alcalinidad del agua se suele expresar en mEq/L, correspondiente a la cantidad de ácido usado en su titulación: clorhídrico o sulfúrico. También suele expresarse como mg de CaCO3 / L, o parte por millón (ppm), incluso si hay presencia de otras sales.
Esta característica del agua suele asociarse a su dureza, debido a que los carbonatos de calcio y magnesio contribuyen a la alcalinidad. Mientras que el calcio y el magnesio, es decir, sus cationes metálicos Ca2+ y Mg2+ respectivamente, son los elementos responsables de la dureza del agua.
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Es la capacidad del agua de neutralizar las sustancias ácidas que puedan incorporarse a ella, evitando así una disminución de su pH. Esta acción amortiguadora se debe a la presencia de ácidos débiles y sus bases conjugadas.
Las bases pueden reaccionar con los ácidos para convertirse en especies eléctricamente neutras, es decir, no cargadas.
HCO3– + H+ => CO2 + H2O
El bicarbonato (ecuación química de arriba) reacciona con el ion hidrógeno para convertirse en el dióxido de carbono, compuesto no cargado. Un mol de HCO3– representa un equivalente molar. Mientras, el carbonato (CO32-) representa dos equivalentes molares.
Las aguas subterráneas son portadoras de compuestos provenientes de las lluvias ácidas, entre ellos el ácido sulfúrico. La presencia del dióxido de carbono de la atmósfera que se disuelve en el agua puede además formar ácido carbónico.
Los ácidos actúan sobre las rocas calizas, ricas en carbonatos de calcio y magnesio, produciendo su disolución. Esto provoca la acumulación de carbonato y bicarbonato en el agua, principales responsables de su alcalinidad.
2 CaCO3 + H2SO4 → 2 Ca2+ + 2HCO3– + SO42-
La adición de un ácido (arriba) provoca un aumento de alcalinidad siempre que se produzca más bicarbonato que el hidrógeno sobrante de la reacción anterior.
Cuando el agua alcalina subterránea se pone en contacto con la atmósfera, pierde dióxido de carbono y precipita el carbonato, lo cual disminuye la alcalinidad. Se establece entonces un equilibrio dinámico entre la atmósfera, el agua y los minerales carbonados.
Bajo las condiciones que existen en las aguas superficiales, disminuye la contribución del carbonato a la alcalinidad, y el bicarbonato se convierte en el máximo contribuyente a ella.
Además del carbonato, el bicarbonato y los iones hidroxilo e hidrógenos, otros compuestos contribuyen a la alcalinidad del agua. Entre ellos están los boratos, los fosfatos, los silicatos, las bases conjugadas de ácidos orgánicos y los sulfatos.
En el océano y en el mar ocurren procesos anaeróbicos como la dinitrificación y la reducción del sulfato que tienen una contribución del 60% de la alcalinidad del agua. Estos procesos consumen hidrógeno, por lo que producen un aumento del pH, además de originarse N2 y H2S.
En general, los procesos anaeróbicos provocan un incremento de la alcalinidad. Por el contrario, los procesos aeróbicos producen una disminución de ella. En las aguas superficiales, en presencia de oxígeno, se produce un proceso de degradación de la materia orgánica acarreada por el agua.
Al degradarse esta se produce H+ que es llevado al agua produciendo una disminución de la alcalinidad.
La contaminación ambiental provoca, entre otras consecuencias, el deshielo del casquete polar que trae como consecuencia un incremento del volumen del agua de mar. Esto provoca una dilución de los compuestos responsables de la alcalinidad de agua de mar, y por ende su disminución.
La alcalinidad del agua es reportada en forma usual como mg de CaCO3/L, aunque el carbonato de calcio no el único compuesto presente, ni el único contribuyente a la alcalinidad del agua. Los mg/L de carbonato pueden ser pasados a mEq/L dividiendo por 50 (peso equivalente aproximado del CaCO3).
Se determina mediante la titulación de las bases presentes en el agua con un ácido fuerte. Los ácidos más usados son el clorhídrico 0,1 N y el sulfúrico 0,02 N.
Se mide 50 mL del agua a titular en un matraz aforado, colocando ese volumen de agua en un Erlenmeyer de 250 mL. Se suele usar una mezcla de indicadores, comúnmente fenolftaleína y anaranjado de metilo. El ácido es colocado en una bureta y se va vertiendo gota a gota en el agua que se está titulando.
Si la alcalinidad del agua es mayor a 9,6 al comenzar la titulación con el ácido, no se observará una variación en la coloración atribuible a la fenolftaleína. Luego al disminuir el pH entre 9,6 y 8,0 se observará la aparición de un color grosella, que desaparece al caer el pH de 8,0 durante la titulación.
Durante la primera etapa se titula el carbonato, reacción esquematizada en la ecuación siguiente:
CO32- + H3O+ => HCO3– + H2O
Al seguir agregando el ácido durante la titulación, la coloración de la solución titulada se torna anaranjada debido al cambio que experimenta el anaranjado de metilo, indicando que en la misma se han consumido totalmente las formas carbonadas y las otras bases.
En la etapa final solo queda el ácido carbónico:
HCO3– + H3O+ => H2CO3 + H2O
Esto ocurre a un pH 4,3 – 4,5, denominado punto de equivalencia del CO2. Este es el compuesto existente y la alcalinidad del agua se torna “cero”. Si se calienta el agua, habrá burbujeo del CO2 por la descomposición del H2CO3.
El volumen de ácido necesario para alcanzar el punto de equivalencia del CO2 es una medida de la alcalinidad total del agua.
La existencia de la alcalinidad del agua es un mecanismo de protección del medio ambiente para limitar el daño que puede ocasionarse a la flora y fauna acuática, por la afluencia de aguas residuales o lluvias ácidas capaces de modificar el pH donde habitan.
Los arrecifes coralinos experimentan graves daños por un incremento de la acidez del agua marina. La alcalinidad del agua limita la extensión de esta acción dañina, neutralizando el exceso de acidez y permitiendo el mantenimiento de un pH compatible con la vida.
Se ha estimado que la alcalinidad del agua debe de tener un valor mínimo de 20 mg como CaCO3/L, límite para garantizar el mantenimiento de la vida acuática.
El conocimiento del valor de la alcalinidad del agua puede orientar acerca de la cantidad de carbonato de sodio o potasio y cal necesarios para la precipitación del calcio como carbonato cuando se reduce la dureza del agua.
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