Práctica de Laboratorio: DETERMINACIÓN DE pH Y ESTUDIO DE LA ACIDIFICACIÓN DE MUESTRAS DE AGUA

 

DETERMINACIÓN DE pH Y ESTUDIO DE LA ACIDIFICACIÓN DE MUESTRAS DE AGUA

1. Introducción

El pH es uno de los parámetros fisicoquímicos más importantes para la evaluación de sistemas acuáticos, debido a que condiciona numerosos procesos químicos y biológicos. Variaciones relativamente pequeñas de pH pueden modificar la solubilidad, movilidad y forma química de diferentes sustancias presentes en el agua, así como afectar a los organismos que habitan en ella.

La acidificación de los cuerpos de agua ocurre cuando aumenta el aporte de sustancias capaces de liberar iones hidrógeno o cuando disminuye la capacidad del sistema para neutralizarlos. Este fenómeno puede originarse por procesos naturales, como la disolución de dióxido de carbono y la descomposición de materia orgánica, pero también puede intensificarse por actividades humanas asociadas con emisiones atmosféricas, drenajes, descargas industriales y otras fuentes de contaminación.

En la atmósfera, ciertos óxidos de azufre y de nitrógeno pueden transformarse en especies ácidas y contribuir a la deposición ácida. Cuando estas sustancias alcanzan cuerpos de agua, su efecto depende no solamente de la cantidad de ácido incorporada, sino también de la composición química del agua y de su capacidad amortiguadora.

La capacidad de un agua para resistir cambios de pH está relacionada, entre otros factores, con la presencia de especies básicas capaces de neutralizar ácidos. Por esta razón, dos muestras sometidas a una misma adición de ácido pueden experimentar variaciones de pH diferentes.

En esta práctica se determinará el pH de distintas muestras de agua y se estudiará experimentalmente su respuesta ante adiciones controladas de una solución ácida diluida. La experiencia permitirá construir curvas sencillas de acidificación y comparar la susceptibilidad de diferentes muestras frente a un aporte ácido.

2. Objetivos

Objetivo general

Determinar el pH de diferentes muestras de agua y evaluar experimentalmente su respuesta frente a un proceso de acidificación controlada.

Objetivos específicos

·       Medir el pH inicial de muestras de agua de diferente procedencia mediante un pH-metro calibrado.

·       Aplicar adiciones controladas de una solución ácida diluida y registrar las variaciones de pH producidas.

·       Construir una representación gráfica del pH en función del volumen de ácido añadido.

·       Comparar la resistencia de diferentes muestras frente a la acidificación.

·       Relacionar los cambios observados con la capacidad amortiguadora de los sistemas acuáticos.

·       Interpretar la importancia ambiental de las variaciones de pH en cuerpos de agua.

3. Fundamento teórico

3.1. pH en sistemas acuáticos

En disoluciones diluidas puede utilizarse, con fines introductorios, la aproximación pH ≈ -log[H⁺]. Debido a su naturaleza logarítmica, una variación de una unidad de pH representa un cambio de aproximadamente un orden de magnitud en la actividad de los iones hidrógeno.

El pH de las aguas naturales depende de múltiples equilibrios químicos. Entre ellos tiene especial importancia el sistema dióxido de carbono–ácido carbónico–bicarbonato–carbonato, además de la presencia de minerales, materia orgánica y otras especies disueltas.

De manera simplificada, este sistema puede representarse mediante los siguientes equilibrios:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻

3.2. Acidificación del agua

La acidificación puede definirse como el proceso mediante el cual un sistema acuático experimenta una disminución de pH como consecuencia de la incorporación o generación de especies ácidas. En ambientes naturales, el efecto final depende tanto de la intensidad del aporte ácido como de las características químicas del agua receptora.

La deposición atmosférica ácida está relacionada principalmente con transformaciones químicas de compuestos de azufre y nitrógeno emitidos a la atmósfera. De manera simplificada, los productos finales pueden incluir ácido sulfúrico y ácido nítrico, los cuales pueden incorporarse al agua mediante deposición húmeda o seca.

De forma global y simplificada, algunas de las transformaciones asociadas con la formación de estos ácidos pueden expresarse como:

2SO₂ + O₂ → 2SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Una vez incorporado al agua, el ácido sulfúrico aporta protones mediante etapas de disociación:

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻

HSO₄⁻ ⇌ H⁺ + SO₄²⁻

3.3. Capacidad amortiguadora

Una disolución presenta capacidad amortiguadora cuando puede oponerse, dentro de ciertos límites, a cambios bruscos de pH después de la incorporación de pequeñas cantidades de ácido o base. En las aguas naturales, la alcalinidad y especialmente las especies bicarbonato y carbonato contribuyen de manera importante a esta resistencia.

La neutralización de protones por estas especies puede representarse de manera simplificada mediante:

CO₃²⁻ + H⁺ → HCO₃⁻

HCO₃⁻ + H⁺ → H₂CO₃

H₂CO₃ ⇌ CO₂ + H₂O

Por ello, la magnitud del cambio de pH producido por una misma cantidad de ácido puede utilizarse como una aproximación comparativa de la susceptibilidad de distintas muestras a la acidificación. Esta práctica no sustituye una determinación cuantitativa de alcalinidad, que será abordada posteriormente.

3.4. Curva de acidificación

Al añadir sucesivamente pequeñas cantidades de una solución ácida y medir el pH después de cada adición, puede construirse una curva de acidificación. En ella se representa el pH en el eje vertical y el volumen acumulado de ácido añadido en el eje horizontal. Una disminución rápida del pH indica menor resistencia frente al aporte ácido, mientras que una disminución más gradual sugiere una mayor capacidad de neutralización en las condiciones del ensayo.

4. Materiales y equipos

·       pH-metro

·       Vasos de precipitados de 100 o 250 mL

·       Probeta graduada

·       Pipeta graduada de 5 o 10 mL

·       Propipeta

·       Pipetas Pasteur o goteros

·       Varilla de vidrio o agitador magnético

·       Frascos para las muestras

·       Agua destilada

·       Guantes

·       Gafas de seguridad

Reactivos

·       Solución buffer pH 4.00

·       Solución buffer pH 7.00

·       Solución buffer pH 10.00

·       Solución de ácido sulfúrico 0.1 M

·       Agua destilada

5. Muestras sugeridas

Cada grupo trabajará preferiblemente con tres muestras de agua de diferente procedencia. Se recomienda mantener, cuando sea posible, las mismas fuentes seleccionadas en la práctica anterior para facilitar la comparación progresiva de resultados.

1.     Agua potable de la red.

2.     Agua embotellada.

3.     Agua de pozo.

4.     Agua de lluvia.

5.     Agua de río, arroyo, laguna o canal.

6.     Otra fuente de agua ambiental que no represente riesgo para los estudiantes.

Importante: no se utilizarán muestras procedentes de aguas residuales sanitarias sin tratar ni de lugares que representen riesgo biológico o químico para los estudiantes.

6. Procedimiento experimental

Parte A. Preparación y medición del pH inicial

1.     Identifique cada muestra con el mismo código utilizado durante su recolección.

2.     Coloque 50 mL de cada muestra en vasos de precipitados limpios e identificados.

3.     Calibre el pH-metro siguiendo las instrucciones del fabricante y utilizando las soluciones buffer apropiadas.

4.     Enjuague el electrodo con agua destilada y retire cuidadosamente el exceso de agua sin frotar el bulbo.

5.     Mida el pH inicial de cada muestra y registre el resultado.

6.     Repita la medición y calcule el valor promedio.

Parte B. Acidificación controlada

1.     Separe 50 mL de la primera muestra en un vaso de precipitados limpio.

2.     Mida y registre el pH inicial antes de añadir ácido.

3.     Añada 0.2 mL de solución de ácido sulfúrico 0.1 M.

4.     Agite suavemente durante aproximadamente 20 segundos y espere a que la lectura del pH se estabilice.

5.     Registre el pH y el volumen acumulado de ácido añadido.

6.     Repita las adiciones de 0.2 mL, registrando el pH después de cada adición, hasta completar 1 mL de ácido o hasta alcanzar pH 4.0, lo que ocurra primero.

7.     No continúe añadiendo ácido una vez alcanzado pH 4.0.

8.     Repita el procedimiento con las demás muestras utilizando siempre 50 mL de agua.

9.     Realice, como referencia experimental, el mismo procedimiento con 50 mL de agua destilada.

Parte C. Construcción de la curva de acidificación

1.     Organice los resultados obtenidos para cada muestra.

2.     Represente gráficamente el pH en función del volumen acumulado de ácido sulfúrico añadido (mL).

3.     Incluya las curvas de todas las muestras en una misma representación gráfica o compárelas utilizando gráficos equivalentes.

4.     Identifique cuál muestra presentó la mayor y la menor variación de pH durante el ensayo.

7. Registro de resultados

Parámetro	Muestra A	Muestra B	Muestra C
Procedencia
pH inicial – medición 1
pH inicial – medición 2
pH inicial promedio

 

Registro de la acidificación:

Volumen acumulado de H₂SO₄ 0.1 M (mL)	Muestra A	Muestra B	Muestra C	Agua destilada
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00

Variación total de pH:

 

Para comparar la magnitud del cambio puede utilizarse |ΔpH|. Un valor mayor indica que, bajo las condiciones del ensayo, la muestra experimentó una modificación más pronunciada de su pH.

8. Análisis e interpretación de resultados

1.     Compare los valores iniciales de pH de las muestras estudiadas.

2.     Calcule la variación total de pH para cada muestra.

3.     Compare las curvas de acidificación obtenidas.

4.     Identifique la muestra que presentó mayor resistencia a la disminución del pH.

5.     Explique por qué dos muestras pueden responder de manera diferente ante la adición de la misma cantidad de ácido.

6.     Compare el comportamiento de las muestras ambientales con el agua destilada.

7.     Relacione los resultados con el concepto de capacidad amortiguadora y con la posible composición química de las aguas.

8.     Explique qué limitaciones tiene este ensayo para predecir exactamente el comportamiento de un cuerpo de agua natural sometido a deposición ácida.

Nota: esta experiencia constituye un modelo de acidificación controlada con fines educativos. La adición directa de ácido sulfúrico diluido no reproduce por sí sola todos los procesos atmosféricos, geoquímicos y biológicos que intervienen en la acidificación ambiental.

9. Cuestionario poslaboratorio

1.     ¿Por qué el pH se expresa mediante una escala logarítmica?

2.     ¿Qué significa que una muestra presente mayor capacidad para resistir cambios de pH?

3.     ¿Por qué el agua destilada puede responder de manera diferente a un agua natural ante la adición de ácido?

4.     ¿Qué especies químicas contribuyen de manera importante a la capacidad amortiguadora de muchas aguas naturales?

5.     ¿Qué relación existe entre las emisiones de óxidos de azufre y nitrógeno y la acidificación ambiental?

6.     ¿Qué consecuencias ecológicas podría producir una disminución sostenida del pH de un cuerpo de agua?

7.     ¿Por qué esta práctica no debe interpretarse como una simulación completa de la lluvia ácida?

8.     ¿Qué determinación posterior del manual permitiría estudiar cuantitativamente la capacidad de neutralización de las muestras?

10. Seguridad y manejo de residuos

·       Utilizar bata, gafas de seguridad y guantes durante toda la práctica.

·       Manipular la solución de ácido sulfúrico únicamente con pipeta y propipeta; nunca pipetear con la boca.

·       Evitar el contacto de la solución ácida con la piel, los ojos y la ropa.

·       Ante una salpicadura, enjuagar inmediatamente la zona afectada con abundante agua y comunicar el incidente al docente.

·       No añadir ácido concentrado directamente a las muestras.

·       No continuar la acidificación experimental por debajo de pH 4.0.

·       Manipular cuidadosamente el electrodo del pH-metro y enjuagarlo entre mediciones.

·       Las mezclas acidificadas deberán recolectarse en un recipiente identificado para residuos acuosos ácidos. Su neutralización o disposición final se realizará conforme al procedimiento establecido por el laboratorio.

·       No devolver a los recipientes originales las porciones de soluciones buffer o reactivos que hayan sido utilizadas.

11. Referencias bibliográficas

American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2023). Standard methods for the examination of water and wastewater (24th ed.). APHA Press.

National Atmospheric Deposition Program. (n.d.). Acid rain and its effects. Wisconsin State Laboratory of Hygiene, University of Wisconsin–Madison.

U.S. Environmental Protection Agency. (2025). Effects of acid rain. U.S. Environmental Protection Agency.

U.S. Geological Survey. (2021). Chapter A6.4: Measurement of pH. In National field manual for the collection of water-quality data. U.S. Department of the Interior.

World Health Organization. (2022). Guidelines for drinking-water quality: Fourth edition incorporating the first and second addenda. World Health Organization.