Agua, química y formación de estudiantes: ejercicios y actividades para la concientización ambiental

Alicia Rojas López[a] y Miguel Reina1[a]

Resumen

El agua es un recurso esencial para la vida y desempeña un papel fundamental en la química y los procesos ambientales. No obstante, su disponibilidad y calidad se ven afectadas por el cambio climático, la contaminación y el uso desmedido. Este trabajo tiene como objetivo desarrollar un compendio de ejercicios conceptuales y numéricos que vinculen la química con la hidrósfera y su impacto ambiental, a fin de promover la sensibilización y la comprensión de conceptos y procesos entre estudiantes y profesores de la Facultad de Química de la UNAM. Se aplicó una encuesta a 100 estudiantes y 40 profesores para evaluar sus conocimientos sobre el agua y el medio ambiente. Los resultados evidenciaron un desconocimiento generalizado de temas básicos, como la Agenda 2030 y los métodos de purificación del agua. Con base en estos hallazgos, se diseñaron 40 ejercicios que abordan el ciclo del agua, la contaminación hídrica y la relevancia del plancton en los ecosistemas acuáticos. Los ejercicios incluyen problemas numéricos aplicados a situaciones reales, como el cálculo de la demanda biológica de oxígeno en cuerpos de agua contaminados. El trabajo subraya la importancia de la educación ambiental en la formación de estudiantes de química y propone la implementación de los ejercicios en la aplicación móvil gratuita GALIO, de carácter extracurricular, para fomentar una actitud responsable hacia el medio ambiente.

Palabras clave:

agua, química ambiental, educación ambiental, hidrósfera, contaminación hídrica.

Water, Chemistry, and Student Education: Exercises and Activities for Environmental Awareness

Abstract

Water is an essential resource for life and plays a fundamental role in chemistry and environmental processes. Nevertheless, its availability and quality are affected by climate change, pollution, and overuse. This study aims to develop a compendium of conceptual and numerical exercises that link chemistry with the hydrosphere and its environmental impact, in order to promote awareness and understanding of concepts and processes among students and faculty at the Facultad de Química of UNAM. A survey was administered to 100 students and 40 faculty members to assess their knowledge of water and the environment. The results revealed a generalized lack of knowledge of basic topics, such as the 2030 Agenda and water purification methods. Based on these findings, 40 exercises were designed addressing the water cycle, water pollution, and the relevance of plankton in aquatic ecosystems. The exercises include numerical problems applied to real-world situations, such as calculating biochemical oxygen demand in contaminated bodies of water. This work underscores the importance of environmental education in the training of chemistry students and proposes the implementation of these exercises in the free extracurricular mobile application GALIO to foster a responsible attitude toward the environment.

Keywords:

water, environmental chemistry, environmental education, hydrosphere, water pollution.

Introducción

El agua es un recurso básico para la vida y desempeña un papel decisivo en la química y en los procesos ambientales. Sin embargo, su disponibilidad y calidad se ven afectadas por el cambio climático, la contaminación y el uso desmedido. El crecimiento de la población humana y la demanda de productos y servicios han generado una sobreexplotación de los recursos naturales (Manahan, 2017), lo que ha generado un aumento significativo en la contaminación del medio ambiente, un ejemplo claro en el agua es la contaminación plástica (Seribeli, F. L., y dos Santos A. K., 2025). La contaminación está vinculada al cambio climático, provocada principalmente por la acumulación de Gases de Efecto Invernadero en la atmósfera (Zhan et al, 2023). Estos gases son principalmente el dióxido de carbono, que aunque generado de forma natural, en exceso y proveniente de fuentes antropogénicas es dañino, el metano, el óxido nitroso y los gases fluorados, principalmente (Crippa et al, 2024). En este contexto, el agua cubre el 70 % de la superficie de la Tierra y es el principal medio afectado por estos cambios (Shiklomanov, 1993). En México, la situación no es menos preocupante. Según informes de la SEMARNAT, el 44.9 % de los suelos se encontraba en algún proceso de degradación en 2002, y entre 2007 y 2011 se perdieron 214 mil hectáreas de vegetación por año (SEMARNAT, 2015). Además, el 46.5 % de la población vivía en condiciones de pobreza en 2014, lo que agrava los problemas de acceso al agua y saneamiento (Comisión Nacional de Evaluaciones de la Política y Desarrollo Social, 2015).

Ante este panorama, la educación ambiental debe convertirse en una herramienta esencial para fomentar la conciencia sobre la importancia del agua y su manejo sostenible (PNUMA & UNESCO, 1975). En 1993 la reforma educativa en México planteó una educación básica obligatoria en el eje ciencias, tecnología y sociedad (García Franco, A. et al, 2024). Este artículo presenta una serie de ejercicios y actividades diseñados a partir de una encuesta realizada al seno de la comunidad académica de la Facultad de Química (estudiantes y profesores), con el objetivo de apoyar materias como Ciencia y Sociedad, Química Ambiental, Recursos Naturales y Equilibrio de Ecosistemas (Bernal, R. J., et al, 2024). Los resultados de las encuestas revelaron un desconocimiento generalizado sobre temas básicos relacionados con el agua y el medio ambiente. Es especialmente preocupante los resultados relativos a los conocimientos fisicoquímicos del agua pues pertenecen al ámbito de estudio de cualquiera de las 6 carreras que se ofrecen en la facultad. Después de analizar los resultados, se generó un compendio de ejercicios conceptuales y numéricos que vinculan la química con la hidrósfera y su impacto ambiental (Pino, A. L., et. al, 2024). Así, el trabajo presenta un doble objetivo: mejorar el aprovechamiento académico de los estudiantes al realizar ejercicios con la temática del agua y concientizar tanto a estudiantes como a profesores sobre la relevancia del agua en la química y su impacto en el medio ambiente. Es importante señalar que los ejercicios se encuentran contextualizados, es decir que antes de abordarlos, se brinda al lector, información general sobre la hidrósfera y el impacto que tiene en la sociedad, y en particular sobre el tópico del que trata el ejercicio (Hernández del Barco, M., et. al, 2025). Tantos los resultados de las encuestas como los ejercicios se encuentran disponibles para el público en general en la información suplementaria de este manuscrito.

Como perspectiva inmediata de este trabajo será la implementación de estos ejercicios en la aplicación móvil digital gratuita llamada GALIO que a partir de agosto estará disponible para todos los estudiantes de la Facultad de Química de la UNAM. Otros trabajos que han buscado mejorar y contribuir a una educación más didáctica son Quimicocos de papel: una apuesta divertida para estudiar los principios de la química verde (Rosero, M. C., et al, 2025) y experimentación y contextualización en la enseñanza de química con la temática de la palma forrajera (Nóbrega, L. C., et al., 2025). A continuación se muestra la encuesta realizada y sus principales resultados, así como un par de ejemplos de los ejercicios elaborados.

Metodología

La creación de los ejercicios se basó en una encuesta en la Facultad de Química de la UNAM con una muestra representativa de 100 estudiantes y 40 profesores. El propósito fue explorar sus conocimientos sobre el ambiente y el agua, tomando en cuenta que, como profesionistas y futuros químicos, su formación tiene un impacto significativo en el entorno y, por lo tanto, deben tener una conciencia cabal sobre estos temas. Se diseñaron dos encuestas anónimas idénticas salvo por la sección inicial. En la Figura 1 se muestra la encuesta de 15 preguntas realizada a profesores y en la Figura 2, la sección inicial que difiere y que corresponde a la encuesta realizada a los estudiantes. Además de las preguntas, el cuestionario presenta en rojo las respuestas correctas.

El trabajo consistió en diseñar 40 ejercicios divididos en dos categorías: ejercicios conceptuales y numéricos. Los ejercicios conceptuales están diseñados para ofrecer una visión general sobre la hidrósfera, incluyendo su importancia para el medio ambiente y el impacto de las actividades humanas. Los ejercicios numéricos están enfocados en demostrar cómo los procesos químicos involucran al agua, con ejemplos aplicados a situaciones y escenarios reales. La creación de los ejercicios se basó en una investigación exhaustiva que incluyó libros, artículos y documentos oficiales relacionados con la hidrósfera y su interacción con la química y la sociedad. Cada ejercicio incluye una introducción breve que contextualiza el tema de manera general para captar el interés del público, seguida de una explicación detallada del ejercicio.

Figura 1.- Encuesta realizada a profesores de la Facultad de Química de la UNAM.

Figura 2.- Encabezado de la encuesta realizada a estudiantes de la Facultad de Química de la UNAM. La encuesta contenía las mismas 15 preguntas presentadas en la Figura 1.

Resultados de la encuesta

Los resultados de la encuesta mostraron que el 60 % de los estudiantes desconocen el significado o propósito de la Agenda 2030, un plan de acción que engloba las problemáticas ambientales, sociales y económicas. Además, el 66 % de los estudiantes no conoce la existencia de un grupo ambiental en la Facultad de Química (ConCiencia 2030), lo que resulta paradójico dado que más del 80 % considera que la Facultad podría apoyarlos en la adopción de prácticas más ecológicas. En cuanto a los conocimientos sobre el agua, el 57 % de los estudiantes desconocen el concepto de “islas de plástico”, y el 60 % desconoce algún método de purificación del agua. Sin embargo, más del 80 % conoce el término “lluvia ácida” y tiene claro los compuestos presentes en este fenómeno. Por otro lado, los profesores demostraron un mayor conocimiento en comparación con los alumnos. El 83 % de los profesores respondió correctamente que la agricultura y la ganadería son los sectores con mayor consumo de agua, y el 90 % comprende el fenómeno de la lluvia ácida y sus causas. Es de llamar la atención que ni los estudiantes (88 %) ni los profesores (67.5 %) tienen conocimiento sobre Ley General para la Prevención y Gestión Integral de Residuos (LGPGIR). En ese sentido, la Facultad de Química podría emprender acción y organizar cursos y talleres para concientizar a su planta docente. En la Figura 3 se presentan estos resultados de manera desglosada.

Figura 3.- Resultados de las preguntas 4, 7, 9, 11 y 10 de la encuesta realizada entre la comunidad de la Facultad de Química.

En la Figura 4, se presentan los resultados de la pregunta 6, que son de trascendental importancia pues son las relativas a la disciplina. En ese sentido, la pregunta 6 aborda cuestiones fisicoquímicas del agua, información que un estudiante de la Facultad de Química debe conocer y dominar. Sin embargo, los resultados muestran que hay mucho trabajo por hacer desde el punto de vista del conocimiento. Las preguntas 7 (16 %), 9 (30 %), 10 (46 %), 5 (48 %) y 4 (55 %) son, en ese orden, las peor contestadas. Los tópicos involucran la densidad del agua a cierta temperatura, su capacidad calorífica, su tensión superficial, su reactividad y su constante dieléctrica. Estos resultados son preocupantes pues el 70 % de los encuestados ya cursó el ciclo de Tronco Común en la Facultad de Química. De forma general, los profesores responden mucho mejor este apartado. El detalle de los resultados de las encuestas se puede consultar en la información suplementaria de este manuscrito.

Figura 4.- Resultados de la pregunta 6 de la encuesta realizada entre la comunidad de la Facultad de Química.

Ejercicios propuestos

A continuación, se presentan dos ejemplos, uno conceptual (ejercicio 9) y otro numérico (ejercicio 2) de los ejercicios desarrollados en este trabajo. El resto del compendio se encuentra en la información suplementaria de este manuscrito. Los ejercicios conceptuales están diseñados para ofrecer una visión general sobre la hidrósfera incluyendo su importancia para el medio ambiente y el impacto de las actividades humanas. Se presentan en formatos interactivos como completar textos con bancos de palabras, verdadero o falso, relación de columnas y llenado de tablas. A continuación se muestra un ejercicio conceptual. En rojo, las respuestas correctas.

Ejercicio 9.

De acuerdo con su uso, el agua puede experimentar cambios en sus características químicas, físicas o biológicas. Relaciona las columnas con las posibles modificaciones que adquiere el agua después de ser utilizada.

Respuesta

Para cada ejercicio numérico, primero se presenta el tema en un lenguaje sencillo, claro y de fácil acceso para el público en general, además de la bibliografía que acompaña la información. Más adelante, la actividad con la respuesta corta y desarrollada.

Ejercicio 2.

Las plantas acuáticas, también conocidas como hidrófitos, son aquellas que viven parcial o totalmente sumergidas en el agua y están adaptadas a diversos entornos acuáticos. Su crecimiento y desarrollo depende de la humedad. Una de las plantas acuáticas más conocidas por su belleza y su contribución a la oxigenación del agua es el nenúfar rosa o flor de loto. En promedio, esta planta puede producir 10 gramos de oxígeno molecular por metro cuadrado, g O2/m2, de superficie foliar al día. Si las hojas de la flor de loto tienen un radio promedio de 30 centímetros, cm ¿Cuál es la masa de oxígeno molecular, en kilogramos, que produce una planta en un año?

Respuesta corta

• Produce 1.03 kg de O2 al año.

Respuesta larga

A partir de la ecuación que relaciona el área de un círculo con su radio, se puede obtener el área de un nenúfar.

A = πr2 = π (30 cm)2 = 2.83x103 cm2

A partir del área de un nenúfar promedio y conociendo que se pueden producir 10 gramos de oxígeno molecular por metro cuadrado al día, se puede obtener la masa de oxígeno molecular que se produce en un día.

Conclusiones

Este trabajo destaca la importancia de la educación ambiental en la formación de los estudiantes de química y en la concientización de la sociedad sobre el cuidado del agua. Los ejercicios desarrollados buscan reforzar los conocimientos químicos y fomentar una actitud responsable hacia el medio ambiente. Los resultados de las encuestas muestran que aún hay un largo camino por recorrer en términos de educación ambiental, pero también indican que existe un interés genuino por parte de los estudiantes y profesores de la Facultad de Química de la UNAM en adoptar prácticas más sostenibles. La implementación de estos ejercicios como actividades extracurriculares podría ser un primer paso hacia la formación de profesionales más conscientes de su impacto en el medio ambiente y más comprometidos con la sostenibilidad. Además, dada la importancia crítica de estos temas, cabría plantear un enfoque transversal que permita abordarlos de manera recurrente a lo largo de la carrera, articulándolos entre las distintas asignaturas y cursos.

Agradecimientos

Los autores agradecen la valiosa discusión científica con Dra. Karla Salas (FQ, UNAM), M. en C. Adrián Espinoza-Guillén (Laboratorio de Química Inorgánica Medicinal, FQ, UNAM), y M. en C. Mario Rodríguez Varela (Laboratorio Universitario de Nanotecnología Ambiental, ICAT, UNAM). Igualmente agradecen al Dr. Héctor García-Ortega, Dr. Rolando Bernal Pérez, Dr. Erik Beristaín Montiel y al IQ. Fernando Santiago Gómez Martínez por la lectura y opinión de los ejercicios conceptuales y numéricos.

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Ejercicios conceptuales

Ejercicio 1.

Relaciona los términos con sus definiciones.

Respuesta

Ejercicio 2.

En las siguientes oraciones, se describe de manera incompleta el ciclo del agua. Con las palabras que se te presentan a continuación, complétalo.

El ciclo del agua comienza con la energía suministrada por el , que calienta el agua de la superficie de los océanos, ríos y lagos. Este calor provoca la del agua y la transpiración de las plantas y animales. Este proceso permite que el agua pase del estado líquido al gaseoso, ascendiendo hacia la atmósfera en forma de vapor. Al elevarse, el vapor se enfría y se , formando nubes cargadas de gotas de agua. Este fenómeno da lugar a la , y es cuando el agua regresa a la superficie terrestre en forma de lluvia, nieve o granizo.

Una vez en la superficie, el agua sigue diferentes caminos: El agua fluye por la superficie terrestre hacia lagos, ríos y océanos, a este proceso se le conoce como escorrentía . En la escorrentía hipodérmica, parte del agua se en el suelo alimentando acuíferos y aguas subterráneas. En regiones frías, el agua queda congelada y atrapada en forma de nieve o , acumulándose en glaciares, casquetes polares y otras formas congeladas.

Los vivos también participan activamente en el ciclo del agua. Las plantas absorben agua del suelo a través de sus y la liberan, en la transpiración, como vapor a través de los poros (estomas) de sus hojas.

Respuesta

El ciclo del agua comienza con la energía suministrada por el sol, que calienta el agua de la superficie de los océanos, ríos y lagos. Este calor provoca la evaporación del agua y la transpiración de las plantas y animales. Este proceso permite que el agua pase del estado líquido al gaseoso, ascendiendo hacia la atmósfera en forma de vapor. Al elevarse, el vapor se enfría y se condensa, formando nubes cargadas de gotas de agua. Este fenómeno da lugar a la precipitación, y es cuando el agua regresa a la superficie terrestre en forma de lluvia, nieve o granizo.

Una vez en la superficie, el agua sigue diferentes caminos: El agua fluye por la superficie terrestre hacia lagos, ríos y océanos, a este proceso se le conoce como escorrentía superficial. En la escorrentía hipodérmica, parte del agua se filtra en el suelo alimentando acuíferos y aguas subterráneas. En regiones frías, el agua queda congelada y atrapada en forma de nieve o hielo, acumulándose en glaciares, casquetes polares y otras formas congeladas.

Los organismos vivos también participan activamente en el ciclo del agua. Las plantas absorben agua del suelo a través de sus raíces y la liberan, en la transpiración, como vapor a través de los poros (estomas) en sus hojas.

Ejercicio 3.

La presencia de sales en los cuerpos de agua puede deberse a procesos naturales o antropogénicos. La siguiente tabla muestra algunos ejemplos de ambas categorías. Marca el que corresponde a cada uno.

Respuesta

Ejercicio 4.

La siguiente tabla presenta las principales fuentes naturales de emisión de gases, junto con los compuestos liberados en cada una. Analiza las opciones y selecciona el o los gases que corresponden a cada fuente.

Respuesta

Ejercicio 5.

En la siguiente tabla se presentan algunos de los principales procesos que afectan el pH y la alcalinidad de las aguas naturales. Clasifica cada proceso según corresponda, como un proceso fisicoquímico generado por el ser humano o un proceso biológico que ocurre de manera natural.

Respuesta

Ejercicio 6.

A continuación, se presentan las propiedades fisicoquímicas del agua y los efectos que produce cada una. Relaciona las propiedades con su correspondiente efecto.

Respuesta

Ejercicio 7

A continuación, se describen de manera general cada una de las fases por las que pasa el agua para llegar a los hogares en la Ciudad de México. Relaciona el proceso con su definición.

Respuesta

Ejercicio 8.

Los sistemas de alcantarillado reciben constantemente una variedad de residuos provenientes de diferentes fuentes, que tienen distintos efectos sobre el agua. Completa el siguiente cuadro utilizando las opciones del banco de palabras.

Respuesta

Ejercicio 9.

De acuerdo con su uso, el agua puede experimentar cambios en sus características químicas, físicas o biológicas. Relaciona las columnas con las posibles modificaciones que adquiere el agua después de ser utilizada.

Respuesta

Ejercicio 10.

A continuación, se presentan una serie de aseveraciones relacionadas con procesos naturales que afectan la composición del agua. Lee cada una detenidamente y determina si es falso o verdadera.

Respuesta

Ejercicio 11.

En la siguiente tabla se listan los principales productos químicos orgánicos e inorgánicos. Completa la información faltante apoyándote del banco de palabras, escribiendo el nombre del producto químico o su fórmula condensada, según corresponda.

Respuesta

Ejercicio 12.

A continuación, se presentan ejemplos de contaminantes del agua. Clasifícalos según su naturaleza.

Respuesta

Ejercicio 13.

A continuación, se presentan las principales industrias que contaminan el agua, junto con los contaminantes que generan durante sus procesos de producción. Relaciona cada contaminante con su industria correspondiente.

Respuesta

Ejercicio 14.

En las siguientes oraciones, se describe de manera incompleta el proceso de bomba de ballena. Con las palabras que se te presentan a continuación, complétalo.

En los océanos, dos grupos de organismos desempeñan un papel fundamental en el equilibrio ecológico. El , organismo encargado de la producción de oxígeno en los ecosistemas marinos y el , una fuente de alimento esencial para muchas especias incluidas la ballena. Ambos organismos requieren dos nutrientes claves para su desarrollo: y hierro. Sin embargo, estas sustancias no se generan de manera natural en grandes cantidades en los océanos, por lo que su disponibilidad depende de procesos .

Las ballenas desempeñan un papel crucial en este ciclo a través de un fenómeno conocido como la bomba de ballena. Este proceso ocurre cuando las ballenas se sumergen a grandes profundidades para alimentarse y luego ascienden a la superficie para respirar, liberando ricas en hierro y nitrógeno. Estos desechos actúan como para el fitoplancton y promoviendo su crecimiento.

Loa cetáceos contribuyen con hasta el de los nutrientes liberados en el Golfo de Maine, ubicado a la costa noreste de Norteamérica. Al hundirse a las profundidades, los ________ transportados por las corrientes marinas benefician a diversas especies acuáticas, cerrando un ciclo esencial para la productividad de los océanos.

Respuesta

En los océanos, dos grupos de organismos desempeñan un papel fundamental en el equilibrio ecológico. El fitoplancton, organismo encargado de la producción de oxígeno en los ecosistemas marinos y el krill, una fuente de alimento esencial para muchas especias incluidas la ballena. Ambos organismos requieren dos nutrientes claves para su desarrollo: nitrógeno y hierro. Sin embargo, estas sustancias no se generan de manera natural en grandes cantidades en los océanos, por lo que su disponibilidad depende de procesos biológicos.

Las ballenas desempeñan un papel crucial en este ciclo a través de un fenómeno conocido como la bomba de ballena. Este proceso ocurre cuando las ballenas se sumergen a grandes profundidades para alimentarse y luego ascienden a la superficie para respirar, liberando heces ricas en hierro y nitrógeno. Estos desechos actúan como fertilizantes para el fitoplancton y promoviendo su crecimiento.

Loa cetáceos contribuyen con hasta el 77 % de los nutrientes liberados en el Golfo de Maine, ubicado a la costa noreste de Norteamérica. Al hundirse a las profundidades, los nutrientes transportados por las corrientes marinas benefician a diversas especies acuáticas, cerrando un ciclo esencial para la productividad de los océanos.

Ejercicio 15.

A continuación, se describen distintos organismos patógenos que pueden estar presentes en aguas contaminadas. Relaciona cada patógeno con su descripción correspondiente.

Respuesta

Ejercicio 16.

A continuación, se presentan los métodos de desinfección físicos junto con una breve descripción de cada uno. Relaciona cada método con su correspondiente descripción.

Respuesta

Ejercicio 17.

A continuación, se presentan los principales contaminantes antropogénicos, enfocados en productos químicos sintetizados. Relaciona cada contaminante con su correspondiente descripción o uso.

Respuesta

Ejercicio 18.

En las siguientes oraciones, se explica de manera incompleta los dos tipos de organismos que viven en los ecosistemas acuáticos. Con las palabras que se presentan a continuación complétalo.

Los organismos vivos en un ecosistema acuático pueden clasificarse como autótrofos y heterótrofos. Cada uno con roles específicos en la cadena trófica.

• Organismos autótrofos: Se caracterizan por su propio alimento a partir de materiales inorgánicos, utilizando la energía solar ( ) o (quimiosíntesis). También se les conoce como . Un ejemplo en ecosistemas acuáticos son las algas, que generan biomasa al convertir el dióxido de carbono, , en compuestos orgánicos mediante la energía del Sol.
• Los organismos : Obtienen su energía al consumir otros organismos. Pueden consumir productores primarios o alimentarse de otros heterótrofos de menor nivel trófico.
• o reductores: Se encargan de degradar la materia orgánica proveniente de organismos muertos, transformándola en compuestos más simples. Ejemplos de estos organismos son los hongos y las .

Respuesta

Los organismos vivos en un ecosistema acuático pueden clasificarse como autótrofos y heterótrofo. Cada uno con roles específicos en la cadena trófica.

• Organismos autótrofos: Se caracterizan por producir su propio alimento a partir de materiales inorgánicos, utilizando la energía solar (fotosíntesis) o química (quimiosíntesis). También se les conoce como, productores primarios. Un ejemplo en ecosistemas acuáticos son las algas, que generan biomasa al convertir el dióxido de carbono, CO2, en compuestos orgánicos mediante la energía del Sol.
• Los organismos heterótrofos: Obtienen su energía al consumir otros organismos. Pueden consumir productores primarios o se alimentarse de otros heterótrofos de menor nivel trófico
• Descomponedores o reductores: Se encargan de degradar la materia orgánica proveniente de organismos muertos, transformándola en compuestos más simples. Ejemplos de estos organismos son los hongos y las bacterias.

Ejercicio 19

La combustión del carbono y derivados del petróleo producen dióxido de azufre, SO2. Debido a su densidad, este gas se acumula en las capas bajas de la atmósfera, y reacciona con el oxígeno elemental O2, formando trióxido de azufre, SO3. Posteriormente, este compuesto es arrastrado por las moléculas de agua de la lluvia, lo que provoca la formación de ácido sulfúrico, H2SO4. Cuando este ácido entra en contacto con los suelos y cuerpos de aguas, se acidifican.

Escribe las ecuaciones del proceso de formación de ácido sulfúrico a partir del texto. Recuerda que las ecuaciones deben estar balanceadas.

Respuesta

Obtención de ácido sulfúrico

2SO2(g) + O2(g) ⇋ 2SO3(g)

SO3(g) + H2O(l) ⇋ H2SO4(ac)

Ejercicio 20

A continuación, se presentan una serie de oraciones sobre la huella hídrica y al agua virtual. Determina si son falsas o verdaderas.

Respuesta

Ejercicios numéricos

Ejercicio 1.

Los bosques de algas están conformados por seis géneros principales: Ecklonia, Laminaria, Lessonia, Macrocystis, Nereocystis y Saccharina. En particular, Nereocystis, una especie que habita en el noreste del océano Pacífico, puede absorber en promedio 82 gramos de dióxido de carbono, CO2, por metro cuadrado de agua (m2). Si una persona consume anualmente 500 litros de gasolina, lo que genera aproximadamente 1,150 kilogramos de dióxido de carbono, ¿qué área de Nereocystis, en metros cuadrados, sería necesaria para capturar dicha cantidad de CO2 en un año?

Respuesta corta

• Son necesarios 14x103 m2 de alga Nereocystis.

Respuesta larga

Se realiza la correspondiente conversión:

Se determina la masa, en gramos, de dióxido de carbono, CO2, retenido por el alga Nereocystis:

Ejercicio 2.

Las plantas acuáticas, también conocidas como hidrófitos, son aquellas que viven parcial o totalmente sumergidas en el agua y están adaptas a diversos entornos acuáticos. Su crecimiento y desarrollo depende de la humedad.

Una de las plantas acuáticas más conocidas por su belleza y su contribución a la oxigenación del agua es el nenúfar rosa o flor de loto. En promedio, esta planta puede producir 10 gramos de oxígeno molecular por metro cuadrado, g O2/m2, de superficie foliar al día. Si las hojas de la flor de loto tienen un radio promedio de 30 centímetros, cm ¿Cuál es la masa de oxígeno molecular, en kilogramos, que produce una planta en un año?

Respuesta corta

• Produce 1.03 kg de O2 al año.

Respuesta larga

A partir de la ecuación que relaciona el área de un círculo con su radio, se puede obtener el área de un nenúfar.

A = πr2 = π (30 cm)2 = 2.83x103 cm2

A partir del área de un nenúfar promedio y conociendo que se pueden producir 10 gramos de oxígeno molecular por metro cuadrado al día, se puede obtener la masa de oxígeno molecular que se produce en un día.

Dado que un año tiene 365 días, se puede determinar lo que una planta de nenúfar produce de oxígeno molecular por año.

Ejercicio 3

El ácido acético, CH3COOH, es un compuesto químico ampliamente utilizado en la industria para la fabricación de productos de cuidado personal, como champús y acondicionadores, así como en la producción de fármacos y otros productos químicos.

Se han reportado incidentes de derrames industriales de ácido acético. En una ocasión, una empresa reconocida vertió accidentalmente 40 kilogramos de ácido acético, CH3COOH, en un depósito que contenía 1,000 metros cúbicos de agua, m3. Se requiere calcular el aumento de la Demanda Biológica de Oxígeno en el depósito, considerando que el ácido acético puede biodegradarse totalmente a dióxido de carbono, CO2 según la siguiente ecuación química.

CH3COOH(ac) + 2O2(ac) ⇋ 2CO2(ac) + 2H2O(l)

Considera la masa molar del oxígeno molecular, O2, y del ácido acético, CH3COOH, como 32 g/mol y 60 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• Hay un aumento de 43 mg O2/L

Respuesta larga

Verificamos que efectivamente la ecuación química se encuentra balanceada.

Se calcula la masa de oxígeno consumido en el agua. Para ello, se necesita obtener la cantidad de sustancia de ácido acético vertido, que se transforma totalmente a dióxido de carbono. Además, de la relación estequiométrica entre el ácido acético y el oxígeno molecular.

Se construye el cuadro de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se igual a cero en ambas columnas (CH3COOH y O2) porque se considera que la reacción es total; esto es que el ácido acético se agota al reaccionar con el oxígeno molecular. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de oxígeno molecular que se requiere en un Inicio para reaccionar estequiométricamente con el ácido acético vertido.

Se genera en vertical, en la columna del CH3COOH, la siguiente ecuación:

666.67 - x = 0

x = 666.67 mol CH3COOH

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X que es la cantidad de sustancia de oxígeno molecular.

X - 2x = 0

X = 2x = 2(666.67) = 1,333.34 mol O2

Se obtiene la masa de oxígeno molecular a partir de la ecuación de la cantidad de sustancia que relaciona la masa y la masa molar:

Por último, se obtiene la Demanda Biológica de Oxígeno, DBO, considerando que el volumen donde se vertió el ácido acético es de 1,000 m3 y sabiendo que 1 m3 = 1000 L y que 1 g = 1000 mg.

Ejercicio 4.

El metanol, CH3OH, es un disolvente volátil e inflamable, utilizado en la producción de biocombustibles. Su transporte debe realizarse en tanques especializados. En una ocasión, se transportaron 20 metros cúbicos de metanol y al llegar a su destino no se vació ni limpió el tanque correctamente. Se llenó con agua sin saberse que 2 litros de metanol permanecían en el depósito. ¿Cómo aumenta la DBO en el tanque? Considera la degradación de metanol, CH3OH, a dióxido de carbono, CO2.

2CH3OH(ac) + 3O2(ac) ⇋ 2CO2(ac) + 4H2O(l)

Considera la masa molar del oxígeno molecular, O2, y del metanol, CH3OH, como 32 g/mol y 32.04 g/mol, respectivamente; y que la densidad del metanol, CH3OH, es de 0.9 g/mL a 25 °C.

Respuesta corta

• La Demanda Biológica de Oxígeno, DBO, es de 135 ppm.

Respuesta larga

Se verifica que la ecuación química se encuentre balanceada. A partir de esto, se debe calcular el volumen, en mililitros, de metanol sobrante es decir 2 L, se considera que 1 L = 1000 mL.

Se obtiene la masa de metanol a partir de la ecuación de la densidad que relaciona la masa y el volumen:

Se calcula la cantidad de sustancia de metanol a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en ambas columnas (CH3OH y O2) porque se considera que la reacción es total; esto es que el metanol se agota al reaccionar con el oxígeno molecular. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de oxígeno molecular que se requiere en un Inicio para reaccionar estequiométricamente con el metanol del tanque.

Se genera en vertical, en la columna del metanol, la siguiente ecuación:

56.18 - 2x = 0

x = 28.09 mol CH3OH

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X que es la cantidad de sustancia de oxígeno molecular.

X - 3x = 0

X = 3x = 3(28.09) = 84.27 mol O2

A partir de este resultado se determina la masa de oxígeno molecular. Se emplea la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Por último, se obtiene la Demanda Biológica de Oxígeno, DBO, considerando que el volumen del tanque es de 20 m3 y que el volumen de metanol (2 L) es despreciable con respecto al volumen del tanque. Además, se sabe que 1 m3 = 1000 L.

Ejercicio 5.

El proceso de galvanizado del hierro es un proceso industrial en el que se recubren las piezas en baños de cianuro de zinc fundido, Zn(CN)2, para protegerlos de la corrosión. En una operación industrial, se realizó un baño en un volumen de 5 metros cúbicos que contenía una concentración de 0.7 mol/L de cianuro, CN-. Posteriormente, esta disolución se diluyó con agua en un tanque hasta alcanzar un volumen de un millón de litros. Se requiere calcular el aumento en la Demanda Química de Oxígeno. Para ello considera que la relación estequiométrica entre cianuro y oxígeno es 2 a 5, respectivamente.

Respuesta corta

• Hay un DQO 280 ppm O2

Respuesta larga

Se calcula la cantidad de sustancia del cianuro, CN-, a partir de la ecuación de molaridad que relaciona la cantidad de sustancia con el volumen.

Conociendo la relación estequiométrica, CN-:O2 = 2:5, se puede calcular la cantidad de sustancia del oxígeno molecular como:

Se obtiene la masa de oxígeno molecular a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar:

Por último, se obtiene la Demanda Biológica de Oxígeno, DBO, considerando que el volumen del tanque es de 1 millón de litros, 1,000,000 L.

Ejercicio 6

Los fenoles se utilizan principalmente en la producción de resinas y tienen numerosas aplicaciones industriales pues sirven como potentes fungicidas, bactericidas, antisépticos y desinfectantes. Al desecharse, incluso en bajas concentraciones, pueden resultar en una amenaza para la vida acuática.

Se desecharon indebidamente 400 L de fenol, C6H5OH, en un cuerpo de agua cercano a una planta industrial. El cuerpo de agua tiene un volumen aproximado de 80 millones litros, por lo que es necesario calcular el aumento de la Demanda Química de Oxígeno. Considera la degradación de fenol, C6H5OH, a dióxido de carbono, CO2, según la siguiente ecuación química que representa la transformación.

C6H5OH(ac) + 7O2(ac) ⇋ 6CO2(ac) + 3H2O(l)

Considera que las masas molares de fenol, C6H5OH y del oxígeno molecular O2, son 94.11 g/mol y de 32 g/mol, respectivamente; y que la densidad del fenol es de 1.07 g/mL a 25 °C.

Respuesta corta

• La DQO es de 12.75 mg O2/L.

Respuesta larga

La ecuación química se encuentra correctamente balanceada. A partir de esto, se debe calcular el volumen, en mililitros, de fenol derramado.

Se obtiene la masa de fenol a partir de la ecuación de la densidad, que relaciona la masa y el volumen:

Se calcula ahora la cantidad de sustancia de fenol a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en ambas columnas (C6H5OH y O2) porque se considera que la reacción es total; esto es que el fenol se agota al reaccionar con el oxígeno molecular del cuerpo de agua. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de oxígeno molecular que se requiere en un Inicio para reaccionar estequiométricamente con el fenol derramado.

Se genera en vertical, en la columna del fenol, la siguiente ecuación:

4.55x103 - x = 0

x = 4.55x103 mol C6H5OH

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X que es la cantidad de sustancia de oxígeno molecular.

X - 7x = 0

X = 7x = 7(4.55x103) = 3.18x104 mol O2

A partir de este resultado se determina la masa de oxígeno molecular. Se emplea la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Por último, se obtiene la Demanda Biológica de Oxígeno, DBO, considerando que el volumen donde ocurrió el derrame es de 80 millones de litros y que el volumen de fenol (400 L) es despreciable con respecto al volumen del cuerpo de agua.

Ejercicio 7.

El fitoplancton es responsable de aproximadamente el 50 % de la fotosíntesis en la Tierra. En condiciones óptimas, si se encuentra en una zona de agua transparente, cada metro cuadrado de fitoplancton puede producir hasta de 10 gramos de oxígeno molecular por día. Considerando que una persona promedio consume aproximadamente 5,700 litros de oxígeno para sobrevivir al día. ¿Qué área, en metros cuadrados, m2, de fitoplancton es necesaria para cubrir las necesidades de oxígeno de la población de la Ciudad de México, que cuenta con 22 millones de habitantes? Considera que la densidad del oxígeno molecular es 1.43 g/mL.

Respuesta corta

• Se necesitan 1.79x1013 m2

Respuesta larga

Se calcula el total de oxígeno molecular consumido por 22 millones de habitantes en un día.

A partir de la ecuación de densidad, se obtiene la masa de oxígeno molecular que se consume.

Por último, se debe calcular el área, en metros cuadrados, de fitoplancton para producir esa masa de oxígeno molecular.

Ejercicio 8.

El agua de mar es una disolución salina que contiene un 3.1 % en masa de cloruro de sodio, NaCl, con una concentración molal de 0.55 mol/kg. Con la información que se da a continuación es posible determinar la constante crioscópica, kc, del agua. Utiliza la siguiente ecuación. Considera que la temperatura de congelación del agua ocurre a 0 °C.

Donde:

• Entalpía del agua pura, ∆H, es de 6.02 kJ/mol a una temperatura de 0 ºC.
• Constante de los gases ideales, R, es de 8.31 J/K∙mol.
• Temperatura de congelación de la disolución expresada en Kelvin, Tc.
• Masa molar, M.M. 18 g/mol.

Respuesta corta

• kc = 1.85x103 K∙g/mol

Respuesta larga

A partir de la ecuación de constante crioscópica se obtiene su valor.

Ejercicio 9

Se estima que entre el 5 % al 15 % del agua dulce extraída de los depósitos naturales se utiliza en el sector industrial. Para evaluar su calidad, se realizó un análisis de una muestra de 1 litro de agua con una concentración molar de iones de calcio de 2.8x10-4 mol/L. Calcula la dureza del agua (ppm de CaCO3) en la muestra considerando la ecuación química del proceso:

Ca2+(ac) + 2HCO3⁻(ac) ⇋ CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

Considera que las masas molares del calcio y del carbonato de calcio, CaCO3, son 40.08 g/mol y 100.09 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• 28 ppm CaCO3

Respuesta larga

Se verifica que efectivamente la ecuación química se encuentre balanceada y se construye el cuadro de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en ambas columnas (Ca2+ y HCO3⁻) porque se considera que la reacción es total; esto es que el calcio y el bicarbonato se agotan al reaccionar. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la concentración de carbonato de calcio que se obtiene en Se forma al reaccionar completamente el calcio.

Se genera en vertical, en la columna del Ca2+, la siguiente ecuación:

2.8x10-4 – x = 0

x = 2.8x10-4 mol/L Ca2+

Una vez obtenido el valor de x se puede obtener el valor de X que será la concentración de carbonato de calcio.

X - x = 0

X = x = 2.8x10-4 mol/L CaCO3

Por último, se obtiene la dureza, considerando que 1 g = 1000 mg.

Ejercicio 10

Los cenotes son formaciones naturales en superficies de piedra caliza, ricas en calcita y en algunos casos magnesita. Estas estructuras se forman por la disolución de los minerales debido a la acción de las aguas subterráneas. Cuando el techo de una cuenca colapsa, deja al descubierto un depósito natural de agua. En un análisis de un litro de agua tomada de un cenote en Yucatán, se determinó que la concentración de magnesio fue de 60 ppm. Calcula la dureza del agua (ppm de MgCO3) considerando la siguiente ecuación que representa la transformación:

Mg2+(ac) + 2HCO3-(ac) ⇋ MgCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

Considera que la masa molar de magnesio, Mg2+, y del carbonato de magnesio, MgCO3, es 24.30 g/mol y 84.31 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• 208 ppm MgCO3

Respuesta larga

Se obtiene la masa, en gramos, de Mg2+, considerando que la expresión partes por millon, ppm, relaciona la masa, en miligramos, con el volumen de la disolución expresado en litros.

Ahora, se obtiene la cantidad de sustancia de magnesio a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar:

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se igual a cero la columna Mg2+ porque se considera que todo el magnesio reacciona para formar su correspondiente carbonato. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de carbonato de magnesio que se obtiene en la fila Se forma.

2.47x10-3 - x = 0

x = 2.47x10-3 mol Mg2+

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X que es la cantidad de sustancia del carbonato de magnesio.

X = x

X = 2.47x10-3 mol MgCO3

Por último, se obtiene la dureza, considerando que 1 g = 1000 mg.

Dado que el volumen de la disolución es de un litro, y en ella se forma una masa de 208 miligramos de MgCO3, la concentración, en partes por millón es de 208 ppm.

Ejercicio 11

La dureza permanente no puede eliminarse por ebullición, siendo necesarios procesos químicos. Uno de los métodos utilizados es adicionando carbonato de sodio, Na2CO3 al agua. El carbonato de sodio reacciona con los iones de calcio y magnesio para formar carbonatos insolubles.

En México, la extracción de agua para consumo humano proviene de fuentes superficiales como ríos, arroyos, lagos y presas. En un experimento, se realizó un análisis a un litro de una muestra de río, mostrando una concentración de 900 ppm de cloruro de calcio, CaCl2. Se desea tratar la dureza del agua en un volumen de 250 mil litros. ¿Qué masa en kilogramos de carbonato de sodio, se necesita para reducir la dureza permanente a la tercera parte? Si la ecuación representativa es la siguiente:

CaCl2(ac) + Na2CO3(s) ⇋ CaCO3(s) + 2NaCl(ac)

Considera que las masas molares de calcio, Ca2+, y carbonato de sodio, Na2CO3, son 40.08 g/mol y 106 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• La masa, en kilogramos, de carbonato de sodio es de 198.5 kg.

Respuesta larga

Se debe a reducir la dureza del agua a 300 ppm. De esta manera, se debe obtener la masa, en gramos, de calcio, considerando que la muestra tomada es de un litro, y que la disociación de cloruro de calcio, CaCl2, es completa:

CaCl2(ac) ⇋ Ca2+(ac) + 2Cl-(ac)

De esta forma:

Ahora, se obtiene la cantidad de sustancia de calcio a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar:

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se igual a cero las columnas (Ca2+ y Na2CO3) porque se considera que todo el calcio reaccionó con el carbonato de sodio. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de carbonato de sodio que se tiene en la fila Inicio para reducir la dureza del agua.

7.49x10-3 - x = 0

x = 7.49x10-3 mol Ca2+

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X que es la cantidad de sustancia del carbonato de sodio

X = x

X = 7.49x10-3 mol Na2CO3

Se calcula ahora la masa en gramos de carbonato de sodio a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Por último, se determina la masa en kilogramos para tratar los 250 mil litros de agua.

Ejercicio 12

El bario es un metal utilizado en la fabricación de pinturas, plásticos y cauchos. En la industria petrolera se emplea en lodos de perforación que son descargados en cuerpos de agua. Si estas descargas no se gestionan adecuadamente pueden resultar tóxicas para la vida marina. Una forma efectiva de eliminar el bario de las aguas residuales es precipitarlo como fosfato de bario, Ba3(PO4)2, mediante el uso de fosfato de sodio, Na3PO4.

Si una industria genera 500 litros por hora de agua residual, con un contenido de 60 miligramos de bario por litro. Calcula la masa, en gramos, de fosfato de sodio necesaria al día para precipitar el bario presente. La ecuación que representa el proceso es:

3Ba2+(ac) + 2Na3PO4(ac) ⇋ Ba3(PO4)2(s) + 6Na+(ac)

Considera que las masas molares del bario y fosfato de sodio son 137.3 g/mol y 163.94 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• Masa diaria necesaria de fosfato de sodio 573.79 g

Respuesta larga

Se determina la masa, en gramos, de bario en un litro de agua, sabiendo que se tienen 60 mg.

Con esta información, se determina la cantidad de sustancia de Ba2+ presente en un litro de agua residual.

A continuación, se determina la cantidad de sustancia diaria de bario que se necesita a eliminar al día.

Se construye el cuadro de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en ambas columnas (Ba2+ y Na3PO4) porque se considera que la reacción es total; y que el fosfato de sodio empleado elimina completamente el bario disuelto. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de fosfato de sodio que debe emplearse al Inicio para reaccionar completamente con el bario disuelto.

Se genera en vertical, en la columna del Ba2+, la siguiente ecuación:

5.24 - 3x = 0

x = 1.75 mol Ba2+ al día

Una vez obtenido el valor de x, se puede obtener el valor de X, que corresponde a la concentración de fosfato de sodio:

X - 2x = 0

X = 2x = 2(1.75) = 3.5 mol de Na3PO4 al día

Por último, se determina la masa en gramos de fosfato de sodio a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar.

Ejercicio 13.

El aluminio es uno de los metales más utilizados en construcción, electrónica y embalajes. Sin embargo, su liberación sin tratamiento adecuado en cuerpos de agua genera la acidificación y disminución de pH afectando el ecosistema acuático.

Para su eliminación, se trata al aluminio con una base fuerte, de tal forma que precipite en forma de hidróxido de aluminio, Al(OH)3. Se analizó un litro del agua residual de una industria refresquera y se encontró una concentración de 120 ppb de aluminio, mismo que se trató con hidróxido de NaOH. ¿Cuál es el pH mínimo para que pueda precipitar?

Considera que la constante de solubilidad del hidróxido de aluminio, Al(OH)3, es Ks = 1.9x10-33, que 1 ppm corresponde a 1000 ppb y que la ecuación que representa la transformación es:

Al(OH)3(s) ⇋ Al3+(ac) + 3 OH-(ac)

Respuesta corta

• pH = 4.88

Respuesta larga

Se obtiene la masa, en gramos, a partir de la concentración en partes por billón de aluminio.

Ahora, se obtiene la cantidad de sustancia de aluminio a partir de la ecuación de cantidad de sustancia que relaciona la masa con la masa molar:

Se determina la concentración de ion hidróxido a partir de la constante de solubilidad

A partir de la constante de ionización del agua se determina la concentración de protones.

Por último, obtenemos el pH a partir de la concentración de protones:

pH = -log[H+] = -log[1.33 x10-5] = 4.88

Ejercicio 14.

La agricultura es una de las actividades con mayor impacto ecológico, especialmente en la contaminación del suelo y el agua debido al uso de plaguicidas y fertilizantes sintéticos. Por ello, se buscan alternativas más sostenibles y amigables con el medio ambiente. En este contexto, el uso de productos orgánicos como los peróxidos ha sido propuesto como una opción viable reducir el impacto ambiental.

El peróxido de hidrógeno, H2O2 es un agente oxidante altamente reactivo utilizado en diversas aplicaciones, incluyendo la desinfección agrícola y el tratamiento de aguas. Sin embargo, el peróxido de hidrógeno es un compuesto inestable y tiende a descomponerse lentamente a temperatura ambiente en agua y oxígeno molecular. Explica su reactividad a partir de la escala de potencial estándar de reducción, el cálculo de la constante de equilibrio para su dismutación y la determinación de la energía libre de Gibbs asociada al proceso, ΔGº. Para ello considera que la ecuación del proceso:

2H2O2(ac) ⇋ 2H2O(l) + O2(g)

Los potenciales estándar de reducción de los pares involucrados se presentan a continuación.

O2(g) + 2H+(ac) + 2e- ⇋ H2O2(ac) E1 = 0.68 V

H2O2(ac) + 2H+(ac) + 2e- ⇋ 2H2O(l) E2 = 1.77 V

Además considera que la constante de equilibrio se determina como , y para el cálculo de la energía libre de Gibbs se debe emplear la ecuación ΔGº = -nFEºcelda, con F, siendo la constante de Faraday es 96,485 C/mol.

Respuesta corta

• En la escala, la pendiente es positiva, lo que indica una reacción termodinámicamente favorecida. La constante de equilibrio es y ΔGº = -2.10x105 J/mol. La energía libre de Gibbs es negativa por lo tanto la reacción es exergónica, favoreciendo la formación de productos, es decir la descomposición del peróxido de hidrógeno.

Respuesta larga

1.- Se elabora la escala de potencial estándar de reducción

Como se puede observar la pendiente es positiva, indicando que es una reacción termodinámicamente favorecida a la formación de productos (O2 y H2O).

2.- Se calcula la constante de equilibrio, que relaciona el número de electrones intercambiados en la reacción redox presente y la diferencia de potencial de celda.

3.- Se determina la energía libre de Gibbs a partir de ∆E° celda que corresponde a la diferencia entre los valores de los pares redox descritos en la escala y en el cálculo de la constante de equilibrio (1.77 V – 0.68 V), por lo que el potencial de celda ∆E° es igual a 1.09 V. De acuerdo con el enunciado, se sabe que se intercambian dos electrones en cada semi-reacción por lo que también en la reacción completa. De esta forma:

Por último, se puede interpretar la energía libre de Gibbs. El valor negativo indica que la ecuación es exergónica en condiciones estándar, es decir que la reacción se favorece a la formación de productos.

Ejercicio 15.

El manganeso en el agua potable puede presentar un riesgo para la salud, ya que su exposición prolongada se ha relacionado con trastornos neurológicos, daño hepático y renal. Además, su presencia en altas concentraciones puede provocar incrustaciones en las tuberías, afectando la distribución del agua.

Para reducir su concentración, se utiliza permanganato de potasio, KMnO4, como agente oxidante, que oxida Mn2+ a Mn4+, una especie menos soluble que precipita en el tratamiento de aguas.

Se suministra diariamente 1800 m3/h de agua potable con una concentración de 86 μg de manganeso por litro de agua, ¿qué volumen diario de una disolución de permanganato de potasio de concentración 1 mol/L es necesario para oxidar y precipitar el manganeso, Mn2+, disuelto en el agua? La ecuación que representa el proceso es la siguiente:

3Mn2++ 2MnO4- + 4OH-⇋ 5MnO2 + 2H2O

Considera que las masas molares de manganeso y permanganato de potasio son 54.94 g/mol y 158.03 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• Volumen de disolución de KMnO4 = 45.08 L KMnO4

Respuesta larga

Se determina la masa, en gramos, de manganeso en un litro de agua sabiendo que se tienen 86 μg.

Con esta información, se determina la cantidad de sustancia de Mn2+ presente en un litro de disolución.

Se determina la cantidad de sustancia de manganeso que se necesita eliminar diariamente, considerando la cantidad de agua suministrada.

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en las columnas (Mn2 +, MnO4- y OH-) porque se considera que la reacción es total; esto es que el manganeso reacciona completamente con el permanganato. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de permanganato de potasio necesario para oxidar completamente Mn2+.

Se genera en vertical, en la columna del Mn2+ la siguiente ecuación:

67.39 - 3x = 0

x = 22.46 mol

Una vez obtenido el valor de x podemos obtener el valor de X que será la cantidad de sustancia de permanganato.

X - 2x = 0

X= 2x= 2(22.46) = 44.92 mol MnO4- al día

Por último, se determina el volumen de permanganato de potasio a partir de la ecuación de molaridad que relaciona la cantidad de sustancia con el volumen.

Ejercicio 16.

El hierro es uno de los principales responsables del color rojizo en aguas cercanas a minas. Es posible eliminar el Fe3+ utilizando una disolución hidróxido de sodio, NaOH, ya que se favorece la formación de un sólido insoluble color rojizo.

Se tomó una muestra de un litro de agua de un cuerpo de agua cercano a una mina y la muestra mostró una cantidad de 138 mg de hierro. Determina el volumen en mililitros de hidróxido de sodio con concentración 1 mol/L necesario para precipitar el hierro, considerando que el cuerpo de agua tiene un volumen de 24 mil litros. La ecuación que representa el proceso es la siguiente.

Fe3+(ac) + 3NaOH(ac) ⇋ Fe(OH)3(s) + 3Na+(ac)

Considera que las masas molares de hierro e hidróxido de sodio son 55.85 g/mol y 40 g/mol, respectivamente.

Respuesta corta

• El volumen de la disolución de NaOH 1 mol/L necesaria es de 177,900 mL.

Respuesta larga

Se determina la masa, en gramos, de hierro en un litro de agua sabiendo que se tienen 138 mg.

Con esta información, se determina la cantidad de sustancia de Fe3+ presente en un litro de disolución.

Se determina la cantidad de sustancia de hierro que se necesita eliminar, considerando el volumen del cuerpo de agua.

Se construye el cuadro de avance de reacción como se muestra a continuación.

En la fila Al final, se iguala a cero en las columnas (Fe3+ y NaOH) porque se considera que la reacción es total; esto es que el hierro reacciona completamente con el hidróxido de sodio. De esta forma, se puede obtener X, que corresponde a la cantidad de sustancia de hidróxido de sodio necesario para precipitar completamente Fe3+.

De esta forma, se genera en vertical, en la columna del Fe3+ la siguiente ecuación:

59.28 - x = 0

x = 59.28 mol Fe3+

Una vez obtenido el valor de x podemos obtener el valor de X que será la cantidad de sustancia de hidróxido de sodio.

X - 3x = 0

X= 3x = 177.84 mol NaOH

Se determina el volumen de hidróxido de sodio a partir de la ecuación de molaridad que relaciona la cantidad de sustancia con el volumen.

Ejercicio 17

El 6 de agosto de 2014, la mina Buenavista del Cobre, ubicada en Cananea, Sonora provocó un derrame de sulfato de cobre (II) acidulado, CuSO4∙5H2O, en el río Sonora. La presencia de este compuesto altamente tóxico en los cuerpos de agua provoca un desequilibrio en los ecosistemas y aumenta la acidez del agua.

El volumen derramado fue de 40 mil m3. ¿A cuántas albercas olímpicas correspondería este volumen? Considera que las dimensiones de la alberca son 50 metros de largo, 25 metros de ancho y un promedio de 2.70 metros de profundidad.

Respuesta corta

• Correspondería a 12 albercas olímpicas

Respuesta larga

A partir de la ecuación que relaciona el área, el largo y el ancho, es posible determinar el volumen de la alberca.

A partir del volumen que tiene una alberca es posible determinar la cantidad de albercas necesarias, considerando que el volumen derramado fue de 40 mil m3.

Ejercicio 18

Uno de los derrames de petróleo más grandes en México ocurrió en 1979, cuando el grupo Pemex realizaba una perforación a 3,627 metros de profundidad. Durante la operación, se presentó una falla en la circulación del fluido, lo que generó una acumulación de presión. Como resultado, al entrar en contacto con los motores de la bomba, el gas emanado del subsuelo provocó una explosión e incendio, que se extendió por 280 días.

Se derramaron aproximadamente 560 millones de litros de petróleo. ¿A cuántos estadios Azteca equivale este volumen? Considera la forma del estadio como la de un prisma rectangular cuyas dimensiones son 105 m de largo, 68 m ancho y un promedio de 50 m de altura.

Respuesta corta

• Corresponde a 1.57 estadios Azteca.

Respuesta larga

A partir de la ecuación de un prisma rectangular que relaciona el largo, el ancho y la altura.

V = l∙a∙h = (105 m) (68 m) (50 m) = 3.57x105 m3

Se realiza una conversión de unidades considerando que 1 m3 = 1000 L

Se determina el número de estadios

Ejercicio 19

CEMEX es una de las principales compañías de construcción ubicada en Monterrey y se trata de una empresa líder en la producción de cemento. En uno de sus procesos industriales generó una determinada cantidad de residuos; algunos de ellos fueron:

• 11.1 toneladas de cromo. El cromo contamina suelos y cuerpos de agua, además de ser tóxico para diversas especies.
• 2.1 toneladas de cadmio, que es un metal que está asociado a problemas renales.
• 1.1 toneladas de mercurio, un líquido altamente tóxico, que puede provocar daños neurológicos, renales y cardiovasculares.

Para dimensionar la cantidad de residuos, considera las densidades de cada uno de estos metales. Con esta información, ¿a cuántos contenedores de residuos de 2 L equivaldría cada residuo generado?

Respuesta corta

• a) Cromo aproximadamente 770 contenedores
• b) Cadmio aproximadamente 121.5 ≈122 contenedores
• c) Mercurio aproximadamente 40.45 contenedores

Respuesta larga

a) Se tiene una masa de 11.1 toneladas de cromo, se realiza la correspondiente conversión recordando que 1 t = 1000 kg

Se calcula el volumen de cromo generado a partir de la ecuación de densidad, que relaciona la masa con el volumen:

Se realiza la correspondiente conversión, recordando que 1 m3 = 1000 L

Se obtiene la cantidad de contenedores, considerando que tienen un volumen de 2 litros.

b) y c) Siguiendo el mismo procedimiento, se obtienen 121.5 que podemos tomar como 122 contenedores para cadmio y 40.45 contendedores para mercurio.

Ejercicio 20

La industria refresquera en el norte de México representa un riesgo sxignificativo para el abasto de agua, ya que esta región se caracteriza por su escasez hídrica. Los refrescos ampliamente consumidos en el país contienen entre un 85 % y 95 % de agua, mientras que el resto de su composición incluye azúcares y saborizantes. Para producir un litro de refresco, se utilizan en promedio 1.58 litros de agua, considerando tanto el contenido directo del producto como los procesos necesarios para su producción.

En el año 2021 la empresa “Coca-Cola FEMSA” produjo un total de 14,249,714 litros de su refresco Coca-Cola. Determina el promedio total de agua utilizado para producir la cantidad mencionada de refresco.

Respuesta corta

• El promedio total de agua utilizada es de 2.25x107 L

Respuesta larga

Se realiza el producto entre el volumen promedio de agua para la realización de un litro de refresco con el volumen de litros producidos de refresco al año.

Recepción: 2025-03-12. ▪ Aceptación: 2025-11-27.

Cómo citar:

Rojas López, A. y Reina, M. (2026, enero-marzo). Agua, química y formación de estudiantes: ejercicios y actividades para la concientización ambiental. Educación Química, 37(1). http://dx.doi.org/10.22201/fq.18708404e.2026.1.91074

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