Cómo se disuelven los gases en el agua
¿Cuánto gas puede contener el agua y qué hace que esa cantidad suba o baje?
En esta página
- Puntos clave
- La ley de Henry: un gas se disuelve en proporción a su presión parcial
- La temperatura y la salinidad fijan el techo
- La presión y la profundidad lo elevan
- Saturación y sobresaturación
- Cinco gases, cinco comportamientos
- Qué significa en la práctica
- Límites y preguntas abiertas
- Preguntas
- Referencias
La ley de Henry: un gas se disuelve en proporción a su presión parcial
En equilibrio, la cantidad de un gas disuelta en el agua es proporcional a la presión de ese gas sobre el agua. Esta es la Sander, 2023. Equilibrio significa que el agua ya no gana ni pierde ese gas.
La presión que cuenta es la parte del total que aporta ese gas, su . El aire a nivel del mar ejerce alrededor de 1 atmósfera (atm), y el aire seco tiene un 20,946 % de oxígeno, de modo que el oxígeno aporta solo cerca de una quinta parte de esa presión. El oxígeno disuelto () sigue a esa quinta parte.
Por eso el gas que se suministra importa tanto como el agua. Si se reemplaza el aire por oxígeno puro a la misma presión, el equilibrio sube unas 4,8 veces, hasta unos 43 mg/L a 20 °C en lugar de 9,09 mg/L (calculado a partir de Garcia & Gordon, 1992). Es un techo fijado por la física, no lo que un equipo alcanza en la práctica.
El factor de la ley de Henry se llama constante, pero cambia con la temperatura, y se publica en varias unidades y en formas inversas, de modo que un valor dice poco si no se indica su forma Sander, 2023.
La temperatura y la salinidad fijan el techo
El agua tibia y el agua salada contienen menos gas. La tabla da el oxígeno en equilibrio con aire húmedo a 1 atm, lo que un medidor informa como 100 % de . Se calculó con la ecuación de Garcia & Gordon, 1992, ajustada a mediciones cuyo error estimado es de 0,1 % o menos Benson & Krause, 1984.
| Temperatura del agua | Agua dulce (mg/L) | Agua de mar, salinidad 35 (mg/L) |
|---|---|---|
| 0 °C | 14,62 | 11,45 |
| 5 °C | 12,77 | 10,11 |
| 10 °C | 11,29 | 9,02 |
| 15 °C | 10,08 | 8,13 |
| 20 °C | 9,09 | 7,40 |
| 25 °C | 8,26 | 6,77 |
| 30 °C | 7,56 | 6,24 |
| 35 °C | 6,95 | 5,77 |
El agua a 0 °C contiene aproximadamente el doble de oxígeno que el agua a 30 °C, y la pérdida por grado es mayor en el agua fría. Una solución nutritiva a 30 °C, o un estanque en verano, parte con menos oxígeno que la misma agua en invierno.
La sal desplaza el gas de la solución: el agua de mar contiene alrededor de un 19 % menos de oxígeno que el agua dulce a 20 °C. El logaritmo de la solubilidad disminuye aproximadamente en proporción a la salinidad, una regla empírica llamada relación de Setschenow Garcia & Gordon, 1992. El agua salobre queda entre las dos columnas.
La presión y la profundidad lo elevan
Más presión pone más gas en solución. En altura, o cuando baja la presión barométrica, el equilibrio desciende; Benson & Krause, 1984 presentan procedimientos para corregir sus valores a presiones distintas de 1 atm.
La profundidad actúa en sentido contrario a la altitud. Cada metro de agua añade unos 9,8 kPa, aproximadamente una décima de atmósfera, de modo que a 10 m la presión total es de unas 2 atm y el gas retenido allí puede disolverse hasta cerca del doble de su equilibrio en superficie. Introducir aire en el agua a presión es una de las formas de sobresaturarla.
La profundidad también protege a los peces del agua sobresaturada. Aguas abajo de una represa, salmones y truchas steelhead juveniles migraron a profundidades medias de 1,5 a 3,2 m, y esta "compensación hidrostática", junto con tiempos de exposición breves, redujo los efectos del exceso de gas Beeman & Maule, 2006.
Saturación y sobresaturación
Por encima del 100 % de saturación, en , el agua contiene más gas del que permite el equilibrio y devuelve el exceso lentamente. Una lectura del medidor superior al 100 % puede ser real. Aparece de tres formas habituales:
- Calentamiento. El agua saturada a 15 °C (10,08 mg/L) y calentada a 25 °C queda al 122 % de saturación (calculado a partir de la tabla).
- Aire a presión. El agua que se vierte desde las represas atrapa aire en las pozas de caída y eleva el gas disuelto total (TDG, por sus siglas en inglés), la suma de todos los gases disueltos Wang et al., 2018.
- Gas puro. El oxígeno puro eleva el oxígeno por encima del 100 % de la saturación con aire, porque su presión parcial es unas 4,8 veces mayor.
La sobresaturación causada por represas y por descargas de agua caliente ha provocado mortalidad de peces en varios casos Weitkamp & Katz, 1980. El exceso de gas disuelto puede causar la enfermedad de las burbujas de gas, con émbolos de gas en la sangre, el corazón y las branquias Wang et al., 2018. En ese estudio de laboratorio, 2 horas al 130 % de TDG redujeron la velocidad crítica de natación de juveniles de chupador chino (Chinese sucker) de 4,06 a 2,29 longitudes corporales por segundo. Estos estudios midieron el gas disuelto total, no solo el oxígeno.
Cinco gases, cinco comportamientos
Cada gas tiene su propia solubilidad, y algunos reaccionan una vez disueltos Sander, 2023.
| Gas | Solubilidad a 25 °C (mol m⁻³ Pa⁻¹) | Relativa al oxígeno | Qué más ocurre |
|---|---|---|---|
| Oxígeno (O₂) | 1,3 × 10⁻⁵ | 1 | Lo usan raíces, peces y microbios |
| Nitrógeno (N₂) | 6,4 × 10⁻⁶ | alrededor de 0,5 | Principal gas del aire; se suma al gas disuelto total |
| Dióxido de carbono (CO₂) | 3,4 × 10⁻⁴ | alrededor de 26 | Reacciona con el agua y baja el pH |
| Ozono (O₃) | 1,0 × 10⁻⁴ | alrededor de 8 | Se descompone, más rápido a pH alto |
| Hidrógeno (H₂) | 7,8 × 10⁻⁶ | alrededor de 0,6 | El menos soluble en masa |
El dióxido de carbono es el más soluble de los cinco; el CO₂ puro a 1 atm y 25 °C se disuelve hasta alrededor de 1,5 g/L (calculado). A diferencia del oxígeno, reacciona: forma bicarbonato e iones hidrógeno que acidifican el agua Randall et al., 1991, el mismo proceso que baja el pH del océano a medida que este absorbe CO₂ Zeebe, 2012. En un sistema de acuicultura en recirculación (RAS, por sus siglas en inglés) a escala semicomercial, la alcalinidad baja (10 mg/L como carbonato de calcio) dio el pH más bajo, y una mayor proporción del carbono inorgánico salió como CO₂ durante la desgasificación Summerfelt et al., 2015. Los post-smolts de salmón del Atlántico crecieron mejor por debajo de 12 mg/L de CO₂ en un ensayo de 12 semanas en RAS Mota et al., 2019. Véase Nanoburbujas de dióxido de carbono (CO₂).
El ozono se disuelve unas ocho veces mejor que el oxígeno, pero no permanece. Los iones hidróxido inician su descomposición, de modo que esta avanza más rápido a pH alto, y el peróxido de hidrógeno la acelera aún más Staehelin & Hoigné, 1982. Mientras tanto, oxida otros compuestos directamente o a través de radicales hidroxilo von Gunten, 2003; Procesos de oxidación avanzada (POA) explica esa química.
El hidrógeno es el menos soluble en masa, alrededor de 1,6 mg/L bajo H₂ puro a 1 atm y 25 °C (calculado), y su solubilidad es la que menos cambia con la temperatura. El ozono y el CO₂ son los que pierden solubilidad más rápido cuando el agua se calienta Sander, 2023.
Qué significa en la práctica
- Registre la temperatura del agua, la salinidad o la conductividad y la presión barométrica con cada lectura de OD, e informe tanto mg/L como el porcentaje de saturación.
- Compare las lecturas con la tabla, o con una calculadora basada en la misma ecuación. Por encima del 100 % hay sobresaturación: verifique la calibración y luego trate la lectura como real.
- Suministrar oxígeno puro eleva el techo unas 4,8 veces, y con él el margen para la sobresaturación.
- Donde los peces viven en agua sobresaturada, mida el gas disuelto total, no solo el oxígeno.
- En agua de recirculación, controle juntos el CO₂, el pH y la alcalinidad; en el caso del ozono, mida el residual donde se necesita.
La lección siguiente, Difusión y transferencia de masa gas–líquido, explica con qué rapidez el agua se acerca a estos techos.
Límites y preguntas abiertas
- Los valores de oxígeno suponen equilibrio con aire húmedo a 1 atm, desde el punto de congelación hasta 40 °C y salinidad de 0 a 42 como sal marina; las soluciones nutritivas solo se aproximan. El agua real rara vez está en equilibrio.
- Las constantes de los demás gases son valores de dos cifras para soluciones diluidas a 25 °C, útiles para comparar gases, no para dimensionar equipos; los valores publicados para el ozono varían según la fuente.
- Las cifras con gas puro (43 mg/L de oxígeno, 1,6 mg/L de hidrógeno, 1,5 g/L de CO₂) son techos de equilibrio, no resultados de ningún equipo.
- Los efectos de la sobresaturación provienen de un estudio en un río y de una prueba de laboratorio de 2 horas con especies silvestres; el resultado de crecimiento con CO₂, de un solo ensayo con salmón.
Preguntas
¿Por qué un medidor de oxígeno disuelto puede marcar más del 100 %?
El porcentaje de saturación compara el oxígeno medido con el valor de equilibrio a la temperatura, la salinidad y la presión del agua. El agua que se calentó, que recibió aire a presión o que recibió oxígeno puro puede contener más que ese valor durante un tiempo. Luego el exceso sale despacio, como burbujas o por la superficie.
¿Cuánto oxígeno menos contiene el agua tibia?
En agua dulce a 1 atm, el equilibrio con el aire da 14,62 mg/L a 0 °C, 9,09 mg/L a 20 °C y 7,56 mg/L a 30 °C. Pasar de 20 a 30 °C baja el techo alrededor de un 17 %. El agua de mar de salinidad 35 contiene aún menos: 7,40 mg/L a 20 °C.
Si el ozono se disuelve mejor que el oxígeno, ¿por qué cuesta mantener ozono disuelto?
El ozono es unas ocho veces más soluble que el oxígeno a igual presión parcial, pero se descompone en el agua. Los iones hidróxido inician la descomposición, que avanza más rápido a pH alto, y el peróxido de hidrógeno la acelera aún más. Su nivel disuelto equilibra suministro y descomposición, así que conviene medirlo donde se necesita.
Referencias
- Garcia, H. E., Gordon, L. I. (1992). Oxygen solubility in seawater: Better fitting equations. Limnology and Oceanography, 37, 1307-1312. https://doi.org/10.4319/lo.1992.37.6.1307 ↩
- Benson, B. B., Krause, D. (1984). The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere1. Limnology and Oceanography, 29, 620-632. https://doi.org/10.4319/lo.1984.29.3.0620 ↩
- Sander, R. (2023). Compilation of Henry's law constants (version 5.0.0) for water as solvent. Atmospheric Chemistry and Physics, 23, 10901-12440. https://doi.org/10.5194/acp-23-10901-2023 ↩
- Beeman, J. W., Maule, A. G. (2006). Migration Depths of Juvenile Chinook Salmon and Steelhead Relative to Total Dissolved Gas Supersaturation in a Columbia River Reservoir. Transactions of the American Fisheries Society, 135, 584-594. https://doi.org/10.1577/t05-193.1 ↩
- Wang, Y., Li, Y., An, R., et al. (2018). Effects of Total Dissolved Gas Supersaturation on the Swimming Performance of Two Endemic Fish Species in the Upper Yangtze River. Scientific Reports, 8, 10063. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28360-7 ↩
- Weitkamp, D. E., Katz, M. (1980). A Review of Dissolved Gas Supersaturation Literature. Transactions of the American Fisheries Society, 109, 659-702. https://doi.org/10.1577/1548-8659(1980)109<659:arodgs>2.0.co;2 ↩
- Randall, D., Lin, H., Wright, P. A. (1991). Gill Water Flow and the Chemistry of the Boundary Layer. Physiological Zoology, 64, 26-38. https://doi.org/10.1086/physzool.64.1.30158512 ↩
- Zeebe, R. E. (2012). History of Seawater Carbonate Chemistry, Atmospheric CO2, and Ocean Acidification. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 40, 141-165. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-042711-105521 ↩
- Summerfelt, S. T., Zühlke, A., Kolarevic, J., et al. (2015). Effects of alkalinity on ammonia removal, carbon dioxide stripping, and system pH in semi-commercial scale water recirculating aquaculture systems operated with moving bed bioreactors. Aquacultural Engineering, 65, 46-54. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2014.11.002 ↩
- Mota, V. C., Nilsen, T. O., Gerwins, J., et al. (2019). The effects of carbon dioxide on growth performance, welfare, and health of Atlantic salmon post-smolt (Salmo salar) in recirculating aquaculture systems. Aquaculture, 498, 578-586. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2018.08.075 ↩
- Staehelin, J., Hoigne, J. (1982). Decomposition of ozone in water: rate of initiation by hydroxide ions and hydrogen peroxide. Environmental Science & Technology, 16, 676-681. https://doi.org/10.1021/es00104a009 ↩
- von Gunten, U. (2003). Ozonation of drinking water: Part I. Oxidation kinetics and product formation. Water Research, 37, 1443-1467. https://doi.org/10.1016/s0043-1354(02)00457-8 ↩