ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05. Учебное пособие Физикохимические процессы в гидросфере

• Название: Учебное пособие Физикохимические процессы в гидросфере
• Анкор: ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05.doc
• Дата: 26.09.2017
• Размер: 31.55 Mb.
• Имя файла: ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05.doc
• Тип: Учебное пособие; #8961
• страница: 15 из 18

Задачи

1. Выразите содержание главных катионов и главных анионов для среднего состава речной воды в промилле и миллимолях на литр.

2. Представьте в виде формулы средний состав речной воды, в ко­торой концентрация растворенного диоксида углерода составляет 1000 мг/л.

3. Сколько граммов поваренной соли (NaCl) содержится в 1 кг морской воды, отобранной в одном из заливов Северного моря, если ее хлорность равна 20%о?

4. К какому классу вод по минерализации следует отнести природные воды, состав которых соответствует среднему составу морской во­ды (таблица 2). При оценке принять: а) другие примеси в воде отсутствуют; б) плотность воды равна 1000 г/л; в) при экспери­ментальном определении минерализации все ионы гидрокарбоната перейдут в карбонат-ионы, а остальные ионы полностью переходят в безводные соли, устойчивые при 105^оС.

5. Охарактеризуйте средний состав речной воды в соответствии с классификацией, разработанной О. А. Алекиным.

6. На сколько молей уменьшится равновесное содержание кислорода» в каждом литре верхнего слоя воды природного водоема при увеличе­нии температуры приземного воздуха с 5 до 25°С, если парциальное давление кислорода не изменилось, концентрация кислорода соот­ветствует средним для приземного слоя значениям, давление возду­ха соответствует стандартным значениям? Парциальным давлением паров воды можно пренебречь.

7. Какая из двух природных вод более агрессивна по отношению к гипсу (СаSO₄ ^. 2Н₂О), если активности катионов кальция и анионов SOдля первой и второй воды составляют:

= 10^–2,5моль/л; = 10^–2,7моль/л;

=10^–1,7моль/л; =10^–2,3моль/л.

Активность гипса в твердой фазе принять равной единице.

8. Какой процесс – растворение или осаждение гипса – будет проис­ходить при его контакте с природной водой, в которой активности катионов кальция и анионов SO составляют 10^–3,5 и 10^–2,2 моль/л соответственно? Температура и давление соответствуют стандартным условиям.

9. Какой из минералов, не содержащих примесей, – гипс (CaSO₄ ^. 2Н₂О) или ангидрит (CaSO₄) – более устойчив в водном растворе при нормальном атмосферном давлении и температуре 60° С?

10. Сколько миллиграммов ионов фтора может содержаться при нор­мальных условиях в природной воде, находящейся в равновесии с флюоритом (СаF₂), не содержащим примесей, если в воде содер­жится хлорид натрия в концентрации 0,03 М? Сравните получен­ные значения с предельно допустимой концентрацией ионов фто­ра в водоемах рыбохозяйственного назначения, которая составляет ПДК_Р._Х = 0,75 мг/л.

11. Определите значение общей и карбонатной жесткости для среднего состава атмосферных осадков (таблица 2). Ответ дайте в молях на литр, немецких, французских и американских градусах жестко­сти. К какой группе вод по величине жесткости следует отнести эти воды? Принять плотность воды равной 1 кг/л.

12. Какое значение рН наблюдалось в дождевой воде, находящейся в равновесии с атмосферным воздухом, содержащим в качестве при­месей («активных компонентов») лишь диоксид углерода, в эпоху оледенения, если его содержание в приземном воздухе составляло 200 млн ^–1? На сколько единиц изменился рН к настоящему времени при содержании СО₂ в атмосферном воздухе 0,035%(об.)? Принять температуру воздуха равной 298 К, давление равным 101,3 кПа, парциальное давление паров воды равным 0,031 атм.

13. Какое значение рН следует ожидать у дождевой воды, находящей­ся в равновесии с атмосферным воздухом, содержащим 0,035% (об.) диоксида углерода, 1,5 млрд^–1 диоксида серы и 1,2 млрд^–1 аммиа­ка? Температура воздуха равна 298 К, давление 101,3 кПа; парци­альное давление паров воды принять равным 3,16 кПа. Какой вклад (в %) вносят эти примеси в процесс закисления дождевой воды?

14. Постройте зависимость доли соответствующего компонента от рН раствора (распределительную диаграмму) для системы SO₂ – H₂O. Какие ионы или молекулы, характерные для этой системы, будут находиться в растворе, если его рН соответствует: а) значению рН идеального дождя? б) значению рН закисленного водоема (3-я ста­дия закисления)?

15. Проба природной воды имеет щелочность, равную 1,5 ммоль/л, значение рН этой воды равно 7, температура 298 К. Оцените концен­трацию компонентов карбонатной системы в данной пробе. Каким будет парциальное давление диоксида углерода в воздухе, находя­щемся в равновесии с этой водой? Какие значения концентраций компонентов карбонатной системы будут наблюдаться в этой воде, если контакт с воздухом будет нарушен (поступления СО₂ не будет), а в результате протекания фотосинтеза рН станет равным 10,5? Процессы растворения или осаждения карбонатов в системе не происходили. Принять коэффициенты активности компонентов карбонатной системы равными единице.

16. Какое количество мг/л органического вещества условной формулы СН₂О могло образоваться в водоеме в процессе фотосинтеза, если был нарушен контакт с воздухом и карбонатными породами, рас­творения или выделения диоксида углерода и карбоната кальция не происходило? Щелочность воды в исходном растворе составляла Щ = 1,5ммоль/л, рН = 7. В процессе фотосинтеза рН увеличился до значения 10,5. Процесс протекал при нормальном давлении и температуре 298К.

17. Как изменится рН в водоеме в результате процесса фотосинтеза, если поступление СО₂ отсутствует? Температура водоема 25°С, щелочность воды 1,5 ммоль/л, начальное значение рН = 7,8. В процессе фотосинтеза в каждом литре воды образовалось 25 мг орга­нических соединений условной формулы СН₂О.

18. Определите среднее значение жесткости и щелочности воды в реке Сырдарья. Запишите ее средний состав в виде формулы. К какому типу, классу по О. А. Алекину следует отнести эти воды?

Средний состав воды в реке Сырдарья в (млн^–1):

Na⁺ – 139; Cl^–– 100;

Mg²⁺ – 56; SO– 453;

Са²⁺ – 93; HCO– 173.

19. Какое значение рН будут иметь поверхностные воды, находящиеся в равновесии с атмосферным воздухом, в котором среди «активных» примесей присутствует лишь диоксид углерода, и карбонатными породами, состоящими из кальцита (СаСО₃), в 2080 г.? Ожидается, что концентрация диоксида углерода в воздухе к 2080 г. достиг­нет 600 млн ^–1. Температура равна 298 К, общее давление возду­ха – 101,3 кПа, парциальное давление паров воды – 3160 Па. При оценке принять, что коэффициенты активности всех компонентов равны единице.

20. Какую жесткость и щелочность будут иметь поверхностные воды, находящиеся в равновесии с атмосферным воздухом, в котором сре­ди «активных» примесей присутствует лишь диоксид углерода, и карбонатными породами, состоящими из кальцита (СаСО₃)? Концентрация диоксида углерода в воздухе равна 600 млн ^–1, темпера­тура равна 298 К, общее давление воздуха – 101,3 кПа, парциальное давление паров воды – 3160 Па. При оценке принять, что коэффициенты активности всех компонентов равны единице.

21. Определите рН воды в равновесии с СО₂ атмосферы и магнезитом (MgCO₃), если концентрация в воздухе СО₂ – 342 ррm, температура 25°С.

22. На какую максимальную глубину за счет растворения карбоната кальция в выпадающей на плато дождевой воде может опуститься уровень природного известнякового плато к 3000 году, если дожде­вая вода полностью стекает с поверхности плато, но лишь после установления равновесия между дождевой водой, карбонатом кальция (кальцитом) и атмосферным воздухом? Уровень осадков, выпадаю­щих на плато в течение этого периода, принять одинаковым и равным 900 мм/год. Температура все время составляла 298 К, давление – 101,3 кПа; концентрация диоксида углерода в атмосферном воздухе стабилизируется на уровне 0,060%(об.). Плотность известняка принять равной 2,7 г/см³. В качестве «активной» примеси в воздухе присутствует только диоксид углерода.

23. Постройте диаграмму – рН для системы Fe – О – Н₂О, прини­мая во внимание лишь следующие превращения: Fе₂О₃ – Fе_зО₄; Fe³⁺ – Fe₂O₃; Fe³⁺ – Fe²⁺; Fe₂O₃ – Fe²⁺, и опишите области устой­чивого существования соединений железа при различных значениях рН. Принять, что концентрации ионов трех- и двухвалентного железа равны 10^–9 моль/л.

24. Определите отношение активностей ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водоеме, интенсивно аэрируемом воздухом, при давлении 95 кПа, рН 8,3, тем­пературе 25°С и парциальном давлении Р_H2О = 3170 Па.

25. Какое значение будет иметь редокс-уровень системы, определяемый верхней границей устойчивости воды, если парциальное давление кислорода в находящемся в равновесии с подземной водой воздухе снизится с 1 атм до 0,01 атм, а рН раствора будет равен 5?

26. Какое парциальное давление кислорода должно соответствовать редокс-уровню системы, в которой протекает анаэробный процесс восстановления диоксида углерода до метана ( = –4,2), при наступлении равновесия, если рН раствора равен 8,3?

27. Какое максимальное количество мг органических веществ общей формулы C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P может быть окислено за счет раство­ренного кислорода (при высоких значениях ) в каждом литре природной воды, находящейся в равновесии с приземным воздухом (температура 298 К, общее давление – 101,3 кПа, парциальное давление паров воды – 3,1 ^. 10³ Па), если контакт с воздухом был пре­рван и поступление дополнительного кислорода в процессе окисления отсутствовало?

28. Какой минимальный объем природной воды необходим для растворения сероводорода, образовавшегося при окислении 15 г сахара в процессе сульфат-редукции, если весь выделившийся сероводород переходит в раствор, в котором концентрация H₂S не превышает значений подпороговой концентрации, определяемой по запаху (ППК_(орг) = 0,05 мг/л)? Сахар имеет брутто-формулу С₁₂Н₂₂О₁₁.

29. Определите максимально возможное количество сероводорода в зо­не гиполимниона в период летней стратификации (кг, л), если зна­чение соответствовало процессу сульфат-редукции и в водоем в течение 45 суток поступало 3 ммоль/ч фосфора (Р) в виде рас­творенных фосфатов. Фосфор полностью расходовался на развитие фитопланктона (С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆Р), который в эпилимнионе и зоне термоклина не окислялся.

Модуль № 2. Физико-химические процессы в гидросфере
Строение гидросферы. Гидрологический цикл. Состав, основные показатели качества и процессы формирования природных вод.

Карбонатные системы в природных водах и концентрация ионов водорода. Уравнение баланса зарядов в карбонатной системе. Угольная кислота и рН раствора. Растворимость карбонатных пород. Влияние примесей на растворимость кальзита. Щелочность природных вод. Закисление водоемов. Алюминий в природных водах. Окислительно-восстановительные процессы в водоемах. Температурный профиль пресноводных водоемов. Эвтрофирование природных вод. Диаграмма рЕ – рН для модельных и природных систем. Процессы гидролиза в природных водах и их значение. Процессы комплексообразования в гидросфере. Природные и систематические комплексообразователи. Детергенты (СПАВ) в водоемах. Тяжелые металлы в природных водах. Пестициды в природных водах. Хлорированные и полихлорированные углеводороды в природных водах. Антропогенное воздействие на Мировой океан: приоритетные загрязнители; основные источники воздействия; влияние антропогенных загрязнений на морские экосистемы; формы миграции и основные процессы трансформации основных загрязняющих веществ; экологический резерв Мирового океана и прогноз его состояния. Основные механизмы саморегуляции в гидросфере. Роль живого вещества.
Задачи ко второму учебному модулю
Задача № 1. Оцените максимально возможную концентрация растворенного О₂ в воде при 25^оС, если константа Генри равна 2 ^. 10^–8 моль/л. Полученную величину сравните с нормируемой для природных вод и укажите причины в различии полученных значений.

Задача № 2. Оцените величину рН атмосферных осадков при растворении в них атмосферного СО₂. Влиянием других кислых газов пренебречь. В оценках принять константу диссоциации угольной кислоты:

Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃^–.

Задача № 3. Оцените рН дождей в г. Иваново, где основной вклад в закисление атмосферной влаги (уменьшение рН) дает диоксид серы. Средняя концентрация диоксида серы в приземном слое воздуха составляет 30 мкг/м³, константа Генри равна 5,4 моль/(л ^. атм), а константа скорости диссоциации (Н₂SО₃ Н⁺ + НSО₃^–) составляет 2,7 ^. 10^–2 моль/л. Выполните аналогичные расчеты для г. Череповца, где средняя концентрация SO₂ достигает 1 мг/м³. Рассчитайте парциальные индексы загрязнения атмосферы в двух городах и сделайте соответствующие выводы.

Задача № 4. Оцените концентрацию карбонат-иона при растворении атмосферного СО₂ в природных водах при температуре 25^оС. В оценках принять: константа Генри К_Г = 3,4 ^. 10^–7 моль/ л ^. Па; К₁ = 4,5 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,7 ^. 10^–7 моль/л; рН = 10.

Задача № 5. Рассчитайте концентрацию бикарбонат-иона при растворении атмосферного СО₂ в природных подах при 20^оС. В качестве справочных данных принять: количество СО₂ в атмосфере составляет 0,0343% (объемных), константа Генри К_Г = 3,4 ^. 10^–7 моль/ л ^. Па; К₁ = 4,5 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,7 ^. 10^–7 моль/л; рН = 7.

Задача № 6. Оцените, какой объем воды условно потеряет кислород, если в замкнутый водоем в результате аварии попало 100 кг бензола. Константа Генри равна 1,26 ^. 10^–8 моль/л ^. Па.

Задача № 7. Что произойдет с популяцией парка в замкнутом водоеме, если в последний произошел залповый выброс фенола в количестве 20 кг? Равновесная концентрация растворенного в воде О₂ до выброса составляла 10 мг О₂/л. Объем водоема 10000 м².

Задача № 8. Оцените последствия для популяции рыб замкнутого водоема, если в последний начали сбрасывать сточные воды крахмалопаточного завода. В сточных водах содержится 60 мг/л сахаров (С₁₂Н₂₂О₁₁). Мощность сброса за контрольный период составила 1000 м³. Равновесная концентрация О₂ в водоеме до сброса сточных вод – 9 мг/л, объем водоема – 10000 м³.

Задача № 9. Оцените максимально возможное количество биомассы, которое может быть получено при фотосинтезе в случае отсутствия поступления в водоем других углеродсодержащих соединений, в том число и СО₂, если в процессе фотосинтеза величина рН среды изменилась с 7 до 10 единиц. В оценках принять: при рН = 7, щелочность 1 мг-экв/л, а при рН = 10 щелочность – 4 мк-экв/л, К₁ = 4,47 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,68 ^. 10^–11 моль/л; рН = 10.

Задача № 10. Постройте диаграмму – рН для железа, если его среднегодовая концентрация в водоеме составляет 0,1 мг/л, а основные равновесия записываются следующим образом:

1) Fe³⁺ +  Fe²⁺, = 13;

2) Fe(OH)_{2 (тв)}  Fe²⁺ + 2OH^–, k₂ = 2 ^. 10^–15;

3) Fe(OH)_{3 (тв)}  Fe³⁺ + 3OH^–, k₃ = 6 ^. 10^–38;

4) Fe(OH)_{3 (тв)} +  Fe(OH)_{2 (тв)} + OH^–, = –9,48.

Оцените основные формы нахождения соединений железа в поверхностных и придонных слоях воды, если средняя глубина водоема составляет 12 м.

Задача № 11. Определите основную форму нахождения Al в поверхностных слоях воды водоема при значении рН = 5 и рассчитайте его содержание в этой форме, если образование растворимых форм алюминия в природных водах ограничить следующими реакциями:

1) Al(OH)₃ + 3H⁺  Al³⁺ + 3H₂O, k₁ = 5,1 ^. 10⁹;

2) Al(OH)₃ + H⁺  Al(OH)₂⁺ + H₂O, k₂ = 4 ^. 10¹;

3) Al(OH)₃ + H₂O  Al(OH)₄^– + H⁺, k₃ = 1 ^. 10^–14.

Задача № 12. Оцените величину рН дождей в промышленном районе, где основной вклад в закисление атмосферной влаги дает SO₂. Парциальное давление SO₂ в атмосфере равно 5 ^. 10^–9 Па, константа Генри равна 5,4 моль/л ^. атм, а константа скорости диссоциации сернистой кислоты – 2,7 ^. 10^–2 моль/л.

Задача № 13. Что произойдет с популяцией карпа в замкнутом водоеме, если в последний произошел залповый сброс фенолов в количестве 25 кг. Равновесная концентрация растворенного кислорода в воде до сброса составляла 8 мг O₂/л, объем водоема – 10000 м³. Оцените максимальный уровень загрязнения воды в водоеме.

Задача № 14. Средние концентрации неорганических соединений азота и фосфора в озере Вазель Южского района ивановской области в 1996 г. составили, г/м³: 1) аммоний солевой – 1,21; 2) нитрит – 0,12; 3) азот нитратов – 2,0; 4) фосфаты (в пересчете на Р) – 0,235. Содержание хлороформа в этот же период времени колебалось в пределах 34-60 мг. Средняя глубина озера равна 1 м. Рассчитанная средняя плотность потоков из донных отложений неорганического азота и фосфора составляет, соответственно, 1,5 и 0,7 г/м^{2 .} год. Во-первых, обоснуйте оптимальное соотношение азота и фосфора в природных водах, это значение сравните с экспериментальными и сделайте соответствующие выводы_. Во-вторых, рассчитайте время оборота азота и фосфора в системе вода – донные отложения и сделайте выводы о развитии процессов эвтрофирования. В-третьих, оцените категорию трофического состояния озера Вазаль.

Задача № 15. Определите форму нахождения соединений железа в воде, если последняя характеризуется следующими показателями: рН = 7, р_е = 10 (концентрация железа в воде 10^–4 моль/л).

Задача № 16. Оцените максимальную концентрацию 2,3,7,8-тетрахлорбензопарадиоксина (ТХДД) в воде, если его содержание в атмосферном воздухе составляет около 0,13 мг/м³, константа генри равна 0,2 моль/л ^. Па. Оцените возможные каналы выведения ТХДД из природных вод.