ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05. Учебное пособие Физикохимические процессы в гидросфере
Скачать 31.55 Mb.
|
Задачи1. 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 105оС. 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 ПДКР.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 – FезО4; 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 РH2О = 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 25оС, 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 25оС. В оценках принять: константа Генри КГ = 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 20оС. В качестве справочных данных принять: количество СО2 в атмосфере составляет 0,0343% (объемных), константа Генри КГ = 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/м2 . 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, ре = 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. |