ХИМИЯ

ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ

(Методические указания к практическим занятиям

и контрольные задания для студентов-заочников дистанционной формы обучения по специальности

280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов»)

Составитель

доц., к.х.н. Чекмарева Л.И.

кафедра химии

Тихоокеанского государственного университета Хабаровск, 2011 Указания к выполнению контрольной работы 1. При оформлении титульного листа чётко укажите дисциплину, по которой выполняется контрольная работа, форму обучения и специальность, шифр зачётной книжки, фамилию, имя, отчество студента, домашний адрес, дату выполнения работы.

2. Вариант выполняемого задания соответствует последней цифре номера Вашей зачётной книжки в чётный год выполнения работы или последней цифре номера Вашей зачётной книжки плюс десять в нечётный год выполнения работы. Например, последняя цифра номера Вашей зачётной книжки равна 4, следовательно, в 2012, 2014, 2016 годах Ваш вариант будет четвертым, а в 2011, 2013, 2015 годах – четырнадцатым.

3 Номера и условия заданий должны быть чётко прописаны – так, как это приведено в задании.

4. Математические действия в решении задач должны сопровождаться пояснениями и комментариями, выявляющими логику решения. В конце задачи должен быть приведен окончательный ответ и соответствующие ему единицы измерения.

5. Теоретические вопросы должны быть рассмотрены в последовательности, рекомендуемой в формулировке задания. Каждый аспект вопроса оформляется отдельным абзацем или предваряется подзаголовком, указывающим на этот аспект.

6. Приводимые схемы, рисунки, графики и таблицы должны быть озаглавлены и снабжены комментариями, из которых становилось бы очевидной необходимость этих форм информации при рассмотрении вопроса.

7. При упоминании в тексте названий веществ и процессов, протекающих в окружающей среде, необходимо приводить химические формулы этих веществ, уравнения и механизмы протекания процессов, строение и структуры рассматриваемых объектов, если это необходимо для понимания процесса.

8. В конце работы приведите список используемой литературы и интернетресурсов с указанием тех заданий, где они были использованы.

Рекомендации к самостоятельной работе с информационными ресурсами по дисциплине «Химия окружающей среды» в рамках программы специальности 280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».

1. Окружающая среда и её сферы:

космо –, атмо –,лито –,педо –, гидро –био –, техно –, ноо – сферы.

Определение сфер, их местонахождение в окружающей среде, параметры (объёмы, массы, % масс, % объёмн.), основные компоненты сфер.

2. Науки, изучающие сферы, их компоненты, процессы, закономерности, законы, состояние, качества.

Сфера Область сферы Науки, их изучающие Гидросфера Ледники Гляциология и т.д. Океаны Океанология 3. Общая характеристика процессов, формирующих окружающую среду и её качества (физических, химических, геологических, физико-химических, биохимических, технологических, биологических, фотохимических, радиационных, космических, гидро- и геотермальных, социальных, информационных).

4. Характеристика сфер окружающей среды. Общий подход не исключает рассмотрения характерных особенностей каждой сферы дополнительно).

4.1. Выделение областей сферы, оказывающих важное влияние на состояние окружающей среды. Например, в гидросфере: континентальные пресные и солёные воды, моря и океаны, ледники, атмосферная и почвенная воды, вода биосферы.

4.2. Физические параметры сферы и её характерных областей (температура, агрегатное состояние, плотность, анизотропность, тепло- и электропроводность, теплоёмкость, диэлектрическая проницаемость, магнетизм и т.д.), их влияние на формирование и качества окружающей среды.

4.3. Компонентный состав сферы: качественный и количественный (элементный, молекулярный, фазовый, вещественный).

4.4. Химические свойства компонентов сферы (кислотно-основные, окислительно-восстановительные, седиментационные, комплексно-образовательные), их влияние на формирование и качества окружающей среды.

4.5. Биохимические свойства компонентов сферы, их влияние на формирование и качества окружающей среды.

4.6. Физико-химические свойства компонентов сферы (растворимость, сорбционные, оптические, электрохимические, фотохимические, радиацион-ные), их влияние на формирование и качества окружающей среды.

4.7. Геофизические и геохимические свойства (сейсмичность, образование метаморфических пород, карстовых пещер, водо-, нефтегазоносных слоёв, оползней, селей, лавин и т.д.).

4.8. Эволюция сферы. Информационные системы сферы. Изменчивость и постоянство качеств сферы. Показатели качества (состояния) сферы.

Возобновляемость и восстанавливаемость сферы.

4.9. Характеристика основных процессов, влияющих на показатели состояния сферы и формирующих её качества.

4.10. Стратификация сферы по различным её свойствам. Влияние стратификации на устойчивость и качества сферы.

4.11 Ресурсный потенциал сферы и его использование человечеством.

4.12. Экологические проблемы и угрозы сферы: проявление (сущность), физико-химические основы, влияние на среду обитания человека, флору и фауну, прогнозы развития ситуации, пути решения проблемы.

4.13.. Характеристика основных загрязнителей сферы (природа, свойства, источники, влияние на окружающую среду, предельно допустимые содержания (ПДК), методы мониторинга).

4.14. Пути оздоровления сферы (меры превентивные, компенсационные, реабилитационные).

4.15. Роль сферы и её компонентов в обеспечении комфортного существования человечества.

4.16. Терминологический словарь сферы.

5. Технологии общественного производства. Общая технологическая схема для данной группы производств. Выделение этапов производства, несущих в себе экологические угрозы, характеристика этих угроз и последствий их реализации. Рекомендации по предотвращению, ослаблению воздействия и ликвидации последствий экологической угрозы.

5.1. Добывающие (сырьевые) отрасли.

Сырьё: руды, горные породы, топливные ресурсы, соли, газы, биоресурсы, сырьё для органического синтеза.

5.2. Перерабатывающие отрасли, производящие материалы для получения изделий: металлургия, производство стройматериалов, энергетика, деревообработка, водоподготовка, пищевые отрасли и т.д.

5.3. Производящие изделия отрасли: строительные конструкции, металлоизделия и машины, мебельные и фармацевтические производства и т.д.

5.4. Информационные технологии.

5.5. Производства основных неорганических веществ: кислот, солей, удобрений и т.д.

5.6. Биотехнологии.

5.7. Производство органических веществ: инсектицидов, фармпрепаратов, кислот, жиров, СМС и т.д.

5.8. Обезвреживание, утилизация, использование отходов общественного производства, жизнеобеспечения и комфортного проживания человечества.

5.9. Сельскохозяйственные отрасли: растениеводство, животноводство, птицефабрики и т.д.

5.10. Эксплуатация объектов сферы услуг: авто-, аэро, водный и железнодорожный транспорт, торговые предприятия, предприятия сангигиены, медицинские учреждения.

5.11 Инновационные технологии: генная инженерия, космические и нанотехнологии и т.д.

1. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. Пер с англ. – М.: Мир, 1999- 271 с.

2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Серия «Высшее образование», Ростов-на Дону, Феникс, 2004-192 с.

3. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды: Учебник для вузов.

М.:МИР, 2005-296 с.

4. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А., Малков А.В. и др. Задачи и вопросы по химии окружающей среды. Учебное пособие для вузов. – М., 5. Плахов А.М., Федорчук Ю.М. Химия окружающей среды: Учебное пособие.- Томск: Изд-во ТПУ, 2002-128 с.

6. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учебник для вузов.- М.:

Academia, 2003, -400 c.

7. Садовникова Л.К. и др. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении: Учебн. пособие для вузов/ Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. – 3-е издание, перераб.

– М.: Высшая школа, 2006.-334 с.

8. Общая химическая технология и основы промышленной экологии:

Учебник для вузов /под ред. В.И.Ксензенко.

– 2-е издание, стер. – М.: Колосс, 2003 - 338 с.

9. Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник для вузов (под ред. Иванова Н.И. и Федина И.М.,– М.: Логос, 2003- 528 с.

10. Химическая технология неорганических веществ. В 2-х книгах:

Учебн.пособие для вузов /под ред.Т.Г.Ахметова.– М.: Высшая школа, 2002 – 1-я книга - 688 с., 2-я книга – 536 с.

11. Гринин А.С., Новиков В.Н. Промышленные и бытовые отходы:

Хранение, утилизация,переработка.– М. ФАИР-ПРСС, 2002.

12. Тимонин А.С.Инженерно-экологический справочник в 3-х томах:

Учебн. пособие для вузов – Калуга, изд-во Н.Бочкарёвой, 2003 – 1 кн.– 917 с., 2 кн. – 884 с., 3 кн. – 1024 с.

13. Краткий справочник физико-химичкских величин. Изд. 8-е, перераб./под ред.Равделя А.А. и Пономаревой А.М. – Л.: Химия, 1983 и более поздние издания.

14. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник.

Л.: Химия, 1978 и более поздние годы издания.

15. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. – Справочники и нормативные документы последних лет издания.

16. Прикладная экобиотехнология: учебн. пособие в 2-х томах.

Т.1 / А.Е.Кузнецов и др. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010 с. Т.2 – 485 с.

Задание 1. В соответствии с вариантом (табл. 1) опишите сущность, физикохимические основы, причины, масштаб и последствия указанных экологических угроз и проблем. Предложите программы предупреждения, уменьшения воздействия и ликвидации последствий негативного воздействия на окружающую среду и человека.

Вариант Экологическая угроза или проблема Разрушение озонового слоя Земли.

Деградация территорий.

Озоновое загрязнение атмосферы.

Автомобильный транспорт и загрязнение окружающей среды.

Уменьшение биологического потенциала Земли.

Проблемы, связанные с отходами сельскохозяйственных производств.

Проблемы бытовых отходов.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

Истощение природных ресурсов.

Энергетический кризис.

Радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Проблемы лесного комплекса.

Проблемы энергетического обеспечения человечества.

Проблемы интенсификации сельскохозяйственных производств, в Проблемы горнодобывающих производств, в том числе нефте- и Космическая отрасль и экологические угрозы.

Пример 1. Рассмотрение проблемы «Запыленность атмосферы».

1. Сущность проблемы. Поглощение пылью солнечного излучения и как результат – недополучение Землёй необходимого количества солнечной энергии, угнетение процесса фотосинтеза, недополучение продуктов питания, снижение температуры окружающей среды. Результатами предельной запылённости атмосферы могут явиться «ядерная ночь» и «ядерная зима». Кроме того, нарушается связь, затрудняется движение транспорта, возникают проблемы с дыханием вплоть до смертельных исходов.

2. Причины могут быть как природного происхождения, так и прямых и непрямых техногенных воздействий. К природным можно отнести вулканические извержения, песчаные бури и т.д. К прямым техногенным причинам относятся дымовые выбросы ТЭЦ и других предприятий, пыление золоотвалов, пожары, автомобильные выхлопы. Непрямые воздействия, увеличивающие запыленность атмосферы – это опустынивание земель под воздействием человека и т.д.

3. Физико-химические основы. Пылевые частички, взвешенные в воздухе, могут осаждаться под действием силы тяжести, вызывая эрозию горных пород, строительных конструкций, затруднение дыхания растений и т. д.

Коллоидные частички (10-7-10-9нм) поглощают, рассеивают и отражают солнечные лучи, мешая им достигнуть земной поверхности, ухудшая видимость.

Кроме того, на поверхности пылинок начинают активно протекать реакции, приводящие ко вторичному загрязнению атмосферы, т. к. оксиды железа, алюминия, магния и других металлов служат катализаторами. Например 4. Масштаб проблемы – планетарный, т.к. образование источников пыли происходит повсеместно, где есть пустыни, возникают торнадо, огромные лесные пожары, инициируемые грозами и т.д., не говоря уже о техногенных источниках.

5. Последствия увеличения запылённости атмосферы могут привести к таким явлениям как «ядерная ночь», «ядерная зима» и т.д. Приведите ряд сценариев развития ситуаций.

6. Предупреждение, снижение негативных воздействий и ликвидацию последствий описать последовательно:

– в техносфере человек предпринимает меры по предупреждению выбросов пыли (приведите примеры для различных источников пыли);

– в природной среде можно привести примеры лесозащитных мероприятий, организацию ландшафтов, обводнение торфяников и т.д.

В любом случае ответ должен быть логически выстроен и структура ответа обозначена либо красными строками, выделенным шрифтом или подчёркиванием ключевых слов.

Задание 2. В соответствии с вариантом (табл. 2) опишите воздействие на животные и растительные организмы указанных элементов. Приведите формы их существования в атмосфере, гидросфере и литосфере, значения предельнодопустимых концентраций (ПДК), укажите по какому показателю вредности он установлен.

Задание 3. В соответствии с вариантом (табл. 3) опишите физические, физикохимические и химические свойства газа, источники его поступления в атмосферу, время пребывания в ней. Приведите уравнения реакций превращения газа и укажите процессы его удаления из атмосферы, имея ввиду реакции кислотноосновного взаимодействия, окисления-восстановления, осаждения, комплексообразования; процессы растворения, адсорбции, диффузии. Опишите характер влияния газа на качества атмосферы и человека. Приведите ПДК(возд.) газа.

Предложите способы защиты дыхательных путей от этого газа, иллюстрируйте предложения уравнениями реакций.

Задание 4. В газовый коллектор при давлении Р1 атмосфер и температуре Т1o C поступило V1 м3 газа А; при давлении Р2 атмосфер и Т2o C поступило V2 м3 газа В и, соответственно, V3 м3 газа С с параметрами Р3 и Т3. В соответствиии с вариантом (табл. 4) определите качественный и количественный состав (% моль) полученной газовой фазы в коллекторе, учитывая протекающие в нем реакции удаления веществ из газовой смеси в виде раствора или сухих выпадений.

ант Примечание. В случае нескольких вариантов протекания процессов для каждого рассчитывается G 0.р. и предпочтение отдается той реакции, которая обесх печивает максимальное удаление веществ из газовой фазы, имея при этом минимальное значение G 0.р..

Пример 2. Три газа подаются в коллектор при следующих параметрах:

Решение: Учитывая химические свойства газов, записываем возможные уравнения реакции между ними, отдавая предпочтение тем, которые способствуют удалению веществ из газовой фазы.

Свойства газов:

As-3H3 - арсеноводород, мышьяковистый водород, типичный восстановитель за счёт As– Наиболее вероятно превращение As AsО 3 и AsО 3 нет условий (О2, Н2О). Cl2 – типичный окислитель, принимая электроны, превращается в Cl–.

В соединении с ионом водорода может давать кислотный газ НCl. NH3 – газ, обладающий основным характером, способен принимать протон (Н+), NH3 + Н+ NH, образуя катион. Кроме того, N3– может проявлять восстановительные свойства:

2N3– N 0 N2О 2NO N2О3 2NO2 и т. д.

Наиболее вероятна первая стадия, т.к. N2 трудно вступает в дальнейшие реакции, в смеси отсутствует кислород, а соединения азота с хлором NCl2 и другие неустойчивы. Итак, между газами возможны процессы кислотно-основного и окислительно-восстановительного взаимодействий.

Возможные реакции:

2AsН3(Г) + 3Cl2(Г) 2As(T) + 6HCl(Г) AsH3(Г) + 3Cl2(Г) AsCl3(Ж) + 3HCl(Г) Образовавшийся HCl(Г) будет реагировать с NH3:

Для удобства расчётов суммируем реакции так, чтобы участниками процесса были все три газа.

Вариант I. В итоге все участвующие газы образуют твердые выпадения.

Вариант II. Чтобы выбрать наиболее вероятный вариант протекания реакции, рассчитываем G 0. р. для обоих вариантов.

По справочнику (прил. 1) находим значения G0, кДж/моль, образования участников реакций:

и рассчитываем G 0. р. по I и II вариантам.

Вариант I: G 0 = (6G0(NH4Cl) + 2G(As)) – (6G0(NH3) + 3 G0(Cl2) + Вариант II: G 0. p. = G0(AsCl3(Ж)) + 3G 0 (NH4Cl(T) – (G 0 (AsH3(Г)) + + 3G 0 (NH3(Г)) = – 259,16 + 3 (– 203,22) – (68,9 + 3 (– 16,48) = – 849,44 кДж.

Первый вариант реакции наиболее вероятен, так как G 0. p. (Вар. I) G 0. p.

(Вар. II), и в первом случае продукты реакции выпадают на дно коллектора, обеспечивая максимальную очистку газовой фазы.

После выбора основной реакции, лежащей в основе очистки газовой фазы от вредных компонентов, рассчитываем молярные соотношения газов, введенных изначально в коллектор. Из закона Менделеева-Клапейрона PV = nRT выражаем число молей каждого газа.

Согласно уравнению реакции (Вар. I) между газами установлены следующие молярные соотношения: 2AsH3 : 3Cl2 : 6NH3.

В коллекторе установлены соотношения:

Сокращаем в 150 раз число моль каждого газа и находим соотношения более простых чисел.

В нашем случае соотношение газов в коллекторе оказалось оптимальным, и газовая фаза практически полностью была очищена от вредных компонентов.

Состав газовой фазы: 0 % вредных газов.

Состав твердых выпадений: As и NH4Cl, причём As (300 моль) составляет массу, равную 74,9 300 = 22,47 кг; NH4Cl (900 моль), составляет массу, равную 53,5 900 = 48,15 кг.

Задание 5. Приведите технологическую схему указанного в Вашем варианте производства (табл. 5). Проанализируйте все этапы производства с точки зрения экологического воздействия на окружающую среду, предложите способы предупреждения, снижения количества или улавливания загрязнений. Вторую часть задания оформите в виде табл. 6 по образцу. Укажите географическое положение вашего производства в регионе или в России.

Производство гидролизного 11 Получение гальванических Обогащение руд цветных 12 Производство целлюлозы металлов методом флотации сульфитным способом Получение жидкого топлива 13 Получение негашеной извести Получение борной кислоты 14 Получение серной кислоты и тетрабората кальция Получение азотной кислоты Добыча нефти и газа на шельфе Эксплуатационное обслужи- Получение электроэнергии на Получение электроэнергии Добыча полезных ископаемых на топливных электростан- подземным способом Производство цветных ме- Эксплуатация воздушного Название эта- Уравнение или Предположитель- Способ предупа производ- описание процесса, ный характер воз- преждения, сниства протекающего на действия на окру- жения количества Задание 6. В соответствии с Вашим вариантом (табл. 7) опишите изменение показателей качества окружающей среды в результате указанной чрезвычайной ситуации (стихийного бедствия, природного катаклизма, вооруженного конфликта, техногенной катастрофы). Предложите методы защиты, ослабления и нейтрализации негативного воздействия на окружающую среду.

Вари- Чрезвычайная ситуация Вари- Чрезвычайная ситуация Пожар на заводе переработ- 11 Подземный пожар в угольных Задание 7. Рассчитайте активную кислотность (рН) воды в водоёме, содержащей n величин ПДК указанного вещества. Необходимые для расчета величины констант диссоциации кислот и оснований возьмите в прил. 2.

Кислотность воды может меняться в результате процессов химического или физико-химического взаимодействия примеси с водой:

а) за счет образования кислоты или основания, которые в дальнейшем, подвергаясь электролитической диссоциации, образуют ионы водорода Н+ (кислая среда) или ионы гидроксила ОН– (щелочная среда).

б) соединение по своей природе уже является кислотой или основанием и диссоциирует под действием воды, изменяя рН:

в) катион или анион, являясь остатком слабого электролита, разрушает молекулы воды, выталкивая из неё протон Н+ (гидролиз по катиону),либо присоединяя к себе протон (гидролиз по аниону):

Для расчёта рН необходимо знать концентрацию в воде свободных ионов Н+ или ОН–. В водных растворах рН + рОН = 14; рН = - lgCм(Н ), а рОН = lgCм(ОН-) соответственно и концентрация выражается в моль/дм3.

В случае сильного электролита, полностью ионизированного в растворе С(Н+) = См(кислоты), а С(ОН–) = См (основания) для равновесного состояния «молекула ионы» концентрация продукта бинарного равновесия рассчитывается по формулам [H+] = KД (кислоты) СМ (кислоты) – для процесса ионизации слабой кислоты;

[OН–] = K Д (основания) СМ (кислоты) – для процесса ионизации основания;

K Г (катиона) СМ (катиона) – для процесса гидролиза по катиону;

[H+] = [OН–] = K Г (аниона) СМ (аниона) – для процесса гидролиза по аниону.

Так как в задании концентрации примесей даны в мг/л и количестве n ПДК, то необходим пересчёт в молярную концентрацию С м(моль/л) по формуле:

Таким образом, порядок действий следующий:

1) расчёт См примеси;

2) написание уравнения процесса, обусловливающего кислотность или щёлочность среды (ионизация или гидролиз);

3) расчёт концентрации Н+ или ОН–, затем рН или рОН и затем пересчёт рОН в рН по формуле рН = 14 – рОН.

Задание 8. Какие химические и физико-химические процессы будут способствовать очищению стоков, содержащих указанные примеси, при фильтрации их через слой материала указанного состава (табл. 9). Поясните теоретическую возможность протекания этих процессов, используя значения произведений растворимости, окислительных потенциалов, энергии Гиббса, констант диссоциации и устойчивости комплексов Происхождение стока Примеси в стоке Сток обогатительной Медь(II), олово(II), Сток травильной ванСульфат железа(II), Сток коксового про- Фенол, цианиды, амжелеза (III), оксид Промывные воды Цианидные комплекОкисленная железная ванн меднения галь- сы меди(II), сульфаты, Стоки ванн никелиСульфаты, хлориды, ского производства Стоки отбельного цеCl-, HClO, HCl, Hg22–, Доломитовый щеха ЦБП Дистилляторные сто- Хлориды кальция, ки производства соды магния, аммония, намагния Промывные воды цеха кадмирования Стоки со стружечных Железо(II иIII), маргаЛом бетонных отвалов металлобра- нец(II), никель(II), Стоки производства Сток хлорного произИзвестняк Стоки производства F, CaF2, SO 2, H3BO3 Известняки Стоки регенерации Ca2+, Mg2+, Fe2+, CO 2, Сток обогатительной медь(II), свинец(II), Серные огарки (FeS2, Сток ванн кобальтиСульфаты, кобальт(II), ского производства Пример 3.

Сток цеха травления железных изделий перед цинкованием, содержащий Fe2+, H2SO4, ПАВ(орг.). Фильтрующий материал – мраморная крошка в смеси с углем.

1. Рассматриваем возможные реакции в самом стоке, в результате которых может измениться форма существования элемента.

2. Рассматриваем возможные процессы в толще фильтрующего слоя, как первичные, так и инициируемые продуктами первичного взаимодействия.

3. Подтверждаем термодинамическую возможность протекания процессов соответствующими расчетами.

1. Возможные процессы в стоке:

1.1. Электролитическая диссоциация H2SO4 2Н+ + SO42- по типу сильного электролита. Ионы Н+ и SO42- существуют в растворе в форме заряженных частиц 1.2. Катион Fe2+ может окисляться кислородом воздуха в кислой среде Е этого процесса = Е o2 / 2 Н 2О – Е o 3 2 = 1,2 – 0,77 = 0,43 В > 0, следовательно термодинамически процесс возможен.

1.3. В кислой среде гидролиз катионов Fe2+ и Fe3+ будет подавлен.

2. Возможные процессы в фильтрующем слое 2.1. Кислотное разложение мраморной крошки приводит к снижению кислотности среды, реализуется возможность образования FeCO3, а также и процессов гидролиза по катиону, и образования нерастворимых сульфатов то есть переход более растворимого осадка CaCO3 (мрамор) в менее растворимый FeCO3 термодинамически возможен.

Высвободившиеся катионы Ca2+ могут образовывать осадок гипса с SO42- ионами исходного стока Гидролиз катионов Fe2+ и Fe3+ при уменьшении кислотности может протекать по схемам Образующиеся катионы водорода связываются карбонатом кальция, в результате чего процесс гидролиза может не заканчиваться на стадии образования основных солей железа, но протекать до конца, т. е. до Fe(OH)2 и Fe(OH)3.

ПАВ будут адсорбироваться на угле, т. к. имеют органическую природу. Таким образом, в толще фильтрующего слоя будут задерживаться практически все железо в форме гидроксидов и основных карбонатов, сульфат-ионы будут задерживаться в виде CaSO4 (гипс). В атмосферу будет выделяться СО2 в количестве, эквивалентном свободным ионам водорода.

Возможный состав фильтрата стока: катионы кальция в количестве, эквивалентном разнице содержания Fe2+ и H2SO4. Если С Fe2 С ( H 2SO4 ), то Са+2 не будет попадать в фильтрат в заметных количествах.

Задание 9.

9.0. Фосфат-ионы из сточных вод предприятий по производству фосфорных удобрений можно осадить с помощью хлорида железа (III) – отхода травильного производства. Приведите молекулярное и ионно-молекулярное уравнения реакций.

9.1. Сульфидами, образующимися при производстве нефти, на химических производствах, при обработке кож, можно осадить ионы меди (II), цинка (II) и свинца (II) из сточных вод обогатительных фабрик. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионно-молекулярной форме.

9.2. Дихромат калия в кислой среде может быть восстановлен диоксидом серы из отходящего дымового газа. Затем сульфат хрома (III) можно обработать известью для образования осадка. Приведите молекулярные и ионномолекулярные уравнения реакций. К окислительно-восстановительным реакциям составьте электронные уравнения.

9.3. Составьте уравнение реакции, которую необходимо провести, чтобы перевести серу из аниона сульфида в нерастворимое состояние окислением до свободной серы перманганатом калия в кислой среде. Составьте электронные уравнения. Напишите уравнение окисления сероводорода кислородом воздуха.

9.4. Для поглощения угарного газа СО исследуемую смесь барботируют через кровь. При этом происходит связывание оксида углерода в карбоксигемоглобин, который затем определяется спектрофотометрически. Объясните механизм поглощения СО кровью и запишите схему процесса.

9.5. Какое количество 1 н. раствора гидроксида кальция необходимо затратить на полное осаждение ионов железа (II), содержащихся в 5 л воды в концентрации 2,8 мг/л? Почему эти ионы необходимо удалить из воды? Какими другими реагентами можно перевести ионы железа (II) в нерастворимое состояние с целью удаления их из сточных вод? Приведите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций. Характеризуйте экологичность предложенных реагентов.

9.6. Одним из методов очистки сточных вод от фосфата, примеси которого усиливают рост бактерий, является осаждение ортофосфат-иона с помощью коагуляции сульфатом алюминия в щелочной среде (при этом получают фосфат натрия, который взаимодействует с хлоридом кальция, содержащемся в жесткой воде и образует нерастворимый осадок). Напишите молекулярные и ионномолекулярные уравнения протекающих реакций.

9.7. Удаление аммиака из сточных вод достигается окислением его хлором, бромом или бертоллетовой солью (в щелочной среде). Составьте уравнения реакций окисления аммиака: 1) бромом, протекающей с образованием азота и бромоводородной кислоты; 2) бертоллетовой солью (продукты реакции – нитрат натрия, хлорид калия и вода). Какой из способов более безвреден в экологическом отношении?

9.8. Ионы свинца, содержащиеся в сточных водах многих предприятий, можно осадить, используя реакцию с карбонатом натрия или дигидроксидом кальция. Приведите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций и объясните, как влияет рН раствора на полноту осаждения свинца в случае использования извести.

9.9. Приведите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения процессов, обеспечивающих самоочищение природных водоёмов при сбрасывании в них кислых стоков.

9.10. Приведите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения процессов, обеспечивающих самоочищение природных водоёмов при сбрасывании в них щелочных стоков.

9.11. Сточные воды кожевенных предприятий содержат ионы хрома (VI) и (III), из них наиболее токсичными являются соединения хрома (VI). Напишите уравнения реакций, которые нужно осуществить для восстановления шестивалентного хрома в трёхвалентный с последующим его осаждением. К окислительно-восстановительным реакциям составьте электронные уравнения, к обменным – ионно-молекулярные.

9.12. Для восстановления хрома (VI) в хром (III) используют сильные восстановители. Составьте уравнения трёх реакций, уравняйте их методом электронного баланса. Какие из написанных Вами реакций экологически безопасны и могут использоваться в реальной очистке сточных вод?

9.13. При коррозии технического железа в кислой среде образуются ионы железа (II). Какими реакциями их можно обнаружить в воде? Напишите молекулярное и ионно-молекулярные уравнения качественной реакции, а также реакции осаждения ионов железа (II) известью. На какой показатель качества воды оказывает влияние присутствие ионов железа (II)?

9.14. Приведите молекулярное и ионно-молекулярные уравнения процесса, протекающего при смешении стоков, содержащих хром (III) и сульфид-ионы.

Какая среда будет способствовать наиболее полному осаждению хрома (III)?

Какой поглотитель можно применить для улавливания образующихся газообразных продуктов? Приведите уравнения реакций.

9.15. Приведите молекулярное и ионно-молекулярные уравнения взаимного обезвреживания стоков, содержащих в одном калиевую соль хрома (VI) в сернокислой среде, а в другом – сероводород в щелочной среде. Какие показатели качества воды изменятся в направлении нормализации?

9.16. Ионы свинца (II), содержащиеся в сточных водах, можно осадить взаимодействием их с фосфатом натрия или гидроксидом натрия. Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионно-молекулярных формах. Объясните, где будет достигнута наибольшая полнота осаждения и как влияет рН среды на полноту осаждения ионов свинца (II).

9.17. Для удаления диоксида серы из дымовых газов можно применить два способа: 1) адсорбцию диоксида серы твердым оксидом магния и продукт реакции использовать как сырьё для производства серной кислоты; 2) превращение в сульфат кальция реакцией с карбонатом кальция в присутствии кислорода, причём полученный сульфат кальция в виде пыли удаляется с дымом. Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций и определите наиболее чистый с экологической точки зрения способ.

9.18. Одним из веществ, применяемых в обработке натуральной кожи, является сульфид аммония. Почему сточные воды таких предприятий обладают запахом сероводорода? Приведите молекулярное и ионно-молекулярные уравнения, объясняющие появление запаха. Какова ПДК сероводорода в воде? Предложите эффективный и экологически безопасный способ удаления запаха сероводорода из воды.

9.19. Для регенерации олова из луженого железа (консервных банок) их обрабатывают сухим хлором, при этом образуется четырёххлористое олово. Второй способ заключается в обработке отходов крепким раствором гидроксида натрия. Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения протекающих при этом процессов. К окислительно-восстановительным реакциям составьте электронные уравнения.

9.20 Пероксид натрия применяется в изолирующих противогазах для регенерации кислорода. Составьте электронные и молекулярные уравнения реакции пероксида натрия с углекислым газом. К какому типу окислительновосстановительных процессов относится эта реакция?

Задание 10.

10.0. В процессе выплавки меди из руды Cu2S высвобождается газообразный SO2. Если предположить, что таким образом в стране получают 1,6 млн. тонн меди ежегодно, то сколько SO2 (в тоннах) выделяется при этом при обжиге руды?

10.1. Сколько карбоната кальция потребуется для удаления SO2, образующегося при сгорании одной тонны нефти, если содержание в ней серы составляет 1,7%. Предположительная эффективность этого способа 22%.

10.2. Какой объем диоксида серы (м3) при 200 0С и давление 10 мм. рт. ст. образуется при сжигании 600 тонн сероводорода?

10.3. Один из методов, предложенных для удаления SO2 из отходящих газов теплоэлектростанций заключается в реакции диоксида серы с водным раствором сероводорода, идущий с образованием серы. Какой объем газообразного Н2S при 270С и 740 мм. рт. ст. потребуется для удаления SO2, образующегося при сжигании 1 тонны угля, в котором содержится 3,5% вес серы? Какое количество элементарной серы будет получено при этом? Предполагается 100% ный выход по всем реакциям.

10.4. При 25 0С HNO3(р-р) характеризуется следующими термодинамическими функциями: H 0 = -207,3 кДж/моль; G 0 = -111,3 кДж/моль. Вычислите H и G реакции Предположите, что при наличии соответствующего катализатора атмосферные газы могли бы реагировать друг с другом, превращая океаны в разбавленный раствор азотной кислоты. Возможен ли такой процесс с точки зрения термодинамики?

10.5. Период полураспада трития (водорода-3) равен 12,3 года. Если в результате аварии на атомной электростанции произошла утечка 48,0 мг трития, какое количество этого нуклеида останется по прошествии 12,3 года? По прошествии 49,2 лет?

10.6. Период полураспада 239Pu равен 24 000 лет. Какая часть 239Pu, содержащегося в ядерных отходах в настоящее время, сохранится в них к 3 000 году?

10.7. Образец стронция-89 имеет исходную активность 4 600 млн-1. Через суток активность этого образца понизилась до 3 130 млн-1. Определите период полураспада стронция-89.

10.8. Наличие стронция-90 в почве вблизи места аварии на АЭС повысило уровень её радиоактивности до 7 000 с-1. Какое время должно пройти, чтобы уровень радиоактивности понизился до 1 000 с-1? Период полураспада стронция-90 = 28,8 лет.

10.9. Карбид кальция получают по схеме СаО + 3С СаС2 + СО. Какой объем угарного газа (н.у.) образуется при получении 6,4 тонн СаС 2? Предполагается 100%-ный выход реакции.

10.10. Главным отходом глинозёмного производства в случае использования бокситового сырья является красный шлам. Выход его изменяется в пределах –2,5 т. на 1 т. получаемого глинозёма. Какое количество красного шлама будет накоплено в шламонакопителе, если произведено 500 т. глинозёма? Какие экологические угрозы представляет собой красный шлам?

10.11. Отработанный травильный раствор для стальных заготовок содержит 4,5% серной кислоты и имеет плотность 1,1 г/см3. Сколько кг негашеной извести СаО потребуется для нейтрализации 1 м3 этого стока?

10.12. В процессе выплавки железа из руды FeS2 высвобождается газообразный диоксид серы. Если предположить, что таким образом в стране получают 3,8 млн. тонн железа ежегодно, то сколько SO2 (в тоннах) выделяется при этом?

10.13. Сколько негашёной извести потребуется для поглощения фтороводорода, образующегося при получении 1 тонны метабората кальция из плавикового шпата CaF2, содержащего 68 % полезного компонента? Чем опасен НF для окружающей среды?

10.14. Сколько карбоната кальция потребуется для удаления диоксида серы, образующегося при сгорании одной тонны угля, если содержание в нём серы составляет 2,1 %. Предположительная эффективность этого способа удаления диоксида серы составляет 30 %. В каких формах находится сера в углях?

10.15. Один из методов, предложенных для удаления NH3 из отходящих газов химического производства заключается в реакции NH3 с водным раствором %-ной фосфорной кислоты, идущей с образованием ортофосфата аммония. Какой объём NH3 при 30 0С и 1 атм может быть поглощен 10 м3 указанного раствора кислоты? Какое количество аммиачно-фосфатного удобрения будет получено при этом? Предполагается 100% -ный выход.

10.16. Одним из методов, предложенных для удаления хлороводорода из отходящих газов промышленного производства заключается в реакции HCl с насыщенным при 25 0С водным раствором известкового молока. Какой объем HCl при 25 0С и давлении 1 атм. может быть поглощен 1 м3 указанного раствора извести? Какое количество хлорида кальция будет получено при этом? Предполагается 100% -ный выход по всем реакциям.

10.17. Одним из методов, предложенных для удаления HCl из отходящих газов промышленного производства, заключается в реакции его с газообразным аммиаком. Какой объём NH3 при 300С и давлении 730 мм. рт. ст. потребуется для удаления HCl из 10 м3 отходящих газов, содержащих 25% объёмн. хлороводорода? Подразумевается 100% -ный выход реакции и отсутствие других газов, реагирующих с HCl. Сколько твердого продукта при этом получится?

10.18. Рассчитайте химическое потребление кислорода в воде, содержащей 0,5 г глюкозы в 1 м3. Что означает сокращенный термин БПК? Как влияет на выбор способа очистки соотношение ХПК и БПК?

10.19. Содержание кислорода в воде, определённое при 200С и давлении мм. рт. ст. оказалось равным 7,52 мг/л. Рассчитайте дефицит кислорода в водоме. в масс(%) и в объёмн. (%).

10.20. Сколько м3 свежей воды потребуется целлюлозно-бумажному комбинату на производство 50 тонн целлюлозы, если расход воды на получение 1 т.

целлюлозы равен 300 м3/т и 60 % в этом количестве приходится на оборотную воду.

Задание 11. В соответствии с вариантом (табл. 10) пересчитайте найденное содержание компонента в указанные единицы. Опишите влияние компонента на состояние окружающей среды. ПДКвозд. приведены в мг/м3, ПДКводн. в мг/дм3.

ВаНайденная Требуемые единицы ант Задание 12.

12.0. Дайте понятие атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и ноосферы.

12.1. Опишите современную теорию возникновения Солнечной системы и приведите схему, иллюстрирующую строение планеты Земля.

12.2. Характеризуйте твердые компоненты наземной среды: их происхождение, строение, химический состав, структуру.

12.3. Опишите процессы выветривания простых силикатов, механизм выветривания, приведите соответствующие уравнения реакций. Характеризуйте влияние различных факторов на процессы выветривания.

12.4. Перечислите наиболее важные окислительно-восстановительные процессы, протекающие в атмосфере и влияющие на её состояние и качество, приведите уравнения реакций.

12.5. Опишите процессы и механизм выветривания сложных силикатов, их механизм, приведите соответствующие уравнения реакций. Характеризуйте влияние различных факторов на процесс выветривания.

12.6. Опишите процессы и механизм выветривания карбонатных пород, приведите соответствующие уравнения реакций. Характеризуйте влияние различных факторов на процесс выветривания.

12.7. Опишите процессы и механизм выветривания сульфидных минералов, приведите соответствующие уравнения реакций. Характеризуйте влияние различных факторов на процесс выветривания.

12.8. Перечислите наиболее важные кислотно-основные взаимодействия, протекающие в атмосфере и влияющие на её состояние и качество, приведите уравнения реакций.

12.9. Опишите наиболее важные обменные взаимодействия, протекающие в окружающей среде и влияющие на её состояние и качество, приведите уравнения реакций.

12.10. Опишите наиболее важные фотохимические процессы, протекающие в окружающей среде и влияющие на её состояние и качество. Приведите уравнения реакций.

12.11. Опишите наиболее важные биохимические процессы, протекающие в окружающей среде и влияющие на её состояние и качество. Приведите уравнения реакций.

12.12. Приведите схему углеродного цикла и опишите его влияние на состояние и качество окружающей среды.

12.13. Приведите схему серного цикла и опишите его влияние на состояние и качество окружающей среды.

12.14. Приведите схему азотного цикла и опишите его влияние на состояние и качество окружающей среды.

12.15. Приведите схему цикла свинца в окружающей среде. Опишите экологические свойства этого элемента.

12.16. Характеризуйте геохимические процессы, обусловливающие формирование, состояние и качество окружающей среды.

12.17. Характеризуйте виды ископаемого топлива, его происхождение и влияние продуктов его сжигания на состояние и качество окружающей среды.

12.18. Дайте понятие биогенных элементов на Земле, характеризуйте их распространение, формы существования в окружающей среде, а также роль в поддержании жизни на Земле.

12.19. Характеризуйте радиоактивные процессы, протекающие в окружающей среде и влияющие на её состояние и качество.

12.20. Опишите свойства молекулярного кислорода и других его форм в окружающей среде. Каковы источники поступления кислорода в окружающую среду? Характеризуйте роль кислорода для жизни на Земле.

Пример 4. Пересчитайте содержание СО в воздухе (ПДК = 1,0 мг/м3) в следующие единицы: n ПДК, млн–1 (объем), мг/м3, млн–1 (масс), если найдено 0,000 5 объемных % при н.у.

Решение осуществляется путем составления пропорции, одна часть которой раскрывает смысл имеющейся величины, а вторая – рассчитываемой. Затем разные единицы измерения примеси и среды, в которой она находится, приводятся к одинаковым единицам измерения.

1. Пересчитываем 0,000 5 % (объемн.) СО в мг/ м3.

Объёмный процент показывает:

содержание 0,000 5 м3 СО – 100 м3 воздуха где при умножении 0,0005 103 получаем дм3 СО;

при делении на 22,4 (молярный объем газа при н.у.) получаем число молей СО;

при умножении на М (СО) = 12 + 16 = 28 г/моль получаем массу СО в граммах;

при умножении на 103 получаем массу СО в мг. Итак, Следовательно, содержание СО в 1 м3 составит 625 : 100 = 6,25 мг/м3.

2. Пересчитываем полученное значение в количество единиц ПДК с помощью пропорции: 1ПДК СО составляет 1 мг в 1 м3 воздуха. В нашем случае содержание СО составляет 6,25 мг в 1 м3 воздуха, следовательно, превышение ПДК в n раз = 6,25 : 1 = 6,25 раз.

3. Пересчитываем содержание СО в миллиогенные доли (масс.), что соответствует содержанию массы СО в 106 таких же единиц массы. Рассчитано, что 6, мг СО содержится в 1 м3 воздуха. Пересчитаем объем воздуха в массовые единицы. М (воздуха) принята равной 29 г/моль при н.у. При тех же условиях 1 м воздуха будет весить объем воздуха при н.у. в литрах, и масса 1 м3 будет равной 1 294,64 г или 1, кг. Теперь пересчитаем содержание СО на 106 массовых единиц. Удобнее всего использовать микрограммы, т.к. 1 кг = 106 мкг.Составляем пропорцию, выражая все массы в мкг:

6,25 103 мкг СО содержатся в 1,295 106 мкг воздуха х мкг СО – в 106 мкг воздуха х (млн ) масс = 4. Пересчитываем содержание СО в млн–1 (объемн.), что соответствует содержанию объема СО в 106 таких же объемных единиц. Найденное содержание СО в объемных единицах составляет 0,000 5% (объемн.), что соответствует 5 10– объемов СО в 100 объемах воздуха, тогда х объемов СО будет содержаться в 106 объемах воздуха.

Ответ. Содержание СО в воздухе при н.у., выраженное в разных единицах составило: 5 10–5 объемных %;

Примечание: пользуясь теми же рассуждениями, можно рассчитать млн – (моль), отнеся содержание СО (в молях) к 1 млн молей воздуха.

Задание 13. Постройте Е – рН диаграмму для элемента Вашего варианта (табл.

11) и определите наиболее вероятные степени окисления его в окислительной и восстановительной средах. Для устойчивых степеней окисления элемента постройте диаграмму «растворимость – рН» и спрогнозируйте наиболее устойчивые формы существования этого элемента в данной степени окисления (молекулярные, катионные, анионные) в литосфере и гидросфере.

Постройте Е – рН диаграмму для олова, определите устойчивые степени окисления и формы их существования в окружающей среде при различных рН в аэробных и анаэробных условиях.

Исходя из положений олова в Периодической системе Д.И. Менделеева, определяем возможные степени окисления этого элемента.

Строение слоя валентных электронов олова – 5s25p2 – характеризует его как тяжелый р-элемент, полуметалл, для которого малохарактерен прием электронов, явственно выражены металлические свойства, при этом олово максимально может отдать 4 электрона.

Строим орбитальную диаграмму слоя валентных электронов и определяем возможные степени окисления олова.

уровней По данным прил. 4 «Потенциалы ионизации атомов и ионов…» определяем характер химической связи в оксидах и гидроксидах олова в различных степенях окисления: I1 = 7,33 В – связь электровалентная (обусловлена полной передачей электрона); I2 = 14,6 В – связь электровалентная с некоторой долей ковалентности; I3 = 30,7 В, I4 = 46,4 В – связи ковалентные (обусловлены образованием общих пар). Исходя из этого Sn-4 – образует SnН4 (олововодородное соединение), крайне неустойчивое, не обладающее кислотно-основными свойствами;

Sn – образует SnO, амфотерный оксид, которому соответствует амфотреный гидроксид олова (II) Sn(OH)2 H2SnO Sn+4 – образует SnO2, слабоамфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств, которому соответствует оловянная кислота, слабо проявляющая основные свойства По прил. 5 «Нормальные окислительные потенциалы…» находим окислительные потенциалы валентных переходов олова в кислой и щелочной средах, а также формы существования олова в различных степенях окисления при рН = 0 и рН = 14.

Для валентного перехода Sn-4 Sn0 в справочнике нет значений потенциалов, следовательно при обычных условиях в водных средах Sn-4 не существует и SnH4 неустойчив в окружающей среде.

слой (рН = 0) среде Е0 (В) и формы суще- Строим диаграмму изменения окислительных потенциалов валентных переходов олова и природных окислителей О2 и Н+(Н2О), чьи потенциалы равны соответственно:

Анализируем устойчивость каждой из степеней окисления олова по отношению к природным окислителям О2 и Н+, Н+(Н2О) и восстановителям О-2(Н2О). Чем больше разница Е0 = Е0(окислителя) – Е0(восстановителя), тем вероятнее протекание окислительно-восстановительной реакции и тем менее устойчива восстановленная форма редокссистемы в окружающей среде.

линия восстановителя Sn+ линия восстановителя Sn Так как линия Sn0 Sn+2 лежит ниже линий обоих окислителей (О2 и Н+), то Sn0 будет ими окисляться до Sn+2; Sn0 будет неустойчиво в окружающей среде и в виде самородного олова встречаться не будет.

В кислой среде линия перехода Sn+2 Sn+4 находится практически между линиями природных окислителей О2 и Н+(Н2О), поэтому Sn+2 будет окисляться кислородом воздуха, но будет устойчиво по отношению к иону Н +, следовательно, в аэробных условиях ни при каких значениях рН Sn+2 устойчивым не будет и в природе его соединения встречаться также не будут. В щелочных средах Sn+2 становится неустойчивым по отношению к Н+(Н2О).

Sn+4 находится в максимальной степени окисления и далее не может быть окислено. Поэтому устойчивой степенью окисления в окружающей среде является Sn+4 в его малорастворимых формах: H2SnO3, SnO2 и других минералов.

Пример 5. Определите области рН и формы существования в воде Al (III) и Сd (II). Ответ представьте в виде диаграммы в координатах “концентрация (моль/л) – рН”.

Решение 1) Указанная в задании диаграмма может быть построена на основе прил. 6 “рН осаждения гидроксидов металлов” и для Al (III) будет иметь вид:

2) Если в указанной таблице для заданного элемента нет информации, можно воспользоваться для предварительных расчетов прил. 7 «Произведения растворимости важнейших малорастворимых веществ”.

1. Рассмотрим поведение катиона Сd+2 в воде по мере увеличения рН. Так как Сd+2 является остатком слабого основания Сd(OH)2, то он будет подвергаться ступенчатому гидролизу по схеме:

2. Выписываем значения произведений растворимости Сd(OH)2 из справочника [Сd+2]·[OH-]2= 610-15 К Д(CdOH ) = 510- [H+][HCdO2] = 10- 3. Рассчитываем значение рН, при котором концентрация иона Сd2+ в растворе составит 1 моль/л.

4. Рассчитываем значение рН, при котором концентрация иона Сd2+ в растворе составит 0,01 моль/л.

5. Рассчитываем значение рН, при котором будет достигнуто полное осаждение Сd2+, т.е. его концентрация в растворе составит 10-5моль/л.

6. Рассчитываем значение рН, при котором начнется растворение осадка Сd(OH)2 по схеме и концентрация НСdO2- в растворе достигнет 0,01 моль/л.

Чтобы получить такую кислотность, необходимо создать концентрацию Следовательно, Сd(OH)2 не будет образовывать анионов в щелочных средах, и его диаграмма «Смоль/л – рН» будет выглядеть следующим образом:

7. Так как в результате гидролиза катиона Сd+2 на 1-й стадии гидролиза образуется гидроксокатион СdOH+, рассчитаем интервал рН его существования в растворе.

Пусть в начальный период гидролиза соотношение [Cd2+] / [CdOH+] cоставляет 10:1. Тогда [H+] = = 210-11 и рН = - lg 210-11 = 10,7.

Пусть в конечный период гидролиза соотношение [Cd2+] / [CdOH+] соKг ставит 1:10, тогда [H+] = = 210-13 и рН = - lg 210-13 = 12,7.

Следовательно, в интервале рН 10,7 – 12,7 Cd (II) будет находиться в растворе в форме гидроксокатиона, что и нужно отметить на диаграмме (рис. 2).

Пример 6. Определите формы существования Р (V) в воде при различных значениях рН. Результаты расчетов представьте на диаграмме в координатах «Содержание, % – рН».

Решение. Фосфор в степени окисления +5 образует молекулы кислоты Н3РО4 и анионы, образующиеся в процессе диссоциации этой кислоты по схеме:

В соответствии с прил. 2, Кд = 7,5 · 10 ; Кд = 6,3 · 10 ; КдIII = 1,2 · 10-12.

1. Рассчитываем рН, при котором практически весь Р (V) находится в молекулярной форме, т.е. мол.(Н3РО4) = 99%, а мол.(Н2РО4-) = 1%.

Выразим отсюда концентрацию ионов водорода:

Рассчитываем рН при котором мол.(Н3РО4) = 50% и мол.(Н2РО4-) = 50% 3. Рассчитываем рН, при котором практически все молекулы Н3РО4 превратились в дигидрофосфат-ион Н2РО4-, т.е. мол.(Н2РО4-) составила 99%, а мол.(Н3РО4) = 1% 4. Наносим полученные значения рН на диаграмму «мол.(%) – рН» и получаем область рН существования Н3РО4 в равновесии с дигидрофосфат-ионом Н2РО4-.

5. Далее переходим к рассмотрению равновесия Н2РО4- Н+ + НРО42-, характеризуемого КдII(Н2РО4-) = 6,3 · 10-8.

Рассчитываем рН, при котором содержания дигидрофосфат - и гидрофосфат ионов одинаковы, то есть составляют 50 %.

6. Рассчитываем значение рН, при котором практически весь дигидрофосфатион перешел в гидрофосфат, то есть мол.(Н2РО4-) = 1%, мол.(НРО42-) = 99%.

7. Наносим полученные значения рН на диаграмму «мол.(%) – рН» и получаем область рН существования Н2РО4-, а также границу рН перехода Н2РО4- в НРО42-.

8. Далее переходим к рассмотрению равновесия НРО42- Н+ + РО43-, характеризуемого КдIII(НРО42-) = 1,2 · 10-12.

Рассчитываем значение рН, при котором содержания гидрофосфат- и фосфат-ионов одинаковы, то есть составляют 50 %.

9. Рассчитываем значение рН, при котором практически весь гидрофосфат-ион переходит в фосфат, то есть мол.(НРО42-) = 1%, мол.(РО43-) = 99%.

10. Наносим полученные значения рН на диаграмму «мол. – рН» и получаем области рН существования НРО42- и РО43-, а также границу рН их взаимного перехода. Полученная диаграмма имеет вид (Рис. 3):

Смол(%) Рис. 3. Формы существования в водной среде Р(V) в зависимости от рН.

Задание 14. В соответствии с Вашим вариантом (табл. 13) характеризуйте количественный показатель качества окружающей среды (физико-химический смысл, размерность, связь с качеством среды) и способ его определения.

Химическое потребление кислорода Плотность в сферах окруХПК) в водоёмах жающей среды 2 Ионная сила природной воды Химический показатель изменения Коли-индекс и коли-титр горных пород (ХПИ) Температура в окружающей среде 15 Хлороемкость вод Емкость катионного обмена (ЕКО) Время пребывания газа в атпочв и глинистых минералов мосфере Биохимическое потребление кислорода (БПК) в водоёмах Задание 15. V1 мл исследуемой воды отфильтровали через бумажный фильтр массой m2 в фарфоровую чашку массой m5. После высушивания при 105о С до постоянного веса масса фильтра стала равна m4. Масса фарфоровой чашки после упаривания фильтрата, доведенная до постоянного веса при 105 о С, стала равна m7, а после прокаливания при 8000–9000 С составила m8. После удаления прокаленного остатка масса чашки стала равна m9.

В соответствии с Вашим вариантом (табл. 14) определите в мг/л: 1) взвешенные вещества; 2) сухой остаток; 3) прокаленный остаток; 4) содержание летучих и органических растворенных веществ.

Используя результаты дополнительных исследований, сделайте заключение о преобладающем виде загрязнений в воде Вашего варианта и об эффективности способа очистки методом коагуляции и отстаивания.

Рис. 4. Схема определения общего количества и состояния примесей в воде 1 – проба исследуемой воды (V1);

2 – бумажный фильтр марки «синяя лента», предварительно высушенный при 105о С до постоянного веса (m2);

3 – стеклянная воронка с бумажным фильтром 2 после отфильтровывания воды с осадком влажных взвешенных веществ;

4 – бумажный фильтр после высушивания взвешенных веществ при 105оС до постоянного веса (m4);

5 – фарфоровая чашка, высушенная при 105оС до постоянного веса(m5);

6 – фарфоровая чашка с фильтратом после удаления взвешенных веществ;

7 – фарфоровая чашка с сухим остатком истинно – и коллоиднорастворенных веществ, высушенная при 105оС до постоянного веса (m7);

8 – фарфоровая чашка с остатком, прокаленным при 800о – 900оС до постоянного веса(m8), состоящим из нелетучих минеральных веществ;

9 – фарфоровая чашка после удаления прокаленного остатка массой (m9).

ант Пример 7. 450 мл воды отфильтровали через бумажный фильтр массой 0,107 г.

в фарфоровую чашку массой 19,500 г. Масса фильтра после высушивания при 105о С стала равной 0,195 г.; масса фарфоровой чашки после упаривания фильтрата стала 19,750 г., а после прокаливания при 800о–900о С составила 19,520 г. После удаления прокаленного остатка масса фарфоровой чашки стала равной 19,495 г. Дополнительные исследования свойств воды: вода мутная, быстро образует осадок, слабо электропроводна, цвет имеет желтоватокоричневый, слегка опалесцирует.

Определите: 1) взвешенные вещества, мг/л; 2) сухой остаток, мг/л; 3) прокаленный остаток, мг/л; 4) процент летучих и органических веществ в сухом остатке; 5) характер преобладающего загрязнения; 6) эффективность способа очистки методом коагуляции и отстаивания.

Решение:

1. Согласно схеме определения общего содержания примесей в воде (рис. 4), масса взвешенных веществ в 450 мл воды будет равна разности масс фильтра с высушенным до постоянного веса при 105о С отфильтрованным осадком (m4) и пустого фильтра (m2), также предварительно высушенного при 105о С до постоянного веса:

что в пересчете в мг/л составит:

2. Сухой остаток будет равен разности масс фарфоровой чашки с сухим остатком (m7), полученным после выпаривания фильтрата (6) и высушенным при 105о С до постоянного веса и пустой фарфоровой чашки, также предварительно высушенной до постоянного веса при 105о С:

В пересчете в мг/л это составляет 3. Прокаленный остаток будет равен разности масс фарфоровой чашки после прокаливания сухого остатка при 800о – 900о С до постоянного веса(m8) и пустой фарфоровой чашки после удаления из неё прокаленного остатка В пересчете в мг/л это составляет 4. Содержание летучих неорганических и органических растворенных веществ равно разности масс сухого и прокаленного остатков:

В процентном выражении это составит 5. Заключение о характере примесей:

а) Невысокое значение показателя «прокаленный остаток» и низкая электропроводность свидетельствуют о минимальной степени минерализации воды неорганическими растворимыми солями.

б) Высокое содержание летучих веществ, желтовато-коричневый цвет воды и опалесценция свидетельствуют о наличии в воде растворенных органических веществ, возможно солей железа (III) гуминовых и фульвокислот, часть из которых находится в коллоидно-растворенном состоянии. Возможно, что прокаленный остаток содержит и оксиды железа (III).

в) Взвешенные вещества на фильтре могут содержать как грубодисперсные органические остатки, так и частички ила или глины.

г) Вероятно, на анализ была взята вода из болот или мелких речных проток.

Задание 16. Характеризуйте основные природные и техногенные источники образования газа и время пребывания его в атмосфере, возможные процессы трансформации и вывода из атмосферы.

Задание 17. Объясните наблюдаемые воздействия газов на объекты окружающей среды и некоторые реактивы. Иллюстрируйте объяснения уравнениями реакций. Отметьте проявляемый газом химический характер. Укажите на источники поступления газа в атмосферу и время его пребывания в ней.

Вариант Газ Наблюдаемые изменения реагентов и объектов Синяя лакмусовая бумага покраснела. Белая йодидкрахCl мальная бумага стала темно-синей. Поверхность железной пластинки стала желто-коричневой. Подкрашенная фенолфталеином известковая вода из малиновой превратилась в бесцветную. Медная пластинка позеленела.

Красная лакмусовая бумага посинела. Розовый сернокисNH лый раствор KMnO4 обесцветился. Малахит [CuOH]2CO из зеленоватого стал синим. Раствор HCl, подкрашенный метилоранжем, из красного стал желтым. При соприкосновении с палочкой, смоченной конц. HCl появился густой белый дым.

О3 Синяя и красная лакмусовые бумаги обесцвечиваются.

Белая иодид-крахмальная бумага стала синей, а синяя йодкрахмальная – не изменилась. Блестящая медная пластинка почернела. Голубая берлинская лазурь Fe4[Fe(CN)6]3 стала коричневатой. При соприкосновении с водородом проскочила искра и раздался характерный Н2 Розовая бумага, смоченная слабокислым раствором KMnO4, стала коричневой. При поднесении спички к отверстию пробирки раздался характерный лающий звук.

Синяя йодкрахмальная бумага постепенно обесцветилась. При пропускании газа через кроваво-красный раствор Fe(SCN)3 происходило его обесцвечивание. Краснокоричневый сурик Рb3О4 становился желтым, а с нагретой медной проволоки исчезал черный налет Н2S Синяя лакмусовая бумага покраснела. Белая свинцовая бумага Pb(CH3COO)2 стала коричневатой. Серебряная и медная цепочки в атмосфере газа постепенно чернели.

Розовый сернокислый раствор KMnO4 обесцветился. Синяя йодкрахмальная бумага стала белой. Зеленоватый малахит [CuOH]2CO3 приобрел сероватый оттенок.

Синяя лакмусовая бумага покраснела. Железная деталь во влажной атмосфере газа в присутствии кислорода воздуха постепенно покрывалась влажной коричневой пленкой. Известковая вода, подкрашенная фенолфталеином, из малиновой стала бесцветной. При соприкосновении с палочкой, смоченной конц. раствором NH4OH, появился густой белый дым. Розовый сернокислый раствор KMnO постепенно обесцветился.

Синяя лакмусовая бумага покраснела, а синяя йодкрахSO мальная бумага обесцветилась. Оранжевый сернокислый раствор K2Cr2O7 стал зеленым. Мелкодисперсная взвесь мела CaCO3 в воде постепенно растворилась. При контакте с сероводородом в присутствии воды на стенках газовой камеры оседает «серный цвет» (мелкодисперсная Синяя лакмусовая бумага покраснела. Кроваво-красный раствор Fe(SCN)3 постепенно обесцвечивается, а взвесь глинозема (Al(OH)3) постепенно растворяется. Со временем стеклянные стенки газовой камеры становятся матовыми. При контакте с палочкой, смоченной конц. раствором аммиака, появляется густой белый дым.

СO2 Синяя лакмусовая бумага покраснела. Прозрачная известковая вода (Са(ОН)2) вначале помутнела, а при дальнейшем контакте с СО2 вновь стала прозрачной. Контакт с источником NH3 во влажной атмосфере вызывает появление белой дымки, чего не происходит в отсутствие влаги. Золотистая краска на основе PbI2 постепенно белеет.

СО Газ поглощается при пропускании через раствор крови.

Сернокислый раствор KMnO4 обесцвечивается. При взаимодействии с хлором на свету образует ядовитый газ. В бытовых условиях образуется в печах при недостатке воздуха и контакте с раскаленным углем.

Синяя лакмусовая бумага покраснела. Железная плаNO стинка в присутствии влаги покрылась коричневой пленкой. При контакте с парами воды буро-коричневая окраска газа обесцвечивается. При пропускании NO2 через сероводородную воду, вода становится мутной и опалесцирующей. При охлаждении газ обесцвечивается.

Синяя и красная лакмусовые бумаги не изменяют цвета при окуривании газом, зато бумага, смоченная KMnO4 в среде H2SO4, обесцвечивается. При пропускании газа через конц. раствор HNO3, последний окрашивается в красно-бурый цвет. Оранжевый сернокислый раствор K2Cr2O при пропускании через него газа становится изумруднозеленым.

Cиняя лакмусовая бумага окрашивается в красный цвет.

13 HBr При контакте с газообразным хлором в газовой камере появляются бурые пары. При пропускании газа через раствор AgNO3 образуется творожистый кремоватый осадок. При пропускании газа через конц. H2SO4 образуются красно-бурые пары. Насыщенный водный раствор газа на воздухе постепенно буреет. Поверхность серебра под действием газа во влажном воздухе тускнеет, приобретая матовый кремоватый налет.

Синяя и красная лакмусовые бумаги не изменяют своей 14 PH окраски. При нагревании до 150о С газ воспламеняется и сгорает желтым пламенем, образуя белый дым. Бумага, смоченная раствором азотнокислого серебра чернеет в атмосфере газа. Голубой раствор медного купороса поглощает газ, обесцвечиваясь и выделяя осадок. При контакте с газообразным хлором образуется белый дым и наблюдается световая вспышка. Розовый сернокислый раствор KMnO4 обесцвечивается при пропускании этого газа, а оранжевый сернокислый раствор K2Cr2O7 становится изумрудно-зеленым.

15 AsH стенках трубки образуется блестящий черный налет «мышьякового зеркала». Газ горит бледно-голубым пламенем, образуя при полном сгорании белый дым, а при неполном – черный (особенно при охлаждении). Фильтровальные бумаги, смоченные растворами AgNO3 и KMnO4 при контакте с газом соответственно изменяют окраску на черную и буро-коричневую. Синяя йодкрахмальная бумага обесцвечивается при контакте с газом.

SO3 (па- Синяя лакмусовая бумага окрашивается в красный цвет.

ры) Железная пластинка, смоченная бесцветным раствором KSCN при контакте с газом постепенно краснеет. Белая йодидкрахмальная бумага синеет и обугливается при контакте с парами SO3. Если конденсат паров SO3 капнуть на кусочек сахара, он обугливается. Раствор NaOH, подкрашенный фенолфталеином, обесцвечивается, а водный раствор Na2S2O3 cтановится мутным и опалесцирует Синяя и красная лакмусовые бумаги, смоченные водой своей окраски не меняют, но если синюю лакмусовую бумагу смочить раствором Na2S2O3, то постепенно она покраснеет при действии паров йода. Бумаги, смоченные толуолом, третичным бутиловым спиртом и водным раствором KI соответственно приобрели фиолетовый и коричневый оттенки. Пары йода обесцвечиваются при пропускании их через раствор Na2SO3. Крахмальная бумага синеет в присутствии паров йода. При контакте с сероводородом пары йода обесцвечиваются и образуется Синяя и красная лакмусовые бумаги при контакте с газом 18 C2H (ацетилен) цвета не меняют. Пропускание газа через розовый сернокислый раствор KMnO4 вызывает его обесцвечивание, а при пропускании через аммиачный раствор оксида серебра выпадает белый осадок, который при высушивании способен взрываться от детонации. При контакте с парами брома происходит обесцвечивание последних.

Синяя лакмусовая бумага краснеет, раствор NaOH, подH2Se крашенный фенолфталеином обесцвечивается; розовая бумага, смоченная смесью KMnO4 + H2SO4 обесцвечивается; также вначале обесцвечивается синяя йодокрахмальная бумага, приобретая затем красную окраску. При контакте с кислородом в газовой камере появляется красноватая дымка. При горении газ образует белое облако продуктов сгорания. При контакте с Cl2 на стенках камеры оседает красноватый налет.

Н2О2 Фиолетовая окраска нейтрального лакмуса переходит в красный. Белая йодидкрахмальная бумага становится синей. Белая бумага, смоченная смесью FeSO4 + KSCN приобретает кроваво-красную окраску под действием паров, содержащих Н2О2. Турнбуллева синь Fe3[Fe(CN)6] из темно-синей становится зеленовато-коричневой. Черная сульфид - свинцовая бумага постепенно светлеет, становясь белой. Бумага, смоченная аммиачным раствором окиси серебра чернеет в атмосфере, содержащей Термодинамические свойства простых веществ и соединений Примеси в природных водах (Классификация по размеру частиц) Группа при- Грубодисперсные Коллоидные Истинно – ства Диаметр, нм.

Природа приме- Глина, песок, си- Гидроксиды ме- Катионные, анисей ликатные поро- таллов, высоко- онные, молекуды, растительные молекулярные ор- лярные формы и животные ос- ганические веще- элементов, низтатки, пыльца ства, кремниевая комолекулярные Источники попа- Процессы вывет- В результате вы- Растворение, хидания в воду ривания, смывы ветривания сили- мические реакции Оптические Мутные, непро- Явления дихроиз- Прозрачные, свет свойства сооб- зрачные ма (опалесценции) не рассеивают Кинетические Задерживаются Не задерживаются Практически не Электрические Мало изменяют Ненамного увели- В целом хорошо свойства электропровод- чивают электро- проводят элекность воды проводность воды трический ток.

рН ОСАЖДЕНИЯ ГИДРОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

(ориентировочные значения с учетом образования гидроксокомплексов*) Константы электролитической диссоциации неорганических и некоторых органических кислот Фосфорная, ди- (пирофосфорная) H4P2O7 Фтороводородная (плавиковая) HF Хлороводородная (соляная) HCl Циановодородная (синильная) HCN Константы электролитической диссоциации Гидроксид:

* Следует учитывать, что при осаждении гидроксидов путем добавления раствора щелочи к раствору соответствующей соли, в местах, куда попадают капли осаждающего реактива, создается местное превышение значения рН и выпадает осадок, который при перемешивании не всегда растворяет.