Решение - Северный (Арктический)

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
М.В. Никитина
Т.А. Корельская
ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Практикум по решению расчётных задач
Методические рекомендации
Архангельск
2014
Авторы:
М.В. Никитина,
кандидат химических наук, доцент
кафедры химии САФУ им. М.В. Ломоносова.
Т.А. Корельская,
кандидат химических наук, доцент
кафедры общей и биоорганической химии СГМУ
Рецензент:
Е.А.
Айвазова,
кандидат
биологических
наук, зав.
кафедрой общей и биоорганической химии СГМУ.
Никитина М.В.
Химия окружающей среды. Практикум решения задач: методические
рекомендации / М.В. Никитина, Т.А. Корельская; Сев.(Арктич.)федер.унт им. М.В. Ломоносова. - Архангельск: КИРА, 2014. - 54 с.
Методические рекомендации предназначены для подготовки
к лабораторным и семинарским занятиям по курсам «Химия
окружающей среды» и «Экологическая химия». Каждый раздел
содержит теоретический материал, контрольные вопросы и
типовые задачи.
Предназначены для студентов Института естественных наук
и
биомедицины
САФУ
отделений
экологии,
природопользования, химия и химия с дополнительной
специальностью биология. Также данные методические
рекомендации могут быть полезны для учителей гимназий,
лицеев и школ с углубленным изучением химии и экологии.
ВВЕДЕНИЕ
Химия окружающей среды - это раздел химической науки,
рассматривающий химические процессы, протекающие в биосфере,
процессы
миграции
природного
и
литосфере,
и трансформации
антропогенного
гидросфере
и
химических
происхождения
биосфере.
Он
даёт
соединений
в
атмосфере,
характеристику
основных химических загрязнителей и способов определения уровня
загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с
загрязнением
исследует
окружающей
среды.
Химия
окружающей
среды
объекты, находящиеся в биосфере, однако базируется на
основных законах и понятиях классической химии, используя при
этом физические, химические и физико-химические методы анализа.
В
задачи,
посвященные
содержанию некоторых нормируемых компонентов
атмосферного
воздуха,
данном
воды,
пособии
почвы,
представлены
растительных
материалов.
Все
работы
сгруппированы в 4 раздела по нахождению объектов в земных
оболочках:
атмосфере,
гидросфере,
педосфере
и
биосфере.
Контрольные вопросы перед каждым разделом предназначены для
лучшего усвоения учебного материала и обобщения
знаний.
полученных
Раздел 1. АТМОСФЕРА
Атмосфера
15
5,1510 т.
- газовая оболочка Земли, которая имеет массу
Она
диссоциированных
представлена
и
ионизированных
смесью
газов.
молекулярных,
Основная
масса
атмосферы находится в слое, граничащим с поверхностью Земли,
толщиной около 5,5 км. Это самая легкая оболочка планеты - её масса
составляет примерно 1/1000 массы гидросферы и около 1/10000 массы
земной коры.
Атмосфера
отличается
постоянством
состава
компонентов и чрезвычайно высокой изменчивостью
малых
примесей
примесями».
воздуха,
которые
называются
главных
множества
«активными
По объёму воздух состоит на 99,9% из азота (N ),
2
кислорода (O ), аргона (Ar). К постоянным компонентам относятся
2
также водород (H ) и инертные газы - гелий (He), ксенон (Xe), неон
2
(Ne), криптон (Kr). Содержание остальных компонентов, которые
можно обнаружить в воздухе сильно варьирует (табл. 1).
Таблица 1.
Валовый состав незагрязнённого воздуха
Компонент
Содержание, % Компонент Содержание, %
Азот
78,04
Гелий
0,000524
20,94
Метан
Кислород
0,00017
0,5-4
Криптон
0,000114
Вода
Аргон
0,934
Водород
0,00005
Углекислый газ
Ксенон
0,0360
0,0000087
Неон
0,001818
Одной из важных характеристик, показывающих
примесей
в
атмосфере,
является
время
их
поведение
пребывания
в
рассматриваемом объеме атмосферы (табл.2).
Таблица 2.
Время пребывания активных примесей в естественной атмосфере
Компонент
Диоксид
углерода
Оксид углерода
Метан
Муравьиная
кислота
Оксид азота
Диоксид азота
Аммиак
В
случае
Время
Компонент
пребывания
Диоксид серы
4 года
0,1 года
3,6 года
10 дней
4 дня
4 дня
2 дня
динамического
Время
пребывания
3 -7 дней
1 день
40 дней
1 день
Сероводород
Сероуглерод
Диметилсульфид
Метилхлорид
Метилиодид
Фреоны
равновесия
30 дней
5 дней
4 дня
(равенства
скоростей
поступления примеси из возможных источников и суммарного стока
примеси) время пребывания примеси и её общая масса в резервуаре
связаны уравнением:
{^источник
<2источник
и
QcmoK
QamoK
А
/
Т
у
г
д
е
- скорости поступления и стока вещества
соответственно для произвольного резервуара, атмосферы в целом или
её части (единицы массы/ единицы времени);
А -
общая масса примеси, содержащейся в произвольном
резервуаре, атмосфере в целом или её части (единице массы);
т - время пребывания примеси в произвольном резервуаре,
атмосфере в целом или в её части (единице времени).
С
увеличением
высоты
происходит
изменение
газового
состава воздуха, давления и температуры. Зависимость изменения
температуры
от высоты
над поверхностью
Земли не
является
линейной (рис. 1). Характер такого изменения приводит к выделению
слоев, разделенных узкими переходными зонами (паузами). К нижним
слоям атмосферы относят тропосферу и стратосферу, к верхним мезосферу и термосферу.
Д а в л е н и е , Па
ю
г6
ю'*
1Q
10
Q
г
\а*
200
1&0
16D
НО
у
100
ш
?.г.
60
«
2D
100
200
300
400
500
600
700
Температура, К
Рис.1. Изменение с высотой температуры и давления в атмосфере
Изменение температуры атмосферы зависит от особенностей
химического состава воздуха в различных слоях. Так, уменьшение
температуры
в тропосфере
содержания
в
воздухе
с высотой
водяных
связано
паров,
с уменьшением
наиболее
интенсивно
поглощающих тепловое излучение Земли. Повышение температуры в
стратосфере
происходит
из-за
протекания
экзотермических
фотохимических реакций синтеза и разрушения озона, которые носят
название цикла Чэпмена.
В мезосфере крайне низкое содержание
водяных паров и озона является причиной снижения температуры
воздуха,
а в
ионосфере
её увеличение
связано
с
реакциями,
протекающими под действием ультрафиолетового излучения Солнца.
Средняя молярная масса воздуха (М) в нижних слоях атмосферы
в области наиболее активного перемешивания составляет 28,96 г/моль,
а на высотах более 90 км резко уменьшается вследствие увеличения
содержания водорода и гелия.
Вопросы для самоподготовки:
1. Нарисуйте график зависимости температуры атмосферы от
высоты над уровнем моря и объясните изменение градиента
температуры.
2. Как изменяются содержание основных компонентов атмосферы
и давление с увеличением высоты?
3. Дайте определение понятий: источники, стоки, время жизни
примесей в атмосфере.
4. Что такое «нулевой» цикл озона? Какие процессы приводят к
его нарушению. Приведите примеры реакций.
5. Назовите
основные
источники
образования
и
стоки
гидроксидного и гидропероксидного радикалов в атмосфере.
Приведите уравнения реакций.
6. Почему в процессе окисления метана и его гомологов в
присутствии
оксидов
азота возможно
образование
озона?
Приведите уравнения реакций.
7. Назовите сходства и различия условий образования смога
лондонского и лос-анджелесского типа.
Типовые задачи.
Пример 1.
Масса
атмосферы
составляет
5 10
15
т. Определите
массу
кислорода в атмосфере (в кг), если предположить, что она состоит
только из «квазипостоянных» компонентов, объемная концентрация
которых соответствует значениям, характерным для приземного слоя
(cp(N ) = 78,11%, ф(0 ) = 20,95%, cp(Ar) = 0,94%).
2
2
Решение:
Для решения задачи вначале определим среднюю молярную
массу смеси газов, т.е. среднюю молярную массу воздуха М
Мвоздуха
=М№) •
+ М ^ ) •ф ^ )
+
М^Г)
воздуха
:
• p(Ar), где
М(К ), М ( 0 ) , М(Ar) - молярная масса газов;
2
2
p(N ), p(O ), p(Ar) - объемные доли газов в воздухе;
2
2
М
г/моль.
в о з д у х а
= 28,01 • 0,7811 + 32,00 • 0,2095 + 40 • 0,0094 = 28,96
Определим общее количество вещества
ПЮЗД^Ш ,
зная общую массу атмосферы
массу воздуха М
воздуха
"воздуха
15
в о з д у х а
атмос
ф(г),
среднюю молярную
(г/моль),
n
n
П1
воздуха в атмосфере
=
m1 А 1
/ М
атмомс^*^воздуха
6
20
= 5 • 10 • 10 /28,96 = 1,7 • 10 (моль),
Так как мольные и объемные доли газов в смеси равны, можно
найти количество кислорода в атмосфере:
n
20
19
= воздуха • Ф(О2) = 1,7 • 10 • 0,2095 = 3,6 • 10 (моль).
(O2)
Теперь можно найти массу кислорода (m (O2)) в атмосфере:
19
20
m (O ) = n( O ) • M(O ) = 3,6 • 10 • 32 = 11,5 • 10 (г) =
2
2
2
17
12 • 10 (кг).
17
Ответ: масса кислорода в атмосфере равна 12 • 10 кг.
Пример 2.
Определите среднее время пребывания паров воды в атмосфере,
если в ней находится 12900 км воды, а на поверхность суши и океана
12
3
в виде атмосферных осадков выпадает в среднем 577 • 10 м воды в
год.
Решение:
Время
пребывания
«активных
примесей»
в
определяется по формуле:
т = А / Q, где
т - время пребывания примеси в атмосфере или её части,
А - количество примеси в атмосфере,
Q - скорость её поступления или стока.
атмосфере
9
12
-2
т = 12900 • 10 / 577 • 10 = 2,23 • 10 года = 8,2 дня.
Ответ:
среднее
время
пребывания
паров
воды
в
атмосфере
составляет 8,2 дня.
Пример 3.
Количество метана, поступающего ежегодно в атмосферу,
составляет 550 млн.т. Его среднее содержание в слое, на который
-1
приходится 90% массы атмосферы, составляет 1,7 млн . Определите
время пребывания метана в этом слое, если принять, что в других
частях атмосферы он отсутствует.
Решение:
Для решения задачи вначале определим среднюю молярную
массу смеси газов, т.е. среднюю молярную массу воздуха М
Мвоздуха
= М № ) • cp(N2)
+ М(02) • ф ^ )
воздуха
:
+ М(Аг) • ф(Аг), где
М(К ), М ( 0 ) , М(Аг) - молярная масса газов;
2
2
p(N ), p(O ), p(Ar) - объемные доли газов в воздухе;
2
2
М
в о з д у х а
= 28,01 • 0,7811 + 32,00 • 0,2095 + 40 • 0,0094 = 28,96
г/моль.
Зная общую массу атмосферы m
атмос
ф ( г ) , среднюю молярную
еры
массу воздуха Мвоздуха(г/моль), определим общее количество воздуха
в атмосфере
воздуха:
воздуха
n
В
15
в о з д у х а
слое
m
/М
атмосф. воздуха
6
20
= 5 • 10 • 10 /28,96 = 1,7 • 10 (моль),
воздуха,
содержится воздуха:
составляющем
90%
массы
атмосферы
воздуха (90%)
20
20
= 1,7 • 10 • 0,9 = 1,53 •Ю моль.
Количество метана в этом слое атмосферы, составит
n(CH4) = nвоздуха • ф (CH4), где
ф (CH ) - объемная доля метана в воздухе.
4
20
-6
14
n (CH ) = 1,5 • 10 • 1,7 • 10 = 2,6 •Ю моль.
4
Масса метана в рассматриваемом слое атмосферы составит:
m(CH ) = М(СН ) • n(CH ), где
4
4
4
М(СН ) - молярная масса метана;
4
m(CH ) = 2,6 • 10
4
14
14
8
• 16 = 41,6 • 10 г = 41,6 • 10 т.
Время пребывания метана можно определить из уравнения:
т = m(CH )/Q(CH ), где
4
4
т - время пребывания вещества в атмосфере, в единицах времени;
гп(СН ) - масса вещества в атмосфере, в единицах массы;
4
Q^ty
скорость поступления или вывода вещества из атмосферы, в
единицах массы на единицу времени.
Время пребывания метана в слое, содержащем 90% массы
атмосферы, составит:
8
6
т = 41,6 • 10 /(550 • 10 ) = 7,6 года.
Ответ: время пребывания метана в слое, содержащем 90% массы
атмосферы 7,6 года.
Задачи.
15
1.
Содержание кислорода в атмосфере составляет 1,2* 10 т, а
11
способность биомассы производить О составляет 2-10 т/год.
2
Оцените
вклад
населения
планеты
в
уменьшение
концентрации, если несмотря на продуктивность
его
биомассы,
11
содержание O уменьшается в среднем на 110 т/год.
2
2.
Оцените, сколько тонн водорода
атмосферу
Земли
и уходит
(явление диссипации), если
8
ежегодно
в космическое
покидает
пространство
на высоте 500 км интенсивность
2
этого процесса равна 3* 10 атом/см с.
3.
Оцените время пребывания аммиака (NH ) в тропосфере,
3
3
если его концентрация составляет 0,005 мг/м , а интенсивность
поступления - 74 млн.т/год в пересчёте на элементный азот (N).
4.
Оцените количество кислорода, ежегодно поступающего в
атмосферу Земли, если время его пребывания составляет 5000
лет, а весь вклад в массу атмосферы вносят только такие
компоненты, как азот, кислород, аргон, объемная концентрация
которых соответствует значениям, характерным для приземного
слоя воздуха (см. табл.1).
5.
В каждом кубическом сантиметре воздуха присутствует
210
6
частиц сферической формы, средний диаметр которых
3
составляет 1 мкм, а плотность 4 г/см . Превышает ли это
значение максимально разовую ПДК, которая
3
6 мг/м .
составляет
6.
Сравните скорость оседания аэрозолей с радиусом 2,5 мкм,
если их плотность составляет 2 и 5 мг/см . За какое время эти
частицы могут быть выведены из атмосферы с высоты 1,5 км?
7.
В контейнер, площадь внутренней поверхности
стенок
2
которого равна 1 м поместили пробу загрязнённого воздуха
объёмом 50 л. Концентрация однородных аэрозольных частиц
9
сферической формы
- 3
в пробе воздуха составляет 2340 м" .
Какую часть поверхности контейнера могли бы покрыть
частицы, если их средний диаметр равен 0,5 мкм?
8.
Какое максимальное количество молекул формальдегида
(СН О)
2
может
быть
обнаружено
в
каждом
кубическом
3
сантиметре помещения объёмом 60 м , если произошла утечка
5 л природного газа (содержание метана 98 % ) . Температура в
помещении
22°С, давление
1 атм. Сравните
полученное
значение с ПДК, которая составляет 0,035 мг/м .
9.
Сколько частиц пыли присутствуют в каждом кубическом
метре воздуха рабочей зоны при концентрации, равной ПДК р.з.
3
3
3
3
6 мг/м . Плотность пыли составляет 4 г/см , диаметр 0,5 мкм.
10.
Сколько молекул формальдегида присутствует в каждом
кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях, если
его концентрация достигает значения максимально разовой
3
ПДК, равной 0,035 мг/м .
11.
При утечке
«антихлор»,
хлора
который
для его удаления
представляет
собой
используется
увлажненный
сульфит натрия Na2S03. Какая его масса необходима для
утилизации всего количества хлора из помещения объёмом 70
3
м , в котором содержание Cl превышает среднесуточную ПДК,
2
3
равную 0,03 мг/м в 25 раз?
12.
Какую массу карбоната натрия необходимо использовать
для очистки воздуха от диоксида азота в помещении, объёмом
50 м , объемная доля газа составляет 0,01%.
13.
Агрегат по производству серной кислоты выбрасывает в
течение часа в атмосферу 17 м газов с объёмной долей SO2
=
16 %. Определите массу оксида серы (IV), выбрасываемого в
атмосферу за сутки и массу аммиачного поглотителя (в виде
N H • H O), необходимого для поглощения всего количества
3
2
оксида серы.
14.
л
Для определения количества угарного газа в помещении 3
воздуха
пропустили
через
оксид
йода
(V).
Найдите
-3
концентрацию СО, если при этом выделилось 1,2 10 йода.
15.
Ежегодно в атмосферу попадает 150 млн. тонн диоксида
серы. Какую массу 10 % серной кислоты теоретически можно
получить из этого количества газа?
16.
Содержание
тропосферного
озона
в
воздухе
промышленного города составляет 0,26 %. Сколько молекул
озона находится в каждом кубическом сантиметре воздуха при
ст.у. ?
17.
Найдите содержание хлора в комнате объёмом 50 м ,
который остается после дезинфекции, если при пропускании
воздуха
вещества,
через раствор
его
масса
йодида
калия,
уменьшилась
полученное значение с ПДК = 1 мг/м .
на
содержащего
0,10%.
10 г
Сравните
18.
При запуске аэрокосмического корабля
многоразового
использования типа «Спейс Шаттл» ракетные ускорители на
высотах до 50 км выбрасывают в атмосферу 187 тонн хлора. 1
молекула хлора способна уничтожить 110
5
молекул озона.
Взаимодействие протекает по реакциям:
Cl2 + 203 = 2Cl0 + 202;
2Cl0 + 20 = Cl2 + 202
Рассчитайте, сколько тонн озона уничтожит такой выброс
хлора, если учесть, что в реакциях участвует весь хлор.
19.
Космический корабль выбрасывает в атмосферу 7 тонн
оксидов азота. 1 молекула оксида азота уничтожает 10 молекул
озона. Взаимодействие идет по реакциям:
N 0 + 0 3 = N02 + 02 ;
N02 + 0 = N 0 + 02.
Рассчитайте, сколько тонн озона уничтожит такой выброс
оксидов азота, если в реакциях участвуют все выброшенное
кораблем вещество.
20.
Определите массу шлаков, которые ежедневно образуются
на ТЭЦ, работающей на мазуте с содержанием 2,1% серы и 3,5
% несгораемых примесей. Известно, что содержание сернистой
кислоты в 10 км объёма атмосферы в среднем составляет 0,256
3
мг/м .
22.
При анализе на содержание аэрозоля серной кислоты в
атмосферном воздухе были получены следующие данные:
скорость аспирации воздуха 6 л/мин, время аспирации - 15
минут, содержание серной кислоты в пробе 40 мкг. Измерения
проводили при температуре 20°С и давлении 769 мм рт. ст.
Определить
концентрацию
аэрозоля
серной
кислоты
в
3
исследуемом воздухе. ПДК (H2SO3) = 1 мг/м .
23.
Анализ проб воздуха на содержание фтора проводится по
реакции с метиловым красным. Проба атмосферного воздуха
протягивалась через поглотительный прибор со скоростью 10
л/час.
Ослабление
окраски
поглотительного
раствора
произошло через 5 минут. Содержание фтора в пробе составило
3,8 мкг. Определить степень загрязненности воздуха, если
отбор проб проводился при температуре 20°С и давлении 98,5
3
кПа. ПДК (F2) = 0,15 мг/м .
24.
Концентрация
озона
при
фотохимическом
смоге
приземном слое атмосферы достигает 8-10 мг/м .
степень
опасности
пребывания
человека
в
Оценить
в
зоне
фотохимического смога, если безопасная суточная доза озона
оставляет 0,1 -0,3 мкг/кг веса человека, а поступление в течение
часа 200 мг озона вызывает кашель, головную боль и учащение
пульса.
25.
Среднее время пребывания SO в атмосфере составляет 5
2
суток. Оцените скорость его поступления в атмосферу, если
средняя концентрация SO2 в тропосфере 0,05 мкг/м . Для
расчётов принять высоту тропосферы 11 км, радиус Земли 6400 км.
Раздел 2. ГИДРОСФЕРА
Гидросфера
-
прерывистая
водная
оболочка
Земли,
представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных
вод
суши.
В
более
широком
смысле
гидросфера
включает
атмосферную влагу, подземные воды, льды и снежный покров.
Общее количество воды на планете оценивается в пределах
18
9
(1,5 - 2,5) • 10 т; объем
3
(1,5 - 2,5) • 10 км . Средний состав
природных вод близок к составу океанической воды. На 99,78 %
массы гидросферы приходится всего 8 элементов (табл. 3).
Таблица 3
Средний элементный состав воды гидросферы
Элемент
Содержание,
%
O
H
Cl
Na
Mg
S
Ca
K
85,7
10,8
1,93
1,03
0,18
0,09
0,04
0,039
Компоненты химического состава природных вод в гидрохимии
делят на 6 групп:
1. Главные ионы (макрокомпоненты). К этой группе относятся
2
2
-
2-
катионы Na+, Mg +, Ca +, K+, и анионы Cl , SO , HCO
4
3
2-
(CO ),
3
-
Br .
2. Растворенные
газы.
В
природных
водах
присутствуют
растворенные газообразные вещества: O , N , H S, CH и др. Их
2
2
2
4
источниками являются процессы, протекающие внутри водоёма
и контактирующий с водой воздух.
3. Биогенные вещества. В эту группу входят соединения азота
(нитраты,
аммонийный
азот)
и
фосфора
(фосфаты
и
гидрофосфаты), соединения кремния, находящиеся в воде в
виде
коллоидных
кремниевых
или
кислот,
и
истинно
растворенных
соединения.
форм
Наиболее
и
важными
источниками таких веществ являются процессы, протекающие
внутри водоёма и поступление
с поверхностным
стоком,
атмосферными осадками и сточными водами.
4. Микроэлементы. К этой группе относятся все металлы, кроме
2
2
2
главных ионов и железа, такие как Cu +, Ni + , Mn + и другие, а
также
анионы,
встречающиеся
в
водоемах
в
малых
концентрациях (F~, I " и др.).
5. Растворенные органические вещества (РОВ). Эти вещества
представлены органическими формами биогенных элементов. В
данную группу входят: карбоновые кислоты, спирты, альдегиды
и кетоны, сложные эфиры, в том числе липиды, фенолы,
гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы,
белки.
6. Токсичные загрязняющие вещества, попадающие в воду из
антропогенных источников. Это соединения тяжелых металлов,
нефтепродукты, диоксины, СПАВ и др.
По характеру воздействия на формирование состава природных
вод выделяют следующие факторы:
• физико-географические (рельеф, климат);
• геологические (вид горных пород);
•
биологические (деятельность живых организмов);
• антропогенные (состав сточных вод и твердых отходов);
• физико-химические (химические свойства соединений, кис¬
лотно-основные
и
окислительно-восстановительные
условия).
Вопросы для самоподготовки:
1. Дайте определение понятиям: редокс-буферность природных
вод,
«агрессивность»
минералов,
природных
эпимлимнион,
минерализация
воды,
вод,
«неустойчивость»
металимнион,
основность,
гиполимнион,
щелочность
воды,
денитрификация, сульфат-редукция.
2. Сформулируйте
закон
Дитмара.
Для
решения
каких
практических задач он используется?
3. Какие способы классификации природных вод выделяют? На
чем они основаны?
4. Что такое жёсткость природных вод и в каких единицах она
измеряется? Какие виды жесткости воды выделяют, чем они
обусловлены?
5. Назовите основные особенности протекания
окислительно-
восстановительных процессов в природных водах.
6. Как классифицируют водоёмы по степени трофности?
7. Что
такое
стратификация
природных
причинами она может быть вызвана?
водоёмов?
Какими
8. С протеканием каких процессов связана возможность появления
сероводорода в зоне гиполимниона эвторфного водоёма в
период стратификации?
9. Сформулируйте гипотезу биорексистазии Г. Эрара.
Типовые задачи
Пример 1.
Общая жёсткость «волжской воды» равна 6,52 мг-экв/л, а
временная 3,32 мэкв/л. Вычислите массу Са(ОН) и Na CO , которую
2
2
3
надо взять, чтобы устранить жёсткость данной воды объёмом 5 м .
Напишите уравнения происходящих реакций.
Решение.
Жесткость воды - это свойство, обусловленное наличием в ней
солей кальция и магния (ммоль-экв/л). За единицу
жёсткости
принято число миллиэквивалентов (мг-экв) катионов С а
2+
содержащихся в 1 л воды.
Общую жёсткость вычисляют по формуле:
Ж = 1п(Са +)ЛУ • 20,04) + m(Mg +)/(V • 12,16), где
2
2
2
2
2
2
где 1п(Са +) и m(Mg +) - массы ионов Са + и Mg +, мг,
20,14 и 12,16 - эквивалентные молярные массы кальция и магния
соответственно.
Уравнения происходящих реакций:
устранение временной жёсткости происходит по реакции:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 | + 2Н2О;
2+
и Mg ,
устранение постоянной жёсткости происходит по реакции:
СаSO + Na CO = СаСО | + Na SO .
4
2
3
3
2
4
Тогда общую жесткость можно рассчитать:
Ж
Ж
п о с т
-общ
Ж
Ж
-пост + - в р
;
= 6,52 - 3,32 = 3,2 ммоль • экв/л;
m(СаSO ) = Ж • V • Mэ = 3,2 • 5 • 68 = 1088 мг = 1,088 г;
4
n ^ S O z O = 0,008 моль;
n ^ S O z O = n(Na CO );
2
3
m(Na CO ) = n • M = 0,008 • 106 = 0,848 г;
2
3
т(Са(НСО ) ) = 3,32 • 5 • 81 = 1344,6 мг = 1,3446 г;
3
2
т(Са(НСО ) ) = т(Са(ОН) ) = 1,3446/162 = 0,0083 моль;
3
2
2
т(Са(ОН) ) = n • M = 0,0083 • 74 = 0,614 г.
2
Ответ: масса Са(ОН) = 0,614 г, масса Na CO = 0,848 г.
2
2
3
Пример 2.
Для умягчения воды объёмом 100 л потребовался Na CO
2
массой 12,72 г. Чему равна жёсткость воды?
Решение. Умягчение воды происходит по реакции:
2
Са + + Na CO = С а С О | + 2Na+.
2
3
3
Жёсткость вычисляется по формуле из примера 1.
Эквивалентная масса равна
Мэ (Na CO ) = М (Na CO )/2 = 106/2 = 53 мг-экв/моль.
2
3
2
3
3
Тогда Ж = 12,72 • 10 /100 • 53 = 2,4 мг-экв/л.
Ответ: Жесткость воды равна 2,4 мг-экв/л.
Пример 3.
3
Какая природная вода более агрессивна по отношению к гипсу
^ a S O • 2H O), если активность катионов кальция и сульфат-ионов
4
2
для первой и второй воды составляет:
2
-3
2
а (Ca +) = 10 моль/л;
2-
-2,8
а (Ca +)
1
= 10 моль/л;
2
-1,5
2-
-2
a (SO ) = 10 моль/л; a (SO ) = 10 моль/л?
1
4
2
4
Решение:
Агрессивность природных вод по отношению к одному и тому
же веществу оценивается показателем агрессивности (А), который
может быть определен по уравнению:
A
=l g
Ь
7
— — ч
(ПА )
V
/про
, где
/(ПА )
д
V
/реаг
K - константа равновесия процесса растворении я данного вещества;
(ПА)
-
прод
произведение
активностей
продуктов
реакции,
содержащихся в данной воде;
(ПА)
- произведение активностей реагентов, содержащихся в
реаг
растворяемого веществе соответственно
Чем
больше А, тем в большей степени система находится в
неравновесном состоянии и тем более интенсивно протекает процесс
растворения данного вещества.
Процесс растворения гипса протекает по уравнению:
CaSO4 • 2H 2O
2
Ca + + SO4
2-
+ 2 H2O.
По условию задачи активность вещества равна единице,
(ПА)
реаг
= 1. Поэтому можно упростить выражение для показателя
агрессивности:
A
= lg рС/(ПА)прод]
Поскольку
значение
константы
равновесия
процесса
растворения гипса при заданных условиях - величина постоянная,
показатель
агрессивности
будет
тем
больше,
чем
меньше
произведение активностей реагентов в воде. Сравним произведения
активностей в различных природных водах:
для первой воды
2
2-
-3
(ПА) = a (Ca +) • a (SO ) = 10 • 10
1
1
1
-1,5
-4,5
(моль/л)
-4,8
(моль/л) .
= 10
4
2
для второй воды
2
2-
(ПА) = а (Ca +) • a (SO ) = 10
2
2
2
4
-2,8
-2
•Ю = 10
Поскольку (ПА) < (ПА) , так как 10
2
-4,8
2
-4,5
< 10 , вторая
1
природная вода более агрессивна по отношению к гипсу.
Ответ: вторая вода более агрессивна по отношению к гипсу.
Пример 4.
Какой процесс - растворение или осаждение гипса - будет
происходить при его контакте с природной водой, в которой
2 -
активности
катионов
- 4
кальция и анионов SO " составляют10~ и
4
- 2
10 моль/л соответственно? Температура равна 298К, давление равно
101,3 кПа.
Решение:
Процесс растворения гипса, как было сказано выше, протекает
по уравнению:
CaSO • 2H O
4
2
2
Ca + + SO
24
+ 2 H O.
2
Направление процесса (растворение или осаждение)
определить по значению показателя степени неравновесности:
можно
© = (ГЪАЦОД/К,
где ( П А )
прод
- произведение активностей ионов в растворе; К -
константа равновесия процесса растворения.
Степень неравновесности характеризует ненасыщенность (®<1,
идет процесс растворения) или пересыщенность (© >1, идет процесс
осаждения) раствора. В случае, если степень неравновесности равна
единице, в системе наблюдается равновесие между твердой и жидкой
фазами.
Произведение активностей продуктов процесса растворения
гипса в данном случае следует принять равным произведению
активностей соответствующих ионов в природной воде, поскольку
для этой воды и необходимо определить степень неравновесности.
Произведение активностей составит:
2+
2
-4
-2
-6
( П А ) ^ = а(Са ) • a(S0 ") = Ю • Ю = Ю (моль/л)
2
4
Значение константы равновесия реакции растворения гипса
можно определить из термодинамических данных по уравнению
изотермы химической реакции для стандартных условий:
3
m K = -AG°
a
Значение AG°
AG°
peaKU
=
peaKII
peaKI
/ (/ R T ) .
реакц'
определим из выражения:
ХД^прод
2+
-XAG°
pear
= AG° (Ca ) + AG
o6p
0
2
o6p
(SO ") +
4
2AG° (H 0) - 2 AG° (CaS0 • 2 H 0 ) = (-552.70) + (-743,99) + 2(o6p
2
o6p
4
2
3
237,23) - (-1799,8) = 28,65 кДж/моль = 28,65 10 Дж/моль.
3
l n K = - 2 8 , 6 5 1 0 /(8,3 1 4 • 298)= - 11,56
a
6
K =9,55 • 10" .
a
Значение показателя неравновесности составит:
-6
-6
0 = Ю /(9,55 - Ю ) =0,1
Поскольку © < 1, раствор ненасыщен относительно гипса, и идет
процесс его растворения.
Ответ: будет происходить растворение гипса.
Пример 5.
Оцените
средний
вклад
одного
человека
в загрязнение
Мирового океана, если на 1 км поверхности океана приходится 17 т
отходов с суши. Радиус земного шара составляет 6400 км, а Мировой
океан составляет 2/3 площади земного шара. Население Земли 6
млрд. человек.
Решение:
Площадь шара оценивается как
2
S = 4nR .
Площадь Мирового океана составит:
2
2
8
2
S = 2/3• 4-я •R = 2/3 • 4- 3,14- 6400 = 3,43• 10 км .
Вклад одного человека в загрязнение океана равен:
q = (S^ m) / N , где
m - количество отходов, приходящееся на единицу площади океана;
N - численность населения Земли.
8
9
q = (3,43 •Ю •П) / 6 10 = 0,971 т/чел
Ответ: средний вклад одного человека в загрязнение Мирового
океана составляет 0,971 т/чел.
Задачи:
1.
Определите
магниевую жёсткость
воды, если
общая
жёсткость составляет 3,8 ммольэкв/л, а содержание ионов
кальция 62 мг/л.
2.
Найдите массу хлора, которая ежедневно необходима для
очистки воды, при условии, что суточный расход воды на
человека составляет
350 л, а норма расхода хлора 2 1 0
-4
г/л.
Количество жителей составляет 370 тыс. человек.
3.
Какова минимальная масса цинка, кадмия, марганца и
меди,
которые
ежедневно
проходят
городскую
сеть
водоснабжения мощностью 110 л в день, если не наблюдается
превышение их ПДК (ПДК для Zn 5 мг/л, Cd 0,01 мг/л, Mn 0,05
мг/л, Cu 1 мг/л).
4.
Определите общую жёсткость воды, если в 300
мл
содержится 15 мг ионов кальция и 2 мг ионов магния.
5.
Запасы воды в ледниках и материковом льде 3540 км ,
что составляет 68,7% от общих запасов пресной воды на Земле.
На сколько метров повысится уровень Мирового океана, если
произойдет таяние льда? Какие причины могут способствовать
этому и к чему это может привести?
6.
410
Ежегодно в мировой океан с речным стоком поступает
15
г растворенных солей. Рассчитайте массовую долю таких
солей от общего их количества, находящегося в океане, если
объем Мирового океана составляет 1,35 млрд. км , а соленость
воды 35 г/кг.
7.
Для удаления хлора из воды,
объемом 1 м потребовался
1 М раствор тиосульфата натрия объемом 25 мл.
Найдите
концентрацию хлора в воде.
8.
Для получения гидроксида магния
используют морскую
воду с минерализацией 35 г/л. Найдите объем воды, который
необходим для получения 1 кг Mg(OH) , если содержание
2
- 2
магния в виде хлорида составляет 9,44 • 10 .
9.
Для определения кислорода, растворенного в воде, взяли
две пробы. В первую склянку емкостью 200 мл (рабочий опыт)
ввели 1,00 мл MnCl
2
и 3,00 мл щелочного раствора иодид-
иодатной смеси; во вторую емкостью 180 мл (контрольный
опыт) - 1,00 мл MnCl , 3,00 мл K I + KIO + KOH и 5,00 мл HCl
2
3
(плотность 1,19 г/мл). После соответствующих операций на
титрование йода в рабочем опыте израсходовано 8,76 мл и 1,40
мл
раствора тиосульфата
T(Na S O /O )
2
2
3
2
=
натрия в контрольном
0,0002600
г/мл. Вычислить
опыте
содержание
кислорода, растворенного в воде, в мг/л при нормальных
условиях.
10.
Вычислите содержание углекислого газа (мг/л) в воде, при
титровании 100 мл которой было потрачено 2,1 мл 0,05Н
раствора гидроксида калия (коэффициент поправки К = 0,9891).
11.
Вычислите окисляемость речной воды, на титрование 100
мл воды которой было израсходовано 2,12 мл
раствора
перманганата калия (Т KMnO /O = 0,000567 г/мл). Является ли
4
данный водоем загрязненным, если норма окисляемости по
кислороду 5,5 мг/л.
12.
Сточные
воды
предприятия
содержат
1,5%
хлорида
3
алюминия. Найдите объём воды, который надо добавить к 50 м
сточных вод плотность 1,13 мг/л для доведения концентрации
- 2
-
ионов алюминия до безопасного уровня, равного
9,2-10
ммоль/л.
13.
Определите объем 0,1М
гидрокисда калия, который
3
необходимо добавить к 100 м сточных вод гальванического
цеха, в котором содержание сульфат железа (II) составляет 10
3
кг/м .
14.
В каком объемном соотношении необходимо смешать
кислотные стоки, содержащие 4,9 кг/ м серной кислоты, и
3
щелочные стоки, содержащие 56 кг/ м , для их взаимной
нейтрализации.
15.
Найдите
массу
осадка
гидроксида
железа,
который
3
выпадет при обработке сточных вод объёмом 120 м раствором
щелочи с концентрацией 5 Н, если было израсходовано 120 л
гидроксида калия.
16.
Определите
массу
извести,
которая
необходима для
нейтрализации кислоты и осаждения железа из сточных вод
травильного цеха, если воды содержат 2,5 г/л серной кислоты и
3,5 г/л сульфата железа (II). Объём сточных вод составляет 100
м , а массовая доля примесей в извести составляет 42 %.
17.
При анализе пробы сточных вод объемом
50,00 мл
добавили 12,00 мл 0,04 М BaCl (коэффициент поправки К =
2
0,9911 )
при
нагревании.
Избыток
соли
оттитровали
в
присутствии аммонийного буфера, содержащего комплексонат
магния и эриохром черный Т, затратив 20,00 мл 0,01 М ЭДТА
(К = 0,9918). Вычислить
концентрацию
сульфат-ионов
в
анализируемой пробе сточных вод (г/л).
18.
Оцените величину рН дождей в промышленном районе,
где основной вклад в закисление атмосферной влаги (снижение
реакции рН) дает SO . Парциальное давление диоксида серы в
2
атмосфере равно 5 • 10
-9
Па, константа Генри равна 5,4
моль/(латм), а константа скорости диссоциации сернистой
- 2
-2
кислоты - 2,7 • 10 моль/л.
Раздел 3. ПЕДОСФЕРА
Почва - природное образование, состоящее из генетически
связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования
поверхностных слоев литосферы под действием воды, воздуха и
живых организмов. Она состоит из твердой, жидкой (почвенный
раствор), газообразной и живой (почвенная флора и фауна) частей.
Почвенный покров образуется на континентальной поверхности
земной коры. Средний химический состав земной коры (в %)
характеризуется
значениями кларков химических
элементов.
К
настоящему времени установлено, что земная кора более чем на 99 %
состоит всего из 9 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg, Ti. На долю
остальных элементов, которые называются редкими и рассеянными,
приходится всего 0,52 % массы земной коры (табл. 4).
Таблица 4
Кларки основных химических элементов земной коры
Элемент
Кислород
Кремний
Алюминий
Кларк, % Элемент Кларк, % Элемент
Натрий
47,0
Железо
4,65
29,5
8,05
Кальций
Калий
2,96
2,50
Магний
Титан
Кларк, %
2,50
1,87
0,45
По абсолютному содержанию в почвах различают:
1. макроэлементы - Si, O (десятки процентов), A l , Fe, Ca, Mg, K,
Na, C (от десятых долей процента до нескольких процентов);
2. переходные к микроэлементам - Ti, Mn, N , P, S, H (сотые и
десятые доли процента);
3. микро- и ультрамикроэлементы - Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni,
-3
Co, Li, Mo, Cs, Se и др. (от 10 до 10
-10
процента).
В состав почвообразующих пород и почв входят первичные и
вторичные минералы. Первичные минералы образуются в глубоких
слоях
Земли
возникают
из
из
расплавленной
первичных
в
магмы.
Вторичные
поверхностных
минералы
горизонтах
под
воздействием биологических и климатических факторов.
Наиболее
распространёнными
являются кварц растворов
тройной
первичными
минералами
SiO , полевой шпат (представители твёрдых
2
системы
Na[AlSi3O8] — С а [ А № 0 8 ] ) ,
изоморфного
ряда
K[AlSi O ]
3
—
8
и слюды (R1R2-3 [AISi3O10](OH, F)2, где
R = К, Na; R = Al, Mg, Fe, Li).
1
2
К вторичным минералам относятся:
1. Минералы простых солей - кальцит - CaCO , магнезит
3
-
MgCO3, доломит - [Ca, Mg](CO3)2, сода - Na2CO3
2. Минералы гидроксидов и оксидов - гидроксид кремния
SiO nH O, бемит A l O H O , гематит - Fe O
2
2
2
3. Высокодисперсные
3
2
2
аморфные
-
3
соединения
-
гумусовые
вещества, вулканические тфы, аллофаны - A l O ^ SiO • nH O
2
4. Глинистые минералы менее
гидратированные
силикаты
и
2
алюминия,
имеющие
общую
2
более
или
формулу
nSiO • A l O • mH O
2
2
3
2
Органическим веществом почвы называют совокупность всех
органических соединений, за исключением веществ, входящих в
состав живых организмов. Мертвое органическое вещество в почве
подразделяют на остатки животных и растений, не утратившие
анатомического строения, и гумус - органическое вещество на
различных стадиях разложения.
Почвенный гумус представляет собой сложный комплекс
органических соединений, его состав непрерывно обновляется в
результате разложения и синтеза органических веществ. В составе
гумуса
с
точки
зрения
морфологии
выделяются
следующие
составные части. Так называемый грубый гумус представляет собой
слабо разложившиеся
растительного
остатки
происхождения,
бурого
в
цвета,
которых
преимущественно
под
микроскопом
различимы детали растительной ткани. Остатки в стадии глубокого
преобразования имеют вид однородной черной массы перегноя,
частично сохраняющие реликты клеточного строения. Собственно
гумус представляет собой специфические почвенные органические
образования, диффузно распределенные в почвенной массе в виде
сгустков либо склеивающие минеральные частицы почвы.
В составе гумуса с химической точки зрения выделяют три
группы соединений: неспецифические органические
соединения,
специфические гумусовые вещества и промежуточные продукты
распада и гумификации.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дайте определение понятий: почва, гумус, гумусовые кислоты,
гуминовые
кислоты,
фульвокислоты,
гипергенез,
биогеохимический насос, геохимический фон, аномалия, ореол
рассеяния.
2. Перечислите принципы разделения веществ,
составляющих
гумус.
3. Перечислите виды поглотительной способности почв.
4. Какие функциональные группы гумусовых веществ вносят
основной вклад в катионообменную способность почвы?
5. Каковы
главные условия усиления
миграции
металлов
в
почвах?
6. Перечислите основные породообразующие минералы.
7. Укажите основные различия между органическими остатками и
гумусом.
8. Какие две противоположные функции выполняет гумус почвы
по отношению к рассеянным металлам?
9. Каков механизм фиксации избыточных масс тяжёлых металлов
и близких им поливалентных элементов в почвах?
Типовые задачи.
Пример 1.
Карбонатная
почва
имеет
следующий
гранулометрический
состав: 24% песка, 28% пыли и 20% глины. Содержание CaCO3 в
почве составляет: 5% в песке, 10% в пыли и 20% в глине.
Рассчитайте
гранулометрический
состав
почвы
(%):
а)
в
ее
начальном состоянии; б) после удаления карбоната кальция с
кислотой.
Решение:
Определим
массу
карбоната
кальция
в
каждой
гранулометрической части почвы. Согласно условию задачи в 100 г
почвы
содержится
42
г песка,
38
г пыли
и 20
г
глины.
Соответственно карбоната кальция содержится:
m CaCO в песке = 42 • 0,05 = 2,1 г,
3
m CaCO в пыли = 38 • 0,10 = 3,8 г,
3
m CaCO3 в глине = 20 • 0,2 = 4,0 г.
Таким образом, масса чистых компонентов после обработки
кислотой (m ) составит:
A
m песка 42 - 2,1 = 39,9 г,
m пыли 38 - 3,8 = 34,2 г;
m глины 20 - 4,0 = 16,0 г.
Процентное содержание компонентов в исходной почве (©О
определяется соотношением:
© i = (mi/100) • 100%.
Отсюда процентное содержание компонентов в исходной почве
после округления составит:
© песка = 40%;
© пыли = 34%;
© глины =
16%.
Процентное содержание компонентов в почве после удаления из
нее карбонатов (© ) определяем с учетом изменения массы навески
i
почвы:
Am = I Ami = 2,1 + 3,8 + 4,0 + 9,9г.
© *i = [m /(100 - Am)] • 100% = [m /(100 - 9,9)] • 100% =
i
i
(m /90,1) • 100% ;
i
©
песка
=
4
4
%
;
©
пыли
=
3
8
%
;
©
глины
=
1
8
%
.
Ответ: гранулометрический состав почвы в начальном состоянии:
песка 40%, пыли 34%, глины 16%; после удаления карбоната кальция
песка 44%, пыли 38%, глины 18%.
Пример 2.
Глинистые и песчаные почвы имеют удельную поверхность 70
2
2
м /г и 7 м /г абс. сухой почвы соответственно. При условии, что
воздушно-сухая
почва
однородного слоя
адсорбирует
воду только
поверхностью
толщиной 1 нм, вычислите содержание воды в
каждой почве.
Решение:
Для почвы с удельной поверхностью
= 70 м /г определим
объем, который занимает вода в 1 г почвы этого образца:
V = Sуд- h;
-9
-8
3
V = 70 • 1 • 10 = 7 -10 м /г.
Масса воды m в 1 г образца находится как:
m = р-V,
3
6
3
где р - плотность воды (1 г/см = 10 г/м ).
Таким образом, масса воды в 1 г воздушно-сухой
почвы
составит:
6
-8
-2
m = 10 • 7- 10 = 7 10 г
почвы.
Процентное содержание воды в почве есть отношение массы
воды в почве m к массе навески q (q = 1г):
-2
со (H O) = (m/q)- 100% = (7-10 /1)100% = 7%.
2
Таким образом, масса и процентное содержание воды в образце
2
почвы с удельной поверхностью 70 м /г
-2
7 10 г
составляет соответственно
почвы и 7%.
Аналогичным образом рассчитываются масса и процентное
содержание воды в почве с удельной поверхностью 7 м /г. В
- 3
результате соответствующих вычислений получим: 7 1 0 г и 0,7%
соответственно.
Ответ: масса воды равна 70 и 7 мг/г абс. сухой почвы
(глинистой и песчаной соответственно), или 7 и 0,7%.
Пример 3.
Почва содержит 3,15 % органического вещества. Вычислите
процентное содержание углерода и азота в почве, если органическое
вещество содержит 60% углерода и массовое отношение C:N равно
10:1.
Решение:
В 100 г почвы содержится 3,15 г органического вещества.
Содержание углерода в ней можно найти как:
m(C) = (3,15/100) • 60 = 1,89 г.
По условию задачи содержание азота в почве в 10 раз меньше,
чем содержание углерода, т.е. m(N) = 0,189 г.
Процентное содержание элементов равно:
со (C) = [m(C)/100] 100% = 1,89%;
со (N) = [m(N)/100] 100% = 0,189%.
Ответ: процентное содержание углерода и азота в почве равно
1,89% и 0,1 89% соответственно.
Пример 4.
Из пробы почвы взята навеска массой 10 г и обработана 25 мл
2М раствора НС1. По завершении реакции
избыток
кислоты
оттитрован стандартным раствором NaOH. Расчеты показывают, что
на реакцию с почвой расходуется 22,5 мл кислоты. При условии, что
кислота
реагирует
только
с
СаС0 ,
3
вычислите
содержание этого вещества (по массе) в почве.
процентное
Если кислота
реагирует с доломитом CaMg(C0 ) найдите процентное содержание
3
2
этого вещества в почве.
Решение:
Соляная кислота взаимодействует с карбонатом кальция по
уравнению:
С а С 0 + 2НС1
3
СаС1
2
+ С0
2
+
Н 0.
2
Определим количество кислоты, которое прореагировло с СаС0 :
3
n (НС1) = С(НС1) • V(HC1),
где С(НС1) - концентрация соляной кислоты;
V(HC1)
-
объем
раствора
кислоты,
который
пошел
на
взаимодействие с почвой (V = 22,5 мл = 22,5 10" л).
Количество карбоната кальция, вступившего в реакцию:
п (СаС0 ) = У n (НС1) = 1/2 • 2 • 22,5 -10"
3
2
3
2
= 2,25 • 10" моль
Масса карбоната кальция в образце почвы составит:
-2
m (СаС0 ) = М(СаС0 ) • п (СаС0 ) = 100 • 2,25 • Ю = 2,25 г.
3
3
Процентное содержание С а С 0
составит:
3
3
в навеске почвы массой 10 г
© (CaCO3) = (2,25/10) • 100% = 22,5%.
Аналогично
определяется
содержание
доломита
-
соляная
кислота взаимодействует как с карбонатом кальция, так и с
карбонатом магния по уравнениям:
CaCO + 2HCl
CaCl
3
MgCO + 2HCl
MgCl
3
Учитывая,
что
в доломите
2
+ CO t +
+ CO t +
2
H O;
2
2
карбонаты
2
H O.
2
кальция
и
магния
находятся в эквимолярном соотношении, т.е. n(CaCO ) = n(MgCO ) =
3
3
-2
1,12 10 моль.
Найдем массу карбоната кальция и магния:
-2
m (CaCO ) = n • M = 100 • 1,12 10 = 1,12 г;
3
-2
m (MgCO ) = n • M = 84 • 1,12 • 10 = 0,94 г
3
Масса
доломита
составляющих -
будет
определяться
суммой
масс
его
карбонатов кальция и магния, и процентное
содержание доломита в этом случае составит:
© [CaMg(CO ) ] = [(1,12 + 0,94)/10] • 100% = 21%
3
2
Ответ: содержание в почве карбоната кальция - 22,5%, доломита 21%.
Пример 5.
Емкость
катионного
обмена
(ЕКО)
почвы
составляет
25
смоль /кг; 65% ЕКО обусловлены ионами H и A l . Рассчитайте
зар
количество
извести
(г
CaCO /OT
3
почвы),
нейтрализации этой обменной кислотности
необходимое
для
Решение:
Согласно условию задачи количество зарядов, обусловленное
+
3 +
ионами H и A l , составляет:
q = ЕКО • a,
3
где a - доля заряда, обусловленная ионами H+ и Al +;
-2
-2
q = 25 • 10 0,65 = 16,25 • 10 моль кг.
зар
Необходимое количество CaCO для нейтрализации с учетом того
3
факта, что ионы кальция несут заряд +2, определяется из следующего
равенства:
0,5q = n(CaCO ) = m(CaCO )/ M(CaCO ),
3
где
M(CaCO3)
-
молярная
3
масса
карбоната
3
кальция,
равная
100г/моль.
Отсюда
m(CaCO3) = 0,5 - q - M(CaCO3);
-2
m(CaCO ) = 0,5 • 16,25 • 10 • 100 = 8,1 г/кг почвы.
3
Ответ: для нейтрализации обменной кислотности необходимо 8,1 г
CaCO /OT почвы.
3
Пример 6.
В 100 г дерново-подзолистой почвы в поглощенном состоянии
содержится 240 мг подвижного кальция, 26 мг магния, 3,6 мг
аммония, 1 мг подвижного водорода и 2,7 мг алюминия. Рассчитайте
ЕКО.
Решение:
Решение задачи сводится к нахождению суммарного заряда
(ЕКО), определяемого перечисленными ионами, выраженного в
молях:
ЕКО = — 5 /
где т
к
,
и
^ у
- масса ионов i-того сорта в навеске почвы;
М щ - молярная масса ионов i-того сорта;
z - заряд ионов i-того сорта; т - масса навески.
i
н
_ 3
ЕКО
240 • 10
100•10
3
•2+
26 • 10~*
40
24
3
3,6 • 10~*
1 • 10
2,7 • 10
2+—
1+
+•
18
1
27
3
= 1510 моль /кг почвы = 15 смоль /кг почвы.
зар
зар
Ответ: ЕКО = 15 смоль /кг почвы.
зар
Задачи.
1.
В
почву
количестве
внесены
азотные
110 кг N/га. Какова
удобрения
масса
(NH4NO3)
в
использованного
удобрения, если оно содержит 96% действующего вещества?
При условии, что весь NH + нитрифицируется, вычислите
4
концентрацию нитратного азота в почвенном растворе, если
удобрение равномерно смешивается с 2600 т почвы при
содержании в ней 20 г H O/ 100 г сухой почвы.
2
2.
Для
выращивания
сельскохозяйственных
культур
распахали пастбище и использовали его в течение 30 лет. За
этот период содержание органического углерода уменьшилось с
3,0 до 2,1%. Если соотношение C:N остается равным 10:1,
найдите, сколько минерального азота выделялось в среднем за
год. Примите, что масса почвы равна 2600 т/га.
3.
Для приготовления
приготовить 1 л
почвенной
вытяжки
необходимо
0,1М раствора соляной кислоты. Найдите
объём 25% раствора кислоты, который нужно взять для
приготовления этого раствора?
4.
Из воздушно-сухой
соответствующей
навески
обработки
оксидов 0,2671 г и SiO
2
глины
получен
0,9215
осадок
г после
полуторных
0,4596 г. Вычислить процентное
содержание SiO2 и Fe2O3 в сухом образце, если содержание
влаги составляет 2,45 %. 6. Для определения аммонийного азота
навеску удобрения массой 2,635 г растворили в мерной колбе
вместимостью 250 мл. К 25,00 мл полученного
раствора
добавили формальдегид, выделившуюся кислоту оттитровали
18,72 мл раствора NaOH (T(NaOH) = 0,003987 г/мл). На
титрование формальдегида в холостом опыте израсходовали 0,5
мл NaOH. Вычислить массовую долю азота в удобрении (в % ) .
5.
Навеску удобрения массой 4,026 г разложили действием
минеральной кислоты и объем раствора довели до 250,0 мл.
Пробу 50,00 мл фильтрата после удаления нерастворимого
остатка нейтрализовали NaOH до появления мути, добавили
ацетатный буферный раствор до рН 4,6 и довели до объема
250,0 мл. Для определения кальция пробу 25,00 мл полученного
раствора
оттитровали
10,02
мл
0,05121
М
ЭДТА
с
флуорексоном. На титрование такой пробы раствора с хром
темно-синим для определения суммарного содержания кальция
и магния израсходовали 18,14 мл того же раствора ЭДТА.
Вычислить массовые доли (%) CaO и MgO в удобрении.
6.
Определите содержание подвижного калия в почве, если
после встряхивания 20 г с 70 мл раствора нитрата аммония
суспензию отфильтровали и установили, что содержание ионов
калия в растворе составляет 12 мкг/мл. Масса почвы равна 2000
т/га.
7.
Навеску
удобрения
массой
2,503
г
обработали
минеральной кислотой и объем полученного раствора довели до
250,0 мл, осадок отфильтровали. 50,00 мл фильтрата поместили
в мерную колбу вместимостью 100,0 мл, туда же добавили 25,00
мл 0,1 М Bi(NO ) (K = 0,9789) и довели раствор до метки. В
3
3
результате взаимодействия ортофосфорной кислоты с нитратом
висмута, образовался осадок ортофосфата висмута. Осадок
образовался в соответствии с реакцией Bi(NO ) + H PO =
3
3
3
4
BiPO4^ + 3HNO3. Осадок вновь отделили фильтрованием. В
50,00 мл фильтрата оттитровали избыток ионов B i
3 +
15,00 мл
0,05 М ЭДТА (К = 1,001) в присутствии пирокатехинового
фиолетового. Определить массовую долю (в
%) Р2О5 в
удобрении.
8.
Навеску
пестицида,
содержащего
20,86
%
формальдегида, массой 3,017 г обработали 50,00 мл 1,0 М NaOH
-
(К = 0,9022) в присутствии пероксида водорода HCHO + O H +
-
H O = HCOO + H O. Избыток щелочи оттитровали раствором
2
HCl
2
2
(T(HCl) = 0,03798). Какой
объем
соляной
кислоты
затратили на титрование?
9.
Рассчитайте количество нитрат-ионов в образце почвы
массой 50 г, если при обработке её была получена вытяжка
объемом 100 мл, а содержание в ней нитрат-ионов составило 5
мг/л. Содержание влаги 20 г/100 г абсолютно сухой почвы.
10.
Раствор фосфата (4 мл) концентрацией 0,4 г/л смешали с
40 г почвы и инкубировали её в течение 1 недели. Смешали 5 г
этой почвы с 50 мл раствора хлорида калия. Суспензию
отфильтровали
и
фосфат-ионов.
Она
в
фильтрате
составила
определили
1,1
мкг
концентрацию
Р 0 7мл.
Сколько
4
внесенного фосфата адсорбировалось в почве?
11.
Рассчитайте объем углекислого газа, который выделяется
при известковании почвы.
объемом 200 мл воды с рН 3,1
Обработке подвергается
вода
а ионы водорода вступают в
реакцию с карбонатом кальция в соотношении 2:1.
12.
Рассчитайте массу хлорида калия, которую необходимо
внести в почву, чтобы содержание в ней экстрагируемого иона
калия составило 20 кг/га.
2+
13.
Определите ЕКО почвы, если она содержит Са
2+
и Mg
в
количестве 3 и 5 мг-экв/100 г почвы, соответственно, при этом
потенциальная кислотность почвы составляет 5 мг-экв/100 г
почвы.
14.
Определите
степень
солонцеватости
почв,
если
в
ней
содержатся (в мг-экв/100 г почвы) обменные катионы Са
-
2+
7,8; Mg
- 2,4; сумма поглощенных оснований S = 17.
Определите дозу внесения гипса для пахотного слоя толщиной
20 см, если объемная масса почвы составляет 1,15-1,35 г/см .
15.
Что можно сказать о почве с точки зрения состава обменных
катионов
почвенно-поглощающего
комплекса,
если
сумма
поглощенных оснований равна S = 22 мгхэкв/100 г, емкость
поглощения катионов Е = 32 мгхэкв/100 г, рН водной вытяжки
меньше или равна 7? Что можно сказать о подверженности
этой почвы загрязнению тяжелыми металлами и пестицидами?
16.
Анализ почвы показал, что сумма поглощенных оснований S
равна 20 мг-экв/100 г, содержание обменного натрия [Na+] = 5
мг-экв/100
г. Определите
нуждается ли данная почва в
химической мелиорации и если да, то в какой?
Раздел 3. БИОСФЕРА
Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю
совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты,
которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосферу как место современного обитания организмов вместе
с самими организмами можно разделить на три подсферы:
• аэробиосферу, населенную аэробионтами;
• гидробиосферу - водную оболочку Земли без подземных
вод, населенную гидробионтами;
• геобиосферу - верхнюю часть земной коры (литосфера),
населенную геобионтами.
Верхняя граница биосферы обусловливается энергией Солнца,
то есть естественной верхней границей является озоновый экран,
расположенный на расстоянии около 16 км от поверхности Земли на
полюсах и 25 км над экватором. Нижняя граница жизни в литосфере
теоретически
определяется
высокой
температурой.
Живые
организмы в трещинах и нефтеносных скважинах могут встречаться
на глубине до 3 км от земной поверхности. В морях предельная для
жизни температура встречается на глубине около 10 км.
Элементный состав биосферы представлен в таблице 5.
Табл.5.
Содержание наиболее распространенных элементов, %
Вселенная
Земля
Земная кора
Океан
Н -77
Fe - 35
O - 46,6
O - 85,8
N - 75,5
O - 53
Не - 21
O - 29
Si - 29,5
H - 11
O - 23,2
C - 39
О - 0,8
Si - 14
A l - 8,2
Cl - 1,94
Ar - 1,3
H - 6,6
С - 0,3
Mg - 14
Fe - 5,0
Na - 1,05
C - 9,310
-3
N - 0,5
Ne - 0,2
S - 2,9
Ca - 3,6
Mg -0,13 Ne-1,3 10
-3
Ca - 0,4
Fe - 0,1
Ni - 2,4
Na - 2,8
-3
K - 0,2
Si - 0,07
Ca - 2,1
K - 2,6
Ca - 0,41 He - 72-10
-6
Si - 0,1
N - 0,06
A l - 1,8
Mg - 2,1
K - 0,039 Xe - 40-10
-6
P - 0,1
Mg - 0,06 Na - 0,3
Ti - 0,57
Br - 0,007 H - 23-10
H - 0,22
C - 0,003
S - 0,04
P - 0,2
Атмосфера Биосфера
S - 0,09
Kr-0,45-10
S - 70-10
-6
Mg - 0,1
-9
S - 0,07
Биосфера состоит из биотической и абиотической частей.
Биотическая
часть
представлена
живыми
организмами.
Абиотическая часть представлена:
1. Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще
есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих
пород, и физической средой порового пространства.
2. Атмосферным воздухом до высоты, на которой возможны еще
проявления жизни.
3. Водной средой океанов, рек, озер и т. д.
Биосферу образуют три категории субстанций:
1. Живое вещество -
совокупность всех живых организмов:
микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса.
2. Биогенное вещество - мертвая органика, все формы детрита, а
также
биогенные
горные породы, включая часть
ископаемого
топлива.
Биогенными элементами называют растворимые элементы,
жизненно необходимые организмам. Макробиогенными элементами
называют элементы, требующиеся
организмам
в
сравнительно
больших количествах. Микробиогенными элементами
называют
элементы и их соединения, которые хотя и необходимы для
жизнедеятельности
биосистем,
но требуются
количествах.
растений,
например,
Для
в крайне
наиболее
малых
важны
10
микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, Co, V. Для
фотосинтеза необходимы: Fe, Mn, Cl, V. Для азотного обмена
необходимы: Fe, Мо, В. Для других метаболических
функций
необходимы: Mn, В, Co, Cu, Si. Все эти элементы кроме бора
необходимы и животным, кроме того им может требоваться Se, Cr,
Ni, F, I , Sn. Между макро- и микроэлементами нельзя провести
четкую границу, так же как и между различными
группами
организмов.
3.
Биокосное вещество - смеси живого вещества и биогенных
веществ с минеральными породами небиогенного происхождения
(почва,
илы,
природные
воды,
газо- и нефтеносные
сланцы,
битумные пески, часть осадочных пород; сюда же можно отнести и
земную атмосферу).
Вопросы для самоподготовки:
1. Этапы подготовки растительного материала к химическому
анализу, правила их проведения.
2. Озоление
растительного
материала;
способы
озоления,
особенности их проведения и преимущества.
3. Роль калия, азота, фосфора, кальция, серы в биологическом
круговороте.
4. Механизмы поступления элементов питания в растениях.
5. Сформулируйте теорию поглощения питательных элементов.
6. Формы соединений, в которых растения поглощают элементы
питания и связывают их.
7. Влияние условий внешней среды на поступление питательных
веществ
в растения,
явления
антагонизма
и
синергизма
отдельных элементов.
Типовые задачи
Пример 1.
Оцените степень опасности употребления в пищу моркови,
выращенной на почве, содержащей 100 мг/кг бора, если в морковь
переходит 3% бора, а урожай моркови 300 ц/га. При содержании бора
менее 1 мг/кг веса человека в организме ощущается его дефицит, а
при 190 мг/кг - наблюдается токсическое действие. Ежедневная
норма поступления бора в организм - 10 мг/кг. Принять ежедневное
потребление моркови - 300 г. Плотность почвы - 1,4 кг/дм , глубина
пахотного
слоя
почвы
-
40
см.
Дать
токсикологическую
характеристику соединений бора.
Решение:
1. Определим сколько бора ( M ) переходит из почвы в 1 кг
B
моркови:
M B = Св • n • q1 • q2 мг/кг,
где С - концентрация бора в почве, мг/кг;
в
n - доля бора, переходящая в морковь;
2
2
q - вес моркови, собираемой с 1 м почвы, кг/м ;
1
q1 = h • S • р, где
h - глубина пахотного слоя, м (h = 0,4 м);
2
2
S - площадь, м (S = l м ) ;
3
р - плотность почвы, кг/м ;
3
2
q = 0,4 • 1 • 1,4 • 10 = 560 кг/м ;
1
2
2
2
2
q - урожай моркови с площади в один м , кг/м .
2
M = 100 • 0,03 • 560 • 3 = 5040 мг/кг .
B
2. Определим сколько бора поступает в организм человека
ежедневно:
П = (5040 • 0,3)/70= 21,6 мг/кг веса человека.
в
Ответ: Количество бора превышает ежедневную норму, но
значительно
меньше
концентрации,
при которой
токсическое действие бора на организм человека.
наблюдается
Задачи.
1.
Допустимая норма нитратов (в пересчете на нитрат
калия)
составляет
Можно
200 мг/кг
растительного
материала.
ли употреблять в пищу капусту, содержащую
-3
2,2 • 10 моль KNO /кг.
3
2.
Урожай сельскохозяйственной культуры равен
12 т
сухого вещества на га. Культура содержит 16 г N/кг сухого
вещества. Какую массу азотного удобрения необходимо
внести на гектар, чтобы компенсировать вынос азота с
урожаем.
3.
Какое
максимальное
количество
мг
органических
соединений общей формулой C106H263O110N16P может быть
окислено за счет растворенного кислорода в каждом литре
природной воды, находящейся в равновесии с приземным
воздухом, если контакт с воздухом прерван, и поступление
дополнительного
количества
кислорода
в
процессе
окисления не происходило. Условия: температура 298К,
общее давление 101,3 кПа, парциальное давление паров воды
3
3,1-10 Па.
4.
При недостатке азота в почве листья яблонь становятся
бледно-зелёными, рано желтеют и опадают, рост веток
замедляется. Какой объём 2%-го NH NO (плотность 1006
4
3
г/л) следует использовать для подкормки яблоневого сада
2
общей площадью 100 м , если норма внесения удобрения
2
составляет 50 г/м .
5.
Если в почве не хватает фосфора, то листья яблонь
становятся мелкими, темно-зелеными с голубым, а иногда с
бронзовым
или
пурпурным
оттенком.
Цветение
задерживается, а плоды получаются очень кислыми. Норма
внесения
в
почву
двойного
суперфосфата
2
Ca(H PO )
2
4
2
2
составляет 32 г/м , а площадь сада 700 м . Какой объем воды
потребуется
для
приготовления
4%-го
раствора
всего
суперфосфата, вносимого в почву в этой норме.
6.
За год в биосфере в результате биологической фиксации
образуется 92 млн. т связанного азота, потери его вследствие
денитирификации
составляют
82
млн.
т.
Рассчитайте,
сколько заводов с производительностью 1500 т аммиака в
сутки фактически подменяют биосинтез.
7.
Оцените степень опасности отравления кадмием, если
при выкуривании одной сигареты в организм курильщика с
дымом
поступает
10 мкг
выкуривает за день 35
Cd.
Заядлый
сигарет.
курильщик
Предельно-допустимая
3
среднесуточная концентрация Cd в воздухе
10 мкг/м .
Известно, что вдыхание паров и пыли, содержащей 3 мг/м
Cd, в течение шести часов приводит
отравлению.
произойти
Через
у
какое
заядлого
время
к
острому
отравление
курильщика,
если
может
пренебречь
процессами выведения Cd из организма?
8.
В завезенной на склад партии картофеля содержание
нитратов
составляет
разрушается
50%
200
мг/кг.
нитратов.
При
Опасно
варке
ли
картофеля
ежедневное
потребление в пищу 0,5 кг картофеля из этой партии, если
допустимая недельная доза для человека 150 мг нитратов, а
отравление наступает при разовом поступлении 300 мг.
9.
Определите пригодность воды для питья, если в ней
г
0-U
П
О I
содержится: а) 3,3* 10" моль/л Fe ; б) 1,7* 10" моль/л N i ; в)
7
1,9* 10"
моль/л
3+
Сг ?
Санитарные
нормы
допускают
3
содержание в питьевой воде 0,2 г/м железа (II), 0,1 г/м
3
никеля (II), 0,05 г/м хрома (III).
3
Библиографический список
1. Хохлова О.Н. Введение в химическую экологию. Часть 1.
Издательско-полиграфический
центр
-
Воронежского
государственного университета, 2008. - 68 с.
2.
Гриневич В.И., Куприяновская А.П., Костров В.В. Сборник
задач и упражнений по курсам «Основы экологии» и «Химия
окружающей среды». - Иваново, 1998. - 132 с.
3. Зилов Е. А. Химия окружающей среды : учеб. пособие. Иркутск: Иркут. ун-т, 2006. - 148 c.
4. Лебедева
Химическая
М.И.,
Анкудимова
экология
(задачи,
И.А.,
Филимонова
упражнения,
О.С.
контрольные
вопросы) : учебное пособие. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО
«ТГТУ», 2012. - 100 с.
5. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А., Сметанников Ю.В., Малков
А.В., Додонова А.А. Задачи и вопросы по химии окружающей
среды. - М.: Мир, 2002. - 368 с.
6. Экология: Методические указания к практическим занятиям и
самостоятельной работе студентов по решению экологических
задач (для всех направлений подготовки и специальностей) /
Сост.Васильева Г. В. - Великий Новгород: НовГУ, 2010. - 18 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
3
РАЗДЕЛ 1. АТМОСФЕРА
4
РАЗДЕЛ 2. ГИДРОСФЕРА
17
РАЗДЕЛ 3. ПЕДОСФЕРА
30
РАЗДЕЛ 4. БИОСФЕРА
45
Библиографический список
53
Никитина Мария Викторовна
Корельская Татьяна Александровна
ХИМИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Практикум по решению расчётных задач
Методические рекомендации
Подписано в печать 26.08.2014.
Формат 60х84 1/16. Бумага офисная.
Печ. л. 3,5. Тираж 60 экз. Заказ № 181.
Отпечатано с готового оригинал-макета
Типография «КИРА»
163061, г. Архангельск, ул. Поморская, 34, тел. 65-47-11.
e-mail: [email protected]