Степанова С.А. Физико-химические процессы в техносфере

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
С. А. Степанова
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОСФЕРЕ
Задания и методические указания к их выполнению
для студентов заочной формы обучения
Новосибирск
2004
УДК 54:504
С 26
Рецензенты:
Доктор биологических наук,
ведущий научный сотрудник ИПА СО РАН
Т.Н. Елизарова
Доктор биологических наук, профессор
Сибирской государственной геодезической академии
В.А. Казанцев
Степанова С.А.
С 26
Физико-химические процессы в техносфере: Задания и
методические указания к их выполнению для студентов заочной формы
обучения. – Новосибирск: СГГА, 2004. – 29 с.
Задания и методические указания к ним составлены в соответствии с
требованиями стандартов специальностей и направлений, по которым ведется
подготовка специалистов в СГГА. Работа содержит четыре раздела,
отражающие требования ГОСа по данной дисциплине.
При подготовке заданий учитывались современные проблемы загрязнения
атмосферы, биосферы, а также общие вопросы химии воды, учитывались
требования к специалистам по безопасности жизнедеятельности. По каждой
содержательной части предусмотрено выполнение задания в форме решения
задачи или освещения теоретического вопроса. Последовательность
расположения заданий служит логическому раскрытию обобщающих
закономерностей.
Задания и методические указания к ним рассмотрены и одобрены на
заседании кафедры БЖД, учебно-методической комиссии Института кадастра и
геоинформационных систем.
УДК 54:504
© Сибирская государственная геодезическая
академия, 2004
© Степанова С.А., 2004.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ............................................................................................................... 4
Теоретическая часть ............................................................................................ 5
1. Загрязнение атмосферы .............................................................................. 5
2. Химия воды .................................................................................................. 6
3. Жесткость воды ............................................................................................ 6
4. Загрязнение гидросферы и ее очистка....................................................... 7
Список литературы.............................................................................................. 9
Примеры решения задач ................................................................................... 10
Задачи ................................................................................................................. 12
1. Загрязнение атмосферы ............................................................................ 12
2. Химия воды ................................................................................................ 16
3. Жесткость воды .......................................................................................... 20
4. Загрязнение гидросферы и её очистка..................................................... 21
ВВЕДЕНИЕ
Никакое общество не может развиваться без потребления. Для
удовлетворения своих потребностей люди организуют хозяйственную
деятельность, основой которой является производство. Возникновение
противоречий между производством и естественными экологическими
системами неизбежно, речь может идти лишь о глубине этих противоречий и о
разных возможностях их разрешения.
В настоящее время антропогенные выбросы в биосферу различных
химических элементов и веществ достигли уровней, соизмеримых с
естественными биологическими потоками соответствующих элементов, а в ряде
случаев они превосходят естественные потоки.
Наиболее опасно то, что в настоящее время в биологические циклы
включается большой перечень синтетических соединений, не существующих в
природных средах. Такие вещества не перерабатываются природными средами,
а аккумулируются в них, достигая опасных уровней.
Поэтому в наше время всеми странами мира признано, что важно не только
снижение экологически опасных уровней содержания загрязнителей в природе
и борьба с чрезвычайными ситуациями, но и поддержание на приемлемом
уровне состояния окружающей среды.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Основные газообразные примеси в атмосфере – это СО2, СО, СН4, NO, O3,
SO2, имеющие как природное, так и антропогенное происхождение.
SO2 окисляется во влажном воздухе, а также фотохимическим путем:
SO2(Г) + hν ⇒ SO2∗(Г),
SO2∗(Г) + О2(Г) ⇒ SO3(Г) + О2∗(Г), где SO2∗ – электронно-возбужденная
молекула.
Оксиды азота являются важнейшими компонентами фотосмога. Оксиды
азота поступают в атмосферу в результате работы автомобильных двигателей.
На солнечном свету NO2 подвергается разложению:
NO2(Г) + hν ⇒ NO(Г) + О(Г).
Образующийся атомарный кислород легко вступает в самые разнообразные
реакции, в том числе с кислородом, образуя озон
O(Г) + O2(Г) = O3(Г)∗.
Озон способен быстро окислить NO в NO2
O3(Г) + NO(Г) = NO2(Г) + O2(Г)
NO2(Г) + О(Г) = NO(Г) + О2(Г)
_______________________
О3(Г) + О(Г) = 2О2(Г).
Помимо оксидов азота автомобильные двигатели выбрасывают в
атмосферу несгоревшие углеводороды, а также низшие альдегиды. Многие
продукты реакции органических соединений с атомарным кислородом и озоном
представляют собой свободные радикалы (СН3-; С2Н5-). Радикалы являются
химически активными частицами и вызывают сложные химические процессы в
загрязнённой атмосфере, в результате которых образуются, в частности, очень
вредные вещества – пероксиацилнитриты:
R – C – O – O – NO2, где R – это СН3-; С2Н5- и т. д.

О
Озон, образовавшийся в верхних слоях атмосферы по реакции О2 + О = О3,
поглощает коротковолновое излучение и диссоциирует О3 + hν = О2 + О.
Обнаруженные в последнее время «озоновые дыры» представляют собой
или области с пониженной концентрацией озона в атмосфере, или уменьшение
толщины озонового слоя. В настоящее время причиной появления «озоновых
дыр» считают воздействие антропогенных фреонов СFx Cl4-x(г).
Оксид углерода (2) – СО – газ без запаха и цвета, является постоянным
естественным компонентом атмосферы Земли. Антропогенными источниками
СО являются: неполное сгорание всех видов топлива, крекинг углеводородов и
т. д. Оксид углерода (2) обладает невысокой реакционной способностью.
Опасен СО тем, что он активно (активнее кислорода в 210 раз) связывается с
центральным атомом гемоглобина – Fe, лишая активности часть гемоглобина.
Тяжелое отравление оксидом углерода (2) может привести к летальному исходу.
Оксид углерода (4) – СО2 – ответственен вместе с парами воды за тепловой
режим Земли. Колоссальные количества топлива, прежде всего нефти и угля,
которые сжигаются в настоящее время в мире, привели к существенному
повышению содержания СО2 в атмосфере. Дальнейшее сжигание топлива теми
же темпами приведет к повышению средней температуры поверхности Земли
на 3°С, что вызовет повышение уровня океана на 4÷5 м и затопление огромных
территорий.
Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических
осадков, рН которых меньше, чем 5,6. В реальной дождевой капле содержится
целый набор кислот, которые по их содержанию можно расположить в ряд:
Н2SO4 > H2SO3 > HNO3 > HNO2 > HCOOH > H2C2O4 > CH3COOH.
Серная кислота, содержание которой в дождевой капле выше остальных
кислот, образуется над океаном, в фоновой атмосфере, по трем механизмам:
− окисление сернистой кислоты пероксидом водорода;
− образование серной кислоты в газовой фазе;
− образование серной кислоты в растворе, но с участием радикала –
ОН.
Над промышленными районами серная кислота образуется по двум
механизмам:
− каталитическому;
− радикально-каталитическому.
2. ХИМИЯ ВОДЫ
Вода частично диссоциирует на ионы водорода и гидроксида (Кд = 2⋅10-16).
Вода – амфотерное соединение, т. е. может быть как кислотой:
N2H4 + H2O ⇔ N2H5+ + OH-,
так и основанием:
Н2O + HCl ⇔ H3O+ + Cl-.
Вода может быть как окислителем:
2Н2О + Са = Са(ОН)2 + Н2,
так и восстановителем:
2Н2О + 2F2 = 4HF + O2.
Вода является всеобщим, универсальным растворителем. Хорошо в воде
растворяются многие полярные соединения и соединения, образующие с водой
водородные связи (SO2, NH3, C2H5OH и др.). Растворы подчиняются законам
Рауля и Вант-Гоффа, которые отражают коллигативные свойства растворов, т. е.
зависящие не только от концентрации раствора, но и от количества частиц в
нём.
3. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
Благодаря свойству воды растворять соприкасающиеся с ней вещества,
природные воды всегда содержат самые разнообразные примеси.
Ионы кальция и магния вызывают жесткость воды, которая выражается в
ммоль/л или моль/м3. Жесткость воды, вызванная присутствием ионов обоих
металлов, называется общей жесткостью:
Жобщ = ([Ca2+] + [Mg2+]).
Моль/м3 соответствует концентрации эквивалентов иона Са  1 Са  ,
2+
2
равному 20,04 г/м и ионов Мg
3
 1 Mg 2+  ,


2


равному 12,15 г/м .
3
Отсюда:
20,04 г/м3 = 20,04 мг/дм3 = 1 ммоль/дм3,
12,15 г/м3 = 12,15 мг/дм3 = 1 ммоль/дм3.
Жесткость воды подразделяется на карбонатную и некарбонатную.
Карбонатная жесткость обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния.
Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием солей сильных кислот –
сульфатов и хлоридов кальция и магния. Жесткость воды устраняется
физическими и химическими методами.
4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ЕЕ ОЧИСТКА
Очень важно понятие «метаморфизация химического состава природных
вод», под которым понимается взаимодействие природной воды с веществом
окружающей среды. В последние годы получило развитие учение о техногенной
метаморфизации воды в связи с интенсивной деятельностью человека.
В настоящее время в воде присутствуют практически все элементы
таблицы Д.И. Менделеева. Загрязнители природных вод подразделяются на
органические и неорганические.
В питьевой воде контролируются лишь некоторые органические
загрязнители. Прежде всего, определяют суммарное содержание органических
веществ, о котором судят по величине БПК – биологической потребности в
кислороде. БПК – это количество растворенного в воде кислорода,
необходимого для разложения всех биоразложимых органических веществ в
воде. БПК указывает на перегруженность воды органическими
загрязнителями.
В результате техногенной деятельности человека природные воды
загрязнены многими металлами, в том числе тяжелыми (М > 50 г/моль).
Токсичность вещества, прежде всего, зависит от его химического
состояния. Например, наиболее опасны пары ртути, а не металлическая ртуть.
Самыми опасными соединениями являются органические соединения ртути –
ион метилртути (СН 3 Нg)+ и диметилртуть (СН3)2Нg. Очень важно также то, что
в природных условиях любое вещество может вступать в реакции, которые
могут превратить его из относительно безвредного в смертельно опасное.
Например, сравнительно безвредная металлическая ртуть, попадая в водные
источники, может превратиться в СН 3 Нg + и (СН 3 ) 2 Нg, особенно при условии,
что в данный водоем сбрасывают сточные воды.
Вода, использованная на производственные или бытовые нужды и
получившая загрязнение, называется сточной и подлежит очистке.
Методы очистки зависят от вида загрязнения воды. Для очистки вод от
ионов металлов (Сr2+, Cu2+, Sn2+, Hg2+ и т. д.) используют электрохимические
методы – восстановление их до металлов на катоде с высокоразвитой
поверхностью, например:
−
Cu2+ + 2 е ⇒ Cu.
Очистка сточных вод от органических примесей производится
термоокислением и электроокислением. Термоокисление заключается либо в
сжигании сточных вод совместно с топливом, либо в окислении примесей
кислородом воздуха, озоном, хлором и другими окислителями.
При электроокислении сточные воды пропускают через электролизёр, в
котором происходит электрохимическое окисление органических примесей на
инертном аноде. Например:
−
С6Н5ОН + 7Н2О - 16 е = 2СО2 + (СНСООН)2 + 16Н+
фенол
малеиновая
кислота
Для очистки сточных вод широко используются методы экстракции,
перегонки, адсорбции, осаждения, ионного обмена. Все более широкое
применение находит биологический метод, заключающийся в удалении
органических примесей с помощью микроорганизмов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 2000.
2. Браун Т., Лемей Л. Химия в центре наук. Ч.I, II; М.: Мир, 1983.
3. Самарина В.С., Гаев А.Я., Нестеренко Ю.М. Техногенная
метаморфизация природных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1993.
4. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Кислотно-осадительные равновесия и
окислительно-восстановительные процессы в природных водоёмах. М.: МХТИ,
1989.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1
Какую массу гидрокарбоната кальция можно добавить к 5 литрам воды,
содержащей 182,25 мг Mg2+, чтобы жесткость воды не превышала допустимой
величины?
Решение
Допустимая по ГОСТу величина общей жесткости воды – 7. Жесткость по
магнию составляет:
182 , 25 мг ( Mg
)
= 3 мг / дм .
5 л ⋅ 12 ,15 мг ⋅ дм
2+
3
3
Следовательно, жесткость по кальцию не должна превышать 4. Единица
жесткости по кальцию составляет 20,04 мг/дм3. Отсюда, можно добавить к
данному объему воды:
20,04 мг ⋅ дм3 ⋅ 4,5 дм3 = 400,8 мг ионов Са.
Са2+
– Са(НСО3)2
40,08 г/моль – 162,08 г/моль
400,8 мг –
m мг
m( CaHCO3 ) =
400,8 мг ⋅ 162,08 г / моль 0,4 г ⋅ 162 г / моль
≈
= 1,62 г
40,08 г / моль
40 г / моль
Задача № 2
Рассчитайте уменьшение концентрации ионов свинца в сточных водах
после Na-катионирования, если концентрация ионов натрия возросла на 69
мг/дм3.
Решение
Для удаления ионов Рb2+ из сточной воды последнюю подвергают Na –
катионированию:
2nNan+ R n − + nPb2+ → Pb2n+ R n2 − + 2nNa+
ν( Na + ) =
69 мг
0,069 г
=
= 0,003 моль .
23 г / моль 23 г / моль
Из уравнения реакции следует: n моль Рb2+ – 2n моль Na+
n моль – 0,003 моль
0
,
003
моль
ν( Pb2 + ) =
= 0,0015моль ;
2
m( Pb
2+
) = Mг / моль ⋅ νмоль = 207,2 г / моль ⋅ 0,0015моль = 0,31г .
Следовательно, уменьшение концентрации ионов свинца составляет 0,31
г/дм .
Задача №3
Какая масса гидроксида алюминия содержится в 2 дм3 насыщенного
раствора, если ПРAl(OH) = 3,2 ⋅ 10-34?
Решение
В насыщенном растворе соблюдается равенство: ПРAl(OH) = [Al3+] ⋅ [OH-]3,
где [Al3+] и [OH-] обозначают молярные концентрации ионов Al3+ ⋅ OH-.
Обозначим растворимость Al(OH)3 через х моль3 . Cледовательно,
3
3
3
дм
[Al3+] = x моль3 , a [OH-] = 3x моль3 .
дм
дм
Отсюда: ПРAl(OH) = х ⋅ (3х) = 27х4.
3
3
3,2 ⋅ 10-34 = 27х4; х =
4
3,2 ⋅10−34
320 ⋅ 10−34
=
= 1,8 ⋅ 10−9 моль / дм3 .
27
27
В 2 дм3 содержится 3,6⋅10-9 моль. Остается перевести количество вещества
в массу:
1 моль Al(OH)3 – 78 г
3,6 ⋅ 10-9 моль – х г,
х = 2,8 ⋅ 10-7 г
Задача №4
Энергия диссоциации связи углерод – бром составляет 210 кДж/моль.
Какова длина волны фотона, способного вызвать диссоциацию связи углерод –
бром?
Решение
Рассчитаем энергию одной молекулы:
Е=
210 ⋅ 103 Дж
6,02 ⋅ 10
23
= 35 ⋅ 10 − 20 Дж / молекулы.
Рассчитаем длину волны фотона:
λ=
h ⋅ c 6,63 ⋅ 10 −34 ⋅ 3 ⋅ 10 8
=
= 6,59 ⋅ 10 − 7 = 659 нм .
− 20
E
35 ⋅ 10
Задача №5
В колбе, объемом 2,6 см3, находится газообразный кислород при давлении
2,3 атм и температуре 26ºС. Сколько молей О2 содержится в колбе?
Решение
Р = 2,3 атм ⋅ 101 ,3 кПа = 232 ,99 кПа ,
Т = 273 + 26 = 299К .
Уравнение PV = ν RT преобразуем:
ν=
РV
RT .
Отсюда находим:
ν=
232,99кПа ⋅ 2,6 ⋅103
= 2,4моль / О 2
Дж
8,31
⋅ 299К
моль ⋅ К
.
ЗАДАЧИ
1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
1. Почему в самолётах категорически запрещено провозить ртуть и
предметы с ртутью?
2. На рис. 1 показано изменение рН атмосферных осадков в одном из
районов Европейской части России. Какова тенденция изменения рН во
времени? Каким приемом эта тенденция описывается количественно? Каковы
причины изменения рН? Предскажите значения рН через 5 – 10 лет, если ход
изменения рН сохранится. К каким последствиям это может привести?
Рис. 1.
3. У мрамора нет страшнее врага, чем промышленные дымы и кислотные
дожди. Какие меры следует принять для сохранения архитектурных и
скульптурных памятников, изготовленных из мрамора?
4. Как Вы считаете, листву с городских газонов нужно вывозить или
оставлять? Обоснуйте свой ответ.
5. ПДК (предельно допустимая концентрация) озона в воздухе
производственных помещений равна 0,01 мг/м3. В присутствии оксидов азота
токсичность озона увеличивается в 20 раз. В чём причина этого явления?
6. Приведите источники и механизм появления серной кислоты в
атмосфере.
7. Рассчитайте годовую потребность в Са(ОН)2 для нейтрализации SO2 на
ТЭС мощностью 1000 МВт, работающей на мазуте. Выброс SО2 составляет
52,66 тонн/год.
8. В газовых выбросах обнаружены диоксид серы, углеводороды, фенол
и пары ртути. Предложите методы очистки газа от этих вредных компонентов.
9. Рассмотрите методы обеззараживания газовых выбросов тепловых
электростанций. Напишите уравнения протекающих при этом реакций.
10. Каков объем образовавшегося СО2 при сжигании 1 м3 природного газа,
имеющего состав: 95% СН4; 3% С2Н6; 1% С3Н8; 1% N2 (приведены объемные
проценты).
11. Пользуясь данными табл. 1, вычислите парциальное давление (в мм рт.
ст.) гелия и метана в атмосфере при полном давлении 1,00 атм.
Таблица 1
Компонента
Содержание,
Молекулярная
мол. доли
масса
Азот N2
0,78084
28,013
Кислород O2
0,209948
31,998
Аргон Ar
0,00934
29,948
Диоксид углерода CO2
0,000330
44,0099
Неон Ne
0,00001818
20,183
Гелий He
0,00000524
4,003
Метан CH4
0,00002
16,043
Криптон Kr
0,00000114
83,80
Водород H2
0,0000005
2,0159
Субоксид азота N2O
0,0000005
44,0128
Ксенон Xe
0,000000087
131,30
а
Озон О3, диоксид серы SO2, диоксид азота NO2, аммиак NH3
и моноксид углерода СО присутствуют в виде примесей; содержание их может
колебаться.
12. Энергия диссоциации молекулы N2 равна 941 кДж/моль. Вычислите
длину волны фотона с наименьшей энергией, способного вызывать
фотодиссоциацию этой молекулы.
13. Запишите для каждой из названных ниже частиц реакцию, которая
является наиболее важным источником этих частиц в верхних слоях атмосферы:
а) О, б) N, в) NO+.
14. Вычислите полную тепловую энергию, поглощаемую или выделяемую в
каждом из следующих превращений (энергия диссоциации молекулы NO равна
682 кДж/моль):
а) NO+(Г) + О2(Г) ⇒ О+2(Г) + NO(Г);
б) N2(Г) + О+(Г) ⇒ N(Г) + NO+(Г);
в) O+2(Г) + е ⇒ О(Г) + О(Г);
г) O2(Г) + N(Г) ⇒ NO(Г) + О(Г).
15. Опишите возможные пути образования озона O3 в стратосфере. Какое
значение для биологических процессов, протекающих на поверхности Земли,
имеет существование озонового слоя в стратосфере?
16. Каков смысл верхнего индекса «звездочки» в уравнении реакции О∗3 +
М ⇒ О3 + М∗? Какую функцию выполняет в этой реакции частица М? Какие
химические частицы могут образовываться символом М в этой реакции?
17. Вычислите полное изменение энтальпии на каждой стадии следующего
каталитического цикла, приводящего к превращению О3 в О2 по уравнениям
NO(Г) + О3(Г) ⇒ NO2(Г) + О2(Г);
NO2(Г) + О(Г) ⇒ О2(Г) + NO(Г).
О3(Г) + О(Г) = 2О2(Г)
18. Вычислите полное изменение энтальпии на каждой стадии следующего
каталитического цикла:
SO2(Г) + О3 ⇒ SO3(Г) + О2(Г);
SO3(Г) + О(Г) ⇒ SO2(Г) +О2(Г).
19. Запишите уравнения, описывающие каталитический процесс
разложения озона в стратосфере при наличии в ней СF2Cl2.
20. Недавно выяснилось, что массовое использование азотосодержащих
соединений в составе минеральных удобрений могло привести
к повышению содержания NO в тропосфере. Исходя из того, что NO
способен в конечном счете диффундировать в стратосферу, укажите, как это
могло бы повлиять на изменение условий жизни на Земле. Ответ обоснуйте.
21. Установлено, что в атмосфере какого-либо большого города содержание
озона составляет 0,26%. Каким должно быть парциальное давление озона и
сколько молекул О3 приходится на кубический метр такой атмосферы при н. у.?
22. Установлено, что в атмосфере какого-либо большого города
концентрация NO 0,92 млн. д.(0,92 молекулы на 106 молекул воздуха). Каким
должно быть парциальное давление NO и сколько молекул NO содержится в
кубическом метре такой атмосферы при температуре 30оС и давлении 710 мм
рт. ст.?
23. Сравните типичные концентрации СО, SO2 и NO в незагрязнённом
воздухе (см. табл. 2) и в воздухе большого города (см. табл. 3) и укажите по
крайней мере по одному источнику загрязнения атмосферы каждым из
перечисленных соединений.
Таблица 2
Примесь
Диоксид углерода
СО2
Моноксид углерода
СО
Метан СН4
Моноскид азота NO
Озон O3
Диоксид серы SO2
Типичная концентрация
320 млн. д. во всей тропосфере
0,05 млн. д. в незагрязненном
воздухе;
1 – 50 млн. д. на городских
магистралях
1 – 2 млн. д. во всей тропосфере
0,01 млн. д. в незагрязненном
воздухе;
0,2 млн. д. в фотохимическом смоге
0 – 0,01 млн. д. в незагрязненном
воздухе;
0,5 млн. д. в фотохимическом смоге
0 – 0,01 млн. д. в незагрязненном
воздухе;
0,1 – 2 млн. д. в загрязненной
городской
атмосфере
Таблица 3
Загрязнитель
Моноксид углерода
Углеводороды
Диоксид серы
Оксиды азота
Окислители (озон и
другие)
Концентрация,
млн. д.
10
3
0,08
0,05
0,02
24. Производство цинка в среднем составляет 600 000 т в год. Если
предположить, что весь этот цинк получают выплавкой из ZnS, сколько всего
SO2 (в граммах) при этом образуется?
25. В процессе выплавки меди из руды Cu2S высвобождается
газообразный SO2. Если предположить, что таким образом получают все 1,6
млн. тонн меди, производимые ежегодно, то сколько SO2 (в граммах)
выделяется при этом?
26. Опишите все способы окисления находящегося в атмосфере SO2 до
SO3. Как влияет на окружающую среду это окисление?
27. Перечислите все возможные источники, включая естественные,
появления в атмосфере следующих газов: а) СО, б) SO2, в) СН4, г) NO.
28. Из рис. 2 видно, что концентрация NO2 в атмосфере большого города
достигает максимального значения в довольно ранние часы суток, после чего
уменьшается до некоторого значения. Как объяснить эту закономерность?
Рис. 2.
29. Предположим, что в атмосфере промышленного центра площадью 580
км концентрация SO2 равна 0,087 млн. д. и что SO2 равномерно распределен в
атмосфере до высоты 1200 м. Какая суммарная масса SO2 находится в
атмосфере при атмосферном давлении 740 мм рт. ст. и температуре 24ºС.
30. Сколько карбоната кальция потребуется для удаления SO2,
образующегося при сгорании одной тонны нефти, если содержание в ней серы
составляет 1,7%. Предположим,
Предположим что эффективность этого способа удаления SO2
составляет 22%.
2
причины повышения
31. Укажите основную причину (или основные причины)
концентрации моноксида углерода
углерода.
32. Почему продолжительное пребывание в атмосфере
тмосфере даже небольшой
концентрации моноксида углерода опасно для здоровья?
33. Способность монооксида углерода связываться с гемоглобином
приблизительно в 210 раз выше, чем у О2. Допустим, что человек вдыхает
воздух, содержащий 120 млн.
млн д. СО. Исходя из того, что весь гемоглобин,
покидающий лёгкие, несет либо кислород, либо монооксид углерода,
вычислите, какая доля гемоглобина приходится на карбоксигемоглобин.
карбоксигемоглобин
34. Предположим, что все проблемы, связанные с выбросом в атмосферу
частиц пыли, диоксида углерода
углерода, решены. Тем не менее интенсивное сжигание
во всём мире запасов ископаемых топлив может привести к серьёзным
нежелательным изменениям в окружающей среде. Что это за изменения,
изменения и как
они возникают?
2. ХИМИЯ ВОДЫ
35. При охлаждении океанской воды первые кристаллы льда появляются
при –2,2°С. Вычислите концентрацию раствора NaCl, замерзающего при этой
температуре.
36. Определите, уксусная кислота – сильный или слабый электролит,
если раствор, содержащий 0,571 г кислоты в 100 г воды, замерзает при –
0,181°С.
37. Ниже приводятся данные по ионному составу некоторых природных
вод (мг/дм3):
1. Океан
2. Волга
3. Байкал
Са2+
418
48,9
15,2
Mg2+
1329
10,1
4,2
(Na+ + K+)
11428
11,9
6,1
HCO3146
63,7
59,2
SO2- 3
2768
61,9
4,9
Cl19833
14,9
1,8
Приведите самые общие соображения о причинах столь сильного различия
в ионном составе природных вод. Сравните ионные силы океанической,
байкальской и волжской воды. Рассчитайте активности ионов в этих природных
водах. Данные оформите в виде таблицы.
38. Один из методов определения рН раствора состоит в последовательном
испытании различными индикаторами нескольких проб изучаемого раствора. В
табл. 4 показана окраска растворов некоторых индикаторов в кислотной среде, в
области перехода и в щелочной среде. Испытание раствора удобнее начинать с
фенолфталеина, чтобы определить, какими индикаторами следует пользоваться
в последующих опытах.
Таблица 4
Индикатор
метиловый
фиолетовый
метиловый
оранжевый
n-нитрофенол
Область
Окраска индикатора при pH
перехо- -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
да pH │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│
1–3
жел- зеле- ситая ная няя
3 – 4,4
розовая
5–7
фенолфталеин 8 – 10
ализариновый
10 – 12
желтый
индигокармин 12 – 14
фиолетовая
оранжевая
желтая
светложелтая
бесцветная
бесцветная
желтая
голубая
желтая
розовая
красно-малиновая
темножелтая
оранжевая
зеленая желтая
Предположим, что 2 – 3 капли раствора фенолфталеина, добавленные к 3 –
4 мл исследуемого раствора, вызывают красно-малиновую окраску,
следовательно рН > 10. Затем на другую пробу раствора необходимо
подействовать индикатором ализариновым желтым, получается – темно-желтая
окраска. Значит рН ≈ 11.
Оцените рН растворов по окраске индикаторов:
1) фенолфталеин – бесцветная,
n – нитрофенол – бесцветная,
метиловый оранжевый – розовая,
метиловый фиолетовый – голубая;
2) фенолфталеин – бесцветная,
n – нитрофенол – бесцветная,
метиловый оранжевый – желтая;
3) фенолфталеин – розовая,
ализариновый желтый – темно-желтая;
4) ализариновый желтый – оранжевая,
индигокармин – голубая.
39. По отношению к воде многие вещества могут вести себя как
окислители и как восстановители. Какими факторами определяется то или иное
поведение веществ?
40. Укажите возможные продукты взаимодействия с водой сильных
восстановителей и сильных окислителей.
41. Сильные восстановители способны выделять водород из водных
растворов, а сильные окислители – кислород. Напишите примеры уравнений
реакций.
42. Железная полоса длиной в несколько десятков метров опущена
вертикально в морскую воду так, что один её конец находится у самой
поверхности воды. Другие такие же полосы опущены в морскую воду
горизонтально на различную глубину, вплоть до нижнего конца вертикальной
полосы. Все образцы друг с другом не соприкасаются. Опишите процесс
коррозии железа. Какая из полос быстрее разрушится?
43. Карбонатную жесткость воды можно устранить добавлением гашёной
извести:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O.
Запишите уравнения реакций сокращённым молекулярно-ионным
способом. Объясните, почему образуется гидроксид магния, а не карбонат
магния. Какие справочные данные нужны для ответа на этот вопрос?
44. В питьевой воде обычно содержание ионов F- составляет 0,7 мг/дм3.
Сколько NaF следует добавить в не содержащую фтор воду, чтобы его
содержание отвечало норме? Достигается ли требуемое содержание фтора в
питьевой воде при её пропускании над кристаллами фторида кальция (ПРCaF2 =
4,0 ⋅ 10-11)?
45. В каком объеме воды содержится 1 мг HgS, если ПР НgS = 10-52?
46. Нижний предел бактерицидного действия серебра оценивается
концентрацией его в растворе около 10-6 мг/дм3. Достаточно ли серебра в
насыщенном растворе AgCl для его бактерицидного действия? ПРAgCl = 1,8 ⋅ 1010
?
47. ПДК (предельно
предельно допустимая концентрация) алюминия в питьевой воде
определена ГОСТом в 0,5 мг/дм3. В обычных условиях городская
водопроводная вода содержит 0,02 – 0,2 мг/л алюминия. В какой форме
алюминий содержится в воде?
воде Можно ли приливанием в воду раствора щелочи
–34
обнаружить алюминий по образованию осадка Аl(OH)3? ПРAl(OH
?
OH)3 = 3,2 ⋅ 10
48. ПДК хлорид-ионов
ионов в питьевой воде по ГОСТу составляет 350 мг/дм3.
Удастся ли добавлением раствора нитрата серебра обнаружить хлорид-ионы в
питьевой воде? ПРAgCl = 1,8 ⋅ 1010.
49. Какова молярная концентрация иона Na+ в растворе NaCl с солёностью
5, если этот раствор имеет плотность 1,0 г/см3 ?
50. Содержание фосфора в морской воде достигает 0,07 млн.
млн д. по весу (т.
6
е. 0,07 г Р на 10 г Н2О).
). Если этот фосфор находится в виде фосфат-иона
фосфат
РО 3 -4,
вычислите соответствующую молярную концентрацию фосфат-иона.
фосфат
51. Морская вода обладает небольшой основностью (рН
рН = 8).
А. Предполагая, что межионными притяжениями в морской воде можно
пренебречь, и пользуясь значением ПРFe(OH)3 = 4 ⋅ 10-38, вычислите молярную
растворимость Fе(ОН)3 в морской воде.
Б. Среднее содержание иона Fе3+ в речной воде приблизительно равно 1
млн. д. (т. е. 1 г Fе3+ на 106 г воды). Если снова пренебречь межионными
взаимодействиями в морской воде, то можно ли утверждать, что,
что когда речная
вода достигнет моря, начнётся осаждение Fе(ОН)3?
52. Объясните следующие наблюдения:
а) морская вода имеет более низкое давление паров по сравнению с
пресной;
б) содержание иона НСО-3 в речной воде выше, чем в морской;
морской
в) концентрация нитрат
нитрат-иона в открытом море зависит от глубины, как это
показано на рис 3.
Рис. 3.
53. Напишите полные уравнения химических реакций для каждого из
следующих процессов:
а) окисление Вr – при помощи Cl2;
б) разложение СаСО3 с образованием негашеной извести;
в) растворение Mg(OH)2 в кислом растворе.
54. Сколько граммов СаСО3 необходимо для осаждения 5,0 ⋅ 106 г
Mg(OH)2 в реакции, описываемой уравнением:
Мg2+ (водн) + СаСО(тв) + Н2О(ж) ⇒ Mg (OH)2(тв) + Са2+(водн).
55. Какие естественные примеси обычно содержатся в пресной
незагрязнённой воде?
56. Каково осмотическое давление 0,100 М раствора NaCl при
температуре 37 ˚ С? Какое давление следует оказывать на такой раствор для его
опреснения по методу обратного осмоса?
57. Какова концентрация каждого из металлов: Zn, Cd, Mn, которые
могут ежедневно проходить через городскую систему водоподготовки
мощностью 107 дм3 в день, чтобы не превысить при этом допустимые нормы.
58. В какой роли (окислителя, восстановителя, кислоты или лиганда)
выступает вода при взаимодействии со следующими веществами и ионами: НВr,
NH3, Mg2+, Mg, Cl2, Cl-?
59. Мочевина является удобрением. Рассчитайте БПК воды в водоеме
объемом 1000 м3 при попадании в него 0,1 кг мочевины, принимая, что её
разложение бактериями происходит по реакции:
СН4N2O + 1,5O2 ⇒ N2 + CO2 + 2H2O.
3. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
60. Карбонатную жесткость воды можно устранить добавлением гашёной
извести:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O.
Запишите уравнения реакций сокращённым молекулярно-ионным
способом. Объясните, почему образуется гидроксид магния, а не карбонат
магния. Какие справочные данные нужны для ответа на этот вопрос?
61. А. Какие ионы чаще всего создают жесткость воды?
Б. Почему нежелательно наличие этих ионов в воде?
62. Чему равна жесткость воды, в 1000 дм3 которой содержится 36,58 г
гидрокарбоната магния?
63. Чему равна жесткость воды, в 20 литрах которой содержится 4,86 г
гидрокарбоната кальция?
64. В 1 дм3 воды содержится 36,45 мг Mg2+ и 50,1 мг Са2+. Чему равна
общая жесткость воды?
65. В 10 дм3 содержится 0,243 г Mg2+ и 0,8016 г Са2+. Чему равна общая
жесткость воды?
66. Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды,
содержащую (мг/дм3) Са2+ – 80, Mg2+ – 48, НСО3- – 122, Cl- – 71.
67. Рассчитайте изменение жесткости воды в результате Na –
катионирования, если концентрация ионов Na+ в воде увеличилась на 46 мг/дм3.
4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ЕЁ ОЧИСТКА
68. В одном из европейских озер была запрещена ловля рыбы из-за того,
что в 1 кг мякоти рыбы содержание ртути составляло 10 мг. Озеро стали
обрабатывать небольшими количествами также очень вредного селенида натрия.
В результате через несколько лет содержание ртути в рыбе уменьшилось почти в
2 раза без заражения рыбы селеном.
Объясните, почему был выбран такой способ обеззараживания озера.
Какие следовало соблюдать предосторожности, чтобы не загрязнить озеро
селеном? Предложите другие способы отчистки природных вод от ртути.
Необходимые для доказательства данные найдите в справочной литературе
(ПРHgSe = 1 ⋅ 10-59).
69. Сколько молей Са(ОН)2 и Na2CO3 следует добавить для умягчения 1
м
воды,
в
которой
концентрация
ионов
кальция
составляет
-4
3
-4
3
5,0 ⋅ 10 моль/дм , а ионов магния – 7,0 ⋅ 10 моль/дм ?
3
70. Опишите факторы, влияющие на разложение промышленных отходов в
воде. Предложите программу работы по изучению поведения промышленных
отходов и способы защиты природных вод (при ответе следует использовать
представления о строении вещества, химической термодинамики и кинетики).
71. Укажите
лимитирующую
стадию
окислительного
процесса
самоочищения природных вод от органических загрязнений
72. При хлорировании воды, загрязненной некоторыми органическими
веществами, например, фенолом и его производными, вода становится в
несколько раз токсичнее. Почему? Как очищать такую воду?
73. После озонирования воды, загрязненной органическими веществами,
активность бактерий и их размножение в воде резко возрастают. Объясните,
почему?
74. Один человек при посещении плавательного бассейна «вносит» туда
около 3 г органических веществ. Какой способ очистки воды Вы предложите?
Сколько требуется окислителя (какого?) на одного посетителя бассейна?
75. В питьевой (газированной
газированной) воде допустимо содержание (мг/дм3) не
более: свинца – 0,3, кадмия – 0,03, меди – 10,0. В каком виде эти вещества
находятся в воде? Можно ли обнаружить эти вещества в воде приливанием к ней
раствора Na2CO3 (0,1 M)?
)? Произведения растворимости карбонатов равны:
-14
PbCO3 – 7,5 ⋅ 10 ; CdCO3 – 1⋅10-12; CuCO3 – 2⋅10-10; MgCO3 – 2,1⋅10
2,1 -5.
76. В питьевой (газированной
газированной) воде допустимо содержание (мг/ дм3) не
более: свинца – 0,3, кадмия – 0,03, меди – 10,0. В каком виде эти вещества
находятся в воде? Можно ли обнаружить эти вещества в воде приливанием к ней
растворов сульфида натрия (0,1 М)? Произведения растворимости карбонатов
равны: PbS – 2,5 ⋅ 10-27; CdS – 1,6⋅10-28; CuS – 6,3⋅10-36.
газированной) воде допустимо содержание (мг/ дм3) не
77. В питьевой (газированной
более: свинца – 0,3, кадмия – 0,03, меди – 10,0. В каком виде эти вещества
находятся в воде. Можно ли обнаружить эти вещества в воде, действием раствора
гидроксида натрия (0,1 М)? произведения растворимости гидроксидов
гидроксидов: Pb(OН)2 –
-16
-15
-20
-10
7 ⋅ 10 ; Cd(OН)2 – 8⋅10 ; Cu(OН)
Cu
2 – 8⋅10 ; Mg(OН)2 – 6⋅10 .
78. Согласно имеющимся оценкам, все реки мира ежегодно приносят в
океаны 4 ⋅ 1015 г растворённых солей. Какую долю полного количества солей,
растворённых в океанах, составляет это ежегодное поступление?
79. Объясните, какой смысл вкладывается в следующие термины и
сокращения:
а) биоразложение,
б) аэробное разложение,
разложение
в) анаэробное разложение,
разложение
г) БПК,
д) БПК5.
80. Наиболее распространенными элементами органических соединений
являются С, Н, О, N, S и Р.
А. Какие продукты получаются из этих элементов в результате аэробного
разложения органических веществ
веществ?
Б. Какие продукты получаются в результате анаэробного разложения
органических веществ?
81. В состав большинства
органический анион:
моющих
средств
входит
Допустим, что этот анион подвергается аэробному разложению:
разложению
следующий
2С18Н29О3S-(водн) + 51О2(водн) ⇒ 36СО2(водн) + 28Н2О(ж) + 2Н+(водн) + 2SО2-4(водн)
Определите полное БПК образца воды, в 100 дм3 которого содержится 1,0 г
этого вещества.
82. Допустим, что в пресной воде, предназначенной для водоснабжения,
концентрация Са2+ составляет 2,2 ⋅ 10-3 М, а концентрация гидрокарбонат-иона
НСО-3 1,3 ⋅ 10-3 М. Какие количества Са(ОН)2 и Na2СО3 необходимы для того,
чтобы снизить уровень содержания Са2+ в четыре раза, если требуется
подготовить 1,0 ⋅ 107 дм3 воды?
83. Для выработки 1 дм3 бензина расходуется приблизительно 25 дм3 воды.
Сколько воды надо израсходовать для получения бензина, необходимого, чтобы
проехать 3000 км, если ваш автомобиль потребляет 3,8 дм3 бензина на 22 км
пробега?
84. Что означает
«миллионные доли»?
при
обсуждении
качества
воды
выражение
85. Если в воде содержатся ионы Hg2+, то какие химические продукты
могут в ней образовываться? Какие из них представляют потенциальную
опасность для здоровья человека?
86. Поясните, как происходит накопление какого-либо вещества при его
продвижении вдоль цепи питания (например, при переходе из воды в растения,
низшие организмы, и, наконец, в организм человека).
87. Сточные воды в среднем ежедневно поглощают 59 г кислорода
в расчёте на одного человека. Сколько дм3 воды, содержащей 9 млн. д.
кислорода, полностью обескислороживается за один день в городе с населением
в 50 000 человек?
88. Составьте полные химические уравнения, описывающие следующие
реакции:
а) образование хлорноватистой кислоты при добавлении хлора к воде,
б) реакция хлорноватистой кислоты с растворённым в воде аммиаком с
образованием хлорамина NH2Cl,
в) образование желатинообразного осадка при добавлении Al2(SO4)3 к
слегка основной воде,
г) повышение основности воды при добавлении в неё негашеной извести
СаО,
д) реакция металлической ртути в воде с ионами ртути (2),
е) выпадение осадка из воды, содержащей Са2+ и гидрокарбонат-ион
(НСО-3).
89. Общий элементарный состав фитопланктона может быть приближено
описан формулой С108Н266N16O109P. Допустим, что в определённой акватории
концентрация азота в воде ограничивает рост фитопланктона и что его
концентрация в слое воды глубиной 100 м в среднем равна 1,0 ⋅ 10-6 моля атомов
азота на дм3. Если половина этого количества азота превращается в
фитопланктон, то какова полная масса растительного вещества
в поверхностном слое океана толщиной 100 м и площадью один квадратный
километр?
90. При какой концентрации Hg2+ (в млн. д.) начнёт выпадать осадок HgО ⋅
Н2О в водоеме, в котором рН воды равен 7,8?
ж)
Реакция HgО ⋅ Н2О(ТВ) ⇔ Hg2+(ВОДН) + 2ОН-(ВОДН) ПР НgO ⋅ H2O
= 1,6 ⋅ 10 -23
91. Если концентрация растворённого соединения кадмия (ПДК кадмия
составляет 10-2 мг/л) в сточной воде составляет 10 ммоль/ дм3, то во сколько раз
необходимо разбавить воду, чтобы можно было сливать её в канализацию?
92. Рассчитайте уменьшение концентрации цианид-ионов в сточных водах
после ОН-анионирования, если концентрация ионов ОН возросла на 34 мг/
дм3.
93. Рассчитайте уменьшение концентрации ионов кадмия в сточных водах
после Na-катионирования, если концентрация ионов натрия возросла на 46 мг/
дм3.
94. Рассчитайте уменьшение концентрации ионов ртути в сточных водах
после Na-катионирования, если концентрация ионов натрия возросла на 69 мг/
дм3.
95. Рассчитайте теоретический часовой расход гипохлорита натрия на
окисление цианид-иона в сточных водах, содержащих 26 мг/ дм3 СN-, если в
сутки сбрасывается сточная вода массой 1000 т (пл. 1,02 г/см3).
96. Сточная вода содержит коллоидные частицы, оксиды хрома, ионы Сd2+
и Рb2+, CN- и фенол. Предложите методы очистки сточной воды.