Окислительно-восстановительные условия

И миграция элементов

Некоторые рудные месторождения, особенно инфильтрационные месторождения урана с перемещающимся фронтом, являются след­ствием редокс-реакций в подземных водах. Интенсивность мигра­ции элементов принято характеризовать коэффициентом водной миграции К_х,равным частному от деления количества элемента х в минеральном остатке природной воды на его содержание в горных породах, дренируемых этой водой:

К_х = т_х ,(100)

где m_х – содержание элемента х в воде, мг/л;

n_х – содержание эле­мента х в породах, %;

а – минерализация воды, мг/л.

Чем больше величина К_х, тем больше миграционная способ­ность данных элементов.

Очень подвижные активные мигранты имеют значение К_х свы­ше 20, подвижные – от 20 до 1. Коэффициент водной миграции та­ких слабоподвижных мигрантов, как железо, титан и алюминий, не превышает 0,1. Изменение интенсивности миграции в одних и тех же условиях среды в зависимости от формы, в которой элемент содержится в породе, характеризуется коэффициентом контрастно­сти миграции. Например, в различных обстановках миграция ионов Zn в сульфидной форме и в форме оксида имеет коэффициент кон­трастности миграции около 100.

Одними из наиболее важных характеристик, существенным образом влияющих на миграцию элементов в ландшафтах, явля­ются кислотно-основные и окислительно-восстановительные харак­теристики среды. Однако следует иметь в виду, что живые организ­мы способны в значительной степени трансформировать процессы миграции.

Геохимический барьер – это участок зоны гипергенеза, где на ко­ротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрированию химических элемен­тов.

Физико-химические барьеры возникают при резких изменениях величины рН или соотношения рН/Е_h. Например, если кислород­содержащая вода начинает двигаться по водному горизонту, в ко­тором первоначально существовали восстановительные условия, то между окислительной и восстановительной средами может образо­ваться редокс-фронт. Этот фронт будет перемещаться в направле­нии движения воды, но со значительно меньшей скоростью, чем вода. Скорость движения фронта определяется способностью во­доносного горизонта (особенно содержащегося в нем органического вещества) потреблять кислород. Если типичный водоносный гори­зонт в осадочных породах содержал 1% реакционноспособного орга­нического углерода, а подземная вода – 10 мг/л растворенного ки­слорода, то, согласно расчету, фронт должен мигрировать в 13000 раз медленнее, чем вода. Ряд элементов (особенно уран, селен, мы­шьяк, молибден) не растворимы в восстановительных условиях и растворимы в окислительных. При продвижении фронта окисления эти элементы, присутствующие в водоносном горизонте, растворя­ются. Движущиеся подземные воды переносят их через фронт в восстановительную среду, где они сразу же снова осаждаются. Та­ким образом, элемент, содержащийся во всем водоносном горизон­те до прохождения фронта или перенесенный из других областей системы подземных вод, концентрируется в непосредственной бли­зости к фронту, что создает возможность экономически выгодной его добычи.

Примеры решения задач

Пример 20. Постройте диаграмму – рН для системы Fe – О – Н₂О, принимая во внимание лишь следующие превращения: Fe₂O₃ – Fe₃O₄; Fe³⁺–Fe₂O₃; Fe³⁺– Fe²⁺; Fe₂O₃ – Fe²⁺; опиши­те области устойчивого существования соединений железа при различных значениях рН.

Решение. Все области устойчивого существования соединений же­леза в рассматриваемой системе должны находиться между границами, определяющими устойчивое состояние воды. Урав­нения, характеризующие верхнюю и нижнюю границы устой­чивости воды, были рассмотрены ранее; начнем с границы Fe₂O₃-Fe₃O₄. Уравнение, описывающее это превращение, мож­но представить в следующем виде:

3Fe₂O₃ + 2 +2Н⁺ 2Fe₃O₄ + Н₂О.

В случае, если оксиды железа (II) и железа (III)не содержат примесей, их активность может быть принята равной единице. В этом случае константа равновесия может быть выражена урав­нением:

K=1/[( )²(a_H+)²]

Прологарифмируем это уравнение и выразим значение :

lgK = 2 + 2pH;

= 1gtK – pH.

На диаграмме эта граница является прямой с тангенсом угла наклона к оси абсцисс, равным –1. Точка пересечения с осью ор­динат задается величиной константы равновесия, которую мож­но определить, предварительно рассчитав DG⁰реакции, описы­вающей данную границу:

–30,88 (кДж/моль); ДС°

Следовательно, уравнение, определяющее границу, имеетвид:

= 2,71 – рН.

Уравнение, описывающее превращение Fe³⁺ – Fе₂О₃, можнопредставить в виде:

Fe₂O₃ + 6Н⁺ 2Fe³⁺ + 3Н₂О.

Константа равновесия этого процесса имеет вид:

Логарифм константы равновесия равен:

Очевидно, что на диаграмме эта граница является прямой, параллельной оси . Однако прежде чем представить графи­чески границу между растворенной и нерастворенной формами трехвалентного железа, необходимо сделать произвольный вы­бор величины а_Fез+. Обычно для объектов окружающей среды активность растворенной формы железа оценивают значением 10^–6. Тогда для уравнения получим:

рН =

В ходе рассуждений, аналогичных проделанным ранее, легко вычислить, что lg K_равн = –2,23, откуда

рН = 1,63.

Граница между Fe³⁺ и Fe²⁺ задается уравнением

Fe³⁺ + Fe²⁺

Выражения для константы равновесия и имеют вид:

Граница является прямой, параллельной оси рН. Соотноше­ние активностей обычно в таких случаях принима­ется равным 1, но нужно иметьввиду, что выше этой границымогут наблюдаться отличные от нуля концентрации Fe²⁺, а ни­же ее – отличные от нуля концентрации Fe³⁺.

Граница Fe₂O₃ – Fe²⁺ определяется реакцией

Fe₂O₃ + 2 + 6H⁺ 2Fe²⁺ + 3Н₂О.

Выражения для константы равновесия и в этом случае имеют вид:

Вновь встает вопрос о выборе значения a_Fе2+. Если принять, что a_Fe²⁺ = a_Fe³⁺,то не нужно вычислять значение К, посколь­ку граница Fe₂O₃ – Fe³⁺ является прямой линией с тангенсом угла наклона, равным –3, проходящей через точку пересече­ния границ Fe₂O₃—Fe³⁺ и Fe³⁺—Fe²⁺. Однако при построении диаграмм рекомендуется все же вычислить K_равн и проверить, пройдет ли новая граница через точку пересечения двух дру­гих. Если три границы не встретятся в одной точке, это будет свидетельствовать об арифметической ошибке. Неточности в ве­личинах энергии Гиббса привели бы к ошибочному положению точки пересечения, но точка в любом случае должна быть одна.

Граница Fе_зО₄—Fe²⁺ описывается уравнением

Fe₃О₄ + 2 + 8Н⁺ 3Fe²⁺ + 4H₂О.

Выражения для константы равновесия и для этой реак­ции имеют вид:

Вычисление K_равн не является необходимым, поскольку из­вестен тангенс угла наклона (–4) и общая точка – пересечение границ Fe₂O₃—Fe²⁺ и Fe₃O₄—Fe²⁺.

На рисунке 12 представлены в виде соответствующих отрезков прямых границы областей существования соединений железа в рассмотренной нами системе. Анализируя полученную диаграм­му, можно сделать вывод о том, что Fe³⁺ является преобладаю­щей формой только в крайне кислых средах, таких, например, которые имеют место вдренажных водах рудников. В щелоч­ной среде железо должно быть нерастворимым при любых зна­чениях ; в нейтральной и слабокислой средах железо должно быть нерастворимым в окислительных средах и растворимым (в форме Fe²⁺) в восстановительных средах.

Ответ: см. диаграмму на рисунке 12.

Пример 21.На сколько единиц снизится редокс-уровень систе­мы, определяемый верхней границей устойчивости воды, если парциальное давление кислорода в находящемся в равновесии с водой воздухе снизится с Р = 1 атм до:

а) парциального давления, соответствующего средним зна­чениям в приземном воздухе с относительной влажностью 90%, при температуре 298 К и общем давлении, равном 1 атм?

б) в миллион раз?

Какое значение будет иметь для случаев а) и б) при рН раствора, равном 7?

Решение.Верхняя граница устойчивости воды связана с воз­можностью протекания процесса ее окисления. Окислительно-восстановительная реакция, протекающая при этом, может быть представлена уравнением (81):

Рис. 12. Диаграмма рН для системы Fe–О–H₂O при 298 К

На диаграмме (рисунок 12) пунктирной ли­нией обозначены границы, соответствующие активности ионов железа в растворе a_Fe²⁺ = а_Fе^з+ = 10^–9 моль/л. Цифры в скобках соответствуют номерам следующих химических реакций:

1) O₂ + H⁺ + = Н₂О;

2) Fe₂O₃ + 2 + 2Н⁺ = 2Fe₃O₄ + Н₂О;

3) Fe₂O₃ + 6Н⁺ = 2Fe³⁺ + 3H₂O;

4) Fe³⁺ + = Fe²⁺;

5) Fe₂O₃ + 2 + 6H⁺ = 2Fe²⁺ + 3H₂O;

6) Fe₃O₄ + 2 + 8H⁺ 3Fe²⁺ + 4H₂O;

7) H⁺ + = H₂.

Зависимость величины редокс-потенциала системы от пар­циального давления кислорода в равновесном воздухе и от рН раствора описывается уравнением (87):

= 20,8 +

При парциальном давлении кислорода, равном 1 атм, и рН 7 значение составит:

= 20,8 – 7 = 13,8.

При относительной влажности 90% и температуре 298 К пар­циальное давление кислорода в приземном воздухе можно опре­делить по уравнению:

= (Р_общ – j )С

где – парциальное давление кислорода;

Р_общ и – об­щее давление и равновесное давление паров воды при заданной температуре (таблица 2 Приложения);

j – относительная влаж­ность воздуха;

С – объемная доля кислорода в приземном слое воздуха (0,2095).

При условиях а) рассматриваемого Примера составит:

= (1 – 0,9 ^. 0,031) ^. 0,2095 = 0,20 (атм).

Значение будет равно:

= 20,8 – lg(0,20) – 7 = 13,6.

Для случая а) изменение составит:

= 13,8 – 13,6 = 0,2.

В случае б) значение будет:

= 20,8 – lg10^–6 – 7 = 12,3.

Для случая б) изменение составит:

D = 13,8 – 12,3 = 1,5.

Ответ: в случае а) редокс-уровень системы изменится на 0,2 еди­ницы и будет равен = 13,6; в случае б) D = 1,5 и = 12,3.

Пример 22. Какое парциальное давление кислорода должно со­ответствовать редокс-уровню системы, в которой протекает ана­эроб-ный процесс восстановления диоксида углерода до метана ( = –4,2), при наступлении равновесия, если рН раствора равен 7?

Решение. При установлении равновесия в системе редокс-потенциалы всех окислительно-восстановительных реакций должны быть равны друг другу. Поэтому окислительно-восстановительный потенциал реакции, определяющей верхнюю границу устойчивости воды (уравнение 87), будет равен окислительно-восстановительному потенциалу реакции восстановления диоксида углерода:

= 20,8 + lg – рН = –4,2.

Из этого равенства легко найти ; при рН 7 получим:

lg = –4,2 – 20,8 + рН = –4,2 – 20,8 + 7 = –18,0,

lg = –72, = 10^–72 атм.

Ответ: парциальное давление кислорода в воздухе = 10^–72 атм.

Пример 23.Какое максимальное количество мг органических веществ общей формулой {СН₂О} может быть окислено за счет растворенного кислорода (при высоких значениях ) в каждом литре природной воды, находящейся в равновесии с приземным воздухом (температура 298 К, общее давление 101,3 кПа, парциальное давление паров воды 3,1 ^. 10³Па), если контакт с воздухом был прерван и поступление дополнительного кислорода в процессе окисления отсутствовало?

Решение. Процесс окисления органического вещества общей фор­мулой {СН₂О} можно представить следующим уравнением ре­акции:

{СН₂О}+ O₂ ® СО₂ + Н₂О.

В связи с отсутствием по условию Примера, дополнительного поступления кислорода максимальное количество органическо­го вещества,которое может быть окислено в воде, будет опреде­ляться содержанием кислорода в воде, которое, в свою очередь, будет соответствовать условиям равновесия с воздухом, устана­вливающимся до начала процесса окисления. При равновесии с приземным воздухом это количество кислорода составит (уравнение 1):

Парциальное давление кислорода для условий данного Примера составит (Пример 21):

= (101,3 – 3,1) ^. 10^{3 .} 0,2095 = 20,6 ^. 10³ (Па).

Концентрация растворенного кислорода в воде составит:

= 0,00130 ^. 20,5 ^. 10³/(101,3 ^. 10³) =

= 2,63 ^. 10^–4 (моль/л),

или = 2,63 ^. 10^{–4 .} = 2,63 ^. 10^{–4 .} 32 = 8,4 ^. 10^-3 (г/л) = 8,4 (мг/л).

Количество органических соединений общей формулой {СН₂О} (молярная масса которых равна 30 г/моль) можно опре­делить по реакции окисления:

m_орг = М_орг ,

где М_орг и – молярные массы органического вещества и кислорода соответственно;

– количество кислорода в мг, со­держащееся в каждом литре воды;

m_орг = 30 ^. 8,4/32 = 7,9 (мг/л).

Ответ: в каждом литре воды может быть окислено не более 7,9 мг органических соединений общей формулой {СН₂О}.

Пример 24.Какой объем природной воды, находившейся в равновесии с атмосферным воздухом, необходимо взять, чтобы по­сле окисления 10 г сахара (среднее количество в стакане чая) содержание кислорода в этой воде составляло более 4 мг/л (ко­личество, при котором рыбы еще не погибают)? Принять, что содержание кислорода в атмосферном воздухе соответствовало средней для приземного воздуха концентрации, температура бы­ла равна 298 К, общее давление – 101,3 кПа, парциальное давле­ние паров воды – 3,1 ^. 10³Па. Сахар имеет молекулярную фор­мулу С₁₂Н₂₂O₁₁.

Решение. Поскольку в растворе после окисления сахара, по условию Примера, остается растворенный кислород, процесс окисления протекает при высоких значениях окислительно-восстановительного уровня системы и может быть представлен следующим уравнением:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ ® 12СО₂ + 11Н₂О.

Количество кислорода (г), которое в этом случае потребуется для окисления сахара, составит:

,

где 12 – количество молекул кислорода, необходимое для оки­сления одной молекулы сахара;

и – молярные массы кислорода и сахара соответственно;

m_сахара – количество сахара, вступившего в реакцию окисления;

= 12 ^. 32 ^. 10/342 = 11,23 (г) = 11,23 ^. 10³ (мг).

По условию Примера, содержание кислорода в природной во­де соответствует значениям, наблюдаемым при равновесии ме­жду водой и приземным воздухом. Эта величина составляет 8,4 мг/л.

Поскольку, по условию Примера, остаточное содержание кислорода в воде не должно быть меньше 4 мг/л, на окисление сахара из каждого литра природной воды не должно расходо­ваться больше, чем

где – количество кислорода, которое может быть израсхо­довано на окисление сахара из каждого литра природной воды;

– концентрация кислорода в воде при равновесии с призем­ным воздухом;

– минимальное содержание кислорода в воде после окисления сахара;

= 8,4 – 4 = 4,4 (мг/л).

Определим минимальный объем природной воды, кислород из которой будет расходоваться на окисление сахара:

= 11,23 ^. 10³/4,4 = 2500 (л).

Ответ:необходимо взять не менее 2500 л природной воды.

Пример 25.Какой минимальный объем природной воды необходим для растворения сероводорода, образовавшегося при оки­слении 10 г сахара в процессе сульфат-редукции, если весь выде­лившийся сероводород переходит в раствор, в котором концен­трация H₂S не превышает значений подпороговой концентрации, определяемой по запаху (ППК_орг = 0,05 мг/л)? Сахар имеет мо­лекулярную формулу C₁₂H₂₂O₁₁.

Решение.В процессе сульфат-редукции при окислении органиче­ского вещества происходит образование сероводорода по реак­ции:

2С_opг + SO + 2Н₂О ® H₂S + 2HCO

На каждые два моля углерода, связанных в органическое со­единение, образуется молекула сероводорода.

Количество молей углерода (N_C), содержащихся в m г ор­ганических соединений, имеющих молярную массу М_орг и со­держащих n атомов углерода в каждой молекуле органического соединения, можно определить по уравнению:

N_C = mn/M_орг. (V = m/M)

Для условий Примера количество молей углерода, содержа­щихся в 10 г сахара (молекулярная формула C₁₂H₂₂O₁₁), со­ставит:

N_С= 10 ^. 12/342 = 0,35 (молей).

В процессе сульфат-редукции этого количества молей угле­рода может образоваться N_H2S молей сероводорода:

N_H2S = 1/2N_C= 0,175 (молей).

Масса образующегося сероводорода составит:

m_H2S =N_H2S M_H2S

m_H2S = 0,175 ^. 34 ^. 10³ = 5950 (мг).

Объем природной воды, необходимый для растворения это­го количества сероводорода при конечной концентрации ниже ППК_орг, составит:

V = m_H2S/ППK_оpr = 5950/0,05 = 120000(л) = 120 (м³).

Ответ: необходимый минимальный объем природной воды равен 120 м³.

Контрольные вопросы

1. Какие проблемы гидросферы вы отнесли бы к глобальным? Почему?

2. С какими аномальными свойствами воды связано влияние гидро­сферы на климат?

3. Как выразить концентрацию примесей в воде в промилле?

4. Дайте характеристику гидрологического цикла на суше и в океане. Что такое «бессточные» районы?

5. В каком виде может находиться вода в гидросфере?

6. Какие способы классификации природных вод вы знаете?

7. Какие единицы используются для выражения концентрации воды при записи еесостава в виде формулы Курлова? Как можно их рассчитатьисходя из концентрации, выраженной в процентах мас­совых?

8. Какие ионы и в каком количестве следует ожидать в атмосферных осадках: а) на побережье океана; б) в аридных зонах; в) в районах интенсивнойвулканической деятельности?

9. Сформулируйте закон Дитмара. Для решения каких практических задач он используется?

10. Назовите отличительные признаки грунтовых вод, артезианских под и верховодки.

11. Какие анионы и катионы, содержащиеся в природных водах, назы­вают главными? Почему?

12. Какие природные источники поступления главных ионов в подзем­ные воды вы знаете?

13. Как и почему по данным о минерализации природных вод можно предсказать их ионный состав?

14. Почему происходит изменение химического состава воды в реках по их течению?

15. Как на основании термодинамических данных оценить растворимость минералов в воде? Какие критерии устойчивости минералов вы знаете?

16. Что такое «агрессивность» природных вод?

17. Что такое «неустойчивость» минералов?

18. Для каких целей удобно использовать понятия: а) «агрессивности» природных вод; б) «неустойчивости» минералов?

19. В чем различие понятий «произведение растворимости» и «константа равновесия процесса растворения»?

20. Какую величину — произведение растворимости или константу рав­новесия процесса растворения — можно рассчитать на основании термодинамических данных? Какие термодинамические данные не­обходимы для выполнения этого расчета?

21. Как связаны между собой значения произведения растворимости и константы равновесия процесса растворения?

22. От каких физико-химических параметров системы зависит значе­ние: а) произведения растворимости; б) константы равновесия про­цесса растворения?

23. Какие факторы, характеризующие природные системы, следует принимать во внимание при оценке константы равновесия процесса растворения?

24. Что такое жесткость воды и в каких единицах она измеряется?

25. Как классифицируют природные воды по величине жесткости? Ка­кую жесткость имеют природные воды, наиболее широко предста­вленные в вашей местности?

26. Какие компоненты входят в состав карбонатной системы природных водоемов?

27. Равновесия междукакими компонентами природных систем опре­деляются законом Генри?

28. Какие параметры природных систем определяют величину констан­ты Генри?

29. Какое значение рН должны иметь атмосферные осадки, если «ак­тивные» примеси в атмосферном воздухе представлены только ди­оксидом углерода?

30. Как может измениться рН атмосферных осадков, если в атмосфер­ном воздухе помимо диоксида углерода появится: а) аммиак; б) ди­оксид серы?

31. Что такое кислотные дожди? С присутствием каких соединений в атмосферном воздухе связано их образование?

32. В чем особенность описания карбонатных равновесий для морской воды?

33. Что такое смешанные константы диссоциации угольной кислоты?

34. Какие зоны, связанные со степенью насыщения воды карбонатом кальция, выделяют в океане?

35. С чем связана особенность растворения карбонатных пород в при­родных водах?

36. Какие уравнения используются для описания карбонатной систе­мы при равновесии с карбонатом кальция и воздухом, содержащим диоксид углерода?

37. Как связано содержание ионов водорода в природных водах, находящихся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом угле­рода, с парциальным давлением СО₂ в воздухе?

38. Как связано содержание ионов кальция в природных водах, нахо­дящихся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом угле­рода, с парциальным давлением СО₂ в воздухе?

39. Какое значение рН будут иметь поверхностные воды, находящие­ся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом углерода, содержащимся вприземном слое воздуха?

40. Какую минимальную жесткость будут иметь поверхностные воды, находящиеся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом углерода, содержащимся в приземном слое воздуха?

41. Что такое щелочность природных вод?

42. Как экспериментально определяют щелочность природных вод?

43. Как рассчитать щелочность природных вод, зная содержание ком­понентов карбонатной системы и рН раствора?

44. Что такое распределительная диаграмма? Для характеристики каких параметров природных систем удобно использовать распреде­лительные диаграммы?

45. При каких условиях и почему в процессе фотосинтеза, протекающе­го в природном водоеме, может увеличиться значение рН?

46. Какое значение щелочности будут иметь поверхностные воды, нахо­дящиеся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом угле­рода, содержащимся в приземном слое воздуха?

47. Что может произойти в водоеме, если его щелочность уменьшится в десять раз?

48. Какие этапы закисления природных водоемов вы знаете?

49. Что происходит с экологической системой водоема на различных этапах его закисления?

50. С чем связана особая опасность контакта закисленных природных вод с соединениями алюминия и тяжелых металлов?

51. Назовите основные особенности протекания окислительно-восстановительных процессов в природных водах.

52. В каких единицах принято измерять величину окислительно-восстановительного потенциала природных вод?

53.Какая связь существует между значениями и E_h для одной и той же природной воды?

54. Какие окислительно-восстановительные процессы называют верх­ ней и нижней границами устойчивости воды? Приведите уравнение реакции.

55. Как меняется значение редокс-уровня для верхней и нижней границ устойчивости воды в зависимости от рН раствора?

56. Опишите основные принципы построения диаграмм – рН. Для каких целей используются эти диаграммы?

57. Что такое редокс-буферность природных вод? С протеканием каких процессов она связана?

58. Что такое стратификация природных водоемов? С какими причинами может быть связана стратификация водоемов?

59. Чем отличаются олиготрофные и эвтрофные водоемы в период стратификации?

60. С протеканием каких процессов связана возможность появления се­роводорода в зоне гиполимниона эвтрофного водоема в период стратификации?

61. Почему периоды водообмена в эвтрофном водоеме наиболее опасны для жизни рыб?

62. Почему даже посте прекращения поступления избытка питательных веществ водоем медленно выходит из эвтрофного состояния?

63. Как меняется с глубиной содержание кислорода в воде открытого океана?

64. Как может происходить образование анаэробных зон в океанах и морях?

65. Дайте характеристику основных особенностей окислительно-восстановительных процессов в подземных водах.

66. Как принято характеризовать интенсивность водной миграции хи­мических элементов?

67. Что такое геохимический барьер?

Задачи

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

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

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

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

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

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

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

= 10^–2,5моль/л; = 10^–2,7моль/л;

=10^–1,7моль/л; =10^–2,3моль/л.

Активность гипса в твердой фазе принять равной единице.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: