Примеры решения задач
Пример 1. Охарактеризуйте морскую воду в соответствии с классификацией, разработанной О.А. Алекиным.
Решение. Морские воды следует отнести к классу хлоридных вод, т.к. преобладающим в морской воде является анион хлора. Преобладающим катионом в морской воде является
катион натрия, поэтому морская вода относится к группе натриевых вод.
Для определения типа воды просуммируем концентрации катионов кальция и магния в морской воде, выраженные в в ммоль /л, и сравним сумму с концентрацией гидрокарбонат – иона: С(Са 2+ ) + С(Mg 2+ ) = 10,0 +45,3 = 55,3 ммоль /л > C (HCO3 — ) = =2,3 ммоль /л. Следовательно морская вода не относится к первому типу вод.
Сравним суммарную концентрацию анионв НСО3 — и SO4 2- c суммарной концентрацией катионов кальция имагния в морской воде:
С(HСO3 — ) + С(SO4 2- ) = 2,3 + 27,6 = 29,9 ммоль /л 2+ ) + С(Mg 2+ ) = = 55,3 ммоль /л.
Cледовательно, морская вода не относится и ко второму типу вод.
Сравним концентрации ионов хлора и натрия, выраженные в в ммоль /л:
C (Сl — ) = 534,6 ммоль/л > С(Na + ) = 459,1 ммоль/л.
Следовательно морскую воду следует отнести к третьему типу вод.
Ответ: по классификации О.А. Алекина морскую воду следует отнести к классу хлоридных вод натриевой группы третьего типа.
Пример 2. К какому классу вод по минерализации следует отнести природные воды, состав которых соответствует среднему составу речной воды. При оценке принять:
а) другие примеси в воде отсутствуют; б) плотность речной воды равна 1000г/л; в) при экспериментальном определении минерализации все гидрокарбонат – ионы перейдут в карбонат – ионы, а все остальные ионы образуют безводные соли, устойчивые при 105 0 С.
Решение. По условию задачи состав природной воды соответствует среднему составу воды в реках Содержание примесей в этой воде, как видно из таблицы составляет (млн -1 ):
Са 2+ — 20; Nа + — 5,8; Mg 2+ — 3,4; K + — 2,1; HСO3 — — 35; SO4 2- — 12; Cl — — 5,7.
Значение минерализации природных вод определяется в г/л, поэтому необходимо выразить концентрации анионов и катионов в этих единицах. Поскольку плотность воды по условию задачи равна 1000г/л, концентрации примесей, выраженные в млн -1 , численно равны концентрациям, выраженным в мг/л. Поэтому, чтобы получить содержание примесей в г/л, достаточно умножить значение их содержания в млн -1 на 10 -3 :
Ci (г/л) = 10 -3 Сi (млн -1 ). Содержание примесей в природной воде, выраженное в г/л, составит: Са 2+ — 2,0∙10 -2 ; Nа + — 5,8∙10 -3 ; Mg 2+ — 3,4∙10 -3 ; K + — 2,1∙10 -3 ; HСO3 — — 3,5∙10 -2 ; SO4 2- — 1,2∙10 -2 ; Cl — — 5,7∙10 -3 .
По условию задачи при определении минерализации ионы HСO3 – полностью перейдут в ионы СO3 2- . Процесс разложения может быть представлен следующим уравнением: 2HСO3 — → СO3 2- + H2O + CO2.
Образующиеся в этом процессе молекулы воды и диоксиды углерода не вносят вклад в минерализацию, поскольку при 105 0 С переходят в газовую фазу.
Концентрацию образующихся ионов СО3 2- можно определить по уравнению:
где [СO3 2- ] и [HСO3 — ] — концентрации карбонат- и гидрокабонат – ионов (г/л) соответственно; M(СO3 2- ) и M(HСO3 — ) – молярные массы карбонат и гидрокарбонат – ионов (г/моль).
Концентрация ионов СO3 2- , образующихся при определении минерализации воды, может составить: [СO3 2- ] = 3,5∙10 -2 ∙60 /(2∙61) = 1,7∙10 -2 (г/л).
Поскольку по условию задачи все ионы, кроме HСO3 — , образуют безводные соли, устойчивые при 105 0 С, а гидрокарбонатные ионы переходят в СO3 2- и также образуют соли, значение минерализации можно определить по сумме концентраций ионов СO3 2- и остальных ионов, присутствующих в исходной воде:
M = [Са 2+ ] + [Nа + ] + [Mg 2+ ] + [K + ] + [СO3 2- ] + [SO4 2- ] + [Cl — ] = 2,0∙10 -2 +
5,8∙10 -3 + 3,4∙10 -3 + 2,1∙10 -3 + 3,5∙10 -2 + 1,2∙10 -2 + 5,7∙10 -3 . = 6,6∙ 10 -2 (г/л).
Поскольку полученное значение минерализации меньше 0,2 г/л, природные воды, отвечающие среднему составу речной воды, следует отнести к ультрапресным водам (см табл. 2.3).
Ответ: природные воды, отвечающие среднему составу речной воды. следует отнести к ультрапресным водам.
2.3. Физико – химические факторы формирования природных вод.
Процессы растворения газов в природных водах.
Закон Генри: если идеальный газ находится в равновесии с растворителем, то количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению данного газа.
где Сi ,(р –р) — концентрация i – ой примеси газа в растворе, моль/л; КГi — константа Генри для данной температуры раствора, моль/ (л ∙Па) или моль/ (л ∙атм); Pi – парциальное давление i-ой примеси в газовой фазе, находящейся в равновесии с раствором, Па или атм.
Термодинамический критерий самопроизвольного протекания процесса :
∆G = ∆H — T∆S, ∆G 0 и ∆S 0 , являются отрицательными величинами. Растворенное состояние более упорядочено, чем газ.
Процессы растворения твердых веществ в природных водах.
Для описания процессов взаимодействия между твердыми веществами и природными водами используются методы равновесной термодинамики. В общем виде взаимодействие может быть представлено в идее уравнения:
Константа равновесия данного процесса может быть представлена уравнением:
где ∆G 0 процесса — энергия Гиббса прцесса, взятая с обратным знаком, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль ∙ К); T 0 — температура при стандартных условиях (Т 0 = 298 К); 2,3 – коэффициент перехода от значения в натуральных логарифмах к значению в десятичных логарифмах.
Значение константы равновесия при температуре, отличающейся от стандартных условий можно определить из уравнения:
где K1, K 0 и T 0 ,T1 -константы равновесии и температуры процесса в стандартных и рассматриваемых условиях соответственно; <∆Hпроц — значение энтальпии реакции, равное разности между суммой энтальпий продуктов и суммой энтальпий исходных веществ, R – универсальная газовая постоянная. Для большинства реакций растворения, протекающих в поверхностных водах: 0,4K 0 ≤ K(T =338 K) ≤.2,5 K 0 .
Влияние давления на значение константы равновесия можно оценить из уравнения: lg K1/K 0 = <∆V (P -1 >/ 2,3 RT 0 ,
где K1, K 0 и — константы равновесия процесса при общем давлении Р и 1 атм соответственно; ∆V – изменение молярного объёма в процессе реакции.
Для большинства процессов растворения твердых соединений в природных условиях изменение молярного объёма не превышает 40 см/моль. Поэтому при увеличении давления до 100 атм логарифм отношения констант равновесия будет равен примерно: lg K1/K 0 ≈ 0,07.
Показатель агрессивности природных вод: A = lg K / <(ПА)прод / <(ПА)реаг >,
где А – показатель агрессивности воды; К – константа равновесия процесса растворения данного вещества; ПА – произведение активности продуктов реакции ,содержащихся в данной воде, и реагентов, содержащихся в растворяемом веществе, соответственно.
Показатель неустойчивости I по численному значению равен показателю агрессивности с обратным знаком: I =-A, или I = -A = lg <(ПА)прод /<(ПА)реаг / K>.
Уравнение процесса растворения в водной среде можно представить в виде:
AaBb = aA + b + B — a с соответствующей константой равновесия:
Для оценки концентраций примесей в растворе используется понятие произведения растворимости: Пр = [А b + ] a [B a — ] b ,
где [А b + ] a и [B a — ] b – концентрации ионов в растворе (моль/л) в степени, соответствующей стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции растворения.
Произведение растворимости и константа равновесия процесса растворения связаны между собой: Пр = Кравн / (γ a A γ b B),
где γ a A γ b B – коэффициенты активности соответствующих ионов в степени, соответствующей стехиометрическому коэффициенту в реакции.
Источник
Примеры решения задач
Пример 4. К какому классу вод по минерализации следует отнести природные воды, состав которых соответствует среднему составу речной воды. При оценке принять:
а) другие примеси в воде отсутствуют; б) плотность речной воды равна 1000 г/л; в) при экспериментальном определении минерализации все гидрокарбонат-ионы перейдут в карбонат-ионы, а все остальные ионы образуют безводные соли, устойчивые при 105°С.
Решение. По условию задачи состав природной воды соответствует среднему составу воды в реках. Содержание примесей в этой воде, как видно из таблицы 2, составляет (млн –1 ): Са 2+ – 20; Na + – 5,8; Mg 2+ – 3,4; К + – 2,1; HCO
Значение минерализации природных вод определяется в г/л, поэтому необходимо выразить концентрации анионов и катионов в этих единицах. Поскольку плотность воды по условию задачи равна 1000 г/л, концентрации примесей, выраженные в млн –1 , численно равны концентрациям, выраженным в мг/л. Поэтому, чтобы получить содержание примесей в г/л, достаточно умножить значение их содержания в млн –1 на 10 –3 :
Содержание примесей в природной воде, выраженное в г/л, составит: Са 2+ – 2,0 . 10 -2 ; Na + – 5,8 . 10 -3 ; Mg 2+ – 3,4 . 10 -3 ; К + – 2,1 . 10 -3 ; HCO
По условию задачи при определении минерализации ионы HCO
2HCO
Образующиеся в этом процессе молекулы воды и диоксида углерода не вносят вклада в минерализацию, поскольку при 105°С переходят в газовую фазу.
Концентрацию образующихся ионов CO
[CO
где [CO
Концентрация ионов CO
[CO
Поскольку по условию задачи все ионы, кроме HCO
М = [CO
М = 1,7 . 10 –2 + 2,0 . 10 –2 + 5,8 . 10 –3 + 3,4 . 10 –3 + 2,1 . 10 –3 +
+ 1,2 . 10 –2 + 5,7 . 10 –3 = 6,6 . 10 –2 (г/л).
Поскольку полученное значение минерализации меньше 0,2 г/л, природные воды, отвечающие среднему составу речной воды, следует отнести к ультрапресным водам (таблица 3).
Ответ: природные воды, отвечающие среднему составу речной воды, следует отнести к ультрапресным водам.
Пример 5. Охарактеризуйте морскую воду в соответствии с классификацией, разработанной О.А. Алекиным.
Решение. Преобладающим анионом в морской воде является анион хлора, поскольку его концентрация, выраженная в ммоль-экв./л, намного превосходит концентрации других анионов (Пример 2). Поэтому морские воды следует отнести к классу хлоридных вод.
Преобладающим катионом в морской воде является катион натрия (Пример 2), поэтому эти воды следует отнести к группе натриевых вод.
Для определения типа воды просуммируем концентрации катионов кальция и магния в морской воде, выраженные в ммоль-экв./л, и сравним сумму с концентрацией гидрокарбонат-иона:
CCa 2+ + CMg 2+ = 10,0 + 45,3 = 55,3 ммоль-экв./л > СHCO
Следовательно, морская вода не относится к первому типу вод. Сравним суммарную концентрацию анионов НСО
C HCO
Следовательно, морская вода не относится и ко второму типу вод.
Сравним концентрации ионов хлора и натрия, выраженные в ммоль-экв./л:
Следовательно, морскую воду следует отнести к третьему типу вод.
Ответ: по классификации О.А. Алекина морскую воду следует отнести к классу хлоридных вод натриевой группы третьего типа.
Источник
