Задачи по химии окружающей среды для бакалавров по направлению 241000 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра органической химии

ЗАДАЧИ ПО ХИМИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

для бакалавров, обучающихся по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы

в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

Санкт-Петербург

2013

Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией

факультета химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 27 марта 2013 г.

С о с т а в и т е л и :

доктор химических наук, профессор Д. А. Пономарев, кандидат технических наук Е. В. Бочагина

О т в . р е д а к т о р доктор химических наук, профессор Ю. Т. Виграненко

Задачи по химии окружающей среды: для бакалавров по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» / сост.: Д. А. Пономарев, Е. В. Бочагина. – СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 20 с.

Подобраны задачи по химии окружающей среды, которые охватывают различные разделы учебного курса – химию атмосферы, гидросферы и литосферы. Введение раздела энергосбережение дает возможность рассмотреть, как зависит охрана окружающей среды от рационального использования энергоресурсов. Предназначено для аудиторной и самостоятельной работы студентов.

Темплан 2013 г. Изд. № 156.

2

в нем природного газа составляет 10 000 м3. Вычислить, каким стал объем газгольдера днем, когда температура газа повысилась до 270С.

6.Азот составляет примерно 78% атмосферы по объему, кислород – 21%, а диоксид углерода – 0.035%. Вычислите парциальное давление этих газов в атмосфере в килопаскалях (1 атмосфера = 101 кПа).

7.Исходя из того, что воздух содержит 0.035% СО2 по объему, вычислите растворимость этого газа в воде при 250С

8.Используя уравнение идеального газа, вычислите число молекул газа в

1м3 воздуха на высоте 25 км. Среднее атмосферное давление на этой высоте составляет 0.025 атм, а температура -540С.

9.Сколько молекул содержит 1 м3 газа при нормальных условиях?

10.Определите число баллонов, необходимых для хранения 300 кг газообразного хлора при 200 С. Объем каждого баллона составляет

60.9 дм3, а давление газа в баллоне – 14.0 МН/м2.

Примечание: М – мега, обозначает в системе СИ миллион.

11.Какую концентрацию в г/м3 будет иметь 1 моль чистого метана при нормальных условиях? Какая будет концентрация метана в воздухе, если образец воздуха содержит 2 ppm метана?

12.При 293 К давление паров ртути составляет 0.160 Н/м2. Вычислите концентрацию паров ртути в воздухе при этой температуре.

Примечание: максимальная допустимая концентрация паров ртути в воздухе составляет

0.1 мг∙м-3.

13.Неизвестному газу для диффузии через стенку пористого сосуда требуется 191 секунда. Для диффузии такого же количества диоксида углерода требуется 112 секунд. Вычислите молекулярную массу неизвестного газа.

14.В результате работы фильтрационной системы были удержаны частицы, общим объемом 5 10-6 м3. Было найдено, что радиус этих частиц в среднем равен 8 μм.

а) вычислите число собранных фильтром частиц, считая, что объемом между частицами можно пренебречь.

Примечание: объем сферы равен 4/3πr3

4

б) вычислите общую площадь этих частиц, полагая, что поверхность сферы S = 4 πr2.

в) предполагая, что тот же источник производит частицы с объемом 1/10 от первоначального, но того же общего объема, каким будет новый средний радиус частиц и какой – их общая поверхность.

15. Приблизительно 25 000 тонн следовых атмосферных газов ежедневно образуется и выводится из атмосферы. Средняя концентрация этих газов в атмосфере составляет 77 ppb. Вычислите время пребывания этих газов в атмосфере (масса атмосферы составляет 5.1 1021 г).

16.В пробе воздуха, отобранной в Бразилии в тропическом лесу, был

обнаружен β-пинен С10Н16 в концентрации 0.03 ppb. Какая масса β-пинена содержится в 1м3 такого воздуха?

17.В 1992 г концентрация метана в атмосфере составляла 1.74 ppm.

Вычислите концентрацию метана в другой единице концентрации – числе молекул в см3.

18.Принимая существующую концентрацию N2O воздухе в 312 ppm,

вычислите концентрацию N2O в молях на литр, принимая температуру воздуха 00С и давление 760 мм ртутного столба.

19.Какая масса формальдегида СН2О должна выделиться из строительного материала (ДСП, ковролин и т.д.), чтобы в комнате размером: 4м • 5м • 3м создалась концентрация 0.50 ppm.

20.При определении качества приземного слоя воздуха в некотором городе, назовем его Смогвиль, было найдено, что средняя концентрация озона в 1977-1979 г составляла 0.090 ppm. Измерения, сделанные в 1997-

1999 г показали среднюю концентрацию 10.0 10-12 моль/см3.

а) предполагая, что оба измерения были выполнены при 1 атм и 250С, вычислите разность двух концентраций озона в единицах ppm. Можно ли утверждать, что концентрация озона уменьшилась (или увеличилась) в Смогвиле?

б) позже обнаружили, что данные 90-х годов, были получены при температуре 50С. Будет ли это влиять на ответ, данный в пункте а)? Если да, то на сколько, представьте ваш ответ в ppm.

21. Назовите три наиболее распространенных газа в атмосфере в порядке убывания их концентрации.

5

22.Воздух внутри гаража содержит монооксид углерода СО в концентрации 15 ppm по объему при стандартных температуре и давлении. Вычислите концентрацию СО в мг/л.

23.В результате аварии утром в городскую атмосферу попала смесь газообразных алканов и алкенов. Как изменится соотношение алкан/алкен к концу дня? Ответ объясните.

24.Город Сиэтл расположен на берегу океана. Во время эпизода

фотохимического смога концентрация атомарного кислорода на уровне земли при 250C составила 0.06 ppm. Переведите это значение:

а) в парциальное давление в атм;

б) в молярность; в) в число молекул в см3.

25.Содержание диоксида углерода в атмосфере составляет в среднем

0.035% (объемных). Вычислите парциальное давление СО2 в атмосфере в мм рт.ст.

26.Атмосфера содержит загрязняющий газ, объемная концентрация

которого составляет 32 ppb. Выразите эту концентрацию через: а) ppm, б) молекул/см3, в) молярность. Температура 00С и общее давление 1 атм.

27.Выразите концентрацию в 6.0 1014 молекул/см3 в ppm и в моль/литр. Температура 250С и общее давление 1 атм.

28.Выразите концентрацию озона О3 в 40 ppb в а) число молекул в см3 и б) микрограммах в м3. Температура воздуха 270С и общее давление 0.95 атм.

29.Концентрация СО в атмосферном воздухе составляет 1000 мкг/м3. Выразите эту концентрацию через: а) ppm, б) молекул/см3. Температура воздуха 170С и общее давление 1.04 атм.

30.Метан образуется на рисовых полях за счет взаимодействия водорода с диоксидом углерода, при этом образуется также кислород.

а) На каждом квадратном метре поля в день образуется примерно 25 г Н2, способного взаимодействовать с избытком диоксида углерода. Сколько грамм метана выделяется в день с квадратного метра рисового поля?

б) Считая, что время выращивания риса составляет 3 месяца и что с каждого гектара собирают 8 тонн риса, вычислите, сколько грамм метана выделяется при выращивании 1 кг риса.

6

31.В нижней части стратосферы, где концентрация атомов кислорода очень мала, в разрушении озона участвуют свободные радикалы BrO так и ClO. Предложите схемы разложения озона с участием этих частиц.

32.Во время зимы на Марсе примерно 30% диоксида углерода содержащегося в его атмосфере конденсируется в полярных областях в виде шапок из «сухого льда». Как изменяется атмосферное давление в приповерхностном слое Марса в этих условиях? Ответ объясните.

33.Окисление NO кислородом с образованием NO2 представляет собой важную реакцию химии атмосферы, которая может протекать по двухстадийному механизму

(скорости прямой и обратной реакций равны) и что вторая стадия определяет скорость всей реакции, то:

а) выразите концентрацию N2O2 через концентрацию NO, если k1 и k-1 представляют собой константы скорости для прямой и обратной реакции, соответственно; б) выразите скорость второй стадии (которая равна общей скорости

реакции) через концентрации NO и O2 и константы скоростей k1, k-1 и k2; в) обычно скорости реакций возрастают с увеличением температуры, но в случае взаимодействия NO с O2 скорость падает с увеличением температуры. Объясните это явление. Что вы можете сказать о знаке теплового эффекта реакции NO с NO с образованием димера N2O2?

34. Определите среднее время пребывания паров воды в атмосфере, если известно, что в атмосфере находится 12 900 км3 воды, а на поверхность суши и океана выпадает в виде атмосферных осадков в среднем 577 1012 м3 воды в год.

35. Вычислите концентрацию трех основных газов, входящих в состав атмосферы, в моль/л.

ГИДРОСФЕРА

1. Рассмотрите следующие две полуреакции:

H2O(ж) + ē ↔ OH- (вод.) + ½ H2 (г.) E0 = -0.83V

Al3+ (вод.) + 3 ē ↔ Al (тв.) E0 = -1.66V

Исходя из ваших знаний по химии алюминия ответьте, будет ли он реагировать с водой про 250С? Согласуется ли это с известными данными?

7

2. Допустим, нам удалось каким-либо способом пометить все молекулы в одном стакане (200 мл) воды, после чего воду вылили в Мировой океан и дали ей перемешаться. Определите число «меченых» молекул воды в стакане, взятом из океана после перемешивания. Объем Мирового океана

1338 106 км3.

3. Для озера размером 2.0км • 10км и глубиной 100 м было найдено значение рН = 4.5. Вычислите массу карбоната кальция, которую следует добавить к озерной воде, чтобы изменить значение рН до 6.0, полагая, что взаимодействие Н+ с СаСО3 даст СО2.

4. Образец воды имеет рН = 7.34 и общую концентрацию Са2+ равную 128 ppm.

a) какой будет молярная концентрация СО32- и НСО3-?

б) какой объем 2.614 10-2 M HCl необходим для титрования 1.00 л этого раствора до рН = 4.3?

5.Химическое потребление кислорода (ХПК) образца сточной воды составляет 120 ppm.

а) скольким миллиграммам О2 в литре воды эквивалентно это значение ХПК; б) вычислите молярность этого раствора;

в) какой объем (в мл) 0.0054 М Na2Cr2O7 требуется для титрования 25 мл этой воды.

6.Было установлено, что значение рН воды в озере составляет 4.0. Для того чтобы поднять рН воды до 6.0, было решено добавить в него измельченный известняк, основным компонентом которого является CaCO3 для

нейтрализации части кислоты. Объем озера составляет 5 107 м3.

а) какую концентрацию имеют ионы водорода в озере до и после добавления известняка? Какое количество ионов водорода необходимо нейтрализовать?

б) полагая, что известняк представляет собой чистый карбонат кальция, сколько молей карбоната кальция потребуется для нейтрализации ионов водорода? Какую массу будет иметь необходимый карбонат кальция?

в) что может произойти с озером, если вода в нем будет иметь рН = 4.0?

7. Европа имеет площадь около 4.9 1012 м2 и население примерно 480 миллионов человек.

а) если средний уровень осадков в Европе 600 мм в год и средняя скорость испарения составляет 360 мм в год, вычислите средний сток воды в Европе в миллионах кубометров в день;

8

б) если весь этот сток собрать, то сколько воды придется на душу населения в дм3 в день?

в) почему расчеты, подобные вышеприведенному, не дают реальной картины доступности воды?

8.В водоем вылили стакан чая, содержащий 10 г растворенного сахара

(рассматриваем как органическое вещество СН2О). Какой минимальный объем природной воды, необходим для растворения сероводорода H2S, образовавшегося в процессе сульфат-редукции сахара, если весь

выделившийся H2S переходит в раствор и его концентрация не превышает пороговой по запаху (0.05 мг∙л-1).

9.Какой объем природной воды, находящейся в равновесии с воздухом (t = 200С, p = 1 атм), следует взять, чтобы после окисления 10 г сахара

(рассматриваем как органическое вещество СН2О) содержание кислорода составляло более 4 мг л-1 (минимальное количество, при котором рыба не погибает).

10.При хлорировании воды время ее выдержки в цистерне составляет 35 мин. Расход воды составляет 2.3 ∙ 103 м3 в час.

а) определите емкость цистерны; б) с какой скоростью хлор должен подаваться в цистерну для того, чтобы

его концентрация составила 1.5 ppm (расходом хлора на окисление загрязнителей в воде пренебречь);

в) какой должна быть скорость введения хлора в цистерну, если 0.72 ppm

Cl2 потребляется на окисление загрязнителей, а концентрация хлора в отходящей воде - 1.5 ppm.

11.Цех по очистке сточной воды имеет бассейн для первичного отстаивания с размерами: 5.0м • 25.0м •45.0м. Если необходимое время выдержки составляет 6 часов, то какой будет суточная производительность бассейна (в литрах).

12.Анаэробная ферментация органического вещества приводит к образованию метана и диоксида углерода. Сколько молей органического вещества подверглось ферментации, если в результате нее образовалось 20.5 л метана (при стандартных температуре и давлении).

13.В результате аварии 500 кг пропанола CH3CH2CH2OH попало в водоем, имеющий 1 108 литров воды. Насколько возросло ХПК (мг/л) этой воды.

9

14.Вычислите растворимость кислорода в мг/л при 250С в воде, находящейся в контакте с атмосферой.

15.Исходя из растворимости кислорода в воде 8.11 мг/л при 250С вычислите константу Генри (КГ) для этой температуры.

16. Покажите что 1 литр воды, насыщенной кислородом при 250С способен окислить 8.2 мг органического вещества (СН2О)n.

17.Средняя концентрация золота в морской воде приблизительно 0.02 ppb. а) выразите эту концентрацию в ppm;

б) найдите общую массу золота в мировом океане; с) вычислите объем воды, содержащий 1 кг золота.

18.В 1986 г сильный пожар возник на химическом складе в г. Базель (Швейцария). Случилось так, что вода, применяемая для тушения пожара, прорвала дамбу, окружающую склад, и тонны химикатов были смыты в реку Рейн. Основным токсичным веществом был инсектицид дисульфотон

(С8H19PS4). Инцидент характеризовался следующими показателями: Количество смытого вещества – 3.3 тонны,

Средняя скорость течения Рейна у Базеля – 1 м/c, Средняя глубина Рейна у Базеля – 5.0 м, Ширина Рейна у Базеля – 250 м,

Время смыва – 12 ч.

а) вычислите расход воды в Рейне у Базеля в м3/с; б) вычислите объем воды, в который попал инсектицид;

в) вычислите концентрацию дисульфотона в загрязненной воде в мкг/л и в ppm;

г) какие биологические последствия имела происшедшая авария? Нужную информацию можно получить из Интернета.

19.Сравните количества кислорода растворенного в 1литре воды в придонном слое водоема (t = 50C) и растворенного в поверхностном слое

воды (t = 250C). Константы Генри KГенри = 0.00191 и 0.00130 моль/(л атм), соответственно.

ПОЧВА

1. Из отстойника на дне шахты, содержащего щелочную воду (рН = 10.5), был отобран осадок. Осадок был обработан HCl, и в вытесненном растворе

обнаружены следующие катионы (в расчете на 100 г сухого осадка): Сa2+ - 75 ммоль, Mg2+ - 25 ммоль, Na+ - 100 ммоль, K+ - 5 ммоль. Какую

10