Модуль № 2. Физико-химические процессы в гидросфере

Строение гидросферы. Гидрологический цикл. Состав, основные показатели качества и процессы формирования природных вод.

Карбонатные системы в природных водах и концентрация ионов водорода. Уравнение баланса зарядов в карбонатной системе. Угольная кислота и рН раствора. Растворимость карбонатных пород. Влияние примесей на растворимость кальзита. Щелочность природных вод. Закисление водоемов. Алюминий в природных водах. Окислительно-восстановительные процессы в водоемах. Температурный профиль пресноводных водоемов. Эвтрофирование природных вод. Диаграмма рЕ – рН для модельных и природных систем. Процессы гидролиза в природных водах и их значение. Процессы комплексообразования в гидросфере. Природные и систематические комплексообразователи. Детергенты (СПАВ) в водоемах. Тяжелые металлы в природных водах. Пестициды в природных водах. Хлорированные и полихлорированные углеводороды в природных водах. Антропогенное воздействие на Мировой океан: приоритетные загрязнители; основные источники воздействия; влияние антропогенных загрязнений на морские экосистемы; формы миграции и основные процессы трансформации основных загрязняющих веществ; экологический резерв Мирового океана и прогноз его состояния. Основные механизмы саморегуляции в гидросфере. Роль живого вещества.

Задачи ко второму учебному модулю

Задача № 1. Оцените максимально возможную концентрация растворенного О₂ в воде при 25^оС, если константа Генри равна 2 ^. 10^–8 моль/л. Полученную величину сравните с нормируемой для природных вод и укажите причины в различии полученных значений.

Задача № 2. Оцените величину рН атмосферных осадков при растворении в них атмосферного СО₂. Влиянием других кислых газов пренебречь. В оценках принять константу диссоциации угольной кислоты:

Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃^–.

Задача № 3. Оцените рН дождей в г. Иваново, где основной вклад в закисление атмосферной влаги (уменьшение рН) дает диоксид серы. Средняя концентрация диоксида серы в приземном слое воздуха составляет 30 мкг/м³, константа Генри равна 5,4 моль/(л ^. атм), а константа скорости диссоциации (Н₂SО₃ Н⁺ + НSО₃^–) составляет 2,7 ^. 10^–2 моль/л. Выполните аналогичные расчеты для г. Череповца, где средняя концентрация SO₂ достигает 1 мг/м³. Рассчитайте парциальные индексы загрязнения атмосферы в двух городах и сделайте соответствующие выводы.

Задача № 4. Оцените концентрацию карбонат-иона при растворении атмосферного СО₂ в природных водах при температуре 25^оС. В оценках принять: константа Генри К_Г = 3,4 ^. 10^–7 моль/ л ^. Па; К₁ = 4,5 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,7 ^. 10^–7 моль/л; рН = 10.

Задача № 5. Рассчитайте концентрацию бикарбонат-иона при растворении атмосферного СО₂ в природных подах при 20^оС. В качестве справочных данных принять: количество СО₂ в атмосфере составляет 0,0343% (объемных), константа Генри К_Г = 3,4 ^. 10^–7 моль/ л ^. Па; К₁ = 4,5 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,7 ^. 10^–7 моль/л; рН = 7.

Задача № 6. Оцените, какой объем воды условно потеряет кислород, если в замкнутый водоем в результате аварии попало 100 кг бензола. Константа Генри равна 1,26 ^. 10^–8 моль/л ^. Па.

Задача № 7. Что произойдет с популяцией парка в замкнутом водоеме, если в последний произошел залповый выброс фенола в количестве 20 кг? Равновесная концентрация растворенного в воде О₂ до выброса составляла 10 мг О₂/л. Объем водоема 10000 м².

Задача № 8. Оцените последствия для популяции рыб замкнутого водоема, если в последний начали сбрасывать сточные воды крахмалопаточного завода. В сточных водах содержится 60 мг/л сахаров (С₁₂Н₂₂О₁₁). Мощность сброса за контрольный период составила 1000 м³. Равновесная концентрация О₂ в водоеме до сброса сточных вод – 9 мг/л, объем водоема – 10000 м³.

Задача № 9. Оцените максимально возможное количество биомассы, которое может быть получено при фотосинтезе в случае отсутствия поступления в водоем других углеродсодержащих соединений, в том число и СО₂, если в процессе фотосинтеза величина рН среды изменилась с 7 до 10 единиц. В оценках принять: при рН = 7, щелочность 1 мг-экв/л, а при рН = 10 щелочность – 4 мк-экв/л, К₁ = 4,47 ^. 10^–7 моль/л; К₂ = 4,68 ^. 10^–11 моль/л; рН = 10.

Задача № 10. Постройте диаграмму – рН для железа, если его среднегодовая концентрация в водоеме составляет 0,1 мг/л, а основные равновесия записываются следующим образом:

1) Fe³⁺ +  Fe²⁺, = 13;

2) Fe(OH)_{2 (тв)}  Fe²⁺ + 2OH^–, k₂ = 2 ^. 10^–15;

3) Fe(OH)_{3 (тв)}  Fe³⁺ + 3OH^–, k₃ = 6 ^. 10^–38;

4) Fe(OH)_{3 (тв)} +  Fe(OH)_{2 (тв)} + OH^–, = –9,48.

Оцените основные формы нахождения соединений железа в поверхностных и придонных слоях воды, если средняя глубина водоема составляет 12 м.

Задача № 11. Определите основную форму нахождения Al в поверхностных слоях воды водоема при значении рН = 5 и рассчитайте его содержание в этой форме, если образование растворимых форм алюминия в природных водах ограничить следующими реакциями:

1) Al(OH)₃ + 3H⁺  Al³⁺ + 3H₂O, k₁ = 5,1 ^. 10⁹;

2) Al(OH)₃ + H⁺  Al(OH)₂⁺ + H₂O, k₂ = 4 ^. 10¹;

3) Al(OH)₃ + H₂O  Al(OH)₄^– + H⁺, k₃ = 1 ^. 10^–14.

Задача № 12. Оцените величину рН дождей в промышленном районе, где основной вклад в закисление атмосферной влаги дает SO₂. Парциальное давление SO₂ в атмосфере равно 5 ^. 10^–9 Па, константа Генри равна 5,4 моль/л ^. атм, а константа скорости диссоциации сернистой кислоты – 2,7 ^. 10^–2 моль/л.

Задача № 13. Что произойдет с популяцией карпа в замкнутом водоеме, если в последний произошел залповый сброс фенолов в количестве 25 кг. Равновесная концентрация растворенного кислорода в воде до сброса составляла 8 мг O₂/л, объем водоема – 10000 м³. Оцените максимальный уровень загрязнения воды в водоеме.

Задача № 14. Средние концентрации неорганических соединений азота и фосфора в озере Вазель Южского района ивановской области в 1996 г. составили, г/м³: 1) аммоний солевой – 1,21; 2) нитрит – 0,12; 3) азот нитратов – 2,0; 4) фосфаты (в пересчете на Р) – 0,235. Содержание хлороформа в этот же период времени колебалось в пределах 34-60 мг. Средняя глубина озера равна 1 м. Рассчитанная средняя плотность потоков из донных отложений неорганического азота и фосфора составляет, соответственно, 1,5 и 0,7 г/м^{2 .} год. Во-первых, обоснуйте оптимальное соотношение азота и фосфора в природных водах, это значение сравните с экспериментальными и сделайте соответствующие выводы_. Во-вторых, рассчитайте время оборота азота и фосфора в системе вода – донные отложения и сделайте выводы о развитии процессов эвтрофирования. В-третьих, оцените категорию трофического состояния озера Вазаль.

Задача № 15. Определите форму нахождения соединений железа в воде, если последняя характеризуется следующими показателями: рН = 7, р_е = 10 (концентрация железа в воде 10^–4 моль/л).

Задача № 16. Оцените максимальную концентрацию 2,3,7,8-тетрахлорбензопарадиоксина (ТХДД) в воде, если его содержание в атмосферном воздухе составляет около 0,13 мг/м³, константа генри равна 0,2 моль/л ^. Па. Оцените возможные каналы выведения ТХДД из природных вод.