Контроль качества воды. Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ для студентов направления подготовки 08.04.01 «Строительство» проф

lg[Ag+]= 00,,282058 = ‒ 4,873

[Ag+] = 1,34· 10‒5 моль/л

ПР = (1,34· 10‒5)2 = 1,79· 10‒10

№ 11

Определить стабильна ли вода после обработки ее Al2(SO4)3, если Дк

(доза коагулянта) равняется 20 мг/л, щелочность воды 2 мэкв/л, содержание ІЗ2 ‒ 4 мг/л, температура 100С. Общее солесодержание воды 150 мг/л, а

концентрация Са2+ равняется 80 мг/л.

Решение:

В результате обработки воды коагулянтами щелочность воды снижается на величину (Дк57); где Дк – доза коагулянта, мг/л, 57 – эквивалентная масса

Al2(SO4)3. Т.к. в ходе реакции выделяется СО2, то концентрация свободной углекислоты увеличится, а значение рН уменьшится. Рассуждения отвечают реакции:

НСО3‒ + Н+ = Н2О + СО2

Для расчета щелочности, содержания СО2, рН и I после обработки коагулянтом воспользуемся данными пп. 6.215 и 6.217 СНИП. II‒31‒74.

Щ = 2 – 2057= 1,65 мэкв/л [СО2] = 4 + 44·2057 = 19,4

Значение рН определим по номограмме приведенной на рис.2 (см. п. 6217

СНИП II‒31‒74), используя данную t, солесодержание и уже рассчитанные значения щелочности и СО2, рН = 6,8.

Воспользовавшись номограммой на рис.1 (см. п. 6.215 СНИП II‒31‒74) и

данными условиями задачи, определяем величину рН, необходимую для оценки стабильности воды.

42

рН = 2,35 – 1,9 – 1,2 + 8,75 = 8.

Индекс насыщения воды карбонатом кальция (I) находим по разнице величин рН и рНs.

I = 6,8 – 8 = ‒ 1,2.

Выходит, вода не стабильная.

№ 12

Сумма нормальных концентраций анионов в пробе воды составила 8,60

ммоль/л, а катионов (кроме натрия) – 6,10 ммоль/л. Вычислить молярную и массовую концентрации ионов натрия в пробе.

Решение:

С(Na+)= 8,60 – 6,10 = 2,50 ммоль/л;

Т(Na+)= С(Na+)·Ar(Na+)= 2,50·23= 57,5 мг/л.

№ 13

Константа растворимости Ba3(РО4)2 составляет 6,0·10‒39. Вычислить массовую концентрацию соли и каждого из ионов в насыщенном растворе.

Решение:

Исходя из равновесия растворимости и его стехиометрии, выразим равновесные концентрации ионов через молярную растворимость S соли

Ba3(РО4)2 = 3Ва2+ + 2РО43‒

и подставим их в выражение константы растворимости Ba3(РО4)2 :

КS(Ba3(РО4)2)= [Ва2+]3[РО43‒]2 = (3S)3(2S)2 = 6,0· 10‒13

S = 6,0 10 39 /(33 22 ) = 9· 10‒9 моль/л

[Ва2+] = 3S = 2,7· 10‒8 моль/л; [РО43‒] = 2S = 1,8· 10‒8 моль/л

43

Вычислим значение массовых концентраций:

Т(Ba3(РО4)2)= 9· 10‒9М(Ba3(РО4)2)= 9· 10‒9· 602 = 5,4· 10‒6 г/л

Т(Ва2+)= 2,7· 10‒8 Т(Ва2+)= 2,7· 10‒8· 137 = 3,7· 10‒6 г/л

Т(РО43‒)= 1,8· 10‒8М(РО43‒)= 1,8· 10‒8· 95 = 1,7· 10‒6 г/л

№ 14

Рассчитать растворимость Ag2С2О4 в его насыщенном растворе при рН = 3,0 и сравнить с растворимостью в чистой воде.

Решение:

В справочных таблицах (таблицы А.1 и А.2) находим для Ag2С2О4 Кs =

3,5· 10‒11, для щавелевой кислоты К1 = 5,6· 10‒2 и К2 = 5,4· 10‒5. Таким образом, в растворе имеются формы С2О42‒, НС2О4‒ и Н2С2О4. [Н+] = 10‒рН = 10‒3 моль/л.

Ионную силу раствора не учитываем по условию задачи.

КS = 3,5· 10‒11 = (2S)2S· 0,050;

S = 5,6· 10‒4 моль/л

В чистой воде

3,5· 10‒11 = (2S)2S = 3,3· 10‒4 моль/л

растворимость осадка немного ниже.

Аналогичные результаты будут получены при использовании условной константы растворимости

44

№ 15

Рассчитать растворимость осадка Ва3(РО4)2 в его насыщенном растворе,

учитывая гидролиз аниона.

Решение.

Для Ва3(РО4)2 находим КS = 6· 10‒39;для Н3РО4 К1 = 7,1· 10‒3, К2 = 6,2· 10‒8

К3 = 5,0· 10‒13.

В первом приближении учитываем гидролиз лишь по первой ступени с образованием НРО42‒, то есть для значения К3:

Ва3(РО4)2 + Н2О = 3Ва2+ + 2НРО42‒ + 2ОН‒

Уточняем полученное значение с учетом следующих стадий гидролиза:

[OH‒] = 2S = 1,0· 10‒6 моль/л;

[H+] = 1,0· 10‒14/(1,0· 10‒6)= 1,0· 10‒8 моль/л

х(РО43‒)=

Результат не изменился из‒за большого расхождения значений К1 и К2.

№ 16

С учетом влияния ионной силы раствора рассчитать растворимость осадка СаF2 в 1,0· 10‒3 моль/л НСl.

Решение:

45

В таблицах А.1 и А.2 находим для СаF2 KS = 4,0· 10‒11 и для НF К(НF)= 6,2· 10‒4. Ионная сила раствора с учетом СаF2 и НСl:

I = 0,010· 22 + 2· 0,010· 12 + 10−3· 12 + 10−3· 12= 0,031 2

Значение концентрационных констант:

Примем S + 0,010 = 0,010,

х(F‒)= 9,1· 10‒4/(9,1· 10‒4 + 1,0· 10‒3)= 0,48

KS = 1,2· 10‒10 = 0,010(2S·х(НF))2; S = 1,1· 10‒4 моль/л

Принятое допущение оправдано.

№ 17

Для редокспары Fe3+/Fe2+ вычислить значение Е при ионной силе 0,01 и 0,1. Оценить значимость влияния ионной силы раствора.

Решение:

активности трехзарядного (f3) и двозарядного (f2) ионов находим в таблице А.3.

При I = 0,01 Е = 0,77 + 0,059lg(0,390,66)= 0,77 – 0,013 = 0,76 В При I = 0,1 Е = 0,77 + 0,059lg(0,0830,33 )= 0,77 – 0,035 = 0,73 В

Учитывая, что в водяных растворах значения Ео для разных редокспар находятся в границах от 3 В до –3 В, влияние ионной силы раствора можно считать небольшим в сравнении с химической природой компонентов.

46

№ 18

Вычислить значение реального стандартного потенциала при рН = 1 и

рН = 6 (I = 0,1) для редоксперехода:

BrО3‒ + 6H+ + 6е = Br‒ + 3Н2О

Решение:

В таблицах А.3 и А.4 находим значение коэффициента активности однозарядного иона f1 = 0,76 для отмеченной ионной силы раствора и Ео = 1,45

Вдля рассмотренной редокспары.

Е= 1,45 + 0,0596 lg 0,76∙0,760,76 2 − 0,059 66 pH= 1,45 – 0,01 – 0,059рН = 1,44 –

–0,059рН

При рН = 1 Е = 1,38 В, а при рН = 6 Е = 1,08 В. В кислой среде окислительная способность бромата существенно растет.

№ 19

Пользуясь таблицей А.3 дополнения, подобрать окислитель для окисления хлоридов к свободному хлору.

Решение:

ЕoCl2/ 2Cl− = 1,36 В. Для окисление хлоридов к свободному хлору подходят редокспары с большим значением стандартного потенциала, например,

окислители: MnО4‒ в кислой среде (Ео = 1,51 В), церий (IV) (Ео = 1,74 В), PbО2 в кислой среде (Ео= 1,46 В) и т.д.

Полноту протекания окислительно‒восстановительной реакции между компонентами двух редокспар характеризуют с помощью реальной константы равновесия (Кr). Пусть один раствор содержит компоненты редокспары

Ox1 + z1e = Red1

И имеет потенциал

47

Раствор с редокспарой ІІ

Если E1 > E1I, то при сливании этих растворов будет протекать реакция,

стехиометрию которой вычисляют из принципа сохранения электронейтральности системы (число принятых электронов формой,

окисления Ох1, равняется числу отданных электронов возобновленной формы

Red11):

zIIOxI + zIRedII = zIIRedI + zIRedII

Превращение OxI и RedII в RedI и OxII происходит до тех пор, пока потенциалы обоих редокспар не станут одинаковыми (EI = EII), то есть пока не наступит равновесие:

zIIOxI + zIRedII = zIIRedI + zIOxII

После превращений получают формулу для вычисления реальной

константы равновесия:

Если Кr >> 1, то реакция протекает практически полностью справа налево, что возможно при EIo,r> EIIo,r . При Kr << 1 реакцию протекает в

обратном направлении, что отвечает случаю EIo,r < EIIo,r.

Если EIo,rмало отличается от EIIo,r, то значение Kr близко к единице и не происходит полного превращения одной формы в другую.

48

№ 20

Написать уравнение реакции между редокспарами H3AsО4, H+/HAsО2 и

I2/2I‒. Рассчитать реальные стандартные потенциалы редокспар и оценить полноту протекания реакции для условий, когда: а) [H+] = 4 моль/л; б) рН = 0; в)

рН = 5.

Решение:

Для редокспереходов (полуреакций):

Значение EIo,r= 0,56 В и EIIo,r = 0,54 В близкие между собой. Направление и полнота протекания реакции будут зависеть от значения рН раствора, что изменяет значение реального стандартного потенциала первой редокспары.

Eo,r (0,60 – 0,54)· 2

а) I = 0,56 + 0,059·lg 4 = 0,60 В; lgКr = = 1,90; Кr = 79,5.

0,059

Реакция протекает относительно полно справа налево

Реакция протекает налево справа далеко не полностью.

Реакция протекает справа налево практически полностью.

№ 21

У скольких раз уменьшится концентрация ионов водорода в 0,2 М

растворе муравьиной кислоты НСОО (К=0,8·10‒5), если до 1л этого раствора прибавить 0,1 моль соли HCOONa? Считать, что соль полностью диссоциирована.

49

Решение:

Исходную концентрацию ионов Н+ в растворе (до добавления соли)

найдем по уравнению:

[H+] = √K ∙ CM = √1,8 ∙ 10−4 ∙ 0,2=6 ∙ 10−3 моль/л

Концентрацию ионов Н+ в растворе после добавлении соли обозначим через х. Тогда концентрация недиссоциированных молекул кислоты будет равняется 0,2 – х. Концентрация же ионов НСОО‒ будет состоять из двух величин: из концентрации, создаваемой диссоциацией молекул кислоты, и

концентрации, обусловленной присутствием в растворе соли. Первая из этих величин равняется х, а друга – 0,1 моль/л; общая концентрация ионов НСОО‒ равняется, следовательно, 0,1+х. Подставив значение концентраций в выражение для константы диссоциации муравьиной кислоты, одержимо:

К=[H+][HCOO−]=x∙(0,1+x)=1,8 ∙ 10−4 [HCOOH] 0,2−x

Поскольку в присутствии одноименных ионов НСОО‒ диссоциация муравьиной кислоты подавляется, то степень ее диссоциации будет малой и значением х в сравнении с 0,1 и 0,2 можно презреть. Тогда последнее выражение упрощается:

К=0,1x0,2 =1,8∙10‒4

Откуда х=3,6·10‒4 моль/л. Сравнивая исходную концентрацию ионов водорода c найденной, находим, что дополнение соли HCOONa вызывало

уменьшение концентрации ионов водорода в 3,6·10−5 , то есть в 16,6 раз.

№ 22

Ступенчатые константы диссоциации сероводороду К1 и К2 уровни соответственно 6·10‒8 и 1·10‒14. Вычислить концентрации ионов Н+, HS‒ и S‒2 в

0,1М растворе H2S.

50