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

Решение:

Поскольку диссоциация H2S протекает преимущественно по первой ступени, то концентрацией ионов Н+, которые образуются при диссоциации по второй ступени, можно презреть и считать, что [H+]= [HS‒]. Тогда

[H+]≈[HS]≈ √K1CM=√6 ∙ 10−8 ∙ 0,1=7,7·10‒5 моль/л

Значение [S‒2] найдем из выражения для второй константы диссоциации:

[H+][S2−] К2= [HS−]

Поскольку [H+] ≈ [HS ‒], то К2 = [S2‒], то есть [S2‒] = 1·10‒14 моль/л;

№ 23

Вычислить ионную силу и активность ионов в растворе, что содержит

0,01 моль/л MgSO4 и 0,01 моль/л MgCl2.

Решение:

Ионная сила раствора равняется:

I=0,5·(CMg2+ ∙ 22 + CSO24− ∙ 22 + CCl− ∙ 12)=0,5·(0,02·4+0,01·4+0,02)=0,07

Коэффициент активности иона Mg+2 (и ровный ему коэффициент

Теперь, пользуясь соотношением а=fCM, активность каждого иона: aMg2+=0,02·0,30=0,006 моль/л

aMg2+=0,01·0,30=0,003 моль/л aMg2+=0,02·0,74=0,0148 моль/л

51

№ 24

Определить концентрации HCO3‒ и CO32‒ в 0,01М растворе угольной кислоты, если pН этого раствора равняется 4,18.

Решение:

Найдем концентрацию ионов водорода в растворе:

‒lg [H+]=4,18 lg [H+]=‒4,18 [H+]=6,61·10‒5 моль/л

Теперь, воспользовавшись данными табл. 2 приложения, запишем

выражение для константы диссоциации угольной кислоты по первой ступени:

№ 25

Определить активность ионов водорода aH+ и значения paH+ в 2,5·10‒3М

растворе HCl, что содержит, кроме того, 2,5·10‒3 моль/л KCl.

Решение:

Для электролитов, которые состоят из однозарядных ионов, значение ионной силы численно равняется общей концентрации раствора; в данном случае

52

I = 2,5·10‒3 + 2,5·10‒3=5·10‒3. При этой ионной силе коэффициент активности однозарядного иона равняется 0,95 (таблица А.4). Следовательно:

aH+=0,95·2,5·10‒3=2,38·10‒3

Теперь находим значение рaH+;

рaH+=‒lg(2,38·10‒3)=2,62

№ 26

Смешаны ровные объемы 0,02 н. растворов хлорида кальция и сульфата натрия. Образуется ли осадок сульфата кальция?

Решение:

Найдем произведение концентраций ионов Са2+ и SO42‒ и сравним его с произведением растворимости сульфата кальция. Исходные молярные концентрации растворов CaCl2 и Na2SO4 одинаковые и рaвные 0,01 моль/л.

Поскольку при смешивании исходных растворов общий объем раствора вдвое вырастет, то концентрации ионов [Ca2+] и [SO42‒] вдвое уменьшатся по сравнению с выходными. Таким образом:

[Ca2+]=[SO42‒]=0,005=5·10‒3 моль/л

Находим произведение концентраций ионов:

[Ca2+][SO42‒]=(5·10‒3)2=2,5·10‒5

По данным (таблица А.1) ПРCaSO4 =1,3·10‒4. Найденное значение произведения концентрации ионов меньше этой величины; следовательно,

раствор будет ненасыщенным относительно сульфата кальция, и осадок не образуется.

№ 27

Произведение растворимости оксалату кальция CaС2O4 равняется 2·10‒9.

Найти растворимость этой соли в 0,1М растворе оксалата аммония (NH4)2C2O4.

53

Решение:

Выражаемый произведение растворимости CaС2O4 через активность его ионов:

ПРCaС2O4=аСа2+ ∙ аC2O24−=[Ca2+][ C2O42‒]·fCa2+ ∙ fC2O24−

Обозначим искомую растворимость соли через s, находим, что [Ca2+]= s

моль/л [C2O42‒]=0,1 моль/л. Таким образом

2·10‒9=0,1s ·fCa2+ ∙ fC2O24− s=2·10‒8 моль/л

Для пребывания значений коэффициентов активности нужно вычислить ионную силу 0,1 М раствора (NH4)2C2O4:

I=0,5·(0,2·12+0,1·22)=0,3

Согласно данным (таблица А.4), при этой ионной силе коэффициенты активности двухзарядных ионов равны 0,42. Тогда

s= 2∙10−8 =1,1·10‒7 моль/л

0,42∙0,42

Сравнивая найденное значение с результатами приближенного расчета без учета коэффициентов активности, видим, что пренебрежение коэффициентами активности привело к существенной ошибке.

№ 28

Окисление сульфида мышьяка (III) концентрированной азотной кислотой происходит по схеме:

As2S3 + HNO3 = Н3AsО4+ H2SO4 + NO

Решение:

В ходе реакции окисляются и мышьяк, и сера: степень окисленности мышьяка повышается от +3 к +5, а серы – от –2 к +6. При этом одна молекула

As2S3 превращается в два иона AsО42‒ и три иона SO42‒:

54

As2S3=2AsО43‒+3SO42‒

Источником кислорода, необходимого для протекания этого процесса,

служат в кислой среде молекулы воды. Для образования двух ионов AsО43‒

нужно восемь молекул воды, а для образования трех ионов SO42‒ — еще двенадцать.

Всего, следовательно, в полуреакции окисления примут участие двадцать молей воды, причем высвобождаются сорок ионов водорода:

As2S3 + 20Н2О =2AsО43‒ + 3SO42‒ + 40Н+

В левой части схемы заряженных частиц нет, а суммарный заряд частиц правой части равняется +28; таким образом, при окислении одной молекулы

As2S3 отдает 28 электронов. Окончательно получаем уравнение полуреакции окисления в следующем виде:

As2S3 + 20 Н2О = 2 AsО43‒ + 3 SO42‒ + 40 Н++ 28e̅

При составлении уравнения полуреакции восстановления азота исходим из схемы NO3‒ > NO. В ходе этого процесса высвобождаются два атома кислорода, что в кислой среде связываются у двух молекул воды четырьмя ионами водорода:

NO3‒ + 4Н+ = NO + 2Н2О

№29

Вычислить степень гидролиза ацетата калию в 0,1М растворе и pН

раствора.

Решение:

Уравнение реакции гидролиза:

CH3COO‒+H2O↔CH3COOH+OH‒

55

Константа гидролиза по этой ступени определяется константой диссоциации слабой кислоты, что образовалась, НРО42‒‒, то есть третьей константой диссоциации ортофосфорной кислоты (1,3·10‒12):

Кг=КН2О= 10−14 =7,7·10‒3

К3 1,3∙10−12

Находим степень гидролиза:

h=√Kг =√7,7∙10−3=2,8·10‒2 СМ 0,1

Концентрация образованных гидроксид – ионов равняется h·См, то есть

[ОН‒] = 2,8·10‒2·0,1 = 2,8·10‒3, откуда рОН = ‒ lg(2,8·10‒3)= 2,55

Окончательно получаем: рН = 14 ‒ рОН = 11,45.

№31

Закончить уравнение реакции окисления сероводороду хлорной водой.

Реакция протекает по схеме:

H2S + С12 +Н2О = H2SO4 + HC1

Решение:

В ходе реакции степень окисленности хлора снижается от 0 до ‒1 (хлор восстанавливается), а серы ‒ повышается от ‒ 2 до +6 (сера окисляется).

Уравнение полуреакции восстановления хлора:

Cl2+2e=2Cl‒

При составлении уравнения полуреакции окисления серы исходим из схемы: H2S→SО42‒. В ходе этого процесса атом серы связывается с четырьмя атомами кислорода, источником которых служат четыре молекулы воды. При этом образуется восемь ионов водорода Н+; кроме того, два иона Н+

высвобождаются из молекулы H2S. Всего, следовательно, образуются 10Н+:

57

Решение:

В 1л раствора перманганата калия содержится 0,2 эквивалента KMnО4, а в 50

мл раствора 0,2·0,05=0,01 эквивалента. Согласно закону эквивалентов, при восстановлении этого количества КМnO4 будет окисляться такое же количество восстановителя. Найдем эквивалентную массу (NH4)2C2O4. Из уравнения полуреакции окисления:

С2О42‒ = 2СО2 + 2е̅

МЭ = Мn =124,12 = 62,05 г/моль.

Следовательно, наличным количеством КМnО4 можно окислить

62,05·0,01 = 0,62 г оксалата аммония.

58

7. Понятие об активном хлоре. Требования ГОСТ 2874-82 по содержанию остаточного активного хлора в воде (свободного и связанного). При определении процентного содержания активного хлора в хлорной извести на титрование было потрачено 10 мл 0,05 н. раствора Na2S2O3. Для определения был взят 5 мл 1 %-ного раствора хлорной извести. Рассчитайте % активного хлора. Сопоставьте с теоретической величиной. Состав хлорной извести отвечает формуле:

3CaCl2O·Ca(OH)2·5H2O

8.Как изменится состав воды из примера № 6, если к 100 л этой воды прибавить 20г NaOH? Сколько грамм NaOH понадобится для полного смягчения этой воды?

9.Какой метод катионирования можно предложить для воды, если нужный получить воду с остаточной жесткостью не более 0,2 мг-экв/л и щелочностью 1 мэкв/л? Какой объем воды нужно пропустить через H –

катионовый фильтр, через Na – катионовый фильтр? Чем объяснить низкую эффективность смягчения воды с высокой постоянной жесткостью на H –

катионовых фильтрах?

10.В двух водах содержаться ровные количества свободной углекислоты. Солесодержание первой воды выше, чем второй. В какой воде вероятнее появление агрессивной углекислоты? Докажите расчетом.

11.Специальный метод очистки воды экстракцией. В чем его суть, какие законы лежат в основе метода? Определите степень извлечения никеля из 100 мл водного раствора (в виде диметилглиоксимата) при двукратной экстракции по 10 мл хлороформом. Коэффициент распределения К = 410. По каким критериям следует выбирать экстрагент для извлечения загрязняющих воду веществ?

12.При анализе 100 мл естественной воды найдено следующее

60