МГУПС, физико-химические процессы в техносфере (контрольная работа)

Варианты контрольных заданий выбираются по номеру последней цифры учебного шифра студента.

Задание 1

Определение рН-среды

Задачи

1. Какой объем раствора КОН, рН которого равен 12, следует добавить к 20 см³ раствора НСi с рН 2, чтобы получить раствор с рН 2,5?

2. В каком соотношении следует смешать два раствора гидроксида натрия, концентрации которых 10^-1 и 10^{-3 М, чтобы получить раствор с рН 12?}

3. Вычислите значения рН растворов, полученных при смешении 10 мл 0,1 М соляной кислоты и 5 мл 0,2 М раствора гидроксида калия.

4. Вычислите значения рН растворов, полученных при смешении 20 мл 0,3 М соляной кислоты и 30 мл 0,1 М раствора гидроксида калия.

5. Для нейтрализации 10,0 мл раствора электролита из автомобильного аккумулятора потребовалось 600 мл 1,0 М раствора NaOH. Определить рН электролита.

6. Вычислите значения рН растворов, полученных при смешении 50 мл 0,1 М соляной кислоты и 40 мл 0,3 М раствора гидроксида калия.

7. Какой объем раствора НСi, рН которого равен 3, следует добавить к 50 см³ раствора КОН с рН 13, чтобы получить раствор с рН 10?

8. В каком соотношении следует смешать два раствора гидроксида натрия, концентрации которых 10^-2 и 10^{-5 М, чтобы получить раствор с рН 14?}

9. Раствор характеризуется водородным показателем pH = 3. Чему равен гидроксильный показатель pOH этого раствора? Чему равны концентрации ионов водорода и гидроксила, каков характер среды в этом растворе?

10. Раствор характеризуется водородным показателем pH = 10. Чему равен гидроксильный показатель pOH этого раствора? Чему равны концентрации ионов водорода и гидроксила, каков характер среды в этом растворе?

Задание 2

Кислотность воды

Кислотность воды может быть обусловлена наличием сво­бодных кислот и солей, образованных слабыми основаниями и сильными кислотами (например, FeS0₄, Zn(N0₃)₂, A1₂(S0₄)₃, и др.).

В производственных сточных водах кислотность может быть вызвана наличием свободных сильных (НСl, HNO₃, H₂S0₄) и слабых кислот (уксусная, цианистоводородная, сероводород­ная и др.), а также солей тяжелых металлов. Поскольку эти соли в значительной степени подвержены гидролизу, то они могут вызвать снижение величины рН до 4,5 и ниже. Кислотность воды, обусловленная присутствием свободных кислот, называ­ется первичной, а гидролизующимися солями – вторичной.

Общая кислотность характеризуется количеством вещества эквивалента щелочи (ммоль/л), необходимым для нейтрализа­ции 1 л воды.

Задачи

11.Кислотность воды обусловлена хлоридом железа. Содер­жание соли – 400 мг/л. Вычислите кислотность воды (ммоль/л). Напишите уравнение реакции гидролиза.

12.В сточной воде содержится 97,12 мг/л хлорида никеля. Рассчитайте кислотность воды.

13.Для воды, содержащей хлорид никеля, с кислотностью 1,0 ммоль/л подобрать реагент для полной нейтрализации воды и рассчитать количество его, необходимое для обработки 500 м³ воды.

14.Рассчитайте массу серной кислоты, содержащуюся в 200 м³ сточной воды, если кислотность ее составляет 4 ммоль/л.

15.Рассчитайте содержание свободной угольной кислоты в 1 л воды с кислотностью 2,5 ммоль/л.

16.Какая активная реакция среды будет у воды, содержащей 67,4 мг/л хлорида меди? Напишите уравнение реакции гидроли­за соли и рассчитайте кислотность воды.

17.Какое количество 2-молярного раствора соляной кисло­ты следует взять для полной нейтрализации 100 м³ воды, содер­жащей 135 мг/л карбонат-ионов, 158 мг/л силикат-ионов?

18.На нейтрализацию 100 м³ сточной воды израсходовано 64,756 кг извести, содержащей 80% гидроксида кальция. Рассчитайте кислотность воды.

19.Кислотность воды вызывается фосфорной кислотой и составляет 10 ммоль/л. Сколько потребуется 80% извести для полной нейтрализации 200 м³ воды?

20.В воду объемом 200 м³ с исходной кислотностью 0,5 ммоль/л поступил сток (100 м³), содержащий 196 мг/л фосфорной кислоты. Как измени­лась кислотность воды? Какое количество гидроксида кальция необходимо для нейтрализации избыточной кислотности, содержащейся в 100 м³ стока?

Щелочность воды

Щелочность воды определяется присутствием соединений, взаимодействующих с сильными кислотами. Это могут быть свободные гидроксиды (в производственных сточных водах) или соли, образованные слабыми кислотами и сильными осно­ваниями (например, гидрокарбонаты, карбонаты, силикаты, сульфиды, ацетаты щелочных металлов). Щелочность, обуслов­ленная наличием растворимых гидроксидов (ионами ОН^-), называется гидратной щелочностью. Свободные основания обу­славливают первичную щелочность, а гидролизующиеся соли – вторичную.

В природных водах щелочность воды обычно вызывается гидрокарбонатами НСО₃^- (гидрокарбонатная), в щелочных во­дах – также и карбонатами С0₃^2- (карбонатная).

Щелочность характеризуется количеством вещества эквива­лента кислоты, необходимого для нейтрализации веществ, со­держащихся в 1 л воды, и выражается в ммоль/л.

Задание 3

Задачи

21.В воде содержится гидросиликат калия. Напишите урав­нения реакций гидролиза соли и рассчитайте содержание ее в воде, если щелочность воды составляет 2,3 ммоль/л.

22.Определите щелочность воды (ммоль/л), если содержа­ние сульфита натрия в ней составляет 330 мг/л. Напишите урав­нение реакции гидролиза соли.

23.Какая из солей вызывает щелочность воды: нитрат на­трия, сульфид натрия, нитрат свинца? Напишите уравнение гидролиза этой соли.

24.Вычислите щелочность воды, если в ней содержится 95 мг/л силикат-ионов. Подберите реагент для полной нейтра­лизации воды и рассчитайте его количество, необходимое для обработки 300 м³ воды.

25.Кислый сток предприятия содержит 300 мг/л соляной кислоты, щелочной сток — 200 мг/л гидроксида натрия. Какая реакция среды будет при смешивании равных объемов стоков? Чему будет равен соответствующий показатель (кислотность или щелочность) воды после смешивания стоков (ммоль/л)?

26.Какие из ионов, содержащихся в воде, вызывают щелоч­ность воды: Са²⁺ — 65 мг/л, Na⁺ — 45 мг/л, НР0₄^2- — 7,2 мг/л, Сl^- — 8,3 мг/л, HS^- — 29,3 мг/л? Какова щелочность воды?

27.Щелочный сток предприятия имеет щелочность 60 ммоль/л и расход воды – 200 м³. Кислый сток того же предприятия содер­жит серную кислоту в количестве 980 мг/л, объем стока – 100 м³. Какая реакция среды будет при смешивании равных объемов этих стоков и каков будет количественный показатель кислотности или щелочности (ммоль/л)? В каких объемах нужно смешать эти стоки, чтобы произошла их взаимная нейтрализация?

28.Какие из ионов, содержащихся в воде, вызывают щелоч­ность: Na⁺ – 80,5 мг/л, К⁺ – 19,5 мг/л, НСО₃^- – 76,2 мг/л, S0₄^2- – 14,2 мг/л, HSiO₃^- – 38,5 мг/л? Рассчитайте щелочность воды.

29.В воде содержится 12 мг/л сульфит-ионов, 90 мг/л карбо­нат-ионов, 38 мг/л силикат-ионов. Рассчитайте общую щелоч­ность воды.

30.В воду с исходной щелочностью 3,5 ммоль/л поступил сток, содержащий 345 мг/л карбоната калия. Как изменилась щелочность воды? Сколько НСl нужно взять для нейтрализации избыточной щелочности 200 м³ воды?

Жесткость воды

Для характеристики свойств природных вод применяется показатель – общая жесткость воды, который в нашей стране характеризуется суммой содержания ионов кальция и магния, выраженной в эквивалентной форме (ммоль/л). 1 ммоль жест­кости по кальцию соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг Са²⁺ или — 12,15 мг Mg²⁺. Ионы кальция и магния связаны в воде с различными анионами (НСО₃^-, S0₄^2-, С1^- и др.). Гидро­карбонаты и карбонаты кальция и магния характеризуют кар­бонатную жесткость воды. В водах с интервалом рН от 4,2 до 8,3 содержатся только гидрокарбонаты кальция и магния. При ки­пячении воды вследствие нарушения карбонатного равновесия гидрокарбонаты разлагаются:

Са(НС0₃)₂ = СаС0₃ (т)↓ + С0₂↑ + Н₂0.

Образующиеся при этом карбонаты кальция и магния име­ют значительно меньшую растворимость, что ведет к снижению карбонатной жесткости. Та часть карбонатной жесткости, ко­торая устраняется кипячением, называется устранимой (вре­менной) жесткостью. Карбонаты кальция и магния, оставшие­ся в воде после кипячения, характеризуют величину остаточной жесткости. Разность между общей и карбонатной жесткостью дает величину некарбонатной жесткости, которая обусловлена содержанием сульфатов, хлоридов и других солей кальция и магния. По разности между общей и устранимой (временной) жесткостью находят величину неустранимой (постоянной) жесткости, соответствующей содержанию сульфатов, хлоридов, карбонатов и других солей кальция и магния.

Соотношение между видами жесткости зависит от типа при­родных вод. У большинства из них содержание гидрокарбонат-ионов меньше, чем величина общей жесткости. В щелочных водах наблюдается соотношение

[НСО^-] < [Са²⁺] + [Mg²⁺]

и общую жесткость при этом условно принимают за карбонатную.

Общая жесткость питьевой воды должна быть не более 7 ммоль/л.

Задание 4

Задачи

31.Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и общую же­сткость воды, если в ней содержится: Са²⁺ — 90,18 мг/л, Mg²⁺ - 45 мг/л, НСО₃^- - 183 мг/л.

32.При кипячении воды содержание ионов кальция умень­шилось с 85 до 20 мг/л, ионов магния с 46 до 16 мг/л. Рассчитайте общую, временную и остаточную жесткость.

33.Рассчитайте содержание в воде гидрокарбонат-ионов, некарбонатную жесткость, содержание ионов магния (мг/л), если общая жесткость воды равна 8,2 ммоль/л, карбонатная жесткость — 3,0 ммоль/л, Са²⁺ — 60,12 мг/л.

34.Содержание ионов кальция в воде составляет 60,12 мг/л, магния — 21,28 мг/д,, гидрокарбонат-ионов — 25,8 мг/л. Рассчи­тайте общую, карбонатную и некарбонатную жесткость воды.

35. После кипячения воды содержание гидрокарбонат- ионов снизилось с 183 до 27,45 мг/л. Общая жесткость воды равна 4,6 ммоль/л. Рассчитайте карбонатную и временную жесткость воды.

36.После кипячения воды с общей жесткостью 8,0 ммоль/л содержание гидрокарбонат-ионов снизилось с 305 до 38 мг/л. Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и временную жест­кость воды.

37.Рассчитайте карбонатную, некарбонатную, общую жест­кость воды, если в ней содержится гидрокарбонат-ионов — 256 мг/л, ионов кальция — 80,12 мг/л, ионов магния — 36,6 мт/л.

38. Определите, сколько 80%-го фосфата натрия следует взять для умягчения 500 м³ воды, если содержание НСО₃^- в ней составляет 200 мг/л, а некарбонатная жесткость равна 2,8 ммоль/л.

39. Определите количество фосфата натрия, необходимое для умягчения 200 м³ воды, содержащей Са²⁺ — 50,1 ммоль/л, Mg²⁺ — 30,4 мг/л (избыток реагента 0,5 ммоль/л, содержание Na₃P0₄ в товарном продукте — 70%). Напишите уравнения ре­акций умягчения.

40. Рассчитайте количество соды, необходимое для умягче­ния 300 м³ с некарбонатной жесткостью 2,5 ммоль/л, при из­бытке реагента, равном 0,5 ммоль/л, и содержании карбоната натрия в товарном продукте, равном 80%. Напишите уравнения реакций умягчения воды.

Задание 5

Ионно-обменные смолы

Задачи

41. Рассчитайте обменную емкость катионита марки КУ-2, если через адсорбционную колонку, содержащую 200 г этого ионита, пропустили 25 л воды, общей жесткостью 13,6 ммоль/л.

42.. Обменная емкость катионита-пермутата Na₂OAl₂0₃٠8Н₂0 равна 7,2 ммоль/л. Каково значение устраненной жесткости во­ды, если через 200 г этого катионита пропущено 50 л воды?

43.  Обменная емкость каолиновой глины составляет 13,5 ммоль/л. Какой объем воды общей жесткостью 3,5 ммоль/л можно профильтровать через 150 г глины для полного удаления катионов кальция и магния?

44.Через колонку с 5 г катионита пропустили 500 мл 0,05 н. раствора соли кальция. При определении иона Са²⁺ в порци­ях no 50 мл получили следующие его концентрации (г-экв/л): 0,003; 0,008; 0,015; 0,025; 0,04; 0,05. Определите динамическую емкость катионита по Са²⁺. Ответ: 1,59 мг-экв/л.

45.Сколько граммов никеля остается в растворе, если че­рез колонку с 10 г катионита пропустили 500 мл 0,05 н. раство­ра соли никеля? Полная динамическая емкость составляет 1,4 мг-экв/л. Ответ: 0,323 г.

46.Какой реагент требуется для нейтрализации воды с рН, равным 11? Рассчитайте значения рН, [Н⁺], [ОН] в этом рас­творе.

47.При определении общей жесткости воды необходимо поддерживать рН равный 10. Рассчитайте значения рН, [Н⁺], [ОН^-] в этом растворе.

48.Гидроксидный показатель производственного стока ра­вен 2. Рассчитайте значения рН, [Н⁺], [ОН~] в этой воде. Какой реагент необходим для ее нейтрализации?

49.Объясните, почему рН дистиллированной воды, контак­тирующей с воздухом, не равен 7, а снижается примерно до 6. Рассчитайте рН, [Н⁺|, [ОН~] в этой воде.

50.Почему в бытовых сточных водах поддерживается слабо­щелочная среда? Какие компоненты предотвращают подкисление? Величина рН воды равна 8. Рассчитайте рН, [Н⁺], [ОН^-].

Задание 6

Коагуляция

Задачи

51.Пороги коагуляции золя электролитами оказались равны­ми (ммоль/л): C_NaN03 =250,0; C_Mg(N03)2=20,0; С _Fe(N03)3 = 0,5. Какие ионы электролитов являются коагулирующими? Как за­ряжены частицы золя.

52.В три емкости налито по 0,1 л золя гидроксида железа. Для того, чтобы вызвать коагуляцию золя, потребовалось добавить в первую емкость 0,01 л 1н. NH₄C1, в другую 0,063 л 0,01н. Na₂S0₄, в третью 0,037 л 0,001н. Na₃P0₄. Вычислите порог коагуляции каждого электролита и определите знак заряда частиц золя.

53.Для коагуляции 0,05 золя сульфида мышьяка можно до­бавить один из следующих растворов электролитов: 0,005 л 2н. NaCl; 0,005 л 0,03н. Na₂S0₄; 0,04 л 0,0005 н. Na₄[Fe(CN)₆]. У ка­кого из приведенных электролитов наименьший порог коагу­ляции?

54.Для коагуляции 100 мл золя гидроокиси железа потребо­валось добавить следующие количества каждого из электроли­тов: 10,5 мл 1н. раствора КС1; 62,5 мл 0,01н. раствора Na₂S0₄ и 37 мл 0,001н. раствора Na₃P0₄. Определите знак заряда золя и пороги коагуляции.

55.Вычислите оптимальную дозу коагулянта A1₂(S0₄)₃ при мутности воды, равной 100 мг/л.

56.Рассчитайте количество 70%-й извести СаО для подщелачивания 500 м³ воды. Исходная щелочность воды 0,8 мг-экв/л, доза алюминиевого коагулянта 85,5 мг/л (в пересчете на без­водную соль).

57.Нужно ли подщелачивать воду при обработке ее желез­ным коагулянтом FeCl₃ 6Н₂0, если доза 30 мг/л (в пересчете на безводную соль) и щелочность исходной воды 0,8 мг-экв/л?

58.Коагуляция золя иодида серебра, частицы которого заря­жены отрицательно, вызывается катионами добавляемых элек­тролитов. Порог коагуляции LiN0₃ для золя равен 165 моль/л. Вычислите порог коагуляции Ba(N0₃)₂ и A1(N0₃)₃ для этого золя.

59.Как изменится порог коагуляции электролитов для золя бромида серебра, частицы которого заряжены положительно, если для коагуляции 1 л золя вместо 0,0015 л 0,1н. K₂S0₄ взят раствор Fe(N0₃)₃?

60.Золь гидроксида меди получен при сливании 0,1 л 0,05н. NaOH и 0,25 л 0,001 н. Cu(N0₃)_r Какой из прибавленных элек­тролитов — КВr, Ba(N0₃)₂; К,СrО₄, MgS0₄, А1С1₃ — имеет наи­меньший порог коагуляции?

Задание 7

Задачи

61. Через сколько лет количество ядер радиоактивного стронция-90, выпавшего с радиоактивными осадками в результате ядерного взрыва, станет менее 1,0 % от изначального количе­ства? Период полураспада ⁹⁰Sr равен 27 лет.

62. Колба, заполненная радоном, светится. Со временем ин­тенсивность свечения уменьшается. Через сколько суток ин­тенсивность свечения уменьшится в 32 раза, если период полу­распада Rn равен 3,8 сут.?

63. Период полураспада изотопа иода ¹³¹J – 8 сут. Сколько ра­диоактивных ядер этого изотопа останется в образце через 120 суток, если начальное количество радиоактивных ядер составляло 10¹⁰?

64. Радиоактивный кобальт ⁶⁰Со имеет период полураспада 5,3 года. Для подавления прорастания картофеля в овощехра­нилище заложили кобальт с начальной активностью 8 Ки. Оп­ределите активность кобальта через 2 года.

65. Определите активность изотопа фосфора ³²Р в почве через 30 суток, если при внесении на 1 кг почвы начальная активность изотопа фосфора составляла 2,5 мкКи. Период полураспада радиоактивного фосфора составляет 14,5 сут.

66. Для повышения урожайности семена пшеницы протра­вили в растворе нитрата натрия, в котором натрий является радиоактивным изотопом ²⁴Na. Начальная активность пропи­танного зерна составила 2,5 мкКи. Во сколько раз уменьшится активность зерна через 5 суток, если период полураспада радио­активного натрия равен 14,8 часа?

67. При эксперименте навеска почвы дала на счетчике Гейге­ра-Мюллера 160 импульсов в секунду. Через 16 суток эта навеска давала 40 импульсов в секунду. Оцените период полу­распада радиоактивного изотопа, внесенного в почву.

68. Зола водорослей содержит по массе около 0,5% йода. В процессе эксперимента 100 г водорослей были обработаны радиоактивным изотопом йода ¹³¹J. Какова активность (A_t) полученной золы через 64 дня, если период полураспада ¹³¹J равен 8 суток?

69. Период полураспада изотопа радия ²²⁶Ra составляет 1600 лет. Сколько ядер изотопа испытает распад за 4800 лет, если начальное число радиоактивных ядер составляет 10¹²?

70. Для уничтожения вредителей зерна в зернохранилище используют радиоактивный кобальт ⁶⁰Со. В проволоке массой 25 г содержание кобальта составляет 0,015% от массы. Определи­те активность радиоактивного кобальта в данном образце, если период полураспада кобальта 5,3 года.