MILIEUCHEMIE: OEFENINGEN

Transcriptie

1 MILIEUCHEMIE: OEFENINGEN OEFENZITTING 1 1. De reactie tussen calciet (vaste stof; alkalisch) en (gas; zuur) is: Waarvoor bij en totale druk; is de in de atmosfeer die in evenwicht staat met de oplossing, de partieeldruk wordt uitgedrukt in. Schrijf de evenwichtsconstante van de reactie. Wat is de oplosbaarheid van dit mineraal in wanneer de partieeldruk gelijk is aan? De ladingsbalans dicteert dat er -ionen vrijkomen voor elke mol -ionen. De oplosbaarheid van calciet bedraagt. 2. Beschouw de oplossingsreactie: Waarbij en bij. Zilverchloride is ook gekend als het mineraal cerargyriet. Deze reactie komt voor in het interne elektrolyt van ph-glaselektrodes. De beperkte oplosbaarheid van cerargyriet limiteert ook de maximumconcentraties van zilver in vele natuurlijke waters. Wat is de bij? Het effect van temperatuur op de evenwichtsconstante wordt gegeven door volgende uitdrukking: Dus: ( ) ( ) Het oplosbaarheidsproduct van cerargyriet bij bedraagt. 1

2 3. Wat is de oplosbaarheid (bij ) van in (a) zuiver water; (b) een oplossing en (c) een oplossing? (a) (b) zie tabel met voorspelde waarden door de Davies-vergelijking (c) KCl is analoog aan KNO uit (b) [Ag ] is veel kleiner dan [K ] door toevoeging van een zout met een gemeenschappelijk ion, daalt de oplosbaarheid 4. Een zwak zuur dissocieert volgens met een evenwichtconstante. Wordt de van de oplossing beïnvloed door het toevoegen van een neutraal zout (vb. Invloed op de ). Wordt de graad van dissociatie van het zuur Evenwichtsconditie: Massabalans: Ladingsbalans: [Na ] [Cl ] hierdoor beïnvloed? [OH ] is verwaarloosbaar omwille van het zuur milieu Met deze gegevens kunnen we de evenwichtsconstante herschrijven 2

3 is verwaarloosbaar t.o.v., waardoor deze uitdrukking verder vereenvoudigd kan worden: De kan dan berekend worden: is de activiteitscoëfficiënt van een moleculaire species (het zuur ). Bij het toevoegen van zout (dus het verhogen van de ionische sterkte ), zal de activiteitscoëfficiënt amper stijgen. Dit is duidelijk te zien op figuur 1.3 op blz. 19 in de cursus. Het toevoegen van zout heeft dus nauwelijks invloed op de. Invloed op de dissociatiegraad De dissociatiegraad wordt gegeven door volgende formule: Eerder hebben we deze vergelijkingen afgeleid: De dissociatieconstante kan herschreven* worden als: In deze uitdrukking komt wel de activiteitscoëfficiënt voor van de ionische species. Bij het toevoegen van zout, zal deze significant dalen (zie bovenstaande grafiek). Het toevoegen van zout zal dus wel een merkbaar effect hebben op de dissociatiegraad. *Afhankelijk van de gebruikte vereenvoudigingen zal men een andere uitdrukking bekomen. De activiteitscoëfficiënt voor ionische species zal steeds in de uitdrukking blijven. 3

4 OEFENZITTING 2 oefening 1-3: je mag activiteitscoëfficiënten gelijk stellen aan voor oefening 4 neem je aan dat 1. Wat is de van een azijnzuur oplossing, als je weet dat de zuurconstante en (acetaat-ion).? Vermeld in je antwoord de oplossingsconcentraties van Evenwichtsconditie: Ladingsbalans: [OH ] is verwaarloosbaar omwille van het zuur milieu Massabalans: Uitwerking: vierkantsvergelijking oplossen 2. Als je weet dat de zuurconstante van waterstofcyanide gelijk is aan bij, wat is de van een natriumcyanide oplossing? Wat zijn de concentraties van en in deze oplossing? Reactievergelijkingen: Evenwichtsconditie: Ladingsbalans: [H ] is verwaarloosbaar omwille van het basisch milieu Massabalans: aangezien [CN ] [OH ] M en [CN ] [HCN] M 4

5 Uitwerking: 3. Wat is de van een waterige oplossing verzadigd met amorf silica? De oplossingsreactie van silica is: met en de van is. Reactievergelijkingen en evenwichtscondities: Uitwerking (zonder aannames): komt overeen met de concentratie protonen in oplossing, min het aantal protonen daarvan afkomstig van de dissociatie van water. Deze laatste protonen komen overeen met. ( ) 5

6 4. De reactie tussen calciet (alkalisch mineraal) en (het zuur) is: Waarvoor geldt, bij : met in. Wat is de en de oplosbaarheid van het calciet (vb. de -concentratie) bij, respectievelijk, en? Het bicarbonaat kan nog verder omgezet worden naar en, voor beide reacties kan je de -waarden pz eken Neem aan dat. Tip: beide laatste vormen kan men in de ladingsbalans verwaarlozen in het traject waar je met dit alkalisch mineraal zal eindigen! Evenwichtscondities: Activiteitscoëfficiënten:. Bijhorende waarden opzoeken in de tabel levert op: voor kan benaderd worden met de Setchenow-vergelijking. Er zijn 6 onbekenden en 5 vergelijkingen. We dienen dus 1 veronderstelling te maken. Ladingsbalans: het milieu is noch (extreem) zuur noch basisch CO mag verwaarloosd worden (zie gegeven) 6

7 Concentratie berekenen: Concentratie berekenen: Concentratie berekenen: Concentratie berekenen: berekenen: ( ) 7

8 5. Een zwak zuur (waarvan de gekend is) met een concentratie wordt getitreerd met een sterke base. Toon aan dat de buffercapaciteit gelijk is aan (met vereenvoudigingen): En dat de hoogste waarde verkregen wordt bij. De buffercapaciteit wordt gedefinieerd als: Ladingsbalans: in de gebufferde zone verwaarloosbaar Berekening : Afleiding : Afleiding van : ( n n ) Samengevoegd: 8

9 Om het maximum te vinden moet de afgeleide van deze uitdrukking 0 zijn: ( ) ( ) De hoogste waarde wordt bereikt wanneer. 9

10 OEFENZITTING 3 1. Bereken de vrije ionconcentraties van bij een totale opgeloste concentratie in water van in aanwezigheid van fulvuszuren bij. De voor is en de voor is. Reactievergelijkingen & evenwichtscondities: Massabalans: Er zijn 5 vergelijkingen en 5 onbekenden. Uitwerking: ( ) ( ) 10

11 2. Wat is de concentratie van opgelost in een bodemoplossing bij in aanwezigheid van (a) of (b) fulvuszuur wanneer ferrihydriet aanwezig is? Neem aan dat de voor met fulvaat (gedeprotoneerde vorm van humuszuur) gelijk is aan en dat de van een model fulvuszuur gelijk is aan. Gebruik Figuur 1.8 uit de cursus om de concentraties -hydrolyseproducten te schatten. Reactievergelijkingen & evenwichtscondities: Massabalans: (a) fulvuszuur (b) fulvuszuur De aanwezigheid van fulvuszuren heft geen invloed op de andere evenwichten. Een deel van de ijzeri nen w rdt p es a en a s c mp ex en de andere evenwichten stellen zich weer in. De concentraties van de andere componenten blijven dus gelijk aan de situatie zonder fulvuszuur. 11

12 3. Beschouw water dat,, ; colloïdaal en colloïdaal bevat. Hoe veel DOC (in, met formule ) is er nodig om dit systeem te reduceren tot net onder de grens? Neem aan dat gereduceerd wordt tot en niet tot. Na het opstellen van de juiste redoxreacties, kan door middel van de stoichiometrie van de reactie bepaald worden hoeveel DOC er vereist is om elke component te reduceren. Component Er is in totaal Hoeveelheid (mm) Redoxreactie vereist om het systeem te reduceren. Systeem Vereiste DOC (mm) 0,25 0,125 0,2 0,025 0,05 Dit komt overeen met 7,8 milligram koolstof per liter. 4. Vervolledig de volgend redoxreacties: a) Oxidatie van pyriet met zuurstof naar sulfaat en opgelost (in heel zure omstandigheden), naar sulfaat en opgelost (matig zuur) en naar sulfaat en (ph neutrale omstandigheden). b) Reductie van arsenaat naar arseniet met organische stof. (a) (b) 12

13 OEFENZITTING 4 1. Bepaal het ladingstekort in het rooster van volgende kleimineralen en dus de hoeveelheid uitwisselbare, in mol per eenheidscel. Tot welke klasse van bladsilicaten behoren deze structuren (1:1, 2:1, di- of tri-octaëdrisch)? Algemeen overzicht onderscheid tussen 1:1 en 2:1, di- en tri-octaëdrisch 1:1, di-oct.: 2:1, di-oct.: 1:1, tri-oct.: 2:1, tri-oct.: a) di-octaëdrisch 2:1-klei b) tri-octaëdrisch 2:1-klei 2. De beschikbare kati nen in de b dem zijn de s m van de kati nen p het uitwisselingscomplex en de kationen in de bodemoplossing. De van een bodem is droog gewicht en de bodemoplossing bevat en. Wat is de verhouding van kationen in de bodemoplossing tot het totaal aantal beschikbare kationen? Neem aan dan het volumetrisch vochtgehalte water is en dat de bodemdichtheid gelijk is aan drooggewicht vochtige bodem. 13

14 3. Een bodem bevat drooggewicht orthofosfaat. De bodem bevat bovendien bindingsites voor en de is. Wat is de concentratie orthofosfaat in oplossing? Het gravimetrisch watergehalte van de bodem is water per drooggewicht. Evenwichtsconditie: Massabalans: 14

15 4. Bereken de concentratie orthofosfaat in de bodemoplossing voor dezelfde situatie als in de vorige oefening, maar wanneer concurreert met de sorptie-sites. De voor is en de totale hoeveelheid is drooggewicht. Evenwichtsconditie: Massabalans: verwaarloosbaar omdat veel kleiner dan [P s ] verwaarloosbaar omdat veel kleiner dan [P s ] 5. Een bodem heeft een en een. Toon aan dat de wanneer je aanneemt dat de reacties omkeerbaar zijn. 15

16 6. Beschouw een humussubstantie met een gemiddelde (gecorrigeerd voor ionische sterkte. Eén gram van dit materiaal heeft zure groepen en is opgelost in bij. Wat is de concentratie (in drooggewicht) van specifiek en niet-specifiek geadsorbeerde protonen wanneer je aanneemt dat de sorptie? voor niet-specifieke Er zijn 1000 keer meer -ionen dan protonen niet-specifiek geadsorbeerd. Van de zure groepen is de helft dus bezet. 16

17 OEFENZITTING 5 1. Een bodem heeft een van drooggewicht en zijn gravimetrisch vochtgehalte is water drooggewicht. De bodemoplossing bevat:,, en. De is. Bereken (a) de fractie equivalenten van en op het uitwisselingscomplex (neem aan dat beide kationen de kwantitatief bezetten) en (b) de samenstelling van de bodemoplossing wanneer de bodem uitdroogt tot een gravimetrisch vochtgehalte van water drooggewicht. Het tweede deel (b) van dit probleem leidt tot een derdegraadsvergelijking maar kan vereenvoudigd worden met behulp van de conclusie uit oefening 14, d.w.z. de kationen in oplossing dragen niet veel bij tot de massabalans van de beschikbare kationen. (a) (b) Het aantal geadsorbeerde kationen is veel groter dan het aantal kationen in oplossing. blijven dus onveranderd. De zoutconcentratie ( ) is na uitdroging 3 keer hoger in de verdroogde bodem dan in de natte bodem. Er vindt enkel uitwisseling plaats, geen neerslag. Ladingsbalans: Initieel: en Finaal: ( ) ( ) 17

18 2. De jaarlijkse verzurende depositie op een bodem is en dit mengt zich in de toplaag (dichtheid ). Bijkomend is er een verzuring door jaarlijkse nitraatuitspoeling van uit die toplaag en deze nitraat is netto afkomstig uit mineralisatie+nitrificatie van bodem organische- ( De bodem heeft een initiële, een effectieve van en baseverzadiging. Hoe lang duurt het tot de is waarbij de effectieve daalt tot waarvan slechts bezet is met neutra e base kati nen Verlies uitwisselbare basen Initieel ( baseverzadiging) basen per basen per Finaal ( baseverzadiging) basen per Verlies basen per Zure regen Nitraatuitspoeling Totaal Massa per hectare toegevoegd Verzuring per kilo bodem Benodigde tijd basen per 18

19 3. Men wil een lood verontreinigde bodem ( d.s.) saneren door het te immobiliseren met fosfaten, het heeft een oplosbaarheidsproduct van. De bodem heeft een en lood is geadsorbeerd op de organisch stof van de bodem met een voor de bodem van. Men voegt d.s. orthofosfaat toe. De oxides van de bodem adsorberen echter fosfaat en op de bodem zijn er bindingssites met een sorptieconstante van orthofosfaat (elke vorm, dus, enz.). Het gravimetrisch vochtgehalte van de bodem d.s. Kan neerslaan als fosfaatzout in die condities? De ionische sterkte van de oplossing is (constant). De s van orthofosfaat zijn, en. Ga ervan uit dat de Langmuir-waarde verwijst naar de concentratie orthofosfaat en niet naar de activiteit. Gegeven: Evenwichtscondities Massabalans Gevraagd: Uitwerking Stap 1: berekenen neerslaan < in oplossing blijven 19

20 Stap 2: berekenen met Stap 3: oplosbaarheid zal neerslaan. Veel succes!!! 20