Ćwiczenia z Geochemii Ogólnej

PROJEKT 2

Wykonali:
Łukasz Kielar Damian Krupa	248081 254492	Gr. 3DIŚ3 Gr. 3DIŚ3

Ćwiczenie 1.

Dostałeś w spadku działkę budowlaną w okolicach Polkowic. Teren jest częściowo uzbrojony – jest kanalizacja, ale wodę musisz mieć swoją. Zamawiasz studnię wierconą, która kosztuje Cię dość sporo bo zwierciadło wód gruntowych okazało się tam głęboko. Podobno, jak twierdzi sąsiad, „to przez te kopalnie pod nami”. Z przerażeniem myślisz, że Twoja woda może pochodzić z poziomu piaskowców kruszconośnych bogatych w pirotyn. Zanim wyślesz próbkę do analizy na żelazo postanawiasz policzyć ile żelaza byłoby w wodzie, gdyby była ona w równowadze z pirotynem.

1. Czy pirotyn jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania?

FeS ↔Fe²⁺+S²⁻

Przyjmujemy temperaturę (T)=25^oC oraz ciśnienie (p)=1 atm.

	δG^o [cal/mol]	δG^o [J/mol]	δH^o [cal/mol]	δH^o [J/mol]
Pirotyn FeS	-24000	-100414,21	-23900	-99995,82
Fe^2+	-18850	-78866,99	-21300	-89117,61
S^2+	19253,52	80555,29	7887,23	32999,58
	[J/mol*K]	[cal/mol*K]
R (stała gazowa)	8,314	1,987
	Przelicznik jednostek
	[J]	[cal]
	1	0,23901
	4,184	1

Wartość energii swobodnej (G^o)

G^o_reakcji  =  ΣG_f^o_produktow  −  ΣG_f^o_substratow   =  (G^o_Fe + G^o_S) − G^o_FeS

$${{G}^{o}}_{\text{reakcji}}\ = \ 102102,51\ \lbrack\frac{J}{\text{mol}}\rbrack$$

Reakcja ma tendencję do samorzutnego zachodzenia w lewo, co oznacza że pirotyn (FeS) w warunkach normalnych jest minerałem trwałym.

1. Oblicz stałą równowagi K_eq (równa w tym wypadku stałej rozpuszczalności K_sp) w temperaturze wody ze studni po ogrzaniu do temperatury pokojowej równej 25^oC.

	[^oC]	[K]
T	25	298,15

$$K_{\text{eq}} = e^{\frac{- G}{\text{RT}}}\ \lbrack - \rbrack$$

$$K_{\text{eq}} = e^{\frac{- 102102,51}{8,314*298,15}}\ \lbrack - \rbrack$$

K_eq = 1, 29 * 10⁻¹⁸ = 10^−17, 89 [−]

1. Czy w temperaturze pokojowej w warunkach normalnych nastąpi wytrącanie galeny z wody studziennej, w której stężenia jonów wynoszą odpowiednio:

	[mol/dm^3]
[Fe^2+]	10^-7
[S^2-]	10^-6,5

$$SI = \frac{\text{IAP}}{K_{\text{SP}}}\ \lbrack - \rbrack$$

Gdzie: SI – wskaźnik nasycenia roztworu,

IAP – iloczyn jonowy obliczany na podstawie aktywności substancji biorących udział w reakcji,

K_SP – stała równowagi reakcji dla danych warunków.

$$SI = \frac{\lbrack\text{Fe}^{2 +}\rbrack\lbrack S^{2 -}\rbrack}{K_{\text{SP}}}\ $$

$$SI = \frac{10^{- 7}*10^{- 6,5}}{10^{- 17,89}}$$

SI = 24, 55 * 10³ = 10^4, 39[−]

Wskaźnik nasycenia roztworu jest większy od 1, co mówi nam o tym, że roztwór jest nasycony i nastąpi wytrącanie pirotynu z wody studziennej.

Ćwiczenie 2.

Na podstawie otrzymanych wyników analiz chemicznych dwóch próbek wód:

• przedstaw wyniki analizy w mmol/dm³,

• oblicz błąd analizy na podstawie bilansu ładunków,

• oblicz twardość [mval/dm³] oraz nazwij wodę z uwagi na twardość ogólną,

• przedstaw wyniki graficznie na diagramie Pipera.

Ponadto:

• Wodę powierzchniową zaklasyfikuj do odpowiedniej klasy czystości oraz sprawdź czy jej skład chemiczny pozwala na wykorzystanie do celów pitnych (Rozporządzenie Ministra Zdrowia z 29.03.2007 r. i 20.04.2010 r.). Jeśli nie, to jakie składniki/parametry o tym decydują?

• Sprawdź, czy skład chemiczny wody „mineralnej” pozwala na nazwanie jej wodą mineralną, a jeśli tak, to uzupełnij jej nazwę.

1. Woda nr 1

Składnik	Masa molowa	Ładunek	mg/dm^3	mmol/dm^3	mval/dm^3	Klasa
Ca^2+	40,08	2	62,00	1,547	3,094	II
Mg^2+	24,31	2	13,80	0,568	1,135	I
Na^+	22,99	1	14,70	0,639	0,639	-
K^+	39,10	1	2,40	0,061	0,061	-
HCO3^-	61,02	1	259,60	4,254	4,254	-
SO4^2-	96,07	2	24,50	0,255	0,510	I
Cl^-	35,45	1	2,80	0,079	0,079	I
PO4^3-	94,97	3	0,40	0,004	0,013	III
NO3^-	62,01	1	8,01	0,129	0,129	II
NH4^+	18,05	1	0,67	0,037	0,037	II
Li^+	6,94	1	0,01	0,001	0,001	-
Fe^2+	55,85	2	0,15	0,003	0,005	II
Mn^2+	54,94	2	0,038	0,001	0,001	I
Sr^2+	87,62	2	0,60	0,007	0,014	-
ChZT-Cr	-	-	4,24	-	-	I
BZT5	-	-	1,70	-	-	I

Bilans jonowy:

	[mval/dm^3]
∑K	4,989
∑A	4,985
suma	9,974

Gdzie: ∑K – suma kationów,

∑A – suma anionów.

Błąd analizy (x):

$$x = \frac{\sum K - \sum A}{\sum K + \sum A}*100\ \lbrack\%\rbrack$$

$$x = \frac{4,989 - 4,985}{4,989 + 4,985}*100\ $$

x = 0, 04 %

Dopuszczalny błąd względny dla analizy wody powierzchniowej nr 1 mieści się w granicach błędu. Analiza została wykonana poprawnie.

Twardość wody (mval/dm³):

Kation	Mnożnik	mval/dm^3	Twardość [^oN]
Ca^2+	0,04990	3,094	8,663
Mg^2+	0,08224	1,135	3,178
Sr^2+	0,02282	0,014	0,038
Fe^2+	0,03581	0,005	0,015
Mn^2+	0,07281	0,003	0,008
	suma	4,251	11,902

Interpretując wyniki na twardość dla próbki wody powierzchniowej nr 1 można stwierdzić, że woda należy do średnio twardych.

Obliczenia do diagramu Pipera
Ca^2+	3,094
Mg^2+	1,135
Na^+	0,639
K^+	0,061
SO4^2-	0,510
HCO3^-	4,254
Cl^-	0,079

Analizowana przez nas woda tylko w jednym przypadku przekracza określone rozporządzeniami wartości dopuszczalne. Mianowicie NH₄⁺ nieznacznie odbiega od przyjętej wartości (0,5 mg/L). Może to świadczyć o świeżym zanieczyszczeniu miejscowym, np. nielegalne odprowadzenie gnojowicy do rzeki. Woda powinna być przeanalizowana ponownie za jakiś czas. W tym momencie woda nie odpowiada normom. Wartości ChZT-Cr i BZT₅ są w normach co oznacza, że jest bardzo niewiele mikroorganizmów obecnych w wodzie. Z uwagi na poziom fosforanów, wodę można zakwalifikować do III klasy jakości wód powierzchniowych (wody zadowalającej jakości).

Diagram Pipera

1. Woda nr 2

Powierzchniowa	Masa molowa	Ładunek	mg/dm^3	mmol/dm^3	mval/dm^3	Klasa
Ca^2+	40,08	2	41,31	1,031	2,061	I
Mg^2+	24,31	2	13,19	0,543	1,085	I
Na^+	22,99	1	29,96	1,303	1,303	-
K^+	39,10	1	1,28	0,033	0,033	-
HCO3^-	61,02	1	278,00	4,556	4,556	-
SO4^2-	96,07	2	13,63	0,142	0,284	I
Cl^-	35,45	1	7,00	0,197	0,197	I
PO4^3-	94,97	3	0,10	0,001	0,003	I
NO3^-	62,01	1	8,29	0,134	0,134	II
NH4^+	18,05	1	0,69	0,038	0,038	II
Li^+	6,94	1	0,04	0,006	0,006	-
Fe^2+	55,85	2	0,19	0,003	0,007	II
Mn^2+	54,94	2	0,047	0,001	0,002	I
Sr^2+	87,62	2	0,43	0,005	0,010	-
ChZT-Cr	-	-	28,28	-	-	III
BZT5	-	-	11,31	-	-	IV

Bilans jonowy:

	[mval/dm^3]
∑K	4,545
∑A	5,174
suma	9,719

Gdzie: ∑K – suma kationów,

∑A – suma anionów.

Błąd analizy (x):

$$x = \frac{\sum K - \sum A}{\sum K + \sum A}*100\ \lbrack\%\rbrack$$

$$x = \frac{4,545 - 5,174}{4,545 + 5,174}*100\ $$

x = −6, 47 %

Dopuszczalny błąd względny dla analizy wody powierzchniowej nr 2 nie mieści się w granicach błędu, który w tym przypadku wynosi 2-5 %. Analiza nie została prawidłowo wykonana i należałoby ją powtórzyć.

Twardość wody (mval/dm³):

Kation	Mnożnik	mval/dm^3	Twardość [^oN]
Ca^2+	0,04990	2,061	5,772
Mg^2+	0,08224	1,085	3,037
Sr^2+	0,02282	0,010	0,027
Fe^2+	0,03581	0,007	0,019
Mn^2+	0,07281	0,003	0,010
	suma	3,166	8,865

Interpretując wyniki na twardość dla próbki wody powierzchniowej nr 2 można stwierdzić, że woda należy do wód miękkich.

Obliczenia do diagramu Pipera
Ca^2+	2,061
Mg^2+	1,085
Na^+	1,303
K^+	0,033
SO4^2-	0,284
HCO3^-	4,556
Cl^-	0,197

Analizowana przez nas woda tylko w jednym przypadku przekracza określone rozporządzeniami wartości dopuszczalne. Mianowicie NH₄⁺ nieznacznie odbiega od przyjętej wartości (0,5 mg/L). Może to świadczyć o świeżym zanieczyszczeniu miejscowym, np. nielegalne odprowadzenie gnojowicy do rzeki. Woda powinna być przeanalizowana ponownie za jakiś czas. W tym momencie woda nie odpowiada normom. Wartości ChZT-Cr i BZT₅ są znacznie podwyższone w porównaniu do wody powierzchniowej nr 1. Można wnioskować, że jest bogata w liczne mikroorganizmy, co w dalszym etapie może doprowadzić do eutrofizacji tej wody. Wartości Mn²⁺ oraz Fe²⁺ są zbliżone do granicznych, lecz ich nie przekraczają. Z uwagi na poziom ChZT-Cr oraz BZT₅, wodę można zakwalifikować do IV klasy jakości wód powierzchniowych (wody niezadowalającej jakości).

Diagram Pipera