Joanna Policht nr indeksu 247932

Marzena Połeć nr indeksu 247933

Rok 3

GiG gr 7

Projekt II (1)

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, jak się okazało, jest 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 wodze, gdyby była ona w równowadze z pirotynem. Ponadto woda z tej studni wierconej jest bardzo zimna (ma ok. 5^oC). Zastanawiasz się, czy jak się ogrzeje, np. przy myciu zębów, to czy nie wytrąci się z niej pirotyn?

czy pirotyn jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania?

FeS ↔ Fe²⁺ + S^2- (dla T = 25^oC i P = 1 atm.)

oblicz stałą równowagi K (równa w tym wypadku stałej rozpuszczalności K_sp) dla temperatury wody w studni 5^oC. Jeżeli założymy, że jedynym źródłem Fe i S w wodzie jest rozpuszczający się pirotyn to stężenie żelaza w wodzie studziennej wyniesie $\sqrt{}K_{\text{sp}}$ mol/dm³ (ponieważ K_sp = [Fe²⁺]*[S^2-], [Fe²⁺]=[S^2-]).

jeśli Twoja woda studzienna ogrzeje się do 25^oC to, czy spowoduje to wytrącanie się pirotynu?

Obliczenia:

1. Aby sprawdzić czy pirotyn jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania należy obliczyć energię swobodną Gibbsa ΔG i określić jej znak. Do tego potrzeba wyliczyć entalpię i entropię reakcji.

FeS ↔ Fe²⁺ + S^2- (dla T = 25^oC i P = 1 atm.)

Tabela

Faza	ΔH	ΔS
FeS	-100960	60,33
Fe^2+	-89100	-138,00
S^2-	33000	-15,00

T=273+25=298K

Entalpia:

ΔH_r^o=∑ΔH^o_p-∑ΔH^o_s

ΔH_r^o=[33000+(-89100)]-(-100960)=44860 [J/mol] (reakcja endotermiczna)

Entropia:

ΔS_r^o=∑ΔS^o_p-∑ΔS^o_s

ΔS_r^o=(-138-15)-60,33=-213,33 [J/mol*K]

Energia swobodna Gibbsa:

ΔG_r=ΔH-TΔS

ΔG_r=44860-298*(-213,33)=108432,34 [J/mol]

Odp: Pirotyn jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania (gdyż energia swobodna Gibbsa>0)

1. Aby obliczyć stałą równowagi K (która jest równa w tym wypadku stałej rozpuszczalności K_sp) należy najpierw obliczyć K_sp dla temperatury 25^oC, a następnie wstawić ten wynik do równania Van’t Hoffa w celu wyliczenia K_sp dla temperatury 5^oC.

W tym celu należy wykorzystać wzór:

0= ΔG_r+RT*lnK_sp, gdzie R jest stałą gazową.

0=108432,34+8,314*298lnK_sp1

-108432,34=2477,572lnK_sp1

lnK_sp1=-43,766

K_sp1=e^-43,766

K_sp1=9,8326*10^-20 /log

logK_sp1=-19,01

K_sp1^25’C=10^-19,01

Równanie Van’t Hoffa:

ln$\mathbf{\ln}\frac{\mathbf{K}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{K}_{\mathbf{1}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{-}\mathbf{\text{ΔH}}\mathbf{r}}{\mathbf{R}}\mathbf{(}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{T}_{\mathbf{2}}}\mathbf{-}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{T}_{\mathbf{1}}}\mathbf{)}$

K_sp1=10^-19,01

K_sp2=?

T₁=298K

T₂=278K

-ΔH_r^o=-44860

P: $\frac{- 44860}{8,314}\left( \frac{1}{278} - \frac{1}{298} \right) = - 1,303$

L: $\ln\frac{Ksp2}{Ksp1} =$K_sp2-lnK_sp1

ln K_sp2=-43,766-1,303

ln K_sp2=-45,069

K_sp2=e^-45,07

K_sp2=2,67*10^-20 /log

log K_sp2=-19,57

K_sp2^5’C=10^-19,57
$\sqrt{\mathbf{\text{Ksp}}_{\mathbf{2}}\mathbf{5}^{\mathbf{o}}\mathbf{C}}$=1,64*10^-10

Odp: Stała rozpuszczalności Ksp dla temperatury wody w studni 5^oC wynosi 10^-19,57.

Stężenie żelaza w wodzie studziennej wynosi √Ksp czyli √10^-19,57= 1,64*10^-10 mol/dm3 .

1. Analizując wyniki z podpunktu b), gdzie obliczono stałą rozpuszczalności dla pirotynu w temperaturze 5^oC (K_sp2^5’C=10^-19,57) i 25^oC (K_sp2^5’C=10^-19,01) wynika, iż K_sp w temperaturze 25^oC jest wyższe niż przy temperaturze 5^oC (co jest zgodne z zasadą – wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność rośnie). Im wyższa wartość K_sp tym minerał trudniej rozpuszczalny, czyli jeśli pirotyn nie wytrąca się przy temperaturze 5^oC – gdzie K_sp jest niższe, to przy temperaturze 25^oC też się nie wytrąci.

Ćwiczenie 2.

Powtórz to samo zadanie przyjmując, że piaskowce kruszconośne są bogate w greenockit (CdS).

Drugie zadanie należy wykonać analogicznie do pierwszego.

1. Aby sprawdzić czy greenockit jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania należy obliczyć energię swobodną Gibbsa ΔG i określić jej znak. Do tego potrzeba wyliczyć entalpię i entropię reakcji.

CdS↔ Cd²⁺ + S^2- (dla T = 25^oC i P = 1 atm.)

Tabela

Faza	ΔH	ΔS
CdS	-149600	70,29
Cd^2+	-75900	-73,20
S^2-	33000	-15,00

T=273+25=298K

Entalpia:

ΔH_r^o=∑ΔH^o_p-∑ΔH^o_s

ΔH_r^o=[33000+(-75900)]-(-149600)=106700 [J/mol] (reakcja endotermiczna)

Entropia:

ΔS_r^o=∑ΔS^o_p-∑ΔS^o_s

ΔS_r^o=(-73,20-15)-70,29=-158,49[J/mol*K]

Energia swobodna Gibbsa:

ΔG_r=ΔH-TΔS

ΔG_r=106700-298*(-15849)=153930,02 [J/mol]

Odp: Greenockit jest trwałym minerałem w reakcji rozpuszczania (gdyż energia swobodna Gibbsa>0)

1. Aby obliczyć stałą równowagi K (która jest równa w tym wypadku stałej rozpuszczalności K_sp) należy najpierw obliczyć K_sp dla temperatury 25^oC, a następnie wstawić ten wynik do równania Van’t Hoffa w celu wyliczenia K_sp dla temperatury 5^oC (analogicznie jak w zadaniu 1.)

Należy skorzystać ze wzoru:

0= ΔG_r+RT*lnK_sp, gdzie R jest stałą gazową.

0=153930,02+8,314*298lnK_sp1

-153930,02=2477,572lnK_sp1

lnK_sp1=-62,1294

K_sp1=e^-62,1294

K_sp1=1,04*10^-27 /log

logK_sp1=-26,98

K_sp1^25’C=10^-26,98

Równanie Van’t Hoffa:

ln$\mathbf{\ln}\frac{\mathbf{K}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{K}_{\mathbf{1}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{-}\mathbf{\text{ΔH}}\mathbf{r}}{\mathbf{R}}\mathbf{(}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{T}_{\mathbf{2}}}\mathbf{-}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{T}_{\mathbf{1}}}\mathbf{)}$

K_sp1=10^-26,98

K_sp2=?

T₁=298K

T₂=278K

-ΔH_r^o=-106700

P: $\frac{- 106700}{8,314}\left( \frac{1}{278} - \frac{1}{298} \right) = - 3,098$

L: $\ln\frac{Ksp2}{Ksp1} =$K_sp2-lnK_sp1

ln K_sp2=-62,12-3,098

ln K_sp2=-65,218

K_sp2=e^-65,218

K_sp2=4,74*10^-29 /log

log K_sp2=-28,32

K_sp2^5’C=10^-28,32
$\sqrt{\mathbf{K}\mathbf{\text{sp}}\mathbf{5'C}}$=6,92*10^-15

Odp: Stała rozpuszczalności K_sp dla temperatury wody w studni 5^oC wynosi 10^-28,32.

Stężenie kadmu w wodzie studziennej wynosi √K_sp czyli √10^-28,32 = 6,92^*10^-15 mol/dm³ .

1. Jak w zadaniu 1., analizując wyniki z podpunktu b), gdzie obliczono stałą rozpuszczalności dla greenockitu CdS w temperaturze 5^oC (K_sp2^5’C=10^-28,32) i 25^oC (K_sp2^5’C=10^-26,98) wynika, iż K_sp w temperaturze 25^oC jest wyższe niż przy temperaturze 5^oC. Wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność rośnie. Im wyższa wartość K_sp tym minerał trudniej rozpuszczalny, czyli jeśli greenockit nie wytrąca się przy temperaturze 5^oC – gdzie K_sp jest niższe, to przy temperaturze 25^oC też się nie wytrąci.

Ćwiczenie 3.

Dostarczono Ci wyniki analiz chemicznych zestawione w mg/dm³ dla dwóch wód mineralnych (nr 1,2) i dwóch powierzchniowych (nr 3,4)(tab.3.).

1. przedstaw wyniki w mmol/dm³ i mval/dm³

2. sprawdź poprawność analizy (oblicz bilans jonowy i podaj błąd analizy %)

3. oblicz twardość wód (mval/dm³) i dokonaj klasyfikacji na jej podstawie

4. przedstaw wyniki analiz chemicznych na diagramach Pipera i Stiffa

5. porównaj parametry ChZT i BZT dla wód powierzchniowych i podaj wnioski

Tabela Dane

Składnik (mg/dm^3)	1	2	Składnik (mg/dm^3)	3	4
Ca^2+	202	445,96	Ca^2+	51,70	90,74
Mg^2+	25,02	47,537	Mg^2+	17,84	7,75
Na^+	1700	20,75	Na^+	10,75	22,30
K^+	38,4	3,482	K^+	1,69	1,02
HCO3^-	3002,08	1671,1	HCO3^-	228,1	322,1
SO4^2-	6,69	5,761	SO4^2-	22,11	44,82
Cl^-	1313,07	5,371	Cl^-	3,60	12,80
Br^-	0,5	b.d.	PO4^3-	0,62	0,86
I^-	0,2	b.d.	NO3^-	6,48	9,60
Li^+	1,21	0,109	NH4^+	0,54	0,80
Fe^2+	0,01	16,943	Li^+	0,02	0,04
Mn^2+	0,12	0,6	Fe^2+	0,09	0,05
Sr^2+	1,4	b.d.	Mn^2+	0,023	0,013
Ba^2+	0,53	b.d.	Sr^2+	1,04	0,60
CO2	1385	1761,8	ChZT-Cr	14,96	6,55
H2S	1,24	b.d.	BZT5	5,99	2,62

1. Przedstaw wyniki w mmol/dm³ i mval/dm³

Wyniki analizy chemicznej przedstawiono w tabeli 4 (wody mineralne nr 1,2) i w tabeli 5 (wody powierzchniowe nr 3,4).

Przykład:

1 mmol/dm³ Ca – 40,08 mg/dm³

x mmol/dm³ Ca – 202 mg/dm³

x = 5,04 mmol/dm³

Przeliczanie wartości na mval/dm³ polega na przemnożeniu mmol/dm³ przez wartościowość jonów.

Przykład:

Stężenie jednego mola Ca²⁺ wynosi 5,04 ∙ 2 (wartościowość wapnia) = 10,08 mval/dm³

Tabela

Składnik	1 (mg/dm^3)	1 (mmol/dm^3)	1 (mval/dm^3)	2 (mg/dm^3)	2 (mmol/dm^3)	2 (mval/dm^3)
Ca^2+	202	5,04	10,08	445,96	11,127	22,254
Mg^2+	25,02	1,029	2,058	47,537	1,955	3,91
Fe^2+	0,01	0,0002	0,0004	16,943	0,303	0,606
Mn^2+	0,12	0,002	0,004	0,6	0,011	0,022
Sr^2+	1,4	0,016	0,032	b.d.	-	-
Ba^2+	0,53	0,004	0,008	b.d.	-	-
Na^+	1700	73,923	73,923	20,75	0,902	0,902
K^+	38,4	0,982	0,982	3,482	0,09	0,09
Li^+	1,21	0,174	0,174	0,109	0,016	0,016
Razem:			∑K = 87,2614			∑K = 27,8
SO4^2-	6,69	0,07	0,14	5,761	0,06	0,12
HCO3^-	3002,08	49,206	49,206	1671,1	27,391	27,391
Cl^-	1313,07	37,044	37,044	5,371	0,152	0,152
Br^-	0,5	0,006	0,006	b.d.	-	-
I^-	0,2	0,002	0,004	b.d.	-	-
Razem:			∑A = 86,4			∑A = 27,663
CO2	1385	31,47		1761,8	40,032
H2S	1,24	0,036		b.d.	-	-

Tabela

Składnik	3 (mg/dm^3)	3 (mmol/dm^3)	3 (mval/dm^3)	4 (mg/dm^3)	4 (mmol/dm^3)	4 (mval/dm^3)
Ca^2+	51,70	1,29	2,58	90,74	2,264	4,528
Mg^2+	17,84	0,734	1,468	7,75	0,319	0,638
Fe^2+	0,09	0,0016	0,0032	0,05	0,001	0,002
Mn^2+	0,023	0,0004	0,0008	0,013	0,0002	0,0004
Sr^2+	1,04	0,012	0,024	0,60	0,007	0,014
Na^+	10,75	0,467	0,467	22,30	0,97	0,97
K^+	1,69	0,043	0,043	1,02	0,026	0,026
NH4^+	0,54	0,03	0,03	0,80	0,044	0,044
Li^+	0,02	0,003	0,003	0,04	0,006	0,006
Razem:			∑K = 4,619			∑K = 6,2284
PO4^3-	0,62	0,007	0,021	0,86	0,009	0,027
SO4^2-	22,11	0,23	0,46	44,82	0,467	0,934
HCO3^-	228,1	3,739	3,739	322,1	5,28	5,28
Cl^-	3,60	0,102	0,102	12,80	0,361	0,361
NO3^-	6,48	0,105	0,105	9,60	0,155	0,155
Razem:			∑A = 4,427			∑A = 6,757
ChZT-Cr	14,96			6,55
BZT5	5,99			2,62

1. sprawdź poprawność analizy (oblicz bilans jonowy i podaj błąd analizy %)

W celu przeprowadzenia poprawności analizy zsumowano stężenia równoważnikowe kationów i anionów, a następnie obliczono błąd analizy.

gdzie:

x - błąd analizy

ΣK - suma zawartości kationów,mval/dm³

ΣA - suma zawartości anionów, mval/dm³

Próbka nr 1

$$x = \ \frac{|\sum K - \ \sum A|}{\sum K + \ \sum A}100\% = \ \frac{|87,2614 - 86,4|}{87,2614 + 86,4}100\% = \ \frac{0,8614}{173,6614}100\% = 0,496\%$$

Próbka nr 2

$$x = \ \frac{|\sum K - \ \sum A|}{\sum K + \ \sum A}100\% = \ \frac{|27,8 - 27,663|}{27,8 + 27,663}100\% = \ \frac{0,137}{55,463}100\% = 0,247\%$$

Próbka nr 3

$$x = \ \frac{|\sum K - \ \sum A|}{\sum K + \ \sum A}100\% = \ \frac{|4,619 - 4,427|}{4,619 + 4,427}100\% = \ \frac{0,192}{9,046}100\% = 2,123\%$$

Próbka nr 4

$$x = \ \frac{|\sum K - \ \sum A|}{\sum K + \ \sum A}100\% = \ \frac{|6,2284 - 6,757|}{6,2284 + 6,757}100\% = \ \frac{0,5286}{12,9854}100\% = 4,071\%$$

Wnioski:

Obliczone błędy wskazują na dokładnie wykonaną analizę chemiczną. Otrzymano niski błąd analizy w próbkach 1 i 2, wyższy błąd uzyskano dla próbek 3 i 4.

1. oblicz twardość wód (mval/dm³) i dokonaj klasyfikacji na jej podstawie

Twardość ogólna jest to suma twardości węglanowej i niewęglanowej. W przypadku naszych wód twardość węglanowa (przemijającą) to zawartość HCO₃^-

Jeśli zaś chodzi o twardość niewęglanową (trwałą) w tabeli 6 wypisano wartości poszczególnych kationów w mval/dm³.

Tabela

Kation	1	2	3	4
Ca^2+	10,08	22,254	2,58	4,528
Mg^2+	2,058	3,91	1,468	0,638
Fe^2+	0,0004	0,606	0,0032	0,002
Mn^2+	0,004	0,022	0,0008	0,0004
Sr^2+	0,032	b.d.	0,024	0,014
Twardość niewęglanowa	∑ = 12,17	∑ = 26,79	∑ = 4,08	∑ = 5,18
Twardość węglanowa = HCO3	49,206	27,391	3,739	5,28

Aby przeliczyć mval/dm³ na stopnie twardości wg skali niemieckiej ^oN, mnożymy nasze wyniki przez 2,8, bowiem 1mval/dm³ = 2,8^oN. Poniżej w tabeli 7 podano skalę twardości wody i odpowiadające im stopnie twardości wg skali niemieckiej.

Tabela

L.p.	Twardość wody	^oN
1.	Woda bardzo miękka	<5
2.	Woda miękka	5 – 10
3.	Woda średnio – twarda	10 – 20
4.	Woda twarda	20 – 30
5.	Woda bardzo twarda	>30

Na tej podstawie obliczono oraz określono następujące twardości wód:

Próbka nr 1

1 mval/dm³ – 2,8 ^oN

12,17 mval/dm³ – x ^oN

x = 34,08 ^oN

jest wodą bardzo twardą

Próbka nr 2

1 mval/dm³ – 2,8 ^oN

26,79 mval/dm³ – x ^oN

x = 75,01 ^oN

jest wodą bardzo twardą

Próbka nr 3

1 mval/dm³ – 2,8 ^oN

4,08 mval/dm³ – x ^oN

x = 11,42 ^oN

jest wodą średnio-twardą

Próbka nr 4

1 mval/dm³ – 2,8 ^oN

5,18 mval/dm³ – x ^oN

x = 14,5 ^oN

jest wodą średnio-twardą

Wnioski:

Próbka 1 i 2 to wody bardzo twarde, zmineralizowane, bogate w wapń, magnez i sód, a także CO₂ w ilości powyżej 1g/l czyli jest to szczawa - woda mineralna bogata w dwutlenek węgla.

Próbka 3 i 4 to wody średnio-twarde. Należy zauważyć, że próbka 4 ma dużą zawartość chloru.

1. przedstaw wyniki analiz chemicznych na diagramach Pipera i Stiffa

Diagram Pipera

Rysunek

Obliczenia:

Próbka 1

Tabela

Kationy	[mval/dm^3]	[%]	Aniony	[mval/dm^3]	[%]
Na^+ + K^+	74,905	86,06	SO4^2-	0,14	0,16
Mg^2+	2,058	2,36	Cl^-	37,044	42,88
Ca^2+	10,08	11,58	HCO3^-	49,206	56,96
	∑ = 87,043			∑ = 86,39

Próbka 2

Tabela

Kationy	[mval/dm^3]	[%]	Aniony	[mval/dm^3]	[%]
Na^+ + K^+	0,992	3,65	SO4^2-	0,12	0,43
Mg^2+	3,91	14,4	Cl^-	0,152	0,55
Ca^2+	22,254	81,95	HCO3^-	27,391	99,02
	∑ = 27,156			∑ = 27,663

Próbka 3

Tabela

Kationy	[mval/dm^3]	[%]	Aniony	[mval/dm^3]	[%]
Na^+ + K^+	0,51	11,19	SO4^2-	0,46	10,7
Mg^2+	1,468	32,21	Cl^-	0,102	2,37
Ca^2+	2,58	56,6	HCO3^-	3,739	86,93
	∑ = 4,558			∑ = 4,301

Próbka 4

Tabela

Kationy	[mval/dm^3]	[%]	Aniony	[mval/dm^3]	[%]
Na^+ + K^+	0,996	16,16	SO4^2-	0,934	14,2
Mg^2+	0,638	10,35	Cl^-	0,361	5,5
Ca^2+	4,528	73,49	HCO3^-	5,28	80,3
	∑ = 6,162			∑ = 6,575

Diagram Stiffa

1. porównaj parametry ChZT i BZT5 dla wód powierzchniowych i podaj wnioski

Chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) jest to pojęcie umowne i oznacza ilość tlenu w mg/L pobranego z utleniacza (w umownych warunkach) na utlenienie w ściekach związków organicznych i niektórych nieorganicznych. Utlenialność daje tylko przybliżone pojęcie o zawartości w wodzie związków organicznych.

Chociaż utlenialność obejmuje tylko część związków organicznych, oznaczenie to ma duże znaczenie dla charakterystyki stopnia zanieczyszczenia wód naturalnych związkami organicznymi zarówno pochodzenia zwierzęcego, jak i roślinnego. Jeżeli podwyższenie utlenialności wody jest wywołane związkami organicznymi pochodzenia zwierzęcego, to woda taka wykazuje również zwiększoną zawartość związków azotowych i chlorków.

Pod względem sanitarnym (higieny) utlenialność wody ma istotne znaczenie, gdy jest ona wywołana związkami organicznymi pochodzenia zwierzęcego (gdyż w takiej wodzie mogą również znajdować się bakterie, w tym bakterie chorobotwórcze). Natomiast, gdy utlenialność jest wywołana przez związki organiczne pochodzenia roślinnego, wskaźnik ten ma o tyle znaczenie higieniczne, o ile równocześnie występują inne wskaźniki zanieczyszczenia wody wyraźnie odbiegające od norm sanitarnych.

Wysoki wskaźnik ChZT dla próbki 3 (14,96 mg/dm³) powoduje, że woda ta jest niezdatna do picia.

Próbka 4 pomimo niższego wskaźnika ChZT (6,55 mg/dm³) ale o wiele wyższej zawartości chlorków (12,8mg/dm³) również powoduje, że jest to woda niezdatna do picia.

Biochemiczne Zapotrzebowanie Tlenu (BZT) to umowny wskaźnik określający biochemiczne zapotrzebowanie tlenu, czyli ilość tlenu wymaganą do utlenienia związków organicznych przez mikroorganizmy (bakterie aerobowe). Pośrednio określa się w ten sposób stężenie substancji organicznej podatnej na biodegradację. BZT jest wskaźnikiem czystości wody i jakości oczyszczanych ścieków: im wyższa wartość BZT tym większe zanieczyszczenie (ilość związków organicznych). Określa się go na podstawie stężenia tlenu po pobraniu próbki i po kilku dniach, najczęściej 5, ale też 10. Zatem BZT5 równa się różnicy stężenia tlenu tuż po pobraniu próbki i stężenia tlenu zmierzonego po 5 dniach.

Próbka 3 ma dość duży wskaźnik BZT5 (5,99 mg/dm³) co świadczy o wysokiej zawartości mikroorganizmów, co powoduje, że jest to woda lekko zanieczyszczona (źródło: www.oczyszczalnie.biz.pl/?p=351). O połowę mniejsza zawartość BZT5 dla próbki 4 może świadczyć o lepszej jakości wody (czystsza), z pewnością zawiera mniej mikroorganizmów od próbki 3, bo także parametr ChZT jest dużo niższy niż dla próbki 3.