Задачи по химии окружающей среды для бакалавров по направлению 241000 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

катионнообменную способность имеет осадок в миллиэквивалентах на 100 г сухого осадка?

2. Для определения катионообменной способности почвы образец насыщают катионом аммония для вытеснения катионов абсорбированных на сухом материале. После промывки водой образец обрабатывают хлоридом калия и количественно определяют вытесненный катион аммония. Если 100 г почвы было обработано 500 мл раствора KCl и в вытесненном растворе концентрация ионов аммония составила 0.321 М, то какой была катионообменнная способность образца почвы?

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

1. Исходя из приведенных теплот образования газообразного и жидкого топлив вычислите количество тепла, образующегося на моль выделяемого СО2. Какое топливо является лучшим с экологической точки зрения?

а) природный газ (СН4, газ)

б) бензин (октан) (С8Н18, жидкость)

Hf0(СН4 , г) = - 75 кДж/мольHf0(С8Н18, ж) = - 250 кДж/моль

Hf0 (СО2) = - 393 кДж/мольHf0 (Н2О) = - 286 кДж/моль

2. Геотермальный источник имеет температуру воды 410С, которая может быть использована для выработки электроэнергии. Какую минимальную массу должна иметь вода необходимая для выработки одного киловаттчаса электроэнергии, если отходящая вода имеет температуру 200С (1 кВт ч = 3.60 ч 103 кДж, теплоемкость воды – 4.18 Дж г-1 град-1).

3. Метанол может быть использован в топливной ячейке для получения электроэнергии.

Происходящие превращения могут быть представлены следующими полуреакциями:

а) напишите сбалансированное химическое уравнение всей реакции, протекающей в топливной ячейке; б) какой стандартный потенциал имеет ячейка?

в) вычислите изменение стандартной свободной энергии реакции, протекающей в этой ячейке. Будет ли в ней протекать прямая или обратная реакция?

11

4. В бассейне находится 20 т замерзшего льда с температурой 00С.

а) весной лед тает, и вода нагревается до 150С. Сколько энергии для этого требуется?

б) нагретые до 1000С 10 м3 чистой воды выкипает при атмосферном давлении 1.01 ∙ 105 Н/м2. Какое количество энергии для этого требуется?

в) сколько энергии выделится, если 80 г воды охладить от 15 до 00С, а затем превратить в лед?

5. Вычислите количество энергии вырабатываемое за 365 дней электростанцией мощностью 5 ГВт, если:

а) электростанция превращает запасенную в угле химическую энергию с эффективностью 30%, то сколько энергии было запасено в исходном угле? б) сгорание 1 т угля дает 24 109 Дж энергии, а сгорание 1 т нефти - 45 109 Дж. Сколько тонн угля в год необходимо для работы электростанции? Какому количеству нефти (в тоннах) это равноценно?

в) сколько диоксида серы выбрасывает в год такая электростанция (в м3), если содержание серы в угле составляет 5%?

6. При сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания образуется оксид азота

N2 + O2 2 NO

При температурах горения константа равновесия для этой реакции Кс = 5.010-14. Вычислите концентрацию оксида азота в моль/л, находящегося в равновесии с атмосферными концентрациями азота и кислорода.

7. Какая масса карбоната кальция требуется для взаимодействия с серой, которая содержится в 1000 кг каменного угля имеющего 3.6% серы по массе.

8. На электростанции при сгорании 1 тонны каменного угля вырабатывается 7 300 квт ч электроэнергии. Небольшая районная электростанция выработала в 1993 г 6.2 109 квт ч электроэнергии. Если сгоранию подвергался низкосернистый уголь (1%) и продукты сгорания были единственным

взаимодействия диоксида серы с кислородом и парами воды воздуха.

9. Автомобиль приводится в движение сжатым водородом. Для пробега 500 км требуется около 3.4 кг Н2. Полагая, что поведение водорода в заправочном баке объемом 60 л подчиняется законам идеального газа, вычислите значение давления водорода в баке при 250С.

12

10. Вычислите сколько г СО2 производит в год ваш (или ваших родителей) автомобиль, если пробег автомобиля составляет 15 000 км в год, а расход топлива (С8Н18) – 6 л на 100 км пути, а плотность топлива 0.75 г см-3.

11. Вычислите сколько грамм диоксида углерода во время поездки из Петербурга в Москву (700 км)

а) выделит автомобиль, если расход топлива(С8Н18) – 6 л на 100 км пути? (плотность топлива 0.75 г см-3).

б) выделит самолет во время перелета по тому же маршруту. Средняя скорость самолета 800 км в час, за час самолет сжигает 4 000 кг топлива. Химический состав топлива С12Н26.

в) сделав необходимые допущения попробуйте оценить, в каком из двух указанных выше случаев вклад в парниковый эффект будет меньше.

РАЗНОЕ

1.Напишите сбалансированное уравнение окисления аммиака до нитратиона кислородом в щелочной среде.

2.Почему отходы алюминия и свинца сравнительно легче повторно использовать по сравнению с железом?

3.Какая из следующих смесей будет более токсичной? Приведите обоснование ответа.

Примечание: ПХДД – полихлорированные дибензодиоксины, значения токсичности которых следует взять в Интернете.

4.В Древнем Риме вино хранили в свинцовых сосудах, в которых вино становилось слаще. Свинец реагировал с содержащейся в вине уксусной кислотой и образовывал сладкий ацетат свинца. Полагая, что вино содержало 1 ppm свинца, сколько вина мог выпить человек 80 кг весом, чтобы количество свинца не превышало 6 мкг/кг – рекомендуемая максимальная дневная потребляемая доза.

5.Полихлорированные дифенилы могут быть дехлорированы обработкой взятого в стехиометрических соотношениях натрием по так называемой

13

реакции Вюрца. В этой реакции хлор удаляется в виде NaCl, а дифенилы сочетаются друг с другом, образуя органические полимеры

RClx + x Na R-Rx + X NaCl

Какое количество натрия (в кг) нужно использовать в реакции Вюрца для полного дехлорирования 108 л Arochlor 1242 (42% хлора по массе, плотность 1.211 г/мл)?

6. Токсичные тяжелые металлы выводятся наполовину из организма человека за 16 лет.

а) максимальная дневная потребляемая доза этих металлов в пище – 2.3 10-3 мг/кг массы тела в день. Какая масса дневного потребления для человека 75 кг весом?

б) каким будет поддерживаться количество металлов в теле человека, если их содержание определяется максимальной дневной потребляемой дозой?

7. Содержание ядохимиката паратиона в озере составляет 47 ppb. Для паратиона Kов = 3.8. Скорость потребления и вывода паратиона в рыбах (включая его метаболизм) описывается кинетикой первого порядка Скорость (потребление) = Кпот [паратион]вода Скорость (вывод) = Квыв [паратион]рыба

а) полагая, что содержание жира в рыбе составляет 4%, какой будет концентрация паратиона в рыбе, плавающей в этом озере?

б) сравните между собой константы Кпот и Квыв.

8. Видимая часть спектра электромагнитного излучения находится в диапазоне от 400 нм до 800 нм.

а) вычислите энергию источника зеленого света с длиной волны 560 нм

(h = 6.26 10-34 Дж/сек, с = 3.00 108 м/сек);

б) частота источника УФ-излучения составляет 1.25 1015 Гц. Какой длине волны соответствует это излучение?

9. Вычислите максимальную длину волны электромагнитного излучения, которая может вызвать разложение озона на молекулярный кислород и атомарный кислород, используя следующие данные О3 (г) → О2 (г) + О (г)

Hf0 [О3 (г)] = 142.3 кДж/мольHf0 [O (г)] = 249.2 кДж/моль

10. Вычислите длину волны электромагнитного излучения необходимого для протекания следующих реакций:

N2O (г) → NO (г) + N (г)

14

Hf0 [NО (г)] = 90.4 кДж/мольHf0 [N2О (г)] = 82.1 кДж/моль

Hf0 [N (г)] = 472.7 кДж/моль

11.Инфильтрация, то есть свободное просачивание сквозь почву, является важной частью цикла круговорота природных вод. Как, по вашему мнению, на нее будет влиять а) дороги; б) строения; в) сельскохозяйственные угодья; г) густая растительность и д) рельеф местности?

12.Образец метана, взятый из вечной мерзлоты, содержит углерод-14 в количестве 19% от углерода-14, содержащегося в атмосферном метане. Время полураспада углерода - 14 5730 лет.

а) сколько лет назад метан попал в вечную мерзлоту?

б) какое влияние на окружающую среду будет иметь выделение метана при таянии вечной мерзлоты? Объясните.

13.Водный раствор содержит 8.00 г мочевины NH2CONH2, растворенной в

100г воды при 800С.

а) вычислите давление паров этого раствора, принимая во внимание, что

давление паров чистой воды при 800С составляет 4.73 104 Па.

б) давление паров чистой воды при 200С составляет 23.4 102 Па. Как

изменится давление паров при добавке 4% по массе фруктозы С6Н12О6 при

200С.

14. Водный раствор гидроксида железа (III) содержит 0.01 моля FeCl3 на килограмм воды. Каким будет давление паров этого раствора при 650С? Давление паров чистой воды при 650С составляет 250 102 Па.

15.Молекула хлора диссоциирует на два атома под действием электромагнитного излучения. Какую часть электромагнитного излучения можно для этого использовать? Стандартная энтальпия образования атомарного Cl составляет 243 кДж/моль.

16.Наименьшая длина волны фотонов, способных расщепить молекулу кислорода составляет 240.0 нм. Принимая это во внимание, определите энергию разрыва связи в молекуле кислорода.

17. Энергия гомолитического разрыва связи C-Br составляет 285 кДж/моль, а связи С-Cl 340 кДж/моль. Используя эти значения объясните, почему бромсодержащие органические соединения имеют большее

15

влияние на разрушение озона в атмосфере по сравнению с хлорсодержащими органическими веществами.

18.Энергия разрыва связи в молекуле Cl2 составляет 240 кДж/моль. Вычислите, при какой максимальной длине волны света будет происходить диссоциация молекулы хлора на атомы. В какой области электромагнитного спектра будет находиться излучение с такой длиной волны?

19.Значение рН газированного лимонада составляет 3.4. Вычислите парциальное давление диоксида углерода внутри закрытой банки с лимонадом. Какие другие, неорганические частицы содержатся в растворе? Вычислите их концентрацию.

20.В районе Лос-Анджелеса иногда наблюдается явление температурной инверсии, при котором температура воздуха увеличивается с высотой (напомним, что в обычных условиях температура воздуха нижних слоев атмосферы уменьшается с увеличением высоты). Что происходит в условиях такой инверсии с загрязняющими воздух веществами, выбрасываемыми с выхлопными газами автомобилей? Ответ объясните.

16

ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ

Атмосфера

1.а) 0.162 Па; б) 1.21 10-3 мм рт.ст.; в) 1.6 ppm; г) 1.14 мг м-3; д) 4.3 1013 молекул см-3.

2.Концентрация в воздухе в 160 раз превышает значение ПДК. 3. 1.41 1012. 4. 8.32

года. 5. 109 000 м3. 6. N2 79 кПа, O2 21 кПа, CO2 0.0354 кПа. 7. 0.507 мг л-1.

8. 8.38 1023 молекул. 9. 2.69 1025 молекул. 10 12 баллонов. 11. 714 г м3; 8.92 10-5

мг м-3. 12. 13.4 мг м-3. 13. 128. 14. а) 1.99 109 частиц; б) 1.6 м2; в) 16.0 м2. 15. 1.57 104

дней. 16. 3.87 10-8 г м3.17. 4.68 1013 молекул см-3. 18. 1.39 10-5 моль литр-1. 19. 38.7

мг м-3. 20. а) концентрация О3 увеличилась в 2.71 раза; б) влияет, 0.228 ppm. 21. N2, O2, Ar. 22. 0.0187 мг л-1. 23. Соотношение увеличится, так как алканы окисляются медленнее. 24. а) 4.56 10-5 мм рт.ст.; б) 2.68 10-9 молей л-1; в) 1.61 1012 молекул см-3.

25. 0.266 мм рт. ст. 26. а) 0.032 ppm; 8.61 1011 молекул см-3; в) 1.43 10-9 моль л-1. 27.

9.97 10-7 моль л-1. 28. а) 9.28 1011 молекул см-3; 74.0 мкг м-3. 29. 814 ppm. 30. а) 100 г

СН4; б) 11.2 кг СН4. 34. 8.16 дня. 35. N2 0.0348 моль л-1, O2 0.00938 моль л-1, Ar 4.46 10-4 моль л-1.

Гидросфера

1. +0.83 V. 2. 1000 молекул. 3. 3060 тонн. 4. а) [HCO3-] = 4.57 10-8 моль л-1, [HCO3-] = 4.57 10-8 моль л-1, [CO32-] = 4.68 10-11 моль л-1; б) 1.9 мл. 5. а) 60 мг л-1; б)1.87 10-3 моль л- 1; в) 5.77 мл. 6. а) [H+] = 1 10-4 моль л-1 и 1 10-6 моль л-1, соответственно; количество

ионов 2.98 1030; б) 2. 47 106 молей, 2.47 тонн. 7. а) 3.54 млн м3 день-1; б) 7.37 103

л чел день-1. 8. 113 103 л. 9. 292 л. 10. а) 1.34 м3; б) 3.45 кг час-1; в) 5.11 кг час-1. 11. 1.25 107 л сутки-1. 12. 1.83 моль. 13. 1.33 мг О2 л-1. 14. 8.74 мг л-1. 15. 1.19 моль л-1 атм-1.

17. а) 2.0 10-5 ppm; б) 2.68 104 т; с) 5 1010 м3. 18. 1250 м3 с-1; б) 5.4 1010 л; в) 61.1 ppm. 19. с5 = 12.8 мг л-1; с25 = 8.74 мг л-1.

Почва

1. 150 мэв. 2. 1.61 моль кг-1.

Энергосбережение

1. СН4. 2. 45.3 кг. 3. а) 2СН3ОН + 3О2 2СО2 + 4Н2О; б) 0.12V; в) 902 кДж моль-1. 4. а) 7.91 106 кДж; б) 2.26 107 кДж. 5. а) 4.06 1013 кДж; б)

9.02 105 т ; в) 5.92 107 м3. 6. 4.04 10-9 моль л-1. 7. 112.5 кг. 8. 14.1 106 л. 9. 693

атм. 10. 2.08 106 г. 11. а) 9.71 104 г; б) 1.24 107 г.

Разное

3. Смесь Б. 4. 480 л. 5. 35.6 кг. 6. а) 0.173 мг день-1; б) 2 г. 7. а) 11.9 ppm; б) Кпот/Квывод = 253. 8. а) 3.36 10-21 Дж; б) 240 нм. 9. 288 нм. 10. 234 нм. 12. 13 200 лет. 13. а) 4.61 104 Па; б) уменьшится на 9 Па. 14. 249.8 102 Па

15. 232 нм. 16. 471 кДж моль-1. 18. 471 нм. 19. 10.8 атм.

17

Приложение

Таблица 1. Некоторые физические константы

Таблица 2. Значения константы Генри для некоторых газов при 298 К

Таблица 3. Значения константы Генри для кислорода при различных температурах

Таблица 4. Мировые запасы воды

18

19