milieuchemie:oefeningen

MILIEUCHEMIE: OEFENINGEN
OEFENZITTING 1
1. De reactie tussen calciet (vaste stof; alkalisch) en
Waarvoor
bij
en
(gas; zuur) is:
totale druk;
is de
evenwicht staat met de oplossing, de partieeldruk wordt uitgedrukt in
in de atmosfeer die in
.
Schrijf de evenwichtsconstante van de reactie. Wat is de oplosbaarheid van dit mineraal in
wanneer de
partieeldruk gelijk is aan
-ionen vrijkomen voor elke mol
(
? De ladingsbalans dicteert dat er
-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
))
.
3. Wat is de oplosbaarheid (bij
) van
en (c) een oplossing
in (a) zuiver water; (b) 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
Wordt de
dissocieert volgens
met een evenwichtconstante
van de oplossing beïnvloed door het toevoegen van een neutraal zout (vb.
). Wordt de graad van dissociatie van het zuur
[
[ ]
] [
]
hierdoor beïnvloed?
Invloed op de
Evenwichtsconditie:
[
][
]
[
]
]
[
Massabalans:
[
]
[
]
Ladingsbalans:
[
]
[
]
[
]
[
]
[𝑁𝑎 ]
[𝐶𝑙 ]
[𝑂𝐻 ] is verwaarloosbaar omwille van het zuur milieu
[
]
[
.
]
Met deze gegevens kunnen we de evenwichtsconstante herschrijven
[
][
[
]
]
[
]
[ ]
[
]
2
[
] 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
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 (
zuurconstante
) oplossing, als je weet dat de
? Vermeld in je antwoord de oplossingsconcentraties van
en
(acetaat-ion).
Evenwichtsconditie:
Ladingsbalans:
[
]
[
]
[
]
[𝑂𝐻 ] is verwaarloosbaar omwille van het zuur milieu
Massabalans:
[
]
[
]
[
]
Uitwerking:
[
]
[
]
[
[
]
[
[
]
[
] [
[
]
]
]
vierkantsvergelijking oplossen
]
2. Als je weet dat de zuurconstante
bij
, wat is de
van waterstofcyanide (
van een
concentraties van
en
) gelijk is aan
natriumcyanide oplossing? Wat zijn de
in deze oplossing?
Reactievergelijkingen:
Evenwichtsconditie:
Ladingsbalans:
[
]
[
[
]
[
]
]
[
[
]
]
[
[𝐻 ] is verwaarloosbaar omwille van het basisch milieu
]
Massabalans:
[
[
]
]
[
[
]
]
aangezien [𝐶𝑁 ]
[𝑂𝐻 ]
4
𝑀 en [𝐶𝑁 ]
[𝐻𝐶𝑁]
𝑀
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
) [
]
[
]
4. De reactie tussen calciet (alkalisch mineraal) en
Waarvoor geldt, bij
:
(
met
in
(het zuur) is:
. Wat is de
)
en de oplosbaarheid van het calciet (vb. de
bij, respectievelijk,
en
omgezet worden naar
en
Neem aan dat
.
? Het bicarbonaat (
-concentratie)
) kan nog verder
, voor beide reacties kan je de -waarden pz eken…
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
[
]
[
]
6
mag verwaarloosd worden (zie gegeven)
Concentratie
berekenen:
[
][
]
√
Concentratie
√
berekenen:
[
]
[
Concentratie
[
]
]
[
]
berekenen:
[
][
[
Concentratie
[
]
]
]
[
√
√
]
berekenen:
[
]
[
]
[
]
√
√
berekenen:
(
[
√
)


7
]
√
5. Een zwak zuur
(waarvan de
een sterke base (
gekend is) met een concentratie
wordt getitreerd met
). Toon aan dat de buffercapaciteit gelijk is aan (met
vereenvoudigingen):
[
En dat de hoogste waarde (
]
) verkregen wordt bij
.
De buffercapaciteit wordt gedefinieerd als:
Ladingsbalans:
[
]
[
]
[
]
[
Berekening
[
]
]
[
in de gebufferde zone verwaarloosbaar
]
:
(
[
]
[
Afleiding
[
)
]
:
(
]
)
(
(
(
)
)
)
(
Afleiding van
)
(
)
:
(
n
n
)
Samengevoegd:
(
)
[
]
[
8
]
Om het maximum te vinden moet de afgeleide van deze uitdrukking 0 zijn:
(
[
]
[
)
(
]
[
[
[
[
[
]
[
[
[
[
]
]
]
]
]
]
[
[
]
De hoogste waarde wordt bereikt wanneer
.
[
]
]
]
[
]
[
)
]
] [
[
]
[
]
]
]
[
[
[
]
9
]
OEFENZITTING 3
1. Bereken de vrije ionconcentraties van
van
bij een totale opgeloste
in aanwezigheid van
en de
voor
is
fulvuszuren bij
concentratie in water
. De
voor
is
.
Reactievergelijkingen & evenwichtscondities:
Massabalans:
[
]
[
[
]
[ ]
[
[
]
[
]
[
]
]
]
[ ]
[
[ ]
[
]
[
]
[ ]
[
[
]
]
]
Er zijn 5 vergelijkingen en 5 onbekenden. Uitwerking:
[
]
][ ]
[
[ ] [
[ ]
[ ]
[ ]
[
[ ]
[
[
[
[ ]
[
[
[
]
[
](
]
)
]
[
(
[
]
[
]
]
]
]
][ ]
[
[
]
]
[
[
]
[
]
[
]
[
]
]
[
)
[
]
10
]
]
]
2. Wat is de concentratie van opgelost
van (a)
of (b)
in een bodemoplossing bij
in aanwezigheid
fulvuszuur wanneer ferrihydriet (
Neem aan dat de
voor
humuszuur) gelijk is aan
) aanwezig is?
met fulvaat (gedeprotoneerde vorm van
en dat de
van een model fulvuszuur gelijk is aan
Figuur 1.8 uit de cursus om de concentraties
. Gebruik
-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
]
[ ]
[
∑
]
]
]
3. Beschouw water dat
en
,
colloïdaal
,
;
bevat. Hoe veel DOC (in
is er nodig om dit systeem te reduceren tot net onder de
gereduceerd wordt tot
en niet tot
colloïdaal
, met formule
)
grens? Neem aan dat
.
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.
Hoeveelheid
Component
(mM)
Vereiste
DOC
(mM)
Redoxreactie
0,25
0,125
0,2
0,025
0,05
Systeem
Er is in totaal
vereist om het systeem te reduceren.
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
omstandigheden), naar sulfaat en opgelost
(in heel zure
(matig zuur) en naar sulfaat en
(pH neutrale omstandigheden).
b) Reductie van arsenaat (
) naar arseniet (
(a)
(b)
12
) met organische stof.
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
a)
1:1, di-oct.:
2:1, di-oct.:
1:1, tri-oct.:
2:1, tri-oct.:
(
)



b)
di-octaëdrisch
2:1-klei
(
)(
)



tri-octaëdrisch
2:1-klei
2. De ‘beschikbare’ kati nen in de b dem zijn de s m van de kati nen
uitwisselingscomplex en de kationen in de bodemoplossing. De
droog gewicht en de bodemoplossing (
p het
van een bodem is
) bevat
en
. Wat is de verhouding van kationen in de bodemoplossing tot het totaal aantal
beschikbare kationen? Neem aan dan het volumetrisch vochtgehalte
dat de bodemdichtheid
gelijk is aan
[
]
[
drooggewicht
]
(
13
water
vochtige bodem.
)
is en
3. Een bodem bevat
drooggewicht orthofosfaat (
bovendien
bindingsites voor
en de
). De bodem bevat
is
. Wat is de
concentratie orthofosfaat in oplossing? Het gravimetrisch watergehalte van de bodem is
water per
drooggewicht.
Evenwichtsconditie:
[ ]
[ ][ ]
Massabalans:
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ][ ]
[ ]
(
[ ]
[ ]) [ ]
[ ]) [ ]
(
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
14
[ ]
4. Bereken de concentratie orthofosfaat in de bodemoplossing voor dezelfde situatie als in de
vorige oefening, maar wanneer
De
voor
is
concurreert met de
sorptie-sites.
en de totale hoeveelheid is
drooggewicht.
Evenwichtsconditie:
[ ]
[ ][ ]
[
]
[ ][ ]
Massabalans:
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[
]
[
]
[
]
[ ]
]
[
]
[
verwaarloosbaar omdat veel kleiner dan [𝑃𝑠 ]
]
[
]
[
[
[
]
[ ][
[
verwaarloosbaar omdat veel kleiner dan [𝑃𝑠 ]
[
[ ]
[ ]
[ ][ ]
[ ]
]
[
]
]
]
[ ]
[
]
[
]
]
[
]
[ ]
[ ]
[
]
[ ]
[ ]
5. Een bodem heeft een
en een
. Toon aan dat de
wanneer je aanneemt dat de reacties omkeerbaar zijn.
[
[ ]
[
]
[
]
[ ]
[ ]
[
[ ]
[
]
[
]
[
]
[ ]
[
]
]
]
15
[
[ ]
[
]
[ ]
]
6. Beschouw een humussubstantie met een gemiddelde
sterkte . Eén gram van dit materiaal heeft
bij
(gecorrigeerd voor ionische
zure groepen en is opgelost in
. 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
Van de
-ionen dan protonen niet-specifiek geadsorbeerd.
zure groepen is de helft dus bezet.
[
]
[
[
]
[
]
[
]
16
]
OEFENZITTING 5
1. Een bodem heeft een
is
water
van
drooggewicht. De bodemoplossing bevat:
en
van
en
drooggewicht en zijn gravimetrisch vochtgehalte
. De
is
,
,
. Bereken (a) de fractie equivalenten
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.
en
blijven dus onveranderd.
[
[
De zoutconcentratie (
]
[ ]
[
]
]
[
[
]
[
]
]
[
Finaal: ([
]
[
]
[
[
]
]
[
[
]
[
]
[
]
] )
[
([
]
[
[
]
]
) is na uitdroging 3 keer hoger in de verdroogde bodem dan in de
natte bodem. Er vindt enkel uitwisseling plaats, geen neerslag. Ladingsbalans:
Initieel:
[
[
]
[
]
]
17
]
]
[
[
] )
]
2. De jaarlijkse verzurende depositie op een bodem is
toplaag (dichtheid
van
). Bijkomend is er een verzuring door jaarlijkse nitraatuitspoeling
uit
die
toplaag
en
deze
mineralisatie+nitrificatie van bodem organischebodem heeft een initiële
waarvan slechts
Finaal (
nitraat
is
afkomstig
van
is waarbij de effectieve
toegevoegd
Zure regen
Nitraatuitspoeling
Totaal
basen per
Massa per hectare
Verzuring per kilo bodem
Benodigde tijd
basen per
18
uit
De
bezet is met neutra e “base” kati nen
Verlies uitwisselbare basen
)
(
baseverzadiging)
basen per
basen per
)
(
baseverzadiging)
basen per
Verlies
netto
(
, een effectieve
baseverzadiging. Hoe lang duurt het tot de
Initieel (
en dit mengt zich in de
en
daalt tot
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
van de bodem met een
en lood is geadsorbeerd op de organisch stof
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
(elke vorm, dus
,
d.s. Kan
oplossing is
enz.). Het gravimetrisch vochtgehalte van de bodem
neerslaan als fosfaatzout in die condities? De ionische sterkte van de
(constant). De
dat de Langmuir-waarde
activiteit
van orthofosfaat
’s van orthofosfaat zijn
,
en
. Ga ervan uit
verwijst naar de concentratie orthofosfaat [ ] en niet naar de
.
Gegeven:
Evenwichtscondities
Massabalans
[ ]
[
]
[ ]
[ ]
[
]
[
[
]
]
Gevraagd:
neerslaan
<
in oplossing blijven
Uitwerking
Stap 1:
[
berekenen
]
[
[
]
[
]
[
]
]
]
(
[
[
)
]
19
[
]
[
]
Stap 2:
berekenen
[ ]
[ ][ ]
met
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[
]
[
[
]
]
[
[
]
]
[
[
]
[
]
]
(
)
(
)
Stap 3: oplosbaarheid
zal neerslaan.
Veel succes!!!
20