Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Пример 6.6. В речную воду поступили ионы Fe2+, их концентрация составила 1,0-10"4 моль/дм*. Определим, возможно ли окисление ионов Fe2''кислородом воздуха и осаждение в виде Fe(OH)3. Для речной воды pH = 6,0.
Решение. Расчеты проведем раздельно по двум полуреакциям:
Fe2+(P) + 3 H2O010 =s=fc Fe (OH)300 + 3 Н+(р) + ё\ AG0 = - 91,4 кДж; 02(г) + 41 Гср) + Ae 4=fc 2H2O0K,, ср° = н- 1,227 В.
Для полуреакций указаны те термодинамические характеристики, которые можно было выбрать из справочной литературы.
В целом процесс окисления ионов Fe2+ выражается суммарным уравнением:
(Fe2+(P, + 3H2O0K) a=t Fe(OH)3(K) + 31-Г(р) + е) х 4 O2(I-) + 4Н+(р) + Ae" 4=fc 2H2O01O
4Fe2,(P, + O2(P) + 1QH2O010 *=fc 4Fe(OH)300 H- 8Н"<р).
Проанализируем с позиций поставленной задачи первую полуреакцию, изменив ее направление в сторону восстановления. Уравнение Нернста для нее имеет вид
RT
<PFe(OH)2/Fe2+ = 9°Fe(OH)2/Fe2+ + 2,3 — log
где 2,3" = ^^ = 0,059# (для T= 298 К). nF п
Отсюда восстановительный потенциал
[H + ]3] [Fe2+Ij'
Химия окруэюающей среды
299
Ф = cp0 + 0,059 (-ЗрН + pFe2+),
где pFe2+=-log [Fe2+].
Вычислим величинуср0, используя зависимость AG° =-ncp°F.
^,.AgI88 91400 =094^
n-F 1-96485 ,ф/с/Я '
Вычислим величину ф.
Ф = 0,947 В + 0,059 В (-3-6,0 + 4,0) = +0,121 ? Проанализируем вторую полуреакцию, уравнение которой отражает процесс восстановления.
Л
RT.
(Po2/H2o = (p°o2/H2o-2'3^Iog
Я[Н*Г
1_
?РТ»
ф = ф°_М^. (4рН - log Pq2) = 1.227 В - -^-^ (4 • 6,0 - log 0,20) - +0,833 В.
Вычислим ЭДС общей реакции.
E = Фок - Фвос = 0,833 В - 0,121 В = 0,712 В.
Ответ: судя по величине Е, ионы Fe2+ в речной воде должны окисляться кислородом воздуха.
Развитие биологических процессов в речной воде зависит от режима рек. В быстрых и малых реках биологические процессы не успевают достигать больших масштабов, и превращения веществ определяются преимущественно химическими реакциями. Но в больших и медленно текущих реках уровень биологических процессов существенно повышается, и закономерности их протекания приближаются к тем, которые свойственны для озер.
Климатические факторы нередко сводятся к ветрам и температурным режимам. За счет ветров в речную воду попадают частички почвы и различных горных пород, часть которых остается в воде в суспензированном (взвешенном) состоянии. Высокие температуры приводят к некоторому испарению воды и ускорению биологических процессов, а низкие - к их замедлению. На состав речной воды влияют также сезонные сельскохозяйственные работы.
Реки подвержены действию кислотных дождей и особенно страдают от сброса в них загрязняющих веществ, включая неорганические и органические отходы. Из большого спектра загрязняющих веществ выделим поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти вещества понижают поверхностное натяжение воды, способствуют пенообразованию и используются как моющие средства. В молекулах ПАВ сочетаются гидрофильные и гидрофобные группы, имеющие различный химический состав. Гидрофильные группы часто представлены остатками неорганических кислот, например - SO3", или ОН-группами, а гидрофобные группы - остатками жирных кислот или высших спиртов. Широко распространенную группу ПАВ составляют алкил-сульфоновые кислоты с общей формулой
R1 -CH-R2
300
В. В. Вольхин. Общая химия
или алкиламмониевые соединения, характеризующиеся составом Ri- N(CH3)2-R2.
Поверхностно-активные вещества медленно разрушаются в природной среде, способствуют образованию пены и вызывают пептизацию донных отложений, среди которых могут быть токсичные вещества. Решение данной экологической проблемы пока заключается в том, чтобы синтезировать ПАВ, которые способны быстрее разлагаться под действием биологических факторов и менее токсичны для человека и рыбы.
Особое положение в окружающей среде занимают устья рек, впадающих в моря и океаны. В достаточно узкой зоне происходит смешение пресной и морской воды. Резко нарастает солевое содержание воды. Катионы растворенных солей подавляют отрицательный заряд поверхности коллоидных частиц, принесенных пресной водой, что вызывает процессы их флокуляции и выпадение осадка. Если устье реки подвержено действию приливов и отливов, то донные осадки постоянно взмучиваются, а взвешенные частички в воде ускоряют многие биологические процессы. Питательные вещества не успевают израсходоваться в речной воде (в среднем вода из верховьев рек достигает океана за 12 дней) и выносятся в зону смешения речной и морской воды. Нередко около устьев рек располагаются крупные города, и в воду сбрасываются дополнительные количества отходов. Все это приводит к резкому возрастанию продуктивности фитопланктона, который согласно своему жизненному циклу обновляется ежедневно. Соответственно, большая масса планктона отмирает. Если для разложения отмирающего органического вещества оказывается недостаточно кислорода, то условия процесса разложения становятся анаэробными.
Реки - один из основных источников питьевой воды. Но мало осталось чистых рек (или участков рек в их верховьях), из которых можно пить воду без ее предварительной обработки. Вода может содержать различные загрязнения, включая болезнетворные микроорганизмы. Поэтому воду подвергают очистке и обезвреживанию. Схема водоподготовки включает в себя следующие основные операции: аэрацию, удаление ионов Ca2' (преимущественно из подземных вод), коагуляцию, рекарбонизацию, хлорирование или озонирование, пропускание через угольные фильтры. В конкретных схемах может быть изменен порядок операций, а некоторые из них могут быть даже исключены.