Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία

Transcript

1 Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία Διαφάνειες 2 ου Μαθήματος ακ. Έτος Γαλάνη Απ. Αγγελική, Χημικός Ph.D. Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό (Ε.ΔΙ.Π.) Χημείας

2 ΕΙΔΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ Αντιδράσεις καθίζησης Όταν αναμιγνύονται διαλύματα και σχηματίζεται στερεό ίζημα Π.χ. δ. ΑgNO 3 με δ. NaCl Ag + + NO Na + + Cl - AgCl + Na + + NO 3 - Ag + + Cl - AgCl Όσα ιόντα δεν συμμετέχουν στην αντίδραση λέγονται ιόντα θεατές (spectator ions). Π.χ. τα Na +, NO 3 - Αντιδράσεις οξέος βάσης Οξέα δότες πρωτονίων - Βάσεις δέκτες πρωτονίων Ισχυρά οξέα και ισχυρές βάσεις διασπώνται πλήρως στο νερό Π.χ. δ. KOH με δ. HCl Κ + + OΗ - + Η + + Cl - Η 2 Ο (aq) + Κ + + Cl - OΗ - + Η + Η 2 Ο (aq) Αντιδράσεις οξείδωσης αναγωγής Αντιδράσεις στις οποίες συμβαίνει μεταφορά ηλεκτρονίων CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O

3 Ισοστάθμιση χημικών εξισώσεων Αναγράφεται η χημική εξίσωση που δείχνει τα αντιδρώντα και τα προϊόντα. Η εξίσωση ισοσταθμίζεται μόνο με αλλαγές στον αριθμό των μορίων αρχίζοντας από το πιο πολύπλοκο είδος της χημικής εξίσωσης. Όπου εμπλέκονται μοριακό οξυγόνο και νερό, (πχ. αντιδράσεις οξείδωσης) ισοσταθμίζονται τελευταία γιατί μπορούν να προστεθούν στην αντίδραση σε κατάλληλες ποσότητες.

4 Παραδείγματα και ερωτήσεις - ασκήσεις Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

5 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 1. Στην παραγωγή φωσφορικού λιπάσματος, πέτρωμα φωσφορικού ασβεστίου, [Ca 3 (PO 4 ) 2 ] αντιδρά με (Η 2 SO 4 ) και παράγεται θειικό ασβέστιο (CaSO 4 ) και φωσφορικό οξύ (Η 3 PO 4 ). Γράψτε και ισοσταθμίστε τη χημική εξίσωση λαμβάνοντας υπόψη πως το θειικό οξύ σαν ισχυρό οξύ διίσταται πλήρως στο νερό και το φωσφορικό οξύ σαν ασθενές διίσταται μερικώς στο νερό.

6 Η χημική εξίσωση μπορεί να γραφεί ως εξής: Ca 3 (PO 4 ) 2 + 2Η + + SO 4-2 CaSO 4 + H 3 PO 4(aq) Για την ισοστάθμιση της αντίδρασης ξεκινούμε από το πιο πολύπλοκο μόριο που είναι το φωσφορικό ασβέστιο ισοσταθμίζοντας τα άτομα Ca δεξιά και αριστερα Ca 3 (PO 4 ) 2 + 2Η + + SO 4-2 3CaSO 4 + H 3 PO 4(aq) Στη συνέχεια ισοσταθμίζουμε τα άτομα S Ca 3 (PO 4 ) 2 + 2Η + + 3SO 4-2 3CaSO 4 + H 3 PO 4(aq) Στη συνέχεια ισοσταθμίζουμε τα άτομα P Ca 3 (PO 4 ) 2 + 2Η + + 3SO 4-2 3CaSO 4 + 2H 3 PO 4(aq) Ακολουθεί η ισοστάθμιση των ατόμων Η Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6Η + + 3SO 4-2 3CaSO 4 + 2H 3 PO 4(aq) Δεν χρειάζεται να ισοσταθμιστούν τα άτομα Ο γιατί ήδη είναι ισοσταθμισμένα (20 άτομα οξυγόνου στα αντιδρώντα και 20 άτομα οξυγόνου στα προϊόντα)

7 2. 0,02 g ανθρακικού ασβεστίου (CaCO 3 ) διαλύεται σε 1 L νερού. Να υπολογίσετε τα mole του ανθρακικού ασβεστίου που διαλύθηκαν στο νερό, τα mole των ιόντων Ca 2+ στο διάλυμα και τον αριθμό των ιόντων Ca 2+ στο διάλυμα. Δίνονται Α.Β.Ca = 40,078, A.B.C = 12,011, A.B. O = 15,999 Λύση Το γραμμομοριακό βάρος του CaCO 3 βρίσκεται ως εξής: Μ R CaCO3 = Α.Β. Ca +, A.B. C + 3A.B. O = 40, ,011 +3x 15,999 = 100,086 g mol -1 Moles CaCO 3 = 0,02 g / 100,086 g mol -1 = 1,998 x 10-4 mol Σε κάθε mole CaCO 3 υπάρχει 1 mole Ca άρα στο διάλυμα Ca 2+ = 1,998 x 10-4 mol Ο αριθμός των ιόντων Ca 2+ στο διάλυμα είναι = 1,998 x 10-4 mol x 6,022 x ιόντα ανά mol = 1,203 x ιόντα

8 3. 1 L διαλύματος περιέχει 2x10-3 mol BaSO 4. Να υπολογιστεί η μάζα του BaSO 4 που είναι διαλυμένη στο νερό Δίνονται Α.Β. Βa = 137,33, A.B. S = 32,066, A.B. O = 15,999 Λύση Μ R ΒaSO4 = Α.Β. Ba +, A.B. S + 4A.B. O = (137,33) + (32,066) +4x (15,999) = 233,392 g Τα g του BaSO 4 στο διάλυμα είναι = 2x10-3 mol x 233,392 g mol -1 = 0,467 g

9 4. Υπολογίστε - τον αριθμό των ατόμων σε 9,42 g Li - τον αριθμό μορίων σε 63 g ΝΗ 3 - τον αριθμό των τυπικών μονάδων σε SO 4 2- σε 16,2g Cr 2 (SO 4 ) 3

10 AΒ Li = 6,941 u Γραμμομοριακή μάζα Li = 6,941g mol -1 Άρα σε 9,42 g Li 9,42 g / 6,941g mol -1 = 1,357 mol Li άρα 1,357 mol Li 6, άτομα /mol = 8, άτομα Li M RNH3 = 14, ,008 = 17,03 g mol -1 Γραμμομοριακή μάζα NH 3 = 17,03g mol g / 17,03g mol -1 = 3,699 mol NH 3 άρα 3,699 mol NH 3 6, μόρια /mol = 22, μόρια ΝΗ 3 M R Cr 2 (SO 4 ) 3 =2 (52) +3 (32,07) + 12 (16)= 392,21 g mol -1 Γραμμομοριακή μάζα = Cr 2 (SO 4 ) 3 = 392,21g mol -1 16,2 g / 392,21g mol -1 = 0,041 mol Cr 2 (SO 4 ) 3 άρα Ιόντα SO 4 2- = 3 0,041 6, ιόντα = 0, ιόντα SO 4 2-

11 5. Υπολογισμός της εκατοστιαίας περιεκτικότητας από το χημικό τύπο Μάζα % συστατικού Α = (μάζα του Α/μάζα του συνόλου) 100 Π.χ υπολογίστε την % σύσταση του ΚClO 4 αν Α.Β.Κ = 39,1 u, A.B.Cl = 35,45 u, A.B.O=16 u M R ΚClO 4 = (39,1) + (35,45) + 4 (16) = 138,55 g mol -1 Σε 1 mol (138,55 g) ΚClO 4 περιέχονται 1mole K, (39,1 g), 1 mole Cl( 35,45 g) και 4 mole O (64 g) %K = (39,1 g / 138,55 g) 100=28,2% %Cl = (35,45 / 138,55) 100 = 25,6% %O = (64 / 138,55) 100 = 46,2%

12 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Να ισοσταθμίσετε τις παρακάτω χημικές αντιδράσεις: (45 η 1 ου κεφαλαίου) α. Al(OH) 3gibsite + H + Al 3+ + H 2 O β. Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4kaolinite + H + Al 3+ + H 4 SiO 4(aq) + H 2 O γ. GaAl 2 Si 2 O 8 anorthite + H + Ga 2+ + Al 3+ + H 4 SiO 4(aq) δ. FeOOH goethite + H + Fe 3+ + H 2 O ε. KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 jarosite + H + K + +Fe 3+ + SO H 2 O στ. KAlSi 3 O 8 feldspar + H 2 O + H + K + + Al 3+ + H 4 SiO 4(aq) ζ. Mg 5 (CO 3 ) 4 (OH) 2 4H 2 O hydromagnesite + H + Mg 2+ + CO H 2 O η. SiO 2 + H 2 Ο H 4 SiO 4(aq) θ. As 2 S 3 orpiment + H 2 O H 3 AsO 3(aq) + HS + H + ι. Cu 3 (OH) 2 (CO 3 ) 2 azurite + H + Cu 2+ + HCO H 2 O

13 2. Να διακρίνετε τη διαφορά μεταξύ συνεχούς και μη συνεχούς θεώρησης της ύλης (1 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου) 3. Να διακρίνετε τη διαφορά μεταξύ ανιόντων και κατιόντων (10 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου) 4. Nα ορίσετε τα ισότοπα (12 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου) 5. Τι είναι οι αντιδράσεις καθίζησης, οξέος βάσης και οξείδωσης - αναγωγής (16 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου) Πόσα πρωτόνια και πόσα νετρόνια περιέχει ο 26 Fe; (31 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου).

14 7. Πόσα πρωτόνια και πόσα νετρόνια περιέχει ο Sb; (32 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου) Υπάρχουν τρία σταθερά ισότοπα νέον. Χρησιμοποιώντας τα πιο κάτω δεδομένα να υπολογίσετε το ατομικό βάρος του νέον. (33 η α. 1 ου κεφαλαίου βιβλίου 121 Ισότοπο % Αφθονία Μάζα (amu) 20 Ne 90,48 19, Ne 0,27 20, Ne 9,25 21, Ο λόγος 51 V/ 12 C = 4,2453. Να υπολογίσετε τη μάζα σε amu του 51 V. (35 η 1 ου κεφαλαίου βιβλίου)

15 10. Να υπολογίσετε το μοριακό βάρος του καολινίτη [Al 2 Si 2 O 5 (OH) 2 ]. Δίνονται Α.Β. :Al= 26,982 Si=28,086, O = 15,999, H = 1,0079 (36 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου) 11. Υπάρχουν 5 σταθερά ισότοπα Ti α. Χρησιμοποιώντας τα πιο κάτω δεδομένα να βρείτε το Α.Β. του Τi Ισότοπο % Αφθονία Μάζα (amu) 46 Ti 8,0 45, Ti 7,28 46, Ti 73,8 47, Ti 5,5 48, Ti 5,4 49,94479 β. Ο χημικός τύπος του ορυκτού rutile είναι TiO 2. Nα υπολογίσετε τον αριθμό των γραμμαρίων Ti σε 45,3 g rutile.

16 γ. Να υπολογίσετε τον αριθμό των mol του Ti στο rutile δ. Να υπολογίσετε τον αριθμό των ατόμων του Ti στο rutile ε. Να υπολογίσετε τη μάζα (σε kg) ενός ατόμου Ti. (34 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου)

17 Χημεία Διαλυμάτων Διαλύματα

18 Διαλύματα Είναι Ομογενή μίγματα δύο ή περισσοτέρων συστατικών με μέγεθος σωματιδίων < 1nm Οπτικά διαυγή Με συστατικά που δεν διαχωρίζονται με το χρόνο ούτε με απλή διήθηση Περιέχουν Το διαλύτη Τις διαλυμένες ουσίες

19 Κολλοειδή διαλύματα Ομογενή συστήματα διασποράς στα οποία η διαλυμένη ουσία έχει διαστάσεις nm. Μακροσκοπικά ομογενή Οπτικά μη διαυγή, (π.χ. ομίχλη, γάλα)

20 Αιωρήματα Ομογενή μίγματα με διαστάσεις σωματιδίων > 1000 nm Σωματίδια ορατά με γυμνό μάτι, (π.χ. αίμα, aerosol sprays) Ετερογενή μίγματα Δεν έχουν την ίδια σύσταση σε όλη την έκταση της μάζας τους, ( π.χ. χώμα)

21 Διαλυτότητα ουσίας Ονομάζεται η συγκέντρωση κεκορεσμένου διαλύματός της, σε ορισμένη θερμοκρασία. Διαλυτότητα συγκέντρωση ίδιες μονάδες Διαλύματα Κεκορεσμένα Ακόρεστα Υπέρκορα

22 Συγκέντρωση Τύπος % περιεκτικότητα ppm ppb % w/w, % w/v, % v/v Μέρη ανά εκατομμύριο μg / ml, mg / L, μg / g Μέρη ανά δισεκατομμύριο ng / ml, ng / g Γραμμομοριακό κλάσμα Χ 1 = mol 1 mol 1 + mol Γραμμομοριακότητα κατά βάρος, Molality m = n mol διαλυμένης ουσίας = n mol 1000g διαλύτη 1000g διαλύτη

23 Μονάδες απόλυτης μάζας σε σχέση με το Χιλιόγραμμο (Χιλιόγραμμο η μονάδα μάζας στο SI) Μονάδα Συντόμευση Χιλιόγραμμο Χιλιόγραμμο Kg 1 Γραμμάριο g 1 x 10-3 Χιλιοστόγραμμο mg 1 x 10-4 Μικρογραμμάριο μg 1 x 10-9 Νανογραμμάριο ng 1 x Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

24 Συγκέντρωση Τύπος Γραμμομοριακότητ α κατ όγκο, Molarity N = α M M = n mol διαλυμένης ουσίας = n mol 1 L διαλύματος L Κανονικότητα Ν = n equivalents = n eq 1 L διαλύματος L Τυπικότητα F = n γραμμοτυπικά βάρη διαλ. ουσίας= n gfw 1 L διαλύματος L

25 Τύπος Αντίδρασης Αντιδρώσα ουσία α Παραδείγματα Μεταθετικές Οξύ Αριθμός Η HCl α=1 (οξέοςβάσεως, καθίζησης) Βάση Αριθμός ΟΗ Ba(OH) 2 α=2 Άλας Ολικός αριθμός οξείδωσης αντιδρώντων θετικών ή αρνητικών ιόντων Na 2 HPO 4 α=1 για το Η + α=2 για το Na + α=3 για τα PO 4 3- Οξειδοαναγωγής Οξειδωτικό Μεταβολή Α.Ο. KMnO 4 α=5 MnO - 4 Mn 2+ Αναγωγικό Μεταβολή Α.Ο. H 2 S α=2 S 2- = S 0

26 Οξύ Βάση Μοριακότητα και Κανονικότητα για διάφορα Οξέα και Βάσεις ή Μοριακό Βάρος Γραμοϊσοδύναμο Βάρος Σχέση μεταξύ Μοριακότητας και Κανονικότητας HCl 36,5 36,5 1 M = 1 N H 2 SO 4 98,0 49,0 1 M = 2 N H 3 PO 4 98,0 32,6 1 M = 3 N NaOH 40,0 40,0 1 M = 1 N Ca(OH) 2 74,0 37,0 1 M = 2 N Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

27 Αραίωση διαλυμάτων C 1 V 1 = C 2 V 2 Π.χ. 20 ml διαλύματος HCl 3 Ν αναμιγνύονται με 80 ml νερού. Τι κανονικότητας είναι το διάλυμα που προκύπτει ; 3 20 ml = Ν 100 ml άρα Ν= 0,6 Από διάλυμα ΝαΟΗ 2 Ν να γίνει διάλυμα ΝαΟΗ 1N 50 ml 2 Χ ml = 1 50 ml άρα 25 ml ΝαΟΗ 2 Ν αναμιγνύονται με 25 ml νερού και προκύπτουν 50 ml διαλύματος ΝαΟΗ 1 Ν

28 Τίτλος : Τα g της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 1mL διαλύματος. Π.χ. ΗΝΟ 3 0,05 τίτλου, σημαίνει 0,05 g ΗΝΟ 3 σε 1mL διαλύματος. Γραμμομοριακό κλάσμα συστατικού διαλύματος 1) Ποιό το γραμμομοριακό κλάσμα γλυκόζης και νερού σε ένα διάλυμα που περιέχει 5,67 g γλυκόζης C 6 H 12 O 6 διαλυμένα σε 25,2 g νερού Μ.Β.νερού = 18 25,2/18= 1,4 mol νερού Μ.Β. Γλυκόζης= =180 5,67/180 = 0,0315 mol Γλυκόζη = 0,0315 / (0, ,4), Νερό = 1,4/(0,0315+1,4) 2)Έστω υδατικό διάλυμα 0,120 m γλυκόζης. Ποιο το μοριακό κλάσμα κάθε συστατικού του διαλύματος. 0,120 m, άρα σε 1000 g νερού περιέχονται 0,120 mol γλυκόζης 1000/18 = 55,6 mol νερού. Άρα Γλυκόζη = 0,120/ (0,120+55,6) Νερό = 55,6 / (0, ,6)

29 ppm ppb ppm: μg/ml, mg / L, μg / g ppb: ng/ml, ng / g, nl / L Παραδείγματα 1) 36 % w/w διαλύματος Cu 36 g / 100 g = g / ( g) = 36 μg / 10-4 g = = ppm = ppb 2) Πόσα Μ είναι διάλυμα ΗCl 1200 ppm 1200 μg / ml = g / 10-3 L = g / L = g / L = 1,2 g / L = 1,2 / M.B mol / L = = 1,2 / M.B. M

30 Παραδείγματα και ασκήσεις Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

31 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 1. Οι πλαγιόκλαστοι άστριοι είναι σημαντικό ορυκτό σε πολλά πετρώματα. Αυτοί σχηματίζουν μια σειρά στερεών διαλυμάτων με ακραία μέλη της τον καθαρό αλβίτη (NaAlSi 3 O 8 ) και τον καθαρό ανορθίτη (CaAl 2 Si 2 O 8 ). Ένα συγκεκριμένο πλαγιόκλαστο περιέχει 5% κ.β.ca Να υπολογιστεί το γραμμομοριακό κλάσμα του ανορθίτη στο πλαγιόκλαστο. Τα ατομικά βάρη των Ca, Al, Si και Ο είναι αντίστοιχα 40, 27, 28 και 16

32 Αρχικά κάνουμε τον υπολογισμό του κβ ποσοστού του ανορθίτη. Πολλαπλασιάζουμε για το λόγο αυτό το Μ r του ανορθίτη με 5 (%κ.β του Ca στο πλαγιόκλαστο) και στη συνέχεια διαιρούμε με το Α.Β. του Ca έτσι ώστε να γνωρίζουμε την αναλογία του ανορθίτη με το Ca %κβ CaAl 2 Si 2 O 8 (Αν) = 5(40 + 2x27 + 2x28 + 8x16) = 34,8 40 Στη συνέχεια αφαιρούμε το ποσοστό κβ του ανορθίτη από το 100% και παίρνουμε το ποσοστό του αλβίτη % κβ NaAlSi 3 O 8 (Αλβ) = ,8 = 65,2

33 Σχετικός αριθμός mole Ανορθίτη = 34,8/278 = 0,13 Σχετικός αριθμός mole Αλβίτη = 65,2/262 = 0,25 Γραμμομοριακό κλάσμα Αν = mole ανορθίτη = mole Αν + Αλβ = 0,13 = 0,34 0,13 + 0,25 ΥΠΕΝΘΥΜΙΣΗ Γραμμομοριακό κλάσμα = Ο λόγος του αριθμού των mole ενός συγκεκριμένου συστατικού του διαλύματος προς τον συνολικό αριθμό των moles στο διάλυμα. (Τα διαλύματα όχι κατ ανάγκη υγρά)

34 Έρωτήσεις - Ασκήσεις 1. 1,25 g NaCl είναι διαλυμένα σε διάλυμα 1 L. Να υπολογίσετε α. τον αριθμό των mol του NaCl που είναι διαλυμένα β. τη μοριακότητα κατ όγκο του διαλύματος NaCl γ. τον αριθμό των ιόντων Na + στο διάλυμα (37 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου) 2. 0,02 g SrSO 4 είναι διαλυμένα σε 1 L διαλύματος. Να υπολογίσετε α. τον αριθμό των mol του SrSO 4 που είναι διαλυμένα β. τη μοριακότητα κατ όγκο του διαλύματος SrSO 4 γ. τον αριθμό των ιόντων Sr 2+ στο διάλυμα (38 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου)

35 3. Ένα διάλυμα 1 L περιέχει 2, mol CaCO 3. Να υπολογίσετε τη μάζα του διαλυμένου CaCO 3 στο διάλυμα. (39 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου). 4. Ένα στερεό διάλυμα CaCO 3 - MgCO 3 περιέχει 3% κβ Mg. Να υπολογίσετε το γραμμομοριακό κλάσμα του MgCO 3 στο στερεό διάλυμα. (40 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου). 5. Ένα στερεό διάλυμα CaMgSi 2 O 6 - CaFeSi 2 O 6 (πυροξένιο εμπλουτισμένο σε Ca).περιέχει 5% κβ Fe. Να υπολογίσετε το γραμμομοριακό κλάσμα του CaMgSi 2 O 6 στο στερεό διάλυμα. (41 η άσκηση 1 ου κεφαλαίου).