Wasserchemie und Wasseranalytik SS 2015

Transkript

1 Wasserchemie und Wasseranalytik SS 015 Übung zum Vorlesungsblock II Wasserchemie Dr.-Ing. Katrin Bauerfeld

2 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 1,5 13,5 Anteile [%] Übungsaufgaben zu Block II Wasserchemie 1. qualitative Betrachtung von Säure-Base-Gleichgewichten 1a) Bei der Faulung von Klärschlamm (ph-wert im Faulbehälter etwa 7) wird durch die Zersetzung von (stickstoffhaltigem) Eiweiß viel Ammonium gebildet. Bei der Entwässerung von Faulschlamm auf Filterpressen wird Kalk, Ca(OH), zudosiert. Wieso stinkt der Klärschlamm danach nach Ammoniak? (qualitative Betrachtung, pk s = 9,5) NH 4 + H+ + NH 3 pk S =9,5 bzw. pk B =4, Ammonium Ammoniak Durch die Kalkzugabe wird der ph-wert stark angehoben. Dabei wandelt sich entsprechend Säure/Base-Gl.gew. NH 4 + weitgehend in NH 3 um. Dieses entweicht als Gas in die Luft ph-wert [-]

3 a) Berechnen Sie den ph-wert für folgende Lösungen: Ionenprodukt des Wassers: c(h 3 O + ) c(oh - ) = mol²/l² Natronlauge und Salzsäure dissoziieren vollständig. 0,1-molare Natronlauge (NaOH) c(oh - ) = 0,1 mol/l poh = - log 0,1 = 1 ph = 14-1 = 13 0,01-molare Salzsäure (HCl) c(h 3 O + ) = 0,01 mol/l ph = - log 0,01 = 3

4 b) Berechnen Sie den ph-wert für folgende Dosierungen von Säure/Base in Wasser. Runden Sie auf eine Nachkommastelle. Dosierung von ml einer -molaren Salzsäure (HCl) zu einem Liter Wasser. c (HCl) = mol/l V (HCl) = 10-3 l n (HCl) = mol/l 10-3 l = 0,004 mol V ges = 1,00 l c ges = 0,004 mol / 1,00 l = mol/l entspricht der für den ph-wert maßgeblichen H 3 O + Konzentration! ph = - log (= ) =,4 4

5 b) Berechnen Sie den ph-wert für folgende Dosierungen von Säure/Base in Wasser. Runden Sie auf eine Nachkommastelle. Dosierung von 0,001 mol Essigsäure (CH 3 COOH) in einem Liter Wasser (Gesamtvolumen). α = 1,6 %. c (H 3 O + ) = 10-3 mol/l 0,16 = 1, mol/l ph = - log (1, ) = 3,9 5

6 b) Berechnen Sie den ph-wert für folgende Dosierungen von Säure/Base in Wasser. Runden Sie auf eine Nachkommastelle. Dosierung von 170 mg Ammoniak (NH 3 ) in einem Liter Wasser (Gesamtvolumen). pk B = 4,75. Nicht berücksichtigen: Löslichkeitsgleichgewicht. Hinweis: Näherungsformeln zur ph-berechnung bei Dosierung schwacher Säure/Base: pks lg(dosierkonz. der Säure) ph pk lg(dosierkonz. der Base) poh B 6

7 Hintergrund Eine exakte Berechnung des ph-wertes erfolgt über die quadratische Gleichung Vereinfachung: der lineare Term hat bei nicht zu geringer Säure/Basekonzentration einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf das Rechenergebnis Für die Dosierung einer schwachen Säure ergäbe sich (Bsp. Folie 43, VL 5): [H + ] + (10-4,75 mol/l). [H + ] ,75 mol /L = 0 K. S c(essigsäure) [H + ] = K S. (Dosierkonz. der Säure) Analoges gilt für die Salzdosierung (Wirkung des Anions als schwache Base) Näherungsformeln zur ph-berechnung bei Dosierung schwacher Säure/Base: pks lg(dosierkonz. der Säure) ph pk lg(dosierkonz. der Base) poh B 7

8 b) Berechnen Sie den ph-wert für folgende Dosierungen von Säure/Base in Wasser. Runden Sie auf eine Nachkommastelle. Dosierung von 170 mg Ammoniak (NH 3 ) in einem Liter Wasser (Gesamtvolumen). pk B = 4,75. Nicht berücksichtigen: Löslichkeitsgleichgewicht. Hinweis: Näherungsformeln zur ph-berechnung bei Dosierung schwacher Säure/Base: 1 NH 3 + H O 1 NH OH - ; d.h. der ph-wert steigt an; pk B = 4,75 Vereinfachung: Berechnung der Basenkonzentration: pks lg(dosierkonz. der Säure) ph pk lg(dosierkonz. der Base) poh B c(nh 3 ) = 0,170 g/l / (14+3 1) g/mol = 10 - mol/l poh = (4,75 log (10 - )) ½ = 3,375 ph = 14 3,375 = 10,6 8

9 c) Wieviel ml der angeführten Lösungen muss man zu einem Liter Wasser dosieren, damit sich die angegebenen ph-wert einstellen? 0,1-molare Natronlauge, ph 9 Stammlösung: c (NaOH) = 0,1 mol/l = c (OH - ) = c 1 V 1 = 1000 ml Ziellösung mit ph 9 poh = 14-9 = 5 c(oh - ) = 10-5 mol/l = c Verhältnisrechnung: wieviel ml entsprechen 10-5 mol/l, wenn 0,1 mol/l 1000 ml entsprechen x ml = 10-5 V = c 0,1 mol/l = 1000 ml c 1 = V 1 V = c V 1 / c 1 V = 10-5 mol/l 1000 ml / 0,1 mol/l = 0,1 ml 9

10 c) Wieviel ml der angeführten Lösungen muss man zu einem Liter Wasser dosieren, damit sich die angegebenen ph-wert einstellen? 0,1-molare Salzsäure, ph 4 Stammlösung: c (HCl) = 0,1 mol/l = c (H 3 O + ) = c 1 V 1 = 1000 ml Ziellösung mit ph 4 c(h 3 O + ) = 10-4 mol/l = c V = 10-4 mol/l 1000 ml / 0,1 mol/l = 1 ml 10

11 [CO ] Übungsaufgaben zu Block II Wasserchemie 3. Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Tilmanns-Kurve: CaCO3(s) + CO + HO Ca + + HCO C : 6,5 6,6 6,7 10 C : 6,6 6,7 6,8 A 5 C 6,9 6,8 6,9 Achtung: gültig für festes Verhältnis Ca +/ HCO 3 - von 1: (oft nicht für natürliche Wässer gültig) B CO - Strippen +Ca(OH) C D 10 C 7, , 7,3 7,4 7,5 7,6 7,8 8,0 [HCO ] bzw. [Ca ] 7,0 7,1 7, 7,3 7,4 7,5 7,7 7,9 (Bahrs S. 156) 11

12 3. Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht 3a) Zwei Wässer mit unterschiedlicher HCO3 - - Konzentration werden gemischt. Beide Wässer befinden sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Wie sieht es mit dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht des Gemisches aus? (qualitative Betrachtung) Auflösung von Kalk in Wasser: CaCO3(s) + CO + HO Ca + + HCO3- mit dem chem. Gleichgewicht ( = Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht): [ Ca ] [ HCO ] [ CO ] - 3 K a [HCO3-] geht zum Quadrat in das GW ein -> kein linearer Zusammenhang! Das Gemisch aus den Wässern befindet sich nicht im GW. 1

13 3. Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Anteile der Kohlensäureformen ph

14 3. Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht 3b) Bei ph=13 enthält eine Lösung 10-3 mol/l CO 3 -. Nun wird (unter Vermeidung von CO -Strippverlusten) mit HCl titriert. Wie groß sind jeweils etwa die Konzentrationen für CO, HCO 3 - und CO 3 - bei ph = 9, ph = 7 und ph = 5? Abb. auf vorheriger Folie 14