1

MILIEUCHEMIE: OEFENINGEN

OEFENZITTING 1

1. De reactie tussen calciet (vaste stof; alkalisch) en (gas; zuur) is:

Waarvoor bij en totale druk; is de in de atmosfeer die in

evenwicht staat met de oplossing, de partieeldruk wordt uitgedrukt in .

Schrijf de evenwichtsconstante van de reactie. Wat is de oplosbaarheid van dit mineraal in

wanneer de partieeldruk gelijk is aan ? De ladingsbalans dicteert dat er

-ionen vrijkomen voor elke mol -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 .

2

3. Wat is de oplosbaarheid (bij ) van in (a) zuiver water; (b) een oplossing

en (c) 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 dissocieert volgens met een evenwichtconstante .

Wordt de 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

[ ][ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

3

[ ] 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.

4

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 ( ) oplossing, als je weet dat de

zuurconstante ? 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 van waterstofcyanide ( ) gelijk is aan

bij , wat is de van een natriumcyanide oplossing? Wat zijn de

concentraties van en in deze oplossing?

Reactievergelijkingen:

Evenwichtsconditie:

Ladingsbalans:

[ ] [ ] [ ] [ ] [𝐻 ] is verwaarloosbaar omwille van het basisch milieu

[ ] [ ] [ ]

Massabalans:

[ ] [ ]

[ ] [ ] aangezien [𝐶𝑁 ] [𝑂𝐻 ] 𝑀 en [𝐶𝑁 ] [𝐻𝐶𝑁] 𝑀

5

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

[ ].

[ ] [ ] [ ]

([ ]

[ ]) [ ]

[ ]

[ ] √

6

4. De reactie tussen calciet (alkalisch mineraal) en (het zuur) is:

Waarvoor geldt, bij :

( )

met in . Wat is de en de oplosbaarheid van het calciet (vb. de -concentratie)

bij, respectievelijk, en ? Het bicarbonaat (

) kan nog verder

omgezet worden naar en , voor beide reacties kan je de -waarden pz eken…

Neem aan dat .

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 mag verwaarloosd worden (zie gegeven)

[ ] [ ]

7

Concentratie berekenen:

[ ][

]

√

√

Concentratie berekenen:

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

Concentratie berekenen:

[ ][ ]

[ ]

[ ]

√

[ ]

√

Concentratie berekenen:

[ ] [ ] [ ]

[ ]

√

√

√

berekenen:

( √

)

8

5. Een zwak zuur (waarvan de gekend is) met een concentratie wordt getitreerd met

een sterke base ( ). Toon aan dat de buffercapaciteit gelijk is aan (met

vereenvoudigingen):

[ ]

En dat de hoogste waarde ( ) verkregen wordt bij .

De buffercapaciteit wordt gedefinieerd als:

Ladingsbalans:

[ ] [ ] [ ] [ ] in de gebufferde zone verwaarloosbaar

[ ] [ ]

Berekening :

( )

[ ] [ ]

Afleiding :

[ ]

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Afleiding van :

( n

n )

Samengevoegd:

( )

[ ]

[ ]

9

Om het maximum te vinden moet de afgeleide van deze uitdrukking 0 zijn:

(

[ ] ) (

[ ] )

[ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

De hoogste waarde wordt bereikt wanneer .

[ ]

[ ]

10

OEFENZITTING 3

1. Bereken de vrije ionconcentraties van bij een totale opgeloste concentratie in water

van in aanwezigheid van fulvuszuren bij . De voor is

en de voor is .

Reactievergelijkingen & evenwichtscondities:

Massabalans:

[ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ]

Er zijn 5 vergelijkingen en 5 onbekenden. Uitwerking:

[ ]

[ ][ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ]

[ ] ( [ ] )

[ ]

[ ] [ ]

( [ ] [ ]

) [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ]

11

2. Wat is de concentratie van opgelost in een bodemoplossing bij in aanwezigheid

van (a) of (b) fulvuszuur wanneer ferrihydriet ( ) aanwezig is?

Neem aan dat de voor met fulvaat (gedeprotoneerde vorm van

humuszuur) gelijk is aan en dat de van een model fulvuszuur gelijk is aan . Gebruik

Figuur 1.8 uit de cursus om de concentraties -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.

[ ]

[ ][ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ] ∑ [ ]

12

3. Beschouw water dat , ,

; colloïdaal

en colloïdaal bevat. Hoe veel DOC (in , met formule )

is er nodig om dit systeem te reduceren tot net onder de grens? Neem aan dat

gereduceerd wordt tot en niet tot .

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.

Component Hoeveelheid

(mM) Redoxreactie

Vereiste DOC

(mM)

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 (in heel zure

omstandigheden), naar sulfaat en opgelost (matig zuur) en naar sulfaat en

(pH neutrale omstandigheden).

b) Reductie van arsenaat ( ) naar arseniet ( ) met organische stof.

(a)

(b)

13

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

1:1, di-oct.:

2:1, di-oct.:

1:1, tri-oct.:

2:1, tri-oct.:

a) ( )

di-octaëdrisch 2:1-klei

b) ( )( )

tri-octaëdrisch 2:1-klei

2. De ‘beschikbare’ kati nen in de b dem zijn de s m van de kati nen p het

uitwisselingscomplex en de kationen in de bodemoplossing. De van een bodem is

droog gewicht en de bodemoplossing ( ) bevat en

. Wat is de verhouding van kationen in de bodemoplossing tot het totaal aantal

beschikbare kationen? Neem aan dan het volumetrisch vochtgehalte water is en

dat de bodemdichtheid gelijk is aan drooggewicht vochtige bodem.

[ ] [ ]

(

)

14

3. Een bodem bevat drooggewicht orthofosfaat ( ). De bodem bevat

bovendien bindingsites voor en de is . Wat is de

concentratie orthofosfaat in oplossing? Het gravimetrisch watergehalte van de bodem is

water per drooggewicht.

Evenwichtsconditie:

[ ]

[ ][ ]

Massabalans:

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ][ ]

[ ]

(

[ ]) [ ]

(

[ ]) [ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

15

4. Bereken de concentratie orthofosfaat in de bodemoplossing voor dezelfde situatie als in de

vorige oefening, maar wanneer concurreert met de sorptie-sites.

De voor is 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.

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

16

6. Beschouw een humussubstantie met een gemiddelde (gecorrigeerd voor ionische

sterkte . Eén gram van dit materiaal heeft zure groepen en is opgelost in

bij . Wat is de concentratie (in drooggewicht) van specifiek en niet-specifiek

geadsorbeerde protonen wanneer je aanneemt dat de voor niet-specifieke

sorptie ?

[ ]

[ ]

Er zijn 1000 keer meer -ionen dan protonen niet-specifiek geadsorbeerd.

Van de zure groepen is de helft dus bezet.

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

17

OEFENZITTING 5

1. Een bodem heeft een van drooggewicht en zijn gravimetrisch vochtgehalte

is water drooggewicht. De bodemoplossing bevat: , ,

en . De is . Bereken (a) de fractie equivalenten

van en 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 ( ) is na uitdroging 3 keer hoger in de verdroogde bodem dan in de

natte bodem. Er vindt enkel uitwisseling plaats, geen neerslag. Ladingsbalans:

Initieel: [ ] [ ] [ ] [ ]

Finaal: ([ ] [ ] )

([ ] [ ] )

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ]

18

2. De jaarlijkse verzurende depositie op een bodem is en dit mengt zich in de

toplaag (dichtheid ). Bijkomend is er een verzuring door jaarlijkse nitraatuitspoeling

van uit die toplaag en deze nitraat is netto afkomstig uit

mineralisatie+nitrificatie van bodem organische- ( De

bodem heeft een initiële , een effectieve van en

baseverzadiging. Hoe lang duurt het tot de is waarbij de effectieve daalt tot

waarvan slechts bezet is met neutra e “base” kati nen

Verlies uitwisselbare basen toegevoegd Initieel ( ) ( baseverzadiging) basen per basen per Finaal ( ) ( baseverzadiging)

basen per Verlies

basen per

Zure regen

Nitraatuitspoeling

Totaal

Massa per hectare

Verzuring per kilo bodem

Benodigde tijd

basen per

19

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 en lood is geadsorbeerd op de organisch stof

van de bodem met een 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 van orthofosfaat

(elke vorm, dus , enz.). Het gravimetrisch vochtgehalte van de bodem

d.s. Kan neerslaan als fosfaatzout in die condities? De ionische sterkte van de

oplossing is (constant). De ’s van orthofosfaat zijn , en . Ga ervan uit

dat de Langmuir-waarde verwijst naar de concentratie orthofosfaat [ ] en niet naar de

activiteit .

Gegeven:

Evenwichtscondities

Massabalans

[ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ] [

] [ ]

[ ]

Gevraagd:

neerslaan

< in oplossing blijven

Uitwerking

Stap 1: berekenen

[ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

(

)

[ ]

20

Stap 2: berekenen

[ ]

[ ][ ]

met [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ] [ ] [

] [ ] [ ]

[ ] [

] [ ] [ ]

(

)

(

)

Stap 3: oplosbaarheid

zal neerslaan.

Veel succes!!!