UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRES DE FEBRERO
QUÍMICA AMBIENTAL GUÍA DE EJERCICIOS
1.
ATMÓSFERA
1.1. El monitor de una estación de control de la contaminación atmosférica da una concentración diaria promedio para el SO 2 de 480 [µg/m3] a 30 [°C] y 1 [atm]. ¿Cuál será la concentración de SO 2 en ppm? Usando la ecuación general de los gases:
⇒ ⇒ Por lo tanto:
Finalmente:
1.2. El gas emitido por la chimenea de una central térmica contiene, a 460 [°C], diferentes concentraciones de SO2 según el carbón utilizado: a. 2000 ppm y b. 1200 ppm. Si la emisión de gas es de 25.000 [m3/min], ¿Cuál será la emisión de SO 2 expresada en [g/s] en cada uno de los casos? Dato: la presión de los gases a la salida de la chimenea es 1,05 [atm]. a. Se procede a la conversión de unidades del caudal:
Se procede a la conversión de unidades de la concentración de dióxido de azufre:
Por lo tanto, para los 416,67 [m 3] de gas tenemos:
Se calcula la masa de dióxido de azufre:
⇒ ⇒
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1.
ATMÓSFERA
1.1. El monitor de una estación de control de la contaminación atmosférica da una concentración diaria promedio para el SO 2 de 480 [µg/m3] a 30 [°C] y 1 [atm]. ¿Cuál será la concentración de SO 2 en ppm? Usando la ecuación general de los gases:
⇒ ⇒ Por lo tanto:
Finalmente:
1.2. El gas emitido por la chimenea de una central térmica contiene, a 460 [°C], diferentes concentraciones de SO2 según el carbón utilizado: a. 2000 ppm y b. 1200 ppm. Si la emisión de gas es de 25.000 [m3/min], ¿Cuál será la emisión de SO 2 expresada en [g/s] en cada uno de los casos? Dato: la presión de los gases a la salida de la chimenea es 1,05 [atm]. a. Se procede a la conversión de unidades del caudal:
Se procede a la conversión de unidades de la concentración de dióxido de azufre:
Por lo tanto, para los 416,67 [m 3] de gas tenemos:
Se calcula la masa de dióxido de azufre:
⇒ ⇒
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De donde:
Por lo tanto:
b. Se procede a la conversión de unidades de la concentración de dióxido de azufre:
Por lo tanto, para los 416,67 [m 3] de gas tenemos:
Se calcula la masa de dióxido de azufre:
⇒ ⇒ De donde:
Por lo tanto:
1.3. La concentración de monóxido de carbono en el humo de un cigarro alcanza niveles de 450 [ppm]. Determine el porcentaje en volumen y la concentración en [mg/m 3] a 20 [°C] y a 1,1 [atm]. Se procede a la conversión de unidades del caudal:
Sabiendo que:
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⇒ ⇒ Entonces:
Por lo tanto:
El porcentaje V/V vale:
1.4. El gas del tubo de escape de un camión contiene un 2,2% en volumen de monóxido de carbono, ¿cuál será la concentración de CO en [mg/m 3] a 30 [°C] y 1,02 [atm]? Se procede a la conversión de unidades:
Sabiendo que:
⇒ ⇒
Entonces:
Por lo tanto:
1.5. Se utiliza magnesita (carbonato de magnesio) para depurar el dióxido de azufre producido en una planta térmica en la que se emplea como combustible carbón con un contenido de azufre del 3,0%. La
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eficiencia de la eliminación de SO 2 debe ser del 90%, a fin de cumplir con los requisitos medioambientales impuestos. Calcule: a.
Los kg de carbonato de magnesio estequiométricos que se necesitan por kg de azufre en el carbón.
b. Los kg de magnesita necesarios por tonelada de carbón si se emplea un 20% de exceso de carbonato de magnesio y la riqueza de la magnesita en el carbonato de magnesio es del 85%. a. La reacción es:
⇔ Las relaciones estequiométricas son:
Si la eficiencia de la reacción es del 90%:
Por lo tanto, la masa de azufre será:
b. Se calcula la masa de azufre por tonelada de carbón:
Se calcula la masa de magnesita que reacciona con los 30 kg de azufre:
Teniendo en cuenta el exceso de carbonato de magnesio y el rendimiento de la reacción:
1.6. Una fábrica de abonos fosfatados emite a la atmósfera una medida de 3 [Nm 3] de gas por kg de abono producido. La concentración promedio en partículas sólidas del gas es del orden de 12 [g/Nm 3]. Calcule la cantidad de sólidos que se emitirían a la atmósfera diariamente, si la fábrica produce 50 [tn/día] de abonos. ¿Qué cantidad de partículas tendrá que recuperarse diariamente, mediante los sistemas adecuados, si sólo se permite emitir 80 [mg/Nm 3] de partículas sólidas?
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Se calcula el volumen de gas producido a diario:
Se calcula la cantidad de partículas para el volumen de gas diario:
Se calcula la cantidad de partículas totales emitidas para una emisión de 80 [mg/m 3]:
La cantidad a eliminar, es la diferencia entre lo emitido y lo permitido:
1.7. Una planta incineradora de residuos, sin control emitiría a la atmósfera 9,5 [Kg] de NOx por tonelada de basura incinerada. Calcule cuales serían las emisiones diarias de NOx a la atmósfera de una ciudad de 200000 habitantes, en la que cada persona genera 1,2 [kg] basura por día, y la basura de la industria que se trata en la misma incineradora, representa 1,25 [Kg] de residuos por habitante por día. Se calcula la masa total de basura diaria generada por los habitantes para toda la ciudad:
Se calcula la masa total de basura diaria generada la industria para toda la ciudad:
La masa total será:
La masa total de óxidos de nitrógeno será:
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1.8. Según la estimación de factores de emisión por la Agencia de Protección Ambiental de EEUU (EPA) una coquería de una planta siderúrgica emite 1,75 [Kg] de partículas por tonelada de carbón empleado. Para una industria siderúrgica que utiliza 1000 toneladas de carbón al día, calcule: a.
La cantidad de partículas generada en [Kg/h].
b. La concentración de las mismas, expresadas en [mg/Nm 3] si el volumen total de gases emitidos es de 6,4 . 106 [Nm3/día]. c. ¿Cuál debe ser el rendimiento mínimo de los sistemas de depuración que se debe instalar si se permite un máximo de emisión de 100 [mg/Nm3]? d. ¿Qué cantidad máxima de partículas, expresadas en toneladas, emitirá la planta anualmente una vez instalados los sistemas de depuración? a. Se calcula la masa total de partículas por día:
Se calcula la masa de partículas por hora:
b. La concentración será:
c. Se calcula la masa de partículas que debemos eliminar:
El rendimiento se calcula como:
d. Se calcula la masa total de partículas con los sistemas instalados:
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2. 2.1.
EQUILIBRIO ÁCIDO - BASE
Calcular el pH de una solución de HCN 0,01 [M]. Ka = 4,93 . 10 -10
El pH se calcula como:
La constante de equilibrio es:
Balance de masas:
⇔ ⇔ De las ecuaciones ② y ③ se obtiene:
De donde, resolviendo una ecuación cuadrática se obtiene que:
Finalmente, se reemplaza en ① y se obtiene:
2.2. El pH de una solución de ácido fórmico (HFor) es 2,05. Calcular la constante de equilibrio de dicho ácido. FALTA UN DATO PARA RESOLVER EL EJERCICIO
2.3. Calcular los gramos de ácido acético que se deben disolver en agua para obtener 500 [ml] de una solución de Ph = 3 y Ka = 1,8 . 10 -5. Sabiendo que:
⇔ Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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Entonces:
REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de equilibrio es:
De donde:
Sabiendo que:
Entonces:
Finalmente:
La cantidad de moles para el volumen de solución planteado es:
La masa molar del ácido acético es 60 [g], la masa total de ácido es:
2.4. La segunda constante del H2SO4 es Ka = 1,26 . 10 -2. Calcular las concentraciones de HSO 4, SO42- y H + en una disolución 0,15 [M] de H 2SO4.
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PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
La constante de equilibrio es:
De donde:
Resolviendo las raíces de la ecuación de segundo grado, se obtiene:
Por lo tanto:
2.5.
Calcular el pH de una solución de NaHSO 4 0,168 [M] sabiendo que Ka = 1,26 . 10-2.
PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
La constante de acidez para la segunda reacción es:
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De donde:
Resolviendo las raíces de la ecuación de segundo grado, se obtiene:
Por lo tanto:
Y el pH será:
2.6. El SH2 posee las siguientes constantes: Ka1 = 1,1 . 10 -7 y Ka2 = 1 . 10 -14. Calcular la concentración de todas las especies en una solución 0,1 [M] de dicho ácido. PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
Balance de masas:
Teniendo en cuenta que la constante de equilibrio para la primera reacción es muy pequeña, la concentración de SH- que se forme será despreciable respecto a la concentración inicial del ácido. Lo mismo vale para el sulfuro respecto al ácido. Por lo tanto:
Balance de cargas:
Aquí se puede despreciar los oxidrilos respecto a los protones (medio ácido) y el sulfuro debido a que la segunda constante es muy pequeña. Por lo tanto:
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La constante de acidez para la primera reacción es:
De donde:
√ √ La constante de acidez para la segunda reacción es:
Por lo tanto:
Finalmente:
2.7. ¿Qué sucede cuando se disuelve cloruro de amonio en agua? Escribir la reacción y analizarla según la teoría ácido – base de Brönsted. Hallar el pH de una disolución 0,25 [M] de cloruro de amonio sabiendo que la constante de basicidad del amoníaco es Kb = 1,8 . 10 -5. El cloruro de amonio, como la mayoría de las sales, es un electrolito fuerte y, por tanto, en disolución acuosa está completamente disociado:
→
El anión cloruro (Cl-), es la base conjugada de un ácido muy fuerte, el HCl, por tanto es una base muy débil y permanece inalterable en la disolución. El catión amonio, NH4+, es el ácido conjugado del NH 3, que es una base débil (Kb = 1,8 . 10-5), por lo que sufrirá hidrólisis, es decir reaccionará con el agua, que actuará como base:
↔ PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial
↔
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Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de hidrólisis es:
[] De donde:
√ Sabiendo que:
Entonces:
√ √ La concentración de protones vale:
Entonces:
2.8. El pH de una disolución de acetato de sodio es 8,35. Calcular la concentración de esta disolución si K del ácido acético es 1,8 . 10 -5. PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
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La constante de hidrólisis es:
Conociendo el pH de la solución, se puede calcular el poH y por lo tanto la concentración de oxidrilos:
Sabiendo que:
Entonces:
Por lo tanto:
La constante de hidrólisis es:
De donde:
Finalmente:
2.9. Hallar el pH de una disolución que contiene 0,2 mol por litro de ácido acético y 0,2 mol por litro de acetato de potasio, siendo Ka (CH3COOH) = 2 . 10 -5. PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
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La constante de acidez es:
Se desprecia la X respecto a 0,2 ya que la constante de acidez es baja, indicando que hay poca formación de productos. De donde:
Por lo tanto:
El pH se calcula como:
Por lo tanto:
2.10. Hallar el pH de las disoluciones: a.
0,35 [M] de ácido hipobromoso. La ka del ácido hipobromoso es 2,1 . 10 -9.
b.
0,02 [M] de hipobromito de potasio.
a. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de acidez es:
De donde:
√ En la ecuación anterior se desprecia la X del denominador debido a que la constante es muy baja, por lo tanto la reacción se vuelca hacia los reactivos, habiendo poca formación de productos. Por lo tanto: Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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El pH se calcula como:
Por lo tanto:
b. PRIMERA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
SEGUNDA REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔
La constante de hidrólisis es:
En la ecuación anterior se desprecia la X del denominador debido a que la constante es muy baja, por lo tanto la reacción se vuelca hacia los reactivos, habiendo poca formación de productos. Sabiendo que:
Entonces:
√ √ El poH se calcula como:
Por lo tanto:
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Conociendo el poH de la solución, se puede calcular el pH:
Por lo tanto:
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3.
EQUILIBRIO DE SOLUBILIDAD
3.1. Una disolución saturada de tetraoxofosfato (V) de plata, contiene 3,4 . 10 -5 [mol] por litro de ion fosfato. Calcula el producto de solubilidad de dicha sal. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La concentración del ion fosfato es:
[]
La concentración del ion plata es:
El producto de solubilidad es:
[] 3.2. Para preparar 250 [ml] de disolución saturada de bromato de plata se usaron 1,75 [g] de esta sal. Hallar el Kps del bromato de plata. Datos: Br = 80; Ag = 107,87; O = 16. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La cantidad de moles de la sal es:
La concentración es:
La constante de solubilidad es:
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De donde:
3.3.
Una disolución saturada de hidróxido de cinc tiene un pH = 8,35. Hallar su pKps.
REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
El poH de la disolución es:
La concentración de oxidrilos es:
La concentración de zinc es:
La constante de solubilidad es:
3.4. La solubilidad del Mn(OH) 2 en agua es de 0,0032 [g/l]. Hallar su Kps y el pH necesario para que no precipite el hidróxido de manganeso (II) en una disolución que es 0,06 [M] en Mn 2+. Datos: Mn = 55; O = 16; H = 1. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La concentración del hidróxido de manganeso es:
La concentración de oxidrilos es:
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La constante de solubilidad es:
La precipitación comienza en el momento en que se satura la disolución, entonces se cumple:
De donde:
El poH es:
El pH es:
3.5. Se mezclan 3 . 10 -5 [mol] de sulfato de hierro (III) y 10 -5 mol de hidróxido de bario, con agua hasta un litro de disolución ¿Se formará precipitado? Justificar la respuesta numéricamente. Datos: Kps (BaSO4)= 1,5 . 10-9 , Kps (Fe(OH) 3) = 6 . 10 -38. REACCIÓN 1 Concentración Inicial Concentración Equilibrio REACCIÓN 2 Concentración Inicial Concentración Equilibrio REACCIÓN 3 Concentración Inicial Concentración Equilibrio REACCIÓN 4 Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔ ↔ ↔
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SULFATO DE BARIO La constante de solubilidad de la reacción del sulfato de bario es:
[]
Comparando las constantes, se determina si hay precipitado o no:
Como la constante de equilibrio obtenida es menor que la constante de equilibrio, quiere decir que no hay productos en exceso, por lo tanto, no habrá precipitado de sulfato de bario. HIDRÓXIDO DE HIERRO La constante de solubilidad de la reacción del hidróxido de hierro es:
Comparando las constantes, se determina si hay precipitado o no:
Como la constante de equilibrio obtenida es mayor que la constante de equilibrio, quiere decir que hay productos en exceso, por lo tanto, habrá precipitado de hidróxido de hierro.
3.6.
A una disolución 0,1 [M] en Ca 2+ y 0,1 [M] en Ba 2+ se añade lentamente sulfato de sodio.
a.
Hallar la concentración de SO 42- cuando aparece el primer precipitado.
b.
Hallar las concentraciones de Ca 2+ y Ba2+ cuando comienza a aparecer el segundo precipitado.
Datos: Kps (CaSO4) = 2,4 . 10-5, Kps (BaSO 4) = 1,1 . 10-10. a. REACCIÓN 1 Concentración Inicial Concentración Equilibrio REACCIÓN 2 Concentración Inicial Concentración Equilibrio REACCIÓN 3 Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔ ↔ ↔
El calcio comenzará a precipitar cuando: Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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De donde:
El bario comenzará a precipitar cuando:
De donde:
De los resultados anteriores, se desprende que el bario comienza a precipitar primero ya que precisa de una concentración menor de anión sulfato para que eso suceda. Por lo tanto la concentración de sulfato que produce el primer precipitado es:
→ b. La concentración de calcio es la planteada:
La concentración de bario es:
De donde:
3.7. Una disolución de AgCl está saturada cuando la concentración de Ag + es 1,3 . 10-5 [M]. Hallar el Kps del AgCl. La constante de solubilidad es:
Sabiendo que:
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Entonces:
3.8. ¿Cuántos moles de yodato de cobre (II) se pueden disolver en 5 litros de agua si su producto de solubilidad es Kps = 7,4 . 10 -8? La reacción es:
→ La constante de solubilidad es:
De donde:
Los moles para el volumen de agua planteado es:
3.9. Sabiendo que los Kps del cloruro de plata y del fosfato de plata son, respectivamente, 1,7 . 10 -10 y 1,8 . 10-18, ¿cuál de estas sales es más soluble? Sabiendo que:
La concentración de productos de sulfato de plata es menor que la del cloruro de plata, lo que indica que hay una concentración mayor de aquella sal, ya que se disocia menos en sus iones y es más soluble.
3.10. Se tiene el sistema en equilibrio: Fe(OH) 2 (s) ↔ Fe2+ (aq) + 2 OH - (aq). Explica cómo se modifica la solubilidad del Fe(OH) 2: a.
Cuando se añade Fe(OH)2 (s).
b.
Al disminuir el pH.
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a. Al aumentar la concentración de hidróxido de hierro, aumenta también la concentración del ion hierro y de oxidrilos, por lo cual la solubilidad no varía. b. Al disminuir el pH, disminuye la concentración de oxidrilos, por lo cual disminuye la constante de solubilidad, aumentando la solubilidad del compuesto.
3.11. El hidróxido de calcio es poco soluble. Se dispone de 100 [ml] de una disolución saturada de dicho hidróxido. Razonar si la masa del sólido, en esa disolución aumenta, disminuye o no se altera al añadir: a.
Agua.
b.
Disolución de NaOH.
c.
Disolución de HCl.
d.
Disolución de CaCl 2.
a. b. c. d. Sol: a) Disminuye; b) Aumenta; c) Disminuye; d) Aumenta.
3.12. Tenemos hidróxido de manganeso (II) (s) en el fondo de una disolución del mismo y en equilibrio con sus correspondientes iones. Explica que sustancia podríamos añadir si queremos: a.
Disolver el precipitado.
b.
Aumentar la cantidad del precipitado.
Respuesta: a. Un ácido, b. Una base soluble
3.13. El Kps del sulfato de plomo (II) es 2 . 10 -8. Hallar la concentración de Pb +2 en una disolución en la que la concentración de sulfato de sodio es 0,142 [g/l]. (Ar: na=23, S=32, O=16).
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Respuesta: 2 . 10-5 [M]
3.14. Se tiene una disolución de nitrato de plata y se añade cromato potásico sólido hasta que la concentración de CrO 4= 0,001 [M]. Calcular la concentración de Ag + en la disolución resultante. El producto de solubilidad del cromato de plata es 2 . 10 -12.
Respuesta: 4,47 . 10-5 [M]
3.15. El Kps del BaF 2 es 1,7 . 10-6. Hallar la solubilidad en [g/l] del fluoruro de bario y los gramos de NaF (s) que se deben añadir a 100 [ml] de disolución 0,005 [M] de nitrato de bario para iniciar la precipitación de fluoruro de bario. Datos: F=19; Ba=137,34; Na=23. Respuesta: 1,32 [g/l], 0,0774 [g]
3.16. Precipitará carbonato de cinc al mezclar 50 [ml] de carbonato de sodio 0,01 [M] con 200 [ml] de nitrato de cinc 0,05 [M]? Kps del carbonato de cinc = 2,2 . 10 -11. Respuesta: 8 . 10-5 > 2,2 . 10-11 , si 3.17. La solubilidad del carbonato de plata es 0,0032 [g] / 100 [ml]. Halla su Kps. ¿Se formará precipitado cuando se mezclan 30 [ml] de disolución de carbonato de sodio 0,8 [M] con 450 [ml] de disolución de nitrato de plata 0,5 [M]? Datos: Ag=107,87; O=16; C=12. Respuesta: Kps (Ag2CO3) = 6,25 . 10 -12; 0,01098 > 6,25 . 10-12: si 3.18. Se mezclan volúmenes iguales de disoluciones, 10 -3 [M] de carbonato de sodio, y 10 -4 [M] de cloruro de bario. Determinar si precipitará carbonato de bario, si su Kps es 8 . 10 -9. Respuesta: 2,5 . 10-8 > 8 . 10-9 , si 3.19. Una disolución acuosa tiene, en idénticas concentraciones, iones c loruro, Cl -, yoduro, I - y cromato, CrO42-, que pueden precipitar con el ion plata, Ag +. ¿En qué orden precipitarán las correspondientes sales de plata al ir agregando una disolución acuosa de nitrato de plata? Los Kps del cloruro de plata, yoduro de plata y cromato de plata son respectivamente, 1,7 . 10 -10; 1,5 . 10-16 y 1,9 . 10-12.
Respuesta: Yoduro de plata, cloruro de plata y cromato de plata.
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3.20. Se tiene una disolución que es 0,001 [M] en Sr 2+ y 2 [M] en Ca2+ y se le añade lentamente sulfato de sodio sólido que es soluble. Hallar el catión que precipitará en primer lugar y su concentración cuando empiece a precipitar el otro catión. Los Kps del sulfato de estroncio y sulfato de calcio son respectivamente 7,6 . 10-7 y 2,4 . 10 -5. Respuesta: precipitará el Ca 2+ , 0,0316 [M]
3.21. El pH de una disolución saturada de hidróxido de calcio tiene el valor de 12,434. Calcular la solubilidad y el Kps del hidróxido de calcio ¿Cuántos gramos de hidróxido de calcio precipitan si se mezclan 250 [ml] de disolución 0,01 [M] de nitrato de calcio con 50 [ml] de disolución 0,1 [M] de hidróxido de sodio. Respuesta: 0,0316 [M], Kps=10 -5 , no hay precipitación
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4.
AGUAS RESIDUALES
4.1. Calcular la dureza de las siguientes aguas ricas en sales de magnesio cuyos análisis dan los siguientes resultados: a. b. c.
a. Sabiendo que:
Entonces:
Sabiendo que:
Entonces:
b. Se procede al pasaje de unidad de la concentración:
La ecuación de reacción es:
⇔
Se calcula la masa de magnesio que reacciona con la masa de carbonato de magnesio:
Sabiendo que:
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Entonces:
c. Se procede al pasaje de unidad de la concentración:
Sabiendo que:
Entonces:
4.2.
¿Cuál será la dureza de un agua industrial que tiene la concentración de 60 [ppm] en Ca +2?
Se procede al pasaje de unidad de la concentración:
Sabiendo que:
Entonces:
4.3. Un agua de un manantial fue tratada con Na 2CO3 para reducir su dureza. Después de del tratamiento la dureza se ha reducido hasta 10 ppm de CaCO 3 ¿Cuál será la concentración de CO 32- en el equilibrio? Dato: Kp = 5 . 10 -9. La reacción es:
→ Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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De donde:
→ Por lo tanto, para la cantidad planteada de CaCO 3 se tiene que:
Sabiendo que:
⇔ Entonces:
Por lo tanto, la concentración de Ca será:
La constante de equilibrio es:
[] De donde:
[ ] Por lo tanto:
[ ] 4.4. Una muestra de agua residual que llega a una depuradora fue sometida al ensayo de incubación reglamentario para la determinación del parámetro DBO 5. Para ello, y dado que previsiblemente el valor de DBO5 será alto, se diluyeron 25 [ml] del agua residual hasta un litro con agua exenta de oxígeno. En esta nueva disolución se determina la concentración del oxígeno disuelto antes del ensayo de incubación y al finalizar el mismo, después de 5 días, obteniéndose los valores de 9 y 1 [mg/l] O 2 respectivamente. ¿Cuál es el valor del parámetro DBO 5?
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Se calcula el oxígeno que se consume en los cinco días:
La masa consumida de oxígeno proviene de los 25 [ml] del agua residual, por lo tanto para 1 litro de dicha agua se cumple que:
→ →
4.5. Un vagón cisterna de 60 [m3] acaba de realizar un transporte con etanol. Para limpiarlo se llena completamente de agua. ¿Cómo variará la DBO total del agua si habían quedado en el fondo del vagón 10 litros de etanol? Supóngase que el etanol puede sufrir oxidación total por degradación biológica con el oxígeno. Dato: Densidad del etanol 0.87 [g/cm3] a 20 [°C]. Sabiendo que:
Entonces:
La reacción es:
→ → Se calcula la masa de oxígeno utilizada en la reacción de la masa de etanol:
Se calcula la DBO para el volumen total:
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4.6. 100 [ml] de una muestra de agua residual consume para su oxidación total 30 [ml] de una disolución de dicromato de potasio 0,15 [N]. calcule la DQO de dicha agua residual. Sabiendo que:
Se calcula el número de equivalentes para los 30 [ml]:
→ → Sabiendo que:
Entonces:
La masa es:
Se calcula la masa de oxígeno para los 100 [ml] de solución:
→ → Por lo tanto, la DQO vale:
4.7. La DBO total de una determinada agua es de 60 [ppm] de oxígeno mientras que para la oxidación total de una muestra de 50 [cm 3] de dicha agua se precisa 4 [cm 3] de dicromato de potasio 0,12 [N]. Calcule el DQO del agua mencionada e indique si la materia orgánica que predomina es de naturaleza biodegradable o no biodegradable. Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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Sabiendo que:
Se calcula el número de equivalentes para los 30 [ml]:
→ → Sabiendo que:
Entonces:
La masa es:
Se calcula la masa de oxígeno para los 50 [ml] de solución:
→ → Por lo tanto, la DQO vale:
Para saber si la materia orgánica predominante es de naturaleza diodegradable o no, se debe comparar la DBO con la DQO. Para no biodegradabilidad:
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Para biodegradabilidad:
Por lo tanto:
Por lo tanto:
⇒ 4.8. Un agua residual de la que se vierte un caudal medio de 1200 [m 3] por hora posee las características que se indican a continuación: Sólidos en suspensión: 600 [mg/l] Ácido palmítico (C16H32O2): 100 [mg/l] Fosfatos: 95 [mg/l] Por exigencias legales, se desea depurar hasta disminuir las concentraciones a los siguientes valores: Sólidos en suspensión: 35 [mg/l] DBO: 35 [mg/l] Concentración de fosfatos: <= 0,2 [mg/l] Calcular: a. El peso diario de los lodos, expresados en toneladas, originado al eliminar los sólidos en suspensión, teniendo en cuenta que se retiran con 40% de humedad. b. La DBO que tendrá el agua a la entrada, considerando que todo el palmítico se oxida completamente a CO2 y H2O. c. Rendimiento que debe exigirse a un sistema de depuración aerobio para rebajar la DBO a los valores señalados. d. La concentración de fosfatos en el agua, expresados en ppm, una vez que se haya precipitado todo el fosfato posible por adición de la cantidad estequiométrica de cloruro de aluminio ¿Se cumplirá el valor de la legislación? a. El volumen total de residuos es:
Se calcula la masa de sólidos en suspensión, teniendo en cuenta la masa permitida:
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Se calcula la masa total teniendo en cuenta la humedad:
→ → b. La reacción del palmítico es:
→ Se calcula la masa de oxígeno que reacciona con la masa de palmítico:
→ → → → → c.
d. La constante de solubilidad es:
[] De donde:
√ Se expresa la concentración en [mg/l]: Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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→ → Por lo tanto la concentración es:
4.9. Una industria posee unas aguas residuales con una concentración de 0,1 [M] de acetato de calcio, Ca(CH3COO)2. Se desea reducir la cantidad de calcio vertida, precipitándola en forma de carbonato de calcio, para lo cual se añade carbonato de sodio en cantidades estequiométricas. Calcule: a. ¿Cuántos kg de carbonato de calcio se obtendrán al día si el caudal de agua residual es de 2 3 [m /min]? b. Si todo el anión acetato se descompone de forma aerobia hasta oxidación total, ¿cuál será la DBO del agua residual, expresada en [mg/l] de O 2? a. La reacción es:
→ Se calcula el volumen total de agua residual:
Se calcula el número de moles de acetato de calcio:
Se calcula los moles de carbonato de calcio que se obtiene:
→ → Se calcula la masa de carbonato de calcio:
→ →
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b. La reacción es:
→ Se calcula la DBO:
→ → De donde:
4.10. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características medias: Caudal: 80 [l/s] Etanol: 130 [mg/l] Ácido metanoico: 400 [mg/l] Sólidos en suspensión: 500 [mg/l] Pb2+: 3 [mg/l] Para esta agua indique: a.
La DBO total del agua residual debida a la presencia de etanol y del ácido metanoico.
b. Si se puede eliminar selectivamente solo el ácido metanoico oxidándolo hasta CO 2 con bicromato de potasio en medio ácido, procesado en el que el dicromato se reduce hasta Cr +3, ajuste la ecuación iónica redox que tendría lugar y calcule el volumen diario de la solución de dicromato de potasio 2 [M], expresado en m3 que sería preciso emplear. c. Las toneladas anuales de lodos húmedos, retiradas con un 40% de humedad, que se producirán si los sólidos en suspensión se reducen hasta 30 [mg/l]. d. Si se disminuye la concentración de Pb +2 precipitándolo por adición estequiométrica de una solución de carbonato de sodio ¿cuál será la concentración de Pb +2, expresada en ppb, en el agua residual una vez tratada? Dato: Ks = 1,5 . 10 -13 Respuesta: a. 410 , b. 10,01 [m3] , c. 1976 , d. 11,17 [kg/día]
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a. La reacción del etanol es:
→ La masa de oxígeno que reacciona con el etanol es:
→ → → La reacción del metanoico es:
→
La masa de oxígeno que reacciona con el metanoico es:
→ → → La DBO total es la suma de la DBO del etanol y del etanoico:
b. La reacción es:
→ → Sumando miembro a miembro se obtiene:
→ Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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Se calcula el volumen total de efluentes:
La masa total de metanoico es:
Se calcula la masa de dicromato utilizado:
→ → → Se calcula la cantidad de moles:
→ → Se calcula el volumen de solución conociendo la concentración de dicromato:
[] c. Se calcula el volumen anual de aguas residuales:
Se calcula la masa de sólidos contenidos en el volumen total:
( ) → → Se calcula la masa total teniendo en cuenta la humedad:
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d. La reacción es:
→ La masa total de plomo es:
La concentración de carbonato de plomo es:
→ → → La concentración de sodio es:
→ → → La constante de solubilidad es:
De donde:
√ Se calcula la concentración del plomo en partes por millón:
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4.11. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características medias: Caudal: 20 [l/s] Butanol: 20 [mg/l] Ácido propanoico: 140 [mg/l] Sólidos en suspensión: 400 [mg/l] Calcule: a.
La DBO total del agua debida al butanol y al propanoico.
b. Si el agua que se vierte (una vez depurada) contiene 25 [mg] de sólidos por litro y por la línea de fangos se obtienen lodos húmedos con un 80% de humedad, ¿qué cantidad se retirará anualmente de esos lodos húmedos? a. La reacción del butanol es:
→ La masa de oxígeno que reacciona con el butanol es:
→ → → La reacción del propanoico es:
→ La masa de oxígeno que reacciona con el propanoico es:
→ → → La DBO total es la suma de la DBO del butanol y del propanoico: Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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b.
4.12. Se utiliza magnesita (carbonato de magnesio) para depurar el dióxido de azufre producido en una planta térmica en la que se emplea como combustible carbón con un contenido de azufre de 3%. La eficiencia de la eliminación de SO 2 debe ser del 90% a fin de cumplir con los requisitos medioambientales impuestos. Tenga en cuenta que un mol de azufre genera un mol de dióxido correspondiente y que la reacción de la magnesita para depurar el dióxido es:
Calcule: a.
⇒
Los kg de carbonato de magnesio estequiométricos que se necesitan por kg de azufre en el carbón.
b. Los kg de magnesita por tonelada de carbón si se emplea un 20% de exceso de carbonato de magnesio y la riqueza de la magnesita en el carbonato de magnesio es del 85%.
4.13. Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes características medias: Caudal: 10 [l/s] Propanol: 100 [mg/l] Ácido etanoico: 140 [mg/l] Sólidos en suspensión: 200 [mg/l] Calcule: a.
La DBO total del agua debida al propanol y al etanoico.
b. Si el agua que se vierte (una vez depurada) contiene 25 [mg] de sólidos por litro y por la línea de fangos se obtienen lodos húmedos con un 90% de humedad, ¿qué cantidad se retirará anualmente de esos lodos húmedos? c. ¿Qué cantidad (en toneladas) de sólidos en suspensión por día fueron eliminados en el proceso de depuración? 4.14. (Igual ejercicio 4.9.) 4.15. (Igual ejercicio 1.6.)
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5.
FORMACIÓN DE COMPLEJOS
5.1. El complejo ML, formado por un ion metálico M y un ligando L, tiene una constante de formación de 4 . 10 8. ¿Cuál es la concentración del ion metálico libre, en una disolución 1 . 10 -2 [M] del complejo?
REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de disociación es:
De donde:
Por lo tanto:
5.2. El complejo BaY= formado por Ba+2 y EDTA (Y 4-) tiene una constante de formación de 6,31 . 10 7. Determinar cuáles son las concentraciones de las diferentes especies químicas, cuando se mezclan: a. Ba2+ 1 . 10-2 [M] y Y-4 1 . 10-2 [M] b. Ba2+ 1 . 10-2 [M] y Y-4 1 . 10-1 [M] c. Ba2+ 1 . 10-3 [M] y Y-4 1 . 10-2 [M] a. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de formación es:
De donde:
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Por lo tanto:
b. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de formación es:
De donde:
Por lo tanto:
c. REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de formación es:
De donde: Guía de ejercicios Química Ambiental Universidad Nacional de Tres de Febrero
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Por lo tanto:
5.3. Se prepara una disolución disolviendo 0,023 [mol] de AgNO3 en 1 [litro] de NH 3 2,00 [M]. La concentración de Ag libre es 3,7 . 10 -5 [mg/l]. Calcular la constante de formación global del complejo Ag(NH3)2. Dato: Ag (PM=107,87). Sabiendo que:
Entonces:
De donde:
REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La concentración final del ion plata es:
De donde:
La concentración del amoníaco es:
La concentración del complejo formado es:
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[ ] La constante de formación es:
] [ 5.4. La constante de formación condicional del complejo CaY = a pH = 10 es 1,8 . 10 10. Calcular el pCa en 100 [ml] de una disolución de Ca 2+ 0,1 [M] a pH = 10 después de añadir: a. 0 [ml] de AEDT 0,100 [M]. b. 50 [ml] de AEDT 0,100 [M]. c. 100 [ml] de AEDT 0,100 [M]. d. 150 [ml] de AEDT 0,100 [M]. a. Al no haber disponible AEDT para que se produzca el complejo, la concentración final de calcio es igual a la inicial, por lo tanto.
Se calcula el pCa:
[ ] b. Se calculan los moles de Ca2+ en 100 [ml]:
Se calculan los moles de Y en 50 [ml]:
REACCIÓN Concentración Inicial Concentración Equilibrio
↔
La constante de formación es:
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