14

Вариант 14

Задача 1.1(6) Биомасса продуцентов в экологической системе составляет А т. Определите возможную биомассу консументов порядков, указанных в вашем варианте.

Вариант	Биомасса продуцентов, А, т	Порядок консументов
6	2500	2

Решение. Используем правило «10 % Линдемана»: с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий ее уровень, переходит в среднем около 10 % энергии (биомассы), поступившей на предыдущий уровень.

Биомасса продуцентов I трофического уровня равна 2500 т.

Тогда биомасса консументов 1 порядка, занимающих II трофический уровень, составит: 0,1 × 2500 т = 250 т;

Биомасса консументов 2 порядка, занимающих III трофический уровень, составит: 0,1 × 250 т = 25 т.

Ответ: Возможная масса консументов 2 порядка 25 т.

Задача 1.2(13) Популяция включает в себя М=100 особей. Ежегодно человеком изымается Х=65 особей. В результате размножения популяция увеличивается на Y= 27 % в год. Определите какое количество животных будет содержать популяция через Z=3 лет, если не принимать во внимание другие причины уменьшения численности.

Решение. Для вычисления численности популяции через Z лет (обозначим ее М_Z) используем формулу: М_Z = М (1 + – Z∙Х.

М_Z = 100 (1+ 27/100)³ – 3*65 = 9,8 ≈9 особей будет содержать популяция через 3года.

Ответ: 9 особей.

Задача 1.5(1) Для каких экосистем лимитирующим фактором является свет?

Ответ. Свет определяет существование автотрофных организмов (синтез хлорофилла), составляющих важнейший уровень в трофических цепях. Этот фактор является для растений источником энергии фотохимических реакций и как регулятор развития. Его избыток, также как и недостаток, может быть причиной серьезных нарушений развития. Поэтому свет является лимитирующим фактором.

Задача 2.1(10) Определите общую жесткость (Ж) воды по массе содержащихся в воде солей.

Вариант	Объем воды, л	Ca(HCO3)2, мг	Mg(HCO3)2, мг	CaCl2, мг	MgCl2, мг
10	0,55	17,1	2,0	12,1	10,0

Решение. Выразим жесткость воды (ммоль/л) через массу двухзарядных катионов металлов Ca²⁺, Mg²⁺ и соответствующих им солей, содержащихся в 1 л воды:

Ж =

где m₁, m₂, m₃ – массы двухзарядных катионов металлов (или соответствующих им солей) в воде, мг; М₁, М₂, М₃ – молярные массы эквивалентов катионов металлов (или соответствующих им солей); V – объем воды, л.

Определяем молярные массы эквивалентов солей, обусловливающих жесткость воды: Ca(HCO₃)₂ : = 81,05 мг/моль;

Mg(HCO₃)₂: = 73,17 мг/моль;

CaCl₂: = 55,49 мг/моль;

MgCl₂: = 47,60 мг/моль.

Общая жесткость данного образца воды равна сумме временной и постоянной жесткости и обусловливается содержанием в ней солей, придающих ей жесткость; она равна

Ж_общ. = [17.1/81.05*0.55]+[2.0/73.17*0.55]+[12.1/55.49*0.55]+[10/47.60*0.55]=1.211

Один градус жесткости соответствует 0,357 ммоль катионов двухзарядных металлов. Общая жесткость образца воды в градусах жесткости равна(1,211/0,357)=3,395 ^о. Вода данного образца считается мягкой.

Задача 2.2(5) Определите временную и постоянную жесткость по известково-содовому методу.

Вариант	Объем воды, л	m(Ca(OH)2), г	m(Na2CO3), г
5	40	7,5	4,6

Решение. Добавлением в воду гашеной извести (Ca(OH)₂) можно удалить временную жесткость, а введением соды (Na₂CO₃) устранить постоянную жесткость. Данные процессы идут по следующим реакциям:

Me(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = MeCO₃ + CaCO₃ + 2H₂O;

Me(NO₃)₂ + Nа₂CO₃ = MeCO₃ + 2NaNO₃,

где Me²⁺: Ca²⁺, Mg²⁺.

Временную жесткость воды Ж_вр. измеряют количеством гидроксида кальция, участвующего в реакции, а постоянную жесткость Ж_пост. – количеством карбоната натрия.

Ж_вр. = Ж_пост. =

M(Ca(OH)₂) = M/2 = 74,09/2 = 37,04 моль/л;

M(Na₂CO₃) = M/2 = 106,00/2 = 53,0моль/л;

Ж_вр = 7500/(37,04×40) = 5 ммоль/л;

Ж_пост.= 4600/(53×40) = 2,17 ммоль/л;

Ж_общ.= Ж_вр+ Ж_пост = 5 + 2,17 = 7,17 ммоль/л (вода средней жесткости).

Ответ. Временная жесткость равна 5 ммоль/л, постоянная жесткость равна 2,17 ммоль/л.

Задача 2.3(3) Для умягчения Х л воды потребовалось Y г Na₂CO₃. Чему равна постоянная жесткость воды?

Вариант	Х л воды	Y г Na2CO3
3	100	14,5

Решение. Постоянную жесткость Ж_пост. – количеством карбоната натрия.

Ж_пост. = ; M(Na₂CO₃) = M/2 = 106,00/2 = 53,0 моль/л;

Ж_пост. = 14500/(53*100) = 2,73 ммоль/л < 4 ммоль/л. Значит, вода мягкая.

Задача 3.1(1). Определите вид сточной воды (кислая или щелочная), если концентрация ионов ОН^ равна (моль/л).

Вариант	[ОН^], моль/л
1	410^-3

Решение. Известно, что ионное произведение воды равно: [H⁺]∙[OH] = 10^-14.

Отсюда [H⁺] = 10^-14/(410^-3) = 25*10^-13 моль/л.

Определяем рН сточной воды: рН = –lg[H⁺] = –lg 25*10^-13 = 11,6

Сточная вода щелочная, так как рН >9.

Задача 3.2(1). Определите соответствие санитарно-токсикологическим нормам воды в водоеме, если в водоем вместимостью 120 м³ с дождевыми водами объемом 1,5 м³ занесен 2 кг удобрения сульфат аммония ((NH₄)₂SО₄), используемого на полях.

Решение.1. Запишем уравнение диссоциации аммиачной селитры в воде

(NH₄)₂SO₄ 2NH + SO₄^-2.

Следовательно, оценить соответствие водоема санитарно-токсикологическим нормам можно по концентрации двух ионов: NH и SO₄^-2.

2. Определяем массу иона NH, попавшего в водоем:

m (NH) =

Молярная масса (NH₄)₂SО₄ равна 132 г/моль; молярная масса иона NH равна 18 г/моль.

m (NH) = (2000 г * 18 г/моль ) / 132 г/моль = 272,75 г = 272750 мг.

3. Определяем массу иона SO₄^-2, попавшего в водоем:

m (SO₄^-2) =

Молярная масса иона SO₄^-2 равна 132 г/моль.

m (SO₄^-2) = (2000 г * 132 г/моль ) / 80 г/моль = 3300 г = 3300000 мг.

4. Рассчитаем объем воды в водоеме:

V = V_{водоема} + V_{дожд. воды} = 120 м³ + 1,5 м³ = 121.5 м³ = 121500 л.

5. Определяем концентрацию ионов NH в мг/л:

В 121500 л содержится 27275 мг ионов NH

В 1 л –« – Х – « – – « –

Х = 27275 /121500 = 2,25 мг/л;

6. Определяем концентрацию ионов SO₄^-2 в мг/л:

В 121500 л содержится 3300000 мг ионов SO₄^-2

В 1 л –« – Х – « – – « –

Х = 3300000/121500 = 27,16 мг/л.

7. Вода в водоеме соответствует санитарно-токсикологическим нормам в случае выполнения условия:

Определяем соответствие воды санитарно-токсикологическим нормам по ионам NH и SO₄^-2 :

+= (2,25*2/0,39) + (27,16/100)=11,8

Таким образом, по ионам NH и SO₄^-2 вода не соответствует санитарно-токсикологическим нормам.

Задача 3.4(10) При электролизе сточной воды объемом 1,5 м³ выделился Hg⁺ массой 600 г. Определите количество электричества, необходимое для электролиза сточной воды. Выход по току 84 %.

Решение.

По закону Фарадея масса выделившегося на катоде вещества пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор (расплав).

m = k∙Q,

где k – электрохимический эквивалент вещества, г/А∙ч; Q – количество электричества, прошедшего через раствор (расплав).

k = А_Me/nF,

где А_Ме – атомная масса металла, г/моль; n – число электронов, от-данных металлом на катоде; F – число Фарадея, F = 96500 Кл/моль.

Q = I ∙ τ ∙ η,

где I – сила тока, А; τ – время, с; η – выход по току, %.

Определяем количество электричества, прошедшего через раствор:

Формула : Q=(m*n*F)/(A_Me* η)=(600*1*96500)/(200,6*0,84)= 168,504 Кл.

Задача 4.1(13) В состав природных геохимических соединений входят различные минералы. Рассчитайте процентное содержание (массовую долю ω, %) элементов, входящих в состав Гадолинита [Be₂Y₂Fe^II(SiO₄)₂O₂].

Решение.1. Определяем молярную массу минерала.

М [Be₂Y₂Fe^II(SiO₄)₂O₂] =9*2+89*2+56+2*(28+4*16)+2*16= 468 г.

2. Рассчитываем процентное содержание каждого элемента, входящего в состав минерала (массовую долю ω, %) принимая молярную массу гадолинита за100 %.

468 г минерала составляют 100 %

9 г Be –«– –«– –«– Х

ω (Be), % = Х = (2*9*100)/468 = 4 %.

Аналогично рассчитывается процентное содержание каждого элемента.

ω (Y), % = (89*2*100)/468 = 38 %.

ω (Fе), % = (1*56*100)/468= 11,9 %.

ω (Si), % = (2*28*100)/468 = 11,9 %.

ω (O), % = (10*16*100)/468 = 34,2 %

Ответ: % содержание элементов (массовая доля) в каините составляет: Ве – 4%;

О –34,2%; Y – 38%; Fe – 11.9%, Si-11,9%.

Задача 4.2(3) Для повышения плодородия почвы на площади 8 га требуется внесение удобрения – Сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Рассчитайте массу элемента N, полученного почвой при норме внесения данного удобрения 0,025 кг/м² .

Решение. 1. Рассчитаем массу Сульфата аммония, вносимого на 8 га.

0,025 кг/м²×8 га = 0,025кг/м²×8×10⁴ м² = 2000 кг.

2. Определим соотношение молярных масс:

М(N) = 14 г/моль; М((NH₄)₂SO₄) = 132 г/моль;

М(N)/ М((NH₄)₂SO₄)=14*2/132=0,2

3. Масса магния, вносимого на площади 10 га при указанной норме сульфата магния, составит: m (N) = 2000кг × 0,2= 400 кг.

Задача 4.3(10) Используя данные табл., определите, какое из приведенных веществ, входящих в состав твердых отходов, является наиболее вредным, за счет какого элемента. Приведите класс опасности и ПДК этого вещества. Опишите воздействие его на человека.

Вариант	Вещество
10	KF	NaNO3	CdSO4

Решение. По степени воздействия на организм человека вещества I класса опасности являются чрезвычайно опасными, II класса – высоко опасными, III класса – умеренно опасными, IV класса – малоопасными. Пользуясь данными табл. П.1 приводим класс опасности и ПДК указанных веществ в виде таблицы

№	Формула вещества	Класс опасности	ПДК, мг/м^3
1	CdSO4	I	0,01
2	KF	II	0,2
3	NaNO3	III	5

Из анализа приведенных данных наиболее вредным веществом следует считать сульфат кадмия. Вредность CdSO₄ обусловлена токсичным действием при вдыхании или контакте с кожей, появляется затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Данный элемент, отнесен к I группе опасности. Выбор наиболее вредного из трех рассматриваемых веществ подтверждается значениями ПДК. Так, наименьшее значение данного параметра установлено для NaNO₃. По степени воздействия на организм CdSO₄ является чрезвычайно опасным, KF - высокоопасным, NaNO₃– умеренно опасным веществом.

Задача 4.4(11) Опишите механизм метода седиментации в присутствии коагулянтов и принципиальную схему аппарата, применяемого для отделения твердой фазы.

Ответ. Промышленными исследованиями установлен высокий эффект очистки вод применением метода седиментации в присутствии коагулянтов.

Седиментация – процесс, посредством которого взвешенные вещества отделяются от воды под действием гравитации и осаждаются на дно контейнера или резервуара.

1-песколовка; 2-реагентное хозяйство; 3-вихревой смеситель; 4-тстойник;

5-коалесцирующий фильтр; 6-фильтр; 7-нефтесборное устройство;

8-сорбционный фильтр; 9-реагентное хозяйство; 10-резервуар чистой воды;

11-насосная станция; 12-гидрофобный фильтр; 13-накопитель нефти;

14-отстойник промывной воды; 15 - иловая площадка.

Принцип работы установки (рисунок) заключается в следующем. Пластовая вода подается в тангенциальную песколовку 1 для извлечения крупных взвешенных веществ. Далее в воду дозируют коагулянт (флокулянт) с помощью реагентного хозяйства 2, реагент перемешивают с водой в вихревом смесителе 3, смесь подают в отстойник с тонкослойными блоками 4. В отстойной части от воды отделяются взвешенные вещества, удаляемые из приямков, и нефтепродукты, удаляемые с помощью пеносборного устройства 7. Предварительно очищенная вода проходит сквозь коалесцирующую загрузку 5, при этом происходит укрупнение капель нефти и их всплытие на поверхность воды. Доочистка происходит в фильтрующем блоке 6, выполненном из природных материалов с гидрофобными свойствами. После дозирования бактерицидного реагента с помощью реагентного хозяйства 10 вода накапливается в резервуаре чистой воды 11 и подается насосной станцией 15 в оборотную систему промпредприятия.

Задача 5.1(24) При абсорбции Cl₂ жидкостью поглотилось 1,1 кг его. Сколько л Ca(OH)₂ израсходовано, если концентрация жидкости 10 % (масс.), а плотность ρ=1,12 г/мл? Напишите уравнение реакции.

Решение. Записываем уравнение реакции:

Cl₂ + 6(Ca(OH)₂) = 5CaCl₂ + Ca(ClO₃)₂ + 6H₂O

По уравнению реакции 1 моль Cl₂ реагирует с 6 молями Ca(OH)₂. Рассчитываем молярные массы участников реакции:

М(Cl₂) = 35,5*2= 71 г/моль; М(Ca(OH)₂) = 40+2*(16+1) = 74 г/моль.

1,1 кг Cl₂ составляет: (1,1*1000)/71= 15,5 моль Cl₂.

Значит, количество необходимого Ca(OH)₂ составляет 15,5*6=93 моль, т. е. 74*93= 6882 г. Рассчитываем массу Ca(OH)₂:

в 100 г раствора содержится 10 г Ca(OH)₂

в Х -«- -«- -«- -«- 6882 г

Х = 68820 г.

Рассчитываем объем израсходованного Ca(OH)₂: V =68820/1,12=61446,4 мл

Задача 5.2(6) Какой объем промышленного газа, содержащего ω=10% загрязнителя СO нужно подвергнуть каталитической очистке, чтобы получить 4 м³СН₄ продукта?

Решение. 1. Записываем уравнение реакции: СО + 3Н₂ → СН₄ + Н₂О.

По уравнению реакции из 1 моля СO получается 1 моль СН₄. Так как 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, то соотношение объемов газов в уравнении реакции равно соотношению числа их молей в реакции. Т. е. объем СO равен объему полученного СН₄ V(СО) = 4 м³.

2. Находим, какой объем промышленного газа затрачен на получение 4 м³ СН₄?

В 100 м³ содержится 10м³ СО

В Х -«- -«- -«- 4 м³ СО,

Х = 40 м³ (промышленного газа).

Задача 5.4(30) Вычислите объем кислорода (Х), который расходуется и объем «парникового» газа (углекислого) (Y), выделяющегося при полном сгорании фенилэтилена С₁₄Н₁₂ (ж) объемом 235г.

Решение. Составляем уравнение реакции полного сгорания фенилэтилена С₁₄Н₁₂. Расставляем коэффициенты. С₁₄Н₁₂ + 17О₂ → 14СО₂ + 6Н₂О.

Из уравнения реакции следует, что при сгорании 1 моля фенилэтилена расходуется 17молей кислорода и выделяется 14 молей СО₂. Молярная масса фенилэтилена М(С₁₄Н₁₂) = 180 г. Число молей фенилэтилена равняется (235 г/110 г) = 1,3 молей.

При нормальных условиях 1 л любого газа занимает объем 22,4 л (закон Авогадро).

Для полного сгорания 1 моля С₁₄Н₁₂ расходуется 17×22,4 л О₂

Для -«- -«- -«- 1,3 молей -«- -«- -«- Х л О₂

Х = 17×22,4 л×1,3 = 495 л О₂;

При полном сгорании фенилэтилена выделяется:

14×22,4 л×1,3 = 407,68 л СО₂.

Задача 6.1(10) Для схемы круговорота C дайте ответы на вопросы 4-6:

4. Объясните механизм физико-химических или биохимических превращений.

5. Антропогенный фактор.

6. Задачи перед человеком, связанные с рассматриваемым процессом.

ОТВЕТ.4. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

5. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении углерода в биосфере, естественная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов с одних соединений к другому. Естественный биологический кругооборот веществ возбужденный человеком на площади, которая достигает почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, сады, вторичные низкопродуктивные леса, изможденные пастбища и т. д. Изменению геологического кругооборота углерода оказывают содействие такие факторы:

1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твердого стока в океан;

2. Перемещения огромных масс земной коры;

3. Добыча из недр немалых количеств руд, горючих и

других ископаемых;

4. Перераспределение соли в грунтах, грунтовых и речных водах под влиянием оросительного земледелия;

5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов;

6. Загрязнения среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами;

7. Попадания в естественную среду энергетических загрязнений.

6. Актуальной задачей становятся природоохранные мероприятия, которые человечество должно применять как можно чаще. Вся территория нашей планеты подвержена разным антропогенным влияниям. Серьезный характер приобрели следствия разрушения биоценозов и загрязнения среды. Вся биосфера находится под все более возрастающим давлением деятельности человека.

Задача 6.2(29) Рассчитайте долю испарения воды за счет культурной растительности в общем круговороте воды, дайте характеристику ее роли в этом процессе.

Ответ.

Наименование	Количество
Суммарное испарение с земной поверхности за счет процесса транспирации: - вся растительность, тыс. км^3 - культурная растительность, тыс. км^3	16 2,5

Объем воды в биосфере составляет 1386 млн.км³

Рассчитаем поступление и вывод воды из круговорота. В расчете потоков не учитываем переносы, стоки.

1. Поступление воды в круговорот:

- осадки над океанами 2920 мм/год;

- Транзит влаги через континенты 34500 км³/год;

- Количество переносимой с океанов на сушу влаги 106600 км³/год:

Всего: 141100 км³/год.

2.Вывод воды из круговорота:

- Суммарное испарение с земной поверхности 18,5 тыс. км³;

- Суммарное непродуктивное испарение с материков 55 тыс. км³;

- Суммарное водопотребление 2600 км³/год;

- Объем безвозвратного водопотребления населением 5 м³/год∙чел;

- Суммарный водозабор на промышленные нужды 510 км³/год;

- Суммарные затраты воды на орошение 1900 км³/год;

- Суммарные затраты воды на орошение 3560 км³/год;

Всего: 82075 км³ /год.

Поступление превышает вывод: 141100-82075=59025 км³/год.

Доля в общем превышении поступления:(2,5/59025)*100%=0,004%. Эти процессы занимают незначительную долю в общем превышении поступления воды в круговорот. Доля испарения воды за счет культурной растительности в общем поступлении в круговорот: (2,5/141100)*100% = 0,0017%.

Доля испарения воды за счет культурной растительности в выводе из круговорота: (2,5/82075)*100% = 0,003%.

Задача 7.1(21) Сколько нужно съесть халвы, чтобы компенсировать суточную потребность человека в кальцие?

Суточная потребность кальция–900 мг, в 100г продукта содержится 211 мг кальция.

Решение. Составляем и решаем пропорцию:

100 г халвы содержат 211 мг кальция

Х -«- -«- -«- 900 мг кальция

Х = (900*100)/211 = 426,5 г.

Ответ. Нужно съесть 426,5 г халвы.

Задача 7.2(8) Рассчитайте энергетическую ценность яиц.

Вариант	Продукт питания	Содержание пищевого вещества, %
		Белки	Жиры	Усвояе-мые углеводы	Пищевые волокна	Органи- ческие кислоты	Вода
8	Варенье клубничное	0,4	-	74,5	-	1,2	23,9

Решение.

ЭЦ = Б×4,0 + Ж×9,0 + У×4,0 + ОК×3,0

1. Подставляем в формулу данные задачи.

ЭЦ = 0,4×4,0 + 0×9,0 +74,5×4,0 + 1,2*3,0= 303,2 ккал.