ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ...

51
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ Χημικές Διεργασίες μεταξύ Στερεών, Αερίων και H 2 O

description

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ. Χημικές Διεργασίες μεταξύ Στερεών, Αερίων και H 2 O. Οι σημαντικότερες χημικές και βιοχημικές διεργασίες συμβαίνουν σε χημικές ενώσεις που βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις . - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ...

Page 1: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ

ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑΧημικές Διεργασίες μεταξύ Στερεών, Αερίων και H2O

Page 2: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

•Οι σημαντικότερες χημικές και βιοχημικές διεργασίες συμβαίνουν σε χημικές ενώσεις που βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις .

•Σημαντικές χημικές αντιδράσεις στα φυσικά ύδατα παράγουν στερεά και αέρια στο νερό.

•Σημαντικά μέταλλα όπως ο σίδηρος μεταφέρονται από το ένα υδατικό σύστημα στο άλλο ως κολλοειδείς χημικές ενώσεις ή προσροφημένα σε σωματίδια.

Page 3: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Σχηματισμός Ιζημάτων

Α Ρ Γ ΙΛ Ο ΣΑ Μ Μ Ο ΣΠ Υ Ρ ΙΤΙΚ Α Α Λ Α ΤΑΟ Ρ Υ Κ ΤΑ

Α Ν Ο Ρ ΓΑ Ν Α Υ Λ ΙΚ Α

Χ Ο Υ Μ ΙΚ Α κ .τ .λ .

Ο Ρ ΓΑ Ν ΙΚ Α Υ Λ ΙΚ Α

IZ H M A TA

1) Λύματα με υψηλή περιεκτικότητα σε [PO4

3-] και [HPO42-] σε νερό με υψηλή

περιεκτικότητα σε [Ca2+]: Υδροξυαπατίτης

H4POOHCaHPO3OHCa5 )s(3452

422

Παραδείγματα

Page 4: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

2) Νερό υψηλής περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα με υψηλή σκληρότητα χάνει το διοξείδιο του άνθρακα προς

την ατμόσφαιρα: Ίζημα ανθρακικού ασβεστίου

OHCOCaCOHCO2Ca 2)g(2)s(332

3) Το pH αυξάνεται λόγω φωτοσυνθετικής δραστηριότητας: Στερεό ανθρακικό ασβέστιο

)(2)(3232 2 gs OCaCOOCHhvHCOCa

Page 5: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

4) Σε αναερόβιες συνθήκες (χειμώνα) ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν τα θειικά ιόντα ως δέκτες ηλεκτρονίων:

Θειούχα ιόντα που δίνουν με τα ιόντα του δισθενούς σιδήρου μαύρο ίζημα FeS

H2FeSSHFe

Fe)OH(Fe

SHSO

)s(22

2)s(3

22

4

5) Το καλοκαίρι που έχουμε έντονη φωτοσυνθετική δραστηριότητα σχηματίζεται CaCO3, ως παραπροϊόν

της φωτοσύνθεσης: Χρωματική διαστρωμάτωση ιζημάτων

)(2)(3232 2 gs OCaCOOCHhvHCOCa

Page 6: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Διαλυτότητα Στερεών-Ερωτήματα

1)Ποιες είναι οι καθοριστικές, για τη διαλυτότητα, χημικές ισορροπίες;

2) Ποιες μορφές στερεών φάσεων, ενός στοιχείου, καθορίζουν τη συγκέντρωση του σε δεδομένες συνθήκες;

3) Ποιες μεταβολές του pH ή της θερμοκρασίας μπορούν να οδηγήσουν στη καθίζηση ή διαλυτοποίηση των στερεών φάσεων;

Page 7: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ισορροπία διαλυτότητας των αλάτων π.χ. MnXm(s):

MnXm(s) n M(aq) + m X(aq)

Kso = ({M(aq)}n {X(aq)}m)/{MnXm(s)}

Kso = {M(aq)}n {X(aq)}m

Πειραματικά δεδομένα από μετρήσεις στο πεδίο (exp) :

Q = {M(aq)}nexp {X(aq)}m

exp

• QQ = = KKsoso έχουμε ισορροπία,• QQ > > KKsoso η υγρή φάση είναι υπερκορεσμένη από την ουσία• QQ< < KKsoso η υγρή φάση δεν έχει κορεστεί από την ουσία.

Page 8: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

M(OH)m(s) Mm+(aq) + m OH-

(aq)Kso = {Mm+

(aq)}{OH-}m

ήΜ(ΟΗ)m(s) + m Η+ Mm+

(aq) + m H2OK*so = {Mm+

(aq)} {H+}-m

καιKso/ K*so = (Kw)m

Παράδειγμα: Υδροξείδια μετάλλων

Η συγκέντρωση των μεταλλικών ιόντων σε ισορροπία με τη στερεά φάση (υδροξείδιο) μπορεί να υπολογιστεί συναρτήσει του pH:

[Mm+] = K*so [H+]m

Page 9: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Η συνολική διαλυτότητα συναρτήσει του pH:

[Μ]διαλ = [Μm+] + [My(OH)n(ym-n)+]

όταν y=1, η εξίσωση γράφεται

[Μ]διαλ = [Μm+] + [M(OH)n(n-m)+]

y>1: Πολυμερή

Page 10: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Υδροξείδια του σιδήρου (Fe(OH)3(s)) σε σχέση με το pH:

Fe(OH)3(s) = Fe3+ + 3 OH- log Kso = -38,7 Fe(OH)3(s) = FeOH2+ + 2 OH- log Ks1 = -27,5 Fe(OH)3(s) = Fe(OH)2+ + OH- log Ks2 = -16,6 Fe(OH)3(s) = Fe(OH)4- log Ks4 = -4,5 2Fe(OH)3(s) = Fe2(OH)2

4+ + 4 OH- log Kso = -51,9

[FeIII]T = [Fe3+]+[FeOH2+]+[Fe(OH)2+]+[Fe(OH)4

-]+2[Fe2(OH)24+]

Page 11: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Διάγραμμα διαλυτότητας σιδήρου σε σχέση με το pH

Page 12: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Η διαλυτότητα του θειικού βαρίου:

24

2)(4 SOBaBaSO s

Ksp=[Ba2+][SO42-]=1.23 10-10

Ksp = προϊόν διαλυτότητας του BaSO4

Διαλυτότητα S του BaSO4:

S = [Ba2+] = [SO42-] και [S]=mole/L

[Ba2+] [SO42-] =S2 = Κsp

510 1011.11023.1 spsp

KSK

Page 13: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Η εγγενής διαλυτότητα αναφέρεται στην διάλυση του στερεού σε ουδέτερη ιοντικά μορφή:

CaSO4(s) CaSO4(aq)

[CaSO4(aq)]=5 10-3 M (25C): εγγενής διαλυτότητα

S = [Ca2+] + [CaSO4(aq)]

M1001.1100.5106.2CaSOKS 23215

)aq(42

1sp

Η εγγενής διαλυτότητα αντιστοιχεί περίπου στο 1/2 της ολικής διαλυτότητας του άλατος.

Page 14: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Διαλυτότητα Αερίων

Η διαλυτότητα αερίων στο νερό διέπεται από το νόμο του Henry:

Σε σταθερή θερμοκρασία η διαλυτότητα ενός αερίου είναι ανάλογη της μερικής πίεσης που ασκεί το αέριο σε επαφή

με το υγρό.

Χ(g) X(aq)

ισχύει εκτός ορισμένων περιπτώσεων όπως:

NH3 + H2O NH4+ + OH-

SO2 + HCO3- CO2 + HSO3

-

Page 15: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ο Νόμος του Henry :[X(aq)] = KΗ Px

[X(aq)] = συγκέντρωση του Χ στο H2OKΗ = σταθερά του Henry [mol L-1 atm-1]

Px=μερική πίεση του Χ

Αέριο ΚΗ = mol L-1 atm-1

Ο2 1.28 10-3

CΟ2 3.38 10-2

Η2 7.9 10-4

CΗ4 1.34 10-5

Ν2 6.48 10-4

ΝΟ 2.0 10-4

Page 16: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Παράδειγμα:Συγκέντρωση του O2 στο H2O στους 25C και σε 1 atm ?

pH2O = 0.0313 atm, 25C

O ξηρός αέρας περιέχει 20,95% (ν/ν) Ο2

pO2 = (1 atm – 0.0313) 0.2095 = 0.2029 atm

[O2(aq)] = KH pO2 = 1.28 10-3 mol L-1 atm-1 0.2029 atm = 2.60 10-4 mol/L

M.B. O2 = 32

[O2(aq)]=8.32 mg/L

Page 17: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Διαλυτότητα των αερίων/θερμοκρασίας: Εξίσωση του Clausius – Clayperon.

211

2 11303.2

logTTR

HCC

C1, C2 συγκεντρώσεις στις Τ1, Τ2ΔΗ = θερμότητα της διάλυσης σε cal/mol

R = 1,987 cal deg-1 mol-1

Page 18: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Νόμος του Henry για τα αδρανή αέρια (A) :

KH = [A(aq)]/pA [M atm-1] ή [mol L-1 atm]

A(aq) = συγκέντρωση στην υγρή φάση [mol/L] pA = μερική πίεση του Α [atm]

Η συγκέντρωση του αερίου A(g) [mol/m3] στην αέρια φάση:

[A(g)] = pA/RT

[A(aq)]/[A(g)] = KH R T [(mol/L)/(mol/m3)]

Page 19: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Όταν το Α βρίσκεται σε ισορροπία μεταξύ νερού και αέριας φάσης:

Ι) Ανοικτό σύστημα:

Το νερό είναι σε επαφή με απεριόριστη ποσότητα αερίου Α:

pA σταθερή όση και να είναι η ποσότητα του Α που θα διαλυθεί στο νερό.

Ισορροπίες μεταξύ επιφανειακών υδάτων και ατμόσφαιρας

ή

βροχής και αερίων μαζών

για αέρια όπως το CO2, SO2, O2,

Page 20: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

ΙΙ) Κλειστό σύστημα:

Αν συγκεκριμένες πτητικές ενώσεις (π.χ. ρυπαντές) σε περιορισμένη ποσότητα βρίσκονται σε ισορροπία μεταξύ υδάτων και ατμόσφαιρας.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα: Ισορροπία υδρογονανθράκων μεταξύ ατμόσφαιρας και ομίχλης

Θεωρούμε ότι [Α]tot = σταθερή [mol/m3]

Η συγκέντρωση του Α στην ατμόσφαιρα:

[A(g)] [mol/m3] = pA/R T

R = 0,2057 10-5 [m3 atm K-1 mol-1] pA = μερική πίεση, T σε [K]

Page 21: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Η συγκέντρωση του Α στην υγρή φάση:

[A(w)] [mol/m3] = [A(aq)] q

[Α(aq)] = συγκέντρωση στο νερό [mol/L]

q = συνολική ποσότητα του νερού σε L/m3 q: 5 * 10-5 - 5 * 10-4 L/m3 για ομίχλη

1 * 10-4 – 1 * 10-3 L/m3 για σύννεφα

Συνολική συγκέντρωση του Α:[A]tot = [A(g)] + [A(w)] = (pA/R T) + ([A(aq)] q) σε [mol/m3]

[A(aq)] / [A(g)] = KH R T

[A(aq)] = [A(g)] KH R T

[A]tot = [A(g)] + KH R T [A(g)] q

[A]tot = [A(g)] (1 + KH R T q)

Page 22: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Παραδείγματα Ι) Διαλυτότητα του H2O2 και του O3 στο νερό

(κλειστό σύστημα)Η διαλυτότητά τους στο νερό είναι ανεξάρτητη του pH του νερού.

KH (H2O2) = 7,4 105 M/atmKH (O3) = 1 10-2 M/atm

[Α(w)] = [Α(aq)] q

και [A(aq)] = [A(g)] KH R T

άρα[Α(w)] = [A(g)] KH R T q

{[Α(w)] = [A(g)] KH R T q}/{[A]tot = [A(g)] (1 + KH R T q)}

Page 23: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Κλάσμα της ένωσης στο νερό:

fw = [A(w)]/[A]tot = (KH R T [A(g)] q)/([A(g)] + KH R T [A(g)] q)

fw = (KH R T q)/(1 + KH R T q)

Κλάσμα της ένωσης στον αέρα είναι:

fg = [A(g)]/[A]tot = 1/(1 + KH R T q)

Page 24: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

KH (O3) = 1 10-2 M/atm

KH (H2O2) = 7,4 105 M/atm

fw = (KH R T q)/(1 + KH R T q)

Page 25: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

ΙΙ) Διαλυτότητα του αερίου HCl στο νερό (κλειστό σύστημα)

Διάσταση του αερίου HCl:

HCl(g) H+ + Cl- με K = 2 106 M2/atm

HCl(aq) αμελητέο (καθώς pKa = -3)

Νόμος του Henry και Κ:

[HCl]tot = [HCl(g)] + [Cl-] q

([Cl-][H+])/[HCl(g)] = K R T

[HCl(g)] = ([Cl-][H+])/K R T

[HCl]tot = ([Cl-][H+]/K R T) + ([Cl-] q)

Page 26: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Η ποσότητα του αερίου HCl στην υγρή φάση είναι:

HCl(H2O) = [Cl-] q/[HCl]tot = (K R T q)/([H+] + K R T q)

Στους 5 oC: (K R T) = 4,6 104 mol L-2 m3

q = 104 L/m3 & (K R T q) = 4,6 mol/L

Για pH>1 (K R T q) >> [Η+]

HCl(H2O) 1

Αυτό σημαίνει ότι το HCl είναι τελείως διαλυμένο στο νερό για όλες τις τιμές του pH (pH>1)

[Cl-] [HCl]tot/q

Όταν δεν υπάρχουν άλλα οξέα ή βάσεις:

[Cl-] = [H+] = [HCl]tot/q = 2 10-4 mol/L pH= 3,7

Page 27: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

ΙΙΙ) Κατανομή SO2 μεταξύ αέριας και υδατικής φάσης (ανοικτό σύστημα, δηλ. pSO2 σταθερή)

Το SO2 διαλύεται: SO2.H2O, HSO3-, SO3

2-

Η διαλυτότητα του SO2 εξαρτάται από το pH

Για τη διαλυτότητα του SO2:

•σταθερά του Henry KH •τις K1 και K2 του θειικού οξέος

[SO2.H2O] = KH pSO2

[HSO3-] = (K1/[H+]) [SO2.H2O] = (K1 KH)/[H+] pSO2

[SO32-] = (K1 K2/[H+]2) [SO2.H2O] = (K1 K2 KH /[H+]2)

pSO2

Page 28: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Αν pSO2 = 2 10-8 atm[Η+] = [HSO3

-] + 2 [SO32-] + [ΟΗ-]

[Η+] [HSO3-] pH = 4,7

Page 29: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

IV) Απομάκρυνση των ρυπαντών από την ατμόσφαιρα μέσω υγρής εναπόθεσης

•Θεωρούμε μία στήλη αέρα και την ποσότητα της βροχής σταθερή σε ένα κλειστό σύστημα. •Η στήλη του αέρα έχει 5 103 m ύψος.•Ύψος της βροχόπτωσης είναι 25 mm. •Υπολογίζουμε τη συνολική ποσότητα των ρυπαντών στη στήλη του αέρα τομής 1 m2.

[A]tot = [A(g)] V(g) + [A(aq)] Vw

V(g) = όγκος του αερίου = 5 103 m3

Vw = όγκος του νερού = 0,025 m3

V(g)/Vw = 2 105

Page 30: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Το κλάσμα των ρυπαντών στο νερό:fw = ([A(aq)] Vw)/ ([A(g)] V(g) + [A(aq)] Vw), ή

fw = [(RΤ Vg/KH Vw) + 1]-1

Page 31: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Κολλοειδή στο υδατικό περιβάλλον

•Oρυκτά•Oργανικοί ρυπαντές•Πρωτεϊνικές ουσίες •Φύκη, και •Βακτήρια αιωρούνται στα φυσικά ύδατα ως πολύ μικρά σωματίδια

Διάμετρος: 0,001 - 1 μm

Tα αιωρούμενα σωματίδια στο νερό έχουν την ικανότητα να σκεδάζουν μια εμπίπτουσα ακτίνα λευκού φωτός σε μια γαλάζια ακτίνα σε ορθή γωνία:

Φαινόμενο Tyndall

Page 32: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ι) Υδρόφιλα κολλοειδή:Μακρομόρια που υφίστανται ισχυρές αλληλεπιδράσεις

με το νερό και σχηματίζουν αμέσως κολλοειδή. Δεν επηρεάζονται ιδιαίτερα από την παρουσία

αλάτων.

ΙΙ) Υδρόφοβα κολλοειδή:Είναι κυρίως σωματίδια αργίλων, σταγόνες πετρελαίου

και πολύ μικρά σωματίδια χρυσού. Τα σωματίδια σχηματίζουν με τα αντίθετα ιόντα μια ηλεκτρική διπλή στοιβάδα και έτσι απωθεί το ένα το

άλλο.Καθιζάνουν όταν στο νερό προστίθενται άλατα.

Page 33: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ηλεκτρική διπλή στοιβάδα κολλοειδών

Page 34: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

ΙΙΙ) Κολλοειδή συναρμογής:Απειροελάχιστες ομάδες μορίων ή ιόντων που

συσσωματώνονται σχηματίζοντας μικκύλια,

Π.χ. στεαρικό νάτριο: NaCOOCHCH n)( 33

-

-

--

-

-

+

+

++

++

Οργανική ύλη

Page 35: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Σταθερότητα κολλοειδών

•Η σταθερότητα των κολλοειδών εξαρτάται από τον βαθμό ενυδάτωσηςβαθμό ενυδάτωσης τους και από το επιφανειακόεπιφανειακό τουςτους φορτίοφορτίο.

•Το στρώμα του νερού στην επιφάνεια τα προστατεύει από την επαφή τους και τον σχηματισμό μεγαλύτερων μονάδων.

•Το επιφανειακό φορτίο (f(pH)) συνεισφέρει στη παρεμπόδισηπαρεμπόδιση σχηματισμούσχηματισμού συσσωματωμάτωνσυσσωματωμάτων λόγω λόγω άπωσηςάπωσης.Την εξάρτηση από το pH μπορούμε να την απεικονίσουμε

με την βοήθεια της χημικής αντίδρασης του H+ στην επιφάνεια των υδροξειδίων ή οξειδίων (MnO2):

EEνυδατωμένουνυδατωμένου MnOMnO22::MnOMnO22((HH22OO))ss

Page 36: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

pH<7

)(3222 )()( ss OHMnOHOHMnO

pH>7

HOHMnOOHMnO ss )(222 )()(

Page 37: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

= Αριθμός φορτίων του

.

Η2Ο

+Η+-Η+

+

+

+

+

+

+

Page 38: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Σε ορισμένες τιμές του pH σημείο μηδενικού φορτίου ΣΜΦ ή ZPC: zero point of charge

Τα κολλοειδή έχουν φορτίο ίσο με το 0.

)( 32 OHMnO = )(2 OHMnO

.

Αντικατάσταση ιόντων στα κολλοειδή : φόρτιση

42

32 ][][ SiAlOAlSiO

,

αρνητικό κολλοειδές

Page 39: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Προσρόφηση χημικών ουσιών σε στερεά: Μοντέλα προσρόφησης

Οι επιφάνειες στερεών που διαιρούνται σε πολύ μικρά σωματίδια έχουν μια περίσσεια επιφανειακής ενέργειας που επιτρέπει την προσρόφηση χημικών ουσιών σε διάφορες μορφές.

A.Προσρόφηση μετάλλων (κατιόντων)

HOMtMMtOHM zz 1

B. Χήλωση (Chelation)

OHM

OHM

zMt

OM

OM

HMt z 22

Page 40: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Γ. Ένα μεταλλικό ιόν (Μt) συμπλοκοποιημένο με μία ένωση (L) μπορεί να ενωθεί υποκαθιστώντας ένα Η+ ή ένα ΟΗ-

HOMtLMMtLOHM ZZ 1

Δ. Ένα μεταλλικό ιόν προσροφημένο σε επιφάνειαμπορεί να συμμετάσχει στις παρακάτω ισορροπίες

)(.)( aqzZ MtMt

)(.)( aqzZ MtLMtL

)(.)( aqLL

OHMtLMMtLOHM ZZ 1

Page 41: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Προσρόφηση ανιόντων

• Τα φωσφορικά μπορούν να προσροφηθούν σε επιφάνειες που έχουν υδροξύλια μεταθέτοντας τα OH-

• Tα SO42- σε pH<7 προσροφώνται μέσω χημικών

δεσμών

• Τα Cl- και τα ΝΟ3- μέσω ηλεκτρονικών έλξεων

Ανταλλαγή ιόντων μεταξύ υδάτων και ιζημάτων

•Τα ιζήματα είναι σημαντικές πηγές ανόργανων και οργανικών υλικών•Η επαφή με το νερό τους προσδίδει διάφορα χαρακτηριστικά όπως την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων: ΙΑΚ, meq/100g στερεού

Page 42: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

•Η IAK εξαρτάται από το pH και την συγκέντρωση των αλάτων.

•Η μέτρηση της ΙΑΚ πρέπει να γίνεται πολύ προσεκτικά όταν έχουμε αναερόβια ιζήματα.

•Η απότομη επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα μπορεί να επιφέρει αλλαγές (π.χ. οξείδωση στοιχείων όπως ο

σίδηρος) και λανθασμένα αποτελέσματα.

•Σε φυσικά ύδατα η ΙΑΚ παίρνει τιμές από 20-30 meq/100g.

Page 43: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Μέταλλα σε αιωρούμενα υλικά και ιζήματα

•Mέταλλα σε ιχνοποσότητες όπως Cr, Cd, Cn, Mo κλπ.

•Τα ιζήματα αποτελούν σημαντικές δεξαμενές (reservoirs) για αυτά.

• Προσροφημένα ιόντα σε αργίλους

• Χηλωμένα με χουμικές ουσίες

• Ενωμένα με ενυδατωμένα οξείδια Fe, Mn

• Διακριτές ενώσεις

Page 44: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

pE pEΟξειδωτικές Συνθήκες Αναγωγικές Συνθήκες

ΜέταλλοCd CdCO3 CdS

Cu Cu(OH)2CO3 CuS

Fe Fe2O3 (H2O) FeS, FeS2

Hg HgO HgSMn MnO2(H2O) MnS, MnCO3

Ni Ni(OH)2, NiCO3 NiS

Pb 2PbCO3, Pb(OH)2, PbCO3 PbS

Zn ZnCO3, ZnSiO3 ZnS

Χημικές μορφές μετάλλων σε σχέση με το pEτου συστήματος

Page 45: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Οργανικές Ενώσεις σε Ιζήματα και Αιωρήματα Iσόθερμα προσρόφησης

Τα ιζήματα που αλληλεπιδρούν με τις οργανικές ενώσεις περιέχουν κυρίως:

•Αργίλους•Χουμικές ενώσεις

•Σύμπλοκα χουμικών και αργίλων

•Οι οργανικές ενώσεις που είναι ισχυρά προσροφημένες υφίστανται απενεργοποίηση λόγω της διεργασίας της προσρόφησης.

•Οι οργανικές ενώσεις σε μορφή ανιόντων δεν προσροφούνται.

Page 46: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Μηχανισμός προσρόφησης

ύX .Η διεργασία αυτή εξαρτάται από:

•την θερμοκρασία (Τ)

•την συγκέντρωση της ένωσης στο νερό ([Χ]) και •την ποσότητα του προσροφητικού υλικού (Μπροσρ.).

Ένα ισόθερμο προσρόφησης είναι η σχέση μεταξύ: • της ποσότητας που έχει προσροφηθεί ανά μονάδα βάρους προσροφητή,• συγκέντρωσης του Χ στο διάλυμα σε κατάσταση ισορροπίας.

[Χπροσρ.]=f([Χδιαλ.])Ισόθερμο Προσρόφησης

Page 47: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ισόθερμα Langmuir, Temkin, Freundlich (απλοποιημένη μορφή Γραμμικό) Brunauer-Emmet-Teller (BET, μελέτη της ρόφησης αερίων σε στερεά)

Ανταγωνισμός του Χμε τον διαλύτη

Ισχυρή προσρόφηση του Χ

Ισχυρή συγγένεια Χ με τονπροσροφητή

Page 48: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Για την μελέτη της προσρόφησης των οργανικών ενώσεων σε στερεά χρησιμοποιούμε κυρίως το μοντέλο του Freundlich:

neFCK

mx 1

mx Ποσότητα του προσροφούμενου (χ)

ανά μονάδα μάζας (m) του προσροφητή

FK

eC

n

Παράμετρος ικανότητας προσρόφησης

Συγκέντρωση ισορροπίας της ουσίας Χ στο διάλυμα

Παράμετρος έντασης προσρόφησης

Page 49: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Γραμμικό μοντέλο: Απλουστευμένη μορφή του μοντέλου του Freundlich (n=1)

epCKmx

•Περιεκτικότητα ιζημάτων σε οργανικό άνθρακα .

•Λιποφιλικός χαρακτήρας των οργανικών ενώσεων (Kow).

Σημαντικές παράμετροι διεργασίας της προσρόφησης:

owKmx log

bKaK owp loglog

Page 50: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ

Ρόφηση αερίων στα ιζήματα

Οι συγκεντρώσεις των αερίων στο νερό που βρίσκεται μεταξύ των πόρων των ιζημάτων είναι μεγαλύτερες από αυτές των υπερκειμένων υδάτων.

Αέριο Βάθος (m) Συγκ. Αερίου [mL/L]

N2 Επιφ. H2O των πόρων του ιζήματος

13,5

1 m 2,4

CH4 Επιφ. H2O των πόρων του ιζήματος

0,00

1 m 1,4 102

Page 51: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΥΔΑΤΑ