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TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 1 - Dr. H. Brückner Gerechnete Aufgaben 2010/2011 1. Wie groß ist die Stoffmengenkonzentration,

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1 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 1 - Dr. H. Brückner Gerechnete Aufgaben 2010/ Wie groß ist die Stoffmengenkonzentration, die Äquivalentkonzentration und die Massenkonzentration einer 40 %igen Schwefelsäure (Dichte = 1,3 g/cm 3 )? 2. Aus 100 g 65 %iger HNO 3 soll eine 2 %ige Lösung hergestellt werden. Wie viel Wasser muss ich dazugeben? 3. Zur Neutralisation werden 50 g 25 %ige Salzsäure benötigt. Wie viel 37 %iger HCl entspricht das? 4. Bei der Messung der Schwefelwasserstoffkonzentration ergab sich ein Wert von 20 ppm? Wie groß ist die Massenkonzentration? 5.Wie groß ist der osmotische Druck einer wässrigen Lösung von 1,75 g Saccharose (C 12 H 22 O 11 ) pro 150 ml Lösung bei 17 °C? (Rohrzucker, Rübenzucker) 6.Wir befinden uns auf einem Kreuzfahrtschiff und wollen Trinkwasser aus Meerwasser durch Umkehrosmose gewinnen. Dazu ist ein Druck notwendig, der über dem osmotischen Druck des Meerwassers liegt. Welcher Druck ist mindestens erforderlich? (c(NaCl) = 30 g/kg; T = 25 °C; = 1,02 g/cm3)

2 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 2 - Dr. H. Brückner 7. Auslegung eines Ionenaustauschers: Wie viel Liter Austauscherharz benötige ich (Austauscherkapazität c eq = 2 mol/l = 2 eq /l = Val/l) bei einer Standzeit des Ionenaustauschers von 14 Tagen, um folgende Abwässer zu entsalzen: AW1: 10 m 3 / d(Ni 2+ ) = 3 mg/l (Zn 2+ ) = 1,5 mg/l AW2: 0,70 eq / d = 0,70 Val / d AW3: 7,17 eq /d = 7,17 Val / d 8.Wie viel Kilogramm Chlor benötige ich pro Tag bei einem Abwasseranfall von Q = m 3 /d und einer As 3+ -Konzentration von 0,1 mg/l, um Arsen (III) vollständig zu Arsen (V) zu oxidieren? 9.Wie viel Liter Chlorbleichlauge mit 13 % Chlor sind theoretisch erforderlich, um 1 kg Cyanid zu Stickstoff und Kohlendioxid zu oxidieren ( = 1,2 g/cm 3 )?

3 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 3 - Dr. H. Brückner 10. Die Löslichkeit von Ag 2 CrO 4 in Wasser beträgt bei 20 °C = 0,022 g/l. a.) Berechnen Sie die Löslichkeit in mol/l und das Löslichkeitsprodukt! b.) Berechnung der Einzelionenkonzentration aus K L am Beispiel von Ag 2 CrO 4 ! 11. Berechnen Sie die Löslichkeit von Phosphat aus dem Löslichkeitsprodukt von Fe 3 (PO 4 ) 2 ! 12. Ermitteln Sie den Zusammenhang zwischen °dH und der heute gebräuchlichen Angabe c(Ca 2+ ) und c(Mg 2+ ) in mmol/l! Wie viel mg/l Ca 2+ entsprechen 1 °dH? 13. Wie viel Tonnen Kalkhydrat sind erforderlich, um 5·10 6 m 3 Wasser eines Tagebauloches zu neutralisieren? Bei der Titration wurden 2 ml Kalkmilch (c(CaO) =7,5 g/l) pro Liter Wasser verbraucht.

4 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 4 - Dr. H. Brückner 14.Berechnen Sie den pH-Wert mit einer Äquivalentkonzentration von 0,1 mol/L H 2 SO 4 und von 10 % iger H 2 SO 4 ! 15a.Berechnen Sie den pH-Wert und den Protolysegrad einer ZnCl 2 -Lösung mit einer Konzentration von 5 * m (K S (Zn 2+ ) = 3,3 * mol/L)! 15b. Wie groß ist die Basendissoziationskonstante? 15c. Wie groß ist die Konzentration bei einem pH-Wert von 6,5? 16. Ammoniak ist ein toxisches Fischgift. Durch die Bestimmung des pH-Wertes und des Stickstoffgehaltes im Wasser ist es möglich, den Gehalt an Ammoniak im Wasser zu bestimmen. Berechne die Ammoniakkonzentration und den Protolysegrad bei einem pH- Wert des Wassers von 8,5! Die Konzentration an NH 3 und NH 4 + liegt bei m (pKS = 9,25).

5 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 5 - Dr. H. Brückner 17. Nennen Sie drei Puffersysteme und den dazugehörigen Pufferschwerpunkt! 18. Zu berechnen sind die pH-Werte von Pufferlösungen, die je Liter 18a. 1 mol NH 3 + 0,2 mol NH 4 Cl 18b. 0,1 mol KH 2 PO 4 und 0,2 mol Na 2 HPO 4 enthalten. 19. In einem Liter Wasser seien 44 mg CO 2 gelöst. Welchen pH-Wert hat die Pufferlösung, wenn außerdem 420 mg NaHCO 3 enthalten sind? Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Pufferreaktion mit Säure und mit Base an! 20. Eine Pufferlösung enthalte je Liter 0,2 mol Natriumacetat und 0,1 mol Essigsäure. Berechnen Sie das Pufferniveau! Welche pH-Änderung tritt ein, wenn zu einem Liter der Lösung (ohne Volumenänderung) 20a.0,01 mol HCl 20b.0,01 mol NaOH zugefügt werden?

6 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 6 - Dr. H. Brückner 21. Erstellen von Redoxgleichungen: Ethanol Kohlendioxid und Methan 22. Berechne den Gasanfalls und die Gaszusammensetzung für die vollständige Zersetzung der angegebenen Stoffe! Stellen Sie zuerst die vollständige Reaktionsgleichung auf: für Essigsäure, Propionsäure, für Alanin: CH 3 -CHNH 2 -COOH + H 2 O CH 4 + CO 2 + NH Ein Teil des Kohlendioxides wird beim Abbau von Aminosäuren in der Lösung gebunden. Wie ist die Reaktionsgleichung? Begründen Sie, warum das entstehende CO 2 nur beim Abbau von Proteinen gebunden wird? 24.Zeige an den Beispielen CH 4 und CO 2, wie sich die Dichte von Gasen berechnet?

7 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 7 - Dr. H. Brückner 25.Warum wird für die Umsetzung von Schwefelwasserstoff zu Sulfat ein Molverhältnis 4 : 1 = H 2 O 2 : H 2 S benötigt? 26.Wie viel Liter H 2 O 2 muss ich pro Tag zu meinem Abwasser dazugeben, um eine H 2 S-Fracht von 3 kg/d (ß = 1) zu 26 a. elementarem Schwefel 26 b. zu Schwefelsäure zu oxidieren? (H 2 O 2 -Lösung: 50 Gew %; = 1,2 g/cm 3 ) 27.Wie viel FeSO 4 wird pro Jahr benötigt, um eine H 2 S-Fracht von 4 kg/d zu beseitigen (ß = 1)? 28. Wie groß ist der Energiegewinn? Wie viel Mol ATP können pro Mol Glukose gebildet werden? (Energieumsetzung 38,4 %)

8 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 8 - Dr. H. Brückner 29. Wie viel Gramm Sauerstoff werden für die Umsetzung von einem Gramm Glukose gebraucht? 30. Wie viel Gramm Sauerstoff werden für die Umsetzung von einem Gramm Buttersäure benötigt? 31.Kann die Oxidation von Hydrogensulfid durch Sauerstoff zu Sulfat stattfinden? Wenn ja, welche Energie wird dabei freigesetzt? 32.Kann Wasser durch Fe 3+ zu Sauerstoff oxidiert werden? Begründe deine Aussage! Welche Reaktionen könnten ablaufen? 33.Das Löslichkeitsprodukt von Ag 2 CrO 4 hat bei 20 °C den K L = 2 * mol 3 l -3, ist also deutlich kleiner als das von AgCl (K L = 1,6 * mol 2 l -2 ). Berechnen Sie für beide Fälle die Sättigungskonzentrationen der Formeleinheiten sowie der einzelnen Ionenarten in reinem Wasser! Welche der beiden Lösungen enthält mehr Ag + ? Unter welchen Vorraussetzungen können die Zahlenwerte von Löslichkeitsprodukten oder die pK L -Werte zum Absolutvergleich von Löslichkeiten dienen? 34.Wie groß ist der Fällungsgrad, wenn aus einer 0,01 m Eisen(II)-sulfatlösung 34a. bei pH = 3 34b. bei pH = 6 Eisensulfid gefällt wird? (pK L (FeS) = 18, pKS 1 (H 2 S) = 7, pKS 2 (HS - ) = 13, c 0 (H 2 S) = 0,1 mol/l, keine Volumenänderung )

9 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 9 - Dr. H. Brückner Me z+ pK L pH Cu 2+ 19,3 Sn 2+ 25,3 Mg 2+ 10,7 Fe 2+ 15,3 Fe 3+ 37,4 Al 3+ 32,7 Cr Cd 2+ 13,9 Zn Abzuschätzen sind die pH-Werte für den Fällungsbeginn der Hydroxide folgender Metallionen aus m Lösung: Cu 2+, Sn 2+, Mg 2+, Fe 2+, Fe 3+, Al 3+, Cr 3+, Cd 2+ und Zn 2+ !

10 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 10 - Dr. H. Brückner Fällmittel enthalten oft Nebenprodukte. Dadurch können Verunreinigungen in die Wässer oder Fällungsschlämme gelangen. Grenzwerte (Klärschlamm) können überschritten werden. ATV-Regelwerk: Höchstwerte für Schwermetalle im Fällmittel wurden festgelegt! 36. Prüfe ob für die Elemente Blei, Cadmium und Chrom die Richtwerte eingehalten werden, wenn der Schwermetallgehalt im Fällmittel für Pb = 5 mg/mol Fe, für Cd = 1 mg/mol Fe und für Cr = 100 mg/mol Fe ist! Beispiele:Eisen (mg/kg)Aluminium (mg/kg) Blei Cadmium1524 Chrom Kupfer

11 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 11 - Dr. H. Brückner 37.Bei der Fällung von Phosphat mit Fe 3+ und Ca 2+ entstehen die Verbindungen FePO 4, CaHPO 4 und Ca 3 (PO 4 ) 2 ( K L (FePO 4 ) = , K L (CaHPO 4 ) = 10 -7, K L (Ca 3 (PO 4 ) 2 = )! Bei welchem Fällmittel liegt nach der Fällung die geringste Phosphatkonzentration im Abwasser vor? 38a. Wie viel Fällmittel (g/m 3 und ml/m 3 ) benötige ich, um den gesamten Phosphor mit FeCl 3 (40 %ige Lösung, = siehe Datenblatt) aus dem Abwasser zu entfernen? (Phosphorkonzentration-Rohwasser: 8 g/m 3 ; ß = 1,5) 38b. Bei der Fällung mit FeCl 3 entsteht Eisenoxidhydrat, welches zu einem Schlammmehranfall führt. Wie hoch ist der Mehranfall für Aufgabe 38a.) pro Tag unter der Bedingung, dass das gesamte FeCl 3 in Eisenoxidhydrat umgewandelt wird? (Feststoffanteil (Fe) = 2,5 g TS/g Fe; Abwasseranfall = 5000 m 3 /d) 38c. Wie stark erhöht sich der Chloridgehalt (Salzgehalt) bei der Fällung? 38d. Um wie viel nimmt die Säurekapazität des Abwassers ab, wenn davon ausgegangen wird, dass Phosphor - vollständig mit FeCl 3 - zur Hälfte mit FeCl 3 umgesetzt wird?

12 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 12 - Dr. H. Brückner 39. Phosphat soll mit Hilfe von FeCl 2 als FePO 4 gefällt werden. In der Vorklärung einer Kläranlage wurde eine Phosphatkonzentration von 31 mg/l gemessen. Wie viel Milliliter Fällmittel muss ich bei einem ß-Wert von 2,0 zudosieren? Wie viel Sauerstoff benötige ich zur Oxidation des Eisen-(II)? (FeCl 2 : 30 %ig, = 1,33 g/cm 3 ? 40.Berechne für Methan und für Kohlendioxid den CSB, den TOC und das CSB/TOC – Verhältnis ! 41.Wie hoch ist der CSB, der BSB 5, der TOC und der Stickstoffgehalt von Harnstoff?

13 TU Dresden Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folie: 13 - Dr. H. Brückner 42.Nitrit ist ein Zwischenprodukt bei der mikrobiellen Oxidation zum Nitrat und bei der Reduktion zum Stickstoff oder zum Ammonium. Stelle die Reaktionsgleichungen auf ! 43.Bei einer Abwasseranalyse ergaben sich folgende Werte: -Nitrat: 4,0 mg/lAmmonium: 60 mg/l -Nitrit: 0,7 mg/l TKN: 45 mg/l Berechne die Konzentration an TN und diskutiere die Messwerte! 44. Welche Verbindungen können, unter der Voraussetzung, dass keine anderen Säuren und Basen als die Protolyte der Kohlensäure vorliegen, bei den jeweiligen Titrationen bestimmt werden? Schreiben Sie die Reaktionsgleichung dazu auf! K s 4,3 : NaOH, Na 2 CO 3, Ca(OH) 2, CaCO 3, NaHCO 3, Erdalkalihydrogencarbonate K s 8,2 : NaOH, Na 2 CO 3, Ca(OH) 2, CaCO 3 K B 8,2 : freie Mineralsäure (CO 2 ) und freie Kohlensäure H 2 CO 3 K B 4,3 : freie Mineralsäure (CO 2 )


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