3. BÖLÜM - SORULAR 3-1. ph'ı 7 olan bir litre su numunesinin iyonik gücünü 0,1M yapmak için kaç gram NaCl gereklidir? 3-2. Bir kirleticinin bozunduğu birinci-derece tepkimenin hız sabiti 0,1/gün'dür. a) Bu kimyasalın %90'ının parçalanması için gereken süre kaç gündür? b) Bu kimyasalın %99'unun parçalanması için gereken süre nedir? c) Bu kimyasalın %99,9'unun parçalanması için gereken süre nedir? 3-3. Tetrakloroetan'ı (TCA) metabolize edebilen bir bakteri türü izole edilmiştir. Bu bakteri türü, TCA ile kirlenmiş tehlikeli atık sahalarının biyoremediasyonunda kullanılabilir. Biyodegredasyon hızının TCA derişiminden bağımsız olduğunu varsayınız (yani tepkime sıfırıncı-derece). Bir biyoreaktörde TCA giderim hızının 1 µg/l-dak olduğu gözlenmiştir. Reaktör girişinde 1 mg/l olan TCA derişiminin reaktör çıkışında 1 µg/l olması için suyun reaktörde bekleme süresi ne olmalıdır? Reaktörün tam karışımlı olduğunu varsayınız. 3-4. Fosfat iyonunun ( ) aşağıdaki tepkimeye göre Fe +3 ile çökeltilerek kentsel atıksudan uzaklaştırıldığını kabul edelim. + Fe +3 FePO 4(s) Bu tepkime için tepkime hızı, ise; a) iyonuna göre tepkime derecesi nedir? b) Tüm tepkime derecesi nedir? 3-5. Fosfat iyonu -aşağıdaki denge tepkimesine göre- suda tepkimeye girerek monohidrojen fosfata dönüşür: + H 2 O + OH - a) Sistemin ideal koşullarda olduğunu kabul edelim. Sıcaklık 298 K, toplam bağlı fosfat ve monohidrojen fosfat 10-4 M ise, ph=11 değerinde toplam derişimin yüzde kaçı fosfat iyonu şeklindedir? b) [ ] = 10-6,8 M, [ ]= 10-4 M ve ph=9 ise tepkime yazıldığı şekliyle gerçekleşir mi? Eğer gerçekleşmezse hangi yönde ilerler? c) "b" şıkkında verilen sisteme 10-1 M NaCl çözeltisi eklenirse tepkime yazıldığı şekliyle gerçekleşir mi? Eğer gerçekleşmezse hangi yönde ilerler? 3-6. Amonyak (NH 3 ), birçok doğal sularda veya atıksularda sıkça rastlanan bir bileşiktir. Amonyak içeren suların arıtma tesislerinden arıtımı esnasında, suda bulunan amonyak dezenfektan olan hipokloröz asit (HOCl) ile aşağıdaki tepkimeye göre tepkimeye girerek monokloramini (NH 2 Cl) oluşturur; Bu tepkime için tepkime hızı; NH 3 + HOCl NH 2 Cl + H 2 O
a) NH 3 'e göre tepkime derecesi nedir? b) Tüm tepkime derecesi nedir? c) HOCl derişimi 10-4 M değerinde sabit tutulursa ve hız sabiti 5,1x10 6 L/mol-sn ise NH 3 'ün derişimini başlangıç derişiminin yarısına indirmek için gerekli olan süre nedir? 3-7. Tehlikeli bir kimyasal maddenin giderim hızının belirlenmesi için bir arıtım çalışması gerçekleştirilmiştir. 25 C'de elde edilen veriler aşağıdaki gibidir. Kimyasal derişimi (µg/l) Zaman (gün) 1,0 0 0,81 1 0,56 3 0,36 5 0,22 7 0,14 10 a) Bu tepkime sıfırıncı- veya birinci-derece midir? b) Bu tepkimenin hız sabiti nedir? c) Tepkimenin yarılanma ömrü nedir? d) Tepkime için Θ=1,1 ise 30 C'deki hız sabiti nedir? 3-8. Sudan mangan (Mn +2 ) ve demir (Fe +2 ) gidermek amacıyla bir arıtma tesisi tasarlanmıştır. Su, indirgenmiş bu elementleri oksitlemek (yükseltgemek) için havalandırılır ve daha sonra filtre edilerek sudan uzaklaştırılabilecek bir çökelti oluşturulur. Mn için tepkime şu şekildedir: 4Mn +2 + O 2(aq) + 8OH - 4MnOOH (s) + 2H 2 O a) [Mn +2 ] derişimi 25x10-6 M, ph=7, sıcaklık 25 C ise ve çözelti içerisindeki oksijen derişimi havalandırma yoluyla sabit tutulduğunda, tepkime yazıldığı şekliyle gerçekleşir mi? Tepkime derecesini ve hız sabitini belirlemek için yapılan laboratuvar çalışmasında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Zaman (dak) [Mn +2 ] (µm) 0 25 3 17,7 6 11,1 12 6,25 b) Bu reaksiyon 0. veya 1. derece midir? c) Tepkimenin hız sabiti nedir? 3-9. Bir hava kalitesi çalışmasında azot dioksit (NO 2 ) derişiminin belirli bir ışık şiddetinde 4 dakikada 5 ppm'den 2 ppm'e düştüğü ölçülmüştür. a) Bu tepkime için birinci-derece hız sabiti nedir? b) Bu çalışmada, NO 2 'nin yarılanma ömrü nedir? c) NO 2 derişimini 1,5 dakikada 5 ppm'den 2 ppm'e düşürmek için gerekli olan tepkime hız sabiti ne olmalıdır? 3-10. Bazı organik kimyasalların hidrolizi için gerekli hız sabitleri verilmiştir; Kloroform (7,13x10-10 /dak) ve trikloroetan (1,24x10-6 /dak). a) Bu kimyasalların hidrolizleri için yarılanma ömürlerini yıl cinsinden hesaplayınız. b) Eğer bu kimyasalların parçalanması için tek mekanizma hidroliz ise hangi kimyasal doğada daha uzun süre kalır?
3-11. Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) için hız sabiti 20 C'de 0,23/gün ise 5 C ve 25 C için kaçtır? Θ=1,1 kabul ediniz. 3-12. Nitrat, çözünmüş oksijen derişiminin düşük olduğu ortamlarda, indirgenmiş maddelerin oksidasyonunda alternatif elektron alıcısı olarak davranabilir. 25 C olarak verilen aşağıdaki koşullarda, sülfitin doğal sulardaki nitrat ile yükseltgenmesi (oksitlenmesi) mümkün müdür? H + + + HS - + H 2 O + Derişimler (mol/l); [H + ]=10-8, [ ]=[HS - ]=[ ]=[ ]=10-4. Yukarıda verilen tepkime için G 0 =-2031,19 kj/mol. 3-13. Kırmızı renkli cıva oksit (HgO) aşağıdaki tepkimeye göre kendisini oluşturan elementlere ayrışabilir; HgO (s) Hg (g) + 1/2O 2(g) Bu ayrışma tepkimesi, 25 С'deki oda sıcaklığında, havadaki cıva kirliliğinin potansiyel bir kaynağı mıdır? 3-14. Aşağıdaki tepkime standart koşullarda kendiliğinden gerçekleşir mi? 4Fe +2 + 4H + + O 2(g) 4Fe +3 + 2H 2 O 3-15. Aşağıdaki tepkime termodinamik açıdan mümkün müdür? NO (g) için =20,69 kcal/mol, NO 2(g) için =12,26 kcal/mol, O 2(g) için =0 kcal/mol 2NO (g) + O 2(g) 2NO 2(g) 3-16. Bir mühendis, beton bir tank içinde kromun işleneceği üretim sürecinden çıkan atıklarının arıtılmasını planlamaktadır. Ancak, krom, aşağıda verilen tepkimelere göre betonun aşınmasına neden olabilmektedir; 2Fe +3 + (Fe, Mg)2SiO 4(s) Fe 2 MgSiO 4(s) + 2Fe +2 + Mg +2 3Fe +2 + + 8H + 3Fe +3 + Cr +3 + 4H 2 O Cr +3 + 3OH - Cr(OH) 3(s) İkinci tepkime birinci tepkime için gerekli olan Fe +3 iyonunu tekrar üretmekte ve süreç hiç beton ya da kalmayıncaya kadar devam etmektedir. Birinci tepkime ile betonda görülen Mg ve Fe kaybı, kolayca ufalanan daha gözenekli yapıya sahip bir betonun oluşmasına sebep olmaktadır. a) İkinci tepkime termodinamik açıdan mümkün müdür? b) [Fe +3 ]=10-10 M, [Fe +2 ]=0,1 µm, [ ]=10-6 M, [Cr +3 ]=10 nm, ph=5,3 ise tankın yapısal olarak bütünlüğü tehlikede midir? 3-17. a) CaF 2 'nin saf sudaki (25 C) çözünürlüğü mol/l cinsinden nedir? b) Sıcaklık 10 C arttırılırsa CaF 2 çözünürlüğü nedir? c) İyonik güç artırıldığında CaF 2 çözünürlüğü nasıl değişir (artar, azalır, sabit kalır)? Açıklayınız.
3-18. 1,4-diklorobenzen (1,4-DCB), halka açık tuvaletlerde dezenfektan olarak kullanılır. Kimyasalın 20 C'deki buhar basıncı 5,3x10-4 atm'dir. a) Molekül ağırlığı 147 g/mol olan bu kimyasalın g/m 3 cinsinden havadaki derişimi nedir? b) Alternatif bir dezenfektan ise 1-bromo- 4-klorobenzen (1,4-CB)'dir. 1,4-CB'nin kaynama noktası 196 C iken 1,4-DCB'nin kaynama noktası 180 C'dir. Tuvaletlerde hangi bileşik havada en yüksek derişime sahiptir? Açıklayınız. 3-19. Kloroform (bir çeşit anestezik), karbon tetraklorür (geçmişte kuru temizlemede yaygın olarak kullanılırdı) ve tetrakloroetan (geçmişte yağ giderici olarak kullanılırdı) kimyasallarının kaynama noktası sıcaklıkları sırasıyla 61,7 C, 76,5 C ve 121 C'dir. Bir kimyasalın buhar basıncı o kimyasalın kaynama noktası ile ters orantılıdır. Bu kimyasallardan büyük bir miktarda çevreye dökülürse, döküldüğü bölgenin üzerindeki havada hangi kimyasalın derişimi daha yüksek olur? Açıklayınız. 3-20. Kış mevsiminde hava sıcaklığı 0 C ve bu sıcaklıktaki Henrysabiti 2,28x10-3 mol/l-atm iken bir nehirdeki oksijenin (O 2 ) doygunluk derişimi mol/l cinsinden nedir? Sonuç mg/l cinsinden istenseydi ne olurdu? 3-21. Poliklorlu bifeniller (PCBs), 200'den fazla tekil bileşiğin karışımıdır. Bu kirleticiler çevrede yaygın şekilde bulunmaktadır. Bir göl üzerindeki havada PCB 105 (tekil bileşiklerden bir tanesi) derişimi 300 pmol/m 3 ve gölün yüzey suyunda PCB 105 derişimi 100 pmol/l ise bu kimyasal sudan havaya doğru mu yoksa havadan suya doğru mu hareket eder? (Hava sıcaklığını 25 C kabul ediniz) Bu kimyasal için Henry sabiti 10 mol/l-atm'dir. 3-22. Ağustos ayında bulutlu ve rüzgarlı bir günde Superior Gölü üzerindeki hava sıcaklığı 25 C'ye ulaşmıştır. Barometrede okunan değer 760 mmhg ve EPA araştırma teknesindeki bir araştırmacı oksijen konsantrasyonunu (kısmi basınç) 0,18 olarak ölçmüştür. Havada su buharı bulunmasaydı oksijenin kısmi basıncı 0,2 olurdu. Gaz basıncına katkıda bulunan tek önemli bileşenler azot, oksijen ve su buharı ise aşağıdaki tepkime için 25 C'deki denge sabitini hesaplayınız. H 2 O (sıvı) H 2 O (gaz) 3-23. Karbon dioksitin 25 C'deki kısmi basıncı 10-3,5 atm ve Henry sabiti 10-1,5 mol/l-atm ise atmosferle denge halindeki yağmur suyunda bulunan çözünmüş karbon dioksitin molar derişimi nedir? Karbon dioksit için birimsiz Henry sabiti nedir? 3-24. 25 C'de L-atm/mol cinsinden Henry sabitlerinin log değerleri trikloroetan için 1,03, tetrakloroetan için 1,44, 1,2-dimetilbenzen için 0,71 ve parathion için 3,42 şeklindedir. a) Bu kimyasalların her biri için birimsiz Henry sabiti nedir? (b) Kimyasalları, sudan havaya geçiş kolaylığına göre sıralayınız. 3-25. Trikloroetan (TCE) için 25 C'deki birimsiz Henry sabiti 0,4'dür. 36 ml sıvı çözelti üzerinde 4 ml hava içeren kapalı sızdırmaz, küçük bir cam şişe hazırlanmıştır. Sıvı faza, başlangıç derişimi 100 ppb olacak şekilde TCE eklenmiştir. Sistem dengeye geldiğinde, sıvı fazda µg/l cinsinden TCE derişimi nedir?
3-26. Aşağıdaki güçlü asit ve bazların sulu çözeltilerinin denge halindeki ph değerlerini hesaplayınız. a) 15 mg/l b) 10 mm NaOH, c) 2500 µg/l HNO 3 3-27. Bir litre saf su içerisine 10-2 mol hidroflorik asit (HF) eklenirse ph ne olur? HF için pk a 3,2. 3-28. İçme suyu dezenfeksiyonu esnasında Cl 2 gazı suya eklendiğinde hidrolize olarak HOCl oluşturur. HOCl asidinin dezenfektan etkisi konjuge (eşlenik) bazı olan OCl - 'den 88 kat daha fazladır. HOCl için pk a 7,5 ise a) ph=6 iken toplam (HOCl+OCl - ) dezenfektan etkisinin % kaçı asit formundadır? b) ph=7 iken % kaçtır? 3-29. Amonyak, bazı temizlik maddelerinde ve gübrelerde kokusunu aldığımız bir gazdır. Bu zehirli gazın derişimi, sadece protonlanmamış hali uçucu olduğundan, suyun ph'ını ayarlayarak kontrol edilebilir. NH 3 + H + Bu tepkime için pk a 9,3 ise ph=9 değerinde toplam azotun ( formdadır? + NH 3 ) ne kadarı uçucu 3-30. H 2 S için Henry sabiti 0,1 mol/l-atm ve H 2 S (aq) HS - + H +, K a =10-7 ise bir beher içindeki suya saf H 2 S gazı verildiğinde ph=5 değerinde a) mol/l; b) mg/l; c) ppm cinsinden HS - derişimi ne olur? 3-31. Bir atıksu arıtma tesisi çıkış suyundan fazla fosfatı gidermek için FeCl 3(s) eklenir. Gerçekleşen tepkimelerin aşağıdaki gibi olduğunu varsayınız: FeCl 3(s) Fe +3 + 3Cl - Fe +3 + FePO 4(s) İkinci tepkime için denge sabiti 10 26,4. Fosfat derişimini sınır olarak belirlenen 1 mg P/L değeri altında tutabilmek için gerekli Fe +3 derişimi nedir? 3-32. Bir şehre içme suyu sağlayan dağıtım şebekesindeki Ca +2 derişim 1,5 mm ve derişimi 0,01 mm'dır. Su borularında kalsit (CaCO 3(s) ) çöker mi çözünür mü? Neden? Kalsitin çözünme tepkimesi ve denge sabiti: CaCO 3(s) Ca +2 +, K=10-8,34 3-33. Sudan metalleri uzaklaştırmak için uygulanan yöntemlerden biri ph'ı artırarak metal hidroksitler şeklinde çökmesini sağlamaktır. a) Aşağıdaki tepkime için tepkimenin standart serbest enerjisini hesaplayınız. Cd +2 + 2OH - Cd(OH) 2(s) (b) Suyun ph'ı 6,8'den 8,0'a yükseltilmiştir. Son ph değerinde çözünmüş kadmiyum derişimi 100 mg/l'nin altına düşer mi? Suyun sıcaklığını 25 C olarak kabul ediniz.
3-34. ph'ı 7 olan bir litre suya 10-6 mol Fe +3 eklenirse ne kadar çökelti (mg Fe/L cinsinden) oluşur? 3-35. Naftalinin log K ow değeri 3,36'dır. Naftalinin organik karbona göre normalize edilmiş toprak-su değişim katsayısının yaklaşık değerini ve bu değerin %95 güven aralığını bulunuz. 3-36. Atrazin, mısır tarlalarında yaygın olarak kullanılan bir herbisit ve Amerika'da mısır üretilen bölgelerde yeraltı sularında yaygın olarak bulunan bir kirleticidir. Atrazinin log K ow değeri 2,69'dur. Organik karbon içeriği %2,5 olan bir toprağa uygulanan toplam atrazinin toprağa adsorblanan oranını hesaplayınız. Toprağın hacimsel (yığın, bulk) yoğunluğu 1,25 g/cm 3 (yani her bir cm 3 toprak (nem+toprak) 1,25 g toprak partikülü içerir). Toprağın porozitesi ise 0,4'tür. 3-37. Alachlor, Log K ow değeri 1,4 olan yaygın olarak kullanılan bir pestisittir. Alachlorun, organik karbon içeriği %1 olan sulu bir toprakta adsorblanan ve topraktaki su içinde çözünen oranlarını hesaplayınız. Toprağın hacimsel yoğunluğu 1,25 g/cm 3 (yani her bir cm 3 toprak (nem+toprak) 1,25 g toprak partikülü içerir). 3-38. Toprağa dökülen organik kimyasallar bazen yeraltı suyuna ulaşır ve yeraltı suyu akışı ile aşağı yönde taşınır. Kimyasalların yeraltı suyunda taşınma hızı su içindeki katı partiküllere tutunmaları ile azalır. İçme suyu kaynağı olarak kullanılan kuyulara kirlenmiş yeraltı suyunun ulaşması tehlikelidir. a) ρ b =2,3 g/cm 3, porozite=0,3 ve organik karbon içeriği %2 olan bir toprak için belirtilen üç kimyasalın alıkonma faktörünü hesaplayınız: trikloroetan (log K ow =2,42), hekzaklorobenzen (log K ow =5,50) ve diklorometan (log K ow =1,15). b) Bu üç kimyasalın aynı akiferde taşınım sırası (yakın-uzak) nasıl olur? 3-39. Tehlikeli atık sahalarının birçoğunda krom kontaminasyonu (kirliliği) sorun oluşturur. Bu sahalardan birinde krom derişimi toprakta 60000 mg/kg ve suda 19000 mg/l seviyelerine ulaşmıştır. a) Sulu fazdaki krom ile adsorblanmış kromun denge halinde olduğunu kabul ederek, bu sahadaki toprak için L/kg cinsinden bir adsorpsiyon katsayısı hesaplayınız. b) Bu sahanın 61 m aşağısında bulunan bir sahada sulu fazda krom derişimi 1000 mg/l olarak ölçülmüştür. Bu sulu fazdaki derişim ile denge halinde olan adsorblanmış derişimi "a" seçeneğinde bulunan katsayıyı kullanarak hesaplayınız. c) Bu sahadaki kirlenmiş yeraltı suyunu arıtmak için üç basamaklı bir proses kullanılmıştır. Birinci basamakta su pompa ile çekilerek ph'ı 3,5'den 2,3'e düşürülmüştür. Daha sonra, krom altı değerlikten (Cr(VI)) üç değerliğe (Cr(III)) indirgenmiştir. Son olarak da ph arttırılarak Cr(OH) 3(s) çökeltisi oluşması sağlanmış ve krom sudan uzaklaştırılmıştır. Son tepkime için denge ifadesi aşağıdaki gibidir. Cr(OH) 3(s) Cr +3 + 3OH - K sp =10-30 Eğer suyun ph'ı 8,5'e çıkarılırsa krom(iii)'ün denge derişimi mol/l cinsinden ne olur? d) "c" seçeneğinde anlatılan süreç ile 19000 mg/l krom 22713 litrelik bir tankta arıtılırsa çökeltinin kg cinsinden miktarı ne olur? 3-40. Hekzaklorobenzen (HCB), "International Joint Commission for Great Lakes Research" birimi tarafından en fazla izlenen on kimyasaldan biridir. HCB'in log K ow değeri 5,5 iken
benzenin log K ow değeri 2,1'dir. Sizce hangi kimyasalın sudaki çözünürlüğü daha fazladır? Neden? 3-41. Çalıştığınız şirketteki hidrojeoloğun belirttiğine göre kirlenmiş bir akiferdeki yeraltı suyu hızı 1 m/gün'dür. Yeraltı suyu, bir belediyenin katı atık depolama sahasından kaynaklanan cıva ile kirlenmektedir. Cıvanın akifer materyaline tutunma sabiti 5x10 3 L/kg, akifer materyalinin gözenekliliği 0,15 ve materyalin hacimsel (yığın, bulk) yoğunluğu 2,6 g/cm 3 ise cıva 500 m ileride bulunan bir kuyuya kaç yılda ulaşır? 3-42. Bir şehrin içme suyu kaynağı toluen ile kirlenmiştir. Toluen seviyesinin yönetmeliklerde belirlenen sınır değerlerin altına indirilebilmesi için bir aktif karbon sistemi tasarlanmıştır. Su kaynağındaki toluen derişimi 1000 ppb, arıtım sonrası hedef 5 ppb, suyun debisi 378 L/dak ise istenilen seviyedeki arıtım için tanka günlük ne kadar toz aktif karbon (TAK) eklenmelidir? Toluen ve belirtilen karbon için Freundlich parametreleri; K=26,1 mg/g (L/mg) 1/n ve 1/n=0,44.