Можно ли определить содержание сульфатов меди, сульфатов железа и сульфатов серной кислоты у раствора сернокислого медного купороса с pH 0,22, объемом 1300 л, плотностью 1,18 г/мл, концентрацией кислоты 25,1%, концентрацией меди 6,72 г/кг, концентрацией железа 28,8 г/кг и первоначальным содержанием сульфатов железа с концентрацией 164 г/л после добавления 291 кг гидроксида кальция? Какой объем воды необходимо добавить для достижения содержания сульфатов с концентрацией 70 мг/л?

Для ответа на этот вопрос нужно учитывать несколько аспектов химических процессов, происходящих при добавлении гидроксида кальция (Ca(OH)₂) в раствор сернокислого медного купороса (CuSO₄). Разберем поэтапно, чтобы получить полное представление о том, что происходит.

Исходные данные:

• Объем раствора: 1300 л
• Плотность раствора: 1,18 г/мл
• Концентрация серной кислоты: 25,1%
• Концентрация меди: 6,72 г/кг
• Концентрация железа: 28,8 г/кг
• Концентрация сульфатов железа: 164 г/л
• pH раствора: 0,22 (очень низкий, кислый раствор)

Шаг 1: Оценка состава раствора до добавления гидроксида кальция

1. Масса раствора: Плотность раствора 1,18 г/мл, что соответствует 1180 г/л. Учитывая, что объем раствора 1300 л, масса раствора составит:

   $$1300 \, \text{л} \times 1180 \, \text{г/л} = 1 534 000 \, \text{г} = 1534 \, \text{кг}$$

2. Масса меди в растворе: Концентрация меди в растворе составляет 6,72 г/кг. Для всей массы раствора:

   $$6,72 \, \text{г/кг} \times 1534 \, \text{кг} = 10 300,5 \, \text{г} = 10,3 \, \text{кг меди}$$

3. Масса железа в растворе: Концентрация железа в растворе составляет 28,8 г/кг. Для всей массы раствора:

   $$28,8 \, \text{г/кг} \times 1534 \, \text{кг} = 44 184,3 \, \text{г} = 44,2 \, \text{кг железа}$$

4. Масса сульфатов железа в растворе: Концентрация сульфатов железа составляет 164 г/л. Для всего объема раствора:

   $$164 \, \text{г/л} \times 1300 \, \text{л} = 213 200 \, \text{г} = 213,2 \, \text{кг сульфатов железа}$$

Шаг 2: Химическая реакция при добавлении гидроксида кальция

Гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в водном растворе нейтрализует кислоты, и при этом происходит осаждение некоторых компонентов. Ожидаемая реакция нейтрализации для серной кислоты:

Кроме того, гидроксид кальция может способствовать осаждению железа в виде гидроксида железа (III) при высоком pH:

Для реакции осаждения меди и железа при добавлении Ca(OH)₂ важно, что гидроксид кальция изменяет pH раствора, что может привести к выпадению солей меди (CuSO₄) и железа (FeSO₄) в виде осадков.

Масса гидроксида кальция, которую добавляют, составляет 291 кг. Эта масса гидроксида кальция будет достаточно для нейтрализации части серной кислоты, а также для того, чтобы осадить некоторые металлические элементы, включая медь и железо.

Шаг 3: Определение объема воды для достижения нужной концентрации сульфатов

Для того чтобы достичь концентрации сульфатов 70 мг/л (или 0,07 г/л) в окончательном растворе, нужно будет разбавить исходный раствор.

1. Общее количество сульфатов: В растворе у нас есть сульфаты медных и железных солей. Предположим, что после осаждения часть сульфатов будет удалена, но их общее количество останется в пределах значений, полученных выше (213,2 кг сульфатов железа, плюс сульфаты меди).

2. Необходимая концентрация сульфатов: Для концентрации сульфатов 70 мг/л в объеме 1300 л:

   $$1300 \, \text{л} \times 0,07 \, \text{г/л} = 91 \, \text{г сульфатов}$$

3. Разбавление: Чтобы достичь этой концентрации, необходимо вычислить, сколько воды нужно добавить. Предположим, что после осаждения гидроксидом кальция остается, скажем, 91 кг сульфатов. Для этого нам нужно увеличить объем раствора до значения, при котором концентрация сульфатов составит 70 мг/л. То есть:

   $$91 \, \text{г} = 91 \, \text{кг} \quad \Rightarrow \quad \text{Объем раствора} = \frac{91 \, \text{кг}}{0,07 \, \text{г/л}} = 1300 \, \text{л} \quad (\text{это по сути новый объем раствора после разбавления})$$

Таким образом, для достижения требуемой концентрации сульфатов потребуется определенная порция разбавления раствора (например, добавление 1300 л воды).

Однако, важно учитывать, что в реальных химических расчетах такие параметры должны учитывать конкретные реакции осаждения и потери веществ, что требует дополнительных данных и более детального анализа.