Как найти объем железа в воде

Условие задачи:

Вес куска железа в воде 1,67 Н. Найти его объем.

Задача №3.3.9 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(P_{в}=1,67) Н, (V-?)

Решение задачи:

Вес тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес.

Покажем кусок железа, подвешенный на нити и опущенный в воде (очевидно, что он будет тонуть). На кусок железа действуют три силы: сила тяжести (mg), сила Архимеда (F_{А}) и сила натяжения нити (T). Тело находится в равновесии, поэтому можем записать первый закон Ньютона в проекции на ось (y):

[T + {F_А} – mg = 0]

[T = mg – {F_А}]

Согласно приведенному выше определению, вес куска железа в воде (P_{в}) будет равен силе натяжения нити (T).

[{P_в} = mg – {F_А}]

Распишем массу тела (m) через плотность и объем, а силу Архимеда по известной формуле её определения. Тогда получим:

[{P_в} = rho Vg – {rho _в}gV]

[{P_в} = left( {rho  – {rho _в}} right)gV]

Значит искомый объем (V) можно найти по такой формуле:

[V = frac{{{P_в}}}{{left( {rho  – {rho _в}} right)g}}]

Плотность железа (rho) равна 7800 кг/м³, а плотность воды (rho_{в}) – 1000 кг/м³. Посчитаем ответ:

[V = frac{{1,67}}{{left( {7800 – 1000} right) cdot 10}} = 2,46 cdot {10^{ – 5}};м^3 = 24,6;мл]

Ответ: 24,6 мл.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

3.3.8 В цилиндрический сосуд с водой, с площадью дна 150 см2, опускают тело массой 1 кг
3.3.10 Груз какой массы может поднять аэростат объемом 100000 м3 на высоту 40 км?
3.3.11 Деревянный брусок массой 1,4 кг плавает на поверхности воды. Какой массы груз

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью. 

Практически во всей воде нашей планеты присутствует железо. Особенно его много в географических районах с залежами железистых руд: пиритов, железняков, магнетитов, сидеритов. Руководству компаний по водоснабжению и самому населению таких мест нужно заботиться об очистке воды. Если жидкость чрезмерно загрязнена соединениями Fe⁺, это опасно для здоровья, для бытовой техники, для промышленного оборудования (3 класс опасности по СанПиН). Металлические детали подвергаются коррозии, на стенках приборов образуется накипь, ржавчина, которая их разрушает, частички окаменелостей попадают в организм, вызывают образование камней. Если из скважины или из крана водопровода течет вода с железом – как определить его концентрацию, что предпринять для снижения показателей? Все ответы вы получите, прочтя статью.

Как определить, что вода с железом

Железистые соединения попадают в воду техногенным путем – при добывании железных руд, вместе с отработанными и канализационными стоками промышленных предприятий, связанных с обработкой железа: текстильных, лакокрасочных, металлообрабатывающих заводов. Поступают со стоками с животноводческих ферм и с полей, где используются удобрения. Проникают из старого ржавого водопровода, стенки которого разъедены коррозией, или когда для водоочистки применяются коагулянты на основе железистых солей.

Железо попадает в воду многообразными естественными путями:

• При размывании железно-рудных пород.
• При вулканическом или природном механическом разрушении (выветривании) пород.

За счет природного круговорота воды – испарение из водоемов, выпадение в виде осадков, проникновение глубоко в почву, выход на поверхность вместе с грунтовыми водами – так Fe⁺ попадает в открытые водоемы и залежные водоносные пласты.

Природные процессы и круговороты происходят повсеместно, техногенное производство развито во многих районах – следовательно, везде высока вероятность присутствия Fe⁺. Визуально можно определить содержание железа воде по рыжеватому оттенку жидкости, текущей из крана, по металлическому запаху, по бурому осадку на дне посуды, по рыже-ржавым подтекам на санприборах.

Двухвалентное железо можно распознать только при отстаивании на открытом воздухе, после того как оно окислится и выпадет в осадок. Трехвалетное Fe³⁺ придает жидкости мутность и окрашенность, при отстаивании раствор становится прозрачным, муть выпадает в осадок. Есть специальная методика определения железа в воде, она основана на применении фотометрических и фотоколориметрических способов за счет того, что Fe образует устойчиво-окрашенные соединения.

Признаки бактериального железа – тонкая радужная пленка на поверхности воды, слизистый налет на посудных стенках, отложения в виде желеобразной илистой массы внутри труб за счет действия железобактерий. При наличии коллоидного железа вода мутная, цветная из-за того, что присутствующие химические вещества пребывают во взвешенном состоянии. Но при отстаивании раствор не даёт осадка, примеси невозможно отфильтровать из-за маленького размера частиц.

Таблица поможет визуально определить, какое железо есть в воде:

Чем определить железо в воде

Согласно санитарным нормам 2.1.1074-01, ПДК (предельная концентрация железа, допустимая стандартами), не должна быть выше показателя 0,3 мг/литр. Даже 1 мг, присутствующий в 1 литре воды, уже ощущается на вкус: напитки горчат, имеют металлический привкус, вызывают изжогу, дерматит. От такой воды ржавеет сантехника, белье после стирки тускнеет и рыжеет. Появляются отложения на бойлерно-котельном оборудовании.

Как производится определение железа в воде простыми (домашними) способами

В домашних условиях можно выявить присутствие железа:

1. С помощью аптечных препаратов. Столовую ложку слабого светло-розового раствора марганца (обычной марганцовки) смешивают с водой. Почти сразу жидкость меняет цвет на желто-бурый. Раствор марганца выявляет 2 и 3-валентное железо и наличие железобактерий. Определение железа в воде с сульфосалициловой кислотой. По 1 мл нашатырного спирта, аммиака и кислоты добавляют к 25 мл воды, и через 15 минут трехвалентное железо становится видимым, выпадает в осадок.
2. Специальный набор для определения железа в воде – набор аквариумиста – поможет обнаружить 2-валентное железо. Воду аккуратно наливают во флакон с раствором и реагентами. По изменению цвета судят о наличии и интенсивности присутствия железа.
3. Нагревание – появляется на стенках рыжеватая накипь, ржавый осадок.
4. Отстаивание. Жидкость наливают в стакан и дают несколько часов постоять. Бурый студенистый осадок при соприкосновении с воздухом начинает издавать неприятный запах разложения.

Вода с двухвалентным железом прозрачна, так как соединения Fe⁺ в ней растворены и незаметны. Как определить количество железа в воде визуально? Если жидкость немного постоит открытой на воздухе, она мутнеет, потому что 2-валентное железо окисляется и превращается в 3-валентное. После завершения окисления вода вновь становится прозрачной. Трехвалентное Fe³⁺ выпадает в осадок в виде гидроксидов красноватого цвета. Чистую воду можно слить и использовать, осадок утилизировать.

Лабораторные способы для определения содержания железа в воде

Домашние способы удобны лишь для выявления присутствия железа. Но желательно знать точную концентрацию, чтобы подобрать оборудование для очистки. Точные параметры установит лаборатория, куда нужно отнести пробы на экспертизу. Для подземных источников пробы нужно делать каждый сезон, при добыче воды из открытых поверхностных водоемов – каждый месяц.

Можно использовать действующий ГОСТ 4011-72 на определение железа в воде, где приведены методы измерений и расчеты, рекомендованы разные методики определения железа воде.

1. Определение железа в воде фотометрическим методом. Это способ, помогающий рассчитать массовую концентрацию (массовую долю) общего Fe+ при воздействии сульфосалициловой кислоты или её натриевой соли. В различных средах состав ведет себя по-разному. В слабокислых растворах реагент вступает в реакцию с солями железа (III), образуя комплексные соединения, которые приобретают ярко-выраженный красный цвет. В слабощелочных растворах происходит реакция с солями Ferrum (II) и (III) – раствор меняет цвет на желтый. Для определения общего железа в воде и для Fe²⁺ замеряют оптическую плотность среды при определенной длине волны 425 нм, для Fe³⁺ при длине в 500 нм.

По интенсивности окраски растворов определяют концентрацию компонентов, используя фотоприемники – приборы, преобразующие световую энергию в электрическую. Если выделяется узкий диапазон волн (измерение проводится строго на конкретной длине волны), то это фотометрическое определение железа воде. Если измеряются параметры всего светового потока, метод называется колориметрическим.

2. Фотоколориметрическое определение железа в воде основано на методе, который базируется на законе Бугера – Ламберта – Бера (основной закон светопоглощения). Вещества избирательно поглощают свет определенной волны. Когда поток излучения проходит через частично поглощающую среду, его интенсивность рассчитывается по формуле:

I= I₀ х 10^(-εcI)

где:

I₀ – интенсивность входящего пучка (падающего потока);

ε – молярный показатель при определенной длине световой волны (иногда неверно именуется коэффициентом поглощения);

с – концентрация поглощающего вещества, моль/дм³;

l – толщина слоя раствора, через который проходит свет.

Для измерения используют приборы – фотоэлектроколориметры с набором разных светофильтров (ФЭК) с простой электрической и оптической схемой. От источника излучения световой луч проходит через емкости с двумя растворами: исследуемым и приготовленным для сравнения.

3. Определение железа в воде титрованием. Метод подробно описан в ГОСТ, основан на взаимодействии ионов Fe³⁺ с реагентами, например, с SCN-. В результате реакции образуются комплексы, окрашивающие раствор в ярко-красный цвет. Чем больше железа в растворе, тем интенсивнее окраска. Потенциометрическое титрование производится с помощью удобных компактных приборов – титраторов. Применение автоматических систем титрования повышает скорость исследования.
Фотометрическое определение железа в воде является удобным, надежным методом, который используется чаще, чем колориметрический. Его можно применять неограниченно, применяя разные реагенты, образующие окрашенные соединения при взаимодействии железа с органическими и неорганическими ионами.

Что делать, если в воде большое количество железа, как его очистить

Получив результаты экспертизы из лаборатории (или проведя самостоятельное исследование), применяя методы определения общего железа в воде по ГОСТ, можно приступать к выбору оборудования. Процесс очистки воды от Fe-соединений называется обезжелезиванием.

Для очистки воды от железа применяются:

1. Фильтры обезжелезивания + аэрация – под воздействием нагнетаемого кислорода происходит окисление; загрязнения осаждаются и выводятся из системы, чистая вода подается к месту назначения.
2. Ионообменные фильтры – в основу очистки заложены методы определения ионов железа в воде. В результате ионного обмена производится удаление солей Fe, магния, кальция.
3. Обратный осмос – эффективный способ очистки, при котором, помимо соединений Fe⁺, удаляются почти все примеси.

Предлагаем заказать установки для обезжелезивания в нашей компании. Инженеры Diasel скомплектуют блочно-модульные станции, которые обеспечат нужную производительность и высокую степень очистки. Скажите нам, какие характеристики имеет ваша вода, мы порекомендуем лучшие методы определения железа, подберем оборудование для понижения концентрации солей или для полного обезжелезивания водного раствора, который нуждается в очистке.