A sample has δ¹⁸O = +10 ‰ relative to VSMOW. This means that its ¹⁸O/¹⁶O ratio is:

1 percent higher than that of the standard

10 percent higher than that of the standard, because ‰ is the same as a percentage

10 times that of the standard, because δ is a ratio of the two abundances

1 percent higher than that of the standard

1 percent lower than that of the standard, because the sample is enriched in the lighter isotope

Which statement about equilibrium isotope fractionation between two coexisting minerals is correct?

It falls roughly as 1/T² as temperature rises, so the δ difference of an equilibrium pair can give the crystallisation temperature

It grows with rising temperature, because the vibrations of the lighter isotope become more energetic and separate it more strongly

It is independent of temperature and depends only on the relative mass difference of the isotopes in question

It occurs only in one-way, incomplete reactions such as evaporation into dry air, never between coexisting minerals

A maritime air mass moves inland across a continent and rains out steadily. How does the δ¹⁸O of successive rains change?

It becomes progressively more negative, because each rain removes the heavy isotope preferentially (Rayleigh distillation)

It becomes less negative, because the heavy isotope is held back in the vapour as the air cools

It stays constant, because condensate and vapour have the same isotopic composition at equilibrium

It oscillates with the seasons only, because the distance travelled has no systematic effect on the isotopic composition of the vapour

It becomes progressively more negative, because each rain removes the heavy isotope preferentially (Rayleigh distillation)

Waters from several closed lakes in a semi-arid basin plot on a line of slope about 5 in δD against δ¹⁸O, below the global meteoric water line, with the most saline lake at the highest δ¹⁸O. Which process explains the trend?

Evaporation into unsaturated air, which leaves the residual water enriched in heavy isotopes along a line of slope below 8

Rayleigh condensation during steady rainout, which moves the points along the meteoric water line itself with a slope near 8 and lowers both δ values

Evaporation into unsaturated air, which leaves the residual water enriched in heavy isotopes along a line of slope below 8

Melting of glaciers in the catchment, which supplies water heavier than the local rain

Seasonal temperature change alone, which moves rain along the meteoric water line itself

A river drains a catchment of pure limestone. Its dissolved inorganic carbon forms by CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻, with the CO₂ from soil under C3 vegetation at δ¹³C = −23 ‰ and the limestone at 0 ‰ (VPDB). Ignoring fractionation and exchange with air, the expected δ¹³C of the DIC is:

−11.5 ‰, because half of the carbon in the bicarbonate is from the limestone and half from soil CO₂

−23 ‰, because all the carbon comes from the soil CO₂ that drives the reaction

0 ‰, because the dissolved bicarbonate is simply recycled limestone carbon and the soil CO₂ does not enter the product

−11.5 ‰, because half of the carbon in the bicarbonate is from the limestone and half from soil CO₂

−5.75 ‰, because three-quarters of the carbon is from the limestone and one-quarter from soil CO₂

A marine carbonate section shows a positive δ¹³C excursion of about +3 ‰ that is global in extent. Which cause is most consistent with it?

Enhanced burial of organic carbon, which removes light ¹²C from the ocean-atmosphere system

A large release of methane from gas hydrates, which adds very light carbon

Increased oxidation of organic-rich rocks exposed on land, which returns light carbon to the ocean

Cooling of seawater alone, which changes the δ¹⁸O of carbonate but not the δ¹³C of the carbon pool

Why do aluminium and iron have residence times of only about 10² yr in the ocean, while sodium and chloride have 10⁷ to 10⁸ yr?

Aluminium and iron are scavenged onto particles, so output is large relative to inventory; sodium and chloride lack an efficient sink

Aluminium and iron have the smallest river inputs of all the elements, so their inventory in the sea is exhausted within centuries

Aluminium and iron are atmophile elements that escape from the sea surface as gases, whereas sodium and chloride stay dissolved

Sodium and chloride are removed rapidly by particles but supplied even faster by the rivers, which lengthens their residence time

Aluminium and iron are scavenged onto particles, so output is large relative to inventory; sodium and chloride lack an efficient sink

Which process gives a net removal of atmospheric CO₂ over millions of years?

Weathering of Ca-silicates, with Ca²⁺ and HCO₃⁻ carried to the sea and precipitated there as carbonate

Dissolution of limestone by carbonic acid, since the reaction consumes CO₂ from the soil and the air

Weathering of Ca-silicates, with Ca²⁺ and HCO₃⁻ carried to the sea and precipitated there as carbonate

Oxidation of pyrite, which produces sulphuric acid that attacks the rocks and dissolves carbonate

Dissolution of halite and gypsum, which supplies sodium, calcium, chloride and sulphate ions to the river

An industrial effluent has BOD₅ = 40 mg/L and COD = 400 mg/L. What is the most reasonable inference?

Most of its oxidisable organic matter is not readily degraded by microbes, so biological treatment alone will be inefficient

The analysis must be in error, because BOD₅ measured over five days can never be lower than the COD of the same wastewater sample

The effluent is almost free of organic matter, because a low BOD₅ shows that there is little left in the sample to oxidise chemically

The sample carried a high dissolved oxygen content that suppressed the chemical oxidation of organic matter in the COD test

Which statement about pH and metal mobility in natural waters is correct?

Raising pH from 5 to 9 lowers dissolved Pb²⁺, Cu²⁺ and Zn²⁺ through sorption and precipitation, while arsenate and fluoride tend to desorb

Raising pH from 5 to 9 raises the dissolved Pb²⁺ concentration, because lead hydroxide is highly soluble in alkaline water and sorption weakens

Arsenate and fluoride adsorb more strongly onto iron and aluminium oxides at pH 9 than they do at pH 5

Raising pH from 5 to 9 lowers dissolved Pb²⁺, Cu²⁺ and Zn²⁺ through sorption and precipitation, while arsenate and fluoride tend to desorb

Acid mine drainage is poor in dissolved metals, because its low pH keeps the metals bound to the sediments and rock surfaces

Which of the following make the δ¹⁸O of rain lower (more negative)?

Rain falling at a higher altitude on a mountain slope

Rain falling far inland, after the air mass has already shed much of its moisture

Condensation at a lower temperature

Rain falling at a higher altitude on a mountain slope

Rain falling far inland, after the air mass has already shed much of its moisture

Condensation at a lower temperature

Partial evaporation of the falling raindrops in dry air, which removes the light isotope preferentially

Which of the following statements about residence time in the ocean are correct?

At steady state τ = M/F, where F is the input flux, which equals the output flux

Elements whose τ is much longer than the ocean mixing time (about 10³ yr) are almost uniformly distributed

Calcium has a shorter residence time in the ocean than sodium

At steady state τ = M/F, where F is the input flux, which equals the output flux

Elements whose τ is much longer than the ocean mixing time (about 10³ yr) are almost uniformly distributed

For a fixed ocean inventory, a larger input flux of an element means a longer residence time

Calcium has a shorter residence time in the ocean than sodium

Which of the following statements about BOD, COD and dissolved oxygen are correct?

BOD₅ is the oxygen consumed by microorganisms in 5 days at 20 °C while they oxidise biodegradable organic matter

COD uses a strong chemical oxidant and therefore also measures organic matter that microbes cannot degrade

BOD₅ is the oxygen consumed by microorganisms in 5 days at 20 °C while they oxidise biodegradable organic matter

COD uses a strong chemical oxidant and therefore also measures organic matter that microbes cannot degrade

For any waste, BOD₅ is greater than COD, because microbes oxidise more completely than dichromate

The saturation concentration of dissolved oxygen in water rises as the water warms

स्थायी समस्थानिक, भू-रासायनिक चक्र, जल रसायन व पर्यावरणीय भू-रसायन

यह अध्याय भाग B1 के भू-रसायन शीर्षक के दूसरे आधे भाग का उत्तर देता है: “स्थायी समस्थानिक भू-रसायन (H, O, C), समस्थानिक प्रभाजन; भू-रासायनिक चक्र; उच्च-ताप व निम्न-ताप भू-रासायनिक ऊष्मागतिकी के तत्व; नदी जल, भूजल व समुद्री जल की भू-रासायनिक व समस्थानिक (C-O, Sr समस्थानिक) संरचना, निवास-काल, तथा जल-शैल अन्योन्य क्रिया; पर्यावरणीय भू-रसायन के सिद्धांत (pH, लवणता, TDS, BOD, COD)”। यह डेल्टा संकेतन व रेले नियम, जल, कार्बन व स्ट्रॉन्शियम के समस्थानिक, बॉक्स मॉडल व निवास-काल, उच्च व निम्न ताप पर ऊष्मागतिकीय ढाँचा, नदियों, भूजल व समुद्र का रसायन, और पर्यावरणीय मापदंड पढ़ाता है। संख्यात्मक प्रश्न डेल्टा मान, रेले प्रभाजन, निवास-काल, सांद्रता-भारित मिश्रण व BOD हैं।

1. डेल्टा संकेतन, प्रभाजन व रेले नियम

स्थायी समस्थानिक (¹H व ²H या D, ¹²C व ¹³C, ¹⁶O व ¹⁸O) मानक के सापेक्ष भारी व हल्के समस्थानिक के अनुपात R में छोटे अंतर के रूप में मापे जाते हैं: δ = (R(नमूना)/R(मानक) − 1) × 1000 ‰। +10 ‰ के δ का अर्थ है कि नमूने में मानक से 1 प्रतिशत अधिक भारी समस्थानिक है। मानक हैं जलों के H व O हेतु VSMOW और C तथा कार्बोनेटों के O हेतु VPDB। प्रभाजन गुणांक α = R(A)/R(B) = (1000 + δ(A))/(1000 + δ(B)) है, और छोटे δ हेतु 1000 ln α ≈ δ(A) − δ(B)।

साम्य प्रभाजन भारी व हल्के अणुओं की भिन्न कंपन-ऊर्जाओं से आता है: भारी समस्थानिक वहाँ संकेंद्रित होता है जहाँ बंध सबसे कठोर हों (द्रव जल वाष्प से, क्वार्ट्ज़ मैग्नेटाइट से, कैल्साइट जल से), और ताप बढ़ने पर प्रभाजन लगभग 1/T² से घटता है, बहुत उच्च T पर लुप्त हो जाता है। यही समस्थानिक तापमापन का आधार है: साम्य में क्रिस्टलित दो खनिज अपने δ-अंतर से ताप देते हैं। गतिक प्रभाजन एकदिशीय, अपूर्ण प्रक्रियाओं (शुष्क वायु में वाष्पन, विसरण, जीवाणु-अपचयन) का है, जिनमें हल्का समस्थानिक तेज़ी से अभिक्रिया करता या गति करता है।

जब किसी भंडार से उत्पाद निरंतर हटता रहे (वाष्प से वर्षा, गलित से क्रिस्टल) तो शेष भंडार रेले नियम R/R₀ = f^(α − 1) का पालन करता है, जहाँ f भंडार का शेष अंश है और α = R(उत्पाद)/R(भंडार)। हल उदाहरण: δ¹⁸O = −10 ‰ का वाष्प α(द्रव/वाष्प) = 1.010 के साथ बरसता है। f = 0.25 पर R/R₀ = 0.25^0.010 = 0.98623, अतः δ = 0.98623 × 990 − 1000 = −23.6 ‰: वाष्प 13.6 ‰ हल्का हो गया है, और प्रत्येक बाद की वर्षा और हल्की है।

⚠️ δ किसी समस्थानिक का प्रतिशत नहीं है

δ मान मानक से सापेक्ष अंतर है, प्रति हज़ार भागों में, प्रचुरता नहीं। भारी समस्थानिक दुर्लभ है (¹⁸O ऑक्सीजन का लगभग 0.2 प्रतिशत है), और कुछ ‰ का अंतर अनुपात के तीसरे या चौथे सार्थक अंक का परिवर्तन है। भिन्न प्रावस्थाओं के δ मान तब तक न जोड़ें जब तक प्रत्येक में तत्व की मात्रा का ध्यान न रखें।

2. ऑक्सीजन व हाइड्रोजन समस्थानिक: जल-चक्र व शैल

महासागर से वाष्पन (δ¹⁸O लगभग 0 ‰) भारी समस्थानिकों से क्षीण वाष्प देता है, और संघनन भारी समस्थानिकों को पहले वर्षा में ले जाता है। जैसे-जैसे वायु-राशि ठंडी होकर बरसती है, शेष वाष्प, और इसलिए प्रत्येक बाद की वर्षा, रेले नियम से हल्की होती जाती है। इससे ताप, ऊँचाई, महाद्वीपीय (भीतर की दूरी) व मात्रा प्रभाव बनते हैं। विश्व के वायुमंडलीय जल वैश्विक वर्षा-जल रेखा δD = 8 δ¹⁸O + 10 ‰ पर स्थित हैं; ढाल 8 H व O के साम्य प्रभाजनों के अनुपात को दर्शाता है, और अंतःखंड ड्यूटेरियम-आधिक्य d = δD − 8 δ¹⁸O है।

शुष्क वायु में वाष्पन गतिक प्रभाव जोड़ता है: वाष्पित झील व मृदा जल वर्षा-जल रेखा के नीचे, लगभग 4 से 6 ढाल की वाष्पन रेखा पर, घटते d के साथ आते हैं और भारी हो जाते हैं। अधिक ऊँचाई पर या ठंडी जलवायु में पुनर्भरित भूजल हल्का हस्ताक्षर रखता है, अतः δ¹⁸O पुनर्भरण-ऊँचाई (प्रति 100 m कुछ दशांश ‰, स्थानीय अंशांकन से), पुराजलवायु (शीत-काल का जल हल्का) और यह बताता है कि कोई स्रोत वायुमंडलीय, वाष्पित, या समुद्री जल अथवा लवण-जल से मिश्रित है। उष्णकटिबंध में मात्रा प्रभाव प्रबल है, इसलिए मानसून वर्षा व स्पीलियोथेम के δ¹⁸O को मानसून-तीव्रता के प्रतिनिधि के रूप में प्रयुक्त किया जाता है।

शैलों में, मैंटल-व्युत्पन्न बेसाल्टों का δ¹⁸O लगभग +5.7 ‰ (VSMOW) है। ग्रेनाइट भारी हैं, लगभग +7 से +10 ‰, और जहाँ अवसादी पदार्थ पिघला हो (S-प्रकार) वहाँ और अधिक; गर्म वायुमंडलीय जल से परिवर्तित शैल हल्के हो जाते हैं। समुद्री कार्बोनेट लगभग +20 से +30 ‰ हैं। जल के प्रत्येक °C तापन पर समुद्री कार्बोनेट का δ¹⁸O लगभग 0.2 ‰ घटता है, और हिम-चादरें हल्के ¹⁶O को बाँध लेती हैं, इसलिए हिमनद-काल के फ़ोरामिनिफ़ेरा भारी होते हैं।

🎯 ढाल 8 क्यों, 1 क्यों नहीं?

ड्यूटेरियम का द्रव्यमान हाइड्रोजन से दुगुना है, पर ¹⁸O, ¹⁶O से केवल 12 प्रतिशत भिन्न है, इसलिए सामान्य ताप पर D का साम्य प्रभाजन ¹⁸O के लगभग आठ गुना है। अतः रेले आसवन में वर्षा का δD, δ¹⁸O की तुलना में आठ गुना बदलता है। गतिक वाष्पन ¹⁸O को अपेक्षाकृत अधिक प्रभावित करता है, जिससे ढाल 8 से नीचे चला जाता है।

3. कार्बन व स्ट्रॉन्शियम समस्थानिक, और नदियों में C-O-Sr

प्रकाश-संश्लेषण ¹³C के विरुद्ध भेदभाव करता है, इसलिए कार्बनिक कार्बन व जीवाश्म ईंधन समस्थानिकतः हल्के हैं, जबकि कार्बोनेट 0 ‰ के निकट रहते हैं। जीवाश्म ईंधन जलाने से हल्की CO₂ जुड़ती है और वायुमंडलीय δ¹³C घटता है (सूएस प्रभाव)। अधिक कार्बनिक कार्बन के दबने पर (¹²C हटता है) समुद्री δ¹³C बढ़ता है और कार्बनिक पदार्थ, मीथेन या ज्वालामुखियों से हल्का कार्बन जुड़ने पर घटता है, जिससे कार्बन-समस्थानिक विचलन स्तरिकी में उपयोगी होते हैं। हिमालयी अग्रदेश के शिवालिक पुरामृदाओं में कार्बोनेट δ¹³C का बदलाव उत्तर मायोसीन में C4 घासों के प्रसार को दर्ज करता है।

विशिष्ट δ¹³C मान (‰, VPDB)
भंडार	δ¹³C
समुद्री कार्बोनेट	लगभग 0
आज की वायुमंडलीय CO₂	लगभग −8
मैंटल कार्बन (MORB CO₂, हीरा)	लगभग −5
C3 पादप	लगभग −27 (−20 से −35)
C4 पादप	लगभग −13 (−9 से −16)
समुद्री कार्बनिक पदार्थ	लगभग −20
जैवजनित मीथेन	−60 या और हल्का

नदियों में कार्बन व ऑक्सीजन। घुला अकार्बनिक कार्बन मृदा CO₂ से बने कार्बोनिक अम्ल द्वारा अपक्षय से आता है। कार्बोनेट अपक्षय, CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻, अपना आधा कार्बन कार्बोनेट (लगभग 0 ‰) से और आधा मृदा CO₂ (C3 वनस्पति में लगभग −23 ‰) से लेता है, अतः DIC लगभग −11.5 ‰ पर है; सिलिकेट अपक्षय केवल मृदा CO₂ का उपयोग करता है, इसलिए उसका DIC कहीं हल्का है। कार्बनिक पदार्थ का श्वसन हल्का DIC जोड़ता है और प्रकाश-संश्लेषण या वायु से विनिमय उसे भारी बनाता है। नदी जल का δ¹⁸O स्थानीय वर्षा व बेसिन की ऊँचाई का अनुसरण करता है। मिश्रण तत्व की मात्रा से भारित होता है: δ(मिश्रण) = (f₁C₁δ₁ + f₂C₂δ₂)/(f₁C₁ + f₂C₂), जो f₁δ₁ + f₂δ₂ केवल तब है जब सांद्रताएँ समान हों।

स्ट्रॉन्शियम। मापित ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr को छोटे द्रव्यमान-निर्भर प्रभाजन हेतु संशोधित किया जाता है, इसलिए जल का अनुपात उन शैलों को दर्ज करता है जिनका उसने अपक्षय किया: पुराने, उच्च-Rb/Sr ग्रेनाइट व नाइस भू-भाग उच्च अनुपात देते हैं, युवा बेसाल्ट व समुद्री कार्बोनेट निम्न। आधुनिक समुद्री जल सर्वत्र 0.7092 है, क्योंकि Sr का निवास-काल (कुछ मिलियन वर्ष, यानी कुछ Ma) महासागर के मिश्रण-काल (लगभग 10³ yr) से कहीं अधिक है। औसत नदी लगभग 0.711 और मध्य-महासागरीय कटक का तापजलीय तरल लगभग 0.703 है, और समुद्री जल इन निवेशों का संतुलन है। ईओसीन में लगभग 0.708 से आज के 0.7092 तक की वृद्धि को रेडियोजनिक हिमालय-तिब्बत भू-भागों के अपक्षय से जोड़ा गया है, और समुद्री कार्बोनेट इस वक्र को आयु-निर्धारण उपकरण के रूप में सुरक्षित रखते हैं।

4. भू-रासायनिक चक्र, निवास-काल व ऊष्मागतिकीय ढाँचा

चक्र का वर्णन द्रव्यमान M के भंडारों से होता है जो अभिवाहों F से जुड़े हैं, dM/dt = F(अंदर) − F(बाहर) के साथ। स्थायी अवस्था में निवेश निर्गम के बराबर होता है और निवास-काल τ = M/F है, यानी भंडार में मात्रा को उससे होकर बहने वाले अभिवाह से भाग, जो 1/k के बराबर है जब निर्गम प्रथम-कोटि हो, F(बाहर) = kM। जल वायुमंडल में लगभग दस दिन और महासागर में कुछ हज़ार वर्ष रहता है। यदि τ महासागर के मिश्रण-काल (लगभग 10³ yr) से बहुत अधिक है तो तत्व समान रूप से वितरित व संरक्षी होता है, सांद्रता लवणता के समानुपाती; यदि τ कम है तो सांद्रता गहराई व स्थान के साथ बदलती है।

महासागर निवास-काल (परिमाण-कोटि)
तत्व	τ (yr)	व्यवहार
Na, Cl	10⁷ से 10⁸	संरक्षी, लवणता के साथ चलते हैं
Ca, Sr	लगभग 10⁶	एकसमान; कार्बोनेट में निकासित
Si	लगभग 10⁴	पोषक प्रकार, जीवों द्वारा ग्रहित
Al, Fe	लगभग 10²	कणों द्वारा अपमार्जित; परिवर्ती

वैश्विक कार्बन चक्र में एक छोटा कार्बनिक लूप (प्रकाश-संश्लेषण व श्वसन, वर्षों से शताब्दियों तक) और एक लंबा कार्बोनेट-सिलिकेट लूप (10⁵ से 10⁶ yr) है: CO₂ द्वारा सिलिकेटों का अपक्षय Ca²⁺ व HCO₃⁻ को समुद्र में पहुँचाता है जहाँ कार्बोनेट अवक्षेपित होता है, अतः कुल अभिक्रिया CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂ है। ज्वालामुखीय गैस-निष्कासन CO₂ देता है, और तापन अपक्षय को तेज़ कर CO₂ घटाता है, एक ऋणात्मक पुनर्निवेश जो लाखों वर्षों में जलवायु को स्थिर रखता है।

उच्च व निम्न ताप पर ऊष्मागतिकी। अभिक्रियाएँ न्यूनतम गिब्स ऊर्जा की ओर चलती हैं, ΔG = ΔG° + RT ln Q व ΔG° = −RT ln K के साथ (यह तंत्र ऊष्मागतिकी अध्यायों में विकसित है)। दोनों व्यवस्थाएँ इस प्रकार भिन्न हैं। समस्थानिक विनिमय एक और साम्य है, जिसका K, α के निकट होता है।

उच्च-ताप व निम्न-ताप भू-रासायनिक ऊष्मागतिकी
लक्षण	उच्च T (मैग्मा, कायांतरण)	निम्न T (पृष्ठीय व डायाजेनेटिक जल)
प्रावस्थाएँ	गलित, ठोस विलयन, अतिक्रांतिक तरल	मृत्तिका, कार्बोनेट, ऑक्साइड सहित तनु जलीय विलयन
सक्रियताएँ	मोल-अंश व गैस फ़्यूगैसिटी	आयनिक सामर्थ्य से तय सक्रियता गुणांक
मुख्य चर	T, P व ऑक्सीजन फ़्यूगैसिटी (बफ़र 3 फ़ेयालाइट + O₂ = 2 मैग्नेटाइट + 3 क्वार्ट्ज़)	pH, Eh व P(CO₂)
गतिकी	तीव्र: साम्य अच्छा मॉडल है	धीमी: उपस्थायी प्रावस्थाएँ बनी रहती हैं (ऐरागोनाइट, अक्रिस्टलीय सिलिका)
समस्थानिक प्रभाजन	छोटा, क्योंकि वह 1/T² से घटता है	बड़ा, इसलिए δ¹⁸O संवेदी तापमापी है

5. नदी जल, भूजल, समुद्री जल व जल-शैल अन्योन्य क्रिया

विश्व की औसत नदी जल तनु है (TDS लगभग 100 mg/L), जिसमें Ca²⁺ मुख्य धनायन और HCO₃⁻ मुख्य ऋणायन है, क्योंकि कार्बोनिक-अम्ल अपक्षय प्रबल है। गिब्स आरेख (TDS के विरुद्ध Na/(Na + Ca) या Cl/(Cl + HCO₃), भार के अनुसार) तीन नियंत्रक पृथक करता है: वर्षा-प्रभुत्व (अत्यंत निम्न TDS, Na- व Cl-समृद्ध, समुद्री-लवण वर्षा), शैल-प्रभुत्व (मध्यम TDS, Ca-HCO₃, निम्न Na/(Na + Ca)) और वाष्पन-क्रिस्टलन प्रभुत्व (उच्च TDS, Na-Cl)।

समुद्री जल की लवणता लगभग 35 g/kg है, जिसमें Cl⁻ (लगभग 19 g/kg) व Na⁺ (लगभग 10.8 g/kg) मिलकर लगभग 86 प्रतिशत लवण बनाते हैं, फिर SO₄²⁻, Mg²⁺, Ca²⁺ व K⁺। आयन स्थिर अनुपातों में मिलते हैं (मार्से का सिद्धांत), इसलिए लवणता उनमें से एक से ज्ञात हो सकती है, और आयनिक सामर्थ्य लगभग 0.7 mol/kg है। लगभग 8.1 का pH कार्बोनेट तंत्र द्वारा बफ़रित है।

भूजल अपने प्रवाह-पथ के साथ विकसित होता है। तनु, CO₂-समृद्ध Ca-HCO₃ पुनर्भरण जल सिलिकेट अपक्षय व धनायन विनिमय से Na-HCO₃ बनता है, और पुराना, धीमा, गहरा जल SO₄- और फिर Cl-प्रधान हो जाता है, चेबोटारेव अनुक्रम HCO₃ → SO₄ → Cl, निवास-काल बढ़ने के साथ TDS बढ़ता है। पाइपर आरेख इन फ़ेसीज़ का वर्गीकरण करता है। भारत में, उच्च फ्लोराइड ग्रेनाइटी भू-भागों के क्षारीय, निम्न-Ca Na-HCO₃ भूजल की विशेषता है, आर्सेनिक गंगा-ब्रह्मपुत्र डेल्टा के अपचयी उथले जलभृतों में मिलता है जहाँ आयरन ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड घुलता है, और तटीय व शुष्क-क्षेत्र की लवणता समुद्री जल अंतर्वेधन व वाष्पन से आती है।

जल-शैल अन्योन्य क्रिया में सम्मिलित हैं: कार्बोनिक अम्ल द्वारा सिलिकेटों का जल-अपघटन, उदाहरणार्थ 2NaAlSi₃O₈ + 2CO₂ + 11H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2Na⁺ + 2HCO₃⁻ + 4H₄SiO₄ (एल्बाइट से केओलिनाइट, असमरूप विलयन); कार्बोनेट का विलयन; वाष्पित (evaporite) का विलयन (Na, Cl, SO₄ जोड़ता है); पाइराइट का ऑक्सीकरण (SO₄ व अम्ल जोड़ता है); धनायन विनिमय; और सूक्ष्मजैविक रेडॉक्स। विश्वसनीय विश्लेषण विद्युत-उदासीनता का पालन करता है: meq/L में धनायनों व ऋणायनों के योग मेल खाते हैं, संतुलन-त्रुटि 100(Σ+ − Σ−)/(Σ+ + Σ−) लगभग ±5 प्रतिशत के भीतर।

⚠️ कार्बोनेट विलयन CO₂-उदासीन है; सिलिकेट अपक्षय दीर्घकालिक अवशोषक है

कार्बोनेट विलयन मृदा से CO₂ लेता है पर समुद्र में कार्बोनेट के पुनः अवक्षेपित होने पर लौटा देता है, इसलिए भूवैज्ञानिक काल में वह उदासीन है। सिलिकेटों का अपक्षय व उसके बाद कार्बोनेट का दबना वायुमंडलीय CO₂ का शुद्ध निष्कासन देता है; कार्बनिक कार्बन का दबना दूसरा दीर्घकालिक अवशोषक है।

6. पर्यावरणीय भू-रसायन: pH, लवणता, TDS, BOD व COD

pH = −log a(H⁺)। उदासीन जल 25 °C पर pH 7 है, पर अप्रदूषित वर्षा लगभग 5.6 है क्योंकि वह वायुमंडलीय CO₂ से साम्य में आती है; अधिकांश प्राकृतिक व पेय जल 6.5 से 8.5 के बीच हैं। pH धातु-गतिशीलता नियंत्रित करता है: Pb²⁺, Cu²⁺ व Zn²⁺ जैसे धनायन अम्लीय जल में गतिशील हैं और pH बढ़ने पर अधिशोषित या अवक्षेपित होते हैं, जबकि आर्सेनेट व क्रोमेट जैसे ऑक्सीऋणायन तथा फ्लोराइड आयन उच्च pH पर विशोषित होते हैं। अम्लीय खान-जल पाइराइट के ऑक्सीकरण, FeS₂ + 3.5O₂ + H₂O → Fe²⁺ + 2SO₄²⁻ + 2H⁺, से बनता है।

लवणता प्रति किलोग्राम जल में घुले लवणों का द्रव्यमान है (समुद्री जल हेतु लगभग 35 g/kg)। TDS प्रति लीटर घुले ठोसों का द्रव्यमान है, mg/L में, जो आयनों के योग से या छने नमूने को 180 °C पर वाष्पित कर ज्ञात होता है, और विद्युत चालकता से TDS ≈ k × EC के रूप में आँका जाता है, जहाँ EC µS/cm में हो तो k आयनिक मिश्रण के अनुसार लगभग 0.55 से 0.75 है। मीठे जल का TDS 1,000 mg/L से कम होता है, भारतीय पेय-जल मानक 500 mg/L है (जहाँ विकल्प न हो वहाँ 2,000 mg/L तक) और समुद्री जल लगभग 35,000 mg/L है।

घुली ऑक्सीजन ताप या लवणता बढ़ने पर घटती है और कार्बनिक अपशिष्ट से खपती है। BOD वह ऑक्सीजन है जो सूक्ष्मजीव जैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक पदार्थ के ऑक्सीकरण में प्रयोग करते हैं, मानकतः 20 °C पर 5 दिन में (BOD₅), और यह BOD(t) = L₀(1 − e^(−kt)) का पालन करता है, जहाँ L₀ चरम BOD व k आधार e वाला दर-स्थिरांक है। COD कार्बनिक पदार्थ का वह ऑक्सीजन-तुल्यांक है जो प्रबल रासायनिक ऑक्सीकारक (तप्त अम्लीय पोटैशियम डाइक्रोमेट) द्वारा कुछ घंटों में ऑक्सीकृत होता है। इसमें अजैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक भी आते हैं, इसलिए COD सामान्यतः BOD₅ से बड़ा होता है और BOD₅/COD अनुपात बताता है कि अपशिष्ट कितना जैव-निम्नीकरणीय है।

हल उदाहरण। किसी अपशिष्ट का L₀ = 200 mg/L और k = 0.20 d⁻¹ है। तब BOD₅ = 200 × (1 − e^(−0.20 × 5)) = 200 × (1 − 0.3679) = 126.4 mg/L, यानी चरम माँग का लगभग 63 प्रतिशत।

⚠️ BOD₅ चरम BOD नहीं है, और TDS लवणता नहीं है

BOD₅ केवल पहले पाँच दिनों में खपी ऑक्सीजन है, इसलिए वह L₀ से छोटा है (k = 0.23 d⁻¹ पर लगभग दो-तिहाई)। अत्यंत निम्न BOD₅/COD अनुपात बड़े अजैव-निम्नीकरणीय अंश का संकेत है, स्वच्छ जल का नहीं। EC को TDS में बदलने वाला गुणक k सार्वभौमिक नहीं है, और उच्च सांद्रता पर TDS (प्रति लीटर विलयन) लवणता (प्रति किलोग्राम) से भिन्न होता है।

मुख्य बिंदु

δ = (R(नमूना)/R(मानक) − 1) × 1000 ‰, जलों हेतु VSMOW व कार्बन हेतु VPDB के साथ। साम्य प्रभाजन 1/T² से घटता है; गतिक प्रभाजन हल्के समस्थानिक के पक्ष में है; रेले प्रक्रिया R/R₀ = f^(α − 1) देती है।
वायुमंडलीय जल δD = 8 δ¹⁸O + 10 ‰ का अनुसरण करते हैं; ताप, ऊँचाई, महाद्वीपीय व मात्रा प्रभाव वर्षा को हल्का बनाते हैं; वाष्पन ढाल को लगभग 4 से 6 कर देता है। बेसाल्ट का δ¹⁸O लगभग +5.7 ‰ है और ग्रेनाइट भारी है।
कार्बनिक कार्बन हल्का है (C3 लगभग −27 ‰, C4 लगभग −13 ‰) और कार्बोनेट 0 ‰ के निकट। मृदा CO₂ द्वारा कार्बोनेट अपक्षय से नदी DIC लगभग −11.5 ‰ है। मिश्रण सांद्रता से भारित होता है, इसलिए जलों के Sr समस्थानिक अनुपात केवल आयतन से नहीं बल्कि Sr द्रव्यमान से मिश्रित होते हैं। समुद्री जल का ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr सर्वत्र 0.7092 है।
स्थायी अवस्था में निवास-काल τ = M/F है; Na व Cl संरक्षी हैं जिनका τ 10⁷ से 10⁸ yr है, Al व Fe अपमार्जित हैं जिनका τ लगभग 10² yr है। सिलिकेट अपक्षय व उसके बाद कार्बोनेट का दबना (तथा कार्बनिक कार्बन का दबना) भूवैज्ञानिक काल में वायुमंडलीय CO₂ हटाता है, जबकि कार्बोनेट विलयन नहीं।
नदियाँ Ca-HCO₃ हैं, समुद्री जल स्थिर आयन-अनुपातों व लगभग 8.1 pH वाला Na-Cl, और भूजल प्रवाह-पथ पर Ca-HCO₃ से Na-HCO₃ से Na-Cl की ओर विकसित होता है। अच्छा विश्लेषण meq/L में धनायनों व ऋणायनों को लगभग 5 प्रतिशत के भीतर संतुलित करता है।
pH धातु-गतिशीलता नियंत्रित करता है; TDS mg/L में और लवणता g/kg में है। BOD₅ = L₀(1 − e^(−5k)) चरम BOD से छोटा है, और COD सामान्यतः BOD₅ से बड़ा है क्योंकि उसमें अजैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक भी शामिल हैं।

अभ्यास प्रश्न (18)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

एक नमूने का VSMOW के सापेक्ष δ¹⁸O = +10 ‰ है। इसका अर्थ है कि उसका ¹⁸O/¹⁶O अनुपात:
1. मानक से 10 प्रतिशत अधिक है, क्योंकि ‰ और प्रतिशत एक ही हैं
2. मानक का 10 गुना है, क्योंकि δ दोनों प्रचुरताओं का अनुपात है
3. मानक से 1 प्रतिशत अधिक है
4. मानक से 1 प्रतिशत कम है, क्योंकि नमूना हल्के समस्थानिक में समृद्ध है
उत्तर देखें
उत्तर: C — मानक से 1 प्रतिशत अधिक है
δ = (R(नमूना)/R(मानक) − 1) × 1000 ‰, अतः +10 ‰ का अर्थ R(नमूना)/R(मानक) = 1.010 है, यानी 1 प्रतिशत अधिक। भ्रामक भूल ‰ को प्रतिशत पढ़ना है, जो अंतर को दस गुना बढ़ा देती है। धनात्मक δ का अर्थ भारी समस्थानिक में समृद्धि है, हल्के में नहीं।
साथ-साथ उपस्थित दो खनिजों के बीच साम्य समस्थानिक प्रभाजन के बारे में कौन-सा कथन सही है?
1. ताप बढ़ने पर वह लगभग 1/T² से घटता है, इसलिए साम्य-युग्म का δ-अंतर क्रिस्टलन-ताप दे सकता है
2. वह ताप बढ़ने पर बढ़ता है, क्योंकि हल्के समस्थानिक के कंपन अधिक ऊर्जावान होकर उसे अधिक तीव्रता से पृथक करते हैं
3. वह ताप से स्वतंत्र है और केवल संबंधित समस्थानिकों के सापेक्ष द्रव्यमान-अंतर पर निर्भर है
4. वह केवल शुष्क वायु में वाष्पन जैसी एकदिशीय, अपूर्ण अभिक्रियाओं में होता है, सहस्थित खनिजों के बीच कभी नहीं
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उत्तर: A — ताप बढ़ने पर वह लगभग 1/T² से घटता है, इसलिए साम्य-युग्म का δ-अंतर क्रिस्टलन-ताप दे सकता है
साम्य प्रभाजन कंपन-ऊर्जा अंतरों से आता है और लगभग 1/T² से घटता है, बहुत उच्च ताप पर लुप्त हो जाता है; अतः अंशांकित खनिज-युग्म प्रभाजन तापमापी का काम करते हैं। ताप के साथ बढ़ने वाला कथन प्रवृत्ति उलट देता है। एकदिशीय, अपूर्ण स्थिति गतिक प्रभाजन का वर्णन है, साम्य का नहीं।
एक समुद्री वायु-राशि महाद्वीप के भीतर बढ़ती है और लगातार बरसती है। क्रमिक वर्षाओं का δ¹⁸O कैसे बदलता है?
1. वह कम ऋणात्मक होता जाता है, क्योंकि वायु के ठंडा होने पर भारी समस्थानिक वाष्प में रुका रहता है
2. वह स्थिर रहता है, क्योंकि साम्य में संघनित जल व वाष्प की समस्थानिक संरचना समान होती है
3. वह केवल ऋतुओं के साथ दोलन करता है, क्योंकि तय की गई दूरी का वाष्प की समस्थानिक संरचना पर कोई व्यवस्थित प्रभाव नहीं होता
4. वह उत्तरोत्तर अधिक ऋणात्मक होता जाता है, क्योंकि प्रत्येक वर्षा भारी समस्थानिक को अधिमानतः हटाती है (रेले आसवन)
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उत्तर: D — वह उत्तरोत्तर अधिक ऋणात्मक होता जाता है, क्योंकि प्रत्येक वर्षा भारी समस्थानिक को अधिमानतः हटाती है (रेले आसवन)
संघनित जल भारी समस्थानिक में समृद्ध होता है (α > 1), इसलिए प्रत्येक वर्षा वाष्प से भारी समस्थानिक हटाती है और वाष्प, तथा अगली वर्षा, हल्की हो जाती है: यह महाद्वीपीय प्रभाव है। यदि वाष्प व संघनित की संरचना समान होती तो कोई समस्थानिक आसवन न होता, और भारी समस्थानिक के रुके रहने का विचार प्रभाजन का चिह्न उलट देता है।
अर्ध-शुष्क बेसिन की कई बंद झीलों के जल δD बनाम δ¹⁸O में लगभग 5 ढाल की रेखा पर, वैश्विक वर्षा-जल रेखा के नीचे, आलेखित होते हैं और सर्वाधिक लवणीय झील का δ¹⁸O सबसे अधिक है। कौन-सी प्रक्रिया इस प्रवृत्ति को समझाती है?
1. लगातार वर्षा-निष्कासन के दौरान रेले संघनन, जो बिंदुओं को 8 के निकट ढाल के साथ वर्षा-जल रेखा के अनुदिश ही चलाता है और दोनों δ मान घटाता है
2. असंतृप्त वायु में वाष्पन, जो शेष जल को 8 से कम ढाल की रेखा पर भारी समस्थानिकों में समृद्ध छोड़ता है
3. जलग्रहण में हिमनदों का पिघलना, जो स्थानीय वर्षा से भारी जल देता है
4. केवल ऋतु-ताप परिवर्तन, जो वर्षा को वर्षा-जल रेखा के अनुदिश ही चलाता है
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उत्तर: B — असंतृप्त वायु में वाष्पन, जो शेष जल को 8 से कम ढाल की रेखा पर भारी समस्थानिकों में समृद्ध छोड़ता है
शुष्क वायु में वाष्पन साम्य व गतिक प्रभाजन को जोड़ता है, शेष झील-जल को भारी समस्थानिकों में समृद्ध करता है और वर्षा-जल रेखा के नीचे लगभग 4 से 6 ढाल की वाष्पन रेखाएँ देता है। वर्षा-निष्कासन व ताप प्रभाव वर्षा को वर्षा-जल रेखा के अनुदिश, 8 के निकट ढाल पर, चलाते हैं, और हिमनद का पिघला जल समस्थानिकतः भारी नहीं बल्कि हल्का होता है।
एक नदी शुद्ध चूना-पत्थर के जलग्रहण से बहती है। उसका घुला अकार्बनिक कार्बन CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ से बनता है, जिसमें CO₂ C3 वनस्पति के नीचे की मृदा से δ¹³C = −23 ‰ पर और चूना-पत्थर 0 ‰ (VPDB) पर है। प्रभाजन व वायु से विनिमय की उपेक्षा करने पर DIC का अपेक्षित δ¹³C है:
1. −23 ‰, क्योंकि समस्त कार्बन उस मृदा CO₂ से आता है जो अभिक्रिया चलाती है
2. 0 ‰, क्योंकि घुला बाइकार्बोनेट केवल पुनर्चक्रित चूना-पत्थर कार्बन है और मृदा CO₂ उत्पाद में प्रवेश नहीं करती
3. −11.5 ‰, क्योंकि बाइकार्बोनेट के कार्बन का आधा चूना-पत्थर से और आधा मृदा CO₂ से है
4. −5.75 ‰, क्योंकि कार्बन का तीन-चौथाई चूना-पत्थर से और एक-चौथाई मृदा CO₂ से है
उत्तर देखें
उत्तर: C — −11.5 ‰, क्योंकि बाइकार्बोनेट के कार्बन का आधा चूना-पत्थर से और आधा मृदा CO₂ से है
प्रत्येक Ca²⁺ के साथ 2 HCO₃⁻ होते हैं, एक कार्बन CaCO₃ से और एक CO₂ से, अतः DIC 1:1 मिश्रण है: (0 + (−23))/2 = −11.5 ‰। समस्त कार्बन मृदा CO₂ (−23 ‰) से लेना सिलिकेट अपक्षय का परिणाम है, कार्बोनेट अपक्षय का नहीं, जो भ्रामक उलझन है। 3:1 अनुपात का कोई रससमीकरणमितीय आधार नहीं है।
एक समुद्री कार्बोनेट खंड में लगभग +3 ‰ का धनात्मक δ¹³C विचलन दिखता है जो वैश्विक विस्तार का है। कौन-सा कारण इसके सर्वाधिक अनुरूप है?
1. कार्बनिक कार्बन का बढ़ा दबाव, जो महासागर-वायुमंडल तंत्र से हल्का ¹²C हटाता है
2. गैस हाइड्रेटों से मीथेन का बड़ा उत्सर्जन, जो अत्यंत हल्का कार्बन जोड़ता है
3. स्थल पर अनावृत कार्बनिक-समृद्ध शैलों का बढ़ा ऑक्सीकरण, जो हल्का कार्बन समुद्र को लौटाता है
4. केवल समुद्री जल का शीतलन, जो कार्बोनेट का δ¹⁸O बदलता है पर कार्बन-भंडार का δ¹³C नहीं
उत्तर देखें
उत्तर: A — कार्बनिक कार्बन का बढ़ा दबाव, जो महासागर-वायुमंडल तंत्र से हल्का ¹²C हटाता है
समस्थानिकतः हल्के कार्बनिक कार्बन के दबने से शेष घुला कार्बन, और उससे अवक्षेपित कार्बोनेट, भारी हो जाता है, जिससे धनात्मक विचलन बनता है। हाइड्रेट मीथेन व ऑक्सीकृत पुराना कार्बनिक कार्बन हल्का कार्बन जोड़ते हैं और ऋणात्मक विचलन देते; ताप मुख्यतः कार्बोनेट का δ¹⁸O बदलता है।
महासागर में ऐलुमिनियम व आयरन के निवास-काल केवल लगभग 10² yr हैं, जबकि सोडियम व क्लोराइड के 10⁷ से 10⁸ yr, ऐसा क्यों?
1. ऐलुमिनियम व आयरन के नदी-निवेश सभी तत्वों में सबसे छोटे हैं, इसलिए समुद्र में उनका भंडार कुछ शताब्दियों में समाप्त हो जाता है
2. ऐलुमिनियम व आयरन एटमोफाइल तत्व हैं जो समुद्र-सतह से गैस के रूप में निकल जाते हैं, जबकि सोडियम व क्लोराइड घुले रहते हैं
3. सोडियम व क्लोराइड कणों द्वारा तेज़ी से निकाले जाते हैं पर नदियाँ उन्हें और भी तेज़ी से देती हैं, जिससे उनका निवास-काल लंबा होता है
4. ऐलुमिनियम व आयरन कणों पर अपमार्जित होते हैं, इसलिए भंडार की तुलना में निर्गम बड़ा है; सोडियम व क्लोराइड का कोई दक्ष अवशोषक नहीं
उत्तर देखें
उत्तर: D — ऐलुमिनियम व आयरन कणों पर अपमार्जित होते हैं, इसलिए भंडार की तुलना में निर्गम बड़ा है; सोडियम व क्लोराइड का कोई दक्ष अवशोषक नहीं
τ = M/F तब छोटा होता है जब निर्गम-अभिवाह उपस्थित मात्रा की तुलना में बड़ा हो। Al व Fe कणों पर और अविलेय हाइड्रॉक्साइडों के रूप में शीघ्र हटते हैं, जबकि Na व Cl अत्यंत विलेय हैं और केवल वाष्पित-निर्माण व रंध्र-जल के दबने जैसी धीमी प्रक्रियाओं से हटते हैं। छोटा नदी-निवेश τ को बढ़ाता, घटाता नहीं, और कोई तत्व गैस के रूप में नहीं खोता।
कौन-सी प्रक्रिया लाखों वर्षों में वायुमंडलीय CO₂ का शुद्ध निष्कासन देती है?
1. कार्बोनिक अम्ल द्वारा चूना-पत्थर का विलयन, क्योंकि अभिक्रिया मृदा व वायु की CO₂ को खपाती है
2. Ca-सिलिकेटों का अपक्षय, जिसमें Ca²⁺ व HCO₃⁻ समुद्र में पहुँचकर वहाँ कार्बोनेट के रूप में अवक्षेपित होते हैं
3. पाइराइट का ऑक्सीकरण, जो सल्फ्यूरिक अम्ल बनाता है जो शैलों पर आक्रमण कर कार्बोनेट घोलता है
4. हैलाइट व जिप्सम का विलयन, जो नदी को सोडियम, कैल्सियम, क्लोराइड व सल्फेट आयन देता है
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उत्तर: B — Ca-सिलिकेटों का अपक्षय, जिसमें Ca²⁺ व HCO₃⁻ समुद्र में पहुँचकर वहाँ कार्बोनेट के रूप में अवक्षेपित होते हैं
सिलिकेट अपक्षय प्रति Ca दो CO₂ लेता है पर समुद्र में कार्बोनेट अवक्षेपण केवल एक लौटाता है, अतः भूवैज्ञानिक काल में प्रति Ca एक CO₂ हटती है और कार्बन कार्बोनेट शैल में पहुँचता है। चूना-पत्थर का विलयन भ्रामक उत्तर है, पर उसकी खपी CO₂ कार्बोनेट के पुनः अवक्षेपित होने पर फिर मुक्त हो जाती है, इसलिए वह उदासीन है। पाइराइट-ऑक्सीकरण व वाष्पित-विलयन CO₂ नहीं हटाते।
एक औद्योगिक बहिःस्राव का BOD₅ = 40 mg/L और COD = 400 mg/L है। सर्वाधिक उचित निष्कर्ष क्या है?
1. उसके ऑक्सीकरणीय कार्बनिक पदार्थ का अधिकांश सूक्ष्मजीवों द्वारा सरलता से निम्नीकृत नहीं होता, इसलिए केवल जैविक उपचार अकुशल रहेगा
2. विश्लेषण में त्रुटि होगी, क्योंकि पाँच दिन में मापा BOD₅ उसी अपशिष्ट जल नमूने के COD से कभी कम नहीं हो सकता
3. बहिःस्राव में लगभग कोई कार्बनिक पदार्थ नहीं है, क्योंकि कम BOD₅ दर्शाता है कि नमूने में रासायनिक रूप से ऑक्सीकृत होने को कुछ नहीं बचा
4. नमूने में उच्च घुली ऑक्सीजन थी जिसने COD परीक्षण में कार्बनिक पदार्थ के रासायनिक ऑक्सीकरण को दबा दिया
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उत्तर: A — उसके ऑक्सीकरणीय कार्बनिक पदार्थ का अधिकांश सूक्ष्मजीवों द्वारा सरलता से निम्नीकृत नहीं होता, इसलिए केवल जैविक उपचार अकुशल रहेगा
COD उन सभी पदार्थों को मापता है जिन्हें प्रबल ऑक्सीकारक ऑक्सीकृत कर सके, अजैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक सहित, इसलिए COD, BOD₅ से अधिक होता है, और 0.1 का BOD₅/COD अनुपात दर्शाता है कि कम ही शीघ्र जैव-निम्नीकरणीय है। केवल कम BOD₅ का अर्थ कम कार्बनिक पदार्थ नहीं है, जो भ्रामक पाठ है, और BOD₅ का COD से कम होना सामान्य है, त्रुटि नहीं।
प्राकृतिक जलों में pH व धातु-गतिशीलता के बारे में कौन-सा कथन सही है?
1. pH को 5 से 9 करने पर घुले Pb²⁺ की सांद्रता बढ़ती है, क्योंकि लेड हाइड्रॉक्साइड क्षारीय जल में अत्यंत विलेय है और अधिशोषण कमज़ोर पड़ता है
2. आर्सेनेट व फ्लोराइड pH 5 की तुलना में pH 9 पर आयरन व ऐलुमिनियम ऑक्साइड सतहों पर अधिक प्रबलता से अधिशोषित होते हैं
3. pH को 5 से 9 करने पर अधिशोषण व अवक्षेपण से घुले Pb²⁺, Cu²⁺ व Zn²⁺ घटते हैं, जबकि आर्सेनेट व फ्लोराइड विशोषित होने लगते हैं
4. अम्लीय खान-जल में घुली धातुएँ कम होती हैं, क्योंकि उसका निम्न pH धातुओं को अवसादों व शैल-सतहों से बाँधे रखता है
उत्तर देखें
उत्तर: C — pH को 5 से 9 करने पर अधिशोषण व अवक्षेपण से घुले Pb²⁺, Cu²⁺ व Zn²⁺ घटते हैं, जबकि आर्सेनेट व फ्लोराइड विशोषित होने लगते हैं
धनायनी धातुएँ pH बढ़ने पर खनिज सतहों पर अधिशोषित होती हैं और हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित होती हैं, इसलिए अम्लीय जल में सर्वाधिक गतिशील हैं, इसीलिए अम्लीय खान-जल में घुली धातुएँ अधिक होती हैं। आर्सेनेट जैसे ऑक्सीऋणायन व फ्लोराइड आयन निम्न pH पर ऑक्साइड सतहों पर अधिक रुकते हैं और pH बढ़ने पर मुक्त होते हैं, जो उलटा व्यवहार है, और प्रचलित भूल यह मान लेना है कि सभी संदूषक एक-सा प्रतिक्रिया करते हैं।
निम्नलिखित में से कौन-से वर्षा के δ¹⁸O को कम (अधिक ऋणात्मक) बनाते हैं?
1. पर्वत-ढाल पर अधिक ऊँचाई पर गिरती वर्षा
2. भीतर दूर गिरती वर्षा, जब वायु-राशि अपनी अधिकांश नमी पहले ही गिरा चुकी हो
3. निम्न ताप पर संघनन
4. शुष्क वायु में गिरती बूँदों का आंशिक वाष्पन, जो हल्के समस्थानिक को अधिमानतः हटाता है
उत्तर देखें
उत्तर: A — पर्वत-ढाल पर अधिक ऊँचाई पर गिरती वर्षा; B — भीतर दूर गिरती वर्षा, जब वायु-राशि अपनी अधिकांश नमी पहले ही गिरा चुकी हो; C — निम्न ताप पर संघनन
ऊँचाई, महाद्वीपीयता व निम्न संघनन-ताप सभी अधिक उन्नत रेले आसवन या प्रबल प्रभाजन के अनुरूप हैं, इसलिए वर्षा हल्की होती है। गिरती बूँदों का आंशिक वाष्पन हल्का समस्थानिक हटाकर बूँद को भारी छोड़ता है, जिससे δ¹⁸O बढ़ता है, अतः वह विपरीत दिशा में कार्य करता है।
महासागर में निवास-काल के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
1. स्थायी अवस्था में τ = M/F है, जहाँ F निवेश-अभिवाह है, जो निर्गम-अभिवाह के बराबर है
2. जिन तत्वों का τ महासागर के मिश्रण-काल (लगभग 10³ yr) से बहुत अधिक है वे लगभग समान रूप से वितरित होते हैं
3. निश्चित महासागरीय भंडार हेतु, किसी तत्व का बड़ा निवेश-अभिवाह लंबा निवास-काल दर्शाता है
4. महासागर में कैल्सियम का निवास-काल सोडियम से कम है
उत्तर देखें
उत्तर: A — स्थायी अवस्था में τ = M/F है, जहाँ F निवेश-अभिवाह है, जो निर्गम-अभिवाह के बराबर है; B — जिन तत्वों का τ महासागर के मिश्रण-काल (लगभग 10³ yr) से बहुत अधिक है वे लगभग समान रूप से वितरित होते हैं; D — महासागर में कैल्सियम का निवास-काल सोडियम से कम है
τ = M/F भंडार को अभिवाह से भाग है, और मिश्रण की तुलना में लंबा τ सुमिश्रित, संरक्षी तत्व देता है। Ca (लगभग 10⁶ yr) कार्बोनेट में निकलता है और इसलिए Na (लगभग 10⁷ से 10⁸ yr) से बहुत छोटा τ रखता है। निश्चित M पर बड़ा F छोटा τ देता है, इसलिए लंबे निवास-काल वाला कथन उलटा है।
BOD, COD व घुली ऑक्सीजन के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
1. BOD₅ वह ऑक्सीजन है जो सूक्ष्मजीव जैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक पदार्थ ऑक्सीकृत करते हुए 20 °C पर 5 दिन में खपाते हैं
2. COD प्रबल रासायनिक ऑक्सीकारक प्रयोग करता है और इसलिए उस कार्बनिक पदार्थ को भी मापता है जिसे सूक्ष्मजीव निम्नीकृत नहीं कर सकते
3. किसी भी अपशिष्ट हेतु BOD₅, COD से अधिक होता है, क्योंकि सूक्ष्मजीव डाइक्रोमेट से अधिक पूर्णतः ऑक्सीकृत करते हैं
4. जल में घुली ऑक्सीजन की संतृप्ति-सांद्रता जल के गर्म होने पर बढ़ती है
उत्तर देखें
उत्तर: A — BOD₅ वह ऑक्सीजन है जो सूक्ष्मजीव जैव-निम्नीकरणीय कार्बनिक पदार्थ ऑक्सीकृत करते हुए 20 °C पर 5 दिन में खपाते हैं; B — COD प्रबल रासायनिक ऑक्सीकारक प्रयोग करता है और इसलिए उस कार्बनिक पदार्थ को भी मापता है जिसे सूक्ष्मजीव निम्नीकृत नहीं कर सकते
BOD₅ 20 °C पर पाँच दिनों की सूक्ष्मजैविक ऑक्सीजन-माँग के रूप में परिभाषित है, और COD ऐसा रासायनिक ऑक्सीकारक प्रयोग करता है जो दुर्निम्नीकरणीय कार्बनिकों पर भी आक्रमण करता है, इसलिए COD सामान्यतः BOD₅ से बड़ा होता है, छोटा नहीं। जल के गर्म होने पर गैसें कम विलेय होती हैं, इसलिए ऑक्सीजन की संतृप्ति-सांद्रता घटती है, बढ़ती नहीं।
एक जल नमूने का ¹⁸O/¹⁶O = 2.0252 × 10⁻³ है। VSMOW अनुपात 2.0052 × 10⁻³ मानते हुए, नमूने का δ¹⁸O ‰ में, निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 10
δ = (R(नमूना)/R(मानक) − 1) × 1000 = (2.0252/2.0052 − 1) × 1000 = (1.009974 − 1) × 1000 = 9.97 ‰, जो निकटतम पूर्ण संख्या तक 10 है।
δ¹⁸O = −12 ‰ वाला जलवाष्प अपने द्रव्यमान का 80 प्रतिशत वर्षा के रूप में खो देता है, ताकि वाष्प का f = 0.20 शेष रहता है। α(द्रव/वाष्प) = 1.010 और रेले नियम R/R₀ = f^(α − 1) लें, जहाँ R₀ (1000 + δ₀) के संगत है। शेष वाष्प का δ¹⁸O कितने ‰ घटा है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 15.8
R/R₀ = 0.20^0.010 = e^(0.010 × ln 0.20) = e^(−0.016094) = 0.984034। तब 1000 + δ = 988 × 0.984034 = 972.23, अतः δ = −27.77 ‰। गिरावट 27.77 − 12 = 15.77 है, जो एक दशमलव स्थान तक 15.8 ‰ है।
किसी काल्पनिक तत्व X हेतु, महासागर (1.4 × 10²¹ L) में X की औसत सांद्रता 0.40 g/L है, और नदियों से X का स्थायी-अवस्था निवेश 2.8 × 10¹⁴ g/yr है। महासागर में X का निवास-काल, मिलियन वर्ष में एक दशमलव स्थान तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 2.0
भंडार M = 1.4 × 10²¹ L × 0.40 g/L = 5.6 × 10²⁰ g। स्थायी अवस्था में τ = M/F = 5.6 × 10²⁰/2.8 × 10¹⁴ = 2.0 × 10⁶ yr, यानी 2.0 मिलियन वर्ष।
दो नदी जल समान आयतनों में मिलाए जाते हैं। जल A में 100 µg/L Sr है जिसका ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.7300; जल B में 400 µg/L Sr है जिसका ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.7080। मिश्रण का ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, चार दशमलव स्थानों तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 0.7124
मिश्रण योगदान किए Sr के द्रव्यमान से भारित होता है। प्रत्येक के 1 L हेतु: A से Sr = 100 µg, B से = 400 µg, कुल 500 µg। R = (100 × 0.7300 + 400 × 0.7080)/500 = (73.0 + 283.2)/500 = 0.7124। अभारित माध्य 0.7190 जाल है, क्योंकि जल B चार गुना Sr देता है।
एक अपशिष्ट जल का चरम BOD L₀ = 300 mg/L और प्रथम-कोटि दर-स्थिरांक k = 0.23 d⁻¹ (आधार e) है, BOD(t) = L₀(1 − e^(−kt)) के साथ। BOD₅, mg/L में निकटतम पूर्ण संख्या तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 205
kt = 0.23 × 5 = 1.15, और e^(−1.15) = 0.3166। BOD₅ = 300 × (1 − 0.3166) = 300 × 0.6834 = 205.0 mg/L, अतः 205। L₀ (300) ही दे देना या चरघातांकी भूल जाना प्रचलित भूलें हैं।