第三章专业作业水环境.doc

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1、#+第三章 水环境化学1、 请推导出封闭和开放体系碳酸平衡中H2CO3*、HCO3-和CO32-的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。解：在封闭体中：= HCO=HCO/ HCO+HCO+CO=(1+K/H+KK/ H) 1 =HCO =HCO/ HCO+HCO+CO=(1+H / K+ K/ H) 2 =CO =HCO/ HCO+HCO+CO=(1+ H / KK+ H/ K) 在开放体系中： CO(aq)=KP=HCO C= CO/=(1/) KP HCO=(1/) KP=( K/H) KP CO=(2/) KP= (KK/ H) KP2、 请导出总酸度、CO2酸度、无机酸度、总碱度、酚酞

2、碱度和苛性碱度的表达式作为总碳酸量和分布系数（）的函数。解：总酸度=H+HCO+2HCOOH= C(1+2)+H-K/HCO酸度=H+HCO COOH= C(2)+H-K/H无机酸度=HHCO2COOH= C(1+22)+H-K/H总碱度=HCO+2CO+OHH= C(1+22)+ K/HH酚酞碱度= CO+OHHCO H= C(20)+ K/HH苛性碱度=OHHCO2HCO H=C(1+2)+ K/HH3、 向一含有碳酸的水体加入重碳酸盐，问：总酸度、总碱度、无机酸度、酚酞碱度和CO2酸度，是增加、减少还是不变。答：HCO增加，总酸度，总碱度增加；无机酸度减少；酚酞碱度，CO酸度不变4、 在

3、一个pH为6.5,碱度为1.6mmol/L的水体中,若加入碳酸钠使其碱化,问需加多少mmol/L的碳酸钠才能使水体pH上升至8.0.若用NaOH强碱进行碱化,又需加入多少碱 解:总碱度=KW/ H+ + CT(1 + 22) - H+CT=总碱度 + H+ - OH-令=1（1+22）当pH在59范围内,碱度10-3mol/L时, H+,OH-项可以忽略不计,得到简化式:CT=碱度当pH=6.5时,查教材P110表得1=0.5845,2=8.66910-5,则=1.71,CT =碱度=1.711.6=2.736mmol/L若加入碳酸钠将水的pH升至8.0,查表得=1.018,此时CT值与碱度值

4、均有变化.设加入的碳酸钠量为CO32-,则有CT + CO32-=碱度 + 2CO32-即2.736 + CO32-=1.0181.6 + 2CO32-解得,CO32-=1.069 mmol/L若加入氢氧化钠将水的pH升至8.0,其CT值并不变化,可得:碱度 =CT/ =2.736/1.018=2.688 mmol/L碱度增加值就是应加入的氢氧化钠强碱量:OH-=2.688-1.6=1.088 mmol/L5、具有2.0010-3mol/L碱度的水，pH为7.00，请计算 H2CO3*、HCO3-、 CO32-和OH-的浓度各是多少？ 解：当PH=7.00时CO32-的浓度与HCO3- 的浓度

5、相比可忽略，PH=7.00时，=1.224则HCO3-=碱度= 2.0010-3mol/L，H+=OH-=1.0010-7mol/LH2CO3*=H+HCO3-K=1.0010-72.0010-3/(4.4510-7)=4.4910-4CO32-= K2HCO3-/H+=4.6910-112.0010-3/(1.0010-7)=9.8310-76、 若有水A，pH为7.5，其碱度为6.38mmol/L，水B的pH为9.0，碱度为0.80mmol/L，若以等体积混合，问混合后的值是多少？解：PH=7.5时，=1.069 =0.06626 1=0.9324 2=1.3810-3CT=碱度=6.38

6、1.069=6.82 mmol/LPH=9.0时，=0.9592 =0.002142 1=0.9532 2=4.4710-2CT=碱度=0. 80.9592 =0.7674 mmol/L等体积混合后：H2CO3*=0.5（0.066266.82+0.0021420.7674）=0.225 mmol/LHCO3-=0.5（0.93246.82+0.95320.7674）=3.545 mmol/LPH=pK+lg(HCO3-/H2CO3*)=6.35+lg(3.545/0.225)=7.557溶解1.0010-4mol/L的Fe(NO3)3于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小H+浓

7、度的水中，假定溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)2+而没有形成Fe2(OH)24+。请计算平衡时该溶液中Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、H+和pH。解：由题意知 Fe3+ + Fe(OH)2+ + Fe(OH)2+ = 1.0010-4 mol/l；（1）Fe(OH)2+H+/Fe3+ = 8.910-4（2）Fe(OH)2+H+2/Fe3+ = 4.910-7（3）Fe3+ OH =Fe3+ Kw/H+=Ksp 查表得：Fe(OH)3的Ksp=3.210-38代入（1）得：H+= 1.910-3 mol/l PH=2.72Fe3+ = 3.2104 H+3 = 3.21

8、041.910-33 = 6.2410-5 mol/l Fe(OH)2+ = 4.910-7 Fe3+/H+2= 4.910-7 KSPH+/ KW3 = 15.6810-31.910-3 = 8.4710-6mol/l；Fe(OH)2+ = 8.910-4Fe3+/H+ = 8.910-4 KSPH+2/ KW3 = 28.48(1.910-3)2 = 2.9210-5mol/l 8、请叙述水中主要有机和无机污染物的分布和存在形态答：有机污染物 （1）农药 常见的农药主要为有机氯和有机磷农药，此外还有氨基甲酸脂类农药，由于难降解，具有较低的水溶性和高的辛醇-水分配系数故很大一部分被分配到沉积

9、物有机质和生物脂肪中。（2）多氯联苯（PCBs）极难溶于水，难分解，易溶于有机溶剂和脂肪，具有高的水溶性和高的辛醇-水分配系数被分配到沉积物有机质和生物脂肪中。（3）卤代脂肪烃 易挥发，在地表水中能进行降解，其化合物在水中的溶解度高。（4）醚类 双-（氯甲基）醚，双-（2-氯甲基）醚，双-(2-氯异丙基)醚，2-氯乙基乙烯基醚，及双-（2-氯乙氧基）甲烷大多存在于水中，4-氯苯苯基醚和4-溴苯苯基醚在底泥有机质和生物体内积累。（5）单环芳香族化合物 在地表水中主要是挥发，然后是光解，这类化合物吸附和生物富集并不是主要的迁移转化过程。（6）苯酚类和甲酚类 酚类化合物具有高的水溶性，低辛醇-水分配

10、系数，主要残留在水中。（7）酞酸酯类 这类化合物在水中溶解度小，辛醇-水分配系数高，主要富集在沉积物有机质和生物脂肪体中。（8）多环芳烃类（PAH）多环芳烃在水中的溶解度小，辛醇-水分配系数高，主要积累在沉积物，生物体内和溶解的有机质中。（9）亚硝胺和其他化合物 主要残留在沉积物中，有的也可能在生物体内累积。丙烯腈在沉积物和水中。金属污染物 （1）镉 在水中镉主要以Cd状态存在，也可与有机和无机配体生成多种可溶性配合物（2）汞 在水中汞以Hg,Hg(OH), CHHg, CHHg(OH), CHHgCl, CHHg为主要形态。（3）铅 天然水中铅主要以Pb状态存在。（4）砷 天然水中砷可以HA

11、sO, HAsO,HAsO,HAsO,HAsO, AsO等形态存在。（5）铬 主要以Cr,CrO,CrO,CrO四种离子形态存在，主要以三价和六价铬的化合物为主。（6）铜 主要以Cu存在，与OH-，CO32-和Cl有关，也受PH的影响。（7）锌 主要以二价离子状态存在。（8）铊 是分散元素，大部分以分散状态的同晶形杂质存在于铅、锌、铁、铜等硫化物硅酸盐矿物中。（9）镍 常以卤化物硝酸盐、硫酸盐以及某些无机和有机配合的形式溶解于水。（10）铍 在中性或酸性水中铍以Be为主，PH7.8时，以Be(OH)形态存在。9、什么叫优先污染物？我国优先控制污染物包括哪几类？答:由于化学污染物种类繁多，世界各

12、国都筛选一些毒性强，难降解，残留时间长，在环境中分布广的污染物优先进行控制，称为优先污染物。 我国优先污染物包括：挥发性卤代烃类，苯系物，氯代苯类，多氯联苯，酚类，硝基苯类，苯胺类，多环芳烃类，酞酸酯类，农药，丙烯腈，亚硝胺类，氰化物，重金属及其化合物。11、什么是表面吸附作用,离子交换吸附作用和专属吸附作用 并说明水合氧化物对金属离子的专属吸附和非专属吸附的区别.(1)表面吸附:由于胶体表面具有巨大的比表面和表面能,因此固液界面存在表面吸附作用.胶体表面积越大,所产生的表面吸附能也越大，胶体的吸附作用也越强，它属于物理吸附。(2)离子交换吸附:环境中大部分胶体带负电荷,容易吸附各种阳离子.胶

13、体每吸附一部分阳离子,同时也放出等量的其他阳离子,这种作用称为离子交换吸附作用,属于物理化学吸附.该反应是可逆反应,不受温度影响,交换能力与溶质的性质,浓度和吸附剂的性质有关。(3)专属吸附:指在吸附过程中,除了化学键作用外,尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用.该作用不但可以使表面点荷改变符号,还可以使离子化合物吸附在同号电荷的表面上. 水合氧化物对金属离子的专属吸附与非专属吸附的区别如下表所示项目非专属吸附专属吸附发生吸附的表面净电荷的符号-,0,+金属离子所起的作用反离子配位离子吸附时所发生的反应阳离子交换配位体交换发生吸附时要求体系的pH值零电位点任意值吸附发生的位置扩散层内层对表面电

14、荷的影响无负电荷减少,正电荷增加17、 含镉废水通入H2S达到饱和并调pH值为8.0，请计算水中剩余镉离子浓度（已知CdS的溶度积为7.910-27）。解：饱和时H2S=0.1mol/L Ksp= H S2-=1.1610-23 且PH=8.0 S2-=1.1610-23/ H=1.1610-23/1.010-16=1.1610-7 （mol/L）Cd=Ksp/ S2-=7.910-27/1.1610-7=6.810-20（mol/L）18已知Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下:Fe3+ + H2OFe(OH)2+ + H+ lgK1= - 2.16Fe3+ + 2H2OFe(OH

15、)2+ + 2H+ lgK2= - 6.74Fe(OH)3(s) Fe3+ + 3OH- lgKso= - 38Fe3+ + 4H2OFe(OH)4- + 4H+ lgK4= - 232Fe3+ + 2H2OFe2(OH)24+ + 2H+ lgK= - 2.91请用pc-pH图表示Fe(OH)3(s)在纯水中的溶解度与pH的关系. 解：(1)K1=Fe(OH)2+H+/ Fe3+=Fe(OH)2+KW3/KsoH+2pFe(OH)2+=3 lgKW - lgKso + 2 pH - lgK1=2 pH - 1.84(2)K2=Fe(OH)2+H+2/ Fe3+=Fe(OH)2+KW3/Kso

16、H+pFe(OH)2+=3 lgKW - lgKso + pH - lgK2=pH + 2.74(3)Kso=Fe3+OH-3=Fe3+KW3/H+3pFe3+=3 lgKW - lgKso + 3 pH=3 pH - 4(4)K4=Fe(OH)4-H+4/ Fe3+=Fe(OH)4-H+KW3/ KsopFe(OH)4-=3 lg KW - lgK4 - lgKso - pH=19 - pH(5)K=Fe2(OH)24+H+2/ Fe3+2=Fe2(OH)24+KW6/ Kso2H+4pFe2(OH)24+=6 lg KW - lgK - 2 lgKso + 4 pH=4 pH - 5.09

17、20请叙述腐殖质的分类及其在环境中的作用。 答：一般根据其在碱和酸溶液中的溶解度划分为三类：（1）腐植酸：可溶于稀碱液但不溶于酸的部分，相对分子质量由数千到数万；（2）富里酸：可溶于酸又可溶于碱的部分，其相对分子质量由数百到数千；（3）腐黑物：不能被酸和碱提取的部分 作用：腐殖质与环境中有机物之间的作用只要涉及吸附效应，溶解效应，对水解反应的催化作用，对微生物过程的影响以及光敏效应和猝灭效应等。但腐殖质与金属离子生成的配合物是它们最重要的环境性质之一。23 什么是电子活度pE？它和pH有何区别？ 电子活度与氢离子活度在定义上相类似： pH=-lg（） a表示H在水溶液中的活度，它衡量溶液接受或

18、迁移质子的相对趋势；pE=-lg（） a表示平衡状态下假想的电子活度，它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势；pE越小，电子浓度越高，体系提供电子的倾向就愈强；pE越大，电子浓度越低，体系接受电子的倾向就愈强； pE 严格的热力学定义基于下列反应：2 H（aq）+2e=H（g）；当这个反应的全部组分都以1个单位活度存在时，该反应的自由能变化G可定义为零。在Haq=1单位活度，H为1.013105pa平衡时的介质中a=1，pE=0pE与pH的比较pH=-lg（）pE=-lg（）高pH=低H浓度高pE=低电子浓度低pH=高H浓度低pE=高电子浓度pH=pka+logA/HA当A=HA时pH=pkapE

19、= pE+（1/n）log氧化态/还原态当氧化态=还原态时pE= pEa表示H在水溶液中的活度，它衡量溶液接受或迁移质子的相对趋势a表示平衡状态下假想的电子活度，它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势24、有一个垂直湖水，pE随湖的深度增加将起什么变化？答：随着深度的增加，pE减小25、从湖水中取出深层水，其pH=7.0，含溶解氧浓度为0.32mg/L，请计算pE和Eh。 解：水样中溶解氧的摩尔浓度为：O=0.32/32=1.010-5（mol/L）O= KP=1.2610-8P=1.010-5（mol/L）P=1.010-5/1.2610-8=7.91021/4O2 + H+ e =1/2 H2

20、O pE=20.75pE= pE+lgPH+pE=20.75+ (1/4)lg（7.9102/1.013105）- pHpE=20.75-0.53-7.0=13.22E=0.059 pE=0.05913.22=0.78（V）27、解释下列名词:分配系数；标化分配系数；辛醇-水分配系数；生物浓缩因子；亨利定律常数；水解速率；直接光解；间接光解；光量子产率；生长物质代谢和共代谢。分配系数:在土壤-水体系中,土壤对非离子性有机化合物的吸着主要是溶质的分配过程(溶解),即非离子性有机化合物可通过溶解作用分配到土壤有机质中,并经过一定时间达到分配平衡,此时有机化合物在土壤有机质和水中含量的比值称为分配系

21、数.(2)标化分配系数:有机化合物在颗粒物-水中的分配系数与颗粒物中有机碳呈正相关,以固相有机碳为基础的分配系数即标化分配系数.(3)辛醇-水分配系数:有机化合物的正辛醇-水分配系数(Kow)是指平衡状态下化合物在正辛醇和水相中浓度的比值.它反映了化合物在水相和有机相之间的迁移能力,是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学参数.Kow与化合物的水溶性,土壤吸附常数和生物浓缩因子等密切相关.(4)生物浓缩因子:有机毒物在生物体内浓度与水中该有机物浓度之比.(5)亨利定律常数:通常可理解为非电解质稀溶液的气-水分配系数.(6)水解速率:反映某一物质在水中发生水解快慢程度的一个参数.(7)直接光解

22、:化合物本身直接吸收太阳能而进行分解反应.(8)间接光解：水体中存在的天然物质（如腐殖质等）被阳光激发，又将其激发态的能量转移给化合物而导致的光解反应，也称敏化光解。(9)光量子产率:分子被活化后,它可能进行光反应,也可能通过光辐射的形式进行去活化再回到基态,进行光化学反应的光子数占吸收光子数之比称为光量子产率.(10)生长物质代谢和共代谢:生物降解过程中,一些有机污染物作为食物源提供能量和提供酶催化反应分解有机物,这称为生长物质代谢.某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源,必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源时,该有机物才能被降解,这种现象称为共代谢.31、请叙述有机物在水环境中

23、的迁移,转化存在哪些重要过程.(1)负载过程:污水排放速率,大气沉降以及地表径流引入有机毒物至天然水体均将直接影响污染物在水中的浓度.(2)形态过程:酸碱平衡:天然水中pH决定着有机酸或碱以中性态存在的分数,因而影响挥发及其他作用.吸着作用:疏水有机化合物吸着至悬浮物上,由于悬浮物质的迁移而影响它们以后的归趋.(3)迁移过程:沉淀-溶解作用:污染物的溶解度范围可限制污染物在迁移,转化过程中的可利用性或者实质上改变其迁移速率.对流作用:水力流动可迁移溶解的或者被悬浮物吸附的污染物进入或排出特定的水生生态系统.挥发作用:有机污染物可能从水体进入大气,因而减少其在水中的浓度.沉积作用:污染物被吸附沉积于水体底部或从底部沉积物中解吸,均可改变污染物的浓度.(4)转化过程:生物降解作用:微生物代谢污染物并在代谢过程中改变它们的毒性.光解作用:污染物对光的吸收有可能导致影响它们毒性的化学反应的发生.水解作用:一个化合物与水作用通常产生较小的,简单的有机产物.氧化还原作用:涉及减少或增加电子在内的有机污染物以及金属的反应都强烈地影响环境参数.(5)生物累积过程:生物浓缩作用:通过可能的手段如通过鱼鳃的吸附作用,将有机污染物摄取至生物体.生物放大作用:高营养级生物以消耗摄取有机毒物进入生物体低营养级生物为食物,使生物体中有机毒物的浓度随营养级的提高而增大。