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H 2CO3*、HCO 3-和CO 32-的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。解: 开放体系，考虑到 CO2 在气液相之间的平衡，H 2CO3* 不变根据亨利定律： CO2(aq) = KH Pco2 lgH2CO3* lgCO2(aq) = lg KH + lg Pco2 = - 4.9lgHCO3- = lg K1 + lg H2CO3* + pH = -11.3 + pHlgCO32- = lgK1 + lgK2 + lgH2CO3* + 2pH = -21.6 + 2pH*3213231COHK*3212331KCO233*32
2、 COHCT 是 常 数 。的 总 和为 各 种 碳 酸 化 合 态 浓 度假 设 ,TT1TC2301212)(KH1211)(210)(HK*3213321COHK *32123231COHK23*3和含 有 的 表 示 式，为 变 量 表 示以 :, 0332 得 到，代 入把 T2、 请导出总酸度、CO 2 酸度、无机酸度、总碱度、酚酞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。总酸度 = H+2 H2CO3* + HCO3- - OH-= CT (20+1) +H+ KW /H+CO2 酸度= H + H2CO3* - CO32- - OH- = CT (02) + H+
3、 KW /H+无机酸度= H +- HCO3-2 CO32- - OH- = CT (1+22) + H+ KW /H+ 总碱度 = OH- + HCO3- + 2CO32- H+= CT (1+ 22) + KW /H+ H+酚酞碱度=OH -+CO32-H2CO3* H+=CT (2-0) + KW /H+ H+苛性碱度= OH - HCO3- - 2H2CO3 H+= - CT (1+ 20) + KW /H+ H+ 3 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CO 2 酸度，是增加、减少还是不变。根据上体定义可得：总酸度 总酸度 无机酸度 酚酞碱度 CO
4、2 酸度加入重碳酸盐（HCO 3-）增加 增加 减少 不变 不变加入碳酸盐（CO 32-）不变 增加 减少 增加 减少3、 在一个 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=K W/ H+ + CT(1 + 22) - H+CT=1/（ 1 + 22）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
5、时,查表得 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,CO 32-=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 =C T/ =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
6、-1.6=1.088 mmol/L4、 具有 2.0010-3mol/L 碱度的水， pH 为 7.00，请计算 H2CO3*、HCO 3-、 CO32-和OH -的浓度各是多少？解:当 pH = 7.00 时,CO 3-的浓度与 HCO 3-的浓度相比可以忽略,查表 pH = 7.00 时, 则HCO 3- = 碱度 = 2.0010 -3mol/l。H+ = OH- = 10-7 mol/l。HCO3 = H+HCO3-/K1 = 1.0010-72.0010-3/(4.5510-7) = 4.4910-4mol/l。CO3- = K2HCO3-/H+ = 4.6910-112.0010-
7、3/(1.0010-7) = 9.3810-7 mol/l。5、 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： )mol82.63.09.1 1038.,94.0,.7 21（碱 度 TCpH)l74.0.5. 7.,5.,2,.9 221（碱 度 T等体积混合后： )(54.36.9532.8.69324.0HCO 0-32 molK1 = H+HCO3-/HCO3 H+=HCO3K1/HCO3-.7.04lg.lg32-p6、 溶解 1.0010-4mol/L 的 Fe(NO
8、3)3 于 1L 具有防止发生固体 Fe(OH)3 沉淀作用所需最小H +浓度的水中，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Fe 3+、Fe(OH) 2+、Fe(OH) 2+、H +和 pH。解： OHFesFe233)(OH3310.9K按牛顿方法解：7、 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,吸附作用越强.(2)离子交换吸附: 环境中大部分胶体带负电荷
9、,容易吸附各种阳离子.胶体每吸附一73223 422109.)()(.8)()(2 FeHOe 82743 4274323 10.109.109.8 10.)()(2 HOFeeC7322.47.)( .Hxf 为 近 似 值 。一 个 ， 所 以 取 最 小 值方 程 式 的 根 必 小 于 任 何 ， 可 求 得， 可 求 得， 可 求 得 ， 求 出 近 似 值 ，分 别 等 于3287 324 383 84 10.10.109. 58 10. ,9, HH71.2,1095. 1095.1/0.4)(/ 9.34.1.8)( 7.4.-7.6. 10.49. 3-30 5765- 32
10、0 9-889-8 72430 pHHxffxf Hxf ）（ 623572 553433 107.8)09./(.6.)(8.6 OFe计 算部分阳离子,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.(4)水合氧化物对金属离子的专属吸附与非金属吸附的区别如下表所示.8、 含镉废水通入 H2S 达到饱和并调 pH 值为 8.0
11、，请计算水中剩余镉离子浓度（已知CdS 的溶度积为 7.910-27） 。9、 已知 Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下:Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ lgK1= - 2.16Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + 2H+ lgK2= - 6.74Fe(OH)3(s) Fe3+ + 3OH- lgK3= - 38Fe3+ + 4H2O Fe(OH)4- + 4H+ lgK4= - 232Fe3+ + 2H2O Fe2(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)K
12、1=Fe(OH)2+H+/ Fe3+=Fe(OH)2+KW3/K3H+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/ K3 H+pFe(OH)2+=3 lgKW lgK3 + pH - lgK2=pH + 2.74(3)K3=Fe3+OH-3=Fe3+KW3/H+3pFe3+=3 lgKW lgK3 + 3 pH=3 pH - 4(4)K4=Fe(OH)4-H+4/ Fe3+= Fe(OH)4-H+KW3/ K3pFe(OH)4-=3 lg KW - lgK4 - l
13、gK3 - pH=19 - pH(5)K=Fe2(OH)24+H+2/ Fe3+2= Fe2(OH)24+KW6/ K32H+4pFe2(OH)24+=6 lg KW - lgK - 2 lg K3 + 4 pH=4 pH - 5.09用 pc-pH 图可表示 Fe(OH)3(s)在纯水中的溶解度与 pH 的关系10、 已知 ， 。溶液中存在H +、0222 )(OHgHg3.6lKOH-、 Hg2+、Hg(OH) 20和ClO 4-等形态,且忽略了Hg(OH) +和离子强度效应，求 1.010-5mol/L 的 Hg(ClO4)2 溶液在 25时的 pH 值。解：平衡时，Hg(OH) 2浓度
14、为 x mol/L222 (gOHgc-x 2x x 015041)2()(2733.63.6.222xxcKgH7.4,102 105/10)(/5)(4)(1010,1058.42)( 5701 772 1523 55127 43 1277123 pHxHffxxfxxxf 计 算，代 入将 为 近 似 值取 最 小 值， 求 近 似 解分 别 等 于和按 牛 顿 法 求 解 ：11、 在 pH=7.00 和HCO 3-=1.2510-3mol/L 的介质中，HT 2-与固体 PbCO3(s)平衡，其反应如下：2323 106.4,)( KCOPbTsPbCO问作为 HT2-形态占 NTA
15、 的分数。12、 请叙述有机配体对重金属迁移的影响。13、 什么是电子活度 pE，以及它和 pH 的区别。14、 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。)(78.059.21321370lg.lg4.75.20,21419.06./ )/(1 )/(32/.524285 52 5222vEpHpEOeHOpp LmolKlh aaq 度 为 ：解 ： 水 样 中 溶 解 氧 的 浓15、 在厌氧消化池中和 pH=7.0 的水接触的气体含 65%的 CH4 和 35%的 CO2，请计算 pE 和 Eh。 )(246.059.1641738.
16、2%/lg() 87.2,4188178/ 2242vEpHppEOCeHCOhO 解 ：16、 在一个 pH 为 10.0 的 SO42-HS-体系中（25） ，其反应为：)(8224 lOHSeHSO已知其标准自由能 Gf0 值（kJ/mol）SO 42-：-742.0，HS -：12.6，H2O(l):-237.2，水溶液中质子和电子的 Gf0 值为零。（1）给出该体系的 pE0。如果体系化合物的总浓度为 1.010-4mol/L，那么请给出下图中、和的 lgc-pE 关系式。 24.059./2)(25.0)68/(1.1947.3.pEvnFG）解 ： （608lg )568(lgl
17、,.74/1: ,. 2lgl0: g,/. ,7.8/560lg568924.8lgl 9lg1l8Relg1)(48922424 2442424242424924pEHS pESOHLmoOSHSpESHSOSSOpEpEHHSpSOpEdxplHSHS时 同 理 当即 时 当 时当 同 理即 时 当此 时 ： 两 线 的 交 点 即 ：）（ 17、 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;水解速率;直接光解;光量子产率;生长物质代谢和共代谢.(1)分配系数: 有机化合物在土壤有机质和水中含量的比值称为分配系数.(2)标化分配系数: 有机化合物在颗粒物-水中
18、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(K OW)是指平衡状态下化合物在正辛醇和水相中浓度的比值. (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(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: 化合物本身直接吸收太阳能而进行分解反应.(8)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.(9)生长物质代谢和：生物降解过
19、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.共代谢: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.18、 请叙述有机物在水环境中的迁移,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
20、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.请叙述有机物水环境归趋模式的基本原理。
