3.1第三章 水环境化学-1
环境化学第三章水
二节 气体在水中的溶解性
水的质量特征：
• 酸度和碱度
第一节 概述
• 盐度和氯度:1千克水中碳酸盐转变为氧化物、溴化物 和碘化物转变为氯化物、有机物完全氧化后所含固体 的总克数。
• 硬度 • 溶氧量：25℃时的饱和浓度
[O2 (aq)] = 2.6×10-3 mol/L = 8.32 mg/L
• 清度和色度
化合物直接与 pH值有关，实际涉及到水解和羟基配合物的平
衡过程，该过程往往复杂多变，这里用强电解质的最简单关 系式表述： Me(OH)n(s) → Men+ + nOH根据溶度积表达式 可导出金属离子浓度 等号两边取负对数： Ksp = [Men+][OH-]n [Men+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn -lg[Men+] =－lgKsp－nlg[H+] + nlgKw (3-21)
HS- → H+ + S2则总反应： H2S →2 H+ + S2-
K2= 1.3×10-15
K1,2=K1K2=1.16×10-22
三、溶解沉淀平衡
在饱和水溶液中，H2S浓度总是保持在0.1mol/L，则 [H+]2[S2-] = K1,2×[H2S] = 1.16×10-22×0.1 = 1.16×10-23 由于在水溶液中 H 2 S 的二级电离甚微，故可近似认为 [H+] = [HS-]，因此可求得溶液中[S2-]浓度：
三、溶解沉淀平衡
第二节 天然水中的平衡
溶解和沉淀是污染物在水环境中迁移的重要途径，一般金
属化合物在水中迁移能力，直观地可以用溶解度来衡量。
溶解度小者，迁移能力小； 溶解度大者，迁移能力大。 在固—液平衡体系中，需用溶度积来表征溶解度。
第三章 水环境化学-1
37
1.2 天然水的基本特征
计算25 ℃饱和水中CO2的溶解度。
25℃时 [O2(aq)]= 8.32 mg/L
30
1.2 天然水的基本特征
溶解的气体成分
¾ 主要气体有：N2、O2、CO2、H2S 等
气体 mg/L
海水中主要溶解气体的含量范围
O2
N2
CO2 H2S
Ar
0-8.5 8.4-14.5 34-56 0-12 0.2-0.4
31
1.2 天然水的基本特征
链接2：东湖水污染严7重
水环境化学
研究化学物质在天然水体中的分布、 形态、反应机理、迁移转化、归趋的规律 与化学行为及其对生态环境的影响。
存在、运动、效应
8
全球水循环示意图
9
本章要点
¾水的结构与性质、天然水的基本特征； ¾水中重要污染物存在形态及分布； ¾污染物在水环境中的迁移转化原理及水质模型。
[H+]=[HCO3-] [H+]2/([CO2]CӨ)=K1=4.45×10-7
38
1.2 天然水的基本特征
计算25 ℃饱和水中CO2的溶解度。 [H+]=（1.028×10-5×4.45×10-7）0.5 mol/L
= 2.14×10-6 mol/L pH= 5.67 CO2在水中的溶解度为:
¾ 自养生物利用太阳能或化学能，把简单的无机元素 引至复杂的生物分子中组成生命体。
(完整版)第三章水环境化学答案
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 2CO 3*]、[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CO 2在气液相之间的平衡，[H 2CO 3*] 不变根据亨利定律： [CO 2(aq)] = K H Pco 2 lg[H 2CO 3*] ≈ lg[CO 2(aq)] = lg K H + lg Pco 2 = - 4.9lg[HCO 3-] = lg K 1 + lg [H 2CO 3*] + pH= -11.3 + pHlg[CO 32-] = lgK 1 + lgK 2 + lg[H 2CO 3*] + 2pH= -21.6 + 2pH*][][][*][]][[32133231CO H H K HCO CO H HCO H K +--+==*][][][*][][][32221233223221CO H H KK CO CO H CO H K K +--+⋅==⋅][][][233*32--++=CO HCO CO H C T 是常数。
的总和为各种碳酸化合态浓度假设,T C TC HCO ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=31αTC CO ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=232αTC CO H ⎥⎦⎤⎢⎣⎡*=320α122122][][1(-+++=K H K K H α1211)][][1(-++++=H K K H α122110][][1(-++++=H K K H K α*][][][*][]][[32133231CO H H K HCO CO H HCO H K +--+==*][][][*][][][32221233223221CO H H K K CO CO H CO H K K +--+⋅==⋅][][][][21233*32+--H K K CO HCO C CO H T 和含有的表示式，，为变量表示以:,][],[*],[21023332得到，，代入把αααT C CO HCO CO H --eg oo d 2、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（α）的函数。
3.1.2天然水的基本特征(1)
第三章：水环境化学——天然水的性质第三章：水环境化学——天然水的基本特征以及污染物存在形态一、水和水分子结构的特异性二、天然水的基本特征1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）2、天然水的化学特征3、天然水的性质（1）碳酸盐系统（2）酸度和碱度（3）天然水的缓冲能力● 缓冲溶液能够抵御外界的影响，使其组分保持一定的稳定性，pH 缓冲溶液能够在一定程度上保持pH 不变化。
● 天然水体的pH 值一般在6-9之间，而且对于某一水体，其pH 几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。
● 一般认为各种碳酸盐化合物是控制水体pH 值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。
但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH 值也有着重要作用。
● 但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。
因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。
对于碳酸水体系，当pH<8.3时，可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH 值可由下式确定：][][lg 3*321--=HCO CO H pK pH如果向水体投入△B 量的碱性废水时，相应由△B 量H 2CO 3*转化为HCO 3-，水体pH 升高为pH ＇,则：B HCO BCO H pK pH ∆+∆--=-][][lg 3*321＇水体中pH 变化为△pH=pH ＇-pH ，即：][][lg ][][lg 3*323*32--+∆+∆--=∆HCO CO H B HCO BCO H pH由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质就是[HCO 3-]，因此经常情况下，可以把[HCO 3-]作为碱度。
若把[HCO 3-]作为水的碱度，[H 2CO 3*]作为水中游离碳酸[CO 2]，就可推出：△B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH )△pH 即为相应改变的pH 值。
第三章水环境化学
TDS=[K++Na++Ca2++Mg2+]+[HCO3-+NO3-+Cl-+SO42-
2、天然水的性质
(Characteristic of Natural Waters) （1）碳酸平衡(Balance of H2CO3) 水体中存在四种化合态：
CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3
第三章 水环境化学
(Water Environmental Chemistry)
本章重点
1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、 配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理;
2、计算水体中金属存在形态;
3、pE计算;
4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、 挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的 计算方法。
农药
有机氯 有机磷
多氯联苯 (PCBS) 卤代脂肪烃 醚
单环芳香族化合物 苯酚类和甲酚类 酞酸酯类 多环芳烃（PAH) 亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物 (Metal Pollutant)
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be
第二节 水中无机污染物的迁移转化
强酸 弱酸 强酸弱碱盐
总酸度= [H+]+ [ HCO3-] +2[H2CO3*] - [ OH-] CO2酸度= [H+]+ [H2CO3*] - [CO32-] - [ OH-] 无机酸度= [H+]- [ HCO3-]-2 [CO32-] - [ OH-]
二、水中污染物的分布及存在形态
1、有机污染物 (Organic Pollutant)
环境化学课件第三章 水环境化学
图 水环境体系（水体）
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水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制 、迁移转化和归趋的规律及其化学行为对生态环境的影响。水环 境化学是环境化学的重要组成部分，为水污染控制和水资源的保 护提供了科学依据。
水环境化学研究的领域包括河口、海洋、河流、湖泊等。
研究的特点是： （1）体系非常复杂 离子、分子、胶体微粒 （2）界面现象突出、重要 重金属、有机物附着在胶体微粒面
海湾 海
大洋 海洋沉积物间隙水
DP Dg K
P 0
水循环 Water cycle
1.水的自然循环： 特点：①由降雨量自然循环的大致尺度
②水的性质基本不变 2.水的社会循环 特点：①工业与生活污水的产生与排放是主
要的污染源 ②水的性质不断变化
水资源的主要问题
●我国水资源人均和亩均水量少； ●水资源在地区分布上很不均匀，水土资源 组合不平衡 ●水量年内及年际变化大，水旱灾害频繁 ●水土流失严重，许多河流含沙量大； ●我国水资源开发利用各地很不均衡
第三章 水环境化学 Aquatic chemistry
知识点：认识天然水的基本特征和污染物的分布形 态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学 会建立水质模型
重 点：水中污染物的迁移和转化规律 难 点：水质模型的建立
水圈：Hydrosphere 1978年.R.A.Horne
环境化学：第三章 水环境化学 1
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
②
CO2的溶解度
已知： 干空气中CO2的含量为0.0314%（体积），水
在25℃时蒸气压为0.03167×105 Pa， CO2的亨利定律
常数是3.34×10-7mol/(L·Pa) (25℃), CO2溶于水后发生
的化学反应是：
CO2+H2O = H++HCO3-
CO32-
60
α 40
20
0
2
4
6
8
10
pH
图3-1 碳酸化合态分布图
12
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
对于开放体系，应考虑大气交换过程：
[CO 2 (aq)] K H pCO 2
CT [CO 2 (aq)] / 0
1
0
K H pCO 2
1
K1
[HCO ] CT 1
人均水资源量相当于世界人均量的1/4。已经被联合
国列为13个贫水国家之一。
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
一、天然水的基本特征
1.天然水的组成
天然水体——包括水、水中的溶解物、悬浮物
以及底泥和水生生物。
天然水的组成按形态分为：可溶性物质和悬浮物质。
悬浮物质包括：
悬浮物、颗粒物、水生生物等。
一般情况下，天然水中存在的气体有O2、CO2、
H2S、N2和CH4等。
表3-2 海水中主要溶解气体的含量范围
气体
含量范围
/mg·L-1
O2
0~8.5
N2
CO2
H2S
Ar
8.4~14.5
第三章-环境水化学1
ＴＤＳ＝［ K+＋Na+＋Ca2+＋Mg2+］
＋［HCO3-＋Cl-＋SO42-］
（２）水中的金属离子：可通过酸-碱、沉淀、配 合及氧化-还原等化学反应达到最稳定的状态。 水中可溶性金属离子可以多种形态存在。这些 形态在中性水体中的浓度可通过平衡常数加以计 算： Kc Θ =
[G]g ·[D]d [A]a · b [B]
无机酸度
酸度
总酸度 苛性碱度
碱度
cT ,CO3 CO32
pH 10 11
碳酸盐碱度 总碱度
cT ,CO3 CO32 pH=10 11 cT ,CO3 HCO3 pH=8.3 cT ,CO3 H 2 CO pH=4.5
1929年美国合成，我国70年代开始生产 主要用途： 用作润滑材料、增塑剂、杀菌剂、 热载体及变压器油等。 危害：可燃、高毒 辛醇-水分配系数（Kow） ：有机化合物在水 和N-辛醇两相平衡浓度之比。辛醇对有机物的 分配与有机物在土壤有质的分配极为相似，分配 系数的数值越大，有机物在有机相中溶解度也越 大，即在水中的溶解度越小。
aA + bB
Kc Θ =
gG + dD
[G]g ·[D]d [A]a · b [B]
本章内容：
1、天然水的基本特征及污染物的存在形式 2、水中无机污染物的迁移转化 3、水中有机污染物的迁移转化
第一节 天然水的基本特征及污染物的存 在形态
一、天然水的基本特征 1.天然水的组成 天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质 （包括悬浮物、颗粒物、水生生物等）。 可溶性物质主要是地壳矿物质。
如果滴定是以酚酞作为指示剂，当溶液的pH值达 到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为 HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，因此，得到 酚酞碱度的表示式： 酚酞碱度= [ CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+] 达到pH CO32- 所需酸量时的碱度称为苛性碱度。
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本章重点： 本章重点： 1、无机污染物在水体中进行沉淀 溶解、氧 溶解、 、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解 还原、 解吸、 化-还原、配合作用、吸附 解吸、絮凝 沉淀的基 还原 配合作用、吸附-解吸 絮凝-沉淀的基 本原理 2、计算水体中金属存在形态 、 3、pE计算 、 计算 4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和 、 分配系数、挥发速率、水解速率、 分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生 物降解速率的计算方法
1）天然水中的主要离子组成 ）
天然水中的八大离子： 阳离子： Na+、K+ 、 Ca2+、Mg2+ 、 阳离子 阴离子： 阴离子：HCO3—、 SO42—、Cl—、NO3— 占离子总量的95%—99%。
1）天然水中的主要离子组成 ）
表 水体主要化学特征性指标
硬度 Ca2+ Mg2+ 碱度 HCO3- CO32-
2.2 金属污染物
4）砷：水生生成有机砷。 5）铬：来源于冶炼、电镀、制革、印染等工 业， 6）铜：水体中大量有机和无机颗粒物能强烈 吸附或螯合铜离子，使之最终进入底部沉积物 中。 7）锌：水生生物对锌有很强的吸收能力，因 而使锌向生物体内迁移。
2.1 有机污染物
6）苯酚类和甲酚类 7）酞酸酯类 8）多环芳烃 9）亚硝胺和其他化合物
2.2 金属污染物
1) 镉：除硫化镉外，镉的化合物都溶于水。悬 浮物和沉积物对镉吸附能力强，水生生物有很 强的富集能力。 2）汞：悬浮物和沉积物对汞有强烈的吸附能 力，无机汞由于微生物作用，转化为甲级汞 甲级汞。 甲级汞 通过食物链危害人体健康—水俣病 水俣病 3）铅：来源于矿山开采、金属冶炼、汽车废 气、燃煤、油漆、涂料等
3）气体在水中的溶解性 ）
（b）CO2： 水中存在：HCO3—、CO2， 且 [HCO3—]=[H+]， 由CO2的离解常数K及亨利定律： [CO2] + [HCO3—] =1.028×10-5+2.14×10-6 =1.24×10-5mg/L
4）水生生物 ）
水生生物分为自养生物 异养生物。氧 自养生物和异养生物 自养生物 异养生物。 是决定水中生物种类和数量的关键物质。 生物（生化）需氧量（ 生物（生化）需氧量（BOD）：一定体 ） 积的水中有机物降解所需耗用的氧的量。
第一节 天然水的基本特征 及污染物的存在形态
1、天然水体的基本特征 、 1.1 天然水的组成 1.2 天然水的性质 2、水中污染物的分布和存在形态 、 2.1 有机污染物 2.2金属污染物 金属污染物
1、天然水体的基本特征 、
1.1 天然水的组成 1.2 天然水的性质
1.1 天然水的组成
1）天然水中的主要离子组成 硬度：Ca2+、Mg2+ 酸度：H+ 碱度：HCO3—、CO32—、OH— 碱金属：Na+、K+ 酸根：SO42—、Cl—、NO3—
1.2 天然水的性质
1）碳酸平衡： 对于调节天然水的pH及组成起着重要的 作用。 CO2 + H2O = H2CO3 H2CO3 = HCO3— + H+ HCO3— = CO32— + H+
2）天然水中的碱度和酸度 ）
以甲基橙为指示剂，终点pH=4.3，所以总碱度 也称为甲基橙碱度： 总碱度= 总碱度 [HCO3—] + 2[CO32—] + [OH—] –[H+] 如果以酚酞为指示剂，终点pH=8.3，CO32—全 部转化为HCO3—， 得到的测定值称为酚酞碱度： 酚酞碱度 = [CO32—] + [OH—] –[H2CO3]–[H+]
3）气体在水中的溶解性 ）
服从亨利定律， 即：
[G (aq)] = K H ⋅ pG
但对于和水有化学反应的气体，溶解度 要大的多。如： CO2 +H2O = HCO3— + H+
3）气体在水中的溶解性 ）
（a）O2 溶解度与水的温度、氧在空气中的分压及水 中盐含量有关。 在P0、25℃的水中的溶解度为8.32mg/L， 随温度的升高，氧在水中的溶解度逐渐降低， 如35℃时为：7.03mg/L。
2、水中污染物的分布和存在形态 、
2.1 有机污染物 2.2金属污染物 金属污染物
2.1 有机污染物
1）农药：有机氯、有机磷 2）多氯联苯（PCBs）：不易溶于水，但 易溶于有机溶剂和脂肪。 3）卤代脂肪烃：在水中的溶解度较高。 4）醚类：有七种醚类化合物属美国EPA 优先污染物 5）单环芳香族化合物
2.2 金属污染物
8）铊 9）镍 10）铍
酸度 H+
碱金属 Na+ K+ 酸根
阳离子 阴离子
OH-
SO42- Cl- NO3-
1）天然水中的主要离子组成 ）
水的总含盐量（TDS）： TDS=[ Na+ + K+ + Ca2++ Mg2+] + [HCO3—+ SO42—+ Cl—]
2）水中的金属离子 ）
水中可溶性金属离子可以多种形态存在， 例如铁： Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ 等形式存在。
2）天然水中的碱度和酸度 ）
用碱溶液滴定，当终点pH=10.8时，得到总酸 度，但此时滴定曲线没有明显突跃 没有明显突跃。 没有明显突跃 总酸度= 总酸度 [H+] + [HCO3—] + 2[H2CO3] — [OH—] 如果以酚酞为指示剂，终点pH=8.3，得到CO2 酸度： CO2酸度 = [H+] + [H2CO3] —2[CO32—] — [OH—]