第三章 水环境化学-1

已 知 干 空 气 中 CO2 的 含 量 为 0.0314% （ 体 积 分 数），水在25 ℃时蒸汽压为0.03167×105 Pa，CO2的 Henry定律常数是3.34×10-7 mol/(L·Pa)(25℃)，CO2 在水中的溶解度？
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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
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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
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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
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全球水循环示意图
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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
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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。
¾ 异养生物利用自养生物产生的有机物为能源，合成 自身生命物质。
链接3：活性菌治理污染 41
1.2 天然水的基本特征
水生生命体 ¾ 藻类是水体中典型的自养生物，通常多以CO2、
NO3-和PO43-为其C、N、P源。 ¾ 藻类的生成和分解就是有关物质在水体中进行的
25 ℃时一些气体在水中的亨利常数
KH[mol/(L·Pa)] 1.26×10-8 9.16×10-8 3.34×10-7 1.32×10-8 4.84×10-8 7.80×10-9 7.01×10-1
气体
N2 NO NO2 HNO2 HNO3 NH3 SO2
KH[mol/(L·Pa)] 6.40×10-9 1.97×10-8 9.74×10-8 4.84×10-4
[CO2]+[HCO3-] = 1.24×10-5 mol/L
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1.2 天然水的基本特征
胶体和悬浮物 ¾ 铝硅酸盐颗粒、砂粒、粘土、细菌、藻类及原生
动物等颗粒悬浮物 ¾ 硅、铁、铝水合氧化物、腐殖质等胶体物质
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1.2 天然水的基本特征
水生生命体
¾ 存在水体中的生物构成水生生态系统。由于水中生 物种类繁多，形态各异，故将其统称为水生生命 体，根据其能源不同可以分为自养生物和异养生 物。
别适用，与另一种气体压力无关。
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1.2 天然水的基本特征
亨利定律
③不同温度下，亨利常数（或气体溶解度）符合 Clausius-Clapeyron方程。
d ln KH = ΔH dT RT 2
或
lg K H2 =
ΔH
⋅( 1
−
1 )
K H1 2.303R T1 T2
KH1, KH2 — 绝对温度为T1和T2时的亨利常数；
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1.2 天然水的基本特征
天然水的组成
¾ 天然水是由多种物质组成的复杂体系。 ¾ 一般包含可溶性物质和悬浮物质（包括悬浮
物、颗粒物、水生生物等）。
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1.2 天然水的基本特征
天然水的组成
¾ 主要离子成分 ¾ 微量元素成分 ¾ 溶解的气体成分 ¾ 胶体和悬浮物 ¾ 水中的生命体
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1.2 天然水的基本特征
主要离子成分
¾ 八大离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、 HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-
¾ 占天然水中离子总量的 95%—99%。 ¾ 这些离子在水中的积累过程称为天然水的矿化过
程。 ¾ 主要离子总量可粗略作为天然水总含盐量（TDS）
TDS = [K++Na++Ca2+ + Mg2+] + [HCO3- + NO3- + Cl- + SO42-]
微量元素成分
pH
M 各形态
稳定常数 +
M各形态浓度
[H+]、[OH-] + 溶度积常数Ksp
[Mn+]
金属离子的形态分析
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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； ¾ 微量气体有 CH4、H2、He 等。 ¾ 气体在水中的溶解情况对水体的酸碱性、氧化还
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1.1 冰，水，水蒸汽的体积随温度的变化
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1.1 水的结构与性质
介电常数高，良好的溶剂。 ¾ 高度溶解性能，是污染物良好的载体。
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1.1 水的结构与性质
化合物
凝固点 （℃）
H2O H2S H2Se H2Te
0 -85.2 -65.7 -51
水的几种特性参数
沸点
偶极矩 汽化热
熔化热
生成热ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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重点与难点
¾ 无机污染物物的迁移转化原理； ¾ 有机污染物分配系数、挥发速率、水解速
率、光解速率和生物降解速率计算； ¾ 各类污染物的 pE 计算及 pE – pH 图制作。
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1 天然水的基本特征及污染物的存在形态
1.1 水的结构与性质 1.2 天然水的基本特征 1.3 水中污染物的分布和存在形态
查表3-2（教材P149），氧气在25℃水中的亨利常数 KO2=1.26×10-8 moL/(L·Pa)
则根据亨利定律，氧气在水中的溶解度为：
[O2(aq)]=KO2·PO2=1.26×10-8×0.2029×1.013×105 = 2.6×10-4 moL/L
由于氧的分子量为32，所以其溶解度为8.32mg/L或8.32 ppm.
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1.1 水的结构与性质
δ
-
δ
+
¾ 水分子半径 0.138 nm ¾ 偶极矩 μ = q·d = 6.14×10-30 C·m
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1.1 水的结构与性质
氢键键能为 18.81 kJ/mol; 约为 O-H 共价键的1/20
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1.1 水的结构与性质
¾ 水的独特性质主要基于它的强极性和氢键。
¾ 由于氢键的存在，很多相同水分子互相吸引 叠合形成聚合体，这种现象称为缔合作用 （association）。
¾ 微量的重金属成分，在水中大多数以络离子的形 式存在。水中含有多种配位体，其中较为重要的 是 H2O 、 OH- 、 Cl- ， 其 次 是 SO42- 、 CO32- 、 HCO3-、F-、Br-、H2PO4-、HSiO2- 等。
¾ 水中的有机络合物主要是金属与腐殖酸形成的络 合物。
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1.2 天然水的基本特征
亨利定律
①亨利定律只适用于稀溶液，且气相和溶液中的分 子状态必须相同。亨利定律并不能说明气体在溶 液中进一步的化学反应，如：
CO2 + H2O
H+ + HCO3-
SO2 + H2O
H+ + HSO3-
因此，溶解于水中的实际气体的量，可以高于亨
利定律表示的量。
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1.2 天然水的基本特征
亨利定律 ②对于混合气体，压力不大时，对每种气体都能分
P CO2＝（1.0130-0.03167）×105 Pa×3.14×10-4 ＝ 30.8 Pa
[CO2] ＝(3.34×10-7×30.8) mol/L ＝1.03×10-5 mol/L
CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-，H+及 HCO3-的浓度可从CO2的酸解离常数K1计算出：
n H2O
-Q +Q
(H2O) n
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1.1 水的结构与性质
水的生成热高：-285.8 kJ·mol-1 ¾ 稳定性高，能在地球初期的炽热温度下保留下来。 水的熔点和沸点高。 ¾ 使地球环境有液态水的存在，生命物质得以繁衍。
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1.1 水的结构与性质
水的蒸发热大：40.67 kJ·mol-1 (101.3kPa) 水的等压热容： 75.30 J·mol-1·K-1 ¾ 能调节环境温度，防止温差过大。 密度反常：4 ℃为最大 ¾ 控制水体温度，保护水生生物。
原状况等有很重要的影响。
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1.2 天然水的基本特征
亨利定律 一种气体在液体中的溶解度正比于与液体所接触的
该种气体的分压。 [G(aq)] = KH·pG
KH—气体在一定温度下的亨利常数； pG —气体的分压。
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1.2 天然水的基本特征
亨利定律
气体
O2 O3 CO2 CH4 C2H4 H2 H2O2
水环境化学
Aquatic Environmental Chemistry
水资源分布情况
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我国水资源情况
¾ 我国人均水资源总量为 2200 m3 ¾ 仅为世界平均水平的四分之一 ¾ 2030年将降为 1760 m3
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我国水资源情况
守着黄河没水吃
黄河兰州段水位急剧下降导致大片滩涂裸 露，由于水位下降，原本埋在水下的排污 口露在了水面上，黄河水面水质下降
（℃）