水环境化学
环境化学第3.2章水环境化学水中无机污染物的溶解和沉淀课件
20
第三章/第二节/2.3 溶解和沉淀
2.3.4 碳酸盐 四、碳酸盐在开放体系的溶解度（二价金属）
[H2CO3*] = KHpCO2 [CO32-] = K1K2KHpCO2/[H+]2
pH＞pK2（10.33） pK1＜pH＜pK2 （6.35~10.33） [Me2+] ≈ Ksp[H+]2/K1K2KHpCO2 pH＜pK1（6.35）
第三章/第二节 水中无机污染物的迁移转化
2.3 溶解和沉淀
溶解/沉淀对迁移过程的影响
溶解/沉淀影响金属化合物溶解度，溶解度决定随水迁移能力 溶解度大，迁移能力大；溶解度小，迁移能力小
溶解/沉淀理论
溶解/沉淀受反应平衡和反应速率控制(化学热力学和动力学控制) 固－液平衡体系中，用溶度积来表征溶解度
第三章/第二节/2.3 溶解和沉淀
2.3.3 硫化物
二、金属硫化物的溶解度（以二价金属为例）
1. 金属硫化物的沉淀－溶解平衡
MeS (s) ⇌ Me2+ + S2-
[Me2+] = Ksp/[S2-]
2. H2S的电离平衡
H2S ⇌ H+ + HS- K1 = 8.9×10-8
HS- ⇌ H+ + S2-
= 2.532×10-3 mol/L
15
第三章/第二节/2.3 溶解和沉淀
2.3.4 碳酸盐
一、碳酸盐的沉淀－溶解平衡（以二价金属为例）
MeCO3 ⇌ Me2+ + CO32[Me2+] = Ksp/[CO32-] = Ksp/(CTα2)
H2CO3* ⇌ HCO3- + H+
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。
《水环境化学》课件
水环境化学的重要性 和应用
水环境化学对于保护水资 源、维护环境、促进可持 续发展具有重要的意义。
水的物理化学性质
溶解度溶解度是指单位体Fra bibliotek溶液中 最多能溶解多少物质，它是 表征物质在水中溶解程度的 重要参数。
离子强度
水中的离子强度是所有阴离 子和阳离子的浓度之和和它 们的电荷平方和之比的平方 根。
pH值
水环境监测方法
通过水质监测，及时发现水体 污染的情况，采取有效的技术 措施来防治和修复水体污染。
水环境化学的未来
1 水环境化学的发展趋势
未来水环境化学将逐渐转向绿色、可持续和低碳化发展。
2 水环境化学的应用前景
水环境化学需求将继续增长，未来将更多地应用于水资源保护、净化和开发领域。
3 水环境化学的挑战与机遇
水环境化学
水是地球上最珍贵的资源之一，水环境化学是研究水体的化学性质、污染及 其净化和水质监测的学科。
水环境化学简介
什么是水环境化学？
水环境化学是研究水及其 体系在自然界和生产生活 中的各种过程所涉及到的 化学现象的学科。
水环境化学的研究对 象和内容
研究水环境中各种物质的 迁移、转化和去除，以及 不同水环境对生态环境的 影响。
3
物理污染物
有些物理污染物如悬浮物、浮游生物、颗粒物或沉积物都会影响水的质量和可用性。
水的净化与处理
常见水污染物的去除方法
颗粒物、悬浮物主要通过过滤 和沉淀去除，生物污染物主要 通过消毒去除，化学污染物主 要依靠氧化、还原、沉淀和离 子交换等方法除去。
常见水处理技术及其原理
如生物处理、深度处理、反渗 透等技术，利用技术手段将水 中的污染物清除或降低到符合 生产和生活需求的标准。
水环境化学3.
• 当水中同时存在异向和同向絮凝过程时，絮凝 速度为二者之和。即
当颗粒直径d＞1μ m时，异向聚凝可忽略；当d ＜ 1μ m时，异向絮凝占有重要地位，若d＝1μ m 而G ＝10s-1，则两种速度相等。
• (3)差速沉降絮凝：在重力作用下，沉降速度不
三、溶解和沉淀
• 溶解度、溶度积原则
• 平衡关系、反应速率
• 平衡关系可预测污染物溶解或沉淀作用的方向， 并可以计算平衡时溶解或沉淀的量。 • 实际中，用平衡计算所得结果与实际观测值相差 甚远。主要由于自然环境中非均相沉淀溶解过程 影响因素较为复杂。
1．氧化物和氢氧化物
• 氧化物可看作氢氧化物脱水而成。这类化合物 的溶解与pH值有关，涉及到水解和羟基配合物 的平衡过程。 强电解质简单关系式:
动电位的形成
• 双电层内层附着在固体颗 粒表面，外层位于液相中； 内外两层的界面在AB； AB为胶体粒子在溶液中 移动时的剪切面，胶粒表 面和AB面形成ξ
异体凝聚理论
• • 适用于处理物理本性不同，粒径不等，电
荷符号不同，电位高低不等的分散体系。
主要论点：
① 如果两个电荷相异的胶体微粒接近时，吸引力 总占优势；
溶度积：
可转化为：
• 根据上式，可绘制溶液中金属离子饱和浓度对数
值与pH值的关系图，直线斜率等于n，即金属离 子价。 • 直线横轴截距是-lg[Men+]＝0或[Men+]=1.0mol/L 时的pH值： pH＝14－1/n· pKsp
•
由对数浓度图可看出．
① 同价金属离子的各线均有相同的斜率，
2．胶体颗粒絮凝动力学
• 胶体颗粒通过扩散层压缩、表面电位降低、排斥
第三章-水环境化学(第一次课)
ii 表示方法
总含盐量(Total Dissolved Solids－TDS)，也称总矿化度： 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量称为水的总含盐量。
总含盐量＝Σ阳离子+Σ阴离子
iii 测定
重量法
总含盐量＝溶解固形物
cT
[H
2 CO
* 3
](1
K1 [H
]
K1K 2 [H ]2
)
0
[H2CO*3
]
1
cT
(1
K1 [H ]
K1K 2 [H ]2
) 1
说明pH决定它们的 含量多少
1
[HCO
3
]
cT
[H ] (
K1
1
K2 [H
) ]
1
2
[CO32 ] cT
([H ]2 K1K 2
[H ] 1)1 K2
lg c2 H • ( 1 1 ) 15.59103 ( 1 1 ) c1 2.303R T1 T2 2.3038.314 298.15 273.15
c2 8.289 1.778 14.74mg / L
0 ℃时的含量14.74mg/L 20 ℃时为9.227mg/L
2．在一个标准大气压下，25℃时CO2在水中的溶解度。已知 CO2在干空气中的含量为0.0314%（体积）。
氧气的分压为
0.9813105 20.95% 0.2056105 Pa
[G(O2) ] KH PG 1.26108 0.2056105 2.590104 mol / L
[G(O2) ] 2.590104 32 8.289mg / L
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）
<返回>
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
第水环境化学(共10张PPT)
cp—单位溶液理体积论上颗，粒物即的浓非度k离g／L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分配系数。
第5页，共10页。
▪实际上，有机化合物在土壤(沉积物)中的吸着存在着二种主要机
作用、挥发作用、水解作用、光解作用、生物富集和生物降 解作用等过程进行迁移转化。
第4页，共10页。
二、分配作用
1．分配理论
▪近20年来，国际上对有机化合物的吸附分配理论开展了
使得pH降低，一般伴随E降低，pH会降低，酸性增强，金属溶解，酸性增强情况下，金属Hg容易甲基化；
②靠吸范附 德作华用力，，广即后在者泛非则研极是性各究有种机化。溶学剂键结中力果，如土氢均壤键矿、表物离明质子对偶，有极机键颗化、合配粒物位物的键表及(面π沉键吸作积附用作物的用结或或果于。土土壤壤矿物)从质对水有机中化合吸物的表面吸附作用，前者主要
cT = cs·cp+cw 式中：cT—单位溶液体积内颗粒物上和水中有机毒物质量的总和ug / L；
cs—有机毒物在颗粒物上的平衡浓度，ug／kg；
cp—单位溶液体积上颗粒物的浓度kg／L；
cw—有机毒物在水中的平衡浓度，ug／L。
此时水中有机物的浓度(cw)为：cw =cT / (Kp cp十1)
第7页，共10页。
▪一般吸附固相中含有有机碳（有机碳多，则Kp大），为了在类型各异组分复 杂的沉积物或土壤之间找到表征吸着的常数，引入标化分配系数(Koc)：
➢ 使得pH降低，一般伴随E降低，pH会降低，酸性增强，金属溶解， 酸性增强情况下，金属Hg容易甲基化； ➢ 静止水体的富营养化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章水环境化学水是世界上分布最广的资源之一，也是人类与生物体赖以生存和发展必不可少的物质，但世界上可供人类利用的水资源很少，仅占地球水资源的0.64%。
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、归趋的规律与化学行为及其对生态环境的影响。
它是环境化学的重要组成部分，这些研究将为水污染控制和水资源的保护提供科学的依据。
第一节水的分布、基本特征及污染物存在形态一、水的特征与分布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）。
可溶性物质的组成十分复杂，主要是岩石在风化过程中，经水溶解迁移的地壳矿物质。
天然水中常见的八大离子占天然水中离子总量的95%－99%.总含盐量：TDS=[Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+ ] + [Cl- + SO42- + HCO3- + NO3-]（２）水中的金属离子水中金属离子的表示式常写成Ｍｎ＋，其水合离子的分子式一般写作Ｍ（Ｈ２Ｏ）ｘｎ＋。
金属离子在水中可以以多种形态存在，一般为Ｆｅ（ＯＨ）２＋，Ｆｅ２（ＯＨ）２４＋和Fe3+等形态存在。
水溶液中金属离子的表示式常写成Mn+，预示着是简单的水合金属阳离子M(H2O)xn+。
它可通过化学反应达到最稳定的状态，酸－碱、沉淀、配合及氧化－还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。
各种形态的浓度可以通过平衡常数加以计算，见书P148页。
（3）气体在水中的溶解性气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。
一般来说大气中的气体分子与溶液中同种气体分子存在一种平衡，浓度关系服从Henny定律。
X（g）X（aq）（4）水生生物水生生物可直接影响许多物质的浓度,其作用有代谢、摄取、存储和释放等。
自养生物：利用太阳能量和化学能量，把简单、无生命的无机一无机元素引进至复杂的生命分子中组成生命体，如藻类。
异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成自身生命的原始物质。
藻类生成和分解是水体中进行光合作用（P）和呼吸作用（R）的一典型过程，可用简单化学计量关系来表征：106CO2 + 16NO3-+ HPO42-+122H2O +18H+（+痕量元素和能量）R PC106H263O110N16P + 138O2水体富营养化天然水的性质碳的地球化学循环：岩石圈↔水圈↔大气圈↔生物圈（1）碳酸平衡在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独特地位，对于调节天然水的pH值和组成起着重要作用。
在水体中存在CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-几种化合形态。
封闭体系(溶解性CO2与大气没有交换)CO2 + H2O H2CO3*pK0=1.46H2CO3*HCO3- + H+pK1=6.35HCO3-CO32- + H+pK2=10.33K1=[HCO3-][H+]/ [H2CO3 *] ；K2=[CO32-][H+]/ [HCO3-]因为在封闭体系中，C T恒定，用α0、α1和α3分别上述三种化合物在总量中所占比例，可以给出以下三个表示式：α0= [H2CO3 *]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}α1= [HCO3-]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}α2= [CO32- ]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}即得：α0=(1+K1/[H+]+ K1K2/[H+]2)-1α1=(1+ [H+]/ K1+K2/ [H+] )-1α2=(1+ [H+]2/ K1K2+ [H+]/ K2 )-1开放体系CO2 在气相和液相处于平衡状态，各种碳酸盐化合态的平衡浓度可表示为p CO2和pH的函数。
[CO2(aq)] = K H · p CO2C T = [CO2] / α0 = K H · p CO2/α0[HCO3-] = (α1/α0) K H · p CO2= K1 · K H · p CO2/ [H+][CO32-] = (α2 / α0 ) K H · p CO2 = K1 · K2 ·K H · p CO2/ [H+]2lg [CO2]= Log[1. 028×10－5]= -4.988 (p106)lg [HCO3-]= -11.338 + pHlg [CO32- ]= -21.668 + 2 pH推导过程作业比较封闭体系和开放体系可发现，在封闭体系中，[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]等可随pH 值变化，但总的碳酸量C T 始终不变。
而对于开放体系C T、[HCO3-]、[CO32-]均随pH值改变而变化，但[H2CO3*]总保持与大气相平衡的固定数值。
（p106）（2）天然水中的碱度和酸度A、碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子的物质的总量。
组成水中碱度的物质可归纳为三类：强碱、弱减、强碱弱酸盐。
总碱度：用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色(pH约4.3)，停止滴定，此时所得的结果，也称为甲基橙碱度。
其化学反应计量关系式如下：H+ + OH-H2OH+ + CO32-HCO3-H+ + HCO3-H2CO3总碱度= [HCO3-] + 2 [CO32-] + [OH-] - [H+]酚酞碱度：滴定以酚酞为指示剂，当溶液pH 值降到8.3 时，表示OH- 被中和，CO32-全部转化为HCO3-，得到酚酞碱度表达式：酚酞碱度= [CO32-] + [OH-] - [H2CO3*] - [H+]苛性碱度：达到pH CO32-所需酸量时碱度，但不易测得。
苛性碱度= [OH-]- [HCO3-]-2 [H2CO3*] -[H+]= 2 酚酞碱度–总碱度B、酸度（Acidity)：指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+ 或经过水解能产生H+ 的物质总量。
组成水中酸度的物质可归纳为三类：强酸弱酸和强酸弱碱盐。
无机酸度：以甲基橙为指示剂滴定到pH = 4.3无机酸度= [H+] - [HCO3-] - 2 [CO32-] - [OH-]游离CO2 酸度：以酚酞为指示剂滴定到pH = 8.3游离CO2 酸度= [H+] + [HCO3-] - [CO32-] - [OH-]总酸度：在pH=10.8 处得到，但此时滴定曲线无明显突越，难以选择合适的指示剂，故一般以游离CO2作为酸度主要指标。
总酸度= [H+]+ [HCO3-]+2 [H2CO3*] -[OH-]作业108 页应用总碳酸量（c T）和相应的分布系数（α）来表示：总碱度＝c T(α1+ 2α2) + K w/[H+] - [H+]酚酞碱度＝c T(α2- α0) + K w/[H+] - [H+]苛性碱度＝-c T(α1+ 2α0) + K w/[H+] - [H+]总酸度＝c T(α1+ 2α0) + [H+] - K w/[H+]CO2酸度＝c T(α0 - α2) + [H+] - K w/[H+]无机酸度＝-c T(α1+ 2α2) + [H+] - K w/[H+]•这里需要特别注意的是，在封闭体系中加入强酸或强碱，总碳酸量c T不受影响，•而加入[CO2]时，总碱度值并不发生变化。
这里溶液pH值和各碳酸化合态浓度虽然发生变化，但它们的代数综合值仍保持不变。
•因此总碳酸量c T和总碱度在一定条件下具有守恒特性。
天然水pH=7.0,碱度为1.4m mol/L, 为使pH=6.加入酸多少？总碱度= C T (α1+2α2) + K W /[H+] – [H+]C T=1/（α1+2α2）{[总碱度] + [H+] – [OH-]}令1/（α1+ 2α2）= α(表3－3）则C T = α[碱度]查表3-3（p110）α1 、α2，α= 1.22C T = 1.22×1. 4 = 1.71 m mol/L当加强酸使pH = 6.0，而C T不变时α= 3.25碱度= 1.71 / 3.25 = 0.526m mol/LΔA = 1.4-0.526 = 0.874m mol/L二、水中污染物的分布和存在形态P159（自学）P168 我国水中优先控制污染物的黑名单由于金属不可被微生物降解，所以一旦进入土壤环境，则很难去除。
在环境污染角度，重金属指对生物具有显著毒性的元素，如汞、镉、铅、锌、铜、钴、镊、钡、锡、锑等，从毒性角度通常将砷、铍、锂、硒、硼、铝等也包括在内。
所以重金属污染所指的范围较广。
重金属污染的特点：重金属大多为过渡元素，它们多有变价，有较高的化学活性，能参与多种反应和过程。
随环境的E h、pH、配位体的不同，常有不同的价态、化合态和结合态，形态不同重金属的稳定性和毒性也不同。
一、水-颗粒物间迁移1、水中颗粒物类别（p170）（1）金属水合氧化物Al 在水中的主要形态是Al3+、Al(OH)2+、Al2(OH)24+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等无机高分子。
Fe 在水中的主要形态是Fe3+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+、Al(OH)2+、Fe(OH)3、FeOOH等无机高分子。
H 4SiO4 聚合成无机高分子：Si n O2n－m(OH)2m。
（2）矿物微粒和粘土矿物：主要为石英（SiO2）、长石（KAlSi3O8）、云母及粘土矿物等硅酸盐矿物。
粘土矿物：具有胶体性质、片层结构（3）腐殖质：带负电的高分子弱电介质，富里酸、腐殖酸和腐黑物。
在不同pH 下，展现不同立体结构。
(P171也有介绍)（4）水体悬浮沉积物：粘土为核心骨架，金属氧化物及有机质结合在表面。
（5）其他：藻类、细菌、病毒和表面活性剂、油滴等。
2、水环境中颗粒物的吸附作用（1）几种吸附作用概念表面吸附：胶体表面具有巨大的比表面和表面能，胶体表面积越大，吸附作用越强。
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。
•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。
该作用不单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。
专属吸附特点1、这种吸附作用发生在胶体双电层的stern层中，被吸附的金属离子进入Stern层后，不能被通常提取交换性阳离子的提取剂提取，只能被亲和力更强的金属离子取代，或是在强酸性条件下解吸。
2、它在中性表面甚至在与吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用。