《水環(huán)境化學(xué)》重點習(xí)題及參考答案

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1、水環(huán)境化學(xué)重點習(xí)題及參考答案1 .請推導(dǎo)出封閉和開放體系碳酸平穩(wěn)中H2co3*、HCO3-和 CO3的表達(dá)式，并討論這兩個體系之間的區(qū)別。解：(1)封閉體系(溶解性CO2與大氣沒有交換)中存在下列平穩(wěn)CO2 + H2O = H2CO3* pK0=1.46H2CO3*HCOf + H+ pKi=6.35HCOfCO32- + H+pK2= 10.33其中 K1=HCO3 H+ / H2CO3* , K2=CO32 H+/HCO3-用ao、ai和a2分別表示三種碳酸化合態(tài)在總量中所占比例，得下面表達(dá)式ao= H2CO3*/H2CO3* + HCOf + CO32-ai= HCO3/H2CO3* +

2、 HCOf + CO32a2= CO32- /H2CO3* + HCO3 + CO32- 把Ki、&的表達(dá)式代入以上三式，得ao= (1 + Ki/H+ + KiK2/H+2)-,ai=(l +H+/Ki +K2/H+ y1 a2=(l + H+2/ KiK2 + H+/ K2)-, 設(shè) Ct= H2CO3* + HCOf + CO32-,則有H2CO3* = C11 + K1/H+ + K1K2/H+2)-,HCO3 = Ct(1 + H+/ Ki + K2/ H+ )dCO.r- = Ct(1 + H+2/ K1K2 + H+/ K2)- (2)開放體系中CCh在氣相和液相之間平穩(wěn)，各種碳

3、酸鹽化合態(tài)的平穩(wěn)濃度可 表示為PCO2和pH的函數(shù)。依亨利定律：CO2(aq) = KH Pcs溶液中，碳酸化合態(tài)相應(yīng)為：Ct = CO2/ a()= Kh-PcoV aoHCO3 = (ai/ ao )Kh-Pco2= (Ki/H+)Kh-Pco2CO321= (a2/ ao ) Kh Pco2= (KK2/H+F)KhPco2(3)比較封閉體系和開放體系可發(fā)覺，在封閉體系中，H2co3*、HC(K、CO.3 等可隨pH值變化，但總的碳酸量Ct始終不變。而關(guān)于開放體系Ct、HCCK、 CCh均隨pH值改變而變化，但H2c03*總保持與大氣相平穩(wěn)的固定數(shù)值。2 .在一個pH為6.5、堿度為L6

4、mmol/L的水體中，若加入碳酸 鈉使其堿化，問需加多少mmol/L的碳酸鈉才能使水體pH上升 至8.0o若用NaOH強(qiáng)堿進(jìn)行堿化，又需加入多少堿？解：總堿度=Kw/ H+ + CT(ai + 2a2) - H+Ct= 一1一 總堿度+ H+ - OH ai +2a2令 a=1a + 2ai當(dāng)pH在59范疇內(nèi)、堿度210-3mol/L時，町 OH 項能夠忽略不計, 得到簡化式：Cr=a堿度當(dāng) pH=6.5 時,查教材 P110 表得 8=0.5845, a2 = 8.669X 10-5,則 a=1.71,CT =a堿度=1.71X1.6=2.736mmol/L若加入碳酸鈉將水的pH升至8.0,

5、查表得環(huán)=1.018,現(xiàn)在Ct值與堿度值均有變 化。設(shè)加入的碳酸鈉量為NCO32-,則有Ct + ACO32 =af Mg + 2ACO32 )即 2.736 + ACO32- = 1.018 1.6 + 2ACOj2-解得,ACO32 = 1.069 mmol/L若加入氫氧化鈉將水的pH升至8.0,其Ct值并不變化，可得：堿度=CT/a,=2.736/1.018=2.688 mmol/L堿度增加值確實是應(yīng)加入的氫氧化鈉強(qiáng)堿量：AOH = 2.688-1.6=1.088 mmol/L3 .什么是表面吸附作用、離子交換吸附作用和專屬吸附作用？并說明水合氧化物對金屬離子的專屬吸附和非專屬吸附的區(qū)別

6、。(1)表面吸附：由于膠體表面具有龐大的比表面和表面能，因此固液界面存 在表面吸附作用。膠體表面積越大，吸附作用越強(qiáng)。(2)離子交換吸附：環(huán)境中大部分膠體帶負(fù)電荷，容易吸附各種陽離子。膠體每吸附一部分陽離子，同時也放出等量的其他陽離子，這種作用稱為離子交換 吸附作用，屬于物理化學(xué)吸附。該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，不受溫度阻礙，交換能力與 溶質(zhì)的性質(zhì)、濃度和吸附劑的性質(zhì)有關(guān)。（3）專屬吸附：指在吸附過程中，除了化學(xué)鍵作用外，尚有加強(qiáng)的憎水鍵和范德化力或氫鍵作用。該作用不但能夠使表面點荷改變符號，還能夠使離子化合 物吸附在同號電荷的表面上。（4）水合氧化物對金屬離子的專屬吸附與非金屬吸附的區(qū)別如下表所示。項

7、目專屬吸附非專屬吸附發(fā)生吸附的表面凈電荷的符號0、+一金屬離子所起的作用配位離子反離子吸附時所發(fā)生的反應(yīng)配位體交換陽離子交換發(fā)生吸附時要求體系的pH值任意值零電位點吸附發(fā)生的位置內(nèi)層擴(kuò)散層對表面電荷的阻礙負(fù)電荷減少，正電荷增加無動力學(xué)可逆性不可逆慢過程快速可逆4 .已知Fe3+與水反應(yīng)生成的要緊配合物及平穩(wěn)常數(shù)如下:lgKi= -2.16lgK2= - 6.74IgKso = - 38lgK4= -23lgK= -2.91Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + 2H+Fe(OH)3(s) j = Fe + 3OHFe3+ + 4H2O Fe

8、(OH)4 + 4H+ 2Fe3+ + 2H2O Fe2(OH)24+ + 2H+請用pc-pH圖表示Fe（OH”（s）在純水中的溶解度與pH的關(guān)系。解:(1) Ki = Fe(OH)2+H+/ Fe3+ = Fe(OH)2+Kw3/KsoH+2 pFe(OH)2+ = 3 IgKw - IgKso + 2pH - lgKi=2pH - 1.84(2) K2=Fe(OH)2+H+2/Fe3+ = Fe(OH)2+Kw3/KSoH+pFe(OH)2+ = 31gKw- IgKso + pH - lgK2=pH + 2.74(3) Kso= Fe3+OH3= Fe3+Kw3/H+3pFe3+ =

9、3 IgKw - IgKso + 3 pH = 3 pH . 4(4) K4=Fe(OH)4lH+4/Fe3+ = Fe(OH)4lH+Kw3/ Kso pFe(OH)4 = 3 1g Kw- lgK4 - lgKso -pH=19-pH(5) K=Fe2(OH)24+H+2/Fe3+2 = Fe2(OH)24+Kw6/ KsrH+4 pFe2(OH)24+ = 61g Kw - IgK - 2 lgKso + 4 pH =4 pH 5.09用pc-pH圖表示Fe(OH”(s)在純水中的溶解度與pH的關(guān)系如下:圖3-lFe(OHXs)在水中溶解圖5 .說明下列名詞：分配系數(shù)；標(biāo)化分配系數(shù)；辛醇

10、一水分配系 數(shù)；生物濃縮因子；亨利定律常數(shù)；水解速率；直截了當(dāng)光解;光量子產(chǎn)率；生長物質(zhì)代謝和共代謝。(1)分配系數(shù)：在土壤一水體系中，土壤對非離子性有機(jī)化合物的吸著要緊 是溶質(zhì)的分配過程(溶解)，即非離子性有機(jī)化合物可通過溶解作用分配到土壤 有機(jī)質(zhì)中，并通過一定時刻達(dá)到分配平穩(wěn)，現(xiàn)在有機(jī)化合物在土壤有機(jī)質(zhì)和水中 含量的比值稱為分配系數(shù)。(2)標(biāo)化分配系數(shù)：有機(jī)化合物在顆粒物一水中的分配系數(shù)與顆粒物中有機(jī) 碳呈正相關(guān)，以固相有機(jī)碳為基礎(chǔ)的分配系數(shù)即標(biāo)化分配系數(shù)。(3)辛醇一水分配系數(shù)：有機(jī)化合物的正辛醇-水分配系數(shù)(Kow)是指平 穩(wěn)狀態(tài)下化合物在正辛醇和水相中濃度的比值。它反映了化合物在水相

11、和有機(jī)相 之間的遷移能力，是描述有機(jī)化合物在環(huán)境中行為的重要物理化學(xué)參數(shù)。Kow與 化合物的水溶性、土壤吸附常數(shù)和生物濃縮因子等緊密相關(guān)。(4)生物濃縮因子：有機(jī)毒物在生物體內(nèi)濃度與水中該有機(jī)物濃度之比。(5)亨利定律常數(shù)：通?？擅靼椎脼榉请娊赓|(zhì)稀溶液的氣一水分配系數(shù)。(6)水解速率：反映某一物質(zhì)在水中發(fā)生水解快慢程度的一個參數(shù)。(7)直截了當(dāng)光解：化合物本身直截了當(dāng)吸取太陽能而進(jìn)行分解反應(yīng)。(8)光量子產(chǎn)率：分子被活化后，它可能進(jìn)行光反應(yīng)，也可能通過光輻射的 形式進(jìn)行“去活化”再回到基態(tài)，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的光子數(shù)占吸取光子數(shù)之比稱 為光量子產(chǎn)率。(9)生長物質(zhì)代謝和共代謝：生物降解過程中，一些

12、有機(jī)污染物作為食物源 提供能量和提供酶催化反應(yīng)分解有機(jī)物，這稱為生長物質(zhì)代謝。某些有機(jī)污染物 不能作為微生物的唯獨碳源與能源，必須有另外的化合物存在提供微生物碳源或 能源時，該有機(jī)物才能被降解，這種現(xiàn)象稱為共代謝。6,請敘述有機(jī)物在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化存在哪些重要過程。(1)負(fù)載過程：污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流引入有機(jī)毒物至天然水體 均將直截了當(dāng)阻礙污染物在水中的濃度。(2)形狀過程：酸堿平穩(wěn)：天然水中pH決定著有機(jī)酸或堿以中性態(tài)存在的分?jǐn)?shù)，因而阻 礙揮發(fā)及其他作用。吸著作用：疏水有機(jī)化合物吸著至懸浮物上，由于懸浮物質(zhì)的遷移而阻礙 它們以后的歸趨。(3)遷移過程：沉淀一溶解作用：污染物

13、的溶解度范疇可限制污染物在遷移、轉(zhuǎn)化過程中 的可利用性或者實質(zhì)上改變其遷移速率。對流作用：水力流淌可遷移溶解的或者被懸浮物吸附的污染物進(jìn)入或排出 特定的水生生態(tài)系統(tǒng)。揮發(fā)作用：有機(jī)污染物可能從水體進(jìn)入大氣，因而減少其在水中的濃度。沉積作用：污染物被吸附沉積于水體底部或從底部沉積物中解吸，均可改 變污染物的濃度。（4）轉(zhuǎn)化過程:生物降解作用：微生物代謝污染物并在代謝過程中改變它們的毒性。光解作用：污染物對光的吸取有可能導(dǎo)致阻礙它們毒性的化學(xué)反應(yīng)的發(fā) 生。水解作用：一個化合物與水作用通常產(chǎn)生較小的、簡單的有機(jī)產(chǎn)物。氧化還原作用：涉及減少或增加電子在內(nèi)的有機(jī)污染物以及金屬的反應(yīng)都 強(qiáng)烈地阻礙環(huán)境參數(shù)。（5）生物累積過程：生物濃縮作用：通過可能的手段如通過魚鯉的吸附作用，將有機(jī)污染物攝 取至生物體。生物放大作用：高營養(yǎng)級生物以消耗攝取有機(jī)毒物進(jìn)入生物體低營養(yǎng)級生 物為食物，使生物體中有機(jī)毒物的濃度隨營養(yǎng)級的提高而增大。