《水環(huán)境化學》重點習題及參考答案

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1、《水環(huán)境化學》重點習題及參考答案 1 .請推導出封閉和開放體系碳酸平穩(wěn)中[H2co3*]、[HCO3-]和 [CO3」的表達式，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=1.46 H2CO3* HCOf + H+ pKi=6.35 HCOf CO32- + 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，得下面表達式 ao= [H2C

2、O3*]/{[H2CO3*] + [HCOf] + [CO32-]} ai= [HCO3]/{[H2CO3*] + [HCOf] + [CO32]} a2= [CO32- ]/{[H2CO3*] + [HCO3] + [CO32-]} 把Ki、&的表達式代入以上三式，得 ao= (1 + Ki/[H+] + KiK2/[H+]2)-, ai=(l +[H+]/Ki +K2/[H+] y1 a2=(l + [H+]2/ KiK2 + [H+]/ K2)-, 設 Ct= [H2CO3*] + [HCOf] + [CO32-],則有 [H2CO3*] = C1<1 + K1/[H+] +

3、K1K2/[H+]2)-, [HCO3 ] = Ct(1 + [H+]/ Ki + K2/ [H+] )d [CO.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)相應為： Ct = [CO2]/ a()= Kh-PcoV ao [HCO3 ]= (ai/ ao )Kh-Pco2= (Ki/[H+])Kh-Pco2 [CO321= (a2/ ao ) Kh Pco2= (K]K2/

4、[H+F)Kh?Pco2 (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L6mmol/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強堿進行堿化，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+] - [

5、OH ]} ai +2a2 令 a= 1 a\ + 2ai 當pH在5?9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 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,查表得環(huán)=1.018,現(xiàn)在Ct值與堿度值均有變 化。設加入的碳酸鈉量為NCO32-],則有 Ct + A[CO32 ]=af {[Mg] + 2A[CO32 ]) 即 2.736 + A

6、[CO32-] = 1.018 {1.6 + 2A[COj2-]} 解得,A[CO32 ] = 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加入的氫氧化鈉強堿量： A[OH ] = 2.688-1.6=1.088 mmol/L 3 .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。 (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

7、附作用越強。 (2)離子交換吸附：環(huán)境中大部分膠體帶負電荷，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，屬于物理化學吸附。該反應是可逆反應，不受溫度阻礙，交換能力與 溶質的性質、濃度和吸附劑的性質有關。 （3）專屬吸附：指在吸附過程中，除了化學鍵作用外，尚有加強的憎水鍵和 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

8、子所起的作用 配位離子 反離子 吸附時所發(fā)生的反應 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 擴散層 對表面電荷的阻礙 負電荷減少，正電荷增加 無 動力學可逆性 不可逆慢過程 快速可逆 4 .已知Fe3+與水反應生成的要緊配合物及平穩(wěn)常數(shù)如下: lgKi= -2.16 lgK2= - 6.74 IgKso = - 38 lgK4= -23 lgK= -2.91 Fe3+ + H2O —Fe(OH)2+ + H+ Fe3+ + 2H2O —Fe(OH)2+ + 2H+ Fe(OH)3(s)

9、 j = Fe" + 3OH Fe3+ + 4H2O Fe(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的關系。 解: (1) Ki = [Fe(OH)2+][H+]/ [Fe3+] = [Fe(OH)2+]Kw3/Kso[H+]2 p[Fe(OH)2+] = 3 IgKw - IgKso + 2pH - lgKi=2pH - 1.84 (2) K2=[Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+] = [Fe(OH)2+]Kw3/KSo[H+] p[Fe(OH)2+] = 31gKw-

10、IgKso + pH - lgK2=pH + 2.74 (3) Kso= [Fe3+][OH]3= [Fe3+]Kw3/[H+]3 p[Fe3+] = 3 IgKw - IgKso + 3 pH = 3 pH . 4 (4) K4=[Fe(OH)4l[H+]4/[Fe3+] = [Fe(OH)4l[H+]Kw3/ Kso p[Fe(OH)4 ] = 3 1g Kw- lgK4 - lgKso -pH=19-pH (5) K=[Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2 = [Fe2(OH)24+]Kw6/ Ks

11、K - 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)；標化分配系數(shù)；辛醇一水分配系 數(shù)；生物濃縮因子；亨利定律常數(shù)；水解速率；直截了當光解; 光量子產(chǎn)率；生長物質代謝和共代謝。 (1)分配系數(shù)：在土壤一水體系中，土壤對非離子性有機化合物的吸著要緊 是溶質的分配過程(溶解)，即非離子性有機化合物可通過溶解作用分配到土壤 有機質中，并通過一定時刻達到分配平穩(wěn)，現(xiàn)在有機化合物在土壤有機質和水中 含量的比值稱為分配系數(shù)。 (2)標化分配系

12、數(shù)：有機化合物在顆粒物一水中的分配系數(shù)與顆粒物中有機 碳呈正相關，以固相有機碳為基礎的分配系數(shù)即標化分配系數(shù)。 (3)辛醇一水分配系數(shù)：有機化合物的正辛醇-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和有機相 之間的遷移能力，是描述有機化合物在環(huán)境中行為的重要物理化學參數(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。 (4)生物濃縮因子：有機毒物在生物體內(nèi)濃度與水中該有機物濃度之比。 (5)亨利定律常數(shù)：通常可明白得為非電解質稀溶液的氣一水分配系數(shù)。 (6)水解速率：反映某一物質在水中發(fā)生水解快慢程度的一個參數(shù)。 (7

13、)直截了當光解：化合物本身直截了當吸取太陽能而進行分解反應。 (8)光量子產(chǎn)率：分子被活化后，它可能進行光反應，也可能通過光輻射的 形式進行“去活化”再回到基態(tài)，進行光化學反應的光子數(shù)占吸取光子數(shù)之比稱 為光量子產(chǎn)率。 (9)生長物質代謝和共代謝：生物降解過程中，一些有機污染物作為食物源 提供能量和提供酶催化反應分解有機物，這稱為生長物質代謝。某些有機污染物 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，該有機物才能被降解，這種現(xiàn)象稱為共代謝。 6,請敘述有機物在水環(huán)境中的遷移、轉化存在哪些重要過程。 (1)負載過程：污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流

14、引入有機毒物至天然水體 均將直截了當阻礙污染物在水中的濃度。 (2)形狀過程： ①酸堿平穩(wěn)：天然水中pH決定著有機酸或堿以中性態(tài)存在的分數(shù)，因而阻 礙揮發(fā)及其他作用。 ②吸著作用：疏水有機化合物吸著至懸浮物上，由于懸浮物質的遷移而阻礙 它們以后的歸趨。 (3)遷移過程： ①沉淀一溶解作用：污染物的溶解度范疇可限制污染物在遷移、轉化過程中 的可利用性或者實質上改變其遷移速率。 ②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入或排出 特定的水生生態(tài)系統(tǒng)。 ③揮發(fā)作用：有機污染物可能從水體進入大氣，因而減少其在水中的濃度。 ④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）轉化過程: ①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。 ②光解作用：污染物對光的吸取有可能導致阻礙它們毒性的化學反應的發(fā) 生。 ③水解作用：一個化合物與水作用通常產(chǎn)生較小的、簡單的有機產(chǎn)物。 ④氧化還原作用：涉及減少或增加電子在內(nèi)的有機污染物以及金屬的反應都 強烈地阻礙環(huán)境參數(shù)。 （5）生物累積過程： ①生物濃縮作用：通過可能的手段如通過魚鯉的吸附作用，將有機污染物攝 取至生物體。 ②生物放大作用：高營養(yǎng)級生物以消耗攝取有機毒物進入生物體低營養(yǎng)級生 物為食物，使生物體中有機毒物的濃度隨營養(yǎng)級的提高而增大。