《水環(huán)境化學(xué)》重點(diǎn)習(xí)題及參考答案

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1、《水環(huán)境化學(xué)》重點(diǎn)習(xí)題及參考答案 1 .請(qǐng)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(gè)體系之間的區(qū)別。 解： (1)封閉體系(溶解性CO2與大氣沒(méi)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(dá)式 ao= [H2C

2、O3*]/{[H2CO3*] + [HCOf] + [CO32-]} ai= [HCO3]/{[H2CO3*] + [HCOf] + [CO32]} a2= [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*] = 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(yīng)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(jué)，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(gè)pH為6.5、堿度為L(zhǎng)6mmol/L的水體中，若加入碳酸 鈉使其堿化，問(wèn)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+] - [

5、OH ]} ai +2a2 令 a= 1 a\ + 2ai 當(dāng)pH在5?9范疇內(nèi)、[堿度]210-3mol/L時(shí)，[町 [OH ]項(xiàng)能夠忽略不計(jì), 得到簡(jiǎn)化式：Cr=a[堿度] 當(dāng) pH=6.5 時(shí),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(shè)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(shí)是應(yīng)加入的氫氧化鈉強(qiáng)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(shuō)明水合氧化物對(duì)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(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(yáng)離子。膠體每吸附一部分陽(yáng)離子，同時(shí)也放出等量的其他陽(yáng)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(guò)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(diǎn)荷改變符號(hào)，還能夠使離子化合 物吸附在同號(hào)電荷的表面上。 （4）水合氧化物對(duì)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(xiàng)目 專屬吸附 非專屬吸附 發(fā)生吸附的表面凈電荷的符號(hào) 0、+ 一 金屬離

8、子所起的作用 配位離子 反離子 吸附時(shí)所發(fā)生的反應(yīng) 配位體交換 陽(yáng)離子交換 發(fā)生吸附時(shí)要求體系的pH值 任意值 》零電位點(diǎn) 吸附發(fā)生的位置 內(nèi)層 擴(kuò)散層 對(duì)表面電荷的阻礙 負(fù)電荷減少，正電荷增加 無(wú) 動(dòng)力學(xué)可逆性 不可逆慢過(guò)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= -2.16 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(qǐng)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/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(guān)系如下: 圖3-lFe(OHXs)在水中溶解圖 5 .說(shuō)明下列名詞：分配系數(shù)；標(biāo)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(dāng)光解; 光量子產(chǎn)率；生長(zhǎng)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(duì)非離子性有機(jī)化合物的吸著要緊 是溶質(zhì)的分配過(guò)程(溶解)，即非離子性有機(jī)化合物可通過(guò)溶解作用分配到土壤 有機(jī)質(zhì)中，并通過(guò)一定時(shí)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

12、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(gè)參數(shù)。 (7

13、)直截了當(dāng)光解：化合物本身直截了當(dāng)吸取太陽(yáng)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(guò)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(zhǎng)物質(zhì)代謝和共代謝：生物降解過(guò)程中，一些有機(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(zhǎng)物質(zhì)代謝。某些有機(jī)污染物 不能作為微生物的唯獨(dú)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(shí)，該有機(jī)物才能被降解，這種現(xiàn)象稱為共代謝。 6,請(qǐng)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(guò)程。 (1)負(fù)載過(guò)程：污水排放速率、大氣沉降以及地表徑流

14、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(guò)程： ①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。 ②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(guò)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(zhuǎn)化過(guò)程中 的可利用性或者實(shí)質(zhì)上改變其遷移速率。 ②對(duì)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)。 ③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。 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(zhuǎn)化過(guò)程: ①生物降解作用：微生物代謝污染物并在代謝過(guò)程中改變它們的毒性。 ②光解作用：污染物對(duì)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。 ③水解作用：一個(gè)化合物與水作用通常產(chǎn)生較小的、簡(jiǎn)單的有機(jī)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(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(guò)程： ①生物濃縮作用：通過(guò)可能的手段如通過(guò)魚鯉的吸附作用，將有機(jī)污染物攝 取至生物體。 ②生物放大作用：高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物以消耗攝取有機(jī)毒物進(jìn)入生物體低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生 物為食物，使生物體中有機(jī)毒物的濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而增大。