水化学1ppt-水环境化学

大气底泥（沉积物）固相溶质地表水水溶液反应溶质颗粒物地下水溶质固相气相溶质气溶胶颗粒水中无机、有机物质的存在形态与转化第二章水化学存在形态、分布酸碱平衡配位平衡沉淀-溶解平衡氧化-还原平衡物质的转化水解与亲核反应还原反应氧化反应光解第一节酸碱化学——碳酸盐系统Brönsted酸碱（质子理论）Lewis酸碱（电子理论）共轭酸碱对：HA—A-;HB—B-BHAHBA酸碱平衡常数——酸碱的强弱23HAHOHOA2AHOOHHA[][][]aHAKHA[][][]bOHHAKA[][]abwKKKOHH酸碱的相对强弱酸pKaHCl-3H2SO4-3HIO30.8HSO4-2H3PO42.1HF3.2HNO24.5碱pKbO2--10NH2--9S2-0OH-0H2SiO42-1.4PO43-1.7CO32-3.7强弱1.水中碳酸盐物种及其分布2223m()pK2.8COaqHOHCO7HK3.3410mol/(L.Pa)'2331pK3.55HCOHCOH22()()COgCOaq232()[]0.0016[]aqHCOCO2.823m2(aq)[HCO]K10[CO]2332HCOCOHpK10.33*232(aq)23[HCO][CO][HCO]*2331pK?HCOHCOH31*23323*2323''6.3511mm[HCO][H]K[HCO][HCO][H]/[HCO][HCO]/[HCO]KKK1011K1pK6.35水中的碳酸盐物种及其平衡-2-2333HCOHCOCO2.8223m6.352331210.33332CO(g)HCOK10HCOHHCOK10HCOHCOK10H2CO3*简写为H2CO3例1：计算大气CO2在纯水中的溶解量未离解部分7HK3.3410mol/(L.Pa)2541.013103.601036.5COpPa223753.341036.51.2210/0.537mg/LHCOHCOCKpmolL22333[][][]TcHCOHCOCO离解部分2332pK10.33HCOCOH273123237563[][][]4.4510[][][][]4.45101.22102.3310mol/Llg[]5.63HCOHHKHCOHCOHHCOpHH2331pK6.35HCOHCOH233[][]2[][]HHCOCOOH3[][]HHCO2210.333233[][][]10/[]COHKCOmolLHCO223335610.33-5[][][]1.22102.3310101.45710/0.639/TcHCOHCOCOmolLmgL水中溶解的二氧化碳总量25'71.45710/36.53.9910/.THCOcmolLKpPamolLPa7HK3.3410mol/(L.Pa)平衡计算的基本原则质量平衡分配平衡电荷平衡合理的假定水中碳酸盐物种的分配-2-2333HCOHCOCO22333[][][]TcHCOHCOCO23022333312233323222333[HCO][HCO][HCO][CO][HCO][HCO][HCO][CO][CO][HCO][HCO][CO]23T03T123T2[HCO]c[HCO]c[CO]c（1）封闭体系中碳酸盐物种分布随pH的变化什么是封闭体系？水溶液中的CT不变，不与气相交换没有固体碳酸盐，即不发生液固相交换反应比较快速，来不及与气相进行交换；不存在、也没有生成固相碳酸盐23022333312233323222333[][][][][][][][][][][][]HCOHCOHCOCOHCOHCOHCOCOCOHCOHCOCO2021121121121222112[H][H]K[H]KKK[H][H]K[H]KKKK[H]K[H]KK2332[CO][H][HCO]K223323112[][][][][]HCOHCOHHCOKKK根据离解平衡，有：封闭体系中碳酸盐物种随pH的分布00.20.40.60.812.04.06.08.010.012.014.0pHaa0a1a2—H2CO3—HCO3-—CO32-（2）开放体系碳酸盐物种分布随pH的变化大气中CO2浓度不变，与水相处于平衡223[]HCOHCOKp222222THCO00113T1HCOHCO022123T2HCOHCO20[CO]1cKpK[HCO]cKpKp[H]KK[CO]cKpKp[H]23031232[][][]TTTHCOcHCOcCOc-8-6-4-20242468101214pHlgCa0a1a2cT—H2CO3—HCO3-—CO32-—CT2.碳酸盐体系的碱度和酸度1）碱度与强酸（H+）发生中和作用的物质总量，代表中和强酸的能力。2HOHHO233HCOHCO323HHCOHCO苛性碱度[OH-]-[H+]233Alk[HCO]2[CO][OH][H]总碱度酚酞碱度(碳酸盐碱度)23[OH][CO][H]封闭体系中碳酸盐物种随pH的分布00.20.40.60.812.04.06.08.010.012.014.0pHaa0a1a2—H2CO3—HCO3-—CO32-甲基橙变色酚酞变色2）酸度与强碱发生中和作用的物质总量，代表中和强碱的能力2OHHHO2332OHHCOHCOHO2332OHHCOCOHO无机酸度酚酞酸度(二氧化碳)总酸度23233[H][OH][H][HCO][OH][H]2[HCO][HCO][OH]3）碱度、酸度、碳酸盐总量、pH之间的关系根据滴定结果，可以推算：总碱度-碳酸盐碱度=碳酸盐总量二氧化碳酸度-无机酸度=碳酸盐总量总碱度+二氧化碳酸度=碳酸盐总量00.20.40.60.812.04.06.08.010.012.014.0pHaa0a1a2甲基橙变色酚酞变色—H2CO3—HCO3-—CO32-例2——已知碱度和pH，求各物种浓度已知水体的总碱度为1.00×10-3mol/L，计算pH8和pH10时水中H2CO3、HCO3-、CO32-浓度（假定只由它们构成碱度）233Alk[HCO]2[CO][OH][H]T1T2c2c[][]wKAlkHH再根据离解常数和pH分别得到-4.65-53231-2--5.33-6233[HCO][H][HCO]102.2410mol/LKK[HCO][CO]104.6810mol/L[H]解答pH=8时，碱度以HCO3-为主，所以可假定--33[HCO]1.0010mol/L从结果看，所设假定合理因为[OH-]=10-4mol/L解答（续）pH=10时，碱度由HCO3-,CO32-和OH-组成-2---333[HCO]2[CO][OH]1.0010mol/L-2--433[HCO]2[CO]9.0010mol/L-10.33-2--2333310K[HCO]10[HCO][CO]0.468[HCO][H]1043243[HCO]4.6510mol/L[CO]2.1710mol/L例3某25℃的水样100mL需要10mL0.02mol/L的硫酸使其pH值下降到4.3；同样体积的水样需要4mL0.02mol/L的NaOH使其pH上升到8.3。假定碱度和酸度都只是由碳酸盐物种、H+和OH-引起的。计算总无机碳的含量、初始pH和各碳酸盐物种的浓度解答：总碱度T1T2c2c[][]wKAlkHH-3=1010mL0.02mol/L2/100mL4mmol/L二氧化碳酸度碳酸盐总量=总碱度+二氧化碳酸度=4.8mmol/L4mL0.02mol/L/100mL0.8mol/L假定一个pH值，试算，直到上式成立!例4已知水体的pH7.0，碱度为1.4mmol/L，假设该体系为封闭体系，且碱度由碳酸盐物质和OH-组成，计算：（1）pH调至6.0所需加的酸量？（2）pH调至9.0所需加的碱量？封闭体系中无论加强酸或强碱，CT不变；碱度变化值为应加酸量或加碱量233wT12Alk[HCO]2[CO][OH][H]K=c(2)[H][H]1121121222112K[H][H]K[H]KKKK[H]K[H]KK初始碱度与pH6时碱度差pH=9时同样方法计算CT求算pH6时3.一些引起碱度变化的反应光合作用、呼吸作用2244210626311016121061610810714CONHHPOHOCHONPOH光合呼吸2234210626311016121061612218138CONOHPOHOHCHONPO光合呼吸2222()nnCOnHOCHOnO光合呼吸4232NH2ONOHO2H硝化、反硝化232225CHO4NO4H5CO2N7HO通常，氧化导致碱度下降，还原导致碱度上升24222SO2CHOH2COHSHO硫酸盐还原、硫化物氧化222234157()()()4242FeSsOHOFeOHsHSO例5某一水的总碱度为1.65mmol/L,pH为8.0。此水用Cl2(g)来处理以便将NH3(aq)氧化为氮气（折点氯化）。假如初始的氨氮（以氮计）浓度为3.5mg/L，氨的氧化反应为求处理后的pH、总碱度。如果处理后的水要将其pH调整到9.0，而且要使碳酸盐总量为2.0mmol/L，问如何用NaOH和NaHCO3调节？-3222NH3ClN(g)6H6Cl解答：初始水样pH=8.0，总碱度为1.65mmol/L，主要为HCO3-。即Tc1.65mmol/L1mol氨氧化产生3mol酸，3.5mg/L氨氮产生0.75mmol/L酸，即碱度下降0.75mmol/L，碱度变为0.90mmol/L，cT不变，由此求得α1，再求得pH。解答（续）要调节到pH=9.0，cT=2mmol/L，用NaHCO3增加cT，应投加0.35mmol/L，这同时增加碱度0.35mmol/L。计算pH=9.0和cT=2mmol/L时的碱度，求所缺的碱度，由NaOH补足。例6：好氧呼吸导致的pH变化已知初始TOC浓度为6mg/L，pH=6.9，碱度为1.2mmol/L。如果发生好氧呼吸，水中的有机物全部分解，且释放出NH4+，请求出最终的pH值。1062631101612224421071410616108CHONPOHCONHHPOHO好氧呼吸解答：假定好氧呼吸按以下反应进行：第一步：CO2生成溶解在水中，导致CT增加，碱度不变，引起pH变化第二步：由于消耗H+，导致碱度上升，此时CT不变，引起pH变化Lossofoddoxygenbetween30and40kmispredictedtobedominantedbytheNOxcycle;ataltitudesabove50km,HOxcyclesdominateoddoxygenloss.据预测，30-4