现代环境化学课件

环境介质及性质EnvironmentalMediaandTheirProperty一、自然环境环境化学的研究对象：自然环境。自然环境是人类赖以生存、生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总体，亦简称为环境。大气圈、水圈、土壤圈、生物圈、化学圈化学圈一、自然环境生物圈Biosphere水圈Hydrosphere大气圈Atmosphere土壤圈Pedosphere化学圈Chemosphere二、环境介质(相)环境介质(EnvironmentalMedia),相(Phase，Compartment)环境的组成非常复杂，由一系列彼此相连的环境介质或环境相来组成，如大气、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉积物、湖中悬浮物及水或土壤中的生物体等。连续的介质或相：水、大气...非连续的介质或相：大气颗粒物…相邻的环境介质或相：水体－大气(污染物迁移)、...非相邻的环境介质或相：大气－水体沉积物…二、环境介质(相)容易受到污染的介质或相：表层水、大气...不容易受到污染的介质或相：深海、岩石层…均相：如浅塘中充分混合的水，无浓度梯度、温度梯度；非均相：性质不均一(如土壤、沉积物)某一方向均一(如浅的河流)所有方向都不均一三、臭氧层的形成与耗损FIGURE1.TheAntarcticozoneholereacheditsmaximumonSeptember12,2008.Environ.Sci.Technol.2010,44,1518–1520O2+hvO+O(λ243nm)2O+2O2+M2O3+M臭氧的形成(天然)3O2+hv2O3臭氧层主要分布在距地面10-50km的范围内，峰值浓度在20-25km处。NO2+hvNO+O(λ420nm)O+O2+MO3+M臭氧形成：人为来源之一logελ(nm)43210-1-2-3-4120160200240O2吸收光谱三、臭氧层的形成与耗损动态平衡：生成和耗损的速率相同，臭氧的浓度保持恒定。O3+hvO2+OO3+O2O22O3+hv3O2210λ290nm耗损0246810Ozoneconcentration(ppm)Altitude(km)6040200StratosphereTroposphereVariationwithaltitudeofozoneconcentration三、臭氧层的形成与耗损臭氧层耗损OzoneDepletion由于水蒸气、NOx、氟氯烃等污染物进入平流层，它们能加速臭氧耗损过程，破坏臭氧层的稳定状态。Theyearlyvariationintotalozone(meanvaluesforOctober)overHalleybayStation,Antarctica.............................195619601964196819721976198019841988350325300275250225200175150Totalozone(Dobsonunits)............................195619601964196819721976198019841988350325300275250225200175150Totalozone(Dobsonunits)三、臭氧层的形成与耗损ThetotaloverheadamountofatmosphericozoneatanylocationisusuallyexpressedintermsofDobsonunits(DU);onesuchunitisequivalenttoa0.01mmthicknessofpureozoneatthedensityitwouldpossessifitwerebroughtground-level(1atm)pressure.Thenormalamountofover-headozoneattemperatelatitudesisabout350DU.Becauseofstratosphericwinds,ozoneistransportedfromtropicaltowardpolarregions.Thustheclosertotheequatoryoulive,thelessthetotalamountofozonethatprotectsyoufromultravioletlight.Dobsonunits(D.U.)三、臭氧层的形成与耗损假设可催化臭氧分解的物质为Y，则有如下反应：平流层中NO,NO2的主要天然来源是N2O的氧化：超音速飞机可以排放NO。N2O是无色气体，低层空气中含量最高的含氮化合物，主要是天然来源，惰性较大。N2O+O2NOY+O3YO•+O2YO•+OY+O2O3+O2O2NO+O3NO2+O2NO2+ONO+O2O3+O2O2NOX(NO,NO2)HOX(H,HO•,HO2•)ClOX(Cl,CLO•)Y=三、臭氧层的形成与耗损平流层HOX主要是由H2O,CH4或H2与O反应而生成的。H2O+O2HO•CH4+O•CH3+HO•H2+O•H+•OHHO•+O3HO2•+O2HO2•+OHO•+O2O3+O2O2ClOx的人为来源是制冷剂，如F-11(CFCl3)和F-12(CF2Cl2)，它们在波长175-220nm的紫外光照射下会产生•Cl。CFCl3+hv•CFCl2+•ClCF2Cl2+hv•CF2Cl+•Cl•Cl+O3ClO•+O2ClO•+O•Cl+O2O3+O2O2三、臭氧层的形成与耗损Thestratospherechlorineconcentrationcurrentlyis3.5ppb,whichistwiceasgreatasitwasinthe1970sandsixtimesthebackgroundlevelof0.6ppb,parallelingthegrowthintheuseofCFCs.Inthe1980s,about1milliontonnes(i.e.,metrictons,1000kgeach)ofCFCswerereleasedannuallytotheatmosphere.氟里昂FreonisacommercialtradenameusedbyDuPont,alargecorporationproducingindustrialchemicals,torefertoCFCs---itisatermoftenusedinformallyindiscussionsofenvironmentalairchemistry.freonn.[化]氟里昂，二氯二氟[氟三氯]甲烷（商标名，一种无色气体冷冻剂）三、臭氧层的形成与耗损ThechemicalformulasforindividualCFCs,suchasCFC-11,canbededucedfromtheircodenumberbyadding90.Theresultingdigitscorrespond,respectively,tothenumberofcarbon,hydrogen,andfluorineatomspresentinonemolecule.Forexample,adding90to11gives101,soitfollowsthatCFC-11containsonecarbon,zerohydrogens,andonefluorine.Sincethatthetotalnumberofnoncarbonatomsaddsupto2n+2,wherenisthenumberofcarbons,thenumberofchlorinesinthesesubstitutedalkanescanbededucedbydifference,thatis,bysubtractingfrom2n+2,thenumberofhydrogenplusfluorineatoms.ThusforCFC-11,2n+2=4,sothenumberofchlorineatomsis4-(0+1)=3,anditsformulaisCFCl3.三、臭氧层的形成与耗损温室效应：大气中存在一些温室气体(CO2、CH4)，这些气体可以强烈地吸收波长1200-1630nm的红外辐射，其存在对截留红外辐射能量影响较大。这些气体如同温室的玻璃一样，它允许来自太阳的可见光到达地面，但阻止地面重新辐射出来的红外光返回外空间，因此，这些温室气体起到了单向过滤作用，吸收了地面辐射出来的红外光，把能量截留在大气之中，从而使大气温度升高，这种现象称为温室效应。温室气体的浓度升高？四、温室气体和温室效应温室气体：CO2,CH4,CO,Freon,……MaunsLoa岛本底站测定的大气中CO2的浓度变化(唐孝炎，1990)196019651970197519801985年340330320310CO2(mL/m3)四、温室气体和温室效应气体大气中浓度（μL/m3）年平均增长率（%）二氧化碳3440000.4甲烷16501.0一氧化碳3040.25二氯乙烷0.137.0臭氧不定—CFC110.235.0CFC120.45.0四氯化碳0.1251.0注：本表摘自俊藤搏俊，1990。大气中具有温室效应的气体四、温室气体和温室效应RelativeimportanceofthefivemostimportantgreenhousegasesPercentageofTroposphericWarning(Hansenetal.,1989)01020304050PercentageCO2CFC’sMethaneOzoneNitrousOxide四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应五、天然水的基本组成水溶液中金属离子的表达式通常可以写成Mn+，表示简单的水合金属离子M(H2O)n+。水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁:Fe(OH)2+,Fe(OH)2+,Fe2(OH)24+,Fe3+,……K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,NO3-,Cl-,SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水离子总量的95-99%。1.天然水的主要离子组成水中的金属离子：2.溶解性气体大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：[G(aq)]=KH×pG亨利定律并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应。溶解于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。KH是各种气体在一定温度下的亨利定律常数(mol/L·Pa);五、天然水的基本组成氧在干燥空气中的含量为20.95%，大部分元素氧来自大气。氧在水中的溶解度与水的温度、氧的分压及水中含盐量有关。水在25℃时的蒸汽压为0.03167×105Pa。氧在1.013×105Pa，25℃饱和水中的溶解度：(1)氧在水中的溶解度。，因此其溶解度为氧的分子量为mg/L32.832)mol/L(4106.25102056.081026.1OH)]aq(2O[)Pa(5102056.0%95.20)51003167.0100130.1(O252pKp五、天然水的基本组成；气体常数，；溶解热，；时气体在水中的溶解度为绝对温度为KJ/mol314.8J/mol,,)11(303.2lg21212112RHTTCCTTRHCC不同温度下，气体在水中溶解度的计算：Clausius-Claperyron方程：五、天然水的基本组成CO2在干燥空气中的含量为0.0314%，水在25℃时的蒸汽压为0.03167×105Pa，CO2的亨利定律常数为3.34×10-7mol/L.Pa。则CO2在水中的浓度为：(2)CO2的溶解度)mol/L(510028.18.3081034.3COH)]aq(2CO[)Pa(8.30%0314.0)51003167.01