3.1第三章 水环境化学-1
环境化学第三章水
二节 气体在水中的溶解性
水的质量特征：
• 酸度和碱度
第一节 概述
• 盐度和氯度:1千克水中碳酸盐转变为氧化物、溴化物 和碘化物转变为氯化物、有机物完全氧化后所含固体 的总克数。
• 硬度 • 溶氧量：25℃时的饱和浓度
[O2 (aq)] = 2.6×10-3 mol/L = 8.32 mg/L
• 清度和色度
化合物直接与 pH值有关，实际涉及到水解和羟基配合物的平
衡过程，该过程往往复杂多变，这里用强电解质的最简单关 系式表述： Me(OH)n(s) → Men+ + nOH根据溶度积表达式 可导出金属离子浓度 等号两边取负对数： Ksp = [Men+][OH-]n [Men+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn -lg[Men+] =－lgKsp－nlg[H+] + nlgKw (3-21)
HS- → H+ + S2则总反应： H2S →2 H+ + S2-
K2= 1.3×10-15
K1,2=K1K2=1.16×10-22
三、溶解沉淀平衡
在饱和水溶液中，H2S浓度总是保持在0.1mol/L，则 [H+]2[S2-] = K1,2×[H2S] = 1.16×10-22×0.1 = 1.16×10-23 由于在水溶液中 H 2 S 的二级电离甚微，故可近似认为 [H+] = [HS-]，因此可求得溶液中[S2-]浓度：
三、溶解沉淀平衡
第二节 天然水中的平衡
溶解和沉淀是污染物在水环境中迁移的重要途径，一般金
属化合物在水中迁移能力，直观地可以用溶解度来衡量。
溶解度小者，迁移能力小； 溶解度大者，迁移能力大。 在固—液平衡体系中，需用溶度积来表征溶解度。
第三章 水环境化学-1
37
1.2 天然水的基本特征
计算25 ℃饱和水中CO2的溶解度。
25℃时 [O2(aq)]= 8.32 mg/L
30
1.2 天然水的基本特征
溶解的气体成分
¾ 主要气体有：N2、O2、CO2、H2S 等
气体 mg/L
海水中主要溶解气体的含量范围
O2
N2
CO2 H2S
Ar
0-8.5 8.4-14.5 34-56 0-12 0.2-0.4
31
1.2 天然水的基本特征
链接2：东湖水污染严7重
水环境化学
研究化学物质在天然水体中的分布、 形态、反应机理、迁移转化、归趋的规律 与化学行为及其对生态环境的影响。
存在、运动、效应
8
全球水循环示意图
9
本章要点
¾水的结构与性质、天然水的基本特征； ¾水中重要污染物存在形态及分布； ¾污染物在水环境中的迁移转化原理及水质模型。
[H+]=[HCO3-] [H+]2/([CO2]CӨ)=K1=4.45×10-7
38
1.2 天然水的基本特征
计算25 ℃饱和水中CO2的溶解度。 [H+]=（1.028×10-5×4.45×10-7）0.5 mol/L
= 2.14×10-6 mol/L pH= 5.67 CO2在水中的溶解度为:
¾ 自养生物利用太阳能或化学能，把简单的无机元素 引至复杂的生物分子中组成生命体。
(完整版)第三章水环境化学答案
第三章水环境化学1、请推导出封闭和开放体系碳酸平衡中[H 2CO 3*]、[HCO 3-]和[CO 32-]的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。
解: 开放体系，考虑到CO 2在气液相之间的平衡，[H 2CO 3*] 不变根据亨利定律： [CO 2(aq)] = K H Pco 2 lg[H 2CO 3*] ≈ lg[CO 2(aq)] = lg K H + lg Pco 2 = - 4.9lg[HCO 3-] = lg K 1 + lg [H 2CO 3*] + pH= -11.3 + pHlg[CO 32-] = lgK 1 + lgK 2 + lg[H 2CO 3*] + 2pH= -21.6 + 2pH*][][][*][]][[32133231CO H H K HCO CO H HCO H K +--+==*][][][*][][][32221233223221CO H H KK CO CO H CO H K K +--+⋅==⋅][][][233*32--++=CO HCO CO H C T 是常数。
的总和为各种碳酸化合态浓度假设,T C TC HCO ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=31αTC CO ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=232αTC CO H ⎥⎦⎤⎢⎣⎡*=320α122122][][1(-+++=K H K K H α1211)][][1(-++++=H K K H α122110][][1(-++++=H K K H K α*][][][*][]][[32133231CO H H K HCO CO H HCO H K +--+==*][][][*][][][32221233223221CO H H K K CO CO H CO H K K +--+⋅==⋅][][][][21233*32+--H K K CO HCO C CO H T 和含有的表示式，，为变量表示以:,][],[*],[21023332得到，，代入把αααT C CO HCO CO H --eg oo d 2、请导出总酸度、CO 2酸度、无机酸度、总碱度、酚酞碱度和苛性碱度的表达式作为总碳酸量和分布系数（α）的函数。
3.1.2天然水的基本特征(1)
第三章：水环境化学——天然水的性质第三章：水环境化学——天然水的基本特征以及污染物存在形态一、水和水分子结构的特异性二、天然水的基本特征1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）2、天然水的化学特征3、天然水的性质（1）碳酸盐系统（2）酸度和碱度（3）天然水的缓冲能力● 缓冲溶液能够抵御外界的影响，使其组分保持一定的稳定性，pH 缓冲溶液能够在一定程度上保持pH 不变化。
● 天然水体的pH 值一般在6-9之间，而且对于某一水体，其pH 几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。
● 一般认为各种碳酸盐化合物是控制水体pH 值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。
但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH 值也有着重要作用。
● 但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。
因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。
对于碳酸水体系，当pH<8.3时，可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH 值可由下式确定：][][lg 3*321--=HCO CO H pK pH如果向水体投入△B 量的碱性废水时，相应由△B 量H 2CO 3*转化为HCO 3-，水体pH 升高为pH ＇,则：B HCO BCO H pK pH ∆+∆--=-][][lg 3*321＇水体中pH 变化为△pH=pH ＇-pH ，即：][][lg ][][lg 3*323*32--+∆+∆--=∆HCO CO H B HCO BCO H pH由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质就是[HCO 3-]，因此经常情况下，可以把[HCO 3-]作为碱度。
若把[HCO 3-]作为水的碱度，[H 2CO 3*]作为水中游离碳酸[CO 2]，就可推出：△B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH )△pH 即为相应改变的pH 值。
第三章水环境化学
TDS=[K++Na++Ca2++Mg2+]+[HCO3-+NO3-+Cl-+SO42-
2、天然水的性质
(Characteristic of Natural Waters) （1）碳酸平衡(Balance of H2CO3) 水体中存在四种化合态：
CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3
第三章 水环境化学
(Water Environmental Chemistry)
本章重点
1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、 配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理;
2、计算水体中金属存在形态;
3、pE计算;
4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、 挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的 计算方法。
农药
有机氯 有机磷
多氯联苯 (PCBS) 卤代脂肪烃 醚
单环芳香族化合物 苯酚类和甲酚类 酞酸酯类 多环芳烃（PAH) 亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物 (Metal Pollutant)
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be
第二节 水中无机污染物的迁移转化
强酸 弱酸 强酸弱碱盐
总酸度= [H+]+ [ HCO3-] +2[H2CO3*] - [ OH-] CO2酸度= [H+]+ [H2CO3*] - [CO32-] - [ OH-] 无机酸度= [H+]- [ HCO3-]-2 [CO32-] - [ OH-]
二、水中污染物的分布及存在形态
1、有机污染物 (Organic Pollutant)
环境化学课件第三章 水环境化学
图 水环境体系（水体）
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水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制 、迁移转化和归趋的规律及其化学行为对生态环境的影响。水环 境化学是环境化学的重要组成部分，为水污染控制和水资源的保 护提供了科学依据。
水环境化学研究的领域包括河口、海洋、河流、湖泊等。
研究的特点是： （1）体系非常复杂 离子、分子、胶体微粒 （2）界面现象突出、重要 重金属、有机物附着在胶体微粒面
海湾 海
大洋 海洋沉积物间隙水
DP Dg K
P 0
水循环 Water cycle
1.水的自然循环： 特点：①由降雨量自然循环的大致尺度
②水的性质基本不变 2.水的社会循环 特点：①工业与生活污水的产生与排放是主
要的污染源 ②水的性质不断变化
水资源的主要问题
●我国水资源人均和亩均水量少； ●水资源在地区分布上很不均匀，水土资源 组合不平衡 ●水量年内及年际变化大，水旱灾害频繁 ●水土流失严重，许多河流含沙量大； ●我国水资源开发利用各地很不均衡
第三章 水环境化学 Aquatic chemistry
知识点：认识天然水的基本特征和污染物的分布形 态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学 会建立水质模型
重 点：水中污染物的迁移和转化规律 难 点：水质模型的建立
水圈：Hydrosphere 1978年.R.A.Horne
环境化学：第三章 水环境化学 1
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
②
CO2的溶解度
已知： 干空气中CO2的含量为0.0314%（体积），水
在25℃时蒸气压为0.03167×105 Pa， CO2的亨利定律
常数是3.34×10-7mol/(L·Pa) (25℃), CO2溶于水后发生
的化学反应是：
CO2+H2O = H++HCO3-
CO32-
60
α 40
20
0
2
4
6
8
10
pH
图3-1 碳酸化合态分布图
12
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
对于开放体系，应考虑大气交换过程：
[CO 2 (aq)] K H pCO 2
CT [CO 2 (aq)] / 0
1
0
K H pCO 2
1
K1
[HCO ] CT 1
人均水资源量相当于世界人均量的1/4。已经被联合
国列为13个贫水国家之一。
第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
一、天然水的基本特征
1.天然水的组成
天然水体——包括水、水中的溶解物、悬浮物
以及底泥和水生生物。
天然水的组成按形态分为：可溶性物质和悬浮物质。
悬浮物质包括：
悬浮物、颗粒物、水生生物等。
一般情况下，天然水中存在的气体有O2、CO2、
H2S、N2和CH4等。
表3-2 海水中主要溶解气体的含量范围
气体
含量范围
/mg·L-1
O2
0~8.5
N2
CO2
H2S
Ar
8.4~14.5
第三章-环境水化学1
ＴＤＳ＝［ K+＋Na+＋Ca2+＋Mg2+］
＋［HCO3-＋Cl-＋SO42-］
（２）水中的金属离子：可通过酸-碱、沉淀、配 合及氧化-还原等化学反应达到最稳定的状态。 水中可溶性金属离子可以多种形态存在。这些 形态在中性水体中的浓度可通过平衡常数加以计 算： Kc Θ =
[G]g ·[D]d [A]a · b [B]
无机酸度
酸度
总酸度 苛性碱度
碱度
cT ,CO3 CO32
pH 10 11
碳酸盐碱度 总碱度
cT ,CO3 CO32 pH=10 11 cT ,CO3 HCO3 pH=8.3 cT ,CO3 H 2 CO pH=4.5
1929年美国合成，我国70年代开始生产 主要用途： 用作润滑材料、增塑剂、杀菌剂、 热载体及变压器油等。 危害：可燃、高毒 辛醇-水分配系数（Kow） ：有机化合物在水 和N-辛醇两相平衡浓度之比。辛醇对有机物的 分配与有机物在土壤有质的分配极为相似，分配 系数的数值越大，有机物在有机相中溶解度也越 大，即在水中的溶解度越小。
aA + bB
Kc Θ =
gG + dD
[G]g ·[D]d [A]a · b [B]
本章内容：
1、天然水的基本特征及污染物的存在形式 2、水中无机污染物的迁移转化 3、水中有机污染物的迁移转化
第一节 天然水的基本特征及污染物的存 在形态
一、天然水的基本特征 1.天然水的组成 天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质 （包括悬浮物、颗粒物、水生生物等）。 可溶性物质主要是地壳矿物质。
如果滴定是以酚酞作为指示剂，当溶液的pH值达 到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为 HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，因此，得到 酚酞碱度的表示式： 酚酞碱度= [ CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+] 达到pH CO32- 所需酸量时的碱度称为苛性碱度。
环境化学-第三章-水环境化学-第二节-水中无机污染物的迁移转化
（c）之间的关系可用吸附等温线表达。
Henry 型等温线为直线型
G = k ·c
k：分配系数
Freundlich 型等温线
G = k ·c ·exp(1/n) lgG = lgk + 1/n lgc
Langmuir 型等温线
G = G0·c /(A+c)
1/G = 1/G0 + (A/ G0)(1/c)
①不同离子强度有不同VR曲线，呈指数下降； ②VA与粒子强度无关，只随颗粒间的距离变化； ③不同离子强度有不同的VT曲线；离子强度较小时，综合位能曲 线上出现较大位能峰，排斥力占优势，体系保持分散稳定状态；
离子强度较大时，双电层被压缩，Vmax 降低，一部分颗粒可能超 越该位能峰。
2、异体凝聚理论
②范德化引力和静电排斥力是仅有的作用因素 ③没有化学专属吸附作用 颗粒在水溶液中进行热运动，其平均动能为3/2 kT （2）理论描述 总的综合作用位能：VT = VR + VA VA——由范德华力产生的位能 VR——由静电排斥力所产生的位能
VHale Waihona Puke VRVTVmax
VA
d 两个离子靠得 很近时，要考 虑水化膜阻力
专属吸附：指在吸附过程中，除了化学键作用外，尚有加 强的憎水键和范德华力或氢键作用。该作用不单可以使表 面点荷改变符号，还可以使离子化合物吸附在同号电荷的 表面上。
项目 作用
离子交换吸附 离子交换作用
电性 表面电荷 动力学
同种电性不发生 不变
快速可逆
专属吸附
范德化力、化学键、氢键、 增水键
同种电性发生 可变
G0——单位表面上达到饱和时间的最大吸附量；
A——常数。
《环境化学》第三章 水环境化学
d) 水体悬浮沉积物：水体中胶体物质聚集体。矿物微粒为 骨架，有机物和水合物结合在表面
e) 藻类、细菌、病毒、油迹、表面活性物质
一、颗粒物与水之间的迁移
二、水中颗粒物的聚集
异体凝聚理论
适用于处理物质本性不同、粒径不等、电荷符号不同、电位 高低不等之类的分散体系
电性相异的胶粒相接近，吸引力占优势 电性相同的胶粒相接近，位能最大值取决于荷电较弱而
电位较低的一方。 只要有一种的稳定性甚低而电位达到临界状态，就必然
发生快速凝集
二、水中颗粒物的聚集
口沉积物氧化还原电位降低 ③ 降低pH值, 导致碳酸盐和
氢氧化物溶解 ④ 增加水中配合剂的含量, 稳
定的配合物的形成导致重金 属元素的形态变化
二、水中颗粒物的聚集
凝集：由电解质促成的胶体颗粒聚集 絮凝：由聚合物促成的胶体颗粒聚集
DLVO理论——解释胶体聚集的理论
DLVO理论假设： a) 胶粒为粒度相等的球体 b) 引力：多分子范德华力(VA) c) 斥力：扩散双电层排斥力(VR)（静电+水化膜） d) 胶粒间的综合位能： VT = VR + VA
(1)
Fe3+ + 2H2O ＝ 2H+ + Fe(OH)2+
(2)
H++OH-=H2O
(3)
Fe(OH)3(s) ＝ Fe(OH)2+ + OH-
(4)
lgK4=lgK1+lgK2+2lgK3=(-38)+(-6.74)+214=-16.74
水环境化学-第三章 天然水的主要离子(专业知识模板)
第三章天然水的主要离子第一节水的硬度及钙镁离子一、水硬度的概念及表示单位硬度是指水中二价及多价离子含量的总和。
这些离子包括Ca2+, Mg2+、Fe2+、Mn2+、Fe3+、Al3+等。
构成天然水硬度的主要离子是Ca2+, Mg2+，一般都以这两种离子的含量来计算硬度。
表示水硬度的单位有很多种，目前应用较多的有以下三种：1)毫摩/升（mmol/L）这个单位以1L水中含有的形成硬度离子的物质的量之和来表示。
为常用硬度单位。
2)毫克/升(CaCO3) 以1L水中所含有的与形成硬度离子的量所相当的CaCO3的质量表示，符号为mg/L (CaCO3)。
3)德国度(°H G) 此单位是将水中的Ca2+和Mg2+含量换算为相当的CaO量后，以1L水中含10mgCaO为1德国度(°H G)。
以上三个水硬度单位的换算关系为：1mmol/L =2.804德国度=50.05 mg/L (CaCO3)二、天然水的硬度与Ca2+, Mg2+（一）钙、镁钙在天然水中主要以Ca2+离子形式存在，是天然水中重要的离子。
钙的来源主要有含石膏地层中CaSO4 2H2O的溶解，白云石（CaCO3 MgCO3),方解石（CaCO3）在水和CO2作用下的溶解等。
地面水中，含钙量少的只有每升数毫克。
海水含钙量较多。
钙是多数淡水中含量最多的阳离子。
随着含盐量的增加，其含量也增加，但由于其易生成碳酸钙沉淀，使积累减慢，以致钠、镁的含量在盐度高的水中就大大超过钙。
镁存在于所有的天然水中，含量仅次于钠或钙，常居阳离子第二。
多数淡水中，1-40 mg/L。
（二）天然水的硬度主要是由Ca2+, Mg2+离子形成的。
考虑到水中与硬度共存的阴离子的组成，可将硬度分为碳酸盐硬度与非碳酸盐硬度。
1)碳酸盐硬度是指水中与HCO3-及CO32-所对应的硬度。
这种硬度在水加热煮沸后，绝大部分可以因生成CaCO3沉淀而除去，故又称为暂时硬度。
2)非碳酸盐硬度是对应于硫酸盐和氯化物的硬度，即由钙镁的硫酸盐、氯化物形成的硬度。
第三章 水环境化学
pKc1
pKc2
结论：
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ pH<<pKc1 pH=pKc1 pH=pKc2 pH>>pKc2 pH=1/2(pKc1+pkc2) H2CO3* αH2CO3*=αHCO3αHCO3-=αCO32CO32HCO3-
3：开放碳酸体系
= -21.6 + 2pH
由以上方程式作lgc—pH图可看出
3. 碱度的测定：
（原理: 中和滴定法，根据消耗的酸量求出）
c V 1000 碱度（mmol/L ） Vs 单位：mmol[H ]/L
式中：Vs——水样体积）(mL) c——HCl浓度（mol/L) V——HCl体积（mL）
思考：碱度和碱性的区别
例如:若一个天然水的pH为7.0，碱度为1.4mmo1/l， 求需加多少酸才能把水体的pH降低到6.0。
二、水体中的污染物
病原体污染物
耗氧污染物 植物营养物 石油类污染物 放射性物质
酸、碱、盐无机污染物
热污染
有毒污染物
(1)重金属
(2)无机阴离子 (3)有机农药、多氯联苯 (4)致癌物质 (5)一般有机物质
三、水体中的污染物的运动过程
大气降落物 污水排入
1.稀释、扩散过程
3.转化过程
溶解在天然水中的物质
1、主要离子 主要阳离子有: Ca2+、Mg2+、Na+、K+。 主要阴离子有： Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-。 这八种离子可占水中溶解固体总量的95%～99%以上。 陆地水中下列成分的含量顺序一般为： HCO3- ＞SO42- ＞Cl-，Ca2+ ＞Na+ ＞Mg2+ 海水中相应的含量顺序为： Cl- ＞SO42- ＞HCO3-，Na+ ＞Mg2+ ＞Ca2+。
第三章 水环境化学习题解答
第三章水环境化学一、填空题1、天然水体中常见的八大离子包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。
2、天然水体中的碳酸平衡体系a0、a1、a2分别表示[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]的分配系数，其表达式分别为：（用pH\K1\K2表达）:a 0=[H2CO3*]/{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}=[H+]2/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}a 1=[ HCO3-] /{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}= K1[H+]/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}a 2=[ CO32-] /{[ H2CO3*]+[ HCO3-]+[ CO32-]}= K1K2/{[H+]2+K1[H+]+K1K2}。
(注：此三个公式前半段教材119-120页有错误！)a 0+a1+a2=13、根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总酸度=[H+]+2[ H2CO3*]+[HCO3-]-[OH-]；CO2酸度= [H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]（注：教材121此公式错误），无机酸度= [H+]-[HCO3-]-2[CO32-] -[OH-] 。
4、根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总碱度= [OH-] +2[CO32-]+[HCO3-]-[H+]；酚酞碱度= [OH-] +[CO32-]-[H+]-[ H2CO3*]；苛性碱度= [OH-] -2[ H2CO3*]-[HCO3-]-[H+]。
5、“骨痛病事件”的污染物是镉；水俣病的污染物是汞（或甲基汞）。
6、水体的富营养化程度一般可用总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a、透明度等指标来衡量。
7、水环境中氧气充足的条件下有机物发生的生物降解称为有氧（或好氧）降解，最终产物主要为二氧化碳和水，有机氮转化为硝酸根，有机硫转化为硫酸根。
水中的有机物在无氧条件经微生物分解，称为厌氧降解，降解产物除二氧化碳和水外，还有小分子的醇、酮、醛、酸等，无机态氮主要以氨氮存在、硫主要以硫化物存在，水体发臭发黑。
资源与环境化学 第三章 第一部分(天然水组成与化学平衡)
不同温度下气体在水中的溶解度：Clausius-Clapeyron方程
C2 H 1 1 lg ( ) C1 2.303 R T1 T2 C1 , C2 为绝对温度为T1 , T2时气体在水中的溶解度 H 溶解热， J/mol R 气体常数,8.314 J/mol K
《资源与环境化学》 第三章 水环境化学
第三章 水环境化学
Chapter 3. Aquatic Environmental Chemistry
第一部分 天然水的组成与化学平衡
主讲：刘耀驰
中南大学化学化工学院
第1页
《资源与环境化学》 第三章 水环境化学
本章重点
无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化还原、配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基 本原理； 计算水体中金属存在形态;
《资源与环境化学》 第三章 水环境化学
(3) 气体在水中的溶解性
亨利定律：大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：
kH 是各种气体在一定温度 下的亨利定律常数 (mol/L· Pa)，pg为分压
[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量，可以大大高于亨利定律表示的量
K2
2 ] [H ][CO 3 -] [HCO 3
K1[H 2CO3 ] [HCO 3 ] [H ] 2 ] K 2 K1[H 2CO3 ] [CO3 [H ]
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《资源与环境化学》 第三章 水环境化学
(4) 水生生物
生态系统、食物链中的一个重要环节； 生产者、消费者、分解者； 自养生物、异养生物； 生产率、富营养化、C、N、P
第11页
03-1环境化学第三章__水环境化学
由于k2特别小，所以只考虑一级电离方程，可得：
[H+]=[HCO3-]
[H+]2/[CO2]= K1=4.45×10-7 [H+]=(1.03×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol/L 故CO2在水中的溶解度为[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol/L。
4、水生生物
水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代
谢、摄取、转化、存储和释放等。
从生态学角度看，藻类是水体中的生产者，藻类的生
成和分解就是在水体中进行光合作用 (P)和呼吸作用 (R) 的一典型过程，可用一简单的化学计量关系表征：
106CO2 16NO3 HPO42 122H2O 18H（ +痕量元素和能量）
过平衡常数加以计算：
Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+
[Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=K1
Fe3++2H2O=Fe(OH)2+ +2H+ [Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+]=K2 2Fe3++2H2O=Fe2(OH)24+2H+ [Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=K3
解：由于酸碱反应十分迅速，因此可以用封闭体系的 方法进行计算：
pH=8.3 时 , 河水中主要的碳酸盐为 HCO3- ，因此可以假设此时 [HCO3-]=CTC=3×10-3molL-1， 如果排入酸性废水 ，则将会使河水中的一部分 HCO3- 转化为 H2CO3*，即有反应： HCO3-+H+→H2CO3*
第3章：水环境化学2-1
一、颗粒物与水之间的迁移
1、水中颗粒物的类别
天然水中颗粒物主要包括五大类：矿物、金属水合氧 化物、腐殖质、悬浮物、其他泡沫、表面活性剂等半胶体 以及藻类、细菌、病毒等生物胶体。
（1）非粘土矿物和粘土矿物：都是原生岩石在风化过程 中形成的。
非 粘 土 矿 物 ： 天 然 水 中 常 见 为 石 英 (SiO2) 、 长 石 (KalSi3O8)等，晶体交错，结实、颗粒粗，不易碎裂，缺 乏粘结性（例如沙子主要成分为：SiO2）。
第二节、水中无机污染物的迁移转化
一、颗粒物与水之间的迁移 二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式 三、溶解和沉淀 四、氧化—还原
五、配合作用
无机污染物，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入 水环境，不能被生物降解;
主要通过吸附—解吸、沉淀—溶解、氧化—还原、配合作 用、胶体形成等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和 干扰各种环境化学过程和物质循环过程； 最终以一种或多种形式长期存留在环境中，造成永久性的 潜在危害。 重点介绍重金属污染物在水环境中迁移转化的基本原理。
在水环境中，配合离子、有机离子、有机高分子和无机高 分子的专属吸附作用特别强烈。例如，简单的Al3+、Fe3+高 价离子并不能使胶体电荷因吸附而变号，但其水解产物却 可达到这种效果，这就是发生专属吸附的结果。 水合氧化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，这 种吸附作用发生在胶体双电层的 Stern层中，被吸附的金属 离子进入Stern层后。不能被通常提取交换性阳离子的提取 剂提取，只能被亲和力更强的金属离子取代，或在强酸性 条件下解吸。
粘土矿物：天然水中常见为云母、蒙脱石、高 岭石，层状结构，易于碎裂，颗粒较细，具有粘 结性，可以生成稳定的聚集体。
第三章水环境化学环境化学第二版
第三章水环境化学环境化学第二版
物对溶质的吸附是一个动态平衡过程。
• 在一定的温度条件下，当吸附达到平衡时，颗粒物表面上
的吸附量(G)与溶液中的溶质的平衡浓度之间的关系，可用吸附
等温线表示。 •Henry 型吸附等温线 • G=kc • k------(分配)系数
•G
•Freundlich型吸附等温线
G=kc1/n
• lgG=lgk+1/nlgc
•[OH-] + [HCO3-] + 2[CO32-] = 1.00 × 10-3 mol/L
(1)
•[H+] = 1.00 × 10-10 mol/L; [OH-] = 1.00 × 10-4 mol/L (2)
• (3)
第三章水环境化学环境化学第二版
•第一节 水环境化学基础 •若一个天然水的pH为7.0，碱度为1.4mmol/L，求需加多少酸 才能把水体的pH降低到6.0？ •解：
•
Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe(OH)3
第三章水环境化学环境化学第二版
•第二节 水体中无机污染物的迁移转化
• 腐殖质
•
腐殖质是一种带负电的高分子弱电解质。腐殖质
是生物体物质在土壤、水和沉积物中转化而成。分子量
300-30000。
•
3.1水分子结构天然水基本特征
▪ 矿化过程和矿化度 ➢矿化过程：天然水中主要离子成分的形成过程，称为矿 化过程；
➢矿化度：矿化过程中进入天然水体中的离子成分的总量， 以溶解总固体（TDS-Total dissolved Solid）表示
➢一般天然水中的TDS可以表示为： TDS=[Ca2++Mg2++Na++K++Fe2++Al3+]+[HCO3+SO42-+Cl-+CO32-+NO3-+PO43-]
[Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+]=4.9×10-7 [Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3 假如存在固体Fe(OH)3(s)，则Fe(OH)3(s)+3H+= Fe3++3H2O
[Fe3+]/[H+]3=9.1×103 在 pH=7 时 ： [Fe3+]=9.1×103× （ 1.0×10-7 ） 3=9.1×1018mol/L
CO2·H2O HCO3-+H+ 一级电离
K1
[H][H=C4.O 34]5×10-7molL-1
[CO2 H2O]
HCO3- CO32-+H+ 二级电离
K2
[H=][4C.O6382×] 10-11molL-1
[HCO3]
由于k2特别小，所以只考虑前面两个方程，可得： [H+]=[HCO3-] [H+]2/[CO2]= K1=4.45×10-7 [H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol/L pH=5.67（酸雨判别标准的由来）
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本章重点： 本章重点： 1、无机污染物在水体中进行沉淀 溶解、氧 溶解、 、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解 还原、 解吸、 化-还原、配合作用、吸附 解吸、絮凝 沉淀的基 还原 配合作用、吸附-解吸 絮凝-沉淀的基 本原理 2、计算水体中金属存在形态 、 3、pE计算 、 计算 4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和 、 分配系数、挥发速率、水解速率、 分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生 物降解速率的计算方法
1）天然水中的主要离子组成 ）
天然水中的八大离子： 阳离子： Na+、K+ 、 Ca2+、Mg2+ 、 阳离子 阴离子： 阴离子：HCO3—、 SO42—、Cl—、NO3— 占离子总量的95%—99%。
1）天然水中的主要离子组成 ）
表 水体主要化学特征性指标
硬度 Ca2+ Mg2+ 碱度 HCO3- CO32-
2.2 金属污染物
4）砷：水生生成有机砷。 5）铬：来源于冶炼、电镀、制革、印染等工 业， 6）铜：水体中大量有机和无机颗粒物能强烈 吸附或螯合铜离子，使之最终进入底部沉积物 中。 7）锌：水生生物对锌有很强的吸收能力，因 而使锌向生物体内迁移。
2.1 有机污染物
6）苯酚类和甲酚类 7）酞酸酯类 8）多环芳烃 9）亚硝胺和其他化合物
2.2 金属污染物
1) 镉：除硫化镉外，镉的化合物都溶于水。悬 浮物和沉积物对镉吸附能力强，水生生物有很 强的富集能力。 2）汞：悬浮物和沉积物对汞有强烈的吸附能 力，无机汞由于微生物作用，转化为甲级汞 甲级汞。 甲级汞 通过食物链危害人体健康—水俣病 水俣病 3）铅：来源于矿山开采、金属冶炼、汽车废 气、燃煤、油漆、涂料等
3）气体在水中的溶解性 ）
（b）CO2： 水中存在：HCO3—、CO2， 且 [HCO3—]=[H+]， 由CO2的离解常数K及亨利定律： [CO2] + [HCO3—] =1.028×10-5+2.14×10-6 =1.24×10-5mg/L
4）水生生物 ）
水生生物分为自养生物 异养生物。氧 自养生物和异养生物 自养生物 异养生物。 是决定水中生物种类和数量的关键物质。 生物（生化）需氧量（ 生物（生化）需氧量（BOD）：一定体 ） 积的水中有机物降解所需耗用的氧的量。
第一节 天然水的基本特征 及污染物的存在形态
1、天然水体的基本特征 、 1.1 天然水的组成 1.2 天然水的性质 2、水中污染物的分布和存在形态 、 2.1 有机污染物 2.2金属污染物 金属污染物
1、天然水体的基本特征 、
1.1 天然水的组成 1.2 天然水的性质
1.1 天然水的组成
1）天然水中的主要离子组成 硬度：Ca2+、Mg2+ 酸度：H+ 碱度：HCO3—、CO32—、OH— 碱金属：Na+、K+ 酸根：SO42—、Cl—、NO3—
1.2 天然水的性质
1）碳酸平衡： 对于调节天然水的pH及组成起着重要的 作用。 CO2 + H2O = H2CO3 H2CO3 = HCO3— + H+ HCO3— = CO32— + H+
2）天然水中的碱度和酸度 ）
以甲基橙为指示剂，终点pH=4.3，所以总碱度 也称为甲基橙碱度： 总碱度= 总碱度 [HCO3—] + 2[CO32—] + [OH—] –[H+] 如果以酚酞为指示剂，终点pH=8.3，CO32—全 部转化为HCO3—， 得到的测定值称为酚酞碱度： 酚酞碱度 = [CO32—] + [OH—] –[H2CO3]–[H+]
3）气体在水中的溶解性 ）
服从亨利定律， 即：
[G (aq)] = K H ⋅ pG
但对于和水有化学反应的气体，溶解度 要大的多。如： CO2 +H2O = HCO3— + H+
3）气体在水中的溶解性 ）
（a）O2 溶解度与水的温度、氧在空气中的分压及水 中盐含量有关。 在P0、25℃的水中的溶解度为8.32mg/L， 随温度的升高，氧在水中的溶解度逐渐降低， 如35℃时为：7.03mg/L。
2、水中污染物的分布和存在形态 、
2.1 有机污染物 2.2金属污染物 金属污染物
2.1 有机污染物
1）农药：有机氯、有机磷 2）多氯联苯（PCBs）：不易溶于水，但 易溶于有机溶剂和脂肪。 3）卤代脂肪烃：在水中的溶解度较高。 4）醚类：有七种醚类化合物属美国EPA 优先污染物 5）单环芳香族化合物
2.2 金属污染物
8）铊 9）镍 10）铍
酸度 H+
碱金属 Na+ K+ 酸根
阳离子 阴离子
OH-
SO42- Cl- NO3-
1）天然水中的主要离子组成 ）
水的总含盐量（TDS）： TDS=[ Na+ + K+ + Ca2++ Mg2+] + [HCO3—+ SO42—+ Cl—]
2）水中的金属离子 ）
水中可溶性金属离子可以多种形态存在， 例如铁： Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ 等形式存在。
2）天然水中的碱度和酸度 ）
用碱溶液滴定，当终点pH=10.8时，得到总酸 度，但此时滴定曲线没有明显突跃 没有明显突跃。 没有明显突跃 总酸度= 总酸度 [H+] + [HCO3—] + 2[H2CO3] — [OH—] 如果以酚酞为指示剂，终点pH=8.3，得到CO2 酸度： CO2酸度 = [H+] + [H2CO3] —2[CO32—] — [OH—]