环境化学原理-1-4精品PPT课件

CO32- + H+ pKa2 = 10.33
在水体碳酸盐平衡体系中，H2CO3*、HCO3-、
CO32-三种形态浓度比率
、0
和
1
分别可表达
2
为：
0 = [H2CO3* ]/{[H2CO3* ]+[HCO3- ]+[CO32-]}
1 = [HCO3-]/{[H2CO3* ]+[HCO3- ]+[CO32-]} 2 = [CO32-]/{[H2CO3* ]+[HCO3- ]+[CO32-]}
由于甲基橙碱度包含总碱度所定义的所 有碱性物质，故甲基橙碱度实际上就是总 碱度。其化学反应的计量关系式如下：
H+ + OH-
2H+ + CO32H+ + HCO3-
H2O H2CO3
H2CO3
即：甲基橙碱度=总碱度
= [HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]
酚酞碱度
如果滴定碱性物质时是以酚酞作为指示 剂，当溶液的pH值降到8.3时，表示OH-被中 和，CO32-全部转化为HCO3-，而这时HCO3不被中和，这时所得碱度称为酚酞碱度：
（3）开放体系：[HCO3-]、[CO32-]和cT 均随pH值的改变而变化，但[H2CO3*]总是保 持与大气相平衡的固定值。
（二）天然水的碱度和酸度
碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸 发生中和反应的全部物质，即能接受质 子H+的物质总量，这里指的碱度即水体 的总碱度。
酸 度 (Acidity) 是 指 水 中 能 与 强 碱 发 生中和反应的全部物质，即放出H+或经 水解能产生H+的物质的总量，这里指的 酸度即水体的总酸度。
同样也可根据溶液质子平衡条件，得到酸 度的表达式：
总酸度 = [H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-] (测定终点：pH10.8)
CO2酸度 = [H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-] (测定终点： pH8.3，酚酞作指示剂)
无机酸度 = [H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-] (测定终点： pH4.3，甲基橙作指示剂)
KH
pCO 2
开放体系的碳酸平衡
pKa0
pKa1
lgc
-1
pKa2
-2
-3 H+
-4
CT
CO32-
OH-
-5 H2CO3*
-6
HCO3-7
-8
真实H2CO3
4
5
6
7
8
9 10 11
pH
图3-3 开放体系的碳酸平衡
碳酸形态平衡的特点：
（1） 0 + 1 + 2 = 1
（2）封闭体系：[H2CO3*]、[HCO3-]和 [CO32-]等随pH值变化而改变，但碳酸物质总 量cT始终保持不变；
酚酞碱度 = [CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]
荷性碱度 中和水中OH-，滴定达到终点时CO32-并
未反应，这时水中碱度称为苛性碱度。
因为无合适指示剂判断终点，所以苛性碱度不 易直接测得。若已知总碱度和酚酞碱度，就可用计 算方法确定苛性碱度。苛性碱度表达式为：
苛性碱度 = [OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+] (苛性碱度 = 2 酚酞碱度- 总碱度)
定义或计算水体的总碱度和总酸度的意义：
（1）水环境化学中涉及的许多计算都与 酸碱度有关；
（2）水体中的一些生物化学反应的最终 结果是与水体的酸碱度联系在一起的。
如沉水植物白天的光合作用要消耗水体 的CO2，而水体中的CO2通常以HCO3-形式存 在，植物吸收了HCO3-，必然要释放出OH-， 使水体pH上升，而晚间植物的呼吸作用会造 成水体的酸度升高，pH降低。
作为开放体系[CO2(aq)]=KH ·pCO2
溶液中，碳酸形态总量相应为：
[H2CO3*] = [CO2(aq)] = cT 0
cT
[CO2 (aq)]/0
1
0
KH
pCO 2
[HCO3 ]
cT1
1 0
KH
pCO2
K a1 [H ]
K
H
pCO2
[CO32 ] cT2
2 0
KH
pCO2
K a1K a 2 [H ]2
第二节 天然水中的化学平衡
一、酸碱平衡
（一）碳酸平衡
水体中CO2的存在是非常重要的： （1）调节天然水的pH和组成； （2）水体中的许多物质可以通过碳 酸盐的沉淀反应变为沉积物而从水中除 去； （3）提供水生生物碳营养。
■ 水中碳酸平衡关系
水体碳酸物质存在着4种化合态(形态)： CO2、H2CO3、HCO3-和CO32实 际 上 ， 天 然 水 体 中 H2CO3 含 量 极
■ 天然水体碱化过程
(1) 水体中水生生物快速生长,破坏了水体中 碳酸氢盐的水解平衡(光合作用), 水中氢氧根离 子增加，pH提高，总碱度也随之增加；
(2)湖库底质盐碱土和草甸土的碳酸氢盐以 及碳酸盐的平衡释放也使水体的碳酸氢盐得到外 源补充。周而复始使水体的碳酸盐碱度和总碱度 不断增加，pH也逐步增高。
低，主要是溶解性的CO2，因此常把水中 的CO2和H2CO3合并为H2CO3*。
水中H2*CO3（CO2）—HCO3—CO32-体系可用下面的反应和平衡 常数(25℃)表示：
CO2(aq) + H2O
H2CO3 pK0 = 1.46
H2CO3*
HCO3- + H+ pKa1 = 6.35
HCO3-
其中：0 +1 + 2 = 1 , 即 100%
若用cT表示水中碳酸物质总量，则有
[H2CO3*] = cT 0
[HCO3-] = cT 1
[CO32-] = cT 2
0
(1
K a1 [H ]
K a1K a 2 [H ]2
)1
1
(1
[H ] K a1
[KHa2])1
2
(1
[H ]2 K a1K a 2
■用溶液质子平衡条件表示的总 碱度定义式：
总碱度 = [HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]
■ 总碱度的测定
总碱度为加强酸中和水中OH-，并使其 中HCO3-和CO32-全部转化为CO2所需的总 酸量。
在实际中，加入的酸量与相应的重点有关。 如用甲基橙为指标剂判断终点（pH约4.3）， 此时所得的结果称为甲基橙碱度。
[H ])1 Ka2
封闭体系的碳酸平衡（视H2CO3为非挥发酸，且
不受大气中CO2含量的影响）
100
80
60
pH=6.35=pKa1
பைடு நூலகம்
pH=10.33=pKa2
CO2+H2CO3
0
HCO31
CO32-
2
40
20
02
4
6
8
10
12
pH
pH=1/2(pKa1+pKa2)=8.34
图3-2 碳酸形态分布图