《水环境化学》重点习题及参考答案

《水环境化学》重点习题及参考答案1．请推导出封闭和开放体系碳酸平稳中[H2CO3＊]、[HCO3-]和[CO32 -]的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。

解：

（1）封闭体系（溶解性CO2与大气没有交换）中存在下列平稳

CO2 + H2O H2CO3* pK0=1.46

H2CO3* HCO3- + H+ pK1=6.35

HCO3- CO32- + H+ pK2=10.33

其中K1=[HCO3-][H+] / [H2CO3*] ，K2=[CO32-][H+] / [HCO3-]

用α0、α1和α2分别表示三种碳酸化合态在总量中所占比例，得下面表达式

α0= [H2CO3*]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]}

α1= [HCO3-]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]}

α2= [CO32- ]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]}

把K1、K2的表达式代入以上三式，得

α0= (1 + K1/[H+] + K1K2/[H+]2)-1

α1= (1 + [H+]/ K1 + K2/ [H+] )-1

α2= (1 + [H+]2/ K1K2 + [H+]/ K2)-1

设CT = [H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]，则有

[H2CO3*] = CT(1 + K1/[H+] + K1K2/[H+]2)-1

[HCO3-] = CT(1 + [H+]/ K1 + K2/ [H+] )-1

[CO32- ] = CT(1 + [H+]2/ K1K2 + [H+]/ K2)-1

（2）开放体系中CO2在气相和液相之间平稳，各种碳酸盐化合态的平稳浓度可表示为PCO2和pH的函数。

依亨利定律：[CO2(aq)]＝KH·PCO2

溶液中，碳酸化合态相应为：

CT = [CO2]/ α0= KH·PCO2/ α0

[HCO3-]= (α1/ α0 )KH·PCO2= (K1/[H+])KH·PCO2

[CO32-]= (α2/ α0 ) KH·PCO2= (K1K2/[H+]2)KH·PCO2

（3）比较封闭体系和开放体系可发觉，在封闭体系中，[H2CO3*]、[H CO3-]、[CO32-]等可随pH 值变化，但总的碳酸量CT 始终不变。而关于开放体系CT 、[HCO3-]、[CO32-]均随pH 值改变而变化，但[H2CO3*]总保持与大气相平稳的固定数值。

2．在一个pH 为6.5、碱度为1.6mmol/L 的水体中，若加入碳酸钠使其碱化，咨询需加多少mmol/L 的碳酸钠才能使水体pH 上升至8.0。若用Na OH 强碱进行碱化，又需加入多少碱?

解：总碱度＝KW/ [H+] + CT(α1 + 2α2) - [H+]

CT ＝

2121αα+{[总碱度] + [H+] - [OH-]} 令α＝2121αα+ 当pH 在5～9范畴内、[碱度]≥10-3mol/L 时, [H+]、[OH-]项能够忽略不计,得到简化式：CT ＝α[碱度]

当pH ＝6.5时，查教材P110表得α1＝0.5845，α2＝8.669×10-5，则α＝1.71，CT ＝α[碱度]＝1.71×1.6＝2.736mmol/L

若加入碳酸钠将水的pH 升至8.0，查表得α′＝1.018，现在CT 值与碱度值均有变化。设加入的碳酸钠量为Δ[CO32-]，则有

CT + Δ[CO32-]＝α′｛[碱度] + 2Δ[CO32-]｝

即2.736 + Δ[CO32-]＝1.018｛1.6 + 2Δ[CO32-]｝

解得，Δ[CO32-]＝1.069 mmol/L

若加入氢氧化钠将水的pH 升至8.0，其CT 值并不变化，可得：

[碱度] ＝CT/ α′＝2.736/1.018＝2.688 mmol/L

碱度增加值确实是应加入的氢氧化钠强碱量：

Δ[OH-]＝2.688－1.6＝1.088 mmol/L

3．什么是表面吸附作用、离子交换吸附作用和专属吸附作用？并讲明水合氧化物对金属离子的专属吸附和非专属吸附的区别。

（1）表面吸附：由于胶体表面具有庞大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用。胶体表面积越大，吸附作用越强。

（2）离子交换吸附：环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子。胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，这种作用

称为离子交换吸附作用，属于物理化学吸附。该反应是可逆反应，不受温度阻碍，交换能力与溶质的性质、浓度和吸附剂的性质有关。

（3）专属吸附：指在吸附过程中，除了化学键作用外，尚有加大的憎水键和范德化力或氢键作用。该作用不但能够使表面点荷改变符号，还能够使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。

（4）水合氧化物对金属离子的专属吸附与非金属吸附的区别如下表所示。

4．已知Fe3+与水反应生成的要紧配合物及平稳常数如下：

Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ lgK1＝- 2.16

Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + 2H+ lgK2＝- 6.74

Fe(OH)3(s) Fe3+ + 3OH- lgKso＝- 38

Fe3+ + 4H2O Fe(OH)4- + 4H+ lgK4＝- 23

2Fe3+ + 2H2O Fe2(OH)24+ + 2H+ lgK＝- 2.91

请用pc-pH图表示Fe(OH)3(s)在纯水中的溶解度与pH的关系。

解：

（1）K1＝[Fe(OH)2+][H+]/ [Fe3+]＝[Fe(OH)2+]KW3/Kso[H+]2

p[Fe(OH)2+]＝3 lgKW - lgKso + 2 pH - lgK1＝2 pH - 1.84

（2）K2＝[Fe(OH)2+][H+]2/ [Fe3+]＝[Fe(OH)2+]KW3/Kso[H+]

p[Fe(OH)2+]＝3 lgKW - lgKso + pH - lgK2＝pH + 2.74

（3）Kso＝[Fe3+][OH-]3＝[Fe3+]KW3/[H+]3

p[Fe3+]＝3 lgKW - lgKso + 3 pH＝3 pH - 4