重金属在水环境中的配合作用
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还原条件 氧化条件
难溶物
铬，矾，硫化合物
易溶物
还原条件
氧化条件
易溶物
铁，锰化合物
难溶物
氧化还原的化学意义
氧化环境与还原环境的交界线可以成为许多元 素的富集地 在还原条件占优势的地下水中含有丰富的Fe2+， 当其流入具氧化性的湖沼时，二价铁变为三价铁化 合物(Fe2O3· nH2O)自溶液中沉淀出来，可以大量 地富集成“湖铁矿”。
有机配位体与重金属离子的配合作用
腐殖质是起配合作用的主要物质
腐殖质与金属离子的螯合反应示意如下：
氧化还原反应
水体中常见的氧化剂
Fe(Ⅲ )、Mn(Ⅳ)、S(Ⅵ)、Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)、溶解氧等
常见的还原剂 Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、S2 －和有机化合物
水体氧化还原条件对重金属的存在形态及其 迁移能力有很大的影响。
无机配位体 羟基的配合作用 氯离子的配合作用 有机配位体
配合作用
无机配位体对重金属的配合作用
羟基对重金属离子的配合作用 羟基对重金属的配合作用实际上是重金属离子的水解反应。 重金属与碱金属、碱土金属不同，能在较低的pH值下水解。 以二价离子为例，羟基与其的配合反应可表示如下： Me2++ OH- === MeOH+ MeOH+ + OH- === Me(OH)2 Me(OH)2 + OH-=== Me(OH)3Me(OH) 3-+ OH- === Me(OH)42K1 K2 K3 K4
黏土矿物对重金属的吸附
离子交换吸附机制
水解吸附机制
离子交换吸附机制
黏土矿物的微粒通过层状结构边缘的羟基氢和-OM基中 M+离子以及层状结构之间的M+离子，与水中的重金属离子 交换而将其吸附。
水解吸附机制
重金属离子先水解，然后夺取黏土矿物微粒 表面的羟基，形成羟基配合物而被吸附： Me2+ + n H2O == Me(OH)n(2-n)+ + n H+ ≡ AOH + Me(OH)n(2-n)+== ≡AMe(OH)n+1(1-n)+
沉淀溶解反应
主要包括以下几种化合物的沉淀溶解平衡反应
1.
氢氧化物 2. 3. 硫化物 碳酸盐
氢氧化物
金属氢氧化物的溶解平衡可表示为： Me(OH)n=== Men+ + nOH- 溶度积为： Ksp=[Men+][OH-]n
一般说来，如果水体中没有其他配位体，大 部分金属离子氢氧化物在pH较高时，其溶解度 较小，迁移能力较弱；若水体pH较小，金属氢 氧化物的溶解度升高，金属离子的迁移能力也 就增大
腐殖质对重金属离子的吸附
腐殖质(Hum)微粒对重金属离子的吸附，主要是通过它对金属离子的螯 合作用和离子交换作用来实现。
重金属浓度高时 重金属浓度低时
以离子交换为主 以络合作用为主
例:Mn2+与腐殖质以离子交换吸附为主，腐殖质对Cu2+、Ni2+以螯合作 用为主，与Zn2+或Co2+则可以同时发生离子交换和螯合作用
絮凝聚沉
胶体微粒的聚沉是指胶体颗粒通过碰撞结合成 聚集体而发生沉淀现象，这现象也称凝聚。 影响胶体聚沉的两个主要因素：
微粒电荷：大量阳离子的存在，可促进胶体凝 聚。 水化膜：水化膜使有机胶体微粒距离增大，分 子间作用力变弱，难以聚沉。
沉淀溶解反应
重金属化合物在水中的溶解度可直观地体现它在水环境 中的迁移能力。 溶解度大者迁移能力大，溶解度小者迁移能力小。 重金属的氯化物和硫酸盐(AgCl、Hg2Cl2、PbSO4等除外) 基本上是可溶的，重金属的碳酸盐、硫化物、氢氧化物却是 难溶的。
水合金属氧化物对重金属离子的吸附
一般认为，水合金属氧化物对重金属离子的吸 附过程是重金属离子在这些颗粒表面发生配位化合 过程，可用下式表示： n≡AOH + Men+== (≡AO)n → Me + n H+ 式中≡代表微粒表面，A代表微粒表面的铁、铝、 硅或锰，Men+为重金属离子，箭头代表配位键。
Hale Waihona Puke 土壤中的重 金属来源大气中重金属的来源
自然来源：
由宇宙天体作用及 地球上各种地质作 用而使某些重金属 元素进入大气中
人为来源：
工业生产、汽车 尾气排放及汽车 轮胎磨损产生的 大量含重金属的 有害气体和粉尘 等。
水体中的重金属来源
1
2
自然因素：
在没有人为污染的情况 下，水体中的重金属的含 量取决于水与土壤、岩石 的相互作用，其值一般很 低，不会对人体健康造成 危害。但，导致水体受到 重金属污染。
氯离子的配合作用 氯离子是天然水体中最常见的阴离子之 一，被认为是较稳定的配合剂，它与金属离 子(以Me2+为例)的反应主要有： Me2++ Cl- ＝ MeCl+ Me2++ 2Cl- ＝ MeCl2 Me2++ 3Cl- ＝ MeCl3-
氯离子配合作用对重金属迁移的影 响主要表现为：
大大提高了难溶重金属化合物的溶 解度。 由于氯络重金属离子的生成，减弱 了胶体对重金属离子的吸附作用。
沉淀溶解的作用
沉淀溶解作用能使水体中重金属离子与相应 的阴离子生成硫化物、碳酸盐等难溶化合物，大 大限制了重金属污染物在水体中的扩散范围，使 重金属主要富集于排污口附近的底泥中，降低了 重金属离子在水中的迁移能力，在某种程度上可 以对水质起净化作用。
配合作用
水体中存在着各种各样的无机配位体、有机 配位体，它们能与重金属离子形成各种络合物或 螯合物，对水体中重金属迁移及生物效应有很大 的影响。
碳酸盐
HCO3-是天然水体中主要阴离子之一，它能与金属离 子形成碳酸盐沉淀，从而影响水中重金属离子的迁移。水 中碳酸盐的溶解度，在很大程度上取决于其中二氧化碳的 含量和水体pH。水体中二氧化碳能促使碳酸盐的溶解：
MeCO3(s) + Co2+ H2O === Me2+ +2HCO3-
可见，水体pH升高，碳酸盐溶解度下降，金属离子的 迁移能力也就减小。
污染特点
1 2 3 4
来源广、 残留时间 长、能沿 着食物链 转移富集， 有放大作 用。
重金属 离子在 自然环 境中不 能被破 坏。
水体中的 某些重金 属可在微 生物作用 下转化为 毒性更强 的金属化 合物。
只要有 微量重 金属即 可产生 毒性效 应。
重金属的来源
1 2 3
大气中的重 金属来源
水体中的重 金属来源
人为因素：
工矿业废水、生活污水 等未经适当处理即向外排 放，污染了土壤，废弃物 堆放场受流水作用以及富 含重金属的大气沉降物输 入，都使水体重金属含量 急剧升高。
土壤中的重金属来源
施用化肥 农药
固体废弃 物堆积
污水灌溉
城市化 矿床开发
水环境中反应类型
吸附解吸 絮凝聚沉 沉淀溶解 配合作用
氧化还原
离子交换机理 ：
螯合作用：
胶体微粒的吸附对金属离子的影响
吸附作用可控制水体中金属离子的浓度。
胶体的吸附作用是使许多微量金属从饱和的天然水中 转入固相的最重要的途径。 胶体的吸附作用在很大程度上控制着微量金属在水环 境中的分布和富集状况。
大量资料表明，在水环境中所有富含胶体的沉积物由 于吸附作用几乎都富集有Cu2+、Ni2+、Ba2+、Zn2+、 Pb2+、Tl、U等金属。
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重金属在水环境中的 迁移转化
重金属的定义
在化学中一般是指相对密度等于或大于5.0的金属， 包括Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45 种元素。
在环境污染研究中，重金属多指Hg、Cd、Pb、 Cr以及类金属等生物毒性显著的元素；其次是指 有一定毒性的一般元素，如Zn、Cu、Ni、Co、 Sn等。
吸附解吸作用
天然水体中存在着大量黏土矿物、水合氧化物等无机高 分子化合物和腐殖质等有机高分子化合物，它们是天然水 体中存在的主要胶体物质。 由于胶体具有巨大的比表面、表面能和带电荷，能够强 烈地吸附各种分子和离子，对重金属离子在水体中的迁移 有重大影响。 胶体的吸附作用是使重金属从水中转入固相的主要途径。
硫化物
在中性条件下大多数重金属硫化物不溶于水。当天然水体中存在 硫化氢时，重金属离子等就可能形成金属硫化物。在硫化氢和金属硫 化物均达到饱和的水中，同时存在着两种平衡： H2S === H+ + HSHS- === H+ + S2Me2+ + S2-=== MeS(s) K1 = [H+][HS-]/[H2S] K2 = [H+][S2-]/[HS-] Ksp =[Me2+][S2-]
难溶物
铬，矾，硫化合物
易溶物
还原条件
氧化条件
易溶物
铁，锰化合物
难溶物
氧化还原的化学意义
氧化环境与还原环境的交界线可以成为许多元 素的富集地 在还原条件占优势的地下水中含有丰富的Fe2+， 当其流入具氧化性的湖沼时，二价铁变为三价铁化 合物(Fe2O3· nH2O)自溶液中沉淀出来，可以大量 地富集成“湖铁矿”。
有机配位体与重金属离子的配合作用
腐殖质是起配合作用的主要物质
腐殖质与金属离子的螯合反应示意如下：
氧化还原反应
水体中常见的氧化剂
Fe(Ⅲ )、Mn(Ⅳ)、S(Ⅵ)、Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)、溶解氧等
常见的还原剂 Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、S2 －和有机化合物
水体氧化还原条件对重金属的存在形态及其 迁移能力有很大的影响。
无机配位体 羟基的配合作用 氯离子的配合作用 有机配位体
配合作用
无机配位体对重金属的配合作用
羟基对重金属离子的配合作用 羟基对重金属的配合作用实际上是重金属离子的水解反应。 重金属与碱金属、碱土金属不同，能在较低的pH值下水解。 以二价离子为例，羟基与其的配合反应可表示如下： Me2++ OH- === MeOH+ MeOH+ + OH- === Me(OH)2 Me(OH)2 + OH-=== Me(OH)3Me(OH) 3-+ OH- === Me(OH)42K1 K2 K3 K4
黏土矿物对重金属的吸附
离子交换吸附机制
水解吸附机制
离子交换吸附机制
黏土矿物的微粒通过层状结构边缘的羟基氢和-OM基中 M+离子以及层状结构之间的M+离子，与水中的重金属离子 交换而将其吸附。
水解吸附机制
重金属离子先水解，然后夺取黏土矿物微粒 表面的羟基，形成羟基配合物而被吸附： Me2+ + n H2O == Me(OH)n(2-n)+ + n H+ ≡ AOH + Me(OH)n(2-n)+== ≡AMe(OH)n+1(1-n)+
沉淀溶解反应
主要包括以下几种化合物的沉淀溶解平衡反应
1.
氢氧化物 2. 3. 硫化物 碳酸盐
氢氧化物
金属氢氧化物的溶解平衡可表示为： Me(OH)n=== Men+ + nOH- 溶度积为： Ksp=[Men+][OH-]n
一般说来，如果水体中没有其他配位体，大 部分金属离子氢氧化物在pH较高时，其溶解度 较小，迁移能力较弱；若水体pH较小，金属氢 氧化物的溶解度升高，金属离子的迁移能力也 就增大
腐殖质对重金属离子的吸附
腐殖质(Hum)微粒对重金属离子的吸附，主要是通过它对金属离子的螯 合作用和离子交换作用来实现。
重金属浓度高时 重金属浓度低时
以离子交换为主 以络合作用为主
例:Mn2+与腐殖质以离子交换吸附为主，腐殖质对Cu2+、Ni2+以螯合作 用为主，与Zn2+或Co2+则可以同时发生离子交换和螯合作用
絮凝聚沉
胶体微粒的聚沉是指胶体颗粒通过碰撞结合成 聚集体而发生沉淀现象，这现象也称凝聚。 影响胶体聚沉的两个主要因素：
微粒电荷：大量阳离子的存在，可促进胶体凝 聚。 水化膜：水化膜使有机胶体微粒距离增大，分 子间作用力变弱，难以聚沉。
沉淀溶解反应
重金属化合物在水中的溶解度可直观地体现它在水环境 中的迁移能力。 溶解度大者迁移能力大，溶解度小者迁移能力小。 重金属的氯化物和硫酸盐(AgCl、Hg2Cl2、PbSO4等除外) 基本上是可溶的，重金属的碳酸盐、硫化物、氢氧化物却是 难溶的。
水合金属氧化物对重金属离子的吸附
一般认为，水合金属氧化物对重金属离子的吸 附过程是重金属离子在这些颗粒表面发生配位化合 过程，可用下式表示： n≡AOH + Men+== (≡AO)n → Me + n H+ 式中≡代表微粒表面，A代表微粒表面的铁、铝、 硅或锰，Men+为重金属离子，箭头代表配位键。
Hale Waihona Puke 土壤中的重 金属来源大气中重金属的来源
自然来源：
由宇宙天体作用及 地球上各种地质作 用而使某些重金属 元素进入大气中
人为来源：
工业生产、汽车 尾气排放及汽车 轮胎磨损产生的 大量含重金属的 有害气体和粉尘 等。
水体中的重金属来源
1
2
自然因素：
在没有人为污染的情况 下，水体中的重金属的含 量取决于水与土壤、岩石 的相互作用，其值一般很 低，不会对人体健康造成 危害。但，导致水体受到 重金属污染。
氯离子的配合作用 氯离子是天然水体中最常见的阴离子之 一，被认为是较稳定的配合剂，它与金属离 子(以Me2+为例)的反应主要有： Me2++ Cl- ＝ MeCl+ Me2++ 2Cl- ＝ MeCl2 Me2++ 3Cl- ＝ MeCl3-
氯离子配合作用对重金属迁移的影 响主要表现为：
大大提高了难溶重金属化合物的溶 解度。 由于氯络重金属离子的生成，减弱 了胶体对重金属离子的吸附作用。
沉淀溶解的作用
沉淀溶解作用能使水体中重金属离子与相应 的阴离子生成硫化物、碳酸盐等难溶化合物，大 大限制了重金属污染物在水体中的扩散范围，使 重金属主要富集于排污口附近的底泥中，降低了 重金属离子在水中的迁移能力，在某种程度上可 以对水质起净化作用。
配合作用
水体中存在着各种各样的无机配位体、有机 配位体，它们能与重金属离子形成各种络合物或 螯合物，对水体中重金属迁移及生物效应有很大 的影响。
碳酸盐
HCO3-是天然水体中主要阴离子之一，它能与金属离 子形成碳酸盐沉淀，从而影响水中重金属离子的迁移。水 中碳酸盐的溶解度，在很大程度上取决于其中二氧化碳的 含量和水体pH。水体中二氧化碳能促使碳酸盐的溶解：
MeCO3(s) + Co2+ H2O === Me2+ +2HCO3-
可见，水体pH升高，碳酸盐溶解度下降，金属离子的 迁移能力也就减小。
污染特点
1 2 3 4
来源广、 残留时间 长、能沿 着食物链 转移富集， 有放大作 用。
重金属 离子在 自然环 境中不 能被破 坏。
水体中的 某些重金 属可在微 生物作用 下转化为 毒性更强 的金属化 合物。
只要有 微量重 金属即 可产生 毒性效 应。
重金属的来源
1 2 3
大气中的重 金属来源
水体中的重 金属来源
人为因素：
工矿业废水、生活污水 等未经适当处理即向外排 放，污染了土壤，废弃物 堆放场受流水作用以及富 含重金属的大气沉降物输 入，都使水体重金属含量 急剧升高。
土壤中的重金属来源
施用化肥 农药
固体废弃 物堆积
污水灌溉
城市化 矿床开发
水环境中反应类型
吸附解吸 絮凝聚沉 沉淀溶解 配合作用
氧化还原
离子交换机理 ：
螯合作用：
胶体微粒的吸附对金属离子的影响
吸附作用可控制水体中金属离子的浓度。
胶体的吸附作用是使许多微量金属从饱和的天然水中 转入固相的最重要的途径。 胶体的吸附作用在很大程度上控制着微量金属在水环 境中的分布和富集状况。
大量资料表明，在水环境中所有富含胶体的沉积物由 于吸附作用几乎都富集有Cu2+、Ni2+、Ba2+、Zn2+、 Pb2+、Tl、U等金属。
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重金属在水环境中的 迁移转化
重金属的定义
在化学中一般是指相对密度等于或大于5.0的金属， 包括Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45 种元素。
在环境污染研究中，重金属多指Hg、Cd、Pb、 Cr以及类金属等生物毒性显著的元素；其次是指 有一定毒性的一般元素，如Zn、Cu、Ni、Co、 Sn等。
吸附解吸作用
天然水体中存在着大量黏土矿物、水合氧化物等无机高 分子化合物和腐殖质等有机高分子化合物，它们是天然水 体中存在的主要胶体物质。 由于胶体具有巨大的比表面、表面能和带电荷，能够强 烈地吸附各种分子和离子，对重金属离子在水体中的迁移 有重大影响。 胶体的吸附作用是使重金属从水中转入固相的主要途径。
硫化物
在中性条件下大多数重金属硫化物不溶于水。当天然水体中存在 硫化氢时，重金属离子等就可能形成金属硫化物。在硫化氢和金属硫 化物均达到饱和的水中，同时存在着两种平衡： H2S === H+ + HSHS- === H+ + S2Me2+ + S2-=== MeS(s) K1 = [H+][HS-]/[H2S] K2 = [H+][S2-]/[HS-] Ksp =[Me2+][S2-]