水环境化学

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第三章 溶解气体
第一节
气体在水中的溶解度和溶解速率
一、 气体在水中的溶解度
在一定条件下，某气体在水中的溶解达到平衡以后，一定量的水中溶解气体的量，称为该气体在所 指定条件下的溶解度。一般用100g水中溶解气体的克数来表示易溶气体的溶解度，而用1L水中溶解 气体的毫克数(或毫升数)来表示难溶气体的溶解度。用毫升来表示时是指标准状态下(0℃、 101.3kPa )的体积。 （一）影响气体在水中的溶解度的因素 气体在水中溶解度，决定于气体本身的性质。极 性分子气体在水中的溶解度大，非极性气体分子在水中的溶解度小；能与水发生化学反应的气体溶 解度大，不能与水发生化学反应的气体溶解度小。表3-1列出了部分气体在20℃、101.3kPa时在水中 的溶解度。
表3-1部分气体在纯水中的溶解度(20℃、101.3kPa时)
气体
溶解度
溶解度
气体
溶解度
溶解度
(ml/L) N2 H2 O2 CO2 空气 CI2 O3 15.5 18.2 31.0 87.8 18.7 230 368
(mg/L) 18.9 1.60 43.0 1690 25.8 7290 1375 H2S SO2 NH3 C2H2 C2H 4 C2H6 CH4
(ml/L) 2.58×103 39.4×103 7.02×103 1.03×103 1.22×102 47.2 33.1
(mg/L) 3.85×103 1.13×103 5.31×103 1.17×103 1.49×103 62.0 2.2
除气体本身的性质外，影响气体在水中溶解度的因素还有水的温度、含盐量和气体的分压力。
1、温度 温度升高可使气体在水中的溶解度降低。图3-1显示了压力为101.3kPa时，几种气体在水 中的溶解度随温度变化情况。从图中可说明，气体溶解度随温度的升高而降低，温度在较低温条件 下变化对气体的溶解度影响显著。
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图3-1 气体溶解度随温度的变化
2.含盐量 当温度、压力一定时，水中含盐量增加，会使气体在水中的溶解度降低。这是因为随着 含盐量的增加，离子对水的电缩作用(指离子吸引极性水分子，使水分子在其周围形成紧密排布的水 合层的现象)加强，使水可溶解气体的空隙减少。
海水的含盐量很高，在相同温度和分压力下，气体在海水中的溶解度比在淡水中小得多。因而氧气 在大洋海水中的溶解度大约只有在淡水中的80～82%。对于淡水来说含盐的变化幅度很小，对气体在 水中的溶解度影响不大，一般不考虑含盐量的影响，而近似地釆用在纯水中的溶解度值。
3、气体分压力 在温度与含盐量一定时，气体在水中的溶解度随气体的分压增加而增加。对于难溶 气体，当气体压力不很大时，气体溶解度与其分压力成正比，这就是享利定律。用公式表示为：
C = Ks × P (3-1)
(海水通常用P = KG ×C 来表示，这里的KG与 Ks是互为倒数关系) 式中：C ----气体的溶解度; P ----达到溶解平衡时某气体在液面上的压力;
Ks ----气体吸收系数，其数值随气体的性质、温度、水的含盐量变化而变化 ，也与压力(P)、溶解
度(C)所釆用的单位有关。对同一种气体在同一温度下有
(3-2)
式中：C1----压力为P1时的溶解度;
C2----压力为P2时的溶解度。
对于混合气体中某组分气体在水中的溶解度，上式中则是指该组分气体的分压力，与混合气体的总 压力无关。由几种气体组成的混合气体中组分B的分压力PB等于混合气体的总压力PT乘以气体B的分 压系数φB，这就是道尔顿分压定律：
PB=PT×φB (3-3)
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(3-4)
式中: VB----组分B在压力为PT时的分体积；
――各组分气体的分体积之和，等于混合气体在压力为PT时的体积VT。
道尔顿分压定律和亨利定律，只有理想气体才能严格相符。对于不与水发生化学反应的真实气体， 如N2、O2、CH4等，只要压力不是很大都可以用道尔顿分压定律和亨利定律进行有关计算。 对于海水而言，Weiss(1970,1971)提出氧、氮气体在海水中的溶解度C与温度盐度的关系
(3-5)
式中A、B为有关常数见表3-2，决定于气体的本身的性质。。S 为盐度，T为热力学温度，C的单位是 mol/kg。表3-3是用该式对海水中氧、氮气体溶解度的计算结果。 表3-2 在相对湿度为100%条件下，计算氧氮气体在海水中的溶解度的有关常数（单位umol/kg）
气体 氮气
研究者 Douglas
A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
-173.221 254.6078 146.3611 -22.0933 -0.054052 0.027266 0.003843
(1964) 氧气 Carpenter -173.9894 255.5907 146.4813 -22.2040 -0.037362 0.016504 -0.0020564
(1966) 氧气 Weiss (1970) -173.4249 249.6339 143.3483 -21.8492 -0.033096 0.014259 -0.0017000
表3-3
根据式3-5和表3-2计算出的氧、氮气体在盐度35的海水中的溶解度（umol/kg）
温度（℃） 0 氮气 氧气 616.4 349.5
5 549.6 308.1
10 495.6 274.8
15 451.3 247.7
20 414.4 225.2
25 383.4 206.3
30 356.8 190.3
(二)溶解气体在水中的饱和度
水中溶解气体的含量一般用1L水中所含溶解气体的量来
表示，单位为ml/L或mg/L。ml是指标准状态下的体积与质量的换算系数。
溶解气体在水中的饱和含量是指在一定的溶解条件下(温度、分压力、水的含盐量)气体达到溶解平 衡以后，1L水中所含该气体的量，也可以用上述两种单位表示。对于难溶气体饱和含量就等于溶解 度。单纯用气体在水中的含量很难反映气体在水中溶解时所达到的饱和程度。为了能较直观地反映
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