环境化学01

根据 lgc—pH 图（知道溶液 pH 可以估计其中各
种形态碳酸的含量），要求掌握总结特性以及 几个临界点： pH<6，溶液中主要是 [H2CO3*]， 溶液中主要是 [CO32-]。另外需要注意的是，在
pH=6-10.3，溶液中主要是[HCO3-]，当pH>10.3，
封闭体系中 cT始终不变，但是在开放体系中，
2.2.4 溶解在水中的气体


最典型的一个名词————溶解氧 在水中的溶解度可以用亨利定律来描述， 但亨利定律不能说明气体在水溶液中进 一步的化学反应———可大大高于亨利 定律计算量，例如……CO2的溶解度。 一定温度下——[G(aq)]=kH*pG
1.氧在水中的溶解度


溶解氧的重要性——水生动物（植物？） 除光合作用以外，水中没有化学反应提 供氧气，都来自大气 富营养化——耗氧过量——水生动物 7～8mg的有机物就可以把25OC为空气所 饱和单独1L水中的氧全部消耗殆尽！
气体的溶解度随温度的升高而降低

可以用克拉佩龙方程式来描述：
log
C2 C1
＝
ΔH
2.303R
(
1 T1
1 T2
)
C1、C2为绝对温度T1、T2时气体在水中的溶解度
ΔH为溶解热
R为气体常数8.314J•°C-1•mol-1
温度从0～35，溶解氧从17.4～7.03Fra Baidu bibliotekol•L-1
有机质消耗溶解氧计算
加以计算。反之，如果所研究的过程是长时期 的，例如一年期间的水质组成，则认为 CO2 与 水是处于平衡状态，可以更近似于真实情况。
开放体系的显著特点是空气中的CO2(g)能够和液 相中的CO2(aq)达到平衡，此时液相中的CO2(aq)
浓度可以根据亨利定律近似计算，溶液中，碳
酸化合物的相应浓度表示为： [H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2，所以 cT=[CO2(aq)]/α0=
四、环境化学发展新动向
1. 环境分析化学：主要集中在环境样品的
前处理技术完善、开发，分析对象从无 机化合物为主转变为有机化合物和有机 金属化合物为主；样品仪器分析方法上 集中于仪器分析的灵敏度和重线性提高 上。 2. 各圈层环境化学 3. 环境工程化学
第一篇 水环境化学 第二章 天然水的性质和组成
2.2 天然水组成
① H2O ② 可溶性物质（各种元素、化合物、气体） ③ 悬浮物质（悬浮物、粘土矿物及水生生 物）
2.2.1天然水化学组成的形成过程

岩石风化、土壤生成、侵蚀过程都与水 有关 变质作用
风化、迁移 沉积 大气 水中溶质 沉积岩 成岩作用 沉积物
火成岩 变质岩
火山喷发
土壤
2.2.2 天然水中的主要离子组成
[CO3 ]
所以
pH=pK2-lg[HCO3-]+lg[CO32-]
3.开放体系
以上的讨论没有考虑溶解性 CO2 与大气交换过
程，因而属于封闭的水溶液体系的情况。实际 上，根据气体交换动力学， CO2 在气液界面的
平衡时间需数日。
因此，若需考虑的溶液反应在数小时之内完成，
就可应用封闭体系固定碳酸化合态总量的模式
3-2，要求掌握总结特性以及几个临界点： 一般封闭体系的 pH 范围为 4.3 — 10.8 。水样中 含有强酸时， pH 将小于 4.3 ，此时水样中一般 仅有 [H2CO3*]；或水样中含有强碱时， pH 将大
于10.8，此时水样中一般仅有[CO32-]；
图 3-2 中 的 pH=8.3 可 以 作 为 一 个 分 界 点 ， pH<8.3， 很小， [CO32-] 可以忽略不计，水 中 只 有 [ CO2（aq）]、[H2CO3]、[HCO3-]， 可 以 只考虑一级电离平衡， * 即此时： [ H 2 CO3 ] [ H ] K1 [ HCO3 ] 所以pH=pK1-lg[H2CO3*]+lg[HCO3-]。 当溶液的 pH>8.3 时， [H2CO3*] 可以忽略不计， 水中只存在[HCO3-]和[CO32-]，应该考虑二级电 离平衡，即： [ HCO 3 ] [H ，] K2 2



阳离子：H＋ 、K＋、 Na＋、Ca2＋、Mg2＋ 阴离子：OH－、HCO3－、CO32－、SO42－、Cl－、 NO3－ 酸、碱金属和硬度、酸根和碱度 天然水中常见的主要离子总量可以粗略的作为水 的总含盐量：TDS 根据离子平衡，阳离子总当量数等于阴离子总当 量数，可验证水质分析结果的正确性
1 K H PCO2
0
CT*α1
[H ]
[HCO3
[CO3
-] 1 K P K 1 K P H CO2 H CO2
0
2-]
2 KK K H PCO 1 22 K H PCO 0 [H ]
2
2
由上述的三个方程可以知道：在 lgc—pH 图上， [H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]三条线的斜率分别为0、
HCO 3CO 3
2-
100 80 CO 2+H 2CO 3 60 40 20 0 2 3 4 5 6 7
8
9
10 10 11 12 13
碳酸化合态分布图（教材p103，图3-2）
2.封闭体系

根据上述的碳酸平衡的一般反应方程，假如将 水中溶解的[H2CO3*]作为不挥发酸，由此构成 了封闭的体系，在海底深处，地下水（一些封 闭的岩溶洞）、锅炉水和实验室水样中可能遇 见这样的体系。

以解决上述环境问题为研究任务


开放的自然体系，迁移、转化、富集等过程 的复杂使得问题也变得复杂化。 涉及面变宽、范围变大
3.研究范围
水环境化学 大气环境化学 土壤环境化学 化学物质的生物效应和生态效应 …………
侧重于污染物的迁移、转化和归宿 化学过程和化学行为以及对生态系统的影响
2.3


天然水的性质
2.3.1 碳酸平衡
大气、岩石、水、生物体之间的CO2交换 水中CO2的存在形式：CO2、H2CO3、 HCO3-、CO32通常情况下， H2CO3在水中浓度极低，用 H2CO3*来表示CO2和H2CO3之和

1.一般平衡


亨利定律 CO2＋H2O⇌H2CO3* pK=1.46 H2CO3*⇌HCO3-+H+ pK1=6.35 HCO3- ⇌CO32-+H+ pK2=10.33
2.2.3 水中的金属离子


常简写为Mn＋， M（H2O）xn＋ 酸碱平衡、沉淀平衡、配合及氧化还原 平衡…………稳定态 溶解在水中的金属离子以多种形态存在

M（OH）n（s） == Mn+ + nOHKsp = [Mn+][OH-]n [Mn+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn
k1 k1k 2 1 [ H ]2 [ H ] 1 0 (1 2 ) 2 (1 ) k2 [H ]
k 2 1 [H ] 1 (1 ) k1 [H ]

k1k 2
k2
如何得到?
并可以根据其形态分数作图（知道溶液pH可以
估计其中各种形态碳酸的含量），教材P103图
不当开发和利用所引起的环境破 坏、水土流失、土壤退化、气候 变异等——大自然的报复。
有识之士开始思考，研究……环境化学 慢慢诞生
环境化学的概念 重点

环境化学是在化学学科的传统理论 和方法的基础上发展起来，以化学 物质在环境中出现和引起的环境问 题为研究对象，研究有害物质在环 境介质中的存在、化学特性、行为 和效应及其控制的化学原理和方法 的科学。
[ H 2 CO 3 ] K= PCO2
*
[CO2 (aq)] KH= PCO2
K1=
[ HCO 3 ][ H ] [ H 2 CO3 ]
*

K2=
[CO3 ][ H ] [ HCO 3 ]

2

根据K1及K2值，就可以制作以pH为主要变量 的H2CO3*- HCO3-- CO32-体系的形态分布图。


本章重点 1、天然水中的主要离子组成 2、氧和二氧化碳在水中的溶解度计算 3、天然水中的碳酸平衡 (难点) 4、天然水的碱度和酸度 5、天然水的分类
2.1 水质概况



水乃生命之源，地球表面70％为海洋所覆盖， 整体水量为13.6亿km3，其中海洋水97.3％， 淡水2.7％，可供人类使用的淡水资源为850 万km3，占总水量的0.64％ 我国水资源27210亿m3，居世界第六位，但 人均却只有世界的1/4，且分布均 1986年44个城市水质调查地下水93.2％污染， 地表水100％污染！！！
+1、+2，此时cT为三者之和，并且是以三条线为
渐近线的一条曲线（教材p106,图3-3）。
pK -1 -2 H 2CO 3
pK 1
pK 2
图3-3
-3 H -4 lg c -5 -6 -7 -8 4 6 HCO 3 +
CT
H 2CO 3*
CO 32-
OH -
P 真 7 8 pH 9 实H 2CO 3 10 11
在封闭体系中，用α0、α1、α2和分别代表上 述三种化合态在总量中所占比例，，可以给出 下面三个表示式： α0 =[H2CO3*]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝ α1 =[HCO3-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝ α2 =[CO32-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝ 若用CT表示各种碳酸化合态的总量，则有 [H2CO3*]=CT*α0 ，[HCO3-]=CT*α1和 [CO32-]=CT*α2 。 把K1、K2的表达式代入上面的三个式子中，就 可得到作为酸离解常数和氢离子浓度的函数的 形态分数
2.2.5

水生生物

自养生物：能够利用太阳能或化学能量把简单、 无生命的无机物元素引入其复杂的生命分子中 组成生命体的生物，如藻类。二氧化碳、磷酸 根、硝酸根等 异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能 源以及合成其自身生命的原始物质的生物，如 某些菌类。
光合作用P和呼吸作用R




藻类的生成和分解是水中光合作用、呼 吸作用的典型。 生产率：水体产生生物体的能力，由化 学的和物理的因素相结合而决定的。 饮用水？？游泳池？？鱼塘？？江河湖 泊？？海洋？？ 富营养化……
环境化学
主要参考教材


戴树桂 《环境化学》高等教育出版社 何燧源 《环境化学》华东理工出版社 王晓蓉 《环境化学》南京大学出版社 …… …… ？？
第一章 绪论
环境化学的形成 环境化学的特点 研究对象、任务和范围 环境化学发展新动向
一、环境化学的形成
人为不断的开发、利用自然资源，尤其 是掠夺式开发，直接导致了环境污染问 题的发生。
计算氧在1.00atm，25OC饱 和水中的溶解度(难点)


已知： 25OC时水蒸气压为0.0313atm，干空气中氧 为20.95％，kH＝1.28×10－3(mol*L-1*atm-1)…… 解：氧的分压 PO2=(1－0.0313)×0.2095=0.2029atm 代入亨利定律： [O2(aq)]=kH*PO2=1.28×10-3×0.2029＝2.6×10-4 氧的分子量为32，因此溶解度 =2.6*10-4*32=8.32mg/L
二、环境化学的特点

交叉学科 复杂、综合、精细 和其他学科不断互相渗透、互相促进
三、研究对象、任务和范围
1.研究对象：环境问题 重点



环境中存在哪些潜在的有害物质 这些物质来自何处 如何缓解和消除已知的问题 潜在有害物质的危险程度和暴露程度的依赖 关系、治理方案的选择
2.研究任务


用{CH2O}来表示生物有机质单元，则： {CH2O}＋O2——CO2＋H2O 可计算出消耗8.3mgO2的有机质量为7.8mg （如何计算？？）
2.CO2在水中的溶解度计算




已知： 25OC时水蒸气压为0.0313atm，干空气中CO2 为0.0314％，kH＝3.38×10-2(mol*L-1*atm-1)…… 解答：PCO2=(1-0.0313)*0.0314%=0.000304 [CO2]=3.38*10-2*0.000304=1.028*10-5 若考虑CO2的电离？？ 溶解度＝[CO2]+[HCO3-]