《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衡中[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）中存在下列平衡

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C T = [H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]，则有

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

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

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

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

依亨利定律：[CO2(aq)]＝K H·P CO2

溶液中，碳酸化合态相应为：

C T = [CO2]/ α0= K H·P CO2/ α0

[HCO3-]= (α1/ α0 )K H·P CO2= (K1/[H+])K H·P CO2

[CO32-]= (α2/ α0 ) K H·P CO2= (K1K2/[H+]2)K H·P CO2

（3）比较封闭体系和开放体系可发现，在封闭体系中，[H 2CO 3*]、[HCO 3-]、[CO 32-]等可随pH 值变化，但总的碳酸量C T 始终不变。而对于开放体系C T 、[HCO 3-]、

[CO 32-]均随pH 值改变而变化，但[H 2CO 3*]总保持与大气相平衡的固定数值。

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，问需加多少mmol/L 的碳酸钠才能使水体pH 上升至8.0。若用NaOH 强碱进行碱化，又需加入多少碱?

解：总碱度＝K W / [H +] + C T (α1 + 2α2) - [H +]

C T ＝

2

121αα+{[总碱度] + [H +] - [OH -]} 令α＝2121αα+ 当pH 在5～9范围内、[碱度]≥10-3mol/L 时, [H +]、[OH -]项可以忽略不计,得到简化式：C T ＝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，C T ＝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，此时C T 值与碱度值均有变化。设加入的碳酸钠量为Δ[CO 32-]，则有

C T + Δ[CO 32-]＝α′｛[碱度] + 2Δ[CO 32-]｝

即2.736 + Δ[CO 32-]＝1.018｛1.6 + 2Δ[CO 32-]｝

解得，Δ[CO 32-]＝1.069 mmol/L

若加入氢氧化钠将水的pH 升至8.0，其C T 值并不变化，可得：

[碱度] ＝C T / α′＝2.736/1.018＝2.688 mmol/L

碱度增加值就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？并说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：由于胶体表面具有巨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，不受温度影响，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，尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用。该作用不但可以使表面点荷改变符号，还可以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+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下：Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+lgK1＝- 2.16

Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + 2H+lgK2＝- 6.74

Fe(OH)3(s)Fe3+ + 3OH-lgK so＝- 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+]K W3/K so[H+]2

p[Fe(OH)2+]＝3lgK W - lgK so + 2pH - lgK1＝2pH - 1.84

（2）K2＝[Fe(OH)2+][H+]2/ [Fe3+]＝[Fe(OH)2+]K W3/K so[H+]

p[Fe(OH)2+]＝3lgK W - lgK so + pH - lgK2＝pH + 2.74

（3）K so＝[Fe3+][OH-]3＝[Fe3+]K W3/[H+]3

p[Fe3+]＝3lgK W - lgK so + 3pH＝3pH - 4