养殖水环境化学：第八章 天然水中的重金属
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第八章 天然水中的重金属
教学要求
掌握水中重金属的污染物的来源、污染特征以及 影响重金属存在形态和毒性的主要因素。理解水 中重金属的存在形态对水生生物的毒性。了解水 中重金属的迁移和分布。
Fe3+ + H2O = FeOH2+ + H+ Fe3+ + 2OH- = Fe(OH)2+ Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3 Fe3+ + 4OH- = Fe(OH)4-
其中Fe(OH)3是沉淀，其它形式均可溶。
表：金属的水解反应方程
Reaction
logK
Fe3+ +OH- = FeOH2+
（3）水中溶解有机物（形成有机配合物)
腐殖质螯合重金属的过程可表示为：
三乙醇胺 （Triethanolamine）HTEA是一种常见的螯合剂：
HTEA = H+ + TEA- K=10-8.08 Cu2+ + TEA- = CuTEA+ K = 104.44 Cu2+ + TEA- + OH- = CuTEAOH0 K=1011.9 Cu2+ + TEA- + 2OH- = CuTEA(OH)2- K=1018.2
的CO32- （10-3.48 M），计算ZnCO30的浓度。
解： Zn2+ + CO32- = ZnCO30 logk =5.0
(ZnCO30) = (Zn2+)(CO32-)*105.0=10-7.12*10-3.48*105.0=10-5.6M or 0.16 mg/L
以ZnCO30离子对存在的Zn比自由的Zn2+的浓度高许多。 在对ZnSO40的计算中，则相反，离子对形式要少于自由 离子。
有机配合物、螯合物 0.001 及化合物
与高分子有机物结合 0.01 的金属
高度分散的胶体
0.01~0.1
吸附在胶体上的金属 0.1
沉淀的无机或有机颗 > 0.1 粒物
活的或死的生物体中 > 0.1 的金属
HgR2
M-腐殖酸/富里酸聚合物
FeOOH, Mn(IV)水合氧化物 吸附在黏土上、有机物上的 金属 ZnSiO3, CuCO3, CdS
分布广泛 可以在水环境中迁移转化 毒性强 生物积累作用
三、重金属在水中的存在形态
金属形态 游离水合离子 配合离子
直径范围（μm）示例（M=金属,R=烷基）
< 0.001 < 0.001
Cu(H2O)62+ AsO43-, UO22+, VO3-
无机离子对和配合物 < 0.001
CuOH+, CuCO30, Zn(OH)-
藻类中的金属
三、重金属在水中的存在形态
水样经0.45um滤膜 过滤
颗粒态金属
溶解态金属
可交换的离子态 与碳酸盐结合态 与水合氧化物结合态
与有机质及硫化物结合态 原生矿物、碎屑中的金属
不稳定态
游离态金属离子 非稳态金属配合物 （有机的和无机的）
稳定态
稳定金属配合物（有 机和无机的）
与胶体结合的金属 （有机和无机的）
11.17
Fe3+ + 2OH- = Fe(OH)2+ Fe3+ +4OH- = Fe(OH)4Cu2+ + OH- = CuOH+
22.13 34.11 6.0
2Cu2+ + 2OH- = Cu2(OH)22+ 17.0
Cu2+ + 3OH- = Cu(OH)3-
15.2
Cu2+ + 4OH- =Cu(OH)42-
1.42
FeCl2+ +Cl- = FeCl2+
0.66
FeCl2+ + Cl- = FeCl30 1.00
Cu2+ + F = CuF+
1.23
Cu2+ +Cl- = CuCl+
0.0
Cu2+ + SO42- = CuSO40 2.3
Zn2+ + F- = ZnF+
来自百度文库
1.26
• 某溶液含有0.005mg/L Zn2+ (10-7.12 M)和20 mg/L
As, B, F, I, Se
Ultratrace elements (Metals) Cd, Cr, Co, Pb, Mn, Mo, Ni, Sn, V
Si 仅是硅藻所必需的大量元素；对大多数动植物而言，Na和Cl是 大量元素，但对一些植物，其可能是微量元素；动物需要大量的 碘和氟，但其对植物却不是必需的。Fe、Zn、Mn、Cu对大多数 生物而言是必需元素，但不同生物对其具体需求 量不同。
因多数微量元素为金属，所以…
• 什么是重金属？
相对密度大于5或大于4。 周期表中原子序数大于20（钙）者。 相对原子质量大于40并具有相似外层电子分
布特征的一类金属元素。
一、水中主要重金属污染物的来源
地质风化作用 各种工业过程 燃烧引起的大气散落 生活污水和城市地表径流 农业退水
二、重金属元素在水环境中的污染特征
表：必需元素的分类情况
Classification
Elements
Bulk structural elements
C, H, O, P, S, N, Si
Macroelements
Ca, Cl, K, Na, Mg
Trace elements
Cu, Fe, Zn
Ultratrace elements (Nonmetals)
影响水中金属离子形态的因素
（1）金属离子的水解作用 大多数离子在水中会发生水解（hydrolysis)
NH4+ + H2O = NH3 +H3O+ CO3- +H2O =HCO3- + OH从而影响水分子在水中的电离平衡。
H2O = H+ +OH- Kw = (H+)(OH-) =10-14
如果金属离子进入水中，会发生
影响腐殖质螯合重金属能力的因素
• 金属离子种类: 胡泊腐殖质的螯合能力按： Hg2+、Cu2+、
Ni2+、Zn2+、Co2+顺序递降。
• 腐殖质来源: 沉积物腐殖质>海洋>湖泊>河流 • 腐殖质成分：相对分子质量小的成分对金属离子的螯
16.1
Cd2+ +OH- =CdOH+
3.8
（2）水中溶解无机阴离子
与金属离子形成配合离子 （ion pairs)
Reaction
logK
Ca2+ +F- =CaF+
1.04
Fe2+ + SO42- = FeSO40 2.7 Fe3+ + SO42- = FeSO4+ 4.15
Fe3+ + Cl- = FeCl2+
第八章 天然水中的重金属
教学要求
掌握水中重金属的污染物的来源、污染特征以及 影响重金属存在形态和毒性的主要因素。理解水 中重金属的存在形态对水生生物的毒性。了解水 中重金属的迁移和分布。
Fe3+ + H2O = FeOH2+ + H+ Fe3+ + 2OH- = Fe(OH)2+ Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3 Fe3+ + 4OH- = Fe(OH)4-
其中Fe(OH)3是沉淀，其它形式均可溶。
表：金属的水解反应方程
Reaction
logK
Fe3+ +OH- = FeOH2+
（3）水中溶解有机物（形成有机配合物)
腐殖质螯合重金属的过程可表示为：
三乙醇胺 （Triethanolamine）HTEA是一种常见的螯合剂：
HTEA = H+ + TEA- K=10-8.08 Cu2+ + TEA- = CuTEA+ K = 104.44 Cu2+ + TEA- + OH- = CuTEAOH0 K=1011.9 Cu2+ + TEA- + 2OH- = CuTEA(OH)2- K=1018.2
的CO32- （10-3.48 M），计算ZnCO30的浓度。
解： Zn2+ + CO32- = ZnCO30 logk =5.0
(ZnCO30) = (Zn2+)(CO32-)*105.0=10-7.12*10-3.48*105.0=10-5.6M or 0.16 mg/L
以ZnCO30离子对存在的Zn比自由的Zn2+的浓度高许多。 在对ZnSO40的计算中，则相反，离子对形式要少于自由 离子。
有机配合物、螯合物 0.001 及化合物
与高分子有机物结合 0.01 的金属
高度分散的胶体
0.01~0.1
吸附在胶体上的金属 0.1
沉淀的无机或有机颗 > 0.1 粒物
活的或死的生物体中 > 0.1 的金属
HgR2
M-腐殖酸/富里酸聚合物
FeOOH, Mn(IV)水合氧化物 吸附在黏土上、有机物上的 金属 ZnSiO3, CuCO3, CdS
分布广泛 可以在水环境中迁移转化 毒性强 生物积累作用
三、重金属在水中的存在形态
金属形态 游离水合离子 配合离子
直径范围（μm）示例（M=金属,R=烷基）
< 0.001 < 0.001
Cu(H2O)62+ AsO43-, UO22+, VO3-
无机离子对和配合物 < 0.001
CuOH+, CuCO30, Zn(OH)-
藻类中的金属
三、重金属在水中的存在形态
水样经0.45um滤膜 过滤
颗粒态金属
溶解态金属
可交换的离子态 与碳酸盐结合态 与水合氧化物结合态
与有机质及硫化物结合态 原生矿物、碎屑中的金属
不稳定态
游离态金属离子 非稳态金属配合物 （有机的和无机的）
稳定态
稳定金属配合物（有 机和无机的）
与胶体结合的金属 （有机和无机的）
11.17
Fe3+ + 2OH- = Fe(OH)2+ Fe3+ +4OH- = Fe(OH)4Cu2+ + OH- = CuOH+
22.13 34.11 6.0
2Cu2+ + 2OH- = Cu2(OH)22+ 17.0
Cu2+ + 3OH- = Cu(OH)3-
15.2
Cu2+ + 4OH- =Cu(OH)42-
1.42
FeCl2+ +Cl- = FeCl2+
0.66
FeCl2+ + Cl- = FeCl30 1.00
Cu2+ + F = CuF+
1.23
Cu2+ +Cl- = CuCl+
0.0
Cu2+ + SO42- = CuSO40 2.3
Zn2+ + F- = ZnF+
来自百度文库
1.26
• 某溶液含有0.005mg/L Zn2+ (10-7.12 M)和20 mg/L
As, B, F, I, Se
Ultratrace elements (Metals) Cd, Cr, Co, Pb, Mn, Mo, Ni, Sn, V
Si 仅是硅藻所必需的大量元素；对大多数动植物而言，Na和Cl是 大量元素，但对一些植物，其可能是微量元素；动物需要大量的 碘和氟，但其对植物却不是必需的。Fe、Zn、Mn、Cu对大多数 生物而言是必需元素，但不同生物对其具体需求 量不同。
因多数微量元素为金属，所以…
• 什么是重金属？
相对密度大于5或大于4。 周期表中原子序数大于20（钙）者。 相对原子质量大于40并具有相似外层电子分
布特征的一类金属元素。
一、水中主要重金属污染物的来源
地质风化作用 各种工业过程 燃烧引起的大气散落 生活污水和城市地表径流 农业退水
二、重金属元素在水环境中的污染特征
表：必需元素的分类情况
Classification
Elements
Bulk structural elements
C, H, O, P, S, N, Si
Macroelements
Ca, Cl, K, Na, Mg
Trace elements
Cu, Fe, Zn
Ultratrace elements (Nonmetals)
影响水中金属离子形态的因素
（1）金属离子的水解作用 大多数离子在水中会发生水解（hydrolysis)
NH4+ + H2O = NH3 +H3O+ CO3- +H2O =HCO3- + OH从而影响水分子在水中的电离平衡。
H2O = H+ +OH- Kw = (H+)(OH-) =10-14
如果金属离子进入水中，会发生
影响腐殖质螯合重金属能力的因素
• 金属离子种类: 胡泊腐殖质的螯合能力按： Hg2+、Cu2+、
Ni2+、Zn2+、Co2+顺序递降。
• 腐殖质来源: 沉积物腐殖质>海洋>湖泊>河流 • 腐殖质成分：相对分子质量小的成分对金属离子的螯
16.1
Cd2+ +OH- =CdOH+
3.8
（2）水中溶解无机阴离子
与金属离子形成配合离子 （ion pairs)
Reaction
logK
Ca2+ +F- =CaF+
1.04
Fe2+ + SO42- = FeSO40 2.7 Fe3+ + SO42- = FeSO4+ 4.15
Fe3+ + Cl- = FeCl2+