水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答課件

水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解1請(qǐng)推導(dǎo)出封閉體系和開放體系碳酸平衡中[H2CO3]、[HCO3-]和[CO32-]的表達(dá)式，并討論這兩個(gè)體系之間的區(qū)別。 解：碳酸化合態(tài)各種形體占各種碳酸化合態(tài)總量的比值稱為分布系數(shù)，用

表示。各種碳酸化合態(tài)總量用CT

表示。(1)在封閉體系中不考慮溶解性CO2與大氣交換過(guò)程，CT

保持不變。在封閉體系中，各形體的分布系數(shù)只是氫離子濃度的函數(shù)，與總濃度無(wú)關(guān)。水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答(2)開放體系此時(shí)考慮CO2在氣相和液相之間的平衡:[CO2(aq)]=KHPCO2

對(duì)于封閉體系，CT保持不變、而［CO2]［HCO32-]、[CO32-]均隨pH而變化。對(duì)于開放體系而言，［CO2]總與大氣保持相平衡的數(shù)據(jù)，CT、［HCO32-]、[CO32-]均隨pH而變化。水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答2請(qǐng)導(dǎo)出總酸度、CO2酸度、無(wú)機(jī)酸度、總堿度、酚酞堿度和苛性堿度的表達(dá)式作為總碳酸量和分布系數(shù)的函數(shù)。解：總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]－[OH-] =CT(

1+2

0)+[H+]－Kw/[H+]CO2酸度＝[H+]+[H2CO3]－[CO3-2]－[OH-] =CT(

0－

2)+[H+]－Kw/[H+]無(wú)機(jī)酸度＝[H+]－[HCO3-]－2[CO3-2]－[OH-] =－CT(

1+2

2)+[H+]－Kw/[H+]總堿度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+] =CT(

1+2

2)+Kw/[H+]－[H+]酚酞堿度＝[OH-]+[CO3-2]－[H2CO3]－[H+] =CT(

2

－

0)+Kw/[H+]－[H+]苛性堿度=[OH-]－[HCO3-]－2[H2CO3]－[H+] =－CT(

1

－2

0)+Kw/[H+]－[H+]水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答3向某一含有碳酸的水體加入重碳酸鹽，問(wèn)：總酸度、總堿度、無(wú)機(jī)酸度、酚酞堿度、CO2酸度，是增加、減少還是不變。解：增加重碳酸鹽即增加[HCO3-]，因此：(1)總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]－[OH-]而[HCO3-]增加，顯然總酸度增加。(2)總堿度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+]，而[HCO3-]增加，顯然總堿度增加。(3)無(wú)機(jī)酸度＝[H+]－[HCO3-]－2[CO3-2]－[OH-]，而[HCO3-]增加，顯然無(wú)機(jī)酸度減少。(4)酚酞堿度＝[OH-]+[CO3-2]－[H2CO3]－[H+]酚酞堿度與[HCO3-]無(wú)關(guān)，[HCO3-]增加，顯然酚酞堿度不變。(5)CO2酸度＝[H+]+[H2CO3]－[CO3-2]－[OH-]CO2酸度即酚酞酸度與[HCO3-]無(wú)關(guān)，[HCO3-]增加，顯然CO2酸度不變。水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答4在一個(gè)pH為6.5、堿度為1.6mmol/L的水體中，若加入碳酸鈉使其堿化，問(wèn)需加多少mmol/L的碳酸鈉才能使水體pH上升至8.0。若用NaOH強(qiáng)堿進(jìn)行堿化，又需加多少堿？解：總堿度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+]

＝CT(

1+2

2)+Kw/[H+]－[H+]在pH為6.5、堿度為1.6mmol/L的水體中，總堿度計(jì)算可忽略[OH-]和[H+]兩項(xiàng)。所以：總堿度＝[HCO3-]+2[CO3-2]=CT(

1+2

2)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答查表3－3（P.110）：pH=6.5時(shí),

=1.710所以：CT=1.710×1.6=2.736(mmol/L)※設(shè)加入Bmmol/L的Na2CO3使pH=8.0,此時(shí),

=1.018CT+B=1.018×[1.6+2B]1.036B=1.106B=1.067(mmol/L)※若加入NaOH至pH=8.0此時(shí)CT

值并不變化，因此：［堿度］＝CT

／

＝2.736／1.018=2.688(mmol/L)堿度的增加值即為NaOH加入量：2.688－1.6=1.088(mmol/L)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答5具有2.0×10-3mol/L堿度的水，pH為7.0，請(qǐng)計(jì)算[H2CO3]、[HCO3-]、[CO32-]和[OH-]的濃度各是多少？解：pH為7.0，那么：[OH-]＝1.0×10-7mol/L查表3－3：

=1.224

0=0.1834

1=0.8162

2=3.81×10-4;CT=

[堿度]=1.224×2.0×10-3=2.448×10-3

(mol/L)[H2CO3]=

0CT=0.1348×2.448×10-3

(mol/L)=4.5×10-4

(mol/L)[HCO3-]=

1CT=0.8162×2.448×10-3

(mol/L)=2.0×10-3

(mol/L)[CO32-]=

2CT=3.81×10-4×2.448×10-3

(mol/L)=9.3×10-7

(mol/L)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答若有水Ａ，pH為7.5，其堿度為6.38mmol/L，水Ｂ的pH為9.0，堿度為0.80mmol/L，若以等體積混合，問(wèn)混合后的pH值是多少？解：pH為7.5，查表3－3：

=1.069

0=0.06626

1=0.9324

2=1.38×10-3;CA=

[堿度]=1.069×6.38=6.82(mmol/L)pH為9.0：

=0.9592

0=0.002142

1=0.9532

2=4.47×10-2;CB=

[堿度]=0.9592×0.8=0.7674(mmol/L)等體積混合后:[H2CO3]=0.5×[0.06626×6.82+0.002142×0.7674]=0.225(mmol/L)[HCO3-]=0.5×[0.9324×6.82+0.9532×0.7674]=3.545

(mmol/L)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答7溶解1.0×10-4mol/L的Fe(NO3)3于1L具有防止發(fā)生固體Fe(OH)3

沉淀作用所需最小[H+]濃度的水中，假定該溶液中僅形成Fe(OH)2+

和Fe(OH)2+。請(qǐng)計(jì)算平衡時(shí)該溶液中[Fe3+]、［Fe(OH)2+］、［Fe(OH)2+］和pH值。解：Fe3++3H2O=Fe(OH)3

+3H+Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+Fe3++2H2O=Fe(OH)2++2H+水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答[Fe3+]＝9.1×103[H+]3

，分別代入：C=[Fe3+]+［Fe(OH)2+］+［Fe(OH)2+］=9.1×103{[H+]3+8.9×10-4[H+]2+4.9×10-7[H+]}=1.0×10-4(mol/L)[H+]3+8.9×10-4[H+]2+4.9×10-7[H+]=1.1×10-8按牛頓法求解:f(x)=[H+]3+8.9×10-4[H+]2+4.9×10-7[H+]－1.1×10-8f’(x)=3[H+]2+1.78×10-3[H+]+4.9×10-7

[H+]3

、8.9×10-4[H+]2、4.9×10-7[H+]分別等于1.1×10-8

求出近似值:水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答[H+]3=1.1×10-8

可求得:[H+]=2.2×10-38.9×10-4[H+]2=1.1×10-8

求得:[H+]=3.5×10-34.9×10-7[H+]=1.1×10-8

求得:[H+]=2.24×10-2方程的根必小于任何一個(gè),所以取最小值[H+]=2.2×10-3為近似值:f(x0)=[H+]3+8.9×10-4[H+]2+4.9×10-7[H+]－1.1×10-8 =1.06×10-8+4×10-9+1.08×10-9

－1.1×10-8 =(1.57－1.1)×10-8

=4.7×10-9f’(x)=3[H+]2+1.78×10-3[H+]+4.9×10-7 =1.45×10-5+3.92×10-6+4.9×10-7 =1.9×10-5x1=x0

－f(x0)／f’(x0)=2.2×10-3

－4.7×10-9／1.9×10-5=2.2×10-3

－2.47×10-4=1.95×10-3所以：[H+]＝1.95×10-3pH=-log(1.95×10-3)=2.71水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答13用Langmuir方程描述懸浮物對(duì)溶質(zhì)的吸附作用，假設(shè)溶液平衡濃度為3.0×10-3mol/L，溶液中每克懸浮物固體吸附溶質(zhì)為0.50×10-3mol/L，當(dāng)平衡濃度降至1.0×10-3mol/L，每克吸附劑吸附溶質(zhì)為0.25×10-3mol/L，問(wèn)每克吸附劑可以吸附溶質(zhì)的限量是多少?解：根據(jù)Langmuir吸附等溫式：兩式相減得：代入所以：G0=1×10-3?

（mol／L·g）水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答17含鎘廢水通入H2S達(dá)到飽和并調(diào)整pH值為8.0，請(qǐng)算出水中剩余鎘離子濃度（已知CdS的溶度積為7.9×10-27).解：飽和時(shí)[H2S]

0.1mol/L，KH2S=[H+]2[S2-]=1.16×10-23

，且pH=8.0．[S2-]=1.16×10-23/[H+]2=1.16×10-23/1.0×10-16

=1.16×10-7(mol/L)[Cd2+]=Ksp/[S2-]=7.9×10-27/1.16×10-7

=6.8×10-20(moll/L)18已知Fe3+與水反應(yīng)生成的主要配合物及平衡常數(shù)如下：Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+lgk1=－2.16Fe3++2H2O=Fe(OH)2++2H+lgk2=－6.74Fe(OH)3(s)=Fe3++3OH-lgkso=－38Fe3++4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=－232Fe3++2H2O=Fe2(OH)24++2H+lgK=－2.91請(qǐng)用pc~pH圖表示Fe(OH)3(s)在純水中的溶解度與pH的關(guān)系。解：(1)Fe(OH)3(s)=Fe3++3OH-KS0=[Fe3+][OH-]3

則[Fe3+]=KS0/[OH-]3

水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答所以：p[Fe3+]=pKS0

－3pOH=38－3×14+3pH=3pH－4(2)Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+lgk1=－2.16k1=[Fe(OH)2+][H+]／[Fe3+]p[Fe(OH)2+]=pk1+p[Fe3+]－pH=2.16+3pH－4－pH=2pH－1.84(3)Fe3++2H2O=Fe(OH)2++2H+lgk2=－6.74p[Fe(OH)2+]=pk2+p[Fe3+]－2pH=6.74+3pH－4－2pH=pH+2.74(4)Fe3++4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=－23p[Fe(OH)4-]=pk4+p[Fe3+]－4pH=23+3pH－4－4pH=19－pH(5)2Fe3++2H2O=Fe2(OH)24++2H+lgK=－2.91p[Fe2(OH)24+]=pK+2p[Fe3+]－2pH=2.91+6pH－8－2pH=4pH－5.09水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答19已知：Hg2++2H2O=Hg(OH)20+2H+lgk=－6.3，溶液中存在[H+]、[OH-]、[Hg2+]、[Hg(OH)20]和[ClO4-]等形態(tài)，且忽略[Hg(OH)+]和離子強(qiáng)度效應(yīng)，求1.0×10-5mol/L的Hg(ClO4)2溶液在25℃時(shí)的pH值。解：Hg2++2H2O=Hg(OH)20+2H+

平衡時(shí)：c－xx2x(設(shè)解離出的Hg(OH)20濃度為xmol/L)4x3+10-6.3x－c·10?6.3=04x3+5×10-7x－5×10-12=0按牛頓法求解：f(x)=4x3+5×10-7x－5×10-12f’(x)=12x2

+5×10-7水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答4x3和5×10-7x分別等于5×10-12

求出近似值:4x3=5×10-12

則x=1.08×10-4

5×10-7x=5×10-12

則x=1×10-5顯然x=1.08×10-4不能為其解,

取x0=1×10-5f(x0)=4x3+5×10-7x－5×10-12

=4×10-15+5×10-12

－5×10-12

=4×10-15f’(x0)=12x2

+5×10-7

=12×10-10+5×10-7

=5×10-7x1=x0

－f(x0)／f’(x0)=1×10-5

－4×10-15／5×10-7

=1×10-5所以：[H+]=2x1=2×10-5(mol/L)pH=-log[H+]=4.7水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答21在pH=7.00和[HCO3-]=1.25×10-3(mol/L)的介質(zhì)中，HT2-

與固體PbCO3

平衡,其反應(yīng)如下:PbCO3(s)+HT2-=PbT-+HCO3-k=4.06×10-2

問(wèn)作為HT2-

形態(tài)占NTA的分?jǐn)?shù)。解：在pH=7.0介質(zhì)中，NTA以HT2-

形式存在。PbCO3(s)+HT2-=PbT-+HCO3-水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答23什么是電子活度pE以及pE與pH的區(qū)別？電子活度與氫離子活度定義上相類似：pH=－lg(aH)aH

表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或遷移質(zhì)子的相對(duì)趨勢(shì);pE=－lg(aE)aE

表示平衡狀態(tài)下(假想)的電子活度,它衡量溶液接受或遷移電子的相對(duì)趨勢(shì);pE愈小，電子濃度愈高，體系提供電子的傾向就愈強(qiáng)，反之亦然。pE的熱力學(xué)定義基于下列反應(yīng): 2H+(aq)+2e=H2(g)

當(dāng)這個(gè)反應(yīng)的全部組分都以1個(gè)活度單位存在時(shí)，該反應(yīng)的自由能變化

G可定義為零。在[H+]aq=1單位活度，H2

為1.013×105

Pa平衡時(shí)的介質(zhì)中：ae=1,pE=0水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答pE與pH的對(duì)比pH=－lg(aH) pE=－lg(aE) 高pH=低H+

濃度 高pE=低電子濃度 低pH=高H+

濃度 低pE=高電子濃度 pH=pka+log[A-]/[HA] pE=pE0+(1/n)log[氧化態(tài)]/[還原態(tài)]當(dāng)[A-]=[HA]時(shí),pH=pka

當(dāng)[氧化態(tài)]/[還原態(tài)]時(shí),pE=pE0

aH

表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或遷移質(zhì)子的相對(duì)趨勢(shì); aE

表示平衡狀態(tài)下(假想)的電子活度,它衡量溶液接受或遷移電子的相對(duì)趨勢(shì); 水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答25從湖水中取出深層水，其pH=7.0含溶解氧濃度為0.32mg/L，請(qǐng)計(jì)算pE和Eh值.解：水樣中溶解氧的摩爾濃度為：

[O2]aq=0.32／32=1.0×10-5(mol/L)[O2]aq=KHPO2=1.26×10-8×PO2=1.0×10-5(mol/L)PO2=1.0×10-5／1.26×10-8=7.9×102pE=20.75－0.53－7.0=13.22E=0.059pE=0.059×13.22=0.78(v)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答26在厭氧消化池中和pH=7.0的水接觸的氣體含65%CH4

和35%CO2，請(qǐng)計(jì)算pE和Eh值。解；（1/8）CO2+H++e=（1/8）CH4+（1/4）H2OpE0=2.87pE=2.87－7.0+(1/8)lg(0.35/0.65)=-4.16Eh=0.059pE=-0.059×4.16=-0.245(v)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答27在一個(gè)pH=10.0的SO42-~HS-

體系中(25℃),其反應(yīng)為:SO42-+9H++8e=HS-+4H2O(L)已知其標(biāo)準(zhǔn)自由能Gf0

值（kJ/mol)：SO42-：－742，HS-

：12.6，H2O：－237.2，水溶液中質(zhì)子和電子的Gf0

值為零。(1)請(qǐng)給出該體系的pE0

。(2)如果體系化合物的總濃度為1.0×10-4mol/L，那么請(qǐng)給出下圖中①②③④曲線的lgc~pE關(guān)系式。解：(1)

G0=12.6－237.2×4+742=－194.2

G0=－nFE0E0=－

G0

／nF=194.2／(8×96.5)=0.25pE0=0.25／0.059=4.24(2)SO42-+9H++8e=HS-+4H2O(L)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答SO42-~HS-

兩線的交點(diǎn)即:此時(shí):pE=-56×1/8=-7.0①當(dāng)pE<<－7.0時(shí),[HS-]>>[SO42-],即[HS-]

1.0×10-4mol/L所以:log[HS-]=－4②同理:當(dāng)pE<<－7.0時(shí),所以:log[SO42-]=8pE+56+log[HS-]=8pE+52③當(dāng)pE>>－7.0時(shí),[HS-]<<[SO42-],即[SO42-]

1.0×10-4mol/L所以:log[SO42-]=－4④同理:當(dāng)pE>>－7.0時(shí),log[HS-]=log[SO42-]－8pE－56 =－8pE－60水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答某水體中含有300mg/L的懸浮顆粒物，其中70％為細(xì)顆粒（粒徑<50

m)，有機(jī)碳含量為10％，其余的粗顆粒有機(jī)碳含量為5％。已知苯并［a］芘的Kow為106，請(qǐng)計(jì)算該有機(jī)物的分配系數(shù)。解：Koc=0.63Kow=6.3×105

細(xì)顆粒（粒徑<50

m)質(zhì)量分?jǐn)?shù):f=0.70

粗沉積物組分的有機(jī)碳含量：Xsoc=0.05

細(xì)沉積物組分的有機(jī)碳含量：Xfoc＝0.10

所以,顆粒物與水之間的分配系數(shù): Kp=Koc[0.2(1－f)Xsoc+fXfoc] =6.3×105[0.2(1－0.7)0.05+0.70×0.10] =4.6×104水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答一個(gè)有毒化合物排入至pH=8.4,T=25℃水體中，90％的有毒物質(zhì)被懸浮物所吸著，已知酸性水解速率常數(shù)ka=0，堿性催化水解速率常數(shù)kb=4.9×10-7L/(d·mol)，中性水解速率常數(shù)kh=1.6d-1

，請(qǐng)計(jì)算化合物的水解速率常數(shù)。解：如果考慮到顆粒物的吸附作用，則水解速率常數(shù)可寫為(（aw

：有機(jī)化合物溶解態(tài)的分?jǐn)?shù)）：

Kh=kh+aw{Ka[H+]+Kb[OH-]}

＝1.6+0.1×{4.9×10-7×10-5.6} =1.6(d-1)水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答31某有機(jī)污染物排入pH=8.0，T=20℃的江水中，該江水中含懸浮顆粒物500mg/L，其有機(jī)碳含量為10％。

(1)若該污染物分子量為129，溶解度為611mg/L，飽和蒸汽壓為1.21Pa(20℃)，請(qǐng)計(jì)算該化合物的亨利定律常數(shù)（Pa·m3／mol），并判斷揮發(fā)速率是受液膜控制或氣膜控制。

(2)假定Kg=3000cm/h，求該污染物在水深1.5m處揮發(fā)速率常數(shù)(Kv)。解：(1)根據(jù)亨利定律:p=KHCw

該化合物的亨利定律常數(shù):KH=ps·Mw/Sw=1.21×129／611=0.26（Pa·m3／mol）當(dāng)KH<1.013pa·m3/mol,揮發(fā)作用主要受氣膜控制.(2)KH’=Ca/Cw=(p/RT)/Cw=KH/(RT) =KH/(8.31T)=4.1×10-4KH(20℃)

所以:KH’=4.1×10-4KH=1.066×10-4(20℃)當(dāng)揮發(fā)作用主要受氣膜控制,此時(shí): Kv=KH’·Kg=1.066×10-4×3000=0.32（cm/h） 在水深1.5米處: Kv=0.32×24／(1.5×100)=0.05（d-1）水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答某有機(jī)污染物溶解在一個(gè)含有200mg/L懸浮物、pH=8.0和T=20℃的水體中，懸浮物中細(xì)顆粒為70％，有機(jī)碳含量為5％，粗顆粒有機(jī)碳含量為2％，已知此時(shí)該污染物的中性水解速率常數(shù)kh=0.05d-1

，酸性水解速率常數(shù)ka=1.7L/(mol·d)，堿性催化水解速率常數(shù)kb=2.6×106L/(mol·d)，光解速率常數(shù)kp=0.02h-1

，污染物的辛醇－水分配系數(shù)Kow=3.0×105

，并從中查到生物降解速率常數(shù)KB=0.20d-1

，忽略顆粒物存在對(duì)揮發(fā)速率和生物降解速率的影響,求該有機(jī)污染物在水體中的總轉(zhuǎn)化速率常數(shù)（KT）。解：光解速率常數(shù)Kp=0.02h-1=0.48d-1

；生物降解速率常數(shù)KB=0.20d-1

；已知污染物的辛醇－水分配系數(shù)Kow=3.0×105

，因此根據(jù)：

Koc=0.63Kow=0.63×3.0×105=1.89×105水環(huán)境化學(xué)習(xí)題解答而污染物在顆粒物與水之間的分配系數(shù): Kp=Koc[0.2(1－f)Xsoc+fXfoc] =1.8