第四章天然水中的化学平衡2(气体溶解平衡)

1、 4.1 天然水中的气体溶解平衡 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。气体溶解度（摩尔浓度、质量浓度、分压） 水中某溶解气体的分压力，就等于在相应条件下能与该气体在水中的含量达到溶解平衡的气相中该气体的分压力，也就是说，气体在水中的含量达到溶解平衡后，就认为水中气体的分压等于该气体气相的分压。 亨利定律：一种气体在液体中的溶解度正比于液体接触该种亨利定律：一种气体在液体中的溶解度正比于液体接触该种气体的分压力。气体在水中的溶解度可用下式表示：气体的分压力。气体在水中的溶解度可用下式表示： GG（aqaq） = K = KH

2、H P PG GK KH H：各种气体在一定温度下的亨利定律常数；：各种气体在一定温度下的亨利定律常数；P PG G：各种气体的分压。：各种气体的分压。 亨利定律是英国化学家亨利在亨利定律是英国化学家亨利在18031803年根据实验总结出来的。年根据实验总结出来的。低压下气体溶解的经验定律-亨利定律 使用注意事项：使用注意事项： 1 1）亨利定律不能说明气体在溶液中进一步的化学反应；）亨利定律不能说明气体在溶液中进一步的化学反应； 2 2）在计算气体的溶解度时，需对水蒸气的分压力加以校正。）在计算气体的溶解度时，需对水蒸气的分压力加以校正。 1 1）间隙填充：）间隙填充：水中分子之间存在一定的

3、间隙，气体分子可水中分子之间存在一定的间隙，气体分子可以填充于这些间隙之中。当气体分子与水分子的性质相差较以填充于这些间隙之中。当气体分子与水分子的性质相差较大，气体不发生明显的水解作用时，间隙填充对气体溶解度大，气体不发生明显的水解作用时，间隙填充对气体溶解度的贡献不能忽略的贡献不能忽略 2 2）水合作用：）水合作用：气体在水中的溶解机理根据化学平衡原理，温度越低，压力越大，生成的水合分子越多，溶解度越大。设在一定温度和压力下，气体与水形成水合分子，在水中存在下列平衡： 1 1）气体本身的性质；）气体本身的性质； 2 2） 温度；温度； 3 3）压力；）压力； 4 4）水中的含盐量水中的含盐

4、量。影响气体在水中溶解度的因素 气体分子的极性：气体分子的极性：极性气体分子溶解度大极性气体分子溶解度大 分子大小：分子大小：分子小有利于填充间隙分子小有利于填充间隙 是否能与水发生化学反应：是否能与水发生化学反应：能发生反应的气体溶解能发生反应的气体溶解度大度大1）气体本身的性质 2）气体溶解度随温度升高而降低降低，这种影响可由Clausius-Clapeyron（克拉帕龙）方程式显示出：)11(303. 2lg2112TTRHcc式中： 用绝对温度 和 时气体在水中的浓度； 溶解热，J/mol;R气体常数8.314J/（molK）。 21,ccH1T2T )100130. 1 (22521

5、2OHOHPPPCC3 3）压力压力对气体在水中溶解度的影响可用下列对气体在水中溶解度的影响可用下列公式表述：公式表述：式中：C1和C2分别为标准气压和P2气压下气体在水中的溶解度，mg/L； 为一定温度下饱和水蒸气的压力（和的单位为Pa)OHP2OHP2 4 4）水中的）水中的含盐量含盐量 总趋势：含盐量增加，氧在水中的溶解度降低。总趋势：含盐量增加，氧在水中的溶解度降低。例如：海水中饱和溶解氧一般为淡水中的例如：海水中饱和溶解氧一般为淡水中的8080左右。左右。 随着含盐量增加，离子水合作用加强，使水可随着含盐量增加，离子水合作用加强，使水可溶解气体的空隙减少。溶解气体的空隙减少。 在在1

6、01.325KPa,25101.325KPa,25 时，空气与水达成溶解时，空气与水达成溶解平衡，试计算此时平衡，试计算此时O O2 2在水中的溶解度。在水中的溶解度。2525 时氧气的亨利常数时氧气的亨利常数K=1.26K=1.26 10 10-5-5molmol L L-1-1 Kpa Kpa-1-1; ; 2525 时水蒸气压力为时水蒸气压力为3.17KPa3.17KPa，干空气中氧为，干空气中氧为20.95%20.95%。例：氧在水中的溶解度 1 1）溶解氧的来源：）溶解氧的来源： A A：再暴气作用：再暴气作用大气变氧作用大气变氧作用 B B：光合作用：光合作用 2 2）溶解氧的消耗

7、：）溶解氧的消耗： A A：呼吸作用：呼吸作用 B B：CHCH2 2O O+O+O2 2COCO2 2+H+H2 2O O C C：无机还原性物质的氧化：无机还原性物质的氧化 天然水中氧的来源及消耗 仅需仅需7-8mg/L7-8mg/L的有机物，就可以把的有机物，就可以把2525为空气所饱和的为空气所饱和的1L1L水水中的氧全部消耗殆尽。中的氧全部消耗殆尽。CH2O+O2 CO2+H2O 如果起始的生物有机质用如果起始的生物有机质用CHCH2 2OO表示，则由于有机质降解所表示，则由于有机质降解所消耗水中的氧可表示为：消耗水中的氧可表示为： MCH2O=30, 则消耗所有溶解氧所需有机质量为

8、： (8.32/32)*30=7.8mg/L 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。 饱和度是指溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比。溶解气体在水中的饱和度 对应于水中气体饱和含量的气相中的分压，就称为该气体在水中的饱和分压。因此饱和度也等于液相气体分压与饱和分压之比。 水中溶解气体以气泡形式逸出的条件是：各种溶解气体分压力的总和至少要超过该处流体静压力。 表层水，即对于水面大气压为1个大气压的水体，逸出气泡的条件是水中各种溶解气体分压力总和至少大于1个大气压。 在水深h米处，逸出有气泡则要求各种溶解气体分压力之总和至少大于1个大气压加h米水柱产生的水静压力之和。气泡逸出 水库溢洪时，水越过大坝溢流，它夹带着空气冲入坝下水底深处，静水压力增加，夹带空气