环境化学 2010_第一章 环境介质及其性质(1)

1、本课件作者本课件作者本课件的配套教材本课件的配套教材陈景文陈景文 博士、教授博士、教授大连理工大学大连理工大学电话电话/传真：传真子邮件：电子邮件：欢迎批评指正！欢迎批评指正！普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材高等学校理工科环境类规划教材高等学校理工科环境类规划教材环境化学环境化学Environmental Chemistry陈景文、全燮陈景文、全燮 编著编著大连理工大学出版社出版大连理工大学出版社出版地址：大连市软件园路地址：大连市软件园路80号，邮编：号，邮编：116023发行：发行传真：，传真：

2邮购：邮购-mail: , URL: http:/第一章第一章 环境介质及性质环境介质及性质Chapter 1. Environmental Media and Their Property 内容内容第一节第一节 地球环境地球环境 (Global Environment)第二节第二节 大气圈大气圈 (Atmosphere)第三节第三节 水圈水圈 (Hydrosphere)第四节第四节 土壤圈土壤圈 (Pedosphere)第五节第五节 环境污染环境污染 (Environmental Pollution) 内容内容第一节第一节 地球环境地

3、球环境 (Global Environment)一、自然环境一、自然环境二、环境介质二、环境介质 一、一、自然环境自然环境环境化学的研究对象：自然环境。环境化学的研究对象：自然环境。自然环境是人类赖以生存、生活和生产所必需的自然自然环境是人类赖以生存、生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总体，亦简称为环境。条件和自然资源的总体，亦简称为环境。大气圈、水圈、土壤圈、生物圈、化学圈大气圈、水圈、土壤圈、生物圈、化学圈化学圈化学圈 一、一、自然环境自然环境生物圈生物圈Biosphere水圈Hydrosphere大气圈大气圈Atmosphere土壤圈土壤圈Pedosphere化学圈化学圈Chemos

4、phere 二、二、环境介质环境介质(相相)环境介质环境介质 (Environmental Media), 相相 (Phase，Compartment)环境的组成非常复杂，由一系列彼此相连的环境的组成非常复杂，由一系列彼此相连的环境介质环境介质或或环境相环境相来组成，如大气、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉来组成，如大气、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉积物、湖中悬浮物及水或土壤中的生物体等。积物、湖中悬浮物及水或土壤中的生物体等。 连续连续的介质或相：水、大气的介质或相：水、大气.非连续非连续的介质或相：大气颗粒物的介质或相：大气颗粒物相邻相邻的环境介质或相：水体大气的环境介质或相：水体大气(污

5、染物污染物迁移迁移)、.非相邻非相邻的环境介质或相：大气水体沉积物的环境介质或相：大气水体沉积物 二、二、环境介质环境介质(相相)容易受到污染的容易受到污染的介质或相：表层水、大气介质或相：表层水、大气.不容易受到污染不容易受到污染的介质或相：深海、岩石层的介质或相：深海、岩石层均相均相：如浅塘中充分混合的水：如浅塘中充分混合的水，无浓度梯度、温度梯度；无浓度梯度、温度梯度；非均相非均相：性质不均一：性质不均一 (如土壤、沉积物如土壤、沉积物)某一方向均一某一方向均一(如浅的河流如浅的河流)所有方向都不均一所有方向都不均一 内容内容第二节第二节 大气圈大气圈(Atmosphere)一、大气温度

6、层结一、大气温度层结二、大气颗粒物二、大气颗粒物三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 一、大气温度层结一、大气温度层结 1. 大气圈大气圈 (Atmosphere)干洁空气干洁空气(Air)： N2 (78.09%), O2 (20.95%)， CO2 (0.02-0.04%), Ar (Argon, 0.93%)水蒸汽、水滴水蒸汽、水滴：云、雨、雷、电：云、雨、雷、电颗粒物、气溶胶：颗粒物、气溶胶：一薄层覆盖地球表面的混合气体组成。一薄层覆盖地球表面的混合气体组成。The atmosphere consists of the thin la

7、yer of mixed gases covering the earths surface. 气相环境浓度单位气相环境浓度单位 Environmental Concentration Units for GasesParts Per Million (ppm, 106);Parts Per Billion (ppb, 109);Parts Per Trillion (ppt, 1012)Parts Per Hundred Million (pphm, 108)In order to emphasize that the concentration scale is based upon mo

8、lecules or volumes rather than upon mass, a v (for volume) is sometimes shown as part of the unit, e.g., 100 ppmv or 100 ppmv.1 mg/L浓度的硝基苯水溶液相当于浓度的硝基苯水溶液相当于1 ppm，在空气中在空气中1 mg/L的硝基苯也相当于的硝基苯也相当于1 ppm吗？吗？ 一、大气温度层结一、大气温度层结decimeter (dm); centimeter (cm); millimeter (mm); micrometer (m) (测微计、千分尺、微米测微计、千分

9、尺、微米)；nanometer (nm); angstrom (); liter (L);milliliter (mL); microlitre (L) mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona-, deca-, poly-小小 知知 识识 一、大气温度层结一、大气温度层结 一、大气温度层结一、大气温度层结静大气温度和密静大气温度和密度在垂直方向上的度在垂直方向上的分布。分布。地球的旋转作用地球的旋转作用各层次大气对太阳辐射各层次大气对太阳辐射吸收差异吸收差异2. 大气温度层结大气温度层结Stratificatio

10、n of the Atmosphere大气温度的垂直分布大气温度的垂直分布热层热层中间层顶中间层顶中间层中间层平流层顶平流层顶对流层顶对流层顶平流层平流层对流层对流层100806040200160200240280T(K)Z(km) 一、大气温度层结一、大气温度层结大气密度的垂直分布大气密度的垂直分布0.8020481216Z(km)01.00/0s O3 + hv O + O2200-300 nm, 300-360 nm max = 254 nmO + O2 + M O3 + M，热量，热量 一、大气温度层结一、大气温度层结对流层对流层Troposphere 高度为高度为1

11、112米，温度变化特点是：米，温度变化特点是：通常通常0.6K/100m；气体垂直运动激；气体垂直运动激烈；含有大气全部质量的烈；含有大气全部质量的3/4和几和几乎全部水气，复杂的天气现象乎全部水气，复杂的天气现象 (15 -56 )。 平流层平流层Stratosphere高度为高度为1250 km；温度随高度；温度随高度的增高而递增；垂直对流少，大的增高而递增；垂直对流少，大气稳定，气稳定，(-56 -2 )。中间层中间层Mesosphere高度为高度为4878 km；气温；气温随高度的增加而降低；空随高度的增加而降低；空气运动激烈气运动激烈 (meso-) 一、大气温度层结一、大气温度层结

12、Sea levelMajor regions of the atmosphere (not to scale).EarthStratosphereN2, O2 H2O, CO2 TroposphereMesosphereThermosphereO310-16 km50 km85 km500 km15 -56 -2 -92 1200 O3 + hv (220 nm-330 nm) O2 + OO2+, NO+Incoming Solar radiationOO2O2+, O+, NO+1200 km, O=O2 High energy ultraviolet: 330 nm, penetrati

13、on to Eearths surface Ultraviolet: 200-330200-330 nm, penetration to 50 km 热层热层 (电离层电离层) Thermosphere高度为高度为80800 km；温度随高度温度随高度增加而迅速上升；增加而迅速上升；散逸层散逸层 Exosphere 800km以上，空气以上，空气非常稀薄非常稀薄 二、大气颗粒物二、大气颗粒物大气大气：各种固体或液体均匀地分散在空气中形成的一个庞大各种固体或液体均匀地分散在空气中形成的一个庞大的分散体系，也是气溶胶体系。的分散体系，也是气溶胶体系。大大气气颗颗粒粒物物组成成分组成成分有机物有机物

14、无机物无机物状态状态有生命有生命无生命无生命固态固态液态液态1. 大气颗粒物的分类大气颗粒物的分类气溶胶体系中分散的各种粒子称为气溶胶体系中分散的各种粒子称为大气颗粒物大气颗粒物。(atmospheric particles, particulates) 二、大气颗粒物二、大气颗粒物2. 大气颗粒物的来源大气颗粒物的来源天然来源天然来源：地面扬尘、海浪溅出的浪沫、火山灰、森林地面扬尘、海浪溅出的浪沫、火山灰、森林火灾、宇宙陨星尘埃、花粉、孢子火灾、宇宙陨星尘埃、花粉、孢子人为来源人为来源：一次颗粒物一次颗粒物：直接由污染源排放的直接由污染源排放的二次颗粒物二次颗粒物：大气中的某些污染组分之间或

15、这些组分与大气中的某些污染组分之间或这些组分与大气成分之间发生反应而产生的颗粒物大气成分之间发生反应而产生的颗粒物燃料燃烧煤烟、飞灰燃料燃烧煤烟、飞灰(Fly Ash)、气态污染物、气态污染物生成机制：生成机制： 二、大气颗粒物二、大气颗粒物smoke n.烟；抽烟烟；抽烟 vi.冒烟冒烟粉末粉末 dust，powderash n. 灰；灰烬，灰堆灰；灰烬，灰堆fog n. 雾雾, , 烟雾烟雾, , 尘雾尘雾困惑困惑, , 迷惘迷惘(灭火机等喷出的灭火机等喷出的)喷雾喷雾, , 泡沫泡沫London has bad fogs in winter.伦敦在冬季有大雾。伦敦在冬季有大雾。 二、大气

16、颗粒物二、大气颗粒物3. 颗粒物的粒径和表面性质颗粒物的粒径和表面性质 粒度粒度：粒径粒径(直径直径)的大小；的大小； 有效直径有效直径 空气动力学直径空气动力学直径(Dp)：与所研究粒子有相同终端落速度的、与所研究粒子有相同终端落速度的、密度为密度为1的球体直径。的球体直径。；球状时，形状系数，当粒子为）参考密度（粒密度；忽略了浮力效应的颗几何直径；0 . 1;g/cm1300pg0pgpKKDKDD成核作用成核作用粘合粘合吸着吸着颗粒物的粒径分类颗粒物的粒径分类(1) 总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通

17、常称为总悬浮颗粒物。用的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。用TSP表示。其表示。其粒径多在粒径多在100 m以下，尤以以下，尤以10 m以下的为最多。以下的为最多。(2) 飘尘飘尘：可在大气中长期漂浮的悬浮物称为飘尘。其粒径主要可在大气中长期漂浮的悬浮物称为飘尘。其粒径主要是小于是小于10 m的颗粒物。的颗粒物。(3) 降尘降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在总悬浮颗粒物中能用采样罐采集到的大气颗粒物。在总悬浮颗粒物中一般直径大于一般直径大于10 m的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来。的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来。这部分颗粒物称为降尘。这部分颗粒物称为降尘。(4) 可吸入粒

18、子可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织国际标准化组织(ISO)建议将其定为建议将其定为Dp10 m。我国科学工作者。我国科学工作者已采用了这个建议。已采用了这个建议。 二、大气颗粒物二、大气颗粒物Particulate matter (PM) is the general term used for a mixture of solid particles and liquid droplets found in the air.Some particles are large or dark enough to be se

19、en as soot or smoke. Others are so small they can be detected only with an electron microscope. These particles, which come in a wide range of sizes (fine particles are less than 2.5 micrometers in diameter and coarser-size particles are larger than 2.5 micrometers), originate from many different st

20、ationary and mobile sources as well as from natural sources. Fine particles (PM-2.5) result from fuel combustion, motor vehicles, power generation, and industrial facilities, as well as from residential fireplaces and wood stoves. 二、大气颗粒物二、大气颗粒物Inhalable PM includes both fine and coarse particles. T

21、hese particles can accumulate in the respiratory system and are associated with numerous health effects. Exposure to coarse particles is primarily associated with the aggravation of respiratory conditions, such as asthma. Fine particles are most closely associated with such health effects as increas

22、ed hospital admissions and emergency room visits for heart and lung disease, and increased respiratory symptoms.Health and Environmental Effects 二、大气颗粒物二、大气颗粒物 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损FIGURE 1. The Antarctic ozone hole reached its maximum onSeptember 12, 2008.Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 15181520O

23、2 + hv O + O ( 243 nm)2O + 2O2 + M 2O3 + M臭氧的形成臭氧的形成 (天然天然)3O2 + hv 2O3臭氧层主要分布在距地面臭氧层主要分布在距地面10-50 km的范围内，峰值的范围内，峰值浓度在浓度在20-25 km处。处。NO2 + hv NO + O ( 420 nm)O + O2 + M O3 + M臭氧形成：人为来源之一臭氧形成：人为来源之一log (nm)43210-1-2-3-4120 160 200 240O2吸收光谱吸收光谱 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损动态平衡动态平衡：生成和：生成和耗损的速率相同，耗损的速率相同，臭氧

24、的浓度保持恒臭氧的浓度保持恒定。定。O3 + hv O2 + O O3 + O 2O22O3 + hv 3O2210 290 nm耗损耗损0 2 4 6 8 10Ozone concentration (ppm)Altitude (km)6040200StratosphereTroposphereVariation with altitude of ozone concentration 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损臭氧层耗损臭氧层耗损Ozone Depletion由于水蒸气、由于水蒸气、NOx、氟氯烃等、氟氯烃等污染物进入平流污染物进入平流层，它们能加速层，它们能加速臭氧耗损

25、过程，臭氧耗损过程，破坏臭氧层的稳破坏臭氧层的稳定状态。定状态。The yearly variation in total ozone (mean values for October) over Halley bay Station, Antarctica. .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total ozone (Dobson units). .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175

26、150Total ozone (Dobson units) 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损The total overhead amount of atmospheric ozone at any location is usually expressed in terms of Dobson units (DU); one such unit is equivalent to a 0.01 mm thickness of pure ozone at the density it would possess if it were brought ground-level (1 a

27、tm) pressure. The normal amount of over-head ozone at temperate latitudes is about 350 DU. Because of stratospheric winds, ozone is transported from tropical toward polar regions. Thus the closer to the equator you live, the less the total amount of ozone that protects you from ultraviolet light. Do

28、bson units (D. U.) 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损假设可催化臭氧分解的物质为假设可催化臭氧分解的物质为Y，则有如下反应：，则有如下反应：平流层中平流层中NO, NO2的主要天然来源是的主要天然来源是N2O的氧化：的氧化：超音速飞机可以排放超音速飞机可以排放NO。N2O是无色气体，低层空气是无色气体，低层空气中含量最高的含氮化合物，中含量最高的含氮化合物，主要是天然来源，惰性较主要是天然来源，惰性较大。大。N2O + O 2NOY + O3 YO + O2YO + O Y + O2O3 + O 2O2NO + O3 NO2 + O2NO2 + O NO + O2

29、O3+O 2O2NOX (NO, NO2)HOX (H, HO, HO2)ClOX(Cl, CLO)Y = 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损平流层平流层HOX主要是由主要是由H2O, CH4 或或H2与与O反应而生成反应而生成的。的。H2O + O 2HOCH4 + O CH3 + HOH2 + O H + OHHO + O3 HO2 + O2HO2 + O HO + O2O3 + O 2O2 ClOx的人为来源是制冷剂，的人为来源是制冷剂，如如F-11(CFCl3)和和F-12(CF2Cl2)，它们在波长它们在波长175-220 nm的紫外的紫外光照射下会产生光照射下会产生Cl。

30、CFCl3 + hv CFCl2 + ClCF2Cl2 + hv CF2Cl + ClCl + O3 ClO + O2ClO + O Cl + O2O3 + O 2O2 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损The stratosphere chlorine concentration currently is 3.5 ppb, which is twice as great as it was in the 1970s and six times the background level of 0.6 ppb, paralleling the growth in the use of

31、CFCs. In the 1980s, about 1 million tonnes (i.e., metric tons, 1000 kg each) of CFCs were released annually to the atmosphere. 氟里昂氟里昂Freon is a commercial trade name used by Du Pont, a large corporation producing industrial chemicals, to refer to CFCs-it is a term often used informally in discussion

32、s of environmental air chemistry. freon n. 化化 氟里昂，二氯二氟氟里昂，二氯二氟氟三氯氟三氯甲烷甲烷（商标名，一种无色气体冷冻剂）（商标名，一种无色气体冷冻剂） 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损The chemical formulas for individual CFCs, such as CFC-11, can be deduced from their code number by adding 90. The resulting digits correspond, respectively, to the number of

33、carbon, hydrogen, and fluorine atoms present in one molecule.For example, adding 90 to 11 gives 101, so it follows that CFC-11 contains one carbon, zero hydrogens, and one fluorine. Since that the total number of noncarbon atoms adds up to 2n+2, where n is the number of carbons, the number of chlori

34、nes in these substituted alkanes can be deduced by difference, that is, by subtracting from 2n+2, the number of hydrogen plus fluorine atoms. Thus for CFC-11, 2n+2=4, so the number of chlorine atoms is 4-(0+1)=3, and its formula is CFCl3. 三、臭氧层的形成与耗损三、臭氧层的形成与耗损 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 四、温室气体和温室效应四、温室

35、气体和温室效应.4%地球表面反射地球表面反射47%17%6%9%15%9%24%24%52%48%100%10%25%云吸收云吸收浮尘浮尘被臭氧、水蒸气、被臭氧、水蒸气、碳酸气等吸收碳酸气等吸收太阳辐射通过大气到达和离开地球的情况太阳辐射通过大气到达和离开地球的情况反射反射地球外部太阳辐射（包括地球外部太阳辐射（包括紫外、可见光、红外）紫外、可见光、红外）一部分太阳辐一部分太阳辐射被地球和大射被地球和大气反射气反射大气大气太阳辐太阳辐射穿过射穿过晴空大晴空大气气 大部分大部分太阳辐射被太阳辐射被地表吸收使地表吸收使地表变暖地表变暖地表放射的地表放射的 红外辐射红外辐射一些红外辐射被一些红外辐射

36、被温室温室气体气体吸收并重又放射吸收并重又放射出，这种效应使地表出，这种效应使地表和低层大气变暖。和低层大气变暖。 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应温室效应温室效应：大气中存在一些温室气体大气中存在一些温室气体(CO2、CH4)，这，这些气体可以强烈地吸收波长些气体可以强烈地吸收波长1200-1630 nm的红外辐射，其的红外辐射，其存在对截留红外辐射能量影响较大。存在对截留红外辐射能量影响较大。这些气体如同温室的玻璃一样，它允许来自太阳的可这些气体如同温室的玻璃一样，它允许来自太阳的可见光到达地面，但阻止地面重新辐射出来的红外光返回外见光到达地面，但阻止地面重新辐射出来的红外光返

37、回外空间，因此，这些温室气体起到了单向过滤作用，吸收了空间，因此，这些温室气体起到了单向过滤作用，吸收了地面辐射出来的红外光，把能量截留在大气之中，从而使地面辐射出来的红外光，把能量截留在大气之中，从而使大气温度升高，这种现象称为温室效应。大气温度升高，这种现象称为温室效应。温室气体的浓度升高？温室气体的浓度升高？ 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 温室气体温室气体：CO2, CH4, CO, Freon, Mauns Loa 岛本底站测定的大气中岛本底站测定的大气中CO2的浓度变化的浓度变化(唐孝炎，唐孝炎，1990)1960 1965 1970 1975 1980 1985 年

38、年340330320310 CO2(mL/m3) 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应气气 体体 大气中浓度（大气中浓度（L/mL/m3 3） 年平均增长率（年平均增长率（%）二氧化碳二氧化碳 344 000 0.4甲甲 烷烷 1 650 1.0一氧化碳一氧化碳 304 0.25 二氯乙烷二氯乙烷 0.13 7.0臭臭 氧氧 不定不定 CFC 11 0.23 5.0 CFC 12 0.4 5.0四氯化碳四氯化碳 0.125 1.0注：本表摘自俊藤搏俊，注：本表摘自俊藤搏俊，1990。 大气中具有温室效应的气体大气中具有温室效应的气体 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 Rel

39、ative importance of the five most important greenhouse gasesPercentage of Tropospheric Warning (Hansen et al., 1989)0 10 20 30 40 50PercentageCO2CFCsMethaneOzoneNitrous Oxide 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 四、温室气体和温室效应四、温室气体和温室效应 内容内容第三节第三节 水圈水圈 (Hydrosphere)一、水体一、水体二、天然水的基本组成二、天然水的基本组

40、成三、天然水的性质三、天然水的性质四、水体富营养化四、水体富营养化 一、水体一、水体水圈：水圈：地球表层水体的总称。水存在于环境的各个圈层中。地球表层水体的总称。水存在于环境的各个圈层中。海洋海洋河流、运河河流、运河湖泊、水库湖泊、水库沼泽、冰川、积雪沼泽、冰川、积雪地下水地下水水蒸气水蒸气 (大气、土壤大气、土壤)固态冰固态冰 (极地、高山极地、高山)工业设施工业设施(锅炉、污水处理厂锅炉、污水处理厂) 水水 溶解性物质溶解性物质 胶体胶体悬浮物悬浮物沉积物沉积物水生生物水生生物 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成水溶液中金属离子的表达式通常可以写成水溶液中金属离子的表达式通常可以写成

41、Mn+，表示简单的，表示简单的水合金属离子水合金属离子M(H2O)n+。 水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁: Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ , K+, Na+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, NO3-, Cl-, SO42- 为天然水中常为天然水中常见的八大离子，占天然水离子总量的见的八大离子，占天然水离子总量的95-99%。1. 天然水的主要离子组成天然水的主要离子组成水中的金属离子：水中的金属离子：2. 溶解性气体溶解性气体大气中的气体与溶液中大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：同种气体间的

42、平衡为：G(aq) = KHpG亨利定律并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应。溶解亨利定律并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应。溶解于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。KH 是各种气体在一是各种气体在一定温度下的亨利定定温度下的亨利定律常数律常数(mol/LPa); 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成 氧在干燥空气中的含量为氧在干燥空气中的含量为 20.95% ，大部分元素氧来，大部分元素氧来自大气。氧在水中的溶解度与水的温度、氧的分压及水中自大气。氧在水中的溶解度与水的温度、氧的分压及水中含盐量有关。水在含盐量有关

43、。水在25时的蒸汽压为时的蒸汽压为0.03167 105 Pa。氧在氧在 1.013 105 Pa， 25 饱和水中的溶解度：饱和水中的溶解度：(1) 氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度。，因此其溶解度为氧的分子量为mg/L32. 832)mol/L(4106 . 25102056. 081026. 1OH)aq(2O)Pa(5102056. 0%95.20)51003167. 0100130. 1 (O252pKp 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成；气体常数，；溶解热，；时气体在水中的溶解度为绝对温度为KJ/mol314. 8J/mol,)11(303. 2lg21212112RHTT

44、CCTTRHCC不同温度下，气体在水中溶解度的计算：不同温度下，气体在水中溶解度的计算：Clausius-Claperyron方程：方程： 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成 CO2在干燥空气中的含量为在干燥空气中的含量为 0.0314% ，水在，水在25时的蒸时的蒸汽压为汽压为0.03167 105 Pa，CO2的亨利定律常数为的亨利定律常数为3.34 10-7 mol/L.Pa。则。则CO2在水中的在水中的浓度浓度为：为：(2) CO2的溶解度的溶解度)mol/L(510028.18 .3081034.3COH)aq(2CO)Pa(8 .30%0314.0)51003167.0100

45、130.1 (CO252pKpCOHHCOHCOHHCOHCOHCOH3231-233-332KH3CO2H1223COH3CO2H13HCO-3HCO23COH2KKKK 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成3. 溶解性有机物质、胶体物质、悬浮物溶解性有机物质、胶体物质、悬浮物 黏土、泥沙、生物排泄物、污染物黏土、泥沙、生物排泄物、污染物 腐殖质腐殖质矿物微粒和黏土矿物、金属水合氧化物矿物微粒和黏土矿物、金属水合氧化物 腐殖酸：可溶于稀碱但不溶于酸的部分；腐殖酸：可溶于稀碱但不溶于酸的部分； 富里酸：可溶于酸又可溶于碱的部分；富里酸：可溶于酸又可溶于碱的部分； 胡敏素胡敏素(腐黑物，腐黑

46、物，Humin)：不能被酸和碱提取的部分：不能被酸和碱提取的部分 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成一种带负电的高分子弱电解质。腐殖质是生物体物质一种带负电的高分子弱电解质。腐殖质是生物体物质在土壤、水和沉积物中转化而成。分子量在土壤、水和沉积物中转化而成。分子量300-30000。富里酸的结构富里酸的结构(Schnitzer, 1978) 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成4. 水生生物水生生物 生态系统、食物链中的一个重要环节；生态系统、食物链中的一个重要环节； 生产者、消费者、分解者；生产者、消费者、分解者； 自养生物、异养生物；自养生物、异养生物； 生产率、富营养化、生产率

47、、富营养化、C、N、P； 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成 三、天然水的性质三、天然水的性质在水体中存在着在水体中存在着CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32-等等4种物质种物质;常把常把CO2和和H2CO3 合并为合并为H2CO3*;实际上实际上H2CO3 的含量极低，主要是溶解性的气体的含量极低，主要是溶解性的气体CO2。 以下将以下将H2CO3*略写为略写为H2CO31. 碳酸平衡碳酸平衡水中水中CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32各占多大的比例？各占多大的比例？ 三、天然水的性质三、天然水的性质12211232213213232023221-233213-3-23

48、232312-23-3133203222)HH1(HCOHHCOHCOHCOHHCOHCOHCOHHCOHCOHCOCOHHHCO)33.10p(HCOHCO)35.6p(HHCOCOH)46.1p(COHOHCOKKKKKKKKKKKKKKCT = H2CO3 + HCO3- + CO32-CT = H2CO3/0 三、天然水的性质三、天然水的性质232213213223221223221321323211HCOHHCOHCOHHCOHHCOHHCOHCOHHCOHKKKKKKKKK12222121)HH1 ()HH1 (11KKKKK 三、天然水的性质三、天然水的性质以上属封闭的水溶液体系

49、的情况；没有考虑大气交换过程。以上属封闭的水溶液体系的情况；没有考虑大气交换过程。CO2+H2CO3HCO3-CO32-1008060402002 4 6 8 10 12pH碳酸化合态分布图碳酸化合态分布图 三、天然水的性质三、天然水的性质对于开放体系，应考虑大气交换过程：对于开放体系，应考虑大气交换过程：222222COH221COH022T-23COH1COH011T-3COH002TCOH2HCOHHCO1/)aq(CO)aq(COpKKKpKCpKKpKCpKCpK 三、天然水的性质三、天然水的性质碱度碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能是指水中能与强酸发生中和作用的全部

50、物质，亦即能接受接受H+的物质总量。的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：组成水中碱度的物质可以归纳为三类： 强碱；强碱； 弱碱；弱碱； 强碱弱酸盐。强碱弱酸盐。At pH values below 7, H+ in water detracts significantly from alkalinity, and its concentration must be subtracted in computing the total alkalinity. Therefore the following equation is the complete equation for alk

51、alinity in a medium where the only contributors to it are HCO3-, CO32-, and OH-.总碱度总碱度 = HCO3- + 2CO32- + OH- H+2. 天然水酸度和碱度天然水酸度和碱度 三、天然水的性质三、天然水的性质 酸度酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出出H+或经水解能产生或经水解能产生H+的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。碱盐等。某水体的某水体的pH = 8.00, 碱度为碱度为1.0010-3 mol/L

52、, 该水体中该水体中HCO3-, CO32-, OH-, H+等物质的浓度。等物质的浓度。解：解：pH = 8.00时，时， CO32-的浓度很低，可认为碱度全部由的浓度很低，可认为碱度全部由HCO3-贡献，则贡献，则HCO3- = 碱度碱度 = 1.0010-3 mol/L；根据根据pH值，值，H+ = 1.00 10-8 mol/L; OH- = 1.00 10-6 mol/L总酸度总酸度 = H+ + HCO3- + 2H2CO3 OH- 三、天然水的性质三、天然水的性质mol/L1025. 21045. 41000. 11000. 1COHHCOHCOHCOHHCOHHCOHCOH57

53、383213323231332KKmol/L1069. 41000. 11000. 11069. 4COHHCOCOHCOCOHCOHHCO683112332233232233KK 三、天然水的性质三、天然水的性质解：解：碱度的贡献：碱度的贡献：OH- + HCO3- + 2CO32- H+的浓度可以忽略不计。的浓度可以忽略不计。 H+ = 1.00 10-10 mol/L; OH- = 1.00 10-4 mol/LHHCOCO3223KOH- + HCO3- + 2CO32- = 1.00 10-3 mol/L (1)H+ = 1.00 10-10 mol/L; OH- = 1.00 10

54、-4 mol/L (2)(3)若水体的若水体的pH为为10.0，碱度，碱度为为1.00 10-3 mol/L, 则上述各则上述各形态物质的浓度为多少？形态物质的浓度为多少？ 三、天然水的性质三、天然水的性质2 2.18 10-4 = 4.36 10-4 eq/L from CO32- 4.64 10-4 eq/L from HCO3- 1.00 10-4 eq/L from OH- Alk = 1.00 10-3 mol/LSolving these three equations gives HCO3- = 4.64 10-4 mol/L and CO32- = 2.18 10-4 mol/

55、L, so the contributions to the alkalinity of this solution are the following: 四、水体富营养化四、水体富营养化常量元素：常量元素：N, P, C, O微量元素：微量元素：Fe, Mn, Cu, Zn, Ca, 1. 水中的营养元素水中的营养元素2. 水体富营养化水体富营养化湖泊、河口、海湾；湖泊、河口、海湾； N，P等营养物质；藻类和浮游生等营养物质；藻类和浮游生物大量增殖；溶解氧下降；物大量增殖；溶解氧下降；鱼类及其它生物死亡。鱼类及其它生物死亡。机理：污染物大量机理：污染物大量排放、水化学失衡、生排放、水化学失衡

56、、生态紊乱、内源营养物质态紊乱、内源营养物质释放。释放。 四、水体富营养化四、水体富营养化 四、水体富营养化四、水体富营养化 赤潮赤潮(Algal bloom或或Red tide)是海水中某些是海水中某些微小浮游植微小浮游植物物、原生动物原生动物或或细菌细菌在一定的环境条件下突发性的增殖，引在一定的环境条件下突发性的增殖，引起一定范围一段时间的海水变色现象。起一定范围一段时间的海水变色现象。3. 赤潮赤潮为什么会发生赤潮？为什么会发生赤潮？ 海域水体的富营养化。海域水体的富营养化。含有有机质和丰富营养盐的工农业含有有机质和丰富营养盐的工农业废水和生活污水排入海洋。尤其是水体交换能力差的河口废水

57、和生活污水排入海洋。尤其是水体交换能力差的河口海湾地区，污染物不容易被稀释扩散。海水养殖密度高的海湾地区，污染物不容易被稀释扩散。海水养殖密度高的区域也往往存在水体的富营养化。区域也往往存在水体的富营养化。 海域中存在赤潮生物种源。海域中存在赤潮生物种源。海洋中有海洋中有330多种浮游生物能形多种浮游生物能形成赤潮，有毒的种类大约有成赤潮，有毒的种类大约有80多种，目前在中国沿海海域多种，目前在中国沿海海域的赤潮生物约有的赤潮生物约有150种。种。 合适的海流作用和天气形势。合适的海流作用和天气形势。一般在海潮流缓慢、水体交换一般在海潮流缓慢、水体交换弱、天气形势稳定、风力较小、湿度大、气压低

58、、闷热、阳光弱、天气形势稳定、风力较小、湿度大、气压低、闷热、阳光充足时，易发生赤潮。充足时，易发生赤潮。 适宜的水温和盐度。适宜的水温和盐度。一般在表层水温的突然增加和盐度降一般在表层水温的突然增加和盐度降低时，会促进赤潮的发生。低时，会促进赤潮的发生。资料来源：资料来源：王金辉王金辉 单位：国家海洋局东海监测中心单位：国家海洋局东海监测中心http:/ 四、水体富营养化四、水体富营养化 内容内容第四节第四节 土壤圈土壤圈 (Pedosphere)一、土壤的组成一、土壤的组成二、土壤的性质二、土壤的性质 一、土壤的组成一、土壤的组成土壤固相土壤固相土壤液相土壤液相土壤气相土壤气相 (35%

59、V)土壤矿物质土壤矿物质 (90% )土壤有机质土壤有机质 (1-10%)原生矿物质原生矿物质 (90% )次生矿物次生矿物土壤中固、液、气相结构图（自土壤中固、液、气相结构图（自S.F. Manahan, 1984）根须根须土粒上的土粒上的吸附水吸附水土粒土粒土壤空隙土壤空隙被水饱和被水饱和的土壤的土壤地下水地下水 一、土壤的组成一、土壤的组成土壤的层次结构土壤的层次结构A00A0A1A2A3B1B2B3CCCSGD土土壤壤层层覆盖层覆盖层(A0)淋溶层淋溶层(A)淀积层淀积层(B)母质层母质层(C)基岩基岩(D)疏松的枯枝落叶层，未经分解疏松的枯枝落叶层，未经分解暗色半分解有机质层暗色半分

60、解有机质层暗色的腐殖层暗色的腐殖层灰白色的灰化层灰白色的灰化层向向B层过渡层，多似层过渡层，多似A层层向向A层过渡层，多似层过渡层，多似B层层棕色至红棕色的淀积层棕色至红棕色的淀积层向向C层过渡层层过渡层CaCO3聚集层聚集层CaSO4聚集层聚集层潜育层潜育层(灰粘层灰粘层)可能出现的特殊层次可能出现的特殊层次自然土壤的综合剖面图自然土壤的综合剖面图(南京大学等合编，南京大学等合编，1980) 一、土壤的组成一、土壤的组成原生矿物原生矿物：各种岩石：各种岩石(主要是岩浆岩主要是岩浆岩)受到程度不同的物受到程度不同的物理风化而未经化学风化而形成的物质，其原来的化学组成理风化而未经化学风化而形成的