水环境化学习题解答课件

水环境化学习题解1请推导出封闭体系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：碳酸化合态各种形体占各种碳酸化合态总量的比值称为分布系数，用

表示。各种碳酸化合态总量用CT

表示。(1)在封闭体系中不考虑溶解性CO2与大气交换过程，CT

保持不变。在封闭体系中，各形体的分布系数只是氢离子浓度的函数，与总浓度无关。水环境化学习题解答(2)开放体系此时考虑CO2在气相和液相之间的平衡:[CO2(aq)]=KHPCO2

对于封闭体系，CT保持不变、而［CO2]［HCO32-]、[CO32-]均随pH而变化。对于开放体系而言，［CO2]总与大气保持相平衡的数据，CT、［HCO32-]、[CO32-]均随pH而变化。水环境化学习题解答2请导出总酸度、CO2酸度、无机酸度、总碱度、酚酞碱度和苛性碱度的表达式作为总碳酸量和分布系数的函数。解：总酸度=[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+]无机酸度＝[H+]－[HCO3-]－2[CO3-2]－[OH-] =－CT(

1+2

2)+[H+]－Kw/[H+]总碱度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+] =CT(

1+2

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

2

－

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

1

－2

0)+Kw/[H+]－[H+]水环境化学习题解答3向某一含有碳酸的水体加入重碳酸盐，问：总酸度、总碱度、无机酸度、酚酞碱度、CO2酸度，是增加、减少还是不变。解：增加重碳酸盐即增加[HCO3-]，因此：(1)总酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]－[OH-]而[HCO3-]增加，显然总酸度增加。(2)总碱度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+]，而[HCO3-]增加，显然总碱度增加。(3)无机酸度＝[H+]－[HCO3-]－2[CO3-2]－[OH-]，而[HCO3-]增加，显然无机酸度减少。(4)酚酞碱度＝[OH-]+[CO3-2]－[H2CO3]－[H+]酚酞碱度与[HCO3-]无关，[HCO3-]增加，显然酚酞碱度不变。(5)CO2酸度＝[H+]+[H2CO3]－[CO3-2]－[OH-]CO2酸度即酚酞酸度与[HCO3-]无关，[HCO3-]增加，显然CO2酸度不变。水环境化学习题解答4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，又需加多少碱？解：总碱度＝[HCO3-]+2[CO3-2]+[OH-]－[H+]

＝CT(

1+2

2)+Kw/[H+]－[H+]在pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，总碱度计算可忽略[OH-]和[H+]两项。所以：总碱度＝[HCO3-]+2[CO3-2]=CT(

1+2

2)水环境化学习题解答查表3－3（P.110）：pH=6.5时,

=1.710所以：CT=1.710×1.6=2.736(mmol/L)※设加入Bmmol/L的Na2CO3使pH=8.0,此时,

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

值并不变化，因此：［碱度］＝CT

／

＝2.736／1.018=2.688(mmol/L)碱度的增加值即为NaOH加入量：2.688－1.6=1.088(mmol/L)水环境化学习题解答5具有2.0×10-3mol/L碱度的水，pH为7.0，请计算[H2CO3]、[HCO3-]、[CO32-]和[OH-]的浓度各是多少？解：pH为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=

[碱度]=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)水环境化学习题解答若有水Ａ，pH为7.5，其碱度为6.38mmol/L，水Ｂ的pH为9.0，碱度为0.80mmol/L，若以等体积混合，问混合后的pH值是多少？解：pH为7.5，查表3－3：

=1.069

0=0.06626

1=0.9324

2=1.38×10-3;CA=

[碱度]=1.069×6.38=6.82(mmol/L)pH为9.0：

=0.9592

0=0.002142

1=0.9532

2=4.47×10-2;CB=

[碱度]=0.9592×0.8=0.7674(mmol/L)等体积混合后:[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)水环境化学习题解答7溶解1.0×10-4mol/L的Fe(NO3)3于1L具有防止发生固体Fe(OH)3

沉淀作用所需最小[H+]浓度的水中，假定该溶液中仅形成Fe(OH)2+

和Fe(OH)2+。请计算平衡时该溶液中[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+水环境化学习题解答[Fe3+]＝9.1×103[H+]3

，分别代入：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按牛顿法求解: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+]分别等于1.1×10-8

求出近似值:水环境化学习题解答[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个,所以取最小值[H+]=2.2×10-3为近似值: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水环境化学习题解答13用Langmuir方程描述悬浮物对溶质的吸附作用，假设溶液平衡浓度为3.0×10-3mol/L，溶液中每克悬浮物固体吸附溶质为0.50×10-3mol/L，当平衡浓度降至1.0×10-3mol/L，每克吸附剂吸附溶质为0.25×10-3mol/L，问每克吸附剂可以吸附溶质的限量是多少?解：根据Langmuir吸附等温式：两式相减得：代入所以：G0=1×10-3‑

（mol／L·g）水环境化学习题解答17含镉废水通入H2S达到饱和并调整pH值为8.0，请算出水中剩余镉离子浓度（已知CdS的溶度积为7.9×10-27).解：饱和时[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+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=－2.16Fe3++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)Fe(OH)3(s)=Fe3++3OH-KS0=[Fe3+][OH-]3

则[Fe3+]=KS0/[OH-]3

水环境化学习题解答所以：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水环境化学习题解答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-]等形态，且忽略[Hg(OH)+]和离子强度效应，求1.0×10-5mol/L的Hg(ClO4)2溶液在25℃时的pH值。解：Hg2++2H2O=Hg(OH)20+2H+

平衡时：c－xx2x(设解离出的Hg(OH)20浓度为xmol/L)4x3+10-6.3x－c·10‑6.3=04x3+5×10-7x－5×10-12=0按牛顿法求解：f(x)=4x3+5×10-7x－5×10-12f’(x)=12x2

+5×10-7水环境化学习题解答4x3和5×10-7x分别等于5×10-12

求出近似值:4x3=5×10-12

则x=1.08×10-4

5×10-7x=5×10-12

则x=1×10-5显然x=1.08×10-4不能为其解,

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水环境化学习题解答21在pH=7.00和[HCO3-]=1.25×10-3(mol/L)的介质中，HT2-

与固体PbCO3

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

问作为HT2-

形态占NTA的分数。解：在pH=7.0介质中，NTA以HT2-

形式存在。PbCO3(s)+HT2-=PbT-+HCO3-水环境化学习题解答23什么是电子活度pE以及pE与pH的区别？电子活度与氢离子活度定义上相类似：pH=－lg(aH)aH

表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或迁移质子的相对趋势;pE=－lg(aE)aE

表示平衡状态下(假想)的电子活度,它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势;pE愈小，电子浓度愈高，体系提供电子的倾向就愈强，反之亦然。pE的热力学定义基于下列反应: 2H+(aq)+2e=H2(g)

当这个反应的全部组分都以1个活度单位存在时，该反应的自由能变化

G可定义为零。在[H+]aq=1单位活度，H2

为1.013×105

Pa平衡时的介质中：ae=1,pE=0水环境化学习题解答pE与pH的对比pH=－lg(aH) pE=－lg(aE) 高pH=低H+

浓度 高pE=低电子浓度 低pH=高H+

浓度 低pE=高电子浓度 pH=pka+log[A-]/[HA] pE=pE0+(1/n)log[氧化态]/[还原态]当[A-]=[HA]时,pH=pka

当[氧化态]/[还原态]时,pE=pE0

aH

表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或迁移质子的相对趋势; aE

表示平衡状态下(假想)的电子活度,它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势; 水环境化学习题解答25从湖水中取出深层水，其pH=7.0含溶解氧浓度为0.32mg/L，请计算pE和Eh值.解：水样中溶解氧的摩尔浓度为：

[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)水环境化学习题解答26在厌氧消化池中和pH=7.0的水接触的气体含65%CH4

和35%CO2，请计算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)水环境化学习题解答27在一个pH=10.0的SO42-~HS-

体系中(25℃),其反应为:SO42-+9H++8e=HS-+4H2O(L)已知其标准自由能Gf0

值（kJ/mol)：SO42-：－742，HS-

：12.6，H2O：－237.2，水溶液中质子和电子的Gf0

值为零。(1)请给出该体系的pE0

。(2)如果体系化合物的总浓度为1.0×10-4mol/L，那么请给出下图中①②③④曲线的lgc~pE关系式。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)水环境化学习题解答SO42-~HS-

两线的交点即:此时:pE=-56×1/8=-7.0①当pE<<－7.0时,[HS-]>>[SO42-],即[HS-]

1.0×10-4mol/L所以:log[HS-]=－4②同理:当pE<<－7.0时,所以:log[SO42-]=8pE+56+log[HS-]=8pE+52③当pE>>－7.0时,[HS-]<<[SO42-],即[SO42-]

1.0×10-4mol/L所以:log[SO42-]=－4④同理:当pE>>－7.0时,log[HS-]=log[SO42-]－8pE－56 =－8pE－60水环境化学习题解答某水体中含有300mg/L的悬浮颗粒物，其中70％为细颗粒（粒径<50

m)，有机碳含量为10％，其余的粗颗粒有机碳含量为5％。已知苯并［a］芘的Kow为106，请计算该有机物的分配系数。解：Koc=0.63Kow=6.3×105

细颗粒（粒径<50

m)质量分数:f=0.70

粗沉积物组分的有机碳含量：Xsoc=0.05

细沉积物组分的有机碳含量：Xfoc＝0.10

所以,颗粒物与水之间的分配系数: 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水环境化学习题解答一个有毒化合物排入至pH=8.4,T=25℃水体中，90％的有毒物质被悬浮物所吸着，已知酸性水解速率常数ka=0，碱性催化水解速率常数kb=4.9×10-7L/(d·mol)，中性水解速率常数kh=1.6d-1

，请计算化合物的水解速率常数。解：如果考虑到颗粒物的吸附作用，则水解速率常数可写为(（aw

：有机化合物溶解态的分数）：

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

＝1.6+0.1×{4.9×10-7×10-5.6} =1.6(d-1)水环境化学习题解答31某有机污染物排入pH=8.0，T=20℃的江水中，该江水中含悬浮颗粒物500mg/L，其有机碳含量为10％。

(1)若该污染物分子量为129，溶解度为611mg/L，饱和蒸汽压为1.21Pa(20℃)，请计算该化合物的亨利定律常数（Pa·m3／mol），并判断挥发速率是受液膜控制或气膜控制。

(2)假定Kg=3000cm/h，求该污染物在水深1.5m处挥发速率常数(Kv)。解：(1)根据亨利定律:p=KHCw

该化合物的亨利定律常数:KH=ps·Mw/Sw=1.21×129／611=0.26（Pa·m3／mol）当KH<1.013pa·m3/mol,挥发作用主要受气膜控制.(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℃)当挥发作用主要受气膜控制,此时: Kv=KH’·Kg=1.066×10-4×3000=0.32（cm/h） 在水深1.5米处: Kv=0.32×24／(1.5×100)=0.05（d-1）水环境化学习题解答某有机污染物溶解在一个含有200mg/L悬浮物、pH=8.0和T=20℃的水体中，悬浮物中细颗粒为70％，有机碳含量为5％，粗颗粒有机碳含量为2％，已知此时该污染物的中性水解速率常数kh=0.05d-1

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

，污染物的辛醇－水分配系数Kow=3.0×105

，并从中查到生物降解速率常数KB=0.20d-1

，忽略颗粒物存在对挥发速率和生物降解速率的影响,求该有机污染物在水体中的总转化速率常数（KT）。解：光解速率常数Kp=0.02h-1=0.48d-1

；生物降解速率常数KB=0.20d-1

；已知污染物的辛醇－水分配系数Kow=3.0×105

，因此根据：

Koc=0.63Kow=0.63×3.0×105=1.89×105水环境化学习题解答而污染物在颗粒物与水之间的分配系数: Kp=Koc[0.2(1－f)Xsoc+fXfoc] =1.8