模块六-环境化学研究方法与实验

环境化学

新世纪高职高专教材编审委员会组编

主编展惠英“十二五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定目录模块一绪论模块二大气环境化学模块三水环境化学模块四土壤环境化学模块五生物环境化学模块六环境化学研究方法与实验模块六环境化学研究方法与实验教学目标1.理解环境化学的实验室研究方法；2.掌握模拟实验的设计及条件控制；3.掌握环境化学的化学分析和仪器分析研究方法。第一节环境化学的研究方法一、环境化学模拟实验方法

按进行实验的场合可分为“现场实验模拟”与“实验室实验模拟”；按所研究问题的性质可分为“过程模拟”、“影响因素模拟”、“形态分布模拟”、“动力学模拟”及“生态影响模拟”等；按模拟的精确性可分为“比例性模拟”和“形态分布模拟”；按实验的规模和复杂程度可分为“简单模拟”和“复杂模拟”（或称“综合模拟”）第一节环境化学的研究方法1．模拟实验研究的设计及条件控制模拟实验研究能否获得良好的结果与模拟研究的设计是否合理密切相关。酸雨的形成及危害模拟实验（1）实验目的

了解酸性大气污染和酸雨的形成及它们的危害。（2）实验用品

玻璃水槽、玻璃钟罩、喷头、小型水泵、小烧杯、胶头滴管、浓硫酸、浓硝酸、亚硫酸钠、稀盐酸、碳酸钠、铜片、昆虫、绿色植物、小草鱼和pH试纸。第一节环境化学的研究方法按图所示做成封闭气室。

①取少量Na2SO3于杯l中，加2滴水，加1mL浓H2SO4。

②取少量铜片于杯2中，加1mL浓HNO3。

③取少量Na2CO3粉末于杯3中，加2mL稀盐酸。

④迅速将贴有湿润pH试纸的玻璃水槽罩在反应器上，做成封闭气室。观察气室中动、植物的变化。

⑤实验完毕后，用吸有NaOH溶液的棉花处理余气。

⑥利用上述动、植物在无污染的封闭气室中做相同的对比观察实验。大气污染模拟实验封闭气室装置第一节环境化学的研究方法酸雨及危害模拟实验步骤与现象解释

①实验步骤在小烧杯中放入少量Na2SO3，滴加一滴水后，加入2mL浓H2SO4，立即罩上玻璃钟罩，同时罩住植物苗和小鱼（底部一瓷盘内）。少许几分钟后，经钟罩顶端加水使形成喷淋状，观察现象，最后测水、土的pH值。②现象及解释

a．酸雨过后，约lh小鱼死亡；

b．植物苗经酸雨淋后3天死亡，水pH=4；土壤pH=4第一节环境化学的研究方法观察现象及解释

①湿润的pH试纸变红，pH=4；②10min后，小昆虫落地，死亡；③3h后，小鱼开始死亡；④2天后，植物苗开始枯黄、卷叶，最后死亡。以上现象的化学反应方程式为

Na2SO3+H2SO4＝Na2SO4+SO2↑+H2O

Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O以上反应产生的SO2、NO2及CO2均为酸性气体，使pH试纸呈红色。在受污染的环境中，动、植物难以存活。在无SO2、NO2及CO2酸性气体存在的封闭气室的对照实验中，同样的动、植物一星期后仍存活。第一节环境化学的研究方法以上现象的化学反应方程式为Na2SO3+H2SO4＝Na2SO4+SO2↑+H2O玻璃钟罩内的SO2气体经降水形成酸雨使动、植物受到危害。表明酸雨使水、土壤酸化，危害生态环境。在无酸雨的对照实验环境中生长的动、植物一星期后仍存活。酸雨模拟实验封闭气室装置第一节环境化学的研究方法此模拟实验充分说明了酸性气体污染和酸雨的危害，通过这一实验，同学们应该对酸性大气污染和酸雨的形成机理及它们的危害有了更加形象了理解。这一实验的规模虽然很小，但由于目的明确，取得比较良好的效果，这与所设计的实验装置和步骤紧紧为实验目的服务密不可分。第一节环境化学的研究方法2．同位素示踪技术在模拟实验中的应用在环境化学模拟实验研究中，经常采用同位素示踪技术。因为此项技术可以确切地表明某元素或某污染物在环境各部分之间的具体迁移过程和归宿。第一节环境化学的研究方法应用实例：（1）溶解度的测定（2）化学反应的历程（3）环境污染的检查（4）放射性核素也可用作监测沿海污染的手段（5）水利学考察

第一节环境化学的研究方法二、环境化学的化学分析和仪器分析研究方法化学分析和仪器分析是研究环境化学的重要方法，是进行环境化学监测的重要手段，随着分析精度的提高和分析技术的现代化，这两种方法的作用越来越大。第一节环境化学的研究方法1．化学分析研究（1）简分析（2）全分析（3）专项分析（4）细菌分析2．仪器分析研究仪器分析是根据物质的物理性质或物质的物理化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析需要精密仪器来完成最后的测定，它具有快速、灵敏、准确的特点。第一节环境化学的研究方法（1）光化学分析法光化学分析法包括吸收光谱、发射光谱两类。它是基于物质对光的选择性吸收或被测物质能激发产生一定波长的光谱线来进行定性、定量分析。

①比色法

②分光光度法

③原子发射光谱法第一节环境化学的研究方法（2）电化学分析法即根据物质的电化学性质，产生的物理量与浓度关系来测定被测物质的含量，主要包括：①电位分析法直接电位法，电位滴定法。②电导分析法直接电导法，电导滴定法。

③库仑分析法库仑滴定法，控制电位库仑法。④极谱分析法经典极谱法，示波极谱法，溶出伏安法。第一节环境化学的研究方法（2）电化学分析法即根据物质的电化学性质，产生的物理量与浓度关系来测定被测物质的含量，主要包括：①电位分析法直接电位法，电位滴定法。②电导分析法直接电导法，电导滴定法。

③库仑分析法库仑滴定法，控制电位库仑法。④极谱分析法经典极谱法，示波极谱法，溶出伏安法。第一节环境化学的研究方法（3）色谱分析法根据物质在两相中分配系数不同而将混合物分离，然后用各种检测器测定各组分含量的分析方法。目前应用最广泛的方法有以下四种。①气相色谱分析②高效液相色谱法③薄层色谱法④纸色谱第一节环境化学的研究方法（4）其他分析法如差热分析法、质谱分析法、放射分析法、核磁共振波谱法、X射线荧光分析法等等。第一节环境化学的研究方法三、环境化学图示研究方法环境化学的图示法（图形表示法）就是根据化学分析结果和有关资料把化学成分和有关内容用图示、图解的方法表现出来。这种方法有助于对分析结果进行比较，表示其规律性，并发现异同点，更好地显示各种环境要素的化学特性，具有直观性、简明性。第一节环境化学的研究方法1．曲线图曲线图是比较简单、常用的一种图示。

某水域酚浓度变化曲线

第一节环境化学的研究方法2．直方图直方图是用一组直方柱表示某环境要素中污染物含量（浓度）或其他指标在时间或空间上的差异和变化规律。测点上各污染物质浓度

第一节环境化学的研究方法3．等值线图等值线图是利用一定密度的观测点资料，用一定方法内插出等值线（即浓度相等点的连线），以表示水质、大气、土壤或污染物在空间上的变化规律。污染物浓度等值线图

第一节环境化学的研究方法4．平面图环境化学平面图主要包括化学成分类型分区图，采样点布置图、环境质量评价图等，这些图件可按行政区划、水系、自然单元等编制。河流水质图第一节环境化学的研究方法5．剖面图剖面图主要对地下水和土壤而言。当有足够的分层或分段取样的分析资料时，可编制地下水（或土壤）化学剖面图，以反映地下水化学成分（或土壤成分）在垂向上的变化规律。剖面图上一般还应表示主要的地质——水文地质内容。第一节环境化学的研究方法6．圆形图示法圆形图示法是把图形分为两半，一半（一般为上半）表示阳离子，一半（一般为下半）表示阴离子，其浓度单位为mmol/L。某离子所占的图形大小，按该离子物质的量（mmol）占阴离子或阳离子物质的量（mmol）的比例而定。圆的大小按阴、阳离子总物质的量（mmol）大小而定。这种图示法可以用于表示一个水点的化学资料，也可以在化学平面图或剖面上表示。第一节环境化学的研究方法7．化学玫瑰图化学玫瑰图是用圆的6条半径（圆心角均为60°）表示6种主要阴阳离子（K+合并到Na+中）的毫摩尔百分数，离子浓度单位：mmol%（毫摩尔百分数）/L。水化学玫瑰图画法的三个步骤

第二节环境化学实验实验一：天然水的净化1.实验目的练习利用简易方法净化天然水2.实验原理利用沙石、活性炭具有吸附过滤杂质的功能对水进行除杂，另外利用漂白粉具有杀菌消毒的功能对水进行消毒，从而达到水的净化。3.实验用品药品：浑浊的天然水、明矾、新制的漂白粉仪器：小烧杯、试管、玻璃棒、铁架台、自制简易水过滤器、研钵、胶头滴管4.实验步骤（1）浑浊天然水的澄清第二节环境化学实验（2）过滤

将烧杯中上层澄清的天然水倒入自制的简易水过滤器中过滤，将滤液收集到小烧杯中。简易过滤器的制作：取一个塑料的空饮料瓶，剪去底部，瓶口用带导管的单孔橡胶塞塞住，将瓶子倒置，瓶内由下向上分层放置洗净的膨松棉、双层纱布、活性炭、双层纱布、石英沙、双层纱布、小卵石、四层纱布。(3)消毒向过滤后的水中滴加几滴新配制的漂白粉溶液。第二节环境化学实验思考题

(1)如果没有漂白粉，是否能用新配制的饱和氯水消毒？(2)该简易过滤器净化污水的机理是什么？实验三水体富营养化程度的评价一、实验目的1．掌握总磷、叶绿素-a及初级生产率的测定原理及方法。2．评价水体的富营养化状况。二、仪器和试剂实验三水体富营养化程度的评价三、实验过程（一）磷的测定1．原理在酸性溶液中，将各种形态的磷转化成磷酸根离子（PO43-）。随之用钼酸铵和酒石酸锑钾与之反应，生成磷钼锑杂多酸，再用抗坏血酸把它还原为深色钼蓝。砷酸盐与磷酸盐一样也能生成钼蓝，0.1μg/mL的砷就会干扰测定。六价铬、二价铜和亚硝酸盐能氧化钼蓝，使测定结果偏低。2．步骤（1）水样处理：（2）标准曲线的绘制：实验三水体富营养化程度的评价3．结果处理

由标准曲线查得磷的含量，按下式计算水中磷的含量：式中——水中磷的含量，mg/L；

——由标准曲线上查得磷含量，μg；

——测定时吸取水样的体积。实验三水体富营养化程度的评价（二）生产率的测定1．原理绿色植物的生产率是光合作用的结果，与氧的产生量成比例。因此，测定水体中的氧可看作对生产率的测量。然而植物在任何水体中都有呼吸作用产生，要消耗一部分氧。因此在计算生产率时，还必须测量因呼吸作用所损失的氧。本实验采用测定两只无色瓶和两只深色瓶中相同样品内溶解氧变化量的方法测定生产率。此外，测定无色瓶中氧的减少量，提供校正呼吸作用的数据。实验三水体富营养化程度的评价

2．步骤（1）取样：（2）测定：3．结果处理①呼吸作用：氧在暗瓶中的减少量净光合作用：氧在亮瓶中的增加量总光合作用：Pg=呼吸作用＋净光合作用

=②计算水体上下两部分值的平均值。

实验三水体富营养化程度的评价

③通过以下公式计算来判断每单位水域总光合作用和净光合作用的日生产率：

a．把暴露时间修改为日周期

P‘(mgO2·L-1·d-1）=Pg×每日光周期时间／暴露时间

b．将氧生产率单位从mg/L改为mg/m2，这表示1m2水面下水柱的总产生率。为此必须知道产生区的水深：Pg＇＇(mgO2·m-2·d-1）=Pg×每日光周期时间／暴露时间×103×水深（m）

103是体积浓度mg/L换算为mg/m3的系数。

c．假设全日24h呼吸作用保持不变，计算日呼吸作用：

d．计算日净光合作用：

Pn(mgO2·L-1·d-1）=Pg－R

实验三水体富营养化程度的评价④假设符合光合作用的理想方程（CO2+H2O→CH2O+O2），将生产率的单位转换成固定碳的单位：

实验三水体富营养化程度的评价（三）叶绿素-a的测定1．原理

测定水体中的叶绿素-a的含量，可估计该水体的绿色植物存在量。将色素用丙酮萃取，测量其吸光度值，便可以测得叶绿素-a的含量。实验三水体富营养化程度的评价

2．实验过程①将100～500mL水样经玻璃纤维滤膜过滤，记录过滤水样的体积。将滤纸卷成香烟状，放入小瓶或离心管中。加10mL或足以使滤纸淹没的90%丙酮液，记录体积，塞住瓶塞，并在4℃下暗处放置4h。如有浑浊，可离心萃取液。将一些萃取液倒入1cm玻璃比色皿，加比色皿盖，以试剂空白为参比，分别在波长665nm和750nm处测其吸光度。②加1滴2mol/L盐酸于上述两只比色皿中，混匀并放置1min，再在波长665nm和750nm处测定吸光度。实验三水体富营养化程度的评价3．结果处理

酸化前：

酸化后：

在665nm一处测得吸光度减去750nm处测得值是为了校正浑浊液。

用下式计算叶绿素-a的浓度（μg/L）：

式中——萃取液体积，mL；

——样品体积，mL。实验四土壤中农药的残留一、实验目的1．掌握农药残留量的测定原理及方法。2．理解农药残留性评价的环境化学意义。二、实验原理用极性有机溶剂分三次萃取土壤中有机磷农药，用带火焰光度检测器（FPD）的气相色谱法测定有机磷农药的含量。火焰光度检测器对含硫、磷的物质有较高的选择性，当含硫、磷的化合物进入燃烧的火焰中时，将发生一定波长的光，用适当的滤光片，滤去其他波长的光，然后由光电倍增管将光转变为电信号，放大后记录之。当所用仪器不同时，方法的检出范围不同。通常的最小检出浓度为：乐果0.02μg/mL；甲基对硫磷0.01μg/mL；马拉硫磷0.02μg/mL；乙基对硫磷0.0lμg/mL。实验四土壤中农药的残留四、实验步骤1．样品的采集与制备用金属器械采集样品，将其装入玻璃瓶，并在到达实验室前使它不致变质或受到污染。样品到达实验室之后应尽快进行风干处理。将采回的样品全部倒在玻璃板上，铺成薄层，经常翻动，在阴凉处使其慢慢风干。风干后的样品，用玻璃棒碾碎后，过2mm筛（铜网筛），除去2mm以上的砂砾和植物残体。将上述样品反复按四分法缩分，最后留下足够分析的样品，再进一步用玻璃研钵予以磨细，全部通过60目金属筛。过筛的样品，充分摇匀，装瓶备分析用。在制备样品时，必须注意不要使土壤样品受到污染。实验四土壤中农药的残留2．样品的提取称取60目土壤样品20g，加入60mL丙酮，振荡提取30min，在铺有Celite545的布氏漏斗中抽滤，用少量丙酮洗涤容器与残渣后，倾入漏斗中过滤，合并滤液。将合并后的滤液转入分液漏斗中，加入400mL10%氯化钠水溶液，用100mL、50mL二氯甲烷萃取两次，每次5min。萃取液合并后，在旋转蒸发器上蒸发至干（＜35℃），用二氯甲烷定容，测定有机磷农药残留量。实验四土壤中农药的残留3