水环境化学习题解答.ppt

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 封闭体系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 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 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 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 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 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 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 若有水 pH为7 5 其碱度为6 38mmol L 水 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 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 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 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 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 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 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 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 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 45 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 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 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 105Pa平衡时的介质中 ae 1 pE 0 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 pE0aH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 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 9 102 pE 20 75 0 53 7 0 13 22E 0 059pE 0 059 13 22 0 78 v 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 87 pE 2 87 7 0 1 8 lg 0 35 0 65 4 16Eh 0 059pE 0 059 4 16 0 245 v 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 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 SO42 HS 两线的交点即 此时 pE 56 1 8 7 0 当pE SO42 即 HS 1 0 10 4mol L所以 log HS 4 同理 当pE 7 0时 HS 7 0时 log HS log SO42 8pE 56 8pE 60 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 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 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 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 而污染物在颗粒物与水之间的分配系数 Kp Koc 0 2 1