环境化学课件讲义

第一章环境介质及性质,Chapter1.EnvironmentalMediaandTheirProperty,内容,第一节地球环境(GlobalEnvironment)第二节大气圈(Atmosphere)第三节水圈(Hydrosphere)第四节土壤圈(Pedosphere)第五节环境污染(EnvironmentalPollution),内容,第一节地球环境(GlobalEnvironment),一、自然环境二、环境介质,一、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,化学圈,一、自然环境,生物圈Biosphere,水圈Hydrosphere,大气圈Atmosphere,土壤圈Pedosphere,化学圈Chemosphere,二、环境介质(相),环境介质(EnvironmentalMedia),相(Phase，Compartment),环境的组成非常复杂，由一系列彼此相连的环境介质或环境相来组成，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。,连续的介质或相：水、大气.非连续的介质或相：大气颗粒物,相邻的环境介质或相：水体大气(污染物迁移)、.非相邻的环境介质或相：大气水体沉积物,二、环境介质(相),容易受到污染的介质或相：表层水、大气.不容易受到污染的介质或相：深海、岩石层,均相：如浅塘中充分混合的水，无浓度梯度、温度梯度；非均相：性质不均一(如土壤、沉积物),内容,第二节大气圈(Atmosphere),一、大气温度层结二、大气颗粒物三、臭氧层的形成与耗损四、温室气体和温室效应,一、大气温度层结,1.大气圈(Atmosphere),一薄层覆盖地球表面的混合气体组成。Theatmosphereconsistsofthethinlayerofmixedgasescoveringtheearthssurface.,气相环境浓度单位EnvironmentalConcentrationUnitsforGases,PartsPerMillion(ppm,106);PartsPerBillion(ppb,109);PartsPerTrillion(ppt,1012)PartsPerHundredMillion(pphm,108),Inordertoemphasizethattheconcentrationscaleisbaseduponmoleculesorvolumesratherthanuponmass.,1mg/L浓度的硝基苯水溶液相当于1ppm，在空气中1mg/L的硝基苯也相当于1ppm吗？,一、大气温度层结,decimeter(dm);centimeter(cm);millimeter(mm);micrometer(m)(测微计、千分尺、微米)；nanometer(nm);angstrom();liter(L);milliliter(mL);microlitre(L),angstromn.埃（光谱线波长单位）,mono-,di-,tri-,tetra-,penta-,hexa-,hepta-,octa-,nona-,deca-,poly-,小知识,一、大气温度层结,一、大气温度层结,静大气温度和密度在垂直方向上的分布。,各层次大气对太阳辐射吸收差异,2.大气温度层结,StratificationoftheAtmosphere,大气温度的垂直分布,热层,中间层顶,中间层,平流层顶,对流层顶,平流层,对流层,100,80,60,40,20,0,160,200,240,280,T(K),Z(km),一、大气温度层结,一、大气温度层结,一、大气温度层结,二、大气颗粒物,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(aerosol)。,大气颗粒物,组成成分,有机物无机物,状态,有生命无生命固态液态,1.大气颗粒物的分类,气溶胶体系中分散的各种粒子称为大气颗粒物。,(atmosphericparticles,particulates),二、大气颗粒物,2.大气颗粒物的来源(source),天然来源：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,人为来源：,一次颗粒物：直接由污染源排放的；二次颗粒物：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；,燃料燃烧煤烟、飞灰(FlyAsh)、气态污染物,生成机制(formingmechanism)：,二、大气颗粒物,smoken.烟；抽烟vi.冒烟,粉末dust，powder,ashn.灰；灰烬，灰堆,fogn.雾,烟雾,尘雾Londonhasbadfogsinwinter.伦敦在冬季有大雾。,sootu:n.煤烟、烟灰,mistn.薄雾Wecouldnotseethroughthemist.,smogn.烟雾,二、大气颗粒物,3.颗粒物的粒径和表面性质粒度：粒径(直径)的大小；有效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、密度为1的球体直径。,颗粒物的粒径分类和三模态p8,(1)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的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。用TSP表示。其粒径多在100m以下，尤以10m以下的为最多。(2)飘尘：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10m的颗粒物。(3)降尘：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10m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。(4)可吸入粒子：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(ISO)建议将其定为Dp10m。我国科学工作者已采用了这个建议。,二、大气颗粒物,Particulatematter(PM)isthegeneraltermusedforamixtureofsolidparticlesandliquiddropletsfoundintheair.Someparticlesarelargeordarkenoughtobeseenassootorsmoke.Othersaresosmalltheycanbedetectedonlywithanelectronmicroscope.Theseparticles,whichcomeinawiderangeofsizes(fineparticlesarelessthan2.5micrometersindiameterandcoarser-sizeparticlesarelargerthan2.5micrometers),originatefrommanydifferentstationaryandmobilesourcesaswellasfromnaturalsources.Fineparticles(PM-2.5)resultfromfuelcombustion,motorvehicles,powergeneration,andindustrialfacilities,aswellasfromresidentialfireplacesandwoodstoves.,二、大气颗粒物,InhalablePMincludesbothfineandcoarseparticles.Theseparticlescanaccumulateintherespiratorysystemandareassociatedwithnumeroushealtheffects.Exposuretocoarseparticlesisprimarilyassociatedwiththeaggravationofrespiratoryconditions,suchasasthma.Fineparticlesaremostcloselyassociatedwithsuchhealtheffectsasincreasedhospitaladmissionsandemergencyroomvisitsforheartandlungdisease,andincreasedrespiratorysymptoms.,ashman.(医)哮喘,symptomn.(医)(植)症状，征兆,respiratoryadj.呼吸的,aggravationn.加重(病情)更恶化、恼怒,HealthandEnvironmentalEffects,二、大气颗粒物,三、臭氧层的形成与耗损,Polycyclicaromatichydrocarbons(PAHs)arepotentatmosphericpollutantsthatconsistoffusedaromaticringsanddonotcontainheteroatomsorcarrysubstituents.Asapollutant,theyareofconcernbecausesomecompoundshavebeenidentifiedascarcinogenic,mutagenic,andteratogenic.PAHsarealsofoundincookedfoods.StudieshaveshownthathighlevelsofPAHsarefound,forexample,inmeatcookedathightemperaturessuchasgrillingorbarbecuing,andinsmokedfish.,亲电活性脱毒双环理论,臭氧层主要分布在距地面15-35km的范围内，峰值浓度在20-25km处。,O2吸收光谱,三、臭氧层的形成与耗损,动态平衡：生成和耗损的速率相同，臭氧的浓度保持恒定。,三、臭氧层的形成与耗损,臭氧层耗损OzoneDepletion由于水蒸气、NOx、氟氯烃等污染物进入平流层，它们能加速臭氧耗损过程，破坏臭氧层的稳定状态。,Theyearlyvariationintotalozone(meanvaluesforOctober)overHalleybayStation,Antarctica.,三、臭氧层的形成与耗损,ThetotaloverheadamountofatmosphericozoneatanylocationisusuallyexpressedintermsofDobsonunits(DU);onesuchunitisequivalenttoa0.01mmthicknessofpureozoneatthedensityitwouldpossessifitwerebroughtground-level(1atm)pressure.Thenormalamountofover-headozoneattemperatelatitudesisabout350DU.Becauseofstratosphericwinds,ozoneistransportedfromtropicaltowardpolarregions.Thustheclosertotheequatoryoulive,thelessthetotalamountofozonethatprotectsyoufromultravioletlight.,Dobsonunits(D.U.),三、臭氧层的形成与耗损,假设可催化臭氧分解的物质为Y，则有如下反应：,平流层中NO,NO2的主要天然来源是N2O的氧化：,超音速飞机可以排放NO。N2O是无色气体，低层空气中含量最高的含氮化合物，主要是天然来源，惰性较大。,N2O+O2NO,三、臭氧层的形成与耗损,平流层HOX主要是由H2O,CH4或H2与O反应而生成的。,H2O+O2HOCH4+OCH3+HOH2+OH+OH,ClOx的人为来源是制冷剂，如F-11(CFCl3)和F-12(CF2Cl2)，它们在波长175-220nm的紫外光照射下会产生Cl。,CFCl3+hvCFCl2+ClCF2Cl2+hvCF2Cl+Cl,三、臭氧层的形成与耗损,Thestratospherechlorineconcentrationcurrentlyis3.5ppb,whichistwiceasgreatasitwasinthe1970sandsixtimesthebackgroundlevelof0.6ppb,parallelingthegrowthintheuseofCFCs.Inthe1980s,about1milliontonnes(i.e.,metrictons,1000kgeach)ofCFCswerereleasedannuallytotheatmosphere.,氟里昂,FreonisacommercialtradenameusedbyDuPont,alargecorporationproducingindustrialchemicals,torefertoCFCs-itisatermoftenusedinformallyindiscussionsofenvironmentalairchemistry.,freonn.化氟里昂,三、臭氧层的形成与耗损,ThechemicalformulasforindividualCFCs,suchasCFC-11,canbededucedfromtheircodenumberbyadding90.Theresultingdigitscorrespond,respectively,tothenumberofcarbon,hydrogen,andfluorineatomspresentinonemolecule.Forexample,adding90to11gives101,soitfollowsthatCFC-11containsonecarbon,zerohydrogens,andonefluorine.Sincethatthetotalnumberofnoncarbonatomsaddsupto2n+2,wherenisthenumberofcarbons,thenumberofchlorinesinthesesubstitutedalkanescanbededucedbydifference,thatis,bysubtractingfrom2n+2,thenumberofhydrogenplusfluorineatoms.ThusforCFC-11,2n+2=4,sothenumberofchlorineatomsis4-(0+1)=3,anditsformulaisCFCl3.,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,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,4%,地球表面反射,47%,17%,6%,9%,15%,9%,24%,24%,52%,48%,100%,10%,25%,云吸收,浮尘,被臭氧、水蒸气、碳酸气等吸收,太阳辐射通过大气到达和离开地球的情况,反射,地球外部太阳辐射（包括紫外、可见光、红外）,一部分太阳辐射被地球和大气反射,大气,太阳辐射穿过晴空大气,大部分太阳辐射被地表吸收使地表变暖,地表放射的红外辐射,一些红外辐射被温室气体吸收并重又放射出，这种效应使地表和低层大气变暖。,四、温室气体和温室效应,温室效应：大气中存在一些温室气体(CO2、CH4)，这些气体可以强烈地吸收波长1200-1630nm的红外辐射，其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见光到达地面，但阻止地面重新辐射出来的红外光返回外空间，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，从而使大气温度升高，这种现象称为温室效应。Newidea?,四、温室气体和温室效应,温室气体：CO2,CH4,CO,Freon,SubmittingclassachievementsTopic:bilingualmaterialcollectionrelatingtoenvironmentalissuesfocusedonglobalwarming,ozonedepletionandendocrinedisruptorsDeadline:29thSept.DiscussingWhatisthe“greenhouseeffect”?Whatistherelationbetweentheemissionofexcessivegreenhousegasandglobalwarmingphenomenon?Whataregreenhousegases?Canwedosomethingtoalleviatetheglobalwarmingproblem?Canweprovetheexistenceoftheeffectofgreenhousegasexperimentally?,MaunsLoa岛本底站测定的大气中CO2的浓度变化(唐孝炎，1990),196019651970197519801985年,340330320310,CO2(mL/m3),四、温室气体和温室效应,气体大气中浓度（L/m3）年平均增长率（%）二氧化碳3440000.4甲烷16501.0一氧化碳3040.25二氯乙烷0.137.0臭氧不定CFC110.235.0CFC120.45.0四氯化碳0.1251.0注：本表摘自俊藤搏俊，1990。,大气中具有温室效应的气体,四、温室气体和温室效应,Relativeimportanceofthefivemostimportantgreenhousegases,PercentageofTroposphericWarning(Hansenetal.,1989),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,第三节水圈(Hydrosphere),一、水体二、天然水的基本组成三、天然水的性质四、水体富营养化,一、水体,水圈：地球表层水体的总称。水存在于环境的各个圈层中。,海洋河流、运河湖泊、水库沼泽、冰川、积雪地下水水蒸气(大气、土壤)固态冰(极地、高山)工业设施(锅炉、污水处理厂),水溶解性物质胶体悬浮物沉积物水生生物,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Mn+，表示简单的水合金属离子M(H2O)n+。水中金属离子常常以多种形态存在。例如铁:Fe(OH)2+,Fe(OH)2+,Fe2(OH)24+,Fe3+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,NO3-,Cl-,SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水离子总量的95-99%。,1.天然水的主要离子组成,水中的金属离子：,2.溶解性气体,大气中的气体与溶液中同种气体间的平衡为：,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是各种气体在一定温度下的亨利定律常数(mol/LPa);,二、天然水的基本组成,一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。,G(g)G(aq),氧在干燥空气中的含量为20.95%，大部分元素氧来自大气。氧在水中的溶解度与水的温度、氧的分压及水中含盐量有关。氧在1.0130105Pa、25饱和水中溶解度为8.32mg/L。,(1)气体在水中的溶解性A、氧在水中的溶解度,二、天然水的基本组成,水在25时的蒸气压为0.03167105Pa（对水蒸气的分压进行校正）。而空气中氧的含量为20.95%，氧的分压为：pO2=(1.103100.03167)1050.2095=0.2065105Pa代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：O2(aq)=KHpO2=1.2610-80.02065105=2.610-4mol/L氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L,不同温度下，气体在水中溶解度的计算：Clausius-Claperyron方程：,二、天然水的基本组成,当温度从0升到35时，氧在水中的溶解度将从14.74mg/L降低到7.03mg/L。溶解氧（DissolvedOxygen，DO）,CO2在干燥空气中的含量为0.0314%，水在25时的蒸汽压为0.03167105Pa，CO2的亨利定律常数为3.3410-7mol/L.Pa。则CO2在水中的浓度为：,(2)CO2的溶解度,二、天然水的基本组成,CO2在水中离解，则：H+=HCO3-H+2/CO2=K1=4.4510-7H+=(1.02810-54.4510-7)1/2=2.1410-6molL-1HCO3-=H+=(1.02810-54.4510-7)1/2=2.1410-6molL-1pH=5.67故CO2在水中的溶解度应为CO2HCO3-=1.2410-5molL-1,3.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,腐殖质p20,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；富里酸：可溶于酸又可溶于碱的部分；胡敏素(腐黑物，Humin)：不能被酸和碱提取的部分,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在土壤、水和沉积物中转化而成。分子量300-30000。,分离?,富里酸的结构(Schnitzer,1978),二、天然水的基本组成,4.水生生物,生态系统、食物链中的一个重要环节；生产者、消费者、分解者；自养生物：利用太阳能量和化学能量，把无机物引入生命分子中组成生命体。异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成自身生命的原始物质。生产率、富营养化、C、N、P；,二、天然水的基本组成,Review,三、天然水的性质,1.碳酸平衡,水中CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-各占多大的比例？,三、天然水的性质,CT=H2CO3+HCO3-+CO32-CT=H2CO3/0,三、天然水的性质,三、天然水的性质,以上属封闭的水溶液体系的情况；没有考虑大气交换过程。,CO2+H2CO3,HCO3-,CO32-,100806040200,24681012,pH,碳酸化合态分布图,三、天然水的性质,对于开放体系，应考虑大气交换过程：,CO2在气相和液相处于平衡状态，各种碳酸盐化合态的平衡浓度可表示为pCO2和pH的函数。,比较封闭体系和开放体系p23,在封闭体系中，H2CO3*、HCO3-、CO32-等可随pH值变化，但总的碳酸量CT始终不变。而对于开放体系CT、HCO3-、CO32-均随pH值改变而变化，但H2CO3*总保持与大气相平衡的固定数值。,三、天然水的性质,碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受H+的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：强碱；弱碱；强碱弱酸盐。总碱度：用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色(pH约4.3)，停止滴定，此时所得的结果，也称为甲基橙碱度。其化学反应计量关系式如下：H+OH-H2OH+CO32-HCO3-H+HCO3-H2CO3,总碱度=HCO3-+2CO32-+OH-H+,2.天然水酸度和碱度,酚酞碱度：滴定以酚酞为指示剂，当溶液pH值降到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，得到酚酞碱度表达式：酚酞碱度=CO32-+OH-H2CO3*-H+苛性碱度：达到pHCO32-所需酸量时碱度，但不易测得。苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3*-H+,pH,三、天然水的性质,酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+或经水解能产生H+的物质总量。包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐等。,无机酸度：以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3无机酸度=H+-HCO3-2CO32-OH-,游离CO2酸度：以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3游离CO2酸度=H+HCO3-CO32-OH-总酸度：在pH=10.8处得到，但此时滴定曲线无明显突越，难以选择合适的指示剂，故一般以游离CO2作为酸度主要指标。总酸度=H+HCO3-+2H2CO3*-OH-,某水体的pH=8.00,碱度为1.0010-3mol/L,该水体中HCO3-,CO32-,OH-,H+等物质的浓度。解：pH=8.00时，CO32-的浓度很低，可认为碱度全部由HCO3-贡献，则HCO3-=碱度=1.0010-3mol/L；根据pH值，H+=1.0010-8mol/L;OH-=1.0010-6mol/L,三、天然水的性质,三、天然水的性质,若水体的pH为10.0，碱度为1.0010-3mol/L,则上述各形态物质的浓度为多少？,三、天然水的性质,SolvingthesethreeequationsgivesHCO3-=4.6410-4mol/LandCO32-=2.1810-4mol/L,sothecontributionstothealkalinityofthissolutionarethefollowing:,这里需要特别注意的是，在封闭体系中加入强酸或强碱，总碳酸量cT不受影响，而加入CO2时，总碱度值并不发生变化。这里溶液pH值和各碳酸化合态浓度虽然发生变化，但它们的代数综合值仍保持不变。因此总碳酸量cT和总碱度在一定条件下具有守恒特性。,四、水体富营养化,常量元素：N,P,C,O微量元素：Fe,Mn,Cu,Zn,Ca,1.水中的营养元素,2.水体富营养化,湖泊、河口、海湾；N，P等营养物质；藻类和浮游生物大量增殖；溶解氧下降；鱼类及其它生物死亡。,机理：污染物大量排放、水化学失衡、生态紊乱、内源营养物质释放。,四、水体富营养化,四、水体富营养化,赤潮(Algalbloom或Redtide)是海水中某些微小浮游植物、原生动物或细菌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。,3.赤潮,为什么会发生赤潮？,海域水体的富营养化。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。,海域中存在赤潮生物种源。海洋中有330多种浮游生物能形成赤潮，有毒的种类大约有80多种，目前在中国沿海海域的赤潮生物约有150种。,合适的海流作用和天气形势。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、闷热、阳光充足时，易发生赤潮。,适宜的水温和盐度。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。,资料来源：王金辉单位：国家海洋局东海监测中心,四、水体富营养化,内容,第四节土壤圈(Pedosphere),一、土壤的组成二、土壤的性质,一、土壤的组成,土壤固相,土壤液相,土壤气相(35%V),土壤矿物质(90%),土壤有机质(1-10%),原生矿物质(90%)次生矿物,土壤中固、液、气相结构图（自S.F.Manahan,1984）,地下水,一、土壤的组成,土壤的层次结构,A00,A0,A1,A2,A3,B1,B2,B3,CC,CS,G,D,土壤层,覆盖层(A0),淋溶层(A),淀积层(B),母质层(C),基岩(D),疏松的枯枝落叶层，未经分解,暗色半分解有机质层,暗色的腐殖层,灰白色的灰化层,向B层过渡层，多似A层,向A层过渡层，多似B层,棕色至红棕色的淀积层,向C层过渡层,CaCO3聚集层,CaSO4聚集层,潜育层(灰粘层),可能出现的特殊层次,一、土壤的组成,原生矿物：各种岩石(主要是岩浆岩)受到程度不同的物理风化而未经化学风化而形成的物质，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变；,1.土壤矿物质,土壤矿物质是岩石经物理风化和化学风化形成的。按其成因类型可以将土壤矿物质分为两类：原生矿物和次生矿物。,次生矿物：原生矿物经化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。,Soilisthefinalproductoftheweatheringactionofphysical,chemical,andbiologicalprocessesonrocks.,一、土壤的组成,石英、长石类、云母类、辉石、角闪石、橄榄石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、黄铁矿,原生矿物,次生矿物,简单盐类(方解石、白云石、石膏、泻盐等)、三氧化物类（针铁矿、褐铁矿）、次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石）类,化学风化：氧化、水解和酸性水解。,一、土壤的组成,2.土壤有机质土壤中含碳有机化合物的总称。(10%,5%),组成有机体的各种有机化合物腐殖质,3.土壤水分主要来自于大气降水、地下水和灌溉。不同土壤的保水能力不同；土壤水分实际上是土壤溶液。,4.土壤空气土壤空气组成与大气类似；是一个不连续的体系；O2和CO2的含量有很大的差异。,4、土壤空气,不连续（土壤是多孔介质，且孔隙大小不同）,含量差异：由于微生物和植物活动CO2含量比空气中高，O2低于空气中的,更高的湿度，水蒸气的含量比大气中高得多,有还原性气体和污染物CH4、H2、H2S、NH3,几点差异,A,B,C,D,粒级分组与质地分组,1、土壤矿物质的粒级划分,土壤的机械组成（mechanicalcomposition)：土壤是由粗细不等的土壤颗粒物组成的，这种粗细不等的土粒按不同比例组合称为土壤的机械组成，又称为土壤质地（soiltexture）。,土壤粒级分类系统(三级分类制)classificationsystemsofsoilseparates,二、土壤的性质,土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微生物，它们对污染物在土壤中的迁移转化有重要作用。胶体体系由粒子和介质组成。粒子大小至少在一维方向上为30-10000左右。粒子叫胶粒或分散相；介质叫分散介质或连续相。,1.土壤胶体,比表面和表面能：土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。比表面是单位质量的物质的表面积。,(1)土壤胶体的性质,1、土壤胶体,(1)特性：把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成一个分散体系。胶体体系由粒子和介质组成。粒子大小在0.110m范围。粒子叫胶粒或分散相；介质叫分散介质或连续相。,具有较大的比表面（单位重量物质的表面积）和表面能,呈现双电层（doublelayer）,土壤胶体凝聚性和分散性,(2)双电层结构及扩散双电层土壤胶体具有双电层，微粒的内部一般带负电荷，其外部由于电性吸引，形成一个正离子层，合称为双电层。扩散双电层模型：由于静电吸引和热运动两种效应，在固体表面和溶液中只有一部分电荷相反的粒子紧密排列在固体表面上约1-2个离子厚度。另一部分离子与固体表面的距离可以从紧密层一直分散到本体溶液中。因此双电层实际包含紧密层和扩散层。,分散的双电层理论：固体表面离子带相反电荷的离子（异电离子、补偿离子），由于离子的热运动，并不是全部整齐地排列在一个面上，而是随着距界面的远近，有一定的浓度分布。倘若取溶胶中的胶粒的一部分为例，其电荷分布的情况就如右图所示。,M,N,B,A,C,D,d,+,+,+,+,在靠近粒子表面的一层，正离子有较大的浓度，随着与界面距离的增大，过剩的正离子的浓度逐渐减少，直到距界面为d处，过剩的正离子的浓度等于零。溶液中所有这些离子都是溶剂化的。,双电层可分为两部分：一部分为紧靠固体表面的不流动层，称为紧密层，其中包含了被吸附的离子和部分过剩的异电离子(在这里是正离子)，其厚度约有几个水分子的大小，即由固体表面至虚线AB处；另一部分包括从AB到距表面为d处，称为分（扩）散层，在这层中过剩的异电离子逐渐减少而至零。这一层是可以流动的。由这两部分所形成的双电层。称为分散双电层（简称双电层）。,M,N,B,A,C,D,d,+,+,+,+,固体表面MN吸附一定量的离子，其电位相对于CD处为，或者说CD与MN间的电位差为，这个电位称为总电位差，也叫热力学电位。非活动性的离子层与液体间的电位差叫电动电位。电动电位的大小视扩散层的厚度而定，水化程度大的补偿离子，形成的扩散层较厚。,M,N,B,A,C,D,d,+,+,+,+,ElectricalDoubleLayer,胶体双电层构造,决定电位离子层：potentialdeterminingionlayer扩散双电层：diffuseddoublelayer,电性双电层：土壤胶体具有双电层，微粒的内部一般带负电荷，其外部由于电性吸引，形成一个正离子层，合称为双电层。,土壤双电层示意图,E0（热力学电位）,EM(电动电位）,二、土壤的性质,紧密层,扩散层,补偿离子,土壤胶体的凝聚性和分散性,由于胶体的比表面和表面能都很大，为减小表面能，胶体具有相互吸引、凝聚的趋势，这就是胶体的凝聚性。但是在土壤溶液中，胶体常带负电荷，所以胶体微粒间又因相同电荷而排斥，这是胶体的分散性。,影响土壤胶体分散性的主要因素是土壤胶体的电动电位和扩散层厚度。电动电位高，分散性强。,二、土壤的性质,土壤溶液中阳离子增多，由于土壤表面的负电荷被中和，可以加强凝聚作用。阳离子改变土壤凝聚作用的能力与其种类和浓度有关。一般，土壤溶液中常见阳离子的凝聚能力顺序是：,Na+K+NH4+H+Mg2+Ca2+H+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+,不同种类胶体的阳离子交换总量不同，其一般顺序为：有机胶体蒙脱石水化云母高岭土含水氧化铁、铝。土壤质地越细，阳离子交换量越高。土壤胶体中SiO2/R2O3(铝或铁的氧化物)比值越大，阳离子交换量越大；pH下降，阳离子交换量降低。,二、土壤的性质,土壤可交换性阳离子,致酸离子：H+、Al3+,盐基离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+,盐基饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子均是盐基离子，且已经达到吸附饱和时的土壤。盐基不饱和土壤：当土壤胶体上吸附的阳离子有一部分为致酸离子，则这种土壤为盐基不饱和土壤。盐基饱和度：在土壤交换性阳离子中，盐基离子所占的百分数为盐基饱和度。,土壤胶体的阴离子交换吸附:自身带正电荷的胶体离子所吸附的阴离子与溶液中的阴离子的交换作用。,二、土壤的性质,盐基饱和度=交换性盐基总量/阳离子交换量100%单位：cmol/l,根据土壤的酸度可以将土壤分为9个等级。,(1)土壤酸度根据土壤中H+的存在方式，土壤酸度可分为两大类：活性酸度：是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称为有效酸度，通常用pH表示。土壤溶液中氢离子的来源：CO2溶于水形成碳酸、有机酸、无机酸、酸沉降。,2.土壤酸碱性,二、土壤的性质,潜性酸度：土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和Al3+。当这些离子通过离子交换作用进入土壤溶液中之后，即可增加土壤溶液的H+浓度。只有盐基不饱和土壤才有潜性酸度，其大小与土壤代换量和盐基饱和度有关。根据测定潜性酸度所用的提取液，可以把潜性酸度分为代换性酸度和水解酸度。,二、土壤的性质,水解性酸度：用弱酸强碱盐(如乙酸钠)淋洗土壤，溶液中的金属离子可以将土壤胶体吸附的H+和Al3+代换出来，同时生成某弱酸。此时测定的弱酸的酸度为水解性酸度。,H+-土壤胶体-Al34CH3COONa3H2O土壤胶体-4(Na+)+Al(OH)3+4CH3COOH,近年研究确认，代换性Al3+是土壤中潜性酸度的主要来源。,代换性酸度：用过量中性盐(如NaCl或KCl)溶液淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+和Al3+发生离子交换作用，而表现出的酸度。,二、土壤的性质,代换性酸度：用过量的中性盐（KCl、NaCl等)淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H+、Al3+离子交换作用，而表现出来的酸度。,用方程式说明Al3+是潜性酸度的主要来源,活性酸度与潜性酸度的关系：土壤的活性酸度与潜性酸度是同一平衡体系的两种酸度。二者可以互相转化，在一定条件下处于暂时平衡状态。土壤潜性酸度往往比活性酸度大得多。,土壤溶液中OH-的主要来源，是CO32-和HCO3-的碱金属及碱土金属盐类。碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度的总和称为总碱度。不同溶解度的碳酸盐和重碳酸盐对土壤碱性的贡献不同。当土壤胶体上吸附的Na+,K+,Mg2+(主要是Na+)等离子的饱和度增加到一定程度时，会引起交换性阳离子的水解作用。,(2)土壤碱度,二、土壤的性质,土壤的缓冲性能是指土壤具有缓和其pH发生剧烈变化的能力，它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物创造比较稳定的生活环境。,土壤溶液的缓冲作用土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类，构成一个良好的缓冲体系，对酸碱具有缓冲作用。,二、土壤的性质,(3)土壤的缓冲性能,土壤胶体的缓冲作用土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用。,土壤胶体的数量和盐基代换量越大，土壤的缓冲性能越强；盐基饱和度越高，对酸的缓冲能力越强，盐基饱和度越低，对碱的缓冲能力越强。,二、土壤的性质,土壤中主要的氧化剂氧气土壤中主要的还原剂有机物,3.土壤的氧化还原性,二、土壤的性质,内容,第五节环境污染(EnvironmentalPollution),一、环境污染物二、化学污染物,P38,生物圈自学,一、环境污染物,1.环境污染,环境污染：由于人为因素，使环境的构成或状态发生变化，环境质量下降，从而扰乱和破坏生态系统和正常生活与生产条件。,环境污染,物理性污染,生物性污染,化学物质污染,一、环境污染物,进入环境后，使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质。,有毒有害物质：降解、毒性变化、联合作用,有用物质：大量进入环境中，成为污染物；,污染物,2.污染物分类,多介质共存(多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCB),存在一个环境介质或以一个环境介质为主(SO2),污染物,人类活动非故意产生：PCDD/Fs,PAHs,一、环境污染物,一、环境污染物,anthropogenicdischarge:人为排放,anthropogenicchemicals,地球(宇宙)上原本就有的物质人类文明创造的物质,Toxicant,二、化学污染物,SO2：SO3H2SO4,硫酸盐，硫酸烟雾型污染，酸雨。含氮化合物(N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐):消耗臭氧，酸雨。CO和CO2:挥发性有机化合物：烷烃、烯烃、芳烃(多环芳烃)颗粒物：吸附蒸气压低的化学物质；室内环境：甲醛、多环芳烃(PAHs)、多溴代联苯醚(PBDEs)、苯系物,1.空气中的典型化学污染物,VolatileOrganicCompounds,VOC;Semivolatileorganiccompounds,SOC,SVOC;PolycyclicAromaticHydrocarbons;Polybrominateddiphenylethers;VaporPressure;Benzene,耗氧有机物：碳水化合物、蛋白质、脂肪和纤维素有毒有机物:农药、表面活性剂、芳烃、药物金属离子、无机物：汞、铅、镉、砷、氰化物、饮用水消毒副产物：,2.水中的典型化学污染物,2.土壤中的典型化学污染物,农药：有机氯、有机磷其它化学污染物：污水灌溉、干湿沉降,二、化学污染物,OrganochlorinePesticide,Insecticide,OrganophosphatePesticide;Protein,课后思考,地球环境主要由哪些圈层构成？什么是大气温度层结？各层结的特点如何？3.简述大气颗粒物的来源和分类。4.臭氧是如何生成和损耗的(天然和人为因素)？5.什么是温室效应？大气中有哪些温室气体？6.Deducetheformulasforthecompoundswiththefollowingcodenumbers:,7.Deducethecodenumbersforeachofthefollowingcompounds(1)CH3CCl3,(2)CCl4,(3)CH3CFCl28.怎样表示大气中的气体与同种气体在溶液中的平衡？9.水体富营养化的机理和危害。10.分别论述封闭和开放水体系中的碳酸平衡过程。11.什么是天然水酸度和碱度？如何计算？和pH有什么关系？,课后思考,12.论述土壤的组成和性质。13.名词解释：原生矿物、次生矿物、腐殖质、双电层及热力学电位、电动电位、土壤阳离子交换量、盐基饱和土壤、盐基饱和度、土壤酸度、活性酸度、潜性酸度、代换性酸度和水解酸度。14.环境污染物如何分类，主要来源？15.各环境介质中的典型化学污染物有哪些，来源？P54未完成的题目,课后思考,第二章化学污染物的迁移行为TransportofChemicalPollutants,内容,第一节概述(Outline)第二节挥发和沉降(VolatilizationandDeposition)第三节界面吸附与分配(AdsorptionandPartition),内容,第一节概述(Outline),一、大气中污染物的迁移二、水中污染物的迁移三、土壤中污染物的迁移四、生物相中污染物的迁移五、污染物多介质迁移,一、大气中污染物的迁移,2.大气中污染物的迁移,风力、气流、干湿沉降等导致水平或垂直方向的动力迁移。,风：大气水平运动。气流：大气垂向运动。沉降：重力作用。,风力扩散气流扩散干湿沉降,一、大气中污染物的迁移,重力沉降首要影响因素：密度，对于直径范围1.5m100m的粒子，若重力和静止空气浮力的作用，则可用斯托克斯定律求出重力沉降速度：,沉降速度，cm/s；空气黏度，Pa.s；1粒子密度，g/cm3；2空气密度，g/cm3