环境化学课件讲义

1、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

2、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Chemosphere 二、二、环境介质环境介质(相相)环境介质环境介质 (Environmental Media),

3、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

4、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) 内容内容第二节第二节 大气圈大气圈(Atmosphere)一、大气温度层结一、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

5、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： argon n. 化化 氩氩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 layer of mixed gases covering the earths surface. 气相环境浓度单位气相环境浓度单位 Environmental

6、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 molecules or volumes rather than upon mass.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

7、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、千分尺、微米)；nanometer (nm); angstrom (); liter (L);milliliter (mL); microlitre (L) angstrom n. 埃（光谱线波长单位）埃（光谱线波长单位）mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-,

8、 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。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Stratification 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) 一一、大气温度层结、大气温度层结大气密度的垂直分布大气密度

9、的垂直分布0.8020481216Z(km)01.00/0s 对流层对流层Troposphere 高度为高度为1012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 )。 n. 气气 对流层对流层O3 + hv O + O2200-300 nm, 300-360 nm max = 254 nmO + O2 + M O3 + M，热量，热量 一一、大气温度层结、大气温度层结平流层平流层Stratosph

10、ere高度为高度为1050 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 )。 n. 气气 同同温层温层中间层中间层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-) 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 一、大气温度层结一、大气温度层结Sea levelMajo

11、r 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, penetration to Eearths

12、 surface Ultraviolet: 200-330200-330 nm, penetration to 50 km 二、大气颗粒物二、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，也是气溶胶体系体系，也是气溶胶体系 (aerosol)。大大气气颗颗粒粒物物组成成分组成成分有机物有机物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, par

13、ticulates) 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 (source)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

14、 (forming mechanism)： 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London has bad fogs in winter.伦敦在冬季有大雾。伦敦在冬季有大雾。soot u: n. 煤烟、烟煤烟、烟灰灰mist n.薄雾薄雾 We could not see through the mist. smog n. 烟烟雾雾 二二、大气颗粒物、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

15、(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和三模态颗粒物的粒径分类和三模态p8(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

16、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

17、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。 二二、大气颗粒物、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 seen as soot or smoke. Others are so

18、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 stationary and mobile sources as well

19、 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. 二二、大气颗粒物、大气颗粒物Inhalable PM includes both fine and coarse particles. These particles can accumulate in th

20、e 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 increased hospital admissions and emergenc

21、y room visits for heart and lung disease, and increased respiratory symptoms.ashma n.(医医)哮喘哮喘symptom n.(医医)(植植)症状，征兆症状，征兆respiratoryadj.呼吸的呼吸的aggravationn.加重加重(病情病情)更恶化、恼怒更恶化、恼怒Health and Environmental Effects 二二、大气颗粒物、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Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are potent at

22、mospheric pollutants that consist of fused aromatic rings and do not contain heteroatoms or carry substituents. As a pollutant, they are of concern because some compounds have been identified as carcinogenic, mutagenic, and teratogenic. PAHs are also found in cooked foods. Studies have shown that hi

23、gh levels of PAHs are found, for example, in meat cooked at high temperatures such as grilling or barbecuing, and in smoked fish.亲电活性亲电活性脱毒脱毒双环理论双环理论O2 + 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15-35 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 (

24、 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)6040200StratosphereTroposphereV

25、ariation 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 196

26、8 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total ozone (Dobson units). .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total 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 Do

27、bson 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 atm) pressure. The normal amount of over-head ozone at temperate latitudes is about 350 DU. Because of stratospheric winds, ozone is transported from t

28、ropical toward polar regions. Thus the closer to the equator you live, the less the total amount of ozone that protects you from ultraviolet light. Dobson 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

29、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 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 + HO

30、H2 + 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。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 cur

31、rently 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 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 commer

32、cial trade name used by Du Pont, a large corporation producing industrial chemicals, to refer to CFCs-it is a term often used informally in discussions of environmental air chemistry. freon n. 化化 氟里昂氟里昂 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 f

33、rom their code number by adding 90. The resulting digits correspond, respectively, to the number of 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 tot

34、al number of noncarbon atoms adds up to 2n+2, where n is the number of carbons, the number of chlorines 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 i

35、s 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

36、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

37、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，但见光到达地面，但阻止阻止地面重新辐射出来的红外光返回外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，把能量地面辐射出来的红外光，把能量截留截留在大气之中，从而使在大气之中，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。New idea? 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

38、, Submitting class achievements Topic: bilingual material collection relating to environmental issues focused on global warming, ozone depletion and endocrine disruptors Deadline: 29th Sept. Discussing What is the “green house effect”? What is the relation between the emission of excessive green hou

39、se gas and global warming phenomenon? What are green house gases? Can we do something to alleviate the global warming problem? Can we prove the existence of the effect of green house gas experimentally?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 年年340330320

40、310 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 Relative impo

41、rtance 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、天然水的基本组成三、天然水的性质三

42、、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Mn+，表示简单的，

43、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：同种气体间的平衡为：G(aq)

44、= 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氧在干燥空气中的含量为 20.95% ，大部分元素氧来自，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大气。氧在水

45、中的溶解度与水的温度、氧的分压及水中含盐量有关。氧量有关。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气体在水中的溶解性A、氧在水中的溶解度、氧在水中的溶解度 二、天然水的基本组成二、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=(1.10310 0.03167) 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)=KH pO2=1.2610-80.02065105=2.610-4mol/L氧的分子量为

46、32，因此其溶解度为8.32mg/L；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. 2lg21212112RHTTCCTTRHCC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（Dissolved Oxygen，DO） 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

47、.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)51003167.0100130.1 (CO252pKp 二、天然水的基本组成二、天然水的基本组成CO2在水中离解，则： H+ = HCO3- H+2/CO2 = K1 = 4.4510-7 H+ =(1.02810-5 4.4510-7)1/2 = 2.1410-6 molL-1 HCO3- =H+ =(1.0

48、2810-54.4510-7)1/2= 2.1410-6molL-1pH = 5.67故CO2在水中的溶解度应为CO2 HCO3- = 1.2410-5molL-1COHHCOHCOHHCOHCOHCOH3231-233-332KH3CO2H1223COH3CO2H13HCO-3HCO23COH2KKKK3. 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 p20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

49、； 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。分离分离?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

50、、消费者、分解者；生产者、消费者、分解者；自养生物自养生物：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：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。命体。异养生物异养生物：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：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。物质。 生产率、富营养化、生产率、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Review http:/ 美科学家绘制出全球温室气体分析图 Water body: ion, dissolved gas, humus, aquatic organisms Henrys La

51、w p66- The solubility of a gas in a solvent is proportional to the pressure of the gas above the solvent. Henrys law describes the distribution/partition of a compound between air and water, which shows importance in the treatment of volatile compounds in environmental research and engineering. Henr

52、ys Law constant 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12211232213213232023221-233213-3-23232312-23-3133203

53、222)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的情况；没有考虑大气交换过程。以上

54、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(COpKKKpKCpKKpKCpKCpKCO2 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

55、-、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、天然水的性质三、天然水的性质碱度碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质，亦即能接受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。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

56、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- H2O H+ + CO32- HCO3- H+ + HCO3- H2CO3 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- HCO3-2 H2CO3* -H+ 0 14甲基橙酚酞4.3HC

57、O3-、CO2H2CO3总碱度/甲基橙碱度 总碱度= HCO3- + 2 CO32- + OH- - H+8.3CO32-HCO3-酚酞碱度酚酞碱度= CO32- + OH- - H2CO3* - H+12CO32-苛性碱度苛性碱度= OH- HCO3-2 H2CO3* -H+ 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。无机酸度：以甲基橙为指示剂滴定到 pH = 4.3 无机酸度

58、= H+ - HCO3- - 2 CO32- - 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-+2 H2CO3* -OH- 某水体的某水体的pH = 8.00, 碱度为碱度为1.0010-3 mol/L, 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，可的

59、浓度很低，可认为碱度全部由认为碱度全部由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 三、天然水的性质三、天然水的性质mol/L1025. 21045. 41000. 11000. 1COHHCOHCOHCOHHCOHHCOHCOH57383213323231332KKmol/L1069. 41000. 11000. 11069. 4COHHCOCOHCOCOHCOHHCO683112332233232233KK 三、天然水的性质三、天然水的性质

60、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 10-4 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.