水化学1章绪论

1、水化学水化学 Aquatic Chemistry 王威 副教授/博导 吉林大学化学博士 新加坡南洋理工大学博士后 主要课程：水化学 研究方向：水（深度）处理化学方法、 理论及材料技术 邮箱: 电话:办公室: 市政环境学院，市政工程系1501室 实验室：国家重点实验室202及市政学院2222Why水化学课程？1. 坚实的化学基础，基础与应用衔接（无机化学、有机化学、水化学水化学、水分析化学）2. 与国际接轨Werner Stumm（19241999）被誉为水化学之父，他与他的第一个博士James Morgan合作写了第一本水化学著作水化学（Aquatic Chemist

2、ry）选用的教材：校内讲义参考书：1. Water Chemistry - Patrick L. Brezonik, William A. Arnold （2010）2.水化学（第二版） -王凯雄3. Aquatic Chemistry- Stumm水化学3.0学分讲授40学时，实验8学时考核形式：20%平时成绩（作业及考勤）70% 期末考试（笔试）10%实验（两次实验） 作业：第一章绪论部分习题1-7题揭示各种自然水在环境中的化学行为的实质同时为我们的水处理技术提供理论支持水化学是研究水体中各种化学因子动态规律（包括各种化学物质的转化和分配）的学科。第一章 绪论 1.1 水化学研究内容 大气

3、水中底泥大气与水：大气与溶质：水溶液反应：溶质与悬浮颗粒：溶质与底泥：（1）化学热力学（能量问题） 研究“反应方向”和“反应程度”两个问题 水化学中所有的化学反应都涉及化学热力学问题，它是解决问题的基础： 比如水垢的形成、混凝的效果、有机物的氧化、吸附作用等所有方面都涉及反应热力学问题。 （2）化学动力学 阐述化学反应速率和反应机理的理论，对于研究水中发生的各种过程以及提高水处理效率具有重要意义。 速率问题：例如：根据化学热力学分析，硫化物不可能存在于含有溶解氧（DO）的水中，但实际中发现在DO达到3mg/L的水中仍可以检出硫化物，这是因为在稀溶液中，氧和硫化物之间的反应速率很慢。机理问题：反

4、应历程：比如物质的降解途径等？(3)酸碱化学酸碱化学作用是水系统中最基本的化学作用。比如酸雨问题，酸碱滴定问题等；并且所有的水处理反应都要求注意pH这一条件；碳酸盐系统是天然的缓冲系统，它的研究也是水化学领域重要问题；这里我们将着重学习水体系中物种浓度的计算，格外关注图解法（pc-pH等）。这需要透彻地掌握酸碱平衡基础。(4) 水中的沉淀与溶解问题 例如：化学沉淀法污水除磷技术(5)配位化学例如：腐殖质含有大量羟基、羰基、氨基等，与绝大多数金属发生螯合作用。有利于：指导设计重金属去除药剂及水分析技术中的络合滴定打下基础。配位化学涉及中心金属离子（或原子）与配位体的反应，配位化学理论对水中金属的

5、存在形态，迁移转化和毒性具有重要意义。(6)氧化还原化学（电化学）电化学技术在水处理领域也得到广泛应用，比如电化学反应器。天然水与水处理中进行着各种氧化还原反应例如：高级氧化技术通过臭氧等去除水中有机污染物; 还原技术：比如将亚硝酸盐或硝酸盐还原成氮气； 微生物作用下的有机物或无机物的氧化与还原：比如硝化作用 分析检测技术：氧化还原滴定法(7)相间作用固体表面的吸附胶体化学等课程内容与安排 绪论 化学热力学和化学动力学 水中的酸碱问题 水中金属离子的配位 水中的溶解于沉淀 水中氧化还原化学及电化学 固液表面：吸附、胶体1.2 水的性质1.2.1 水的结构水的结构键长：0.96 埃键角：105氢

6、原子的电子构型：1 S1，氧原子的电子构型：1S22S22P4。氧的2S22P46个电子以不等性SP3杂化轨道与两个氢原子的1 S1电子结合为4对，构成O-H共价键及两对孤对电子H-O-H所在平面与孤对电子所在平面是相互垂直氧端带负电、氢端带正电的典型极性分子水的O-H高度极化O和H部分带点部分电荷的分离带来永久偶极永久偶极促使氢键形成影响每一个分子在水环境中的相互作用（i）分子结构）分子结构氢键：XH-Y，Y一般是氧、氮或氟原子每个水分子可以同相接近的另外四个水分子生成四个氢键。水分子的缔合：水缔合是放热过程，故温度升高，缔合程度降低，即X减小高温时水趋向于单分子状态，低温水缔合度增大，当结

7、冰时大部分分子形成整个晶体结构。（ii）液态水的结构）液态水的结构 液态水闪动簇状模型（液态水闪动簇状模型（Frank和Wen于1957年） 水分子靠氢键形成结构不确定的分子簇，未成簇的分子处于自由状态一般在0时，每个分子簇平均包含65个水分子，而在100时，平均只包含12个。 每个分子被相邻四个分子包围每个分子位于变形四面体顶点氢键将多个四面体连接成庞大的晶体冰中O-H 键长0.99埃；键角：109.5由于氢键方向性要求，水分子不能做紧密堆积，因此具有较大空隙，密度比水小不同的低温和高压下，冰的形态结构有13种相变晶格最整齐的，也是最普通的冰为Ih型，密度0.92 g/cm3（iii）冰的结

8、构）冰的结构 水异常的温度体积效应为什么常压下在4时具有最大密度？ 1.2.2 水特异的物理性质水特异的物理性质水分子有很强的极性，且分子之间形成氢键，具有很强的相互作用，内聚能很大，在提高温度、增强水分子热运动时需要更多的热量和更高的温度具有很高的熔、沸点、汽化热、熔化热；热容水具有最大的表面张力（0.0728N/m，20）其它液体大多只在0.02-0.058 N/m范围。第六主族氢化物的熔沸点与分子量的关系H2OH2SH2SeH2Te 1.2.3 水的化学性质水的化学性质(i) (i) 水的热稳定性好水的热稳定性好反应2H2O2H2O2可以作为水的热稳定性的反应。随着温度的升高，水的离解度

9、增大，1000K时，水的离解度仅有310-5，即使达到2400K，离解度也仅有2.94，只占水的很小一部分。 (ii) 水中物质与水的作用水中物质与水的作用离子-偶极作用力偶极-偶极相互作用偶极-诱导偶极作用力氢键作用力上述作用促使几乎什么物质都能溶解于水，所以鱼儿才能从水中得到氧气 1.由于离子-偶极相互作用阳离子与水形成水合离子2.阴离子并没有成为溶剂合物，而是占据了整个溶剂结构的间隙3.非极性溶质也存在于水分子簇之间的间隙中，水分子环绕溶质保持它们的氢键。限制了非极性有机分子的自由度。故非极性溶质溶解有高负熵。 (iii) 水解作用水解作用从广义上说水解是指水被分解的反应及与水的氧化还原

10、反应。水与很多物质都能发生化学反应例如：CaO + H2O = Ca(OH)22Na + 2H2O = 2NaOH + H2Cl2 + H2O = HCl + HClONa2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOHPBCl3 + H2O = PbOCl + 2HCl 1.3 水中的物质水中的物质元素可以这样说，只要存在与地球上物质，在水中都可能存在本身地球主要就是由水构成这些物质在水中可能不同形式，结合或存在的方式也不一样 物质 1.4 浓度单位浓度单位（质量/体积单位；质量/质量单位）1.4.1 质量单位质量单位 ppb: ppm: 1g溶质/106g水=1 ppm例1 质量/体积

11、和质量/质量单位之间的相互转换：今有浓度为1ppb的草不绿水溶液和另有同浓度溶于正己烷（=0.66g/mL）的1ppb草不绿溶液。以g/L为单位的浓度为多少？1g溶质/109g水=1 ppb相当于相当于总结：1ppb 相当于（ 1g溶质/1kg溶剂）（1L溶剂对于的质量/1L溶剂） 1.4.2 化学单位化学单位(i) 最基本的质量/体积单位是摩尔浓度摩尔浓度（每升溶液中溶质的摩尔数）， 简写为mol/L或M（而不是M/L）：(ii) 化学上标准质量/质量的浓度单位是质量摩尔浓度质量摩尔浓度（m），它代表每 千克溶剂中含有溶质的摩尔数：(ii)质量摩尔浓度= 溶质的质量（g）/分子量（g/mol

12、） 溶剂溶剂的质量（kg）摩尔浓度= 溶质的质量（g）/分子量（g/mol） 溶液的体积（L） 例例2 海水中氯化物的质量摩尔浓度和摩尔浓度：海水中氯化物的质量摩尔浓度和摩尔浓度：已知25下海水中氯化物平均摩尔浓度是Cl- =0.5593mol/L，且知道该海水的盐度是35（即35.00g盐/kg海水），该温度下海水密度为1.02334kg/L， 求氯化物的质量摩尔浓度答：答：由此可见，摩尔浓度和质量摩尔浓度相差0.007，或约1.2%。 因为质量摩尔浓度是每千克溶剂中溶质的摩尔数，我们需要了 解1L海水中有多少质量的H2O。从上面可知， 1L海水的质量为1023.34g ， 且1kg海水中含

13、有35g盐。因此，1L海水含有1023.34（1-35）= 987.5 gH2O分母上：把溶液的体积换成溶剂的质量质量摩尔浓度为 = 0.5593/987.5 = 0.5663 mol/kg水 (iii)另一种质量/质量浓度单位是摩尔分数摩尔分数 对任何一种物质X，X物质在一个系统的摩尔分数即为X的摩尔数除以系统内所有物质总摩尔数之和摩尔分数在无机溶液化学中并不常用，但在水中有机物质溶解度以及在与天然水体有关的固相热力学处理中经常使用。i的摩尔分数 =niii1的摩尔数的摩尔数 (iv) 当量浓度(N)了解定义：溶液的浓度用1升溶液中所含溶质的克当量数，用符号N表示，（英文：normality）公式：当量浓度（N） = 溶质克当量数/溶液体积（L）= 溶质的克数/溶质的克当量溶液体积（L）克当量（g）= 分子（或式）量（g）/反应容量（rc） 当量rc：酸碱反应指物质能够得到或失去的H+离子数目； 如果是盐酸, 一个分子放出一个氢离子，rc为1； 如果是硫酸，一分子放出两个氢离子，反应容量rc是2 在氧化还原反应指物质能够得到或失去的电子的