第三章-水环境化学习题解答

第三章水环境化学一、 填空题1、 天然水体中常见的八大离子包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO=、NO-、Cl-、SO2-。一一一一.一一-一一一 一_— —~3J__4___一一2、 天然水体中的碳酸平衡体系a。、a1、气分别表示区叫*]、/。』]、！^。;-]的分配系数,其表达式分别为：（用pH\K1\K2,^）:2 23 3 3a=[HCO*]/{[HCO*]+[HCO-]+[CO2-]}=[H+]2/{[H+]2+K[H+]+KK}~023 23 3 3 1 1~2~a=[HCO-]/{[HCO*]+[HCO-]+[CO2-]}=K[H+]/{[H+]2+K[H+]+KK}a1= __/{[lTC3*]+[HC（n+T~C32-]}=BK/{[H+]2+K[H+]+KkT72 3 23 3— 3 1―2 1 1―2 （注：此三个公式前半段教材119-120页有错误！）a+a+a=1泊根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总酸度=[H+]+2[H2CO3*]+[HCO3-]-[OH-]；CO2酸度二 3无机酸度二[H+]-[HCO-]云3O2-]-[OH-]4、 根据溶液质子平衡条件得到酸度低表达式：总碱度二 [OH-]+2[CO32-]+[HCO3-]-[H+]；酚酞碱度=[OH-]+[CO』-[H+]-[HCO*]~ZZ ~T~3 Z~- 23~二苛性碱度二[OH-]-2[HCO*]-[HCO-]-[H+]_。5、 “骨痛病事件”的污染物是一 ；水俣病的污染物是汞（或甲基汞）。6、 水体的富营养化程度一般可用总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a、透明度等指标来衡量。7、 水环境中氧气充足的条件下有机物发生的生物降解称为有氧（或好氧）降解，最终产物主要为二氧化碳和水，有机氮转化为硝酸根，有机硫转化为硫酸根。水中的有机物在无氧条件经微生物分解，称为出氧降解，降解产物除二氧化碳和水外，还有小分子的醇、酮、醛、酸等，无机态氮主要以氨氮存在、硫主要以硫化物存在，水体发臭发黑。8、体系的pE值越小，体系提供电子的能力强.还原能力 强9、水体中常见的吸附等温线有Henry型、Freundlich型、Langmuir型。水体中胶体颗粒物的吸附作用有表面吸附、离子交换吸附、专属吸附三种形式。10、取一定体积的某天然水样测定其碱度，10、取一定体积的某天然水样测定其碱度，用标准溶液滴至酚酞指示剂有红色变成无色时,耗用了PmLHCl,再加入甲基橙指示剂，再用标准Cl溶液滴定至甲基橙指示剂变色时，又用去MmLHCl,当P=0,M>0,水体的碱度构成为[HCO3-]；当P=M>0水体的碱度构成为[CO32-]；当P>M>0水体的碱度构成为[OH-]+[CO2-]；当M>P>0水体的碱度构成为[CO2-]+[hCo-]；3 3 3当？>05=0水体的碱度构成为 [OH-]。11、水体的自净作用按其发生的机理可分为物理净化、化学净化、生物净化三类。12、水体的pE值越大，体系接受电子的能力越大,氧化能力越强；水体的pE值越小,体系接受电子的能力越弱，氧化能力越弱13、天然水的pE随水中溶解氧的减少而减小_，一般天然水体表层水的pE较大，因而表层水呈氧化环境。14、 三态氮（氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮）的相对含量常用作水体自净程度的指标。15、 pE的定义为：pE=-lga.；pE与E的关系式为：pE二EF/（2.303RT） ，25°C时为pE=E/0.0591二、 概念（名词解释）1、 溶解氧（DO,英文全称）：DissolvedOxygen2、 亨利定律及其数学表达式：［X（aq）］=KH七3、 化学需氧量（COD英文全称）：ChemicalOxygenDemand4、 生化需氧量（BOD英文全称）：BiochemicalOxygenDemand5、 五日生化需氧量（BOD、英文全称）。FivedayBiochemicalOxygenDemand6、 水体的酸度（acidity5）和碱度（alkalinity）：水体的酸度是指每升水样中能与强碱发生中和反应的物质的量（或能提供质子的物质的量）；水体的碱度是指每升水样中能与强酸发生中和反应的量（或能接受质子的物质的量）。7、 硝化与反硝化：氨氮在有氧条件下，经亚硝化细菌、硝化细菌的作用，氧化成亚硝酸最后氧化为硝酸的过程称为硝化。硝酸盐氮在缺氧条件下，经反硝化细菌作用，还原为氮气或一氧化二氮（NO）的过程称为反硝化。8、 分配定律与分配系数：所谓分配定律是指一定温度下，物质A在两种互不相溶的溶剂中达到分配平衡时在两相中的活度（常近似为浓度）之比，即分配系数，为一常数。分配系数可用于表示该物质对两种溶剂的亲和性的差异。9、 水体的自净作用：污染物排入水体后，使水环境受到污染，经过水体自然的物理、化学与生物的作用，使水体中污染物的浓度得以降低，经过一段时间后，水体质量逐渐恢复的过程。10、 优先污染物：也叫优控污染物，由于化学污染物种类繁多，世界各国都按一定的筛选原则筛选出一些毒性强、难降解、残留时间长、在环境中分布广的污染物优先进行控制。这些被筛选出优先控制的污染物称为优先污染物。11、 表面吸附、离子交换吸附、专属吸附（1）表面吸附：由于胶体表面具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用。胶体表面积越大，吸附作用越强。（2）离子交换吸附：环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子。胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，这种作用称为离子交换吸附作用；（3）专属吸附：指在吸附过程中，除了化学键作用外，尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用。该作用不但可以使表面点荷改变符号，还可以使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。12、 胶体的凝聚与絮凝：凝聚：水中胶体失去稳定（脱稳）并生成微小聚集体的过程。絮凝：脱稳的胶体相互聚结成大的絮凝体的过程。混凝：水中胶体粒子失去稳定并相互聚结成大的絮凝体的过程，它是通过向水中投加混凝剂实现的。混凝是凝聚和絮凝的总称。作用机理不一样，凝聚是由压缩双电层机理作用，胶体脱稳引起的聚集成为凝聚。絮凝是吸附架桥作用，由天然高分子物质吸附架桥作用使微粒相互黏结的过程是絮凝。13、 SS（水中悬浮物）三、 简答题1、天然水体的碳酸平衡体系，开放体系和封闭体系各有什么特点？答：天然水体开放体系，水始终与大气接触，水中CO2（［H2CO3*］）的浓度与大气中的CO2达到平衡，其浓度可有亨利定律计算，温度一定，空气中CO分压一定，水中CO（［HCO*］）的浓度一定，不随pH变化。封闭体系，水不与大气接触，2水中CO2（［H2CO*］）不与关气中CO交换，C=［HCO*］+［HCO-］+［CO2-］,C不随pH变化。之」32 T2 3 3 3 T源-于-网-络-收-集2、 影响重金属在水体中的迁移转化方式及其因素有哪些？答：按照物质的运动形式，重金属在水环境中的迁移可分为机械迁移、物理化学迁移和生物迁移。机械迁移是指重金属离子以溶解态或颗粒态的形式被水流搬运物理化学迁移是指重金属以简单离子、络离子或可溶性分子在水环境中通过一系列物理化学作用所实行的迁移和转化过程，这种迁移转化的结果决定了重金属在水环境中的存在形式、富集状况和潜在危害程度。生物迁移指重金属通过生物体的新陈代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移，这是一种复杂的迁移，正是由于这种迁移，才使重金属被有机体（如鱼类）富集起来，再经由食物链，构成对人体的威胁。影响因素：pH：一般pH降低，重金属化合物的溶解性增加，水中重金属含量增加，重金属的活性增加；温度：温度增加，减低物理吸附作用，增加重金属化合物的溶解度，水中重金属含量增加，重金属的活性增加；盐分：水中盐分增加，降低胶体对重金属的吸附，离子交换是吸附的重金属离子释放，水中重金属含量增加，重金属的活性增加；配为离子：一般配位离子浓度增加，重金属离子形成配位化合物的几率增加，溶解性增加。氧化还原电位：氧化还原电位对不同重金属的影响不同，如：氧化还原电位增加，二价铁变成三价铁，二价猛变成四价猛，溶解性降低；三价铬变成六价铬，溶解性增加；重金属硫化物在高氧化还原电位条件下变成硫酸盐，溶解度增加；悬浮物的含量与类型对重金属在水中的迁移转化，一般来说，水体中的重金属易被悬浮物吸附沉积到沉积物中去。生物的积累、生物的转化等。3、 水体中有机污染物的迁移转化方式有哪些？答：挥发、吸附沉降、化学氧化还原、光化学氧化、生物积累、生物降解（生物氧化）。生物降解有分为好氧降解和厌氧降解。三、选择题1、某一氧化还原体系的标准电极电位为0.80，其pEo为：（A）A、13.50B、13.35C2、 以下因素中不会诱发重金属从沉积物中释放出来的是（A）。A、pH升高B、pH降低C、pE升高D、氧化还原电位降低3、 某生活污水的COD为100mg/L，其BOD5约为（C）。A、40B、100C、70D、604、 氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸的过程称为：（A）A、硝化B、氨化C、同化D、反硝化6、下列关于水体的pE与电子活度的叙述中正确的是（B）。A、 pE越小，电子活度越小，水体的氧化性越强B、 pE越小，电子活度越高，水体的还原性越强D、pE越小，电子活度越高，水体的氧化性越强C、 pE越大，电子活度越高，水体的氧化性越强7、 下列因素中不是影响水环境中颗粒物吸附作用的主要因素是：（A）A、溶解氧含量 B、颗粒物粒度 C、温度D、pH8、 某水体的氧化还原电位为0.771，其pE为：（C）7.上世纪五十年代日本出现的水俣病是由（B）污染水体后引起的。A、CdB、HgC、PbD、As四、论述题1、 论述水体富营养化产生的原因、危害及对策。答：水体富营养化指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。产生原因：水体富营养化产生的主要原因是由于未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾和家畜家禽粪便以及农施化肥等排入水体，造成水体中氮、磷等营养物质浓度升高，促使某些生物（如藻类）急剧繁殖生长，生长周期变短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物所分解，不断产生硫化氢等气体，使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物的大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把生物所需的氮、磷等营养物质释放到水中，供新的一代藻类等生物利用。危害：（1）富营养化造成水的透明度降低，阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足，而水面植物的光合作用，则可能造成局部溶解氧的过饱和。溶解氧过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物（主要是鱼类）有害，造成鱼类大量死亡（2）富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素（如石房蛤毒素）也会伤害水生动物。（3）富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，会中毒致病等等。（4）造成湖泊退化（湖泊一沼泽一陆地。对策：主要从污染防治（污水、废水的除磷脱氮、农业污染源的控制）和湖泊水文参数物改变等方面论述。2、 论述城市污水处理厂活性污泥法除氮脱磷的机理。答：城市污水处理厂活性污泥法生物除氮是利用硝化与反硝化的原理：在厌氧条件下有机物降解产生氨氮，进入好样段发生硝化作用生成硝酸盐（或亚硝酸盐）；含硝酸盐（或亚硝酸盐）的污水再回流至缺氧段发生反硝化作用使硝酸盐形成气态氮（N2和N2O）从废水中释放出来。在废水生物除磷过程中，活性污泥在好氧、厌氧交替条件下时，在活性污泥中可产生“聚磷菌”。厌氧过程中，聚磷的分解将引进细胞内磷的积累,细胞内不能用于合成的磷酸盐将被排到胞外，使液相中的磷浓度升高（称为放磷）。在厌氧状态下，细菌储存的多聚磷酸盐水解，为高能物质ATP的合成提供所需的能量，并使细胞内的乙酸活化产生乙酰辅酶Ao-部分乙酰辅酶A可以转化为PHB（聚。-羟基丁酸）。在好氧状态下，细菌储存的PHB降解代谢为生物合成提供碳，并通过TCA循环（三羧酸循环）产生ATP，并为合成细胞物质及细胞活动的聚磷菌的大量合成提供能量。因而在好氧条件下，受到“压抑”的活性污泥聚磷菌细胞会过量吸收磷，运行上通过排泥使废水中的磷得到高效去除。五、计算题1、 X10-3mol/L,计算区叫*]、[HCO3-]、[叫2-]的浓度，若pH=10.00,碱度仍为X10-3mol/L,[H2CO3*]、[hco3-]、2[cO32-]的浓度各为多少？解：见教材：1222、 某水体的pH=7.0,碱度X10-3mol/L,求需加多少酸才能把水体的pH降低到。（提示在pH=5~9范围内碱度N10-3mol/L或pH=6〜8范围内碱度N10-4mol/L,[H+]和[HO-]对碱度的贡献可以忽略，快速操作，可以看成封闭体系）=0.816,a=0.0003828,pH=6.0时，a=0.308,a=0.00001444）解：总碱度=[OH-]+2[CO2-]+[HCO-]-[H+]=[OH-]+2a-C+a-C-[H+]3 3 2T1TCT=｛总碱度-[OH-]+[H+｝/（2a2+a1）总碱度二X10-3mol/L>10-3pH=5~9,[H+]和[HO-]对碱度的贡献可以忽略C=｛总碱度｝/（2a+a） =0.816,a=0.0003828,CX10-3）X1.224=X10-3封闭体系，Ct不变，｛总碱度｝=Ct（2a2+a1）pH=6.0时，a1=0.308,a2｛总碱度｝=C（2a+aX10-3mol/L/A=（1.4-0.528）X10-3X10-3mol/L此为应入的酸量。3、取100.0mL水样，用0.0250mol/LHC滴定水样以测定其碱度，滴至酚酞指示剂变色时，耗用了2.00mLHCl,再加入甲基橙指示剂，再滴定至甲基橙指示剂变色时，又用0&mLHCl,指出水样碱度的构成并求水样各碱度的含量及酚酞碱度和总碱度。以mg/LCaC0计，M二 3 1/2（CaCO3）=50.05）（CaCO3）mL,M=5.00叽P<M,所以此水样的碱度由碳酸盐和重碳酸盐构成。分）酚酞碱度（以CaC03mg/L（2分）总碱度（以CaCO计）（2分）3 ..苛性碱度（以CaCO计）=0 （1分） 3 , ., 碳酸盐碱度（以CaCqmg/L（2分）重碳酸盐碱度（以CaCO计）=0.0250*（5.00-2.00）*50.05*1000/10^07.54（2分）34、含镉废水通入HS达到饱和（保持[HS]=0.10mol/L）,并调整pH=9.0,请计算说明：是生成Cd（OH）沉淀还是CdS沉淀，处理后的水溶液中镉离子的浓度可降到多少mg/L。TOC\o"1-5"\h\z（已知HS的离解常数K=K-K=[H+]2[S2-]/[HX10-22,CdS的X10-27,Cd（OH）的K=X10-14,镉的原子量为112.4） 1 2 2 2SP解pH=9.0,[0H-]=10-5mol/L,[H+]=10-9mol/L （1分）产生Cd（OH）沉淀时，[Cd2+]■[0H-]2=KspX10-14（1分）[Cd2+]=Ksp2 /[0H-]2X10-14/[10-5^2*0-4mol/L（2分）[H+]2-[S2-T（/[HS]=K （1分）2[S2-]=K■[HS]/[H+]2X10-22X0.10/（10-9）2X10-5mol/L（1分）2产生CdS沉淀时[Cd2+]・[S2-]二X10-27 （1分）[Cd2+X10-27/[S2-X10-27X10-5X10-22Smol/L（1分）因此，生成CdS沉淀，最后水溶液中[Cd2+X10-22mol/LX10-22XX1000mg/LTOC\o"1-5"\h\zX10-i7mg/L （1分）5、在天然水中无机氮主要有NO-、NO-、NH+三种形式，其中NO-和NH+存在如下氧化还原3 2 4 2 4反应：1/6NO-+4/3H++e-=1/6NH++1/3HO,其pE°,1/2NO-+H++e-=1/2NO-+1/2HO,其pE°3 2 2当水体的时时no3-]/[no2-]和[no2-]/[nh4+]为多少？三者以哪一个为主，水体处于什么状态）（分）解：1/6NO-+4/3H++e-=1/6NH++1/3HO,pE°=15.14pE=pE°+lg{2NO-]1/6[H+]4/3/[NH+]146} 2=15.14-（4/§）pH+lg{[NO-]1/6/[NH+]1/6}=6.14 （2分）所以：lg{[NO-]1/6/[NH+]1/6}=6.14-15.14+4/3pH1/6lg{fNO-]/[Nh+]}=-9+（4/3）X7lg{[NO-]/[NH+4[NO2-]/[NH4+]=100，亚硝酸盐的浓度是氨氮浓度的100倍。 （2分）2同理：1/2NO-+H++e-=1/2NO-+1/2HO,其pE°3 2 2pE=pE0+lg{[NO-]1/2[H+]/[NO-]1/2}6.14=14.5-pH3+1/2lg{[NO2]/[NO-]} （2分）所以:lg{[NO-]/[NO-]}=2（6.14-14.5+pH）=2（6.14-14.5+7）=-[NO-]/[NO-]= 2 （2分）因此：体系中三2态氮以亚硝酸盐为主，水题处于净化的中间环节。 （2分）6、在Fe（OH）（s）+3H+e=Fe++3HOlgK=17.9当pH=6.5,pE=3.5时，水溶液中Fe2+的浓度为多少mol/L?（温度为298K） 2解：Fe（OH）（s）+3H+e-=Fee++3HOlgK=17.9,根据：lgK=npEn=1,所以lgK=pE=17.9pE=pE+lg{[H]3/[F&+]}=17.9-3pH-lg[国X-lg[Fe+]lg[Fe]X[Fa+X10-6mol/L7、取100.0mL水样，用0.0250mol/LHC滴定水样以测定其碱度，滴至酚酞指示剂变色时，耗用了4.00mLHC,再加入甲基橙指示剂，再滴定至甲基橙指示剂变色时，又用去mLHC,指出水样碱度的构成，并求水样各碱度的含量及酚酞碱度和总碱度以mg/LCaCO计，M3 1/2=50.05）（CaCO3）mL,M=6.00mLP<M,所以此水样的碱度由碳酸盐和重碳酸盐构成l分）酚酰碱度（以CaCOmg/L（1.5分）3 总碱度（以CaCO计）（1.5分）-一一 3 苛性碱度（以CaCO计）=0 （1分）3 . -— 碳酸盐碱度（UCaCOmg/L（1.5分）3 ■… . 一 —重碳酸盐碱度（以CaCO计）=0.0250*（6.00-4.00）*50.05*1000/100=^5.02（1.5分）3 8、含Hg2+废水通入H2S达到饱和（保持[H2S]=0.10mo通L）,并调整pH=8.0,生成HgS经沉淀后去除，处理后的水中剩余Hg2+浓度为多少mg/L。TOC\o"1-5"\h\z（已知H2S的离解常数K=K1-K2=[H+]2[S2-]/[H2X10-22,HgS的Ksp=2X10-54，汞的原子量为200.59） 1 2 22、解： [H+]2・[S2+]/[H2S]=K （1分）[S2+]=K・[HS]/[H+]2X10-22X0.10/[（10）-9]2X10-5mol/L （2分）■ ■ ■ ・2[Hg2+]•[S2+]=Ksp （2分）