环境化学水环境化学第一节

环境化学水环境化学第一节第1页，课件共42页，创作于2023年2月第一节

天然水的基本特征及污染物的存在形态第2页，课件共42页，创作于2023年2月一、天然水的概况水资源：

地球上水的总量是固定的，约13.86亿km3,地球表面约有70%以上被水覆盖，所以地球有“水的行星”之称。分布：地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪地以及大气、生物体、土壤、和地层。较容易开发利用的，与人类生活和生产关系密切的淡水储量为400多万km3,仅占淡水的11%，总水量的0.3%。第3页，课件共42页，创作于2023年2月1、天然水的分布储存地存水量(kg)水的停留时间(year)海洋1.39102137600冰2.92101915000地下水8.301018湖泊2.3010176.2大气1.3010160.028江河1.2510150.0337(=12天)

天然水的储量约为14281018千克，江河水约占千万分之九，储量最小，海洋水占97.3%。第4页，课件共42页，创作于2023年2月2、天然水的组成（1）化学成分

A、溶解态：盐、有机物和溶解的气体

非溶解态：颗粒物、气泡

水生生物

B、主要离子（八大离子）：

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-

占天然水总离子的95－99％。总含盐量：

TDS=[Ca2++Mg2++K++Na+]+[Cl-+SO42-+HCO3-]

第5页，课件共42页，创作于2023年2月（2）水中重金属离子的存在形态水溶液中金属离子的表示式常写成Mn+，预示着是简单的水合金属阳离子M(H2O)xn+。它可通过化学反应达到最稳定的状态，酸－碱、沉淀、配合及氧化－还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。第6页，课件共42页，创作于2023年2月（3）气体在水中的溶解性亨利定律：X(g)X(aq)

气体在大气和水之间的分配达到平衡时，符合：

[X(aq)]=KH×PG

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。第7页，课件共42页，创作于2023年2月氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有关。在1.0130×105Pa、25℃饱和水中溶解度为8.32mg/L。

水在25℃时的蒸气压为0.03167×105Pa。而空气中氧的含量为20.95%，氧的分压为：pO2=(1.10310–0.03167)×105×0.2095=0.2065×105代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为：[O2(aq)]=KH·pO2=1.26×10-8×0.02065×105=2.6×10-4氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L第8页，课件共42页，创作于2023年2月氧气溶解度随着温度的升高而降低:Lg(C2/C1)=△H/(2.303R)(1/T1-1/T2)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。第9页，课件共42页，创作于2023年2月自学CO2

的溶解度pCO2=(1.0130-0.03167)×105×3.14×10-4=30.8(Pa)[CO2(aq)]=KH

·pCO2=3.34×10-7×30.8=1.028×10-5mol·L-1CO2在水中离解，则：[H+]=[HCO3-][H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol·L-1[HCO3-]=[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol·L-1pH=5.67故CO2在水中的溶解度应为[CO2]＋[HCO3-]=1.24×10-5mol·L-1第10页，课件共42页，创作于2023年2月（4）水生生物

水生生物可直接影响许多物质的浓度,其作用有代谢、摄取、存储和释放等。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。藻类生成和分解是水体中进行光合作用（P）和呼吸作用（R）的一典型过程，可用简单化学计量关系来表征：

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+（+痕量元素和能量）

RPC106H263O110N16P+138O2第11页，课件共42页，创作于2023年2月营养元素超标：C（BOD=CO2）、N、P、Fe，都有可能成为制限因子；藻类疯长；藻类尸体分解引起水体溶氧下降；水体发臭；水生生物死亡；藻毒素。水体富营养化第12页，课件共42页，创作于2023年2月碳的地球化学循环：岩石圈↔水圈↔大气圈↔生物圈（1）碳酸平衡封闭体系(溶解性CO2

与大气没有交换)CO2+H2OH2CO3*pK0=1.46H2CO3*HCO3-+H+pK1=6.35HCO3-CO32-+H+pK2=10.33K1=[HCO3-][H+]

/[H2CO3*]；K2=[CO32-][H+]

/[HCO3-]3、天然水的性质第13页，课件共42页，创作于2023年2月因为在封闭体系中，CT恒定

α0=[H2CO3

*]/{[H2CO3

*]+[HCO3-]+[CO32-]}α1=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}α2=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}即得：

α0=(1+K1/[H+]+K1K2/[H+]2)-1α1=(1+[H+]/K1+K2/[H+])-1α2=(1+[H+]2/K1K2+[H+]/K2)-1第14页，课件共42页，创作于2023年2月开放体系

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。

[CO2(aq)]=KH·pCO2CT=[CO2]/α0=KH·pCO2

/α0[HCO3-]=(α1/α0)KH·pCO2

=K1·KH·pCO2

/[H+][CO32-]=(α2/α0)KH·pCO2=K1·K2·

KH·pCO2

/[H+]2

lg[CO2]=Log[1.028×10－5]=-4.988lg[HCO3-]=-11.338+pHlg[CO32-]=-21.668+2pH

第15页，课件共42页，创作于2023年2月

比较封闭体系和开放体系可发现，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。第16页，课件共42页，创作于2023年2月（2）天然水中的碱度和酸度A、碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子的物质的总量。组成水中碱度的物质可归纳为三类：强碱、弱减、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-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]第17页，课件共42页，创作于2023年2月酚酞碱度：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+]=2酚酞碱度–总碱度第18页，课件共42页，创作于2023年2月014甲基橙酚酞4.3HCO3-、CO2→H2CO3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+]第19页，课件共42页，创作于2023年2月B、酸度（Acidity)：指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+或经过水解能产生H+的物质总量。组成水中酸度的物质可归纳为三类：强酸弱酸和强酸弱碱盐。无机酸度：以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3

无机酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]第20页，课件共42页，创作于2023年2月游离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-]第21页，课件共42页，创作于2023年2月应用总碳酸量（cT）和相应的分布系数（α）来表示：总碱度＝cT(α1+2α2)+Kw/[H+]-[H+]酚酞碱度＝cT(α2-α0)+Kw/[H+]-[H+]苛性碱度＝-cT(α1+2α0)+Kw/[H+]-[H+]总酸度＝cT(α1+2α0)+[H+]-Kw/[H+]CO2酸度＝cT(α0-α2)+[H+]-Kw/[H+]无机酸度＝-cT(α1+2α2)+[H+]-Kw/[H+]第22页，课件共42页，创作于2023年2月需要特别注意的是，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。二、水中污染物的分布和存在形态第23页，课件共42页，创作于2023年2月由于金属不可被微生物降解，所以一旦进入土壤环境，则很难去除。在环境污染角度，重金属指对生物具有显著毒性的元素，如汞、镉、铅、锌、铜、钴、镊、钡、锡、锑等，从毒性角度通常将砷、铍、锂、硒、硼、铝等也包括在内。所以重金属污染所指的范围较广。

重金属污染的特点：重金属大多为过渡元素，它们多有变价，有较高的化学活性，能参与多种反应和过程。常有不同的价态、化合态和结合态，形态不同重金属的稳定性和毒性也不同。

污染范围广、持续时间长、污染隐蔽性、无法被生物降解，并可能通过食物链不断地在生物体内富集，甚至可转化为毒害性更大的甲基化合物，对食物链中某些生物产生毒害，或最终在人体内蓄积而危害健康。

第24页，课件共42页，创作于2023年2月

例如（1）铝是人们家用餐具的材料，而铝离子能穿过血脑屏障而进入人的大脑组织，会引起痴呆等严重后果；（2）铜铅锌离子态的毒性都远远大于络合态，而且络合物愈稳定，其毒性愈低；（3）金属有机态的毒性往往大于无机态的毒性。（4）价态不同毒性也不同，铬（VI）的毒性大于铬（III）。而亚砷酸盐的毒性比砷酸盐大60倍。（5）价态不同，其络合能力及被土壤中腐殖酸固定程度也不同，对生态系统的威胁也随之转变。如铅（II）的移动性远远小于铅（IV）。

影响金属离子形态的土壤因素很多，主要有土壤中腐殖质含量、黏土矿物含量、酸性、阳离子交换容量、氧化还原电位、共存阴离子等。第25页，课件共42页，创作于2023年2月重金属污染事件1、1955-1972年骨痛病事件起因：富山县位于日本中部地区，在富饶的富山平原上，流淌着一条名叫“神通川”的河流。多年来，两岸人民用河水灌溉农田，使万亩稻田飘香。20世纪初期开始，人们发现该地区的水稻普遍生长不良。1931年又出现了一种怪病，患者大多是妇女，病症表现为腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几年后，患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食，疼痛无比，常常大叫“痛死了！痛死了！”有的人因无法忍受痛苦而自杀。这种病由此得名为“骨癌病”或“痛痛病”第26页，课件共42页，创作于2023年2月1946－1960年，日本医学界从事综合临床、病理、流行病学、动物实验和分析化学的人员经过长期研究后发现，“骨痛病”是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉（Cd）中毒。据记载，由于工业的发展，富山县神通川上游的神冈矿山从19世纪80年代成为日本铝矿、锌矿的生产基地。神通川流域从1913年开始炼锌，“骨痛病”正是由于炼锌厂排放的含镉废水污染了周围的耕地和水源而引起的。第27页，课件共42页，创作于2023年2月镉是重金属，是对人体有害的物质。人体中的镉主要是由于被污染的水、食物、空气通过消化道与呼吸道摄入体内的，大量积蓄就会造成镉中毒。神冈的矿产企业长期将没有处理的废水排放注入神通川，致使高浓度的含镉废水污染了水源。用这种含镉的水浇灌农田，稻秧生长不良，生产出来的稻米成为“镉米”

第28页，课件共42页，创作于2023年2月症状：腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几年后，患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。不能进食，疼痛无比。第29页，课件共42页，创作于2023年2月第30页，课件共42页，创作于2023年2月重金属污染事件2、水俣病:甲基汞中毒第31页，课件共42页，创作于2023年2月水俣病症状：患者手足协调失常，甚至步行困难、运动障碍、弱智、听力及言语障碍、肢端麻木、感觉障碍、视野缩小；重者例如神经错乱、思觉失调、痉挛，最后死亡。发病起三个月内约有半数重症者死亡，怀孕妇女亦会将这种汞中毒带给胎中幼儿，令幼儿天生弱智。第32页，课件共42页，创作于2023年2月新潟(xì)水俣病

新潟水俣病是自1965年水俣病首次在熊本市获得正式认定的九年后，在阿贺野川流域公布的世界上第二起水俣病事件。这是一起本不应该发生的公害事件,但由于相关企业和政府部门的不作为,使得水俣病在新潟再次出现。第33页，课件共42页，创作于2023年2月3、污染多瑙河事件

2000年1月30日，罗马尼亚境内一处金矿污水沉淀池，因积水暴涨发生温漫坝，10多万升含有大量氰化物、铜和铅等重金属的污水冲泄到多瑙河支流蒂萨河，并顺流南下，迅速汇入多瑙河向下游扩散，造成河鱼大量死亡，河水不能饮用。污水流经之处，几乎所有水生生物迅速死亡，河流两岸的鸟类、野猪、狐狸等陆地动物纷纷死亡、植物渐渐枯萎，一些特有的生物物种将灭绝。匈牙利、南斯拉夫等国深受其害，国民经济和人民生活都遭受一定的影响，严重破坏了多瑙河流域的生态环境，并引发了国际诉讼。

第34页，课件共42页，创作于2023年2月4、剧毒物污染莱茵河事件1986年11月1日

瑞士巴塞尔市桑多兹化工厂仓库失火，近30吨剧毒的硫化物、磷化物与含有水银的化工产品随灭火剂和水流入莱茵河。顺流而下150公里内，60多万条鱼被毒死，500公里以内河岸两侧的井水不能饮用，靠近河边的自来水厂关闭，啤酒厂停产。有毒物沉积在河底，将使莱茵河因此而“死亡”20年。

5、在我国，上个世纪60至70年代，东北的松花江流域地区，因受沿岸化工厂、炼金厂排水的汞污染，这些汞化合物通过水生食物链高度富集在鱼体内，导致大多数渔民深受其害，病死渔民体内汞含量高，并也出现了幼儿痴呆症等典型汞中毒的症状。

第35页，课件共42页，创作于2023年2月6、最近最典型的莫过相继发生于陕西凤翔和湖南武冈的“血铅事件”。这两个名字对于大多数中国人来说相对陌生的地方，均有千人左右被检出“血铅”超标，绝大部分是孩子，其中一部分人因为血铅含量大大超过标准，被认定为重度铅中毒。

湖南武冈“血铅事件”初步调查的原因是当地一家锰加工厂未经环保评估，违法生产所致。而凤翔的原因与之类似，陕西省最大的民营企业东岭集团在当地的金属铅锌冶炼和焦化项目是灾难制造者。第36页，课件共42页，创作于2023年2月第37页，课件共42页，创作于2023年2月重金属污染事件2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件2006年的湘江湖南株洲段镉污染事故2009年的湖南省浏阳市镉污染事件2011年云南曲靖铬渣非法倾倒2012年广西龙江河的镉污染

第38页，课件共42页，创作于2023年2月三、水中