《【2017水环境化学课件】第四章 溶解气体新》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017水环境化学课件】第四章 溶解气体新（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四第四章章 溶解气体溶解气体 李丽李丽 水产养殖生态研究室水产养殖生态研究室 中国海洋大学水产学院中国海洋大学水产学院 掌握气体的溶解度、溶解速度的有关概念；决定养殖水体中溶 解氧含量的主要因素，溶氧的分布及变化规律；溶氧在养殖生 产中的生态作用。 理解气体溶解平衡的有关计算方法。 了解氧气、氮气溶解规律及其与鱼类气泡病的关系。 教学要求 第一节第一节气体在水中的溶解度和溶解速率气体在水中的溶解度和溶解速率 一、气体在水中的溶解度 (gas solubility) 二、气体溶解平衡的有关计算 三、气体在水中的溶解和逸出速率 一、气体在水中的溶解度 (gas solubility) 溶解度溶解
2、度：在一定条件下，某气体在水中的溶解达到平衡以后， 一定量的水中溶解气体的量，称为该气体在所指定条件下的溶 解度。 易溶气体：用100 g水中溶解气体的克数水中溶解气体的克数表示。 难溶气体：mg/L或或ml/L。用ml表示时是指标准状态下（0、 101.325kPa）的体积。 对于难溶气体，溶入水中气体量很少，不会显著改变水的体积， 1L纯水溶解的气体的mg数也可以看做是溶解了气体后的1L水中 所含该气体的mg数。对于易溶气体，溶解度和浓度不可等同。 养殖水体中的主要溶解气体： 氧气（oxygen) 二氧化碳（carbon dioxide) 氮气（nitrogen gas) 空中中含量较大的
3、氮气和氧气在水中的溶解度都不大，可 以不考虑溶解气体后水的体积的改变。 课本P66页： 体积与质量的换算系数可近似采用理想气体关系式换算， 对于氧气f=1.429 mg/ml, 氮气 f = 1.251 mg/ml, 其他气体可 按 f = Mr/22.4 mg/ml 计算。式中Mr为气体的相对分子质量。 拓展：mg/L 和 ml/L 如何换算？ 理想气体状态方程 （Universal gas law) PV = nRT 其中P为大气压，当为标准大气压时，P = 1atm; n 物质的量; R 常 数 0.082 liter. atm/ mol. K; T 开氏温度 （零下273.16是0开氏
4、度， 即绝对零度 T = C + 273.16 ）。 水中有7.54 mg/L 溶解氧，气压是760 mm Hg, 温度是0， 将溶解氧换算成 ml/L. 解：1atm* V = 1mole *0.082 L. atm/ mole. K *273.16K V = 22.399 L/mole 1mole 是32g的O2, 因此O2的密度为： (32g/mole) / (22.399 L/mole) = 1.429 g/L = 1.429 mg/ml (7.54 mg/L) /(1.429 mg/ml) = 5.28 ml/L 影响气体在水中溶解的因素有哪些 （一）影响气体在水中溶解度的因素 1.
5、 1. 气体本身的性质气体本身的性质 极性分子（NH3和HCl）气体在水中的溶解度大，非极性气体分子 （N2、H2、O2）在水中的溶解度小；能与水发生化学反应的气体 溶解度大，不能与水发生化学反应的气体溶解度小。 气体气体溶解度（溶解度（mg/L） 气体气体溶解度（溶解度（mg/L） N218.9H2S3.85103 H21.60SO21.13103 O243.0NH35.13103 CO21690C2H21.17103 空气25.8C2H41.49103 Cl27290C2H662.0 O31375CH42.2 表：部分气体在纯水中的溶解度表：部分气体在纯水中的溶解度 （20、101.325
6、 kPa时）时） 2. . 温度温度随随温度升高气体在水中的溶解度降低温度升高气体在水中的溶解度降低。加快的气体分子运动导致的碰 撞阻止气体的溶解。较低温度条件下的温度变化对气体的溶解度影响显著。P64 图3-1。 3.含盐量含盐量随含盐量的升高而随含盐量的升高而降低。降低。 随着含盐量的增加，离子对水的电缩作用（指离子吸引极性水分子，使水分子 在其周围形成紧密排列的水合层的现象）加强，使水可溶解气体的空隙减少。 大洋海水中氧气的溶解度仅为淡水中的8082%。 对于淡水，含盐量变化幅度很小，对气体在水中的溶解度影响不大，一般可近 似采用纯水中的溶解度值。 4. 4. 气体的分压力气体的分压力：
7、随分压力增强而增强随分压力增强而增强 亨利定律亨利定律：对于难溶气体，当气体压力不是很大时，气体溶解度与 其分压力成正比。 C = KH P C气体的溶解度； P达到溶解平衡时 某气体在液面上的压力； KH亨利常数，其数 值随气体的性质气体的性质、温度温度、 水的含盐量水的含盐量变化而变化， 也与压力(P)、溶解度 (C)所釆用的单位有关。 C1/C2= P1/ /P2 对同种气体在同对同种气体在同 一温度下：一温度下： C1:压力为P1时的溶解度； C2：压力为P2时的溶解度。 道尔顿分压定律道尔顿分压定律 （Daltons Law) 由几种气体组成的混合气体中组分B的分压力等于混合气体的总
8、压力乘以 其分压系数。 PB：由几种气体组 成的混合气体中组 分B的分压力。 PT：混合气体的总 压力。 VB：组分B在压力为 PT时的分体积。 标准大气压（760 mm Hg）下，氧气的分压力是多少？标准大气压（760 mm Hg）下，氧气的分压力是多少？ 道尔顿分压定律其实就是讲了这么个事 以空气为例，大气压（barometric pressure)： BP= PN2+PO2 + PAr+ PCO2+ PH20+ P其它气体 Partial pressure of each gas is directly proportional to its volume percentage in t
9、he mixture. 空气中氮气 78.084%, 氧气 20.946%，氩气 0.934%，二氧化碳 0.032%， 可分别计算其在空气中的分压。 道尔顿分压定律和亨利定律，只有理想气体才能严格相符。道尔顿分压定律和亨利定律，只有理想气体才能严格相符。 对于不与水发生化学反应的真实气体，如对于不与水发生化学反应的真实气体，如N N2 2、O O2 2、CHCH4 4等，等， 只要压力不是很大都可以用道尔顿分压定律和亨利定律进行只要压力不是很大都可以用道尔顿分压定律和亨利定律进行 有关计算。有关计算。 （二）溶解气体在水中的饱和度 一定的溶解条件下一定的溶解条件下( (温度、分压力、水的含盐
10、量温度、分压力、水的含盐量) )气体气体 达到溶解平衡以后，达到溶解平衡以后，1L1L水中所该气体的量水中所该气体的量。用。用mg/Lmg/L或或 ml/Lml/L两种单位表示。两种单位表示。 饱和含量饱和含量 饱和度饱和度 溶解溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比。气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比。 气体饱和度气体饱和度 = (= (现存量现存量/ /饱和含量饱和含量) )100%100% 饱和度可以反映气体在水中溶解时所达到的饱和饱和度可以反映气体在水中溶解时所达到的饱和程度程度，判断判断气体是否达到溶解平气体是否达到溶解平 衡及溶解趋向。衡及溶解趋向。 其中其中PT0为溶
11、解度为为溶解度为C Cs s0 0时的大气压力，即时的大气压力，即101.3kPa; 101.3kPa; P PT T为天然水体表面的大气压力；为天然水体表面的大气压力； Pw为该为该 温度下水的饱和蒸气压（表温度下水的饱和蒸气压（表1 1- -4 4 为纯水）。海水的饱和蒸气压可根据盐度按为纯水）。海水的饱和蒸气压可根据盐度按P67 1P67 1- -2222计算，计算， 但因为盐度对水的蒸气压影响不大，可用纯水蒸气压代替。但因为盐度对水的蒸气压影响不大，可用纯水蒸气压代替。 水体表面的大气压可从气象部门获得，也可根据水面所处的海拔高度利用大气层平均大气水体表面的大气压可从气象部门获得，也可
12、根据水面所处的海拔高度利用大气层平均大气 压力随海拔的高度计算。压力随海拔的高度计算。 Cs/ Cs0= (PT Pw)/(PT0 Pw) 不同盐度和温度下，大气压为不同盐度和温度下，大气压为101.3kPa101.3kPa的饱和湿空气中氧气在水的饱和湿空气中氧气在水 中的饱和含量中的饱和含量C Cs s0 0可查阅附录可查阅附录8 8获得。任意大气压下的饱和含量获得。任意大气压下的饱和含量 （C Cs s）可通过下式换算。）可通过下式换算。 随着随着海拔的升高，大气压降低，如何海拔的升高，大气压降低，如何计算计算 不同不同海拔的海拔的大气压？大气压？ 根据公式估算：根据公式估算： log10
13、BP = 2.880814 - h/19,748.2 （Boyd 2015) 其中 h为海波高度，单位为m，BP为大气压，单位为mmHg。 h (km)01234520 P (kPa) 101.3389.4679.0669.8661.7354.005.47 表：大气层平均大气压力随海拔高度的变化表：大气层平均大气压力随海拔高度的变化 （P3,P3,表表0 0- -2 2） 二、气体溶解平衡的有关计算 例：已知20氧气在纯水中溶解的亨利常数KH= 31.0 ml/(L atm)，试 计算压力为161kPa的干燥空气中的氧气在水中的溶解度。已知干燥空 气中氧气的体积分数 =20.95%。 提示：C
14、 = KH PO2 PO2 = PT B （一）计算不同分压力下气体的溶解度：可以利用亨利定律公式，根（一）计算不同分压力下气体的溶解度：可以利用亨利定律公式，根 据气体在某一压力下的溶解度，计算在相同温度下另一压力时的溶解据气体在某一压力下的溶解度，计算在相同温度下另一压力时的溶解 度。度。 解: (1) 首先求出干燥空气中的氧气分压力：首先求出干燥空气中的氧气分压力： PO2= PT B= PT = 161 kPa 20.95% = 33.7 kPa (2) 根据亨利定律计算氧气的溶解度根据亨利定律计算氧气的溶解度 。KH单位中压力是标准大气压（atm），需要做单位 换算： KH = 31
15、.0 ml/(L atm) =31.0 ml/(L 101.325 kPa) = 0.306 ml/ (L kPa) C = KH PO2 = 0.306 ml/ (L kPa) 33.7kPa =10.31 ml/L =14.7 mg/L 例：已知20氧气在纯水中溶解的亨利常数KH= 31.0 ml/(L atm)，试 计算压力为161kPa的干燥空气中的氧气在水中的溶解度。已知干燥空 气中氧气的体积分数 =20.95%。 例：已知20时，101.325 kPa的甲烷在水中的溶解度为23.2 mg/L，如在 2.1m深的池底不断释放含甲烷40%（体积百分数）的气泡，求20时底层水 中甲烷的含
16、量最大可能达到多少？假定2.1m深处的压力为1.2 atm。 解: 此题实际是计算总压为1.2 atm，含甲烷40%的气体中的甲烷的溶解度。 (1) 首先求气泡在池底时甲烷的分压力：首先求气泡在池底时甲烷的分压力： PT= 101.325 kPa/atm 1.2 atm = 122 kPa = 40% PCH4= 122 kPa 40% =49 kPa (2) 求溶解度求溶解度：已知P1= 101.325时，C1 = 23.2 mg/L。求P2= 49 kPa时，C2=？ 根据C1/C2= P1/P2 C2= C1 P2/P1 = (23.2 mg/L 49 kPa)/101.325 kPa = 11.1(mg/L) 例：已知20时，101.325 kPa的甲烷在水中的溶解度为23.2 mg/L，如在 2.1m深的池底不断释放含甲烷40%（体积百分数）的气泡，求20时底层水 中甲烷的含量最大可能达到多少？假定2.1m深处的压力为1.2 atm。 例：利用氧气在1atm下
