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1、水化学 Water Chemistry,周振 Email: ,2,参考书目及成绩构成,参考书目： 陈绍炎.水化学.水利电力出版社.1989年6月 王凯雄.水化学.化学工业出版社.2001年5月 戴树桂.环境化学高等教育出版社1997年3月. 成绩构成 20平时成绩80期末成绩,3,主要内容,4,第一章 绪论,水化学： 研究水中的化学过程及杂质组分分配规律的一门学科。 研究内容 化学动力学、化学平衡、酸碱化学、配位化学、氧化还 原化学和相间作用等。 水化学的研究途径： 化学热力学判断化学反应发生的可能性及反应极限； 化学动力学研究反应的历程和速度。,5,1.1 水化学的应用,(1) 天然水的地球
2、化学 (2) 水污染化学 石灰岩溶洞的形成。 重金属污染水俣病,CH3HgCl,6,1.1 水化学的应用,(3) 给排水工程 (4) 水处理工程 原水水质的问题 (5) 水产养殖 DO、NH3、H2S的控制 (6) 腐蚀及防腐科学 船体涂料防腐 (7) 水质分析与监测 非离子NH3的测定,van der Hoff方程,NH3的测定与计算,7,1.2 水分子的结构,水分子中氢、氧原子核呈等腰三角形排列，两腰夹角104.5，氧原子周转受四个电子对包围，其中两对为孤对电子，另外两对与氢原子共享形成共价键。水分子这种H-O-H排列使正负电荷静电引力中心不重合，从而使水分子变成偶性分子，即氧原子一端为负
3、极，氢原子一端为正极。,8,水的特性,(1)独特的物理性质 生成热很高 很高的融沸点、融解热和蒸发热高。 水的热传导、比热容、汽化热几乎比其他液体都高 水有较大的表面张力,原因：氢键范德华力 改变水的物理状态就需要更多的热量和更高的温度。 需要热能来调整分子间氢键的数量比热高 加大水的内聚力，把表面分子拉向内部表面张力大,9,水的特性,(2) 较小的黏滞度和较大的流动性 (3) 高介电效应 处于水中的盐类晶体离解时，水分子围绕在每个离子周围，形成一层抵销外部静电力的外膜，会部分中和离子电荷，阻止正负离子再行键合，这种水分子封闭外壳类似绝缘介质的作用，起绝缘效应，称介电效应。 (4) 对盐类离子
4、的水化作用 离子水化后形成水合离子，通式可写成M(H2O)xn+，如Al(H2O)63+，H3O+相当于水合H+。 (5) 良好的溶解性能 (6) 温度-体积效应异常 水结冰时体积膨胀；压力增大时凝固点下降，热膨胀系数增大。,10,1.3 天然水资源的分布,全球天然水资源分布,天然水 海水：97.5% 淡水：2.5%,淡水 地下水：29.9% 河湖水：0.3%,11,天然水的性质,(1) 海水（Sea Water） 水质差、盐度高(3.33.7%)、水质稳定。 沿海企业常取用作为冷却水，但需重点考虑设备防腐。 (2) 地表水(Surface Water) 水质较好，含盐量低，含氧充足。 湖库水
5、水质较河水稳定，但流动性差易污染，腐殖质含量高。 (3) 地下水（Ground Water） 水质好而且稳定，浊度低，溶解氧少，有机物少。 (4) 大气水（Atmospheric Water） 来自地表水的蒸发，受空气质量影响较大。,12,水化学与水的利用,13,水化学与水的利用,(1) 生活用水 饮用和洗涤，水质要求高，无色无臭无味，对人体无毒。 (2) 工业用水 需求量最大的是冷却水，约占工业用水总量的90%。 不同工业对水质要求不同，需要相应的处理技术。 (3) 生活污水 水质较为稳定，存在生活习惯和排水体制造成的水质地区差异。 (4) 工业废水 不同行业间水质波动较大。,14,1.4
6、天然水的依数性,天然水属于稀溶液，符合稀溶液的依数性。 蒸气压下降符合拉乌尔定律 在一定温度下稀溶液的蒸汽压等于纯溶剂的蒸汽压乘以溶剂在溶液中的量分数。 p=xp0 其中，x为摩尔分数，p和p0分别为天然水和纯水的蒸气压。 天然水的蒸气压与盐度S的关系为 p=(1-0.000537S)p0 海水的盐度约为35 ，其蒸气压约为 p=(1-0.00053735)p0=0.98p0,15,天然水的依数性,凝固点（冰点）下降 TfKfm Kf为冰点下降常数，水取1.86Kkgmol-1；m为摩尔质量浓度。盐度为35的海水对应的冰点下降为-1.922。 应用示例： 汽车散热器水箱防冻加入乙二醇降低凝固点
7、。 沸点升高 TbKbm,16,天然水的依数性,渗透压 cRT c为摩尔浓度。 天然水的渗透压主要取决于含盐量，含盐量越大，渗透压越大。 根据经验公式计算，海水的渗透压主要决定于温度和氯度Cl ： 101.3(1.240+0.00454t)Cl 0时氯度为19.4的海水对应的渗透压约为24atm。,17,第一章 习题,水的Kf为1.86Kkgmol-1，求乙二醇（C6H6O2）50.0g溶于700g水中所形成溶液的凝固点。 根据稀溶液的渗透压公式计算25 下NaCl含量为 3.5%的海水和NaCl含量为0.1的苦咸水的渗透压（不考虑其它盐分的影响）。,18,第二章 化学动力学,对于天然水行为和
8、水处理方案设计而言，起决定性作用的因素常常是反应速率，而不是平衡常数。,自然环境中存在热力学状态稳定的固体羟基磷灰石Ca5(PO4)3OH,最严格的地表水质标准值为0.01mgP/L，国内许多湖泊出现富营养化。 原因：羟基磷灰石固体的形成速率十分缓慢！,19,2.1 反应速率,反应速率方程：描述反应速率与反应物浓度关系的式子。 反应速率通式：,反应速率间的化学计量学关系：,20,单反应物的速率方程,21,2.2 反应机理,基元反应（elementary reaction） 能够一步完成的反应。 复杂反应（complex reaction） 由两个以上的基元反应构成的化学反应。 反应历程（反应机
9、理） 复杂反应所经历的中间步骤。,22,米-门方程,酶促反应,米门（ Michaelis-Menten ）方程,23,阿累尼乌斯（Arrhenius）定理,Arrhenius公式：描述了速率常数与温度间的关系,公式变形后可求解活化能Ea,水处理中常用的Arrhenius公式形式：,24,2.3 催化作用,催化剂(catalyst)：能参加化学反应的中间历程，又能选择性的改变反应速率，而其数量和化学性质在反应前后保持不变的物质。 催化原理：改变反应历程，降低活化能。,酶催化的优点：反应条件温和、催化效率高、高度专一、反应历程复杂。,25,光催化氧化技术,光催化剂：在光参与下发生反应的催化剂。 工
10、作原理：半导体物质在光的作用下，产生游离电子及空穴，进而产生氧化性极强的OH，氧化分解各种有机物和部分无机物。,26,光催化剂的分类,可见光催化剂 Visible-light type,紫外光催化剂 UV type,非二氧化钛型 Non-TiO2 type,二氧化钛型 TiO2 type,改性 Modification,27,光催化剂的应用,工业循环冷却水： 光催化TiO2杀菌率 99.2%。,28,2.4 常用的经验速率方程,细菌增殖的经验速率方程Monod模型,细菌增长的速度决定于底物和细菌浓度,Monod模型广泛应用于废水的生化处理和水体中的细菌增长计算。,29,Monod模型的应用,30,第二章 习题,重点掌握： 米门方程、阿累尼乌斯定理、Monod模型 2. 某一级反应50min时完成了40%，问其速率常数（以 s-1计）是多少？反应完成80%需要多长时间？,Thank You !,
