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1、水环境化学习题解1请推导出封闭体系和开放体系碳酸平衡中H2CO3、HCO3-和CO32-的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。解：碳酸化合态各种形体占各种碳酸化合态总量的比值称为分布系数，用表示。各种碳酸化合态总量用CT表示。(1)封闭体系在封闭体系中不考虑溶解性CO2与大气交换过程，CT保持不变。在封闭体系中，各形体的分布系数只是氢离子浓度的函数，与总浓度无关。(2)开放体系此时考虑CO2在气相和液相之间的平衡:CO2(aq)=KHPCO2对于封闭体系，CT保持不变、而CO2HCO32-、CO32-均随pH而变化。对于开放体系而言，CO2总与大气保持相平衡的数据，CT、HCO32-、CO32
2、-均随pH而变化。2请导出总酸度、CO2酸度、无机酸度、总碱度、酚酞碱度和苛性碱度的表达式作为总碳酸量和分布系数的函数。解：总酸度=H+HCO3-+2H2CO3OH-=CT(1+20)+H+Kw/H+CO2酸度H+H2CO3CO3-2OH-=CT(02)+H+Kw/H+无机酸度H+HCO3-2CO3-2OH-=CT(1+22)+H+Kw/H+总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+=CT(1+22)+Kw/H+H+酚酞碱度OH-+CO3-2H2CO3H+=CT(20)+Kw/H+H+苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3H+=CT(120)+Kw/H+H+3向某一含有碳酸的水体加入重碳酸盐，
3、问：总酸度、总碱度、无机酸度、酚酞碱度、CO2酸度，是增加、减少还是不变。解：增加重碳酸盐即增加HCO3-，因此：(1)总酸度=H+HCO3-+2H2CO3OH-而HCO3-增加，显然总酸度增加。(2)总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+，而HCO3-增加，显然总碱度增加。(3)无机酸度H+HCO3-2CO3-2OH-，而HCO3-增加，显然无机酸度减少。(4)酚酞碱度OH-+CO3-2H2CO3H+酚酞碱度与HCO3-无关，HCO3-增加，显然酚酞碱度不变。(5)CO2酸度H+H2CO3CO3-2OH-CO2酸度即酚酞酸度与HCO3-无关，HCO3-增加，显然CO2酸度不变。4在一个p
4、H为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，若加入碳酸钠使其碱化，问需加多少mmol/L的碳酸钠才能使水体pH上升至8.0。若用NaOH强碱进行碱化，又需加多少碱？解：总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+CT(1+22)+Kw/H+H+在pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，总碱度计算可忽略OH-和H+两项。所以：总碱度HCO3-+2CO3-2=CT(1+22)查表33（P.110）：pH=6.5时,=1.710所以：CT=1.7101.6=2.736(mmol/L)设加入Bmmol/L的Na2CO3使pH=8.0,此时,=1.018CT+B=1.0181.6+2B1.036
5、B=1.106B=1.067(mmol/L)若加入NaOH至pH=8.0此时CT值并不变化，因此：碱度CT2.7361.018=2.688(mmol/L)碱度的增加值即为NaOH加入量：2.6881.6=1.088(mmol/L)5具有2.010-3mol/L碱度的水，pH为7.0，请计算H2CO3、HCO3-、CO32-和OH-的浓度各是多少？解：pH为7.0，那么：OH-1.010-7mol/L查表33：=1.2240=0.18341=0.81622=3.8110-4;CT=碱度=1.2242.010-3=2.44810-3(mol/L)H2CO3=0CT=0.13482.44810-3(
6、mol/L)=4.510-4(mol/L)HCO3-=1CT=0.81622.44810-3(mol/L)=2.010-3(mol/L)CO32-=2CT=3.8110-42.44810-3(mol/L)=9.310-7(mol/L)6若有水，pH为7.5，其碱度为6.38mmol/L，水的pH为9.0，碱度为0.80mmol/L，若以等体积混合，问混合后的pH值是多少？解：pH为7.5，查表33：=1.0690=0.066261=0.93242=1.3810-3;CA=碱度=1.0696.38=6.82(mmol/L)pH为9.0：=0.95920=0.0021421=0.95322=4.4
7、710-2;CB=碱度=0.95920.8=0.7674(mmol/L)等体积混合后:H2CO3=0.50.066266.82+0.0021420.7674=0.225(mmol/L)HCO3-=0.50.93246.82+0.95320.7674=3.545(mmol/L)7溶解1.010-4mol/L的Fe(NO3)3于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小H+浓度的水中，假定该溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)2+。请计算平衡时该溶液中Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+和pH值。解：Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+
8、Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+Fe3+9.1103H+3，分别代入：C=Fe3+Fe(OH)2+Fe(OH)2+=9.1103H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+=1.010-4(mol/L)H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+=1.110-8按牛顿法求解:f(x)=H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+1.110-8f(x)=3H+2+1.7810-3H+4.910-7H+3、8.910-4H+2、4.910-7H+分别等于1.110-8求出近似值:H+3=1.110-8可求得:H+=2.210-38.910-4H+2=1.110-8求得:H+=3
9、.510-34.910-7H+=1.110-8求得:H+=2.2410-2方程的根必小于任何一个,所以取最小值H+=2.210-3为近似值:f(x0)=H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+1.110-8=1.0610-8+410-9+1.0810-91.110-8=(1.571.1)10-8=4.710-9f(x)=3H+2+1.7810-3H+4.910-7=1.4510-5+3.9210-6+4.910-7=1.910-5x1=x0f(x0)f(x0)=2.210-34.710-91.910-5=2.210-32.4710-4=1.9510-3所以：H+1.9510-3pH=-
10、log(1.9510-3)=2.7113用Langmuir方程描述悬浮物对溶质的吸附作用，假设溶液平衡浓度为3.010-3mol/L，溶液中每克悬浮物固体吸附溶质为0.5010-3mol/L，当平衡浓度降至1.010-3mol/L，每克吸附剂吸附溶质为0.2510-3mol/L，问每克吸附剂可以吸附溶质的限量是多少?解：根据Langmuir吸附等温式：两式相减得：代入所以：G0=110-3（molLg）17含镉废水通入H2S达到饱和并调整pH值为8.0，请算出水中剩余镉离子浓度（已知CdS的溶度积为7.910-27).解：饱和时H2S0.1mol/L，KH2S=H+2S2-=1.1610-23
11、，且pH=8.0S2-=1.1610-23/H+2=1.1610-23/1.010-16=1.1610-7(mol/L)Cd2+=Ksp/S2-=7.910-27/1.1610-7=6.810-20(moll/L)18已知Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下：Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+lgk1=2.16Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+lgk2=6.74Fe(OH)3(s)=Fe3+3OH-lgkso=38Fe3+4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=232Fe3+2H2O=Fe2(OH)24+2H+lgK=2.91请用pcpH图表示Fe(OH)3(s)在纯水中
12、的溶解度与pH的关系。解：(1)Fe(OH)3(s)=Fe3+3OH-KS0=Fe3+OH-3则Fe3+=KS0/OH-3所以：pFe3+=pKS03pOH=38314+3pH=3pH4(2)Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+lgk1=2.16k1=Fe(OH)2+H+Fe3+pFe(OH)2+=pk1+pFe3+pH=2.16+3pH4pH=2pH1.84(3)Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+lgk2=6.74pFe(OH)2+=pk2+pFe3+2pH=6.74+3pH42pH=pH+2.74(4)Fe3+4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=23pFe(OH)4-=pk4
13、+pFe3+4pH=23+3pH44pH=19pH(5)2Fe3+2H2O=Fe2(OH)24+2H+lgK=2.91pFe2(OH)24+=pK+2pFe3+2pH=2.91+6pH82pH=4pH5.0919已知：Hg2+2H2O=Hg(OH)20+2H+lgk=6.3，溶液中存在H+、OH-、Hg2+、Hg(OH)20和ClO4-等形态，且忽略Hg(OH)+和离子强度效应，求1.010-5mol/L的Hg(ClO4)2溶液在25时的pH值。解：Hg2+2H2O=Hg(OH)20+2H+平衡时：cxx2x(设解离出的Hg(OH)20浓度为xmol/L)4x3+10-6.3xc106.3=0
14、4x3+510-7x510-12=0按牛顿法求解：f(x)=4x3+510-7x510-12f(x)=12x2+510-74x3和510-7x分别等于510-12求出近似值:4x3=510-12则x=1.0810-4510-7x=510-12则x=110-5显然x=1.0810-4不能为其解,取x0=110-5f(x0)=4x3+510-7x510-12=410-15+510-12510-12=410-15f(x0)=12x2+510-7=1210-10+510-7=510-7x1=x0f(x0)f(x0)=110-5410-15510-7=110-5所以：H+=2x1=210-5(mol/L
15、)pH=-logH+=4.721在pH=7.00和HCO3-=1.2510-3(mol/L)的介质中，HT2-与固体PbCO3平衡,其反应如下:PbCO3(s)+HT2-=PbT-+HCO3-k=4.0610-2问作为HT2-形态占NTA的分数。解：在pH=7.0介质中，NTA以HT2-形式存在。PbCO3(s)+HT2-=PbT-+HCO3-23什么是电子活度pE以及pE与pH的区别？电子活度与氢离子活度定义上相类似：pH=lg(aH)aH表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或迁移质子的相对趋势;pE=lg(aE)aE表示平衡状态下(假想)的电子活度,它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势;
16、pE愈小，电子浓度愈高，体系提供电子的倾向就愈强，反之亦然。pE的热力学定义基于下列反应:2H+(aq)+2e=H2(g)当这个反应的全部组分都以1个活度单位存在时，该反应的自由能变化G可定义为零。在H+aq=1单位活度，H2为1.013105Pa平衡时的介质中：ae=1,pE=0pE与pH的对比pH=lg(aH)pE=lg(aE)高pH=低H+浓度高pE=低电子浓度低pH=高H+浓度低pE=高电子浓度pH=pka+logA-/HApE=pE0+(1/n)log氧化态/还原态当A-=HA时,pH=pka当氧化态/还原态时,pE=pE0aH表示H+在水溶液中的活度,它衡量溶液接受或迁移质子的相对
17、趋势;aE表示平衡状态下(假想)的电子活度,它衡量溶液接受或迁移电子的相对趋势;25从湖水中取出深层水，其pH=7.0含溶解氧浓度为0.32mg/L，请计算pE和Eh值.解：水样中溶解氧的摩尔浓度为：O2aq=0.3232=1.010-5(mol/L)O2aq=KHPO2=1.2610-8PO2=1.010-5(mol/L)PO2=1.010-51.2610-8=7.9102pE=20.750.537.0=13.22E=0.059pE=0.05913.22=0.78(v)26在厌氧消化池中和pH=7.0的水接触的气体含65%CH4和35%CO2，请计算pE和Eh值。解；（1/8）CO2+H+e
18、=（1/8）CH4+（1/4）H2OpE0=2.87pE=2.877.0+(1/8)lg(0.35/0.65)=-4.16Eh=0.059pE=-0.059 4.16 = -0.245 (v) 4.16 = -0.245 (v)27在一个pH=10.0的SO42-HS-体系中(25),其反应为:SO42-+9H+8e=HS-+4H2O(L)已知其标准自由能Gf0值（kJ/mol)：SO42-：742，HS-：12.6，H2O：237.2，水溶液中质子和电子的Gf0值为零。(1)请给出该体系的pE0。(2)如果体系化合物的总浓度为1.010-4mol/L，那么请给出下图中曲线的lgcpE关系式。
19、解：(1)G0=12.6237.24+742=194.2G0=nFE0E0=G0nF=194.2(896.5)=0.25pE0=0.250.059=4.24(2)SO42-+9H+8e=HS-+4H2O(L)SO42-HS-两线的交点即:此时:pE=-561/8=-7.0当pESO42-,即HS-1.010-4mol/L所以:logHS-=4同理:当pE7.0时,HS-7.0时,logHS-=logSO42-8pE56=8pE6029某水体中含有300mg/L的悬浮颗粒物，其中70为细颗粒（粒径50m)，有机碳含量为10，其余的粗颗粒有机碳含量为5。已知苯并a芘的Kow为106，请计算该有机物
20、的分配系数。解：Koc=0.63Kow=6.3105细颗粒（粒径50m)质量分数:f=0.70粗沉积物组分的有机碳含量：Xsoc=0.05细沉积物组分的有机碳含量：Xfoc0.10所以,颗粒物与水之间的分配系数:Kp=Koc0.2(1f)Xsoc+fXfoc=6.31050.2(10.7)0.05+0.700.10=4.610430一个有毒化合物排入至pH=8.4,T=25水体中，90的有毒物质被悬浮物所吸着，已知酸性水解速率常数ka=0，碱性催化水解速率常数kb=4.910-7L/(dmol)，中性水解速率常数kh=1.6d-1，请计算化合物的水解速率常数。解：如果考虑到颗粒物的吸附作用，则
21、水解速率常数可写为(（aw：有机化合物溶解态的分数）：Kh=kh+awKaH+KbOH-1.6+0.14.910-710-5.6=1.6(d-1)31某有机污染物排入pH=8.0，T=20的江水中，该江水中含悬浮颗粒物500mg/L，其有机碳含量为10。(1)若该污染物分子量为129，溶解度为611mg/L，饱和蒸汽压为1.21Pa(20)，请计算该化合物的亨利定律常数（Pam3mol），并判断挥发速率是受液膜控制或气膜控制。(2)假定Kg=3000cm/h，求该污染物在水深1.5m处挥发速率常数(Kv)。解：(1)根据亨利定律:p=KHCw该化合物的亨利定律常数:KH=psMw/Sw=1.2
22、1129611=0.26（Pam3mol）当KH1.013pam3/mol,挥发作用主要受气膜控制.(2)KH=Ca/Cw=(p/RT)/Cw=KH/(RT)=KH/(8.31T)=4.110-4KH(20)所以:KH=4.110-4KH=1.06610-4(20)当挥发作用主要受气膜控制,此时:Kv=KHKg=1.06610-43000=0.32（cm/h）在水深1.5米处:Kv=0.3224(1.5100)=0.05（d-1）32某有机污染物溶解在一个含有200mg/L悬浮物、pH=8.0和T=20的水体中，悬浮物中细颗粒为70，有机碳含量为5，粗颗粒有机碳含量为2，已知此时该污染物的中性
23、水解速率常数kh=0.05d-1，酸性水解速率常数ka=1.7L/(mold)，碱性催化水解速率常数kb=2.6106L/(mold)，光解速率常数kp=0.02h-1，污染物的辛醇水分配系数Kow=3.0105，并从中查到生物降解速率常数KB=0.20d-1，忽略颗粒物存在对挥发速率和生物降解速率的影响,求该有机污染物在水体中的总转化速率常数（KT）。解：光解速率常数Kp=0.02h-1=0.48d-1；生物降解速率常数KB=0.20d-1；已知污染物的辛醇水分配系数Kow=3.0105，因此根据：Koc=0.63Kow=0.633.0105=1.89105而污染物在颗粒物与水之间的分配系数
24、:Kp=Koc0.2(1f)Xsoc+fXfoc=1.891050.2(10.7)0.02+0.700.05=6.84103有机物溶解态的分数aw=CwCT=1(Kpcp+1)=1(6.841032.010-4+1)=0.422水解速率常数可写为：Kh=kh+awKaH+KbOH-0.05+0.4221.710-8+2.610610-6=0.05+1.1=1.15(d-1)（aw：有机化合物溶解态的分数）所以：KT=Kh+KB+KP=1.15+0.48+0.20=1.8333某河段流量Q=2160000m3/d，流速为46km/d，T=13.6，耗氧系数k1=0.94d1，复氧系数k2=1.8
25、2d1，BOD沉浮系数k3=0.17d1，起始断面排污口排放的废水约为10104m3/d，废水中含BOD5500mg/L，溶解氧为0mg/L，上游河水BOD5为0mg/L，溶解氧为8.95mg/L，求排污口下游6km处河水的BOD5和氧亏值。解：当废水与河水混合后：Qmix=2160000+100000=2260000m3/dBOD5(mix)=5001000002260000=22(mg/L)DOmix=8.9521600002260000=8.55(mg/L)(1)排污口下游6公里处的BOD5:L=L0exp-(k1+k3)x/u=22exp-(0.94+0.17)646=22exp-0.
26、145=19(2)排污口下游6公里处的氧亏值D:T=13.6河水的饱和溶解氧Cs=10.5(mg/L)，则D0=10.58.55=1.95所以：D=1.950.789(-25.155)0.8650.789=1.54+1.91=3.45(mg/L)附表：氧在水中的溶解度(mg/L)t0123456789DO14.614.213.813.513.112.812.512.211.911.6t10111213141516171819DO11.311.110.810.610.410.210.09.79.59.4t20212223242526272829DO9.29.08.88.78.58.48.28.17.97.8
