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    水环境化学习题解答戴树桂.pptx

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    水环境化学习题解答戴树桂.pptx

    (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-均随pH而变化。第1页/共31页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+第2页/共31页3向某一含有碳酸的水体加入重碳酸盐,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。第3页/共31页4在一个pH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)第4页/共31页查表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+2B1.036B=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)第5页/共31页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(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)第6页/共31页6若有水,pH为7.5,其碱度为6.38 mmol/L,水的pH为9.0,碱度为0.80 mmol/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:=1.069 0=0.06626 1=0.9324 2=1.3810-3 ;CA=碱度=1.0696.38=6.82 (mmol/L)pH 为9.0:=0.9592 0=0.002142 1=0.9532 2=4.4710-2 ;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)第7页/共31页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+Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+第8页/共31页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:第9页/共31页H+3=1.110-8可求得:H+=2.210-38.910-4H+2=1.110-8求得:H+=3.510-34.910-7H+=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=-log(1.9510-3)=2.71第10页/共31页13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)第11页/共31页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,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第12页/共31页所以: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+pFe3+4pH=23+3pH44pH=19pH(5)2Fe3+2H2O=Fe2(OH)24+2H+lgK=2.91pFe2(OH)24+=pK+2pFe3+2pH=2.91+6pH82pH=4pH5.09第13页/共31页19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=04x3+510-7x510-12=0按牛顿法求解:f(x)=4x3+510-7x510-12f(x)=12x2+510-7第14页/共31页4x3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)pH=-logH+=4.7第15页/共31页21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-第16页/共31页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;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=0第17页/共31页pE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;第18页/共31页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)第19页/共31页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=(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)第20页/共31页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。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)第21页/共31页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=8pE60第22页/共31页29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,请计算该有机物的分配系数。解:Koc =0.63 Kow =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:Xfoc 0.10所以,颗粒物与水之间的分配系数:Kp=Koc 0.2(1f)Xsoc+f Xfoc=6.3105 0.2(10.7)0.05+0.700.10=4.6104第23页/共31页30一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=4.910-7 L/(dmol),中性水解速率常数 kh=1.6 d-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,则水解速率常数可写为((aw:有机化合物溶解态的分数):Kh =kh +aw Ka H+Kb OH-1.6+0.1 4.910-7 10-5.6=1.6(d-1)第24页/共31页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=1.21129611=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)第25页/共31页32某有机污染物溶解在一个含有 200 mg/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水解速率常数kh=0.05 d-1,酸性水解速率常数ka=1.7 L/(mold),碱性催化水解速率常数 kb=2.6106 L/(mold),光解速率常数 kp=0.02 h-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=0.20 d-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=0.02 h-1=0.48 d-1;生物降解速率常数 KB=0.20 d-1;已知污染物的辛醇水分配系数 Kow=3.0105,因此根据:Koc =0.63 Kow =0.633.0105=1.89105第26页/共31页而污染物在颗粒物与水之间的分配系数: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=1.83第27页/共31页33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=1.82d1,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-0.145=19第28页/共31页(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)第29页/共31页附表:氧在水中的溶解度(mg/L)t0123456789DO14.614.213.8 13.513.112.8 12.512.211.911.6t10111213141516171819DO11.311.110.810.610.410.210.09.79.59.4t20212223242526272829DO9.29.08.88.78.58.48.28.17.97.8第30页/共31页感谢您的观看!第31页/共31页

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