水环境化学习题解答优秀PPT.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,H,2,CO,3,、,HCO,3,-,和,CO,3,2-,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,C,T,表示。,(1),封闭体系,在封闭体系中不考虑溶解性,CO,2,与大气交换过程，,C,T,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。,1,(2),开放体系,此时考虑,CO,2,在气相和液相之间的平衡,:,CO,2(aq),=K,H,P,CO2,对于封闭体系，,C,T,保持不变、而,CO,2,HCO,3,2-,、,CO,3,2-,均随,pH,而变化。对于开放体系而言，,CO,2,总与大气保持相平衡的数据，,C,T,、,HCO,3,2-,、,CO,3,2-,均随,pH,而变化。,2,2,请导出总酸度、,CO,2,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,+,+HCO,3,-,+2H,2,CO,3,OH,-,=C,T,(,1,+2,0,)+H,+,Kw/H,+,CO,2,酸度,H,+,+H,2,CO,3,CO,3,-2,OH,-,=C,T,(,0,2,)+H,+,Kw/H,+,无机酸度,H,+,HCO,3,-,2 CO,3,-2,OH,-,=,C,T,(,1,+2,2,)+H,+,Kw/H,+,总碱度,HCO,3,-,+2 CO,3,-2,+OH,-,H,+,=C,T,(,1,+2,2,)+Kw/H,+,H,+,酚酞碱度,OH,-,+CO,3,-2,H,2,CO,3,H,+,=C,T,(,2,0,)+Kw/H,+,H,+,苛性碱度,=OH,-,HCO,3,-,2H,2,CO,3,H,+,=,C,T,(,1,2,0,)+Kw/H,+,H,+,3,3,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、,CO,2,酸度，是增加、减少还是不变。,解：增加重碳酸盐即增加,HCO,3,-,，因此：,(1),总酸度,=H,+,+HCO,3,-,+2H,2,CO,3,OH,-,而,HCO,3,-,增加，显然总酸度增加。,(2),总碱度,HCO,3,-,+2 CO,3,-2,+OH,-,H,+,，而,HCO,3,-,增加，显然总碱度增加。,(3),无机酸度,H,+,HCO,3,-,2 CO,3,-2,OH,-,，而,HCO,3,-,增加，显然无机酸度减少。,(4),酚酞碱度,OH,-,+CO,3,-2,H,2,CO,3,H,+,酚酞碱度与,HCO,3,-,无关，,HCO,3,-,增加，显然酚酞碱度不变。,(5)CO,2,酸度,H,+,+H,2,CO,3,CO,3,-2,OH,-,CO,2,酸度即酚酞酸度与,HCO,3,-,无关，,HCO,3,-,增加，显然,CO,2,酸度不变。,4,4,在一个,pH,为,6.5,、碱度为,1.6 mmol/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,HCO,3,-,+2 CO,3,-2,+OH,-,H,+,C,T,(,1,+2,2,)+Kw/H,+,H,+,在,pH,为,6.5,、碱度为,1.6 mmol/L,的水体中，总碱度计算可忽略,OH,-,和,H,+,两项。,所以：总碱度,HCO,3,-,+2 CO,3,-2,=C,T,(,1,+2,2,),5,查表,3,3,（,P.110,）：,pH=6.5,时,=1.710,所以：,C,T,=1.7101.6=2.736(mmol/L),设加入,B mmol/L,的,Na,2,CO,3,使,pH=8.0,此时,=1.018,C,T,+B=1.0181.6+2 B,1.036 B=1.106,B=1.067 (mmol/L),若加入,NaOH,至,pH=8.0,此时,C,T,值并不变化，因此：,碱度,C,T,2.736,1.018=2.688 (mmol/L),碱度的增加值即为,NaOH,加入量：,2.688,1.6=1.088(mmol/L),6,5,具有,2.010,-3,mol/L,碱度的水，,pH,为,7.0,，请计算,H,2,CO,3,、,HCO,3,-,、,CO,3,2-,和,OH,-,的浓度各是多少？,解：,pH,为,7.0,，那么：,OH,-,1.010,-7,mol/L,查表,3,3,：,=1.224,0,=0.1834,1,=0.8162,2,=3.8110,-4,;,C,T,=,碱度,=1.2242.010,-3,=2.44810,-3,(mol/L),H,2,CO,3,=,0,C,T,=0.1348 2.44810,-3,(mol/L),=4.510,-4,(mol/L),HCO,3,-,=,1,C,T,=0.8162 2.44810,-3,(mol/L),=2.010,-3,(mol/L),CO,3,2-,=,2,C,T,=3.8110,-4,2.44810,-3,(mol/L),=9.310,-7,(mol/L),7,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,3,3,：,=1.069,0,=0.06626,1,=0.9324,2,=1.3810,-3,;,C,A,=,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,;,C,B,=,碱度,=0.95920.8=0.7674 (mmol/L),等体积混合后,:,H,2,CO,3,=0.50.066266.82+0.0021420.7674,=0.225(mmol/L),HCO,3,-,=0.50.93246.82+0.95320.7674,=3.545,(mmol/L),8,7,溶解,1.010,-4,mol/L,的,Fe(NO,3,),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,Fe,3+,、,Fe(OH),2+,、,Fe(OH),2,+,和,pH,值。,解：,Fe,3+,+3 H,2,O =Fe(OH),3,+3 H,+,Fe,3+,+H,2,O =Fe(OH),2+,+H,+,Fe,3+,+2 H,2,O =Fe(OH),2,+,+2 H,+,9,Fe,3+,9.110,3,H,+,3,，分别代入：,C =Fe,3+,+,Fe(OH),2+,+,Fe(OH),2,+,=9.110,3,H,+,3,+8.910,-4,H,+,2,+4.910,-7,H,+,=1.010,-4,(mol/L),H,+,3,+8.910,-4,H,+,2,+4.910,-7,H,+,=1.110,-8,按牛顿法求解,:,f(x)=H,+,3,+8.910,-4,H,+,2,+4.910,-7,H,+,1.110,-8,f(x)=3 H,+,2,+1.7810,-3,H,+,+4.910,-7,H,+,3,、,8.910,-4,H,+,2,、,4.910,-7,H,+,分别等于,1.110,-8,求出近似值,:,10,H,+,3,=1.110,-8,可求得,:H,+,=2.210,-3,8.910,-4,H,+,2,=1.110,-8,求得,:H,+,=3.510,-3,4.910,-7,H,+,=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(x,0,)=H,+,3,+8.910,-4,H,+,2,+4.910,-7,H,+,1.110,-8,=1.0610,-8,+410,-9,+1.0810,-9,1.110,-8,=(1.57,1.1)10,-8,=4.710,-9,f(x)=3 H,+,2,+1.7810,-3,H,+,+4.910,-7,=1.4510,-5,+3.9210,-6,+4.910,-7,=1.910,-5,x,1,=x,0,f(x,0,),f(x,0,)=2.210,-3,4.710,-9,1.910,-5,=2.210,-3,2.4710,-4,=1.9510,-3,所以：,H,+,1.9510,-3,pH=-log(1.9510,-3,)=2.71,11,13,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,-3,mol/L,，溶液中每克悬浮物固体吸附溶质为,0.5010,-3,mol/L,，当平衡浓度降至,1.010,-3,mol/L,，每克吸附剂吸附溶质为,0.2510,-3,mol/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：,G,0,=110,-3,（,mol,Lg,）,12,17,含镉废水通入,H,2,S,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,H,2,S,0.1 mol/L,，,K,H2S,=H,+,2,S,2-,=1.1610,-23,，且,pH=8.0,S,2-,=1.1610,-23,/H,+,2,=1.1610,-23,/1.010,-16,=1.1610,-7,(mol/L),Cd,2+,=K,sp,/S,2-,=7.910,-27,/1.1610,-7,=6.810,-20,(moll/L),18,已知,Fe,3+,与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下：,Fe,3+,+H,2,O =Fe(OH),2+,+H,+,lg k,1,=,2.16,Fe,3+,+2 H,2,O =Fe(OH),2,+,+2 H,+,lg k,2,=,6.74,Fe(OH),3,(s)=Fe,3+,+3 OH,-,lg k,so,=,38,Fe,3+,+4 H,2,O =Fe(OH),4,-,+4 H,+,lg k,4,=,23,2Fe,3+,+2 H,2,O =Fe,2,(OH),2,4+,+2 H,+,lg K=,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)=Fe,3+,+3 OH,-,K,S0,=Fe,3+,OH,-,3,则,Fe,3+,=K,S0,/OH,-,3,13,所以：,pFe,3+,=p K,S0,3 pOH,=38,314 +3 pH,=3 pH,4,(2)Fe,3+,+H,2,O =Fe(OH),2+,+H,+,lg k,1,=,2.16,k,1,=Fe(OH),2+,H,+,Fe,3+,p Fe(OH),2+,=p k,1,+pFe,3+,pH,=2.16+3 pH,4,pH,=2 pH,1.84,(3)Fe,3+,+2 H,2,O =Fe(OH),2,+,+2 H,+,lg k,2,=,6.74,p Fe(OH),2,+,=p k,2,+pFe,3+,2pH,=6.74+3 pH,4,2pH,=pH+2.74,(4)Fe,3+,+4 H,2,O =Fe(OH),4,-,+4 H,+,lg k,4,=,23,p Fe(OH),4,-,=p k,4,+pFe,3+,4pH,=23+3 pH,4,4pH,=19,pH,(5)2Fe,3+,+2 H,2,O =Fe,2,(OH),2,4+,+2 H,+,lg K=,2.91,p Fe,2,(OH),2,4+,=p K+2pFe,3+,2pH,=2.91+6 pH,8,2pH,=4 pH,5.09,14,19,已知：,Hg,2+,+2 H,2,O =Hg(OH),2,0,+2 H,+,lg k=,6.3,，溶液中存在,H,+,、,OH,-,、,Hg,2+,、,Hg(OH),2,0,和,ClO,4,-,等形态，且忽略,Hg(OH),+,和离子强度效应，求,1.010,-5,mol/L,的,Hg(ClO,4,),2,溶液在,25,时的,pH,值。,解：,Hg,2+,+2 H,2,O =Hg(OH),2,0,+2 H,+,平衡时：,c,x x 2x,(,设解离出的,Hg(OH),2,0,浓度为,x mol/L),4 x,3,+10,-6.3,x,c10,6.3,=0,4 x,3,+510,-7,x,510,-12,=0,按牛顿法求解：,f(x)=4 x,3,+510,-7,x,510,-12,f(x)=12 x,2,+510,-7,15,4 x,3,和,510,-7,x,分别等于,510,-12,求出近似值,:,4 x,3,=510,-12,则,x=1.0810,-4,510,-7,x=510,-12,则,x=110,-5,显然,x=1.0810,-4,不能为其解,取,x,0,=110,-5,f(x,0,)=4 x,3,+510,-7,x,510,-12,=410,-15,+510,-12,510,-12,=410,-15,f(x,0,)=12 x,2,+510,-7,=1210,-10,+510,-7,=510,-7,x,1,=x,0,f(x,0,),f(x,0,),=110,-5,410,-15,510,-7,=110,-5,所以：,H,+,=2 x,1,=210,-5,(mol/L),pH=-logH,+,=4.7,16,21,在,pH=7.00,和,HCO,3,-,=1.2510,-3,(mol/L),的介质中，,HT,2-,与固体,PbCO,3,平衡,其反应如下,:,PbCO,3,(s)+HT,2-,=PbT,-,+HCO,3,-,k=4.0610,-2,问作为,HT,2-,形态占,NTA,的分数。,解：在,pH=7.0,介质中，,NTA,以,HT,2-,形式存在。,PbCO,3,(s)+HT,2-,=PbT,-,+HCO,3,-,17,23,什么是电子活度,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(a,H,),a,H,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(a,E,),a,E,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,:,2 H,+,(aq)+2 e =H,2,(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，,H,2,为,1.01310,5,Pa,平衡时的介质中：,a,e,=1,pE=0,18,pE,与,pH,的对比,pH=,lg(a,H,)pE=,lg(a,E,),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=pk,a,+logA,-,/HA pE=pE,0,+(1/n)log,氧化态,/,还原态,当,A,-,=HA,时,pH=pk,a,当,氧化态,/,还原态,时,pE=pE,0,a,H,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,;,a,E,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,;,19,25,从湖水中取出深层水，其,pH=7.0,含溶解氧浓度为,0.32 mg/L,，请计算,pE,和,Eh,值,.,解：水样中溶解氧的摩尔浓度为：,O,2,aq,=0.32,32=1.010,-5,(mol/L),O,2,aq,=K,H,P,O2,=1.2610,-8,P,O2,=1.010,-5,(mol/L),P,O2,=1.010,-5,1.2610,-8,=7.910,2,pE=20.75,0.53,7.0=13.22,E=0.059pE=0.05913.22=0.78(v),20,26,在厌氧消化池中和,pH=7.0,的水接触的气体含,65%CH,4,和,35%CO,2,，,请计算,pE,和,Eh,值。,解,；,（,1/8,）,CO,2,+H,+,+e=,（,1/8,）,CH,4,+,（,1/4,）,H,2,O,pE,0,=2.87,pE=2.87,7.0+(1/8)lg(0.35/0.65)=-4.16,Eh=0.059 pE=-0.059,4.16=-0.245(v),21,27,在一个,pH=10.0,的,SO,4,2-,HS,-,体系中,(25),其反应为,:,SO,4,2-,+9 H,+,+8 e =HS,-,+4 H,2,O(L),已知其标准自由能,G,f,0,值（,kJ/mol),：,SO,4,2-,：,742,，,HS,-,：,12.6,，,H,2,O,：,237.2,，水溶液中质子和电子的,G,f,0,值为零。,(1),请给出该体系的,pE,0,。,(2),如果体系化合物的总浓度为,1.010,-4,mol/L,，那么请给出下图中曲线的,lg c pE,关系式。,解：,(1),G,0,=12.6,237.24 +742 =,194.2,G,0,=,nFE,0,E,0,=,G,0,nF =194.2,(896.5)=0.25,pE,0,=0.25,0.059=4.24,(2)SO,4,2-,+9 H,+,+8 e =HS,-,+4 H,2,O(L),22,SO,4,2-,HS,-,两线的交点即,:,此时,:pE=-56 1/8=-7.0,当,pE SO,4,2-,即,HS,-,1.010,-4,mol/L,所以,:log HS,-,=,4,同理,:,当,pE,7.0,时,HS,-,7.0,时,log HS,-,=log SO,4,2-,8 pE,56,=,8 pE,60,23,某水体中含有,300mg/L,的悬浮颗粒物，其中,70,为细颗粒（粒径,50,m),，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,K,ow,为,10,6,，请计算该有机物的分配系数。,解：,K,oc,=0.63 K,ow,=6.310,5,细颗粒（粒径,50,m),质量分数,:f=0.70,粗沉积物组分的有机碳含量：,X,s,oc,=0.05,细沉积物组分的有机碳含量：,X,f,oc,0.10,所以,颗粒物与水之间的分配系数,:,K,p,=K,oc,0.2(1,f)X,s,oc,+f X,f,oc,=6.310,5,0.2(1,0.7)0.05+0.700.10,=4.610,4,24,一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,k,a,=0,，碱性催化水解速率常数,k,b,=4.910,-7,L/(dmol),，中性水解速率常数,k,h,=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,(,（,a,w,：有机化合物溶解态的分数）：,K,h,=k,h,+a,w,K,a,H,+,+K,b,OH,-,1.6+0.1 4.910,-7,10,-5.6,=1.6(d,-1,),25,31,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,1.21 Pa(20),，请计算该化合物的亨利定律常数（,Pam,3,mol,），并判断挥发速率是受液膜控制或气膜控制。,(2),假定,K,g,=3000 cm/h,，求该污染物在水深,1.5m,处挥发速率常数,(K,v,),。,解：,(1),根据亨利定律,:p=K,H,C,w,该化合物的亨利定律常数,:,K,H,=p,s,M,w,/S,w,=1.21129,611=0.26,（,Pam,3,mol,）,当,K,H,1.013 p,a,m,3,/mol,挥发作用主要受气膜控制,.,(2)K,H,=C,a,/C,w,=(p/RT)/C,w,=K,H,/(RT),=K,H,/(8.31T)=4.110,-4,K,H,(20),所以,:K,H,=4.110,-4,K,H,=1.06610,-4,(20),当挥发作用主要受气膜控制,此时,:,K,v,=K,H,K,g,=1.06610,-4,3000=0.32,（,cm/h,）,在水深,1.5,米处,:,K,v,=0.3224,(1.5100)=0.05,（,d,-1,）,26,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,k,h,=0.05 d,-1,，酸性水解速率常数,k,a,=1.7 L/(mold),，碱性催化水解速率常数,k,b,=2.610,6,L/(mold),，光解速率常数,k,p,=0.02 h,-1,，污染物的辛醇水分配系数,K,ow,=3.010,5,，并从中查到生物降解速率常数,K,B,=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（,K,T,）。,解：光解速率常数,K,p,=0.02 h,-1,=0.48 d,-1,；,生物降解速率常数,K,B,=0.20 d,-1,；,已知污染物的辛醇水分配系数,K,ow,=3.010,5,，因此根据：,K,oc,=0.63 K,ow,=0.633.010,5,=1.8910,5,27,而污染物在颗粒物与水之间的分配系数,:,K,p,=K,oc,0.2(1,f)X,s,oc,+f X,f,oc,=1.8910,5,0.2(1,0.7)0.02+0.700.05,=6.8410,3,有机物溶解态的分数,a,w,=C,w,C,T,=1,(K,p,c,p,+1),=1,(6.8410,3,2.010,-4,+1)=0.422,水解速率常数可写为：,K,h,=k,h,+a,w,K,a,H,+,+K,b,OH,-,0.05+0.422 1.710,-8,+2.610,6,10,-6,=0.05+1.1=1.15 (d,-1,),（,a,w,：有机化合物溶解态的分数）,所以：,K,T,=K,h,+K,B,+K,P,=1.15+0.48+0.20=1.83,28,33,某河段流量,Q=2160000 m,3,/d,，流速为,46 km/d,，,T=13.6,，耗氧系数,k,1,=0.94 d,1,，复氧系数,k,2,=1.82 d,1,，,BOD,沉浮系数,k,3,=0.17 d,1,，起始断面排污口排放的废水约为,1010,4,m,3,/d,，废水中含,BOD,5,500 mg/L,，溶解氧为,0 mg/L,，上游河水,BOD,5,为,0 mg/L,，溶解氧为,8.95mg/L,，求排污口下游,6 km,处河水的,BOD,5,和氧亏值。,解：当废水与河水混合后：,Q,mix,=2160000+100000=2260000 m,3,/d,BOD,5(mix),=500100000,2260000=22 (mg/L),DO,mix,=8.952160000,2260000=8.55 (mg/L),(1),排污口下游,6,公里处的,BOD,5,:,L=L,0,exp-(k,1,+k,3,)x/u,=22 exp-(0.94+0.17)6,46,=22 exp-0.145,=19,29,(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,C,s,=10.5(mg/L),，,则,D,0,=10.5,8.55=1.95,所以：,D=1.950.789,(-25.155)0.865,0.789,=1.54+1.91=3.45 (mg/L),30,附表：氧在水中的溶解度,(mg/L),t,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,DO,14.6,14.2,13.8,13.5,13.1,12.8,12.5,12.2,11.9,11.6,t,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,DO,11.3,11.1,10.8,10.6,10.4,10.2,10.0,9.7,9.5,9.4,t,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,DO,9.2,9.0,8.8,8.7,8.5,8.4,8.2,8.1,7.9,7.8,31,