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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CO2 HCO32-、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、
2、HCO32-、CO32-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-+2H2CO3 OH-=CT(1+20)+H+Kw/H+CO2酸度 H+H2CO3 CO3-2 OH-=CT(0 2)+H+Kw/H+无机酸度 H+HCO3-2 CO3-2 OH-=CT(1+22)+H+Kw/H+总碱度 HCO3-+2 CO3-2+OH-H+=CT(1+22)+Kw/H+H+酚酞碱度 OH-+CO3-2 H2CO3 H+=CT(2 0)+Kw/H+H+苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3 H+=CT(1
3、20)+Kw/H+H+,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-+2H2CO3 OH-而HCO3-增加，显然总酸度增加。(2)总碱度 HCO3-+2 CO3-2+OH-H+，而HCO3-增加，显然总碱度增加。(3)无机酸度 H+HCO3-2 CO3-2 OH-，而HCO3-增加，显然无机酸度减少。(4)酚酞碱度 OH-+CO3-2 H2CO3 H+酚酞碱度与HCO3-无关，HCO3-增加，显然酚酞碱度不变。(5)CO2酸度 H+H2CO3 CO3-2 OH
4、-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 HCO3-+2 CO3-2+OH-H+CT(1+22)+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 HCO3-+2 CO3-2=CT(1+22),查表33（P.110）：pH=6.5 时,=1.710所以：CT=1.7101.6=2.736(mm
5、ol/L),设加入B mmol/L的Na2CO3使pH=8.0,此时,=1.018CT+B=1.0181.6+2 B1.036 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 CT 2.7361.018=2.688(mmol/L)碱度的增加值即为NaOH加入量：2.688 1.6=1.088(mmol/L),5 具有2.010-3 mol/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-1.010-7 mol/L查表33：=1.224 0=0.1834 1=0
6、.8162 2=3.8110-4;CT=碱度=1.2242.010-3=2.44810-3(mol/L)H2CO3=0 CT=0.1348 2.44810-3(mol/L)=4.510-4(mol/L)HCO3-=1 CT=0.8162 2.44810-3(mol/L)=2.010-3(mol/L)CO32-=2 CT=3.8110-4 2.44810-3(mol/L)=9.310-7(mol/L),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=0.0
7、6626 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),7 溶解1.010-4 mol/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
8、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+3 H2O=Fe(OH)3+3 H+Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+Fe3+2 H2O=Fe(OH)2+2 H+,Fe3+9.1103 H+3，分别代入：C=Fe3+Fe(OH)2+Fe(OH)2+=9.1103 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+1.110-8f(x
9、)=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:,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(x0)=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=(1.571.1)10-8=4.710-9f(x)=3
10、H+2+1.7810-3 H+4.910-7=1.4510-5+3.9210-6+4.910-7=1.910-5x1=x0 f(x0)f(x0)=2.210-3 4.710-91.910-5=2.210-3 2.4710-4=1.9510-3所以：H+1.9510-3 pH=-log(1.9510-3)=2.71,13 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
11、是多少?解：根据Langmuir 吸附等温式：,两式相减得：,代入,所以：G0=110-3（mol Lg）,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H2S0.1 mol/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
12、=Fe(OH)2+H+lg k1=2.16Fe3+2 H2O=Fe(OH)2+2 H+lg k2=6.74 Fe(OH)3(s)=Fe3+3 OH-lg kso=38Fe3+4 H2O=Fe(OH)4-+4 H+lg k4=232Fe3+2 H2O=Fe2(OH)24+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)=Fe3+3 OH-KS0=Fe3+OH-3 则 Fe3+=KS0/OH-3,所以：pFe3+=p KS0 3 pOH=38 314+3 pH=3 pH 4(2)Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+lg
13、k1=2.16 k1=Fe(OH)2+H+Fe3+p Fe(OH)2+=p k1+pFe3+pH=2.16+3 pH 4pH=2 pH 1.84(3)Fe3+2 H2O=Fe(OH)2+2 H+lg k2=6.74 p Fe(OH)2+=p k2+pFe3+2pH=6.74+3 pH 42pH=pH+2.74(4)Fe3+4 H2O=Fe(OH)4-+4 H+lg k4=23p Fe(OH)4-=p k4+pFe3+4pH=23+3 pH 44pH=19 pH(5)2Fe3+2 H2O=Fe2(OH)24+2 H+lg K=2.91p Fe2(OH)24+=p K+2pFe3+2pH=2.91
14、+6 pH 82pH=4 pH5.09,19 已知：Hg2+2 H2O=Hg(OH)20+2 H+lg k=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1.010-5 mol/L的Hg(ClO4)2溶液在25时的pH值。解：Hg2+2 H2O=Hg(OH)20+2 H+平衡时：cx x 2x,(设解离出的Hg(OH)20 浓度为 x mol/L),4 x3+10-6.3 x c106.3=04 x3+510-7 x 510-12=0按牛顿法求解：f(x)=4 x3+510-7 x 510-12f(x)=12 x2+510-
15、7,4 x3和510-7 x 分别等于510-12 求出近似值:4 x3=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 x0=110-5f(x0)=4 x3+510-7 x 510-12=410-15+510-12 510-12=410-15f(x0)=12 x2+510-7=1210-10+510-7=510-7x1=x0 f(x0)f(x0)=110-5 410-15510-7=110-5所以：H+=2 x1=210-5(mol/L)pH=-logH+=4.7,21 在 pH=7.00 和HCO3-=1.25
16、10-3(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;pE愈小，电子浓度愈高，体系提供电子的倾向就
17、愈强，反之亦然。pE 的热力学定义基于下列反应:2 H+(aq)+2 e=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1.013105 Pa 平衡时的介质中：ae=1,pE=0,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-/HA pE=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
18、;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 0.32 mg/L，请计算pE 和Eh值.解：水样中溶解氧的摩尔浓度为：O2 aq=0.32 32=1.010-5(mol/L)O2 aq=KH PO2=1.2610-8 PO2=1.010-5(mol/L)PO2=1.010-51.2610-8=7.9102,pE=20.75 0.537.0=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
19、 Eh 值。解；（1/8）CO2+H+e=（1/8）CH4+（1/4）H2O pE0=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),27 在一个pH=10.0 的SO42-HS-体系中(25),其反应为:SO42-+9 H+8 e=HS-+4 H2O(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1.010-4 mol/L，那么请给出下图
20、中曲线的lg c pE 关系式。解：(1)G0=12.6 237.24+742=194.2G0=nFE0E0=G0 nF=194.2(896.5)=0.25pE0=0.250.059=4.24(2)SO42-+9 H+8 e=HS-+4 H2O(L),SO42-HS-两线的交点即:,此时:pE=-56 1/8=-7.0 当pE SO42-,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 SO42-8 pE56=8 pE 60,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，
21、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=4.6104,一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
22、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),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（Pam3mol），并判断挥发速率是受液膜控制或气膜控制。(2)假定Kg=3000 cm/h，求该污染物在水深1.5m
23、处挥发速率常数(Kv)。解：(1)根据亨利定律:p=KH Cw 该化合物的亨利定律常数:KH=psMw/Sw=1.21129611=0.26（Pam3mol）当KH 1.013 pam3/mol,挥发作用主要受气膜控制.(2)KH=Ca/Cw=(p/RT)/Cw=KH/(RT)=KH/(8.31T)=4.110-4 KH(20)所以:KH=4.110-4 KH=1.06610-4(20)当挥发作用主要受气膜控制,此时:Kv=KHKg=1.06610-4 3000=0.32（cm/h）在水深1.5米处:Kv=0.3224(1.5100)=0.05（d-1）,某有机污染物溶解在一个含有 200 m
24、g/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
25、-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,而污染物在颗粒物与水之间的分配系数:Kp=Koc 0.2(1f)Xsoc+f Xfoc=1.89105 0.2(10.7)0.02+0.700.05=6.84103有机物溶解态的分数 aw=CwCT=1(Kp cp+1)=1(6.84103 2.010-4+1)=0.422水解速率常数可写为：Kh=kh+aw Ka H+Kb OH-0.05+0.422 1.710-8+2.6106 10-6=0.05+1.1=1.15(d-1)（aw：有机化合物溶解态的分数）所以：
26、KT=Kh+KB+KP=1.15+0.48+0.20=1.83,33 某河段流量 Q=2160000 m3/d，流速为 46 km/d，T=13.6，耗氧系数 k1=0.94 d1，复氧系数 k2=1.82 d1，BOD沉浮系数 k3=0.17 d1，起始断面排污口排放的废水约为10104 m3/d，废水中含 BOD5 500 mg/L，溶解氧为 0 mg/L，上游河水 BOD5为 0 mg/L，溶解氧为8.95mg/L，求排污口下游6 km处河水的BOD5 和氧亏值。解：当废水与河水混合后：Qmix=2160000+100000=2260000 m3/dBOD5(mix)=5001000002260000=22(mg/L)DOmix=8.952160000 2260000=8.55(mg/L)(1)排污口下游6公里处的BOD5:L=L0 exp-(k1+k3)x/u=22 exp-(0.94+0.17)646=22 exp-0.145=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),
