环境化学教案 第二节 天然水的基本特征及污染物的存在形态

1第三章水环境化学教学题目第一节天然水的基本特征和污染物的存在形态教学重点天然水的碱度及水中污染物的存在形态教学难点天然水的碱度计算教学类型新课教学课时2教学内容教法提示1.2.2天然水中的碱度和酸度为了测定水体中导入酸或者碱所引起的缓冲能力的变化程度，引入碱度和酸度两个概念。碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质、亦即能接受质子H+的物质总量。能产生碱度的物质有：①强碱NaOH②弱碱③强碱弱酸盐。碱度的主要形态为OH-、CO32-、HCO32-，因此又分为氢氧化物碱度、碳酸盐碱度、酸式碳酸盐碱度。水体的碱度是给水系统设计必须要考虑的指标，碱度的测定是水质分析中一个经常观测的指标。天然水体是一个优良的主要由碳酸盐和重碳酸盐组成的缓冲系统，一般氢氧化物的碱度较低，这一缓冲体系对于维持天然水体的PH值保持在6-9的范围内具有非常大的意义。从而保证了水生生物的正常生长。碱度与PH值的区别：PH值反映的是水中氢离子的活泼程度。碱度是指水中含有的能与强酸发生中和反应的物质的总量。例如：摩尔浓度相同的NaOH和NaHCO3与同一浓度的HCl反应，存在下面的反应：O2H2CONaCl3NaHCOHClO2HNaClHClNaOH由上面的反应可知，摩尔浓度相同的NaOH和NaHCO3消耗同样的HCL，即二者的碱度是相同的，而二者的PH值是显然不同的，因为一个是强碱，一个是弱碱。上节课内容总结重点介绍天然水的碱度及碱度计算简单介绍天然水的酸度及水中污染物的存在形态教师陈述讲解2测定水体的碱度的方法是用强酸的标准溶液滴定待测水体，根据在达到滴定终点时所消耗的酸的数量来确定水体的碱度。由于不同的指示剂所指示的滴定终点的pH值是不同的，因此，利用不同的指示剂所测得的碱度也是不一样的。当选用甲基橙作指示剂时滴定终点的pH值为4.3，此时测得的碱度叫总碱度，也叫做甲基橙碱度，其化学反应的计量关系式如下：O2HHOH3HCOH23COO2H2COH3HCOHCO3-+H+→CO2+H2O因此，总碱度是水中各种碱度成分的总和，即加酸至HCO3-和CO32-全部转化为CO2。其表达式为：总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]–[H+]溶液中CO2、HCO3-和CO32-的浓度均可以用其摩尔分数（α）与总碳（CT）的乘积来表示，即：TCOTHCOTCOCCOCHCOCCO2332][][][332因而，总碱度可以表示成：]H[]OH[TCCO2HCO233）（总碱度23321COHCO令则在总碱度相对较高时，[OH-]可以忽略不计，此时，][TC总碱度如果滴定是以酚酞作为指示剂，当溶液的PH值降到8.3时，（用HCL去滴定OH，溶液由红色变成无色）表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，因此，得到酚酞碱度表示式：酚酞碱度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]在碱度计算的讲解中要求学生会计算，并通过提问的方式在举例讲解后同学自己计算，找出薄弱之处，重点讲解3=CT（a2-a1）+Kw/[H+]-[H+]达到23COpH所需酸量时的碱度称为苛性碱度.苛性碱度在实验室中不能迅速地测得,因为不容易找到终点,若已知总碱度和酚酞碱度就可用计算方法确定.苛性碱度表达式为苛苛性性碱碱度度==[[OOHH--]]--[[HHCCOO33--]]--22[[HHCCOO33--]]––[[HH++]]与碱度相反，酸度（acidity）是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出质子H+或经过水解产生H+的物质的总量。组成水中酸度的物质也可归纳为三类：（1）强酸；（2）弱酸；（3）强酸弱碱盐。例1已知水体的碱度为1.00×10-3mol/L，pH=7。求体系中CO2、HCO3-和CO3-的浓度。解：根据碱度=[OH-]+[HCO3-]+2[CO3-]当pH=7时，体系中[HCO3-][CO32-]。故：碱度=[OH-]+[HCO3-]，代入已知条件：1.00×10-3=10-7+[HCO3-][HCO3-]=1.00×10-3mol/L根据碳酸的一级和二级电离平衡，可以求得CO2和CO32-的浓度：CO2+H2OH++HCO3-72311045.4][]][[KCOHCOHLmolKHCOHCO/1025.21045.41010]][[][4737132HCO3-H++CO32-][]][[3232HCOCOHKLmolHHCOKCO/1069.410100.11069.4][][][773113223例2已知水体的碱度为1.00×10-3mol/L，pH=10，求体系中CO2、HCO3-和CO32-的浓度。解：根据碱度=[OH-]+[HCO32-]+2[CO32-]教师陈述讲解4当pH=10时，HCO3-和CO32-浓度相近，利用碳酸的二级电离平衡：HCO3-→H++CO32-1132321069.4][]][[HCOCOHK][][][3223HHCOKCO代入碱度的表达式，得：][][2][][][323HHCOKHCOOH碱度即：1031134310][1069.42][101000.1HCOHCOLmolHCO/1064.4][43故：LmolHHCOKCO/1018.2101064.41069.4][][][4104113223根据碳酸的一级电离平衡：322HCOHOHCO72311045.4][]][[COHCOHKLmolKHCOHCO/1004.11045.41064.410]][[][77410132这里需要特别注意的是，在封闭体系中加入强酸或强碱，总碳酸量CT不受影响，而加入[CO2]时，总碱度值并不发生变化。这时溶液PH值和各碳酸化合态浓度虽然发生变化，但它们的代数综合值仍保持不变，因此总碳酸量CT和总碱教师陈述讲解5度在一定条件下具有守恒特性。在环境水化学及水处理工艺过程中，常常会遇到向碳酸体系加入酸或碱而调整原有的PH值的问题，例如水的酸化和碱化问题。例3若一个天然水的pH值为7.0，碱度为1.4×10-3mol/L，需加入多少盐酸才能把水体的pH值降低到6.0？解：根据碳酸在水中的分布情况可知，当pH值为6.0和7.0时，相对于水中CO2和HCO3-来说，CO32-的浓度可以忽略不计。此时溶液的碱度主要由HCO3-提供。故：LmolHCO/104.1][33根据碳酸的一级电离平衡常数可求得CO2的浓度：LmolKHCOHCO/1015.31045.4104.110]][[][4737132故pH=7.0时体系中总碳的含量为：TC1=[CO2]+[HCO3-]=1.72×10-3mol/L。由于在封闭体系中加入强酸或者强碱总碳量CT的数值是不变的,故:TC2=TC1=[CO2]+[HCO3-]=1.72×10-3mol/L即:33131072.1][]][[HCOKHCOH代入碳酸的一级电离平衡常数和pH=6.0,可得:[HCO3-]=5.29×10-4mol/L此时，体系的碱度即为5.29×10-4mol/L。因此，当pH由7.0降为6.0后，体系的碱度变化为：1.4×10-3-5.29×10-4=8.71×10-4mol/L因为碱度的变化即为加入酸的数量，故需加入盐酸8.71×10-4mol/L。如利用分布系数，本题也可以进行如下求解：当pH=7时，查表知α=1.22，则教师陈述讲解6CT=α×碱度=1.22×1.4×10-3=1.71×10-3mol/L当pH=6时，查表知α=3.25，此时由于CT值保持不变，故：[碱度]=CT/α=1.71×10-3/3.25=5.26×10-4mol/L应加入酸量为1.4×10-3-5.26×10-4=8.74×10-4mol/L。由于是近似计算，故两种算法结果有一定的误差。在天然水体中，水体的碱度与藻类的活动有着密切的关系。光合作用的过程可以用下面的方程式来表示2O}O2CH{hvO2H2CO2OOH}O2CH{hvO2H3HCO在没有外部CO2补充的情况下，随着无机碳转化形成生物量，水体的pH值会升高。在实际水体中，当藻类快速生长时就会出现类似的情况，此时pH值常常会超过10。例4已知水体pH值为7.00，碱度为1.00×10-3mol/L，求当pH值为10.00时，会有多少无机碳转化形成生物量。假设pH值的改变完全由于光合作用所引起。解：根据碱度的计算公式可知，当pH=7.00时，[HCO3-]=1.00×10-3mol/L利用碳酸的一级电离平衡常数可求得：[CO2]=2.25×10-4mol/L故当pH=7.00时，体系中无机碳总浓度=[CO2]+[HCO3-]=1.225×10-3mol/L。当pH=10.0时，根据碱度可求得：[HCO3-]=4.64×10-4mol/L[CO32-]=2.18×10-4mol/L由于此时CO2的浓度可以忽略不计，故pH=10.00时，体系中无机碳总浓度=[HCO3-]+[CO32-]=6.82×10-4mol/L。故体系pH值的变化所引起无机碳总浓度的减少量为：1.225×10-3-6.82×10-4=5.43×10-4mol/L这说明有5.43×10-4mol/L的无机碳转化形成了生物量。由于{CH2O}的化学式量教师陈述讲解7为30，故产生的生物量为16.3mg/L。2.水中主要污染物的分布和存在形态水体中污染物质的种类非常多，主要来自于工业污染，农业污染和生活用水污染。工业废水是工业污染的主体，它是水体中污染物的主要来源。农业污染主要是由于广泛使用化肥，农药以及大量农业废弃物的产生而造成的。而随着城市人口逐渐增加，城市生活废水也已经成为水体的重要污染源。20世纪60年代美国学者曾把水中污染物大体划分为八类：（1）耗氧污染物（一些能够较快被微生物降解成为二氧化碳和水的有机物）；（2）致病污染物（一些可使人类和动物患病的病原微生物与细菌）；（3）合成有机物；（4）植物营养物；（5）无机物及矿物质；（6）由土壤、岩石等冲刷下来的沉积物；（7）放射性物质；（8）热污染。这些污染物进入水体后通常以可溶态或悬浮态存在，其在水体中的迁移转化及生物可利用性均直接与污染物存在形态相关。重金属对鱼类和其他水生生物的毒性，不是与溶液中重金属总浓度相关，而是主要取决于游离（水合）的金属离子，对镉则主要取决于游离Cd2+浓度，对铜则取决于游离的Cu2+及其氢氧化物。而在部分稳定配合物及其与胶体颗粒结合的形态则是低毒的，不过脂溶性金属配合物是例外，因为它们能迅速透过生物膜，并对细胞产生很大的破坏作用。2.1有机污染物（1）农药水中常见的农药概括起来，主要为有机氯和有机磷农药。此外还有氨基甲酸酯类农药。它们通过喷施农药、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。有机氯农药由于难以被化学降解和生物降解，因此，在环境中的滞留时间很长，由于具有较低的水溶性和高的辛醇水分配系数，故很大一部分被分配到沉积物有机质和生物脂肪中。有机磷农药和氨基甲酸酯农药与有机氯农药相比，较易被生物降解，它们在环境中的滞留时间较短。在土壤和地表水中降解速率较快，杀虫力较高，常用消灭那些不能被有机氯杀虫剂有效控制的害虫。对于大多数氨基甲酸酯类和有机磷杀虫剂来说，由于它们的溶解度较大，其沉积物吸附和生物累积过程是次要的，然而当它们在水中含量较高时，有机质含量高的沉积物和脂质含量高的水生生物也会吸收相当量的该类污染物。目前在地表水中能检出的不多，污染范围较小。此外，近年来除草剂的使用量逐渐增加，可用来杀死杂草和水生植物。它教师陈述