水环境化学水化学基础资料

水环境化学的重要性 和应用
水环境化学对于保护水资 源、维护环境、促进可持 续发展具有重要的意义。
水的物理化学性质
溶解度溶解度是指单位体Fra bibliotek溶液中 最多能溶解多少物质，它是 表征物质在水中溶解程度的 重要参数。
离子强度
水中的离子强度是所有阴离 子和阳离子的浓度之和和它 们的电荷平方和之比的平方 根。
pH值
水环境监测方法
通过水质监测，及时发现水体 污染的情况，采取有效的技术 措施来防治和修复水体污染。
水环境化学的未来
1 水环境化学的发展趋势
未来水环境化学将逐渐转向绿色、可持续和低碳化发展。
2 水环境化学的应用前景
水环境化学需求将继续增长，未来将更多地应用于水资源保护、净化和开发领域。
3 水环境化学的挑战与机遇
水环境化学
水是地球上最珍贵的资源之一，水环境化学是研究水体的化学性质、污染及 其净化和水质监测的学科。
水环境化学简介
什么是水环境化学？
水环境化学是研究水及其 体系在自然界和生产生活 中的各种过程所涉及到的 化学现象的学科。
水环境化学的研究对 象和内容
研究水环境中各种物质的 迁移、转化和去除，以及 不同水环境对生态环境的 影响。
3
物理污染物
有些物理污染物如悬浮物、浮游生物、颗粒物或沉积物都会影响水的质量和可用性。
水的净化与处理
常见水污染物的去除方法
颗粒物、悬浮物主要通过过滤 和沉淀去除，生物污染物主要 通过消毒去除，化学污染物主 要依靠氧化、还原、沉淀和离 子交换等方法除去。
常见水处理技术及其原理
如生物处理、深度处理、反渗 透等技术，利用技术手段将水 中的污染物清除或降低到符合 生产和生活需求的标准。

二、在Cl--OH-M2+体系中的配位作用
（教材95页）
▪ Cl-与OH-的竞争 与对中心离子的配位能力和[Cl-]及pH有关， ▪ 形成复杂配离子 例如：Hg(OH)Cl、Cd(OH)Cl
三、腐殖质的配位作用（教材95页）
▪ 腐殖质——一种带负电的高分子弱电解质，来自 动植物的分泌物或者残骸。在水体中大多以胶体 或者悬浮物状态存在。
色，CO32-转变为HCO3-。两 色变为红色， HCO3-
次滴定耗用的标准酸量之和 转变为H2CO3*。三次
叫做酚酞碱度。
滴定的标准酸量之和
叫做总碱度。
总碱度 = [ HCO3-] + 2[CO32-] + [ OH-] – [H+] （ 由H2CO3的质子条件PBE导出 [H+] = [OH-] + [ HCO3-] + 2[CO32-]）
有机污染物
有机污染物和无机污染物在水环境中的迁移转 化行为差别很大！！
表 有机物在水环境中的迁移和转化方式
无机污染物
有机污染物
沉淀与溶解
水解
氧化还原
配位 吸附与解吸
吸附与解吸
分配 挥发
光解
生物降解
3.3.1 碳酸平衡（教材80、88页）
水体中可能存在的碳酸组分： CO2、 H2CO3 、 HCO3-、 CO32- ，常把CO2和 H2CO3 合并为 H2CO3*，实际上H2CO3 、 含 量较低，主要是溶解性气体CO2。
二、碳酸盐（封闭体系）
▪ 碳酸盐的沉淀-溶解应该同时考虑碳酸平衡 。
▪ 封闭体系，CT守恒。只考虑固相和液相， 把H2CO3*当作 不挥发酸处理。 CaCO3 = Ca2+ + CO32+ KSP = [Ca2+] [CO32-] = 10-8.23

2、课程教学的基本要求 基本概念（主要离子、溶解气体、营养盐类、 有机物质、有毒物质），物质转化关系和水 质变化规律 天然水中固相溶解与沉淀、气体溶解与逸出、 吸附与解吸、氧化与还原、配合与解离过程 的基本理论，并具初步运用的能力 污染物在水环境中动态（迁移和转化）的一 般规律。初步掌握毒物毒性的研究方法。
一、天然水水质复杂多变性
The atomic structure of a water molecule consists of two hydrogen (H) atoms joined to one oxygen (O) atom.
CONTENTS
• Part 1 养殖水环境化学（Aquatic Environmental Chemistry in Aquaculture）——理论讲授 28学时 • Part 2 水质化学分析(Chemical Analyses of Water Quality) ——实验 20学时 • 总学时：48学时
——研究水体 环境中主要化学 物质存在形态、 迁移转化规律、 化学反应机理及 这些物质对生态 环境影响
水环境化学 大气环境化学 土壤环境化学 ……
2. 水环境化学的研究领域
研究对象—水质系 天然水质系的复杂性 研究内容—研究天然水体化学物质的 来源、存在形态、迁移转化、生态效 应及防治方法等 重点研究的污染物：重金属（包括类 金属） 耗氧有机物 持久性有机物
二、养殖水环境化学
• 1. 定义：水化学、水环境化学的分 支，研究天然和养殖水体内各水化因 子（水化学成分）的来源、转化、迁 移及其与水产养殖/水生生物的相互关 系。
——研究化 学物质在环境中 的存在、转化、 行为及其控制的 原理和方法，是 化学科学的一个 新的分支

次要离子：Fe2+、CO32－、HSiO3－、NO2－、 HPO42－、H2PO4－、PO43－
ii 表示方法
总含盐量(Total Dissolved Solids－TDS)，也称总矿化度： 水中所含各种溶解性矿物盐类的总量称为水的总含盐量。
总含盐量＝Σ阳离子+Σ阴离子
iii 测定
重量法
总含盐量＝溶解固形物
cT
[H
2 CO
* 3
](1
K1 [H
]
K1K 2 [H ]2
)
0
[H2CO*3
]
1
cT
(1
K1 [H ]
K1K 2 [H ]2
) 1
说明pH决定它们的 含量多少
1
[HCO
3
]
cT
[H ] (
K1
1
K2 [H
) ]
1
2
[CO32 ] cT
([H ]2 K1K 2
[H ] 1)1 K2
lg c2 H • ( 1 1 ) 15.59103 ( 1 1 ) c1 2.303R T1 T2 2.3038.314 298.15 273.15
c2 8.289 1.778 14.74mg / L
0 ℃时的含量14.74mg/L 20 ℃时为9.227mg/L
2．在一个标准大气压下，25℃时CO2在水中的溶解度。已知 CO2在干空气中的含量为0.0314%（体积）。
氧气的分压为
0.9813105 20.95% 0.2056105 Pa
[G(O2) ] KH PG 1.26108 0.2056105 2.590104 mol / L
[G(O2) ] 2.590104 32 8.289mg / L

=1.03×10-3 pH = 2.99
铁体系的pe-pH图 铁体系的pe-pH图 pe
(s)与 (s)的边界 （5）Fe(OH)2(s)与Fe(OH)3(s)的边界
Fe(OH)3(s)+ 3H+ = Fe3+ + 3H2O K1 Fe(OH)2(s)+ 2H+ = Fe2+ + 2H2O K2 K1 = 9.1×103; K2 = 8.0×1012 pe = 13.05 - lg[Fe2+]/[Fe3+] = 13.05 - lgK2[H+]2 / K1[H+]3 pe = 4.1 - pH
问题: 问题: 近年来，水化学中为何不用E而常用 pe表示氧化还原电位？
解释
(a) pe有明确的物理意义, pe= -lg[e]表示电子 的相对活度。
(b) pe每变化一个单位，[Red]/[Ox]变化10倍 便于比较。 (n=1时) (c) pe把数据拉开了便于比较。
Pe与△G 的关系 与
标准态： △G0=-nFE0 △G0=-2.303nRTpe0 任意态： △G=-nFE △G=-2.303nRTpe （ E0=2.303RT/F · pe0 E=2.303RT/F · pe）
问题：
水中主要还原剂为？ 主要氧化剂为？
天然水体的pe 天然水体的pe
水中物质存在的形态
还原态 CH4 H2S Fe2+ S NH4+ NO2- ,有机物等； 氧化态 CO2 Fe(OH)3 SO42- O2 NO3- 等；
天然水体的pe 天然水体的pe
(一)决定电位
若某个单体系的含量比其它体系高得多，则此 时该单体系电位几乎等于混合复杂体系的pe, 称决定电位。 一般情况下，天然水中溶解氧 溶解氧是决定电位，有 溶解氧 机物积累的厌氧环境中，有机物 有机物是决定电位。 有机物

水环境可根据其范围的大小分为区域水环境（如流域水环境、城市 水环境等）、全球水环境。对某个特定的地区而言，该区域内的各 种水体如湖泊、水库、河流和地下水等是该水环境的重要组成部分 ，因此，水环境又可分为地表水环境和地下水环境。地表水环境包 括河流、湖泊、水库、池塘、沼泽等；地下水环境包括泉水、浅层 地下水和深层地下水等。
图 水环境体系（水体）
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水环境化学是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制 、迁移转化和归趋的规律及其化学行为对生态环境的影响。水环 境化学是环境化学的重要组成部分，为水污染控制和水资源的保 护提供了科学依据。
水环境化学研究的领域包括河口、海洋、河流、湖泊等。
研究的特点是： （1）体系非常复杂 离子、分子、胶体微粒 （2）界面现象突出、重要 重金属、有机物附着在胶体微粒面
海湾 海
大洋 海洋沉积物间隙水
DP Dg K
P 0
水循环 Water cycle
1.水的自然循环： 特点：①由降雨量自然循环的大致尺度
②水的性质基本不变 2.水的社会循环 特点：①工业与生活污水的产生与排放是主
要的污染源 ②水的性质不断变化
水资源的主要问题
●我国水资源人均和亩均水量少； ●水资源在地区分布上很不均匀，水土资源 组合不平衡 ●水量年内及年际变化大，水旱灾害频繁 ●水土流失严重，许多河流含沙量大； ●我国水资源开发利用各地很不均衡
第三章 水环境化学 Aquatic chemistry
知识点：认识天然水的基本特征和污染物的分布形 态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学 会建立水质模型
重 点：水中污染物的迁移和转化规律 难 点：水质模型的建立
水圈：Hydrosphere 1978年.R.A.Horne

氧的分压为(1.0130-0.03167)×105×0.2095 =0.2056×105 Pa
第十二页，共九十页。
代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔(mó ěr)浓度为：
[O2(aq)]= KH·PO2=1.26×10-8×0.2056×105 =2.6×10-4 mol/L
氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32 mg/L。
第三章 水环境 化学 (huánjìng)
第一节 天然水的根本特征及污染物的存在形态(xíngtài)
第二节 水中无机污染物的迁移转化 第三节 水中有机污染物的迁移转化
第一页，共九十页。
内容提要： 本章主要介绍天然水的根本特征，水中重要污染物存在形态及分布， 污染物在水环境中的迁移转化(zhuǎnhuà)的根本原理。
第二十三页，共九十页。
❖❖[图CO中3的2p-]H可=以8.3忽可略以不作计为，一水个分中界只点有，[CpOH2<〔8.a3q，〕很]、小[，H22CO3]、
❖[HCO3-]，可以只考虑一级电离平衡(pínghéng)，即此时：
❖
❖❖❖当溶所液以的ppHH>=8p[.3KH时1-]，lg[[KHH122[CC[HHOO23C3C**]OO3]+3可*]l]g以[H忽C略O不3-计]。，水中只存在
P↑↓R
C 1 0 6H 2 6 3 O 1 1 0N 1 6P 1 3 8 O 2
第十七页，共九十页。
〔二〕天然水的性质(xìngzhì)
1、碳酸平衡〔重点〕
对于CO2-H2O系统，水体中存在着CO2〔aq〕、H2CO3、HCO3-和CO32-等 四种化合态，常把CO2(aq)和H2CO3合并为H2CO3*，实际上H2CO3含量 (hánliàng)极低，主要是溶解性气体CO2(aq)。

一、名词解释 1、水环境化学：研究化学物质在水环境中的存在(包括浓度、形态和分布)、行为(包括迁移、 转化和归宿)、效应(环境效应和生态效应)及其控制原理和方法的学科。 2、介电常数：是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。 3、水分循环：地球上的水连续不断地变换地理位置和物理形态的运动过程。 4、岩石的化学风化：岩石圈深部高温、高压、缺氧、缺水、缺 CO2 条件形成的火成岩， 进入地表在低温、低压、有氧、水, CO2 、生物有机体条件下失去平衡被破坏分解的过程。 5、水合作用：水分子通过渗透等作用结合到矿物质晶格中，形成不同数量水分子的晶体。 6、氧化作用：含有还原性元素的岩石、矿物，在与空气接触过程中，被氧化形成可溶性盐。 7、水解作用：岩石中矿物质在水和 CO2 共同作用下，发生水解反应形成可溶性盐。 8、同成分溶解反应：比较典型的同成分溶解反应有 CaCO3 在碳酸体系中的溶解反应。 9、复氧作用：空气中氧溶入天然水进行补充或水中氧逸出。 10、生化需氧量 BOD：在水温为 20℃的条件下，由于微生物(主要是细菌)的生活活动，将 有机物氧化成无机物所消耗的溶解氧量，称为生物化学需氧量或生化需氧量。 11、总需氧量 TOD:Total Oxygen Demand 在 900℃高温下，以铂作催化剂，使水样氧化燃 烧， 用吸收剂吸收测定气体载体氧的减少量， 作为有机物完全氧化所需的氧量称为总需氧量。 12、总有机碳 TOC:Total Oxygen Carbon：在 900℃高温下，以铂作催化剂，使水样氧化燃 烧，测定气体中 CO2 的增量，从而确定水样中总的含碳量，表示水样中有机物总量的综合 指标。 13、溶解氧（Dissolved Oxygen ） ：是指溶解在水中的分子氧。主要来源于大气复氧及水生 藻类等的光合作用。 14、水体污染：由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和 水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现 象称为水体污染。 15、水体自净：指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降 低，经一段时间后恢复到受污染前状态的过程。 16、物理自净：污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和溶 解性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。 17、化学自净：污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化。 18、生物自净：在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻或消失. 19、富营养化：是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、 河 口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化， 鱼类及其它生物大量死亡的现象。 20、 有毒污染物质： 是指进入生物体后累积到一定数量能使体液和组织发生生化和生理功能 的变化，引起暂时或特久的病理状态，甚至危及生命的物质。 21、 优先污染物： 指在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污 染物，亦称优先控制污染物。 22、控制断面：是为了解特定河段水质污染状况而设置的采样断面。一般设在污水与河水充 分混合后的下游。 23、 自净断面： 指河水与污水混合流经一定距离, 由于河流自净作用使污染物浓度逐渐降低, 水质状况达到基本稳定的断面。自净断面应设在某河段最后一个排污口以下相当距离处。 24、综合模拟方法：将水环境当作多组分多相体系进行热力学平衡计算。这种计算会涉及大 量的同时达到化学平衡的关系式，需要考虑的联立方程很多，有时甚至数化学反应动力学：是研究反应进行的条件 ---温度、压力、浓度、介质以及催化剂等对 化学反应过程的影响， 以揭示化学反应的历程和所研究物质的结构与它们反应能力之间的关 系。 26、化学迁移动力学：主要研究化合物通过水 /气、水 /固、水 /生物、气 / 土、气 /生物、水 / 生物界面的运动，其运动的过程和速度受控于化合物自身的性质（蒸汽压、溶解度、辛醇水分配系数等） 。根据化合物的性质，可以预测化合物在环境各相之间的迁移。 27、酸碱电离理论（阿氏水离子论） ：在水溶液中解离时所生成的正离子全部是 H+的化合 物是酸；所生成的负离子全部是 OHˉ的化合物是碱。 28、Lewis 酸碱电子理论： 凡是可以接受电子对的物质称为酸， 凡是可以给出电子对的物质称为碱。 29、酸碱质子理论：凡是能给出质子任何的分子或离子都称为布郎斯特酸. 30、共轭酸碱对：酸与对应的碱的通过质子传递而相互依存、相互转化的关系称为酸碱共轭 关系。 酸失去质子后形成的碱被称为该酸的共轭碱； 碱结合质子后形成的酸被称为该碱的共 轭酸。共轭酸与它的共轭碱一起称为共轭酸碱对。 31、拉平效应：溶剂使物质的相对酸碱性区分不出来的作用，称为溶剂的拉平效应。该溶剂 称为拉平溶剂。 32、区分效应：溶剂能使物质的相对酸碱性区分出来的作用，称为溶剂的区分效应。该溶剂 称为区分溶剂。 33、酸度和碱度：酸度：给出质子物质的总量 碱度：接受质子物质的总量 34、水的碱度：指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受 H+的物质总量。 苛性碱度：当滴定到 CT= [CO32-], 这时, 所有的 OH - 被 H+中和, 称为苛性碱度。 酚酞碱度： 当继续滴定到 CT = [HCO3-], 这时, 所有的 CO32-也都被 H+中和, 因此称为 碳酸盐碱度。 总碱度（甲基橙碱度） ： 当继续滴定到 CT,CO3 = [H2CO3*], 这时, 所有的 HCO3-也都 被 H+中和，至此，所有对碱度有贡献的物种都被 H+中和，因此称为总碱度。 35、酸度：能与强碱发生中和作用的全部物质，包括强酸、弱酸、强酸弱碱盐。 无机酸度：以甲基橙做指示剂，消耗的碱量。 酚酞酸度：以酚酞做指示剂，消耗的碱量。 CO2 酸度：酚酞酸度减去无机酸度。 总酸度：当用标准碱溶液进行中和滴定到 pH=10.8 时，所消耗的酸量。 36、缓冲溶液：能够抵抗外加少量酸、碱或稀释，而本身 pH 值不发生显著变化的作用称缓 冲作用。具有缓冲作用的溶液叫缓冲溶液。 37、氧化还原反应 ： 一种物质被氧化，另一种物质被还原的反应。 失去电子的反应就是氧化反应 得到电子的反应就是还原反应 38、标准电极电位：指在 25 ℃、有关物种活度都为 1 时的电极电位。 39、电子活度 40、决定电位：若某个单体系的含量比其它体系高得多，则此时该单体系电位几乎等于混合 复杂体系的 pE，该电位称之为“决定电位” 。 41、折点氯化：把加氯量超过折点的氯化称为“折点氯化” 。 42、固氮：分子氮被固定为有机氮。 硝化：氨被氧化为硝酸盐； 硝酸盐的还原：硝酸盐被还原为氧化价态较低的氮化合物； 反硝化：硝酸盐或亚硝酸盐被还原为 N2。