天然水中的化学平衡课件.pptx
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- 天然 水中 化学平衡 课件
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1、天然水中的化学平衡一一、酸碱平衡、酸碱平衡 (一)碳酸平衡(一)碳酸平衡 水体中水体中CO2的存在是非常重要的:的存在是非常重要的: (1)调节天然水的)调节天然水的pH和组成;和组成; (2)水体中的许多物质可以通过碳酸)水体中的许多物质可以通过碳酸盐的沉淀反应变为沉积物而从水中除去;盐的沉淀反应变为沉积物而从水中除去; (3)提供水生生物碳营养。)提供水生生物碳营养。 水中碳酸平衡关系水中碳酸平衡关系水体碳酸物质存在着水体碳酸物质存在着4种化合态种化合态(形态形态): CO2、H2CO3、HCO3-和和CO32- 实际上实际上,天然水体中天然水体中H2CO3含量极低含量极低,主要是溶解性的
2、主要是溶解性的CO2,因此常因此常把水中的把水中的CO2和和H2CO3合并为合并为H2CO3*。 水中水中H2*CO3(CO2)HCO3-CO32-体系可用下面的反应和平衡常体系可用下面的反应和平衡常数数(25)表示:表示: CO2(aq) + H2O H2CO3 pK0 = 1.46 H2CO3* HCO3- + H+ pKa1 = 6.35 HCO3- CO32- + H+ pKa2 = 10.33 在水体碳酸盐平衡体系中,在水体碳酸盐平衡体系中,H2CO3*、HCO3-、CO32-三种形态浓度比率三种形态浓度比率 、 和和 分别可表达为:分别可表达为: = H2CO3* /H2CO3*
3、+HCO3- +CO32- = HCO3-/H2CO3* +HCO3- +CO32- = CO32-/H2CO3* +HCO3- +CO32-其中:其中: + + = 1 , 即即 100%012012012012若用若用cT表示水中碳酸物质总量,则有表示水中碳酸物质总量,则有 H2CO3* = cT HCO3- = cT CO32- = cT 122110)HH1 (aaaKKK1211)HH1 (aaKK122122)HH1 (aaaKKK封闭体系的碳酸平衡封闭体系的碳酸平衡(视视H2CO3为非挥发酸,且为非挥发酸,且不受大气中不受大气中CO2含量的影响含量的影响)246810120204
4、06080100CO2+H2CO3HCO3-CO32-pH图图3-2 碳酸形态分布图碳酸形态分布图012pH=6.35=pKa1pH=10.33=pKa2pH=1/2(pKa1+pKa2)=8.34作为作为开放体系开放体系CO2(aq)=KH 溶液中,碳酸形态总量相应为:溶液中,碳酸形态总量相应为: H2CO3* = CO2(aq) = cT 0 2COp2COH002T1/ (aq)COpKc22COH1COH011T3HHCOpKKpKca22COH221H022T23HCOpKKKpKcaaCOpKa2pKa1pKa0H+H2CO3*CTCO32-OH-HCO3-真实真实H2CO3pHl
5、gc-1-2-3-4-5-6-7-84567891011图图3-3 开放体系的碳酸平衡开放体系的碳酸平衡开放体系的碳酸平衡开放体系的碳酸平衡碳酸形态平衡的特点:碳酸形态平衡的特点: (1) 0 0 + + 1 1 + + 2 2 = 1 = 1 (2)封闭体系:)封闭体系:H2CO3*、HCO3-和和CO32-等随等随pH值变化而改变,但碳酸物质总值变化而改变,但碳酸物质总量量cT始终保持不变;始终保持不变; (3)开放体系:)开放体系:HCO3-、CO32-和和cT均随均随pH值的改变而变化,但值的改变而变化,但H2CO3*总是保持与总是保持与大气相平衡的固定值。大气相平衡的固定值。(二)天
6、然水的碱度和酸度(二)天然水的碱度和酸度 碱度碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸是指水中能与强酸发生中和反应的全部物质,即能接受质发生中和反应的全部物质,即能接受质子子H+的物质总量,这里指的碱度即水体的物质总量,这里指的碱度即水体的总碱度。的总碱度。 酸度酸度(Acidity)是指水中能与强碱发是指水中能与强碱发生中和反应的全部物质生中和反应的全部物质,即放出即放出H+或经或经水解能产生水解能产生H+的物质的总量,这里指的的物质的总量,这里指的酸度即水体的总酸度。酸度即水体的总酸度。 定义或计算水体的总碱度和总酸度的意义:定义或计算水体的总碱度和总酸度的意义: (1)水环境化学中涉
7、及的许多计算都与酸)水环境化学中涉及的许多计算都与酸碱度有关;碱度有关; (2)水体中的一些生物化学反应的最终结)水体中的一些生物化学反应的最终结果是与水体的酸碱度联系在一起的。果是与水体的酸碱度联系在一起的。 如沉水植物白天的光合作用要消耗水体的如沉水植物白天的光合作用要消耗水体的CO2,而水体中的,而水体中的CO2通常以通常以HCO3-形式存在,形式存在,植物吸收了植物吸收了HCO3-,必然要释放出,必然要释放出OH-,使水体,使水体pH上升,而晚间植物的呼吸作用会造成水体上升,而晚间植物的呼吸作用会造成水体的酸度升高,的酸度升高,pH降低。降低。 天然水体碱化过程天然水体碱化过程 (1)
8、 水体中水生生物快速生长,破坏了水体中碳酸氢盐的水解平衡(光合作用), 水中氢氧根离子增加,pH提高,总碱度也随之增加; (2)湖库底质盐碱土和草甸土的碳酸氢盐以及碳酸盐的平衡释放也使水体的碳酸氢盐得到外源补充。周而复始使水体的碳酸盐碱度和总碱度不断增加,pH也逐步增高。 用溶液质子平衡条件表示的总用溶液质子平衡条件表示的总碱度定义式:碱度定义式:总碱度总碱度 = HCO3-+2CO32-+OH-H+ 总碱度的测定总碱度的测定 总碱度为加强酸中和水中总碱度为加强酸中和水中OH-,并使其中,并使其中HCO3-和和CO32-全部转化为全部转化为CO2所需的总酸量。所需的总酸量。 在实际中,加入的酸
9、量与相应的重点有关。在实际中,加入的酸量与相应的重点有关。 如用如用甲基橙甲基橙为指标剂判断终点(为指标剂判断终点(pH约约4.3),),此时所得的结果称为甲基橙碱度。此时所得的结果称为甲基橙碱度。 由于甲基橙碱度包含总碱度所定义的所由于甲基橙碱度包含总碱度所定义的所有碱性物质,故有碱性物质,故甲基橙碱度实际上就是总甲基橙碱度实际上就是总碱度碱度。其化学反应的计量关系式如下:。其化学反应的计量关系式如下: H+ + OH- H2O 2H+ + CO32- H2CO3 H+ + HCO3- H2CO3 即:甲基橙碱度即:甲基橙碱度=总碱度总碱度 = HCO3-+2CO32-+OH-H+酚酞碱度酚
10、酞碱度 如果滴定碱性物质时是以酚酞作为指示如果滴定碱性物质时是以酚酞作为指示剂,当溶液的剂,当溶液的pH值降到值降到8.3时,表示时,表示OH-被中被中和,和,CO32-全部转化为全部转化为HCO3-,而这时,而这时HCO3-不不被中和,这时所得碱度称为酚酞碱度:被中和,这时所得碱度称为酚酞碱度: 酚酞碱度酚酞碱度 = CO32-+OH-H2CO3*-H+ 荷性碱度荷性碱度 中和水中中和水中OH-,滴定达到终点时,滴定达到终点时CO32-并未并未反应,这时水中碱度称为苛性碱度。反应,这时水中碱度称为苛性碱度。 因为无合适指示剂判断终点,所以苛性碱度不因为无合适指示剂判断终点,所以苛性碱度不易直
11、接测得。若已知总碱度和酚酞碱度,就可用计易直接测得。若已知总碱度和酚酞碱度,就可用计算方法确定苛性碱度。苛性碱度表达式为:算方法确定苛性碱度。苛性碱度表达式为: 苛性碱度苛性碱度 = OH-HCO3-2H2CO3*-H+ (苛性碱度苛性碱度 = 2 酚酞碱度酚酞碱度- 总碱度总碱度) 同样也可根据溶液质子平衡条件,得到同样也可根据溶液质子平衡条件,得到酸酸度的表达式度的表达式: 总酸度总酸度 = H+HCO3-+2H2CO3*-OH- (测定终点:测定终点:pH10.8) CO2酸度酸度 = H+H2CO3*-CO32-OH- (测定终点:测定终点: pH8.3,酚酞作指示剂,酚酞作指示剂)
12、无机酸度无机酸度 = H+-HCO3-2CO32-OH- (测定终点:测定终点: pH4.3,甲基橙作指示剂,甲基橙作指示剂) 总酸度总酸度 = 2 CO2酸度酸度 - 无机酸度无机酸度 水体酸碱度与水体酸碱度与cT的关系的关系 用用总碳酸量(总碳酸量(cT)和相应的和相应的形态分布系形态分布系数数来表示水体酸碱度,则有:来表示水体酸碱度,则有:总碱度总碱度 = cT( 1+2 2) + Kw/H+ - H+ 酚酞碱度酚酞碱度 = cT(2 2 - 0) + Kw/H+ - H+苛性碱度苛性碱度 = -cT( 1+2 0) + Kw/H+ - H+总酸度总酸度 = cT( 1+2 0) + H
13、+ - Kw/H+ CO2酸度酸度 = cT( 0- 2) + H+ - Kw/H+ 无机酸度无机酸度 = -cT( 1+2 2) + H+ - Kw/H+ 例例1:某水体的:某水体的pH为为8.00,总碱度为,总碱度为1.00 10-3 mol/L时,计算上述各种形态物质的浓时,计算上述各种形态物质的浓度。度。 解:解: 总碱度总碱度 = HCO3-+2CO32-+OH-H+ 当当pH=8.00时,时,CO32-的浓度与的浓度与HCO3-浓度浓度相比可以忽略相比可以忽略,而此时,而此时OH-=1.0010-6 mol/L,故,故碱度全部由碱度全部由HCO3-贡献。贡献。 所以所以 HCO3-
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