《水环境化学》重点习题及参考答案
1．请推导出封闭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：
（1）封闭体系（溶解性CO2与大气没有交换）中存在下列平衡
CO2 + H2O H2CO3* HCO3-
H2CO3* pK0=1.46 HCO3- + H+ pK1=6.35 CO32- + H+ pK2=10.33
其中 K1=[HCO3-][H+] / [H2CO3*] ，K2=[CO32-][H+] / [HCO3-]
用α0、α1和α2分别表示三种碳酸化合态在总量中所占比例，得下面表达式
α0= [H2CO3*]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]} α1= [HCO3-]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]} α2= [CO32- ]/{[H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]} 把K1、K2的表达式代入以上三式，得
α0= (1 + K1/[H+] + K1K2/[H+]2)-1 α1= (1 + [H+]/ K1 + K2/ [H+] )-1 α2= (1 + [H+]2/ K1K2 + [H+]/ K2)-1 设CT = [H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]，则有
[H2CO3*] = CT(1 + K1/[H+] + K1K2/[H+]2)-1 [HCO3-] = CT(1 + [H+]/ K1 + K2/ [H+] )-1 [CO32- ] = CT(1 + [H+]2/ K1K2 + [H+]/ K2)-1
（2）开放体系中CO2在气相和液相之间平衡，各种碳酸盐化合态的平衡浓度可表示为PCO2和pH的函数。
依亨利定律：[CO2(aq)]＝KH·PCO2 溶液中，碳酸化合态相应为：
CT = [CO2]/ α0= KH·PCO2/ α0
[HCO3-]= (α1/ α0 )KH·PCO2= (K1/[H+])KH·PCO2 [CO32-]= (α2/ α0 ) KH·PCO2= (K1K2/[H+]2)KH·PCO2
（3）比较封闭体系和开放体系可发现，在封闭体系中，[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]等可随pH值变化，但总的碳酸量CT始终不变。而对于开放体系CT、[HCO3-]、[CO32-]均随pH值改变而变化，但[H2CO3*]总保持与大气相平衡的固定数值。
2．在一个pH为6.5、碱度为1.6mmol/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，又需加入多少碱?
解：总碱度＝KW/ [H+] + CT(α1 + 2α2) - [H+]
1{[总碱度] + [H+] - [OH-]}
?1?2?21令α＝
?1?2?2CT＝
当pH在5～9范围内、[碱度]≥10-3mol/L时, [H+]、[OH-]项可以忽略不计,得到简化式：CT＝α[碱度]
当pH＝6.5时，查教材P110表得α1＝0.5845，α2＝8.669×10-5，则α＝1.71，CT ＝α[碱度]＝1.71×1.6＝2.736mmol/L
若加入碳酸钠将水的pH升至8.0，查表得α′＝1.018，此时CT值与碱度值均有变化。设加入的碳酸钠量为Δ[CO32-]，则有
CT + Δ[CO32-]＝α′｛[碱度] + 2Δ[CO32-]｝ 即2.736 + Δ[CO32-]＝1.018｛1.6 + 2Δ[CO32-]｝
解得，Δ[CO32-]＝1.069 mmol/L
若加入氢氧化钠将水的pH升至8.0，其CT值并不变化，可得：
[碱度] ＝CT/ α′＝2.736/1.018＝2.688 mmol/L 碱度增加值就是应加入的氢氧化钠强碱量：
Δ[OH-]＝2.688－1.6＝1.088 mmol/L
3．什么是表面吸附作用、离子交换吸附作用和专属吸附作用？并说明水合氧化物对金属离子的专属吸附和非专属吸附的区别。
（1）表面吸附：由于胶体表面具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用。胶体表面积越大，吸附作用越强。
（2）离子交换吸附：环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子。胶
体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，这种作用称为离子交换吸附作用，属于物理化学吸附。该反应是可逆反应，不受温度影响，交换能力与溶质的性质、浓度和吸附剂的性质有关。
（3）专属吸附：指在吸附过程中，除了化学键作用外，尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用。该作用不但可以使表面点荷改变符号，还可以使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。
（4）水合氧化物对金属离子的专属吸附与非金属吸附的区别如下表所示。
项目 发生吸附的表面净电荷的符号 金属离子所起的作用 吸附时所发生的反应 发生吸附时要求体系的pH值 吸附发生的位置 对表面电荷的影响 动力学可逆性 专属吸附 -、0、+ 配位离子 配位体交换 任意值 内层 负电荷减少，正电荷增加 不可逆慢过程 非专属吸附 - 反离子 阳离子交换 ＞零电位点 扩散层 无 快速可逆 4．已知Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下：
Fe3+ + H2OFe3+ + 2H2OFe(OH)3(s) Fe3+ + 4H2O2Fe3+ + 2H2O
Fe(OH)2+ + H+ Fe(OH)2+ + 2H+ Fe3+ + 3OH-
lgK1＝ - 2.16 lgK2＝ - 6.74 lgKso＝ - 38 lgK4＝ - 23 lgK＝ - 2.91
Fe(OH)4- + 4H+ Fe2(OH)24+ + 2H+
请用pc-pH图表示Fe(OH)3(s)在纯水中的溶解度与pH的关系。 解：
（1）K1＝[Fe(OH)2+][H+]/ [Fe3+]＝[Fe(OH)2+]KW3/Kso[H+]2
p[Fe(OH)2+]＝3 lgKW - lgKso + 2 pH - lgK1＝2 pH - 1.84 （2）K2＝[Fe(OH)2+][H+]2/ [Fe3+]＝[Fe(OH)2+]KW3/Kso[H+]
p[Fe(OH)2+]＝3 lgKW - lgKso + pH - lgK2＝pH + 2.74 （3）Kso＝[Fe3+][OH-]3＝[Fe3+]KW3/[H+]3
p[Fe3+]＝3 lgKW - lgKso + 3 pH＝3 pH - 4
水环境化学参考答案
