水环境化学习题解答戴树桂.ppt
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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。2023/5/241(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CO2HCO32-、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、H
2、CO32-、CO32-均随pH而变化。2023/5/2422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-+2H2CO3OH-=CT(1+20)+H+Kw/H+CO2酸度H+H2CO3CO3-2OH-=CT(02)+H+Kw/H+无机酸度H+HCO3-2CO3-2OH-=CT(1+22)+H+Kw/H+总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+=CT(1+22)+Kw/H+H+酚酞碱度OH-+CO3-2H2CO3H+=CT(20)+Kw/H+H+苛性碱度=OH-HCO3-2H2CO3H+=CT(120)+Kw/H+
3、H+2023/5/2433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-+2H2CO3OH-而HCO3-增加,显然总酸度增加。(2)总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+,而HCO3-增加,显然总碱度增加。(3)无机酸度H+HCO3-2CO3-2OH-,而HCO3-增加,显然无机酸度减少。(4)酚酞碱度OH-+CO3-2H2CO3H+酚酞碱度与HCO3-无关,HCO3-增加,显然酚酞碱度不变。(5)CO2酸度H+H2CO3CO3-2OH-CO2酸度即酚酞酸度与H
4、CO3-无关,HCO3-增加,显然CO2酸度不变。2023/5/2444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,又需加多少碱?解:总碱度HCO3-+2CO3-2+OH-H+CT(1+22)+Kw/H+H+在pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中,总碱度计算可忽略OH-和H+两项。所以:总碱度HCO3-+2CO3-2=CT(1+22)2023/5/245查表33(P.110):pH=6.5时,=1.710所以:CT=1.7101.6=2.736(mmol/L)设加入Bm
5、mol/L的Na2CO3使pH=8.0,此时,=1.018CT+B=1.0181.6+2B1.036B=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CT2.7361.018=2.688(mmol/L)碱度的增加值即为NaOH加入量:2.6881.6=1.088(mmol/L)2023/5/2465具有2.010-3mol/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-1.010-7mol/L查表33:=1.2240=0.18341=0.81622=3.8110-4;C
6、T=碱度=1.2242.010-3=2.44810-3(mol/L)H2CO3=0CT=0.13482.44810-3(mol/L)=4.510-4(mol/L)HCO3-=1CT=0.81622.44810-3(mol/L)=2.010-3(mol/L)CO32-=2CT=3.8110-42.44810-3(mol/L)=9.310-7(mol/L)2023/5/2476若有水,pH为7.5,其碱度为6.38mmol/L,水的pH为9.0,碱度为0.80mmol/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:=1.0690=0.066261=0.93242=1.38
7、10-3;CA=碱度=1.0696.38=6.82(mmol/L)pH为9.0:=0.95920=0.0021421=0.95322=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)2023/5/2487溶解1.010-4mol/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,假定该溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)
8、2+。请计算平衡时该溶液中Fe3+、Fe(OH)2+、Fe(OH)2+和pH值。解:Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+2023/5/249Fe3+9.1103H+3,分别代入:C=Fe3+Fe(OH)2+Fe(OH)2+=9.1103H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+=1.010-4(mol/L)H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+=1.110-8按牛顿法求解:f(x)=H+3+8.910-4H+2+4.910-7H+1.110-8f(x)=3H+2+1.7810-3H+4.910-7H
9、+3、8.910-4H+2、4.910-7H+分别等于1.110-8求出近似值:2023/5/2410H+3=1.110-8可求得:H+=2.210-38.910-4H+2=1.110-8求得:H+=3.510-34.910-7H+=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+8.910-4H+2+4.910-7H+1.110-8=1.0610-8+410-9+1.0810-91.110-8=(1.571.1)10-8=4.710-9f(x)=3H+2+1.7810-3H+4.910-7=1.4510-5+3.
10、9210-6+4.910-7=1.910-5x1=x0f(x0)f(x0)=2.210-34.710-91.910-5=2.210-32.4710-4=1.9510-3所以:H+1.9510-3pH=-log(1.9510-3)=2.712023/5/241113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3.010-3mol/L,溶液中每克悬浮物固体吸附溶质为0.5010-3mol/L,当平衡浓度降至1.010-3mol/L,每克吸附剂吸附溶质为0.2510-3mol/L,问每克吸附剂可以吸附溶质的限量是多少?解:根据Langmuir吸附等温式:两式相减得:代入所以:
11、G0=110-3(molLg)2023/5/241217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H2S0.1mol/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=Fe(OH)2+H+lgk1=2.16Fe3+2H2O=Fe(OH)
12、2+2H+lgk2=6.74Fe(OH)3(s)=Fe3+3OH-lgkso=38Fe3+4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=232Fe3+2H2O=Fe2(OH)24+2H+lgK=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+3OH-KS0=Fe3+OH-3则Fe3+=KS0/OH-32023/5/2413所以:pFe3+=pKS03pOH=38314+3pH=3pH4(2)Fe3+H2O=Fe(OH)2+H+lgk1=2.16k1=Fe(OH)2+H+Fe3+pFe(OH)2+=pk1+pFe3+pH=2.16
13、+3pH4pH=2pH1.84(3)Fe3+2H2O=Fe(OH)2+2H+lgk2=6.74pFe(OH)2+=pk2+pFe3+2pH=6.74+3pH42pH=pH+2.74(4)Fe3+4H2O=Fe(OH)4-+4H+lgk4=23pFe(OH)4-=pk4+pFe3+4pH=23+3pH44pH=19pH(5)2Fe3+2H2O=Fe2(OH)24+2H+lgK=2.91pFe2(OH)24+=pK+2pFe3+2pH=2.91+6pH82pH=4pH5.092023/5/241419已知:Hg2+2H2O=Hg(OH)20+2H+lgk=6.3,溶液中存在H+、OH-、Hg2+、
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