《环境化学原理》课件

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1、第二节天然水中的化学平衡一、酸碱平衡（一）碳酸平衡水体中CO2的存在是非常重要的：（1）调节天然水的pH和组成；（2）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；（3）提供水生生物碳营养。■水中碳酸平衡关系水体碳酸物质存在着4种化合态(形态)：CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-实际上，天然水体中H2CO3含量极低，主要是溶解性的CO2，因此常把水中的CO2和H2CO3合并为H2CO3*。水中H2*CO3（CO2）—HCO3-—CO32-体系可用下面的反应和平衡常数(25℃)表示：CO2(aq)+H2OH2CO3pK0=1.4

2、6H2CO3*HCO3-+H+pKa1=6.35HCO3-CO32-+H+pKa2=10.33在水体碳酸盐平衡体系中，H2CO3*、HCO3-、CO32-三种形态浓度比率、和分别可表达为：=[H2CO3*]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}其中：++=1,即100%若用cT表示水中碳酸物质总量，则有[H2CO3*]=cT[HCO3-]=cT[CO32-]=cT封闭体系的碳酸平衡（视H2CO3为非

3、挥发酸，且不受大气中CO2含量的影响）24681012020406080100CO2+H2CO3HCO3-CO32-pH图3-2碳酸形态分布图pH=6.35=pKa1pH=10.33=pKa2pH=1/2(pKa1+pKa2)=8.34作为开放体系[CO2(aq)]=KH·溶液中，碳酸形态总量相应为：[H2CO3*]=[CO2(aq)]=cT0pKa2pKa1pKa0H+H2CO3*CTCO32-OH-HCO3-真实H2CO3pHlgc-1-2-3-4-5-6-7-84567891011图3-3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：

4、（1）0+1+2=1（2）封闭体系：[H2CO3*]、[HCO3-]和[CO32-]等随pH值变化而改变，但碳酸物质总量cT始终保持不变；（3）开放体系：[HCO3-]、[CO32-]和cT均随pH值的改变而变化，但[H2CO3*]总是保持与大气相平衡的固定值。（二）天然水的碱度和酸度碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和反应的全部物质，即能接受质子H+的物质总量，这里指的碱度即水体的总碱度。酸度(Acidity)是指水中能与强碱发生中和反应的全部物质，即放出H+或经水解能产生H+的物质的总量，这里指的酸度即水体的总酸度。定义或计算

5、水体的总碱度和总酸度的意义：（1）水环境化学中涉及的许多计算都与酸碱度有关；（2）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。如沉水植物白天的光合作用要消耗水体的CO2，而水体中的CO2通常以HCO3-形式存在，植物吸收了HCO3-，必然要释放出OH-，使水体pH上升，而晚间植物的呼吸作用会造成水体的酸度升高，pH降低。■天然水体碱化过程(1)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

6、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碱度定义式：总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]■总碱度的测定总碱度为加强酸中和水中OH-，并使其中HCO3-和CO32-全部转化为CO2所需的总酸量。在实际中，加入的酸量与相应的重点有关。如用甲基橙为指标剂判断终点（pH约4.3），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有碱性物质，故甲基橙碱度实际上就是总碱度。其化学反应的计量关系式如下：H++OH-H2O2H++CO32-H2CO3H++HCO3-

7、H2CO3即：甲基橙碱度=总碱度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]酚酞碱度如果滴定碱性物质时是以酚酞作为指示剂，当溶液的pH值降到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，而这时HCO3-不被中和，这时所得碱度称为酚酞碱度：酚酞碱度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]荷性碱度中和水中OH-，滴定达到终点时CO32-并未反应，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：苛性碱度=[OH-]-[

8、HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+](苛性碱度=2酚酞碱度-总碱度)同样也可根据溶液质子