環(huán)境化學(xué)水環(huán)境化學(xué)第一節(jié)

環(huán)境化學(xué)水環(huán)境化學(xué)第一節(jié)第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

天然水的基本特征及污染物的存在形態(tài)第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、天然水的概況水資源：

地球上水的總量是固定的，約13.86億km3,地球表面約有70%以上被水覆蓋，所以地球有“水的行星”之稱。分布：地球上的水分布在海洋、湖泊、沼澤、河流、冰川、雪地以及大氣、生物體、土壤、和地層。較容易開發(fā)利用的，與人類生活和生產(chǎn)關(guān)系密切的淡水儲(chǔ)量為400多萬km3,僅占淡水的11%，總水量的0.3%。第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、天然水的分布儲(chǔ)存地存水量(kg)水的停留時(shí)間(year)海洋1.39102137600冰2.92101915000地下水8.301018湖泊2.3010176.2大氣1.3010160.028江河1.2510150.0337(=12天)

天然水的儲(chǔ)量約為14281018千克，江河水約占千萬分之九，儲(chǔ)量最小，海洋水占97.3%。第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、天然水的組成（1）化學(xué)成分

A、溶解態(tài)：鹽、有機(jī)物和溶解的氣體

非溶解態(tài)：顆粒物、氣泡

水生生物

B、主要離子（八大離子）：

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-

占天然水總離子的95－99％?？偤}量：

TDS=[Ca2++Mg2++K++Na+]+[Cl-+SO42-+HCO3-]

第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）水中重金屬離子的存在形態(tài)水溶液中金屬離子的表示式常寫成Mn+，預(yù)示著是簡(jiǎn)單的水合金屬陽離子M(H2O)xn+。它可通過化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)，酸－堿、沉淀、配合及氧化－還原等反應(yīng)是它們?cè)谒羞_(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)的過程。第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）氣體在水中的溶解性亨利定律：X(g)X(aq)

氣體在大氣和水之間的分配達(dá)到平衡時(shí)，符合：

[X(aq)]=KH×PG

一種氣體在液體中的溶解度正比于液體所接觸的該種氣體的分壓。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月氧在水中的溶解度與水的溫度、氧在水中的分壓及水中含鹽量有關(guān)。在1.0130×105Pa、25℃飽和水中溶解度為8.32mg/L。

水在25℃時(shí)的蒸氣壓為0.03167×105Pa。而空氣中氧的含量為20.95%，氧的分壓為：pO2=(1.10310–0.03167)×105×0.2095=0.2065×105代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為：[O2(aq)]=KH·pO2=1.26×10-8×0.02065×105=2.6×10-4氧的分子量為32，因此其溶解度為8.32mg/L第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月氧氣溶解度隨著溫度的升高而降低:Lg(C2/C1)=△H/(2.303R)(1/T1-1/T2)當(dāng)溫度從0℃升到35℃時(shí)，氧在水中的溶解度將從14.74mg/L降低到7.03mg/L。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月自學(xué)CO2

的溶解度pCO2=(1.0130-0.03167)×105×3.14×10-4=30.8(Pa)[CO2(aq)]=KH

·pCO2=3.34×10-7×30.8=1.028×10-5mol·L-1CO2在水中離解，則：[H+]=[HCO3-][H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol·L-1[HCO3-]=[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol·L-1pH=5.67故CO2在水中的溶解度應(yīng)為[CO2]＋[HCO3-]=1.24×10-5mol·L-1第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）水生生物

水生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度,其作用有代謝、攝取、存儲(chǔ)和釋放等。自養(yǎng)生物：利用太陽能量和化學(xué)能量，把無機(jī)物引入生命分子中組成生命體。異養(yǎng)生物：利用自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機(jī)物作為能源及合成自身生命的原始物質(zhì)。藻類生成和分解是水體中進(jìn)行光合作用（P）和呼吸作用（R）的一典型過程，可用簡(jiǎn)單化學(xué)計(jì)量關(guān)系來表征：

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+（+痕量元素和能量）

RPC106H263O110N16P+138O2第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月營養(yǎng)元素超標(biāo)：C（BOD=CO2）、N、P、Fe，都有可能成為制限因子；藻類瘋長；藻類尸體分解引起水體溶氧下降；水體發(fā)臭；水生生物死亡；藻毒素。水體富營養(yǎng)化第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月碳的地球化學(xué)循環(huán)：巖石圈?水圈?大氣圈?生物圈（1）碳酸平衡封閉體系(溶解性CO2

與大氣沒有交換)CO2+H2OH2CO3*pK0=1.46H2CO3*HCO3-+H+pK1=6.35HCO3-CO32-+H+pK2=10.33K1=[HCO3-][H+]

/[H2CO3*]；K2=[CO32-][H+]

/[HCO3-]3、天然水的性質(zhì)第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)樵诜忾]體系中，CT恒定

α0=[H2CO3

*]/{[H2CO3

*]+[HCO3-]+[CO32-]}α1=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}α2=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}即得：

α0=(1+K1/[H+]+K1K2/[H+]2)-1α1=(1+[H+]/K1+K2/[H+])-1α2=(1+[H+]2/K1K2+[H+]/K2)-1第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月開放體系

CO2在氣相和液相處于平衡狀態(tài)，各種碳酸鹽化合態(tài)的平衡濃度可表示為pCO2和pH的函數(shù)。

[CO2(aq)]=KH·pCO2CT=[CO2]/α0=KH·pCO2

/α0[HCO3-]=(α1/α0)KH·pCO2

=K1·KH·pCO2

/[H+][CO32-]=(α2/α0)KH·pCO2=K1·K2·

KH·pCO2

/[H+]2

lg[CO2]=Log[1.028×10－5]=-4.988lg[HCO3-]=-11.338+pHlg[CO32-]=-21.668+2pH

第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

比較封閉體系和開放體系可發(fā)現(xiàn)，在封閉體系中，[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]等可隨pH值變化，但總的碳酸量CT始終不變。而對(duì)于開放體系CT

、[HCO3-]、[CO32-]均隨pH值改變而變化，但[H2CO3*]總保持與大氣相平衡的固定數(shù)值。第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）天然水中的堿度和酸度A、堿度(Alkalinity)是指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子的物質(zhì)的總量。組成水中堿度的物質(zhì)可歸納為三類：強(qiáng)堿、弱減、強(qiáng)堿弱酸鹽?？倝A度：用一個(gè)強(qiáng)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用甲基橙為指示劑，當(dāng)溶液由黃色變成橙紅色(pH約4.3)，停止滴定，此時(shí)所得的結(jié)果，也稱為甲基橙堿度。其化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系式如下：

H++OH-H2OH++CO32-HCO3-H++HCO3-H2CO3

總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月酚酞堿度：滴定以酚酞為指示劑，當(dāng)溶液pH值降到8.3

時(shí)，表示OH-被中和，CO32-

全部轉(zhuǎn)化為HCO3-，得到酚酞堿度表達(dá)式：

酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]

苛性堿度：達(dá)到pHCO32-所需酸量時(shí)堿度，但不易測(cè)得。

苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]=2酚酞堿度–總堿度第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月014甲基橙酚酞4.3HCO3-、CO2→H2CO3總堿度/甲基橙堿度

總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]8.3CO32-→HCO3-酚酞堿度酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]12CO32-苛性堿度苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月B、酸度（Acidity)：指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出H+或經(jīng)過水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)總量。組成水中酸度的物質(zhì)可歸納為三類：強(qiáng)酸弱酸和強(qiáng)酸弱堿鹽。無機(jī)酸度：以甲基橙為指示劑滴定到pH=4.3

無機(jī)酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月游離CO2酸度：以酚酞為指示劑滴定到pH=8.3

游離CO2酸度=[H+]+[HCO3-]-[CO32-]-[OH-]總酸度：在pH=10.8處得到，但此時(shí)滴定曲線無明顯突越，難以選擇合適的指示劑，故一般以游離CO2作為酸度主要指標(biāo)。

總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用總碳酸量（cT）和相應(yīng)的分布系數(shù)（α）來表示：總堿度＝cT(α1+2α2)+Kw/[H+]-[H+]酚酞堿度＝cT(α2-α0)+Kw/[H+]-[H+]苛性堿度＝-cT(α1+2α0)+Kw/[H+]-[H+]總酸度＝cT(α1+2α0)+[H+]-Kw/[H+]CO2酸度＝cT(α0-α2)+[H+]-Kw/[H+]無機(jī)酸度＝-cT(α1+2α2)+[H+]-Kw/[H+]第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月需要特別注意的是，在封閉體系中加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，總碳酸量cT不受影響，而加入[CO2]時(shí)，總堿度值并不發(fā)生變化。這里溶液pH值和各碳酸化合態(tài)濃度雖然發(fā)生變化，但它們的代數(shù)綜合值仍保持不變。因此總碳酸量cT和總堿度在一定條件下具有守恒特性。二、水中污染物的分布和存在形態(tài)第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由于金屬不可被微生物降解，所以一旦進(jìn)入土壤環(huán)境，則很難去除。在環(huán)境污染角度，重金屬指對(duì)生物具有顯著毒性的元素，如汞、鎘、鉛、鋅、銅、鈷、鑷、鋇、錫、銻等，從毒性角度通常將砷、鈹、鋰、硒、硼、鋁等也包括在內(nèi)。所以重金屬污染所指的范圍較廣。

重金屬污染的特點(diǎn)：重金屬大多為過渡元素，它們多有變價(jià)，有較高的化學(xué)活性，能參與多種反應(yīng)和過程。常有不同的價(jià)態(tài)、化合態(tài)和結(jié)合態(tài)，形態(tài)不同重金屬的穩(wěn)定性和毒性也不同。

污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、污染隱蔽性、無法被生物降解，并可能通過食物鏈不斷地在生物體內(nèi)富集，甚至可轉(zhuǎn)化為毒害性更大的甲基化合物，對(duì)食物鏈中某些生物產(chǎn)生毒害，或最終在人體內(nèi)蓄積而危害健康。

第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如（1）鋁是人們家用餐具的材料，而鋁離子能穿過血腦屏障而進(jìn)入人的大腦組織，會(huì)引起癡呆等嚴(yán)重后果；（2）銅鉛鋅離子態(tài)的毒性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絡(luò)合態(tài)，而且絡(luò)合物愈穩(wěn)定，其毒性愈低；（3）金屬有機(jī)態(tài)的毒性往往大于無機(jī)態(tài)的毒性。（4）價(jià)態(tài)不同毒性也不同，鉻（VI）的毒性大于鉻（III）。而亞砷酸鹽的毒性比砷酸鹽大60倍。（5）價(jià)態(tài)不同，其絡(luò)合能力及被土壤中腐殖酸固定程度也不同，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的威脅也隨之轉(zhuǎn)變。如鉛（II）的移動(dòng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉛（IV）。

影響金屬離子形態(tài)的土壤因素很多，主要有土壤中腐殖質(zhì)含量、黏土礦物含量、酸性、陽離子交換容量、氧化還原電位、共存陰離子等。第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月重金屬污染事件1、1955-1972年骨痛病事件起因：富山縣位于日本中部地區(qū)，在富饒的富山平原上，流淌著一條名叫“神通川”的河流。多年來，兩岸人民用河水灌溉農(nóng)田，使萬畝稻田飄香。20世紀(jì)初期開始，人們發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的水稻普遍生長不良。1931年又出現(xiàn)了一種怪病，患者大多是婦女，病癥表現(xiàn)為腰、手、腳等關(guān)節(jié)疼痛。病癥持續(xù)幾年后，患者全身各部位會(huì)發(fā)生神經(jīng)痛、骨痛現(xiàn)象，行動(dòng)困難，甚至呼吸都會(huì)帶來難以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折?；颊卟荒苓M(jìn)食，疼痛無比，常常大叫“痛死了！痛死了！”有的人因無法忍受痛苦而自殺。這種病由此得名為“骨癌病”或“痛痛病”第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1946－1960年，日本醫(yī)學(xué)界從事綜合臨床、病理、流行病學(xué)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)的人員經(jīng)過長期研究后發(fā)現(xiàn)，“骨痛病”是由于神通川上游的神岡礦山廢水引起的鎘（Cd）中毒。據(jù)記載，由于工業(yè)的發(fā)展，富山縣神通川上游的神岡礦山從19世紀(jì)80年代成為日本鋁礦、鋅礦的生產(chǎn)基地。神通川流域從1913年開始煉鋅，“骨痛病”正是由于煉鋅廠排放的含鎘廢水污染了周圍的耕地和水源而引起的。第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月鎘是重金屬，是對(duì)人體有害的物質(zhì)。人體中的鎘主要是由于被污染的水、食物、空氣通過消化道與呼吸道攝入體內(nèi)的，大量積蓄就會(huì)造成鎘中毒。神岡的礦產(chǎn)企業(yè)長期將沒有處理的廢水排放注入神通川，致使高濃度的含鎘廢水污染了水源。用這種含鎘的水澆灌農(nóng)田，稻秧生長不良，生產(chǎn)出來的稻米成為“鎘米”

第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月癥狀：腰、手、腳等關(guān)節(jié)疼痛。病癥持續(xù)幾年后，患者全身各部位會(huì)發(fā)生神經(jīng)痛、骨痛現(xiàn)象，行動(dòng)困難，甚至呼吸都會(huì)帶來難以忍受的痛苦?；疾『笃?，患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折。不能進(jìn)食，疼痛無比。第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月重金屬污染事件2、水俁病:甲基汞中毒第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月水俁病癥狀：患者手足協(xié)調(diào)失常，甚至步行困難、運(yùn)動(dòng)障礙、弱智、聽力及言語障礙、肢端麻木、感覺障礙、視野縮??；重者例如神經(jīng)錯(cuò)亂、思覺失調(diào)、痙攣，最后死亡。發(fā)病起三個(gè)月內(nèi)約有半數(shù)重癥者死亡，懷孕婦女亦會(huì)將這種汞中毒帶給胎中幼兒，令幼兒天生弱智。第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月新潟(xì)水俁病

新潟水俁病是自1965年水俁病首次在熊本市獲得正式認(rèn)定的九年后，在阿賀野川流域公布的世界上第二起水俁病事件。這是一起本不應(yīng)該發(fā)生的公害事件,但由于相關(guān)企業(yè)和政府部門的不作為,使得水俁病在新潟再次出現(xiàn)。第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、污染多瑙河事件

2000年1月30日，羅馬尼亞境內(nèi)一處金礦污水沉淀池，因積水暴漲發(fā)生溫漫壩，10多萬升含有大量氰化物、銅和鉛等重金屬的污水沖泄到多瑙河支流蒂薩河，并順流南下，迅速匯入多瑙河向下游擴(kuò)散，造成河魚大量死亡，河水不能飲用。污水流經(jīng)之處，幾乎所有水生生物迅速死亡，河流兩岸的鳥類、野豬、狐貍等陸地動(dòng)物紛紛死亡、植物漸漸枯萎，一些特有的生物物種將滅絕。匈牙利、南斯拉夫等國深受其害，國民經(jīng)濟(jì)和人民生活都遭受一定的影響，嚴(yán)重破壞了多瑙河流域的生態(tài)環(huán)境，并引發(fā)了國際訴訟。

第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、劇毒物污染萊茵河事件1986年11月1日

瑞士巴塞爾市桑多茲化工廠倉庫失火，近30噸劇毒的硫化物、磷化物與含有水銀的化工產(chǎn)品隨滅火劑和水流入萊茵河。順流而下150公里內(nèi)，60多萬條魚被毒死，500公里以內(nèi)河岸兩側(cè)的井水不能飲用，靠近河邊的自來水廠關(guān)閉，啤酒廠停產(chǎn)。有毒物沉積在河底，將使萊茵河因此而“死亡”20年。

5、在我國，上個(gè)世紀(jì)60至70年代，東北的松花江流域地區(qū)，因受沿岸化工廠、煉金廠排水的汞污染，這些汞化合物通過水生食物鏈高度富集在魚體內(nèi)，導(dǎo)致大多數(shù)漁民深受其害，病死漁民體內(nèi)汞含量高，并也出現(xiàn)了幼兒癡呆癥等典型汞中毒的癥狀。

第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月6、最近最典型的莫過相繼發(fā)生于陜西鳳翔和湖南武岡的“血鉛事件”。這兩個(gè)名字對(duì)于大多數(shù)中國人來說相對(duì)陌生的地方，均有千人左右被檢出“血鉛”超標(biāo)，絕大部分是孩子，其中一部分人因?yàn)檠U含量大大超過標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)定為重度鉛中毒。

湖南武岡“血鉛事件”初步調(diào)查的原因是當(dāng)?shù)匾患义i加工廠未經(jīng)環(huán)保評(píng)估，違法生產(chǎn)所致。而鳳翔的原因與之類似，陜西省最大的民營企業(yè)東嶺集團(tuán)在當(dāng)?shù)氐慕饘巽U鋅冶煉和焦化項(xiàng)目是災(zāi)難制造者。第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月重金屬污染事件2005年的廣東北江韶關(guān)段鎘嚴(yán)重超標(biāo)事件2006年的湘江湖南株洲段鎘污染事故2009年的湖南省瀏陽市鎘污染事件2011年云南曲靖鉻渣非法傾倒2012年廣西龍江河的鎘污染

第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、水中