第四章天然水中的化学平衡(酸碱平衡)课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.2,天然水中的酸碱平衡,酸碱反应不存在动力学阻碍，多数反应在瞬间完成，所以仅涉及到平衡问题。,4.2 天然水中的酸碱平衡酸碱反应不存在动力学阻碍，多数,天然水体的,pH,值一般在,6,9,之间，而且对于某一水体，其,pH,几乎保持不变，表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。,在大多数天然水中作为碱存在的主要有,HCO,3,-,和,CO,3,2-,，有时还存在别的低浓度碱，如,PO,4,3-,AsO,4,3-,(,砷酸盐,),B,4,O,7,2-,(,四硼酸根离子,),SiO,3,2-,NH,3,等。,天然水体中最重要的酸性成分是,CO,2,，另外还有一些酸性成分是硼酸、硅酸、,NH,4,+,、多价金属离子等。,4.2.1,天然水,pH,的意义,天然水体的pH值一般在69之间，而且对于某一水体，其pH,pH,是影响重金属赋存形态的重要环境因素,，,H,+,和,/,或,OH,-,离子是众多重金属氧化物、氢氧化物等物质溶解,/,沉淀反应的参与物质，其浓度直接影响了重金属的溶解度及其在液,/,固相中的分配和控制固体的溶解与生成,。,同时，,pH,决定了环境介质表面官能团的质子化过程，这是介质表面电荷变化的主要原因，会间接影响重金属在环境介质界面上的吸附,/,解吸与沉淀,/,溶解平衡。,天然水,pH,的意义,以对重金属环境行为的影响为例,pH是影响重金属赋存形态的重要环境因素，H+和/或OH-离,1,、酸碱质子理论,4.2.2,酸,-,碱体系的特性,在各种酸碱理论中，,Bronsted,和,Lowry,提出的,酸碱质子理论,是最适用于水体化学的一种理论。按这种理论对酸和碱所下的定义是：,酸是一种质子给体,碱是一种质子受体,共轭酸碱体,HCl-Cl,-,H,3,O,+,-H,2,O,1、酸碱质子理论4.2.2 酸-碱体系的特性,2,、酸和碱的强度,4.2.2,酸,-,碱体系的特性,酸电离常数,K,a,、碱电离常数,K,b,对于共轭酸碱,HA/A,-,来说，在,25,时：,2、酸和碱的强度4.2.2 酸-碱体系的特性酸电离常数Ka、,矿物的溶解、缓冲能力、酸碱度、,pH,4.2.3,碳酸平衡,矿物的溶解、缓冲能力、酸碱度、pH4.2.3 碳酸平衡,在水体中存在着,CO,2,、,H,2,CO,3,、,HCO,3,-,和,CO,3,2-,等四种化合态。,常把,CO,2,和,H,2,CO,3,合并为,H,2,CO,3,*,，实际上,H,2,CO,3,含量极低，达到平衡时以,CO,2,(aq),存在形态为主。如在,25,时，,H,2,CO,3,/CO,2,(aq)=10,-2.8,。因此,H,2,CO,3,*,=H,2,CO,3,+CO,2,(aq)CO,2,(aq),在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-等,水体中碳酸的化合态,水体中碳酸的化合态,（,1,）,碳酸平衡,CO,2,+H,2,O H,2,CO,3,*,pK,0,=1.46,H,2,CO,3,*,HCO,3,-,+H,+,pK,1,=6.35,HCO,3,-,CO,3,2-,+H,+,pK,2,=10.33,K,1,=HCO,3,-,H,+,/H,2,CO,3,*,；,K,2,=CO,3,2-,H,+,/HCO,3,-,平衡常数,平衡常数,0,=H,2,CO,3,*,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,1,=HCO,3,-,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,2,=CO,3,2-,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,0,=(1+K,1,/H,+,+K,1,K,2,/H,+,2,),-1,1,=(1+H,+,/K,1,+K,2,/H,+,),-1,2,=(1+H,+,2,/K,1,K,2,+H,+,/K,2,),-1,用,0,、,1,、,2,分别代表,H,2,CO,3,*,-HCO,3,-,-CO,3,2-,三种化合态在碳总量中所占的比例：,用0、1、2分别代表H2CO3*-,CO,2,+H,2,CO,3,HCO,3,-,CO,3,2-,碳酸化合态比例分布图,形态分布图基本特征（重要交界点）,pH=pK,1,=6.35,，,0,=,1,=0.5,pH=1/2(pK,1,+pK,2,)=8.34,，,0,=,2,=0.01,pH=pK,2,=10.33,，,1,=,2,=0.5,pH,比例,(%),CO2+H2CO3HCO3-CO32-碳酸化合态比例分布,三个待求的未知量：,H,2,CO,3,*,、,HCO,3,-,、,CO,3,2-,两个化学平衡关系：,K,1,、,K,2,要确定各形态碳的含量，还差一个条件！,（,2,）体系碳酸平衡计算,一个已知的变量：,H,+,(pH),三个待求的未知量：两个化学平衡关系：要确定各形态碳的含量，,根据气体交换动力学，,CO,2,在气液界面的平衡时间需数日。,1,）若所考虑的溶液反应在数小时之内完成，就可应用,封闭体系,C,T,不变,的模式进行计算。,2,）如果所研究的过程是长时期的，例如一年期间的水质组成，则认为,CO,2,与水是处于平衡状态,，可以更近似于真实情况。,对体系的处理：,封闭体系,、,开放体系,（,2,）体系碳酸平衡计算,根据气体交换动力学，CO2在气液界面的平衡时间需数日。对体,封闭体系：,C,T,不变,在封闭体系中加入强酸或强碱，,C,T,不变。,封闭体系：CT不变,0,=H,2,CO,3,*,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,1,=HCO,3,-,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,2,=CO,3,2-,/H,2,CO,3,*,+HCO,3,-,+CO,3,2-,0,=(1+K,1,/H,+,+K,1,K,2,/H,+,2,),-1,1,=(1+H,+,/K,1,+K,2,/H,+,),-1,2,=(1+H,+,2,/K,1,K,2,+H,+,/K,2,),-1,用,0,、,1,、,2,分别代表,H,2,CO,3,*,-HCO,3,-,-CO,3,2-,三种化合态在碳总量中所占的比例：,用0、1、2分别代表H2CO3*-,封闭体系的碳酸平衡,CO,2,+H,2,CO,3,HCO,3,-,CO,3,2-,pH,各碳酸化合态含量,=C,T,比例,封闭体系的碳酸平衡CO2+H2CO3HCO3-CO32-,开放体系：,CO,2,在气相和液相之间平衡，亨利定律计算,H,2,CO,3,*,。,开放体系：,开放体系,CO,2,在气相和液相处于平衡状态，各种碳酸盐化合态的,平衡浓度可表示为,P,CO,2,和,pH,的函数,。,CO,2,(aq)=K,H,P,CO,2,C,T,=CO,2,/,0,=K,H,P,CO,2,/,0,HCO,3,-,=(,1,/,0,)K,H,P,CO,2,=K,1,K,H,P,CO,2,/H,+,CO,3,2-,=(,2,/,0,)K,H,P,CO,2,=K,1,K,2,K,H,P,CO,2,/H,+,2,lg CO,2,=lg1.02810,5,=-4.988,lg HCO,3,-,=-11.338+pH,lg CO,3,2-,=-21.668+2 pH,开放体系,第四章天然水中的化学平衡(酸碱平衡)课件,（,3,）天然水体的缓冲能力,投入酸量,A,投入碱量,B,（3）天然水体的缓冲能力投入酸量A投入碱量B,4.2.4,天然水的碱度和酸度,4.2.4 天然水的碱度和酸度,水的碱度是,水接受质子,能力的量度，或者说，是中和强酸能力的量度；,水的酸度是,水接受羟基离子,能力的量度，或者说，是中和强碱能力的量度。,（一）碱度与酸度的定义,水的,pH,值是水中氢离子活度的反映，表示呈离子状态的,H,+,的数量，而总酸度表示中和过程中可以与强碱进行反应的全部,H,+,的数量，其中包括原已电离和将会电离的两部分。,水的碱度是水接受质子能力的量度，或者说，是中和强酸,对于碳酸盐系统，对碱度有贡献的物种为：,OH,-,、,CO,3,2-,、,HCO,3,-,（二）碳酸盐系统中的碱度和酸度,1,、碱度,苛性碱度,酚酞碱度,总碱度,对于碳酸盐系统，对碱度有贡献的物种为：（二）碳酸盐系统中的碱,苛性碱度,：达到,pH,CO,3,2,-,所需酸量时碱度，但由于中和曲线在此点没有明显突跃，也没有适宜的酸碱指示剂可用于确定终点，一般并不进行这种测定。,苛性碱度,=OH,-,-HCO,3,-,-2 H,2,CO,3,*,-H,+,=2,酚酞碱度,总碱度,苛性碱度：达到pHCO32-所需酸量时碱度，但由于中和曲线在,酚酞碱度,：滴定以酚酞为指示剂，当溶液,pH,值降到,8.3,时，指示剂由红色转为无色，表示,OH,-,被中和，,CO,3,2-,全部转化为,HCO,3,-,，得到酚酞碱度表达式,酚酞碱度,=CO,3,2-,+OH,-,-H,2,CO,3,*,-H,+,酚酞碱度：滴定以酚酞为指示剂，当溶液 pH 值降到8.3,总碱度,：用一个强酸标准溶液滴定，用,甲基橙,为指示剂，当溶液由,黄色,变成,橙红色,(pH,约,4.5,),，停止滴定，此时所得的结果，也称为,甲基橙碱度,。,滴定终点时，水中的碳酸盐物种都变成了,H,2,CO,3,*,滴定终点时，水中的碳酸盐物种都变成了H2CO3*,在测定一已知体积水样,(V ml),总碱度时，可用一个强酸标准溶液,(,浓度为,M mol/L),滴定，用,甲基橙,为指示剂，直到溶液由,黄色,变成,橙红色,（,pH,约,4.5,),停止滴定，消耗强酸体积,V,1,（,ml),。,总碱度的测定,在测定一已知体积水样(V ml)总碱度时，可,0 14,pH,甲基橙,(,由黄色变为红色,),酚酞,(,由红色变为无色,),4.5,总碱度,/,甲基橙碱度,8.3,酚酞碱度,10.8,苛性碱度,假定有一个,pH10.8,的水样，用标准酸溶液进行中和滴定：,苛性碱度,=2,酚酞碱度,-,总碱度,0,指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出,H,+,或经过水解能产生,H,+,的物质总量。对于碳酸盐系统，对碱度有贡献的物种为：,H,+,、,H,2,CO,3,*,、,HCO,3,-,（二）碳酸盐系统中的碱度和酸度,2,、酸度,无机,酸度,游离,CO,2,酸度,总酸度,指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放,无机酸度,：以甲基橙为指示剂滴定到,pH=4.5(,由红变黄,),无机酸度,=H,+,-HCO,3,-,-2 CO,3,2-,-OH,-,游离,CO,2,酸度,：以酚酞为指示剂滴定到,pH=8.3(,由无色变红,),游离,CO,2,酸度,=H,+,+H,2,CO,3,*,-CO,3,2-,-OH,-,总酸度,：在,pH=10.8,处得到，但此时滴定曲线无明显突越，难以选择合适的指示剂。,总酸度,=H,+,+HCO,3,-,+2 H,2,CO,3,*,-OH,-,无机酸度：以甲基橙为指示剂滴定到 pH=4.5(由红变黄,0 14,pH,甲基橙,(,由红色变为黄色,),酚酞,(,由无色变为红色,),4.5,无机酸度,8.3,游离,CO,2,酸度,10.8,总酸度,假定有一个,pH4.5,的水样，用标准碱溶液进行中和滴定：,0,碱度、酸度计算公式,用总碳酸量（,C,T,）和相应的分布系数（,）来表示：,碱度、酸度计算公式用总碳酸量（CT）和相应的分布系数（）来,考虑到水中很多物质（如,HCO,3,-,）同时能与强酸和强碱发生反应，碱度和酸度在定义上有交互重叠部分，所以,除了,pH4.5,的水样外，一般使用了碱度就不再用酸度表示水样的酸碱性,。,考虑到水中很多物质（如HCO3-）同时能与强,非碳酸盐系统组成水中,碱度,的物质可以归纳为三类：,1,强碱 如,NaOH,2,弱碱 如,NH