《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+H2OH2CO3*pK0=1.46H2CO3*HCO3-+H+pK1=6.35HCO3-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)-1α1=(1+[H+]/K1+K2/[H+])-1α2=(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+]CT＝1α1+2α2{[总碱度]+[H+]-[OH-]}令α＝1α1+2α2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-]＝1.069mmol/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＝2.688mmol/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＝1.088mmol/L3．什么是表面吸附作用、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。项目专属吸附非专属吸附发生吸附的表面净电荷的符号-、0、+-金属离子所起的作用配位离子反离子吸附时所发生的反应配位体交换阳离子交换发生吸附时要求体系的pH值任意值＞零电位点吸附发生的位置内层扩散层对表面电荷的影响负电荷减少，正电荷增加无动力学可逆性不可逆慢过程快速可逆4．已知Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下：Fe3++H2OFe(OH)2++H+lgK1＝-2.16Fe3++2H2OFe(OH)2++2H+lgK2＝-6.74Fe(OH)3(s)Fe3++3OH-lgKso＝-38Fe3++4H2OFe(OH)4-+4H+lgK4＝-232Fe3++2H2OFe2(OH)24++2H+lgK＝-2.91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+]2p[Fe(OH)2+]＝3lgKW-lgKso+2pH-lgK1＝2pH-1....
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