水化學(xué)1章緒論

1、水化學(xué)水化學(xué) Aquatic Chemistry 王威 副教授/博導(dǎo) 吉林大學(xué)化學(xué)博士 新加坡南洋理工大學(xué)博士后 主要課程：水化學(xué) 研究方向：水（深度）處理化學(xué)方法、 理論及材料技術(shù) 郵箱: 電話:辦公室: 市政環(huán)境學(xué)院，市政工程系1501室 實(shí)驗(yàn)室：國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室202及市政學(xué)院2222Why水化學(xué)課程？1. 堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與應(yīng)用銜接（無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、水化學(xué)水化學(xué)、水分析化學(xué)）2. 與國(guó)際接軌Werner Stumm（19241999）被譽(yù)為水化學(xué)之父，他與他的第一個(gè)博士James Morgan合作寫(xiě)了第一本水化學(xué)著作水化學(xué)（Aquatic Chemist

2、ry）選用的教材：校內(nèi)講義參考書(shū)：1. Water Chemistry - Patrick L. Brezonik, William A. Arnold （2010）2.水化學(xué)（第二版） -王凱雄3. Aquatic Chemistry- Stumm水化學(xué)3.0學(xué)分講授40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)考核形式：20%平時(shí)成績(jī)（作業(yè)及考勤）70% 期末考試（筆試）10%實(shí)驗(yàn)（兩次實(shí)驗(yàn)） 作業(yè)：第一章緒論部分習(xí)題1-7題揭示各種自然水在環(huán)境中的化學(xué)行為的實(shí)質(zhì)同時(shí)為我們的水處理技術(shù)提供理論支持水化學(xué)是研究水體中各種化學(xué)因子動(dòng)態(tài)規(guī)律（包括各種化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和分配）的學(xué)科。第一章 緒論 1.1 水化學(xué)研究?jī)?nèi)容 大氣

3、水中底泥大氣與水：大氣與溶質(zhì)：水溶液反應(yīng)：溶質(zhì)與懸浮顆粒：溶質(zhì)與底泥：（1）化學(xué)熱力學(xué)（能量問(wèn)題） 研究“反應(yīng)方向”和“反應(yīng)程度”兩個(gè)問(wèn)題 水化學(xué)中所有的化學(xué)反應(yīng)都涉及化學(xué)熱力學(xué)問(wèn)題，它是解決問(wèn)題的基礎(chǔ)： 比如水垢的形成、混凝的效果、有機(jī)物的氧化、吸附作用等所有方面都涉及反應(yīng)熱力學(xué)問(wèn)題。 （2）化學(xué)動(dòng)力學(xué) 闡述化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理的理論，對(duì)于研究水中發(fā)生的各種過(guò)程以及提高水處理效率具有重要意義。 速率問(wèn)題：例如：根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)分析，硫化物不可能存在于含有溶解氧（DO）的水中，但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)在DO達(dá)到3mg/L的水中仍可以檢出硫化物，這是因?yàn)樵谙∪芤褐校鹾土蚧镏g的反應(yīng)速率很慢。機(jī)理問(wèn)題：反

4、應(yīng)歷程：比如物質(zhì)的降解途徑等？(3)酸堿化學(xué)酸堿化學(xué)作用是水系統(tǒng)中最基本的化學(xué)作用。比如酸雨問(wèn)題，酸堿滴定問(wèn)題等；并且所有的水處理反應(yīng)都要求注意pH這一條件；碳酸鹽系統(tǒng)是天然的緩沖系統(tǒng)，它的研究也是水化學(xué)領(lǐng)域重要問(wèn)題；這里我們將著重學(xué)習(xí)水體系中物種濃度的計(jì)算，格外關(guān)注圖解法（pc-pH等）。這需要透徹地掌握酸堿平衡基礎(chǔ)。(4) 水中的沉淀與溶解問(wèn)題 例如：化學(xué)沉淀法污水除磷技術(shù)(5)配位化學(xué)例如：腐殖質(zhì)含有大量羥基、羰基、氨基等，與絕大多數(shù)金屬發(fā)生螯合作用。有利于：指導(dǎo)設(shè)計(jì)重金屬去除藥劑及水分析技術(shù)中的絡(luò)合滴定打下基礎(chǔ)。配位化學(xué)涉及中心金屬離子（或原子）與配位體的反應(yīng)，配位化學(xué)理論對(duì)水中金屬的

5、存在形態(tài)，遷移轉(zhuǎn)化和毒性具有重要意義。(6)氧化還原化學(xué)（電化學(xué)）電化學(xué)技術(shù)在水處理領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，比如電化學(xué)反應(yīng)器。天然水與水處理中進(jìn)行著各種氧化還原反應(yīng)例如：高級(jí)氧化技術(shù)通過(guò)臭氧等去除水中有機(jī)污染物; 還原技術(shù)：比如將亞硝酸鹽或硝酸鹽還原成氮?dú)猓?微生物作用下的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物的氧化與還原：比如硝化作用 分析檢測(cè)技術(shù)：氧化還原滴定法(7)相間作用固體表面的吸附膠體化學(xué)等課程內(nèi)容與安排 緒論 化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué) 水中的酸堿問(wèn)題 水中金屬離子的配位 水中的溶解于沉淀 水中氧化還原化學(xué)及電化學(xué) 固液表面：吸附、膠體1.2 水的性質(zhì)1.2.1 水的結(jié)構(gòu)水的結(jié)構(gòu)鍵長(zhǎng)：0.96 埃鍵角：105氫

6、原子的電子構(gòu)型：1 S1，氧原子的電子構(gòu)型：1S22S22P4。氧的2S22P46個(gè)電子以不等性SP3雜化軌道與兩個(gè)氫原子的1 S1電子結(jié)合為4對(duì)，構(gòu)成O-H共價(jià)鍵及兩對(duì)孤對(duì)電子H-O-H所在平面與孤對(duì)電子所在平面是相互垂直氧端帶負(fù)電、氫端帶正電的典型極性分子水的O-H高度極化O和H部分帶點(diǎn)部分電荷的分離帶來(lái)永久偶極永久偶極促使氫鍵形成影響每一個(gè)分子在水環(huán)境中的相互作用（i）分子結(jié)構(gòu)）分子結(jié)構(gòu)氫鍵：XH-Y，Y一般是氧、氮或氟原子每個(gè)水分子可以同相接近的另外四個(gè)水分子生成四個(gè)氫鍵。水分子的締合：水締合是放熱過(guò)程，故溫度升高，締合程度降低，即X減小高溫時(shí)水趨向于單分子狀態(tài)，低溫水締合度增大，當(dāng)結(jié)

7、冰時(shí)大部分分子形成整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。（ii）液態(tài)水的結(jié)構(gòu)）液態(tài)水的結(jié)構(gòu) 液態(tài)水閃動(dòng)簇狀模型（液態(tài)水閃動(dòng)簇狀模型（Frank和Wen于1957年） 水分子靠氫鍵形成結(jié)構(gòu)不確定的分子簇，未成簇的分子處于自由狀態(tài)一般在0時(shí)，每個(gè)分子簇平均包含65個(gè)水分子，而在100時(shí)，平均只包含12個(gè)。 每個(gè)分子被相鄰四個(gè)分子包圍每個(gè)分子位于變形四面體頂點(diǎn)氫鍵將多個(gè)四面體連接成龐大的晶體冰中O-H 鍵長(zhǎng)0.99埃；鍵角：109.5由于氫鍵方向性要求，水分子不能做緊密堆積，因此具有較大空隙，密度比水小不同的低溫和高壓下，冰的形態(tài)結(jié)構(gòu)有13種相變晶格最整齊的，也是最普通的冰為Ih型，密度0.92 g/cm3（iii）冰的結(jié)

8、構(gòu)）冰的結(jié)構(gòu) 水異常的溫度體積效應(yīng)為什么常壓下在4時(shí)具有最大密度？ 1.2.2 水特異的物理性質(zhì)水特異的物理性質(zhì)水分子有很強(qiáng)的極性，且分子之間形成氫鍵，具有很強(qiáng)的相互作用，內(nèi)聚能很大，在提高溫度、增強(qiáng)水分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)需要更多的熱量和更高的溫度具有很高的熔、沸點(diǎn)、汽化熱、熔化熱；熱容水具有最大的表面張力（0.0728N/m，20）其它液體大多只在0.02-0.058 N/m范圍。第六主族氫化物的熔沸點(diǎn)與分子量的關(guān)系H2OH2SH2SeH2Te 1.2.3 水的化學(xué)性質(zhì)水的化學(xué)性質(zhì)(i) (i) 水的熱穩(wěn)定性好水的熱穩(wěn)定性好反應(yīng)2H2O2H2O2可以作為水的熱穩(wěn)定性的反應(yīng)。隨著溫度的升高，水的離解度

9、增大，1000K時(shí)，水的離解度僅有310-5，即使達(dá)到2400K，離解度也僅有2.94，只占水的很小一部分。 (ii) 水中物質(zhì)與水的作用水中物質(zhì)與水的作用離子-偶極作用力偶極-偶極相互作用偶極-誘導(dǎo)偶極作用力氫鍵作用力上述作用促使幾乎什么物質(zhì)都能溶解于水，所以魚(yú)兒才能從水中得到氧氣 1.由于離子-偶極相互作用陽(yáng)離子與水形成水合離子2.陰離子并沒(méi)有成為溶劑合物，而是占據(jù)了整個(gè)溶劑結(jié)構(gòu)的間隙3.非極性溶質(zhì)也存在于水分子簇之間的間隙中，水分子環(huán)繞溶質(zhì)保持它們的氫鍵。限制了非極性有機(jī)分子的自由度。故非極性溶質(zhì)溶解有高負(fù)熵。 (iii) 水解作用水解作用從廣義上說(shuō)水解是指水被分解的反應(yīng)及與水的氧化還原

10、反應(yīng)。水與很多物質(zhì)都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)例如：CaO + H2O = Ca(OH)22Na + 2H2O = 2NaOH + H2Cl2 + H2O = HCl + HClONa2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOHPBCl3 + H2O = PbOCl + 2HCl 1.3 水中的物質(zhì)水中的物質(zhì)元素可以這樣說(shuō)，只要存在與地球上物質(zhì)，在水中都可能存在本身地球主要就是由水構(gòu)成這些物質(zhì)在水中可能不同形式，結(jié)合或存在的方式也不一樣 物質(zhì) 1.4 濃度單位濃度單位（質(zhì)量/體積單位；質(zhì)量/質(zhì)量單位）1.4.1 質(zhì)量單位質(zhì)量單位 ppb: ppm: 1g溶質(zhì)/106g水=1 ppm例1 質(zhì)量/體積

11、和質(zhì)量/質(zhì)量單位之間的相互轉(zhuǎn)換：今有濃度為1ppb的草不綠水溶液和另有同濃度溶于正己烷（=0.66g/mL）的1ppb草不綠溶液。以g/L為單位的濃度為多少？1g溶質(zhì)/109g水=1 ppb相當(dāng)于相當(dāng)于總結(jié)：1ppb 相當(dāng)于（ 1g溶質(zhì)/1kg溶劑）（1L溶劑對(duì)于的質(zhì)量/1L溶劑） 1.4.2 化學(xué)單位化學(xué)單位(i) 最基本的質(zhì)量/體積單位是摩爾濃度摩爾濃度（每升溶液中溶質(zhì)的摩爾數(shù)）， 簡(jiǎn)寫(xiě)為mol/L或M（而不是M/L）：(ii) 化學(xué)上標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量/質(zhì)量的濃度單位是質(zhì)量摩爾濃度質(zhì)量摩爾濃度（m），它代表每 千克溶劑中含有溶質(zhì)的摩爾數(shù)：(ii)質(zhì)量摩爾濃度= 溶質(zhì)的質(zhì)量（g）/分子量（g/mol

12、） 溶劑溶劑的質(zhì)量（kg）摩爾濃度= 溶質(zhì)的質(zhì)量（g）/分子量（g/mol） 溶液的體積（L） 例例2 海水中氯化物的質(zhì)量摩爾濃度和摩爾濃度：海水中氯化物的質(zhì)量摩爾濃度和摩爾濃度：已知25下海水中氯化物平均摩爾濃度是Cl- =0.5593mol/L，且知道該海水的鹽度是35（即35.00g鹽/kg海水），該溫度下海水密度為1.02334kg/L， 求氯化物的質(zhì)量摩爾濃度答：答：由此可見(jiàn)，摩爾濃度和質(zhì)量摩爾濃度相差0.007，或約1.2%。 因?yàn)橘|(zhì)量摩爾濃度是每千克溶劑中溶質(zhì)的摩爾數(shù)，我們需要了 解1L海水中有多少質(zhì)量的H2O。從上面可知， 1L海水的質(zhì)量為1023.34g ， 且1kg海水中含

13、有35g鹽。因此，1L海水含有1023.34（1-35）= 987.5 gH2O分母上：把溶液的體積換成溶劑的質(zhì)量質(zhì)量摩爾濃度為 = 0.5593/987.5 = 0.5663 mol/kg水 (iii)另一種質(zhì)量/質(zhì)量濃度單位是摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù) 對(duì)任何一種物質(zhì)X，X物質(zhì)在一個(gè)系統(tǒng)的摩爾分?jǐn)?shù)即為X的摩爾數(shù)除以系統(tǒng)內(nèi)所有物質(zhì)總摩爾數(shù)之和摩爾分?jǐn)?shù)在無(wú)機(jī)溶液化學(xué)中并不常用，但在水中有機(jī)物質(zhì)溶解度以及在與天然水體有關(guān)的固相熱力學(xué)處理中經(jīng)常使用。i的摩爾分?jǐn)?shù) =niii1的摩爾數(shù)的摩爾數(shù) (iv) 當(dāng)量濃度(N)了解定義：溶液的濃度用1升溶液中所含溶質(zhì)的克當(dāng)量數(shù)，用符號(hào)N表示，（英文：normality）公式：當(dāng)量濃度（N） = 溶質(zhì)克當(dāng)量數(shù)/溶液體積（L）= 溶質(zhì)的克數(shù)/溶質(zhì)的克當(dāng)量溶液體積（L）克當(dāng)量（g）= 分子（或式）量（g）/反應(yīng)容量（rc） 當(dāng)量rc：酸堿反應(yīng)指物質(zhì)能夠得到或失去的H+離子數(shù)目； 如果是鹽酸, 一個(gè)分子放出一個(gè)氫離子，rc為1； 如果是硫酸，一分子放出兩個(gè)氫離子，反應(yīng)容量rc是2 在氧化還原反應(yīng)指物質(zhì)能夠得到或失去的電子的