大學(xué)普通化學(xué)第六版第3章精品課件

第3章水化學(xué)與水污染一.

溶液的通性二.水溶液中的單相離子平衡三.

難溶電解質(zhì)的多相離子平衡(四.膠體與界面化學(xué))*五.水污染及其危害主要內(nèi)容:3.1溶液的通性溶液的依數(shù)性:溶液的蒸氣壓下降、溶液的沸點(diǎn)升高溶液的凝固點(diǎn)降低、溶液的滲透壓。1.溶液的蒸氣壓下降蒸汽壓（飽和蒸汽壓)：一定溫度下，液體與蒸氣達(dá)到相平衡時(shí)，蒸氣的壓力。一.非電解質(zhì)溶液的通性

試驗(yàn)證明:難揮發(fā)物質(zhì)的溶液蒸汽壓總是低于純?nèi)軇┑恼羝麎骸?/p>

溶液的蒸汽壓下降：

Δp=pA﹣PpA：純?nèi)軇┑恼羝麎骸：溶液的蒸汽壓法國物理學(xué)家拉烏爾據(jù)實(shí)驗(yàn)得出以下定量關(guān)系：

Δp=pA·xB拉烏爾定律：一定溫度下，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓下降Δp與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)xB成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。xB:

溶質(zhì)B在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，pA:

純?nèi)軇┑恼羝麎?。pT溶劑溶液101.325kPaTobTb

圖3.1沸點(diǎn)上升示意圖2.溶液的沸點(diǎn)上升溶液的沸點(diǎn)上升:難揮發(fā)物質(zhì)的溶液的沸點(diǎn)總是高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn).△Tb

=Tb

–TobTb:溶液沸點(diǎn)

；Tob：純?nèi)軇┓悬c(diǎn)拉烏爾定律：難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的沸點(diǎn)上升（ΔTb）和凝固點(diǎn)下降（ΔTf）與溶液的質(zhì)量摩爾濃度（m）成正比?！鱐b=kb?m

△Tf=

kf?mkb：溶劑的摩爾沸點(diǎn)上升常數(shù)。kf：溶劑的摩爾凝固點(diǎn)下降常數(shù)。單位為K·kg·mol-14.溶液的滲透壓滲透現(xiàn)象——溶劑通過半透膜進(jìn)入溶液或溶劑從稀溶液通過半透膜進(jìn)入濃溶液的現(xiàn)象（單向擴(kuò)散）π滲透壓——阻止?jié)B透進(jìn)行所施加的最小外壓,用П表示。圖3.3溶液滲透壓示意圖例3.1

將質(zhì)量摩爾濃度均為0.10mol·kg-1的BaCl2,HCl,HAc,蔗糖水溶液的粒子數(shù)、蒸氣壓、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)和滲透壓按從大到小次序排序:解：按從大到小次序排序如下：粒子數(shù)BaCl2→HCl→HAc→蔗糖蒸氣壓蔗糖→HAc→HCl→BaCl2凝固點(diǎn)蔗糖→HAc→HCl→BaCl2沸點(diǎn)BaCl2→HCl→HAc→蔗糖滲透壓BaCl2→

HCl→HAc→蔗糖3.2

水溶液中的單相離子平衡

水溶液中的單相離子平衡一般分為:一.酸、堿的解離平衡;二.配離子的解離平衡。(1)酸堿質(zhì)子理論酸:凡能給出質(zhì)子的物質(zhì)都是酸；堿:凡能結(jié)合質(zhì)子的物質(zhì)都是堿。

酸質(zhì)子+堿

(質(zhì)子給予體）(質(zhì)子接受體）共軛酸與它的共軛堿一起稱為共軛酸堿對如在水溶液中

HCl(aq）H+(aq)+Cl-(aq)HAc(aq)H+(aq)+Acˉ(aq)NH4+(aq) H+(aq)+NH3(aq)HCO3-(aq)H+(aq)+CO32-(aq)Al(H2O)63+H+(aq)+Al(H2O)5(OH-)2+

酸質(zhì)子+堿2.

酸堿離子平衡及pH計(jì)算(1)一元弱酸和一元弱堿HA(aq)==H+(aq)+Aˉ(aq)設(shè)一元弱酸HA的濃度為c,解離度為α HA=H++A-起始濃度 c 0 0平衡濃度c(1-α) cα

cα當(dāng)酸很弱(Ka<10-4),1-α≈1,

一元弱酸解離濃度下降,α升高即濃度越稀,解離度越大一元弱酸的H＋濃度計(jì)算公式：例3.1

已知HAc的Ka=1.76×10-5，計(jì)算HAc濃度為0.100mol·dm-3溶液的pH及HAc的解離度。解：直接利用近似公式pH=–lgc(H+)

=–lg(1.33×10-3)=3–0.47=2.88說明

當(dāng)Ka,2

/K

a,1<10ˉ3時(shí)，可忽略二、三級解離平衡。3.緩沖溶液和pH的控制(1)同離子效應(yīng):在弱酸的溶液中加入該酸的共軛堿，或在弱堿的溶液中加入該堿的共軛酸，使得弱酸或弱堿的解離度大大下降的現(xiàn)象，稱為同離子效應(yīng)。如HAc的水溶液，HAc(aq)=H+(aq)+Ac-(aq)加入NaAc，由于NaAc=Na++Acˉ使得HAc解離平衡向左移動(dòng)，HAc的解離度降低。(2)緩沖溶液

弱酸及其共軛堿或弱堿及其共軛酸所組成溶液能抵抗外加少量的強(qiáng)酸堿或稍加稀釋而本身的pH基本不變，即對外加的酸和堿具有緩沖作用，這種溶液稱作緩沖溶液。緩沖對:組成緩沖溶液的共軛酸堿對，共軛酸=共軛堿+H+例:如HAc–Ac￣、NH4+–NH3

、H2PO4￣-HPO4

2￣等NaAc==Na++Ac-HAc(aq)=H+(aq)+Ac-(aq)系統(tǒng)中大量HAc、Acˉ存在例HAc和NaAc混合溶液:當(dāng)溶液中加入少量強(qiáng)酸：H+與Acˉ結(jié)合生HAc，H+的濃度保持基本不變。若往系統(tǒng)中加入少量強(qiáng)堿：則H+與OH-結(jié)合生成H2O，HAc的濃度減少，而H+的濃度仍保持基本不變。緩沖溶液的pH計(jì)算公式例解：HAc–NaAc緩沖溶液的pH值為:若在50.00cm3含有0.1000mol·dm￣3的HAc和0.1000mol·dm￣3NaAc緩沖液中，加入0.050cm31.000mol·dm￣3鹽酸，求其pH。加入鹽酸后總體積為50.05cm3，加入的1.000mol·dm￣3鹽酸由于稀釋，濃度變?yōu)椋篶(HAc)=(0.1000+0.001)mol·dm￣3=0.101mol·dm￣3,c(Acˉ)=(0.1000–0.001)mol·dm￣3=0.099mol·dm￣3計(jì)算結(jié)果表明，pH由4.76降至4.74，僅改變0.02；緩沖溶液的選擇和配制

當(dāng)c(共軛酸)=c(共軛堿)時(shí)，緩沖能力最大。緩沖溶液的選擇依據(jù)pH=pKa如：配制pH=5左右的緩沖溶液，可選HAc—NaAc溶液（pKHAc=4.76）；配制pH=9左右的緩沖溶液,可選NH3—NH4Cl溶液（pK

NH4＋=9.26）

配制pH=7左右的緩沖溶液,可選NaH2PO4--Na2HPO4（pKa2=7.20）。二.配離子的解離平衡

1.配離子:由中心離子或中心原子和若干個(gè)中性分子或離子（稱為配位體）通過配位鍵結(jié)合而成的復(fù)雜離子叫做配離子（絡(luò)離子）。如：[Cu(NH3)4]2+、[Ag(NH3)2]+、[Fe(CN)6]3+

。2.配位化合物:含有配離子的化合物稱為配位化合物(配合物、絡(luò)合物、配鹽)。如[Cu(NH3)4]SO4、

[Ag(NH3)2]Cl

3、配離子的解離平衡常數(shù)[Cu(NH3)4]2+Cu2++4NH33.3難溶電解質(zhì)的多相離子平衡難溶電介質(zhì)的定義：習(xí)慣上將100gH2O中溶解度小于0.01g的物質(zhì)稱作難溶物。一、多相離子平衡CaCO3(s)Ca2+(aq)+CO32-(aq)平衡常數(shù)表達(dá)式為:1.溶度積常數(shù)(溶度積)

AnBm(s)=nAm+(aq)+mBn-(aq)KS(AgCl)=Ceq(Ag+).Ceq(Cl-)KSMg(OH)2=Ceq(Mg2+).{Ceq(OH-)}22、溶度積和溶解度的關(guān)系

CaCO3(s)=Ca2+(aq)+CO32-(aq)平衡濃度/mol·dm-3

s

s設(shè)沉淀在水中溶解度為smol·dm-3(1)AB型難溶物質(zhì)，如AgCl,CaCO3,BaSO4等Ks(CaCO3)=s2

Ag2CrO4(s)=2Ag+(aq)+CrO42-(aq)平衡濃度/mol·dm-32s

s(2)A2B型或AB2型難溶物質(zhì)，如Ag2CrO4，Mg(OH)2等Ks(Ag2CrO4)=(2s)2s=4s3溶度積:CaCO3 AgCl Ag2CrO4

Ks8.7×10-91.56×10-10 9×10-12

s 9.4×10-51.25×10-51.31×10-4關(guān)系式 思考：可以用Ks的大小判斷溶解度的大小嗎？二·溶度積規(guī)則及其應(yīng)用

1.溶度積規(guī)則

AnBm(s)=nAm+(aq)+mBn-(aq)Q

＞Ks

有沉淀析出直至達(dá)飽和Q

=Ks

溶解達(dá)平衡，飽和溶液Q

＜Ks無沉淀析出，或沉淀溶解溶度積規(guī)則可用于判別沉淀的發(fā)生或溶解Q稱濃度商

在90cm30.10moldm-3MgCl2溶液中,加入10cm30.10moldm-3氨水,問溶液能否生成Mg(OH)2沉淀?已知Ks[Mg(OH)2]=5.61x10-12;氨Kb=1.77x10-5解:混合后溶度積規(guī)則例題Q={C(Mg2+)}.{C(OH)}2=0.09x(4.21x10-4)2=1.60x10-8>Ks=5.61x10-12故有沉淀生成2.同離子效應(yīng)

在難溶電解質(zhì)飽和溶液中，加入含有與難溶物組成中相同離子的強(qiáng)電解質(zhì)，使難溶電解質(zhì)的溶解度降低的現(xiàn)象稱為同離子效應(yīng)。在AgCl飽和液中加入NaCl時(shí)，

AgCl(s)=Ag++Clˉ NaCl=Na++ClˉClˉ離子的大量存在，使AgCl的溶解度下降。例

：計(jì)算BaSO4在0.100mol·dm-3Na2SO4溶液中的溶解度，并與其在水中的溶解度比較。Ks(BaSO4)=1.08×10-10解：BaSO4在純水中的溶解度為somol·dm-3so==1.04×10-5mol·dm-3設(shè)BaSO4在Na2SO4溶液中的溶解度為smol·dm-3

BaSO4(s)=Ba2++SO42-平衡濃度/mol·dm-3

s

s+0.1溶解度降低了約104(一萬)倍。Ks=s(s+0.1)0.1s=1.08×10-10解得：s=1.08×10-9mol·dm-3

3.

沉淀的溶解

利用酸堿反應(yīng)碳酸鹽：CaCO3(s)→Ca2++CO32-+

H+H2O+CO2↑金屬硫化物：FeS、ZnS、MnS、NiS等能溶于稀酸

ZnS+2H+Zn2++H2S↑減少構(gòu)晶離子濃度，Q<Ks，可使沉淀溶解

利用絡(luò)合（配位）反應(yīng)AgCl(s)+NH3→[Ag(NH3)2]++ClˉAgBr(s)+2S2O32-→[Ag(S2O3)2]3ˉ

+Brˉ

利用氧化還原反應(yīng)金屬硫化物：如Ag2S、CuS、PbS等，其Ks太小，加入氧化性酸，使之溶解。3PbS+8HNO3(稀)=3Pb(NO3)2+3S↓+2NO↑+4H2O4.

沉淀的轉(zhuǎn)化一種沉淀可以轉(zhuǎn)化為另一種更難溶的沉淀如：

PbCl2+2Iˉ

→PbI2↓+2Clˉ

白 黃Ks(PbCl2)=1.6×10-5 Ks(PbI2)=1.39×10-8

沉淀轉(zhuǎn)化應(yīng)用：Na2CO3溶液處理鍋垢水，沉淀的轉(zhuǎn)化CaSO4(s）+CO2-3(aq）=CaCO3(s）+SO2-4(aq）CaSO4(Ks=7.10×10-5),CaCO3(Ks=4.96×10-9)

，Na3PO4溶液處理鍋垢水，沉淀的轉(zhuǎn)化3CaCO3(s）+2PO43-3(aq）=Ca3（PO4）2

(s）+3CO2-3(aq）KsCa3（PO4）2=2.07×10-33例:含Hg2+廢水處理FeS(s)+Hg2+(aq)

=HgS(s)+Fe2+(aq),K=7.91033FeS(Ks=1.59×10-19),HgS(Ks=6.44×10-53)

，3.5水污染及其危害水是一種寶貴的自然資源，是人類生活、動(dòng)植物生長和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的物質(zhì)。引起水體污染的原因有兩個(gè)方面：

自然污染主要是自然原因所造成的，如特殊地質(zhì)條件使某些地區(qū)有某種化學(xué)元素大量富集，天然植物在腐爛過程中產(chǎn)生某種毒物，以降雨淋洗后夾帶各種物質(zhì)流入水體。

人為污染是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中給水源帶進(jìn)了許多污染物，包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水和礦山排水、廢渣和垃圾傾倒在水中或岸邊經(jīng)降雨淋洗流入水體也會(huì)造成污染。3.5.1

無機(jī)物污染

重金屬重金屬主要包括Hg、Cd、Pb、Cr等，此外還有As。As雖不是重金屬，但毒性與重金屬相似，故經(jīng)常和重金屬一起討論。重金屬的致害作用在于使人體中的酶失去活性，它們的共同特點(diǎn)是即使含量很小也有毒性，因?yàn)樗鼈兡茉谏矬w內(nèi)積累，不易排出體外，因此危害很大。氰化物和酸堿污染

氰化物污染氰化物的毒性很強(qiáng)，在水中以CN-存在。若遇酸性介質(zhì)，則CN-能生成毒性極強(qiáng)的揮發(fā)性氫氰酸HCN。氰化物主要來源于電鍍、煤氣、冶金等工業(yè)的廢水。CN-的毒性是由于它與人體中的氧化酶結(jié)合，使氧化酶失去傳遞氧的作用，引起呼吸困難，全身細(xì)胞缺氧而窒息死亡?？谇徽衬のM(jìn)約50mg氫氰酸，瞬時(shí)即能致死。我國工業(yè)廢水中氰化物的最大允許排放濃度(以CN-計(jì))為0.5mg·dm-1。

酸堿污染酸堿污染可使水體的pH發(fā)生變化(pH過低或過高)，會(huì)消滅或抑制一些有助于水凈化的細(xì)菌及微生物的生長，從而影響了水的自凈能力。3.5.2

有機(jī)物污染

碳?xì)浠衔镂廴境鞘猩钗鬯褪称?、造紙等工業(yè)廢水中含有大量的碳?xì)浠衔?、蛋白質(zhì)、脂肪等。它們在水中的好氧微生物(指生活時(shí)需要氧氣的微生物)的參與下，與O2作用降解時(shí)，要消耗水中溶解的O2

，所以常常稱這些有機(jī)物為耗氧有機(jī)物。水中含有大量耗氧有機(jī)物時(shí)，水中溶解的O2將急劇下降，降至低于4mg·dm-3時(shí)，魚就難以生存。若水中含O2量太低，這些有機(jī)物又會(huì)在厭氧微生物(指在缺氧的環(huán)境中才能生活的微生物)作用下，與水作用產(chǎn)生CH4、H2S、NH3等物質(zhì)，即發(fā)生腐敗，使水變質(zhì)。

殺蟲劑、洗滌劑和多氯聯(lián)苯、苯并芘等污染隨著現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了多種原來自然界沒有的有機(jī)毒物，如有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、合成洗滌劑，多氯聯(lián)苯(工業(yè)上用于油漆和油墨的添加劑,熱交換劑和塑料軟化劑等)、苯并芘(來源于煤焦油、汽油、煤、香煙等的不完全燃燒)。這些化合物在水中很難被微生物降解，因而稱為難降解有機(jī)物。它們被生物吸收后，食物鏈逐步被濃縮而造成嚴(yán)重危害。其中如苯并芘、多氯聯(lián)苯等還有致癌作用。

石油石油在開采、煉制、貯運(yùn)、使用的過程中，原油和各種石油制品進(jìn)入環(huán)境而造成污染可帶來嚴(yán)重的后果。這不僅是因?yàn)槭偷母鞣N成分都有一定的毒性，還因?yàn)樗哂衅茐纳锏恼Ｉ瞽h(huán)境，造成生物機(jī)能障礙的物理作用。石油比水輕又不溶于水，覆蓋在水面上形成薄膜層，一方面阻止大氣中氧在水中溶解，另一方面因石油膜的生物分解和自身的氧化作用，消耗水中大量的溶解氧，致使水體缺氧。同時(shí)，油膜堵塞魚的鰓部，使魚呼吸困難，甚至引起魚死亡。若以含油污水灌田，也可因油粘膜粘附在農(nóng)作物上而使其枯死。水污染單擊播放水與生態(tài)單擊播放3.5.3

水的富營養(yǎng)化生活污水、食品等工業(yè)廢水、農(nóng)田排水和人畜糞便、含磷洗衣粉中，常含有磷、氮等水生植物生長、繁殖所必需的營養(yǎng)元素。在湖泊、水庫、內(nèi)海、海灣、河口等水體，水流緩慢，停留時(shí)間長，植物營養(yǎng)元素富集，又適宜于水生植物繁殖，因而使藻類及浮游生物大量繁殖。由于占優(yōu)勢的浮游生物的顏色不同，水面往往呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色或綠色等。這種現(xiàn)象在江河、湖泊中稱為“水華”，在海中則叫做“赤潮”。水體發(fā)生“富營養(yǎng)化”時(shí)，還由于缺氧，致使大多數(shù)水生動(dòng)、植物不能生存，致死的動(dòng)植物遺骸，在水底腐爛沉積，使水質(zhì)不斷惡化。綠色洗滌——無磷洗滌劑3.5.4

熱污染一些熱電廠、核電站及各種工業(yè)過程中的冷卻水，若不采取措施而直接排入水體，均可引起熱污染。熱污染對水體的危害不僅僅是由于溫度的提高直接殺死水中某些生物(例如鱒魚在水溫20℃時(shí)，可致死亡)，而且，溫度升高后，必然降低了水中氧的溶解量。在這樣不適宜的溫度及缺氧的條件下，對水中生態(tài)系統(tǒng)的破壞是嚴(yán)重的。中國的水資源危機(jī)基本國情：水總量不小，2.8萬億m3(2.8Tm3),居世界第6。人均太小，2200m3，相當(dāng)于世均1/5，美國1/6，加拿大1/60，名列世界109位，是世界13個(gè)貧水國之一。危機(jī)的五個(gè)表現(xiàn)：1.旱災(zāi)是對中國農(nóng)業(yè)打擊最大的自然災(zāi)害。2.城市供水不足。3.水污染日趨嚴(yán)重。4.地下水嚴(yán)重超采。5.水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,二次水利用率太低。選讀材料水的凈化與廢水處理一級處理：物理處理法二級處理：生物處理法（微生物代謝）三級處理：化學(xué)反應(yīng)法、離子交換法、反滲透法、臭氧氧化法、活性炭吸附法、氯化法廢水常用處理方法

1.混凝法常用混凝劑：鋁鹽、鐵鹽中和膠體雜質(zhì)的電荷黏結(jié)膠體雜質(zhì)微粒吸附膠體雜質(zhì)助凝劑：細(xì)黏土、膨潤土影響因素:pH、溫度、攪拌強(qiáng)度2.化學(xué)法（1）沉淀反應(yīng)

FeS(s)+Hg2+(aq)=HgS(s)+Fe2+(aq)

常用沉淀劑：Na2CO3、CaO、Na2S

（2）氧化還原法

Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O加NaOH，調(diào)節(jié)pH為6-8，生成Cr(OH)3沉淀常用氧化劑:O2(空氣)、Cl2、H2O2、O3

常用還原劑：

FeSO4、Fe粉、SO2、Na2SO33.離子交換法陽離子交換樹脂

R-SO3H+M+=R-SO3M+H+

陰離子交換樹脂

R-N(CH3)OH+R-N(CH3)X+OH+4.電滲析法和反滲透法反滲透