2023學(xué)年完整公開(kāi)課版溶解氣體

水體中的溶解氣體袁洋陶建昌張凱鑫公延旭【目錄】氣體在水中的溶解2Copyright?2012AndyGuo.Allrightsreserved。

1溶解氧(O2)2二氧化碳(CO2)和pH34氮(N2)和二甲基硫(DMS)溶解在水中的氣體，通過(guò)水體與大氣的界面，不斷進(jìn)行交換。總的效果是：海洋一方面吸收空氣中那些含量不斷增加的氣體成分，例如二氧化碳和有機(jī)氟等氣體；另一方面，海洋向大氣釋放一氧化碳、甲烷、氫、氧化亞氮、碘甲烷等氣體。1-1溶解在水體中的氣體1-2氣體在水中的溶解度和飽和度4

溶解度：一定條件下，某氣體在水中的溶解達(dá)到平衡后，一定量的水中溶解氣體的量，稱(chēng)為該氣體在所指條件下的溶解度。易溶氣體的溶解度：100g水中溶解氣體的克數(shù)來(lái)表示；難溶氣體的溶解度：1L水中溶解氣體的毫克數(shù)（或毫升數(shù)）來(lái)表示。影響因素：氣體自身的化學(xué)性質(zhì)溫度含鹽量分壓力飽和度：指溶解氣體的實(shí)際含量（用C表示）與同溫同鹽條件下其飽和含量(Cs)的比值。飽和度=100%，氣體溶解達(dá)到平衡飽和度<100%，氣體繼續(xù)向水中溶解飽和度>100%，氣體從水中向大氣逸出1-3水體中常見(jiàn)的溶解氣體5Copyright?2012AndyGuo.Allrightsreserved。

水體中的溶解氣體氧氣甲烷二氧化碳二甲基硫硫化氫惰性氣體二氧化硫氮?dú)?-1溶解氧的基本概念表觀(guān)耗氧量（AOU）：飽和含量與實(shí)際含量之差A(yù)OU=Cs-C溫度（℃）051015202530N2616.4549.6495.6451.3414.4383.4356.8O2349.5308.1274.8247.7225.2206.3190.3O2、N2在海水（35）中的溶解度（μmol/kg）一、自然水中溶解氧的來(lái)源1、空氣溶解2、光合作用3、補(bǔ)水2-2水中溶解氧的來(lái)源與消耗1、空氣的溶解—與不飽和度及流速有關(guān)在自然條件下通過(guò)單位界面由空氣增氧的數(shù)量(g/m2·d)溶解氧飽和度100%80%60%40%20%10%小池00.30.60.91.21.5大湖01.01.92.93.84.8緩流河川01.32.74.05.46.7河川01.93.85.87.69.6急流河川03.16.29.312.415.5單位界面增氧率與氧不飽和度正相關(guān)，流速負(fù)相關(guān)2、光合作用影響光合作用產(chǎn)氧因素光照

光合產(chǎn)氧隨深度而變化,強(qiáng)光表層受抑制，次表層光合產(chǎn)氧最快

光合產(chǎn)氧隨季節(jié)而變化,冬季約為夏季11%。

水溫

水生植物種類(lèi)和數(shù)量

營(yíng)養(yǎng)元素供給情況二、水中氧氣的消耗1魚(yú)蝦等養(yǎng)殖生物呼吸2水中微型生物耗氧-“水”呼吸

浮游動(dòng)物、浮游植物、細(xì)菌3底質(zhì)耗氧-“泥”呼吸4逸出2-3溶解氧的分布與變化一、溶解氧（DO）的變化1、溶解氧的日變化光合產(chǎn)氧是水中氧氣的主要來(lái)源，白天隨光照逐漸增強(qiáng)，溶氧逐漸增加，至午后（17點(diǎn)）達(dá)到最大值，隨著光照逐漸減弱，光合產(chǎn)氧減弱，溶氧在日出前（5點(diǎn)）達(dá)到最低值溶氧的日較差：溶氧日變化中，最高值與最低值之差。日較差較大說(shuō)明水體中浮游植物多，即餌料生物較為豐富，浮游動(dòng)物和有機(jī)物質(zhì)的量適中。2溶解氧的年變化A結(jié)冰前的對(duì)流混合可以到達(dá)底層水，表層富氧水能夠補(bǔ)充底層溶氧，使得底層水溶氧升高；B結(jié)冰后沒(méi)有顯著對(duì)流混合，加上結(jié)冰后光照強(qiáng)度減弱，光合產(chǎn)氧減弱，使得底層溶氧逐漸降低；C融冰后對(duì)流混合增強(qiáng)，光照增強(qiáng)使得底層溶氧逐漸升高；D春季后對(duì)流混合無(wú)法達(dá)到底部，溶氧又逐漸下降。

1垂直分布：A貧營(yíng)養(yǎng)鹽湖泊溶解氧垂直分布主要受水溫影響，表層水溫高故溶解氧含量低，深層水溫略低，溶解度增大，溶解氧含量略高。

B富營(yíng)養(yǎng)鹽湖泊溶解氧的分布主要受生物量影響，表層浮游植物生物量較多，故溶解氧含量較高，隨著深度增加，光照減弱，溶解氧含量降低。C溶解氧的日變化最大為表層，隨著深度增加，變化幅度減小。二溶解氧分布2溶氧水平分布白天：下風(fēng)處溶氧含量相對(duì)較高

夜間：上風(fēng)處溶氧相對(duì)較高——下風(fēng)處浮游植物較多，夜間耗氧量大2-4沿岸養(yǎng)殖區(qū)海水中的溶解氧一沿岸養(yǎng)殖區(qū)的特點(diǎn)水域深度較淺（不超過(guò)20m），海區(qū)水質(zhì)透明度較低，水質(zhì)肥沃，浮游生物繁茂。二溶解氧的變化特點(diǎn)受生物生命活動(dòng)（光合作用、呼吸作用）、有機(jī)質(zhì)分解、光照影響，且影響程度較大洋大，使水體溶解氧晝夜變化。三淺海養(yǎng)殖海區(qū)底層水出現(xiàn)缺氧原因表層水溫高于底層水溫，或有大量淡水流入使得表層鹽度低于底層鹽度，海水出現(xiàn)上輕下重暫時(shí)分層現(xiàn)象。分層現(xiàn)象得不到很快緩解，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。表層水中藻類(lèi)的光合作用強(qiáng)度高于有機(jī)物分解和生物的呼吸作用耗氧強(qiáng)度，結(jié)果產(chǎn)生溶解氧的凈增加，底層由于透明度低，水中光照非常微弱，藻類(lèi)光合作用強(qiáng)度低于有機(jī)質(zhì)分解和生物呼吸作用強(qiáng)度，溶解氧產(chǎn)生凈消耗。底層有機(jī)質(zhì)豐富，夏季水溫較高，底層耗氧速度加快。3、溶解氣體的中的CO2和PH3.1溶解氣體中的CO2（1）物理性質(zhì)無(wú)色無(wú)味，易溶于水。氣體狀態(tài)氣體密度：1.977g/L液體狀態(tài)表面張力：約3.0dyn/cm密度：1.816kg/m3二氧化碳分子結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，不會(huì)與織物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳氧化物之一，是一種無(wú)機(jī)物，常溫下是一種無(wú)色無(wú)味氣體，密度比空氣略大，能溶于水，沒(méi)有閃點(diǎn)（2）化學(xué)性質(zhì)不可燃，通常不支持燃燒，無(wú)毒性。（3）溶解度和與水反應(yīng)一體積水可溶解一體積二氧化碳溫度越高溶解度越小壓強(qiáng)越大溶解度越大二氧化碳可以和水反應(yīng)生成碳酸，而不穩(wěn)定的碳酸容易分解成水和二氧化碳：與水反應(yīng)方程式：知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充：表面張力定義：表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線(xiàn)上的張力。通常，處于液體表面層的分子較為稀薄，其分子間距較大，液體分子之間的引力大于斥力，合力表現(xiàn)為平行于液體界面的引力。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。單位表面張力的單位在SI制中為牛頓。表面張力系數(shù)的單位在SI制中為牛頓/米（N/m），但仍常用達(dá)因/厘米（dyn/cm），1dyn/cm=1*10-3N/m[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)：在293K下水的表面張力系數(shù)為72.75×10-3N·m-1，乙醇為22.32×10-3N·m-1，正丁醇為24.6×10-3N·m-1，而水-正丁醇（4.1‰）的界面張力為34×10-3N·m-1。在自然界中，我們可以看到很多表面張力的現(xiàn)象和對(duì)張力的運(yùn)用。比如，露水總是盡可能的呈球型（題圖），而某些昆蟲(chóng)則利用表面張力可以漂浮在水面上。3.2溫室效應(yīng)與CO2在海水中的溶解（1）溫室效應(yīng)和環(huán)境危害溫室效應(yīng)(英文：Greenhouseeffect)，又稱(chēng)“花房效應(yīng)”，是大氣保溫效應(yīng)的俗稱(chēng)。大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)地面，但地表向外放出的長(zhǎng)波熱輻射線(xiàn)卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類(lèi)似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，已引起全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題，引起了全世界各國(guó)的關(guān)注。

因?yàn)槎趸季哂斜氐淖饔?，?huì)逐漸使地球表面溫度升高。近100年，全球氣溫升高0.6℃，照這樣下去，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，全球氣溫將升高1.5——4.5℃。由溫室效應(yīng)所引起的海平面升高，也會(huì)對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。兩極海洋的冰塊也將全部融化。所有這些變化對(duì)野生動(dòng)物而言無(wú)異于滅頂之災(zāi)。（2）CO2在海水中的溶解

水中溶解有大量的碳化合物，其中無(wú)機(jī)物的主要形式有HCO3-、CO32-、H2CO3和CO2。溶解CO2可以與大氣中的CO2進(jìn)行交換，這個(gè)過(guò)程起著調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的作用。工業(yè)革命以來(lái)，由于大量使用礦物燃料，排放大量CO2，使大氣CO2濃度上升，形成所謂“溫室效應(yīng)”，影響了全球氣候變化。因此近年來(lái)對(duì)大氣與海洋的CO2交換過(guò)程十分重視，開(kāi)展了廣泛的國(guó)際合作，進(jìn)行了大量研究工作。CO2海氣交換的研究是JGOFS(全球海洋通量研究計(jì)劃)的重要組成部分。

co2在海水中的平衡過(guò)程控制著海水的pH，使海水具有緩沖溶液的特性。增加大氣的CO2也增加了海水中的無(wú)機(jī)碳總量，同時(shí)增加海水的緩沖容量，引起海水酸度增加，不利于更多的CO2進(jìn)入海水。

可以說(shuō)海洋是二氧化碳溶解的最大倉(cāng)庫(kù)：碳固存海水中的二氧化碳含量約為2.2mmol/kg知識(shí)補(bǔ)充：碳固存所謂固碳也叫碳封存，指的是增加除大氣之外的碳庫(kù)的碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。物理固碳是將二氧化碳長(zhǎng)期儲(chǔ)存在開(kāi)采過(guò)的油氣井、煤層和深海里。植物通過(guò)光合作用可以將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物，并以有機(jī)碳的形式固定在植物體內(nèi)或土壤中。生物固碳就是利用植物的光合作用，提高生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲(chǔ)存能力，從而減少二氧化碳在大氣中的濃度，減緩全球變暖趨勢(shì)。3.3海水中的PH及酸堿平衡（1）海水的pH值約為8.1，其值變化很小，因此有利于海洋生物的生長(zhǎng)；海水的弱堿性有利于海洋生物利用CaCO3組成介殼；海水的CO2含量足以滿(mǎn)足海洋生物光合作用的需要，因此海洋成為生命的搖籃。海水pH值因季節(jié)和區(qū)域的不同而不同：夏季時(shí)，由于增溫和強(qiáng)烈的光合作用，使上層海水中二氧化碳含量和氫離子濃度下降，于是pH值上升，即堿性增強(qiáng)，冬季時(shí)則相反，pH值下降。在溶解氧高的海區(qū)，pH值也高；反之，pH值就低。（2）pH的生態(tài)學(xué)意義1、直接影響水產(chǎn)動(dòng)物：pH改變，H+通過(guò)滲透、吸收作用，影響動(dòng)物血液中H+濃度，從而改變其輸送氧氣的能力；堿性過(guò)強(qiáng)的水直接腐蝕動(dòng)物鰓，導(dǎo)致呼吸障礙而窒息。大多數(shù)魚(yú)類(lèi)耐受pH：4.0~9.5水生植物：pH改變影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用，高pH妨礙植物對(duì)鐵、碳等元素的吸收；pH降低影響硝酸鹽還原酶活性，導(dǎo)致植物缺氮；浮游動(dòng)物：pH<6.0，一些大型枝角類(lèi)無(wú)法生存；微生物：pH<6.0，許多微生物的活動(dòng)受到抑制，固氮活性下降，有機(jī)物分解礦化速度明顯降低。2、間接影響改變物質(zhì)的存在形式，特別是一些有毒物質(zhì)的存在形式，改變其毒性從而影響生物的生命活動(dòng)。當(dāng)NH4+、S2-、CN-分別轉(zhuǎn)化為NH3、H2S、HCN時(shí)，對(duì)魚(yú)的毒性增強(qiáng)；Cu2+、Pb2+等以絡(luò)合物存在時(shí)，其毒性下降。影響海水PH的因素海水的pH一般在7.5～8.2的范圍變化，主要取決于二氧化碳的平衡。在溫度、壓力、鹽度一定的情況下，海水的pH主要取決于H2CO3各種離解形式的比值。反過(guò)來(lái)，當(dāng)海水pH值測(cè)定后也可以推算出碳酸的濃度。

溫度校正可用下式

pHt1(現(xiàn)場(chǎng))=pHt1(測(cè)定)＋0.0113(t2－t1)(4-14)

由于深度改變引起的壓力校正可以通過(guò)查表得到。

海水的緩沖容量

海水具有一定的緩沖能力，這種緩沖能力主要是受二氧化碳系統(tǒng)控制的。緩沖能力可以用數(shù)值表示，稱(chēng)為緩沖容量。定義為使pH變化一個(gè)單位所需加入的酸或堿的量：

海水的pH在6～9之間時(shí)緩沖容量最大。大洋水的pH變化主要是由CO2的增加或減少引起的。海水的緩沖容量除與CO2有關(guān)外，還與H3BO3有關(guān)。由于離子對(duì)的影響，海水的緩沖容量比淡水和NaCl溶液都要大。溫度對(duì)ph的影響3.4碳酸平衡4-1氮?dú)獾獨(dú)猓∟2）氮?dú)?，元素周期表?位，化學(xué)式N2，通常狀況下是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，且通常無(wú)毒。氮?dú)庹即髿饪偭康?8.12%（體積分?jǐn)?shù)），是空氣的主要成份。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷卻至-195.6℃時(shí)，變成沒(méi)有顏色的液體，冷卻至-218.8℃時(shí)，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下很難跟其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但在高溫、高能量條件下可與某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，用來(lái)制取對(duì)人類(lèi)有用的新物質(zhì)。4-2化工合成氮主要用于合成氨.反應(yīng)式為N2+3H2=2NH3(條件為高壓，高溫、和催化劑。反應(yīng)為可逆反應(yīng)）還是合成纖維（錦綸、腈綸），合成樹(shù)脂，合成橡膠等的重要原料。氮是一種營(yíng)養(yǎng)元素還可以用來(lái)制作化肥。例如：碳酸氫銨NH4HCO3，氯化銨NH4Cl，硝酸銨NH4NO3等等。4-3氮?dú)馀c汽車(chē)輪胎汽車(chē)輪胎1.提高輪胎行駛的穩(wěn)定性和舒適性2.防止爆胎和缺氣碾行3.延長(zhǎng)輪胎使用壽命4.減少油耗，保護(hù)環(huán)境

4-4氮?dú)馄渌饔糜捎诘幕瘜W(xué)惰性，常用作保護(hù)氣體，如：瓜果，食品，燈泡填充氣，以防止某些物體暴露于空氣時(shí)被氧所氧化。用氮?dú)馓畛浼Z倉(cāng)，可使糧食不霉?fàn)€、不發(fā)芽，長(zhǎng)期保存。液氮還可用作深度冷凍劑。高純氮?dú)庥米魃V儀等儀器的載氣。氮?dú)庖沧鳛槭称繁ｕr保護(hù)氣體的用途。在化工行業(yè)，氮?dú)庵饕米鞅Ｗo(hù)氣體、置換氣體、洗滌氣體、安全保障氣體。4-5氮?dú)夂退?/p>

氮?dú)獠蝗芘c水要用到高中知識(shí)。氮?dú)夥肿邮欠N非極性分子，而水分子是極性分子，非極性分子易溶于非極性溶劑，極性分子易溶于極性溶劑，所以氮?dú)獠蝗芘c水。氮?dú)獠蝗芘c水是相對(duì)而，實(shí)際上也有少量氣體溶于水，只不過(guò)不影響我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。0℃時(shí)，氮?dú)獾娜芙舛葹?.024氮?dú)夂茈y溶于水。氮?dú)庠谒锶芙舛群苄。诔爻合拢?體積水中大約只溶解0.02體積的氮?dú)?。它是個(gè)難于液化的氣體。在283K時(shí)，一體積水約可溶解0.02體積的氮?dú)狻?-6氮?dú)庵卸荆?/p>

空氣中氮?dú)夂窟^(guò)高，使吸入氣氧分壓下降，引起缺氧窒息。吸入氮?dú)鉂舛炔惶邥r(shí)，患者最初感胸悶、氣短、疲軟無(wú)力；繼而有煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態(tài)不穩(wěn)，稱(chēng)之為“氮酩酊”，可進(jìn)入昏睡或昏迷狀態(tài)。吸入高濃度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。潛水員深替時(shí)，可發(fā)生氮的麻醉作用；若從高壓環(huán)境下過(guò)快轉(zhuǎn)入常壓環(huán)境，體內(nèi)會(huì)形成氮?dú)鈿馀?，壓迫神?jīng)、血管或造成徽血管阻塞，發(fā)生“減壓病”。4-7注意事項(xiàng)應(yīng)急處理：迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風(fēng)處，并進(jìn)行隔離，嚴(yán)格限制出入。建議應(yīng)急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿一般作業(yè)工作服。盡可能切斷泄漏源。合理通風(fēng)，加速擴(kuò)散。漏氣容器要妥善處理，修復(fù)、檢驗(yàn)后再用。操作注意事項(xiàng)：密閉操作。密閉操作，提供良好的自然通風(fēng)條件。操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。防止氣體泄漏到工作場(chǎng)所空氣中。搬運(yùn)時(shí)輕裝輕卸，防止鋼瓶及附件破損。配備泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。儲(chǔ)存注意事項(xiàng)：儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫(kù)房。遠(yuǎn)離火種、熱源。庫(kù)溫不宜超過(guò)30℃。儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。4-8DMS簡(jiǎn)介海洋排放的二甲基硫是大氣中硫化物的主要天然源。二甲基硫主要是由海洋

生物產(chǎn)生并釋放于海水中的,表層海水中的二甲基硫處于高度過(guò)飽和狀態(tài)。海氣間存在的二甲基硫濃度梯度,使二甲基硫以可觀(guān)的通量排放入大氣,約占