環(huán)境化學(xué) 2010_第一章 環(huán)境介質(zhì)及其性質(zhì)(1)

1、本課件作者本課件作者本課件的配套教材本課件的配套教材陳景文陳景文 博士、教授博士、教授大連理工大學(xué)大連理工大學(xué)電話電話/傳真：傳真子郵件：電子郵件：歡迎批評指正！歡迎批評指正！普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材高等學(xué)校理工科環(huán)境類規(guī)劃教材高等學(xué)校理工科環(huán)境類規(guī)劃教材環(huán)境化學(xué)環(huán)境化學(xué)Environmental Chemistry陳景文、全燮陳景文、全燮 編著編著大連理工大學(xué)出版社出版大連理工大學(xué)出版社出版地址：大連市軟件園路地址：大連市軟件園路80號，郵編：號，郵編：116023發(fā)行：發(fā)行傳真：，傳真：

2郵購：郵購-mail: , URL: http:/第一章第一章 環(huán)境介質(zhì)及性質(zhì)環(huán)境介質(zhì)及性質(zhì)Chapter 1. Environmental Media and Their Property 內(nèi)容內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 地球環(huán)境地球環(huán)境 (Global Environment)第二節(jié)第二節(jié) 大氣圈大氣圈 (Atmosphere)第三節(jié)第三節(jié) 水圈水圈 (Hydrosphere)第四節(jié)第四節(jié) 土壤圈土壤圈 (Pedosphere)第五節(jié)第五節(jié) 環(huán)境污染環(huán)境污染 (Environmental Pollution) 內(nèi)容內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 地球環(huán)境地

3、球環(huán)境 (Global Environment)一、自然環(huán)境一、自然環(huán)境二、環(huán)境介質(zhì)二、環(huán)境介質(zhì) 一、一、自然環(huán)境自然環(huán)境環(huán)境化學(xué)的研究對象：自然環(huán)境。環(huán)境化學(xué)的研究對象：自然環(huán)境。自然環(huán)境是人類賴以生存、生活和生產(chǎn)所必需的自然自然環(huán)境是人類賴以生存、生活和生產(chǎn)所必需的自然條件和自然資源的總體，亦簡稱為環(huán)境。條件和自然資源的總體，亦簡稱為環(huán)境。大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈、化學(xué)圈大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈、化學(xué)圈化學(xué)圈化學(xué)圈 一、一、自然環(huán)境自然環(huán)境生物圈生物圈Biosphere水圈Hydrosphere大氣圈大氣圈Atmosphere土壤圈土壤圈Pedosphere化學(xué)圈化學(xué)圈Chemos

4、phere 二、二、環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)(相相)環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì) (Environmental Media), 相相 (Phase，Compartment)環(huán)境的組成非常復(fù)雜，由一系列彼此相連的環(huán)境的組成非常復(fù)雜，由一系列彼此相連的環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)或或環(huán)境相環(huán)境相來組成，如大氣、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉來組成，如大氣、土壤、湖泊、河流、海洋、湖底沉積物、湖中懸浮物及水或土壤中的生物體等。積物、湖中懸浮物及水或土壤中的生物體等。 連續(xù)連續(xù)的介質(zhì)或相：水、大氣的介質(zhì)或相：水、大氣.非連續(xù)非連續(xù)的介質(zhì)或相：大氣顆粒物的介質(zhì)或相：大氣顆粒物相鄰相鄰的環(huán)境介質(zhì)或相：水體大氣的環(huán)境介質(zhì)或相：水體大氣(污

5、染物污染物遷移遷移)、.非相鄰非相鄰的環(huán)境介質(zhì)或相：大氣水體沉積物的環(huán)境介質(zhì)或相：大氣水體沉積物 二、二、環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)(相相)容易受到污染的容易受到污染的介質(zhì)或相：表層水、大氣介質(zhì)或相：表層水、大氣.不容易受到污染不容易受到污染的介質(zhì)或相：深海、巖石層的介質(zhì)或相：深海、巖石層均相均相：如淺塘中充分混合的水：如淺塘中充分混合的水，無濃度梯度、溫度梯度；無濃度梯度、溫度梯度；非均相非均相：性質(zhì)不均一：性質(zhì)不均一 (如土壤、沉積物如土壤、沉積物)某一方向均一某一方向均一(如淺的河流如淺的河流)所有方向都不均一所有方向都不均一 內(nèi)容內(nèi)容第二節(jié)第二節(jié) 大氣圈大氣圈(Atmosphere)一、大氣溫度

6、層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié) 1. 大氣圈大氣圈 (Atmosphere)干潔空氣干潔空氣(Air)： N2 (78.09%), O2 (20.95%)， CO2 (0.02-0.04%), Ar (Argon, 0.93%)水蒸汽、水滴水蒸汽、水滴：云、雨、雷、電：云、雨、雷、電顆粒物、氣溶膠：顆粒物、氣溶膠：一薄層覆蓋地球表面的混合氣體組成。一薄層覆蓋地球表面的混合氣體組成。The atmosphere consists of the thin la

7、yer of mixed gases covering the earths surface. 氣相環(huán)境濃度單位氣相環(huán)境濃度單位 Environmental Concentration Units for GasesParts Per Million (ppm, 106);Parts Per Billion (ppb, 109);Parts Per Trillion (ppt, 1012)Parts Per Hundred Million (pphm, 108)In order to emphasize that the concentration scale is based upon mo

8、lecules or volumes rather than upon mass, a v (for volume) is sometimes shown as part of the unit, e.g., 100 ppmv or 100 ppmv.1 mg/L濃度的硝基苯水溶液相當于濃度的硝基苯水溶液相當于1 ppm，在空氣中在空氣中1 mg/L的硝基苯也相當于的硝基苯也相當于1 ppm嗎？嗎？ 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)decimeter (dm); centimeter (cm); millimeter (mm); micrometer (m) (測微計、千分尺、微米測微計、千分

9、尺、微米)；nanometer (nm); angstrom (); liter (L);milliliter (mL); microlitre (L) mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona-, deca-, poly-小小 知知 識識 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié) 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)靜大氣溫度和密靜大氣溫度和密度在垂直方向上的度在垂直方向上的分布。分布。地球的旋轉(zhuǎn)作用地球的旋轉(zhuǎn)作用各層次大氣對太陽輻射各層次大氣對太陽輻射吸收差異吸收差異2. 大氣溫度層結(jié)大氣溫度層結(jié)Stratificatio

10、n of the Atmosphere大氣溫度的垂直分布大氣溫度的垂直分布熱層熱層中間層頂中間層頂中間層中間層平流層頂平流層頂對流層頂對流層頂平流層平流層對流層對流層100806040200160200240280T(K)Z(km) 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)大氣密度的垂直分布大氣密度的垂直分布0.8020481216Z(km)01.00/0s O3 + hv O + O2200-300 nm, 300-360 nm max = 254 nmO + O2 + M O3 + M，熱量，熱量 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)對流層對流層Troposphere 高度為高度為1

11、112米，溫度變化特點是：米，溫度變化特點是：通常通常0.6K/100m；氣體垂直運動激；氣體垂直運動激烈；含有大氣全部質(zhì)量的烈；含有大氣全部質(zhì)量的3/4和幾和幾乎全部水氣，復(fù)雜的天氣現(xiàn)象乎全部水氣，復(fù)雜的天氣現(xiàn)象 (15 -56 )。 平流層平流層Stratosphere高度為高度為1250 km；溫度隨高度；溫度隨高度的增高而遞增；垂直對流少，大的增高而遞增；垂直對流少，大氣穩(wěn)定，氣穩(wěn)定，(-56 -2 )。中間層中間層Mesosphere高度為高度為4878 km；氣溫；氣溫隨高度的增加而降低；空隨高度的增加而降低；空氣運動激烈氣運動激烈 (meso-) 一、大氣溫度層結(jié)一、大氣溫度層結(jié)

12、Sea levelMajor regions of the atmosphere (not to scale).EarthStratosphereN2, O2 H2O, CO2 TroposphereMesosphereThermosphereO310-16 km50 km85 km500 km15 -56 -2 -92 1200 O3 + hv (220 nm-330 nm) O2 + OO2+, NO+Incoming Solar radiationOO2O2+, O+, NO+1200 km, O=O2 High energy ultraviolet: 330 nm, penetrati

13、on to Eearths surface Ultraviolet: 200-330200-330 nm, penetration to 50 km 熱層熱層 (電離層電離層) Thermosphere高度為高度為80800 km；溫度隨高度溫度隨高度增加而迅速上升；增加而迅速上升；散逸層散逸層 Exosphere 800km以上，空氣以上，空氣非常稀薄非常稀薄 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物大氣大氣：各種固體或液體均勻地分散在空氣中形成的一個龐大各種固體或液體均勻地分散在空氣中形成的一個龐大的分散體系，也是氣溶膠體系。的分散體系，也是氣溶膠體系。大大氣氣顆顆粒粒物物組成成分組成成分有機物有機物

14、無機物無機物狀態(tài)狀態(tài)有生命有生命無生命無生命固態(tài)固態(tài)液態(tài)液態(tài)1. 大氣顆粒物的分類大氣顆粒物的分類氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為大氣顆粒物大氣顆粒物。(atmospheric particles, particulates) 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物2. 大氣顆粒物的來源大氣顆粒物的來源天然來源天然來源：地面揚塵、海浪濺出的浪沫、火山灰、森林地面揚塵、海浪濺出的浪沫、火山灰、森林火災(zāi)、宇宙隕星塵埃、花粉、孢子火災(zāi)、宇宙隕星塵埃、花粉、孢子人為來源人為來源：一次顆粒物一次顆粒物：直接由污染源排放的直接由污染源排放的二次顆粒物二次顆粒物：大氣中的某些污染組分之間或

15、這些組分與大氣中的某些污染組分之間或這些組分與大氣成分之間發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的顆粒物大氣成分之間發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的顆粒物燃料燃燒煤煙、飛灰燃料燃燒煤煙、飛灰(Fly Ash)、氣態(tài)污染物、氣態(tài)污染物生成機制：生成機制： 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物smoke n.煙；抽煙煙；抽煙 vi.冒煙冒煙粉末粉末 dust，powderash n. 灰；灰燼，灰堆灰；灰燼，灰堆fog n. 霧霧, , 煙霧煙霧, , 塵霧塵霧困惑困惑, , 迷惘迷惘(滅火機等噴出的滅火機等噴出的)噴霧噴霧, , 泡沫泡沫London has bad fogs in winter.倫敦在冬季有大霧。倫敦在冬季有大霧。 二、大氣

16、顆粒物二、大氣顆粒物3. 顆粒物的粒徑和表面性質(zhì)顆粒物的粒徑和表面性質(zhì) 粒度粒度：粒徑粒徑(直徑直徑)的大??；的大??； 有效直徑有效直徑 空氣動力學(xué)直徑空氣動力學(xué)直徑(Dp)：與所研究粒子有相同終端落速度的、與所研究粒子有相同終端落速度的、密度為密度為1的球體直徑。的球體直徑。；球狀時，形狀系數(shù)，當粒子為）參考密度（粒密度；忽略了浮力效應(yīng)的顆幾何直徑；0 . 1;g/cm1300pg0pgpKKDKDD成核作用成核作用粘合粘合吸著吸著顆粒物的粒徑分類顆粒物的粒徑分類(1) 總懸浮顆粒物總懸浮顆粒物：用標準大容量顆粒采樣器在濾膜上所收集到用標準大容量顆粒采樣器在濾膜上所收集到的顆粒物的總質(zhì)量，通

17、常稱為總懸浮顆粒物。用的顆粒物的總質(zhì)量，通常稱為總懸浮顆粒物。用TSP表示。其表示。其粒徑多在粒徑多在100 m以下，尤以以下，尤以10 m以下的為最多。以下的為最多。(2) 飄塵飄塵：可在大氣中長期漂浮的懸浮物稱為飄塵。其粒徑主要可在大氣中長期漂浮的懸浮物稱為飄塵。其粒徑主要是小于是小于10 m的顆粒物。的顆粒物。(3) 降塵降塵：能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在總懸浮顆粒物中能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在總懸浮顆粒物中一般直徑大于一般直徑大于10 m的粒子由于自身的重力作用會很快沉降下來。的粒子由于自身的重力作用會很快沉降下來。這部分顆粒物稱為降塵。這部分顆粒物稱為降塵。(4) 可吸入粒

18、子可吸入粒子：易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子。目前易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子。目前國際標準化組織國際標準化組織(ISO)建議將其定為建議將其定為Dp10 m。我國科學(xué)工作者。我國科學(xué)工作者已采用了這個建議。已采用了這個建議。 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物Particulate matter (PM) is the general term used for a mixture of solid particles and liquid droplets found in the air.Some particles are large or dark enough to be se

19、en as soot or smoke. Others are so small they can be detected only with an electron microscope. These particles, which come in a wide range of sizes (fine particles are less than 2.5 micrometers in diameter and coarser-size particles are larger than 2.5 micrometers), originate from many different st

20、ationary and mobile sources as well as from natural sources. Fine particles (PM-2.5) result from fuel combustion, motor vehicles, power generation, and industrial facilities, as well as from residential fireplaces and wood stoves. 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物Inhalable PM includes both fine and coarse particles. T

21、hese particles can accumulate in the respiratory system and are associated with numerous health effects. Exposure to coarse particles is primarily associated with the aggravation of respiratory conditions, such as asthma. Fine particles are most closely associated with such health effects as increas

22、ed hospital admissions and emergency room visits for heart and lung disease, and increased respiratory symptoms.Health and Environmental Effects 二、大氣顆粒物二、大氣顆粒物 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損FIGURE 1. The Antarctic ozone hole reached its maximum onSeptember 12, 2008.Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 15181520O

23、2 + hv O + O ( 243 nm)2O + 2O2 + M 2O3 + M臭氧的形成臭氧的形成 (天然天然)3O2 + hv 2O3臭氧層主要分布在距地面臭氧層主要分布在距地面10-50 km的范圍內(nèi)，峰值的范圍內(nèi)，峰值濃度在濃度在20-25 km處。處。NO2 + hv NO + O ( 420 nm)O + O2 + M O3 + M臭氧形成：人為來源之一臭氧形成：人為來源之一log (nm)43210-1-2-3-4120 160 200 240O2吸收光譜吸收光譜 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損動態(tài)平衡動態(tài)平衡：生成和：生成和耗損的速率相同，耗損的速率相同，臭氧

24、的濃度保持恒臭氧的濃度保持恒定。定。O3 + hv O2 + O O3 + O 2O22O3 + hv 3O2210 290 nm耗損耗損0 2 4 6 8 10Ozone concentration (ppm)Altitude (km)6040200StratosphereTroposphereVariation with altitude of ozone concentration 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損臭氧層耗損臭氧層耗損Ozone Depletion由于水蒸氣、由于水蒸氣、NOx、氟氯烴等、氟氯烴等污染物進入平流污染物進入平流層，它們能加速層，它們能加速臭氧耗損

25、過程，臭氧耗損過程，破壞臭氧層的穩(wěn)破壞臭氧層的穩(wěn)定狀態(tài)。定狀態(tài)。The yearly variation in total ozone (mean values for October) over Halley bay Station, Antarctica. .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total ozone (Dobson units). .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175

26、150Total ozone (Dobson units) 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損The total overhead amount of atmospheric ozone at any location is usually expressed in terms of Dobson units (DU); one such unit is equivalent to a 0.01 mm thickness of pure ozone at the density it would possess if it were brought ground-level (1 a

27、tm) pressure. The normal amount of over-head ozone at temperate latitudes is about 350 DU. Because of stratospheric winds, ozone is transported from tropical toward polar regions. Thus the closer to the equator you live, the less the total amount of ozone that protects you from ultraviolet light. Do

28、bson units (D. U.) 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損假設(shè)可催化臭氧分解的物質(zhì)為假設(shè)可催化臭氧分解的物質(zhì)為Y，則有如下反應(yīng)：，則有如下反應(yīng)：平流層中平流層中NO, NO2的主要天然來源是的主要天然來源是N2O的氧化：的氧化：超音速飛機可以排放超音速飛機可以排放NO。N2O是無色氣體，低層空氣是無色氣體，低層空氣中含量最高的含氮化合物，中含量最高的含氮化合物，主要是天然來源，惰性較主要是天然來源，惰性較大。大。N2O + O 2NOY + O3 YO + O2YO + O Y + O2O3 + O 2O2NO + O3 NO2 + O2NO2 + O NO + O2

29、O3+O 2O2NOX (NO, NO2)HOX (H, HO, HO2)ClOX(Cl, CLO)Y = 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損平流層平流層HOX主要是由主要是由H2O, CH4 或或H2與與O反應(yīng)而生成反應(yīng)而生成的。的。H2O + O 2HOCH4 + O CH3 + HOH2 + O H + OHHO + O3 HO2 + O2HO2 + O HO + O2O3 + O 2O2 ClOx的人為來源是制冷劑，的人為來源是制冷劑，如如F-11(CFCl3)和和F-12(CF2Cl2)，它們在波長它們在波長175-220 nm的紫外的紫外光照射下會產(chǎn)生光照射下會產(chǎn)生Cl。

30、CFCl3 + hv CFCl2 + ClCF2Cl2 + hv CF2Cl + ClCl + O3 ClO + O2ClO + O Cl + O2O3 + O 2O2 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損The stratosphere chlorine concentration currently is 3.5 ppb, which is twice as great as it was in the 1970s and six times the background level of 0.6 ppb, paralleling the growth in the use of

31、CFCs. In the 1980s, about 1 million tonnes (i.e., metric tons, 1000 kg each) of CFCs were released annually to the atmosphere. 氟里昂氟里昂Freon is a commercial trade name used by Du Pont, a large corporation producing industrial chemicals, to refer to CFCs-it is a term often used informally in discussion

32、s of environmental air chemistry. freon n. 化化 氟里昂，二氯二氟氟里昂，二氯二氟氟三氯氟三氯甲烷甲烷（商標名，一種無色氣體冷凍劑）（商標名，一種無色氣體冷凍劑） 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損The chemical formulas for individual CFCs, such as CFC-11, can be deduced from their code number by adding 90. The resulting digits correspond, respectively, to the number of

33、carbon, hydrogen, and fluorine atoms present in one molecule.For example, adding 90 to 11 gives 101, so it follows that CFC-11 contains one carbon, zero hydrogens, and one fluorine. Since that the total number of noncarbon atoms adds up to 2n+2, where n is the number of carbons, the number of chlori

34、nes in these substituted alkanes can be deduced by difference, that is, by subtracting from 2n+2, the number of hydrogen plus fluorine atoms. Thus for CFC-11, 2n+2=4, so the number of chlorine atoms is 4-(0+1)=3, and its formula is CFCl3. 三、臭氧層的形成與耗損三、臭氧層的形成與耗損 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室

35、氣體和溫室效應(yīng).4%地球表面反射地球表面反射47%17%6%9%15%9%24%24%52%48%100%10%25%云吸收云吸收浮塵浮塵被臭氧、水蒸氣、被臭氧、水蒸氣、碳酸氣等吸收碳酸氣等吸收太陽輻射通過大氣到達和離開地球的情況太陽輻射通過大氣到達和離開地球的情況反射反射地球外部太陽輻射（包括地球外部太陽輻射（包括紫外、可見光、紅外）紫外、可見光、紅外）一部分太陽輻一部分太陽輻射被地球和大射被地球和大氣反射氣反射大氣大氣太陽輻太陽輻射穿過射穿過晴空大晴空大氣氣 大部分大部分太陽輻射被太陽輻射被地表吸收使地表吸收使地表變暖地表變暖地表放射的地表放射的 紅外輻射紅外輻射一些紅外輻射被一些紅外輻射

36、被溫室溫室氣體氣體吸收并重又放射吸收并重又放射出，這種效應(yīng)使地表出，這種效應(yīng)使地表和低層大氣變暖。和低層大氣變暖。 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)：大氣中存在一些溫室氣體：大氣中存在一些溫室氣體(CO2、CH4)，這，這些氣體可以強烈地吸收波長些氣體可以強烈地吸收波長1200-1630 nm的紅外輻射，其的紅外輻射，其存在對截留紅外輻射能量影響較大。存在對截留紅外輻射能量影響較大。這些氣體如同溫室的玻璃一樣，它允許來自太陽的可這些氣體如同溫室的玻璃一樣，它允許來自太陽的可見光到達地面，但阻止地面重新輻射出來的紅外光返回外見光到達地面，但阻止地面重新輻射出來的紅外光

37、返回外空間，因此，這些溫室氣體起到了單向過濾作用，吸收了空間，因此，這些溫室氣體起到了單向過濾作用，吸收了地面輻射出來的紅外光，把能量截留在大氣之中，從而使地面輻射出來的紅外光，把能量截留在大氣之中，從而使大氣溫度升高，這種現(xiàn)象稱為溫室效應(yīng)。大氣溫度升高，這種現(xiàn)象稱為溫室效應(yīng)。溫室氣體的濃度升高？溫室氣體的濃度升高？ 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 溫室氣體溫室氣體：CO2, CH4, CO, Freon, Mauns Loa 島本底站測定的大氣中島本底站測定的大氣中CO2的濃度變化的濃度變化(唐孝炎，唐孝炎，1990)1960 1965 1970 1975 1980 1985

38、年年340330320310 CO2(mL/m3) 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng)氣氣 體體 大氣中濃度（大氣中濃度（L/mL/m3 3） 年平均增長率（年平均增長率（%）二氧化碳二氧化碳 344 000 0.4甲甲 烷烷 1 650 1.0一氧化碳一氧化碳 304 0.25 二氯乙烷二氯乙烷 0.13 7.0臭臭 氧氧 不定不定 CFC 11 0.23 5.0 CFC 12 0.4 5.0四氯化碳四氯化碳 0.125 1.0注：本表摘自俊藤搏俊，注：本表摘自俊藤搏俊，1990。 大氣中具有溫室效應(yīng)的氣體大氣中具有溫室效應(yīng)的氣體 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) Re

39、lative importance of the five most important greenhouse gasesPercentage of Tropospheric Warning (Hansen et al., 1989)0 10 20 30 40 50PercentageCO2CFCsMethaneOzoneNitrous Oxide 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 四、溫室氣體和溫室效應(yīng)四、溫室氣體和溫室效應(yīng) 內(nèi)容內(nèi)容第三節(jié)第三節(jié) 水圈水圈 (Hydrosphere)一、水體一、水體二、天然水的基本組成二、天然水的基本

40、組成三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)四、水體富營養(yǎng)化四、水體富營養(yǎng)化 一、水體一、水體水圈：水圈：地球表層水體的總稱。水存在于環(huán)境的各個圈層中。地球表層水體的總稱。水存在于環(huán)境的各個圈層中。海洋海洋河流、運河河流、運河湖泊、水庫湖泊、水庫沼澤、冰川、積雪沼澤、冰川、積雪地下水地下水水蒸氣水蒸氣 (大氣、土壤大氣、土壤)固態(tài)冰固態(tài)冰 (極地、高山極地、高山)工業(yè)設(shè)施工業(yè)設(shè)施(鍋爐、污水處理廠鍋爐、污水處理廠) 水水 溶解性物質(zhì)溶解性物質(zhì) 膠體膠體懸浮物懸浮物沉積物沉積物水生生物水生生物 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成水溶液中金屬離子的表達式通?？梢詫懗伤芤褐薪饘匐x子的表達式通?？梢詫?/p>

41、成Mn+，表示簡單的，表示簡單的水合金屬離子水合金屬離子M(H2O)n+。 水中金屬離子常常以多種形態(tài)存在。例如鐵水中金屬離子常常以多種形態(tài)存在。例如鐵: Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe3+ , K+, Na+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, NO3-, Cl-, SO42- 為天然水中常為天然水中常見的八大離子，占天然水離子總量的見的八大離子，占天然水離子總量的95-99%。1. 天然水的主要離子組成天然水的主要離子組成水中的金屬離子：水中的金屬離子：2. 溶解性氣體溶解性氣體大氣中的氣體與溶液中大氣中的氣體與溶液中同種氣體間的平衡為：同種氣體間

42、的平衡為：G(aq) = KHpG亨利定律并不能說明氣體在溶液中進一步的化學(xué)反應(yīng)。溶解亨利定律并不能說明氣體在溶液中進一步的化學(xué)反應(yīng)。溶解于水中的實際氣體的量，可以大大高于亨利定律表示的量。于水中的實際氣體的量，可以大大高于亨利定律表示的量。KH 是各種氣體在一是各種氣體在一定溫度下的亨利定定溫度下的亨利定律常數(shù)律常數(shù)(mol/LPa); 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成 氧在干燥空氣中的含量為氧在干燥空氣中的含量為 20.95% ，大部分元素氧來，大部分元素氧來自大氣。氧在水中的溶解度與水的溫度、氧的分壓及水中自大氣。氧在水中的溶解度與水的溫度、氧的分壓及水中含鹽量有關(guān)。水在含鹽量有

43、關(guān)。水在25時的蒸汽壓為時的蒸汽壓為0.03167 105 Pa。氧在氧在 1.013 105 Pa， 25 飽和水中的溶解度：飽和水中的溶解度：(1) 氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度。，因此其溶解度為氧的分子量為mg/L32. 832)mol/L(4106 . 25102056. 081026. 1OH)aq(2O)Pa(5102056. 0%95.20)51003167. 0100130. 1 (O252pKp 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成；氣體常數(shù)，；溶解熱，；時氣體在水中的溶解度為絕對溫度為KJ/mol314. 8J/mol,)11(303. 2lg21212112RHT

44、TCCTTRHCC不同溫度下，氣體在水中溶解度的計算：不同溫度下，氣體在水中溶解度的計算：Clausius-Claperyron方程：方程： 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成 CO2在干燥空氣中的含量為在干燥空氣中的含量為 0.0314% ，水在，水在25時的蒸時的蒸汽壓為汽壓為0.03167 105 Pa，CO2的亨利定律常數(shù)為的亨利定律常數(shù)為3.34 10-7 mol/L.Pa。則。則CO2在水中的在水中的濃度濃度為：為：(2) CO2的溶解度的溶解度)mol/L(510028.18 .3081034.3COH)aq(2CO)Pa(8 .30%0314.0)51003167.010

45、0130.1 (CO252pKpCOHHCOHCOHHCOHCOHCOH3231-233-332KH3CO2H1223COH3CO2H13HCO-3HCO23COH2KKKK 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成3. 溶解性有機物質(zhì)、膠體物質(zhì)、懸浮物溶解性有機物質(zhì)、膠體物質(zhì)、懸浮物 黏土、泥沙、生物排泄物、污染物黏土、泥沙、生物排泄物、污染物 腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)礦物微粒和黏土礦物、金屬水合氧化物礦物微粒和黏土礦物、金屬水合氧化物 腐殖酸：可溶于稀堿但不溶于酸的部分；腐殖酸：可溶于稀堿但不溶于酸的部分； 富里酸：可溶于酸又可溶于堿的部分；富里酸：可溶于酸又可溶于堿的部分； 胡敏素胡敏素(腐黑物，腐

46、黑物，Humin)：不能被酸和堿提取的部分：不能被酸和堿提取的部分 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成一種帶負電的高分子弱電解質(zhì)。腐殖質(zhì)是生物體物質(zhì)一種帶負電的高分子弱電解質(zhì)。腐殖質(zhì)是生物體物質(zhì)在土壤、水和沉積物中轉(zhuǎn)化而成。分子量在土壤、水和沉積物中轉(zhuǎn)化而成。分子量300-30000。富里酸的結(jié)構(gòu)富里酸的結(jié)構(gòu)(Schnitzer, 1978) 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成4. 水生生物水生生物 生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈中的一個重要環(huán)節(jié)；生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈中的一個重要環(huán)節(jié)； 生產(chǎn)者、消費者、分解者；生產(chǎn)者、消費者、分解者； 自養(yǎng)生物、異養(yǎng)生物；自養(yǎng)生物、異養(yǎng)生物； 生產(chǎn)率、富營養(yǎng)化、生產(chǎn)

47、率、富營養(yǎng)化、C、N、P； 二、天然水的基本組成二、天然水的基本組成 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)在水體中存在著在水體中存在著CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32-等等4種物質(zhì)種物質(zhì);常把常把CO2和和H2CO3 合并為合并為H2CO3*;實際上實際上H2CO3 的含量極低，主要是溶解性的氣體的含量極低，主要是溶解性的氣體CO2。 以下將以下將H2CO3*略寫為略寫為H2CO31. 碳酸平衡碳酸平衡水中水中CO2、H2CO3、 HCO3-、 CO32各占多大的比例？各占多大的比例？ 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)12211232213213232023221-233213-3-2

48、3232312-23-3133203222)HH1(HCOHHCOHCOHCOHHCOHCOHCOHHCOHCOHCOCOHHHCO)33.10p(HCOHCO)35.6p(HHCOCOH)46.1p(COHOHCOKKKKKKKKKKKKKKCT = H2CO3 + HCO3- + CO32-CT = H2CO3/0 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)232213213223221223221321323211HCOHHCOHCOHHCOHHCOHHCOHCOHHCOHKKKKKKKKK12222121)HH1 ()HH1 (11KKKKK 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)以上屬封閉的水溶液體

49、系的情況；沒有考慮大氣交換過程。以上屬封閉的水溶液體系的情況；沒有考慮大氣交換過程。CO2+H2CO3HCO3-CO32-1008060402002 4 6 8 10 12pH碳酸化合態(tài)分布圖碳酸化合態(tài)分布圖 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)對于開放體系，應(yīng)考慮大氣交換過程：對于開放體系，應(yīng)考慮大氣交換過程：222222COH221COH022T-23COH1COH011T-3COH002TCOH2HCOHHCO1/)aq(CO)aq(COpKKKpKCpKKpKCpKCpK 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)堿度堿度是指水中能與強酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能是指水中能與強酸發(fā)生中和作用的全

50、部物質(zhì)，亦即能接受接受H+的物質(zhì)總量。的物質(zhì)總量。組成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類：組成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類： 強堿；強堿； 弱堿；弱堿； 強堿弱酸鹽。強堿弱酸鹽。At pH values below 7, H+ in water detracts significantly from alkalinity, and its concentration must be subtracted in computing the total alkalinity. Therefore the following equation is the complete equation for al

51、kalinity in a medium where the only contributors to it are HCO3-, CO32-, and OH-.總堿度總堿度 = HCO3- + 2CO32- + OH- H+2. 天然水酸度和堿度天然水酸度和堿度 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì) 酸度酸度是指水中能與強堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放是指水中能與強堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出出H+或經(jīng)水解能產(chǎn)生或經(jīng)水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)總量。包括強酸、弱酸、強酸弱的物質(zhì)總量。包括強酸、弱酸、強酸弱堿鹽等。堿鹽等。某水體的某水體的pH = 8.00, 堿度為堿度為1.0010-3 mol/

52、L, 該水體中該水體中HCO3-, CO32-, OH-, H+等物質(zhì)的濃度。等物質(zhì)的濃度。解：解：pH = 8.00時，時， CO32-的濃度很低，可認為堿度全部由的濃度很低，可認為堿度全部由HCO3-貢獻，則貢獻，則HCO3- = 堿度堿度 = 1.0010-3 mol/L；根據(jù)根據(jù)pH值，值，H+ = 1.00 10-8 mol/L; OH- = 1.00 10-6 mol/L總酸度總酸度 = H+ + HCO3- + 2H2CO3 OH- 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)mol/L1025. 21045. 41000. 11000. 1COHHCOHCOHCOHHCOHHCOHCOH5

53、7383213323231332KKmol/L1069. 41000. 11000. 11069. 4COHHCOCOHCOCOHCOHHCO683112332233232233KK 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)解：解：堿度的貢獻：堿度的貢獻：OH- + HCO3- + 2CO32- H+的濃度可以忽略不計。的濃度可以忽略不計。 H+ = 1.00 10-10 mol/L; OH- = 1.00 10-4 mol/LHHCOCO3223KOH- + HCO3- + 2CO32- = 1.00 10-3 mol/L (1)H+ = 1.00 10-10 mol/L; OH- = 1.00 1

54、0-4 mol/L (2)(3)若水體的若水體的pH為為10.0，堿度，堿度為為1.00 10-3 mol/L, 則上述各則上述各形態(tài)物質(zhì)的濃度為多少？形態(tài)物質(zhì)的濃度為多少？ 三、天然水的性質(zhì)三、天然水的性質(zhì)2 2.18 10-4 = 4.36 10-4 eq/L from CO32- 4.64 10-4 eq/L from HCO3- 1.00 10-4 eq/L from OH- Alk = 1.00 10-3 mol/LSolving these three equations gives HCO3- = 4.64 10-4 mol/L and CO32- = 2.18 10-4 mol

55、/L, so the contributions to the alkalinity of this solution are the following: 四、水體富營養(yǎng)化四、水體富營養(yǎng)化常量元素：常量元素：N, P, C, O微量元素：微量元素：Fe, Mn, Cu, Zn, Ca, 1. 水中的營養(yǎng)元素水中的營養(yǎng)元素2. 水體富營養(yǎng)化水體富營養(yǎng)化湖泊、河口、海灣；湖泊、河口、海灣； N，P等營養(yǎng)物質(zhì)；藻類和浮游生等營養(yǎng)物質(zhì)；藻類和浮游生物大量增殖；溶解氧下降；物大量增殖；溶解氧下降；魚類及其它生物死亡。魚類及其它生物死亡。機理：污染物大量機理：污染物大量排放、水化學(xué)失衡、生排放、水化學(xué)失

56、衡、生態(tài)紊亂、內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)態(tài)紊亂、內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)釋放。釋放。 四、水體富營養(yǎng)化四、水體富營養(yǎng)化 四、水體富營養(yǎng)化四、水體富營養(yǎng)化 赤潮赤潮(Algal bloom或或Red tide)是海水中某些是海水中某些微小浮游植微小浮游植物物、原生動物原生動物或或細菌細菌在一定的環(huán)境條件下突發(fā)性的增殖，引在一定的環(huán)境條件下突發(fā)性的增殖，引起一定范圍一段時間的海水變色現(xiàn)象。起一定范圍一段時間的海水變色現(xiàn)象。3. 赤潮赤潮為什么會發(fā)生赤潮？為什么會發(fā)生赤潮？ 海域水體的富營養(yǎng)化。海域水體的富營養(yǎng)化。含有有機質(zhì)和豐富營養(yǎng)鹽的工農(nóng)業(yè)含有有機質(zhì)和豐富營養(yǎng)鹽的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入海洋。尤其是水體交換能力差的河口廢

57、水和生活污水排入海洋。尤其是水體交換能力差的河口海灣地區(qū)，污染物不容易被稀釋擴散。海水養(yǎng)殖密度高的海灣地區(qū)，污染物不容易被稀釋擴散。海水養(yǎng)殖密度高的區(qū)域也往往存在水體的富營養(yǎng)化。區(qū)域也往往存在水體的富營養(yǎng)化。 海域中存在赤潮生物種源。海域中存在赤潮生物種源。海洋中有海洋中有330多種浮游生物能形多種浮游生物能形成赤潮，有毒的種類大約有成赤潮，有毒的種類大約有80多種，目前在中國沿海海域多種，目前在中國沿海海域的赤潮生物約有的赤潮生物約有150種。種。 合適的海流作用和天氣形勢。合適的海流作用和天氣形勢。一般在海潮流緩慢、水體交換一般在海潮流緩慢、水體交換弱、天氣形勢穩(wěn)定、風(fēng)力較小、濕度大、氣壓

58、低、悶熱、陽光弱、天氣形勢穩(wěn)定、風(fēng)力較小、濕度大、氣壓低、悶熱、陽光充足時，易發(fā)生赤潮。充足時，易發(fā)生赤潮。 適宜的水溫和鹽度。適宜的水溫和鹽度。一般在表層水溫的突然增加和鹽度降一般在表層水溫的突然增加和鹽度降低時，會促進赤潮的發(fā)生。低時，會促進赤潮的發(fā)生。資料來源：資料來源：王金輝王金輝 單位：國家海洋局東海監(jiān)測中心單位：國家海洋局東海監(jiān)測中心http:/ 四、水體富營養(yǎng)化四、水體富營養(yǎng)化 內(nèi)容內(nèi)容第四節(jié)第四節(jié) 土壤圈土壤圈 (Pedosphere)一、土壤的組成一、土壤的組成二、土壤的性質(zhì)二、土壤的性質(zhì) 一、土壤的組成一、土壤的組成土壤固相土壤固相土壤液相土壤液相土壤氣相土壤氣相 (35%

59、 V)土壤礦物質(zhì)土壤礦物質(zhì) (90% )土壤有機質(zhì)土壤有機質(zhì) (1-10%)原生礦物質(zhì)原生礦物質(zhì) (90% )次生礦物次生礦物土壤中固、液、氣相結(jié)構(gòu)圖（自土壤中固、液、氣相結(jié)構(gòu)圖（自S.F. Manahan, 1984）根須根須土粒上的土粒上的吸附水吸附水土粒土粒土壤空隙土壤空隙被水飽和被水飽和的土壤的土壤地下水地下水 一、土壤的組成一、土壤的組成土壤的層次結(jié)構(gòu)土壤的層次結(jié)構(gòu)A00A0A1A2A3B1B2B3CCCSGD土土壤壤層層覆蓋層覆蓋層(A0)淋溶層淋溶層(A)淀積層淀積層(B)母質(zhì)層母質(zhì)層(C)基巖基巖(D)疏松的枯枝落葉層，未經(jīng)分解疏松的枯枝落葉層，未經(jīng)分解暗色半分解有機質(zhì)層暗色半

60、分解有機質(zhì)層暗色的腐殖層暗色的腐殖層灰白色的灰化層灰白色的灰化層向向B層過渡層，多似層過渡層，多似A層層向向A層過渡層，多似層過渡層，多似B層層棕色至紅棕色的淀積層棕色至紅棕色的淀積層向向C層過渡層層過渡層CaCO3聚集層聚集層CaSO4聚集層聚集層潛育層潛育層(灰粘層灰粘層)可能出現(xiàn)的特殊層次可能出現(xiàn)的特殊層次自然土壤的綜合剖面圖自然土壤的綜合剖面圖(南京大學(xué)等合編，南京大學(xué)等合編，1980) 一、土壤的組成一、土壤的組成原生礦物原生礦物：各種巖石：各種巖石(主要是巖漿巖主要是巖漿巖)受到程度不同的物受到程度不同的物理風(fēng)化而未經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而形成的物質(zhì)，其原來的化學(xué)組成理風(fēng)化而未經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而形成