第四章天然水的二氧化碳平衡系統(tǒng)

第四章天然水的二氧化碳平衡系統(tǒng)第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章二氧化碳平衡系統(tǒng)

一、天然水按照pH值的分類強酸性

pH<5.0

弱酸性

pH5.0~6.5

中性

pH6.5~8.0

弱堿性

pH8.0~10.0

強堿性

pH>10.0§4-1天然水的pH第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、天然水中存在的酸堿物質(zhì)化合態(tài)淡水平均值表層海水的一般含量深層海水的含量范圍碳酸硅酸氨磷酸硼酸0.970.220～0.010.0070.0012.1<0.003<0.0005<0.00020.42.3～2.50.03～0.15<0.00050.0017～0.00250.4硫化氫缺氧湖水0.005～0.15海溝0.02深海0.33表4－1天然水中的弱酸弱堿/（mmol/L）第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、決定天然水pH的主要因素1，天然水pH的一般范圍●大多數(shù)為中性到弱堿性，pH6.0～9.0●淡水的pH值多在6.5～8.5部分蘇打型湖泊水的pH值可達9.0～9.5有的可能更高●海水pH值一般在8.0～8.42，碳酸的平衡狀態(tài)是決定因素

平衡方程式第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月●天然水的pH值主要是由溶解的

CO2、HCO3－、CO32－等酸堿物質(zhì)的平衡狀態(tài)而決定:

(1)CO2＋H2O

HCO3－＋H＋

pH＝pKa1’+

(2)

HCO3－

CO32-

+

H+

pH=pKa2’+第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2天然水中的酸堿平衡一、天然水中常見的酸和堿1，天然水常見弱酸弱堿一般含量（表4-1）

第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-14-1第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2，常見酸堿的電離平衡H2CO3*1，式（7）與式（8）之間有什么定量關(guān)系？2，式（9）與水的離子積常數(shù)之間是什么關(guān)系？第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3,logC-pH圖：(1)logC-pH圖的認識3-14-1第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*（2）logC-pH圖的繪制

——以NH4+為例

NH4+NH3+H+

*活度平衡常數(shù)濃度平衡常數(shù)第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*采用濃度常數(shù)計算第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*非離子氨含量與pH的關(guān)系式簡化式：據(jù)式（1）即可以繪出非離子氨含量隨pH的變化圖第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*離子氨含量與pH的簡化關(guān)系式簡化式據(jù)式（2）即可以繪出離子氨含量隨pH的變化圖第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月離子氨和非離子氨含量隨pH的變化圖第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、碳酸平衡條件常數(shù)二氧化碳的化合平衡碳酸的電離平衡碳酸電離的綜合平衡CO2(溶)+H2O=H2CO3H2CO3=H++HCO3-H2CO3*

=H++HCO3-第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-3純水與海水中碳酸的第一表觀電離常數(shù)

表4-4純水與海水中碳酸的第二表觀電離常數(shù)

（雷97頁）1，碳酸的混合電離平衡常數(shù)(4-1)(4-2)第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月表4－3

純水與海水中碳酸的

第一表觀電離常數(shù)（pK1＇=－logK1’）

第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月表4－4

純水與海水中碳酸的

第二表觀電離常數(shù)（pK2＇=－logK2’）

第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2，碳酸的分布系數(shù)

CT=[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]

f0f1f2返回25返31第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*碳酸的分布系數(shù)的推導

CT=[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]

第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月碳酸平衡分布圖與特征點f相當于純碳酸體系相當于純碳酸氫鈉體系返回23返回24f點，相當于純碳酸鈉體系fa第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*淡水與海水碳酸形態(tài)分布圖比較海水淡水海水的分布圖發(fā)生了“酸移”第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3，各特征點的概念a點參考水平：H2CO3*H2O[H+]=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]相當于純碳酸體系相當于純碳酸氫鈉體系相當于純碳酸鈉體系f點

參考水平：CO32-H2O[H+]=[OH-]-2[H2CO3*]-[HCO3-]o點參考水平：HCO3-H2O[H+]=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]NaHCO3Na2CO3特征點圖第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*b點是f0=f1時的狀態(tài)，即

pH>bHCO3-

最多；pH<b,H2CO3*最多*c點此時f1=f2，即

pH>c,CO32-

最多；pH<c,HCO3-最多3，各特征點的概念（續(xù)）特征點圖第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4，特征點a、o的pH基本方程（1）a點的基本方程參考水平：H2CO3H2O[H+]=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]碳酸分布系數(shù)關(guān)系式第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*近似處理法求解可忽略忽略活度系數(shù)，則變?yōu)闀?4頁a點的關(guān)系式第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）o點的基本方程

參考水平：HCO3-,H2O

[H+]=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]*簡化：第二項可省略；第一項的分母可僅保留項第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3，開放體系的碳酸平衡

特點：平衡時體系中二氧化碳分壓不變，水中二氧化碳含量（分壓）不變——CT-pH關(guān)系式分布系數(shù)+pH+2pH第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月開放體系碳酸平衡的

CT-pH關(guān)系式（續(xù)）據(jù)此式可以繪出logCT-pH圖第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*開放體系碳酸平衡的lgC-pH圖CT[CO32-][HCO3-][H2CO3*]4-4H2CO3*CTCO32-HCO3-雷p103頁第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3

pH調(diào)整和緩沖作用一、開放體系堿度與pH的關(guān)系1，堿度酸度概念的復習

總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[H4BO4－]+[OH-]-[H+](甲基橙堿度)酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]苛性堿度=[OH-]-2[H2CO3]-[HCO3-]-[H+]總酸度＝［H＋］＋[H2CO3*]－[CO32－]－[OH－]

無機酸度＝［H＋］－［HCO3－］－2［CO32－］－［OH－］另類總酸度＝［H＋］＋2[H2CO3*]+[HCO3－]－[OH－]pH8.3酸度、酚酞酸度pH4.3酸度、甲基橙酸度第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2，開放體系堿度與pH的關(guān)系結(jié)論：對開放體系，達到平衡后，pH高的，堿度大。第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月開放體系堿度與pH關(guān)系圖第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、pH的調(diào)整

1，基本關(guān)系式的推導也可以用α表示第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、pH的調(diào)整

1，基本關(guān)系式的推導2，公式的應用（1）α-pH表的繪制表4-6碳酸平衡系數(shù)表

(淡水,25℃)用α表示用α表示第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月例1有一養(yǎng)魚池，面積為1.00hm2，水深平均為1.5m。池水pH高達9.5，AT＝2.00mmol/L，若擬用濃HCl將池水pH中和到9.0。問需用多少濃鹽酸？設(shè)濃鹽酸的濃度為12mol/L。解題思路：酸堿中和可視為封閉體系。加HCl前后的CT不變。由pH求α。然后求CT，求中和后應達到的AT，前后AT之差即為酸堿用量。（2）計算例題第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月例1解：水量V＝1.00×104m2×1.5m=1.5×104m3

，又已知CHCl=12mol/L，pH=9.5時α=0.886；pH=9.0時α’=0.959；CT=ATα;已知AT＝2.00mmol/LAT’=CT/α’=ATα/α’

=2mmol/L×0.886/0.959=1.85mmol/L（2）計算例題（續(xù)）例1有一養(yǎng)魚池，面積為1.00hm2，水深平均為1.5m。池水pH高達9.5，AT＝2.00mmol/L，若擬用濃HCl將池水pH中和到9.0。問需用多少濃鹽酸？設(shè)濃鹽酸的濃度為12mol/L。第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔAT=AT-AT’=(2.00–1.85)mmol/L=0.15mmol/LVHCl=ΔAT×V/CT,CO2

=0.15mmol/m3×1.5×104m3/12mol/L=188L需要濃鹽酸188L。例1（續(xù)）第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月解：pH=6.6,α=1.564；pH=7.5α’=

1.069CT,CO2=AT·α=3.6·1.564=5.63(mmol/L)

(mmol/L)

=1.7mol/m3

例題2，有堿度AT＝3.6mmol/L，pH為6.6的地下淡水，今需加入NaOH使其pH=7.5，問1m3水需用NaOH固體多少克？假定加入NaOH后沒有沉淀生成

即需加NaOH1.7mol/m3，相當于固體NaOH68g/m3

第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3，混合水pH值的計算水A：pH=7．28，［堿］=6.34mmol/L，水B：pH=9．60，［堿］＝0.38mmol/L，若以對等體積混合，求混合后的pH值。解：碳酸總量及總堿度都按照加權(quán)平均。

混合后

CT=（CTA＋CTB

）／2=0.5×（7.04＋0.294）＝3.67mmol/L，

[堿］=（[堿］A十[堿］B）／2＝0.5×（6.34＋0.38）

=3.36mmol/L?？汕蟮忙?/p>

=CT／[堿］=3.67/3.36=1.09，在表中反查出pH值為7.40。書上的例題請同學們自己去看一看第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、天然水的緩沖作用（一）天然水的緩沖性1，緩沖性2，天然水有一定的緩沖性（二）天然水中的緩沖系統(tǒng)1，碳酸的電離平衡2，碳酸鈣溶解平衡3，膠體的離子交換平衡第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1，碳酸的一級與二級電離平衡

CO2＋H2OHCO3－＋H＋

HCO3－CO32-+H+

2，CaCO3的溶解、沉積平衡Ca2++CO32-CaCO3（s）3，離子交換緩沖系統(tǒng)Ca2++2HCO3－CaCO3（s）＋CO2+H2O第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月3，離子交換緩沖系統(tǒng)另外，水中的Mg2+也可以限制pH的上升幅度，對于海水，這種作用明顯第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）緩沖容量1，定義式加入酸堿引起堿度變化，可以將堿度的定義式代入：略提第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*求導，求緩沖容量與pH的關(guān)系式不講第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月*求導，求緩沖容量與pH的關(guān)系式（續(xù)）

簡化式可寫為：

β=dCB/dpH=2.3a1CT（a0+a2

）

不講第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月求導數(shù)舉例：不講第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖容量與pH和CT的關(guān)系

在pH<4.4的區(qū)段，CT,CO2的增加幾乎不提高?值極大值在pH＝6.35，即接近于碳酸的pK1值處。兩個極小值在pHo＝8．34和pHa=4.3附近34567891011123.53.02.52.01.51.00.50.0第48頁，課件共5