Chap天然水体内的氧化还原反应和界面作用.pptx
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1、1.天然水体内的一些化学反应Some Chemical Reactions in Natural Waters一、溶液中的离子平衡反应Ion Equilibrium Reaction in Solution 离子平衡反应类型离子平衡反应类型弱酸、弱碱的电离平衡弱酸、弱碱的电离平衡多价金属离子的水解平衡多价金属离子的水解平衡副族金属离子的络合平衡等副族金属离子的络合平衡等1、离子平衡反应的特点(1)均为离子平衡反应,反应速度比较快,能在较短时间内达到平衡;当环境中条件发生改变时,会使平衡迅速发生移动(2)达成化学平衡后,多元弱酸、弱碱和金属离子会以不同形式存在2、元素不同存在形式的意义元素的不同
2、存在形式对水生生物的作用和某些化学反应可能产生完全不同的影响例CO2平衡系统与碱度、硬度等的关系H2S和S2-重金属络合物3、元素各种形式的计量关系以金属离子的络合平衡为例(1)若M为金属离子(中心离子),电荷省去,A为配位体,则有相应成络反应其中M、MA、MA2、MA3、MA4称为不同形式的M M+MA+MA2+MA3+MA4=CM(2)计算各种形式M的实际含量令1、2、3、4为相应的累积平衡常数各种形式M的实际含量MA =MA 1 MA2=MA22 MA3=MA33 MA4=MA44 (3)各种形式的M占CM的百分比分别表示为f(M)、f(MA)、f(MA2)、f(MA3)、f(MA4)C
3、M=M+MA+MA2+MA3+MA4 MA =MA 1 MA2=MA22 MA3=MA33 MA4=MA44fM(%)=M/CM=1/(1+)式中:i=14通式:fMAi(%)=fMiAi 计算H2CO3的电离平衡中各成分的含量,其中:CO32-相当于M,HCO3-相当于MA,H+相当于A,则 1=1/K2;2=1/K21/K1100%100%100%例二、沉淀反应Sediment Reaction反应类型及其与养殖生产的关系碳酸盐沉淀:CaCO3、MgCO3等,其生成和溶解直接影响养殖水体的碱度、硬度以及缓冲性能等磷酸盐沉淀:AlPO4、FePO4、Ca3(PO4)2等,直接关系到PO43-
4、的有效化问题金属氢氧化物沉淀:Al(OH)3、Fe(OH)3、Cu(OH)2等,直接关系到某些金属盐类治疗鱼病的有效浓度的大小,同时与养殖水体的絮凝作用有关金属硫化物的沉淀:FeS、CuS,对减弱H2S对水生生物毒性有良好的作用三、氧化还原反应Redox-reaction1、天然水体的氧化还原电位Eh决定天然水体Eh的因素有几个单氧化还原体系,则电位介于各个单体系的电位之间,而接近于含量较高的单体系电位某一单体系的数量较其它单体系高得多,则复合体系的电位几乎等于存在量多的单体系电位,该体系称为“决定电位体系”一般,水体中的氧体系是决定电位体系;在含大量有机质的水体中,有机质体系可能成为决定电位
5、体系 2、Eh-pH图多数氧化还原反应的电势都随pH的变化而变化以pH值为横坐标,以Eh为纵坐标作出电对的Eh值随pH变化的关系图,这种关系图便称为Eh-pH图 水水的的稳稳定定区区限限水水的的稳稳定定上上水的氧化区水的氧化区水的还原区水的还原区限限水水的的稳稳定定下下EhpH图图水的氧化还原与两个电对有关2H+2e=H2(g)E=0O2(g)+4H+4e=2H2O(l)E=+1.22据Nernst方程,若p(H2)=1 atm、p(O2)=1 atm :E=E+(0.059/2)lgH+2/p(H2)E=-0.059 pH :E=E+(0.059/4)lgp(O2)H+4/1 E=1.22
6、0.059 pH(1)水的Eh-pH图的结构水的稳定上限(Upper limit)水的稳定下限(Lower limit)水的氧化区水的还原区水的稳定区水水的的稳稳定定区区限限水水的的稳稳定定上上水的氧化区水的氧化区水的还原区水的还原区限限水水的的稳稳定定下下EhpH图图两个方程的意义 任何一个氧化剂在某一pH值的电极电势高于稳定上限,此氧化剂会将水氧化而分解出O2任何一个还原剂在某一pH值的电极电势低于稳定下限,此还原剂会将水还原而分解出H2任何一个还原剂在某一pH值的电极电势低于上限、同时又高于下限,那么水既不能被氧化、又不能被还原水水的的稳稳定定区区限限水水的的稳稳定定上上水的氧化区水的氧
7、化区水的还原区水的还原区限限水水的的稳稳定定下下EhpH图图(2)Eh-pH图的作用环境的任何组成,根据其Eh值和pH值,在Eh-pH图中都有相对的位置反映环境的氧化还原状态具可变化合价的元素,随着环境Eh值和pH值的不同,其存在价态也不同可通过环境在Eh-pH图中的位置确定某一元素的化合价态Eh高,可变化合价元素一般处于高价态Eh低,可变化合价元素一般处于低价态土壤水土壤水亚表层水亚表层水矿床氧矿床氧化带水化带水对养殖生产来说,确定某一水体在Eh-pH图中的位置,可以判断元素的存在形式、元素的迁移转化方式与途径,进而确定管理措施水体的层次不同,氧化还原状态不同,元素的存在形式也不同 SO42
8、-H2S2.天然水体内的一些界面作用天然水体内的一些界面作用Interface Effects in Natural Waters界面:不同相的物质之间的接触面界面:不同相的物质之间的接触面宏观上:气宏观上:气-液、水液、水-底质(沉积物)底质(沉积物)微观上:悬浮物及胶体与水间微观上:悬浮物及胶体与水间界面作用包括:吸附作用、絮凝作用、离子交界面作用包括:吸附作用、絮凝作用、离子交换作用、泡沫的气提和浮选作用换作用、泡沫的气提和浮选作用 一、吸附作用一、吸附作用 Absorption1、溶液表面的吸附现象、溶液表面的吸附现象Absorption Phenomenon on Solution
9、SurfaceWater has a very high surface tension.In other words,water is sticky and elastic,and tends to clump together in drops rather than spread out in a thin film.液体内部及表层分液体内部及表层分子受力情况示意图子受力情况示意图 内部质点内部质点所受引力所受引力在各个方向对在各个方向对等均匀等均匀所受力场所受力场在各个方向对在各个方向对称饱和,即处于平衡状态称饱和,即处于平衡状态即液体内部的分子即液体内部的分子处于平衡状态处于平衡状态
10、 表面质点表面质点所受引力所受引力不对等、不均匀不对等、不均匀所受力场所受力场不对称、不饱和不对称、不饱和 不平衡状态不平衡状态液液面面上上的的质质点点:总总处处于于不不平平衡衡状状态态,即即有有剩剩余余的的作作用用力力表表现现在在整整个个液液面面上上为为有有较较高高的的表表面能,其数学表达式为面能,其数学表达式为 E=S,其中,其中S为表面积,为表面积,为表面张力为表面张力 降低表面能的两个途径降低表面能的两个途径减小液体表面积减小液体表面积减小表面张力,即液面借以吸附其它物质来降低表面张力减小表面张力,即液面借以吸附其它物质来降低表面张力液液体体表表面面的的吸吸附附现现象象是是液液面面自自
11、发发趋趋向向于于降降低低表表面能的结果面能的结果2、表面活性物质、表面活性物质Surface-active Substance能降低液面表面张力(表面能)的物质,称为能降低液面表面张力(表面能)的物质,称为表面活性物质表面活性物质常为呈链状的有机分子常为呈链状的有机分子含含8-12 C原子,分子不对称:一端为亲水的极性基团,如原子,分子不对称:一端为亲水的极性基团,如-OH、-COOH等;另一端是憎水(亲气、亲油)的非极性基等;另一端是憎水(亲气、亲油)的非极性基团,如烃基(团,如烃基(-R)称为称为“两亲分子两亲分子”对养殖生产的影响对养殖生产的影响液面的吸附有可能形成有机皮膜液面的吸附有可
12、能形成有机皮膜阻碍液面的气体交换;阻碍液面的气体交换;降低进入水体的太阳能;有机物集结在表面,有利于分解矿降低进入水体的太阳能;有机物集结在表面,有利于分解矿化化 二、凝聚作用二、凝聚作用1、絮凝与凝聚、絮凝与凝聚胶体粒子互相碰撞,相互聚集成沉淀析出的过胶体粒子互相碰撞,相互聚集成沉淀析出的过程称为程称为“凝结凝结”,又称为,又称为“絮凝作用絮凝作用”,也称,也称为为“混凝作用混凝作用”、“凝聚作用凝聚作用”2、胶体(、胶体(colloid)的结构与带电)的结构与带电胶粒及粘土微粒的带电结构 、决定电位离子、决定电位离子+反离子吸附层反离子吸附层 反离子扩散层反离子扩散层或简作或简作 、nA-
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