《环境化学》课后习题解答.docx

环境化学课后习题解答环境化学课后部分习题解答 第一章绪论 2、根据环境化学的任务、内容和特点以及发展动向，你认为怎样才能学好环境化学这门课？ 环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特征、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。环境化学以化学物质在环境中出现而引起环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标的一门新型科学。其内容主要涉及：有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态，潜在有害物质的来源，他们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生态系统以及人体健康产生效用的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。环境化学的特点是要从微观的原子、分子水平上来研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。目前，国界上较为重视元素的生物地球化学循环及其相互偶合的研究；重视化学品安全评价、臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问题。当前我国优先考虑的环境问题中与环境化学密切相关的是：以有机物污染为主的水质污染、以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空气污染；工业有毒有害废物和城市垃圾对水题和土壤的污染。 3、环境污染物有哪些类别？主要的化学污染物有哪些？ 按环境要素可分为：大气污染物、水体污染物和工业污染物。 按污染物的形态可分为：气态污染物、液态污染物和固体污染物； 按污染物的性质可分为：化学污染物、物理污染物和生物污染物。 主要化学污染物有： 1.元素:如铅、镉、准金属等。2.无机物：氧化物、一氧化碳、卤化氢、卤素化合物等 3.有机化合物及烃类：烷烃、不饱和脂肪烃、芳香烃、PAH等； 4.金属有机和准金属有机化合物：如,四乙基铅、二苯基铬、二甲基胂酸等； 5.含氧有机化合物：如环氧乙烷、醚、醛、有机酸、酐、酚等； 6.含氮有机化合物：胺、睛、硝基苯、三硝基甲苯、亚硝胺等； 7.有机卤化物：四氯化碳、多氯联苯、氯代二噁瑛； 8.有机硫化物:硫醇、二甲砜、硫酸二甲酯等； 9.有机磷化合物:磷酸酯化合物、有机磷农药、有机磷军用毒气等。 第二章：大气环境化学 4.影响大气中污染物迁移的主要因素是什么? 主要有：空气的机械运动如风和大气湍流的影响； 天气和地理地势的影响；污染源本身的特性。 7.大气中有哪些重要自由基?其来源如何? 大气中主要自由基有：HO、HO2、R、RO2 HO的来源：O3的光解：O3r 2 O+H2O 2HO HNO2的光解： HNO2 +r HO +NO H2O2的光解： H2O2 +r 2HO HO2的来源： 主要来自醛特别是甲醛的光解 H2CO +r H + HCO H + O2 + M HO2 + M HCO + O2 +M HO2 + CO + M 亚硝酸酯的光解：CH3ONO +r CH3O + NO CH3O + O2 HO2 + H2CO H2O2的光解：H2O2 +r 2HO HO + H2O2 HO2 + H2O R的来源：RH + O R + HO RH + HO R + H2O CH3的来源：CH3CHO的光解 CH3CHO +r CH3 + CHO CH3COCH3的光解 CH3COCH3 +r CH3 + CH3CO CH3O的来源：甲基亚硝酸酯的光解 CH3ONO +r CH3O + NO 甲基硝酸酯的光解 CH3ONO2 +r CH3O + NO2 RO2的来源：R + O2 RO2 9.叙述大气中NO转化为NO2的各种途径。 NO + O3 NO2 + O2 HO + RH R + H 2O R + O2 RO2 NO + RO2 NO2 + RO RO + O2 RCHO + HO 2 NO + HO2 NO2 + HO 13.说明烃类在光化学烟雾形成过程中的重要作用。 烷烃可与大气中的HO和O发生摘氢反应。 RH + HO R + H2O RH + O R + HO R + O2 RO 2 RO2 + NO RO + NO2 RO + O2 RCHO + HO 2 RO + NO2 RONO2 另外：RO2 + HO2 ROOH + O2 ROOH +r RO + HO 烯烃可与HO发生加成反应，从而生成带有羟基的自由基。它可与空气中的O2结合成相应的过氧自由基，由于它有强氧化性，可将NO氧化成NO2，自身分解为一个醛和CH2OH。如乙和丙稀。 CH = CH + HO CH 2CH2OH CH3CH = CH2 CH 3CHCH2OH + CH3CH(OH)CH2 CH2CH2OH + O2 CH2(O2)CH2OH CH2(O2)CH2OH + NO CH2(O)CH2OH + NO2 CH2(O)CH2OH CH 2 O + CH2OH CH2(O)CH2OH + O2 HCOCH 2OH + HO2 CH2OH + O2 H 2 CO + HO 2 烯烃还可与O3发生反应，生成二元自由基，该自由基氧化性强，可氧化NO和SO2等生成相应的醛和酮。光化学反应的链引发反应主要是NO2的光解，而烷烃和稀烃均能使NO转化为NO2，因此烃类物质在光化学反应中占有很重要的地位。 19影响酸雨形成的因素主要有 酸性污染物的排放及其转化条件。 大气中NH3的含量及其对酸性物质的中和性。 大气颗粒物的碱度及其缓冲能力。 天气形势的影响。 20什么是大气颗粒物的三模态？如何识别各种粒子膜 答 依据大气颗粒物按表面积与粒径分布关系得到了三种不同类型的粒度模，并用它来解释大气颗粒物的来源与归宿，即爱根核模，积聚模，粗粒子模。 爱根模：Dp0.05M 积聚模：0.05Dp2M 粗粒子模：Dp2M。 第三章 水环境化学 4. 在一个pH为6.5、碱度为1.6mmol/L的水体中，若加入碳酸钠使其碱化，问需加多少mmol/L的碳酸钠才能使水体pH上升至8.0。若用NaOH强碱进行碱化，又需加入多少碱? 解：(1) 查表知pH = 6.5时, = 1.710 CT = 碱度× = 1.6×1.710 mmol/l = 2.736mmol/l 。 设加入的Na2CO3为n mmol/l 查表知：当pH = 8.0时, = 1.018 CT = CT + n -(1) CT = 碱度×由 (1)、和解得：n = 1.07 mmol/l 。 加入NaOH后CT不变 碱度=CT=2.7361.028=2.688mmol/L -(2) 碱度= 1.6 +2 n -(3) a碱度的增加值就应是加入的NaOH的量。 A = 碱度 碱度 = 2.688 1.6 = 1.088mmol/l *5 具有2.00×10-3mol/L碱度的水，pH为7.00，请计算éù、éHCO3-ù、éCO32-ù和éOH-ù的浓度各ëûëH2CO3ûëûëû*是多少？ 解:当pH = 7.00时,CO3-的浓度与 HCO3-的浓度相比可以忽略,查表pH = 7.00时, = 1.224, 则HCO3- = 碱度 = 2.00×10-3mol/l/l。 +-7H = OH = 10 mol/l。 HCO3 = H+HCO3-/K1 = 1.00×10-7×2.00×10-3/(4.55×10-7) = 4.49×10-4mol/l。 CO3 = K2HCO3/H = 4.69×10×2.00×10/(1.00×10) = 9.38×10 mol/l。 6. 若有水A，pH为7.5，其碱度为6.38 mmol/L，水B的pH为9.0，碱度为0.80 mmol/L，若以等体积混合，问混合后的pH值为多少？ 解: 查表 pH = 7.5时, 1 = 1.069, pH = 9.0时, 2 = 0.9592; CT1 = 碱度×1 = 6.38×1.069 = 6.82 mmol/l CT2 = 碱度×2 = 0.80×0.959 = 0.767 mmol/l; 混合后CT=碱度=-+-11-3-7-7CT1+CT22=6.82+0.772=3.79mmol/L 6.38+0.802=3.59mmol/L a=CT碱度=3.793.59=1.005 查表知pH = 7.58 +ù浓度的水中，7. 溶解1.00×10-4mol/L的Fe(NO3)3于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小é假Hëû定溶液中仅形成FeOHéFe(OHëéFe(OHë2+和FeOHù、éHëû+2+，而没有形成Fe2OH24+3+ù、。请计算平衡时该溶液中éFeëû)2+ù、éFe(OHûë)2+-5ù和pH。éFe3+ù=6.24×10mol/L、éFe(OHëûûë)2+-5ù=2.92×10mol/L、û)2+-6ù=8.47×10mol/L、pH =2.72 û3+2+-4解：由题意知 Fe + Fe(OH) + Fe(OH)2 = 1.00×10 mol/l； Fe(OH)2+H+/Fe3+ = 8.9×10-4 (2) Fe(OH)2+H+2/Fe3+ = 4.9×10-7 (3) QFe3+3OH-=Fe33+KWH+3=KSP 查表知Fe(OH)3的KSP = 3.2×10-38 代入(1)得H+ = 1.9×10-3mol/l (pH =2.72) 3+4+34-3×3-5Fe = 3.2×10H = 3.2×10×1.9×10 = 6.24×10 mol/l； Fe(OH)2 = 4.9×10Fe/H = 4.9×10 KSPH/ KW = 15.68×10×1.9×10 = 8.47×10mol/l； Fe(OH) = 8.9×10Fe/H = 8.9×10 KSPH/ KW = 28.48×(1.9×10) = 2.92×10mol/l。 19. 已知Hg2+2H2OéHg(OHë2H+-73+2+-7+3-3-3-62+-43+-40+23-32-5+Hg(OH)2,lgK=-6.3。溶液中存在éHë+ù、éOHûë-ù、éHgûë2+ù、û)20ù和éClO-ù等形态，且忽略éHg(OH4ûëûë)+-5ù和离子强度效应，求1.0×10mol/L的éHg(ClO4)ù溶ë2ûû液在25时的pH值。 解：Hg2+ +2H2O = 2H+ + Hg(OH)2 lg K= -6.3 得: K = 10-6.3 K=HHg(OH)2Hg2+20 得 H=+210-6.3Hg2+0Hg(OH)2由物料守恒得：Hg2+ + Hg(OH)20 = 1.0×10-5 mol/l (2) 由电荷守恒得：H+ + 2Hg2+ = ClO4- + OH- Hg2+水解体系显酸性,OH-10-7,与ClO4-的浓度相比可忽略不计。 可得：H+ + 2Hg2+ClO4- = 2×10-5 +-4.7+-4.7、联立求解得：H = 10；则pH = -lgH = -lg10 = 4.7。 21.解：已知 PbCO3(S) + HT2- = PbT- + HCO3- K = 4.06×10-2 可得:K=PbT-HCO2-3HT ；由可得：HTPbT2-=HCOK-3由得：PbTHT-2-2-+HT=HCO-3-3K+HCO=1.25´104.06´10-2-3-3+1.25´10=2.99% 25. 从湖水中取出深层水，其pH7.0，含溶解氧浓度为0.32mg/L，请计算pE和Eh。 解：水中的溶解氧为：0.32mg/l,故其pO2 = 7.94×102 Pa 天然水的pE = 20.75 + lg( pO2/1.103×105)0.25 ×H+ = 20.75 + lg(7.94×102/1.103×105)0.25 ×1.0×10-7 = 20.75 + (-0.547) = 13.21。 E=p E×0.059=0.78V 27 在一个pH为10.0的SO42-HS-体系中，其反应为： SO402-+9H+8eÛHS-+4H2O(l) 0-已知其标准自由能Gf值SO4：-742.0，HS：12.6，H2O(l)：-237.2，水溶液中质子和电子的Gf2-值为零。 请给出该体系的pE。 如果体系化合物的总浓度为1.0×10mol/L，那么请给出下图中、和和的lgc-pE关系式。-400.解：SO42- + 9H+ + 8e = HS- + 4H2O 0 G = 12.6 237.2×4 + 742.0 = 194.2 ( kj) 又 G0 = 2.303nRT(pE0) QpE0=DG0-2.303nRTHS2-+=-194.2-2.303´8´8.314´298=4.25 K=98SO4HelgK = lgHS- lgSO42- lgH+9lge8 又lgK = npE0 8 pE = lgHS lgSO4 + 9×10.0 + 8pE lgHS lgSO4 + 8pE = 8×4.25 90 = 56 -2-4 HS + SO4 = 1.0×10 10 当 pEpE0 时,溶液给出电子的倾向很高。 HS- C总 = 1.0×10-4 mol/l。 lgHS- = 4.0 由(1)得lgSO42- = 52 + 8 pE。 20当 pEpE0 时, 溶液接受电子的倾向很强。 SO42- C总 = 1.0×10-4 mol/l。 lgSO42- = 4.0 由(1)得lgHS- = -60 pE。 29.解：已知苯并a芘 Kow = 10 Koc = 0.63Kow = 0.63×106 = 6.3×105 Kp = Koc0.2(1f)XOC + fXOC = 6.3×0.2(10.7)×0.05 + 0.70×0.10 = 4.6×10 30.解：已知 Ka = 0, H+ = 10-8.4 Kn = 1.6 Kb = 4.9×10-7 Kh = KaH+ + Kn + KbKw/H+ = 0 + 1.6 + 4.9×10-7×10-5.6 = 1.6 (d-1) 32.解：Koc = 0.63Kow Kp = Koc0.2(1f)XSOC + fXfOC = 0.63×3.0×1050.2(10.70)×0.02 + 0.70×0.05 = 6.84×103 QCW=CT1+KPCPSf46-2-0-2- aW=CWCT=11+KPCP=11+2.00´10-63´6.84´10=0.42 Kh = Kn +w(KAH+ + KBOH-) = 0.05 + 0.42×(1.7×10-8 + 2.6×106×10-6) = 1.14 (d-1) KT = Kh + Kp + KB = 1.14 + 24×0.02 + 0.2 = 1.82 (d-1)。 33 某河段流量Q2160000m/d，流速为46km/d，T=13.6，耗氧系数K10.94d，复氧系数K21.82 d，BOD沉浮系数K30.17 d-1，起始断面排污口排放的废水约为10×104m3/d，废水中含BOD5500mg/L，溶解氧为0 3-1-1mg/L，上游河水BOD50 mg/L，溶解氧为8.95 mg/L，求排污口下游6km处河水的BOD5和氧亏值。 .解： L0=Q´0+q´500Q+q=10´10´5002160000+1054=22.12 由Tomas模型知： L = L0exp-x/u = 22.12exp-(0.94+0.17)×6×10/4.6×10 = 19.14mg/l。 C0=2160000´8.952160000+10533=8055mg/L 查表知: 13时,C饱和 = 10.60mg/l ； 14时，C饱和 = 10.37mg/l。 由间插法计算13.6时的C饱和。10.60(10.6010.37)×6/10 = 10.46 (2) 10.37+(10.6010.37)×4/10 = 10.46 D0 = C饱和C0 = 10.468.55 = 1.91(mg/l) D = D0exp(- k2x/u )k1 L0/(k1+k3-k2)exp- (k1+k3)x/uexp(- k2 x/u ) = 1.91×exp-(1.82×6)/46(0.94×22.12)/(0.94+0.171.82)exp-(0.94+0.17)×6/46exp(-1.82×6/46) = 3.7mg/l。 第四章 土壤环境化学 1什么是土壤的活性酸度与潜性酸度？试用它们二者的关系讨论我国南方土壤酸度偏高的原因。 根据土壤中H+的存在方式，土壤酸度可分为活性酸度与潜性酸度两大类。 活性酸度：土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称有效酸度，通常用pH表示。 潜性酸度：土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和Al3+。当这些离子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们经离子交换作用进入土壤溶液后，即可增加土壤溶液的H+浓度，使土壤pH值降低。 南方土壤中岩石或成土母质的晶格被不同程度破坏，导致晶格中Al3+释放出来，变成代换性Al3+，增加了土壤的潜性酸度，在一定条件下转化为土壤活性酸度，表现为pH值减小，酸度偏高。 2土壤的缓冲作用有哪几种？举例说明其作用原理。 土壤缓冲性能包括土壤溶液的缓冲性能和土壤胶体的缓冲性能： 土壤溶液的缓冲性能：土壤溶液中H2CO3、H3PO4、H4SiO4、腐殖酸和其他有机酸等弱酸及其盐类具有缓冲作用。以碳酸及其钠盐为例说明。向土壤加入盐酸，碳酸钠与它生成中性盐和碳酸，大大抑制了土壤酸度的提高。 Na2CO3 + 2HCl2NaCl + H2CO3 当加入Ca(OH)2时，碳酸与它作用生成难溶碳酸钙，也限制了土壤碱度的变化范围。 H2CO3 + Ca(OH)2CaCO3 + 2H2O 土壤中的某些有机酸是两性物质，具有缓冲作用，如氨基酸既有氨基，又有羧基，对酸碱均有缓冲作用。 NH2RCHCOOH+ HClRCHCOOH NH3ClNH2RCHCOOH+ NaOHRCHNH2+ H2OCOONa土壤胶体的缓冲作用：土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用。 对酸缓冲： 土壤胶体 MHCl土壤胶体 HMCl对碱缓冲： 土壤胶体 HMOH3+土壤胶体 MH2OAl对碱的缓冲作用：在pH小于5的酸性土壤中，土壤溶液中Al有6个水分子围绕，当OH增多时，Al周围的6个水分子中有一、二个水分子离解出H+，中和OH-： 2Al(H2O)6 + 2OH3 3+3+Al2(OH)2(H2O)8 + 4H2O 4+3植物对重金属污染产生耐性作用的主要机制是什么？ 不同种类的植物对重金属的耐性不同，同种植物由于其分布和生长的环境各异可能表现出对某种重金属有明显的耐性。 植物根系通过改变根系化学性状、原生质泌溢等作用限制重金属离子的跨膜吸收。 重金属与植物的细胞壁结合，而不能进入细胞质影响细胞代谢活动，使植物对重金属表现出耐性。 酶系统的作用。耐性植物中酶活性在重金属含量增加时仍能维持正常水平，此外在耐性植物中还发现另一些酶可被激活，从而使耐性植物在受重金属污染时保持正常代谢过程。 形成重金属硫蛋白或植物络合素，使重金属以不具生物活性的无毒螯合物形式存在，降低了重金属离子活性，从而减轻或解除其毒害作用。 4举例说明影响农药在土壤中进行扩散和质体流动的因素有哪些？ 影响农药在土壤中扩散的因素主要是土壤水分含量、吸附、孔隙度、温度及农药本身的性质等： 土壤水分含量：研究表明林丹的汽态和非汽态扩散情况随土壤水分含量增加而变化。 吸附：土壤对农药的吸附改变了其扩散的情况，如土壤对2,4-D的化学吸附，使其有效扩散系数降低了，两者呈负相关关系。 土壤紧实度：土壤紧实度对农药的扩散的情况有影响是因为对于以蒸汽形式进行扩散的化合物来说，增加紧实度就降低了土壤孔隙率，扩散系数就自然降低了。如二溴乙烷、林丹等农药在土壤中的扩散系数随紧实度增加而降低。 温度：温度增高的总效应是使扩散系数增大。 气流速度：气流速度可直接或间接地影响农药的挥发。如果空气的相对湿度不是100%，那么增加气流就促进土壤表面水分含量降低，可以使农药蒸汽更快地离开土壤表面，同时使农药蒸汽向土壤表面运动的速度加快。 农药种类：不同农药的扩散行为不同。如有机磷农药乐果和乙拌磷在Broadbalk粉砂壤土中的扩散行为就是不同的。 影响农药在土壤中质体流动的因素有农药与土壤的吸附、土壤种类和农药种类等。 农药与土壤吸附：非草隆、灭草隆、敌草隆、草不隆四种农药吸附最强者移动最困难，反之亦然。 土壤种类：土壤有机质含量增加，农药在土壤中渗透深度减小；增加土壤中粘土矿物的含量，农药的渗透深度也减小。 农药种类：不同农药在土壤中通过质体流动转移的深度不同。如林丹和DDT。 5比较DDT和林丹在环境中的迁移、转化与归趋的主要途径与特点。 DDT和林丹迁移转化、归趋主要途径与特点比较如下表所示： 迁移转化、归趋途径 特点 1）在土壤中移动不明显，易被吸附 2）通过根系渗入植物体 DDT 3）在土壤中按还原、氧化和脱氯化氢等机理被微生物降解 4）光解 1） 不溶于水，高亲脂性，易通过食物链放大，积累性强 2）挥发性小，持久性高 3）在缺氧和高温时降解速度快 4）南方水田里DDT降解快于北方 林丹 1）从土壤和空气转入水体 2）挥发而进入大气 3）在土壤生物体内积累 4）植物积累 1） 易溶于水 2） 挥发性强，持久性低 3） 在生物体内积累性较DDT低 6试述有机磷农药在环境中的主要转化途径，并举例说明其原理。 有机磷农药在环境中转化途径有非生物降解和生物降解。 有机磷农药的非生物降解 吸附催化水解：吸附催化水解是有机磷农药在土壤中降解的主要途径。如地亚农等硫代硫酸酯的水解反应如下 S2POR，S+H2O (H或OH)+-2POH+ R，OH光降解：有机磷农药可发生光降解反应，如辛硫磷在253.7nm的紫外光下照射30小时，其光解产物如下 O(C2H5O)2PSNCNCOS(C2H5O)2PONCNC(C2H5O)2POOP(OC2H5)2O(C2H5O)2PSP(OC2H5)2(辛硫磷）O(C2H5O)2PONCNC有机磷农药的生物降解 有机磷农药在土壤中被微生物降解是它们转化的另一条重要途径。化学农药对土壤微生物有抑制作用。同时，土壤微生物也会利用有机农药为能源，在体内酶或分泌酶的作用下，使农药发生降解作用，彻底分解为CO2和H2O。如马拉硫磷被绿色木霉和假单胞菌两种土壤微生物以不同方式降解，其反应如下： SH2O(CH3O)2PSH+ HOCHCOOC2H5CH2COOC2H5S(CH3O)2PSCHCOOC2H5CH2COOC2H5绿色木霉CH3OHOS(CH3O)2PSCHCOOHCH2COOC2H5SPSCHCOOC2H5CH2COOC2H5S(CH3O)2PSCHCOOHCH2COOH第五章 生物体内污染物质的运动过程及毒性 1.在试验水中某鱼体从水中吸收有机污染物质A的速率常数为18.76h,鱼体消除A的速率常数为2.38×10h；设A在鱼体内起始浓度为零，在水中的浓度可视作不变。计算A在该鱼体内的浓缩系数及其浓度达到稳态浓度95%时所需的时间。 解：A在鱼体内的起始浓度为零，且在水中的浓度可视为不变，相当于t时， BCF = Cf/Cw = ka/ke -2 BCF = ka/ke = 18.76/2.38×10 = 788.2； QCf-1-2-1=kaCWke1-exp(-ket) 稳态浓度为 kaCWke 0.95kaCWke=1-exp(-ket)kaCWke得：0.95 = 1 exp(-2.38×10-2t) 0.05 = exp(-2.38×10-2t) 两边取ln得：-2.996 = - 2.38×10-2 t ,解得：t = 125.88(h) = 5.25(d)。 2.(1) CO2 ；(2) CH3COOH ； (3) NH3； (4) CoASH; (5) H2O； (6) CH3COSCoA ； (7) HOOCCH2-COCOOH ； (8) H2O ； (9) CoASH ； (10) CH2COOH ；(11)三羧酸循环； NO2 ；硝化。 HOCCOOH CH2COOH -