环境化学计算题.docx
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环境化学计算题
环境化学计算题
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1、对流层和平流层中臭氧各自特征?
答:
①地球上90%的臭氧在平流层,10%在对流层;
②对流层中的臭氧是一种温室气体,其浓度与纬度、经度、高度和季节变化而变化,北半球比南半球高;
③平流层中的臭氧吸收了太阳发射到地球的大量对人类、动物和植物有害的紫外线,为地球提供了防止紫外线辐射的屏障;
④通过观测,平流层臭氧含量减少,对流层增多。
由于90%臭氧在平流层,所以总量在减少;
⑤对流层臭氧形成人为来源:
NOX光解反应是它们在大气中最重要的化学反应,是大气中臭氧生成的引发反应,也是臭氧唯一的人为来源:
2、2、已知某污染大气中HO2自由基的浓度为:
7.56×10-15molcm-3,HO2与SO2反应:
HO2+SO2→HO+SO3
反应速率k=9×10-16cm3个-1s-1,
(1)求SO2每小时的转化百分数(氧化速率);
(2)若定义SO2氧化到起始浓度的1/e(e=2.7183)所需要的时间为SO2与HO2反应的特征时间τ,计算τ值?
解:
(1)根据SO2在单位时间的转化百分数可知
HO2·与SO2反应:
于是1h二氧化硫转化的百分数为
已知k=9×10-16cm3个-1s-1=6.022×1023×9×10-16cm-3mol-1s-1
=5.4198×108cm-3mol-1s-1
所以:
(2)
k[SO2]t=1
t=1/5.4198×108×7.56×10-15=2.44×105s=67.8h
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,又需要加多少碱?
解:
总碱度=
总碱度=
令
当pH在5-9范围内、[碱度]≥10-3mol/L时,[H+]、[OH-]项可忽略不计,得到简化式:
当加入碳酸钠时,水体的cT和[碱度]值均发生变化,设需加xmmol/L碳酸钠才能使水体pH上升到8.0,则有下列式子:
即
解之,得:
x=1.069mmol/L
若加入强碱NaOH,其cT值并不变化,则有下列式子:
解之,得:
x=1.088mmol/L
5、具有2.00×10-3mol/L碱度的水,pH为7.00,请计算[H2CO3*]、[HC03-]、[C032-]和[OH-]的浓度各是多少?
解:
当pH为7.00时,[C032-]与[HC03-]相比可忽略,此时碱度全部由[HC03-]贡献
所以:
[HC03-]=[碱度]=2.00×10-3mol/L
[OH-]=1.00×10-7mol/L
根据酸的离解常数K1,可以计算出H2CO3*的浓度:
[H2CO3*]=[H+][HCO3-]/K1
=2.00×10-3×10-7/(4.45×10-7)
=4.49×10-4mol/L
代入K2的表示式计算[CO32-]:
[CO32-]=K2[HCO3-]/[H+]
=4.69×10-11×2.00×10-3/1.00×10-7
=9.38×10-7mol/L
6、若有水A,pH为7.5,其碱度为6.38mmol/L,水B的pH为9.0,碱度为0.80mmol/L,若以等体积混合,问混合后的pH值是多少?
解:
水A的
水B的
水A、水B以等体积混合后,
当pH在6-9范围内,主要考虑一级电离,二级电离可以忽略,则:
一级电离,pH在6-9范围内,碱度值主要由碳酸氢根贡献,则在等体积混合后碱度变化值有:
则,
根据
混合后水体的pH是7.62。
7、溶解1.00×10-4mol/L的Fe(N03)3,于1L具有防止发生固体Fe(OH)3沉淀作用所需最小[H+]浓度的水中,假定溶液中仅形成Fe(OH)2+和Fe(OH)2+而没有形成Fe2(OH)24+。
请计算平衡时该溶液中[Fe3+]、[Fe(OH)2+]、[Fe(OH)2+]、[H+]和pH。
解:
①
[Fe(OH)2+]=K1[Fe3+]/[H+]②
[Fe(OH)2+]=K2[Fe3+]/[H+]2③
将式②、③带入式①
[Fe3+]+K1[Fe3+]/[H+]+K2[Fe3+]/[H+]2=1×10-4mol/L
根据溶度积原则
[Fe3+][OH-]3=Ksp=10-38
[Fe3+]=104[H+]3⑤
联立④⑤,解之得
[Fe3+]=6.24×10-5mol/L
[H+]=10-2.72mol/L
pH=2.72
[Fe(OH)2+]=2.29×10-5mol/L
[Fe(OH)2+]=8.47×10-6mol/L
18、已知Fe3+与水反应生成的主要配合物及平衡常数如下:
请用pc-pH图表示Fe(OH)3在纯水中的溶解度与pH的关系。
解:
(1)
-lg[Fe3+]=-lgKsp+3pH+3lgKw
p[Fe3+]=pKsp+3pH-3×14=38+3pH-42=3pH-4
(2)
pK1+p[Fe3+]=p[Fe(OH)2+]+pH
2.16+3pH-4=p[Fe(OH)2+]+pH
p[Fe(OH)2+]=2pH-1.84
(3)
pK2+p[Fe3+]=p[Fe(OH)2+]+2pH
p[Fe(OH)2+]=2.74+pH
(4)
pK4+p[Fe3+]=p[Fe(OH)4-]+4pH
p[Fe(OH)4-]=19-pH
(5)
pK5+p[Fe3+]=p[Fe2(OH)24+]+4pH
p[Fe2(OH)24+]=2pH-5.1
25、从湖水中取出深层水,其pH=7.0,含溶解氧质量浓度为0.32mg/L,请计算pE和Eh。
解:
S=0.32mg/L则[O2(aq)]=10-5mol/L
[O2(aq)]=KH·PO2
PO2=[O2(aq)]/KH=7.94×102Pa
Eh=0.0059pE=0.77998v≈0.78v
26、在厌氧消化池中和pH=7.0的水接触的气体含65%的CH4和35%的CO2,请计算pE和Eh。
解:
PCO2=0.35PCH4=0.65
27、在一个pH为10.0的SO42--HS-体系中(25℃),其反应为
已知其标准自由能Gf0值(kJ/mol)S042-:
-742.0,HS-:
12.6,H2O(l):
-237.2,水溶液中质子和电子的Gf0值为零。
(1)请给出该体系的pE0。
(2)如果体系化合物的总浓度为1×10-4mol/L,那么请给出下图中①②③④的lgC-pE关系图
解:
(1)
=12.6+4×(-237.2)+742.0=-194.2kJ/mol
(2)
当
[HS-]>>[SO42-],HS-形态占绝对优势时,
[HS-]≈10-4mol/Llg[HS-]=-4.0
pE=4.26+lg[SO42-]/8-lg[HS-]
=4.26+lg[SO42-]/8+0.5
lg[SO42-]=8pE-38.08
当
,[HS-]<<[SO42-],SO42-形态占绝对优势时,
[SO42-]≈10-4mol/L,lg[SO42-]=-4.0
pE=4.26-0.5-lg[HS-]/8
lg[HS-]=-8pE+30.08
六、计算题
1.某发电厂的烟囱高度为21m,烟羽抬升高度为19m,地面风速2.6m/s,西北风向,SO2排放量为900kg/h。
计算清晨日出时,距离污染源1000m处SO2的地面轴线浓度?
(已知:
由P-G曲线查得σy为48m,σz为20m,大气处于弱稳定状态。
)
解:
烟羽抬升高度ΔH减少15%,得到:
ΔH=16.15m;源强Q=250g·s-1;清晨日出时,距烟囱1000m处SO2的地面轴线浓度为:
=0.0057(g·m-3)
2.在一个pH为6.5,碱度为1.6×10-3mol/L的水体中,
(1)需要加入多少mmol/L的碳酸钠才能使水体的pH上升到8.0?
(2)若用NaHO进行碱化,需要加入多少NaHO?
解:
pH=6.5,碱度=1.6×10-3mol/L;总碱度=CT(α1+2α2)+Kω/[H+]-[H+]=CT/α+Kω/[H+]-[H+]
1.6×10-3=CT/1.71+10-14/10-6.5-10-6.5CT=2.74×10-3mol/L
用强碱碱化至pH=8.0,CT不变,总碱度=2.74×10-3/1.018+10-6-10-8=2.69×10-3
ΔANaOH=2.69×10-3–1.6×10-3=1.09×10-3mol/L
用Na2CO3碱化至pH=8.0,设加入Na2CO3量为xmol/L,该过程中,CT→CT+x
总碱度=1.6×10-3+2x=(CT+x)/1.018,xNa2CO3=1.07×10-3mol/L
3.有两个不同的水体系,体系1中[Cu2+]=10-5mol/L,[Cu+]=10-4mol/L,体系2中[Fe3+]=10-3mol/L,[Fe2+]=10-1mol/L。
(1)分别求出二体系的pE?
(2)若二体系等体积混合,求出混合体系的pE,并说明哪一体系的电位为决定电位?
解:
Cu体系
;Fe体系
等体积混合,
Fe体系的电位是决定电位。
4.某工厂向河流稳定排放含酚污水,污水排放量为540m3/hr,酚的浓度为30.0mg/L,河流流量为5.00m3/s,流速为0.4m/s,酚的背景浓度为0.05mg/L,衰减速率常数为0.2d-1。
计算距排放口20km处河水中酚的浓度?
(忽略纵向弥散作用)
解:
稳态条件下忽略纵向弥散作用时:
=(5.00×0.05+540×30.0/3600)/(5.0+540/3600)=0.92(mg/L)
=0.92exp(-0.2×20000/0.4×86400)=0.82(mg/L)
5.具有2.00×10-3mol/L碱度的水,pH为7.0,计算[HCO3]、[HCO3-]、[CO3-2]和[HO-]的浓度?
解:
该条件下,[HCO3-]=碱度=2.00×10-3mol/L
在pH=7.00时,[H+]=[HO-]=1.00×10-7mol/L
根据;K1=
=4.45×10-7、[H+]和[HCO3-]浓度,求出[H2CO3]=4.49×10-4mol/L
据K2=
=4.68×10-11、[H+]、[HCO3-]浓度,求出[CO32-]=9.38×10-7mol/L
6.水A的pH为7.5,其碱度为6.38mmol/L,水B的pH为9.0,其碱度为0.80mmol/L,等体积混合水A和水B,计算混合后水体的pH?
解:
水A:
碱度=6.38mmol/L=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]=[HCO3-]
[CO32-]=K2[HCO3-]/[H+]=4.69×10-11×6.38/10-7.5=9.46×10-3mmol/L
[H2CO3*]=[H+][HCO3-]/K1=10-7.5×6.38/(4.45×10-7)=0.453mmol/L
[OH-]=10-6.5=3.16×10-7mol/L
水B:
碱度=0.80mmol/L=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]=[HCO3-]+2[CO32-]+10-5
[CO32-]=K2[HCO3-]/[H+]=4.69×10-11×[HCO3-]/10-9,[CO32-]=0.04mmol/L,[HCO3-]=0.76mmol/L,
[OH-]=10-5=0.01mmol/L,[H2CO3*]=0002mmol/L舍去)
水B+A:
B中的CO32-、OH-与A中的H2CO3反应生成HCO3-,
∴混合体系中[H2CO3*]=(0.453-0.04-0.01)/2=0.201mmol/L
[HCO3-]=(6.38+0.04×2+0.01+0.76)/2=3.61mmol/L
7.根据Langmuir方程描述吸附作用,假设溶液平衡浓度为3.00×10-3mol/L,溶液中每克悬浮物吸附溶质0.50×10-3mol/L,当平衡浓度降至1.00×10-3mol/L时,每克吸附剂吸附溶质0.25×10-3mol/L,计算每克吸附剂可以吸附溶质的限量?
解:
G=G0×c/(A+c)
G0=1.00×10-3A=3.00×10-3(mol·L-1g-1)
8.从湖水中取深层水的pH为7.0,含溶解氧浓度为0.32mg/L,计算pE和Eh值。
解:
1/4O2+H++e→1/2H2OpE0=20.75
根据亨利定律:
[O2]=KH·PO2=1.26×10-8·PO2=0.32mg/L×10-3÷32g/mol
∴PO2=793.65Pa,pE=pE0+lg[PO2]1/4[H+]
pE=20.75+1/4lg[793.65÷(1.013×105)]=13.22,由于pE=(1/0.059)E
∴E=0.059pE=0.059×13.22=0.78(V)
9.某有毒化合物排入pH为8.4,温度为25℃的水体中,90%的有毒物质被水体悬浮物吸附,已知,酸性水解速率常数KA=0,碱催化水解速率常数KB=.9×10-7L/(mold),中性水解速率常数Kh=1.6d-1,计算该化合物的水解速率常数?
解:
Kh=KN+αwKA[H+]+αwKB[OH-]=1.6+0.1(0×10-8.4+4.9×10-7×10-5.6)=1.6d-1
10.在试验水中牡蛎从水体吸收DDT的速率常数为69.09h-1,牡蛎消除DDT的速率常数为4.606×10-3h-1,设水体中DDT浓度为0.01mg/L并保持恒定。
求:
(1)BCF;
(2)牡蛎体内DDT的最大浓度;(3)牡蛎体内DDT浓度达到最大浓度的90%所需时间。
解:
;
;
11.表层土壤中Cd含量为4mg/kg,应用富集植物对其净化。
植物体内Cd的平均含量为100mg/kg,每公顷土地每次收获量植物为30000kg(干重),经过两次收获后,土壤中Cd的平均含量为多少mg/kg?
(假定:
土壤容重为1.5,即土壤的密度为1.5×103kg/m3,富集植物全部生长于土壤表层20cm内。
)
解:
1公顷土壤总质量=0.2m×10000×1.5×103=3×106kg
一次收获后土壤中Cd浓度
WCd=
∴BCF=100/3=33.3
设:
二次收获后土壤中Cd浓度为x,
所以:
x=2.25mg/kg
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