环境化学》戴树桂第二版课后习题答案Word文档下载推荐.docx

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（6）体会：

氧、碳、氮、磷和硫等营养元素的生物地球化学循环是地球系统的主要构成部分，它涉及地层环境中物质的交换、迁移和转化过程，是地球运动和生命过程的主要营力。

3．根据环境化学的任务、内容和特点以及其发展动向，你认为怎样才能学好环境化学这门课程

（1）环境化学的任务、内容、特点：

环境化学是在化学科学的传统理论和方法基础上发展起来的，以化学物质在环境中出现而引起的环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标的一门新兴学科。

环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。

它既是环境科学的核心组成部分，也是化学科学的一个新的重要分支。

（2）环境化学的发展动向：

国际上较为重视元素（尤其是碳、氮、硫、磷）的生物地球化学循环及其相互耦合的研究；

重视化学品安全评价；

重视臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问题。

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；

工业有毒有害废弃物和城市垃圾对大气、水和土地的污染等。

（3）我对学好这门课的观点：

环境化学包含大气、水体和土壤环境化学多个分支学科，研究有害化学物质在大气、水体和土壤环境中的来源、存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法。

这就决定了环境化学研究中需要运用现场研究、实验室研究、实验模拟系统研究和计算机模拟研究相结合的系统研究方法，主要以化学方法为主，还要配以物理、生物、地学、气象学等其他学科的方法。

因此，要求研究人员具有较广泛的各相关学科的理论知识和实验动手能力。

我们在日常学习中应当以开阔的视野，除了环境化学之外，广泛涉猎各相关学科，并注重培养自己的实验操作，如此才可能学好这门课。

4．举例简述污染物在环境各圈的迁移转化过程。

以汞为例，说明其在环境各圈层的迁移转化过程，见下图。

汞在环境中的存在形态有金属汞、无机汞化合物和有机汞化合物三种。

在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞。

甲基汞脂溶性大，化学性质稳定，容易被鱼类等生物吸收，难以代谢消除，能在食物链中逐级放大。

甲基汞可进一步转化为二甲基汞。

二甲基汞难溶于水，有挥发性，易散逸到大气中，容易被光解为甲烷、乙烷和汞，故大气中二甲基汞存在量很少。

在弱酸性水体（pH4～5）中，二甲基汞也可转化为一甲基汞。

《大气环境化学》重点习题及参考答案

3．大气中有哪些重要污染物说明其主要来源和消除途径。

环境中的大气污染物种类很多，若按物理状态可分为气态污染物和颗粒物两大类；

若按形成过程则可分为一次污染物和二次污染物。

按照化学组成还可以分为含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物和含卤素化合物。

主要按照化学组成讨论大气中的气态污染物主要来源和消除途径如下：

（1）含硫化合物

大气中的含硫化合物主要包括：

氧硫化碳（COS）、二硫化碳（CS2）、二甲基硫（CH3）2S、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）、硫酸（H2SO4）、亚硫酸盐（MSO3）和硫酸盐（MSO4）等。

大气中的SO2（就大城市及其周围地区来说）主要来源于含硫燃料的燃烧。

大气中的SO2约有50%会转化形成H2SO4或SO42-，另外50%可以通过干、湿沉降从大气中消除。

H2S主要来自动植物机体的腐烂，即主要由植物机体中的硫酸盐经微生物的厌氧活动还原产生。

大气中H2S主要的去除反应为：

HO+H2S→H2O+SH。

（2）含氮化合物

大气中存在的含量比较高的氮的氧化物主要包括氧化亚氮（N2O）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。

主要讨论一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），用通式NOx表示。

NO和NO2是大气中主要的含氮污染物，它们的人为来源主要是燃料的燃烧。

大气中的NOx最终将转化为硝酸和硝酸盐微粒经湿沉降和干沉降从大气中去除。

其中湿沉降是最主要的消除方式。

（3）含碳化合物

大气中含碳化合物主要包括：

一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）以及有机的碳氢化合物（HC）和含氧烃类，如醛、酮、酸等。

CO的天然来源主要包括甲烷的转化、海水中CO的挥发、植物的排放以及森林火灾和农业废弃物焚烧，其中以甲烷的转化最为重要。

CO的人为来源主要是在燃料不完全燃烧时产生的。

大气中的CO可由以下两种途径去除：

土壤吸收（土壤中生活的细菌能将CO代谢为CO2和CH4）；

与HO自由基反应被氧化为CO2。

CO2的人为来源主要是来自于矿物燃料的燃烧过程。

天然来源主要包括海洋脱气、甲烷转化、动植物呼吸和腐败作用以及燃烧作用等。

甲烷既可以由天然源产生，也可以由人为源产生。

除了燃烧过程和原油以及天然气的泄漏之外，产生甲烷的机制都是厌氧细菌的发酵过程。

反刍动物以及蚂蚁等的呼吸过程也可产生甲烷。

甲烷在大气中主要是通过与HO自由基反应被消除：

CH4+HO→CH3+H2O。

（4）含卤素化合物

大气中的含卤素化合物主要是指有机的卤代烃和无机的氯化物和氟化物。

大气中常见的卤代烃以甲烷的衍生物，如甲基氯（CH3Cl）、甲基溴（CH3Br）和甲基碘（CH3I）。

它们主要由天然过程产生，主要来自于海洋。

CH3Cl和CH3Br在对流层大气中，可以和HO自由基反应。

而CH3I在对流层大气中，主要是在太阳光作用下发生光解，产生原子碘（I）。

许多卤代烃是重要的化学溶剂，也是有机合成工业的重要原料和中间体，如三氯甲烷（CHCl3）、三氯乙烷（CH3CCl3）、四氯化碳（CCl4）和氯乙烯（C2H3Cl）等均可通过生产和使用过程挥发进入大气，成为大气中常见的污染物。

它们主要是来自于人为源。

在对流层中，三氯甲烷和氯乙烯等可通过与HO自由基反应，转化为HCl，然后经降水而被去除。

氟氯烃类中较受关注的是一氟三氯甲烷（CFC－11或F－11）和二氟二氯甲烷（CFC－12或F－12）。

它们可以用做致冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。

大气中的氟氯烃类主要是通过它们的生产和使用过程进入大气的。

由人类活动排放到对流层大气中的氟氯烃类化合物，不易在对流层被去除，它们在对流层的停留时间较长，最可能的消除途径就是扩散进入平流层。

4.影响大气中污染物迁移的主要因素是什么

主要有：

（1）空气的机械运动如风和大气湍流的影响；

（2）天气和地理地势的影响；

（3）污染源本身的特性。

6.太阳发射光谱和地面测得的太阳光谱有何不同为什么

太阳辐射的光谱包括红外线、可见光和紫外线等，其经过大气层被削弱了约一半，其中紫外线和红外线被极大的削弱所剩无几，但可见光却几乎都能到达地表，其比重也由47%上升到92%。

即光谱分布就不同了。

7．大气中有哪些重要的自由基其来源如何

大气中存在的重要自由基有HO、HO2、R（烷基）、RO（烷氧基）和RO2（过氧烷基）等。

它们的来源如下：

（1）HO来源

对于清洁大气而言，O3的光离解是大气中HO的重要来源：

对于污染大气，如有HNO2和H2O2存在，它们的光离解也可产生HO：

其中HNO2的光离解是大气中HO的重要来源。

（2）HO2的来源

大气中HO2主要来源于醛的光解，尤其是甲醛的光解：

任何光解过程只要有H或HCO自由基生成，它们都可与空气中的O2结合而导致生成HO2。

亚硝酸酯和H2O2的光解也可导致生成HO2：

如体系中有CO存在：

（3）R的来源

大气中存在量最多的烷基是甲基，它的主要来源是乙醛和丙酮的光解：

这两个反应除生成CH3外，还生成两个羰基自由基HCO和CH3CO。

O和HO与烃类发生H摘除反应时也可生成烷基自由基：

（4）RO的来源

大气中甲氧基主要来源于甲基亚硝酸酯和甲基硝酸酯的光解：

（5）RO2的来源

大气中的过氧烷基都是由烷基与空气中的O2结合而形成的：

9.叙述大气中NO转化为NO2的各种途径。

①NO+O3NO2+O2

②HO+RHR+H2OR+O2RO2NO+RO2NO2+ROR`CHO+HO2（R`比R少一个C原子）RO+O2NO+HO2NO2+HO

10．大气中有哪些重要的碳氢化合物它们可发生哪些重要的光化学反应

甲烷、石油烃、萜类和芳香烃等都是大气中重要的碳氢化合物。

它们可参与许多光化学反应过程。

（1）烷烃的反应：

与HO、O发生H摘除反应，生成R氧化成RO2与NO反应

RH+OH→R+H2O

RH+O→R+HO

R+O2→RO2

RO2+NO→RO+NO2

（2）烯烃的反应：

与OH主要发生加成、脱氢或形成二元自由基

加成：

RCH=CH2+OH→RCH（OH）CH2

RCH（OH）CH2+O2→RCH（OH）CH2O2

RCH（OH）CH2O2+NO→RCH（OH）CH2O+NO2

脱氢：

RCH=CH2+HO→RCHCH2+H2O

生成二元自由基：

二元自由基能量很高，可进一步分解为两个自由基以及一些稳定产物。

另外，它可氧化NO和SO2等：

R1R2COO+NO→R1R2CO+NO2

R1R2COO+SO2→R1R2CO+SO3

（3）环烃的氧化：

以环己烷为例

（4）芳香烃的氧化

（a）单环芳烃：

主要是与HO发生加成反应和氢原子摘除反应。

生成的自由基可与NO2反应，生成硝基甲苯：

加成反应生成的自由基也可与O2作用，经氢原子摘除反应，生成HO2和甲酚：

生成过氧自由基：

（b）多环芳烃：

蒽的氧化可转变为相应的醌

它可转变为相应的醌：

（5）醚、醇、酮、醛的反应

它们在大气中的反应主要是与HO发生氢原子摘除反应：

CH3OCH3+HO→CH3OCH2+H2O

CH3CH2OH+HO→CH3CHOH+H2O

CH3COCH3+HO→CH3COCH2+H2O

CH3CHO+HO→CH3CO+H2O

上述四种反应所生成的自由基在有O2存在下均可生成过氧自由基，与RO2有相类似的氧化作用。

11.碳氢化合物参与的光化学反应对各种自由基的形成有什么贡献

OH+RH—H2O+R

M+R+O2-RO2+M

RO2+NO-RO+NO2

RO2+O2-HO2+羰基化合物

RH为碳氢化合物

12.说明光化学烟雾现象，解释污染物与产物的日变化曲线，并说明光化学烟雾产物的性质与特征。

（1）光化学烟雾现象：

主要含有氮氧化物和碳氢化合物等一次性污染物的大气，在阳光照射下发生化学反应而产生二次污染物。

这种由一次和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象称为光化学烟雾。

因最早（1940年）在美国洛杉矶首先出现，又称洛杉矶型烟雾。

（2）性质与特征：

烟雾蓝色；

具有强氧化性，能使橡胶开裂；

对眼睛、呼吸道等有强烈刺激，并引起头痛、呼吸道疾病恶化，严重可造成死亡；

对植物叶子有害，能使大气能见度降低；

刺激物浓度峰值出现在中午和午后；

污染区域出现在污染源下风向几十到几百公里的范围内。

（3）日变化曲线：

白天生成夜晚消污失；

染物浓度峰值出现在中午和午后；

烃类和NO发生在早上交通高峰时节，此时NO2浓度很低；

随太阳辐射增强，O3和NO2浓度逐渐增加，到中午已经较高。

一般O3和NO2浓度峰值比NO浓度峰值晚出现4-5小时。

推断：

O3和NO2主要是二次污染物。

傍晚虽交通繁忙，但日光较弱，不足以引起光化学反应。

13．说明烃类在光化学烟雾形成过程中的重要作用。

光化学烟雾形成过程是由多种自由基参与的一系列反应，NO2和醛的光解可引发O、H自由基的产生，而烃类RH的存在又是自由基转化和增殖为数量大，种类多的根本原因。

烃类在光化学烟雾形成过程中占有很重要的地位。

RH+HO→R+H2O

H+O2→HO2

RCO+O2→RC（O）OO

其中R为烷基、RO2为过氧烷基，RCO为酰基、RC（O）OO[RC（O）O2]为过氧酰基。

通过如上途径生成的HO2、RO2和RC（O）O2均可将NO氧化成NO2。

14.何谓有机物的反应活性如何将有机物按反应活性分类

（1）有机物的反应活性：

有机物的反应活性是指反应难易程度。

反应中有些中间体能增加反应活性。

正催化剂能产生容易反应的中间体，改变反应历程，缩短反应时间。

（2）分类：

按有机物所含官能团分类：

烷、烯、炔、醇、酮、苯、酚、醚、羧酸、糖等。

15.简述大气中S02氧化的几种途径。

（1）SO2气相氧化：

SO2首先氧化成SO3，随后S03被水吸收成硫酸，形成酸雨或硫酸烟雾。

硫酸与大气中的NH4+等阳离子结合生成硫酸盐气溶胶。

①S02的直接光氧化；

②SO2被自由基氧化。

（2）SO2液相氧化：

大气中存在少量水和颗粒物。

SO2可溶于大气中液体水，也可被大气颗粒物吸附，并溶解在颗粒物表面所吸附的水中。

于是SO2便可发生液相反应。

①S02液相平衡；

②O3对SO2氧化；

③H2O2对SO2氧化；

④金属离子对SO2液相氧化催化作用。

17.说明酸雨形成的原因

酸性降水是指通过降水，如雨、雪、雾、冰雹等将大气中的酸性物质迁移到地面的过程。

最常见的就是酸雨。

这种降水过程称为湿沉降。

酸雨现象是大气化学过程和大气物理过程的综合效应。

酸雨中含有多种无机酸和有机酸，其中绝大部分是硫酸和硝酸，多数情况下以硫酸为主。

从污染源排放出来的SO2和NOx是形成酸雨的主要起始物，其形成过程为：

SO2+[O]→SO3

SO3+H2O→H2SO4

SO2+H2O→H2SO3

H2SO3+[O]→H2SO4

NO+[O]→NO2

2NO2+H2O→HNO3+HNO2

大气中的SO2和NOx经氧化后溶于水形成硫酸、硝酸和亚硝酸，这是造成降水pH降低的主要原因。

除此之外，还有许多气态或固态物质进入大气对降水的pH也会有影响。

大气颗粒物中Mn、Cu、Ν等是酸性气体氧化的催化剂。

大气光化学反应生成的O2和HO2等又是使SO2氧化的氧化剂。

因此，降水的酸度是酸和碱平衡的结果。

如降水中酸量大于碱量，就会形成酸雨。

18．确定酸雨pH界限的依据是什么

pH为作为判断酸雨的界限。

依据以下过程得出：

在未污染大气中，可溶于水且含量比较大的酸性气体是CO2，所以只把CO2作为影响天然降水pH的因素，根据CO2的全球大气浓度330ml/m3与纯水的平衡：

CO2（g）+H2O

CO2+H2O

CO2+H2O

H++HCO3-

HCO3-

H++CO32-

根据电中性原理：

[H+]＝[OH-]+[HCO3-]+2[CO32-]，将用KH、K1、K2、[H+]表达的式子代入，得：

[H+]3–（KW+KHK1pCO2）[H+]–2KHK1K2pCO2＝0

在一定温度下，KW、KH、K1、K2、pCO2都有固定值，将这些已知数值带入上式，计算结果是pH＝。

论述影响酸雨形成的因素 

答 

影响酸雨形成的因素主要有：

（1） 

酸性污染物的排放及其转化条件。

（2）

（2） 

大气中NH3的含量及其对酸性物质的中和性。

（3）（3） 

大气颗粒物的碱度及其缓冲能力。

（4）（4） 

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模

Whitby等人依据大气颗粒物表面积与粒径分布的关系得到了三种不同类型的粒度模。

按这个模型，可把大气颗粒物表示成三种模结构，即爱根（Aitken）核模（Dp<

μm）、积聚模（μm<

Dp<

2μm）和粗粒子模（Dp>

2μm）。

（1）爱根核模主要源于燃烧产生的一次颗粒物以及气体分子通过化学反应均相成核而生成的二次颗粒物。

由于它们的粒径小、数量多、表面积大而很不稳定，易于相互碰撞结成大粒子而转入积聚模。

也可在大气湍流扩散过程中很快被其他物质或地面吸收而去除。

（2）积聚模主要由核模凝聚或通过热蒸汽冷凝再凝聚长大。

这些粒子多为二次污染物，其中硫酸盐占80%以上。

它们在大气中不易由扩散或碰撞而去除。

积聚模与爱根核模的颗粒物合称细粒子。

（3）粗粒子模的粒子称为粗粒子，多由机械过程所产生的扬尘、液滴蒸发、海盐溅沫、火山爆发和风沙等一次颗粒物所构成，因此它的组成与地面土壤十分相近，主要靠干沉降和湿沉降过程而去除。

23.何谓温室效应和温室气体 

大气中的某些微量组分，能使太阳的短波辐射透过，加热地面，而地面增温后所放出的热辐射，却被这些组分吸收，使大气增温。

由于这些组分的作用在某些方面类似温室的玻璃房顶，因此这种现象被称为温室效应，这些组分被称为为温室气体。

主要温室气体有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、二氧化氮（NO2）、氯氟烷烃（CFCs）等。

八十年代研究表明，人为排放各种温室气体对温室效应所起作用比例不同，其中二氧化碳55％，氯氟烷烃24％，甲烷15％，二氧化氮6％。

二氧化碳大量增加是造成温室效应加剧的主要原因。

《水环境化学》重点习题及参考答案

1．请推导出封闭和开放体系碳酸平衡中[H2CO3＊]、[HCO3-]和[CO32-]的表达式，并讨论这两个体系之间的区别。

解：

（1）封闭体系（溶解性CO2与大气没有交换）中存在下列平衡

H2CO3*pK0=

H2CO3*

HCO3-+H+pK1=

CO32-+H+pK2=

其中K1=[HCO3-][H+]/[H2CO3*]，K2=[CO32-][H+]/[HCO3-]

用α0、α1和α2分别表示三种碳酸化合态在总量中所占比例，得下面表达式

α0=[H2CO3*]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}

α1=[HCO3-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}

α2=[CO32-]/{[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]}

把K1、K2的表达式代入以上三式，得

α0=（1+K1/[H+]+K1K2/[H+]2）-1

α1=（1+[H+]/K1+K2/[H+]）-1

α2=（1+[H+]2/K1K2+[H+]/K2）-1

设CT=[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]，则有

[H2CO3*]=CT（1+K1/[H+]+K1K2/[H+]2）-1

[HCO3-]=CT（1+[H+]/K1+K2/[H+]）-1

[CO32-]=CT（1+[H+]2/K1K2+[H+]/K2）-1

（2）开放体系中CO2在气相和液相之间平衡，各种碳酸盐化合态的平衡浓度可表示为PCO2和pH的函数。

依亨利定律：

[CO2（aq）]＝KH·

PCO2

溶液中，碳酸化合态相应为：

CT=[CO2]/α0=KH·

PCO2/α0

[HCO3-]=（α1/α0）KH·

PCO2=（K1/[H+]）KH·

[CO32-]=（α2/α0）KH·

PCO2=（K1K2/[H+]2）KH·

（3）比较封闭体系和开放体系可发现，在封闭体系中，[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]等可随pH值变化，但总的碳酸量CT始终不变。

而对于开放体系CT、[HCO3-]、[CO32-]均随pH值改变而变化，但[H2CO3*]总保持与大气相平衡的固定数值。

2.请导出总酸度、CO2酸度、无机酸度、总碱度、酚酞碱度和苛性碱度的表达式作为总碳酸量和分布系数（α）的函数

3.向一含有碳酸的水体加入重碳酸盐，问：

①总酸度、②总碱度、③无机酸度、④酚酞碱度和⑤CO2酸度，是增加、减少还是不变。

4.在一个pH为、碱度为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。

若用NaOH强碱进行碱化，又需加入多少碱

总碱度＝KW/[H+]+CT（α1+2α2）-[H+]

CT＝

{[总碱度]+[H+]-[OH-]}

令α＝

当pH在5～9范围内、[碱度]≥10-3mol/L时,[H+]、[OH-]项可以忽略不计,得到简化式：

CT＝α[碱度]

当pH＝时，查教材P110表得α1＝，α2＝×

10-5，则α＝，CT＝α[碱度]＝×

＝L

若加入碳酸钠将水的pH升至，查表得α′＝，此时CT值与碱度值均有变化。

设加入的碳酸钠量为Δ[CO32-]，则有

CT+Δ[CO32-]＝α′｛[碱度]+2Δ[CO32-]｝

即+Δ[CO32-]＝｛+2Δ[CO32-]｝

解得，Δ[CO32-]＝mmol/L

若加入氢氧化钠将水的pH升至，其CT值并不变化，可得：

[碱度]＝CT/α′＝＝mmol/L

碱度增加值就是应加入的氢氧化钠强碱量：

Δ[OH-]＝－＝mmol/L

8请叙述水中主要有机和无机污染物的