第三章 水化学与水污染防治 内容提要 本章将把前面所讨论的化学反应的.docVIP

第三章 水化学与水污染防治 ? 内容提要 本章将把前面所讨论的化学反应的一般规律应用于溶液中的离子互换反应。着重讨论稀溶液的通性、水溶液中的酸-碱平衡、配离子的解离平衡、难溶液电解质的多相离子平衡，以及这些平衡关系在水污染控制等方面的应用。并为建立水资源的可持续利用观念奠定一定的基础。 学习要点： （1）初步掌握稀溶液的通性及其应用。 （2）掌握酸碱平衡、缓冲溶液的概念，能进行溶液pH值的计算。 （3）掌握配离子的解离平衡及其移动规则。 （4）掌握溶度积规则及其应用、有关计算。 （5）能进行有关水污染控制的简单计算。 （6）了解水资源的可持续利用。 ? 3.1 稀溶液的通性 本章只讨论溶液中溶有难挥发的溶质的情况。当水中溶有少量不挥发的溶质后，形成的溶液常称为稀溶液。大量实验结果表明：稀溶液的蒸气压、沸点、凝固点以及渗透压只与溶质的数量（即溶液浓度）有关，又称为依数性。这种依数性在非电解质稀溶液中表现出明显的规律，并且已知一种依数性性质可以推算出其他依数性性质。稀溶液的依数性定律是有限定律，溶液越稀，定律越准确。对于电解质溶液及浓溶液则需作校正。 3.1.1 溶液的蒸气压下降 1. 蒸气压 在一定温度下，将某纯溶剂置于密闭容器中，首先液面上那些能量较大的分子克服液体分子间的引力从表面逸出，成为蒸气分子，形成气相，这个过程称为蒸发。蒸发出来的分子在液面上的空间向各个方向运动，其中一部分可能撞到液面并被吸引到液相中，这个过程称为凝结。起初，蒸发过程占优势，随着水蒸气密度的增大，凝结速率随之增大，当液体的蒸发速率等于蒸气的凝结速率时，该液体和它的蒸气处于平衡状态。此时蒸气所具有的压力称为该温度下的饱和蒸气压，简称蒸气压，用符号p表示，单位为Pa（帕）或kPa（千帕） 温度一定时，各种液体都具有恒定的蒸气压（见表3.1），蒸气压与液体的本性有关。 蒸发是一个吸热熵增的过程，冷凝是一个放热的熵减过程。在蒸发过程中，随着温度的升高，分子的平均动能增大，蒸发速度加快，逸出液面的分子数增多，达平衡时，饱和蒸气压必然增大，但不成比例。水的蒸气压与温度的关系见表3.2。 表3.1 （293K）一些液体的饱和蒸气压 物质 水 乙醇 苯 乙醚 汞 蒸气压（kPa） 2.34 5.85 9.96 57.74 1.6×10-4 表3.2 不同温度下水的蒸气压 T(K) p(kPa) T(K) p(kPa) 273 0.6106 333 19.9183 278 0.8719 343 35.1574 283 1.2279 353 47.3426 293 2.3385 363 70.1001 303 4.2423 373 101.3247 313 7.3754 423 476.0262 323 12.3336 ? ? 表3.3 不同温度下冰的蒸气压 T(K) p(kPa) T(K) p(kPa) 273 0.6106 258 0.1653 272 0.5626 253 0.1035 268 0.4013 248 0.0635 263 0.2600 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图3.1 水的相图 冰和水一样也能蒸发转化成水蒸气，与冰平衡的水蒸气压力称为冰的饱和蒸气压，它也随温度的升高而增大，但冰的饱和蒸气压非常小，因温度低，冰的蒸发比水的蒸发慢得多。冰的蒸气压与温度的关系见表3.3。 蒸气压的大小与容积的大小、液体的多少均无关。 为了表示水的固、液、气三态之间在不同温度和压力下的平衡关系，以蒸气压为纵坐标，温度为横坐标，画出体系的状态和温度及压力间的关系图，称为水的相图（图3.1）。 如图3.1所示：曲线AB是水和水蒸气共存时的温度及其对应压力的点的连线，称为水的饱和蒸气压曲线。当水的蒸气压等于外界大气（101.325kPa）时，液体内部发生气化，水即沸腾，这时所对应的温度373.15K就是水的沸点。曲线AD是冰的蒸气压曲线，线上各点表示冰与蒸气平衡共存时的温度和压力条件。曲线AC表示冰与水共存时的温度和压力的条件。三条曲线相交于A点，它是水、汽、冰三相共存的温度和压力条件，称为三相点，所对应的温度为273.15K，压力为0.6105kPa。 2. 溶液的蒸气压下降 当纯溶剂（水）中溶有难挥发的溶质后，溶液的部分表面被溶剂化的溶质分子所占据，使单位时间内从溶液表面蒸发出的溶剂分子数比从纯溶剂中蒸发出的分子数少，平衡时，溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压。如图3.2中的曲线A(B(即为溶液的饱和蒸气压曲线。纯溶剂的蒸气压PA与溶液蒸气压P的差值称为