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气态物质在天然水体中的溶解平衡

发布时间:2015-04-15 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1046

溶解在水中的气体对于水中生物的生存非常重要。例如鱼类在水体中生活时,要从周围水中摄取溶解氧(溶解氧小于4mg/L时就不能生存),经体内呼吸作用后,又向水中放出CO2。在污染水体中许多鱼的死亡,不是由于污染物的直接毒性致死,而是由于在污染物的生物降解过程中大量消耗水体中的溶解氧,导致它们无法生存。

溶解平衡是相对的,而偏离平衡状态的水中溶解气体(处于不饱和或过饱和状态)有在汽一水两相间发生传质的趋向,由此关系到气体物质在两环境圈层间发生迁移的过程。
大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡为:

X(g)↔X(aq)

他服从亨利定律,即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压,但许多气体溶解后会发生进一步的化学反应,如CO2、SO2溶解于水后会发生进一步反应
生成HCO3-、HSO3-,所以溶解在水中气体的量远远高于亨利定律表示的量。气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示:

[G(aq)]=KH pG

式中KH——气体在一定温度下的亨利定律常数;

pG——气体的分压。

在计算气体的溶解度时需对水蒸气的分压进行校正,给出了水在不同温度下的分压,根据这些参数,可用亨利定律计算出气体在水中的溶解度。

(1)氧在水中的溶解度氧在干燥空气中的含量为20.95%,大部分氧元素来自大气,因此水体与大气接触再复氧的能力是水体的一个重要特征。澡类的光合作用会放出氧气,但这个过程仅限于白天。

氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中的含盐量有关。氧在1.0130×105Pa,、25℃饱和水中的溶解度,可按下面步骤计算。

首先查出水在25℃时的蒸气压为0.03176×105Pa,由于干空气中氧的含量为20.95%,所以氧的分压为:

PO2=[(1.01325一0.03167)×105×0.2095]Pa=0.2056×105Pa

代入亨利定律即可求出氧在水中的物质的量浓度:

[O2(aq)]=KHPO2=l.26×10-8×0.2056×105mol/L=2.6×10-4 mol/L

氧的相对分子质量为32,因此其溶解度为8.32mg/L。

气体的溶解度随温度升高而降低,这种影响可由克劳修斯一克拉贝龙(Clauslus-Clapey-ron)方程式显示。

气体的溶解度随温度的升高而降低。若温度从0℃上升到35℃时,氧在水中的溶解度将从14.74mg/L降低到7.03mg/L。在1.0130×105Pa,25℃时,7.8mg/L有机质降解需要消耗8.3mg/L氧气,由此可见,与其他溶质相比,溶解氧的水平是不高的,一旦发生氧的消耗反应,则溶解氧的水平很快地降至零。

(2)CO2在水中的溶解度干燥空气中CO2的含量为0.033%(体积),25℃时水蒸气的分压为0.03167×105Pa,CO2的亨利定律常数(25℃)是3.34×10-7 mol/(L.Pa),则CO2在水中的溶解度为:

PCO2=(1.01325一0.03167)×105×0.00033Pa=32.39Pa

[CO2]=3.34×10-7×32.39mol/L=1.082×10-5 mol/L

CO2在水中解离部分可产生等浓度的H+和HCO3-、H+和HCO3-的浓度可从CO2的酸解离常数(K)计算出:

CO2+H2O↔H++HCO3-

[H+]=[HCO3]

[H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7

[H+]=(1.082×10-5×4.45×10-7)1/2mol/L=2.19×10-6 mol/L

pH=5.66

故CO2在水中的溶解度应为[CO2]+[HCO3-]=1.301×10-5 mol/L。

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