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国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库
《水环境化学》教案
知识点
一氧化氮和二氧化氮在水中溶解
学时
1学时
教学内容
一氧化氮和二氧化氮在水中溶解
教学重点
一氧化氮和二氧化氮在水中溶解
教学难点
一氧化氮和二氧化氮在水中溶解
参考资料
环境化学 南京大学出版社
水环境化学 高等教育出版社
水环境化学纲要 环境科学丛刊
环境化学 哈尔滨大学出版社
一、氮氧化物
氮氧化物?(nitrogen oxides)包括多种 化合物,如 一氧化二氮(N2O)、 一氧化氮?(NO)、 二氧化氮(NO2)、 三氧化二氮?(N2O3)、 四氧化二氮(N2O4)和 五氧化二氮(N2O5)等。除二氧化氮以外,其他氮氧化物均极不稳定,遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮,一氧化氮又变为二氧化氮。因此,职业环境中接触的是几种 气体混合物常称为硝烟 (气),主要为一氧化氮和二氧化氮,并以二氧化氮为主。氮氧化物都具有不同程度的 毒性。
一氧化氮 (NO)为无色气体,分子量30.01,熔点-163.6℃,沸点-151.5℃, 蒸气压101.3lkPa(-151.7℃)。溶于 乙醇、二硫化碳,微溶于水和 硫酸,水中溶解度4.7% (20℃)。性质不稳定,在空气中易氧化成二氧化氮 (2NO+O2→2NO2)。一氧化氮结合血红蛋白的能力比一氧化碳还强,更容易造成人体缺氧。不过,人们也发现了它在生物学方面的独特作用。一氧化氮分子作为一种传递神经信息的 信使分子 ,在使血管扩张,免疫,增强记忆力等方面有着及其重要的作用。
二氧化氮 (NO2)在21.1℃温度时为红棕色刺鼻气体;在21.1℃以下时呈暗褐色液体。在-ll℃以下温度时为无色固体,加压液体为四氧化二氮。分子量46.01,熔点-11.2℃,沸点 21.2℃,蒸气压101.3lkPa(2l℃),溶于碱、 二硫化碳和氯仿,微溶于水。性质较稳定。二氧化氮溶于水时生成硝酸和一氧化氮。工业上利用这一原理制取硝酸。二氧化氮能使多种 织物褪色,损坏多种织物和尼龙制品,对金属和非金属材料也有 腐蚀作用。
二、一氧化氮和二氧化氮在水中的溶解
NO和NO2在水中溶解的系列反应为:
对以上系列方程进一步合并可得:
表4-4列举了各反应在298K温度下的平衡常数。在本系统中硝酸根离子和亚硝酸根离子间平衡浓度之比的表达式可从两反应式推得
在298K,K1/k2=0.74×10-7。由此可见,只要PNO2/PNO大于10-5时,就有[NO3-]》[NO2-]。
由此看来,即使NO2在气相中存在比率很小(如燃烧过程中产生的氮氧化物中NO2只占很小比率),与之平衡的溶液中含离子的主要形态还是NO3-。
表格4-4 氮氧化物液相反应的平衡常数
反应
平衡常数(298K)
(1) NO(g)≒NO(aq)
KH(NO)=1.88×10-5MkPa-1
(2) NO2(g)≒NO2(aq)
KH(NO2)=1.88×10-4MkPa-1
(3) 2NO2(aq)≒N4O2(aq)
Kn1=7×104M-1
(4) NO(aq)+ NO2(aq)≒N2O3(aq)
Kn2=3×104M-1
(5) HNO3(aq)≒H++NO3-
Kn3=15.4M
(6) HNO2(aq)≒ H++NO2-
Kn4=5.1×10-4M
(7) 2NO2(g)+H2O O≒2H++NO2-+NO3-
K1=2.44×10-2M4kPa-2
(8) NO(g)+NO2(g)+ H2O≒2H+++2NO2-
K2=3.28×10-9M4Pa-2
HNO3是强酸,在水溶液中基本上只以NO3-形态存在;HNO2是弱酸,它的电离程度由PH所左右,在水溶液中通常有NO2-和HNO2(aq)两种存在形态,以下来考虑在气-液平衡条件下,水相中硝酸,亚硝酸以及它们离子形态浓度 与PNO2、PNO之间的函数关系。
根据电中性原理有
[H+]=[OH-]+[NO2-]+[NO3-](7)
在酸性溶液中,近似地有[H+]≈[NO3-],由此可得
[NO3-]=[K12P3NO2/K2PNO]1/4 (8)
由表4-4中平衡反应式(7)产生的NO2-很少,若考虑水溶液中NO2-形态全部来自于平衡反应式(8),则有
[NO2-]=(K2PNOPNO2)1/2/[NO3-] (4-21)
将(4-20)和(4-21)归并后可得
[NO2-]=[K23P3NO/K12PNO2]1/4 (4-22)
HNO2未解离部分浓度为
[HNO2(aq)]=[H+][OH-]/ Kn4 (4-23)
联合以上[NO2-]、[
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