习题 、思考题 1.怎样理解我们对环境化学学科所下的定义?从实用观点看,它的主要 任务和内容有哪些?其研究方法有何特点? 2.用你自己的语言来定义:生物圈、生态学、自然环境、区域环境、生 境、小环境、微环境、内环境、环境污染等概念,并与书中所作的定义相比 较 3地球从太古代到元古代经历了约30亿年之久,从元古代至今仅约6 亿年,为什么生物在前一漫长时期内进化反而缓慢? 4以一个天然水池为生态系统实例,通过观察列举其中生物和非生物的 各种组分,描述这些组分间是如何互相依赖、互相作用的。 5考虑到当前环境污染问题日益严重,是否应该在今后实施极端严厉的 环境控制政策?为什么? 6.什么是污染物,什么是沾染物,两者间有何区别? 7.什么是毒物,什么是毒剂,两者间有何区别? 8.查阅有关资料,了解致癌性、致畸性、致突变性的含义各是什么,为 什么人们特别重视具有这些性质的化学污染物? 9消化道中大肠杆菌对人是无害的,但进入水体后,为何说水被污染了? 10.空气中乙烯浓度为1ppb时,对兰花的干萼有损害作用,但对极大多 数其他生物无害,也不触发人的嗅觉,当浓度达到0.1%时,对水果有催熟 作用;含2.7%乙烯的混合空气有爆炸性。此外,处于天然成熟过程的水果 能释岀乙烯;內燃机排气中也含乙烯。综合以上情况,是否可以断言乙烯是 一种空气污染物?根据是什么 11.二氧化碳在人体中是一种正常的代谢产物。如果因控制失当使潜艇座 舱空气中C0,浓度达到20%,则会引起工作人员中毒身亡的后果。试问这种 “毒性”缘何而起?另外,对植物来说,是否可认为超常高浓度的氧气是 种污染物乃至是一种毒剂? 12.在测量病孩体温时不慎将口腔温度表咬碎,此时应采取什么紧急措 施? 13.引起水体、大气、土壤污染的主要化学物质各有哪些? 14.化学物质进入环境后,与之相遇并发生作用的最主要环境因素有哪 些?所发生的主要作用又有哪些? 15.研究化学污染物的生物可降解性有何重要意义?人工合成有机物通 常不易生物降解,为什么?某化学污染物在大气中难以发生生物降解,那么 在土壤或水环境介质中是否较易发生生物降解,为什么? 计算题 1.将表1-4中生物圈内各元素的质量组成百分数换算成原子组成百分 数 2. Freon-12(c042)正常沸点T=2434K,摩尔蒸发热△ H=19.97kJ/mo,求其在大气臭氧层(假定其温度为2330K内的蒸气压。 已知蒸气压随温度变化的关系式为 dlnP△H dT=RT2,并假定△H值不随温度变
习题 一、思考题 1.怎样理解我们对环境化学学科所下的定义？从实用观点看，它的主要 任务和内容有哪些？其研究方法有何特点？ 2.用你自己的语言来定义：生物圈、生态学、自然环境、区域环境、生 境、小环境、微环境、内环境、环境污染等概念，并与书中所作的定义相比 较。 3.地球从太古代到元古代经历了约 30 亿年之久，从元古代至今仅约 6 亿年，为什么生物在前一漫长时期内进化反而缓慢？ 4.以一个天然水池为生态系统实例，通过观察列举其中生物和非生物的 各种组分，描述这些组分间是如何互相依赖、互相作用的。 5.考虑到当前环境污染问题日益严重，是否应该在今后实施极端严厉的 环境控制政策？为什么？ 6.什么是污染物，什么是沾染物，两者间有何区别？ 7.什么是毒物，什么是毒剂，两者间有何区别？ 8.查阅有关资料，了解致癌性、致畸性、致突变性的含义各是什么，为 什么人们特别重视具有这些性质的化学污染物？ 9.消化道中大肠杆菌对人是无害的，但进入水体后，为何说水被污染了？ 10.空气中乙烯浓度为 1ppb 时，对兰花的干萼有损害作用，但对极大多 数其他生物无害，也不触发人的嗅觉，当浓度达到 0.1％时，对水果有催熟 作用；含 2.7％乙烯的混合空气有爆炸性。此外，处于天然成熟过程的水果 能释出乙烯；内燃机排气中也含乙烯。综合以上情况，是否可以断言乙烯是 一种空气污染物？根据是什么？ 11.二氧化碳在人体中是一种正常的代谢产物。如果因控制失当使潜艇座 舱空气中 CO2浓度达到 20％，则会引起工作人员中毒身亡的后果。试问这种 “毒性”缘何而起？另外，对植物来说，是否可认为超常高浓度的氧气是一 种污染物乃至是一种毒剂？ 12.在测量病孩体温时不慎将口腔温度表咬碎，此时应采取什么紧急措 施？ 13.引起水体、大气、土壤污染的主要化学物质各有哪些？ 14.化学物质进入环境后，与之相遇并发生作用的最主要环境因素有哪 些？所发生的主要作用又有哪些？ 15.研究化学污染物的生物可降解性有何重要意义？人工合成有机物通 常不易生物降解，为什么？某化学污染物在大气中难以发生生物降解，那么 在土壤或水环境介质中是否较易发生生物降解，为什么？ 二、计算题 1.将表 1-4 中生物圈内各元素的质量组成百分数换算成原子组成百分 数。 2.Freon-12 （ CCl2 F 2 ）正常沸点 T b =243.4K ，摩尔蒸发热△ H v =19.97kJ/mol，求其在大气臭氧层（假定其温度为 233.0K）内的蒸气压。 已知蒸气压随温度变化的关系式为 △ 并假定△ 值不随温度变 d P dT H RT H v v ln = , 2
化 3.甲硫醇(CHSH)在t,=-34.8℃时的蒸气压p=13.33kPa,t=7.9C时 的p253.32kPa。求它的正常沸点T值 4求温度为25℃时氯仿的饱和蒸气压。已知蒸气压计算公式p=133.3× 10B/)(Pa),式中A、B是由化合物本身性质决定的常数,包括氯仿在 内的各种化合物的A、B值可从参考资料2中查获。 5已知气体粘度计算公式gm+b-106(g/cms),其中T为绝对 温度,m和b为常数。又已知C0,的m和b值分别为0.065和14.7,求其在0 ℃时的粘度 6.已知25c时KC在水中的扩散系数为1.994×10-5cm2/s,求其在4C 时的扩散系数。按扩散系数与介质的绝对温度成正比,又与介质的粘度成反 比。解题所需水的粘度数据可从有关化学手册查获。 7.25C,pH8.4的水溶液中,总氰浓度c=103m/L,求其中[HN] 和[CN]浓度各为多少? 8氯仿的水解反应速率常数Kh=7.13×101mn,求其以年为单位的半 减期。已知氯仿水解属于一级反应。 9.已知4,4-二氯联苯的正辛醇/水分配系数P=380000求其在鱼 体中的生物浓集因子BF。给出两参数之间的关联式为gBF=0.76|gPt 10.将生物半致死浓度L0。的概念移用到细菌,则表示处于污染物浓度 为LC的水介质中的细菌,其生化反应速率将降低至正常情况下的50‰现 已知异养好氧细菌的Pt参数与LCo(mg/L)之间的关联式为gL50=5.12 0.76lgP,计算以下两种化合物的LC值并比较它们对细菌的毒性:①二 氯甲烷②氯苯。已知它们的lgP数值分别为1.26和2.84
化。 3.甲硫醇（CH3 SH）在 t 1 =-34.8℃时的蒸气压 p 1 =13.33kPa，t 2 =-7.9℃时 的 p 2 =53.32kPa。求它的正常沸点 T b值。 4.求温度为 25℃时氯仿的饱和蒸气压。已知蒸气压计算公式 p=133.3× 10（A-B/T）（Pa），式中 A、B 是由化合物本身性质决定的常数，包括氯仿在 内的各种化合物的 A、B 值可从参考资料 2 中查获。 5. g = T 10 g / cm.s 1.5 已知气体粘度计算公式μ × -6（ ），其中 为绝对 mT b T + 温度，m 和 b 为常数。又已知 CO2的 m 和 b 值分别为 0.065 和 14.7，求其在 0 ℃时的粘度。 6.已知 25℃时 KCl 在水中的扩散系数为 1.994×10-5cm2 /s，求其在 4℃ 时的扩散系数。按扩散系数与介质的绝对温度成正比，又与介质的粘度成反 比。解题所需水的粘度数据可从有关化学手册查获。 7.25℃，pH=8.4 的水溶液中，总氰浓度 c T =10-3mol/L，求其中［HCN］ 和［CN-］浓度各为多少？ 8.氯仿的水解反应速率常数 Kh=7.13×10-10min-1，求其以年为单位的半 减期。已知氯仿水解属于一级反应。 9.已知 4，4＇-二氯联苯的正辛醇/水分配系数 P oct =380000，求其在鱼 体中的生物浓集因子 BF。给出两参数之间的关联式为 lgBF=0.76lgP oct - 0.23。 10.将生物半致死浓度 LC50 的概念移用到细菌，则表示处于污染物浓度 为 LC50的水介质中的细菌，其生化反应速率将降低至正常情况下的 50％。现 已知异养好氧细菌的 P oct参数与 LC50（mg/L）之间的关联式为 lgLC50=5.12- 0.76lgP oct，计算以下两种化合物的 LC50 值并比较它们对细菌的毒性：①二 氯甲烷②氯苯。已知它们的 lgP oct数值分别为 1.26 和 2.84
2自然环境中的能量流动和物质循环 2.1自然环境中的能流和物流 2.1.1生态系统及其中的能流和物流 按照现代生态学的观点,生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间 的组合。在生态系统中,各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间 相互作用,且不断发生物质和能量的流动。目前人类所生活的生物圈内有无 数大小不同的生态系统。在一个复杂的大生态系统中又包含着无数个小的生 态系统。各种各样的生态系统组成了统一的整体,这就是目前人类生活的自 然环境。大而言之,整个生物圈是一个生态系统;小而言之,一滴天然水珠 也是一个生态系统。 世界是物质的,物质又是恒久运动的,图2-1所示的正是这样的一幅图 景。自然环境中的物质迁移或循环,又是以能量流动为推动力的(在地球范 围内,极大多数形式的能量来自太阳)。正由于能量的不停流动,物质在自 然环境中的不息循环,才构成了循环不已的自然史和生生不息的生物史。能 量流动和物质循环过程又分别遵循着两条最重要的自然法则,即能量守恒定 律和物质不灭定律。 蛇 蛙 太阳能 生物尸体残骸 肥料等 圆, 还原者 能流 H20 H4I等 图2-1生态系统中的物质循环和能量流动〔示例 图2-1所示的是生物和环境(非生物界)之间一种宏观的循环体系,也 就是自然界中由无机物合成有机物,而后又降解转化为无机。物的基本过程。 在图中,被称为生产者或自养生物的绿色植物,吸收太阳的光能,通过光合 作用将二氧化碳和水等无机物合成为有机物,并将太阳能转化为化学能贮存 于该有机物中。被称为消费者或异养生物的草食动物,以植物为食,取得养 分而得以生活和生长;还有所谓的二次消费者即肉食动物,以草食动物为食, 借以维持生命。动物的排泄物和尸体、植物的枯枝落叶和残骸等,在被称为 还原者的低等动物和细菌微生物等作用下,腐败分解而又重新转化为无机
2 自然环境中的能量流动和物质循环 2.1 自然环境中的能流和物流 2.1.1 生态系统及其中的能流和物流 按照现代生态学的观点，生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间 的组合。在生态系统中，各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间 相互作用，且不断发生物质和能量的流动。目前人类所生活的生物圈内有无 数大小不同的生态系统。在一个复杂的大生态系统中又包含着无数个小的生 态系统。各种各样的生态系统组成了统一的整体，这就是目前人类生活的自 然环境。大而言之，整个生物圈是一个生态系统；小而言之，一滴天然水珠 也是一个生态系统。 世界是物质的，物质又是恒久运动的，图 2-1 所示的正是这样的一幅图 景。自然环境中的物质迁移或循环，又是以能量流动为推动力的（在地球范 围内，极大多数形式的能量来自太阳）。正由于能量的不停流动，物质在自 然环境中的不息循环，才构成了循环不已的自然史和生生不息的生物史。能 量流动和物质循环过程又分别遵循着两条最重要的自然法则，即能量守恒定 律和物质不灭定律。 图 2-1 所示的是生物和环境（非生物界）之间一种宏观的循环体系，也 就是自然界中由无机物合成有机物，而后又降解转化为无机。物的基本过程。 在图中，被称为生产者或自养生物的绿色植物，吸收太阳的光能，通过光合 作用将二氧化碳和水等无机物合成为有机物，并将太阳能转化为化学能贮存 于该有机物中。被称为消费者或异养生物的草食动物，以植物为食，取得养 分而得以生活和生长；还有所谓的二次消费者即肉食动物，以草食动物为食， 借以维持生命。动物的排泄物和尸体、植物的枯枝落叶和残骸等，在被称为 还原者的低等动物和细菌微生物等作用下，腐败分解而又重新转化为无机
物。这样就构成了一个循环体系,也可将它看作是一个有代表性的生态系统。 在这里,推动循环的动力是太阳能。 2.1.2太阳能在地球上的流动 人类利用能量的形式经历了由低级到高级的历史过程:风力、水力→木 材→煤→石油→天然气→原子裂变能→原子聚变能。其中风力和水力是太阳 能的变形;木材、煤、石油、天然气可看作是太阳能的历史“遗产”;至于 裂变物质和聚变物质,前者是在地球诞生日起与地球共存的矿物质,后者则 是人工生产物质(如3H)。当前,可以说太阳能是地球上大多数形式能量的 源泉。 太阳到地球的距离为1.5×105km,从地球看太阳犹如盘子般大,而从太 阳看地球,则像运动场上百米跑道一端看另一端地面上一枚分币那么大。相 距如此之遥,能达到地球的太阳能仅是太阳总能量的25亿分之一,但这仍相 当于太阳每年向地球提供90×1012吨优质煤。 按热力学第二定律,若无外界能量输入,则作为封闭体系的地球上的 切事物将随时间的推延而增大其无序性,地球上的一切将变得毫无生气。幸 亏由于太阳辐射不断向地球注入能量,才不致于发生这种情况 如图2-2所示,到达近地面的太阳能总量的约19%被大气层中臭氧、水 汽、二氧化碳所吸收;约34%被地面反射折回空间而被云层吸收;仅有约47 %辐射能到达地球表面后为地表吸收,而其中约半数又消耗在使地球表面水 蒸发;能用于发生光合作用的太阳辐射能约仅占总能量的0.1% 入射太阳光100% 云、尘 地面辐身6% 地球表面 风动 0.2% 作 地 水 海流 图2-2太阳能的流动力 用于蒸发水分的太阳能又以动能和势能的形态重现。地面水经蒸发化为 雨雪、再流入河海是太阳能转化为动能的表现;冰川的形成则是太阳能转为 势能的表现。 由于纬度不同的地面受太阳光直射或斜射的情况不同,致使各地区吸收 辐射的程度有所差异。这种地区间的不平衡又可通过风流和水流来抵消,以 使太阳能的吸收在全球范围内达到平衡,从而使地球平均温度大致保持恒 定 2.1.3物质的地球化学循环 地球上物质的大多数循环过程是在生物和人类出现之前就发生了的。例 如河流将悬浮物和溶解物从陆地搬运λ海;地球板块运动引起海洋沉积物拔
物。这样就构成了一个循环体系，也可将它看作是一个有代表性的生态系统。 在这里，推动循环的动力是太阳能。 2.1.2 太阳能在地球上的流动 人类利用能量的形式经历了由低级到高级的历史过程：风力、水力→木 材→煤→石油→天然气→原子裂变能→原子聚变能。其中风力和水力是太阳 能的变形；木材、煤、石油、天然气可看作是太阳能的历史“遗产”；至于 裂变物质和聚变物质，前者是在地球诞生日起与地球共存的矿物质，后者则 是人工生产物质（如 3 H）。当前，可以说太阳能是地球上大多数形式能量的 源泉。 太阳到地球的距离为 1.5×108 km，从地球看太阳犹如盘子般大，而从太 阳看地球，则像运动场上百米跑道一端看另一端地面上一枚分币那么大。相 距如此之遥，能达到地球的太阳能仅是太阳总能量的 25 亿分之一，但这仍相 当于太阳每年向地球提供 90×1012吨优质煤。 按热力学第二定律，若无外界能量输入，则作为封闭体系的地球上的一 切事物将随时间的推延而增大其无序性，地球上的一切将变得毫无生气。幸 亏由于太阳辐射不断向地球注入能量，才不致于发生这种情况。 如图 2-2 所示，到达近地面的太阳能总量的约 19％被大气层中臭氧、水 汽、二氧化碳所吸收；约 34％被地面反射折回空间而被云层吸收；仅有约 47 ％辐射能到达地球表面后为地表吸收，而其中约半数又消耗在使地球表面水 蒸发；能用于发生光合作用的太阳辐射能约仅占总能量的 0.1％。 用于蒸发水分的太阳能又以动能和势能的形态重现。地面水经蒸发化为 雨雪、再流入河海是太阳能转化为动能的表现；冰川的形成则是太阳能转为 势能的表现。 由于纬度不同的地面受太阳光直射或斜射的情况不同，致使各地区吸收 辐射的程度有所差异。这种地区间的不平衡又可通过风流和水流来抵消，以 使太阳能的吸收在全球范围内达到平衡，从而使地球平均温度大致保持恒 定。 2.1.3 物质的地球化学循环 地球上物质的大多数循环过程是在生物和人类出现之前就发生了的。例 如河流将悬浮物和溶解物从陆地搬运入海；地球板块运动引起海洋沉积物拔
升并形成新的陆地过程;大气组分的循环和渐次演化过程等。这些过程都可 归入地球化学循环。在地球化学循环中,虽然多种元素和它们的各类化合物 往往同时参与同一循环,但为研究方便,常将某一元素或某一特定化合物在 地球表面的迁移用一个特定的地球化学循环来描述。此外,由于迁移是连续 的,物质又是守恒的(很少与地幔或外层空间交换物质),所以物质在地球 圈层之间的迁移是循环往复、不见始终的。物质的地球化学循环模型如图2-3 所示 23 2 海洋 7 降〔雨,雪〕;2.扬尘或降尘∶3.海水啧 4.脫气;5.蒸发;6.河流中溶解物和悬浮物还移 沉积:8.拔升 图2-3地球化学循环最简模型 图中方框代表储层,箭头所向代表物质迁移径路。物质从某储层流出时, 该储层被称为源;物质自外流入储层时,该储层又被称为汇。为了定量描述 一个循环,还需要在方框内标出储层中物质总量(即贮存量),并在箭头处 标出两储层间的通量。通量表示为在一定时期内(一般为一年)沿特定径路 传质的数量。若某储层中物质浓度保持恒定,这表示在流入量和输出量之间 保持平衡,达到了恒定状态。以此我们可定义恒定状态时该物质在该储层中 的滞留时间为 R 式中M——储层中物质i的总质量; R——储层中物质i的流入速率(或输出速率,写作P) R d 或P=_dM, 当体系处于恒定状态时, P:+R:=0 即物质ⅰ在储层中的流入速率恒定地等于输出速率。 现以铜为例,说明其地球化学循环过程的详情。铜在各环境储层中的数 量分布如下:
升并形成新的陆地过程；大气组分的循环和渐次演化过程等。这些过程都可 归入地球化学循环。在地球化学循环中，虽然多种元素和它们的各类化合物 往往同时参与同一循环，但为研究方便，常将某一元素或某一特定化合物在 地球表面的迁移用一个特定的地球化学循环来描述。此外，由于迁移是连续 的，物质又是守恒的（很少与地幔或外层空间交换物质），所以物质在地球 圈层之间的迁移是循环往复、不见始终的。物质的地球化学循环模型如图 2-3 所示。 图中方框代表储层，箭头所向代表物质迁移径路。物质从某储层流出时， 该储层被称为源；物质自外流入储层时，该储层又被称为汇。为了定量描述 一个循环，还需要在方框内标出储层中物质总量（即贮存量），并在箭头处 标出两储层间的通量。通量表示为在一定时期内（一般为一年）沿特定径路 传质的数量。若某储层中物质浓度保持恒定，这表示在流入量和输出量之间 保持平衡，达到了恒定状态。以此我们可定义恒定状态时该物质在该储层中 的滞留时间为 τi i i M R = (2 - 1) 式中 M i——储层中物质 i 的总质量； R i——储层中物质 i 的流入速率（或输出速率，写作 P i） R dM d P dM d i i i i = = - æ è ç ö ø ÷ τ 或 τ 当体系处于恒定状态时， Pi + Ri = 0 (2 - 2) 即物质 i 在储层中的流入速率恒定地等于输出速率。 现以铜为例，说明其地球化学循环过程的详情。铜在各环境储层中的数 量分布如下：