水化学第二章_天然水的主要理化性质

1、第二章 天然水的主要理化性质v教学目的与要求：了解液态水的结构及其异常特性；教学目的与要求：了解液态水的结构及其异常特性；了解天然水的依数性。掌握盐度和含盐量的含义；了解天然水的依数性。掌握盐度和含盐量的含义；掌握天然水温度的分布；掌握透明度的概念和检测掌握天然水温度的分布；掌握透明度的概念和检测方法。方法。v重点：天然水温度的分布。重点：天然水温度的分布。v难点：天然水的依数性。难点：天然水的依数性。v教学方法教学方法: :多媒体多媒体v学时分配：学时分配：4 第一节 液态水的结构及其异常特性一、纯水的异常特性与结构 水是最常见的物质，但它有许多异常特性。水是最常见的物质，但它有许多异常特性

2、。 见见表表1。水的特性与水的特性与水的分子结构相关。水分子有呈四面体结构的倾向，水的分子结构相关。水分子有呈四面体结构的倾向， 是具有很大偶极是具有很大偶极矩的极性分子。这样的一个水分子就有可能通过正、负电间静电引力矩的极性分子。这样的一个水分子就有可能通过正、负电间静电引力与邻近的四个水分子以氢键相联系见与邻近的四个水分子以氢键相联系见图图1 1。分子间氢键力大小为。分子间氢键力大小为18.81kJ/mol，约为，约为OH共价键的共价键的1/20，冰溶化成水或水挥发成水汽，冰溶化成水或水挥发成水汽，都首先需要外界供能破坏这些氢键。都首先需要外界供能破坏这些氢键。当冰开始熔化成水时，冰的疏松

3、当冰开始熔化成水时，冰的疏松的三维氢键结构中约有的三维氢键结构中约有1515氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起下述两方面的作用度增大。如果有更多热能输入体系，将引起下述两方面的作用： 1.1.更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大； 2.2.体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每一分体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使密度趋于减小。子占据更大体积空间，所以这一因素又使密度趋于减小。 上述两因素随

4、温度升高而相互消长的结果，使淡水在上述两因素随温度升高而相互消长的结果，使淡水在3.983.98时有时有最大密度。这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义。最大密度。这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义。 水的特性 性 质 特点 意 义 热 容 非常大 良好的传热介质，调节环境和有机体的温度 熔解热 非常大 使水处于稳定的液态，调节水温 蒸发热 非常大 对水蒸气的大气物理性质有重要意义，调节水温 密 度 4时极大 水体冰冻始于表面，控制水体中温度分布，保护水生生物 表面张力 非常大 生理学控制因素，控制液滴等表面现象 水 合 非常广泛 对污染物是良好溶剂和载带体，改变溶质生物化学性质

5、水分子结构图 BACK 第二节 天然水的主要理化性质一、天然水的化学组成按不同组分含量与性质的差异，以及与水生生物的关系可以把天然水的化学成分分为六类：即常量元素、溶解气体、营养元素、有机物质、微量元素以及有毒物质。1、常量成分常量成分又称为主要离子、恒量元素、保守成分。淡水中的八大离子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-；海水、中主要有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、Cl-、SO42-、HCO3-、（CO32-）、Br-、H3BO3和F-。常量成分在水中含量高，性质稳定：海水中常量成分占溶解盐类总量的99.8%99.9%，而且它们在海

6、水中含量的大小有一定的顺序，其比例几乎不变；淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的90%以上。常量成分是决定天然水体物理化学特性的最重要因素 。 2、溶解气体、溶解气体 天然水中溶有大气中所含有的各种气体，天然水中溶有大气中所含有的各种气体，除了除了N2、O2、CO2外，还有惰性气体外，还有惰性气体He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn也都能在水体中找到。也都能在水体中找到。海水中也含有少量海水中也含有少量H2，在水交换较差的湖底，在水交换较差的湖底及某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的及某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的H2S存在。对于部分受污染地区，水中可能还存在。对于部分受污染地区，水中可能还

7、溶有该地区的污染气体（如硫氧化物、氮氧化溶有该地区的污染气体（如硫氧化物、氮氧化物等）。溶解气体的含量与水的温度、水中动物等）。溶解气体的含量与水的温度、水中动物代谢活动有关，其含量有明显的昼夜、季节、物代谢活动有关，其含量有明显的昼夜、季节、周年变化特点和显著的水层差异。周年变化特点和显著的水层差异。 v3、营养元素v主要包括与水生生物生长有关的一些元素，如N、P、Si等。营养元素多以复杂的离子形式或以有机物的形式存在于水体中，在水中含量通常较低，受生物影响较大，有时又称为“非保守成分”或“生物制约元素”。v4、有机物v水体中的有机物可分为颗粒态有机物和溶解态有机物两大类。有机物在水体中的含

8、量较低，通常是无机成分的万分之一，一般1升水中仅几毫克；有机物成分复杂，种类繁多。包括糖类、脂肪、蛋白质及降解有机物等；有机物对水质及水生生物有着多方面错综复杂的影响，适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件，而过量有机物的存在将会使水质恶化、鱼病蔓延。v5、微量元素等v除了常量元素和营养元素以外的其他元素（如同位素等），都包括在这一类中。微量元素种类繁多，总量却非常少，仅占总含盐量的0.1%左右；微量元素中的Fe、Mn、Cu等与生物的生长有着密切的关系，称为“微量营养元素”。v6、有毒物质v天然水中的有毒物质，按其来源或产生方式的不同大体可分为两类：一类是来自工农业生产以及日常生活排放

9、的废物，即所谓污染物质，主要包括有机物、油类、农药及重金属离子等等；另一类是指由于水体内部物质循环失调而生成并积累的毒物，如硫化氢、氨、低级胺类、高浓度CO2及赤潮生物的有毒分泌物等。有毒物质在浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用，并破坏生态系统的平衡；其毒性的大小与该物质的存在形式有关，并受到多中水体物理化学性质的影响。 二、天然水的主要化学特性二、天然水的主要化学特性 天然水是一个多组分、多相的混合体系，具有多重化学特性，概括起来约有十点：v1、天然水是一个多组分、多相的运动变化着的混合体系v2、不同形态的天然水含盐量悬殊v3、天然水都具有一定的酸碱性v淡水水体一般都是中性偏弱碱性，海水都

10、是弱碱性。 v4、天然水都具有一定的缓冲能力v包括渔业水体在内的所有水体均具有一定的缓冲能力， 保持自身pH的稳定性。v5、天然水都具有一定的硬度和碱度v硬度和碱度是天然水体两个重要的化学指标， 渔业水体必须保证具有一定的碱度和硬度才能维持水体较为合适的生产力。v6、天然水都具有一定的氧化还原能力v7、天然水都具有水生生物生长所需的营养元素v8、天然水都具有水生生物呼吸作用所需的O2和光合作用所需的二氧化碳CO2。v9、天然水都具有一定的自净能力v在自然条件下，一方面由于生物代谢废物等异物的侵入、积累导致水体经常遭受污染；另一方面，水体的物理、化学及生物作用，又可将这些有害异物分解转化，降低以

11、至消除其毒性，使受到污染的水体恢复正常机能，这一过程称为水体的“自净作用”。v10、海水常量成分具有恒定性的特点三、天然水环境主要物理性质三、天然水环境主要物理性质 v（一）天然水的光学特性（一）天然水的光学特性v太阳光到达水面以后，一部分被反射，一部太阳光到达水面以后，一部分被反射，一部分经折射进入水体。进入水体的部分，一部分经折射进入水体。进入水体的部分，一部分被吸收，一部分被散射，余下的继续向深分被吸收，一部分被散射，余下的继续向深部穿透。部穿透。v在水域生态学中通常用在水域生态学中通常用透明度透明度来反映可见光来反映可见光在水中的衰减状况，表明水中杂质对透过光在水中的衰减状况，表明水中

12、杂质对透过光线的阻碍程度。线的阻碍程度。1透明度盘的使用透明度盘的使用 水的透明度采用专门的透水的透明度采用专门的透明度盘放入水中测定。是明度盘放入水中测定。是采用黑白的油漆涂成黑白采用黑白的油漆涂成黑白相间的金属圆盘制成。圆相间的金属圆盘制成。圆盘中央拴一根有深度标记盘中央拴一根有深度标记的软绳（此绳应不易伸的软绳（此绳应不易伸长）。测定时将圆盘沉入长）。测定时将圆盘沉入水中，在不受阳光直射条水中，在不受阳光直射条件下，圆盘刚刚看不见的件下，圆盘刚刚看不见的深度，即为透明度。深度，即为透明度。 透明度与水的光学分层透明度与水的光学分层v人们把光照充足，光合作用速率大于呼吸作用速率的水层，称为

13、真光层。在这水层中植物光合作用合成的有机物多于呼吸作用消耗的有机物，有机物的净合成大于零，这一水层又称为营养生成层。而光照不足，光合作用速率小于呼吸作用速率的水层，称为营养分解层，这一水层的植物不能正常生活，有机物的分解速率大于合成速率。而有机物的分解速率等于合成速率的水层深度称为补偿深度。不同光照条件下，补偿深度不同。同时，补偿深度还与水温、藻类种类组成等因素有关。北方冬季冰下浮游植物多由适低温、弱光照的种类组成，水温又很低，因而补偿深度较大，有时可达1.52m（雷衍之，1985）。 光照与水生生物的关系 v水生动物的生长与光的波长之间存在着一定的联系。 v光照强度对水生动物摄食的影响具有种

14、属特异性，二者的关系是复杂的。 Pertesen就光照强度与动物摄食之间的关系，提出了两种摄食模型，即具有峰值的摄食曲线和S型摄食曲线，具有前一种摄食曲线的动物，是依靠视觉摄食的。光对于视觉摄食的鱼类是必需的，存在着一个适宜的光照范围，在此范围内，鱼摄食最为活跃，摄食量最高；高于或低于此范围的光照强度，都将使摄食量降低，而且，在个体发育的不同阶段，适宜照度区会有变化。 vAli对大马哈鱼幼鱼的研究证明了这一点。在最适光照范围之下，由于随着光照强度的减弱，鱼类越来越难寻找到食物，因而，随着光照强度的减弱，摄食率逐渐降低，当光照强度降到视觉阙值以下时，动物就不能从环境中辨别出食物，导致摄食停止。S

15、型摄食曲线是指随着光照强度的减弱，摄食量增大，当光照强度减弱到某一程度时，摄食量达到最大，且保持基本稳定。中华鳖的摄食量随光照强度的减弱而增加，在10lx的弱光下达到最大。具有S型摄食曲线的动物，除视觉外，尚有其它感觉在摄食中起作用，如鳟在黑暗中摄食与在有光时一样有效。 （2）光周期对水生动物摄食的影响v光周期对动物摄食的影响也具有种属特异性。研究发现蛙形蟹的水蚤幼虫和普伦白鲑幼体的摄食量随着光周期的缩短而降低，而中华鳖的摄食量不受光周期的影响。水生动物的摄食不仅受外界环境因素的影响，而且具有自身的昼夜摄食节律。叶唇龟在黄昏和黑暗时摄食活动强烈，摄食量最多。而金鱼24h内有两个摄食高峰，即在9

16、：00-11：00和17：00-21：00摄食量是较大的，而在晚上13：00-4：00停止摄食。动物的昼夜摄食节律是为了充分有效地利用自然界食物资源而进化发展的一种生理节律，而这一节律地形成又主要取决于光信息。（4）光周期对水生动物生长、发育和存活率的影响v许多研究表明，光周期对水生动物地生长和存活率有很大影响。Minagawa报道，蛙形蟹地幼体随着光周期的延长，生长和变态都减慢，连续24h的光照对其幼体的生长、变态和存活都有负作用；鲢、鳙和鲤鱼随着日照时数的延长，生长速度都加快，但在短日照时数下鲤的生长速度远快于鲢和鳙，而鲢和鳙在日照1012h时生长速度最快，成活率最高。动物可能存在其生长所

17、需的最低和最适光周期，这可能是在长期进化过程中形成的一种适应性。光周期对动物存活率的影响还依个体发育阶段的不同而有明显差异。蛙形蟹幼体五龄以后的存活率，在连续24h的光照下较其它光周期下低，而大眼幼虫期存活率在光照12h最高，但最后一龄幼虫存活率在全黑暗条件下与光照6h、12h、18h下相似。这表明水生动物的不同发育阶段，对光的适应能力有所不同。（二） 天然水的依数性v何谓何谓依数性依数性？ 天然水是一种电解质溶液，其蒸汽压下降、沸点天然水是一种电解质溶液，其蒸汽压下降、沸点上升、冰点下降及渗透压仅取决于溶质和溶剂的上升、冰点下降及渗透压仅取决于溶质和溶剂的物质的量之比，而与溶质的本性无关，这

18、就是天物质的量之比，而与溶质的本性无关，这就是天然水的依数性。随着水中溶质的增加，天然水的然水的依数性。随着水中溶质的增加，天然水的蒸汽压下降，沸点上升，冰点下降，渗透压增加。蒸汽压下降，沸点上升，冰点下降，渗透压增加。天然水的天然水的渗透压渗透压主要决定于其含盐量。含盐量越主要决定于其含盐量。含盐量越大，渗透压越大。水生生物对水的渗透压有一定大，渗透压越大。水生生物对水的渗透压有一定范围的的适应能力。若渗透压变化幅度过大，会范围的的适应能力。若渗透压变化幅度过大，会危及水生生物的生存。危及水生生物的生存。 （三）天然水的温度分布（三）天然水的温度分布v对于一般的湖泊池塘，引起水体流转混合的主

19、要因素有对于一般的湖泊池塘，引起水体流转混合的主要因素有两个方面，一是风力引起的涡动混合，一是因密度差引两个方面，一是风力引起的涡动混合，一是因密度差引起的对流混合。风力的涡动混合水面受到风力的吹拂后，起的对流混合。风力的涡动混合水面受到风力的吹拂后，表面水会顺着表面水会顺着风向移动，使水在下风岸处产生风向移动，使水在下风岸处产生“堆积堆积”现象，即造成下风岸处水位有所增高，此增高的水位就现象，即造成下风岸处水位有所增高，此增高的水位就形成了使水向下运动的原动力，从而产生形成了使水向下运动的原动力，从而产生“风力环流风力环流”。由密度引起的对流作用称为密度环流当表层水密度增大，由密度引起的对流

20、作用称为密度环流当表层水密度增大，或底层水密度减少时，都会出现或底层水密度减少时，都会出现“上重下轻上重下轻”的状态，的状态，密度大的水要下沉，密度小的水要上升，这就形成了上密度大的水要下沉，密度小的水要上升，这就形成了上下水团的对流混合。这种混合作用可以是在较小范围发下水团的对流混合。这种混合作用可以是在较小范围发生的上下对流，也可以是在较大范围发生的环流。水温生的上下对流，也可以是在较大范围发生的环流。水温在在44以上、水面只有一部分太阳辐射升温时，也会形以上、水面只有一部分太阳辐射升温时，也会形成密度环流。成密度环流。 水体的温度分布水体的温度分布v（1 1）冬季的逆分层期）冬季的逆分层

21、期 我国北方地区的湖泊、水库都可封冻，表面形成我国北方地区的湖泊、水库都可封冻，表面形成冰盖，冰盖下是接近冰点的水。水温随深度增加冰盖，冰盖下是接近冰点的水。水温随深度增加而缓慢升高，到底层水温可以达到或小于密度最而缓慢升高，到底层水温可以达到或小于密度最大时的温度。对于淡水，紧贴冰下的水是大时的温度。对于淡水，紧贴冰下的水是00，底，底层水温可等于或小于层水温可等于或小于44。海水（盐度。海水（盐度35 35 ）的冰）的冰点为点为-1.9-1.9，密度最大温度低于冰点，结冰时上，密度最大温度低于冰点，结冰时上下水温都达到冰点，底层水温不会比表层高。盐下水温都达到冰点，底层水温不会比表层高。盐

22、度超过度超过24.924.9的海水都是这种状况，只是冰点有所的海水都是这种状况，只是冰点有所不同。不同。 春季全同温期春季全同温期 春季气温回升，大地转暖，太阳辐射使冰盖融化后，将使表层水温升高。水温在密度最大的温度以下时，温度的升高会使密度增大，表面温度较高的水就会下沉，下面温度较低的水就会上升，形成密度流。密度流使上下水对流交换，直到上下水温都是密度最大时的温度为止。此后，表层水温进一步上升，密度就会减小，不会产生密度流。如果此时有风的吹拂，可克服热阻力产生涡动混合，继续使上下水层混合，把上层得到的热量带到下层，水体仍可以继续处在上下温度基本一致的状态，这时称为春季的全同温期。春季的全同温

23、可持续到8、10、甚至15以上，这决定于春季的风力大小、多风天气持续的时间、水的深度和湖盆的形状等。 盐度高于24.9的水，密度最大时的温度低于冰点。融化后，表面升温不会产生密度流，春季的全同温需靠风力的混合作用来维持。 春季的对流混合作用可把上层丰富的溶氧带到下层，把下层富含营养盐的水带到上层，对湖泊的初级生产及鱼类的生长都很有利。 夏季正分层期夏季正分层期 由于太阳辐射能量的绝大部分在表层约由于太阳辐射能量的绝大部分在表层约1m1m的水层被吸收，并的水层被吸收，并且主要加热表面且主要加热表面20cm20cm的水层。如无对流混合作用，水中热量往下传的水层。如无对流混合作用，水中热量往下传播很

24、慢夏季或春季如遇连续多天的无风晴天，就会使表层水温有较播很慢夏季或春季如遇连续多天的无风晴天，就会使表层水温有较大的升高，这就增加了上下水混合的阻力。风力不足够大，只能使大的升高，这就增加了上下水混合的阻力。风力不足够大，只能使水在上层进行涡动混合。造成上层有一水温垂直变化不大的较高温水在上层进行涡动混合。造成上层有一水温垂直变化不大的较高温水层，下层也有一水温垂直变化不大的较低温水层，两层中间夹有水层，下层也有一水温垂直变化不大的较低温水层，两层中间夹有一温度随深度增加而迅速降低的水层，即温跃层。一温度随深度增加而迅速降低的水层，即温跃层。 温跃层一旦形成，就象一个屏障把上下水层隔开，使风力

25、混温跃层一旦形成，就象一个屏障把上下水层隔开，使风力混合作用和密度对流作用都不能进行到底。夏季上层丰富的氧气不能合作用和密度对流作用都不能进行到底。夏季上层丰富的氧气不能传输到下层，下层丰富的营养盐也不能补充给上层。久而久之，富传输到下层，下层丰富的营养盐也不能补充给上层。久而久之，富营养化水体下层可能出现缺氧。上层缺乏营养盐，对鱼类及饵料生营养化水体下层可能出现缺氧。上层缺乏营养盐，对鱼类及饵料生物的生长均不利。温跃层形成以后，较大的风力可以使温跃层向下物的生长均不利。温跃层形成以后，较大的风力可以使温跃层向下移动，较浅水体的温跃层就可能消失。移动，较浅水体的温跃层就可能消失。 秋季的全同温

26、期秋季的全同温期 进入秋季，气温转凉，气温低于水温，表层进入秋季，气温转凉，气温低于水温，表层水温要下降，密度增大，表层以下水温较高，密度水温要下降，密度增大，表层以下水温较高，密度较小，此时即发生密度环流。加上风力的混合作用，较小，此时即发生密度环流。加上风力的混合作用，使温跃层以上的水层不断降温，直至温跃层消失，使温跃层以上的水层不断降温，直至温跃层消失，出现上下温度基本相同的秋季全同温状态。如果此出现上下温度基本相同的秋季全同温状态。如果此时水温在时水温在44以上，表层水的进一步降温引起的密以上，表层水的进一步降温引起的密度环流可以进行到湖底，直到上下都为度环流可以进行到湖底，直到上下都

27、为44为止。为止。如再降温，只能发生在上层，直到表层结冰。如有如再降温，只能发生在上层，直到表层结冰。如有风力参与，在深秋初冬时期，全同温则可以持续到风力参与，在深秋初冬时期，全同温则可以持续到44以下，比如以下，比如22或或11。秋季全同温，水体充分。秋季全同温，水体充分流转混合，上下可进行充分物质交换，对鱼类的越流转混合，上下可进行充分物质交换，对鱼类的越冬有利。冬有利。 （四）、天然水的含盐量（四）、天然水的含盐量 1、天然水含盐量的表示方法天然水含盐量的表示方法v 离子总量离子总量：天然水中主要离子成分含量的总和即离子总量。常用mg/L、mmol/L或g/kg、mmol/kg单位表示。以S表示离子总量、i代表离子的质量浓度、Ci代表离子i的物质的量浓度（以单位电荷形态 Mn+或 Mn-为基本单位），则有 S=i S=Ci v 矿化度：矿化度：矿化度也是反映水中含盐量的一个指标，是指“蒸干称重法得到的无机矿物成分的总量”。测定时要用过氧化氢氧化水中可能