第二章 水环境化学(天然水)1ppt课件

1、第二章天然水的组成和性质，2.1水的分子结构和性质，2.2天然水的组成和分类，2.3各种天然水的水质特性，2.1水的分子结构和性质，1，水分子的结构(两个重要特征)，1 )结合角104.5 (2)电负性： O:3.5； H:2.1 (3)水分子的偶极矩大，为1.84D (器件)。设偶极矩，正(或者负)重心的电荷的电量为q，正和负的电重心之间的距离为d (称为偶极矩长)，偶极矩为： =qd ，以器件(d )为单位q=1.62库仑(电子的带电量)，以范德瓦尔斯力：通常为5kJ/mol氢键： 18.8kJ/mol H-O键： 460kJ/mol .各水分子能与邻接的水分子形成氢键。 每个水分子在正极

2、一侧有两个露出的氢核，在负极一侧有两个孤立电子，每个水分子在能引出两个氢核的同时，还能从两个孤立电子中接收氢核。 在4，4，固体水(冰)分子结构中，氢键数达到最高饱和值，分子排列为六方晶系晶格，与液体水分子结构相比，固体水(冰)结构稀疏，密度从1.0gcm-3下降到0.92gcm-3。1，水的物理性质，二水的特性及其意义，1 )高沸点，高熔点，2 )蒸发热高，3 )水在4时密度最大，4 )水具有突出的界面特性，水的表面张力大。 除了极少数液体和固体(液氨、液态氢等)，水的比热比其他液体和固体高。 比热(specific heat capacity )又称比热(specific heat cap

3、acity )，简称比热，是单位质量物质的热容量，是单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热能。 (6)水具有高介电常数，比其他纯液体高。 大部分离子化合物可以在水中电离。 介电常数是测量物质极性大小的有用参数。 在化学中，介电常数是溶剂的重要性质，代表了溶剂对溶质分子的溶剂化和离子分离能力。 水分子的强极性有与带电荷的离子和分子结合的作用。 水合作用是一个强散热过程，释放的能量足以克服离子间的力。 物质的介电常数是指两个带电体在真空中其物质中的静电力的大小之比。 例如水的介电常数为78.5，表示一对阴、阳离子在真空中的离子间引力为水中的78.5倍。 式中： f是正负离子间静电引力，q1、q2

4、是两种离子的电荷，r是离子间距； 是溶剂的介电常数。 把库仑定律应用于溶液中的离子，可以表示如下。 在自然界中，氢有两种稳定同位素，H1、H2 (称为重氢，d )氧有三种稳定同位素，O16、O17、O18、(7)水的同位素组成(P16 )、自然界的水实际上是种水的混合物。 在ho16ho 18ho 17hh o 16dho 16dd o 18dd o 17 d中，ho 16h是众所周知的普通水分子，含量为99.745% (摩尔分数)，其馀为重水。 根据9，英国研究，喝重水可以延长人的寿命10年(照片来自英国的每日邮报网站)，信息源：科学网(2008 )，我们应该喝什么？ -重水或轻水？ 105

5、 ml super light water，1，250 (圆)，由不同同位素组成的分子之间存在相对质量差。 由该质量的差异引起的这个分子的物理化学性质的差异叫做同位素效应。 例如D2O蒸发热、沸点、表面张力、密度等比H2O高. 所谓同位素分馏，是指某元素的同位素以不同的比例分配给两种物质和物质相的现象。 同位素效应、同位素分馏、重水的蒸气压比普通水的蒸气压稍低，所以在蒸发区(例如大洋水)重水的成分稍高。 水蒸气凝结生成的雨水中重水的成分很低。 南极的冰是地球上最轻的水。 一般认为蒸发作用是促进水的同位素分馏的主要过程。“蒸气压：一定温度下，液体及其蒸汽处于平衡状态时蒸汽所具有的压力称为饱和蒸气

6、压，简称为蒸气压。分馏的大小与同位素的相对质量差成比例。 因为h和d的相对质量差是所有元素的同位素中最大的，自然界的氢同位素分馏也最大，一般比其他元素的同位素分馏大一位数。 自然界中哪些元素的同位素分馏最大？ 例如，中国学者在研究北京地区地下热水时，北京市东南部地下热水中重氢同位素的浓度(D )值(以海水为基准的比较)为- 6.33- 7.78 、表示稳定同位素分馏的参数值(常用)国际原子能机构于1968年，以维也纳标准平均海水(Vienna standard mean ocean water，V-SMOW )为基准，定义自然水稳定同位素比率相对于V-SMOW的千分差 维也纳标准的平均海水是虚

7、拟的标准，其“绝对”同位素比是2h/1h=(155.760.10 ) 10-618 o/16o=(2005.200.43 ) 10-6o/16o=(37315 ) 10-6，o18 /。 如果一个样品的O18值为-5.0，表示该样品的n(18O)/n(16O )值比标准样品低5/1000，对生物的体温和地理区域的气温发挥稳定作用，热容量比其他液体(氨除外)高，冰熔化热高于其他液体(氨除外)，决定大气与水体之间的热和水分子的转变的气化热高于其他物质，冰漂浮在水中，垂直循环只在限定的层水中进行，在4下液体密度最大，无色，光合作用所需的光能达到相当深的水， 能透过可见光和紫外光的长波部分，生理学控制

8、因素控制水的滴下和表面现象，表面张力比其他液体高(水银除外)，离子性物质在具有高溶解性的溶液中这些物质容易电离，介电常数比任何纯液体高，输送营养物质和排泄物， 使水介质中的生物学过程成为可能，优秀的溶剂、作用和重要性、性质、水的重要性质及其意义、水的意义、地球成为智星是重要的因素之一。 各种生命起源的假说中热水是不可或缺的。 “蓝色大理石”地球照，“地出”、三、水的化学性质，1 )水的化学稳定性在常温、常压下水化学稳定，即水不易分解为H2和O2。 2 )水合作用：水分子的强极性使带电荷的离子和分子结合的作用。 例如天然水中的镁以Mg(H2O)62的形式存在。 (3)水电离，水是弱电解质，一些水

9、分子解离成h和oh。 在25和1个气压的条件下，水的解离常数Kw=10-14。 水与弱酸阴离子或弱基阳离子反应，引起水溶液中的OH-过剩或h过剩的反应，称为水解反应。 4 )水解、水解作用在地质和地球化学过程中非常重要的： (1)增加盐类的溶解度；(2)引起ph缓冲机制；(3)许多地质过程，如成岩作用、成矿作用和风化作用，实质上是水解过程。 (2.2)天然水的组成、形成和分类、一、天然水的组成、(1)物质的种类多，含量有差异。(2)水中溶解的物质的分散程度复杂。(3)存在各种各样的生物。 天然水的特征，Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Na、k、Ca2、Mg2是天然水中含有最多的8种

10、离子。 这些含量占天然水中离子总量的95-99%。主要离子、海水、长江宜昌站(1984年的平均值)在把K Na换算成mg/L单位的情况下，一般采用平均摩尔质量25g/mol。HCO3-是天然淡水中含有的主要无机阴离子。 主要由碳酸盐矿物和含有CO2的水的作用形成。 例如含有碳酸钙、碳酸镁和CO2的水的作用。 (1)碳酸氢根(HCO3- )、碳酸根(CO32-)、缓冲能力、总碱度、水的肥力、天然水的pH值调整、天然水中Cl-主要从各种岩石中溶解氯化物。 沉积岩的岩盐(NaCl )矿床是天然水中cl的主要来源。 (2)氯(Cl-)、Cl-在天然水中分布极其广泛，几乎所有的天然水中Cl-，但是含量差

11、异很大。 在河流和淡水湖中，cl含量少，不足10mg/L的海水中的Cl-是主要的阴离子，其含量约为19g/L .SO42-是天然水中含量中间的阴离子。 so42主要来自含有石膏(CaSO42H2O )的沉积岩，且硫作为金属硫化物分布于火成岩中，当硫化物与含有氧的水接触时，被so42氧化的火山气体中的SO2和部分矿泉水中的s和H2S被so42氧化的含硫动植物的残骸的分解也可增加天然水中的SO42-含量(3)硫酸根(SO42-)、天然水中存在Ca2时，SO42-的含量减少，可以形成Ca2和SO42-难以溶解的CaSO4. 但是，天然水中存在NaCl时，CaSO4的溶解度增大，这受盐效应的影响。 例

12、如，在25下，水中不存在NaCl的情况下，SO42-的含量为1480mg/L，水中Na的含量为2500mg/L的情况下，SO42-的含量可以增加到1800mg/L，天然水中SO42-的含量除了各种硫酸盐的溶解度以外，还可以氧化环境在还原条件下，SO42-不稳定，被还原成自然硫和硫化氢，在还原中发挥重要作用的是硫酸盐还原菌。 这些细菌在缺氧条件下或存在有机物的情况下，可以将SO42-还原成硫化氢。 由于海洋深处和油田的水都有这样的作用，所以这样的水中不存在SO42-。 钙的来源主要有含石膏地层中CaSO42H2O的溶解、白云石CaCO3MgCO3、方解石CaCO3被水中CO2溶解等。 因此，不同

13、条件下，天然水中的钙含量有很大差异。 一般来说，地下水的含量大大高于地表水的含量。 (4)钙(Ca2 )、镁(Mg2 )、镁的起源主要是白云岩、泥灰岩等风化产物的溶解。 镁存在于所有的天然水中，其含量仅次于Na、Ca2，位于阳离子的第二位。 关于天然水中Ca2和Mg2含量的比率关系，溶解性固体总量小于500mg/L时，Ca2和Mg2的摩尔比的变化范围宽，从4:1到2:1。 在对水的溶解性固体的总量超过1000mg/L的情况下，当Ca2和Mg2的摩尔比从2:1到1:1，在水中的溶解性固体的总量进一步增大时，Mg2为Ca2的数倍以上。 海水中的摩尔比为5.2，淡水中的Ca2显着多于Mg2。 这与地

14、壳中钙的丰度比镁大有关系。 盐水中Mg2超过Ca2是因为镁碳酸盐和硫酸盐的溶解度比钙高。 天然水的硬度主要由Ca2和Mg2组成。 水的硬度(P19表2-4 )、德国度：将水中的Ca2和Mg2换算成相当量的CaO量，水1L中含有相当于l0mg的CaO，其硬度是德国度。 这是我国目前最常用的水的硬度表示方法。 各种含钠岩矿是天然水中Na的主要来源，淡水中的Na主要来源于硅酸铝(Na2Al2Si6O16 )矿物的分解，盐水中的Na主要来源于NaCl的溶解。 (5)钠(Na )、钾(k )、钾主要分布于酸性岩浆岩和石英岩。 硅酸铝酸盐(K2Al2Si6O16 )矿物的分解是天然水中钾的重要来源。 各种

15、天然水中Na普遍存在。 根据天然水中的条件不同，Na含量有很大差异。 大多数河水在每升几毫克到几十毫克之间，卤水是100g/L以上，海水中Na含量是10.5g/Kg左右。.k和Na在地壳中的丰度接近，分别为2.60%和2.64%。 两者具有相近的化学性质，但天然水中的k含量一般远低于Na，为Na含量的4%-10%。 形成水中这种K /Na质量比的原因是，k容易被土壤胶体粒子吸附，移动性差，另一个原因是被植物吸收利用。陆地水中下列成分的含有顺序一般为HCO3- SO42- Cl-，Ca2 Na Mg2，海水中相应的含有顺序为Cl- SO42- HCO3-，Na Mg2 Ca2。 地下水受到局部环

16、境地质条件的限制，其优势离子变化很大。 天然水中常见的主要离子总量可以大致用作水的总溶解性固体成分(TDS，total dissolved solids )。 TDS= cl-so42-HCO3- naka ca2mg2从世界主要河川的河川水的元素组成，到现在为止数次推定了世界的河川水的平均化学组成。 最新估计，全球河水总溶解盐(TDS )的中位数为127.6mg/L，流量加权平均为93.8mg/L，其中Ca2为主要阳离子，HCO3-为主要阴离子。 某水系水质分析结果如下：离子含量(mmol/l ) kanaca2mg2HCO3- cl-so42-0.072.981.190.773.78.450.45请说明该水系水质分析结果的合理性。 阳离子电荷数： 0.072 2.98 2.38 1.54=6.972阴离子电荷数： 3.78 2.45 0.9=7.13，合理地说，水中的阳离子的总当量数与阴离子的总当量数相等，因此