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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 天然水组成和性质,1/73,2.1 水分子结构与性质,2.2 天然水体组成和分类,2.3 各类天然水水质特点,2/73,2.1 水分子结构与性质,3/73,1、水分子有很强极性：,一、水分子结构(两个主要特点）,（1）键角104.5,（2）电负性：,O：3.5；H：2.1,（3）水分子,偶极矩,很大，为1.84D(德拜）。,4/73,偶极矩,若正电(或负电)重心上电荷电量为 q,正负电重心之间距离为 d(称偶极矩长),则偶极矩为:,qd,以德拜(D)为单位,当 q=1.62 库仑(电子所带电量),d=1.0 时,4.8 D,5/73,2.水分子之间有很强氢键。,范德华力：通常小于5kJ/mol,氢键：18.8kJ/mol,H-O键：460kJ/mol,6/73,每个水分子,能够,同邻近,个水分子形成,个氢键。,因为每个水分子在正极一方有两个裸露,氢核,，在负极一方有两对,孤对电子,，每个水分子能够把两个氢核交出，同时又能够由两对孤对电子接收氢核。,4,4,7/73,在固体水（冰）分子结构中，氢键数目达,最高饱和值,，使分子排列成为,六方晶系晶格,，与液体水分子结构相比，固体水（冰）结构较为疏松，其密度由1.0g,cm,-3,降至0.92g,cm,-3,。,8/73,1、水物理性质,二 水特征及其意义,1）高沸点、高熔点,2）蒸发烧高,3）水在4时,密度,最大；,4）水含有突出,界面特征,，水表面张力大。,9/73,5）除极少数液体和固体（如液氨、液氢）外，水,比热容,比任何其它液体和固体都高。,比热容(specific heat capacity),又称,比热容量(specific heat),，简称,比热,容，是,单位质量物质,热容量,，即,是单位质量物体改变单位温度时吸收或释放热能,。,10/73,6）水含有很高,介电常数,，比任何其它纯液体高。绝大部分离子化合物能够在水中电离。,介电常数是度量物质极性大小一个有用参数。在化学中,介电常数是溶剂一个主要性质,它表征,溶剂对溶质分子溶剂化,以及,隔开离子能力,。,水分子强极性使它能与带电荷离子和分子发生相互结合作用。水化作用是一个强烈放热过程，释放能量足以克服离子间彼此作用力。,物质介电常数是指两个带电体在真空中与在该物质中静电作用力大小之比。比如水介电常数为78.5，表明一对阴、阳离子在真空中离子间引力是它们在水中78.5倍。,11/73,式中：f为正负离子间静电引力；q,1,q,2,为两种离子电荷；r为离子间距；为溶剂介电常数。,库仑定律应用于溶液中离子时，可表示为：,12/73,13/73,自然界中，,氢有2种稳定同位素，H,1,、H,2,（称为氘，D）,氧有3种稳定同位素，O,16,、O,17,、O,18,（7）水同位素组成(P16),14/73,自然界水实际上是 种水混合物。,HO,16,H,HO,18,H HO,17,H,HO,16,D HO,18,D HO,17,D,DO,16,D DO,18,D DO,17,D,其中，,HO,16,H,是常说普通水分子，含量为99.745%(摩尔分数），其余为重水。,9,15/73,英研究称喝,重水,能够延长人10年寿命,（图片来自英国每日邮报网站）,信息起源：科学网（）,我们该喝什么？-重水 OR 轻水？,Super light water 105,500ml,1,250（日元）,16/73,由不一样同位素组成分子之间存在相对质量差。这种质量差异所引发该分子在物理和化学性质上差异，称为,同位素效应,。,比如D,2,O蒸发烧、沸点、表面张力、密度等都比H,2,O高。,17/73,同位素分馏,是指在一系统中，某元素同位素以不一样,比值,分配到两种物质或物相中现象。,同位素效应,同位素分馏,18/73,因为,重水蒸汽压比普通水蒸汽压略低,，所以在蒸发区（如大洋水）重水成份稍高。,由水蒸汽凝结生成雨水中重水成份较低。,南极冰是地球上最轻水。,普通认为，,蒸发作用,是促成水同位素分馏主要过程。,【蒸汽压：一定温度下，液体和它蒸汽处于平衡状态时蒸汽所含有压力称为饱和蒸汽压，简称蒸汽压。】,19/73,分馏大小与,同位素相对质量差,成正比。,H和D相对质量差是全部元素同位素中最大，所以自然界中,氢同位素分馏也最大,，普通比其它元素同位素分馏大一个数量级。,自然界中哪个元素 同位素分馏最大？,20/73,比如，我国学者在研究北京地域地下热水时发觉，北京城区东南部,地下热水,中,氘同位素浓度（,D）值,（以海水为 基准所作比较）为-6.33,-7.78,，与,城区雨水,（-6.33,-7.48,）、,河水,（-6.90,-7.48,）及,浅层地下水,（-6.90,-7.48,）中氘同位素浓度（,D）值非常靠近。所以该学者认为，北京东南部地下热水由大气降水所补给。,21/73,表示稳定同位素分馏参数-值（惯用）,国际原子能机构于1968年决定采取维也纳标准平均海水（Vienna standard mean ocean water,V-SMOW）为标准，来定义天然水稳定同位素比率相对于V-SMOW,千分差,。,维也纳标准平均海水,（V-SMOW）是一个假想标准，其“绝对”同位素比值被定义为,2,H/,1,H=(155.76,0.10),10,-6,18,O/,16,O=(.20,0.43),10,-6,17,O/,16,O=(373,15),10,-6,22/73,O,18,/O,16,千分差：,D/H千分差：,反应待测物质中某元素两种稳定同位素比值与一标准物质中同一元素两种同位素比值之间差异。,若一个样品,O,18,值为-5.0,，即表示该样品n(,18,O)/n(,16,O)值较标准样品比值低5/1000.,23/73,对生物体温和地理区域气温起稳定作用,比热容,比任何其它液体（除氨外）都高,冰点时温度稳定,熔化热,比任何其它液体（除氨外）都高,决定大气和水体之间热和水分子转移,汽化热,比任何其它物质都高,冰浮于水，使垂直循环只在限定分层水体里进行,在4时液体,密度,最大,无色，使光合作用要求光能到达水体相当深度,能透过可见光和紫外光长波部分,生理学上控制原因，控制水滴落和表面现象,表面张力,比任何其它液体都高（除汞外）,离子型物质含有高溶解性，在溶液里这些物质易电离,介电常数,比任何一个纯液体都高,输送营养物质和排泄物，使水介质中生物学过程成为可能,优良溶剂,作用和主要性,性质,水主要性质及其意义,24/73,水意义,地球之所以能够成为一颗智慧星球，水是关键原因之一。各种生命起源假说都离不开水这一要素。,“蓝色大理石”地球照,“地出”,25/73,三、水化学性质,1）水化学稳定性,在常温、常压下水是化学稳定，即水极难分解成H,2,和O,2,。,2）水合作用：水分子强极性使它能与带电荷离子和分子发生相互结合作用。比如天然水中镁以Mg(H,2,O),6,2+,形式存在。,26/73,3）水电离,水是一个弱电解质，部分水分子可离解为H,+,和OH,-,。,25和1个大气压条件下，水离解常数K,w,=10,-14,。,27/73,水与弱酸阴离子或弱基阳离子反应，造成水溶液中OH,-,过剩或H,+,过剩反应，称为水解反应。,4）水解,水解作用在地质和地球化学过程中十分主要:,（1）增加盐类溶解度；,（2）造成pH缓冲机制；,（3）很多地质过程，如一些成岩作用、成矿作用和风化作用，其实质实际上是一个水解过程。,28/73,2.2 天然水组成、形成和分类,29/73,一、天然水组成,30/73,（1）物质种类繁多，含量相差悬殊；,（2）水中溶存物质分散程度复杂；,（3）存在各种生物。,天然水组成特点,31/73,Cl,-,、SO,4,2-,、HCO,3,-,、CO,3,2-,、Na,+,、K,+,、Ca,2+,、Mg,2+,是天然水中含量最多8种离子。它们含量占天然水中离子总量95-99%。,主要离子,32/73,海水,长江宜昌站,(1984年年均值）,将K,+,+Na,+,换算为以mg/L作单位时普通采取平均摩尔质量25g/mol。,33/73,HCO,3,-,是天然,淡水,中所含主要无机阴离子。主要是因为碳酸盐矿物与含有CO,2,水作用而形成。比如碳酸钙、碳酸镁与含有CO,2,水作用。,（1）重碳酸根（HCO,3,-,）、碳酸根（CO,3,2-,）,缓冲能力、总碱度、水肥力、天然水pH调整,34/73,天然水中,Cl,-,主要来自各种岩石中氯化物溶解。沉积岩岩盐（NaCl)矿床是天然水中Cl,-,主要起源。,（2）氯（Cl,-,）,Cl,-,在天然水中分布极其广泛，几乎全部天然水中都有,Cl,-,，但含量差异很大。在河流及淡水湖泊中，,Cl,-,含量极少，不足10mg/L；在海水中,Cl,-,是主要阴离子，其含量约为19g/L.,35/73,SO,4,2-,是天然水中含量居中阴离子。,SO,4,2-,主要来自含有,石膏,（CaSO,4,2H,2,O）沉积岩，另外，,硫还以,金属硫化物,形式分布在火成岩中，当硫化物与含氧水接触时，便被氧化成,SO,4,2-,；,火山喷气中,SO,2,和一些矿泉水中,S或H,2,S,都能够被氧化为,SO,4,2-,；,含硫动植物残骸,分解也能够增加天然水中,SO,4,2-,含量。,（3）硫酸根（SO,4,2-,）,36/73,天然水中若有Ca,2+,存在时，则将使SO,4,2-,含量降低，因为Ca,2+,和SO,4,2-,能形成不易溶解CaSO,4,。不过当日然水中有NaCl存在时，可使得CaSO,4,溶解度增大，这是因为盐效应影响。比如在25，水中无NaCl存在时，SO,4,2-,含量为1480mg/L，若水中Na,+,含量为2500mg/L时，SO,4,2-,含量则可增加到1800mg/L.,37/73,天然水中SO,4,2-,含量除决定于各类硫酸盐溶解度外，还决定于环境,氧化还原条件,。,在还原条件下，SO,4,2-,是不稳定，能够被还原为自然硫和硫化氢，在还原中起主要作用是,硫酸盐还原菌,。,这些细菌在缺氧条件下和有机物存在时，可将SO,4,2-,还原成硫化氢。如在海洋深处和油田水中都有这种作用，故这类水中无SO,4,2-,存在。,38/73,钙起源主要有含石膏地层中CaSO,4,2H,2,O溶解，白云石CaCO,3,MgCO,3,方解石CaCO,3,在,水中CO,2,作用,下溶解等。所以，不一样条件下天然水中钙含量差异很大。普通来说，地下水中含量大大地高于地表水中含量。,（4）钙（Ca,2+,）、镁（Mg,2+,）,镁起源主要为白云岩、泥灰岩等风化产物溶解。,镁存在于全部天然水中，而且其含量仅次于Na,+,，Ca,2+,，常居阳离子第二位。,39/73,天然水中Ca,2+,与Mg,2+,含量百分比关系有一个大致规律：在溶解性固体总量低于500mg/L时，Ca,2+,与Mg,2+,摩尔比值改变范围较大，从4:1到2:1。,当水中溶解性固体总量大于1000mg/L时，Ca,2+,与Mg,2+,摩尔比值在2:1到1:1；,而当水中溶解性固体总量深入增大时，Mg,2+,就要超出Ca,2+,很多倍。海水中摩尔比值为5.2,淡水中Ca,2+,显著地多于Mg,2+,。,这与地壳中钙丰度大于镁相关。而在咸水中，Mg,2+,超出Ca,2+,是因为镁碳酸盐和硫酸盐溶解度较钙高。,40/73,天然水硬度主要由Ca,2+,与Mg,2+,组成。,水硬度（P19 表2-4）,德国度:将水中,Ca,2+,与Mg,2+,换算成相当CaO量,即1L水中含有相当于l0mgCaO，其硬度即为1个德国度。这是我国当前最普遍使用一个水硬度表示方法。,41/73,各种含钠岩矿是天然水中,Na,+,主要起源，,淡水中,Na,+,主要来自硅铝酸盐（Na,2,Al,2,Si,6,O,16,）矿物分解，,咸水中,Na,+,主要来自NaCl溶解。,（5）钠（Na,+,）、钾（K,+,）,钾主要分布于酸性岩浆岩及石英岩中。硅铝酸盐（K,2,Al,2,Si,6,O,16,）矿物分解是天然水中钾主要起源。,42/73,各种天然水中,Na,+,普遍存在。在天然水中不一样条件下,Na,+,含量差异十分悬殊。大多数河水每升在几毫克至几十毫克之间，但在卤水中可达100g/L以上，在海水中,Na,+,含量为10.5g/Kg左右。,43/73,K,+,和,Na,+,在地壳中丰度相近，分别为2.60%和2.64%。二者含有相近化学性质，但在天然水中,K,+,含量普通远比,Na,+,低，为,Na,+,含量4%-10%。,形成水中这种,K,+,/,Na,+,质量比原因，首先是,K,+,轻易被土壤胶粒吸附，移动性不如,Na,+,，另一原因是被植物吸收利用。,44/73,陆地水,中以下成份含量次序普通为,HCO,3,-,SO,4,2-,Cl,-,，,Ca,2+,Na,+,Mg,2+,，,海水,中对应含量次序为,Cl,-,SO,4,2-,HCO,3,-,，,Na,+,Mg,2+,Ca,2+,。,地下水,受局部环境地质条件限制，其优势离子改变较大。,45/73,天然水中常见主要离子总量能够粗略地作为水,总溶解性固体,含量（TDS，total dissolved solids）。,TDS=Cl,-,+SO,4,2-,+HCO,3,-,+Na,+,+K,+,+Ca,2+,+Mg,2+,依据世界主要河流河水元素组成，迄今对全球河水平均化学组成已经有数次预计。最新预计是，全球河水总溶解盐（TDS）中位数为127.6mg/L，流量加权平均为93.8mg/L；其中Ca,2+,为主要阳离子，HCO,3,-,为主要阴离子。,46/73,47/73,例：某水系水质分析结果以下：离子含量（mmol/L),K,+,Na,+,Ca,2+,Mg,2+,HCO,3,-,Cl,-,SO,4,2-,0.072 2.98 1.19 0.77 3.78 2.45 0.45,请说明该水系水质分析结果合理性。,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,48/73,因为水中阳离子总当量数等于阴离子总当量数，所以各种离子若以mmol,L,-1,计算时，则应有：,Cl,-,+2SO,4,2-,+HCO,3,-,=Na,+,+K,+,+2Ca,2+,+2Mg,2+,。,49/73,二、天然水中化学成份形成,P37,50/73,1、大气淋溶,水滴在高空漂移过程中不停自周围空气溶解各种物质，雨滴下落过程能将大气颗粒物一并带下，就形成了降水中化学成份。,51/73,2、从岩石、土壤中淋溶,W.Stumm,J.J.Morgan(1981)将H,2,O、CO,2,、O,2,对各类矿物化学破坏作用分为,三类,经典反应。,P38 表2-17 “经典风化反应”,52/73,（1）同成份溶解反应（均相溶解作用）,指矿物被纯水或吸收有CO,2,弱酸性水溶解后全部生成,溶于水,中离子和分子。,53/73,（2）异成份溶解反应（非均相溶解作用）,指矿物被纯水或吸收有CO,2,弱酸性水溶解后产物中现有溶解态物质，同时又有新生成,固体产物,。,54/73,（3）氧化还原反应,氧化还原是矿物化学风化作用第三类，对天然水溶液pH值有显著影响。,55/73,西方文件中关于我国河流水化学第一篇论文是Hu等于1981年发表在英国自然杂志上“中国大河主要离子化学”一文。该文主要价值在于指出了我国河流离子组成主要受,碳酸盐和蒸发盐岩石,溶解作用影响，而较少地受,硅酸盐和铝硅酸盐岩石,风化作用影响。,Hu M-H,Stallard R R,Edmond J M.Major ion chemistry of some large Chinese rivers.Nature,1982,298:550-553,56/73,3、光合作用及水中生物代谢产物或尸体腐解产物,这些产物可向水中提供有机物、营养盐、O,2,CO,2,等。,57/73,（1）天然水中离子之间相互作用,硅酸盐与其它盐类反应；,碱金属碳酸盐与其它盐类反应；,Mg,2+,和K,+,与其它盐类反应。,（2）天然水中离子与沉积物和土壤中吸收性阳离子之间交换反应,4、次级反应与交换吸附作用（P39）,58/73,（3）天然水蒸发浓缩作用,在蒸发浓缩过程中，水体所含盐类逐一到达饱和状态而析出。首先析出是溶解度较小CaCO,3,MgCO,3,CaSO,4,。高度蒸发浓缩区域内陆盐湖水多为氯化水。,（4）天然水混合作用,59/73,5、工业废水、生活污水与农业退水,60/73,三、天然水分类,61/73,矿化度,是水中所含无机矿物成份含量，通常是以水烘干后所得残渣来确定。,矿化度是水化学成份测定主要指标，用于评价水中总含盐量，是农田浇灌用水适用性评价主要指标，惯用于天然水分析中主要被测离子总和质量检验。,矿化度普通只用于天然水测定。,（1）,按矿化度分类,62/73,采取蒸干称重法得到矿化度与离子总量比较，水中HCO,3,-,量损失了快要二分之一（50.8%），因为在蒸干过程中发生了以下反应：,矿化度可近似等于离子总量-1/2HCO,3,-,63/73,O.A.阿列金提出按矿化度分类方案：,淡水 矿化度 1克/千克,微咸水 1-25克/千克,具海水盐度咸水 25-50克/千克,盐水（卤水）50克/千克,64/73,最惯用仍是O.A.阿列金提出分类方案。,因为书上使用当量浓度（以单位电荷形态,为基本单位），故PPT（使用摩尔浓度）中细节处不一样于书。,（2）,按主要离子成份分类,65/73,最惯用仍是O.A.阿列金提出分类方案。,首先按含量（单位：摩尔浓度）最多阴离子把天然水分为三,类,：重碳酸盐、硫酸盐（2SO,4,2-,）和氯化物，并分别以C、S和Cl符号代表，,（2）,按主要离子成份分类,66/73,其次按含量最多阳离子把天然水再分为钙组（2Ca,2+,）、镁组（2Mg,2+,）和钠组，,然后每,组,再依据阳离子和阴离子百分比关系，划分水不一样,类型,。,67/73,离子含量（mmol/L),型,HCO,3,-,2Ca,2+,+2Mg,2+,型,HCO,3,-,2Ca,2+,+2Mg,2+,HCO,3,-,+2SO,4,2-,型,HCO,3,-,+2SO,4,2-,Na,+,型,HCO,3,-,=0,68/73,型水是弱矿化水，主要形成于含大量,Na,+,与,K,+,火成岩地域，水中含有相当数量,Na,HCO,3,成份，在一些情况下也可能由,Ca,2+,交换土壤和沉积物中,Na,+,而形成，水中主要含有,Na,+,与HCO,3,-,；,型,HCO,3,-,2Ca,2+,+2Mg,2+,69/73,型水为混合起源水，其形成既与水和,火成岩,作用相关，又与水和,沉积岩,作用相关，大多数低矿化和中矿化河水、湖水和地下水属于这一类型；,型,HCO,3,-,2Ca,2+,+2Mg,2+,HCO,3,-,+2SO,4,2-,70/73,型水也是混合起源水，但含有很高矿化度。在此条件下因为离子交换作用使水成份急剧改变，通常是水中,Na,+,交换出土壤和沉积物中,Ca,2+,和Mg,2+,。大洋水、海水、海湾水和许多含有高矿化度地下水属这类型；,型,HCO,3,-,+2SO,4,2-,Na,+,71/73,型水是酸性水，这是酸性沼泽水、硫化矿床水和火山水特点。,型,HCO,3,-,=0,72/73,例：某水系水质分析结果以下：离子含量（mmol/L),K,+,Na,+,Ca,2+,Mg,2+,HCO,3,-,Cl,-,SO,4,2-,0.072 2.98 1.19 0.77 3.78 2.45 0.45,请依据O.A.阿列金分类方案（按优势离子分类）判断该水系属哪种类型水。,HCO,3,-,Cl,-,2,SO,4,2-,Na,+,2,Ca,2+,2,Mg,2+,HCO,3,-,2,Mg,2+,+2,Ca,2+,(3.92)HCO,3,-,+,2SO,4,2-,(4.68),CNa型,73/73,
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