水文地球化學復習資料

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上水文地球化學復習資料第一章 緒論1、 水文地球化學（HGC）的含義（1） HGC是水文地質學的一部分，所研究的內容為地下水在數(shù)量和質量上時空變化的規(guī)律。（2） HGC是在水文地質學與地球化學基礎上發(fā)展起來的、并已成為一門獨立的學科。（3） HGC是以地下水化學成分的形成與演化以及各種化學元素在其中的遷移規(guī)律為主要研究對象的一門學科 。（4） HGC是探索地球殼層各帶中地下水的地球化學作用的一門新興學科。2、 水文地球化學的研究任務（1） 查明地下水化學成分（如首先查明地下水化學成分、水型、礦化度以及它們在空間上的變化規(guī)律）。（2） 解釋是什么作用形成了這些地下水特有的

2、化學成分。（3） 有必要研究地下水中單個元素的遷移和富集規(guī)律。 第二章 化學熱力學基礎1、 熱力學理論的三個基本定律（1） 熱力學第一定律（即能量守恒和轉化定律）：能量有各種不同的形式，如輻射能、熱能、電能、機械能和化學能，能量能夠從一種形式轉化為另一種形式，但總能量保持不變。（2） 熱力學第二定律：能量只沿有利的勢能梯度傳遞，該定律闡述過程的可能性、方向和限度（熱量不可能自發(fā)地、不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體）。（3） 熱力學第三定律：“在熱力學溫度零度（即T=0開）時，一切完美晶體的熵值等于零?！保ń^對零度不可達到，但可以無限趨近）。2、 體系：在熱力學中，被研究的對象稱為熱力學體系

3、，簡稱體系。（1） 封閉體系：與環(huán)境之間只有能量交換而無物質交換的體系。（2） 開放體系：與環(huán)境之間既有能量交換又有物質交換的體系。（3） 孤立體系：與環(huán)境之間能量交換和物質交換兩者全無的體系 。3、 狀態(tài)：當體系的各種性質具有確定的數(shù)值時，就稱該體系處于一定的狀態(tài)。狀態(tài)函數(shù)：由于決定體系狀態(tài)的這些性質同體系的狀態(tài)之間有著這樣的依從關系，所以又把體系的這些性質稱為狀態(tài)性質或狀態(tài)函數(shù)。體系的溫度、壓力、體積、密度、電位、折光率、粘度、自由能等等，都是狀態(tài)函數(shù)。平衡狀態(tài)：體系到達某一狀態(tài)后，若不再隨時間改變，則稱體系處于熱力學平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。4、 熱力學方法在水文地球化學的應用（1） 判斷

4、水文地球化學體系中反應的方向和程度；（2） 計算化學反應的熱效應；（3） 計算化學反應平衡常數(shù)；（4） 計算氧化還原反應的電位值和水溶液的PH值；（5） 水中溶液組分優(yōu)勢場和礦物穩(wěn)定場的制作。5、 自由能（1） 定義：是指一個反應在恒溫恒壓下所能做的最大有用功，以符號“G”表示。G是指一個反應的自由能變化。（2） 標準生成自由能：在標準狀態(tài)下，最穩(wěn)定的單質生成1摩爾純物質時的自由能變化，稱為“標準生成自由能”，以“Gf”表示。（3） 反應的標準自由能變化：在標準狀態(tài)下，某一反應自由能變化稱為“反應的標準自由能變化”，以“Gr”表示。（4） 計算方法：GrGf (生成物)Gf (反應物)。（5）

5、 在恒溫恒壓條件下自由能判據(jù)為：Gr0: 反應不可能進行，但逆反應可以自動進行；Gr=0: 反應處于平衡狀態(tài)。（6） 反應的標準自由能變化與平衡常數(shù)的關系式：Gr = -RTlnK式中Gr為反應的標淮自由能變化（kJ/mol）；R為氣體常數(shù)（0. kJ/mol）；T為絕對溫度；K為平衡常數(shù)。在標準狀態(tài)下，T 293.15 K。將R和T值代入上式，并轉換為以10為底的對數(shù)，則lgK - 0.175Gr (kJ/mol) 。6、 范特霍夫式LgK1=LgK2-Hr2.3R(1T2-1T1)式中：T1為參比溫度，一般為298.15K；T2為所求溫度；K1和K2分別為參比溫度及所求溫度的平衡常數(shù)； H

6、r為反應的標準焓變化（kJ/mol）；R為氣體常數(shù)（kJ/mol）。7、 CaCO3溶解和沉淀CaCO3溶解：CaCO3 Ca2+ + CO32- HrHCa +HCO3 -HCaCO3 (-542.83) + (-677.1) - (-1207.4) -12.53kJ/molCaCO3沉淀：Ca 2+ + CO32- CaCO3 Hr HCaCO3 -HCa -HCO3 (-1207.4) - (-542.83) - (-677.1) 12.53kJ/molCaCO3溶解，Hr為負值，屬放熱反應；CaCO3沉淀，Hr為正值，屬吸熱反應。第三章 溶解和沉淀作用1、 溶解作用分類全等溶解：礦物與

7、水接觸產生溶解反應時，其反應產物都是溶解組分。不全等溶解：礦物與水接觸產生溶解反應時，其反應產物除溶解組分外，還包括一種或多種新礦物或非晶質固體組分。2、 同離子效應和鹽效應同離子效應：一種礦物溶解于水溶液中，如若水溶液中有與礦物溶解相同的離子，則這種礦物的溶解度就會降低，這種現(xiàn)象在化學中稱為同離子效應。鹽效應：物在純水中的溶解度低于礦物在高含鹽量水中的溶解度，這種含鹽量升高使礦物溶解度增大的現(xiàn)象，在化學上稱為鹽效應。（鹽效應和同離子效應可以同時存在。就對溶解度的影響而言，同離子效應大于鹽效應。因此，在鹽效應和同離子效應同時存在時，鹽效應往往可忽略；如無同離子效應存在時，鹽效應是應予考慮的。）

8、 3、 溶度積和溶解度溶度積：當難溶電解質溶于水形成飽和溶液時，溶液中同時存在溶解離子和未溶解的固體。按照質量作用定律，在給定的溫度壓力下，溶液中相應方次的離子的活度乘積是一個常數(shù)，稱為平衡常數(shù)K，對于難溶鹽，這個常數(shù)稱為“溶度積”，或者“溶度積常數(shù)”。溶解度：在給定的溫度壓力下，達到溶解平衡時，溶液中溶解物質的總量。4、 飽和度判別（1） 如BaSO4的溶解速度大于沉淀速度，溶液處于未飽和狀態(tài)；（2） 如果沉淀速度大于溶解速度，BaSO4溶液處于過飽和狀態(tài)；（3） 如果沉淀速度等于溶解速度，溶解過程和沉淀過程便達到平衡，即溶液為飽和溶液。5、離子積如溶液中Ba2+與SO42-的乘積小于Ksp

9、，且溶液并未和BaSO4固體接觸，那么溶液中Ba2+與SO42-之間沒有相互依賴關系，可以任何濃度存在，只要它們的乘積不超過Ksp。所以這時Ba2+與SO42-的乘積不稱為溶度積而稱離子積。因為它們的乘積不是一個常數(shù)?？傊?，Ba2+SO42- =Ksp是溶液處于飽和狀態(tài)時Ba2+與SO42-的相互關系。6、飽和指數(shù)是確定水與難溶電解質（礦物）處于何種狀態(tài)的參數(shù)，以符號“SI”表示，我們以反應說明：aA+bB = cC+dD，按質量作用定律，當上述反應達到平衡時，CcDdAaBb=K。左邊稱為活度積，以“AP”表示；如所用組分均為離子，則稱離子活度積，以“IAP”表示。（1） 當達到溶解平衡時，

10、AP（或IAP）= K，即AP/K或IAP/K等于1；（2） 如AP/K或IAP/K1，反應向左邊進行；（3） 如AP/K或IAP/K1，反應向右邊進行。SI的數(shù)學表達式為：SI=IAP/K 或 SIlg(IAP/K ) 8、 影響溶解和沉淀的因素溶解度（對礦物溶解順序的影響：Cl化物 硫酸鹽礦物 碳酸鹽礦物）PH值、溫度、壓力、混合作用、氣候等 第四章 碳酸平衡1、閉系統(tǒng)該系統(tǒng)與大氣沒有CO2交換，水與碳酸鹽間的溶解反應所消耗的CO2得不到補充，碳酸鹽的溶解受到CO2的控制，這種系統(tǒng)稱為閉系統(tǒng)。閉系統(tǒng)的特征是Ca2+、HCO3-濃度較低，而PH值較高；最后達溶解平衡的pCO2值小于原始值，一

11、般在10-2個大氣壓左右。2、 開系統(tǒng)該系統(tǒng)與大氣有CO2交換，水與碳酸鹽間的溶解反應所消耗的CO2可不斷的得到補充，碳酸鹽的溶解不受CO2的控制，這種系統(tǒng)稱為開系統(tǒng)。開系統(tǒng)的特征是Ca2+、HCO3-濃度較高，而PH值較低；水中pCO2值一般保持定值，其范圍一般在10-2 -10-3個大氣壓左右。3、碳酸平衡綜合上述分析可知，當pH10.33時，CO32-在各碳酸鹽組分中的含量最大；而當6.35pH7)H2CO3的一級電離方程：K1=HCO3-H+H2CO3=10-6.35H2CO3的二級電離方程:K2=CO32-H+HCO3-=10-10.33水的電離平衡方程: Kw=H+ OH- = 1

12、0-144、 NaHCO3型水蘇打水化學成分特征：呈堿性（pH 7，一般在8左右）、軟水或極軟水、礦化度多在0.6 g/L以上。形成作用與條件：陽離子交替吸附作用、脫硫酸作用、風化作用。第五章 氧化還原反應1、氧化還原反應的特征參加反應的各種物質在反應前后有電子的得失，失去電子的過程稱為氧化過程、得到電子的過程稱為還原過程。2、.氧化劑和還原劑在氧化還原反應中，若一種反應物的組成原子或離子失去電子（氧化），則必有另一種反應物的組成原子或離子獲得電子（還原），失去電子的物質叫做還原劑，獲得電子的物質叫做氧化劑。 5、 標準氧化還原電位（E0）在標準狀態(tài)下，金屬與含有該金屬離子且活度為1mol的溶

13、液相接觸后達到反應平衡時的電位稱為該金屬的標準電極電位。由于標準電極電位表示物質氧化性及還原性的強弱，所以又稱為標準氧化還原電位。6、 氧化還原電位（Eh）：在實際的系統(tǒng)中，參加氧化還原反應的組分的活度一般都不是1mol，該反應在達到平衡時的電位稱為氧化還原電位。7、 能斯特方程：表示Eh值與E 0值和反應組分的活度之間關系的方程稱為能斯特方程：Eh=E0+RTnFIn氧化態(tài)還原態(tài)R為氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，n為反應的電子數(shù)，T為絕對溫度，氧化態(tài)與還原態(tài)分別為氧化態(tài)與還原態(tài)的活度。8、 Eh-pH圖以氧化還原電位（Eh）為縱坐標，溶液的酸堿度（pH）為橫坐標，各種溶解組分及固體組分穩(wěn)定場的圖

14、解，稱作Eh-pH圖，也稱為穩(wěn)定場圖。Eh-pH圖只是表示在標準狀態(tài)下，氧化還原反應達到平衡狀態(tài)時，水溶液中各種溶解組分及固體的穩(wěn)定場，而天然地下水系統(tǒng)通常都偏離平衡狀態(tài)。Eh-pH圖能預測在一定Eh-pH范圍內，可能出現(xiàn)的溶解組分及固體種類，但不能預計其反應速率。第六章 離子交換過程(吸附-解吸附過程)1、吸附作用：巖土顆粒表面帶有負(或正)電荷，能夠吸附陽(或陰)離子。一定條件下，巖土介質將吸附地下水中某些陽(或陰)離子，而將其原來吸附的部分陽(或陰) 離子轉入地下水中，這一過程稱為吸附作用。2、吸附劑：對氣體與液體中的物質具有吸附作用的固體物質。吸附質：被吸附的氣體和液體中的物質。吸附態(tài)

15、：吸附質在固體表面被吸附以后的狀態(tài)。吸附中心：發(fā)生吸附作用的吸附劑表面的局部位置。解吸附作用：吸附在固體表面的吸附質進入液相或氣相，濃度下降。吸附平衡：當吸附作用與解吸附作用的速率相等時，固體表面的吸附質濃度保持不變，這樣的狀態(tài)稱為吸附平衡狀態(tài)。永久電荷：在礦物晶格內因同晶替代所產生的電荷，由于同晶代替是在礦物形成時產生的，因而這種電荷在產生后就不會改變，稱為永久電荷?？勺冸姾桑涸诠腆w表面因化學離解而形成的電荷，其電性與電荷數(shù)量常常隨介質pH值的改變而發(fā)生變化，故稱為可變電荷。3、 物理吸附和化學吸附物理吸附：帶有電荷的固體顆粒表面依靠靜電引力吸附液相異性離子的現(xiàn)象?；瘜W吸附：固體表面通過化學

16、鍵吸附液相中的離子的現(xiàn)象。4、 陽離子交換容量表示吸附劑吸附能力的參數(shù)。在地質學和土壤學中常用陽離子交換容量CEC表示巖石、礦物和松散沉積物的吸附量。單位為meq/100g，其含義是每百克干土（巖）所含的全部交換性陽離子的毫克當量數(shù)。CEC值只代表特定測試條件下(pH=7的醋酸銨溶液+NaCl溶液)巖土的交換能力，而巖土的實際交換能力明顯地受到介質pH的影響，除此以外，CEC值還受占據(jù)交換格位的離子的性質的影響。影響CEC值的因素：沉積物里吸附劑的數(shù)量和種類、沉積物顆粒大小、PH值等。5、 零點電位pH值（pHz）pH值低時，正的表面電荷占優(yōu)勢，吸附陰離子；pH值高時，負的表面電荷占優(yōu)勢，吸附

17、陽離子；pH值為中間值時，表面電荷為零，這一狀態(tài)稱為零點電位，該狀態(tài)下的pH值稱為零點電位pH值，記為pHz，是表面電荷性質的分界點：pH HCO3- H2BO3- SO42- Cl- NO3- 7、陽離子交換影響陽離子吸附親合力的因素：對于同價離子，吸附親合力隨離子半徑的增加而增加，隨水化程度的增加而降低；離子半徑越小，水化程度越高，吸附親合力越低。一般來說，高價離子的吸附親合力高于低價離子的吸附親合力H+Rb+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li，其中， H+是例外。7、 地下水中的陽離子交換（1） 在地下水滲流過程中，從補給區(qū)流到排泄區(qū)，地下水從原來的地段進入一個具有明

18、顯交換能力的新地段后，必然會破壞其原有的陽離子交換平衡，而調整到一個新的交換平衡狀態(tài)。（2） 達到新的平衡后，其陽離子濃度的變化主要取決于：（a）新地段固體顆粒表面各種交換性陽離子的濃度，以及它們互相間的比值;（b）進入新地段地下水的原有化學成分，特別是陽離子濃度。（3） 隨著地下水的不斷向前流動，陽離子交換平衡不斷被打破，又不斷地建立新的平衡。其結果是，不但水的陽離子濃度變化了，含水層固體顆粒表面有關的交換性陽離子濃度也改變了。第七章 生物化學作用過程1、生物化學過程與微生物的活動有關 （1） 用微生物結合水文地球化學找礦；（2） 污水、廢水現(xiàn)場處理中, 生物處理(Bio-treatment

19、)是一種基本的水處理方法；（3） 幾乎地下水系統(tǒng)中的氧化還原過程都需要微生物催化，它雖然不影響反應的方向，但明顯地影響反應速率。2、微生物活動的水文地球化學效應以下兩個方面的作用：一是加速氧化還原過程，在微生物活動的幫助下，硫化礦石的氧化、脫硫化、脫硝化等過程得以加速和強化。二是導致出現(xiàn)可調控地下水Eh狀態(tài)的氧化還原體系（如氧體系、硫體系）或離子（如Fe3+等）。3、微生物活動對硫化物氧化的影響在硫化礦床氧化帶，發(fā)生氧化反應，與化學氧化過程相比，微生物活動導致硫化物氧化，反應速率提高幾十倍，而所形成的氧化態(tài)物質濃度增大幾倍。 該過程可用于選礦。4.、微生物活動對脫硫酸作用的影響脫硫酸作用經常是

20、在脫硫酸菌的參與下發(fā)生的：脫硫酸菌從硫酸鹽那里奪得氧，同時，把H2或有機物質作為能量物質。第八章 化學元素在地下水中的遷移1、彌散通量 由于彌散作用所引起的單位時間通過單位溶液面積的溶質質量，稱為彌散質量通量，簡稱為彌散通量。彌散通量可分為分子擴散通量與機械彌散通量兩種。它們分別是由于分子擴散作用與機械彌散作用所引起的質量通量。 第九章 地下水的化學成分1、質量濃度：每升水中所含溶質的毫克數(shù)(mg/L)或者微克數(shù)(g/L)來表示；或者每千克溶液中含溶質的毫克數(shù)(ppm)或者微克數(shù)(ppb)來表示。2、摩爾濃度：常見的摩爾濃度表示方法有兩種，一種是以每升溶液中所含溶質的摩爾數(shù)來表示；另一種是以每

21、千克溶液中所含物質的摩爾數(shù)來表示。 3、當量濃度：離子的摩爾濃度(mol/L)與其離子價的乘積。正、負離子當量濃度之和相等。 1eq/L=1000meq/L。4、總溶解固體（TDS）是指水中溶解組分的總量，它包括溶于水中的離子、分子及絡合物，但不包括懸浮物和溶解氣體。它通常以105-110下，水蒸干后留下的干涸殘余物的重量來表示，其單位為mg/L或g/L，常記為“TDS”，是英文Total Dissolved Solids縮寫。由于這種測定方法比較麻煩，所以分析結果中的“TDS”常常是計算值。其計算方法是：溶解組分(溶解氣體除外)總合減去1/2的HCO3-，因為水樣蒸干過程中，約有一半的HCO

22、3-變成CO2氣體跑掉，其反應如下：按溶解性總固體含量(g/L)，將地下水分類為：淡水50。5、 含鹽量是指水樣各組分的總量，其單位以mg/L或g/L表示。這個指標是計算值，它與總溶解固體的差別在于無需減去1/2 HCO3-。它常用于灌溉水質的評價，以及計算河流向海洋傳輸風化產物的參數(shù)。6、 鈉吸附比是評價灌溉水水質的一個有用指標。高SAR值的水灌溉會引起土壤板結。在研究水和土壤間K和Na與Ca和Mg進行陽離子交換時，SAR也是一個有用參數(shù)。7、硬度以水中Ca2+、 Mg2+、Sr2+、 Ba2+等堿土金屬離子的總和來量度。但是，除Ca2+、 Mg2+外，其它金屬離子在水中的含量一般都很微，因

23、此，硬度一般以水中的鈣和鎂來量度，其計算方法是鈣和鎂的毫克當量總數(shù)乘50，以CaCO3表示，其單位是mg/L。碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度也稱暫時硬度和永久硬度，因為碳酸鹽硬度是指與CO32-和HCO3-結合的那部分Ca2+和M g2+，水煮沸時成CaCO3沉淀而被除去，而非碳酸鹽硬度是指與 Cl-、SO42-、NO3- 結合的Ca2+和Mg2+，水煮沸后不能除去。8、生化需氧量（BOD） 是指水體中的微生物在降解水中有機物的過程中所消耗的氧量，以mg/L表示，以符號“BOD”代表。9、化學需氧量（COD）是指采用化學氧化劑氧化水中有機物和還原性無機物所需消耗的氧量，以mg/L表示，以符號“COD

24、”代表。10、總有機碳（TOC）是指水中各種形式有機碳的總量，以mg/L表示，以符號“TOC”代表。11、溶解氧(DO)主要來源于空氣中的氧氣，故溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度有密切的關系。 12、地下水中分布最廣、含量較多的離子（七種）： Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。 13、地下水中占主要地位的離子成分：低礦化水中以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主；高礦化水以Cl-、Na+為主；中等礦化水，陰離子常以SO42-為主，陽離子為Ca2+、Mg2+。 14、溶解度：氯鹽 硫酸鹽 碳酸鹽15、TDS異常高的地下水中以氯和鈣為主的原因：鈣的硫酸鹽，特別是

25、鈣、鎂的碳酸鹽，溶解度最??；隨著TDS增大，鈣、鎂的碳酸鹽首先達到飽和并沉淀析出，繼續(xù)增大時，鈣的硫酸鹽也飽和析出。因此，高礦化水中便以易溶的氯和鈉占優(yōu)勢（由于氯化鈣的溶解度更大，故在TDS異常高的地下水中以氯和鈣為主）。16、庫爾洛夫式（1） 橫線上下： 表示陰陽離子分別按毫克當量百分數(shù)自大到小順序排列，小于10%的離子不予表示。（2） 橫線前：依次表示特殊成分、氣體成分、TDS(以字母M為代號),單位為g/L；（3） 橫線后：以字母t為代號表示以攝氏計的水溫。17、三線圖示法該圖由一個等邊的平行四邊形及兩個等邊三角形組成。濃度單位為每升水的毫克當量百分數(shù)。構圖時，首先依據(jù)陰陽離子各自的毫克

26、當量百分數(shù)確定水點在兩個三角形上的位置，然后通過該點作平行于刻度線的延伸線，兩條延伸線在平行四邊形的交點即為該水點在平行四邊形的位置。第十章 同位素水文地球化學1、同位素效應同位素效應是指同位素是同一元素的化學性質相同,但原子量不同的原子,因此不能用化學方法將其分開，在觀察原子光譜時能發(fā)現(xiàn)有微小的差異,這種效應稱為同位素效應。2、高程效應高程效應是指地形起伏比較大的地區(qū)，大氣降水中D和18O隨著地面高程的增加而逐漸降低的現(xiàn)象。造成高程效應的主要原因是隨高程的增加氣溫逐漸降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾，減少了雨滴的蒸發(fā)，所以常伴有山體迎風面的雨量增加，形成山體迎風面的超前降雨區(qū)，因而云團上升到高空后重同位素含量越來越少，這樣就形成了高程效應。3、大陸效應從赤道到高緯度地區(qū)、從海洋到大陸內部、從低海拔到高海拔地區(qū)，重同位素的虧損依次遞增，構成所謂的緯度效應，大陸效應和高度效應，以及季節(jié)效應，降水量效應等。這是由于水在蒸發(fā)、凝聚過程中的同位素分餾293效應，蒸發(fā)時輕同位素優(yōu)先汽化，凝聚時重同位素優(yōu)先液化，隨著蒸發(fā)、凝聚過程的不斷進行，造成輕同位素在逐漸增加。第十一章 水文地球化學的應用1、