第4章天然水環(huán)境化學(xué)1

天然水環(huán)境化學(xué)2011-3-211天然水化學(xué)內(nèi)容提要地球水資源的分類和分布天然水體的化學(xué)組成天然水體的物理性質(zhì)天然水體中的溶解過程水體中的吸附過程天然水體的化學(xué)性質(zhì)酸堿平衡配位反應(yīng)化學(xué)沉淀和溶解氧化還原反應(yīng)2011-3-212天然水化學(xué)地球-藍(lán)色的星球2011-3-213天然水化學(xué)4.1地球水資源的分類和分布

地球上的水資源分為海洋、湖泊、河流、冰川、雪山、降雨、土壤巖石層水、動植物體內(nèi)的水。一般是把湖泊、河流(包括水庫)、冰川、雪山等資源的水叫做地表水；把土壤巖石層所含的水叫做地下水。2011-3-214天然水化學(xué)全球水資源的賦存形式與所占比重全球約3/4的面積覆蓋著水，因而地球有“水的行星”之稱。地球上的水的儲量約140億m3，但其中分布在海洋和咸水湖中的占97.47%，不可能直接為人類生活與生產(chǎn)所利用。全球的淡水儲量僅3.5億m3

，分布在南北兩極與高山冰川積雪、永凍土底冰層及深層地下水等難以利用的淡水占淡水總量的99.6%，因此，只有占淡水總量的0.4%的淡水才是人類可以利用的淡水資源。它們只占全球總儲水量的0.01%。在0.01％的可利用淡水資源中，位于湖泊和河流中可供人們利用的淡水資源僅占全球總水量的0.007％。2011-3-215天然水化學(xué)世界銀行行長伊斯梅爾：“本世紀(jì)許多戰(zhàn)爭都是為了爭奪石油而進(jìn)行的，下個世紀(jì)多為水源而戰(zhàn)爭?！?/p>

世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭2011-3-216天然水化學(xué)

埃及2%的領(lǐng)土不是沙漠，降雨量為0-200mm，人口為7000萬，取河水量680億立方米，尼羅河流經(jīng)9個國家，排最后一位。全長6600多km，目前埃及缺水30%，水的利用率75%，上游的蘇丹與埃塞俄比亞是埃及最重要的敵國，決不能讓它們發(fā)展起來——這是埃及的國策，否則，進(jìn)行戰(zhàn)爭。尼羅河流域世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭2011-3-217天然水化學(xué)中東地區(qū)在中東，約旦河長360公里，流域面積只有1.8萬平方公里，年平均流量18億立方米，以色列取走10余億.約旦河是以色列和巴勒斯坦境內(nèi)流程最長的河流，在以巴之間的歷史恩怨中，約旦河的重要性和知名度就可想而知了。1967年占領(lǐng)1600平方公里的戈蘭高地（約旦河主要補給區(qū)），以色列地下水開采的65%來自于被占領(lǐng)土。世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭2011-3-218天然水化學(xué)我國水資源保護(hù)情況2011-3-219天然水化學(xué)其中，珠江、長江水質(zhì)較好，遼河、淮河、黃河、松花江水質(zhì)較差，海河污染嚴(yán)重。2011-3-2110天然水化學(xué)廢水污染（2007年中國環(huán)境質(zhì)量公報）2011-3-2111天然水化學(xué)2011-3-2112天然水化學(xué)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

（GB3838-2002）我國地面水分五大類：Ⅰ類--主要適用于源頭水，國家自然保護(hù)區(qū)；Ⅱ類--主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地一級保護(hù)區(qū)，珍稀水生生物棲息地，魚蝦類產(chǎn)卵場，仔稚幼魚的索餌場等；Ⅲ類--主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地二級保護(hù)區(qū)，魚蝦類越冬、回游通道，水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)；Ⅳ類--主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)；Ⅴ類--主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。2011-3-2113天然水化學(xué)參考一類水質(zhì)：水質(zhì)良好。地下水只需消毒處理，地表水經(jīng)簡易凈化處理(如過濾)、消毒后即可供生活飲用者。二類水質(zhì)：水質(zhì)受輕度污染。經(jīng)常規(guī)凈化處理(如絮凝、沉淀、過濾、消毒等)，其水質(zhì)即可供生活飲用者。三類水質(zhì)：適用于集中式生活飲用水源地二級保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)。

四類水質(zhì)：適用于一般工業(yè)保護(hù)區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)。五類水質(zhì)：適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。超過五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體基本上已無使用功能。2011-3-2114天然水化學(xué)Dian2011-3-2115天然水化學(xué)2008年中國環(huán)境質(zhì)量公報2009年6月5日，環(huán)保部發(fā)布了2008年中國環(huán)境狀況公報。公報顯示，我國的地表水污染依然嚴(yán)重，全國城市空氣質(zhì)量比上年有所提高，農(nóng)村環(huán)境問題日益突出，呈現(xiàn)出污染從城市向農(nóng)村轉(zhuǎn)移的態(tài)勢。

2011-3-2116天然水化學(xué)2008年中國環(huán)境質(zhì)量公報在我國地表水中，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河和遼河七大水系總體為中度污染，其中海河為重度污染，黃、淮、遼河為中度污染。對200條干支流的409個斷面檢測結(jié)果，適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸娛樂用水區(qū)的IV類水質(zhì)和IV類以下水質(zhì)的斷面占45%。主要的污染指標(biāo)為氨氮、石油類、五日生化需氧量和高錳酸鹽。此外，28個國控重點湖（庫）中，IV類和IV類以下水質(zhì)的占78.6%，主要污染指標(biāo)是總氮和總磷。其中，太湖、巢湖、白洋淀、西湖等11個湖泊或城市內(nèi)湖為劣IV類水質(zhì)。2011-3-2117天然水化學(xué)4.2天然水體的化學(xué)組成4.2.1概述組成：現(xiàn)代的天然水體的化學(xué)組成與巖石風(fēng)化和土壤生成等過程有關(guān)。水在地球物質(zhì)循環(huán)中所起的作用主要是風(fēng)化作用。水溶解、遷移地殼中的礦物質(zhì)，使得其本身成為天然水而具有各種組成2011-3-2118天然水化學(xué)典型的風(fēng)化反應(yīng)

礦物名稱風(fēng)化反應(yīng)石英SiO2(s)+2H2O=H4SiO4

方解石CaCO3(s)+H2O=Ca2++HCO3-+OHCaCO3(s)+H2CO3=Ca2++2HCO3-

三水鋁礦A12O3·3H2O+2H2O=2Al(OH)4-+2H+

鎂橄欖石Mg2SiO4+4H2CO3=2Mg2++4HCO3-+H4SiO4

鐵橄欖石Fe2SiO4+4H2CO3=2Fe2++4HCO3-+H4SiO4

滑石Mg6Si8O20(OH)4(s)+12H++8H2O=6Mg2++8H4SiO4

菱鎂礦MgCO3+2H2O=HCO3-+Mg(OH)2(s)+H+

2011-3-2119天然水化學(xué)經(jīng)過風(fēng)化作用后，巖石釋放出陽離子以及其他物質(zhì)(例如硅酸鹽)，這些物質(zhì)進(jìn)入水體后構(gòu)成水的溶質(zhì)。2011-3-2120天然水化學(xué)分類從物質(zhì)形態(tài)方面來看，天然水體的組成有懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)。懸浮物質(zhì)：是指粒徑大于10-7m的水中物質(zhì)，如泥沙、黏土、藻類、原生動物、細(xì)菌以及其他不溶物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在使水體產(chǎn)生混濁現(xiàn)象。膠體物質(zhì)：主要是指粒徑在10-7～10-9范圍內(nèi)的物質(zhì)。天然水中的無機礦物質(zhì)膠體主要包括黏土礦物和鐵、鋁、硅的水合氧化物。水中的有機膠體物質(zhì)主要是植物或者動物的尸體腐爛和分解而生成的腐殖質(zhì)，其中以湖泊水中的腐殖質(zhì)含量最多，這些腐殖質(zhì)常常使湖水呈黃綠色或者褐色。溶解物質(zhì)：水體中較多的是粒徑小于10-9m而呈溶解狀態(tài)的物質(zhì)，如各種陽離子、陰離子、溶解性氣體和其他有機物。2011-3-2121天然水化學(xué)天然水中各類物質(zhì)的性質(zhì)，可以將天然水的化學(xué)成分分為離子成分、溶解氣體、有機物。離子成分：Ca2+、Na+、Mg2+、K+、CO32-、HCO3-、SO42-、C1-八大離子，（占天然水中離子總量的95%-99%）鐵、錳等陽離子和H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO3-、NO2-、HPO42-、H2PO4-、PO43-、HSiO3-、SiO32-等。2011-3-2122天然水化學(xué)礦化過程和礦化度礦化過程：天然水中主要離子成分的形成過程，稱為礦化過程；礦化度：礦化過程中進(jìn)入天然水體中的離子成分的總量，以總?cè)芙庑怨腆w（TDS-TotaldissolvedSolid）表示。2011-3-2123天然水化學(xué)一般天然水中的TDS可以表示為：TDS=[Ca2++Mg2++Na++K++Fe2++Al3+]+[HCO3-+SO42-+Cl-+CO32-+NO3-+PO43-]通常，將天然水中常見主要離子總量粗略地作為水的總含鹽量（TDS）:TDS≈[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-]根據(jù)此原則可以核對水質(zhì)分析結(jié)果地合理性。2011-3-2124天然水化學(xué)天然水中溶解的重要氣體天然水中溶解的氣體有O2、N2、CO2、CH4等。水表面CO2、N2、O2較多，不流通的深海中CO2過飽和、有時還有H2S。硫化氫不穩(wěn)定，只有缺氧條件下才能存在，一旦受到擾動，就會發(fā)生氧化或從水中溢出。所以天然水中的硫化氫一般出現(xiàn)在地下水中。氣體溶解在水中，對水生生物的生存是非常重要的。2011-3-2125天然水化學(xué)有機物：腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等。水生生物水生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度，具有代謝、攝取、轉(zhuǎn)化、存儲和釋放等功能。水體中的生物分自養(yǎng)和異養(yǎng)生物。2011-3-2126天然水化學(xué)藻類的生成和分解106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++(痕量元素)(respiration)R↑↓P(photosynthesis)C106H263O110N16P+138O2藻類是典型的自養(yǎng)水生生物，以CO2、NO3-、PO43-為C、N、P源的光合作用和呼吸作用2011-3-2127天然水化學(xué)利用太陽能從無機礦物合成有機物的生物體稱為生產(chǎn)者，水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率。生產(chǎn)率通常是由水中營養(yǎng)物質(zhì)的水平?jīng)Q定的，水生植物需要供給適量C(二氧化碳)、N(硝酸鹽)、P(磷酸鹽)及痕量元素(如Fe)，在許多情況下，P是限制的營養(yǎng)物。2011-3-2128天然水化學(xué)決定水體中生物的范圍及種類的關(guān)鍵物質(zhì)是氧，氧的缺乏可使許多水生生物死亡，氧的存在能夠殺死許多厭氧細(xì)菌。因此水中溶解氧的濃度(DO)

是天然水體的重要參數(shù)。在測定河流及湖泊的生物特征時，首先要測定水中溶解氧的濃度。2011-3-2129天然水化學(xué)生化（或稱生物）需氧量（BOD）是水質(zhì)的另一個重要參數(shù)，它是指在一定體積的水中有機物降解所要消耗的氧的量。一個高BOD的水體，不可能很快補充氧氣，顯然不利于水生生物的生長。

2011-3-2130天然水化學(xué)水體中C(CO2)、N(硝酸鹽)的增多可引起藻類的過度生長，藻類生產(chǎn)旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，這就是水體的富營養(yǎng)化。2011-3-2131天然水化學(xué)天然水來源溶解的O2、N2、CO2是飽和或過飽和的；含鹽量很小，一般＜50mg/L，近海以Na+、Cl-為主，內(nèi)陸以Ca2+、HCO3-、SO42-、NO3-一般含有氮的化合物（由于閃電、生物釋放），如二氧化氮、氨、硝酸、亞硝酸等；降水pH=5～7;天然水包括大氣降水、海水、河水、湖泊水和地下水等。大氣降水2011-3-2132天然水化學(xué)海水

礦化度很高，為35g/L，約為1.1mol.L-1

（海洋蒸發(fā)濃縮，大陸帶來鹽分）化學(xué)組成比較恒定（海水太多，離子變化影響不大）；海水pH=8～8.3;2011-3-2133天然水化學(xué)2011-3-2134天然水化學(xué)河水礦化度低，一般100-200mg/L，不超過500mg/L；化學(xué)成分易變，隨著時間和空間變化（汛期和非汛期，流經(jīng)不同的地區(qū)等）；河水DO一般夏季6-8mg/L，冬季8-10mg/L；河水CO2含量夏季1-5mg/L，冬季20-30mg/L（光合作用減弱，補給源地下水含CO2多）2011-3-2135天然水化學(xué)重碳酸鹽河水（常見）河水中主要離子濃度順序為Ca2+>Na+>Mg2+>HCO3->C1->SO42-硫酸鹽型或者氯型河水Na+>Ca2+,SO42->HCO3-或者C1->HCO3-2011-3-2136天然水化學(xué)我國主要河流的水的化學(xué)組成/mg·L-1成分長江黃河黑龍江西江松花江閩江Ca2+Mg2+Na+和K+HCO3-SO42-Cl-含鹽量28.99.68.6128.913.44.2163.639.117.946.3162.082.630.0377.911.62.56.754.96.02.083.718.54.88.191.52.82.9128.612.03.86.864.45.91.093.92.60.66.720.24.90.535.52011-3-2137天然水化學(xué)4.3天然水體的物理性質(zhì)4.3.1天然水體中的溶解過程氣體在水中的溶解氣體在水中與大氣之間的平衡可以用亨利定律來表示，即水中某氣體的溶解度與同水接觸的該氣體的平衡分壓成正比例。2011-3-2138天然水化學(xué)氣體在水中的溶解度可用以下平衡式表示：[G(aq)]=KH·PGKH——各種氣體在一定溫度下的亨利定律常數(shù)；PG——各種氣體的分壓。在計算氣體的分壓時，需要對水蒸氣的分壓加以校正（隨溫度的降低而降低，在溫度較低時，這個數(shù)值很?。?。2011-3-2139天然水化學(xué)水在不同溫度下的分壓t/(℃)051015PH2O/(105Pa)0.006110.008720.012280.01705t/(℃)20253035PH2O/(105Pa)0.023370.031670.042410.05621t/(℃)404550100PH2O/(105Pa)0.073740.095810.123301.01302011-3-2140天然水化學(xué)根據(jù)水在不同溫度下的分壓和各種氣體在大氣中的百分含量，就可按亨利定律計算出氣體在水中的溶解度。亨利定律并不能說明氣體在溶液中進(jìn)一步的電離等化學(xué)反應(yīng)，如：CO2+H2OH++HCO3-SO2+H2OH++HSO3-因此，溶解于水中的實際氣體的量（實際溶解度），可以大大高于亨利定律表示的量。注意2011-3-2141天然水化學(xué)例1已知干空氣中氧的含量為20.95%，25℃氧在水中的亨利定律常數(shù)為1.26×10-8mol/(L·Pa)，求氧在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的溶解度。解：氧在水中的溶解度與水的溫度、氧在水中的分壓及水中含鹽量有關(guān)。氧在1.0130×105Pa、25℃（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）飽和水中的溶解度，可按下面步驟計算：查表，水在25℃時的蒸氣壓為0.03167×105Pa,2011-3-2142天然水化學(xué)則氧的分壓：PO2=(1.0130-0.03167)×105×0.2095=0.2056×105Pa代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為：[O2(aq)]=KH·PO2=1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4

mol·L-1氧的摩爾質(zhì)量為32g/mol，因此其溶解度為32×2.6×10-4=8.32×10-3g·L-1。氧的含量20.95％2011-3-2143天然水化學(xué)例2

已知干空氣中CO2的含量為0.0314%（體積分?jǐn)?shù)），水在25℃時蒸氣壓為0.03167×105Pa，CO2的亨利定律常數(shù)是3.34×10-7mol/(L·Pa)(25℃)，求25℃時水中CO2的溶解度。解：CO2在水中的分壓：2011-3-2144天然水化學(xué)mol·L-1CO2在水中繼續(xù)發(fā)生如下解離根據(jù)亨利定律，CO2在水中的溶解度為2011-3-2145天然水化學(xué)CO2·H2O

HCO3-+H+一級電離k1=4.45×10-7mol·L-1=4.45×10-7mol·L-1=4.68×10-11mol·L-1HCO3-

CO32-+H+二級電離k2=4.68×10-11mol·L-1由于K2特別小，所以只考慮一級電離2011-3-2146天然水化學(xué)[H+]=[HCO3-][H+]2/[CO2]=K1=4.45×10-7[H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2

=2.14×10-6mol·L-1故CO2在水中的溶解度為[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol·L-1

CO2·H2O

HCO3-+H+一級電離2011-3-2147天然水化學(xué)氣體在水中的溶解度受溫度影響，溫度升高，溶解度下降。溫度與溶解度關(guān)系可由克勞修斯(Clausius)-克拉佩龍(Clapeyron)方程表示c1，c2——對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T1、T2時氣體在水中的濃度，mol·L-1；△Hm——氣體的摩爾溶解焓，kJ·mol-1

T1，T2——熱力學(xué)溫度，K；

R——理想氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1。2011-3-2148天然水化學(xué)固體、液體在水中的溶解由于水是極性分子，有較大的介電常數(shù)，所以能夠溶解許多固體和液體。絕大多數(shù)固體和液體在水中的溶解度隨著溫度的升高而增大；液體物質(zhì)如苯胺、尼古丁等在水中的溶解度都是在0～40℃左右的范圍內(nèi)隨著溫度升高而增大，而在40～90℃左右的范圍內(nèi)則隨著溫度的升高而下降。2011-3-2149天然水化學(xué)4.3.2.1吸附作用的基本概念概念：在一定條件下，一種物質(zhì)的分子、原子和離子能夠自動地附著在某種物質(zhì)表面上的現(xiàn)象就叫做吸附作用。吸附作用的后果是被吸附物質(zhì)在兩相之間的界面上濃度發(fā)生變化，換句話說，在任意兩相之間的界面上，某物質(zhì)的濃度能自動地發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為吸附作用。一般是把具有吸附能力的物質(zhì)稱為吸附劑，而把被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。吸附產(chǎn)生的機制：

4.3.2水體中的吸附過程2011-3-2150天然水化學(xué)吸附產(chǎn)生的機制主要來源于表面剩余力場，也即表面張力的作用2011-3-2151天然水化學(xué)

4.3.2.2固體表面的吸附(1)固體表面的吸附的基本概念固體表面吸附產(chǎn)生的原因：固體表面的物質(zhì)粒子受到指向內(nèi)部的拉力，不能像液體那樣通過收縮表面來降低系統(tǒng)的表面能量，而是從周圍的介質(zhì)中捕獲其他的物質(zhì)粒子，使其不平衡力場得到某種程度的補償，從而導(dǎo)致表面能的降低。分類：分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。物理吸附是指由固體表面與吸附物之間的分子間作用力引起的吸附；化學(xué)吸附是由固體表面與被吸附物之間的化學(xué)鍵、離子交換、氫鍵等作用引起的吸附現(xiàn)象。2011-3-2152天然水化學(xué)特點：物理吸附的作用力比較弱，物理吸附一般不具有選擇性。化學(xué)吸附具有較強的作用力，而且具有明顯的選擇性。從微觀上看，物理吸附可以是多層吸附，這是因為已經(jīng)被固體物質(zhì)吸附的分子，對于再碰撞上去的分子仍然存在范德華力，仍然可以在已經(jīng)吸附的分子上再吸附其他的分子?；瘜W(xué)吸附只能是單分子層吸附，這是由于固體物質(zhì)一旦在表層吸附一層分子后，在已經(jīng)吸附的分子上不再存在有與其他分子以化學(xué)鍵、氫鍵、離子交換等的作用力。2011-3-2153天然水化學(xué)(2)吸附量----固體吸附的定量描述吸附劑的吸附能力可以用吸附量表示。如果吸附劑的質(zhì)量為m，吸附達(dá)到平衡時所吸附氣體的物質(zhì)的量為z，則該氣體的平衡吸附量為 (4-3)式中，V為被吸附的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。2011-3-2154天然水化學(xué)固體表面對電解質(zhì)溶液的吸附固體表面在電解質(zhì)溶液中特別是強電解質(zhì)溶液中的吸附主要是離子吸附，其推動力主要是靜電引力。機制：固體表面上如果有一定數(shù)量的帶有電荷的質(zhì)點，就會吸引溶液中帶有異號電荷的離子。如果固體本身是離子晶體或者是由極性分子構(gòu)成，則從一開始就可以對異號電荷的離子進(jìn)行吸附。如果固體最初并不帶有荷電質(zhì)點，在電解質(zhì)溶液中可以由分子或者原子作用力優(yōu)先吸附某種離子，然后作為荷電質(zhì)點就可吸附異號電荷的離子。2011-3-2155天然水化學(xué)各種離子被固體表面吸附的能力是不相同的，一般說來，高價離子被吸附的能力大于低價離子，這是因為離子的電荷越強，靜電引力越大。不同價離子的被吸附能力順序如下K+<Ca2+<Al3+<Th4+對于同價離子，離子半徑越大被吸附的能力越強，這是因為離子半徑大的離子的極化性較強，受靜電引力的影響較大。另一方面，離子半徑越大，其水合程度就越小，因為水合層會阻礙靜電作用。同價離子被吸附能力的順序如下一價陽離子Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+二價陽離子Be2+<Mg2+<Ca2+<Sr2+<Ba2+一價陰離子F-<OH-<CH3COO-<HCO3-<Cl-<NO2-<HSO4-<CN-<Br-<NO3-<I-<ClO4-<CNS-2011-3-2156天然水化學(xué)離子晶體在溶液中優(yōu)先吸附與自身組成相一致的離子或者性質(zhì)相近的離子以及原子團(tuán)，這時的作用力就是靜電性質(zhì)的離子鍵力。如果固體表面優(yōu)先吸附一種電荷的離子以后，又吸附另一種異號電荷的離子，這時的吸附狀態(tài)實際上相當(dāng)于吸附了整個電解質(zhì)分子，在接口上仍然保持電中性狀態(tài)，因此稱為分子吸附或者非極性吸附。這種吸附常常發(fā)生于難電離的弱電解質(zhì)或者兩種離子可以生成難溶化合物的情況下。2011-3-2157天然水化學(xué)當(dāng)吸附劑在溶液中有選擇地吸收一種離子，同時又放出另一種帶有相同電荷的離子時，就構(gòu)成了離子交換吸附過程。如果這種過程完全是按照等量進(jìn)行的，就屬于純粹的離子交換過程，如果放出的離子量少于吸附的離子量，就同時還存在著離子吸附過程。2011-3-2158天然水化學(xué)水中常見的固體吸附劑在天然水體中，常見的吸附劑是固體吸附劑。固體吸附劑可分為沉淀物及懸浮膠體物兩類。天然水是一種多類膠體微粒共存的分散體系，它包括各類礦物微粒的懸濁液和溶膠。礦物類微粒的無機高分子膠體有各種黏土{高嶺土[Al2Si2O5(OH)4或者2SiO2·Al2O3·2H2O]、蒙脫石[(AlFe)2Si8O20(OH)2]、伊利石[K2(A12FeMg)Si8O20(OH)4]，海泡石等}、石英(SiO2)、云母[KAl3Si3O10(OH)2]、金屬水合氧化物等；有機膠體有腐殖質(zhì)、聚糖類(淀粉、纖維素等)、蛋白質(zhì)、浮游生物、表面活性劑、細(xì)菌、病毒等微生物等。2011-3-2159天然水化學(xué)4.4天然水體的化學(xué)性質(zhì)水體中存在著多種化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)決定了水中的各種物質(zhì)的組成、分布、遷移和轉(zhuǎn)化。水體化學(xué)性質(zhì)包括酸堿反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、配位反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)。在環(huán)境水體中，一般都是稀溶液，因此在實際工作中仍然采用濃度而不采用活度。海水例外，討論電解質(zhì)在海水中的行為時，不能把海水當(dāng)作稀溶液來處理。2011-3-2160天然水化學(xué)4.4.1天然水體中的酸堿平衡在天然水體中大量存在的是碳酸，所以研究水體的酸平衡主要是研究水體中碳酸的平衡。這是因為水對大氣中二氧化碳的溶解和對碳酸鹽的侵蝕有重要作用；水生動物和植物的新陳代謝和呼吸都與二氧化碳有密切的關(guān)系；在土壤、淤泥以及水中有機物的微生物代謝分解中最終都將產(chǎn)生二氧化碳。2011-3-2161天然水化學(xué)pc-pH圖pc-pH圖是表示水中各組分濃度隨pH值變化的曲線圖，利用pc-pH圖可以直觀、簡潔、快速地求解平衡時水體中各組分濃度；水中的物質(zhì)的形態(tài)與pH值直接相關(guān)，對于多組分體系更是如此；多組分體系計算比較繁瑣和復(fù)雜，應(yīng)用pc-pH圖較為方便和簡單；2011-3-2162天然水化學(xué)pc-pH圖的做法（以NaClO為例）在用次氯酸鈉對水體進(jìn)行消毒處理時，將其加入水體后，溶液中含次氯酸鈉1.0×10-3mol·L-1，作溶液中H+、OH-、HOCl、OCl-的pc-pH圖。2011-3-2163天然水化學(xué)第1步，寫出水體中各種物質(zhì)的水解反應(yīng)式和反應(yīng)方程式。H2O=H++OH-[H+][OH-]=Kw①OCl-+H2O=HOCl+OH-②2011-3-2164天然水化學(xué)第2步，寫出溶液中各種物質(zhì)的濃度關(guān)系式。

次氯酸鈉是一個強電解質(zhì)，在溶液中全部電離生成鈉離子和次氯酸根。次氯酸根在水溶液中水解部分生成次氯酸和氫氧根離子，溶液中各種物質(zhì)的濃度關(guān)系如下。cT,Na=[Na+]=1.0×10-3mol·L-1③cT,OCl=[HOCl]+[OCl-]=1.0×10-3mol·L-1④2011-3-2165天然水化學(xué)第3步，將方程①、②聯(lián)立，方程②變形得⑤⑥⑦2011-3-2166天然水化學(xué)將方程⑥、⑦兩邊取對數(shù)，得p[HOCl]=-lg[HOCl]=pH+pcT,OCl-p(Ka+[H+])⑧p[OCl-]=-lg[OCl-]=pKa+pcT,OCl-p(Ka+[H+])⑨下面近似處理2011-3-2167天然水化學(xué)a．當(dāng)[H+]＞＞Ka(在實際中，當(dāng)[H+]≥20Ka時，可認(rèn)為[H+]＞＞Ka)，即pH＜＜pKa時，⑧、⑨方程式近似為p[HOCl]=pcT,OClp[OCl-]=-pH+pKa+pcT,OCl將pCT，OCl=3,pKa=7.5代入上述方程中，得p[HOCl]=3p[OCl-]=-pH+10.5此時的p[HOCl]-pH線是截距為3，平行于pH的一條直線。p[OCl-]-pH線是斜率為-1，截距為10.5的一條直線。2011-3-2168天然水化學(xué)2011-3-2169天然水化學(xué)b．當(dāng)[H+]=Ka，即pH=pKa時，[HOCl]=cT,OCl/2[OCl-]=cT,OCl/2即p[HOCl]=p[OCl-]=pcT,OCl+lg2=3.3此時p[HOCl]線與p[OCl-]線交于一點。交點為(pKa，pcT+0.3)，即(7.5，6.3)，比pCT線低0.3個單位。2011-3-2170天然水化學(xué)2011-3-2171天然水化學(xué)c．當(dāng)[H+]＜＜Ka，即pH＞＞Ka時，p[HOCl]=pH+pcT,OCl-pKap[OCl-]=pcT,OCl將pCT，OCl=3，pKa=7.5代入，則p[HOCl-]=pH-4.5p[OCl-]=3此時的p[HOCl]-pH線是斜率為+1，截距為-4.5的一條直線。p[OCl-]-pH線是截距為3,平行于pH的一條直線。2011-3-2172天然水化學(xué)2011-3-2173天然水化學(xué)為了作圖方便，把圖中pc=pcT與pH=pKa兩條直線的交點成為系統(tǒng)點，見圖中S點。所以對于以HA-A代表的一元酸堿共軛體系，在系統(tǒng)點左側(cè)，pcHA=pcTpcA-=pcT+pKa-pH在系統(tǒng)點右側(cè)，pcA-=pcTpcHA=pcT-pKa+pHpcHA和pcA-隨pH變化的曲線相交于（pKa，pcT+0.3）點。由此可知，對于任意HA-A酸堿共軛體系，只要知道cT，查表求得pKa值，就可以方便地制出該體系的pc—pH圖。2011-3-2174天然水化學(xué)水體的二元酸H2A，溶液中存在的酸堿組分有H2A、HA-、A2-、H+和OH-。在H2A的濃度對數(shù)圖中，有pcH+=pH和pcOH-=14-pH兩條直線外，p[H2A]-pH、p[HA-]-pH和p[A2-]-pH這3條線兩個系統(tǒng)點S1和S2S1:pc=pcT,pH=pKa1S2:pc=pcT,pH=pKa22011-3-2175天然水化學(xué)多元酸堿共軛體系的pc—pH圖2011-3-2176天然水化學(xué)三元酸的pc—pH圖S12011-3-2177天然水化學(xué)酸堿組分濃度分布α-pH圖溶液中各組分的分布情況，也就是說各組分濃度隨pH值變化的分布情況。把電離平衡中某組分占總濃度的分?jǐn)?shù)叫做該組分的電離分?jǐn)?shù)，用α表示。2011-3-2178天然水化學(xué)例如，在

體系中，則HClO的電離分?jǐn)?shù)ClO-的電離分?jǐn)?shù)因此2011-3-2179天然水化學(xué)當(dāng)[H+]>>Ka時，αHA=1，αA-=0當(dāng)[H+]=Ka時，αHA=0.5，αA-=0.5當(dāng)[H+]<<Ka時，αHA=0，αA-=12011-3-2180天然水化學(xué)一元酸一共軛堿體系的α-pH圖2011-3-2181天然水化學(xué)2011-3-2182天然水化學(xué)二元酸H2A的α-pH圖2011-3-2183天然水化學(xué)三元酸的α-pH圖2011-3-2184天然水化學(xué)4.4.1.2天然水體中碳酸鹽系統(tǒng)(TheCarbonatesystem)

碳酸鹽系統(tǒng)是天然水體中的酸堿共軛系統(tǒng)碳酸鹽系統(tǒng)與水的深度和堿度密切相關(guān)碳酸鹽系統(tǒng)與水體中生物活動有關(guān)，如光合作用和呼吸作用碳酸鹽系統(tǒng)是天然水中優(yōu)良的緩沖系統(tǒng)，它對避免天然水體pH值急劇變化起到緩沖作用。

2011-3-2185天然水化學(xué)自然界的天然水體，是由于大氣中的二氧化碳溶于水形成水合狀態(tài)的二氧化碳，水合狀態(tài)的二氧化碳與水分子作用生成碳酸。碳酸在水體中發(fā)生電離，使溶液中存在重碳酸根和碳酸根物種。CO2（g）=CO2（aq），CO2（g）+H2O=H2CO3（4-33）H2CO3=H++HCO3-HCO3-=H++CO32-2011-3-2186天然水化學(xué)從式（4-33）可以看到平衡時[H2CO3]／[CO2（aq）]接近10-3，也就是說二氧化碳進(jìn)入水中后生成的碳酸是很少的，可以說基本上還是以游離二氧化碳存在的。CO2（aq）+H2O=H++HCO3-其反應(yīng)平衡常數(shù)Ka12011-3-2187天然水化學(xué)在水體的CO2(aq)－碳酸鹽系統(tǒng)中，存在著CO2（aq）、H2CO3、HCO3-和CO32-等四種化合態(tài)，常把CO2(aq)和H2CO3合并為H2CO3*，實際上H2CO3含量極低，主要是溶解性CO2(aq)。因此，水中H2CO3*-HCO3--CO32-體系可用下面的反應(yīng)和平衡常數(shù)表示：封閉體系的碳酸平衡2011-3-2188天然水化學(xué)CO2+H2OH2CO3*pK0=1.46H2CO3*H++

HCO3-pK1=6.35HCO3-H++CO32-pK2=10.33K2=K1=K0=2011-3-2189天然水化學(xué)假設(shè)碳酸鹽系統(tǒng)中CT,CO3=10-5mol·L-1，根據(jù)二元酸系統(tǒng)pKa1=6.3，pKa2=10.3，找到兩個系統(tǒng)點，畫出碳酸鹽物種pc-pH圖。2011-3-2190天然水化學(xué)用、和分別代表上述三種化合態(tài)H2CO3*、HCO3-、CO32-在總量中所占比例，可以給出下面三個表示式：=[H2CO3*]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-1）

=[HCO3-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-2）=[CO32-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-3）

2011-3-2191天然水化學(xué)若用CT表示各種碳酸化合態(tài)的總量，則有[H2CO3*]=CT

[HCO3-]=CT[CO32-]=CT2011-3-2192天然水化學(xué)根據(jù)前面平衡常數(shù)表示式K2=K1=將[HCO3-]和[CO32-]均用K1、K2表示2011-3-2193天然水化學(xué)代入3-1，3-2，3-3式中，可得到作為酸解離常數(shù)和氫離子濃度的函數(shù)的形態(tài)分?jǐn)?shù)=[H2CO3*]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-1）

=[HCO3-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-2）=[CO32-]/｛[H2CO3*]+[HCO3-]+[CO32-]｝（3-3）是pH的函數(shù)2011-3-2194天然水化學(xué)根據(jù),,值，就可以制作以pH為主要變量的H2CO3*-HCO3--CO32-體系的形態(tài)分布圖。封閉體系碳酸平衡分布圖(α-pH)2011-3-2195天然水化學(xué)以上討論沒有考慮水溶液中的溶解性CO2(aq)與大氣交換過程，將CO2(aq)作為不揮發(fā)性處理，即將水中溶解的[H2CO3*]作為不揮發(fā)酸，由此構(gòu)成了封閉的體系，因而屬于封閉的水溶液體系的情況。在海底深處，地下水（一些封閉的巖溶洞）、鍋爐水和實驗室水樣中可能遇見這樣的體系。2011-3-2196天然水化學(xué)實際上，根據(jù)氣體交換動力學(xué)，大氣中的CO2與CO2(aq)是不斷地進(jìn)行著交換的，并最終達(dá)到平衡。兩者在氣液界面的平衡時間需數(shù)日至一年之久。開放體系可以用下面的反應(yīng)和常數(shù)表示開放體系的碳酸平衡2011-3-2197天然水化學(xué)[CO2(aq)]+[H2CO3]=[H2CO3*]≈[CO2(aq)]CO2（g）CO2（aq）KHH2CO3*H++

HCO3-K1HCO3-H++CO32-K2CO2（aq）+H2OH2CO3K0

常把CO2(aq)和H2CO3合并為H2CO3*，實際上H2CO3含量極低，主要是溶解性CO2(aq)。即所以，實際上,開放體系中我們只考慮此3個反應(yīng)平衡2011-3-2198天然水化學(xué)溶解性CO2(aq)濃度可以根據(jù)亨利定律近似計算：[H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2根據(jù)[H2CO3*]=CTα0

2011-3-2199天然水化學(xué)[H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2再加上前面得出的對以上各形態(tài)的濃度取對數(shù)，得推導(dǎo)2011-3-21100天然水化學(xué)lg[H2CO3*]=lg[CO2(aq)]=lgKH+lgPco2=-5lg[HCO3-]=lgK1+lg[H2CO3*]+pH=-11.35+pHlg[CO32-]=lgK1+lgK2+lg[H2CO3*]+2pH=-21.68+2pH根據(jù)這3個方程，可以作出開放體系中各形態(tài)的lgc—pH圖2011-3-21101天然水化學(xué)開放體系的碳酸平衡lg[H2CO3*]=-5斜率為0lg[CO32-]=-21.68+2pH斜率為2lg[HCO3-]=-11.35+pH斜率為1CT是以三條線為漸近線的一條曲線。2011-3-21102天然水化學(xué)根據(jù)lgc—pH圖：pH<6，溶液中主要是[H2CO3*]pH在6-10.3之間，溶液中主要是[HCO3-]當(dāng)pH>10.3，溶液中主要是[CO32-]。2011-3-21103天然水化學(xué)封閉體系開放體系2011-3-21104天然水化學(xué)隨pH變化情況封閉體系開放體系[H2CO3*]隨pH而改變始終不變，保持與大氣相平衡的固定數(shù)值[HCO3-]隨pH而改變隨pH而改變[CO32-]隨pH而改變隨pH而改變總碳酸量CT始終不變變化的，隨pH的增大而增加表3-2封閉體系與開放體系碳酸平衡的比較2011-3-21105天然水化學(xué)例3：自然情況下水體中的碳酸平衡所以在lgc—pH圖上：lg[H2CO3*]=-5解：已知干空氣中CO2的含量為0.0314%（體積分?jǐn)?shù)），查表得水在25℃時蒸氣壓為0.03167×105Pa，CO2的亨利定律常數(shù)是3.34×10-7mol/(L·Pa)(25℃)。[H2CO3*]≈[CO2(aq)]=KHPCO2

=3.34×10-7molL-1Pa-1

×(1.01325-0.03167)×105pa×0.0314%=10-5molL-12011-3-21106天然水化學(xué)由及pK1=6.35在lgc—pH圖上：lg[HCO3-]=pH-11.35KHPCO22011-3-21107天然水化學(xué)及pK2=10.33得所以在lgc—pH圖上lg[CO32-]=2pH-21.682011-3-21108天然水化學(xué)碳酸平衡應(yīng)用的實例例3-4

某條河流的pH=8.3，總碳酸鹽的含量CT=3×10-3mol·L-1?，F(xiàn)有濃度為1×10-2mol·L-1的硫酸廢水排入該河流中。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，河流pH不能低于6.7以下，問每升河水中最多能夠排入這種廢水多少毫升？2011-3-21109天然水化學(xué)解：由于酸堿反應(yīng)十分迅速，因此可以用封閉體系的方法進(jìn)行計算：pH=8.3時,河水中主要的碳酸鹽為HCO3-，因此可以假設(shè)此時[HCO3-]=CT=3×10-3mol·L-1，如果排入酸性廢水，則將會使河水中的一部分HCO3-轉(zhuǎn)化為H2CO3*，即有反應(yīng)：

HCO3-+H+→H2CO3*2011-3-21110天然水化學(xué)當(dāng)河水的pH=6.7時，河水中主要的碳酸鹽類為HCO3-和H2CO3*，即CT=[HCO3-]＋[H2CO3*]問：為保證河流pH不能低于6.7，每升河水中最多能夠排入這種硫酸廢水多少毫升河流？實際上就是計算從河水的pH＝8.3到pH＝6.7時，有多少[H2CO3*]生成。因此2011-3-21111天然水化學(xué)根據(jù)則pH＝6.7時所以2011-3-21112天然水化學(xué)則[H2CO3*]=CTα0=3×10-3×

0.3086=0.9258×10-3molL-1即加酸性廢水到pH=6.7，有0.9258×10-3mol·L-1的H2CO3*生成，根據(jù)

HCO3-+H+→H2CO3*故每升河水中要加入0.9258×10-3mol的H+才能滿足上述要求，已知CT=3×10-3mol·L-12011-3-21113天然水化學(xué)這相當(dāng)于每升河水中加入濃度為1×10-2molL-1的硫酸廢水的量V為：V=0.9258×10-3mol/(2×1×10-2mol·L-1)=0.04629L=46.3mL。因此相當(dāng)于每升河水中最多加入酸性廢水46.3mL。2011-3-21114天然水化學(xué)天然水中的堿度和酸度①水的堿度（Alkalinity）：指水中能與強酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子H+的物質(zhì)總量.堿度的主要形態(tài)為：OH-、CO32-、HCO3-。組成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類：2011-3-21115天然水化學(xué)強堿，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全部電離生成OH-離子；弱堿，如NH3、C6H5NH2等，在水中一部分發(fā)生反應(yīng)生成OH-離子；強堿弱酸鹽，如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫化物和腐殖酸鹽等，它們水解時生成OH-或者直接接受質(zhì)子H+。后兩種物質(zhì)在中和過程中不斷繼續(xù)產(chǎn)生OH-離子，直到全部中和完畢。天然水中的堿度和酸度2011-3-21116天然水化學(xué)在測定已知體積水樣總堿度時，可用一個強酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用甲基橙為指示劑，當(dāng)溶液由黃色變?yōu)槌燃t色(pH約4.3)，停止滴定，此時所得的結(jié)果稱為總堿度，也稱為甲基橙堿度。其化學(xué)反應(yīng)的計量關(guān)系式如下：H++OH-H2OH++CO32-HCO3-k1=4.45×10-7H++HCO3-H2CO3k2=4.69×10-11天然水中的堿度和酸度k1k22011-3-21117天然水化學(xué)因此，總堿度是水中各種堿度成分的總和，即加酸至HCO3-和CO32-全部轉(zhuǎn)化為CO2。根據(jù)溶液質(zhì)子平衡條件，可以得到總堿度的表示式：總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]（甲基橙堿度）此時，CT=[H2CO3*]，所有的[HCO3-]和[CO32-]全部轉(zhuǎn)化為[H2CO3*]（即CO2(aq)和H2CO3）天然水中的堿度和酸度2011-3-21118天然水化學(xué)如果滴定是以酚酞作為指示劑，當(dāng)溶液的pH值降到8.3時，表示OH-被中和，CO32-全部轉(zhuǎn)化為HCO3-，作為碳酸鹽只中和了一半，因此得到酚酞堿度：酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]此時所有的[CO32-]被中和，轉(zhuǎn)化為[HCO3-]，因此又稱為碳酸鹽堿度。天然水中的堿度和酸度2011-3-21119天然水化學(xué)當(dāng)達(dá)到一個合適的pH，大概在10-11之間，使溶液中碳酸鹽全部為CO32-，此時所需酸量稱為苛性堿度?？列詨A度表達(dá)式為：

苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]（強堿堿度）。此時，CT=[CO32-]，所有的[OH-]都被中和，因此稱為苛性堿度。天然水中的堿度和酸度2011-3-21120天然水化學(xué)苛性堿度在實驗室里不能迅速地測得，因為不容易找到終點。若已知總堿度和酚酞堿度就可用計算方法確定。即：苛性堿度=2×酚酞堿度-總堿度推導(dǎo)如下：苛性堿度=2×([CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+])-（[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]）=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]天然水中的堿度和酸度2011-3-21121天然水化學(xué)②水的酸度(Acidity)：是指水中能與強堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出H+或經(jīng)過水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的總量。酸度的主要形態(tài)為：H+、H2CO3*、HCO3-。組成水中酸度的物質(zhì)也可歸納為三類：天然水中的堿度和酸度2011-3-21122天然水化學(xué)強酸，如HCl、H2SO4、HNO3等；弱酸，如CO2及H2CO3、H2S、蛋白質(zhì)以及各種有機酸類；強酸弱堿鹽，如FeCl3、Al2(SO4)3等。其化學(xué)反應(yīng)的計量關(guān)系式如下：：OH-+H+H2OOH-+H2CO3*HCO3-+H2OOH-+HCO3-CO32-+H2O天然水中的堿度和酸度2011-3-21123天然水化學(xué)以強堿滴定含碳酸水溶液測定其酸度時，其反應(yīng)過程與堿度相反。以甲基橙為指示劑滴定到pH=4.3,得到無機酸度無機酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]（甲基橙酸度）（礦物酸度）此時溶液中總碳酸鹽為CT=[H2CO3*]，所有的[H+]被OH-中和。天然水中的堿度和酸度2011-3-21124天然水化學(xué)以酚酞為指示劑滴定到pH=8.3，得到游離CO2酸度。CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]（酚酞酸度）此時溶液中總碳酸鹽為CT=[HCO3-]，所有的[H2CO3*]被OH-中和，因此稱為二氧化碳酸度，或稱為酚酞酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21125天然水化學(xué)總酸度應(yīng)在pH=10.8處得到總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]但此時滴定曲線無明顯突躍，難以選擇適合的指示劑，故一般以游離CO2酸度作為酸度的主要指標(biāo)。天然水中的堿度和酸度2011-3-21126天然水化學(xué)但同樣也根據(jù)溶液質(zhì)子平衡條件，經(jīng)計算得到總酸度總酸度=2×CO2酸度-無機酸度推導(dǎo)總酸度=2×([H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-])–([H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-])=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]天然水中的堿度和酸度2011-3-21127天然水化學(xué)小結(jié)總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+](甲基橙堿度)酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+](碳酸鹽堿度)苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+](強堿堿度)無機酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]

(甲基橙酸度)

(礦物酸度)CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]（酚酞酸度）總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]天然水中的堿度和酸度2011-3-21128天然水化學(xué)2011-3-21129天然水化學(xué)③酸堿度和pH的關(guān)系如果應(yīng)用總碳酸量(CT)和相應(yīng)的分布系數(shù)(α)來表示，則有：天然水中的堿度和酸度2011-3-21130天然水化學(xué)總堿度=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]-[H+]酚酞堿度=[CO32-]+[OH-]-[H2CO3*]-[H+]苛性堿度=[OH-]-[HCO3-]-2[H2CO3*]-[H+]2011-3-21131天然水化學(xué)無機酸度=[H+]-[HCO3-]-2[CO32-]-[OH-]CO2酸度=[H+]+[H2CO3*]-[CO32-]-[OH-]總酸度=[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3*]-[OH-]2011-3-21132天然水化學(xué)如果已知水體的pH、堿度及相應(yīng)的平衡常數(shù)，就可算出H2CO3*、HCO3-、CO32-及OH-在水中的濃度(假定其他各種形態(tài)對堿度的貢獻(xiàn)可以忽略)。天然水中的堿度和酸度2011-3-21133天然水化學(xué)總堿度、pH值與總無機碳濃度之間的關(guān)系也可以用圖解方法表示，Deffeyes圖。Deffeyes圖中的縱坐標(biāo)為總堿度，橫坐標(biāo)為總無機碳濃度，斜線表示不同的pH值。由此可知，當(dāng)知道3個參數(shù)中的兩個時，就可以在圖上查得第3個參數(shù)。

Deffeyes圖2011-3-21134天然水化學(xué)Deffeyes圖也可以針對在碳酸鹽系統(tǒng)中引入或者去除酸、堿和碳酸鹽物種的計算。在忽略稀釋因素的前提下，當(dāng)加入強酸強堿時，總無機碳濃度cT,CO3不會發(fā)生變化，但是總堿度會發(fā)生變化，在圖上表現(xiàn)為上下移動；向系統(tǒng)中引入或者去除CO2時，總無機碳濃度cT,CO3就會發(fā)生變化，但是總堿度不會發(fā)生變化，在圖上表現(xiàn)為左右移動；向系統(tǒng)中引入或者去除HCO3-時，cT,CO3與總堿度都會發(fā)生變化，在圖上表現(xiàn)為45o方向的移動；向系統(tǒng)中引入或者去除CO32-時，cT,CO3與總堿度都會發(fā)生變化，不過，總堿度的變化是總無機碳濃度cT,CO3變化的2倍；當(dāng)我們對水樣進(jìn)行稀釋時，總無機碳濃度和總堿度會同時減小。2011-3-21135天然水化學(xué)例:經(jīng)過測量某水體的總堿度為1.8mmol·L-1，pH值為8.5，求水體中總無機碳濃度。解:在圖中查到總堿度為1.8mmol·L-1時與pH=8.5線的交點所對應(yīng)的為1.8mmol·L-1