水環(huán)境化學講義

水環(huán)境化學講義水圈包括海洋水、大氣水、陸地水。陸地水包括：地下水：潛水，承壓水，凍土水，巖石、土壤分子水。地表水：冰帽水、徑流水、湖泊水、沼澤水。生物水。從分子與溶液的角度看水與天然水作為分子的水的組成、結構、特性：易作溶劑：氫鍵、異性相吸、六邊形、較大分子間隙。作為溶液的天然水的物理化學性質(zhì)粘度：流體運動過程中，分子之間形成的剪切應力的物理量，水的粘度相對較大且隨溫度升高而急劇減少。離子活度（ɑ）及離子強度（L）離子活度系數(shù)：反映溶液體系中某離子表現(xiàn)活性的物理量。當量數(shù)：相當于1摩爾氫離子所含電子量的物理化學量。當量濃度：1L溶液中所有某種物質(zhì)的當量數(shù)的量。當量＝【MZi】/|Zi|，摩爾濃度【MZi】＝|Zi|*當量。一切化學反應都是當量平衡。離子締合體。范德華力包括靜電力、誘導力、色散力。溶液體系中因分子與分子間碰撞作用形成的離子束稱為離子締合體。第二章天然水化學成分最早形成于大氣層（凝結核），成分的直接影響因素包括生物、土壤、巖石。生物是最大來源；成分的間接影響因素包括氣候、地貌（接觸時間）、水文要素（容量、流速等）天然水主要離子化學水化學反應回顧：（1）中和反應（2）沉淀－溶解反應：CaCO3<==>Ca2++CO32-（3）氧化還原反應（4）水解反應Fe3++3OH－<==>Fe(OH)3↓Fe(OH)3+3OH－<==>Fe(OH)63－未脫水而先形成配位體（配位反應特例）（5）配位反應Fe3++CN－<==>Fe(CN)63－氰化物處理（6）置換反應（7）吸附－解吸反應：2Na++Mg(膠體)2+<==>(Na膠體Na)2++Mg2+2Na++Cd(膠體)2+<==>(Na膠體Na)2++Cd2+骨痛病（8）締和反應：在離子強度很高的條件下發(fā)生。AgCl+Cl－<==>AgCl2－標準海水礦化度35.5g/L，堿金屬一般不發(fā)生配位反應。天然水中的主要離子：構成天然水中離子總量95％以上的無機離子（8大離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO32－、CO32－、Cl－、SO42－）Si（A）沉淀－溶解反應：（B）置換反應；（C）配位反應4H4SiO4<==>Si4O6(OH)62-+2H++4H2OA、B、C為直接反應。（2）Ca2+、Mg2+、HCO32－、CO32－（A）亨利定律KH＝x1/PH（B）沉淀－溶解反應（C）氧化還原反應（D）吸附－解吸反應2Na++Ca(膠體)2+<==>(Na膠體Na)2++Ca2+（E）置換反應第四章主要類型陸地水與大氣降水化學一、河水化學1.特性：是交換最為頻密、水化學行為最為活躍的自然水體；水化學成分復雜多變；水中氣體含量豐富、充沛；水中礦化度往往很低。2.流域溶質(zhì)平衡方程：基本概念：固體徑流：單位時間內(nèi)從上游向下游輸送通過特定斷面的無機固定總量，包括推移質(zhì)、躍移質(zhì)、懸移質(zhì)中的無機成分以及離子徑流。離子徑流：單位時間從上游向下游輸送通過特定斷面的溶解態(tài)無機物總量，是反映河流流域化學侵蝕強度的重要參數(shù)?；鳎汉恿髦薪?jīng)常保有的最小徑流量。我國的河水化學特征：水化學成分南方河流北方河流成因八大離子枯水期>豐水期枯水期>豐水期地下水補給有機物枯水期<豐水期枯水期>豐水期面源補給帶入地面物質(zhì)/稀釋擴散能力溶解氣體枯水期<豐水期枯水期>豐水期水文因素、微生物活性/冰封生物生成物（營養(yǎng)元素N、P等）枯水期>豐水期枯水期<豐水期生物活性四、大氣降水化學1.來源：來源于海面，最主要來源；火山噴發(fā)；森林火災；揚塵；植物，如植物分泌纖維；人類活動，包括煙塵、工業(yè)粉塵。2.氣溶膠含量的影響因素：降雨量越大，含量越??；降水狀態(tài)，雪<霧<雨（去除能力）；氣候條件：風云雨前天氣，降雨高度。五、海水化學1.特征：礦化度很高且恒定，鹽度（海水中所有無機離子總含量）與氯度（海水中氯離子總含量）比穩(wěn)定；主要離子占總礦化度的98.27％；水化學成分的時空變化不大；氣體含量分層現(xiàn)象明顯。2.水化學成分：A主要離子Cl－。B堿性系數(shù)：海水中HCO3－、CO32－含量之和與無機離子含量的比值，是海水受徑流影響程度及對堿性物質(zhì)緩沖能力的特征性水化學指標。C溶解性氣體。第五章重金屬在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化一、沉淀－溶解作用1.氫氧化物2.硫化物3.碳酸鹽二、水解作用1.氫氧化物的水解；2.生成多核羥基的水解――縮聚現(xiàn)象。三、配位作用中心體：一切可以接受電子的元素或陽離子。第三章內(nèi)容回顧：基本概念（10個）環(huán)境：影響人類生存和發(fā)展的各種天然的和人工改造的自然因素總體、包括大氣、水、土地、礦藏、森林、草原、野生動物、自然古跡、人文遺跡、自然保護區(qū)、風景名勝、城市鄉(xiāng)村等亨利定律：水中氣體（溶解性）的含量與該氣體的分壓成正比。在一定溫度壓力條件下的比例常數(shù)成亨利系數(shù)。親和特性：分子與分子間存在使相互作用的特征能量（ε）盡可能小的、相互間形成的位能（εp）盡可能低的趨勢。這種趨勢即分子的親和特性。鹽效應：因離子強度增加，離子與離子之間的間距大幅度減少而產(chǎn)生“擠壓”碰撞，導致產(chǎn)生離子締合體，大大增加物質(zhì)溶解度的效應。離子活度：反應溶液體系中能夠參與反應的離子濃度的標量。水的硬度：（P51水的總硬度：水中所含鈣、鎂離子總量）水的礦化度：水中無機離子濃度。水的pH：指水中[H+]摩爾濃度的負對數(shù)值。水的酸度：（P65水的酸度是指水中所能與強堿發(fā)生中和作用的物質(zhì)的總量，亦即能放出質(zhì)子H+或經(jīng)過水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)總量。）水的堿度：（P65水的堿度是指水中所能與強酸發(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。）二、知識要點1.水中主要離子的來源與影響因素：最早起源于大氣，主要來自生物、土壤、巖石（直接影響因素）；氣候、地貌、水文條件（間接影響因素）。2.水中主要離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+——主要來源于沉淀－溶解反應；HCO32－、CO32－——主要源于沉淀－溶解反應，水－氣界面交換反應和氧化－還原反應；Cl－——水環(huán)境化學行為簡單；SO42－主要源于氧化－還原反應。3.核心反應：CaCO3+CO2+H2O<==>Ca2++2HCO3－CO2+H2O<==>H2CO3H2CO3<==>H++HCO3－CaCO3<==>Ca2++CO32－4.天然水中[HCO3-]－[Ca2+]的關系：平衡前同步，平衡后成反比。P49：當天然水中含有較多的H+時，如在硫化礦床氧化地段，強酸性誰對CaCO3的溶解，使水中的Ca2+大大超過與HCO3－的等當量濃度。5.礦化度及水的分類：P59：（1）天然水按離子總量（即礦化度）的分類：A．蘇聯(lián)阿列金提出的按離子總量的分類方案：淡水——離子總量<1克/千克{基于人的感覺}；微咸水——1-25克/千克{這種離子總量時，水的凍結與最大密度時的溫度相一致}；具海水鹽度的咸水——25-50克/千克{該下限只有鹽湖水和強化鹽的地下水才有}；鹽水（鹵水）——>50克/千克。B．美國采用的按離子總量分類的數(shù)值界限：淡水——0-1克/千克；微咸水——1-10克/千克；具海水鹽度的咸水——10-100克/千克；鹽水（鹵水）——>100克/千克。（2）天然水按主要離子成分的分類先按優(yōu)勢陰離子將天然水劃分為：重碳酸鹽類、硫酸鹽類、氯化鹽類。然后每一類中再按優(yōu)勢陽離子分為鈣質(zhì)、鎂質(zhì)、鈉質(zhì)三個組。每一組內(nèi)再按離子間的毫克當量比例關系分為四類：I型水弱礦化水，II型水混合起源水，III型水高礦化度的混合起源水，IV型水酸性水。6.受沼澤及草甸土及森林影響的地表水pH：有機酸含量極高，第四章回顧：一、基本概念10組：1.離子徑流：單位時間從上游向下游輸送通過特定斷面的溶解態(tài)無機物總量，是反映河流流域化學侵蝕強度的重要參數(shù)。2.固體徑流：單位時間內(nèi)從上游向下游輸送通過特定斷面的無機固定總量，包括推移質(zhì)、躍移質(zhì)、懸移質(zhì)中的無機成分以及離子徑流。3.地下徑流：指單位時間內(nèi)，通過特定觀測剖面的地下水量。4.承壓水：有特定補給區(qū)域而沒有自由水面的地下水。5.潛水：具有自由水面的水。（P83，潛水是分布在第一個隔水層以上的近地表的沉積物空隙、風化帶巖石裂隙和碳酸鹽巖石的溶洞里的水。）6.飽和帶：指潛水水位線以下的含水地層。7.非飽和帶（包氣帶）：指潛水水位線以上的濕潤地層。8.酸雨：P92雨水的pH值小于5.6時稱為酸雨（雪）。9.堿性系數(shù)：海水中HCO3－、CO32－含量之和與無機離子含量的比值，是海水受徑流影響程度及對堿性物質(zhì)緩沖能力的特征性水化學指標。10.基流：河流經(jīng)常保有的最小流量。二、知識要點5組：①河水化學、②湖水化學、③地下水化學、④大氣降水化學、⑤海水化學1.以上各個的水化學特性；①河水化學的.特性：是交換最為頻密、水化學行為最為活躍的自然水體；水化學成分復雜多變；水中氣體含量豐富、充沛；水中礦化度往往很低。②湖水化學的特性：交換緩慢，礦化度往往高于同區(qū)域河水；水化學成分在水平空間上分布不均勻，在垂直分布上具有明顯的分層特性；受生物影響明顯；水文因素對水化學等影響明顯，湖水礦化度空間差異很大。③地下水化學基本特點：水化學成分差別劇烈；水化學成分穩(wěn)定；礦化度變化范圍很大；水化學類型具有多樣性；生物作用對地下水成分影響不大，應分空間來判斷是否受到生物的影響。⑤海水化學的特征：礦化度很高且恒定，鹽度（海水中所有無機離子總含量）與氯度（海水中氯離子總含量）比穩(wěn)定；主要離子占總礦化度的98.27％；水化學成分的時空變化不大；氣體含量分層現(xiàn)象明顯。2.各自的直接影響因素；①②③④⑤3.除海水化學外，各自的間接影響因素（包括氣候、水文、地形地貌）；4.核心反應（不考慮二級反應常數(shù)）；第五—七章回顧一、基本概念1.重金屬：密度大于鐵的金屬（化學概念）；包括重金屬、輕金屬、類金屬（環(huán)境化學概念）。2.配位反應：指泛路易斯酸堿理論中的酸堿加和反應，反應中接受電子對的稱中心體，提供電子對的離子或分子稱配位體。3.膠體：4.吸附：5.形態(tài)：所謂形態(tài)，指元素在會見中表現(xiàn)出的價態(tài)、化合狀態(tài)、結合狀態(tài)和結構狀態(tài)，有可能表現(xiàn)出不同的環(huán)境化學行為和生物活性。6.顆粒態(tài)金屬元素：結合在固相物質(zhì)（懸浮物、沉積物、土壤）中的金屬元素。必然為結合態(tài)。7.氧化還原反應：失去電子的反應為氧化反應，失去電子的物質(zhì)為還原劑，得到電子的反應為還原反應，得到電子的物質(zhì)為氧化劑。二、知識要點8組1.配位反應中的中心體：一切具有(m)S2(m-1)d1~10核外電子結構的元素都可作為配位反應的中心體。2.水環(huán)境中水的配位反應：無機配位體的種類，有機配位體的種類與作用。3.吸附原理：界面過剩量，Gibbs吸附量函數(shù)。P134-143①4.水環(huán)境中膠體的種類及其對重金屬的吸附作用5.氧化－還原對重金屬遷移轉(zhuǎn)化的吸附作用6.氧化－還原作用7.重金屬的形態(tài)8.重金屬在顆粒物上的分配特征耗氧有機物在水環(huán)境中的降解作用一、概念1.耗氧有機物：指動植物殘體和生活污水及某些工業(yè)廢水中的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等易分解的有機物，他們在分解過程中要消耗水中的溶解氧，使水質(zhì)惡化。這些有機物統(tǒng)稱耗氧有機物。（P192）2.降解：泛指使分子變小，結構變簡單，生