03-地球上水的化学性质(可编辑)

03-地球上水的化学性质(可编辑) 03-地球上水的化学性质 第二节 地球上水的化学性质 一天然水的化学成分 二天然水的矿化过程 三天然水的分类 四天然水体的化学性质 一天然水的化学成分 水是一种强极性分子在岩石圈上部和地 天然水经常与大气土壤岩石及生物体接触在运表的环境里液态水是良好的溶剂 动过程中把大气土壤岩石中的许多物质溶解或挟持使其共同参与了水分循环成为一个极其复杂的体系 目前各种水体里已发现80多种元素 天然水中各种物质按性质通常分为三大类 1 悬浮物质粒径大于100纳米10,7米的物质颗粒在水中呈悬浮状态 泥沙粘土藻类细菌等 使天然水有颜色变浑浊产生异味 2 胶体物质粒径为1001纳米的多分子聚合体 次生粘土矿物含水氧化物腐殖酸 3 溶解物质粒径小于1纳米的物质在水中成分子或离子的溶解状态 盐类气体某些有机物 天然水八大离子 K NaCa2 Mg2 ClHCO3,SO42,CO32, FeMnCuFNiPI等微量元素 O2CO2N2H2SCH4等 二天然水的矿化过程 化合物溶于水又随着水文循环一起迁移经历着不同环境其数量组成及存在形态都在不断变化此过程受两方面因素的制约 元素和化合物的物理化学性质 各种环境因素如天然水的酸碱性质氧化还原状况有机质的数量与组成以及各种自然环境条件等 天然水的主要矿化作用 1溶滤作用 2吸附性阳离子交替作用 3氧化作用 4还原作用 5蒸发浓缩作用 6混合作用 1溶滤作用 土壤和岩石中某些成分进入水中的过程称溶滤作用 2吸附性阳离子交替作用 吸附过程与解吸过程 离子交换是可逆反应 离子交换以当量关系进行 离子交换遵循质量作用定律 2吸附性阳离子交替作用 吸附容量 胶体对各种阳离子的吸附能力不同并有如下顺序 H , Fe 3 ,Al 3 ,Ba 2 ,Ca 2 ,Mg 2 ,K ,NH 4 ,Na ,Li 3 氧化作用 天然水中的氧化作用包括使围岩的矿物氧化和使水中的有机物氧化 4还原作用 还原环境里天然水若与有机物的围岩油泥石油等接触或受到过量的有机物污染碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原 5蒸发浓缩作用 蒸发浓缩过程中各种盐类的沉淀顺序为 AlFeMn的氢 Na的酸硫盐 NaK的氯化物 CaMg的氯化氧化物 CaMg的碳酸盐硫酸盐和磷酸盐 物 硝酸盐 6混合作用 两种或几种矿化度不同成分各异的天然水相遇混合的现象称为混合作用 如雨水渗入补给地下水地下水补给河水河水注入湖泊或大海河口段的潮水上溯滨海含水层的海水入侵等 三天然水的分类 在不同的地理环境中天然水的矿化度和主要离子组成都有很大的差异 对天然水进行系统的水化学分类不仅能反映天然水水质的形成条件和演化过程而且为水资源利用和保护提供科学依据 1按水化学成分分类库尔洛夫分类 将阴阳离子分别标识在横线上下按毫克当量百分数自大而小的顺序排列小于10的离子不予标识 线前依次标识气体成分特殊成分及矿化度用M表示单位均为gL 线后以字母t为代号表示水温单位为? 式中各成分百分含量一律标与该成分符号的右下角原子数则移至右上角 式中横线上为阴离子的摩尔百分数按递减顺序排列含量小于10,的不予表示重碳酸根离子含量最大65其次是硫酸根离子21其余阴离子的含量小于10, 横线下为阳离子的摩尔百分数按递减顺序排列含量小于10,的不予表示例中钠离子一般只测钠离子含量最大60其次是钙离子27其余阳离子的含量小于10, 横线前面M矿化度例中为038gl 最前面为气体成分和特殊成分均以克,升计例中气体为氟含量为0005gl特殊成分硅酸含量为0032gl 横线T 水温例中为49? 可以写出pH值等指标 小汤山温泉 2按矿化度分类 天然水的矿化度综 合反映了水被矿化的程度主要离子的组成与矿化度大小存在着密切关系 根据矿化度大小可将天然水湖水地下水分为五类 通常条件下 低矿化度的水淡水常以重碳酸根离子为主要成分 中等矿化度的水常以硫酸根离子为主要成分 高矿化度的水常以氯离子为主要成分 3按主要离子成分比例分类 1地表水分类阿列金 首先据阴离子分为三类CSCl 其次据阳离子分三组CaMgNa 然后据比例关系分四个水型 ?型 [HCO3 -] ,[Ca 2Mg 2] ?型 [HCO3 -] ,[Ca 2Mg 2 ] ,[HCO3-SO4 2- ] 河水湖水地下水 ?型 [HCO3-SO42-] , [Ca 2Mg 2 ] 或[Cl-],[Na]高矿化度的地下水湖水和海水 ?型[HCO3-] 0沼泽水硫化矿床水 舒卡列夫分类既考虑了各和煤田矿坑水 2地下水化学分类舒卡列夫分类 主要离子成分的摩尔百分数又考虑了水的矿化度 舒卡列夫的水化学类型分类 以六种主要离子三种阴离子三种阳离目前使用较普遍的是舒卡列夫的分类法 子为分类的依据当量小于25的不考虑共得出49种排列 钙离子镁离子钠离子氯离子硫酸根离子碳酸氢根离子 舒卡列夫把这49种排列用阿拉伯数字表示每个数字水的型号代表一个水化学类型 如9号水是以HCO3,SO4 2, Ca2Mg2为主要离子成分的水在我国大都不使用水号而是以水化学类型命名如9号水为HCO3 SO4 CaMg水 四各类天然水体的化学性质 从水圈的整体来看天然水中绝大部分9798是以氯化物为主的海水及高矿化度的地下水江河湖泊冰雪及大气中的淡水不过2左右 一大气水的化学组成及特性 水分蒸发遇有凝结核时水汽便开始凝结这就是天然水矿化过程的开端 大气降水含有多种离子及微生物和灰尘但也是溶解物质最少的天然水 雨水的矿化度较低一般为2050毫克升在海滨有时超过100毫克升 大气水的化学成分和性质有以下特点 1(溶解气体的含量近于饱和 水汽蒸发上升及雨滴在凝结降落过程中与空气充分接触在一定温度压力条件下O2N2CO2在降水中都近于饱和 2(降水普遍显酸性 空气中CO2的含量为003,当雨雪中饱和的CO2达到电离平衡时其pH值为56故显酸性 大气降水的pH值小于56即为酸雨 酸雨中含有多种无机酸绝大部分是硫 酸和硝酸它是人为排放的SO2和NONO2转化而成的 大量燃烧矿物燃料金属冶炼和化工生产在无净化的情况排放废气都可能酿成酸雨危害 降水中的物质来源 海面上气泡崩解和浪花卷起的泡沫飞溅弥散在空中水滴蒸发成极细的干眼粒 风从地面吹起的扬尘 火山爆发喷入大气的易溶物质及尘埃 人类活动向大气排放的废气和烟尘 二海水的化学组成及特点 1(海水的化学组成 海水是含有多种溶解固体和气体的水溶液其中水约占965其他物质占35海水中还有少量有机和无机悬浮固体物质 主要化学元素ClNaMgSCaKBrCSrBSiF等12种其含量约占全部海水化学元素含量的998999,因此被称为海水的大量元素 海水组成的恒定性 海海水化学元素最大特点之一是上述12种主要离子浓度之间的比例几乎不变 水中主要盐类含量 溶解在海水中的元素绝大部分是以离子形式存在的 ,其次是硫酸盐占108, 海水中盐类的来源一种说法是氯化物含量最高占886 由河流带来的 虽然河水所含的碳酸盐最多但当河水入海后一部分碳酸盐便沉淀另一部分碳酸盐被大海中的动物所吸收构成它们的甲壳和骨骼等因此海水中的碳酸盐大大减少 氮磷硅的化合物和有机质也大量地被生物所吸收故海水中这些物质的含量也减少 硫酸盐近于平衡状态 只有氯化物到大海中被消耗得最少因长年日积月累其含量不断缓慢增多 另一种说法海底火山源说 海底火山活动使海洋中的氯化物和硫酸盐增多 2(海水的盐度 1定义 单位质量海水中所含溶解物质的质量叫海水盐度 它是海水物理化学性质的重要标志 为了确定电导率和盐度的对应关系引入电导比的概念即某一海水样品的电导率与氯化钾溶液的 电导率之比 1979年第17届国际海洋物理协会通过决议将盐度分为绝对盐度和实用盐度将后者定为习惯上的盐度定义且定名为1978实用盐度为避免与其它物理量的符号重复将电导比的符 ,3代替 绝对盐度 SA 定义为海水号改为K15以前R15盐度单位符号‰以10 中溶解物质的质量与海水质量的比值在实际工作中此量不易直接量测而以实用盐度代替 实用盐度 S 在温度为15?压强为一个标准大气压下的海水样品的 电导率与质量比为324356×10,3的标准氯化钾 KCl 溶液的电导率的比值Kl5来定义 当Kl5精确地等于1时海水样品的实用盐度恰好等于35 实用盐度根据比值Kl5由以下方程式确定 2影响盐度的因素 影响海水盐度的因素主要取决于影响海水盐度的各自然环境因素和发生于海水中的许多过程 在低纬海区降水蒸发洋流和海水紊动对流混合等起主要怍用降水大于蒸发使海水冲淡盐度降低蒸发大于降水则盐度升高 盐度较高的洋流流经一海区时可使盐度增加反之可使盐度降低 在高纬海区除受上述因素影响外结冰和融冰也能影响盐度 在大陆沿海地区因河流等淡水注入使盐度降低例如我国长江口附近在夏季因流量增加使海水冲淡盐度值平均可降低到115×10,3左右 3盐度的水平分布规律 A世界大洋的平均盐度是3469×10,3绝大部分海域表面盐度变化在 ,3之间 B 海洋表面盐度分布的总趋势从亚热带海区向高低纬递减3337×10 并形成鞍形 C大洋上盐度等值线大体与纬线平行但寒流与暖流经过的海域盐度等值线有明显的弯曲在寒暖流交汇的地方盐度等值线密集盐度水平梯度增大 D大洋中的盐度比近岸海区的盐度高 E世界盐度最高值在红海大于40‰最低盐度在波罗的海低于10‰ 大洋表层盐度随时间变化的幅度很小一般日变幅不超过005‰年变幅不超过2‰ 只有大河河口附近或有大量海冰融化的海域盐度的年变幅才比较大 世界大洋盐度的垂直变化 三河水化学成分的特点 1河水的矿化度普遍低小于1克升平均只有015035克升各种不同补给水源的河水中矿化度显著不同 2河水中各种离子的含量差异很大 HCO3- SO42- Cl- NO3-Ca2 Na Mg2 K 3河水化学组成的空间分布有差异性 4河水化学组成的时间变化明显 河水的矿化度普遍低 河水化学组成的空间分布有差异性 大的江河流域范围广长流经的区域条件复杂不同区域有支流汇入各河段水化学特性的不均一性很明显离河源越远河水的矿化度越大同时钠和氯的比重也增大重碳酸盐所占比重减小 河水化学组成的时间变化明显 四湖水化学成分的特点 1湖水的矿化度有差异 2湖中生物作用强烈 3湖水交替缓慢深水湖有分层性 湖水的矿化 度有差异 不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度湖水与海水在化学成分上的差异主要体现在湖水主要离子之间无一定比例关系按照矿化度同常将湖泊分为 湖中生物作用强烈 营养元素NP 在湖水生物体底质中循环各地的淡水湖泊都有不同程度的富营养化的趋势 湖水交替缓慢深水湖有分层性 随着水深增加溶解氧含量降低CO2的含量增加湖水停滞区域会形成局部还原环境以致湖水中游离氧消失出现H2SCH4类的气体 五地下水的化学特征 化学组成类型多地区性差异大 1地下水圈地下水与岩石土壤充分接触渗流速度小循环交替缓慢 2矿化度变化范围大淡水以HCO3- Ca2为主矿化度增大 阴离子以HCO3-SO42-Cl- 4与大气接触有很次序递增 3化学成分的时间变化极为缓慢常以地质年代计算 大的局限性 因为海水是多种成分的电解质溶液故海水的电导率 取决于盐度温 电导率的差异反映着盐度的变化仅与盐度有关 度和压力在温度压力不变情况下 根据这个原理可以由测定海水的电导率来推算盐度 海水盐度测定 电导率表征物质导电性能的物理量电导率越大 导电本领越强越小导电本领越弱 电导比 在海洋调查和海洋站日常工作中只需测定电导比便可 查出盐度 绝对盐度与实用盐度 实验表明绝对盐度和实用盐度呈线性关系即SA abS各地海水的实用盐度略小于绝对盐度两者之差不超过2×10,6 世界海洋表层盐度的时间变化 淡水湖 ,1克升 微咸水湖1-247克升 咸水湖247-35克升 盐湖,35克升 总之无论哪种天然水八种主要离子的含量都占溶解质总量的9599以上天然水中各种元素的离子分子与化合物的总量称为矿化度各种溶解质在天然水中的累积和转化就是天然水的矿化过程 全等溶解矿物按矿物成分的比例全部溶与水中 例如氯化物硫酸盐碳酸盐等 不全等溶解矿物只有一部分元素进入水中而 原始 矿物保持其结晶格架如硅酸盐和铝硅酸盐等 天然水中的离子从溶液中转移到胶体上的过程即吸附 过程而胶体上原来吸附的离子转移到溶液中的过程 即解吸过程吸附和解吸的结果表现为阳离子交换 其特征有 胶体吸附的饱和容量称为吸附容量 以100g胶体中吸附离子的摩尔数来表示 混合后水的矿化度和 化学组成要发生变化如果混合过程 中没有发生沉淀和吸附阳离子交换作用那么混合前后水 的矿化度之间呈线性关系 库尔洛夫表达式的表达方法为 如北京小汤山温泉水的化学结果 利用库尔洛夫式表达天然水的基本化学性质不仅简单明了而且还能根据含量大于25,的主要离子成分进行水化学分类命名 小汤山温泉属于HCO3NaCa型水 地表水分类阿列金 这种分类法纯粹以水中六种离子在数学中可能的 排列组合出发的因此是形式上的分类有些类型 在天然水中几乎是不存在的 降水矿化度最低呈弱酸性对于各种可溶性盐类远未饱 和降水落到地面便具有能使各种元素进入水中的能力