第4章天然水環(huán)境化學(xué)-1

1、2011-3-21天然水化學(xué)2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(guò)程 水體中的吸附過(guò)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)2011-3-21天然水化學(xué)3地球-藍(lán)色的星球2011-3-21天然水化學(xué)44.1 地球水資源的分類和分布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(dòng)植物體內(nèi)的水。 一般是把湖泊、河流(包括水庫(kù))、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。 全球水資源的賦存形式與所占比重 全球約全球約3/4的面積覆蓋著水，的面積

2、覆蓋著水，因而地球有因而地球有“水的行星水的行星”之稱。地之稱。地球上的水的儲(chǔ)量約球上的水的儲(chǔ)量約140億億m3，但，但其中分布在海洋和咸水湖中的占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，不可能直接為人類生活與生產(chǎn)所利用?；钆c生產(chǎn)所利用。 全球的淡水儲(chǔ)量?jī)H全球的淡水儲(chǔ)量?jī)H3.5億億m3 ，分布在南北兩極與高山冰川積雪、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利用的淡水占淡水總量的99.6%，因此，只有占淡水總量的因此，只有占淡水總量的0.4%的的淡水才是人類可以利用的淡水資源。淡水才是人類可以利用的

3、淡水資源。它們只占全球總儲(chǔ)水量的它們只占全球總儲(chǔ)水量的0.01%。 在在0.01的可利用淡水資源的可利用淡水資源中，位于湖泊和河流中可供人們利中，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用的淡水資源僅占全球總水量的0.007。v 世界銀行行長(zhǎng)伊斯梅爾：世界銀行行長(zhǎng)伊斯梅爾：“本世紀(jì)許多戰(zhàn)爭(zhēng)都是本世紀(jì)許多戰(zhàn)爭(zhēng)都是為了爭(zhēng)奪石油而進(jìn)行的，下個(gè)世紀(jì)多為水源而戰(zhàn)爭(zhēng)。為了爭(zhēng)奪石油而進(jìn)行的，下個(gè)世紀(jì)多為水源而戰(zhàn)爭(zhēng)?！?世界范圍內(nèi)世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng) 埃及2%的領(lǐng)土不是沙漠，降雨量為0-200mm，人口為7000萬(wàn)，取河水量680億立方米，尼羅河流經(jīng)9個(gè)國(guó)家，排最后一位。全長(zhǎng)6

4、600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(guó)，決不能讓它們發(fā)展起來(lái)這是埃及的國(guó)策，否則，進(jìn)行戰(zhàn)爭(zhēng)。尼羅河流域世界范圍內(nèi)世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng)中東地區(qū) 在中東，約旦河長(zhǎng)在中東，約旦河長(zhǎng)360360公里，公里，流域面積只有流域面積只有1.81.8萬(wàn)平方公里，萬(wàn)平方公里，年平均流量年平均流量1818億立方米，以色億立方米，以色列取走列取走1010余億余億. .約旦河是以色列約旦河是以色列和巴勒斯坦境內(nèi)流程最長(zhǎng)的河和巴勒斯坦境內(nèi)流程最長(zhǎng)的河流，在以巴之間的歷史恩怨中，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約旦河的重要性和知

5、名度就可想而知了。想而知了。 19671967年占領(lǐng)年占領(lǐng)16001600平平方公里的戈蘭高地（約旦河主方公里的戈蘭高地（約旦河主要補(bǔ)給區(qū)），以色列地下水開要補(bǔ)給區(qū)），以色列地下水開采的采的65%65%來(lái)自于被占領(lǐng)土。來(lái)自于被占領(lǐng)土。世界范圍內(nèi)世界范圍內(nèi)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng)水政治與水戰(zhàn)爭(zhēng)2011-3-21天然水化學(xué)9 我國(guó)水資源保護(hù)情況我國(guó)水資源保護(hù)情況其中，珠江、長(zhǎng)江水質(zhì)較好，遼河、淮河、黃河、松花江水其中，珠江、長(zhǎng)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。質(zhì)較差，海河污染嚴(yán)重。2011-3-21天然水化學(xué)11廢 水 污 染（2007年中國(guó)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)）2011-3-21天然水化

6、學(xué)122011-3-21天然水化學(xué)13地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002） 我國(guó)地面水分五大類： 類- 主要適用于源頭水，國(guó)家自然保護(hù)區(qū)； 類- 主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)，珍稀水生生物棲息地，魚蝦類產(chǎn)卵場(chǎng)，仔稚幼魚的索餌場(chǎng)等； 類- 主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地二級(jí)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)； 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)； 類- 主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。2011-3-21天然水化學(xué)14參考 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(jiǎn)易凈化處理(如過(guò)濾)、消毒后即可供

7、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(guò)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(jí)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(guò)五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體基本上已無(wú)使用功能。2011-3-21天然水化學(xué)15Dian2011-3-21天然水化學(xué)162008年中國(guó)環(huán)境質(zhì)量公報(bào) 2009年6月5日，環(huán)保部發(fā)布了2008年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)。公報(bào)顯示，我國(guó)的地表水污染依然嚴(yán)重，全國(guó)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

8、向農(nóng)村轉(zhuǎn)移的態(tài)勢(shì)。2011-3-21天然水化學(xué)172008年中國(guó)環(huán)境質(zhì)量公報(bào) 在我國(guó)地表水中，長(zhǎng)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(duì)200條干支流的409個(gè)斷面檢測(cè)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(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖（庫(kù)）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(gè)湖泊或城市內(nèi)湖為劣IV類水質(zhì)。2011-3-21天然水化學(xué)184.2 天然水

9、體的化學(xué)組成天然水體的化學(xué)組成 4.2.1 概述概述 組成：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(guò)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 2011-3-21天然水化學(xué)19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-+OH CaCO3(s)+H2CO3=Ca2+2HCO3- 三水鋁礦A12O33H2O+2H2O=2Al(OH)4-+2H+ 鎂橄欖石Mg2SiO4+4H2CO3=2Mg2+4HCO3-+H4SiO4 鐵

10、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+ 2011-3-21天然水化學(xué)20 經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用后，巖石釋放出陽(yáng)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)。 2011-3-21天然水化學(xué)21分類分類 從物質(zhì)形態(tài)方面來(lái)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)：懸浮物質(zhì)：是指粒徑大于10-7 m的水中物質(zhì)，如泥沙、黏土、藻類、原生動(dòng)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

11、現(xiàn)象。 膠體物質(zhì)：膠體物質(zhì)：主要是指粒徑在10-710-9范圍內(nèi)的物質(zhì)。天然水中的無(wú)機(jī)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(jī)膠體物質(zhì)主要是植物或者動(dòng)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)：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(yáng)離子、陰離子、溶解性氣體和其他有機(jī)物。2011-3-21天然水化學(xué)22 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(jī)物。 離子成分：離子成分： Ca2+、Na+、Mg2+、K+、CO32-、HCO3-、SO42-

12、、C1-八大離子，（占天然水中離子總量的占天然水中離子總量的95%-99%） 鐵、錳等陽(yáng)離子和H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO3-、NO2-、HPO42-、H2PO4-、PO43-、HSiO3-、SiO32-等。2011-3-21天然水化學(xué)23礦化過(guò)程和礦化度礦化過(guò)程和礦化度礦化過(guò)程：天然水中主要離子成分礦化過(guò)程：天然水中主要離子成分的形成過(guò)程，稱為礦化過(guò)程；的形成過(guò)程，稱為礦化過(guò)程；礦化度：礦化過(guò)程中進(jìn)入天然水體礦化度：礦化過(guò)程中進(jìn)入天然水體中的離子成分的總量，以總?cè)芙庑怨讨械碾x子成分的總量，以總?cè)芙庑怨腆w（體（TDS-Total dissolved Solid）表示）表示。20

13、11-3-21天然水化學(xué)24一般天然水中的一般天然水中的TDS可以表示為：可以表示為：TDS=Ca2+Mg2+Na+K+Fe2+Al3+HCO3-+SO42-+Cl-+CO32-+NO3-+PO43-通常，通常，將天然水中常見主要離子總量粗略地作為水將天然水中常見主要離子總量粗略地作為水的的總含鹽量（總含鹽量（TDS）:TDSCa2+ + Mg2+ + Na+ + K+ + HCO3- + SO42- + Cl- 根據(jù)此原則可以核對(duì)水質(zhì)分析結(jié)果地合理性。根據(jù)此原則可以核對(duì)水質(zhì)分析結(jié)果地合理性。2011-3-21天然水化學(xué)25天然水中溶解的重要?dú)怏w天然水中溶解的重要?dú)怏w 天然水中溶解的氣體有天然

14、水中溶解的氣體有O2、N2、CO2、CH4等。水表面等。水表面CO2、N2、O2較多，不流通的較多，不流通的深海中深海中CO2過(guò)飽和、有時(shí)還有過(guò)飽和、有時(shí)還有H2S。硫化氫不硫化氫不穩(wěn)定，只有缺氧條件下才能存在，一旦受到穩(wěn)定，只有缺氧條件下才能存在，一旦受到擾動(dòng)，就會(huì)發(fā)生氧化或從水中溢出。所以天擾動(dòng)，就會(huì)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。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(duì)水生生物的生存是氣體溶解在水中，對(duì)水生生物的生存是非常重要的。非常重要的。2011-3-21天然水化學(xué)26 有機(jī)物有機(jī)物： 腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等。 水生生物水生生物 水

15、生生物可直接影響許多物質(zhì)的濃度，具有代謝、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(chǔ)和釋放等功能。水體中的生物攝取、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和釋放等功能。水體中的生物分自養(yǎng)和異養(yǎng)生物。分自養(yǎng)和異養(yǎng)生物。2011-3-21天然水化學(xué)27藻類的生成和分解藻類的生成和分解106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+ (痕量元痕量元素素) (respiration) RP (photosynthesis) C106H263O110N16P + 138 O2藻類是典型的自養(yǎng)水生生物，以藻類是典型的自養(yǎng)水生生物，以CO2、NO3-、PO43-為為C、 N、 P源的光合作用和呼吸作用

16、源的光合作用和呼吸作用2011-3-21天然水化學(xué)28 利用太陽(yáng)能從無(wú)機(jī)礦物合成有機(jī)物的利用太陽(yáng)能從無(wú)機(jī)礦物合成有機(jī)物的生物體稱為生產(chǎn)者，水體產(chǎn)生生物體的生物體稱為生產(chǎn)者，水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率。能力稱為生產(chǎn)率。生產(chǎn)率通常是由水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水平?jīng)Q生產(chǎn)率通常是由水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水平?jīng)Q定的，水生植物需要供給適量定的，水生植物需要供給適量C(二氧化二氧化碳碳)、N(硝酸鹽硝酸鹽)、P(磷酸鹽磷酸鹽)及痕量元素及痕量元素(如如Fe)，在許多情況下，在許多情況下，P是限制的營(yíng)是限制的營(yíng)養(yǎng)物。養(yǎng)物。2011-3-21天然水化學(xué)29決定水體中生物的范圍及種類的關(guān)鍵物質(zhì)決定水體中生物的范圍及種類的關(guān)鍵物

17、質(zhì)是氧，氧的缺乏可使許多水生生物死亡，氧是氧，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。因此的存在能夠殺死許多厭氧細(xì)菌。因此水中溶水中溶解氧的濃度解氧的濃度 (DO) 是天然水體的重要參數(shù)。是天然水體的重要參數(shù)。在測(cè)定河流及湖泊的生物特征時(shí)，首先要測(cè)在測(cè)定河流及湖泊的生物特征時(shí)，首先要測(cè)定水中溶解氧的濃度。定水中溶解氧的濃度。2011-3-21天然水化學(xué)30 生化（或稱生物）需氧量（生化（或稱生物）需氧量（BOD）是是水質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)，它是指在一定體水質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)，它是指在一定體積的水中有機(jī)物降解所要消耗的氧的量。積的水中有機(jī)物降解所要消耗的氧的量。一個(gè)高一個(gè)高BO

18、D的水體，不可能很快補(bǔ)充氧氣，的水體，不可能很快補(bǔ)充氧氣，顯然不利于水生生物的生長(zhǎng)。顯然不利于水生生物的生長(zhǎng)。 2011-3-21天然水化學(xué)31 水體中水體中C(CO2)、N(硝酸鹽硝酸鹽) 的增多可引起的增多可引起藻類的過(guò)度生長(zhǎng)，藻類生產(chǎn)旺盛，死藻的藻類的過(guò)度生長(zhǎng)，藻類生產(chǎn)旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，這就是分解引起水中溶解氧水平的降低，這就是水體的富營(yíng)養(yǎng)化。水體的富營(yíng)養(yǎng)化。2011-3-21天然水化學(xué)32天然水來(lái)源天然水來(lái)源v溶解的溶解的O2、N2、CO2是飽和或過(guò)飽和的；是飽和或過(guò)飽和的；v含鹽量很小，一般含鹽量很小，一般50mg/L，近海以，近海以Na+、Cl-為主，內(nèi)陸以

19、為主，內(nèi)陸以Ca2+、HCO3-、SO42- 、NO3- v一般含有氮的化合物（由于閃電、生物釋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；放），如二氧化氮、氨、硝酸、亞硝酸等；v降水降水pH=57;天然水包括天然水包括大氣降水、海水、河水、湖泊水和大氣降水、海水、河水、湖泊水和地下水等地下水等。大氣降水大氣降水2011-3-21天然水化學(xué)33海水海水 礦化度很高，為礦化度很高，為35g/L ，約為約為1.1mol.L-1 （海洋蒸發(fā)濃縮，大陸帶來(lái)鹽分）（海洋蒸發(fā)濃縮，大陸帶來(lái)鹽分） 化學(xué)組成比較恒定化學(xué)組成比較恒定（海水太多，離子變化影響不大）；（海水太多，離子

20、變化影響不大）； 海水海水pH=88.3;2011-3-21天然水化學(xué)342011-3-21天然水化學(xué)35河水河水礦化度低，一般礦化度低，一般100-200mg/L，不超過(guò)，不超過(guò)500mg/L；化學(xué)成分易變，隨著時(shí)間和空間變化化學(xué)成分易變，隨著時(shí)間和空間變化（汛期和非汛期，流經(jīng)不同的地區(qū)等）（汛期和非汛期，流經(jīng)不同的地區(qū)等）；河水河水DO一般夏季一般夏季6-8mg/L，冬季，冬季8-10mg/L；河；河水水CO2含量夏季含量夏季1-5mg/L，冬季，冬季20-30mg/L（光合作用減弱，補(bǔ)給源地下水含（光合作用減弱，補(bǔ)給源地下水含CO2多）多）2011-3-21天然水化學(xué)36 重碳酸鹽河水（

21、常見） 河水中主要離子濃度順序?yàn)镃a2+Na+Mg2+HCO3-C1-SO42- 硫酸鹽型或者氯型河水 Na+ Ca2+,SO42-HCO3-或者C1-HCO3-2011-3-21天然水化學(xué)37我國(guó)主要河流的水的化學(xué)組成/mgL-1成分長(zhǎng)江黃河黑龍江西江松花江閩江 Ca2+Mg2+Na+和K+HCO3-SO42-Cl-含鹽量28.99.68.6128.913.44.2163.639.117.946.3162.082.630.0377.911.62.56.754.96.02.083.718.54.88.191.52.82.9128.612.03.86.864.45.91.093.92.6 0.6

22、 6.7 20.2 4.9 0.5 35.5 2011-3-21天然水化學(xué)384.3 天然水體的物理性質(zhì)天然水體的物理性質(zhì) 4.3.1 天然水體中的溶解過(guò)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(lái)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。 2011-3-21天然水化學(xué)39氣體在水中的溶解度可用以下平衡式表示：氣體在水中的溶解度可用以下平衡式表示：G(aq)=KHPG KH各種氣體在一定溫度下的亨利定律常數(shù)；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。各種氣體的分壓。 在計(jì)算氣體的分壓時(shí)，需要對(duì)水蒸氣的分壓在計(jì)算氣體的分壓時(shí)，需要對(duì)水蒸氣

23、的分壓加以校正（隨溫度的降低而降低，在溫度較低時(shí)，加以校正（隨溫度的降低而降低，在溫度較低時(shí)，這個(gè)數(shù)值很?。＿@個(gè)數(shù)值很?。?011-3-21天然水化學(xué)40水在不同溫度下的分壓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) 0.073740.095810.123301.01302011-3-21天然水化學(xué)41 根據(jù)水在不同溫度下的分壓和各種氣體根據(jù)水

24、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(jì)算在大氣中的百分含量，就可按亨利定律計(jì)算出氣體在水中的溶解度。出氣體在水中的溶解度。 亨利定律并不能說(shuō)明氣體在溶液中進(jìn)亨利定律并不能說(shuō)明氣體在溶液中進(jìn)一步的電離等化學(xué)反應(yīng)，如：一步的電離等化學(xué)反應(yīng)，如：CO2 + H2O H+ + HCO3-SO2 + H2O H+ + HSO3- 因此，因此，溶解于水中的實(shí)際氣體的量（實(shí)溶解于水中的實(shí)際氣體的量（實(shí)際溶解度），可以大大高于亨利定律表示的際溶解度），可以大大高于亨利定律表示的量。量。注意注意2011-3-21天然水化學(xué)42例例1 已知干空氣中氧的含量為已知干空氣中氧的含量為20.9

25、5%，25氧氧在水中的亨利定律常數(shù)為在水中的亨利定律常數(shù)為1.2610-8mol/(LPa)，求氧在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的溶解度。求氧在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的溶解度。解：解：氧在水中的溶解度與氧在水中的溶解度與水的溫度水的溫度、氧在水中氧在水中的分壓的分壓及及水中含鹽量水中含鹽量有關(guān)。氧在有關(guān)。氧在1.0130105Pa、25（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）飽和水中的溶解度，可按下（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）飽和水中的溶解度，可按下面步驟計(jì)算：面步驟計(jì)算：查表，水在查表，水在25時(shí)的蒸氣壓為時(shí)的蒸氣壓為0.03167105Pa, 2011-3-21天然水化學(xué)43則氧的分壓：則氧的分壓： PO2=(1.0130-0.03167)1050.2095 =

26、0.2056105Pa代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為：代入亨利定律即可求出氧在水中的摩爾濃度為： O2(aq)= KHPO2=1.2610-80.2056105=2.610-4 molL-1氧的摩爾質(zhì)量為氧的摩爾質(zhì)量為32g/mol，因此其溶解度為，因此其溶解度為322.610-4=8.3210-3 gL-1。氧的含量氧的含量20.952011-3-21天然水化學(xué)44例例2 已知干空氣中已知干空氣中CO2的含量為的含量為0.0314%（ 體 積 分 數(shù) ） ， 水 在（ 體 積 分 數(shù) ） ， 水 在 2 5 時(shí) 蒸 氣 壓 為時(shí) 蒸 氣 壓 為0.03167105Pa，CO2的亨利

27、定律常數(shù)是的亨利定律常數(shù)是3.3410-7mol/(LPa)( 25)，求，求25時(shí)水中時(shí)水中CO2的溶解度的溶解度 。解：解： CO2在水中的分壓：在水中的分壓：PaPco8 .301014. 310)03167. 00130. 1 (4522011-3-21天然水化學(xué)45572210028. 18 .301034. 3COHPKcomolL-1 CO2在水中繼續(xù)發(fā)生如下解離在水中繼續(xù)發(fā)生如下解離根據(jù)根據(jù)亨利定律，亨利定律， CO2在水中的溶解度為在水中的溶解度為2011-3-21天然水化學(xué)46CO2H2O HCO3-+H+ 一級(jí)電離一級(jí)電離 k1=4.4510-7molL-12231OHC

28、OHCOHK3232HCOCOHK=4.4510-7 molL-1=4.6810-11 molL-1HCO3- CO32-+H+ 二級(jí)電離二級(jí)電離 k2=4.6810-11molL-1由于由于K2特別小，所以只考慮一級(jí)電離特別小，所以只考慮一級(jí)電離2011-3-21天然水化學(xué)47 H+=HCO3- H+2/CO2= K1=4.4510-7 H+=(1.02810-54.4510-7)1/2 =2.1410-6 molL-1 故故CO2在水中的溶解度為在水中的溶解度為CO2+HCO3-=1.2410-5 molL-1 CO2H2O HCO3-+H+ 一級(jí)電離一級(jí)電離2011-3-21天然水化學(xué)4

29、8 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(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T1、T2時(shí)氣體在水中的濃度，molL-1； Hm氣體的摩爾溶解焓，kJmol-1 T1，T2熱力學(xué)溫度，K； R理想氣體常數(shù)，8.314Jmol-1K-1。121211lg()2.303mHccR TT2011-3-21天然水化學(xué)49 固體、液體在水中的溶解固體、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

30、在水中的溶解度都是在040左右的范圍內(nèi)隨著溫度升高而增大，而在4090左右的范圍內(nèi)則隨著溫度的升高而下降。 2011-3-21天然水化學(xué)50 4.3.2.1 吸附作用的基本概念吸附作用的基本概念 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(dòng)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(shuō)，在任意兩相之間的界面上，某物質(zhì)的濃度能自動(dòng)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(jī)制：吸附產(chǎn)生的機(jī)制： 4.3.2 水體中的吸附過(guò)程水體中的吸附過(guò)程201

31、1-3-21天然水化學(xué)51吸附產(chǎn)生的機(jī)制 主要來(lái)源于表面剩余力場(chǎng)，也即表面張力的作用2011-3-21天然水化學(xué)52 4.3.2.2 固體表面的吸附固體表面的吸附 (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(guò)收縮表面來(lái)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(chǎng)得到某種程度的補(bǔ)償，從而導(dǎo)致表面能的降低。 分類：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

32、引起的吸附現(xiàn)象。 2011-3-21天然水化學(xué)53 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 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(qiáng)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?yàn)橐呀?jīng)被固體物質(zhì)吸附的分子，對(duì)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。 化學(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。2011-3-21天然水化學(xué)54 (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

33、衡時(shí)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。 mVGmxG/或2011-3-21天然水化學(xué)55 固體表面對(duì)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(qiáng)電解質(zhì)溶液中的吸附主要是離子吸附，其推動(dòng)力主要是靜電引力。 機(jī)制：機(jī)制： 固體表面上如果有一定數(shù)量的帶有電荷的質(zhì)點(diǎn)，就會(huì)吸引溶液中帶有異號(hào)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(duì)異號(hào)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(diǎn)，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(diǎn)就可吸附異號(hào)電荷的離子。 2011-3-21

34、天然水化學(xué)56 各種離子被固體表面吸附的能力是不相同的，一般說(shuō)來(lái)，高價(jià)離子被吸附的能力大于低價(jià)離子，這是因?yàn)殡x子的電荷越強(qiáng)，靜電引力越大。不同價(jià)離子的被吸附能力順序如下 K+Ca2+Al3+Th4+ 對(duì)于同價(jià)離子，離子半徑越大被吸附的能力越強(qiáng)，這是因?yàn)殡x子半徑大的離子的極化性較強(qiáng)，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?yàn)樗蠈訒?huì)阻礙靜電作用。同價(jià)離子被吸附能力的順序如下 一價(jià)陽(yáng)離子 Li+Na+K+Rb+Cs+ 二價(jià)陽(yáng)離子 Be2+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+ 一價(jià)陰離子 F-OH-CH3COO-HCO3-Cl-NO2-HSO4-CN-Br-NO3-I-ClO4

35、-Ka時(shí)，HA=1，A-=0 當(dāng)H+=Ka時(shí)，HA=0.5，A-=0.5 當(dāng)H+Ka時(shí)，HA=0，A-=12011-3-21天然水化學(xué)81 一元酸一共軛堿體系的-pH圖 2011-3-21天然水化學(xué)822011-3-21天然水化學(xué)83二元酸H2A的-pH圖 2011-3-21天然水化學(xué)84三元酸的-pH圖 2011-3-21天然水化學(xué)854.4.1.2 天然水體中碳酸鹽系統(tǒng)(The Carbonate system) 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(dòng)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(duì)避免天然水

36、體pH值急劇變化起到緩沖作用。 2011-3-21天然水化學(xué)86 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- 1172amol104.33p)aq(2PLCOKCOH.82232m10)aq(COCOHK.53323a101COHHCOHK.310323a102HCOCOHK2011-3-21天然水化學(xué)87 從式（4-33）可以看到平衡時(shí)

37、H2CO3CO2（aq）接近10-3，也就是說(shuō)二氧化碳進(jìn)入水中后生成的碳酸是很少的，可以說(shuō)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)Ka1.368 . 2.53m23232323a1010101a1KKCOCOHCOHHCOHCOHCOHK2011-3-21天然水化學(xué)88 在水體的在水體的CO2(aq)碳酸鹽系統(tǒng)中，存在著碳酸鹽系統(tǒng)中，存在著CO2（aq）、）、H2CO3、HCO3-和和CO32-等四種化合態(tài)，常把等四種化合態(tài)，常把CO2(aq)和和H2CO3合并為合并為H2CO3*，實(shí)際上，實(shí)際上H2CO3含量含量極低，主要是溶解性極低，主要是溶

38、解性CO2(aq)。 因此，水中因此，水中H2CO3*-HCO3-CO32-體系可用下面的體系可用下面的反應(yīng)和平衡常數(shù)表示：反應(yīng)和平衡常數(shù)表示：封閉體系的碳酸平衡封閉體系的碳酸平衡2011-3-21天然水化學(xué)89CO2 + H2O H2CO3* pK0 = 1.46 H2CO3* H+ + HCO3- pK1 = 6.35 HCO3- H+ + CO32- pK2 = 10.33323HCOHCOK2=*323COHHHCOK1=2*32COPCOHK0=2011-3-21天然水化學(xué)90 假設(shè)碳酸鹽系統(tǒng)中CT,CO3=10-5molL-1，根據(jù)二元酸系統(tǒng)pKa1=6.3，pKa2=10.3，找

39、到兩個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)，畫出碳酸鹽物種pc-pH圖。2011-3-21天然水化學(xué)91 用用 、 和和 分別代表上述三種化合態(tài)分別代表上述三種化合態(tài)H2CO3* 、HCO3- 、CO32-在總量中所占比例，可以給出下面在總量中所占比例，可以給出下面三個(gè)表示式：三個(gè)表示式： =H2CO3*/H2CO3*+HCO3-+CO32-（3-1） =HCO3-/H2CO3*+HCO3-+CO32- （3-2）=CO32-/H2CO3*+HCO3-+CO32- （3-3） 0120122011-3-21天然水化學(xué)92若用若用CT表示各種碳酸化合態(tài)的總量，則有表示各種碳酸化合態(tài)的總量，則有 H2CO3*=CT HCO3-

40、=CT CO32-=CT0122011-3-21天然水化學(xué)93根據(jù)前面平衡常數(shù)表示式根據(jù)前面平衡常數(shù)表示式323HCOHCOK2=*323COHHHCOK1=將將HCO3-和和CO32-均用均用K1、K2表示表示HCOHK HCO*321-3 HCOHKKHHCOK CO2*3212-32-232011-3-21天然水化學(xué)94122110)1 (HkkHk1211)1 (HkkH122122)1 (kHkkH代入代入3-1，3-2，3-3式中，可得到作為酸解離常式中，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)數(shù)和氫離子濃度的函數(shù)的形態(tài)分?jǐn)?shù)=H2CO3*/H2CO3*+HCO3-+CO32

41、-（3-1） =HCO3-/H2CO3*+HCO3-+CO32- （3-2）=CO32-/H2CO3*+HCO3-+CO32- （3-3）012是是pH的函數(shù)的函數(shù)0122011-3-21天然水化學(xué)95根據(jù)根據(jù) , , 值，就可以制作以值，就可以制作以pH為主要變量為主要變量的的H2CO3*- HCO3- CO32-體系的形態(tài)分布圖。體系的形態(tài)分布圖。012封閉體系碳酸平衡分布圖封閉體系碳酸平衡分布圖(-pH-pH)2011-3-21天然水化學(xué)96以上討論沒有考慮水溶液中的溶解性以上討論沒有考慮水溶液中的溶解性CO2(aq)與大氣交換與大氣交換過(guò)程，將過(guò)程，將CO2(aq)作為不揮發(fā)性處理，即

42、將水中溶解的作為不揮發(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（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(shí)驗(yàn)室水樣中可能遇見一些封閉的巖溶洞）、鍋爐水和實(shí)驗(yàn)室水樣中可能遇見這樣的體系。這樣的體系。2011-3-21天然水化學(xué)97實(shí)際上，根據(jù)氣體交換動(dòng)力學(xué)，大氣中的實(shí)際上，根據(jù)氣體交換動(dòng)力學(xué)，大氣中的CO2與與CO2(aq)是不斷地進(jìn)行著交換的，并最終達(dá)到平衡。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(shí)間需數(shù)日至一年之久。兩

43、者在氣液界面的平衡時(shí)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)表示開放體系可以用下面的反應(yīng)和常數(shù)表示開放體系的碳酸平衡開放體系的碳酸平衡2011-3-21天然水化學(xué)98CO2(aq)+H2CO3=H2CO3*CO2(aq)CO2（g） CO2（aq） KHH2CO3* H+ + HCO3- K1 HCO3- H+ + CO32- K2COCO2 2（aqaq）+H+H2 2O HO H2 2COCO3 3 K0 常把常把CO2(aq)和和H2CO3合并為合并為H2CO3*，實(shí)際，實(shí)際上上H2CO3含量極低，主要是溶解性含量極低，主要是溶解性CO2(aq)。即。即所以，實(shí)所以，實(shí)際上際上

44、,開放開放體系中我體系中我們只考慮們只考慮此此3個(gè)反應(yīng)個(gè)反應(yīng)平衡平衡2011-3-21天然水化學(xué)99溶解性溶解性CO2(aq)濃度可以根據(jù)亨利定律近似計(jì)算：濃度可以根據(jù)亨利定律近似計(jì)算：H2CO3*CO2(aq)=KHPCO2根據(jù)根據(jù)H2CO3*=CT0 20020321)(COHTPKaqCOCOHC2011-3-21天然水化學(xué)10022HCO1011-3COHCOHTPKHKPKC22221022-23COCOHCOHTPKHKKPKCH2CO3*CO2(aq)=KHPCO2再加上前面得出的再加上前面得出的對(duì)以上各形態(tài)的濃度取對(duì)數(shù)，得對(duì)以上各形態(tài)的濃度取對(duì)數(shù)，得011323HKCOHHCO

45、3231COHHCOHK推導(dǎo)推導(dǎo)2011-3-21天然水化學(xué)101 lgH2CO3* = lgCO2(aq) = lg KH + lg Pco2 = - 5 lgHCO3- = lg K1 + lg H2CO3* + pH = -11.35 + pHlgCO32- = lgK1 + lgK2 + lgH2CO3* + 2pH = -21.68 + 2pH根據(jù)這根據(jù)這3個(gè)方程，可以作出開放體系中各形態(tài)的個(gè)方程，可以作出開放體系中各形態(tài)的lgc pH圖圖2011-3-21天然水化學(xué)102開放體系的碳酸平衡開放體系的碳酸平衡lgH2CO3*= - 5斜率為斜率為0lgCO32-=-21.68+2pH

46、斜率為斜率為2lgHCO3-=-11.35+pH斜率為斜率為1CT是以三條線為是以三條線為漸近線的一條曲漸近線的一條曲線。線。2011-3-21天然水化學(xué)103根據(jù)根據(jù)lgcpH圖：圖：pH10.3，溶液中主要是，溶液中主要是CO32-。2011-3-21天然水化學(xué)104封閉體系開放體系2011-3-21天然水化學(xué)105隨隨pHpH變化情況變化情況 封閉體系封閉體系開放體系開放體系HH2 2COCO3 3* * 隨隨pHpH而改變而改變始終不變，保持與始終不變，保持與大氣相平衡的固定大氣相平衡的固定數(shù)值數(shù)值HCOHCO3 3- - 隨隨pHpH而改變而改變隨隨pHpH而改變而改變COCO3 3

47、2-2- 隨隨pHpH而改變而改變隨隨pHpH而改變而改變總碳酸量總碳酸量C CT T始終不變始終不變變化的，變化的，隨隨pHpH的增的增大而增加大而增加表表3-2 封閉體系與開放體系碳酸平衡的比較封閉體系與開放體系碳酸平衡的比較2011-3-21天然水化學(xué)106例例3：自然情況下水體中的碳酸平衡：自然情況下水體中的碳酸平衡所以所以在在lgcpH圖上：圖上：lgH2CO3*=-5解：解：已知干空氣中已知干空氣中CO2的含量為的含量為0.0314%（體積（體積分 數(shù) ） ， 查 表 得 水 在分 數(shù) ） ， 查 表 得 水 在 2 5 時(shí) 蒸 氣 壓 為時(shí) 蒸 氣 壓 為0.03167105Pa

48、，CO2的亨利定律常數(shù)是的亨利定律常數(shù)是3.3410-7mol/(LPa)( 25) 。H2CO3*CO2(aq)=KHPCO2 =3.3410-7molL-1Pa-1 (1.01325-0.03167)105pa0.0314% =10-5molL-12011-3-21天然水化學(xué)107由由及及pK1=6.35在在lgcpH圖上：圖上：lgHCO3-=pH-11.3522 HCO1011-3COHCOHTPKHKPKC1010 HCO535. 6-3HKHPCO22011-3-21天然水化學(xué)10822221022-23COCOHCOHTPKHKKPKC2533.1035. 6-23101010C

49、OH及及pK2=10.33得得所以所以在在lgcpH圖上圖上 lgCO32-=2pH-21.682011-3-21天然水化學(xué)109碳酸平衡應(yīng)用的實(shí)例碳酸平衡應(yīng)用的實(shí)例例例3-4 某條河流的某條河流的pH=8.3，總碳酸鹽的，總碳酸鹽的含量含量CT=310-3molL-1。現(xiàn)有濃度為?，F(xiàn)有濃度為110-2molL-1的硫酸廢水排入該河流中的硫酸廢水排入該河流中。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，河流。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，河流pH不能低于不能低于6.7以以下，問每升河水中最多能夠排入這種廢下，問每升河水中最多能夠排入這種廢水多少毫升？水多少毫升？2011-3-21天然水化學(xué)110解：解：由于酸堿反應(yīng)十分迅速，因此可以用由于

50、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(jì)算：封閉體系的方法進(jìn)行計(jì)算： pH=8.3時(shí)時(shí),河水中主要的碳酸鹽為河水中主要的碳酸鹽為HCO3-，因此可以假設(shè)此時(shí)，因此可以假設(shè)此時(shí)HCO3-=CT=310-3molL-1，如果排入酸性廢水，如果排入酸性廢水，則將會(huì)使河水中的一部分，則將會(huì)使河水中的一部分HCO3-轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為H2CO3*，即有反應(yīng)：，即有反應(yīng)： HCO3-+H+H2CO3*2011-3-21天然水化學(xué)111 當(dāng)河水的當(dāng)河水的pH=6.7時(shí)，河水中主要的碳時(shí)，河水中主要的碳酸鹽類為酸鹽類為HCO3-和和H2CO3*，即，即CT=HCO3-H2CO3*問：為保證河流問：為保證河流

51、pH不能低于不能低于6.7，每升河水，每升河水中最多能夠排入這種硫酸廢水多少毫升河流？中最多能夠排入這種硫酸廢水多少毫升河流？實(shí)際上就是計(jì)算從河水的實(shí)際上就是計(jì)算從河水的pH8.3到到pH6.7時(shí)，有多少時(shí)，有多少H2CO3*生成。生成。因此因此2011-3-21天然水化學(xué)1126.35-*323110COHHHCOK2.241010100.357 . 635. 61*323HKCOHHCO11*3233*32*320COHHCOHCOCOHCOH根據(jù)根據(jù)則則pH6.7時(shí)時(shí)所以所以3086. 024. 2112011-3-21天然水化學(xué)113則則 H2CO3*= CT0= 310-3 0.30

52、86 = 0.925810-3molL-1即加酸性廢水到即加酸性廢水到pH=6.7，有，有0.925810-3molL-1的的H2CO3*生成，根據(jù)生成，根據(jù) HCO3-+H+H2CO3*故每升河水中要加入故每升河水中要加入0.925810-3mol的的H+才才能滿足上述要求，能滿足上述要求，已知已知 CT=310-3molL-12011-3-21天然水化學(xué)114這相當(dāng)于每升河水中加入濃度為這相當(dāng)于每升河水中加入濃度為110-2molL-1的硫酸廢水的量的硫酸廢水的量V為：為：V=0.925810-3mol/(2110-2molL-1) = 0.04629L= 46.3mL。因此相當(dāng)于每升河水

53、中最多加入酸性廢因此相當(dāng)于每升河水中最多加入酸性廢水水46.3mL。2011-3-21天然水化學(xué)115天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度水的堿度（水的堿度（Alkalinity）：指水中能與強(qiáng)酸發(fā)：指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子生中和作用的全部物質(zhì)，亦即能接受質(zhì)子H+的的物質(zhì)總量物質(zhì)總量. 堿度的主要形態(tài)為：堿度的主要形態(tài)為：OH-、CO32-、HCO3-。組。組成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類：成水中堿度的物質(zhì)可以歸納為三類：2011-3-21天然水化學(xué)116強(qiáng)堿，如強(qiáng)堿，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全等，在溶液中全部電離生成部電離生成OH-離子；離子；弱

54、堿，如弱堿，如NH3、C6H5NH2等，在水中一部分等，在水中一部分發(fā)生反應(yīng)生成發(fā)生反應(yīng)生成OH-離子；離子； 強(qiáng)堿弱酸鹽，如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、強(qiáng)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，它們硅酸鹽、磷酸鹽、硫化物和腐殖酸鹽等，它們水解時(shí)生成水解時(shí)生成OH-或者直接接受質(zhì)子或者直接接受質(zhì)子H+。后兩種物質(zhì)在中和過(guò)程中不斷繼續(xù)產(chǎn)生后兩種物質(zhì)在中和過(guò)程中不斷繼續(xù)產(chǎn)生OH-離離子，直到全部中和完畢。子，直到全部中和完畢。天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)117在測(cè)定已知體積水樣總堿度時(shí)，可用一個(gè)在測(cè)定已知體積水樣總堿度時(shí)，可用一個(gè)強(qiáng)強(qiáng)

55、酸酸標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定滴定，用，用甲基橙為指示劑甲基橙為指示劑，當(dāng)溶，當(dāng)溶液由黃色變?yōu)槌燃t色液由黃色變?yōu)槌燃t色(pH約約4.3)，停止滴定，停止滴定，此時(shí)所得的結(jié)果稱為此時(shí)所得的結(jié)果稱為總堿度總堿度，也稱為甲基橙，也稱為甲基橙堿度。其化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系式如下：堿度。其化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系式如下：H+ + OH- H2OH+ + CO32- HCO3- k1=4.4510-7H+ + HCO3- H2CO3 k2=4.6910-11天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度k1k22011-3-21天然水化學(xué)118因此，總堿度是水中各種堿度成分的總和，即因此，總堿度是水中各種堿度成分的總和，即加酸

56、至加酸至HCO3-和和CO32-全部轉(zhuǎn)化為全部轉(zhuǎn)化為CO2。根據(jù)溶。根據(jù)溶液質(zhì)子平衡條件，可以得到總堿度的表示式：液質(zhì)子平衡條件，可以得到總堿度的表示式：總堿度總堿度=HCO3-+2CO32-+OH-H+（甲基（甲基橙堿度）橙堿度） 此時(shí)，此時(shí)，CT=H2CO3*，所有的，所有的HCO3-和和CO32-全部轉(zhuǎn)化為全部轉(zhuǎn)化為H2CO3*（即（即CO2(aq)和和H2CO3）天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)119如果滴定是以酚酞作為指示劑，當(dāng)溶液的如果滴定是以酚酞作為指示劑，當(dāng)溶液的pH值值降到降到8.3時(shí)，表示時(shí)，表示OH-被中和，被中和，CO32-全部轉(zhuǎn)化為

57、全部轉(zhuǎn)化為HCO3-，作為碳酸鹽只中和了一半，因此得到，作為碳酸鹽只中和了一半，因此得到酚酞堿度酚酞堿度：酚酞堿度酚酞堿度=CO32-+OH-H2CO3*-H+ 此時(shí)所有的此時(shí)所有的CO32-被中和，轉(zhuǎn)化為被中和，轉(zhuǎn)化為HCO3-，因此又稱為碳酸鹽堿度。因此又稱為碳酸鹽堿度。天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)120當(dāng)達(dá)到一個(gè)合適的當(dāng)達(dá)到一個(gè)合適的pH， 大概在大概在10-11之間，之間，使溶液中碳酸鹽全部為使溶液中碳酸鹽全部為CO32-，此時(shí)所需酸，此時(shí)所需酸量稱為苛性堿度?？列詨A度表達(dá)式為：量稱為苛性堿度?？列詨A度表達(dá)式為： 苛性堿度苛性堿度=OH-HCO3

58、-2H2CO3*-H+ （強(qiáng)堿堿度）。（強(qiáng)堿堿度）。此時(shí)，此時(shí)，CT=CO32-，所有的，所有的OH-都被中和，都被中和，因此稱為苛性堿度。因此稱為苛性堿度。天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)121苛性堿度在實(shí)驗(yàn)室里不能迅速地測(cè)得，因?yàn)椴豢列詨A度在實(shí)驗(yàn)室里不能迅速地測(cè)得，因?yàn)椴蝗菀渍业浇K點(diǎn)。若已知總堿度和酚酞堿度就可容易找到終點(diǎn)。若已知總堿度和酚酞堿度就可用計(jì)算方法確定。用計(jì)算方法確定。即：即：苛性堿度苛性堿度=2酚酞堿度酚酞堿度-總堿度總堿度 推導(dǎo)如下：推導(dǎo)如下：苛性堿度苛性堿度=2(CO32-+OH-H2CO3*-H+) -（HCO3-+2CO32- +O

59、H-H+） =OH-HCO3-2H2CO3*-H+ 天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)122 水的酸度水的酸度(Acidity)：是指水中能是指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的全部物質(zhì)，亦即放出放出H+或經(jīng)過(guò)水解能產(chǎn)生或經(jīng)過(guò)水解能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的的物質(zhì)的總量。總量。酸度的主要形態(tài)為：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。組成水中酸度的物質(zhì)也可歸納為三類：為三類：天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)123強(qiáng)酸，如強(qiáng)酸，如HCl、H2SO4、HNO3等；等；弱酸，如

60、弱酸，如CO2及及H2CO3、H2S、蛋白質(zhì)以、蛋白質(zhì)以及各種有機(jī)酸類；及各種有機(jī)酸類；強(qiáng)酸弱堿鹽，如強(qiáng)酸弱堿鹽，如FeCl3、Al2(SO4)3等。等。其化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系式如下：其化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系式如下： ：OH- + H+ H2O OH- + H2CO3* HCO3- + H2O OH- + HCO3- CO32- + H2O天然水中的堿度和酸度天然水中的堿度和酸度2011-3-21天然水化學(xué)124以強(qiáng)堿滴定含碳酸水溶液測(cè)定其酸度時(shí)，以強(qiáng)堿滴定含碳酸水溶液測(cè)定其酸度時(shí)，其反應(yīng)過(guò)程與堿度相反。以甲基橙為指其反應(yīng)過(guò)程與堿度相反。以甲基橙為指示劑滴定到示劑滴定到pH=4.3,得到無(wú)機(jī)酸度得到