水化學(xué)成分組成課件

第一節(jié)天然水的化學(xué)特征1、大氣降水的成分特征2、海水的成分特征3、河水的成分特征4、湖泊與水庫(kù)水的成分特征5、地下水的成分特征第一節(jié)天然水的化學(xué)特征1、大氣降水的成分特征1第二節(jié)元素的水化學(xué)特征一、硅、鋁、鐵、錳硅、鋁，鐵，錳在地殼中屬于豐度較高的元素，其重量百分?jǐn)?shù)分別為：Si，28.15％，Al，8.23％，F(xiàn)e，4.65％，Mn，0.10％，但它們?cè)谒械暮坎⒉桓?，一般屬于中量元素?/p>

(一)硅1、水中元素的來(lái)源與水化學(xué)作用SiO2廣泛存在于地殼上的各種巖石和礦物里，它們是石英、鋁硅酸鹽、粘土礦物等。一般環(huán)境條件下，石英的溶解進(jìn)行得十分緩慢。石英在水中的溶解按下式進(jìn)行：第二節(jié)元素的水化學(xué)特征一、硅、鋁、鐵、錳2據(jù)Morey等人(1962)資料，SiO2溶解度，在25℃時(shí)為6.0mg/L，在84℃時(shí)為26mg/L。Fournier和Rowe(1962)獲得方石英的溶解度，在25℃時(shí)，27mg/L和84℃時(shí)為94mg/L。Morey等人獲得無(wú)定形硅的溶解度為25℃時(shí)115mg/L。據(jù)Morey等人(1962)資料，SiO2溶解3硅酸鹽和鋁硅酸鹽的不全等溶解均可使水中出現(xiàn)H4SiO4。硅酸鹽和鋁硅酸鹽的不全等溶解均可使水中出現(xiàn)H4SiO4。4第二章水化學(xué)成分組成課件5從上可知，不論是石英或鋁硅酸鹽的不全等溶解，水中溶解的SiO2幾乎全部以正硅酸H4SiO4形式存在。它在水中解離方程為：從上可知，不論是石英或鋁硅酸鹽的不全等溶解，水中溶解的SiO62、Si在水中的存在形態(tài)與控制因素

在天然水中(pH=6～9)占優(yōu)勢(shì)的是H4SiO4。在堿性條件下(pH增高到9.0～9.5時(shí))，由于單鏈節(jié)和多鏈節(jié)硅酸鹽的形成，SiO2的溶解度有所增加。幾乎所有天然水環(huán)境下，H2SiO42-是次要的。天然水中可溶性SiO2含量一般不超過(guò)100mg/L。通常為10～30mg/L，平均值為17mg/L。2、Si在水中的存在形態(tài)與控制因素7(二)鋁1、水中鋁的來(lái)源與水化學(xué)作用鋁在地殼中所占重量百分?jǐn)?shù)為8.23％，僅次于氧和硅，占第三位。鋁硅酸鹽的不全等溶解的主要產(chǎn)物是高嶺石。高嶺石在酸性條件下可溶出AI3+：高嶺石強(qiáng)烈風(fēng)化可形成三水鋁石(Al2O3·H2O)(二)鋁高嶺石強(qiáng)烈風(fēng)化可形成三水鋁石(Al2O3·H2O)8Al2O3在水中溶解度受pH值控制。它溶于強(qiáng)酸性溶液中，pH=4.1～10時(shí)它幾乎不溶，而此時(shí)SiO2卻有部分溶解(見(jiàn)圖2.4)。所以，pH=4～5時(shí)，Al2O3/SiO2=1：2，此時(shí)有利于高嶺石族礦物形成，當(dāng)pH=8～9時(shí)，Al2O3/SiO2=1：4，則有利于膠嶺石族礦物形成。Al2O3在水中溶解度受pH值控制。它溶于強(qiáng)酸性92、鋁在水中的存在形態(tài)與控制因素鋁在水的存在形式受pH控制，在強(qiáng)酸性水中(pH<4.0)，水中鋁的主要形式為Al3+，在堿性水中，可形成AIO2-、AIO33-。在含F(xiàn)-的水中，鋁和氟很容易形成絡(luò)合離子，如AIF2+、AIF2+，在SO42-含量很高的酸性水中，AISO4+可能是鋁的主要存在形式。水中鋁的濃度主要受鋁的氫氧化物(三水鋁石)溶度積的控制。據(jù)文獻(xiàn)資料，當(dāng)pH接近于6時(shí)，三水鋁礦最小溶解度的計(jì)算值小于10mg/L，實(shí)測(cè)值約27mg/L。在大多的天然水中(pH=6～9)，水中鋁濃度常小于1mg/L，有時(shí)可達(dá)幾mg/L。但是，在pH小于4.0的強(qiáng)酸性水中，每升水中鋁可能幾十mg/L，甚至幾百mg/L，這種水多為礦坑排水或泉水或嚴(yán)重酸性污染水。2、鋁在水中的存在形態(tài)與控制因素鋁在水的存在形式10第二章水化學(xué)成分組成課件11(三)鐵1、水中鐵的來(lái)源與水化學(xué)作用鐵在地殼中重量百分?jǐn)?shù)僅次于氧、硅、鋁而居于第四位。與前述三者不同，鐵不僅大量分散存在于地殼的巖石、土壤、水體中，而且在某些礦體中富集形成有用礦床(Fe3O4、Fe2O3，F(xiàn)eCO3，F(xiàn)e2SiO4)。水中鐵的水化學(xué)特性受pH值及氧化還原反應(yīng)影響很大，這已在第一章作過(guò)詳細(xì)介紹。在pH=6的水溶液中，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-12mg/L，在pH=7的水溶液中，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-15mg/L，pH=8時(shí)，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-18mg/L。也即pH值從6增加到8，鐵在水中的溶解度減少106倍。所以，當(dāng)陸地上含鐵的弱酸性水進(jìn)入弱堿性的海水中會(huì)發(fā)生Fe(OH)3沉淀。如河水中鐵含量為1mg／L，則海水中僅0.008mg／L。

(三)鐵122、鐵在水中的存在形態(tài)與控制因素鐵在水中也發(fā)生水解。Fe3+在pH=1的水中，可水解成FeOH2+、Fe(OH)2+，高濃度下可聚合成Fe2(OH)24+。Fe2+在pH=4的水中，開(kāi)始水解生成FeOH+，在pH>14時(shí)則形成Fe(OH)42-。它們的部分反應(yīng)式如下:所以，天然水中鐵可以有許多形式，如Fe3+、Fe2+、Fe(OH)+、Fe(OH)2+、Fe(OH)30、Fe(OH)20、HFeO2-、FeCO30、FeS20，F(xiàn)eS0，F(xiàn)eSO40，F(xiàn)e2(OH)24+。2、鐵在水中的存在形態(tài)與控制因素所13此外，從Fe—H2O—CO2系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)，在氧化帶內(nèi)，F(xiàn)e3+的活度沒(méi)有達(dá)到Fe(OH)3的溶度積時(shí)，鐵的可能最大穩(wěn)定形式是Fe(OH)30，在pH<5時(shí)，F(xiàn)e(OH)2+及Fe(OH)2+占優(yōu)勢(shì)。在還原環(huán)境內(nèi)，pH<8時(shí)，只有Fe2+存在，pH>8時(shí)才會(huì)出現(xiàn)FeCO3沉淀，之后是Fe(OH)20占優(yōu)勢(shì)。而一般水中Fe(OH)4-及HFeO3-是不存在的。此外，從Fe—H2O—CO2系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)14第二章水化學(xué)成分組成課件15(四)錳1、水中錳的來(lái)源在自然界中，錳可以呈分散狀態(tài)或形成有用礦物。含錳礦物有薔薇輝石(MnSiO3)，錳橄欖石(Mn2SiO4)、菱錳礦(MnCO3)，軟錳礦(MnO2)、黑錳礦(Mn3O4)、硫錳礦(MnS)、方錳礦(MnO)及氫氧化物沉淀Mn(OH)3，Mn(OH)2等。2、錳在水中的存在形態(tài)與控制因素錳的氧化態(tài)很多，有2、3、4、6、7價(jià)。主要氧化態(tài)為Mn2+。二價(jià)錳的特性與Fe2+近似。錳在自然界中的性狀受Eh-pH控制。在天然水穩(wěn)定場(chǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單水溶液中，錳的存在形式有：Mn2+、MnO2、MnOOH、Mn3O4、MnCO3、Mn(OH)2、Mn(OH)3-、MnS。在簡(jiǎn)單的水溶液中，Mn2+在pH=8時(shí)開(kāi)始水解并形成MnOH3+，高濃度時(shí)聚合成Mn2OH3+、Mn2(OH)3+。Mn3+不穩(wěn)定但可形成某些絡(luò)合物。當(dāng)pH大于13.5時(shí)，Mn4+可以MnO42-形式存在，而在酸性介質(zhì)中呈其它價(jià)態(tài)。七價(jià)錳MnO4-在各種pH值的溶液中均十分穩(wěn)定，但在強(qiáng)酸中易分解。(四)錳16二價(jià)錳在氧化條件的水中可形成軟錳礦(MnO2)及黑錳礦(Mn3O4)。黑錳礦在酸性條件可形成Mn2+及MnO2。反應(yīng)式如下：二價(jià)錳在氧化條件的水中可形成軟錳礦(MnO2)17Mn的較高含量是在酸性水中，它們可以在不同pH值，不同礦化度、不同的水化學(xué)類(lèi)型中出現(xiàn)。Mn的較高含量是在酸性水中，它們可以在不同pH值，不同礦化度18二、宏量元素(一)鈣、鎂、鈉、鉀1、水中鈣、鎂、鈉、鉀來(lái)源與化學(xué)作用鈣、鎂、鈉、鉀廣泛分布于地殼中，主要存在于硅酸鹽，碳酸鹽及易溶鹽類(lèi)地層。二、宏量元素1、水中鈣、鎂、鈉、鉀來(lái)源與化學(xué)作用19第二章水化學(xué)成分組成課件20這些巖石礦物溶解于水中的量取決于其溶解度及水解作用程度。2、水中存在形態(tài)與控制因素Ca2+，Mg2+在水中行為受CO2影響極大，碳酸平衡控制了它們的溶解，沉淀或過(guò)飽和狀態(tài)。它們?cè)谒械暮?jiǎn)單絡(luò)合離子形式為：Ca2+、CaHCO3+、CaSO40、CaCO30、CaCl+、CaOH+，Mg2+、MgHCO3+、MgSO40、MgCO30、MgCl+、MgOH+、MgF+、MgCl20。以含鈣為主的天然水的礦化度一般小于1g/L。Ca2+積極參與生物地球化學(xué)作用，含鈣的有機(jī)質(zhì)可很快轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)而存在于土壤中。鎂鹽在水中的溶解度比鈣鹽大，但Mg2+易被植物吸收，故在天然水中的含量小于Ca2+。在礦化水中Mg2+可高達(dá)幾g/L到kg/L。這些巖石礦物溶解于水中的量取決于其溶解度及水解21鈉、鉀在水中含量主要受溶解度控制。它們的離子電位低，在水中大多呈水合離子形式。在簡(jiǎn)單水溶液中有下列絡(luò)合離子形式：Na+，NaSO4-，NaCl0，Na2CO3。,NaHCO30，NaOH0,NaCO3-，K+，KCl0，KOH0，KS04-。Na+及Cl-為高礦化水中的主要成分，鈉在地殼中占2.36％，而在海水中，Na+占總含鹽量30％左右；鉀在地殼中含量與鈉類(lèi)似，為2.09％，但在天然水中K+<<Na+，只有Na+含量的4％～10％，這是因?yàn)镵+為營(yíng)養(yǎng)元素易被植物吸收，但K+在海水中含量增高，可達(dá)390mg/L。鈉、鉀在水中含量主要受溶解度控制。它們的離子22

(二)碳1、水中的來(lái)源與特征碳主要來(lái)源于石灰?guī)r，白云巖，泥灰?guī)r等，其溶解度小，故在水中絕對(duì)含量低，但含量的變化范圍小。自然界中也廣泛存在著有機(jī)碳成分，它們積極參與生物化學(xué)作用及碳的循環(huán)。2、存在形態(tài)與控制因素由于碳的離子電位高，在水中易形成酸性絡(luò)陰離子及絡(luò)陰離子。碳是水的主要化學(xué)成分，受pH值影響很大。在天然水中，當(dāng)pH<5時(shí)，碳主要以H2CO3形態(tài)出現(xiàn)；當(dāng)pH=5～8時(shí)，主要以HCO3-形態(tài)出現(xiàn)；pH>8時(shí)，則主要以CO32-形態(tài)出現(xiàn)。水中溶解的CO2氣體，在水化學(xué)環(huán)境中起重要作用，它控制了水的酸堿性，直接影響水中許多化學(xué)平衡，碳酸鹽體系在研究大氣圈、水圈、巖石圈的演變史上有特別重要的意義。

(二)碳在天然水中，當(dāng)pH<5時(shí)，碳主要以23（三）硫1、水中的來(lái)源與特征SO42-是天然水中重要成分之一，它廣泛分布于地表水、淺層地下水及承壓水中。它來(lái)源于石膏等硫酸鹽的溶解、硫化礦床氧化帶氧化產(chǎn)物的溶解及地?zé)釡厝小?、存在形態(tài)與控制因素硫在水中有較多價(jià)態(tài)(-2，+4、+6)，形式多樣。如：硫在水中的行為受Eh-pH平衡控制。在天然水穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)，主要是兩個(gè)體系起作用，即H2SSO42-及HSSO42-，可寫(xiě)出各種硫的平衡方程式：（三）硫硫在水中的行為受Eh-pH平衡控制。24第二章水化學(xué)成分組成課件25第二章水化學(xué)成分組成課件26由圖2.5可知，硫的氧化態(tài)主要是SO42-及HSO4-。天然水中硫的主要類(lèi)型是SO42-，酸性條件下HSO4-，在還原環(huán)境下出現(xiàn)H2S，在還原的堿性環(huán)境下才可出現(xiàn)HS-。腐植質(zhì)土壤及富含有機(jī)質(zhì)的油田水，由于脫硫作用，幾乎可不含或含少量SO42-。C6H12O6+3Na2SO43CO2+3Na2CO3+3H2S+3H2O+熱能當(dāng)水中Ca2+含量高時(shí)，由于易生成CaSO4沉淀，也可使水中SO42-含量減少。由圖2.5可知，硫的氧化態(tài)主要是SO42-及HSO4-。天27(三)氯主要來(lái)源于巖鹽的溶解(NaCl、MgCl2，CaCl2、Ca2(PO4)3Cl、3NaAISiO4·NaCl)，它們有很高的溶解度，常常是總?cè)芙夤腆w（TDS）含量高的氯化物水或硫酸鹽水中的主要成分。Cl在水中含量與TDS增長(zhǎng)一致。水中氯主要以Cl-形式出現(xiàn)。據(jù)戈萊娃Г.A.(1977)資料，在還原環(huán)境的高TDS氯化物鹵水中，Cl可與重金屬元素形成絡(luò)合物，CuCl+，CuCl20，CdCl20，ZnCl20，ZnCl42-等。在微酸性、低硫、高氯化物鹵水中以氯化物絡(luò)合物形式可以轉(zhuǎn)移較多的Pb和Zn。(三)氯28

三、營(yíng)養(yǎng)元素(一)氮1、氮的來(lái)源與存在形態(tài)水中可以含有較多的NH4+、NO3-、NO2-，它們的形成與含蛋白質(zhì)的有機(jī)物生物分解有關(guān)。蛋白質(zhì)分解最終產(chǎn)物是氨基酸，同時(shí)放出氨氣。R-CHNH2-COOH+H2O=R-CHOH-COOH+NH3NH3溶于水中形成NH4+，并氧化形成NO2-及NO3-。在自然界中，水中蛋白質(zhì)的出現(xiàn)往往是人為污染的結(jié)果。所以NH4+、NO3-、NO2-的伴生可以作為污染的指標(biāo)，在未污染的天然水中，NO3-一般都小于30mg/L，但在受污染的水中，其含量從幾十mg/L到幾千mg/L。我國(guó)的陜西、河南一些“肥水”NO3-可達(dá)4000mg/L以上。水中除NH4+、NO3-、NO2-外，還有以NH3，N2，N20等溶解氣體形式存在于水中。三、營(yíng)養(yǎng)元素292、氮的轉(zhuǎn)化與控制因素

水中NO2-、NO3-及NH4+之間可以互相轉(zhuǎn)換，且受Eh-pH條件控制。它們的轉(zhuǎn)換方程為：從NH4+—NO3-之間轉(zhuǎn)換方程可以分析，當(dāng)pH=7，NH4++NO3-濃度為10-3mol/L時(shí)，pE>53.54，NO3-占優(yōu)勢(shì)，pE<53.54，則NH4+占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)NO3-、HS-、CH2O共存一個(gè)體系時(shí)，相互間能量差別愈大，其氧化能力愈強(qiáng)。NO3-首先去氧化有機(jī)質(zhì)，只有當(dāng)有機(jī)質(zhì)被完全氧化后才會(huì)去氧化HS-。2、氮的轉(zhuǎn)化與控制因素從NH4+—NO330按照上述原則，當(dāng)氧化環(huán)境的水進(jìn)入富有機(jī)質(zhì)的還原性水系統(tǒng)時(shí)，水中氧化組分被還原的次序是O2>NO3->Fe3+>SO42->CO2。從還原環(huán)境進(jìn)入氧化環(huán)境的水，水中還原組分被氧化的次序?yàn)镃H2O>HS-及H2S>Fe2+>FeCO3>NH4+。所以當(dāng)水中還存在較多CH2O時(shí)，該水中有可能同時(shí)存在Fe2+及NH4+等組分。當(dāng)水中SO42-=0或很少時(shí)，說(shuō)明脫硫還原作用強(qiáng)烈，此時(shí)水中溶解氧、NO3-和Fe3+則已大部被還原。(二)磷

1、來(lái)源磷在地殼中平均濃度為0.1％，占第十位。磷是所有生命系統(tǒng)中不可缺少而又不可取代的元素。水中無(wú)機(jī)磷主要來(lái)源于含磷礦物的風(fēng)化。隕石含磷100Gt，海洋中磷酸鹽結(jié)核300Gt。磷和鈣形成的礦物有磷酸二氫鈣Ca(H2PO4)2·H2O，磷酸氫鈣CaHPO4·H2O、磷酸鈣Ca3(PO4)2，羥基磷灰石Ca5(PO4)3OH，氟磷灰石Ca5(PO4)3F。按照上述原則，當(dāng)氧化環(huán)境的水進(jìn)入富有機(jī)質(zhì)的還原312、存在形態(tài)與控制因素

水中磷的存在形式有四種，即H3PO4(aq)、H2PO4-、HPO42-和PO43-。水中磷的存在形式嚴(yán)格地受pH的控制，在強(qiáng)酸性水(pH<4)中，才出現(xiàn)H3PO4(aq)，在強(qiáng)堿性水(pH>10)中，才出現(xiàn)PO43-，當(dāng)pH值為7.21時(shí)，H2PO4-和HPO42-各占一半。所以說(shuō)，水中以H2PO4-和HPO42-兩種形式為主。水中的磷的溶解度主要受共沉淀、鐵錳氫氧化物及生物體攝取的控制，所以水中濃度低，一般為0.1～0.01mg／L。全世界河流每年輸送約17Mt磷酸鹽進(jìn)入海洋，其中一半來(lái)源于自然過(guò)程，一半是人為活動(dòng)造成的。其中,3Mt為可溶性磷酸鹽型式，其余14Mt為磷酸鹽與沉積顆粒物的混合物。2、存在形態(tài)與控制因素32通過(guò)用32PO43-加入水體的實(shí)驗(yàn)表明，生物對(duì)它吸收十分迅速，一分鐘內(nèi)50％的磷酸鹽被細(xì)菌及水藻吸收，三分鐘內(nèi)80％的磷酸鹽被吸收，而每天有1％～2％的磷酸鹽從水相進(jìn)入沉積相。水藻同陸地植物一樣可以吸收比它們實(shí)際需要量多的磷酸鹽。藻類(lèi)不但可迅速吸收也可迅速釋放，在藻類(lèi)死亡的數(shù)小時(shí)內(nèi)，磷酸鹽重新釋放到水中，一天之內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)90％的磷酸鹽可被釋放出來(lái)，可以是有機(jī)的和無(wú)機(jī)的磷酸鹽。沉積層表面的磷酸鹽也可以各種方式返回水中。通過(guò)用32PO43-加入水體的實(shí)驗(yàn)表明，生物33上面闡述了一些元素的水化學(xué)特性，這些元素在水中是主要的或重要的成分。除此以外，水中還有許多次要的或微量的元素，諸如F、Br，I、Li、Rb、Ce，As、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Cr、Sr等，其中像F、As、Cr、Pb，Cd、Hg等屬于水污染的重要組分，希望大家在課后認(rèn)真閱讀第五章的內(nèi)容或有關(guān)水污染方面的書(shū)籍。上面闡述了一些元素的水化學(xué)特性，這些元素在水中34第一節(jié)天然水的化學(xué)特征1、大氣降水的成分特征2、海水的成分特征3、河水的成分特征4、湖泊與水庫(kù)水的成分特征5、地下水的成分特征第一節(jié)天然水的化學(xué)特征1、大氣降水的成分特征35第二節(jié)元素的水化學(xué)特征一、硅、鋁、鐵、錳硅、鋁，鐵，錳在地殼中屬于豐度較高的元素，其重量百分?jǐn)?shù)分別為：Si，28.15％，Al，8.23％，F(xiàn)e，4.65％，Mn，0.10％，但它們?cè)谒械暮坎⒉桓?，一般屬于中量元素?/p>

(一)硅1、水中元素的來(lái)源與水化學(xué)作用SiO2廣泛存在于地殼上的各種巖石和礦物里，它們是石英、鋁硅酸鹽、粘土礦物等。一般環(huán)境條件下，石英的溶解進(jìn)行得十分緩慢。石英在水中的溶解按下式進(jìn)行：第二節(jié)元素的水化學(xué)特征一、硅、鋁、鐵、錳36據(jù)Morey等人(1962)資料，SiO2溶解度，在25℃時(shí)為6.0mg/L，在84℃時(shí)為26mg/L。Fournier和Rowe(1962)獲得方石英的溶解度，在25℃時(shí)，27mg/L和84℃時(shí)為94mg/L。Morey等人獲得無(wú)定形硅的溶解度為25℃時(shí)115mg/L。據(jù)Morey等人(1962)資料，SiO2溶解37硅酸鹽和鋁硅酸鹽的不全等溶解均可使水中出現(xiàn)H4SiO4。硅酸鹽和鋁硅酸鹽的不全等溶解均可使水中出現(xiàn)H4SiO4。38第二章水化學(xué)成分組成課件39從上可知，不論是石英或鋁硅酸鹽的不全等溶解，水中溶解的SiO2幾乎全部以正硅酸H4SiO4形式存在。它在水中解離方程為：從上可知，不論是石英或鋁硅酸鹽的不全等溶解，水中溶解的SiO402、Si在水中的存在形態(tài)與控制因素

在天然水中(pH=6～9)占優(yōu)勢(shì)的是H4SiO4。在堿性條件下(pH增高到9.0～9.5時(shí))，由于單鏈節(jié)和多鏈節(jié)硅酸鹽的形成，SiO2的溶解度有所增加。幾乎所有天然水環(huán)境下，H2SiO42-是次要的。天然水中可溶性SiO2含量一般不超過(guò)100mg/L。通常為10～30mg/L，平均值為17mg/L。2、Si在水中的存在形態(tài)與控制因素41(二)鋁1、水中鋁的來(lái)源與水化學(xué)作用鋁在地殼中所占重量百分?jǐn)?shù)為8.23％，僅次于氧和硅，占第三位。鋁硅酸鹽的不全等溶解的主要產(chǎn)物是高嶺石。高嶺石在酸性條件下可溶出AI3+：高嶺石強(qiáng)烈風(fēng)化可形成三水鋁石(Al2O3·H2O)(二)鋁高嶺石強(qiáng)烈風(fēng)化可形成三水鋁石(Al2O3·H2O)42Al2O3在水中溶解度受pH值控制。它溶于強(qiáng)酸性溶液中，pH=4.1～10時(shí)它幾乎不溶，而此時(shí)SiO2卻有部分溶解(見(jiàn)圖2.4)。所以，pH=4～5時(shí)，Al2O3/SiO2=1：2，此時(shí)有利于高嶺石族礦物形成，當(dāng)pH=8～9時(shí)，Al2O3/SiO2=1：4，則有利于膠嶺石族礦物形成。Al2O3在水中溶解度受pH值控制。它溶于強(qiáng)酸性432、鋁在水中的存在形態(tài)與控制因素鋁在水的存在形式受pH控制，在強(qiáng)酸性水中(pH<4.0)，水中鋁的主要形式為Al3+，在堿性水中，可形成AIO2-、AIO33-。在含F(xiàn)-的水中，鋁和氟很容易形成絡(luò)合離子，如AIF2+、AIF2+，在SO42-含量很高的酸性水中，AISO4+可能是鋁的主要存在形式。水中鋁的濃度主要受鋁的氫氧化物(三水鋁石)溶度積的控制。據(jù)文獻(xiàn)資料，當(dāng)pH接近于6時(shí)，三水鋁礦最小溶解度的計(jì)算值小于10mg/L，實(shí)測(cè)值約27mg/L。在大多的天然水中(pH=6～9)，水中鋁濃度常小于1mg/L，有時(shí)可達(dá)幾mg/L。但是，在pH小于4.0的強(qiáng)酸性水中，每升水中鋁可能幾十mg/L，甚至幾百mg/L，這種水多為礦坑排水或泉水或嚴(yán)重酸性污染水。2、鋁在水中的存在形態(tài)與控制因素鋁在水的存在形式44第二章水化學(xué)成分組成課件45(三)鐵1、水中鐵的來(lái)源與水化學(xué)作用鐵在地殼中重量百分?jǐn)?shù)僅次于氧、硅、鋁而居于第四位。與前述三者不同，鐵不僅大量分散存在于地殼的巖石、土壤、水體中，而且在某些礦體中富集形成有用礦床(Fe3O4、Fe2O3，F(xiàn)eCO3，F(xiàn)e2SiO4)。水中鐵的水化學(xué)特性受pH值及氧化還原反應(yīng)影響很大，這已在第一章作過(guò)詳細(xì)介紹。在pH=6的水溶液中，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-12mg/L，在pH=7的水溶液中，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-15mg/L，pH=8時(shí)，F(xiàn)e3+的濃度為1.5×10-18mg/L。也即pH值從6增加到8，鐵在水中的溶解度減少106倍。所以，當(dāng)陸地上含鐵的弱酸性水進(jìn)入弱堿性的海水中會(huì)發(fā)生Fe(OH)3沉淀。如河水中鐵含量為1mg／L，則海水中僅0.008mg／L。

(三)鐵462、鐵在水中的存在形態(tài)與控制因素鐵在水中也發(fā)生水解。Fe3+在pH=1的水中，可水解成FeOH2+、Fe(OH)2+，高濃度下可聚合成Fe2(OH)24+。Fe2+在pH=4的水中，開(kāi)始水解生成FeOH+，在pH>14時(shí)則形成Fe(OH)42-。它們的部分反應(yīng)式如下:所以，天然水中鐵可以有許多形式，如Fe3+、Fe2+、Fe(OH)+、Fe(OH)2+、Fe(OH)30、Fe(OH)20、HFeO2-、FeCO30、FeS20，F(xiàn)eS0，F(xiàn)eSO40，F(xiàn)e2(OH)24+。2、鐵在水中的存在形態(tài)與控制因素所47此外，從Fe—H2O—CO2系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)，在氧化帶內(nèi)，F(xiàn)e3+的活度沒(méi)有達(dá)到Fe(OH)3的溶度積時(shí)，鐵的可能最大穩(wěn)定形式是Fe(OH)30，在pH<5時(shí)，F(xiàn)e(OH)2+及Fe(OH)2+占優(yōu)勢(shì)。在還原環(huán)境內(nèi)，pH<8時(shí)，只有Fe2+存在，pH>8時(shí)才會(huì)出現(xiàn)FeCO3沉淀，之后是Fe(OH)20占優(yōu)勢(shì)。而一般水中Fe(OH)4-及HFeO3-是不存在的。此外，從Fe—H2O—CO2系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)48第二章水化學(xué)成分組成課件49(四)錳1、水中錳的來(lái)源在自然界中，錳可以呈分散狀態(tài)或形成有用礦物。含錳礦物有薔薇輝石(MnSiO3)，錳橄欖石(Mn2SiO4)、菱錳礦(MnCO3)，軟錳礦(MnO2)、黑錳礦(Mn3O4)、硫錳礦(MnS)、方錳礦(MnO)及氫氧化物沉淀Mn(OH)3，Mn(OH)2等。2、錳在水中的存在形態(tài)與控制因素錳的氧化態(tài)很多，有2、3、4、6、7價(jià)。主要氧化態(tài)為Mn2+。二價(jià)錳的特性與Fe2+近似。錳在自然界中的性狀受Eh-pH控制。在天然水穩(wěn)定場(chǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單水溶液中，錳的存在形式有：Mn2+、MnO2、MnOOH、Mn3O4、MnCO3、Mn(OH)2、Mn(OH)3-、MnS。在簡(jiǎn)單的水溶液中，Mn2+在pH=8時(shí)開(kāi)始水解并形成MnOH3+，高濃度時(shí)聚合成Mn2OH3+、Mn2(OH)3+。Mn3+不穩(wěn)定但可形成某些絡(luò)合物。當(dāng)pH大于13.5時(shí)，Mn4+可以MnO42-形式存在，而在酸性介質(zhì)中呈其它價(jià)態(tài)。七價(jià)錳MnO4-在各種pH值的溶液中均十分穩(wěn)定，但在強(qiáng)酸中易分解。(四)錳50二價(jià)錳在氧化條件的水中可形成軟錳礦(MnO2)及黑錳礦(Mn3O4)。黑錳礦在酸性條件可形成Mn2+及MnO2。反應(yīng)式如下：二價(jià)錳在氧化條件的水中可形成軟錳礦(MnO2)51Mn的較高含量是在酸性水中，它們可以在不同pH值，不同礦化度、不同的水化學(xué)類(lèi)型中出現(xiàn)。Mn的較高含量是在酸性水中，它們可以在不同pH值，不同礦化度52二、宏量元素(一)鈣、鎂、鈉、鉀1、水中鈣、鎂、鈉、鉀來(lái)源與化學(xué)作用鈣、鎂、鈉、鉀廣泛分布于地殼中，主要存在于硅酸鹽，碳酸鹽及易溶鹽類(lèi)地層。二、宏量元素1、水中鈣、鎂、鈉、鉀來(lái)源與化學(xué)作用53第二章水化學(xué)成分組成課件54這些巖石礦物溶解于水中的量取決于其溶解度及水解作用程度。2、水中存在形態(tài)與控制因素Ca2+，Mg2+在水中行為受CO2影響極大，碳酸平衡控制了它們的溶解，沉淀或過(guò)飽和狀態(tài)。它們?cè)谒械暮?jiǎn)單絡(luò)合離子形式為：Ca2+、CaHCO3+、CaSO40、CaCO30、CaCl+、CaOH+，Mg2+、MgHCO3+、MgSO40、MgCO30、MgCl+、MgOH+、MgF+、MgCl20。以含鈣為主的天然水的礦化度一般小于1g/L。Ca2+積極參與生物地球化學(xué)作用，含鈣的有機(jī)質(zhì)可很快轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)而存在于土壤中。鎂鹽在水中的溶解度比鈣鹽大，但Mg2+易被植物吸收，故在天然水中的含量小于Ca2+。在礦化水中Mg2+可高達(dá)幾g/L到kg/L。這些巖石礦物溶解于水中的量取決于其溶解度及水解55鈉、鉀在水中含量主要受溶解度控制。它們的離子電位低，在水中大多呈水合離子形式。在簡(jiǎn)單水溶液中有下列絡(luò)合離子形式：Na+，NaSO4-，NaCl0，Na2CO3。,NaHCO30，NaOH0,NaCO3-，K+，KCl0，KOH0，KS04-。Na+及Cl-為高礦化水中的主要成分，鈉在地殼中占2.36％，而在海水中，Na+占總含鹽量30％左右；鉀在地殼中含量與鈉類(lèi)似，為2.09％，但在天然水中K+<<Na+，只有Na+含量的4％～10％，這是因?yàn)镵+為營(yíng)養(yǎng)元素易被植物吸收，但K+在海水中含量增高，可達(dá)390mg/L。鈉、鉀在水中含量主要受溶解度控制。它們的離子56

(二)碳1、水中的來(lái)源與特征碳主要來(lái)源于石灰?guī)r，白云巖，泥灰?guī)r等，其溶解度小，故在水中絕對(duì)含量低，但含量的變化范圍小。自然界中也廣泛存在著有機(jī)碳成分，它們積極參與生物化學(xué)作用及碳的循環(huán)。2、存在形態(tài)與控制因素由于碳的離子電位高，在水中易形成酸性絡(luò)陰離子及絡(luò)陰離子。碳是水的主要化學(xué)成分，受pH值影響很大。在天然水中，當(dāng)pH<5時(shí)，碳主要以H2CO3形態(tài)出現(xiàn)；當(dāng)pH=5～8時(shí)，主要以HCO3-形態(tài)出現(xiàn)；pH>8時(shí)，則主要以CO32-形態(tài)出現(xiàn)。水中溶解的CO2氣體，在水化學(xué)環(huán)境中起重要作用，它控制了水的酸堿性，直接影響水中許多化學(xué)平衡，碳酸鹽體系在研究大氣圈、水圈、巖石圈的演變史上有特別重要的意義。

(二)碳在天然水中，當(dāng)pH<5時(shí)，碳主要以57（三）硫1、水中的來(lái)源與特征SO42-是天然水中重要成分之一，它廣泛分布于地表水、淺層地下水及承壓水中。它來(lái)源于石膏等硫酸鹽的溶解、硫化礦床氧化帶氧化產(chǎn)物的溶解及地?zé)釡厝小?、存在形態(tài)與控制因素硫在水中有較多價(jià)態(tài)(-2，+4、+6)，形式多樣。如：硫在水中的行為受Eh-pH平衡控制。在天然水穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)，主要是兩個(gè)體系起作用，即H2SSO42-及HSSO42-，可寫(xiě)出各種硫的平衡方程式：（三）硫硫在水中的行為受Eh-pH平衡控制。58第二章水化學(xué)成分組成課件59第二章水化學(xué)成分組成課件60由圖2.5可知，硫的氧化態(tài)主要是SO42-及HSO4-。天然水中硫的主要類(lèi)型是SO42-，酸性條件下HSO4-，在還原環(huán)境下出現(xiàn)H2S，在還原的堿性環(huán)境下才可出現(xiàn)HS-。腐植質(zhì)土壤及富含有機(jī)質(zhì)的油田水，由于脫硫作用，幾乎可不含或含少量SO42-。C6H12O6+3Na2SO43CO2+3Na2CO3+3H2S+3H2O+熱能當(dāng)水中Ca2+含量高時(shí)，由于易生成CaSO4沉淀，也可使水中SO42-含量減少。由圖2.5可知，硫的氧化態(tài)主要是SO42-及HSO4-。天61(三)氯主要來(lái)源于巖鹽的溶解(NaCl、MgCl2，CaCl2、Ca2(PO4)3Cl、3NaAISiO4·NaCl)，它們有很高的溶解度，常常是總?cè)芙夤腆w（TDS）含量高的氯化物水或硫酸鹽水中的主要成分。Cl在水中含量與TDS增長(zhǎng)一致。水中氯主要以Cl-形式出現(xiàn)。據(jù)戈萊娃Г.A.(1977)資料，在還原環(huán)境的高TDS氯化物鹵水中，Cl可與重金屬元素形成絡(luò)合物，CuCl+，CuCl20，CdCl20，ZnCl20，ZnCl42-等。在微酸性、低硫、高氯化物鹵水中以氯化物絡(luò)合物形式可以轉(zhuǎn)移較多的Pb和Zn。(三)氯62

三、營(yíng)養(yǎng)元素(一)氮1、氮的來(lái)源與存在形態(tài)水中可以含有較多的NH4+、NO3-、NO2-，它們的形成與含蛋白質(zhì)的有機(jī)物生物分解有關(guān)。蛋白質(zhì)分解最終產(chǎn)物是氨基酸，同時(shí)放出氨氣。R-CHNH2-COOH+H2O=R-CHOH-COOH+NH3NH3溶于水中形成NH4+，并氧化形成NO2-及NO3-。在自然界中，水中蛋白質(zhì)的出現(xiàn)往往是人為污染的結(jié)果。所以NH4+、NO3-、NO2-的伴生可以作為污染的指標(biāo)，在未污染的天然水中，NO3-一般都小于30mg/L，但在受污染的水中，其含量從幾十mg/L到幾千mg/L。我國(guó)的陜西、河南一些“肥水”NO3-可達(dá)4000mg/L以上。水中除NH4+、NO3-、NO2-外，還有以NH3，N2，N20等溶解氣體形式存在于水中。三、營(yíng)養(yǎng)元素632、氮的轉(zhuǎn)化與控制因素

水中NO2-、NO3-及NH4+之間可以互相轉(zhuǎn)換，且受Eh-pH條件控制。它們的轉(zhuǎn)換方程為：從NH4+—NO3-之間轉(zhuǎn)換方程可以分析，當(dāng)pH=7，NH4++