3.1水分子结构 天然水基本特征(1)

2
OC
CO2·2O HCO3 H
-+H+
一级电离
K1
[H

][ HCO
2
3
]
[ CO
H 2O ]
2 3 3
=4.45×10-7molL-1
=4.68×10-11molL-1
HCO3- CO32-+H+ 二级电离
K
2

[H

][ CO
]
[ HCO
]
由于k2特别小，所以只考虑前面两个方程，可得： [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 pH=5.67（酸雨判别标准的由来） 故CO2在水中的溶解度为[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol/L。
③水中溶解H2S 天然水中的硫化氢可以分子状态存在，也可以离子状态存在，能够来源 于无机物或有机物。缺氧条件下，硫酸盐能够被还原为硫化氢，含硫蛋
白质厌氧分解也能产生硫化氢。自然界最多的硫化氢来自火山喷发。 硫化氢不稳定，只有缺氧条件下才能存在，一旦受到扰动，就会发生氧 化或从水中溢出。所以天然水中的硫化氢一般出现在地下水中。
例子：氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有 关。氧在1.0130×105Pa、25℃（标准状态）饱和水中的溶解度，可按 下面步骤计算。 水 在 25℃ 时 的 蒸 汽 压 为 0.03167×105Pa ， 由 于 干 空 气 中 氧 的 含 量 为 20.95% ， 所 以 氧 的 分 压 为 ： =(1.0130-
在自然生态环境中具有不可估量的作用。例如保证了饮用、
水生生物的生存、生命的进化等。 体积随温度变化情况异常。水的体积改变不遵 循“热胀冷缩”的普遍规律。 “冰轻于水”（4摄氏度水密度最大）具有重
要的生态学意义。可以保护水下的生物，保证水 底部生物需要的溶解氧以及其他营养物的补充等。
热容量最大。在所有液体和固体中，水具有最大的热容量。
14.74mg/L降低到7.03mg/L，由此可见，与其他溶质相比，溶解氧的
水平是不高的，一旦发生氧的消耗反应，这溶解氧的水平可以很快的
降至零。 另外，常压下，饱和溶解氧是温度的函数： （t,摄氏温度）
Cs 468 31 . 6 t
②
CO2的溶解
25℃时水中[CO2]的值可以用亨利定律来计算。已知干空气中CO2
沸点高。能够有效地调节温度的剧烈变化。
溶解和反应能力强。常被称为通用溶剂。水具有极强的溶
解能力，能够不同程度地溶解大量物质，当然包括污染物。
具有很大的表面张力。水的表面张力仅仅次于水银。
水提供了有机物和生命物质中H的来源。一些有机化合物都
是以碳、氢、氧、氮等元素为基础形成的。这些元素的主要
来源物质就是CO2和H2O。
第三章：水环境化学——天然水的基本特征以及污染物存在形态
第一节
水分子结构
天然水基本特征
第二节、水中无机污染物的迁移转化
第三节
水中有机污染物的迁移转化
第一节
水分子结构
天然水基本特征
一、水和水分子结构的特异性
二、天然水的基本特征
三、水体污染和自净
四、水中污染物的分布和存在形态
五、典型水污染的特征
第一节
1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）
天然水是含有可溶性物质和悬浮物的一种天然
溶液。可溶性物质非常复杂，主要是岩石风化过程
中，经过水文地球化学和生物地球化学的迁移、搬
运到水中的地壳矿物质。包括：悬浮物质、胶体物 质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
（1）天然水中的主要离子组成
最主要的八大离子
经常，近似地天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水
的总含盐量（TDS）: TDS≈[ Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ ]+[ HCO3- + SO42- + Cl- ]
(2)天然水中溶解的金属离子
水溶液中金属离子的表示式常写成Mn+,预示着是简单的水合
金属阳离子M(H2O)xn+。 它可通过化学反应达到最稳定的状态. 酸-碱，沉淀、配合及氧化-还原等反应是他们在水中达到最 稳定状态的过程。
0.03167)×105×0.2095=0.2056×105Pa
代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为： [O2(aq)]= KH· =1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4 mol/L
氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L。
气体溶解度随温度升高而降低，这种影响可由Clausius-Clapeyron
（克拉帕龙）方程式显示出：
lg
c2 c1

H 2 . 303 R
(
1 T1

1 T2
)
• 式中： c 1 , c 2——用绝对温度 T 1和 T 2时气体在水中的浓度；
H
——溶解热，J/mol;
R——气体常数8.314J/（mol· K）。
因此，若温度从0℃上升到35℃时，氧在水中的溶解度将从
5
4
30 . 8 Pa
所以：
30 . 8 1 . 028 10
mol/L
CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-。H+及HCO3-的浓度可从 CO2的酸离解常数（K1）计算出：
P
2
] O2 H
OC [

H
K
CO2+H2O CO2·2O 亨利常数 H
=3.34×10-7molL-1Pa-1
水表面以CO2、N2、O2为特征，不流通的深海中CO2过饱和、有时还有 硫化氢。
气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。
例如鱼需要溶解氧，一般要求水体溶解氧浓度不能低于4mg/L，
鱼类呼吸作用的结果消耗溶解氧的同时又释放出二氧化碳；在污染 水体许多鱼的死亡，不是由于污染物的直接毒害致死，而是由于在污染 物的生物降解过程中大量消耗水体中的溶解氧，导致它们无法生存。 大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡服从亨利定律， 即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。 但必须注意，亨利定律并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应， 如： CO2 + H2O=H+ + HCO3SO2 + H2O=H+ + HSO3-
正是氢键的存在使水分子和同族分子相比具有特异性
+ H
+ + H _ O + — + +-Βιβλιοθήκη -+-
(H2O)
(H2O)2
(H2O)3
2、水的特异性
水的物理化学性质在很多方面不符合常有规律而显 示出特异性。 具有较高的溶点和沸点
423
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
阴 离 子
除上述的八大离子之外，还有H+、OH-、NH4+ 、HS-、S2-、NO2-、
NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。
一般水体中的特征离子 海水中：一般Na+、Cl-占优势； 湖水中：Na+、Cl-、SO42-占优势； 地下水主要离子成分受地域变化影响很大，一般说地下水硬度 高，就是其中Ca2+、Mg2+含量高，对于一些苦水或咸水地区，地下 水中Na+、HCO3-含量较高； 河水中所含有的部分Na+和大部分的Ca2+主要分别来源于硅酸盐 和碳酸盐的风化、溶解；水中所含有的SO42-主要来自硫化物矿物 和硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。
重水在自然界含量非常少，而且它是和反应堆的
中子慢化剂，在大功率的原子反应堆中需要它，同 时又是生产氢弹的原料，但是从普通水中提取重水
要耗费非常多的能量。估计13万kWh/kg重水。
超重水中的氚T是一种放射性同位素，能够放射
出β射线。一般超重水用于医学、生物、物理、化
学上的示踪剂。
二、天然水的基本特征
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
第VI主族元素氢化物熔点比较 （x轴主族周期数，
第VI主族元素氢化物沸点比较 y轴温度k）
如上图形显示，如果按照O在主族中的位臵推测，水呈 现液态的温度应是-100—-80摄氏度，换句话说，在目前 的地球温度下水应该呈现气态。而事实上水为液态，因此
3、水的同位素组成
水分子的结构式是H2O，实际上H有三种同位素1H（氕H）、2H （氘D）、3H（氚T）、氧有三种同位素16O、17O、18O，所以水实 际上是18种水分子的混合物C32C31=18。 当 然 H2O 是 最 普 通 的 水 分 子 （ 包 括 H216O （ 99.73% ） 、 H217O （0.18%）、H218O（0.037%）、），总量占99.937%。其余的水 是重水（包括D216O、D217O、D218O）和超重水（包括T216O、T217O、 T218O）。
水分子结构
天然水基本特征
一、水和水分子结构的特异性
1、水分子的结构
水是地球上常见的物质之一。
水是氧的氢化物，具有V型结构的极性分子。 这种V型结构使水分子正负电荷向两端集中，一端为两个H 离子带正电荷，一端为O带负电荷，所以水是极性分子。
极性使水分子之间存在氢键，并有多个水分子缔合
nH2O=(H2O)n。常称“水分子团”。