水文地球化学复习资料

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第一章绪论

1、水文地球化学（HGC）的含义

（1）HGC是水文地质学的一部分，所研究的内容为地下水在数量和质量上时空变化的规律。

（2）HGC是在水文地质学与地球化学基础上发展起来的、并已成为一门独立的学科。

（3）HGC是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科。

（4）HGC是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用的一门新兴学科。

2、水文地球化学的研究任务

（1）查明地下水化学成分（如首先查明地下水化学成分、水型、矿化度以及它们在空间上的变化规律）。

（2）解释是什么作用形成了这些地下水特有的化学成分。

（3）有必要研究地下水中单个元素的迁移和富集规律。

第二章化学热力学基础

1、热力学理论的三个基本定律

（1）热力学第一定律（即能量守恒和转化定律）：能量有各种不同的形式，如辐射能、热能、电能、机械能和化学能，能量能够从一种形式转化为另一种形式，但总能量保持不变。

（2）热力学第二定律：能量只沿有利的势能梯度传递，该定律阐述过程的可能性、方向和限度（热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体）。

（3）热力学第三定律：“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”（绝对零度不可达到，但可以无限趋近）。

2、体系：在热力学中，被研究的对象称为热力学体系，简称体系。

（1）封闭体系：与环境之间只有能量交换而无物质交换的体系。

（2）开放体系：与环境之间既有能量交换又有物质交换的体系。

（3）孤立体系：与环境之间能量交换和物质交换两者全无的体系。

3、状态：当体系的各种性质具有确定的数值时，就称该体系处于一定的状态。状态函数：由于决定体系状态的这些性质同体系的状态之间有着这样的依从关系，所以又把体系的这些性质称为状态性质或状态函数。体系的温度、压力、体积、密度、电位、折光率、粘度、自由能……等等，都是状态函数。

平衡状态：体系到达某一状态后，若不再随时间改变，则称体系处于热力学平衡状态，简称平衡状态。

4、热力学方法在水文地球化学的应用

（1）判断水文地球化学体系中反应的方向和程度；

（2）计算化学反应的热效应；

（3）计算化学反应平衡常数；

（4）计算氧化还原反应的电位值和水溶液的PH值；

（5）水中溶液组分优势场和矿物稳定场的制作。

5、自由能

（1）定义：是指一个反应在恒温恒压下所能做的最大有用功，以符号“G”

表示。ΔG是指一个反应的自由能变化。

（2）标准生成自由能：在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的自由能变化，称为“标准生成自由能”，以“ΔG f”表示。

（3）反应的标准自由能变化：在标准状态下，某一反应自由能变化称为“反应的标准自由能变化”，以“ΔG r”表示。

（4）计算方法：ΔG r＝ΔG f (生成物)—ΔG f (反应物)。

（5）在恒温恒压条件下自由能判据为：

ΔG

<0: 反应自动(不可逆)进行；

r

ΔG

r

>0: 反应不可能进行，但逆反应可以自动进行；

ΔG

r

=0: 反应处于平衡状态。

（6）反应的标准自由能变化与平衡常数的关系式：

ΔG

r

= -RTlnK

式中ΔG

r

为反应的标淮自由能变化（kJ/mol）；R为气体常数（0.008314 kJ/mol）；T为绝对温度；K为平衡常数。在标准状态下，T ＝ 293.15 K。

将R和T值代入上式，并转换为以10为底的对数，则lgK ＝ - 0.175ΔG

r (kJ/mol) 。

6、范特霍夫式

Lg K1=LgK2−ΔHr

2.3R (1

T2

−1

T1

)

式中：T1为参比温度，一般为298.15K；T2为所求温度；K1和K2分别为参比温度及所求温度的平衡常数；ΔHr为反应的标准焓变化（kJ/mol）；R为气体常数（kJ/mol）。

7、CaCO3溶解和沉淀

CaCO3溶解：CaCO3＝Ca2+ + CO32-

ΔH r＝ΔH Ca+ΔH CO3 -ΔH CaCO3 ＝(-542.83) + (-677.1) - (-1207.4) ＝-12.53kJ/mol CaCO3沉淀：Ca 2+ + CO32- ＝CaCO3

ΔH r＝ΔH CaCO3 -ΔH Ca -ΔH CO3＝(-1207.4) - (-542.83) - (-677.1) ＝12.53kJ/mol CaCO3溶解，ΔH r为负值，属放热反应；

CaCO3沉淀，ΔH r为正值，属吸热反应。

第三章溶解和沉淀作用

1、溶解作用分类

全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物都是溶解组分。

不全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物除溶解组分外，还包括一种或多种新矿物或非晶质固体组分。

2、同离子效应和盐效应

同离子效应：一种矿物溶解于水溶液中，如若水溶液中有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度就会降低，这种现象在化学中称为同离子效应。

盐效应：物在纯水中的溶解度低于矿物在高含盐量水中的溶解度，这种含盐量升高使矿物溶解度增大的现象，在化学上称为盐效应。

（盐效应和同离子效应可以同时存在。就对溶解度的影响而言，同离子效应大于盐效应。因此，在盐效应和同离子效应同时存在时，盐效应往往可忽略；

如无同离子效应存在时，盐效应是应予考虑的。）

3、溶度积和溶解度

溶度积：当难溶电解质溶于水形成饱和溶液时，溶液中同时存在溶解离子和未溶解的固体。按照质量作用定律，在给定的温度压力下，溶液中相应方次的离子的活度乘积是一个常数，称为平衡常数K，对于难溶盐，这个常数称为“溶度积”，或者“溶度积常数”。

溶解度：在给定的温度压力下，达到溶解平衡时，溶液中溶解物质的总量。

4、饱和度判别

（1）如BaSO

4

的溶解速度大于沉淀速度，溶液处于未饱和状态；

（2）如果沉淀速度大于溶解速度，BaSO

4

溶液处于过饱和状态；

（3）如果沉淀速度等于溶解速度，溶解过程和沉淀过程便达到平衡，即溶液为饱和溶液。

5、离子积

如溶液中[Ba2+]与[SO

42-]的乘积小于K

sp

，且溶液并未和BaSO

4

固体接触，

那么溶液中[Ba2+]与[SO

4

2-]之间没有相互依赖关系，可以任何浓度存在，只要

它们的乘积不超过K

sp 。所以这时[Ba2+]与[SO

4

2-]的乘积不称为溶度积而称离

子积。因为它们的乘积不是一个常数。总之，[Ba2+][SO

42-] =K

sp

是溶液处于

饱和状态时[Ba2+]与[SO

4

2-]的相互关系。