水文地球化学PPT总结(东华理工大学)

第一章绪论第二章水溶液的物理化学基础一、水的结构2.水分子的内部结构原子结构理论表明，H2O分子呈V形结构，H-O键的夹角为104°45′，键长为0.96Å（1Å=10-10m）2.水分子的内部结构由于氧的电负性为3.5，氢的电负性为2.1，（中性原子接受电子的能力，称为电负性）这种差异导致了H、O形成共价键。

由于氧的电负性大，所以共价电子偏向氧原子，这样使氧带有部分负电性，氢还有部分正电性，这就造成了极性共价键。

由这种极性共价键所形成的分子称为极性分子。

3.电负性(E)电负性就是原子在化合成分子时把价电子吸引向自己的能力。

规定氟的电负性为4.0，并以此为标准求出其它元素的电负性。

电负性小于2.0时，多数元素显金属性，大于2时，多数元素显非金属性。

铀的电负性为1.7，显金属性。

U4+的电负性为1.4，U6+为1.9，U4+的金属性较U6+强。

电负性差值大于2的两个元素化合时，多数形成离子键化合物，电负性差值小于2时，多数形成共价键的化合物。

由于电负性影响化合物的键性，而化学键的性质又影响到化合物的许多物理化学性质，如硬度、光泽，溶解度等，所以电负性对元素的迁移和沉淀也有影响。

3.水分子间的联结水分子间是靠氢键联结起来的。

所谓氢键是一种因静电吸引作用而产生的附加键，所以一个水分子中的氢原子，在保持同本分子中氧原子的共价键的同时，又能同相邻水分子中的氧原子产生一种静电吸引力。

这样水分子就有具有了两种类型的键：（1）存在于水分子内部的极性共价键；（2）存在于水分子之间的氢键。

3.水分子间的联结水分子间的氢键联结，使水分子相互缔合形成巨型分子（H2O）n，水分子的这种缔合强度取决于温度，一般温度越低，缔合程度越稳定，4℃时，水的缔合程度最大，此时达到最大密度。

在250～300℃时，n接近1，即水具有H2O形式。

水分子在缔合过程中不会引起化学性质的变化。

这种由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象，称为水分子的缔合作用。

液态、固态水均以巨型分子形式存在，汽态水才以单分子的形式存在。

二. 水的特异性质1.水具有独特的热力学性质（1）水的生成热很高：水的稳定性很好，在2000K的高温下，水的离解度仅为0.588%，保证了水在地下深部高温状态下可广泛参与水文地球化学作用过程。

（2）水具有很高的沸点和达到沸点以前的极长液态阶段：这一性质保证了地球上大量液态水的存在，而高沸点是由于水分子间的氢键强度大而产生的。

（3）水的热传导、热容及热膨胀性能几乎比其它所有液体都高：这一性质使水对自然界起到良好的调节作用，利于人类和各种生物生存2.水具有较大的表面张力（1）液体中，除汞以外，水的表面张力最大。

水的表面张力随温度的升高而剧减。

（2）水的表面张力对研究包气带地下水的地球化学作用将具有重要意义。

水具有较小的粘滞性和较大的流动性水的粘滞性小，流动性大，从本质上说，仍是由于水分子的极性共价键和氢键联结所决定的。

4.水具有高的介电效应（1）在水中，盐类离子晶体发生离解时，一些水分子围绕着每个离子形成一层抵消外部静电引力（或斥力）的“绝缘”外膜，它会部分中和离子的电荷，并阻止正负离子间的再行键合。

这种绝缘效应（或屏蔽效应）称为介电效应。

（2）介电常数：表征在某介质中电荷之间的吸引力比在真空中减少的倍数。

水的介电常数在常温下为81，0℃时为88，100℃时为56。

这意味着正负离子在水中的相互吸引力比在真空中减少81倍。

5.水具使盐类离子产生水合作用的能力（1）水分子由于具有较强的极性，所以它可借助于较强的静电引力来吸引和牵制水中的离子。

（3）水分子正极（氢端）吸引水中阴离子，而负极（氧端）吸引阳离子。

这种水中离子和水分子之间能相互吸引作用，使水中正负离子周围为水分子所包围的过程称为离子的水合作用。

（3）离子的水合作用减弱了正负离子间的相互引力，这是多数盐类溶解于水的重要原理。

6.水具有良好的溶解性能一. 热力学基本原理活度与活度系数（1）活度的定义指实际参加化学反应的物质浓度，或指所研究的溶液体系中化学组分的有效浓度。

（2）活度系数的计算对于矿化度＜100mg/L的天然水，ri＝1，浓度＝活度；对于矿化度＞100mg/L的天然水，ri有两种情况：对于矿化度＞100mg/L的天然水，离子强度< 0.1mol/L，采用Debye-Huckel公式（迪拜－休2．逸度活度用于气体和蒸汽时，叫逸度或挥发度，3．质量作用定律与平衡常数在地下水化学平衡的研究中，“质量作用定律”非常有用。

它的基本含义是，一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关。

4．自由能与平衡常数关系（1）自由能定义：指一个反应在恒温恒压所做的最大有用功，用G表示。

△Gf0：指在标准状态下（25℃,1atm=1巴=105Pa）标准生成自由能，即在标准状态下由最稳定的单质生成1mol纯物质的自由能变化(查表)。

元素和单质的△Gf0：按热力学规定为零。

在标准状态下，反应自由能变化称为“反应的标准自由能变化”：（1）饱和指数的概念饱和指数是确定水与矿物处于何种状态的参数，以符号“SI”表示。

（2）标准氧化还原电位(Eo)指在标准状态下，金属与含有该金属离子且活度为1mol/L的溶液相接触的电位，称为该金属的标准电极电位：＋+2e=Pb Eo Pb2＋/Pb=-0.126v以氢的标准电极电位为零测定)由于标准电极电位表示物质的氧化及还原能力的强弱，所以又称为标准氧化还原电位，以符号Eo表示，其单位为V。

半反应中物质的氧化态和还原态称为相应的氧化还原电对。

如Pb2＋－Pb，表示为Eo Pb2＋/Pb Eo 越大，氧化能力越强在水文地球化学研究中，我们常常通过绘制Eh-pH图(或pE-pH图)来定性或定量地评价水中化学组分的优势范围，解释和预测地下水成矿及热液矿床中矿物的分布及稳定性等，制作的具体步骤和方法:⑴写出有关的反应式，它们包括：表示水的稳定范围的化学式；被研究物质的物种形式转换化学式，它们可以是水解反应式、离解反应式、氧化还原反应式等。

⑵根据质量作用定律写出上述有关化学反应式的边界条件计算方程式。

⑶用计算法或作图法求出有关边界线之交点，划出各条化学反应边界线，并消去边界线段交点以外不需要的多余的部分。

由于自由电子与质子具有相反的电性，它们势必为互为消长的关系。

换句话说，在氧化环境(高pE)将为酸性环境(低pH)，而在还原环境(低pE)将为碱性环境(高pH)。

因此，pE-pH直线都是向右倾斜的。

1.质量摩尔浓度（molality)一千克溶剂中溶质的物质的量，旧名为重量克分子浓度。

其单位符号为摩尔/千克（mol/kg)。

此单位在应用中最为精确，在质量计算过程中不会发生问题。

物质的量的浓度（molar）每升溶液中溶质的物质的量，也叫物质的量的浓度，旧名容量克分子浓度。

采用摩尔/升（mol/L）的符号，它是水化学中经常使用的浓度单位。

在低矿化度水中用这种单位可满足计算的一般要求，但对高矿化度水进行质量计算时，就会出现较大的误差。

如海水中1 mol/L的钠只相当于0.97 mol/kg的钠，因为一公升海水的质量不是一公斤，而是1.035千克。

3.质量浓度在天然水研究中使用得最普遍的质量浓度单位是mg/L。

以上三种单位皆是国际单位制单位（单位制）。

以下是水文地球化学研究中还经常出现的一些非国际单位制单位。

当量浓度及其单位当量浓度(eql）是每升溶液中溶质的克当量数（N），其单位符号为eq/L。

克当量数等于克分子量(M)数乘以溶质的价态(Z)。

百万分率（ppm)每百万克溶液中溶质的克数。

ppm = 溶质的克数/106克溶液。

对于非咸水来说，1ppm = 1mg/L，但是对咸卤水来说，1ppm 1mg/L。

第三章地下水的无机化学成分3.1 地下水中的大量组分一、氯离子（Cl-）、迁移性能；Cl-具有很强的迁移性能，其原因有三个方面：（1）不形成难溶化合物。

（2）不被胶体所吸附。

（3）不被生物所吸附。

、分布规律地下水中的Cl-含量随地下水矿化度的增高而增高。

在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。

、来源；（1）有机来源；（2）无机来源（盐、矿物）；（3）大气降水二、硫酸根（SO42-）、迁移性能迁移性能较强，仅次于Cl- ，其迁移性能受下列四个因素控制：（1）水中SO42-易与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子形成难溶盐。

（2）热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2-、Al(OH)22+胶体可以吸附SO42-。

（3）吸被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。

（4）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42-被还原成H2S等的过程。

、分布规律（1）SO42-含量随地下水矿化度增高而增加，但增加速度明显落后于Cl-。

在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子。

（2）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层地下水。

、来源（1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物。

（2）硫化物及天然硫的氧化。

（3）火山喷发物中的硫和的氧化。

（4）大气降水中的SO42- 。

（5）有机物的分解。

（6）生活、工业、农业废水。

三、HCO3-和CO32-1、碳酸平衡及其与pH值的关系地下水中的碳酸以三种化合物形态存在：（1）游离碳酸，它以溶解的CO2（aq）或H2CO3形态存在，习惯上记为“H2CO3”。

（2）重碳酸根，即HCO3（3）碳酸根，即CO3可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系：由这两个关系可求出CO2溶于水后各溶解类型占优势的pH值范围，在25℃，1atm条件下：pH＜6.4 ，占优势；6.4<pH<10.3 ，占优势；pH＞10.3，占优势。

2、分布规律（2）来源①大气中CO2的溶解；②各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；③非碳酸盐的火成岩的生物风化作用④深成CO2的加入：一半来自CO2，一半来自碳酸四、硅酸―地下水中的SiO2、地下水中SiO2的存在形式（1）硅酸的形式在地下水中的硅酸有以下几种：H4SiO4（正硅酸），H2SiO3（偏硅酸），H2Si2O5（二偏硅酸），H6Si2O7（焦硅酸），H2SiO3因其形式简单，常以它代表水中的硅酸。

（2）地下水中SiO2的存在形式在大多数的地下水中，SiO2以不离解的H4SiO4形式存在，但在强碱性条件下，水中会出现H3SiO4-。

在强碱性条件下（pH＞9），H4SiO4往往会发生聚合，形成硅胶溶液。

1、地下水中SiO2的存在形式（2）地下水中SiO2的存在形式SiO2在地下水中的存在形式归纳为：①在一般的地下水中，SiO2以H4SiO4（单体硅酸）或硅酸钠钾盐的分子分散状态存在，硅胶出现极少。

②在碱性地下水中，SiO2部分以H4SiO4形式存在，部分以H3SiO4-形式存在，部分以硅胶形式存在。