水环境化学讲义

水圈包括海洋水、大气水、陆地水。

陆地水包括：

地下水：潜水，承压水，冻土水，岩石、土壤分子水。

地表水：冰帽水、径流水、湖泊水、沼泽水。

生物水。

从分子与溶液的角度看水与天然水

作为分子的水的组成、结构、特性：

易作溶剂：氢键、异性相吸、六边形、较大分子间隙。

作为溶液的天然水的物理化学性质

粘度：流体运动过程中，分子之间形成的剪切应力的物理量，水的粘度相对较大且随温度升高而急剧减少。

离子活度（ɑ）及离子强度（L）

离子活度系数：反映溶液体系中某离子表现活性的物理量。

当量数：相当于1摩尔氢离子所含电子量的物理化学量。当量浓度：1L溶液中所有某种物质的当量数的量。当量＝【M Zi】/|Zi| ，摩尔浓度【M Zi】＝|Zi|*当量。一切化学反应都是当量平衡。

离子缔合体。范德华力包括静电力、诱导力、色散力。溶液体系中因分子与分子间碰撞作用形成的离子束称为离子缔合体。

第二章

天然水化学成分最早形成于大气层（凝结核），成分的直接影响因素包括生物、土壤、岩石。生物是最大来源；成分的间接影响因素包括气候、地貌（接触时间）、水文要素（容量、流速等）

天然水主要离子化学

水化学反应回顾：

（1）中和反应

（2）沉淀－溶解反应：CaCO3<==>Ca2++CO32-

（3）氧化还原反应

（4）水解反应Fe3++3OH－<==>Fe(OH)3↓Fe(OH)3+3OH－<==>Fe(OH)63－未脱水而先形成配位体（配位反应特例）

（5）配位反应Fe3++CN－<==>Fe(CN)63－氰化物处理

（6）置换反应

（7）吸附－解吸反应：2Na++Mg(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Mg2+ 2Na++Cd(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Cd2+骨痛病

（8）缔和反应：在离子强度很高的条件下发生。AgCl+Cl －<==>AgCl

2

－

标准海水矿化度35.5g/L ，碱金属一般不发生配位反应。

天然水中的主要离子：构成天然水中离子总量95％以上的无机离子（8大离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO32－、CO32－、Cl－、SO42－）

Si （A）沉淀－溶解反应：（B）置换反应；（C）配位反应4H4SiO4<==>Si4O6(OH)62-+2H++4H2O

A、B、C为直接反应。

（2）Ca2+、Mg2+、HCO32－、CO32－

（A）亨利定律K H＝x1/P H

（B）沉淀－溶解反应

（C）氧化还原反应

（D）吸附－解吸反应2Na++Ca(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Ca2+

（E）置换反应

第四章主要类型陆地水与大气降水化学

一、河水化学

1.特性：是交换最为频密、水化学行为最为活跃的自然水体；水化学成分复杂多变；水中气体含量丰富、充沛；水中矿化度往往很低。

2.流域溶质平衡方程：

基本概念：

固体径流：单位时间内从上游向下游输送通过特定断面的无机固定总量，包括推移质、跃移质、悬移质中的无机成分以及离子径流。

离子径流：单位时间从上游向下游输送通过特定断面的溶解态无机物总量，是反映河流流域化学侵蚀强度的重要参数。基流：河流中经常保有的最小径流量。

我国的河水化学特征：

水化学成分南方河流北方河流成因

八大离子枯水期>丰水期枯水期>丰水期地下水补给

有机物枯水期<丰水期枯水期>丰水期面源补给带入

地面物质/稀释

扩散能力

溶解气体枯水期<丰水期枯水期>丰水期水文因素、

微生物

活性/冰封

生物生成物

（营养元素

N、P等）

枯水期>丰水期枯水期<丰水期生物活性

四、大气降水化学

1.来源：来源于海面，最主要来源；火山喷发；森林火灾；扬尘；植物，如植物分泌纤维；人类活动，包括烟尘、工业粉尘。

2.气溶胶含量的影响因素：

降雨量越大，含量越小；降水状态，雪<雾<雨（去除能力）；气候条件：风云雨前天气，降雨高度。

五、海水化学

1.特征：矿化度很高且恒定，盐度（海水中所有无机离子总含量）与氯度（海水中氯离子总含量）比稳定；主要离子占总矿化度的98.27％；水化学成分的时空变化不大；气体含量分层现象明显。

2.水化学成分：

A主要离子Cl－。B碱性系数：海水中HCO3－、CO32－含量之和与无机离子含量的比值，是海水受径流影响程度及对碱性物质缓冲能力的特征性水化学指标。C溶解性气体。

第五章重金属在水环境中的迁移转化

一、沉淀－溶解作用 1.氢氧化物 2.硫化物 3.碳酸盐

二、水解作用

1.氢氧化物的水解；

2.生成多核羟基的水解――缩聚现象。

三、配位作用

中心体：一切可以接受电子的元素或阳离子。

第三章内容回顾：

基本概念（10个）

环境：影响人类生存和发展的各种天然的和人工改造的自然因素总体、包括大气、水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、自然古迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜、城市乡村等

亨利定律：水中气体（溶解性）的含量与该气体的分压成正比。在一定温度压力条件下的比例常数成亨利系数。

亲和特性：分子与分子间存在使相互作用的特征能量（ε）尽可能小的、相互间形成的位能（εp）尽可能低的趋势。这种趋势即分子的亲和特性。

盐效应：因离子强度增加，离子与离子之间的间距大幅度减少而产生“挤压”碰撞，导致产生离子缔合体，大大增加物质溶解度的效应。

离子活度：反应溶液体系中能够参与反应的离子浓度的标量。

水的硬度：（P51水的总硬度：水中所含钙、镁离子总量）水的矿化度：水中无机离子浓度。

水的pH：指水中[H+]摩尔浓度的负对数值。

水的酸度：（P65 水的酸度是指水中所能与强碱发生中和作用的物质的总量，亦即能放出质子H+或经过水解能产生H+的物质总量。）

水的碱度：（P65 水的碱度是指水中所能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子H+的物质总量。）

二、知识要点

1.水中主要离子的来源与影响因素：

最早起源于大气，主要来自生物、土壤、岩石（直接影响因素）；气候、地貌、水文条件（间接影响因素）。

2.水中主要离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+——主要来源于沉淀－溶解反应；HCO32－、CO32－——主要源于沉淀－溶解反应，水－气界面交换反应和氧化－还原反应；Cl－——水环境化学行为简单；SO42－主要源于氧化－还原反应。

3.核心反应：CaCO3+CO2+H2O<==>Ca2++2HCO3－

CO2+H2O<==>H2CO3H2CO3<==>H++HCO3－

CaCO3<==>Ca2++CO32－

4.天然水中[HCO3-]－[Ca2+]的关系：平衡前同步，平衡后成反比。

P49 ：当天然水中含有较多的H+ 时，如在硫化矿床氧化地段，强酸性谁对CaCO3的溶解，使水中的Ca2+大大超过与HCO3－的等当量浓度。

5.矿化度及水的分类：

P59 ：（1）天然水按离子总量（即矿化度）的分类：A．苏联阿列金提出的按离子总量的分类方案：

淡水——离子总量<1克/千克{基于人的感觉}；微咸水——1-25克/千克{这种离子总量时，水的冻结与最大密度时的温度相一致}；具海水盐度的咸水——25-50克/千克{该下限只有盐湖水和强化盐的地下水才有}；盐水（卤水）——>50克/千克。

B．美国采用的按离子总量分类的数值界限：

淡水——0-1克/千克；微咸水——1-10克/千克；具海水盐度的咸水——10-100克/千克；盐水（卤水）—— >100克/千克。（2）天然水按主要离子成分的分类

先按优势阴离子将天然水划分为：重碳酸盐类、硫酸盐类、氯化盐类。然后每一类中再按优势阳离子分为钙质、镁质、钠质三个组。每一组内再按离子间的毫克当量比例关系分为四类：I型水弱矿化水，II型水混合起源水，III型水高矿化度的混合起源水，IV型水酸性水。

6.受沼泽及草甸土及森林影响的地表水pH：有机酸含量极高，

第四章回顾：

一、基本概念10组：

1.离子径流：单位时间从上游向下游输送通过特定断面的溶解态无机物总量，是反映河流流域化学侵蚀强度的重要参数。

2.固体径流：单位时间内从上游向下游输送通过特定断面的无机固定总量，包括推移质、跃移质、悬移质中的无机成分以及离子径流。

3.地下径流：指单位时间内，通过特定观测剖面的地下水量。

4.承压水：有特定补给区域而没有自由水面的地下水。

5.潜水：具有自由水面的水。（P83，潜水是分布在第一个隔水层以上的近地表的沉积物空隙、风化带岩石裂隙和碳酸盐岩石的溶洞里的水。）

6.饱和带：指潜水水位线以下的含水地层。

7.非饱和带（包气带）：指潜水水位线以上的湿润地层。

8.酸雨：P92雨水的pH值小于5.6时称为酸雨（雪）。

9.碱性系数：海水中HCO3－、CO32－含量之和与无机离子含量的比值，是海水受径流影响程度及对碱性物质缓冲能力的特征性水化学指标。

10.基流：河流经常保有的最小流量。

二、知识要点5组：

①河水化学、②湖水化学、③地下水化学、④大气降水化学、

⑤海水化学

1.以上各个的水化学特性；

①河水化学的.特性：是交换最为频密、水化学行为最为活跃的自然水体；水化学成分复杂多变；水中气体含量丰富、充沛；水中矿化度往往很低。②湖水化学的特性：交换缓慢，矿化度往往高于同区域河水；水化学成分在水平空间上分布不均匀，在垂直分布上具有明显的分层特性；受生物影响明显；水文因素对水化学等影响明显，湖水矿化度空间差异很大。③地下水化学基本特点：水化学成分差别剧烈；水化学成分稳定；矿化度变化范围很大；水化学类型具有多样性；生物作用对地下水成分影响不大，应分空间来判断是否受到生物的影响。⑤海水化学的特征：矿化度很高且恒定，盐度（海水中所有无机离子总含量）与氯度（海水中氯离子总含量）比稳定；主要离子占总矿化度的98.27％；水化学成分的时空变化不大；气体含量分层现象明显。

2.各自的直接影响因素；

①②③④⑤

3.除海水化学外，各自的间接影响因素（包括气候、水文、地形地貌）；

4.核心反应（不考虑二级反应常数）；

第五—七章回顾

一、基本概念

1.重金属：密度大于铁的金属（化学概念）；包括重金属、轻金属、类金属（环境化学概念）。

2.配位反应：指泛路易斯酸碱理论中的酸碱加和反应，反应中接受电子对的称中心体，提供电子对的离子或分子称配位体。

3.胶体：

4.吸附：

5.形态：所谓形态，指元素在会见中表现出的价态、化合状态、结合状态和结构状态，有可能表现出不同的环境化学行为和生物活性。

6.颗粒态金属元素：结合在固相物质（悬浮物、沉积物、土壤）中的金属元素。必然为结合态。

7.氧化还原反应：失去电子的反应为氧化反应，失去电子的物质为还原剂，得到电子的反应为还原反应，得到电子的物质为氧化剂。

二、知识要点8组

1.配位反应中的中心体：一切具有(m)S2(m-1)d1~10核外电子结构的元素都可作为配位反应的中心体。

2.水环境中水的配位反应：无机配位体的种类，有机配位体的种类与作用。

3.吸附原理：界面过剩量，Gibbs吸附量函数。

P134-143

①

4.水环境中胶体的种类及其对重金属的吸附作用

5.氧化－还原对重金属迁移转化的吸附作用

6.氧化－还原作用

7.重金属的形态

8.重金属在颗粒物上的分配特征

耗氧有机物在水环境中的降解作用

一、概念

1.耗氧有机物：指动植物残体和生活污水及某些工业废水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等易分解的有机物，他们在分解过程中要消耗水中的溶解氧，使水质恶化。这些有机物统称耗氧有机物。（P192）

2.降解：泛指使分子变小，结构变简单，生物毒性降低的作用。

3.酶：是细胞制造和分泌的一种物质，具有蛋白质的性质，是生物体内特有的催化剂。P196

3.辅酶：有一些催化作用是由某种酶单独完成的，但有许多酶不能单独完成某种催化作用，而必须有一些活性物质参加，配合起来进行反应。这类活性物质称为辅酶。

二、耗氧有机物的种类：

纤维、糖类——碳水化合物；脂肪——含N、S有机物；胺基酸——含N、P、S、羧基有机物。

三、有机物的生化降解路径：1.路径：饱和烃←→非饱和烃←→醇←→醛←→多元醇←→酸←→CO2↑H2O

2.有机酸的β-键位氧化