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1、第6章 天然水的组成及其重要污染物* *1 1n了解天然水中重要污染物的来源及其性质n熟悉天然水中主要离子的来源及其性质n重点掌握天然水中碳酸平衡以及碱度的概 念和运算2 2n海洋和陆地上的液态、固态和气态水构成一个大 体连续的圈层覆盖在地球表面，称水圈。n海洋、河流、湖泊、水库、积雪、冰川、冰盖、 地下水。n地球表面70%被水覆盖，但其中97.3%海水， 2.14%冰川，0.61%地下水。n地球水循环。n水的重要作用与水资源短缺。6.1 地球上水的分布3 36.2 天然水的组成6.2.1 天然水中的主要离子成分n阳离子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+n阴离子：SO42、Cl、HCO3、CO
2、32n八大离子，占总离子的9599%。n离子在天然水中积累的过程称为天然水的矿化 过程。n水中离子的总量称为矿化度。4 4一、天然水中主要离子成分的形成过程1、 水对土壤和岩石中盐类的溶解溶解 风化风化：岩石矿物在进入地表后，在新的 物理和化学条件下，被破坏和分解的过程；包 括物理风化和化学风化。物理风化：指岩石和矿物解体的过程（ 简单的机械破碎的过程，为水和空气的渗入创 造了条件）。化学风化：指由化学因素和反应引起的 风化（使岩石和矿物的化学组成发生改变，也 促进岩石和矿物中的元素释放进入天然水）， 一般来说有三种形式：水合作用、氧化还原作 用和水解反应。5 5(1)、水合作用指水分子进入到
3、矿物的晶格中，形成水合物的过程。Fe2O3 (赤铁矿) + nH2O Fe2O3nH2O (水赤铁矿)Mn2O3 (褐锰矿) + H2O Mn2O3H2O( 水锰矿)CaSO4 (生石膏) + 2H2O CaSO42H2O (石膏)(2)、氧化还原作用 2FeS2 + 7O2 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO46FeSO4 + 3H2O + O2 2Fe2(SO4)3 + 2Fe(OH)3有机C + O2 CO2 + H2O H2CO3 HCO3- CO32-6 6CaSO4 + 2C(有机物) + 细菌 CaS + 2CO2 2CaS + 2H2O Ca(OH)2 + Ca(SH)
4、2Ca(OH)2 + Ca(SH)2 + 2CO2 2CaCO3 + 2H2S2Fe2O33H2O + C 4FeO + CO2 + 3H2OFeO + CO2 FeCO3 FeO + H2S FeS + H2O(3)、水解作用重要的风化作用，硅酸盐和硅铝酸盐常 发生，如： K2Al2Si6O16 (正长石) + CO2 + H2O KHAl2Si6O16 (绢云石) + KHCO37 7KHAl2Si6O16 + CO2 + H2O H2Al2Si6O16 (长石酸) + KHCO3在水和CO2的作用下，正长石中的K+被 H+所置换，正长石由中性盐转换成酸性盐/酸， 置换出的K+与CO32-
5、结合形成碳酸盐。综上，岩石和矿物通过水合作用、氧化还原 或水解作用，使原有晶格被破坏，形成相对简单的 产物，包括易溶的硫酸盐和碳酸盐等 溶解。8 82、天然水中盐类之间的化学反应溶于水的盐类间也可相互反应，使天 然水组成发生改变，主要包括： (1)、碱金属硅酸盐与其它盐类的反应Na2SiO3 + Ca(HCO3)2 CaSiO3 + 2NaHCO3Na2SiO3 + MgSO4 MgSiO3 + Na2SO4Na2SiO3 + CO2 + nH2O Na2CO3 + SiO2.nH2O (2)、碱金属碳酸盐与其它盐类的反应Na2CO3 + CaSO4 CaCO3 + Na2SO4Na2CO3
6、+ MgCl2 MgCO3 + 2NaCl9 9(3)、镁盐与其它盐类的反应MgSO4 + 2CaCO3 MgCO3CaCO3 (白云石) + CaSO4MgCl2 + 2CaCO3 MgCO3CaCO3 + CaCl23、水中阳离子与岩石、土壤中阳离子的交换反应l 矿化度较低时Na2SiO3 + 胶体-Ca2+ CaSiO3 + 2 胶体-Na+2NaHCO3 + 胶体-Ca2+ Ca(HCO3)2 + 2 胶体-Na+使SiO32-减少， Ca(HCO3)2增 加。l 矿化度较高时，水中钙盐增多CaSO4 + 2胶体-Na+ Na2SO4 + 胶体-Ca2+ CaSO4 + 胶体-Mg2+
7、 MgSO4 + 胶体-Ca2+CaCl2 + 胶体-Mg2+ MgCl2 + 胶体-Ca2+1010l矿化度更高时，镁盐增多MgCl2 + 2 胶体-Na+ 2NaCl + 胶体-Mg2+MgSO4 + 2 胶体-Na+ Na2SO4 + 胶体-Mg2+l矿化度很高时， Na+含量很高2 NaCl + 胶体-Ca2+ CaCl2 + 2 胶体-Na+2 NaCl + 胶体-Mg2+ MgCl2 + 2 胶体-Na+Na2SO4 + 胶体-Ca2+ CaSO4 + 2 胶体-Na+Na2SO4 + 胶体-Mg2+ MgSO4 + 2 胶体-Na+使水中除Na外，Ca和Mg大量积累（天然卤水）。
8、1111二、天然水中主要离子成分的来源与特征1、Ca2+和Mg2+(1)、 Ca2+主要阳离子，广泛存在，如：CaCO3 (方解石)、 CaF2 (萤石)、CaSO42H2O (石膏)、CaAl2Si2O8 ( 钙长石)等。CaAl2Si2O8 + H2O + H+ Al2Si2O5(OH)4 + Ca2+CaCO3(s) + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3-1212(2)、 Mg2+水中： Mg2+离子；矿石中：硅酸盐、碳酸盐等。5Mg2SiO4 (镁橄榄石) + 8H+ + 2H2O Mg6(OH)8Si4O10 (蛇纹石) + 4Mg2+ + H4SiO4CaMg(CO3)
9、2 (白云石) + 2CO2 + 2H2O Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3-(3)、 水的硬度天然水按所含阳离子的种类和数量可分为硬水和 软水。硬水指含较多Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、 Fe3+、Al3+和Sr2+等的天然水，这种水易生成难溶 盐。其中最主要是Ca2+和Mg2+，其它离子很少， 因此一般常以钙和镁的含量来计算硬度。1313水中钙、镁离子的总量称为水的总硬度。按照阳离子类型可分为钙硬度和镁硬度。根据化合物类型可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬 度，碳酸盐硬度指水中钙和镁的碳酸盐和重碳酸 盐的含量。由于水煮沸后会有碳酸盐沉淀析出从 而使得碳酸盐硬度降低，因此也称暂时硬
10、度。一 般来说，钙和镁的硫酸盐和氯化物的含量称为非 碳酸盐硬度，也称永久硬度。 硬水不适合做锅炉用水（暂时硬度，加热沉淀） ，不适合使用肥皂（表面活性剂沉淀）硬水 的软化。14142、Na+和K+Na+普遍存在，含量较高（易溶，含钠矿石溶解）K+比Na+含量低：u地壳中K的丰度比Na低；u含K矿物抗风化能力强；uK作为营养元素离开水体进入植物体内；uK+易被水体中的矿物微粒吸附（半径更大）。3、HCO3-和CO32-HCO3-和CO32-是天然水特别是淡水的主要离子成分， CO2在大气与水界面的平衡在水中形成复杂的二氧化 碳碳酸平衡体系，控制水的pH值，是天然水化学 的重要研究内容之一。151
11、54、SO42-和Cl-(1)、SO42-u广泛存在。u来自硫酸盐矿物（如石膏）的溶解，及硫化物的氧 化（地下水）。2FeS2(黄铁矿) +7O2+ 2H2O 2FeSO4+ 2H2SO4u在还原条件下不稳定。(2)、Cl-u广泛存在，含量变化较大，淡水中含量低；u来自氯化物的溶解；u化学行为相对简单（对金属离子的配合作用）。16165、铁与锰(1)、铁u常见成分；u价态（II与III）与形态（离子、胶体）；u氧化还原反应（地下水的氧化与变色）。(2)、锰u性质与铁相近，但在天然水中含量比铁低得多（在 地壳中的丰度相对较低）；u常以二价形式存在，氧化反应比铁困难且缓慢；u铁、锰氧化物与水合铁、
12、锰氧化物。17176.2.2 天然水中溶解的气体 n种类多n含量相对较低 n对水环境和水生生物意义重大（O2、CO2等）一、水中溶解的氧气主要来源：空气中O2 的溶解，服从亨利定律。其他来源：光合作用。HO = =1.2610-8 molL-1 Pa-12 2p pOOOO2 2( (aqaq) )2 21818求25 、 1.01105 Pa条件下，O2在水中的溶解度。已 知该条件下pH2O= 3.17103 Pa。O2 =HO2pO2= 1.2610-8(1.01105 - 3.17103)20.95%= 2.610-4 mol/L= 8.32 mg/L1919氧在水中的溶解度受温度强烈影
13、响非常，这种影响 可用Clausius-Clapeyron方程描述：C1 、C2：O2在绝对温度为T1 和T2时在水中的溶解度；H：溶解热；R ：气体常数。11303.2lgT2T1RH C1C2 = ( - ) = ( - ) 2020溶解氧（DO）是水质的重要参数之一，指氧在某水体中的实际浓度，其数值大小除与溶解度有关外，还 与水体的曝气作用、光合作用、呼吸作用以及水中有 机污染物的氧化作用等因素有关。由于各种环境因素影响，水中DO的含量变化很大，即使一天之内也变化显著。主要影响因素有：复氧作用、光合作用、呼吸作用和其他氧化作用。2121二、水中的CO2与水的碱度来源：l 大气中的CO2溶
14、解；l 水中有机物的耗氧分解；l 土壤（土壤中有机物分解和生物呼吸使土壤空气中含 大量CO2，当水流经土壤时会将其带入水中）。1、水中CO2的存在形式（CO2-HCO3- -CO32-平衡）H2O + CO2(aq) H2CO3 说明水中H2CO3含量比CO2低很多，故以 CO2代表溶解CO2分子和未离解的H2CO3分子总和 （H2CO3*）。COCO2 2(aq)(aq)HH2 2COCO3 3 K = = 210K = = 210-3 -3 K1 有CO 1，HCO 0，CO 0此时体系中碳主要以CO2形式存 在。- -3 32 22-2-3 3npH = pK1时，则H+ = K1 有C
15、O 1/2， HCO 1/2，CO 0第一步电离开始一半，第二步电离尚未开始。- -3 32 22-2-3 3npH = 1/2(pK1+ pK2)时，则H+ = K1K2 有CO 0，HCO 1，CO 0第一步电离刚好结束，第二步电离未开始。2 2- -3 32-2-3 32626npHpK2时，则H+CO32-，OH-=10-7碱度主要由HCO3-提供HCO3- =1.0103 mol/L HCOHCO3 3- - HH+ +COCO3 32-2- 由由 K K2 2= = 4.6910 = = 4.6910-11-11，得，得COCO3 32-2- = 4.6710 = 4.6710-7-7 mol/L mol/LCOCO2 2 HH+ +HCOHCO3 3- - 由由 K K1
