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1、第三章水环境化学Aquatic chemistry 知识点知识点知识点知识点：认识天然水的基本特征和污染物的分布形：认识天然水的基本特征和污染物的分布形：认识天然水的基本特征和污染物的分布形：认识天然水的基本特征和污染物的分布形 态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学态，掌握水中污染物的迁移转化规律，学 会建立水质模型会建立水质模型会建立水质模型会建立水质模型重重重重 点点点点：水中污染物的迁移和转化规律：水中污染物的迁移和转化规律：水中污染物的迁移和转化规律：水中污染物的迁移和转化规律难难难难 点点点点：水质模型的建立：水
2、质模型的建立：水质模型的建立：水质模型的建立地球水资源分布地球水资源分布地球水资源分布地球水资源分布 水水 体体 水量水量/km3 总量总量/%l 海洋海洋 1320000000 97.2l 淡水湖淡水湖 125000 0.009l 盐湖和内海盐湖和内海 104000 0.008l 河流河流 1250 0.0001l 土壤水土壤水 67000 0.005l 地下水地下水 8350000 0.62l 冰川和冰冠冰川和冰冠 29200000 2.15l 大气水大气水 13000 0.001 l 合合 计计 1360000000陆地水 池塘水.湖水 冰盖和雪盖 溪流.河流.冰川狭义水圈 海 大洋 海
3、洋沉积物间隙水海洋 泉水.沼泽水 海湾水圈：Hydrosphere 19781978年年. .R.A.HorneR.A.Horne水循环 Water cycle1.水的自然循环：特点：由降雨量自然循环的大致尺度 水的性质基本不变2.水的社会循环特点：工业与生活污水的产生与排放是主要的污染源 水的性质不断变化水资源的主要问题 我国水资源人均和亩均水量少； 水资源在地区分布上很不均匀，水土资源组合不平衡 水量年内及年际变化大，水旱灾害频繁 水土流失严重，许多河流含沙量大； 我国水资源开发利用各地很不均衡水危机产生的原因The causes of water crisis 1. 1.自然条件的影响自
4、然条件的影响： 淡水在地球上分布不均淡水在地球上分布不均 气候变化的影响气候变化的影响 2.2.城市与工业区集中发展城市与工业区集中发展 世界人口趋向于集中在地球较小部分的城镇和城市： 41.6%人口集中于占0.3的土地面积的城镇 城市及其周围大量建设工业区，集中用水量很大，超过当地水资源的供水能力水体的污染水体的污染 Water pollution 水体水体水体水体的概念：的概念：系指河流、湖泊、沼泽、水库、地系指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川和海洋等下水、冰川和海洋等“ “储水体储水体” ”的总称的总称。 水体不仅包括水，而且也包括水中的悬浮物水体不仅包括水，而且也包括水中的悬浮物水
5、体不仅包括水，而且也包括水中的悬浮物水体不仅包括水，而且也包括水中的悬浮物。水体污染水体污染： 指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量； 从而导致水体的物理特征、化学特征和生物特征发生不良变化； 破坏了水中固有的生态系统； 破坏了水体的功能及其在经济发展和人民生活中的作用l l地球上水的总储量约为地球上水的总储量约为1.381.3810109 9kmkm3 3，海洋占，海洋占97.41%97.41%，覆盖了地球，覆盖了地球表面积的表面积的71%71%，地球因而表现为漂亮的蔚蓝色星球。淡水占总水量，地球因而表现为漂亮的蔚蓝色星球。淡水占总水量的的2.59%2.5
6、9%，而其中大约，而其中大约70%70%以上以固态储存在极地和高山上，只有以上以固态储存在极地和高山上，只有不到不到30%30%的淡水资源存在于地下、湖泊、土壤、河流、大气等之中。的淡水资源存在于地下、湖泊、土壤、河流、大气等之中。水圈的上限算到对流层顶，下限为深层地下水所及的深度。水圈的上限算到对流层顶，下限为深层地下水所及的深度。l l在在自自然然界界中中水水的的积积聚聚体体称称为为水水体体，包包括括河河流流、湖湖泊泊、水水库库、池池塘塘、沼沼泽泽、海海洋洋、冰冰川川、地地下下水水等等。水水体体是是一一个个完完整整的的生生态态系系统统，其其中中包括水、水中的悬浮物、溶解物、底质和水生生物等
7、。包括水、水中的悬浮物、溶解物、底质和水生生物等。l l水水环环境境的的概概念念出出现现于于2020世世纪纪7070年年代代，尚尚有有争争议议。环环境境科科学学大大辞辞典典的的解解释释：“ “水水环环境境是是地地球球上上分分布布的的各各种种水水体体以以及及与与其其密密切切相相连连的的诸诸环境要素如河床、海岸、植被、土壤等环境要素如河床、海岸、植被、土壤等” ”。l l水水环环境境可可根根据据其其范范围围的的大大小小分分为为区区域域水水环环境境（如如流流域域水水环环境境、城城市市水水环环境境等等）、全全球球水水环环境境。对对某某个个特特定定的的地地区区而而言言，该该区区域域内内的的各各种种水水体
8、体如如湖湖泊泊、水水库库、河河流流和和地地下下水水等等是是该该水水环环境境的的重重要要组组成成部部分分，因因此此，水水环环境境又又可可分分为为地地表表水水环环境境和和地地下下水水环环境境。地地表表水水环环境境包包括括河河流流、湖湖泊泊、水水库库、池池塘塘、沼沼泽泽等等；地地下下水水环环境境包包括括泉泉水水、浅浅层层地地下水和深层地下水等。下水和深层地下水等。图 水环境体系（水体）l l水水环环境境化化学学是是研研究究化化学学物物质质在在天天然然水水体体中中的的存存在在形形态态、反反应应机机制制、迁迁移移转转化化和和归归趋趋的的规规律律及及其其化化学学行行为为对对生生态态环环境境的的影影响响。水
9、水环环境境化化学学是是环环境境化化学学的的重重要要组组成成部部分分，为为水水污污染染控控制制和和水水资资源源的的保保护护提供了科学依据。提供了科学依据。l l水环境化学研究的领域包括河口、海洋、河流、湖泊等。水环境化学研究的领域包括河口、海洋、河流、湖泊等。l l研究的特点是：研究的特点是：l l（1 1）体系非常复杂）体系非常复杂 离子、分子、胶体微粒离子、分子、胶体微粒l l（2 2）界界面面现现象象突突出出、重重要要 重重金金属属、有有机机物物附附着着在在胶胶体体微微粒粒面面上，化学、生物等变化也在界面发生上，化学、生物等变化也在界面发生l l水环境化学的发展趋势：水环境化学的发展趋势：
10、l l“ “三微三微” ” 微量、微观、微粒微量、微观、微粒研究对象研究对象l l“ “三模三模” ” 模型、模式、模拟实验模型、模式、模拟实验研究手段研究手段Please pay attention!l l地地球球表表面面71%71%被被海海洋洋所所覆覆盖盖，淡淡水水只只占占2 2. .8%8%。海海洋洋水占地球总水量的水占地球总水量的9797.2%.2%；l l可可供供人人类类使使用用的的淡淡水水资资源源850850万万kmkm3 3。仅仅占占地地球球总总水水量的量的0.64%0.64%；l l中中国国水水资资源源2721027210亿亿m m3 3，世世界界第第六六位位，人人均均占占世世
11、界界人人均水量的均水量的1414；l l分分布布不不均均，占占全全国国土土地地面面积积63.7%63.7%的的北北方方诸诸流流域域，其其水水资资源源仅仅占占全全国国水水资资源源的的20%20%，36.3%36.3%的的南南方方流流域域，水资源却占水资源却占80%80%；l l目前用水量目前用水量47764776亿亿m m3 3年，仅次于美国年，仅次于美国；l l地下水地下水93.2%93.2%被污染；被污染；l l地表水地表水100%100%被污染。被污染。第1节水的特性、环境效应Environmental Effects及结构l l一、水的特性一、水的特性l l二、水分子结构二、水分子结构
12、l l三、水的异常性质三、水的异常性质 l l四、水的常见性质四、水的常见性质二、水分子结构二、水分子结构Molecular structure of waterlH2O：氧氧原原子子受受到到四四个个电电子子对对包包围围，其其中中包包括括两两个个与与氢氢原原子子共共享享，形形成成两两个个共共价价键键的的成成对对电电子子对对和和由由氧原子持有的两个孤对电子对。氧原子持有的两个孤对电子对。lN.V. Sidgwick 与与 H.M.Powell提提出出的的价价层层电电子子对对互互斥斥理理论论：价价层层电电子子对对间间的的斥斥力力大大小小与与价价层层电电子子对对的的类类型有关：型有关：l孤孤对对电电
13、子子间间的的斥斥力力孤孤对对电电子子与与成成键键电电子子对对间间的的斥斥力力 成键电子对间的斥力成键电子对间的斥力l因为存在两对孤对电子对，使因为存在两对孤对电子对，使H2O的构型为的构型为V型。型。 水的特性与它的结构有关，现代结构理论认为，水的特性与它的结构有关，现代结构理论认为，H H2 2OO分子是由分子是由4 4个个sp3sp3杂化轨道杂化轨道形成的四面体结构。氧原子外层的电子分布为形成的四面体结构。氧原子外层的电子分布为2s2sp42s2sp4，在与氢原子成键时由，在与氢原子成键时由于于“微扰微扰”作用，氧原子的作用，氧原子的1 1个个2s2s轨道和轨道和3 3个个2p2p轨道杂化
14、形成轨道杂化形成4 4个不等性个不等性sp3sp3杂杂化轨道。其中有化轨道。其中有2 2个个sp3sp3轨道被未成键的孤对电子占有，所以键角是轨道被未成键的孤对电子占有，所以键角是1041042727，而不是，而不是1091092828。水的许多特性都与这种结构有关。汽态的水分子大都是。水的许多特性都与这种结构有关。汽态的水分子大都是单分子的，间或有二聚体。固态的冰则不同，每个水分子与周围另外单分子的，间或有二聚体。固态的冰则不同，每个水分子与周围另外4 4个水分个水分子以氢键结合，形成四面体结构单元，这使冰呈六方晶体结构，分子之间有子以氢键结合，形成四面体结构单元，这使冰呈六方晶体结构，分子
15、之间有较大的空隙，故密度比水小，只有较大的空隙，故密度比水小，只有0.920.92克克/ /厘米，所以冰能浮在水中。厘米，所以冰能浮在水中。sp3杂化轨道2sp4 lHOH键键角角109.5缩缩减减到到104.5。氢氢原原子子可可以以与与电电负负性性大大、原原子子半半径径小小且且具具有有孤孤对对电电子子对对的的氧氧原原子子形形成成氢氢键键。氢氢键键能能18.81kjmol-1。约约为为OH共共价键的价键的1/20。l在在冰冰、水水或或水水合合晶晶体体中中，H2O分分子子均均可可看看作作按按四四面面体体方方向向分分布布的的电电荷荷体体系系。水水分分子子的的两两个个氢氢原原子子指指向向四四面面体体
16、的的两两个个顶顶点点，显显示示正正电电性性，而而氧氧原原子子上上的的两两对对孤孤对对电电子子指指向向四四面面体体的的另另外外两两个个顶顶点点，显显示示负负电电性性。结结果果使使正正电电性性的的一一端端常常和和负负离离子子或或其其他他分分子子中中的的负负电电性性一一端端结结合合，而而负负电电性性的的一一端端常常和和正正离离子子或或其其他他分分子子中中的的正正电电性性一一端端结结合合。这这就是导致水容易形成氢键的原因。就是导致水容易形成氢键的原因。 三、水的异常性质三、水的异常性质 Abnormal nature 1976.R.A.Horne热热容容量量：所有液体和固体中最高（NH3除外） 能能防
17、防止止大大气气温温度度变变化化过过大大；对对水水体体运运动动的的热热能能传传输输能能力力大大；能能使使体体温温保保持均一。持均一。溶溶解解潜潜热热：液体中最大（NH3除外）。由由于于吸吸收收或或放放出出潜潜热热，故在凝固点有恒温作用，可以调节气候。故在凝固点有恒温作用，可以调节气候。蒸蒸发发潜潜热热：所有物质中最高。对对环环境境中中热热量量的的传传递递和和输输送送起起着着非非常常重重要要的的作作用用，如如植植物物叶叶面面蒸蒸腾腾时时，使使叶叶面面冷冷却却，以以防阳光灼伤组织。防阳光灼伤组织。热热膨膨胀胀：密度最高时的温度随盐度增加下降，在4时体积最小，密度最大。淡淡水水和和稀稀海海水水最最高高
18、密密度度时时对对应应的的温温度度在在凝凝固固点点以以上上，在在控控制制湖湖泊泊中中温温度度分分布布的的垂垂直直循循环环中中起起着着重重要要作用。作用。表表面面张张力力：所有液体中最高（汞除外）。控控制制某某些些表表面面现现象象和和液液滴滴的的形形成成及及行行为为；毛毛细细现现象象和和润润湿湿能能力力强强，对对生生物物细细胞的渗透和活性等均有重要作用。胞的渗透和活性等均有重要作用。溶溶解解能能力力：比其他液体能溶较多物质并有很大的溶解度。在在生生物物细细胞胞活活动动过过程程中中传传递递营营养养物物和和排排泄泄废废弃弃物物，并并给给生生物物反应和化学反应提供反应介质。反应和化学反应提供反应介质。介
19、介电电常常数数：所有液体中最高。对对离离子子化化合合物物的的溶溶解解有有重重大大作作用用，并并能能使使其其发发生生最最大大的的电电离离，便便于于生生化化反反应应和和溶溶解解吸吸收收营养物质。营养物质。电电离离度度：很小。是是真真正正的的中中性性物物质质，并并能能同同时时提提供供微微量量的的H+和和OH-，有利于维持生物体的酸碱平衡。，有利于维持生物体的酸碱平衡。透透明明度度：相当地大。对对红红外外和和紫紫外外的的辐辐射射能能吸吸收收大大，对对可可见见光光的的选选择择吸吸收收比比较较小小，既既是是无无色色的的又又透透明明度度大大，这这种种特特征征性的吸收，能保护浮游生物不受紫外线的伤害。性的吸收
20、，能保护浮游生物不受紫外线的伤害。 热热传传导导：所有液体中最高（汞除外）。在在活活细细胞胞里里小小尺尺度度范范围围内内有有重重要要作作用用，其其分分子子热热传传导导过过程程远远不不如如涡涡动动热热传传导导过过程剧烈。程剧烈。氢氢键键：十分容易形成氢键。只只有有少少数数液液体体具具有有这这种种性性质质，不不仅仅对对物物质质在在水水体体中中的的迁迁移移反反应应影影响响很很大大，而而且且在在生生物物体体许许多生命物质的活性都有赖于氢键的存在。多生命物质的活性都有赖于氢键的存在。偶偶极极矩矩：液体中最大。容容易易形形成成水水化化物物，有有利利于于生生物物体体内内元元素的传递和交换。素的传递和交换。存
21、存在在状状态态：在室温20左右就能顺利进行固、液、气三态转化。便便于于水水在在环环境境中中和和生生物物体体内内的的循循环环和和调调节节温温度度，有有利利于促进细胞的新陈代谢和废物的排泄。于促进细胞的新陈代谢和废物的排泄。四、水的常见性质四、水的常见性质Common propertiesl l纯水：无嗅、无味、无色液体。纯水：无嗅、无味、无色液体。l l含含OO2 2多味甜多味甜l l泥泥质多味涩质多味涩l l矿物盐多则苦咸矿物盐多则苦咸l l标标准准大大气气压压力力下下水水的的沸沸点点100100，蒸蒸发发热热540540卡卡/ /克克，凝固点凝固点0 0。冰在。冰在00时的融化热时的融化热8
22、080卡卡/ /克。克。l l压压力力降降低低到到三三相相关关压压力力之之下下，水水直直接接从从固固态态变变成成气气态，而不经过液态。态，而不经过液态。l l普通水在普通水在44时密度最大，时密度最大，00和和1010时密度相等时密度相等。？l目目前前研研究究得得很很清清楚楚的的还还只只是是气气态态水水和和固固态态冰冰的的结结构构，而而对对液液态态水的结构却了解得很不够。水的结构却了解得很不够。l三种说法：三种说法：1：冰冰溶溶解解为为水水时时，氢氢键键并并没没有有断断裂裂，因因为为水水中中氢氢键键的的键键长长为为0.18nm，比比正正常常的的氧氧原原子子间间的的共共价价键键长长0.096nm
23、要要大大得得多多，容容易易发发生生弯弯曲曲或或扭扭转转，这这时时水水的的结结构构是是连连续续的的和和均均匀匀的的，故故称称连连续模型；续模型；2：把把液液态态水水看看成成是是由由单单分分子子水水和和冰冰的的微微晶晶共共存存的的混混合合体体，称称为为混合模型混合模型；3: 水水分分子子之之间间的的缔缔合合并并非非固固定定不不变变，而而是是存存在在着着瞬瞬时时缔缔合合和和解解缔，其存在寿命约为缔，其存在寿命约为10-10-10-11秒，称为秒，称为瞬时簇团模型瞬时簇团模型。l三三种种说说法法虽虽然然都都可可找找到到一一定定的的证证据据，但但都都不不能能令令人人满满意意，所所以以液态水的结构仍然是一
24、个有待进一步研究的理论课题。液态水的结构仍然是一个有待进一步研究的理论课题。第2节 天然水的基本组成和基本特征 Basic composition and characteristicsl l一、天然水的化学组成一、天然水的化学组成 l l二、水中的金属离子形态二、水中的金属离子形态l l三、气体在水中的溶解性三、气体在水中的溶解性l l四、水生生物四、水生生物l l五、天然水的性质分析五、天然水的性质分析l l六、天然水体的缓冲能力六、天然水体的缓冲能力l l七、天然水的硬度七、天然水的硬度一、天然水的化学组成天然水的化学组成 Chemical composition1.1.天天天天然然然然
25、水水水水：海海洋洋、江江河河、沼沼泽泽、冰冰雪雪等等地地表表水水与与地地下下水的总称。水的总称。2.2.淡水的化学成分淡水的化学成分淡水的化学成分淡水的化学成分l l离子强度较低（一般离子强度较低（一般1010-2-21010-3-3mol/Lmol/L）l lpHpH值的变化范围比较大值的变化范围比较大 7373l l淡淡水水中中的的主主要要离离子子有有NaNa+ +、MgMg2+2+、CaCa2+2+、K K+ +、NONO3-3-、SOSO4 42-2-、 ClCl- -、HCOHCO3 3- -，占占天天然然水水中中离离子子总总量量的的95%95%99%99%。l l河流和湖泊中的悬浮
26、物含量变化大河流和湖泊中的悬浮物含量变化大3.海水的化学成分海水的化学成分l l海水具有较高的离子强度（约0.7mol/L）l l 海中盐浓度的范围变动较大，在3237.5之间。l l海水的pH值变化不大，在7.58.3之间，大多数为7.88.2l l海水中的主要离子有NaNa+ +、MgMg2+2+、CaCa2+2+、K K+ +、NONO3-3-、HCOHCO3 3- -， Sr2+2+、 SOSO4 42-2-、 ClCl- -、 Br- -、F- -Na+ 10.77 g/kg Cl- 19.354 g/kg Mg2+ 1.29 g/kg SO42- 2.712 g/kgCa2+ 0.
27、142 g/kg Br- 0.067 g/kgK+ 0.399 g/kg F- 0.0013 g/kgSr2+ 0.0079 g/kg l l条件：盐浓度35Otto Hutzinger Ed The Handbook of Environmental Chemistry4.4.天然水体的构成及组成物天然水体的构成及组成物天然水体的构成及组成物天然水体的构成及组成物 Structure and compositionStructure and compositionl l表层表层l l中间层中间层l l底层底层l l生物种类生物种类4.4.天然水体的构成及组成天然水体的构成及组成天然水体的构成及组成天然水体的构成及组成物物物物l l表层表层l l中间层中间层l l底层底层l l生物种类生物种类污染物污染物污染物污染物主要部位主要部位主要部位主要部位表层表层表层表层中间层中间层中间层中间层颗粒物和沉积物颗粒物和沉积物颗粒物和沉积物颗粒物和沉积物生物体生物体生物体生物体金属金属金属金属 氮、磷化合物氮、磷化合物氮、磷化合物氮、磷化合物 油、脂肪酸油、脂肪酸油、脂肪酸油、脂肪酸 表面活性剂表面活性剂表面活性剂表面活性剂 农药农药农药农药 卤代烃卤代烃卤代烃卤代烃 酚酚酚酚 单环芳烃单环芳烃单环芳烃单环芳烃 多环芳烃多环芳烃多环芳烃多环芳烃
