水环境化学天然水 (2)精选课件.ppt
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1、关于水环境化学天然水(2)第一页,本课件共有80页2.1 水的分子结构与性质 Characteristics of H2O第二页,本课件共有80页一、水分子的结构一、水分子的结构(两个重要特点)两个重要特点)1、水分子有很强的极性、水分子有很强的极性(1)键角)键角104.5(2)电负性:)电负性:O:3.5;H:2.1(3)水分子的偶极矩很大,)水分子的偶极矩很大,为为1.84D(德拜)德拜)第三页,本课件共有80页偶极矩偶极矩若正电若正电(或负电或负电)中心上的电荷的电量为中心上的电荷的电量为 q,正正负电中心之间的距离为负电中心之间的距离为 d(称偶极矩长称偶极矩长),则偶极则偶极矩为矩
2、为:qd以德拜以德拜(D)为单位为单位,1D=3.33610-30c.m当当 q=1.6210-19库仑库仑(电子所带电量电子所带电量),d=1.010-10时时,4.8DHIHBrHClNH3H2O乙醚乙醚/D0.380.791.031.661.841.15第四页,本课件共有80页2.2.水分子之间有很强的氢键水分子之间有很强的氢键范德华力:通常小于范德华力:通常小于5kJ/mol氢键:氢键:18.8kJ/molH-O键:键:460kJ/mol第五页,本课件共有80页 因为每个水分子在正极一因为每个水分子在正极一方有两个裸露的方有两个裸露的氢核氢核,在,在负极一方有两对负极一方有两对孤对电子
3、孤对电子,每个水分子可以把两个氢核每个水分子可以把两个氢核交出,同时又可以由两对孤交出,同时又可以由两对孤对电子接收氢核。对电子接收氢核。每个水分子每个水分子可以可以同邻近的同邻近的 个水分子形成个水分子形成 个氢键。个氢键。44第六页,本课件共有80页在冰分子的结构中,在冰分子的结构中,氢键的数目达氢键的数目达最高饱最高饱和值和值,使分子排列成为,使分子排列成为六方晶系晶格六方晶系晶格与液体水分子的结构相与液体水分子的结构相比,冰的结构较为疏松,比,冰的结构较为疏松,其密度由其密度由1.0gcm-3降至降至0.92gcm-3。在在4时,水的体积最时,水的体积最小、密度最大。超过小、密度最大。
4、超过或低于此温度时体积或低于此温度时体积都会膨胀都会膨胀第七页,本课件共有80页(7 7)水的同位素组成)水的同位素组成(P16)(P16)自然界中,自然界中,氢有氢有2种稳定同位素,种稳定同位素,H1、H2(称为氘,(称为氘,D)氧有氧有3种稳定同位素,种稳定同位素,O16、O17、O18第八页,本课件共有80页自然界的水实际上是自然界的水实际上是 种水的混合物。种水的混合物。HO16H HO18H HO17H HO16D HO18D HO17DDO16D DO18D DO17D其中,其中,HO16H是常说的普通水分子,含是常说的普通水分子,含量为量为99.745%(摩尔分数),其余为重水摩
5、尔分数),其余为重水9第九页,本课件共有80页我们该喝什么?我们该喝什么?-重水重水 OR OR 轻水?轻水?英研究称喝重水可以延长人10年寿命(图片来自英国每日邮报网站)信息来源:科学网(2008)Superlightwater105500ml,1,250(JPY)=65.25(CNY)第十页,本课件共有80页由不同的同位素组成的分子之间存在相对由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差。这种质量差异所引起的该分子在质量差。这种质量差异所引起的该分子在物理和化学性质上的差异,称为物理和化学性质上的差异,称为同位素效同位素效应应。如:如:D2O的蒸发热、沸点、表面张力、密的蒸发热、沸点、表面张
6、力、密度等都比度等都比H2O高。高。第十一页,本课件共有80页同位素效应同位素效应 同位素分馏同位素分馏同位素分馏同位素分馏是指在一系统中,某元素的是指在一系统中,某元素的同位素以不同的同位素以不同的比值比值分配到两种物质或分配到两种物质或物相中的现象。物相中的现象。第十二页,本课件共有80页一般认为,一般认为,蒸发作用蒸发作用是促成水的同位素分馏的主要是促成水的同位素分馏的主要过程。过程。重水的蒸汽压比普通水的蒸汽压重水的蒸汽压比普通水的蒸汽压略低略低在蒸发区重水的成分稍高。在蒸发区重水的成分稍高。雨水中重水的成分较低,南极的冰是地雨水中重水的成分较低,南极的冰是地球上最轻的水。球上最轻的水
7、。蒸汽压:蒸汽压:一定温度下,液体和它的蒸汽处于平一定温度下,液体和它的蒸汽处于平衡状态时蒸汽所具有的压力称为衡状态时蒸汽所具有的压力称为饱和蒸汽压,简饱和蒸汽压,简称蒸汽压称蒸汽压第十三页,本课件共有80页自然界中哪个元素的同位素分馏最大?自然界中哪个元素的同位素分馏最大?分馏的大小与分馏的大小与同位素相对质量差同位素相对质量差成正比。成正比。H和和D的相对质量差是所有元素的同位素的相对质量差是所有元素的同位素中最大的,因此自然界中中最大的,因此自然界中氢同位素分馏氢同位素分馏也最大也最大,一般比其它元素的同位素分馏大,一般比其它元素的同位素分馏大一个数量级。一个数量级。第十四页,本课件共有
8、80页如,学者在研究北京地区地下热水如,学者在研究北京地区地下热水北京城区东南部北京城区东南部地下热水地下热水氘同位素的浓氘同位素的浓度(度(D)值为)值为-6.33 -7.78城区雨水城区雨水(-6.33 -7.48)河水河水(-6.90 -7.48)浅层地下水浅层地下水(-6.90 -7.48)地下热水地下热水D与城市雨水值非常接近与城市雨水值非常接近北京东南部地下热水由大气降水所补给北京东南部地下热水由大气降水所补给。第十五页,本课件共有80页表达稳定同位素的分馏的参数表达稳定同位素的分馏的参数-值(常用)值(常用)国国际原子能机构于原子能机构于1968年决定采用年决定采用维也也纳标准平
9、准平均海水(均海水(Vienna standard mean ocean water,V-SMOW)为标准,来定准,来定义天然水天然水稳定同位素的定同位素的比率相比率相对于于V-SMOW的的千分差千分差。维也也纳标准平均海水(准平均海水(V-SMOW)是一个假想)是一个假想的的标准,其准,其“绝对”同位素比同位素比值被定被定义为2H/1H=(155.76 0.10)10-618O/16O=(2005.20 0.43)10-617O/16O=(373 15)10-6第十六页,本课件共有80页 O18/O16的千分差:的千分差:D/H的千分差:的千分差:反映待测物质中某元素的两种稳定同位素的比值与
10、一标反映待测物质中某元素的两种稳定同位素的比值与一标准物质中同一元素的两种同位素的比值之间的差异。准物质中同一元素的两种同位素的比值之间的差异。若一个样品的若一个样品的O18值为值为-5.0,即表示该样品的,即表示该样品的n(18O)/n(16O)值较标准样品的比值低值较标准样品的比值低5/1000第十七页,本课件共有80页水的重要性质及其意义水的重要性质及其意义性质作用和重要性优良的溶剂输送营养物质和排泄物,使水介质中的生物学过程成为可能介电常数比任何一种纯液体都高离子型物质具有高溶解性,在溶液里这些物质易电离表面张力比任何其他液体都高(除汞外)生理学上的控制因素,控制水的滴落和表面现象能透
11、过可见光和紫外光的长波部分无色,使光合作用要求的光能达到水体相当的深度在4时液体密度最大冰浮于水,使垂直循环只在限定的分层水体里进行汽化热比任何其他物质都高决定大气和水体之间热和水分子的转移熔化热比任何其他液体(除氨外)都高冰点时温度稳定比热容比任何其他液体(除氨外)都高对生物的体温和地理区域的气温起稳定作用第十八页,本课件共有80页propertyEffects and SignificanceExcellent solventTransport of nutrients and waste products,making biological processes possible in a
12、n aqueous mediumHighest dielectric constant of any common liquidHigh solubility of ionic substances and their ionization in solutionHigher surface tension than any other liquidControlling factor in physiology,governs drop and surface phenomenaTransparent to visible and longer-wavelength fraction of
13、ultraviolet lightColorless,allowing light required for photosynthesis to reach considerable depths in bodies of waterMaximum density as a liquid at 4 CIce floats,vertical circulation restricted in stratified bodies of waterHigher heat of evaporation than any other materialDetermines transfer of heat
14、 and water molecules between the atmosphere and bodies of waterHigher latent heat of fusion than any other liquid except ammoniaTemperature stabilized at the freezing point of WaterHigher heat capacity than any other liquid except ammoniaStabilization of temperatures of organisms and geographical re
15、gion第十九页,本课件共有80页三、水的化学性质三、水的化学性质1)水的化学稳定性)水的化学稳定性在常温、常压下水是化学稳定的,即水很难分解成在常温、常压下水是化学稳定的,即水很难分解成H2和和O2。2)水合作用)水合作用水分子的强极性使它能与带电荷的离子和分子发生相互结水分子的强极性使它能与带电荷的离子和分子发生相互结合的作用。合的作用。如天然水中的镁以如天然水中的镁以Mg(H2O)62+的形式存在。的形式存在。3)水的电离)水的电离水是一种弱电解质,部分水分子可离解为水是一种弱电解质,部分水分子可离解为H+和和OH-25和和1个大气压的条件下,水的离解常数个大气压的条件下,水的离解常数K
16、w=10-14。第二十页,本课件共有80页4)水解)水解水与弱酸阴离子或弱基阳离子反应,造成水溶液水与弱酸阴离子或弱基阳离子反应,造成水溶液中中OH-过剩或过剩或H+过剩的反应,称为水解反应。过剩的反应,称为水解反应。水解作用在地质和地球化学过程中十分重要水解作用在地质和地球化学过程中十分重要:(1)增加盐类的溶解度;)增加盐类的溶解度;(2)造成)造成pH缓冲机制;缓冲机制;(3)很多地质过程,如某些成岩作用、成矿作)很多地质过程,如某些成岩作用、成矿作用和风化作用,其实质实际上是一种水解过程。用和风化作用,其实质实际上是一种水解过程。第二十一页,本课件共有80页2.2 天然水的组成、形成和
17、分类第二十二页,本课件共有80页一、天然水的组成一、天然水的组成第二十三页,本课件共有80页主要离子主要离子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+是天然水中含量最多的是天然水中含量最多的8种离种离子。它们的含量占天然水中离子总量的子。它们的含量占天然水中离子总量的95-99%硬度硬度酸酸碱金属碱金属阳离子阳离子Ca2+、Mg2+H+Na+、K+碱度酸根阴离子HCO3-、CO32-、OH-SO42-、NO3-、Cl-第二十四页,本课件共有80页TDS=Cl-+SO42-+HCO3-+Na+K+Ca2+Mg2+水的水的总溶解性固体总溶解性固体含量含量(TDSTD
18、S,total dissolved solidstotal dissolved solids)根据世界主要河流河水的元素组成,迄今对根据世界主要河流河水的元素组成,迄今对全球河水的平均化学组成已有数次估计。最全球河水的平均化学组成已有数次估计。最新的估计是,全球河水总溶解盐(新的估计是,全球河水总溶解盐(TDS)的)的中位数为中位数为127.6mg/L,流量加权平均为,流量加权平均为93.8mg/L;其中;其中Ca2+为主要阳离子,为主要阳离子,HCO3-为主要阴离子。为主要阴离子。第二十五页,本课件共有80页Cl-+2SO42-+HCO3-=Na+K+2Ca2+2Mg2+由于水中的阳离子的由
19、于水中的阳离子的总当量数等于阴离子当量数等于阴离子总当当量数,所以各种离子若以量数,所以各种离子若以mmol L-1计算算时,则应有:有:第二十六页,本课件共有80页阳离子电荷数:0.072+2.98+2.38+1.54=6.972阴离子电荷数:3.78+2.45+0.9=7.13合理例:某水系水质分析结果如下:离子含量例:某水系水质分析结果如下:离子含量(mmol/L)K+Na+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-SO42-0.072 2.98 1.19 0.77 3.78 2.45 0.45请说明该水系水质分析结果的合理性。请说明该水系水质分析结果的合理性。第二十七页,本课件共有80页海水长江
20、宜昌站(1984年年均值)将将K+Na+换算为以换算为以mg/L作单位时一般采用作单位时一般采用平均摩尔质量平均摩尔质量25g/mol。第二十八页,本课件共有80页(1)重碳酸根()重碳酸根(HCO3-)、碳酸根()、碳酸根(CO32-)HCO3-是天然是天然淡水淡水中所含的主要无机阴中所含的主要无机阴离子。离子。来源:碳酸盐矿物与含有来源:碳酸盐矿物与含有CO2的水作用而的水作用而形成的形成的缓冲能力、天然水的缓冲能力、天然水的pH调节、总碱度、调节、总碱度、水的肥力水的肥力第二十九页,本课件共有80页(2 2)氯()氯(ClCl-)来源:来源:各种岩石中氯化物的溶解各种岩石中氯化物的溶解在
21、天然水中分布广泛在天然水中分布广泛含量差别大含量差别大第三十页,本课件共有80页(3)硫酸根()硫酸根(SO42-)SO42-来源:来源:石膏(石膏(CaSO42H2O)的沉积岩)的沉积岩金属硫化物被氧化成金属硫化物被氧化成SO42-;SO2,S,H2S被氧化为被氧化为SO42-;含硫动植物残骸的分解含硫动植物残骸的分解第三十一页,本课件共有80页天然水天然水SOSO4 42-2-含量含量各类硫酸盐的溶解度各类硫酸盐的溶解度天然水中若有天然水中若有Ca2+存在时,则将使存在时,则将使SO42-含量减少含量减少但是当天然水中有但是当天然水中有NaCl存在时,可使得存在时,可使得CaSO4溶解度溶
22、解度增大,这是由于增大,这是由于盐效应盐效应的影响。的影响。第三十二页,本课件共有80页天然水天然水SOSO4 42-2-含量含量环境的氧化还原条件环境的氧化还原条件还原条件下,还原条件下,SO42-被硫酸盐还原菌还原为被硫酸盐还原菌还原为S和和H2S第三十三页,本课件共有80页(4)钙()钙(Ca2+)、镁()、镁(Mg2+)钙来源:钙来源:含石膏地层中含石膏地层中CaSO42H2O白云石白云石CaCO3MgCO3方解石方解石CaCO3(水中水中CO2作用作用下的溶解等)下的溶解等)钙含量差别很大钙含量差别很大镁来源镁来源白云岩、泥灰岩等风化产物的溶解白云岩、泥灰岩等风化产物的溶解第三十四页
23、,本课件共有80页天然水中天然水中Ca2+与与Mg2+的含量的比例关系有一个大致规律:的含量的比例关系有一个大致规律:TDS500mg/L,Ca2+:Mg2+(摩尔比值)(摩尔比值)4:12:1TDS1000mg/L,Ca2+:Mg2+2:11:1TDS继续增大,继续增大,Mg2+Ca2+很多倍很多倍咸水中,咸水中,Mg2+超过超过Ca2+第三十五页,本课件共有80页水的硬度(水的硬度(P19 表表2-4)天然水的硬度:天然水的硬度:Ca2+、Mg2+1G(德国度):(德国度):1L水中含有相当于水中含有相当于l0mg的的CaO,其硬度即为,其硬度即为1个德国度个德国度极软水极软水04软水48
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