第二章水化学成分组成课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 天然水的化学特征,1、大气降水的成分特征,2、海水的成分特征,3、河水的成分特征,4、湖泊与水库水的成分特征,5、地下水的成分特征,第一节 天然水的化学特征1、大气降水的成分特征,1,第二节 元素的水化学特征,一、硅、铝、铁、锰,硅、铝，铁，锰在地壳中属于丰度较高的元素，其重量百分数分别为：Si，28.15，Al，8.23，Fe，4.65，Mn，0.10，但它们在水中的含量并不高，一般属于中量元素。,(一)硅,1、水中元素的来源与水化学作用,SiO,2,广泛存在于地壳上的各种岩石和矿物里，它们是石英、铝硅酸盐、粘土矿物等。,一般环境条件下，石英的溶解进行得十分缓慢。石英在水中的溶解按下式进行：,第二节 元素的水化学特征一、硅、铝、铁、锰,2,据Morey等人(1962)资料，SiO,2,溶解度，在25,时为6.0mg/L，在84时为26mg/L。Fournier和Rowe(1962)获得方石英的溶解度，在25时，27mg/L和84 时为94mg/L。Morey等人获得无定形硅的溶解度为25时115mg/L。,据Morey等人(1962)资料，SiO2溶解,3,硅酸盐和铝硅酸盐的不全等溶解均可使水中出现H,4,SiO,4,。,硅酸盐和铝硅酸盐的不全等溶解均可使水中出现H4SiO4。,4,第二章水化学成分组成课件,5,从上可知，不论是石英或铝硅酸盐的不全等溶解，水中溶解的SiO,2,几乎全部以正硅酸H,4,SiO,4,形式存在。它在水中解离方程为：,从上可知，不论是石英或铝硅酸盐的不全等溶解，水中溶解的SiO,6,2、Si在水中的存在形态与控制因素,在天然水中(pH=6,9)占优势的是H,4,SiO,4,。在碱性条件下(pH增高到9.0,9.5时)，由于单链节和多链节硅酸盐的形成，SiO,2,的溶解度有所增加。几乎所有天然水环境下，H,2,SiO,4,2-,是次要的。,天然水中可溶性SiO,2,含量一般不超过100mg/L。通常为10,30mg/L，平均值为17mg/L。,2、Si在水中的存在形态与控制因素,7,(二)铝,1、水中铝的来源与水化学作用,铝在地壳中所占重量百分数为8.23，仅次于氧和硅，占第三位。,铝硅酸盐的不全等溶解的主要产物是高岭石。高岭石在酸性条件下可溶出AI,3+,：,高岭石强烈风化可形成三水铝石(Al,2,O,3,H,2,O),(二)铝高岭石强烈风化可形成三水铝石(Al2O3H2O),8,Al,2,O,3,在水中溶解度受pH值控制。它溶于强酸性溶液中，pH=4.1,10时它几乎不溶，而此时SiO,2,却有部分溶解(见图2.4)。所以，pH=4,5时，Al,2,O,3,/SiO,2,=1：2，此时有利于高岭石族矿物形成，当pH=8,9时，Al,2,O,3,/SiO,2,=1：4，则有利于胶岭石族矿物形成。,Al2O3在水中溶解度受pH值控制。它溶于强酸性,9,2、铝在水中的存在形态与控制因素,铝在水的存在形式受pH控制，在强酸性水中(pH14时则形成Fe(OH),4,2-,。它们的部分反应式如下:,所以，天然水中铁可以有许多形式，如Fe,3+,、Fe,2+,、Fe(OH),+,、Fe(OH),2,+,、Fe(OH),3,0,、Fe(OH),2,0,、HFeO,2,-,、FeCO,3,0,、FeS,2,0,，FeS,0,，FeSO,4,0,，Fe,2,(OH),2,4+,。,2、铁在水中的存在形态与控制因素 所,13,此外，从FeH,2,OCO,2,系统稳定场内可见，在氧化带内，Fe,3+,的活度没有达到Fe(OH),3,的溶度积时，铁的可能最大稳定形式是Fe(OH),3,0,，在pH5时，Fe(OH),2+,及Fe(OH),2,+,占优势。在还原环境内，pH8时才会出现,FeCO,3,沉淀，之后是Fe(OH),2,0,占优势。而一般水中Fe(OH),4,-,及HFeO,3,-,是不存在的。,此外，从FeH2OCO2系统稳定场内可见,14,第二章水化学成分组成课件,15,(四)锰,1、水中锰的来源,在自然界中，锰可以呈分散状态或形成有用矿物。含锰矿物有蔷薇辉石(MnSiO,3,)，锰橄榄石(Mn,2,SiO,4,)、菱锰矿(MnCO,3,)，软锰矿(MnO,2,)、黑锰矿(Mn,3,O,4,)、硫锰矿(MnS)、方锰矿(MnO)及氢氧化物沉淀Mn(OH),3,，Mn(OH),2,等。,2、锰在水中的存在形态与控制因素,锰的氧化态很多，有2、3、4、6、7价。主要氧化态为Mn,2+,。二价锰的特性与Fe,2+,近似。锰在自然界中的性状受Eh-pH控制。在天然水稳定场系统简单水溶液中，锰的存在形,式有：Mn,2+,、MnO,2,、MnOOH、Mn,3,O,4,、MnCO,3,、Mn(OH),2,、Mn(OH),3,-,、MnS。,在简单的水溶液中，Mn,2+,在pH=8时开始水解并形成MnOH,3+,，高浓度时聚合成Mn,2,OH,3+,、Mn,2,(OH),3,+,。Mn,3+,不稳定但可形成某些络合物。当pH大于13.5时，Mn,4+,可以MnO,4,2-,形式存在，而在酸性介质中呈其它价态。七价锰MnO,4,-,在各种pH值的溶液中均,十分稳定,，但在强酸中易分解。,(四)锰,16,二价锰在氧化条件的水中可形成软锰矿(MnO,2,)及黑锰矿(Mn,3,O,4,)。黑锰矿在酸性条件可形成Mn,2+,及MnO,2,。反应式如下：,二价锰在氧化条件的水中可形成软锰矿(MnO2),17,Mn的较高含量是在,酸性,水中，它们可以在不同pH值，不同矿化度、不同的水化学类型中出现。,Mn的较高含量是在酸性水中，它们可以在不同pH值，不同矿化度,18,二、宏量元素,(一)钙、镁、钠、钾,1、水中钙、镁、钠、钾来源与化学作用,钙、镁、钠、钾,广泛分布于地壳中，主要存在于硅酸盐，碳酸盐及易溶盐类地层。,二、宏量元素1、水中钙、镁、钠、钾来源与化学作用,19,第二章水化学成分组成课件,20,这些岩石矿物溶解于水中的量取决于其溶解度及水解作用程度。,2、水中存在形态与控制因素,Ca,2+,，Mg,2+,在水中行为受CO,2,影响极大，碳酸平衡控制了它们的溶解，沉淀或过饱和状态。它们在水中的简单络合离子形式为：Ca,2+,、CaHCO,3,+,、CaSO,4,0,、CaCO,3,0,、,CaCl,+,、CaOH,+,，Mg,2+,、MgHCO,3,+,、MgSO,4,0,、MgCO,3,0,、,MgCl,+,、MgOH,+,、MgF,+,、MgCl,2,0,。,以含钙为主的天然水的矿化度一般小于1g/L。Ca,2+,积极参与生物地球化学作用，含钙的有机质可很快转化为矿物质而存在于土壤中。镁盐在水中的溶解度比钙盐大，但Mg,2+,易,被植物吸收，故在天然水中的含量小于Ca,2+,。在矿化水中Mg,2+,可高达几g/L到kg/L。,这些岩石矿物溶解于水中的量取决于其溶解度及水解,21,钠、钾在水中含量主要受溶解度控制。它们的离子电位低，在水中大多呈水合离子形式。在简单水溶液中有下列络合离子形式：Na,+,，NaSO,4,-,，NaCl,0,，Na,2,CO,3,。,NaHCO,3,0,，,NaOH,0,NaCO,3,-,，K,+,，KCl,0,，KOH,0,，KS0,4,-,。,Na,+,及Cl,-,为高矿化水中的主要成分，钠在地壳中占2.36，而在海水中，Na,+,占总含盐量30左右；钾在地壳中含量与钠类似，为2.09，但在天然水中K,+,Na,+,，只有Na,+,含量的4,10，这是因为K,+,为营养元素易被植物吸收，但K,+,在海水中含量增高，可达390mg/L。,钠、钾在水中含量主要受溶解度控制。它们的离子,22,(二)碳,1、水中的来源与特征,碳主要来源于石灰岩，白云岩，泥灰岩等，其溶解度小，故在水中绝对含量低，但含量的变化范围小。自然界中也广泛存在着有机碳成分，它们积极参与生物化学作用及碳的循环。,2、存在形态与控制因素,由于碳的离子电位高，在水中易形成酸性络阴离子及络阴离子。,碳是水的主要化学成分，受pH值影响很大。,在天然水中，当pH8时，则主要以CO,3,2-,形态出现。,水中溶解的CO,2,气体，在水化学环境中起重要作用，它控制了水的酸碱性，直接影响水中许多化学平衡，碳酸盐体系在研究大气圈、水圈、岩石圈的演变史上有特别重要的意义。,(二)碳 在天然水中，当pH53.54，NO,3,-,占优势，pENO,3,-,Fe,3+,SO,4,2-,CO,2,。从还原环境进入氧化环境的水，水中还原组分被氧化的次序为CH,2,OHS,-,及H,2,SFe,2+,FeCO,3,NH,4,+,。,所以当水中还存在较多CH,2,O时，该水中有可能同时存在Fe,2+,及NH,4,+,等组分。当水中SO,4,2-,=0或很少时，说明脱硫还原作用强烈，此时水中溶解氧、NO,3,-,和Fe,3+,则已大部被还原。,(二)磷,1、来源,磷在地壳中平均浓度为0.1，占第十位。磷是所有生命系统中不可缺少而又不可取代的元素。水中无机磷主要来源于含磷矿物的风化。,陨石含磷100Gt，海洋中磷酸盐结核300Gt。磷和钙形成的矿物有磷酸二氢钙Ca(H,2,PO,4,),2,H,2,O，磷酸氢钙CaHPO,4,H,2,O、磷酸钙Ca,3,(PO,4,),2,，羟基磷灰石Ca,5,(PO,4,),3,OH，氟磷灰石Ca,5,(PO,4,),3,F。,按照上述原则，当氧化环境的水进入富有机质的还原,31,2、存在形态与控制因素,水中磷的存在形式有四种，即H,3,PO,4,(aq)、H,2,PO,4,-,、HPO,4,2-,和PO,4,3-,。水中磷的存在形式严格地受pH的控制，在强酸性水(pH10)中，才出现PO,4,3-,，当pH值为7.21时，H,2,PO,4,-,和HPO,4,2-,各占一半。所以说，水中以H,2,PO,4,-,和HPO,4,2-,两种形式为主。水中的磷的溶解度主要受共沉淀、铁锰氢氧化物及生物体摄取的控制，所以水中浓度低，一般为0.1,0.01mgL。,全世界河流每年输送约17Mt磷酸盐进入海洋，其中一半来源于自然过程，一半是人为活动造成的。其中,3Mt为可溶性磷酸盐型式，其余14Mt为磷酸盐与沉积颗粒物的混合物。,2、存在形态与控制因素,32,通过用,32,PO,4,3-,加入水体的实验表明，生物对它吸收十分迅速，一分钟内50的磷酸盐被细菌及水藻吸收，三分钟内80的磷酸盐被吸收，而每天有1,2的磷酸盐从水相进入沉积相。水藻同陆地植物一样可以吸收比它们实际需要量多的磷酸盐。藻类不但可迅速吸收也可迅速释放，在藻类死亡的数小时内，磷酸盐重新释放到水中，一天之内，细胞内90的磷酸盐可被释放出来，可以是有机的和无机的磷酸盐。沉积层表面的磷酸盐也可以各种方式返回水中。,通过用32PO43-加入水体的实验表明，生物,33,上面阐述了一些元素的水化学特性，这些元素在水中是主要的或重要的成分。除此以外，水中还有许多次要的或微量的元素，诸如F、Br，I、Li、Rb、Ce，As、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Cr、Sr等，其中像F、As、Cr、Pb，Cd、Hg等属于水污染的重要组分，希望大家在课后认真阅读第五章的内容或有关水污染方面的书籍。,上面阐述了一些元素的水化学特性，这些元素在水中,34,