3.1水分子结构 天然水基本特征(1)

例子：氧在水中的溶解度与水的温度、氧在水中的分压及水中含盐量有 关。氧在1.0130×105Pa、25℃（标准状态）饱和水中的溶解度，可按 下面步骤计算。 水 在 25℃ 时 的 蒸 汽 压 为 0.03167×105Pa ， 由 于 干 空 气 中 氧 的 含 量 为 20.95% ， 所 以 氧 的 分 压 为 ： =(1.0130-
2
OC
CO2·2O HCO3 H
-+H+
一级电离
K1
[H

][ HCO
2
3
]
[ CO
H 2O ]
2 3 3
=4.45×10-7molL-1
=4.68×10-11molL-1
HCO3- CO32-+H+ 二级电离
K
2

[H

][ CO
]
[ HCO
]
由于k2特别小，所以只考虑前面两个方程，可得： [H+]=[HCO3-] [H+]2/[CO2]= K1=4.45×10-7 [H+]=(1.028×10-5×4.45×10-7)1/2=2.14×10-6mol/L pH=5.67（酸雨判别标准的由来） 故CO2在水中的溶解度为[CO2]+[HCO3-]=1.24×10-5mol/L。
假如存在固体Fe(OH)3(s)，则Fe(OH)3(s)+3H+= Fe3++3H2O
[Fe3+]/[H+]3=9.1×103
在pH=7时：[Fe3+]=9.1×103×（1.0×10-7）3=9.1×10-18mol/L
将这个数值代入上面的方程式中，即可得出其他各形态的浓度：
[Fe(OH)2+]=8.1×10-14 mol/L [Fe(OH)2+]=4.5×10-10 mol/L [Fe2(OH)24+]=1.02×10-23mol/L 虽然这种处理是简单化了，但很明显，在近于中性的天然水溶液中，水 合铁离子的浓度可以忽略不计。 （3）天然水中溶解的重要气体 天然水中溶解的气体有氧气、二氧化碳、氮气、甲烷、氮气等
经常，近似地天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水
的总含盐量（TDS）: TDS≈[ Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ ]+[ HCO3- + SO42- + Cl- ]
(2)天然水中溶解的金属离子
水溶液中金属离子的表示式常写成Mn+,预示着是简单的水合
金属阳离子M(H2O)xn+。 它可通过化学反应达到最稳定的状态. 酸-碱，沉淀、配合及氧化-还原等反应是他们在水中达到最 稳定状态的过程。
14.74mg/L降低到7.03mg/L，由此可见，与其他溶质相比，溶解氧的
水平是不高的，一旦发生氧的消耗反应，这溶解氧的水平可以很快的
降至零。 另外，常压下，饱和溶解氧是温度的函数： （t,摄氏温度）
Cs 468 31 . 6 t
②
CO2的溶解
25℃时水中[CO2]的值可以用亨利定律来计算。已知干空气中CO2
水表面以CO2、N2、O2为特征，不流通的深海中CO2过饱和、有时还有 硫化氢。
气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。
例如鱼需要溶解氧，一般要求水体溶解氧浓度不能低于4mg/L，
鱼类呼吸作用的结果消耗溶解氧的同时又释放出二氧化碳；在污染 水体许多鱼的死亡，不是由于污染物的直接毒害致死，而是由于在污染 物的生物降解过程中大量消耗水体中的溶解氧，导致它们无法生存。 大气中的气体分子与溶液中同种气体分子间的平衡服从亨利定律， 即一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。 但必须注意，亨利定律并不能说明气体在溶液中进一步的化学反应， 如： CO2 + H2O=H+ + HCO3SO2 + H2O=H+ + HSO3-
天然水中常见的八大离子：K+ 、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 、HCO3- 、
NO3-、Cl-、SO42-。
常见的八大离子占天然水中离子总量的95%-99%。 水中这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化学特 征性指标。
硬 度 Ca2+ HCO3Mg2+ CO32碱 度 酸 H+ OH碱 金 属 阳 离 子 Na+ SO42 Cl- NO3酸 根
定律计算出气体在水中的溶解度。
① 氧在水中的溶解 氧在干燥空气中的含量为20.95%，大部分元素氧来自大气，因此水 体与大气接触再复氧的能力是水体的一个重要特征。 藻类的光合作用会放出氧气，但这个过程仅限于白天。 所以水中溶解氧的主要来源有两个：水中藻类的光合作用释放氧气 和大气复氧作用。
3、水的同位素组成
水分子的结构式是H2O，实际上H有三种同位素1H（氕H）、2H （氘D）、3H（氚T）、氧有三种同位素16O、17O、18O，所以水实 际上是18种水分子的混合物C32C31=18。 当 然 H2O 是 最 普 通 的 水 分 子 （ 包 括 H216O （ 99.73% ） 、 H217O （0.18%）、H218O（0.037%）、），总量占99.937%。其余的水 是重水（包括D216O、D217O、D218O）和超重水（包括T216O、T217O、 T218O）。
1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）
天然水是含有可溶性物质和悬浮物的一种天然
溶液。可溶性物质非常复杂，主要是岩石风化过程
中，经过水文地球化学和生物地球化学的迁移、搬
运到水中的地壳矿物质。包括：悬浮物质、胶体物 质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
（1）天然水中的主要离子组成
最主要的八大离子
在自然生态环境中具有不可估量的作用。例如保证了饮用、
水生生物的生存、生命的进化等。 体积随温度变化情况异常。水的体积改变不遵 循“热胀冷缩”的普遍规律。 “冰轻于水”（4摄氏度水密度最大）具有重
要的生态学意义。可以保护水下的生物，保证水 底部生物需要的溶解氧以及其他营养物的补充等。
热容量最大。在所有液体和固体中，水具有最大的热容量。
阴 离 子
除上述的八大离子之外，还有H+、OH-、NH4+ 、HS-、S2-、NO2-、
NO3-、HPO4-、PO43-、Fe2+、Fe3+等。
一般水体中的特征离子 海水中：一般Na+、Cl-占优势； 湖水中：Na+、Cl-、SO42-占优势； 地下水主要离子成分受地域变化影响很大，一般说地下水硬度 高，就是其中Ca2+、Mg2+含量高，对于一些苦水或咸水地区，地下 水中Na+、HCO3-含量较高； 河水中所含有的部分Na+和大部分的Ca2+主要分别来源于硅酸盐 和碳酸盐的风化、溶解；水中所含有的SO42-主要来自硫化物矿物 和硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。
第三章：水环境化学——天然水的基本特征以及污染物存在形态
第一节
水分子结构
天然水基本特征
第二节、水中无机污染物的迁移转化
第三节
水中有机污染物的迁移转化
第一节
水分子结构
天然水基本特征
一、水和水分子结构的特异性
二、天然水的基本特征
三、水体污染和自净
四、水中污染物的分布和存在形态
五、典型水污染的特征
第一节
矿化过程和矿化度 矿化过程：天然水中主要离子成分的形成过程，称为矿
化过程；
矿化度：矿化过程中进入天然水体中的离子成分的总量， 以溶解总固体（TDS-Total dissolved Solid）表示 一般天然水中的TDS可以表示为： TDS=[Ca2++Mg2++Na++K++Fe2++Al3+]+[HCO3-+SO42-+Cl-+CO32+NO3-+PO43-]
0.03167)×105×0.2095=0.2056×105Pa
代入亨利定律即可求出氧在水中的摩尔浓度为： [O2(aq)]= KH· =1.26×10-8×0.2056×105=2.6×10-4 mol/L
氧的分子量为32，因此其溶解度为8.32mg/L。
气体溶解度随温度升高而降低，这种影响可由Clausius-Clapeyron
举例：水中可溶性金属离子可以多种形态存在。例如，铁可以 Fe(OH)2+ 、Fe(OH)2+ 、Fe2(OH)24+ 、Fe3+ 等形态存在。这些形态
在中性(pH=7)水体中的浓度可以通过平衡常数加以计算：
Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+
[Fe(OH)2+][H+]/[Fe3+]=8.9×10-4 [Fe(OH)2+][H+]2/[Fe3+]=4.9×10-7 [Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3
（克拉帕龙）方程式显示出：
lg
c2 c1

H 2 . 303 R
(
1 T1

1 T2
)
• 式中： c 1 , c 2——用绝对温度 T 1和 T 2时气体在水中的浓度；
H
——溶解热，J/mol;
R——气体常数8.314J/（mol· K）。
因此，若温度从0℃上升到35℃时，氧在水中的溶解度将从
的含量为0.0314%（体积），水在25℃时蒸汽压为0.03167，CO2的亨
利定律常数是3.34mol/(L· Pa)( 25℃)，则CO2在水中的溶解度为：
Pco
2
(1 . 0130 0 . 03167 ) 10
[ co 2 ] 3 . 34 10
7
5
3 . 14 10
水分子结构
天然水基本特征
一、水和水分子结构的特异性
1、水分子的结构
水是地球上常见的物质之一。
水是氧的氢化物，具有V型结构的极性分子。 这种V型结构使水分子正负电荷向两端集中，一端为两个H 离子带正电荷，一端为O带负电荷，所以水是极性分子。
极性使水分子之间存在氢键，并有多个水分子缔合
nH2O=(H2O)n。常称“水分子团”。
③水中溶解H2S 天然水中的硫化氢可以分子状态存在，也可以离子状态存在，能够来源 于无机物或有机物。缺氧条件下，硫酸盐能够被还原为硫化氢，含硫蛋
白质厌氧分解也能产生硫化氢。自然界最多的硫化氢来自火山喷发。 硫化氢不稳定，只有缺氧条件下才能存在，一旦受到扰动，就会发生氧 化或从水中溢出。所以天然水中的硫化氢一般出现在地下水中。
沸点高。能够有效地调节温度的剧烈变化。
溶解和反应能力强。常被称为通用溶剂。水具有极强的溶
解能力，能够不同程度地溶解大量物质，当然包括污染物。
具有很大的表面张力。水的表面张力仅仅次于水银。
水提供了有机物和生命物质中H的来源。一些有机化合物都
是以碳、氢、氧、氮等元素为基础形成的。这些元素的主要
来源物质就是CO2和H2O。
正是氢键的存在使水分子和同族分子相比具有特异性
+ H
+ + H _ O + — + +
-
-
+
-
(H2O)
(H2O)2
(H2O)3
2、水的特异性
水的物理化学性质在很多方面不符合常有规律而显 示出特异性。 具有较高的溶点和沸点
423
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
因此，溶解于水中的实际气体的量，可以大大高于亨利定律表示的量。 气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示：
[G(aq)]=KH·G P
式中：KH——各种气体在一定温度下的亨利定律常数； PG——各种气体的分压。 在计算气体的溶解度时，需要对水蒸气的分压加以校正（在温度 较低时，这个数值很小）。根据水在不同温度下的分压，就可按亨利
5
4
30 . 8 Pa
所以：
30 . 8 1 . 028 10
ห้องสมุดไป่ตู้
mol/L
CO2在水中离解部分可产生等浓度的H+和HCO3-。H+及HCO3-的浓度可从 CO2的酸离解常数（K1）计算出：
P
2
] O2 H
OC [

H
K
CO2+H2O CO2·2O 亨利常数 H
=3.34×10-7molL-1Pa-1
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
第VI主族元素氢化物熔点比较 （x轴主族周期数，
第VI主族元素氢化物沸点比较 y轴温度k）
如上图形显示，如果按照O在主族中的位臵推测，水呈 现液态的温度应是-100—-80摄氏度，换句话说，在目前 的地球温度下水应该呈现气态。而事实上水为液态，因此
重水在自然界含量非常少，而且它是和反应堆的
中子慢化剂，在大功率的原子反应堆中需要它，同 时又是生产氢弹的原料，但是从普通水中提取重水
要耗费非常多的能量。估计13万kWh/kg重水。
超重水中的氚T是一种放射性同位素，能够放射
出β射线。一般超重水用于医学、生物、物理、化
学上的示踪剂。
二、天然水的基本特征