水环境化学

第三章水环境化学

水是世界上分布最广的资源之一，也是人类与生物体赖以生存和发展必不可少的物质，但世界上可供人类利用的水资源很少，仅占地球水资源的0.64%。

水环境化学：是研究化学物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移转化、归趋的规律与化学行为及其对生态环境的影响。它是环境化学的重要组成部分，这些研究将为水污染控制和水资源的保护提供科学的依据。

第一节

水的分布、基本特征及污染物存在形态

一、水的特征与分布

天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质（包括悬浮物、颗粒物、水生生物

等）。可溶性物质的组成十分复杂，主要是岩石在风化过程中，经水溶解迁移

的地壳矿物质。天然水中常见的八大离子占天然水中离子总量的95%－99%.

总含盐量：TDS=[Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+ ] + [Cl- + SO42- + HCO3- + NO3-]

（２）水中的金属离子

水中金属离子的表示式常写成Ｍｎ＋，其水合离子的分子式一般写作Ｍ（Ｈ２Ｏ）ｘｎ＋。金属离子在水中可以以多种形态存在，一般为Ｆｅ（ＯＨ）２＋，Ｆｅ２（ＯＨ）２４＋和Fe3+等形态存在。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－还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。各种形态的浓度可以通过平衡常数加以计算，见书P148页。

（3）气体在水中的溶解性

气体溶解在水中，对于生物种类的生存是非常重要的。一般来说大气中的气体分子与溶液中同种气体分子存在一种平衡，浓度关系服从Henny定律。

X（g）X（aq）

（4）水生生物

水生生物可直接影响许多物质的浓度,其作用有代谢、摄取、存储和释放等。

自养生物：利用太阳能量和化学能量，把简单、无生命的无机一无机元素引进至复杂的生命分子中组成生命体，如藻类。

异养生物：利用自养生物产生的有机物作为能源及合成自身生命的原始物质。 藻类生成和分解是水体中进行光合作用（P）和呼吸作用（R）的一典型过程，可

用简单化学计量关系来表征：

106CO2 + 16NO3-+ HPO42-+122H2O +18H+（+痕量元素和能量）

R P

C106H263O110N16P + 138O2

水体富营养化

天然水的性质

碳的地球化学循环：岩石圈↔水圈↔大气圈↔生物圈

（1）碳酸平衡

在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独特地位，对于调节天然水的pH值和组成起着重要作用。在水体中存在CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-几种化合形态。 封闭体系(溶解性CO2与大气没有交换)

CO2 + H2O H2CO3*pK0=1.46

H2CO3*HCO3- + H+pK1=6.35

HCO3-CO32- + H+pK2=10.33

K1=[HCO3-][H+]/ [H2CO3 *] ；K2=[CO32-][H+]/ [HCO3-]

因为在封闭体系中，C T恒定，用α0、α1和α3分别上述三种化合物在总量中所占比例，可以给出以下三个表示式：

α0= [H2CO3 *]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}

α1= [HCO3-]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}

α2= [CO32- ]/{[H2CO3 *] + [HCO3-] + [CO32- ]}

即得：

α0=(1+K1/[H+]+ K1K2/[H+]2)-1

α1=(1+ [H+]/ K1+K2/ [H+] )-1

α2=(1+ [H+]2/ K1K2+ [H+]/ K2 )-1

开放体系

CO2 在气相和液相处于平衡状态，各种碳酸盐化合态的

平衡浓度可表示为p CO2和pH的函数。

[CO2(aq)] = K H · p CO2

C T = [CO2] / α0 = K H · p CO2/α0

[HCO3-] = (α1/α0) K H · p CO2= K1 · K H · p CO2/ [H+]

[CO32-] = (α2 / α0 ) K H · p CO2 = K1 · K2 ·K H · p CO2/ [H+]2

lg [CO2]= Log[1. 028×10－5]= -4.988 (p106)

lg [HCO3-]= -11.338 + pH

lg [CO32- ]= -21.668 + 2 pH推导过程作业

比较封闭体系和开放体系可发现，在封闭体系中，

[H2CO3*]、[HCO3-]、[CO32-]等可随pH 值变化，但总的碳

酸量C T 始终不变。而对于开放体系C T、[HCO3-]、[CO32-]

均随pH值改变而变化，但[H2CO3*]总保持与大气相平衡

的固定数值。（p106）

（2）天然水中的碱度和酸度

A、碱度(Alkalinity)是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子的

物质的总量。组成水中碱度的物质可归纳为三类：强碱、弱减、强碱弱酸盐。 总碱度：用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙

红色(pH约4.3)，停止滴定，此时所得的结果，也称为甲基橙碱度。

其化学反应计量关系式如下：

H+ + OH-H2O

H+ + CO32-HCO3-

H+ + HCO3-H2CO3

总碱度= [HCO3-] + 2 [CO32-] + [OH-] - [H+]

酚酞碱度：滴定以酚酞为指示剂，当溶液pH 值降到8.3 时，表示OH- 被中和，CO32-全部转化为HCO3-，得到酚酞碱度表达式：

酚酞碱度= [CO32-] + [OH-] - [H2CO3*] - [H+]

苛性碱度：达到pH CO32-所需酸量时碱度，但不易测得。

苛性碱度= [OH-]- [HCO3-]-2 [H2CO3*] -[H+]

= 2 酚酞碱度–总碱度

B、酸度（Acidity)：指水中能与强碱发生中和作用的全

部物质，亦即放出H+ 或经过水解能产生H+ 的物质总