3.1.2天然水的基本特征(1)

第三章：水环境化学——天然水的性质

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

一、水和水分子结构的特异性

二、天然水的基本特征

1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物）

2、天然水的化学特征

3、天然水的性质

（1）碳酸盐系统

（2）酸度和碱度

（3）天然水的缓冲能力

● 缓冲溶液能够抵御外界的影响，使其组分保持一定的稳定性，pH 缓冲溶液能够在一定程度上保持pH 不变化。

● 天然水体的pH 值一般在6-9之间，而且对于某一水体，其pH 几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。

● 一般认为各种碳酸盐化合物是控制水体pH 值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH 值也有着重要作用。

● 但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。

对于碳酸水体系，当pH<8.3时，可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH 值可由下式确定：

][]

[lg 3*321--=HCO CO H pK pH

如果向水体投入△B 量的碱性废水时，相应由△B 量H 2CO 3*转化为HCO 3-，水体pH 升

高为pH ＇,则：

B HCO B

CO H pK pH ∆+∆--=-][][lg 3*321＇

水体中pH 变化为△pH=pH ＇-pH ，即：

][][lg ][][lg 3*323*32--+∆+∆--=∆HCO CO H B HCO B

CO H pH

由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质就是[HCO 3-]，因此经常情况下，可以把[HCO 3-]作为碱度。若把[HCO 3-]作为水的碱度，[H 2CO 3*]作为水中游离碳酸[CO 2]，就可推出：

△B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH )

△pH 即为相应改变的pH 值。

● 在投入酸量△A 时，只要把△pH 作为负值，△A=-△B,也可以进行类似计算。

举例：在一个pH 为6.5、碱度为1.6mmol/L 的水体中，用NaOH 进行碱化，需多少碱能使pH 上升至8.0?

解：△pH=8-6.5=1.5, pH=6.5, 碱度=1.6mmol/L

所以△B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH )

=1.6×（101.5-1）/(1+10-6.35×106.5+1.5)

=1.6×（101.5-1）/45.668

=1.08 mmol/L

（4）天然水的酸碱平衡

● 许多化学和生物反应都属于酸碱化学的范畴，以化学、生物化学等学科为基础的环

境化

● 学也自然要经常需要应用酸碱化学的理论。

● 酸碱无时无刻都存在于我们的身边，食醋、苏打以及小苏打等都是生活中最常见的

酸和碱，一些学者认为弱碱性的水更有利于人类的健康。

● 酸碱反应一般能在瞬间完成，pH 值是体系中最为重要的参数，决定着体系内各组

分的

● 相对浓度。在与沉积物的生成、转化及溶解等过程有关的化学反应中，pH 值往往

能决定转化过程的方向。

● 天然水体pH 值一般在6～9的范围内，所以在水和废水处理过程中，水体酸碱度的

观测是一个首先必须考虑的指标之一。

● 在天然水环境中重要的一元酸碱体系有HCN-CN —、NH 4+—NH 3等，二元酸碱体系

有H 2S-HS —S 2—、H 2SO 3—HSO 3——SO 32—、H 2CO 3—HCO 3——CO 32—等，三元酸碱体系有：H 3PO 4—H 2PO 4——HPO 42——PO 43—等。

①酸碱质子理论

事物都有其认识和发展的过程，酸碱化学基础理论亦如此。在酸碱化学理论发展过程中存在着如下的几种理论：酸碱电离理论、质子理论。

● 电离理论至今仍普遍应用于水环境化学的领域中，但由于电离理论把酸和碱只限于

水溶液，又把碱限制为氢氧化物等，使得该理论对于一些现象不能够很好的解释。 ● 由Brosted 和Lowry 于1923年提出的酸碱质子论是各种酸碱理论中较适于水化学的

一种理论。根据质子酸和质子碱的定义：凡是能释放出质子的任何含氢原子的物质都是酸，而任何能与质子结合的物质都是碱。例如，在下列反应中

HF+H 2O ≒H 3O ++F —

当反应自左向右进行时，HF 起酸的作用(是质子的给予体)，H 2O 起碱的作用(质子的受体)。如果上述反应逆向进行，则应将H 3O +视为酸，F —则为碱。HF-F —和H 2O —H 3O +实质上是两对共轭酸碱体。而在下列酸碱反应中

H 2O+NH 3≒OH —+NH 4+

当反应自左向右进行时，H 2O 起了酸的作用(是质子的给予体)，NH 3起碱的作用(是质子的受体)。如果上述反应逆向进行，则应将NH 4+视为酸，OH —则为碱。NH 3—NH 4+实质上是一对共轭酸碱体。

上面两反应写成一般形式，可以表达为

酸1+碱2≒碱1+酸2

从酸碱质子理论看来，任何酸碱反应，如中和、电离、水解等都是两个共轭酸碱对之间的质子传递反应。

②酸和碱的强度

● 醋酸CH 3COOH(简称HAc)是典型的一元酸，HAc 水溶液体系中存在着如下的离解

反应平衡，其电离平衡反应为：

HAc+H 2O ≒H 3O ++Ac —

，][]][[3HAc Ac O H Ka -+=，Ka 称为酸平衡常数。 已经离解的HAc 的百分数，称为弱酸的电离度，常以α表示。如果以[HAc]表示HAc

的原始浓度，以[Ac —

]表示已离解HAc 的浓度，则α定义为：α=][][HAc Ac -×100%。 ● 以氨的水溶液作为一元弱碱的例子进行简要介绍，氨的水溶液中存在着如下的电离

平衡反应，其电离平衡反应为：