第三篇 水环境化学(1)天然水的组成和性质
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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）。
20.95%，
所以氧的分压为：=(1.0130-0.03167)×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。
第三章
水环境化学
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
绥化学院食品与制药工程学院
1
教学要求: 1. 掌握天然水的组成和性质; 2. 溶解和沉淀，氧化还原，配合作用及固-液界面相互 作用等基本化学原理在水环境化学中的应用；
3. 掌握主要有毒难降解有机污染物的环境行为和归趋
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 （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
模式的基本原理。
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一、
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
绥化学院食品与制药工程学院 3
（一）、水和水分子结构的特异性
1 、水分子的结构
+ H + + H _ O + — + +
[ HCO3 ][ H ] [ H 2 CO3 ]
*
,
2 [ H 2 CO3 ] [CO3 ][ H ] K1= , K2= PCO2 [ HCO3 ]
根 据 K1 及 K2 值 ， 就 可 以 制 作 以 pH 为 主 要 变 量 的
H2CO3*- HCO3-- CO32-体系的形态分布图。
死藻的分解引起水中溶解氧水平降低，这种情况常被称为富营养化。
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细菌等其他微生物
细菌的特点是形体十分微小，内部组织结构简单，大多是单细胞；
水环境中主要微生物：原生动物、藻类、真菌、放线菌、细菌；
细菌等微生物关系到水环境自然净化和废水生物处理过程的重要的微生
物群体；
氮 、 氨、 硝 酸、 亚 硝酸 等 （闪 电 、生 物 释放 ） ；降 水 pH=5-7;
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（2）海水
矿化度很高，35g/L，海洋蒸发浓缩，大陆带来盐分化学组成
比较恒定，海水太多，离子变化影响不大；海水pH=8-8.3; （3）河水 HCO3->SO42->Cl-；河水化学成分易变，随着时间和空间变化，例如 汛期和非汛期，流经不同的地区等河水溶解氧一般夏季6-8mg/L， 冬季8-10mg/L；河水二氧化碳夏季1-5mg/L，冬季20-30mg/L（光 合作用减弱，补给源地下水含二氧化碳多）；
HCO3- CO32-+H+ 二级电离
K2
[ H ][CO3 ] [ HCO3 ]
2
=4.68×10-11molL-1
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。 绥化学院食品与制药工程学院
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106CO2 16 NO3 HPO42 122H 2O 18H（+痕量元素和能量）
P↑↓R
C106 H 263O110 N16 P 138O2
生产率：水体产生生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的 及物理的因素相结合而决定的。在高生产率的水中藻类生产旺盛，
因此，水中H2CO3*-HCO3--CO32- 体系可用下面的反应和平衡 常数表示： CO2(g)+ H2O ===H2CO3*
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H2CO3*，实际上H2CO3含量极低，主要是溶解性气体CO2(aq)。
pK0=1.47
29
[CO2 ( aq)] 其中KH= , PCO2
*
K0=
质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
9
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（1）天然水中的主要离子组成 天然水中常见的八大离子：K+ 、Na+ 、Ca2+ 、 Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。 八大离子占天然水中离子总量的95%-99%。
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10
除上述的八大离子之外，还有H+ 、OH- 、NH4+ 、 HS-、S2- 、NO2-、NO3-、HPO4- 、PO43- 、Fe2+、Fe3+ 等。
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矿化度低，一般100-200mg/L，不超过500mg/L，一般Ca2+>Na+，
（4）湖泊水 矿化度比河水高，其中内流湖又高于外流湖；不同区域湖水 成分差别极大。钾盐、钠盐、铝盐、芒硝（NaNO3 ）、石膏(CaSO4) 等等;矿化度也差别极大（淡水湖(<1g/L)、咸水湖(1-35g/L)、盐 湖（>35g/L））。 （5）地下水 化学成分复杂，矿化度高；（与不同的岩石、土壤长时间接 触）化学类型多样，深层地下水化学成分比较稳定，生物作用对地
CO2+H2O CO2·2O H
亨利常数
KH
CO2 H 2O
pco2
=3.34×10-7molL-1Pa-1
21
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CO2·2O HCO3-+H+ 一级电离 H
ห้องสมุดไป่ตู้
[ H ][ HCO3 ] K1 [CO2 H 2 O ]
=4.45×10-7molL-1
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11
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；
地下水硬度高，就是其中Ca2+ 、Mg2+ 含量高，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+。
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14
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+。
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硬 度 Ca2+ HCO3Mg2+ CO32碱 度
酸 H+ OH-
碱 金 属
阳 离 子
Na+ SO42 Cl- NO3酸 根
阴 离 子
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13
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）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-]
一般污水处理中，根据氧化过程需要氧的不同，分为：厌氧菌（油酸菌、 甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亚硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）；
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25
2、天然水的化学特征
（1）大气降水
溶解的氧气、氮气、二氧化碳是饱和或过饱和的；
含盐量很小，一般小于50mg/L，近海以Na+、Cl-为主，内
陆以Ca2+、HCO3-、SO42-；一般含有氮的化合物，如二氧化
22
③水中溶解H2S
（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、 转化、存储和释放等。
水生生态系统生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。
自养生物利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引 进至复杂的生命分子中即组成生命体。异养生物利用自养生物产生 的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。
15
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
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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+ + HCO3-
SO2 + H2O=H+ + HSO3气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示：
[G(aq)]=KH·G P
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① 氧在水中的溶解
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
第VI主族元素氢化物沸点比较 y轴温度k）
5
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热容量最大
溶解和反应能力强
具有很大的表面张力
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6
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
[Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3 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
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下水作用影响不大，地下水一般溶解氧含量低，水温不受大气影响。
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3、天然水的性质
（1）碳酸盐系统
① 碳酸平衡的一般方程
对 于 CO2-H2O 系 统 ， 水 体 中 存 在 着 CO2 （ aq ） 、 H2CO3 、
HCO3- 和CO32- 等四种化合态 ，常把CO2(aq)和H2CO3 合并为
-
-
+
-
(H2O)
(H2O)2
(H2O)3
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4
2 、水的特异性
具有较高的溶点和沸点
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
423 373 323 273 223 173 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，
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Cs
468 31.6 t
20
②
CO2的溶解
Pco2 (1.0130 0.03167 ) 10 5 3.14 10 4 30.8Pa
所以：[co2 ] 3.34 10 7 30.8 1.028 10 5 CO2的酸离解常数（K1）计算出： mol/L
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（二）、天然水的基本特征
天然水系的类别
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8
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
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c2 H 1 1 lg ( ) c1 2.303 R T1 T2
• 式中： c1 , c 2 ——用绝对温度 T1 和
H ——溶解热，J/mol;
T2 时气体在水中的浓度；
R——气体常数8.314J/（mol· K）。 另外，常压下，饱和溶解氧是温度的函数： （t,摄氏温度）
20.95%，
所以氧的分压为：=(1.0130-0.03167)×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。
第三章
水环境化学
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
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1
教学要求: 1. 掌握天然水的组成和性质; 2. 溶解和沉淀，氧化还原，配合作用及固-液界面相互 作用等基本化学原理在水环境化学中的应用；
3. 掌握主要有毒难降解有机污染物的环境行为和归趋
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 （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
模式的基本原理。
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一、
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
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（一）、水和水分子结构的特异性
1 、水分子的结构
+ H + + H _ O + — + +
[ HCO3 ][ H ] [ H 2 CO3 ]
*
,
2 [ H 2 CO3 ] [CO3 ][ H ] K1= , K2= PCO2 [ HCO3 ]
根 据 K1 及 K2 值 ， 就 可 以 制 作 以 pH 为 主 要 变 量 的
H2CO3*- HCO3-- CO32-体系的形态分布图。
死藻的分解引起水中溶解氧水平降低，这种情况常被称为富营养化。
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细菌等其他微生物
细菌的特点是形体十分微小，内部组织结构简单，大多是单细胞；
水环境中主要微生物：原生动物、藻类、真菌、放线菌、细菌；
细菌等微生物关系到水环境自然净化和废水生物处理过程的重要的微生
物群体；
氮 、 氨、 硝 酸、 亚 硝酸 等 （闪 电 、生 物 释放 ） ；降 水 pH=5-7;
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（2）海水
矿化度很高，35g/L，海洋蒸发浓缩，大陆带来盐分化学组成
比较恒定，海水太多，离子变化影响不大；海水pH=8-8.3; （3）河水 HCO3->SO42->Cl-；河水化学成分易变，随着时间和空间变化，例如 汛期和非汛期，流经不同的地区等河水溶解氧一般夏季6-8mg/L， 冬季8-10mg/L；河水二氧化碳夏季1-5mg/L，冬季20-30mg/L（光 合作用减弱，补给源地下水含二氧化碳多）；
HCO3- CO32-+H+ 二级电离
K2
[ H ][CO3 ] [ HCO3 ]
2
=4.68×10-11molL-1
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。 绥化学院食品与制药工程学院
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106CO2 16 NO3 HPO42 122H 2O 18H（+痕量元素和能量）
P↑↓R
C106 H 263O110 N16 P 138O2
生产率：水体产生生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的 及物理的因素相结合而决定的。在高生产率的水中藻类生产旺盛，
因此，水中H2CO3*-HCO3--CO32- 体系可用下面的反应和平衡 常数表示： CO2(g)+ H2O ===H2CO3*
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H2CO3*，实际上H2CO3含量极低，主要是溶解性气体CO2(aq)。
pK0=1.47
29
[CO2 ( aq)] 其中KH= , PCO2
*
K0=
质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
9
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（1）天然水中的主要离子组成 天然水中常见的八大离子：K+ 、Na+ 、Ca2+ 、 Mg2+、HCO3-、NO3-、Cl-、SO42-。 八大离子占天然水中离子总量的95%-99%。
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除上述的八大离子之外，还有H+ 、OH- 、NH4+ 、 HS-、S2- 、NO2-、NO3-、HPO4- 、PO43- 、Fe2+、Fe3+ 等。
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矿化度低，一般100-200mg/L，不超过500mg/L，一般Ca2+>Na+，
（4）湖泊水 矿化度比河水高，其中内流湖又高于外流湖；不同区域湖水 成分差别极大。钾盐、钠盐、铝盐、芒硝（NaNO3 ）、石膏(CaSO4) 等等;矿化度也差别极大（淡水湖(<1g/L)、咸水湖(1-35g/L)、盐 湖（>35g/L））。 （5）地下水 化学成分复杂，矿化度高；（与不同的岩石、土壤长时间接 触）化学类型多样，深层地下水化学成分比较稳定，生物作用对地
CO2+H2O CO2·2O H
亨利常数
KH
CO2 H 2O
pco2
=3.34×10-7molL-1Pa-1
21
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CO2·2O HCO3-+H+ 一级电离 H
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[ H ][ HCO3 ] K1 [CO2 H 2 O ]
=4.45×10-7molL-1
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11
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；
地下水硬度高，就是其中Ca2+ 、Mg2+ 含量高，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+。
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14
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+。
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硬 度 Ca2+ HCO3Mg2+ CO32碱 度
酸 H+ OH-
碱 金 属
阳 离 子
Na+ SO42 Cl- NO3酸 根
阴 离 子
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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）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-]
一般污水处理中，根据氧化过程需要氧的不同，分为：厌氧菌（油酸菌、 甲烷菌）、好氧菌（醋酸菌、亚硝酸菌）、兼氧菌（乳酸菌）；
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2、天然水的化学特征
（1）大气降水
溶解的氧气、氮气、二氧化碳是饱和或过饱和的；
含盐量很小，一般小于50mg/L，近海以Na+、Cl-为主，内
陆以Ca2+、HCO3-、SO42-；一般含有氮的化合物，如二氧化
22
③水中溶解H2S
（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、 转化、存储和释放等。
水生生态系统生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。
自养生物利用太阳能或化学能量，把简单、无生命的无机物元素引 进至复杂的生命分子中即组成生命体。异养生物利用自养生物产生 的有机物作为能源及合成它自身生命的原始物质。
15
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
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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+ + HCO3-
SO2 + H2O=H+ + HSO3气体在水中的溶解度可用以下平衡式表示：
[G(aq)]=KH·G P
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① 氧在水中的溶解
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
第VI主族元素氢化物沸点比较 y轴温度k）
5
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热容量最大
溶解和反应能力强
具有很大的表面张力
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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
[Fe2(OH)24+][H+]2/[Fe3+]2=1.23×10-3 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
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下水作用影响不大，地下水一般溶解氧含量低，水温不受大气影响。
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3、天然水的性质
（1）碳酸盐系统
① 碳酸平衡的一般方程
对 于 CO2-H2O 系 统 ， 水 体 中 存 在 着 CO2 （ aq ） 、 H2CO3 、
HCO3- 和CO32- 等四种化合态 ，常把CO2(aq)和H2CO3 合并为
-
-
+
-
(H2O)
(H2O)2
(H2O)3
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4
2 、水的特异性
具有较高的溶点和沸点
373 323 273 223 173 0 2 4 6 趋势线 实际水
423 373 323 273 223 173 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，
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②
CO2的溶解
Pco2 (1.0130 0.03167 ) 10 5 3.14 10 4 30.8Pa
所以：[co2 ] 3.34 10 7 30.8 1.028 10 5 CO2的酸离解常数（K1）计算出： mol/L
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（二）、天然水的基本特征
天然水系的类别
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8
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
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c2 H 1 1 lg ( ) c1 2.303 R T1 T2
• 式中： c1 , c 2 ——用绝对温度 T1 和
H ——溶解热，J/mol;
T2 时气体在水中的浓度；
R——气体常数8.314J/（mol· K）。 另外，常压下，饱和溶解氧是温度的函数： （t,摄氏温度）