第二章 水环境化学(天然水)[研究材料]
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• H和D的相对质量差是所有元素的同位素中最大 的，因此自然界中氢同位素分馏也最大，一般 比其它元素的同位素分馏大一个数量级。
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20
例如，我国学者在研究北京地区地下热水 时发现，北京城区东南部地下热水中
氘同位素的浓度（δD）值（以海水为 基准所
作的比较）为-6.33‰ ～ -7.78‰ ，与
13
（7）水的同位素组成(P16)
自然界中， 氢有2种稳定同位素，H1、H2（称为氘，D） 氧有3种稳定同位素，O16、O17、O18
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14
自然界的水实际上是 HO16H HO18H HO17H HO16D HO18D HO17D DO16D DO18D DO17D
9 种水的混合物。
其中， HO16H是常说的普通水分子，含量为 99.745%(摩尔分数），其余为重水。
维也纳标准平均海水（V-SMOW）是一个假想的标准，其 “绝对”同位素比值被定义为
2H/1H=(155.76± 0.10) × 10-6 18O/16O=(2005.20± 0.43) × 10-6 17O/16O=(373± 15) × 10-6
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22
O /O 的千分差： 18 16
O18
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9
• •5）除极少数液体和固体（如液氨、液氢）外， 水的比热容比任何其他液体和固体都高。
比热容(specific heat capacity)又称比热容量(specific heat)， 简称比热容，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改 变单位温度时吸收或释放的热能。
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10
• 6）水具有很高的介电常数，比任何其他纯液体 高。绝大部分离子化合物可以在水中电离。
7
在固体水（冰）
分子的结构中，氢
键的数目达最高饱
和值，使分子排列
成为六方晶系晶格，
与液体水分子的结
构相比，固体水
（冰）的结构较为
疏松，其密度由
1.0g·cm-3降至
0.92g·cm-3 。
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8
二 水的特性及其意义
•• 1、水的物理性质 1）高沸点、高熔点 2）蒸发热高 3）水在4℃时密度最大； 4）水具有突出的界面特性，水的表面张力大。
• 介•电常数是度量物质极性大小的一个有用的参数。在化学中,介
电常数是溶剂的一个重要性质,它表征溶剂对溶质分子溶剂化以 及隔开离子的能力。
• 水分子的强极性使它能与带电荷的离子和分子发生相互结合的作 用。水化作用是一种强烈的放热过程，释放的能量足以克服离子 间彼此的作用力。
• 物质的介电常数是指两个带电体在真空中与在该物质中静电作用
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15
我们该喝什么？-------- 重水 OR 轻水？
• 英研究称喝重水可以延
长人10年寿命（图片来自
英国《每日邮报》网站）
信息来源：科学网（2008）
Super light water 105
调研学习500ml,¥1,250 （日元） 16
• 由不同的同位素组成的分子之间存在相对质 • 量差。这种质量差异所引起的该分子在物理
力大小之比。例如水的介电常数为78.5，表明一对阴、阳离子在
真空中的离子间引力是它们在调水研学中习 的78.5倍。
11
•• 库仑定律应用于溶液中的离子时，可表示为：
f
q1q2
r 2
• 式中：f为正负离子间的静电引力；q1,q2为两种离 子的电荷；r为离子间距；ε为溶剂的介电常数。
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12
•
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城区雨水（ -6.33‰ ～ -7.48‰ ）、
河水（ -6.90‰ ～ -7.48‰ ）及
浅层地下水（ -6.90‰ ～ -7.48‰ ）中的氘同 位素的浓度（δD）值非常接近。因此该学 者认为，北京东南部地下热水由大气降水所 补给。
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21
表达稳定同位素的分馏的参数--- δ值（常用）
国际原子能机构于1968年决定采用维也纳标 准平均海水（Vienna standard mean ocean water, V-SMOW）为标准，来定义天然水稳 定同位素的比率相对于V-SMOW的千分差δ 。
• 第二章 天然水的组成 和性质
调研学习
1
• 2.1 水的分子结构与性质 • 2.2 天然水体的组成和分类 • 2.3 各类天然水的水质特点
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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2
• 2.1 水的分子结构与性质
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3
一、水分子的结构(两个重要特点） 1、水分子有很强的极性：
（1）键角104.5° （2）电负性：
O：3.5；H：2.1 （3）水分子的偶极矩
很大，为1.84D (德 拜）。
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4
偶极矩
若正电(或负电)重心上的电荷的电量为 q , 正负电重心之间的距离为 d (称偶极矩长),
则偶极矩为: μ＝ qd
μ以德拜(D)为单位, 当 q = 1.62 库仑 ( 电子所带电 量 ), d = 1.0 时, μ ＝ 4.8 D
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5
2. 水分子之间有很强的氢键。
O18 O16
样品
O18 O16
V SMOW
1000
O18 O16
V SMOW
D/H的千分差：
D D
D H 样品 H V SMOW 1000
D H V SMOW
范德华力：通常小于5kJ/mol
氢键：18.8kJ/mol
H-调O研键学习 ：460kJ/mol
6
每个水分子可以同邻近的 4 个水分子 形成 4 个氢键。
因为每个水分子在正极一方有两 个裸露的氢核，在负极一方有两对 孤对电子，每个水分子可以把两个 氢核交出，同时又可以由两对孤对 电子接收氢核。
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在蒸发区（如大洋水）重水的成分稍高。
• 由水蒸汽凝结生成的雨水中重水的成分较低。 • 南极的冰是地球上最轻的水。
•【 蒸汽压：一定温度下，液体和它的蒸汽处于平衡状态时蒸汽所具有的 压力称为饱和蒸汽压，简称蒸汽压。】
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• 自然界中哪个元素 的同位素分馏最大？？ •• 分馏的大小与同位素相对质量差成正比。
和化学性质上的差异，称为同位素效应。
• 例如D2O的蒸发热、沸点、表面张力、密度等都比 H2O高。
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17
• 同位素效应 •
• 同位素分馏
• 同位素分馏是指在一系统中，某元素的同位素 以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象。
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一般认为，蒸发作用是促成水的同位素分馏 的主要过程。
• • 由于重水的蒸汽压比普通水的蒸汽压略低，所以
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例如，我国学者在研究北京地区地下热水 时发现，北京城区东南部地下热水中
氘同位素的浓度（δD）值（以海水为 基准所
作的比较）为-6.33‰ ～ -7.78‰ ，与
13
（7）水的同位素组成(P16)
自然界中， 氢有2种稳定同位素，H1、H2（称为氘，D） 氧有3种稳定同位素，O16、O17、O18
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自然界的水实际上是 HO16H HO18H HO17H HO16D HO18D HO17D DO16D DO18D DO17D
9 种水的混合物。
其中， HO16H是常说的普通水分子，含量为 99.745%(摩尔分数），其余为重水。
维也纳标准平均海水（V-SMOW）是一个假想的标准，其 “绝对”同位素比值被定义为
2H/1H=(155.76± 0.10) × 10-6 18O/16O=(2005.20± 0.43) × 10-6 17O/16O=(373± 15) × 10-6
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• •5）除极少数液体和固体（如液氨、液氢）外， 水的比热容比任何其他液体和固体都高。
比热容(specific heat capacity)又称比热容量(specific heat)， 简称比热容，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改 变单位温度时吸收或释放的热能。
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• 6）水具有很高的介电常数，比任何其他纯液体 高。绝大部分离子化合物可以在水中电离。
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在固体水（冰）
分子的结构中，氢
键的数目达最高饱
和值，使分子排列
成为六方晶系晶格，
与液体水分子的结
构相比，固体水
（冰）的结构较为
疏松，其密度由
1.0g·cm-3降至
0.92g·cm-3 。
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二 水的特性及其意义
•• 1、水的物理性质 1）高沸点、高熔点 2）蒸发热高 3）水在4℃时密度最大； 4）水具有突出的界面特性，水的表面张力大。
• 介•电常数是度量物质极性大小的一个有用的参数。在化学中,介
电常数是溶剂的一个重要性质,它表征溶剂对溶质分子溶剂化以 及隔开离子的能力。
• 水分子的强极性使它能与带电荷的离子和分子发生相互结合的作 用。水化作用是一种强烈的放热过程，释放的能量足以克服离子 间彼此的作用力。
• 物质的介电常数是指两个带电体在真空中与在该物质中静电作用
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我们该喝什么？-------- 重水 OR 轻水？
• 英研究称喝重水可以延
长人10年寿命（图片来自
英国《每日邮报》网站）
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• 由不同的同位素组成的分子之间存在相对质 • 量差。这种质量差异所引起的该分子在物理
力大小之比。例如水的介电常数为78.5，表明一对阴、阳离子在
真空中的离子间引力是它们在调水研学中习 的78.5倍。
11
•• 库仑定律应用于溶液中的离子时，可表示为：
f
q1q2
r 2
• 式中：f为正负离子间的静电引力；q1,q2为两种离 子的电荷；r为离子间距；ε为溶剂的介电常数。
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城区雨水（ -6.33‰ ～ -7.48‰ ）、
河水（ -6.90‰ ～ -7.48‰ ）及
浅层地下水（ -6.90‰ ～ -7.48‰ ）中的氘同 位素的浓度（δD）值非常接近。因此该学 者认为，北京东南部地下热水由大气降水所 补给。
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表达稳定同位素的分馏的参数--- δ值（常用）
国际原子能机构于1968年决定采用维也纳标 准平均海水（Vienna standard mean ocean water, V-SMOW）为标准，来定义天然水稳 定同位素的比率相对于V-SMOW的千分差δ 。
• 第二章 天然水的组成 和性质
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• 2.1 水的分子结构与性质 • 2.2 天然水体的组成和分类 • 2.3 各类天然水的水质特点
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• 2.1 水的分子结构与性质
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一、水分子的结构(两个重要特点） 1、水分子有很强的极性：
（1）键角104.5° （2）电负性：
O：3.5；H：2.1 （3）水分子的偶极矩
很大，为1.84D (德 拜）。
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偶极矩
若正电(或负电)重心上的电荷的电量为 q , 正负电重心之间的距离为 d (称偶极矩长),
则偶极矩为: μ＝ qd
μ以德拜(D)为单位, 当 q = 1.62 库仑 ( 电子所带电 量 ), d = 1.0 时, μ ＝ 4.8 D
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2. 水分子之间有很强的氢键。
O18 O16
样品
O18 O16
V SMOW
1000
O18 O16
V SMOW
D/H的千分差：
D D
D H 样品 H V SMOW 1000
D H V SMOW
范德华力：通常小于5kJ/mol
氢键：18.8kJ/mol
H-调O研键学习 ：460kJ/mol
6
每个水分子可以同邻近的 4 个水分子 形成 4 个氢键。
因为每个水分子在正极一方有两 个裸露的氢核，在负极一方有两对 孤对电子，每个水分子可以把两个 氢核交出，同时又可以由两对孤对 电子接收氢核。
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在蒸发区（如大洋水）重水的成分稍高。
• 由水蒸汽凝结生成的雨水中重水的成分较低。 • 南极的冰是地球上最轻的水。
•【 蒸汽压：一定温度下，液体和它的蒸汽处于平衡状态时蒸汽所具有的 压力称为饱和蒸汽压，简称蒸汽压。】
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• 自然界中哪个元素 的同位素分馏最大？？ •• 分馏的大小与同位素相对质量差成正比。
和化学性质上的差异，称为同位素效应。
• 例如D2O的蒸发热、沸点、表面张力、密度等都比 H2O高。
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• 同位素效应 •
• 同位素分馏
• 同位素分馏是指在一系统中，某元素的同位素 以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象。
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一般认为，蒸发作用是促成水的同位素分馏 的主要过程。
• • 由于重水的蒸汽压比普通水的蒸汽压略低，所以