31水分子结构天然水基本特征1
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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
H+
HCO3-
CO32-
OH-
碱度
碱金属 Na+
SO42 Cl- NO3酸根
阳离子 阴离子
?除上述的八大离子之外，还有 H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、 NO3-、HPO 4-、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。
?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-]
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
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”。
?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+
]+[
HCO
3
+
SO
24
+ 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 .
?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）。
?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。
?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
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，
?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。
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)
4+ 2
、
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+
?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
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Байду номын сангаас包括：悬浮物质、胶体物 质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
“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。 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。
（1）天然水中的主要离子组成
?最主要的八大离子
?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
酸
Ca2+
Mg2+
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在主族中的位置推测，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
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。
?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。
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。
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
H+
HCO3-
CO32-
OH-
碱度
碱金属 Na+
SO42 Cl- NO3酸根
阳离子 阴离子
?除上述的八大离子之外，还有 H+、OH-、NH4+、HS-、S2-、NO2-、 NO3-、HPO 4-、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。
?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-]
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
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”。
?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+
]+[
HCO
3
+
SO
24
+ 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 .
?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）。
?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。
?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
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，
?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。
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)
4+ 2
、
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+
?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
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Байду номын сангаас包括：悬浮物质、胶体物 质、溶解物质（气体、离子）、水生生物等。
“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。 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。
（1）天然水中的主要离子组成
?最主要的八大离子
?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
酸
Ca2+
Mg2+
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在主族中的位置推测，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
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。
?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。
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。