第二章 水环境基本理论

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1、第二章水环境基本理论第一节天然水的化学组成一、纯水的结构与异常特性1、水的异常特性水是自然界中最常见的物质，具有许多特异的理化性质，也正是由于这些特性，才使水在自然界和人类生活中普遍发生巨大作用，成为支配自然和人类环境中各种现象的主要因素。要研究水及其中杂质共同表现的水质特性，需先深入了解水本身的特性。与同系化合物相比，水具有如表2-1所示的一系列异常特性。表2-1纯水的异常特性及其意义性质特点意义状态一般为液态提供生命介质、使水具有流动性热容在所有固体和液体中最高（NH3除外）使水成为良好的传热介质，调节环境和有机体的温度熔解热最大（NH3除外）使水处于稳定

2、的液态，调节水温蒸发热在所有物质中最高对水蒸气的大气物理性质有重要意义，调节水温密度3.98℃时极大对于水生生物在严冬冻结的淡水水体深层水中的生命活动具有重要意义表面张力在所有液体总最大（汞除外）生理学控制因素，控制液滴等表面现象介电常数所有液体中最高高度溶解离子性物质并使其电离水合非常广泛对污染物是良好溶剂和载带体，可改变溶质生物化学性质离解很小提供中性介质透明度相对较大透过可见光和长波段紫外线，使在水体深处可发生光合作用（1）水在通常条件下呈液态在地球表面的环境条件下，水可能呈三种物理状态，即液态、气态和固态。由于沸点和冰点间温度范围相当宽，且相变热很大，

3、所以地球表面大量的水还是呈液态，于是构成了各种类型的天然水体。因此通常条件下呈液态这一点也正是水的最重要特点之一。（2）水的温度－体积效应异常纯水与一般物质的热胀冷缩不同，当冻结时体积不是收缩而是膨胀。在0—3.98℃，随着温度的升高，水的体积反而缩小，至3.98℃时体积最小，水的密度最大。此外，当压力加大时，一般物质的凝固点均有所升高，而水的冰点却略为下降。通常物质的热膨胀系数均随压力的升高而减小，而纯水在0—45℃范围内，热膨胀系数却随压力的升高而增大。这些都是水在温度或压力变化时体积效应异常的表现。（3）水的热容量非常大在所有液体和固体物质（NH3除外）

4、中，水具有最大的比热，因此大面积的天然水体可以调节气温，使其变化幅度不至于过大。水的熔解热与蒸发热也是异常的，当冰融化为水时，其热容量要增加两倍以上，而一般固体物质融化时热容量的变化非常微小。由于水的这一特性，使冰在融化过程可使冰水混合液的温度保持在冰点；而当水沸腾时，水温则可保持在沸点。（4）水具有很强的溶解与反应能力水是一种溶解能力极强的溶剂，许多物质在水中有着很大的溶解度；同时水的介电常数很大，使溶质在水中具有很大的电离度。水中溶解的各种物质之间可以进行各种化学反应，而且还可同溶剂水发生一系列反应，这使水在各个天然水体的形成与变迁中发挥了巨大作用。（5）

5、水具有很大的表面张力在常温下的所有液体中，除汞以外，水具有最大的表面张力，达72.75dyn•cm-1，而其他液体通常只有20—50dyn•cm-1。由于水巨大的表面张力，使水显现出相当显著的毛细、润湿和吸附作用，而这对于陆地和水域中生物的生命活动具有重要的意义。2、水的异常特性与其结构的关系水的特性与其结构密切相关。水分子中的氧原子受到四个电子对包围，其中两个电子对与两个氢原子共享，形成两个共价键；另外两对是氧原子本身所持有的孤对电子。四个电子对间由于带负电而互相排斥，使它们有呈四面体结构的倾向，但因孤对电子占据的空间较小，与共享电子对相比具有更大的斥力，因

6、此使H—O—H键角由109.5°（几何正四面体）缩减到104.5°。图2-1为单个水分子的结构图。图2-1水分子的结构图氧原子具有比氢原子大得多的电负性，所以水分子中的两共享电子对趋向于氧而偏离氢，于是就在两个孤对电子上集中了更多负电荷，使水分子成为具有很大偶极矩的极性分子。这样的一个水分子就有可能通过正、负电间静电引力与附近的四个水分子以氢键相联系。分子间氢键力大小为18.81kJ/mol，约为O—H共价键的1/20，冰溶化成水或水挥发成水汽，都首先需要外界供能破坏这些氢键。当冰开始熔化成水时，冰的疏松的三维氢键结构中约有15％氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩

7、小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起：①更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；②体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使密度趋于减小。上述两因素随温度升高而相互消长的结果，使纯水在3.98℃时有最大密度。这种情况对水生生物的越冬具有特别重要的意义。从水的分子结构和水分子有形成较强氢键能力等基本性质出发，还可以解释液态水的其他特性，如“热惰性”、大的表面张力等。二、天然水的化学组成按不同组分含量与性质的差异，以及与水生生物的关系可以把天然水的化学成分分为六类：即常量元素、溶解气体、营养元素、有

8、机物质、微量元素以及有毒物质。1、常量