水与人类生存

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水与人类生存主讲教师:肖益民ymxiao@163.com水电学院水文水资源系 课程内容:一、水的起源与水的性质二、水循环与水量平衡三、漫谈几种水体四、自来水与饮水科学五、作为资源的水六、洪灾与旱灾七、人与水、水与人八、总结与测验 基本要求1、按时上课，有事请假2、课堂积极参与讨论，课后查阅资料3、开卷考试 第一章水的起源与水的性质一、水的起源和形成过程二、水的结构和构成三、水的物理性质四、水的化学性质五、水的动力学性质 地球是一个蔚蓝色的大球体，水是地球表面数量最多的物质，它覆盖了地球70%以上的表面。这么多水从哪来?地球上本身有水吗？第一节水的起源和形成过程一、水的起源地球刚诞生时，没有河流、海洋，更没有生命，它的表面是干燥的，大气层中也很少有水分。现在自然界各种水体中的水从何而来？ 地球上的水究竟来自何方呢?这个令人费解的问题从古至今，吸引着无数中外智者的兴趣。大多数学者认为，地球上水的起源与地球本身的起源密切相关。但是，到底地球上的水是怎么来的，现在有许多假说，例如凯萨廖夫等人提出的全球大洋水体来源的假说达32种之多。 主张地球上的水是自生的人认为:在星云凝聚成初始行星——地球之后，才可能有水形成于原始的氢和氧。后来在温度升高、内部脱氧时，在物质分异组成地球圈层，以及氢、氧从行星中部运移到其边缘的过程中，通过各种物理和化学作用才形成了水。全部假说可大致分为两类:一类是自生的，一类是外来的。 主张地球上的水是外来的人认为:地球形成的时候，就从宇宙俘获了大量的水，以后逐渐释放并留存下来。水是宇宙物质，当宇宙中的尘埃云凝聚成地球时，它们同时也被封存在地球的原始物质球粒陨石中。 由于地球体积不断缩小，引力随之增加，这些气体已无法摆脱地球的引力，从而围绕着地球，构成了“原始地球大气”，原始大气由多种成分组成，水蒸汽是其中之一。 水蒸汽从何而来？组成原始地球的固体尘埃，实际上是衰老了的星球爆炸而成的大量碎片，这些碎片多是无机盐之类的东西，在其内部蕴藏了许多水分子，即所谓的结晶水合物，在地球内部高温作用下离析出来变成了水蒸气。二、水的形成 喷到空中的水蒸气达到饱和时就冷却成云，变成雨，落到地面上，聚集在低洼出，逐渐积累成湖泊和河流，最终汇集到地表最低区域形成海洋。水在开始形成时，不论湖泊或海洋，水量不多，随着地球内部产生的水蒸气不断地被送入大气层，地面水量不断增多，经历几十亿年的地球演变过程，最后终于形成了现在所见的江河湖海。 地球形成初期岩浆活动异常激烈，火山喷发频繁。有些地方隆起形成山峰，有些地方下陷变成山谷，火山喷出大量气体。大气中的水蒸汽逐步增多，饱和后冷却成云，变成雨落在地上，形成了江河湖海。 第二节　水的结构和构成一、水的构成水是含有两个氢原子和一个氧原子的分子化合物。氢有三种天然存在的同位素（）。氧有六种同位素天然存在的水绝大部分都是 二、水的分子结构（一）分子结构水分子中的氧原子受到四个电子对包围，其中两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。四个电子对之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少，与共享电子相比具有更大的斥力，因此使键角由（几何正四面体）缩减到 氢键使水分子发生缔合，缔合的水减弱了水分子的极性，传递离子的能力也降低，故长期静置的水缔合程度大，“活性”严重丧失而成为“死水”。在加热、磁场等作用下，水分子间的氢键将被程度不同地破坏，从而降低了缔合度而活化。因此，物质一般在热水中溶解度大；热水洗涤效果好等，都与水的缔合度降低有关。水的相态转化即是靠了这种氢键力的作用。 水的缔合是放热过程，水的离解则是吸热过程。所以温度升高，水的缔合程度的下降，即(H2O)x的x值减小；温度降低，水的缔合度增大，即(H2O)x的x值增大。在高温时，水主要以单分子状态存在，水变为水汽；在低温时(273.15K以下)水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。 （二）气态水气态水绝大多数以单分子形态存在，所以其在常温常压下密度很小，相当于同温同压下液态水密度的左右。一般，随着压力的增加，水的汽液两态转化的温度逐渐升高，即压力增加，水汽化的温度液随之增加；然而，当水汽的温度达到374.2℃时，无论压力有多大，都不会使气态水转化为液态水，该温度称作水的临界温度。所以气态水的密度在温度很高、压力足够大时会大于常温常压下的液态水的密度。 （三）固态水固态水（冰）中的每一个水分子都被相邻的四个水分子包围，每个水分子位于变形四面体的顶点，冰是由无数个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体的。由于氢键的方向性要求，水分子不能做到紧密堆积，所以冰的晶体具有较大的空隙，即水结成冰后，体积增大，密度会比液态水减小，所以冰可以浮在水面之上。但是当压力达到2.0265ⅹ10^8个大气压时，它的密度又会变得比水大，在水中下沉到水底。 第三节水的物理性质一、水的密度和重度物质单位体积的质量称作密度，而单位体积的重量称作重度。对一般物质来说，密度都随温度的增加而降低。因为温度越高，分子间的距离就越大。但水的密度与温度的关系是反常的：在常压下277.15K（相当4°C）时密度最大。 大多数物质由液态凝固而变成固态时，其密度会随之增高。但水却相反，其结冰（冻结）时，反而密度减小。在正常大气压下，水结冰时，体积会突然增大11%左右；与此相对应，冰融化时体积又会突然变小。在1个标准大气压条件下，纯净的水的密度和重度随温度变化。 ①更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；体系温度继续升高，水分子动能增加、振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使水密度趋于减小。这就是为什么水在1个大气压下4℃或精确地说应该是3.98℃）时密度为最大的原因。当冰开始融化成水时，冰的氢键结构中的氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起： 二、水的热性质（一）比热一定质量的物质，在不发生化学反应和相变的情况下，温度每升高1℃所吸收的热量称为该物质的热容量或热容。单位物质的热容称为比热容，简称比热。 水的高比热是由于水能形成分子间氢键所引起的。因为温度的升高是由于分子运动加剧的结果，而若要使水分子运动加剧，不但要提供能量去克服分子间范德华力的束缚，还要提供额外的能力去克服分子间氢键的束缚。 （二）传热性水的传热性很差。在常压下20℃时，液态水的热导率为0.006J/(s.cm.℃)；冰的热导率0.0226J/(s.cm.℃)；雪的热导率与其密度有关，当雪的密度为100kg/m3时，其热导率为0.00029J/(s.cm.℃)。 因此，冬天植被覆盖一层厚厚的雪，会很好地抵御寒冷的侵袭，使其免遭冻害。也由于这一特性，天然水体封冻时冰体增厚的速度很缓慢，即使在水面长期封冻时，河流深处仍然可能呈现液体，因而对水下生命具有重要意义。水的这一特性对指导农业灌溉也有意义，如进行冬灌能提高地温，防止越冬作物受大气低温的冻害。 （三）蒸发热（汽化热）水从液态转变为气态的过程叫做汽化，水表面的汽化现象叫做蒸发。水的蒸发需要消耗热量，是个吸热过程，单位质量液态水蒸发为气态水所需要的热量称作蒸发热，也叫汽化热。水的汽化热随着温度升高而降低， 四、水的表面张力（一）表面张力所有液体都有力图缩小其表面的趋势，这是由表面张力的作用造成的。表面张力是自由液面上液体分子由于受两侧分子引力不平衡，使自由液面上液体分子受有极其微小的拉力，这种拉力就是表面张力。表面张力仅在液体与其他介质（如气体或固体）分界面附近的液体表面产生，液体内部并不存在，所以它是一种局部受力现象。 由于表面张力很小，一般说来对液体的宏观运动不起作用，可以忽略不计，只有在某些特殊情况下，才显示其影响，比如毛细作用。 （二）水的表面张力水与其他液体一样，其表面也存在着使水的表面具有收缩的趋势的力，这种水表面的力叫做水的表面张力。水的表面张力比其他常用溶剂都高，而且在不同温度下水的表面张力变化也很大。由于表面张力所表现出的水的毛细作用，在自然界的威力是巨大的：地下水的蒸发、土壤水的增减（补给排泄）、大气降水对地下水的补给、植物的水分补给等等无不与之有关。 1 五、水的弹性及压缩性压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观体积减小，这种性质称为液体的压缩性。因为在压力释放时，被压缩的水的体积会相应的增加，所以水的压缩性也叫做水的弹性。在压强不大的条件下，水的压缩性可以忽略，相应水的密度和重度可视为常数。 只有当压强变化很大而又非常迅速时，才考虑压缩性。如输水管路中的水击现象，就必须考虑水的压缩性，否则，将会导致错误的结果。一般情况下，水看作是不可压缩的液体。 六、水的光电性质纯水具有极微弱的导电能力；但是自然界中的水是含有多种电解质的溶液，所以是良好的电导体。自然界水的导电能力受水中含盐量多少的影响，其含盐量越高，导电能力就越强。 水是一种无色透明的液体，也是光线的良导体。光在水中的传播速度为空气中的75%，所以光会在空气和水的交界面上产生折射，水的折射率为1.33。也正是由于光在水中的传播速度比在空气中的小，当以空气为界面的情况下，在水中的光可以产生全反射。 五、水的弹性及压缩性压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观体积减小，这种性质称为液体的压缩性。因为在压力释放时，被压缩的水的体积会相应的增加，所以水的压缩性也叫做水的弹性。在压强不大的条件下，水的压缩性可以忽略，相应水的密度和重度可视为常数。 只有当压强变化很大而又非常迅速时，才考虑压缩性。如输水管路中的水击现象，就必须考虑水的压缩性，否则，将会导致错误的结果。一般情况下，水看作是不可压缩的液体。 六、水的光电性质纯水具有极微弱的导电能力；但是自然界中的水是含有多种电解质的溶液，所以是良好的电导体。自然界水的导电能力受水中含盐量多少的影响，其含盐量越高，导电能力就越强。 水是一种无色透明的液体，也是光线的良导体。光在水中的传播速度为空气中的75%，所以光会在空气和水的交界面上产生折射，水的折射率为1.33。也正是由于光在水中的传播速度比在空气中的小，当以空气为界面的情况下，在水中的光可以产生全反射。 八、重水和它的物理性质氢和氧的同位素 核工业的发展以及新技术的建立，重水已成为广泛应用、大量生产的化学物质。因此，人们非常关注重水的特性和生物效应。相比虽多了2个中子，性质却有显著的不同。D2O的蒸发热、沸点、表面张力、粘度及密度等都比H2O高，这反映D2O分子间力比H2O强。但是D2O的离子积比H2O小得多，这表示从-OH上解离出H+比从-OD上解离出D+容易。 第四节水的化学性质水分子中氧原子具有比氢原子大得多的电负性，所以水分子中的两个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。由于这个特点，使水的代表分子极性大小的介电常数和偶极矩这两个物理参数比其他溶剂大。从而成为自然界中溶解能力很强的溶剂，可以溶解绝大多数生物分子（蛋白质、核酸等）和无机盐。水中还含有大量溶解的空气，水中生物的生活就是依靠溶解在水中的氧气。 一、水的热稳定性在常温常压下水是化学稳定的。水能在很宽的温度范围内广泛应用的基本条件。二、水的电离水的许多特性都是缘于水的电离。通过对化学纯的水进行测定，水具有极微弱的导电性。说明水是一个弱电解质，它可以产生极微弱的电离，水的电离反应式可表示为： 三、水合作用水中的正、负离子，以静电引力或通过配位键与水分子结合的作用，称为水合作用。水分子是个极性分子，当水分子遇到极性化合物或离子化合物的正负离子时，水的偶极子将和这些化合物的正负端或离子间产生相互吸引，于是发生水合作用，形成具有一定数目的配位水分子的水合离子 水合作用是放热过程，而拆散固体电解质中正、负离子的结合，是要消耗能量的吸热过程，整个溶解的热效应取决于上述两种过程能量变化的代数和。 四、水解作用水在某些条件下能够分解成两个离子，带正电的阳离子和带负电的阴离子，带负电的阴离子又称羟基。水不仅能够自身分解，还能使溶解在水中并与水的离子化合而进行置换反应的其他物质也分解，这一作用叫做水解。无机盐的水解，可以理解为都是它们与水结合促使水解离。 由于反应物本身的酸碱性不同，所以水解生成物也不相同，如肥皂的制造是以动植物的脂肪加水分解而进行的。脂肪是复杂的化合物，但如果有触媒之类的特殊物质参加，与水作用时就能分解为脂肪酸和丙三醇（甘油）。脂肪酸（如硬脂酸和油酸类的酸）与苛性硝、苛性钾作用，就会形成肥皂——硬脂酸钠。 肥皂用于洗净时，进行如下水解：硬脂酸是弱酸，而苛性碱是强碱，故其生成物呈碱性；硬脂酸是易于亲水的“亲水基”，当它与油污易于相亲的“亲油基”相遇时，使包住油污的亲油基从附着物上解脱出来，从而使污物得以洗净。氯的漂白性质也可以用水解来解释。 从广义上说水解是指水被分解的反应及氧化物与水的反应，有的为氧化还原反应，有的为非氧化还原反应。狭义水解反应指的是一些盐类或二元化合物的非氧化的分解水的反应， 五、水的几个主要化学指标（一）酸碱性（PH值） （二）溶解度和溶度积溶解度是指一定温度下饱和溶液中的电解质含量，通常用mg/l或g/l来表示。在一定温度下，难溶电解质饱和溶液中离子浓度（相应化合价方次）的乘积为一个常数，该常数叫做难溶电解质的溶度积。它们都是表征电解质在水中的可溶解程度的指标。如果溶液中电解质含量大于溶解度或电解质的浓度含量使之浓度积大于其溶度积，则该电解质会产生沉淀。 （三）水的硬度水的硬度是指水中含有的钙、镁、锰离子的数量。硬度单位为mg/l（以CaCO3计）。水的硬度分为暂时硬度和永久硬度。前者是指水煮沸后能够发生沉淀的量，后者是指水煮沸后不能够沉淀的量。 （四）生化需氧量（BOD)生化需氧量指水中有机物经微生物分解所消耗的水中溶解的氧量，以mg/l表示。其值越高，说明水中需氧有机物越多，一般采用5日生化需氧量（BOD5）指标计量。 （五）化学需氧量(COD)指水中易被强氧化剂氧化的有机物消耗的氧化剂的量，以mg/l表示。它是衡量水中有机物相对含量的重要指标，是评价天然水质、污水处理效果的主要指标。 第五节水的动力学性质一、基本概念稳定流、非稳定流：水体运动可分为稳定流与非稳定流两类。若流场中所有空间点上一切运动要素都不随时间改变，这种流动称为稳定流。否则，就叫做非稳定流。 流线(streamline)与迹线（trace）迹线：液体质点在所运动的空间中所走的轨迹流线：流场中绘出的一条曲线，在同一瞬时，处在流线上所有各点的液体质点的流速方向与各该点曲线上的切线方向重合流线的基本特征①恒定流时流线与迹线重合，非恒定流时一般不重合②流线不能相交，但节点(nodalpoint)和驻点(stagnationpoint)除外。 管流、元流、总流、过水断面、流量和断面平均流速1、管流(pipeflow)：在流场中取一条与流线不重合的微小的封闭曲线，在同一时刻，通过这条曲线上的各点做流线，由这些流线所构成的管状封闭曲面2、元流(filament)：充满在流管中的液流3、总流(totalflow)：由无数元流组成的总股水流4、过水断面(flowcrosssection)：与总流或元流流向相垂直的横断面5、流量(volumeflow)：单位时间内通过过水断面的液体体积。6、断面平均流速(averagevelocityofflowcrosssection) 均匀流(uniformflow)和非均匀流(non-uniformflow)均匀流：①定义：总流中沿同一流线各点流速矢量相同②性质：1流线相互平行；2过水断面是平面；3沿流程过水断面形状和大小不变，流速分布图相同非均匀流：沿同一根流线各点流速向量不同