水文地球化学基础知识

《水文地球化学基础知识》——（绝对一个字一个字打出来的，正版资料！）名词解释目录第一章水化学基础第一节溶解平衡......................................................................................................................3第二节碳酸平衡......................................................................................................................4第三节地下水中络合物的计算..............................................................................................4第四节氧化还原反应............................................................................................................5第二章地下水的化学成分的组成第一节天然水的组成..............................................................................................................6第二节天然水的化学特性......................................................................................................6第三节元素的水文地球化学特性..........................................................................................7第四节天然化学成分的综合指标（三种）..........................................................................7第五节地下水化学成分的数据处理......................................................................................7第三章地下水化学成分的形成与特征第一节地下水基本成因类型的概念....................................................................................7第二节渗入成因地下水化学成分的形成与特征................................................................8第三节沉积成因地下水化学成分的形成与特征................................................................8第四章水的地球化学循环第一节地下水圈的概念........................................................................................................8第二节地壳中水的地球化学循环........................................................................................9第三节成矿过程中水的地球化学循环................................................................................9第五章水文地球化学的应用第六章补充部分..................................................................................................................10第一章水化学基础第一节溶解平衡质量作用定律：一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关化学平衡与自由能体系：把所研究对象一个物体或一组相互作用的物体称为体系或系统，而体系（或系统）周围的其他物质称为环境。状态及状态参数：热力学状态分为平衡状态和非平衡状态。热力学平衡体系特性是由系列参数来表示当体系没有外界影响时，各状态参数若能保持长久不变，此体系称为热力学平衡状态。焓：它是一种化学反应向环境提供的热量总值。以符号“H”表示。在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的焓变化，称为“标准生成焓”。△Hr=△H(生成物)-△H（反应物）△Hr为正值，属吸热反应，△Hr为负值，属放热反应自由能：在热力学中，自由能的含义是指一个反应在恒温恒压下所能做的最大有用功，以符号“G”表示。在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的自由能变化，称为“标准生成自由能”，以“△Gf”表示△Gr=△G(生成物)-△G（反应物）△Gr为正值，反应在恒温恒压条件下不能自发进行，△Gr为负值，反应在恒温恒压条件下可以自发反应；△G=0，反应处于平衡状态。活度及活度系数为了保证计算的精确程度，就必须对水中组分的实测浓度加以校正，校正后的浓度为校正浓度，也就是活度。质量作用定律中，浓度是以活度表示的。活度是真实浓度（实测浓度）的函数，一般情况下，活度小于实测浓度。活度与实测浓度的函数表示式为:a=rmm为实测浓度（mol/L）,r为活度系数。活度系数随水中溶解固体（矿化度）增加而减小，但一般都小于1理想溶液：从理论上讲，溶液中离子之间或分子之间没有相互作用，这种溶液称为理想溶液。地下水中的溶解-沉淀全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物都是溶解组分，这种溶解反应称为全等反应；非全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物除溶解组分外，还有新生成的组分，这种反应称为非全等溶解溶度积：当难溶电解质溶于水而成饱和溶液时，溶液中同时存在的溶解离子和未溶解的固体。按质量作用定律，在给定的温压下，溶液中相应方次的离子的活度乘积是一个常数，称为平衡常数K，对于难溶盐来说，这个常数称为“容积度”，或者“溶度积常数”常用KSP表示。溶解度：在给定温压下，达到溶解平衡时，溶液中溶解物质的总量。在水文地球化学研究中，溶解度常用mg/L表示。同离子效应：一种矿物溶解于水溶液中，若水溶液中有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度就会降低，这种现象在化学上称为同离子效应。盐效应：矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含量水中的溶解度，这种含盐量升高使矿物溶解度增大的现象，在化学上称为盐效应。其主要原因是，水中含盐量升高，离子强度I也升高，而活度系数则降低。注：就对溶解度的影响而言，同离子效应大于盐效应。所以，在盐效应和同离子效应同时存在时，盐效应往往可忽略；如无同离子效应时，盐效应是应考虑的。饱和指数饱和指数是确定水与矿物出于何种状态的参数，以符号“SI”表示。一般来说，根据饱和指数值判断水与岩石、矿物的反应状态，对于地下淡水来说，还是很有用的。水质用来描述不同用途的水的物理、化学及生物化学性质的一个术语。第二节碳酸平衡电中性条件从宏观上讲，电解溶液的一个基本条件是电中性条件，即溶液中的正离子电荷总数等于负离子电荷总数。水及弱酸的离解纯水或含有其他溶质的水溶液中的水分子都会离解，其反应为：H2O=H++OH-按质量作用定律，达到离解平衡时可表达为：KW=式子中，KW是水的离解常数。在稀溶液中，水的活度为1。KW随温度而变化。地下水中的碳酸平衡地下水中的碳酸组成：游离碳酸H2CO3、重碳酸HCO3-、碳酸CO32-地下水系统中的碳酸平衡闭系统：该系统与大气没有co2交换，水与碳酸盐间的溶解反应所消耗的co2得不到补充，碳酸盐的溶解受到co2的控制，这种系统称为“闭系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较低，而pH值较高。开系统：该系统与大气有co2交换，水与碳酸盐间的溶解反应所消耗的co2不断得到补充，碳酸盐的溶解不受到co2的控制，这种系统称为“开系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较高，而pH值较底。第三节地下水中络合物的计算地下水中溶解组分的存在形式地下水溶解组分的存在形式有三种：（1）单一离子形式：eg:Ca2+/Mg2+/Na+/K+/Cl-/F-等；（2）络阴离子形式：eg:SO42-/CO32-/HCO3-/NO-等；（3）复杂络合物：它包括无机络合物和有机络合物主要七大离子：Cl-SO4-HCO3-Na+K+Ca2+Mg2+地下水中的络合物地下水络合物：由一中心离子（一般为金属阳离子）和其周围的配位体（一般为阴离子或中性成分）以配位键的方式集合在一起的复杂缔合物称为地下水络合物。这种离子可能带电可能不带电。地下水中长两组分的主要离子对：CaSO40/MgSO40/NaSO4-/KSO4-/CaHCO3+/MgHCO30/NaHCO30/CaCO30/MgCO30/NaCO3-地下水络合物的计算（具体计算形式详见课本p27）第四节氧化还原反应一、氧化还原反应基本原理半反应式：通常在化学反应式中电子转移和得失过程的反应式称半反应式；eg:O2+4H++4e=2H2O标准电极电位（标准氧化还原电位）：在标准状态下，金属与含有该金属离子且活度为1mol的溶液相接触的电位称为该金属的标准电极电位（由于标准电极电位表示物质氧化性及还原性的强弱，所以又称标准氧化还原电位），以符号E0表示，单位为V,每个半反应都有它的E0值。能斯特方程氧化还原电位（Eh）：在实际的系统中，参加氧化还原反应的组分其活度一般都不是1mol，则该反应达平衡是的电位称为氧化还原电位，单位为VEh值与E0值和参加组分的活度有关，表示这种关系的方程为能斯特方程Eh=E0+二、Eh-PH图的绘制Eh-PH图是以Eh为纵坐标，pH为横坐标，表示在一定的Eh值和PH值范围内，各种溶解组分及固体组份稳定场的图解，因此也称为稳定场图注：Eh-PH图在天然地下水系统中，只能预测水溶液在一定的Eh-PH范围内可能出现的溶解组分及固体类型，但不能预计其反应速率。Eh-PH图的局限性：（1）所有的Eh-PH图仅代表标态下的稳定场范围，而实际情况常常偏离标准状态；（2）野外实测的Eh值并不与某种金属离子严格相关；（3）Eh-PH图的绘制并未考虑离子强度及离子络合的影响。因此，Eh-PH图只是一种简化的理想模型。三、地下水中的氧化还原反应地下水中的主要氧化还原元素：铁、氮、硫、锰、铬（Cr）、砷(As)控制地下水系统氧化还原状态的因素：主要取决于通过循环进入该系统的氧量，以及通过细菌分解有机物所消耗的氧量，或氧化低价金属硫化物、含铁硅酸盐和碳酸盐所消耗的氧量。（进入的氧量=消耗的氧量，则为氧化状态；反之，则为还原状态）。影响地下水氧化还原状态的因素：1.包气带的性质及其透水性。2.含水层中有机物及其它还原剂的含量。3.地下水循环途径。地下水系统中，消耗氧的氧化还原反应，多半发生在地下水面以上的包气带里。只要包气带及含水层里有少量的有机物，水中的溶解氧很快被耗尽。在此过程中，微生物起到催化作用。第五节吸附作用吸附：吸附是固体表面反应的一种普遍现象。在液相与固相接触时，液相和固相表面之间常常产生物质交换，这种现象称为吸附。一、吸附种类和吸附机理物理吸附：其吸附的键联力为静电引力，键联力较弱，因此已吸附在颗粒表面的离子，在一定条件下，可悲液体中的另一种离子所替代，所以物理吸附也称为“离子交换”。化学吸附：被吸附的离子进入颗粒的结晶格架，成为晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一种不可逆反应。这种现象也成为“特殊吸附”。二