第二節(jié) 天然水的組成與性質(zhì)

一、水的基本性質(zhì)

1.水的分子結(jié)構(gòu)

水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子通過(guò)共價(jià)鍵鍵合所形成。通過(guò)對(duì)水分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定分析，兩個(gè)O—H鍵之間的夾角為104.5°，H—O鍵的鍵長(zhǎng)為96pm。由于氧原子的電負(fù)性大于氫原子，O—H的成鍵電子對(duì)更趨向于氧原子而偏離氫原子，從而氧原子的電子云密度大于氫原子，使得水分子具有較大的偶極矩（μ=1.84D），是一種極性分子。水分子的這種性質(zhì)使得自然界中具有極性的化合物容易溶解在水中。水分子中氧原子的電負(fù)性大，O—H的偶極矩大，使得氫原子帶部分正電荷，可以把另一個(gè)水分子中的氧原子吸引到很近的距離形成氫鍵。水分子間氫鍵鍵能為18.81kJ/mol，約為O—H共價(jià)鍵的1/20。氫鍵的存在，增強(qiáng)了水分子之間的作用力。冰融化成水或者水汽化生成水蒸氣，都需要環(huán)境中吸收能量來(lái)破壞氫鍵［1］。

2.水的物理性質(zhì)

水是一種無(wú)色、無(wú)味、透明的液體，主要以液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)三種形式存在。水本身也是良好的溶劑，大部分無(wú)機(jī)化合物可溶于水。由于水分子之間氫鍵的存在，使水具有許多不同于其他液體的物理、化學(xué)性質(zhì)，從而決定了水在人類生命過(guò)程和生活環(huán)境中無(wú)可替代的作用［1，2］。

（1）凝固（熔）點(diǎn)和沸點(diǎn)。

在常壓條件下，水的凝固點(diǎn)為0℃，沸點(diǎn)為100℃。水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)與同一主族元素的其他氫化物熔、沸點(diǎn)的遞變規(guī)律不相符，這是由于水分子間存在氫鍵的作用。水的分子間形成的氫鍵會(huì)使物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)升高，這是因?yàn)楣腆w熔化或液體汽化時(shí)必須破壞分子間的氫鍵，從而需要消耗較多能量的緣故。水的沸點(diǎn)會(huì)隨著大氣壓力的增加而升高，而水的凝固點(diǎn)隨著壓力的增加而降低。

（2）密度。

在大氣壓條件下，水的密度在4℃時(shí)最大，為1×103kg/m3，溫度高于4℃時(shí)，水的密度隨溫度升高而減小，在0～4℃時(shí)，密度隨溫度的升高而增加。

水分子之間能通過(guò)氫鍵作用發(fā)生締合現(xiàn)象。水分子的締合作用是一種放熱過(guò)程，溫度降低，水分子之間的締合程度增大。當(dāng)溫度≤0℃，水以固態(tài)的冰的形式存在時(shí)，水分子締合在一起成為一個(gè)大的分子，如圖3-1所示。冰晶體中，水分子中的氧原子周圍有四個(gè)氫原子，水分子之間構(gòu)成了一個(gè)四面體狀的骨架結(jié)構(gòu)。冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。當(dāng)冰從環(huán)境中吸收熱量，熔化生成水時(shí)，冰晶體中一部分氫鍵開(kāi)始發(fā)生斷裂，晶體結(jié)構(gòu)崩潰，體積減小，密度增大。當(dāng)進(jìn)一步升高溫度時(shí)，水分子間的氫鍵被進(jìn)一步破壞，體積進(jìn)而繼續(xù)減小，使得密度增大；同時(shí)，溫度的升高增加了水分子的動(dòng)能，分子振動(dòng)加劇，水具有體積增加而密度減小的趨勢(shì)。在這兩種因素的作用下，水的密度在4℃時(shí)最大。

水的這種反常的膨脹性質(zhì)對(duì)水生生物的生存發(fā)揮了重要的作用。因?yàn)楹涞亩荆用娴臏囟瓤梢越档偷奖c(diǎn)或者更低，這是無(wú)法適合動(dòng)植物生存的。當(dāng)水結(jié)冰的時(shí)候，冰的密度小，浮在水面，4℃的水由于密度最大，而沉降到河底或者湖底，可以保障水下生物的生存。而當(dāng)天暖的時(shí)候，冰在上面，也是最先熔化。

（3）高比熱容、高汽化熱。水的比熱容為4.18×103J/（kg·K），是常見(jiàn)液體和固體中最大的。水的汽化熱也極高，在20℃下為2.4×103（kJ/kg）。正是由于這種高比熱容、高汽化熱的特性，地球上的海洋、湖泊、河流等水體白天吸收到達(dá)地表的太陽(yáng)光熱能，夜晚又將熱能釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化，使地表溫度長(zhǎng)期保持在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍內(nèi)。通常生產(chǎn)上使用水做傳熱介質(zhì)，除了它分布廣外，主要是利用水的高比熱容的特性。

（4）高介電常數(shù)。

水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，可使大多數(shù)蛋白質(zhì)、核酸和無(wú)機(jī)鹽能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離，這對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生物體內(nèi)各種生化反應(yīng)的進(jìn)行具有重要意義。

（5）水的依數(shù)性。

水的稀溶液中，由于溶質(zhì)微粒數(shù)與水分子數(shù)的比值的變化，會(huì)導(dǎo)致水溶液的蒸汽壓、凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)和滲透壓發(fā)生變化。

（6）透光性。

水是無(wú)色透明的，太陽(yáng)光中可見(jiàn)光和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紫外光部分可以透過(guò)，使水生植物光合作用所需的光能夠到達(dá)水面以下的一定深度，而對(duì)生物體有害的短波遠(yuǎn)紫外光則幾乎不能通過(guò)。這在地球上生命的產(chǎn)生和進(jìn)化過(guò)程中起到了關(guān)鍵性的作用，對(duì)生活在水中的各種生物具有至關(guān)重要的意義。

3.水的化學(xué)性質(zhì)

（1）水的化學(xué)穩(wěn)定性。

在常溫常壓下，水是化學(xué)穩(wěn)定的，很難分解產(chǎn)生氫氣和氧氣。在高溫和催化劑存在的條件下，水會(huì)發(fā)生分解，同時(shí)電解也是水分解的一種常用方式。水在直流電作用下，分解生成氫氣和氧氣，工業(yè)上用此法制純氫和純氧。

（2）水合作用。

溶于水的離子和極性分子能夠與水分子發(fā)生水合作用，相互結(jié)合，生成水合離子或者水合分子。這一過(guò)程屬于放熱過(guò)程。水合作用是物質(zhì)溶于水時(shí)必然發(fā)生的一個(gè)化學(xué)過(guò)程，只是不同的物質(zhì)水合作用方式和結(jié)果不同。

（3）水的電離。

水能夠發(fā)生微弱的電離，產(chǎn)生H+和HO-。水的離子積常數(shù)Kw=10-14（25℃），所以純凈水的pH值理論上為7，天然水體的pH值一般為6～9。水體中同時(shí)存在 H+和HO-，呈現(xiàn)出兩性物質(zhì)的特性。

（4）水解反應(yīng)。

物質(zhì)溶于水所形成的金屬離子或者弱酸根離子能夠與水發(fā)生水解反應(yīng)，如式（3-1）～式（3-5）所示。弱酸根離子發(fā)生水解反應(yīng)，生成相應(yīng)的共軛酸。金屬離子發(fā)生水解反應(yīng)生成一些列羥基配位的金屬絡(luò)合物。

二、天然水的性質(zhì)

（一）天然水的組成

天然水在形成和遷移的過(guò)程中與許多具有一定溶解性的物質(zhì)相接觸，由于溶解和交換作用，使得天然水體富含有各種化學(xué)組分。天然水體所含有的物質(zhì)主要包括無(wú)機(jī)離子、溶解性氣體、微量元素、水生生物、有機(jī)物以及泥沙和黏土等［1，4，5］。

1.天然水中的主要離子

天然水體中常見(jiàn)的離子為Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-、。它們的含量占天然水離子總量的95%～99%以上［1］。

重碳酸根離子和碳酸根離子在天然水體中的分布很廣，幾乎所有水體都有它的存在，主要來(lái)源于碳酸鹽礦物的溶解。一般河水與湖水中超過(guò)250mg/L，在地下水中的含量略高。造成這種現(xiàn)象的原因在于在水中如果要保持大量的重碳酸根離子，則必須要有大量的二氧化碳，而空氣中二氧化碳的分壓很小、二氧化碳很容易從水中逸出。

天然水中的氯離子是水體中常見(jiàn)的一種陰離子，主要來(lái)源于火成巖的風(fēng)化產(chǎn)物和蒸發(fā)鹽礦物。它在水中有廣泛分布，在水中含量變化范圍很大，一般河流和湖泊中含量很小，要用mg/L來(lái)表示。但隨著水礦化度的增加，氯離子的含量也在增加，在海水以及部分鹽湖中，氯離子含量達(dá)到十幾g/L以上，而且成為主要陰離子。

硫酸根離子是天然水中重要的陰離子，主要來(lái)源于石膏的溶解、自然硫的氧化、硫化物的氧化、火山噴發(fā)產(chǎn)物、含硫植物及動(dòng)物體的分解和氧化。硫酸根離子分布在各種水體中，河水中硫酸根離子含量在0.8～199mg/L之間；大多數(shù)的淡水湖泊，其硫酸根離子含量比河水中含量高；在干旱地區(qū)的地表水及地下水中，硫酸根離子的含量往往可達(dá)到幾g/L；海水中硫酸根離子含量為2～3g/L；而在海洋的深部，由于還原作用，硫酸根離子有時(shí)甚至不存在。硫酸鹽含量不高時(shí)，對(duì)人體健康幾乎沒(méi)有影響，但是當(dāng)含量超過(guò)250mg/L時(shí)，有致瀉作用，同時(shí)高濃度的硫酸鹽會(huì)使水有微苦澀味，因此，國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飲用水中的硫酸鹽含量不超過(guò)250mg/L。

鈣離子是大多數(shù)天然淡水的主要陽(yáng)離子。鈣廣泛地分布于巖石中，沉積巖中方解石（CaCO3）、石膏（CaSO4·2H2O）和螢石的溶解是鈣離子的主要來(lái)源。河水中的鈣離子含量一般為20mg/L左右。鎂離子主要來(lái)自白云巖以及其他巖石的風(fēng)化產(chǎn)物的溶解，大多數(shù)天然水中鎂離子的含量在1～40mg/L，一般很少有以鎂離子為主要陽(yáng)離子的天然水。通常在淡水中的陽(yáng)離子以鈣離子為主，在咸水中則以鈉離子為主。水中的鈣離子和鎂離子的總量稱為水體的總硬度。硬度的單位為度，硬度為1度的水體相當(dāng)于含有10mg/L的CaO。根據(jù)水體硬度的大小，可以根據(jù)表3-1中的標(biāo)準(zhǔn)將水體的硬度分為若干級(jí)。水體過(guò)軟時(shí)，會(huì)引起或加劇身體骨骼的某些疾病，因此，水體中適當(dāng)?shù)拟}含量是人類生活不可或缺的。但水體的硬度過(guò)高時(shí)，飲用會(huì)引起人體的腸胃不適，同時(shí)也不利于人們生活中的洗滌和烹飪；當(dāng)高硬度水用于鍋爐時(shí)，會(huì)在鍋爐的內(nèi)壁結(jié)成水垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸，所以高硬度水用于工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)該進(jìn)行必要的軟化處理。

鈉離子主要來(lái)自火成巖的風(fēng)化產(chǎn)物，天然水中的含量在1～500mg/L范圍內(nèi)變化。含鈉鹽過(guò)高的水體用于灌溉時(shí)，會(huì)造成土壤的鹽漬化，危害農(nóng)作物的生長(zhǎng)。同時(shí)，鈉離子具有固定水分的作用，高血壓病人和浮腫病人需要限制鈉鹽的攝取量。鉀離子主要分布于酸性巖漿巖及石英巖中，在天然水中的含量要遠(yuǎn)低于鈉離子。在大多數(shù)飲用水中，鉀離子的含量一般小于20mg/L；而某些溶解性固體含量高的水和溫泉中，鉀離子的含量可高達(dá)到100～1000mg/L。

2.溶解性氣體

天然水體中的溶解性氣體主要有氧氣、二氧化碳、硫化氫等。

天然水中的溶解性氧氣主要來(lái)自大氣的復(fù)氧作用和水生植物的光合作用。溶解在水體中的分子氧稱為溶解氧（Dissolved oxygen，DO），溶解氧在天然水中起著非常重要的作用。水中動(dòng)植物及微生物需要溶解氧來(lái)維持生命，同時(shí)溶解氧是水體中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的主要氧化劑，此外水體中有機(jī)物的分解也是好氧微生物在溶解氧的參與下進(jìn)行的。水體的溶解氧是一項(xiàng)重要的水質(zhì)參數(shù)，對(duì)分析水體污染和水體自凈有著重要的實(shí)際意義。溶解氧的數(shù)值不僅受大氣復(fù)氧速率和水生植物的光合速率影響，還受水體中微生物代謝有機(jī)污染物的速率影響。當(dāng)水體中可降解的有機(jī)污染物濃度不是很高時(shí)，好氧細(xì)菌消耗溶解氧分解有機(jī)物，溶解氧的數(shù)值降低到一定程度后不再下降；而當(dāng)水體中可降解的有機(jī)污染物較高，超出了水體自然凈化的能力時(shí)，水體中的溶解氧可能會(huì)被耗盡，厭氧細(xì)菌的分解作用占主導(dǎo)地位，從而產(chǎn)生臭味。

天然水中的二氧化碳主要來(lái)自水生動(dòng)植物的呼吸作用。從空氣中獲取的二氧化碳幾乎只發(fā)生在海洋中，陸地上的水體很少?gòu)目諝庵蝎@取二氧化碳，因?yàn)殛懙厮械亩趸己拷?jīng)常超過(guò)它與空氣中二氧化碳保持平衡時(shí)的含量，水中的二氧化碳會(huì)逸出。河流和湖泊中二氧化碳的含量一般不超過(guò)20～30mg/L。

天然水中的硫化氫來(lái)自水體底層中各種生物殘骸腐爛過(guò)程中含硫蛋白質(zhì)的分解，水中的無(wú)機(jī)硫化物或硫酸鹽在缺氧條件下，也可還原成硫化氫。一般來(lái)說(shuō)硫化氫位于水體的底層，當(dāng)水體受到擾動(dòng)時(shí)，硫化氫氣體就會(huì)從水體中逸出。當(dāng)水體中的硫化氫含量達(dá)到10mg/L時(shí)，水體就會(huì)發(fā)出難聞的臭味。

3.微量元素

所謂微量元素是指在水中含量小于0.1%的元素。在這些微量元素中比較重要的有鹵素（氟、溴、碘）、重金屬（銅、鋅、鉛、鈷、鎳、鈦、汞、鎘）和放射性元素等。盡管微量元素的含量很低，但與人的生存和健康息息相關(guān)，對(duì)人的生命起至關(guān)重要的作用。它們的攝入過(guò)量、不足、不平衡或缺乏都會(huì)不同程度地引起人體生理的異常或發(fā)生疾病。

4.水生生物

天然水體中的水生生物種類繁多，有微生物、藻類以及水生高等植物、各種無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物。水體中的微生物是包括細(xì)菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動(dòng)物、微藻類等在內(nèi)的一大類生物群體，它個(gè)體微小，卻與水體凈化能力關(guān)系密切。微生物通過(guò)自身的代謝作用（異化作用和同化作用）使水中懸浮和溶解在水里的有機(jī)物污染物分解成簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物二氧化碳。水體中的藻類和高級(jí)水生植物通過(guò)吸附、利用和濃縮作用去除或者降低水體中的重金屬元素和水體中的氮、磷元素。生活在水中的較高級(jí)動(dòng)物如魚(yú)類，對(duì)水體的化學(xué)性質(zhì)影響較小，但是水質(zhì)對(duì)魚(yú)類的生存影響卻很大。

5.有機(jī)物

天然水體的有機(jī)物主要來(lái)源于水體和土壤中的生物的分泌物和生物殘?bào)w以及人類生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污水，包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪酸、色素、纖維素、腐殖質(zhì)等。水中的可降解有機(jī)物的含量較高時(shí)，有機(jī)物的降解過(guò)程中會(huì)消耗大量的溶解氧，導(dǎo)致水體腐敗變臭。當(dāng)飲用水源水有機(jī)物含量比較高時(shí)，會(huì)降低水處理工藝的處理效果，并且會(huì)增加消毒副產(chǎn)物的生成量。

（二）天然水的分類

天然水體在形成和遷移的過(guò)程中不斷的與周圍環(huán)境相互作用，其化學(xué)成分組成也多種多樣，這就需要采用某種方式對(duì)水體進(jìn)行分類，從而反映天然水體水質(zhì)的形成和演化過(guò)程，為水資源的評(píng)價(jià)、利用和保護(hù)提供依據(jù)。下面介紹蘇聯(lián)學(xué)者O.A.阿列金提出的兩種常用分類方法［5］。

1.按水體中的總鹽量分類

按水體中的總鹽量對(duì)水體進(jìn)行分類如表3-2所示。在這種分類法中，把淡水的總含鹽量范圍確定在1.0g/kg之內(nèi)，是基于人的感覺(jué)。當(dāng)水的總鹽量大于該值時(shí)便具有咸味；微咸水與咸水的總含鹽量界線確定為25g/kg，是因?yàn)樵谠摽傷}量下，水的凍結(jié)溫度與其最大密度時(shí)的溫度相同；咸水與鹽水的界線為50g/kg，則是根據(jù)海水中還未出現(xiàn)過(guò)總鹽量大于該值的情況來(lái)確定的。

2.按水體中主要無(wú)機(jī)離子分類

這種分類方法所涉及的三類陽(yáng)離子是Ca2+、Mg2+、Na++K+，三類陰離子是、Cl-、。首先按照含量最多的陰離子將水體分為三類：重碳酸鹽類）、硫酸鹽類、氯化物類（Cl-），并分別用C、S、Cl三種符號(hào)表示。然后按照含量最多的陽(yáng)離子把每類水體再進(jìn)一步劃分為三組，即鈣組（Ca2+）、鎂組（Mg2+）、和鈉組（Na+）。最后按陰離子和陽(yáng)離子間的相對(duì)關(guān)系，把各組分為4種水型。

Ⅰ型是低礦化水體，主要是含有大量Na+和K+的水體，水中含有相當(dāng)數(shù)量的Na HCO3；Ⅱ型是低礦化水體和中礦化水體，河水、湖水和地下水都屬于這種類型；Ⅲ型水體有很高的礦化度，海洋水和海灣水及高礦化度的地下水屬于這一類型；Ⅳ型水體屬于酸性水體，其特點(diǎn)是沒(méi)有，酸性沼澤水和硫化礦床水體屬于這一類水體。另外，在硫酸鹽和氯化物的鈣組和鎂組中不可能出現(xiàn)Ⅰ型水，只能由Ⅳ型水代替，這樣天然水體根據(jù)該類劃分方法可以分為27種類型的水體，見(jiàn)表3-3。