天然水的理化特性概要

三、水的异常特性1相对较高的溶点（0℃）和沸点（100℃）2温度-体积效应异常在3.98℃时，水的密度最大，高于或低于这一温度时其密度都较小。因此，当水凝结成冰时，体积膨胀而变轻，固态的水（冰）的密度小于液态水。这一性质有重大的生物学意义，因为冬季自然水体结冰时，冰浮于水面，从而保护了数以万计的水下生物物种的生存。3热容量大在所有的固体和液体中，水具有最大的比热。因此在范围较大的天然水体中可以调节气温，使其变化幅度不致于过大。水的溶解热和蒸发热也很大，这使冰在融化过程中温度保持在冰点，而当水沸腾时，温度保持在沸点。这是水的特有现象。4溶解及反应能力较强由于水分子的极性强，因此物质在水中，可以通过静电引力或配位键与水分子结合，是性能优良的溶剂，特别是对固体电解质的溶解。水可以同溶质发生各种反应，如金属氧化物、非金属氧化物以及活泼金属等。5是弱的电解质在常温下水微弱地电离，是一切化学反应十分理想的介质。6具有很大的表面张力在常温下的所有液体中，水的表面张力仅次于汞，有很强的毛细、润湿和吸附作用，这对于陆地及水域的生物均具有重大意义。第3节天然水的主要理化性质天然水与纯水的区别：（1）由于水具有较强的溶解和反应能力，所以天然水都是一种溶液。例如海水是含有2.5-3.7%盐分的中等浓度的强电解质溶液。（2）溶质与水结合后，在一定程度上会改变水的结构。（3）天然水中存在种类繁多的水生生物和组成结构复杂的无机悬浮物。一、天然水的含盐量和海水盐度大多数淡水，盐分一般包括4种阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）和4种阴离子（HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-）；海水中除上述离子外，还包括Sr2+(锶)、Br-(溴)、F-、H3BO3（H2BO3-）(硼)等。1、天然水的总含盐量指天然水中含有可溶性无机盐为主的物质总量，以∑S表示，是判定天然水性质的依据。含盐量与水的许多其他性质有关，如化学成分的含量、密度、比重、导电性、对光的折射、对声波的传播等。含盐量也影响天然水的生态学性质和水的可利用价值，是天然水的一项重要水质指标。（1）离子总量天然水中主要离子成份含量总和占总含盐量的99.9%以上，因此天然水中离子总量可近似表示总含盐量：∑S=∑Ci，Ci代表i离子的浓度，常用mg/L、mmol/L（淡水）或g/kg、mmol/kg（海水）表示。（2）总溶解固体（TDS，矿化度）?????总溶解固体是水中溶解成分（包括离子、分子、化合物、配合物，不含悬浮物和气体）的总量，是反映水中含盐量的一个指标。TDS的测定通常采用105～110℃蒸干后称重的方法。可依据TDS对地下水质进行划分：TDS1g/L为淡水；TDS1~3g/L为微咸水；TDS3~10g/L为咸水；TDS10~50g/L为盐水；TDS50g/L为淡水?.2、海水的盐度盐度：反映海水含盐量的指标，指1kg海水中的溴和碘全部被等当量的氯置换，而且所有碳酸盐都转换为氧化物，所有的有机物均已氧化之后的全体固体物质的总克数，单位g/kg，用符号S‰或S表示。氯度（1902年）：1kg海水中的溴和碘由等当量的氯置换之后所含有的氯的克数。单位是g/kg，用符号Cl‰或Cl表示。氯度（1940年）：沉淀0.3285234kg海水中全部卤素(氟氯溴碘砹)离子所需纯标准银(原子量银)的克数。盐度和氯度的关系：S‰=1.80655Cl‰海水盐度和总含盐量：海水的盐度值略低于总含盐量，∑S与氯度（Cl‰）及盐度（S‰）的关系分别为：∑S=1.81578Cl‰(g/kg)∑S=1.005109S‰(g/kg)“海水组成的恒定性原理”（第6章）3、含盐量对水产养殖的影响原因：天然水的含盐量相差悬殊；水生生物对水的含盐量有一定的适应范围，不同种类生物的适应范围不同。（1）对淡水鱼的影响淡水鱼类只能生活在含适量盐分的水中，不同鱼类或同一种鱼类的不同生长阶段所能适应的含盐量的范围是不同的。例如，鲢、鳙鱼苗的耐盐上限为2.5g/L左右；鲢鱼的仔鱼期为5～6g/L，成鱼约为8～10g/L，草鱼耐盐性较鲢鱼强，草鱼的仔鱼期耐盐上限为6～8g/L，成鱼为10～12g/L；鳟鱼成鱼的耐盐限度可达30g/L。几种淡水鱼的耐盐能力次序为：草鱼团头鲂鲢。（2）对海水水产生物的影响海水鱼在盐度过低的水中会死亡。但是有一类广盐性生物，对渗透压的调节能力很强，可经过驯化适应含盐量不同的水。例如,罗非鱼本来生长在淡水的种类可以在海水中生长；花鲈、美国红鱼、中国对虾等本来生活在海水中，可以在接近淡水的水中生长；河蟹则要在海水中产卵、孵化、发育，到大眼幼体后，到淡水中变成仔蟹、生长、成熟。（3）盐分组成对水产生物的影响鱼的耐盐限度同盐分的组成有关。如含HCO3-、CO32-较多的水，含K+较多的水，许多生物及鱼的盐度耐受极限显著降低。河蟹与罗氏沼虾育苗是在海水中进行。为防病害，常用盐卤或地下水配制人工海水，这时不仅要满足总盐量的要求，还需使Ca2+、Mg2+离子含量符合下列要求：河蟹：Ca2+484～816mg/L，Mg2+178～340mg/L；罗氏沼虾：Ca2+300～440mg/L，Mg2+170～244mg/L。3、透明度透明度常用来反映可见光在水中的衰减状况。清澈的海水与湖水，透明度可达十多米；透明度小的池水只有20～30cm；浑浊的黄河水，透明度只有1～2cm。一般认为，在透明度深处的照度，只有表层照度的15%左右。4、补偿深度补偿深度：是指有机物的分解速率等于合成速率的水层深度。约位于透明度的2～2.5倍深处。与日变化、天气状况、水温和藻类组成等因素有关。真光层：又称营养生成层，指光照充足，光合作用速率大于呼吸作用速率的水层。在这水层中植物光合作用合成的有机物多于呼吸作用消耗的有机物，有机物的净合成大于零。营养分解层：光照不足，光合作用速率小于呼吸作用速率的水层，这一水层的植物不能正常生活，有机物的分解速率大于合成速率。三、天然水的依数性稀溶液的依数性：是指稀溶液蒸气压下降（Δp），沸点上升（Δtb），冰点下降（Δtf）值都与溶液中溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。对于海水，“含盐量越大，水的蒸气压降低，沸点上升和冰点下降的量也越大”的这一性质是成立的。四、天然水的电导率纯水的导电性小。天然水的导电能力主要是由水中溶解的电解质电离的离子贡献的。在水化学中常用电导法测定天然水的总含盐量及海水盐度。1、天然淡水的电导率天然淡水的导电率与水中离子总量（正比）、离子的种类以及温度（正比）有关。同一盐度的海水，温度每升高1°C，电导率增加2.2%；天然淡水的电导率变化于50-500μs/cm；高矿化度水体可达500-1000μs/cm。2、海水的电导率在1个大气压下，在海洋温度范围内，海水的电导率与盐度成正比例；同一盐度的海水，0°C时温度每增加1°C，电导率增加3%，20°C时温度每增加1°C，电导率增加2%。盐度温度65432151015202540%30%20%10%3、海水电导率与盐度的关系1982年定义海水盐度为：S=∑aiR15i/2（i=0-5）S为海水的实用盐度；R15是在15°C和1标准大气压下，海水样品的电导率和质量比为0.0324356的KCl溶液的电导率的比值。a0=0.0080；a1=-0.1692；a2=25.3851；a3=14.0941；a4=-7.0261；a5=2.7081天然水的电导率除用于研究水体的∑S和S‰外，还用于研究水生生物的呼吸作用及光合作用等生物化学过程。五、电解质水溶液中的离子（略）天然水中的溶质大多为强电解质，在水中以离子形式存在，因此需研究水溶液中的离子状态。1、溶质离子对液态水结构的影响溶剂化作用；电解质溶液中，溶质离子与溶剂分子之间剧烈的相互作用。水合作用的概念与举例。A区域：水分子在离子附近定向的区域B区域：水结构达到破坏的区域C区域：保持水构造的区域+ABC电缚水分子离子半径越小、离子电荷越高，A区域就越厚，B区域反而有变小的趋势。促成结构离子：离子半径小，A区域大，B区域小，从整体上看，离子周围的结构是明确的，这样的离子称为促成结构离子。如Mg2+、Na+、SO42-等；破坏结构离子：离子半径大，A区域小，B区域大，破坏了水的结构，这样的离子称为破坏结构离子。如K+、Cl-对结构稍有破坏性，NO2-、ClO4-等大离子属于强的破坏结构离子。2、离子间的相互作用水溶液中，离子间存在库仑力。天然淡水中，离子间距离大，库仑力小，离子分布无秩序；浓溶液（如海水）中，离子距离小，已经（部分已经）秩序化了。天然淡水属于稀溶液的范畴，具有普通水结构的水分子较多；而海水中离子浓度高，具普通水结构的水分子少。如盐度为35‰的1kg海水中，仅有1/3的水分子具有普通水的结构。六、离子活度和离子强度（简）天然水是强电解质溶液，在静电作用力的影响下，每一个中心离子（溶液中的任何离子都可以被当作中心离子）表观上被异号离子所包围，形成了离子氛。在溶液中，中心粒子的运动必然会受到其周围离子氛中异号粒子的吸引，使它的运动受到牵制。研究发现：对这种牵制作用产生影响的因素包括溶液中各种离子的浓度以及溶液中全部离子电荷所形成的静电场的强度有关。1、离子活度由于离子氛的存在，溶液中离子的活动性有所降低。此时如果用溶液中离子的浓度代入有关化学平衡的基本公式中进行计算，其所得结果与实验结果就会出现很大偏差。为了使计算结果与实验结果相符，必须对溶液中离子的浓度进行校正。而校正后的浓度称为离子的有效浓度，又称离子的活度（α）。离子的活度α等于离子的真实浓度c乘以校正系数γ。一般情况下γ1。单种离子活度与活度系数是无法测定的。通过实验只能测定电解质的平均离子活度与平均离子活度系数。单种离子的活度与活度系数是利用一些假设条件计算的，比如KCl中的K+与Cl-电子层结构与离子半径很接近，可假设它们的活度相等，活度系数也相等，这样就有了单种离子的活度系数。α±NaCl2=αNa。αClγ±NaCl2=γNa。γCl2、离子强度在溶液中，中心离子的运动不仅受到溶液离子活度的影响，各种离子的离子价对中心离子的运动也有影响。根据这一特性，提出了电解质溶液离子强度的概念，其定义式为：I=1/2∑（CiZi2）式中：I为溶液的离子强度；Ci为溶液中第i种离子的浓度；Zi为其离子价。概念：离子氛、离子活度、离子强度离子强度：是某一溶液的整体特征值，代表了全部离子的浓度和电荷值两种因素，综合地反映出溶液中各种离子对其中一种离子的活度产生影响的强弱程度。在实际应用中多采用经验公式近似计算离子强度，如对于天然淡水：I=2.5。10-5∑S式中：∑S表示天然淡水的离子总量（mg/L）海水离子强度的经验公式为：I=0.0193。S‰，式中：S‰表示盐度水分子的结构特点及其对水分子性质的影响（中学常识，不作大学重点）1.水的异常特性2.天然水的含盐量、盐度、氯度3.补偿深度的概念及其与透明度的关系4.什么是天然水的依数性5.电导率、离子的活度和离子强度6.天然水主要理化性质对水生生物的影响本章主要内容和要求