天然水的主要理化性质.ppt

第一节水的特性 在水分子的结构中 两个氢原子核排列成以氧原子核为顶的等腰三角形 从而使氧的一端带负电荷 氢的一核带正电荷 因此水分子是一个极性很强的分子 即氧的一端为负极 氢一的端为正极 由于水分子在正极一方有两个裸露的氢核 在负极一方有氧的两对孤对电子 这样就使每一个水分子都可以把自己的两个氢核交出与其他两个水分子共有 而同时氧的两对孤对电子又可以接受第三个 第四个氢核 使这五个水分子之间形成四个氢键 其中每一个外围分子又再与另外的分子继续生成氢键 这种现象称为水分子的缔合现象 所以水是单个分子H2O和 H2O n的混合物 H2O n称为水分子的集聚体或聚合物 H104 40H 1 水分子的结构 1 1冰的结构示意图 2 水的特性 1 水的状态水有三态 即固态 液态和汽态 在标准大气压下水的融点为0 沸点为100 2 水的密度 水的密度与温度关系和一般物质有些不同 一般物质的密度随温度上升而减小 而水的密度在3 98 时最大 为1g 高于或低于此温度时 水的密度都小于为1g 这通常是由水分子之间的缔合现象来解释 即在3 98 时 水分子缔合后的聚合物结构最密实 高于或低于3 98 时 水的聚合物结构比较疏松 3 水的比热容 几乎在所有的液体和固体物质中 水的比热容最大 同时有很大的蒸发热和溶解热 这是因为水加热时 热量不仅消耗于水温升高 还消耗于水分子聚合物的解离 在标准大气压25 时 水的比热容最小 为4175 8733J kg 高于或低于25 时 水的比热容都逐渐变大 水的比热容大 因此天热时水可以调节气温 使气温变化不至于太剧烈 同时也因为水的比热容大 使水体温度变化也较为缓慢 4 水的黏度 表示水体在运动过程中所发生的内摩擦力 其大小与内能损失有关 纯水的黏度取决于温度 与压力无关 在0 100 内水的黏度随温度的升高而减小 在20 时动力黏度约为0 001Pa s 运动黏度约为0 01 s 5 水的沸点与蒸汽压水的沸点与蒸汽压力有关 将水放在一个密闭容器中 水面上就有一部分动能较大的水分子能克服其它水分子的引力 逸出水面进入容器上部的空间成为蒸汽 这一过程称为蒸发 进入容器空间的水分子不断地运动 其中一部分水蒸气分子碰到水面 被水体中的水分子所吸引 又返回到水中 这一过程称为凝结 不同压力下水的沸点 当水的蒸发速度与水蒸气的凝结速度相等时 水面上的水分子数量不再改变 即达到动态平衡 在温度一定的情况下 达到动态平衡时的蒸汽称为该温度下的饱和蒸汽 这时的蒸汽压力称为饱和蒸汽压 简称蒸汽压 当水的温度升高到一定值 其蒸汽压力等于外界压力时 水就开始沸腾 这时的温度称为该压力下的沸点 当气体高于某一温度时 不管加多大压力都不能将气体液化 这一温度称为气体的临界温度 在临界温度下 使气体液化的压力称为临界压力 水的临界温度为374 3 临界压力22 05MPa 6 水的表面张力 在水体内部 每个水分子受其四方相邻水分子的引力 所以水分子的受力是平衡的 但靠近表面的水分子则受力不平衡 水体内部对它的引力大 外部空气对它的引力小 从而使水体表面分子受到一种向内的拉力 称为表面张力 水有最大的表面张力 达到72 75 10 5N 表现出异常的毛细 润湿 吸咐等特性 7 水的溶解能力 水有很大的介电常数 溶解能力极强 即水分子有较强的极性 极易形成氢键 是一种很好的溶剂 水中溶解的各物质之间可以进行各种反应 8 水的电导 水是一种很弱的两性电解质 能电离出小量的H 和OH 所以即使是理想的纯水也有一定的导电能力 通常用电导率来表示 电导率是电阻率的倒数 电阻率是对断面为1 1 长1 体积的水所测得的电阻 单位是欧姆 厘米 电导率的单位是西门子 厘米 S 或 S 纯水的电阻率随温度的升高而降低 9 水的化学性质 水能与金属和非金属作用放出氢 还能与许多金属与非金属的氧化物反应 生成碱和酸 10 水的体积 一般液体都热胀冷缩 而水则不然 在0 3 98 内 随着温度的升高 体积逐渐减小 至3 98 时 体积最小 高于或者低于此温度体积均逐渐变大 0 结冰时体积最大 从水的净化和处理的需要 假定水中的物质均呈球形 则按其大小和混合形态的不同 通常分为三类 悬浮物胶体溶解物质 天然水体的物质组成 1 悬浮物 是指颗粒直径约在100nm以上的物质微粒 按其微粒的大小和相对密度的不同 可分为漂浮的 悬浮的和可沉降的 悬浮物在水中很不稳定 分布也很不均匀 是一种比较容易除去的物质 2 胶体 是指颗粒直径约在1 100nm之间的微粒 主要是铁 铝 硅的化合物以及动植物有机体的分解产物 蛋白质 脂肪 腐殖质等 由于这种颗粒常带有某些正电荷或负电荷离子 而呈现出带电性 天然水体中的粘土颗粒 一般都带负电荷 而一些金属离子的氢氧化物则带正电荷 胶体颗粒在水中是比较稳定的 分布也比较均匀 难以用自然沉降的方法除去 天然水体中的悬浮物和胶体颗粒 对光线有散射效应 是造成水体浑浊的主要原因 所以它们是各种用水处理首先清除的对象 是指颗粒直径小于1nm的颗粒 它们往往以离子 分子或气体的状态存在于水中 成为均匀的分散体系 称为真溶液 这类物质不能用混凝 沉降 过滤的方法除去 必须用蒸馏 膜分离或离子交换的方法才能除去 3 溶解物质 1 呈离子状态的物质天然水体中含有的主要根子有Na K Ca2 Mg2 HCO3 CI SO42 CO32 等8种离子 另外还有一些生物生成物 氮 磷 铁 硅的化合物 微量元素和有机物 2 呈分子状态的气体 溶解气体 天然水中常见的溶解气体有氧气 二氧化碳和氮气 有时还有硫化氢 二氧化硫和氨等 a 氧气 主要来源于大气中氧的溶解 水中藻类的光合作用只能产生一部分氧气 一般情况下地下水的含氧量比地表水低 地表水的含氧量一般在0 14mg L之间 b 二氧化碳 主要来源于水中或泥土中有机物的分解和氧化 因为大气中的CO2只占0 03 0 04 对实际的天然地表水中 CO2的含量一般为20 30mg L 地下水有时可达到几百毫克 说明水中有机质降解时一方面消耗了氧气 一方面也产生了CO2 使水中CO2含量远远超过了与大气接触时的平衡CO2量 第二节天然水的主要理化性质 总含盐量 离子总量 矿化度 盐度 氯度 水中可溶性以无机盐为主的物质含量之和 天然水中主要离子成分含量的总和 矿化度是指 蒸干称重法得到的无机矿物成分的总量 一 天然水含盐量的参数 离子总量 矿化度 盐度 1 离子总量 ST 定义 指天然水中各种离子的含量之和 常用mg L mmol L或g kg mmol kg单位表示 以符号 C来表示 大多数淡水 八大离子 阳离子 K Na Ca2 Mg2 阴离子 HCO3 CO32 SO42 Cl 2 矿化度 矿化度是水中所含无机矿物成份的总量用过氧化氢氧化后蒸发 在105 110 干燥剩余的残渣 然后称重 本书 矿化度 离子总量 与水生生物关系 与养鱼生产的关系 与渔汛的关系 二 含盐量对水产养殖的影响 水中一定的含盐量是保持生物体液一定渗透压的需要 超过了生物渗透压调节的能力 生物就会 渴死 或 胀死 1 与水生生物关系 水生生物有一定的适应盐幅 同一生物不同生长阶段耐盐能力不同耐盐限度不同 几种淡水鱼的耐盐能力次序为 草鱼 团头鲂 鲢在适宜的盐度范围内 频繁的盐度波动对生长有影响 盐度实验时要注意 离子组成不同 耐盐能力不同 盐度对鱼类的影响 根据含盐量多少对鱼类进行分类 A淡水鱼B海水鱼根据鱼类对盐度的适应性来分 A 狭盐性鱼类 海水 淡水 S 4 B 广盐性鱼类 1 决定鱼的生存 影响精卵子的发育 亲鱼的繁殖 受精率 孵化率 精子的寿命 水中 四大家鱼50 60秒鲤鱼1 5 3分钟鲟鱼1 25分钟3 5 生理盐水 四大家鱼115 170秒 2 盐度对鱼类人工繁殖的影响 第三节天然水的依数性和透光性 稀溶液的一个重要特性是依数性 即稀溶液蒸气压下降 P 沸点上升 Tb 冰点下降 Tf 值等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 一 天然水的依数性 对于纯溶液 蒸气压下降 p K b冰点下降 tf Kf b渗透压增大 n V RT cRT 见课本 二 天然水的透光性 光线在水中的反射 吸收与折射 一 水面对太阳辐射的反射 入射角 反射角 太阳高度角 反射率水面对大气散射辐射的反射率 大约在5 10 1 有一定的选择性2 随水体深度增大能量衰减快73 到水面1cm处36 到1m处1 4 到100m处 光抑制区光适宜区光限制区 二 水对太阳光的吸收特点 透明度与水的光学分层 光抑制区 营养分解层 光合作用速率小于呼吸作用速率的水层 有机物的分解速率大于合成速率 这一水层的植物不能正常生活 光限制层 无光层 生物无法生长或生长缓慢 光适宜区 营养生成层 光合作用速率大于呼吸作用速率的水层 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 第四节天然水的导电性 一 概念 电导是电阻的倒数 等于电流与电压的比 电导率 当电极面积为1平方厘米 两电极相距1厘米时 溶液的电导即为电导率 单位为西门子每厘米 S cm 不同离子的导电能力不同 离子组成不固定就不能用电导率仪准确测定总含盐量或盐度 有地域差异 由于温度不同 电导率的差异很大 必须校正温度的影响 用电导率仪直接测定盐度的准确度不高 专用电导盐度计除外 电导率 同一盐度的海水 温度升高电导率增加 近于直线关系 式中 数 二 天然水的电导率 电导率与溶液所含离子种类和浓度 温度与压力有关 图1 5温度对海水电导率的影响 二 天然水的密度 一 纯水的密度 天然水的密度 单位体积水体所具有的质量 用表示 第五节水的流转混合与水体的温度分布 风力涡动混合作用密度引起的对流混合作用流水状态人为机械搅动 一 水的流转混合作用 1 天然水的流转混合作用 风力的涡动混合 温度引起的密度对流 1 风力的涡动混合 风力越大 涡动混合作用越强烈 水面开阔深度浅的水体 较易混合彻底 上下密度差越大 水越深 风力使水混合所需做的功也越大 2 水的密度环流 当表层水密度增大 或底层水密度减少时 都会出现 上重下轻 的状态 密度大的水要下沉 密度小的水要上升 这就形成了上下水团的对流混合 环流 水温在密度最大的温度以上 热胀冷缩水温在密度最大的温度以下 热缩冷胀 二 水体的温度分布 开阔的水体 差别不大 岸边浅水区与中心区的水温可能有所不同 养鱼池水温的水平分布受风力影响 使上 下风处水温明显不同 水温的水平分布 水温的垂直分布 水温的垂直分布有明显的季节特点 在我国北方地区 夏季是正分布 冬季形成水温的逆分布 春 秋季节全同温 春季的全同温期夏季的正分层期秋季的全同温期冬季的逆分层期讨论的基点 淡水密度最大时的水温为4 冰点0 盐度为24 9的海水密度最大时的温度与冰点0均为 1 35 水的含盐量上下均匀 一 湖泊 水库 四季的典型温度分布 冬季逆分层 表面结冰 水温随深度增加而缓慢升高 春季全同温 表层水温升高 密度流