6.1水环境质量
2018-04-15 作者： 王麟生；戴立益
6.1水环境质量
——水环境保护我们用泰晤士河的水烧菜炖肉,煮咖啡沏茶,我们将自己家畜的内脏三番五次地扔进河中,而这种水又回到我们嘴里,被我们饮用。Www.Pinwenba.Com 吧我们进口海鸟粪,并饮用自己的粪便酿制的溶液:这是一种可以使它比外国的海鸟粪还要有价值的肥料。水是地球上人类与生物体赖以生存和发展的重要物质,可以说没有水就没有生命,也就没有人类。
水与生命关系密切,它是构成生物体的基础,又是生物新陈代谢的一种介质。生物从外界环境中吸取养分,通过水把各种营养物质输送到机体的各个部分,又通过水把代谢产物排出到机体之外,所以水是联系生物体的营养过程和代谢过程的纽带,维持着生命的活动。另外,水对生物还起着散发热量、调节体温的作用。水也是人体(包括各种生物体)中含量最多的一种物质,约占生物体重的2/3以上。
6.1.1天然水体的组成和性质
水的组成和结构
水分子呈V型结构,水分子中O—H键之间的夹角为104.5°。由于水分子的不对称结构,水分子是极性分子。它的偶极矩为1.84德拜。
用蒸汽测定法测得水分子的摩尔质量是18.64。而水分子中原子质量之和应为18,它表明水分子中除单分子外,还有大约3.5％的双分子水存在。液态水的分子量测得的数值更大,说明水中含有较复杂的分子(H2O)n(n值为2,3,4…)。实验结果证实,液态水中存在着水分子的缔合作用。缔合是放热反应,离解是吸热反应,所以温度升高,水的缔合度降低(n值减小),温度降低,水的缔合度增大(n值增大)。
0℃时水凝结成冰,在冰的结构中,每个O原子和4个H原子联结成四面体,每个H原子与两个O原子联结。在和O原子结合的4个H原子中,2个是以共价键结合,两个是以氢键结合,这样形成一个敞开结构,使冰的结构内存在较大的空隙,因此使冰具有较低的密度。
水分子中的O原子具有较大的电负性和孤对电子,而与O键合的H原子因仅有一个电子,成键后电子偏向O原子而形成裸核,因此水分子间易形成氢键。水的缔合和冰的结构就是源自氢键的形成。
水的物理化学性质
1.水的比热
水的比热为4.1868×103焦/千克·K,在所有液态和固态物质中,水的比热是最大的。这是由于水中存在缔合分子的缘故。当水受热时,须消耗更多的热量以使缔合水分子离解,才能使水温升高。
水的高比热对于调节环境气温有重大作用,滨海地区白天太阳辐照强烈,由于水的比热大,海水升温需吸收大量的热量,使气温不致太高,夜间海水降温时释放出大量的热量,避免气温急剧下降。通常生产上使用水作传热介质,除了水分布广泛,易于得到以外,主要也是利用水的比热大的特征。由于组成生命物质的主要成分是水,水的高比热对于维持生物的恒定体温是十分重要的。
2.水的密度
一般物质具有热胀冷缩的作用,即温度低时体积小而密度大。而水却是4℃时密度最大,为1000千克/立方米。这是由于水分子缔合的缘故。一般近沸点的水缔合度小,此时水主要由简单分子所构成。温度降低,水的缔合数增大,分子间排列较为紧密,使水的密度增大。当温度降到3.98℃时,水的密度最大。
温度进一步降低,出现高缔合度的水分子,直至具有冰的结构的较大的缔合分子。这时结构变为疏松,所以4℃以下,水的密度随温度降低反而减小。到冰点时,全部水分子缔合成巨大的,有着大量空隙的缔合分子。
水的这种性质对水生生物的生存具有重要的意义。冬天,当江河湖海水温下降时,4℃附近的水由于密度最大,沉入水的下层,当水温继续下降时,温度低的水密度变小,升到上层,直到0℃时结成了冰,由于冰比水轻,飘浮于水面,即使水面封冻,而底部的水温仍可保持在4℃左右,为水生生物的生存创造了良好的条件。
3.水的沸点和熔点
按照元素性质的递变规律,水的熔点和沸点应该分别为-100℃和-80℃,但由于水分子中存在着氢键使水分子缔合,因此使水的熔沸点高于同族其他元素的氢化物,实际上为0℃和100℃,在地球正常温度下主要以液态存在,这对于地球上的物质循环、生命的存在和发展以及环境的调剂具有极其重要的作用。
4.水的溶解性
水是一种良好的溶剂,而且由于其介电常数很大,使许多物质在水中不仅有很大的溶解度,而且有很大的离解度,水中溶解的化学物质可以进行各种化学反应,水也参与其中的许多重要反应。这对生物的生命活动和自然界的环境变化具有重要的作用。
气体在水中的溶解度因气体性质不同而不同。
当大气中某种气体分子和水中同一种气体分子之间达成溶解平衡时,该气体在水中的溶解度,一般可根据亨利定律计算得到。亨利定律指出:气体在水中的溶解度与同水相接触的气体的平衡分压成正比:
Ci=Ki·Pi其中Ki为该气体的亨利常数,Pi为该气体的平衡分压。
气体溶解度受温度的影响,温度增加,溶解度下降。气体溶解度与温度的定量关系可用下式表示:
lgC2C1=腍2.303R1T1-1T2其中C为气体溶解度(摩尔/升),T为温度(K)，腍表示气体的溶解热(焦/摩尔)，R为气体常数8.314焦/摩尔·K。
5.水的酸碱性
水本身既是质子酸又是质子碱,因此在反应中,既能给出质子形成碱,又能接受质子形成酸,表现出对应的酸和碱的性质。由于这一性质,一方面水中存在的物质可能改变水的pH值,使水的酸碱性发生改变,另一方面水能使许多盐类发生水解,对重金属在自然界中的迁移,转化及沉积具有重要的意义。
6.水的配位性
由于水分子中的氧原子存在着未共用的孤对电子,因此水可作为配位体与许多金属离子形成水合物。这一性质,对于重金属在自然界中的存在形式具有重要的影响。
天然水的分类和成份天然水一般可分为大气水、地表水、地下水和生物水。
大气水:指以水蒸气、云、雨、雪、霜及冰雹的形式存在的水。
地表水:包括江河水、湖泊水及海洋水。
地下水:指存在于土壤层和岩石层的水。
生物水:指存在于各种生物体内的水。
水和水体是两个不同的概念。天然水体是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等储水体的总称。它不仅包括水,还包括水中的溶解物、悬浮物以及底泥和水生生物,是指地表被水覆盖的自然综合体系,是一个完整的生态系统。当水体受到重金属污染后,重金属污染物通过吸附、沉淀的方式,易从水中转移到底泥中,水中重金属的含量一般都不高,所以仅从水的角度考虑,似乎未受到污染,但从整个水体来说,已受到严重的污染,而且是不易净化的长期的次生污染。
天然水体中除了水以外,还有其他各种物质,根据它们在水中存在的形态不同,可将这些物质分为三类,即溶解物质、胶体物质和悬浮物质。
分类主要物质:
溶解物质O2、CO2、H2S、CH4、N2等可溶解气体,Ca、Mg、Na、Fe、Mn等离子的卤化物、碳酸盐、硫酸盐等盐类,其他可溶性有机物。
胶体物质Si、Al、Fe的水合氧化物胶体物质,粘土矿物胶体物质,腐殖质等有机高分子化合物。
悬浮物质细菌、病毒、藻类及原生动物、泥沙、粘土等颗粒物。
溶解在天然水中的物质大致可分为五个方面:主要离子、溶解气体、营养物质、微量元素和有机物质。溶解物质在水中的含量,除与物质的性质有关外,还与气候条件、水文特征、岩石与土壤的组成等因素有关。
1.主要离子
天然水体中的主要阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+等。这些离子来自它们的矿物,如钙长石(CaAl2Si2O8)、白云石(CaMg(CO3)2)、钾长石(KAlSi3O8)、钠长石(NaAlSi3O8)、镁橄榄石(Mg2SiO4)等。矿物在与水接触或风化过程中,其中的Ca2+、Mg2+等离子通过溶解进入水体,一般以水合离子的形式存在于水体之中。
水体中的主要阴离子有Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3等。Cl-是海水中主要阴离子成分。HCO-3和CO2-3是淡水中主要阴离子成分。这些阴离子是通过它们的矿物被溶解而进入水体的。白云石和方解石溶解时,将HCO-3离子带进水体。含硫的矿物中,硫以还原态金属硫化物的形式存在,当它与含氧水接触时,被氧化成SO2-4进入水体,天然淡水中的氯离子主要来源于沉积岩。
一般的河水与湖水中,HCO-3离子的含量不超过250毫克/升,少数情况可达800毫克/升。各种天然水中Cl-的含量差别很大,河水中含量为1—35毫克/升,而海水中高达19.35克/升。
2.微量元素
微量元素是指在天然水体中含量在10-9克级的元素,天然水体中微量元素的种类很多,大多属于重金属元素。
3.营养元素
营养元素是指与生物生长有关的元素,包括N、P、Si等非金属元素,以及某些微量金属元素(Mn、Fe、Cu)。这些元素的含量一般在百万分之一到十亿分之一之间,它们的存在形态与水体的酸碱性、氧化还原性有关。
氮、磷是水生生物生长和繁殖所必需的营养元素。但对湖泊、水库、内海、河口等水流缓慢的水体来讲,当其中氮、磷增多时,将导致各种藻类大量繁殖,从而使水中溶解氧减少,甚至消耗殆尽,危害水生生物的生存,这种现象称为水体的“富营养化”。此时水面往往呈现蓝色或红色、棕色、乳白色等,视占据优势的藻类的颜色而异。这种现象在江河湖泊中称“水花”或“水华”,在海洋中则叫作“赤潮”或“红潮”。
天然水中的铁是一种常见的矿物元素。地下水中的铁主要以Fe(Ⅱ)形态存在,含量可高达几十毫克每升,地表水中由于溶解氧充足,铁常以Fe(Ⅲ)形态存在,但含量较少。天然水体中的硅主要来自硅酸盐和铝硅酸盐的水解。
4.有机物质
天然水体中的有机物种类繁多,它们是水生植物光合作用的产物和水生动物死亡后在不同阶段分解产物的混合物。通常将水体中有机物分为两大类,即非腐殖物质和腐殖物质。
非腐殖物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其他低分子量有机物等。
水体中的大部分有机物是呈褐色或黑色无定形的腐殖质。它的分子量范围为几百至几万。大多数腐殖质的元素组成在下述范围之内:C,45%—55％;O,30%—45％;H,3%—6％;S,0%—1％。腐殖质的组成和结构目前尚未完全搞清楚,分类和命名也不统一。通常根据腐殖质在酸、碱中溶解的情况,将它们分成三个主要部分。
(1)富里酸(也称黄腐酸),用FA表示,分子量为几百至几千,可溶于酸和碱;(2)腐植酸(也称棕腐酸),用HA表示,分子量为几千至几万,可溶于碱,但不溶于酸;(3)胡敏酸(也称腐黑物):不溶于酸和碱。
现有资料表明,三种腐殖质在结构上是相似的,它们共同的特点是除含有大量苯环外,还含有大量羟基、羧基、氨基、羰基等活性基团。其中脂肪结构约占37％,芳香结构约占21％。一般水中腐殖质里富里酸约占83%—90％,腐植酸约占3%—4％,胡敏酸占7%—13％。由于富里酸的分子量较小,故其单位质量的含氧官能团较高。正是这些活性基团决定了腐殖质具有弱酸性、离子交换性、配位化合和氧化还原等化学活性。因而具有使水体中的金属离子形成稳定的水溶性或水不溶性化合物的能力,以及具有与水体中有机物(包括有毒物)相互作用的能力等。