《水文地球化学基础知识》
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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=rm m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V
Eh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”。