水化学基础文档格式.docx

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缔合

xH2O＝（H2O）x＋Q

离解

水的缔合是放热过程，所以温度升高，水的缔合程度下降，即（H2O）x的x值减小。

在高温时，水主要以单分子状态存在。

温度降低时水的缔合度增大，即

（H2O）x的x值增大。

273.16K时水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。

３、冰的结构

冰中的每一个水分子都被相邻的四个水分子包围，每个水分子位于变形四面体的顶点，冰是由无数个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体。

由于氢键的方向性要求，水分子不能做到紧密堆积，因此，冰的晶体具有较大的空隙，即水结成冰后，体积增大，密度减小。

2.2、水的物理特性

１、比热

一定质量的物质，在不发生化学反应和相变的情况下，温度升高一度所吸收的热量称为该物质的热容量或热容。

单位物质的热容称为比热。

因此，不同的物质增加相同的温度，比热越大的物质吸收的热量越多。

水的比热在所有液体和固体物质中是最大的，所以水被大量地用作工业冷却介质或加热介质。

水的高比热是由于水能形成分子间氢键所引起的。

因为温度的升高是由于分子运动加剧的结果，而若要使水分子运动加剧，不但要提供能量去克服分子间范德华力的束缚，还要提供额外的能力去克服分子间氢键的束缚。

２、水是一种强极性分子

水分子中氧的电负性比氢大得多，分子中共用电子对强烈地偏向氧原子一边，使氢原子变为几乎“裸露”的氢核，而氧原子不但强烈地吸引成键电子对，而且还有孤电子对，负电荷很集中。

因此水的极性很大。

对于极性分子，其本身具有偶极这叫固有偶极，在没有外电场作用时，极性分子的固有偶极由于分子运动而杂乱无章地排列。

但在外电场作用下杂乱无章的极性分子可按电场方向定向排列起来，同时由于电场的作用而使偶极加大（固有偶极加诱导偶极）。

在水处理中磁处理就是按这一原理而设计的。

３、水与它的同族氢化物比较，熔点、沸点、熔化焓、蒸发焓都异常高。

４、水密度反常

在接近水的沸点时，水主要以简单分子存在。

冷却时，分子的热运动减缓，分子间距离减小。

因而，水的缔合度增大，分子间排列紧密，这个因素使水的密度增大。

当温度降到277.13k（3.98℃）时，水的密度达到最大。

当温度继续降低，出现较多的（H2O）2，以及及具有类似冰结构的大缔合分子。

由于氢键的方向性，使水分子不能紧密堆积，出现类似冰的松弛的结构，水的密度反而下降。

到273.16K（0℃）时，全部水分子缔合成一个大的缔合分子，结构十分疏松，而密度突然大幅度下降。

而密度的下降必然使等量的水体积增大，因此对于密闭的水系统（如中央空调的冷媒水系统），在冬季停用期间应注意防冻措施。

1.3、水的化学性质

１、水的热稳定性

水的离解度（即对反应2H2O→2H2↑＋O2↑而言）可以作为水的热稳定性的反应。

随着温度的升高，水的离解度增大，1000K时，水的离解度仅有3×

10-5％，即使达到2400K，离解度也仅有2.94％，只占水的很小一部分。

所以说水具有很高的热稳定性。

２、水合作用

水分子是个极性分子，当水分子遇到极性化合物或离子化合物的正负离子时，水的偶极子将和这些化合物的正负端或离子间产生相互吸引，于是发生水合作用，形成具有一定数目的配位水分子的水合离子，如H3O+、〔Fe（H2O）6〕3+、

〔Zn（H2O）4〕2+、〔Cu（H2O）4〕2+。

３、水解作用

从广义上说水解是指水被分解的反应及氧化物与水的反应，这些反应有的为氧化还原反应，有的为非氧化还原反应，例如下列反应：

CaO+H2O=Ca（OH）2

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

Cl2+H2O=HCl+HClO

狭义水解反应指的是一些盐类或二元化合物的非氧化－还原的分解水的反应，如：

PCl5+H2O=H3PO4+5HCl

Na2CO3+H2O=NaHCO3+NaOH

PbCl3+H2O=PboCl↓+2HCl

４、水分子间的质子传递反应

水是一个弱电解质，它可以产生微弱的电离，电离反应式可表示为：

H2O＋H2O＝H3O++OH-

295K时水解离的氢离子浓度与氢氧离子浓度的乘积为1×

10-14，此值称为水在295K时的离子积，离子积随温度的变化明显。

第二节天然水的杂质

2.1、主要无素

１、氢离子的活度（ＰＨ）

氢离子的活度是水处理最重要的一个因素，它不但自身影响结垢、腐蚀程度，同时影响水中其它组份的化学的性能，包括人为加入的各种缓蚀剂、杀菌剂、阻垢剂。

氢离子的浓度（活度）单位与其它溶解物相同，用mg/l或mol/l来表示。

但在大多数情况下，氢离子的浓度很低，用这种方式表示很不方便，因此就出现了另一种表达方式ＰＨ，“ＰＨ”代表底为１０的Ｈ+活度的负对数。

即使是水中不含有任何其它溶质的情况下，水分子也将离解成Ｈ+和ＯＨ-，这个离解平衡可表示如下：

H2O（L）＝H++OH-

离解常数，Kw＝〔H+〕〔OH-〕，Kw只随温度的变化作微小的变动，在25℃时Kw＝１０-14，此时若水为中性，〔H+〕＝〔OH-〕＝１０-7，

PH=-lg〔H+〕=-lg10-7=7。

向此时的水中加入酸性物质，使〔H+〕上升，例如上升至１０－２，即PH=-lg10-2＝２时，平衡向左移动，〔OH-〕降低，

〔OH-〕＝Kw／〔H＋〕＝10-14／10-2＝10-12。

〔H+〕〉〔OH-〕溶液呈酸性。

同理，当水中加入碱性物质，例使如〔OH-〕升至10-2，

则〔H+〕＝Kw／〔OH-〕＝10-14／10-2＝10-12，

PH＝-lg〔H+〕=-lg10-12=12，〔H+〕〈〔OH-〕，溶液呈碱性。

２、钙

溶解于水中的钙（Ca2＋）是主要的成垢阳离子之一，它的来源有钙长石

（CaAl2Si2O8）、方解石（CaCO3）、白云石〔CaMg（CO3）2〕、

石膏石（CaSO4·

2H2O）、莹石（CaF2）。

水中Ca2＋含量主要受地质条件的限制，在多数情况下，钙和碳酸盐的平衡是限制钙溶解度的主要因素。

以下几个方程式可大致描述这一平衡关系：

CO2＋H2O＝HCO3-＋OH-

Ca2＋＋HCO3-→Ca（HCO3）2

生成的Ca2与HCO3-的络合物在受热、受藻类或浮游植物的影响时会脱稳生成CaCO3沉淀：

Ca（HCO3）2→CaCO3↓＋H2O＋CO2↑

对Ca2＋影响较大的另一阴离子是SO42-，据有关文献表明，当水中SO42-的含量超过1000g/l，一半以下的钙以CaSO4形式存在。

天然水中SO42-的浓度较低，但锅炉内部由于水蒸汽的蒸发，SO42-含量不断得到浓缩，有生成硫酸盐垢的可能。

所以锅炉水质标准里面也有SO42-浓度的上限规定。

在受磷酸盐污染的水中和加磷酸盐水处理剂的水中，PO43-对Ca2＋的影响也较大，易生成磷酸钙沉淀。

３、镁

同钙一样，镁也是对水构成硬度的主要物质，在水中其它阴离子之间的水化学特性与Ca2＋也十分类似。

所以在常规的水处理中，常不单独测定镁的含量。

如水的软化，常用总硬度来表示镁和钙的总量。

但镁的有些性质也与钙有着本质上的区别。

Mg2＋离子半径比Ca2＋小得多，因而Mg2＋周围的电场比Ca2＋强得多，每个Mg2＋周围有６个水分子。

镁的沉淀物不象钙一样以碳酸盐为主，而是以氢氧化物为主，这与它的强亲水性有关。

４、铁

铁是地球外壳中含量占第二位的金属元素，但通常在水中的溶解度较小。

水中铁的存在受环境条件的极大影响，尤其是随氧化－还原强度和程度的变化而变化。

生物圈的活动对水中的铁的存在有强烈影响。

通常微生物参加了铁的氧化和还原反应，某些生物利用这些反应来作为能源，例如噬铁菌。

地下水中常见的Fe是Fe2＋，在水中的溶解度较大。

据报道在ＰＨ６－８间地下水中Fe2＋的浓度可达到50mg/L。

通常情况下，水中铁浓度在1.0-10mg/l之间。

Fe2＋能被水中的溶解氧氧化为Fe3＋，在ＰＨ〉５时，Fe3＋的溶解度很小，能很快生成Fe（OH）3褐色沉淀。

这个机理可以很好地解释这样一个现象，当水刚从井中抽出时，这类水一般是清洁的，但很快就变浑浊了，最后由于Fe（OH）3的沉淀会变为褐色。

铁是动植物新陈代谢中的一个基本元素，在诸如生物过程中的光合作用，以及在动物血液中的血红蛋白的作用中，铁起着不可缺少的作用。

但Fe的含量过高除给人体带来感官上的不愉快外，铁能在被洗的衣、被等物上沉积产生色斑，使衣服发黄、发硬，另外，铁也能在采暖等装置内产生氢氧化物沉积物，影响传热效果。

所以，国家饮用水标准规定自来水中铁含量的上限为0.3mg/l。

但由于许多大楼的供水系统都是无缝钢管，因此钢管的腐蚀往往造成总铁超标。

５、锰

锰在地壳中含量仅为铁的1/5，它是动植物生命体所必需的一个基本元素，所以许多国家的环境保护局对这一元素没作特别限制。

但当采用地下水作为水源时，往往要作除锰处理，这主是由于水中的锰受氧化后生成黑色氧化锰沉淀。

在水处理中广泛使用KMnO4作为氧化剂，然后过滤去除。

６、硅

硅是地壳中含量仅次氧的一个元素，水中的硅也是造成硅酸盐垢的原因。

天然水中通常观察到的硅的浓度范围是1-30mg/l。

硅在水中通常以多核络合物如Si4O4（OH）124-形式存在。

当系统中一旦生成硅酸垢，很难用酸洗去除，因为酸洗生成的H4SiO4本身也是一种难溶物，实际上去除硅酸盐垢常用碱煮法去除，其原理是使硅与OH-生成可溶的络合物。

若硅酸盐垢不很严重，也可在酸洗液中加入氟化物，使硅生成可溶的SiF62-而去除。

７、铝、钠、钾、硫、氯化物、氟化物、氮、磷、硼

这些元素在宾馆、大厦的日常水处理中常不必要特别采取方法去除，但其中某些元素的含量也是不得不加以考虑的。

水中的余氯含量常用来检验水是否有杀菌能力。

锅炉中氯根含量的高低也常用来指导锅炉排污的频率，水中氯离子也是造成金属腐蚀的主要因素之一，特别是不锈钢，对cl-非常敏感。

国外的许多空调器生产厂商都严格规定循环水cl-的含量。

在工业密集区，由于大量的煤、油等燃料的消耗，水中的硫酸盐含量不得不加以重视。

硫酸盐的溶解度较低，因此在锅炉内硫酸盐垢也是水垢主要成份之一。

硫酸盐还能滋生硫酸盐还原菌，这些细菌往往是造成冷却水系统中金属腐蚀的元凶之一。

水中氮的含量也决定冷却水系统中硝化细菌的多少，硝化细菌也是造成冷却水系统金属腐蚀的元凶之一。

同时排放的污水中