《水文地球化学电子教案1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水文地球化学电子教案1.ppt（61页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、水文地球化学基础水文地球化学基础 中国地质大学（武汉）环境学院中国地质大学（武汉）环境学院 罗朝晖罗朝晖水文地球化水文地球化学学基基础础 Hydrogeochemistry主讲：苏春利中国地质大学（武汉）环境学院1第一讲第一讲绪论及化学热力学基础绪论及化学热力学基础第一部分第一部分 绪绪 论论一、为什么要学习一、为什么要学习“水文地球化学水文地球化学”？二、水文地球化学的含义二、水文地球化学的含义三、水文地球化学的研究意义三、水文地球化学的研究意义 四、水文地球化学的研究进展四、水文地球化学的研究进展五、水文地球化学的研究方法五、水文地球化学的研究方法 六、应具备的知识六、应具备的知识 七、课
2、程学习安排七、课程学习安排八、参考资料八、参考资料 31 1、水文地球化学是水文地质学的组成部分、水文地球化学是水文地质学的组成部分一、为什么要学习一、为什么要学习“水文地球化学水文地球化学”？水文地质学所研究的内容为地下水在数量和质量上的水文地质学所研究的内容为地下水在数量和质量上的时空变化规律。时空变化规律。水文地质学是研究地下水的科学。它研究地下水在周围环境（岩石水文地质学是研究地下水的科学。它研究地下水在周围环境（岩石圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，数量和质量在时间圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，数量和质量在时间和空间上的变和空间上的变化规律，并在化规律，并
3、在此基础上研究此基础上研究如何应用这一如何应用这一规律有效地利规律有效地利用地下水和调用地下水和调节控制地下水节控制地下水以兴利避害。以兴利避害。4地下水在数量和质量上的时空变化规律地下水在数量和质量上的时空变化规律数量变化规律：数量变化规律：属于地下水动力学、地下水流动数值计算（模拟）等研属于地下水动力学、地下水流动数值计算（模拟）等研究领域究领域质量变化规律：质量变化规律：属于水文地球化学（或水化学、地球化学）研究领域。属于水文地球化学（或水化学、地球化学）研究领域。在此领域正逐渐加强水文地球化学模拟（数值计算），尽管目前尚未开设在此领域正逐渐加强水文地球化学模拟（数值计算），尽管目前尚未
4、开设此课程（但可能在今后会）。但在本课中我们仍将加入此内容此课程（但可能在今后会）。但在本课中我们仍将加入此内容质和量的相互依存，协调发展质和量的相互依存，协调发展52 2、HGCHGC的研究意义的研究意义(1)(1)理论意义理论意义 有科学家把水称为科学的镜子，即对水的有科学家把水称为科学的镜子，即对水的研究程度反应着科技的发展水平。研究程度反应着科技的发展水平。以水圈的重要组成部分以水圈的重要组成部分地下水作为主要地下水作为主要研究对象的研究对象的HGCHGC，有助于阐明地下水的形成与有助于阐明地下水的形成与起源。起源。6(2)(2)实际意义实际意义人类生存和发展的需要人类生存和发展的需要
5、 1、地下水污染和防、地下水污染和防治（人类活动影响）治（人类活动影响）包括：地下水污染调查、评价、污染源控制、污染场地治理等包括：地下水污染调查、评价、污染源控制、污染场地治理等 2、地面沉降、塌陷、地裂缝等环境地质问题、地面沉降、塌陷、地裂缝等环境地质问题 3、地地下下热热水水、适适于于饮饮用用的的优优质质地地下下水水与与天天然然（医医疗疗）矿矿泉泉水水开开发发，并并对对之之进进行行水水文文地地球化学评价球化学评价矿泉水特征组分达到国家标准的主要类型分为九大类：锶、锌、锂、硒、溴、碘、盐类矿泉水特征组分达到国家标准的主要类型分为九大类：锶、锌、锂、硒、溴、碘、盐类 碳酸矿泉水：游离碳酸矿泉
6、水：游离CO2含量超过含量超过250 mg/L，具有中和胃酸、保护溃疡面等功效；，具有中和胃酸、保护溃疡面等功效；硅硅酸酸矿矿泉泉水水：偏偏硅硅酸酸含含量量大大于于25 mg/L，对对人人体体动动脉脉血血管管有有软软化化作作用用，同同时时可可降降低低关关节节炎和冠心病的发病率。炎和冠心病的发病率。4、为防治地方病，查明地方病与水土环境的关系、为防治地方病，查明地方病与水土环境的关系 5、地下采矿技术、地下采矿技术 6、成矿理论研究、成矿预测、成矿理论研究、成矿预测7二、水文地球化学的含义二、水文地球化学的含义1938年：原苏联著名水文地质学家奥弗琴尼柯夫年：原苏联著名水文地质学家奥弗琴尼柯夫提
7、出这一术语提出这一术语 水文地球化学水文地球化学 Hydrogeochemistry，HGC1982年：原苏联杰出的地球化学家年：原苏联杰出的地球化学家 维尔纳茨基维尔纳茨基 在俄罗斯矿物学会宣读的一篇论文中首先科学地在俄罗斯矿物学会宣读的一篇论文中首先科学地阐明了天然水文地球化学研究的内容。阐明了天然水文地球化学研究的内容。HGC是一门相对年轻的学科，至今尚无统一公认是一门相对年轻的学科，至今尚无统一公认的关于的关于HGC的定义。的定义。8二、水文地球化学的含义二、水文地球化学的含义1、HGC是水文地质学的一部分是水文地质学的一部分2、HGC是在水文地质学与地球化学基础上发展起来的、是在水文
8、地质学与地球化学基础上发展起来的、并已成为一门独立的学科并已成为一门独立的学科3、HGC是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科4、HGC是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用的一门新兴学科的一门新兴学科 沈照理教授沈照理教授我国水文地球化学学科的主要奠基人之一，我国水文地球化学学科的主要奠基人之一，用四句话概括用四句话概括HGC的基本含义：的基本含义：91 1、HGCHGC是水文地质学的一部分是水文地质学的一部分 首先，
9、地下水化学成分及其规律是水文地质条件不可分割的部分首先，地下水化学成分及其规律是水文地质条件不可分割的部分。分带：分带：潜水埋深带潜水埋深带 溢出带溢出带 潜水下降带潜水下降带 盐分溶滤带盐分溶滤带 盐分过路带盐分过路带 盐分积聚带盐分积聚带 干旱山间盆地洪积扇典型水文地质分带干旱山间盆地洪积扇典型水文地质分带10另一方面：另一方面：HGC的研究离不开水文地质条件的分析。的研究离不开水文地质条件的分析。例例如如：同同是是嘉嘉陵陵组组（T T1 1J J）的的白白云云岩岩：位位于于水水交交替替较较强强部部位位的的岩岩溶溶水水为为HCOHCO3 3-Ca-Mg-Ca-Mg水（淡水），而位于深部交替
10、滞缓的岩溶水为水（淡水），而位于深部交替滞缓的岩溶水为CaClCaCl2 2型卤水。型卤水。人们早已认识到：人们早已认识到：地下水化学成分是水地下水化学成分是水岩相互作用的产物岩相互作用的产物 希腊名言：希腊名言：水流经的岩石怎样，水也就怎样。水流经的岩石怎样，水也就怎样。要合理解释这种现象，就不能不分析这一地区的水文地质条件，尤其是这要合理解释这种现象，就不能不分析这一地区的水文地质条件，尤其是这一地区的地质发展历史和古水文地质条件。一地区的地质发展历史和古水文地质条件。事实上，水文地质的研究从来就与水文地球化学的研究紧密相关，相互依事实上，水文地质的研究从来就与水文地球化学的研究紧密相关，
11、相互依赖、相互补充。复杂地区的水文地质条件的研究难度较大，补径排条件常赖、相互补充。复杂地区的水文地质条件的研究难度较大，补径排条件常常借助于水文地球化学资料进行分析、判断。常借助于水文地球化学资料进行分析、判断。如：如：示踪剂作用，使用同位素微量元素进行示踪。示踪剂作用，使用同位素微量元素进行示踪。H H、O O同位素指示地下水循环时间、补给区域、补给高程。同位素指示地下水循环时间、补给区域、补给高程。化学组分的特征反映溶流途径与水资源组成。化学组分的特征反映溶流途径与水资源组成。所以我们说，所以我们说，HGCHGC是水文地质学的一部分是水文地质学的一部分可是这一规律有时还无法解释地下水化学
12、成分的特殊性可是这一规律有时还无法解释地下水化学成分的特殊性。112 2、HGCHGC是在水文地质学与地球化学基础上发展是在水文地质学与地球化学基础上发展起来的、并已成为一门独立的学科起来的、并已成为一门独立的学科 奠基人是奠基人是 地球化学家地球化学家 维尔纳茨基维尔纳茨基创使人是创使人是 水文地质学家水文地质学家 奥弗尼柯夫斯基奥弗尼柯夫斯基12研究地球（包括大气圈、水研究地球（包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈）的化圈、生物圈和岩石圈）的化学及组成、化学作用及化学学及组成、化学作用及化学演化的科学演化的科学地球化学是研究地球中元素的迁移、富集规律的学科地球化学是研究地球中元素的迁移、富集规
13、律的学科地球化学的一些基本原理和工作地球化学的一些基本原理和工作方法，如元素分配理论，元素方法，如元素分配理论，元素clark值和丰度的概念，值和丰度的概念，pH-Eh相相图法等，均可用于图法等，均可用于HGC的研究的研究水文地球化学是研究水圈、尤其是地下水文地球化学是研究水圈、尤其是地下水圈中物质化学运动规律的科学水圈中物质化学运动规律的科学水文地质学是研究地下水数量和质量在时空上的变化的学科水文地质学是研究地下水数量和质量在时空上的变化的学科涉及的对象是运动着的地下水涉及的对象是运动着的地下水及与之相关的大气水、地表水及与之相关的大气水、地表水结合地下水动力学的观点去考结合地下水动力学的观
14、点去考察地下水化学组成及其变化察地下水化学组成及其变化13包括以下包括以下5个学科分支：个学科分支：（1 1）一般水文地球化学）一般水文地球化学 地地下下水水的的成成分分和和结结构构特特点点、地地下下水水化化学学成成分分的的形形成成过过程程、形形成成环环境境和和影影响响因因素素、水水岩岩石石气气体体有有机机物物质质系系统统中中的的相相互互作作用用、地地下下水水中中元元素素的的迁迁移移、个个别别元元素素的的水文地球化学水文地球化学（2）成因水文地球化学）成因水文地球化学 不同成因类型地下水化学成分的形成不同成因类型地下水化学成分的形成（3）历史水文地球化或古水文地球化学）历史水文地球化或古水文地
15、球化学 元素迁移、水的地层作用元素迁移、水的地层作用（4）区域水文地球化学）区域水文地球化学 元素迁移的空间分布规律、地下水圈元素迁移的空间分布规律、地下水圈 化学成分的形成、水文地球化学分带性化学成分的形成、水文地球化学分带性（5）应用水文地球化学）应用水文地球化学 水文地球化学找矿、地下水圈保护、矿水文地球化学找矿、地下水圈保护、矿泉水与工业矿水、土壤改良、地热等）泉水与工业矿水、土壤改良、地热等）143 3、HGCHGC是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化学元是以地下水化学成分的形成与演化以及各种化学元素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门学科。素在其中的迁移规律为主要研究对象的一门
16、学科。这句话是七十年代以前对这句话是七十年代以前对HGC的传统含义。的传统含义。已有研究证实，地壳中含有已有研究证实，地壳中含有87种稳定元素，而至今已在地下种稳定元素，而至今已在地下水中发现了水中发现了70多种。多种。而且毫无疑问，随着分析技术灵敏度而且毫无疑问，随着分析技术灵敏度的提高，地下水中也将发现其余元素的提高，地下水中也将发现其余元素元素在地下水中除以简单和复杂离子形式存在外，还有络合物、元素在地下水中除以简单和复杂离子形式存在外，还有络合物、气体等形式存在气体等形式存在水中不仅有大家所熟知的无机组分如水中不仅有大家所熟知的无机组分如K、Na、SO4、Cl、HCO3、CO2等以外，
17、还存在有机物质、微生物以及元素的同等以外，还存在有机物质、微生物以及元素的同位素。位素。15水文地球化学水文地球化学 的主要研究任务的主要研究任务1、查查明明地地下下水水化化学学成成分分（如如首首先先查查明明地地下下水水化化学学成成分分、水水型、矿化度以及它们在空间上的变化规律）。型、矿化度以及它们在空间上的变化规律）。2、解释是什么作用形成了这些地下水特有的化学成分。、解释是什么作用形成了这些地下水特有的化学成分。3、有必要研究地下水中单个元素的迁移和富集规律。、有必要研究地下水中单个元素的迁移和富集规律。东北三省、陕西、山西、天津、山东、新疆等地，有些地方老百姓牙齿东北三省、陕西、山西、天
18、津、山东、新疆等地，有些地方老百姓牙齿发黄（斑釉齿）、人长不高、关节畸形（氟骨症），这与该地水土环境发黄（斑釉齿）、人长不高、关节畸形（氟骨症），这与该地水土环境中尤其是地下水中中尤其是地下水中氟含量过高氟含量过高有关。有关。在这种情况下，我们的任务就是，查明地下水中氟的分布状况，过量的在这种情况下，我们的任务就是，查明地下水中氟的分布状况，过量的氟从哪里来的，是哪些因素造成氟在某一局部富集等一系列问题。从而氟从哪里来的，是哪些因素造成氟在某一局部富集等一系列问题。从而为寻找低氟水，降低地下水中氟的含量提供理论依据为寻找低氟水，降低地下水中氟的含量提供理论依据16氟氟 斑斑 牙牙 患患 者者氟
19、氟 斑斑 牙牙 患患 者者17对身形佝偻的氟骨病患对身形佝偻的氟骨病患者的形象比喻：者的形象比喻：抬头不见蓝天抬头不见蓝天低头不见脚尖低头不见脚尖生时不能平睡生时不能平睡死时不能入棺死时不能入棺18含氟量与其毒性关系 水含氟量（ppm）作用及毒性表现1预防龋齿2氟斑牙5引起骨硬化症810%骨硬化症20-80氟骨症（伴有残疾）50甲状腺病变100 生长发育迟缓125肾脏病变或异常2.5-5.0g/L死亡19 砷中毒引起的砷中毒引起的各种病变各种病变20砷中毒患者砷中毒患者砷中毒患者砷中毒患者214 4、HGCHGC是探索地球壳层各带中地下水的地球化是探索地球壳层各带中地下水的地球化学作用的一门新
20、兴学科学作用的一门新兴学科 大家知道，地质作用分为内生作用与外生作用两种：大家知道，地质作用分为内生作用与外生作用两种：n外生作用发生在地球上部的岩石圈表层、水圈、生物圈和外生作用发生在地球上部的岩石圈表层、水圈、生物圈和大气圈；大气圈；n内生作用发生于地壳下部及地幔中。内生作用发生于地壳下部及地幔中。水作为一种最活跃的地质营力，通过与岩石、气体、有机物质水作为一种最活跃的地质营力，通过与岩石、气体、有机物质的相互作用，改变着水自身和其介质的性质。的相互作用，改变着水自身和其介质的性质。如：泉钙华、石钟乳等的形成如：泉钙华、石钟乳等的形成225 5、水文地球化学是环境污染控制与治理的理论基础、
21、水文地球化学是环境污染控制与治理的理论基础n水文地球化学的理论不仅适用于天然介质水岩作用水文地球化学的理论不仅适用于天然介质水岩作用的研究，同样适用于环境受到污染过程中污染物与的研究，同样适用于环境受到污染过程中污染物与水、岩土介质发生的化学作用。水、岩土介质发生的化学作用。n土壤与地下水的污染处理需要水文地球化学作为理土壤与地下水的污染处理需要水文地球化学作为理论依据。论依据。23Conceptualization24PRBS25working26四、水文地球化学的研究进展四、水文地球化学的研究进展n早期的水文地球化学研究主是反映地下水水质特征、水化学组成早期的水文地球化学研究主是反映地下水
22、水质特征、水化学组成的形成。的形成。n随着人类活动的加剧，地下水地球化学环境的恶化问题日益严重，随着人类活动的加剧，地下水地球化学环境的恶化问题日益严重，国内外许多学者对影响地下水化学组分的演化特征，演化机理方国内外许多学者对影响地下水化学组分的演化特征，演化机理方面进行了许多研究工作，取得了一定的进展。面进行了许多研究工作，取得了一定的进展。1 1、COCO2 2-H-H2 2O-O-岩系统中岩系统中碳循环与转换碳循环与转换、反应速率与化学动力学方程的建立。、反应速率与化学动力学方程的建立。2 2、除使用常量组分外，大量使用、除使用常量组分外，大量使用微量组分，同位素数据微量组分，同位素数据
23、揭示成因机制。揭示成因机制。3 3、除使用无机组分外，越来越多地注意到、除使用无机组分外，越来越多地注意到有机组分有机组分的演化、迁移。的演化、迁移。4 4、反反映映在在计计算算机机模模拟拟软软件件上上的的变变化化：由由统统计计、水水质质特特征征示示踪踪反反应应模模拟拟反应路径模拟反应路径模拟化学动力学模拟化学动力学模拟反应性溶质迁移模拟。反应性溶质迁移模拟。27五、研究方法五、研究方法 1 1、野野外外调调查查（水水文文地地质质调调查查、水水文文地地球化学采样）球化学采样）2 2、室内分析测试、室内分析测试3 3、实验室模拟、实验室模拟4 4、计算机模拟、计算机模拟 28六、应具备的知识六、
24、应具备的知识 1 1、岩石、矿物知识。、岩石、矿物知识。2 2、水文地质学基础、地下水动力学知识。、水文地质学基础、地下水动力学知识。3 3、物理化学知识、物理化学知识 29七、参考资料七、参考资料 1、Ground Water2、Water Resourses Research3、Applied Geochemistry4、Applied chemical and isotopic ground water hydrology5、Environmental Geology6、Geochim Cosmochim Acta 期期 刊刊沈照理，朱宛华，钟佐燊沈照理，朱宛华，钟佐燊.水文地球化学基础
25、水文地球化学基础.北京北京:地质出版社地质出版社.1993钱会钱会,马致远马致远.水文地球化学水文地球化学.北京北京:地质出版社地质出版社.2005水化学水化学,W.Stumm and J.Morgan，1996水和废水监测分析方法，中国环境科学出版社，水和废水监测分析方法，中国环境科学出版社，1998地下水污染与防治，王焰新，地下水污染与防治，王焰新，2007专著专著30v水是极性分子，是一种溶解能力很强的溶剂水是极性分子，是一种溶解能力很强的溶剂它与包气带及含水层中的岩石它与包气带及含水层中的岩石(土土)接触时，必定会发生溶解接触时，必定会发生溶解沉淀反应、氧化还原作用、界面反应作用，这些
26、反应是控沉淀反应、氧化还原作用、界面反应作用，这些反应是控制地下水化学成分形成和演变的重要作用。制地下水化学成分形成和演变的重要作用。v水岩相互作用在某种程度上取决于与水的状态水岩相互作用在某种程度上取决于与水的状态(在一定的温在一定的温度和压力下与固相的和气相的饱和状态度和压力下与固相的和气相的饱和状态)有关的各种反应有关的各种反应这些反应可通过地下水的化学平衡模型来预测。反应状态的这些反应可通过地下水的化学平衡模型来预测。反应状态的研究可揭示水中溶解组分的来源，并有助于预测地下水污染研究可揭示水中溶解组分的来源，并有助于预测地下水污染过程中所引起的水文地球化学效应。过程中所引起的水文地球化
27、学效应。第二部分第二部分 化学热力学基础化学热力学基础31v在天然地下水系统中，很少达到完全的化学平衡，所以在天然地下水系统中，很少达到完全的化学平衡，所以化学平衡模型还不能完全描述各种水化学平衡模型还不能完全描述各种水-岩相互作用岩相互作用但是，地下水化学平衡模型在预测水化学成分变化方向、但是，地下水化学平衡模型在预测水化学成分变化方向、计算其反应速率、揭示哪些作用存在及哪些作用控制着计算其反应速率、揭示哪些作用存在及哪些作用控制着水化学成分等方面，常常可以提供一种十分接近地下水水化学成分等方面，常常可以提供一种十分接近地下水系统实际情况的方法。系统实际情况的方法。建立此类模型涉及化学平衡热
28、力学的一些基本概念和基建立此类模型涉及化学平衡热力学的一些基本概念和基本原理。为此，下面对有关的概念和原理作简明的阐述。本原理。为此，下面对有关的概念和原理作简明的阐述。第一节第一节 化学热力学基础化学热力学基础32v质量作用定律质量作用定律化学反应的驱动力与反应物和生成物的浓度相对大小关系相关；化学反应的驱动力与反应物和生成物的浓度相对大小关系相关；发生在地下环境的水发生在地下环境的水-岩相互作用同样受到质量作用定律的控制。岩相互作用同样受到质量作用定律的控制。化学平衡常数化学平衡常数K的获得需要化学热力学的知识。的获得需要化学热力学的知识。33v热力学理论包含三个基本定律热力学理论包含三个
29、基本定律热力学第一定律（即能量守恒和转化定律）热力学第一定律（即能量守恒和转化定律）能量有各种不同的形式，如辐射能、热能、电能、机械能能量有各种不同的形式，如辐射能、热能、电能、机械能和化学能，能量能够从一种形式转化为另一种形式，但总和化学能，能量能够从一种形式转化为另一种形式，但总能量保持不变能量保持不变热力学第二定律热力学第二定律能量只沿有利的势能梯度传递，该定律阐述过程的可能性、能量只沿有利的势能梯度传递，该定律阐述过程的可能性、方向和限度（热量不可能自发地、不花任何代价地从低温方向和限度（热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体）物体传向高温物体）热力学第三定律热力学第三
30、定律“在热力学温度零度（即在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵开）时，一切完美晶体的熵值等于零。值等于零。”绝对零度不可达到，但可以无限趋近绝对零度不可达到，但可以无限趋近v热力学理论运用于化学时，称为化学热力学。化学热力热力学理论运用于化学时，称为化学热力学。化学热力学对分析预测地下水环境中的化学反应十分有用。学对分析预测地下水环境中的化学反应十分有用。341、热力学体系的性质、状态、热力学体系的性质、状态v体系和环境体系和环境在热力学中，被研究的对象称为热力学体系，简称体系在热力学中，被研究的对象称为热力学体系，简称体系体系以外、与体系有关联的其他物体称为环境或外界体系以外、
31、与体系有关联的其他物体称为环境或外界一杯水、一个地质露头、一个含水层单元都可作为一个体系一杯水、一个地质露头、一个含水层单元都可作为一个体系v封闭体系封闭体系与环境之间只有能量交换而无物质交换的体系与环境之间只有能量交换而无物质交换的体系v开放体系开放体系与环境之间既有能量交换又有物质交换的体系与环境之间既有能量交换又有物质交换的体系v孤立体系孤立体系与环境之间能量交换和物质交换两者全无的体系与环境之间能量交换和物质交换两者全无的体系35当体系的各种性质具有确定的数值时，就称该体系处于一当体系的各种性质具有确定的数值时，就称该体系处于一定的状态。定的状态。如果这些性质中的一个或多个发生了变化，
32、就意味着体系的状态发生如果这些性质中的一个或多个发生了变化，就意味着体系的状态发生了变化。也就是说，热力学中用体系的性质来确定或描述体系的状态了变化。也就是说，热力学中用体系的性质来确定或描述体系的状态的和状态的变化。反之，如体系的状态确定了，体系的一切性质也就的和状态的变化。反之，如体系的状态确定了，体系的一切性质也就完全确定了。完全确定了。由于决定体系状态的这些性质同体系的状态之间有着这样由于决定体系状态的这些性质同体系的状态之间有着这样的依从关系，所以又把体系的这些性质称为的依从关系，所以又把体系的这些性质称为状态性质状态性质或或状状态函数态函数。体系的温度、压力、体积、密度、电位、折光
33、率、粘度、自由能体系的温度、压力、体积、密度、电位、折光率、粘度、自由能等等，都是状态函数。等等，都是状态函数。状态和状态函数状态和状态函数36体系到达某一状态后，若不再随时间改变，则称体系处于热体系到达某一状态后，若不再随时间改变，则称体系处于热力学平衡状态，简称平衡状态。力学平衡状态，简称平衡状态。处于平衡状态时，体系的各种性质不随时间改变，都具有确处于平衡状态时，体系的各种性质不随时间改变，都具有确定的值。但从微观来看，分子、原子、电子等仍处于不停的定的值。但从微观来看，分子、原子、电子等仍处于不停的运动之中。运动之中。所以，平衡是动态的所以，平衡是动态的。平衡必须在一定的条件下才能保持
34、，所以它又是平衡必须在一定的条件下才能保持，所以它又是相对的相对的和和暂暂时的时的。平衡状态平衡状态37体系处于平衡状态的三个条件体系处于平衡状态的三个条件v力学平衡条件力学平衡条件 体系处于平衡状态时，体系的压力必须不随时间改体系处于平衡状态时，体系的压力必须不随时间改变，体系内各部分的压力必须处处相等变，体系内各部分的压力必须处处相等若器壁不是刚性的，除了体系内部的压力必须处处若器壁不是刚性的，除了体系内部的压力必须处处均匀外，还必须使体系的压力与外界均匀外，还必须使体系的压力与外界(环境环境)的压力的压力保持相等保持相等v热平衡条件热平衡条件 体系处于平衡状态时必须保持自身的温度不变，体
35、体系处于平衡状态时必须保持自身的温度不变，体系内部的温度亦必须处处均匀。系内部的温度亦必须处处均匀。若体系与环境之间未隔以绝热壁，还应使体系与环若体系与环境之间未隔以绝热壁，还应使体系与环境的温度相等境的温度相等38体系处于平衡状态的三个条件体系处于平衡状态的三个条件v化学平衡条件化学平衡条件 体系处于平衡状态时还必须满足化学平衡条件。体系处于平衡状态时还必须满足化学平衡条件。满足化学平衡条件的体系，在其内部应无化学反应发生，或虽满足化学平衡条件的体系，在其内部应无化学反应发生，或虽有化学反应发生，但其正、逆反应进行的速度相等有化学反应发生，但其正、逆反应进行的速度相等判断化学反应是否已达平衡
36、，可每隔一段时间从体系中取样分判断化学反应是否已达平衡，可每隔一段时间从体系中取样分析，若历次测定的浓度不变，就说明体系已到达了平衡状态。析，若历次测定的浓度不变，就说明体系已到达了平衡状态。v热力学体系常用温度、压力和物质化学组成热力学体系常用温度、压力和物质化学组成(浓度浓度)这三种状这三种状态参数来表述，当这三种状态参数都保持固定不变时，该体态参数来表述，当这三种状态参数都保持固定不变时，该体系达到热力学平衡状态，一旦在外界作用下使某一状态参数系达到热力学平衡状态，一旦在外界作用下使某一状态参数发生改变，平衡就遭破坏。发生改变，平衡就遭破坏。v热力学常用热力学常用“标准状态标准状态”一词
37、，是指温度为一词，是指温度为298.15K(25)298.15K(25)、压力为一巴的状态。压力为一巴的状态。39v在在热热力力学学中中，焓焓是是系系统统状状态态函函数数，它它指指一一种种化化学学反反应应向向环环境境提供的热量总值，以符号提供的热量总值，以符号H表示，表示，H指一种反应的焓变化。指一种反应的焓变化。在在标标准准状状态态下下，最最稳稳定定的的单单质质生生成成1摩摩尔尔纯纯物物质质时时的的焓焓变变化化，称称为为标标准生成焓，准生成焓，以以Hf表示表示例例如如、水水的的Hf 285.8 kJ/mo1，就就是是说说，在在标标准准状状态态下下，l mol H2和和 l/2 mol O2生
38、成生成1 mol H2O时所生成的热量为时所生成的热量为285.8kJv焓焓可可作作为为化化学学反反应应热热效效应应的的指指标标，化化学学反反应应的的热热效效应应是是指指反反应应前前后后生生成成物物和和反反应应物物标标准准生生成成焓焓的的差差值值，热热力力学学上上称称这这个个差值为反应的标准焓变化，以差值为反应的标准焓变化，以Hr表示。其计算方法如下：表示。其计算方法如下：HrHf(生成物生成物)Hf(反应物反应物)Hr为正值，属吸热反应；为正值，属吸热反应；Hr为负值，属放热反应为负值，属放热反应焓焓40vCaCO3溶解：溶解：CaCO3 Ca2+CO32-HrHCa+HCO3-HCaCO3
39、 (-542.83)+(-677.1)-(-1207.4)-12.53kJ/molvCaCO3沉淀：沉淀：Ca 2+CO32-CaCO3Hr HCaCO3-HCa-HCO3 (-1207.4)-(-542.83)-(-677.1)12.53kJ/molCaCO3的溶解和沉淀反应的溶解和沉淀反应上述计算说明，上述计算说明，CaCOCaCO3 3溶解，溶解，H Hr r为负值，属放热反应；为负值，属放热反应；CaCOCaCO3 3沉淀，沉淀，H Hr r为正值，属吸热反应。为正值，属吸热反应。41v热热力力学学中中的的另另一一个个状状态态函函数数，也也称称为为吉吉布布斯斯自自由由能能。在在热热力力
40、学学中中，自自由由能能的的含含义义是是指指一一个个反反应应在在恒恒温温恒恒压压下下所所能能做做的的最最大大有有用用功功，以以符符号号“G”表示。表示。G是指一个反应的自由能变化。是指一个反应的自由能变化。v在在标标准准状状态态下下，最最稳稳定定的的单单质质生生成成1摩摩尔尔纯纯物物质质时时的的自自由由能能变变化化，称称为为“标标准准生生成成自自由由能能”，以以“Gf”表表示示。在在标标准准状状态态下下，某某一一反反应应自自由由能能变变化化称称为为“反反应应的的标标准准自自由由能能变变化化”，以以“Gr”表表示示，其其计计算方法为算方法为 GrGf(生成物生成物)Gf(反应物反应物)v化学反应中
41、的驱动力，一般用自由能变化来代表。化学反应中的驱动力，一般用自由能变化来代表。v在恒温恒压条件下自由能判据为：在恒温恒压条件下自由能判据为：自由能自由能422、自由能与化学平衡、自由能与化学平衡v根根据据化化学学热热力力学学原原理理，可可推推导导出出反反应应的的标标准准自自由由能能变变化化与与平平衡衡常常数数的的关系式：关系式：Gr=-RTlnK式式中中Gr为为反反应应的的标标淮淮自自由由能能变变化化（kJ/mol）；R为为气气体体常常数数（0.008314 kJ/mol）；）；T为绝对温度；为绝对温度；K为平衡常数为平衡常数v在在标标准准状状态态下下，T 293.15 K(T 25+273.
42、15)，将将R和和T值值代代入入上式，并转换为以上式，并转换为以10为底的对数，则为底的对数，则lgK -0.175Gr(kJ/mol)v只只要要从从文文献献中中能能查查到到反反应应中中所所有有组组分分的的Gf值值，即即可可算算得得标标准准状状态态下下的的Gr，进而求得平衡常数进而求得平衡常数K43范特霍夫式范特霍夫式用于求取标准状态以外的情况下的用于求取标准状态以外的情况下的K值值原因：原因：反应的标准自由能变化随温度和压力的不同变化明显；反应的标准自由能变化随温度和压力的不同变化明显；但反应的标准焓变化与温度和压力关系不大；但反应的标准焓变化与温度和压力关系不大；地壳浅部几百米内，流体压力
43、对平衡常数地壳浅部几百米内，流体压力对平衡常数K的的影响极小，可影响极小，可忽略不计；因此，对该范围内的水文地球化学反应，平衡常忽略不计；因此，对该范围内的水文地球化学反应，平衡常数只与反应的温度有关，可通过反应的标准焓变化求得。数只与反应的温度有关，可通过反应的标准焓变化求得。443、理想溶液与活度、理想溶液与活度A A、理想溶液与稀溶液理想溶液与稀溶液v理想溶液：溶液中离子之间或分子之间没有相互作用。理想溶液：溶液中离子之间或分子之间没有相互作用。v地下水是一种真实溶液，不是理想溶液；水中离子（或分子地下水是一种真实溶液，不是理想溶液；水中离子（或分子之间）存在各种相互作用，包括相互碰撞及
44、静电引力作用。之间）存在各种相互作用，包括相互碰撞及静电引力作用。v作用的结果是，化学反应相对减缓，一部分离子在反应中不作用的结果是，化学反应相对减缓，一部分离子在反应中不起作用了。因此，如果仍然用水中各组分的实测浓度进行化起作用了。因此，如果仍然用水中各组分的实测浓度进行化学计算，就会产生一定程度的偏差。学计算，就会产生一定程度的偏差。v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，校正后的浓度称为校正浓度，也就是活度。以校正，校正后的浓度称为校正浓度，也就是活度。质量作质量作用定律中，浓度是以活度表示的。用定律中，浓度是以活
45、度表示的。活度是真实浓度（实测浓活度是真实浓度（实测浓度）的函数，度）的函数，一般情况下，活度小于实测浓度。一般情况下，活度小于实测浓度。453、理想溶液与活度、理想溶液与活度A、理想溶液与稀溶液理想溶液与稀溶液v活度与实测浓度的函数表示式为：活度与实测浓度的函数表示式为：a=r m式中式中m为实测浓度（为实测浓度（mol/L）；）；r为活度系数，其单位是实测浓度的倒为活度系数，其单位是实测浓度的倒数（数（L/mol），），a为活度，无量纲。但是，在实际应用中，为活度，无量纲。但是，在实际应用中，a和和m的单的单位相同，均为位相同，均为mol/L，r为无量纲的系数。为无量纲的系数。v活度系数随
46、水中溶解固体（活度系数随水中溶解固体（TDS）增加而减小，一般都小于增加而减小，一般都小于1。当水中。当水中TDS很低时，很低时，r趋近于趋近于1，活度趋近于实测浓度。，活度趋近于实测浓度。v分子（包括水分子）和不带电的离子对的活度系数为分子（包括水分子）和不带电的离子对的活度系数为1。v在化学平衡计算中，规定固体和纯液体的活度为在化学平衡计算中，规定固体和纯液体的活度为1。46B、活度系数公式活度系数公式v在水文地球化学研究中，应用最普遍的活度系数计算公式是在水文地球化学研究中，应用最普遍的活度系数计算公式是迪拜迪拜-休克尔（休克尔（Debye-Huckel）方程：方程：式式中中：r为为活活
47、度度系系数数；Z为为离离子子的的电电荷荷数数；I为为离离子子强强度度（mol/L）；A和和B为为取取决决于于水水的的介介电电常常数数、密密度度和和温温度度的的常常数数；a是是与与离离子子水水化化半半径径有关的常数。有关的常数。当当I 0.1时，该方程精确性很高时，该方程精确性很高离子强度离子强度I的计算公式：的计算公式：式中：式中：Zi为为i离子的电荷数；离子的电荷数；mi为为i离子的浓度（离子的浓度（mol/L）。）。47v对对于于TDS高高（I大大于于0.1 mol/L）的的咸咸地地下下水水、污污水水来来说说，迪迪拜拜-休休克克尔尔方方程程就就不不适适用用了了。为为此此，戴戴维维斯斯提提出
48、出了了扩扩大大的的迪拜迪拜-休克尔方程，也称为戴维斯（休克尔方程，也称为戴维斯（Davies）方程：方程：v与与迪迪拜拜-休休克克尔尔方方程程相相比比，它它增增加加了了校校正正参参数数b，且且式式中中的的a值与迪拜值与迪拜-休克尔方程式中的休克尔方程式中的a值不同。值不同。v方程的应用范围是方程的应用范围是I0.5 mol/L。B、活度系数公式活度系数公式484、溶度积和溶解度、溶度积和溶解度 溶解度：在给定的温度和压力下，溶液中某溶解物达到溶解度：在给定的温度和压力下，溶液中某溶解物达到溶解平衡时的总量溶解平衡时的总量严格说来，物质的溶解度只有大小之分，没有在水中绝严格说来，物质的溶解度只有
49、大小之分，没有在水中绝对不溶解的物质。习惯上把溶解度小于对不溶解的物质。习惯上把溶解度小于0.01g/100g水的物水的物质叫做质叫做“不溶物不溶物”，确切地说应叫做，确切地说应叫做“难溶物难溶物”溶度积（常数）：即难溶盐的平衡常数溶度积（常数）：即难溶盐的平衡常数以以BaSO4的溶解与沉淀过程为例说明的溶解与沉淀过程为例说明49BaSOBaSO4 4的溶解与沉淀过程的溶解与沉淀过程50饱和度判别饱和度判别如如BaSO4的溶解速度大于沉淀速度，溶液处于的溶解速度大于沉淀速度，溶液处于未饱和未饱和状态；状态；如果沉淀速度大于溶解速度，如果沉淀速度大于溶解速度，BaSO4溶液处于溶液处于过饱和过饱
50、和状态；状态；如果沉淀速度等于溶解速度，溶解过程和沉淀过程便达到平衡，如果沉淀速度等于溶解速度，溶解过程和沉淀过程便达到平衡，即溶液为即溶液为饱和饱和溶液。溶液。溶解溶解-沉淀平衡建立后，虽然两个相反的过程还在不断进行，但沉淀平衡建立后，虽然两个相反的过程还在不断进行，但溶液中离子的浓度（严格讲，应是活度）不再改变。在溶液中离子的浓度（严格讲，应是活度）不再改变。在BaSO4的的饱和溶液中存在下列平衡饱和溶液中存在下列平衡:BaSO4（固）固）=Ba2+SO42-按照质量作用定律按照质量作用定律K=Ba2+SO42-/BaSO451v在在温温度度一一定定时时，K为为常常数数，固固体体BaSO4