第二节 天然水的组成与性质

一、水的基本性质

1.水的分子结构

水分子是由一个氧原子和两个氢原子通过共价键键合所形成。通过对水分子结构的测定分析，两个O—H键之间的夹角为104.5°，H—O键的键长为96pm。由于氧原子的电负性大于氢原子，O—H的成键电子对更趋向于氧原子而偏离氢原子，从而氧原子的电子云密度大于氢原子，使得水分子具有较大的偶极矩（μ=1.84D），是一种极性分子。水分子的这种性质使得自然界中具有极性的化合物容易溶解在水中。水分子中氧原子的电负性大，O—H的偶极矩大，使得氢原子带部分正电荷，可以把另一个水分子中的氧原子吸引到很近的距离形成氢键。水分子间氢键键能为18.81kJ/mol，约为O—H共价键的1/20。氢键的存在，增强了水分子之间的作用力。冰融化成水或者水汽化生成水蒸气，都需要环境中吸收能量来破坏氢键［1］。

2.水的物理性质

水是一种无色、无味、透明的液体，主要以液态、固态、气态三种形式存在。水本身也是良好的溶剂，大部分无机化合物可溶于水。由于水分子之间氢键的存在，使水具有许多不同于其他液体的物理、化学性质，从而决定了水在人类生命过程和生活环境中无可替代的作用［1，2］。

（1）凝固（熔）点和沸点。

在常压条件下，水的凝固点为0℃，沸点为100℃。水的凝固点和沸点与同一主族元素的其他氢化物熔、沸点的递变规律不相符，这是由于水分子间存在氢键的作用。水的分子间形成的氢键会使物质的熔点和沸点升高，这是因为固体熔化或液体汽化时必须破坏分子间的氢键，从而需要消耗较多能量的缘故。水的沸点会随着大气压力的增加而升高，而水的凝固点随着压力的增加而降低。

（2）密度。

在大气压条件下，水的密度在4℃时最大，为1×103kg/m3，温度高于4℃时，水的密度随温度升高而减小，在0～4℃时，密度随温度的升高而增加。

水分子之间能通过氢键作用发生缔合现象。水分子的缔合作用是一种放热过程，温度降低，水分子之间的缔合程度增大。当温度≤0℃，水以固态的冰的形式存在时，水分子缔合在一起成为一个大的分子，如图3-1所示。冰晶体中，水分子中的氧原子周围有四个氢原子，水分子之间构成了一个四面体状的骨架结构。冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。当冰从环境中吸收热量，熔化生成水时，冰晶体中一部分氢键开始发生断裂，晶体结构崩溃，体积减小，密度增大。当进一步升高温度时，水分子间的氢键被进一步破坏，体积进而继续减小，使得密度增大；同时，温度的升高增加了水分子的动能，分子振动加剧，水具有体积增加而密度减小的趋势。在这两种因素的作用下，水的密度在4℃时最大。

水的这种反常的膨胀性质对水生生物的生存发挥了重要的作用。因为寒冷的冬季，河面的温度可以降低到冰点或者更低，这是无法适合动植物生存的。当水结冰的时候，冰的密度小，浮在水面，4℃的水由于密度最大，而沉降到河底或者湖底，可以保障水下生物的生存。而当天暖的时候，冰在上面，也是最先熔化。

（3）高比热容、高汽化热。水的比热容为4.18×103J/（kg·K），是常见液体和固体中最大的。水的汽化热也极高，在20℃下为2.4×103（kJ/kg）。正是由于这种高比热容、高汽化热的特性，地球上的海洋、湖泊、河流等水体白天吸收到达地表的太阳光热能，夜晚又将热能释放到大气中，避免了剧烈的温度变化，使地表温度长期保持在一个相对恒定的范围内。通常生产上使用水做传热介质，除了它分布广外，主要是利用水的高比热容的特性。

（4）高介电常数。

水的介电常数在所有的液体中是最高的，可使大多数蛋白质、核酸和无机盐能够在其中溶解并发生最大程度的电离，这对营养物质的吸收和生物体内各种生化反应的进行具有重要意义。

（5）水的依数性。

水的稀溶液中，由于溶质微粒数与水分子数的比值的变化，会导致水溶液的蒸汽压、凝固点、沸点和渗透压发生变化。

（6）透光性。

水是无色透明的，太阳光中可见光和波长较长的近紫外光部分可以透过，使水生植物光合作用所需的光能够到达水面以下的一定深度，而对生物体有害的短波远紫外光则几乎不能通过。这在地球上生命的产生和进化过程中起到了关键性的作用，对生活在水中的各种生物具有至关重要的意义。

3.水的化学性质

（1）水的化学稳定性。

在常温常压下，水是化学稳定的，很难分解产生氢气和氧气。在高温和催化剂存在的条件下，水会发生分解，同时电解也是水分解的一种常用方式。水在直流电作用下，分解生成氢气和氧气，工业上用此法制纯氢和纯氧。

（2）水合作用。

溶于水的离子和极性分子能够与水分子发生水合作用，相互结合，生成水合离子或者水合分子。这一过程属于放热过程。水合作用是物质溶于水时必然发生的一个化学过程，只是不同的物质水合作用方式和结果不同。

（3）水的电离。

水能够发生微弱的电离，产生H+和HO-。水的离子积常数Kw=10-14（25℃），所以纯净水的pH值理论上为7，天然水体的pH值一般为6～9。水体中同时存在 H+和HO-，呈现出两性物质的特性。

（4）水解反应。

物质溶于水所形成的金属离子或者弱酸根离子能够与水发生水解反应，如式（3-1）～式（3-5）所示。弱酸根离子发生水解反应，生成相应的共轭酸。金属离子发生水解反应生成一些列羟基配位的金属络合物。

二、天然水的性质

（一）天然水的组成

天然水在形成和迁移的过程中与许多具有一定溶解性的物质相接触，由于溶解和交换作用，使得天然水体富含有各种化学组分。天然水体所含有的物质主要包括无机离子、溶解性气体、微量元素、水生生物、有机物以及泥沙和黏土等［1，4，5］。

1.天然水中的主要离子

天然水体中常见的离子为Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-、。它们的含量占天然水离子总量的95%～99%以上［1］。

重碳酸根离子和碳酸根离子在天然水体中的分布很广，几乎所有水体都有它的存在，主要来源于碳酸盐矿物的溶解。一般河水与湖水中超过250mg/L，在地下水中的含量略高。造成这种现象的原因在于在水中如果要保持大量的重碳酸根离子，则必须要有大量的二氧化碳，而空气中二氧化碳的分压很小、二氧化碳很容易从水中逸出。

天然水中的氯离子是水体中常见的一种阴离子，主要来源于火成岩的风化产物和蒸发盐矿物。它在水中有广泛分布，在水中含量变化范围很大，一般河流和湖泊中含量很小，要用mg/L来表示。但随着水矿化度的增加，氯离子的含量也在增加，在海水以及部分盐湖中，氯离子含量达到十几g/L以上，而且成为主要阴离子。

硫酸根离子是天然水中重要的阴离子，主要来源于石膏的溶解、自然硫的氧化、硫化物的氧化、火山喷发产物、含硫植物及动物体的分解和氧化。硫酸根离子分布在各种水体中，河水中硫酸根离子含量在0.8～199mg/L之间；大多数的淡水湖泊，其硫酸根离子含量比河水中含量高；在干旱地区的地表水及地下水中，硫酸根离子的含量往往可达到几g/L；海水中硫酸根离子含量为2～3g/L；而在海洋的深部，由于还原作用，硫酸根离子有时甚至不存在。硫酸盐含量不高时，对人体健康几乎没有影响，但是当含量超过250mg/L时，有致泻作用，同时高浓度的硫酸盐会使水有微苦涩味，因此，国家饮用水水质标准规定饮用水中的硫酸盐含量不超过250mg/L。

钙离子是大多数天然淡水的主要阳离子。钙广泛地分布于岩石中，沉积岩中方解石（CaCO3）、石膏（CaSO4·2H2O）和萤石的溶解是钙离子的主要来源。河水中的钙离子含量一般为20mg/L左右。镁离子主要来自白云岩以及其他岩石的风化产物的溶解，大多数天然水中镁离子的含量在1～40mg/L，一般很少有以镁离子为主要阳离子的天然水。通常在淡水中的阳离子以钙离子为主，在咸水中则以钠离子为主。水中的钙离子和镁离子的总量称为水体的总硬度。硬度的单位为度，硬度为1度的水体相当于含有10mg/L的CaO。根据水体硬度的大小，可以根据表3-1中的标准将水体的硬度分为若干级。水体过软时，会引起或加剧身体骨骼的某些疾病，因此，水体中适当的钙含量是人类生活不可或缺的。但水体的硬度过高时，饮用会引起人体的肠胃不适，同时也不利于人们生活中的洗涤和烹饪；当高硬度水用于锅炉时，会在锅炉的内壁结成水垢，影响传热效率，严重时还会引起爆炸，所以高硬度水用于工业生产中应该进行必要的软化处理。

钠离子主要来自火成岩的风化产物，天然水中的含量在1～500mg/L范围内变化。含钠盐过高的水体用于灌溉时，会造成土壤的盐渍化，危害农作物的生长。同时，钠离子具有固定水分的作用，高血压病人和浮肿病人需要限制钠盐的摄取量。钾离子主要分布于酸性岩浆岩及石英岩中，在天然水中的含量要远低于钠离子。在大多数饮用水中，钾离子的含量一般小于20mg/L；而某些溶解性固体含量高的水和温泉中，钾离子的含量可高达到100～1000mg/L。

2.溶解性气体

天然水体中的溶解性气体主要有氧气、二氧化碳、硫化氢等。

天然水中的溶解性氧气主要来自大气的复氧作用和水生植物的光合作用。溶解在水体中的分子氧称为溶解氧（Dissolved oxygen，DO），溶解氧在天然水中起着非常重要的作用。水中动植物及微生物需要溶解氧来维持生命，同时溶解氧是水体中发生的氧化还原反应的主要氧化剂，此外水体中有机物的分解也是好氧微生物在溶解氧的参与下进行的。水体的溶解氧是一项重要的水质参数，对分析水体污染和水体自净有着重要的实际意义。溶解氧的数值不仅受大气复氧速率和水生植物的光合速率影响，还受水体中微生物代谢有机污染物的速率影响。当水体中可降解的有机污染物浓度不是很高时，好氧细菌消耗溶解氧分解有机物，溶解氧的数值降低到一定程度后不再下降；而当水体中可降解的有机污染物较高，超出了水体自然净化的能力时，水体中的溶解氧可能会被耗尽，厌氧细菌的分解作用占主导地位，从而产生臭味。

天然水中的二氧化碳主要来自水生动植物的呼吸作用。从空气中获取的二氧化碳几乎只发生在海洋中，陆地上的水体很少从空气中获取二氧化碳，因为陆地水中的二氧化碳含量经常超过它与空气中二氧化碳保持平衡时的含量，水中的二氧化碳会逸出。河流和湖泊中二氧化碳的含量一般不超过20～30mg/L。

天然水中的硫化氢来自水体底层中各种生物残骸腐烂过程中含硫蛋白质的分解，水中的无机硫化物或硫酸盐在缺氧条件下，也可还原成硫化氢。一般来说硫化氢位于水体的底层，当水体受到扰动时，硫化氢气体就会从水体中逸出。当水体中的硫化氢含量达到10mg/L时，水体就会发出难闻的臭味。

3.微量元素

所谓微量元素是指在水中含量小于0.1%的元素。在这些微量元素中比较重要的有卤素（氟、溴、碘）、重金属（铜、锌、铅、钴、镍、钛、汞、镉）和放射性元素等。尽管微量元素的含量很低，但与人的生存和健康息息相关，对人的生命起至关重要的作用。它们的摄入过量、不足、不平衡或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病。

4.水生生物

天然水体中的水生生物种类繁多，有微生物、藻类以及水生高等植物、各种无脊椎动物和脊椎动物。水体中的微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与水体净化能力关系密切。微生物通过自身的代谢作用（异化作用和同化作用）使水中悬浮和溶解在水里的有机物污染物分解成简单、稳定的无机物二氧化碳。水体中的藻类和高级水生植物通过吸附、利用和浓缩作用去除或者降低水体中的重金属元素和水体中的氮、磷元素。生活在水中的较高级动物如鱼类，对水体的化学性质影响较小，但是水质对鱼类的生存影响却很大。

5.有机物

天然水体的有机物主要来源于水体和土壤中的生物的分泌物和生物残体以及人类生产生活所产生的污水，包括碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪酸、色素、纤维素、腐殖质等。水中的可降解有机物的含量较高时，有机物的降解过程中会消耗大量的溶解氧，导致水体腐败变臭。当饮用水源水有机物含量比较高时，会降低水处理工艺的处理效果，并且会增加消毒副产物的生成量。

（二）天然水的分类

天然水体在形成和迁移的过程中不断的与周围环境相互作用，其化学成分组成也多种多样，这就需要采用某种方式对水体进行分类，从而反映天然水体水质的形成和演化过程，为水资源的评价、利用和保护提供依据。下面介绍苏联学者O.A.阿列金提出的两种常用分类方法［5］。

1.按水体中的总盐量分类

按水体中的总盐量对水体进行分类如表3-2所示。在这种分类法中，把淡水的总含盐量范围确定在1.0g/kg之内，是基于人的感觉。当水的总盐量大于该值时便具有咸味；微咸水与咸水的总含盐量界线确定为25g/kg，是因为在该总盐量下，水的冻结温度与其最大密度时的温度相同；咸水与盐水的界线为50g/kg，则是根据海水中还未出现过总盐量大于该值的情况来确定的。

2.按水体中主要无机离子分类

这种分类方法所涉及的三类阳离子是Ca2+、Mg2+、Na++K+，三类阴离子是、Cl-、。首先按照含量最多的阴离子将水体分为三类：重碳酸盐类）、硫酸盐类、氯化物类（Cl-），并分别用C、S、Cl三种符号表示。然后按照含量最多的阳离子把每类水体再进一步划分为三组，即钙组（Ca2+）、镁组（Mg2+）、和钠组（Na+）。最后按阴离子和阳离子间的相对关系，把各组分为4种水型。

Ⅰ型是低矿化水体，主要是含有大量Na+和K+的水体，水中含有相当数量的Na HCO3；Ⅱ型是低矿化水体和中矿化水体，河水、湖水和地下水都属于这种类型；Ⅲ型水体有很高的矿化度，海洋水和海湾水及高矿化度的地下水属于这一类型；Ⅳ型水体属于酸性水体，其特点是没有，酸性沼泽水和硫化矿床水体属于这一类水体。另外，在硫酸盐和氯化物的钙组和镁组中不可能出现Ⅰ型水，只能由Ⅳ型水代替，这样天然水体根据该类划分方法可以分为27种类型的水体，见表3-3。