张力随温度的升高而剧减。
➢ （2）水的表面张力对研究包气带地下水的地球化学作用 将具有重要意义。
❖ 3.水具有较小的粘滞性和较大的流动性 ➢ 水的粘滞性小，流动性大，从本质上说，仍是由于水分子
的极性共价键和氢键联结所决定的。

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2.1 水溶液的结构与性质
a
o i
与
bio
参数，对于主要离
子查表4，对于次要离子查表5， bio 规定为零。

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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖ 一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢
表4
戴维斯方程的
a
o i
和
bio
参数（主要离子）
主要离子
a
o i
Ca2＋

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2.1 水溶液的结构与性质
❖二. 水的特异性质
❖ 5.水具使盐类离子产生水合作用的能力
➢ （1）水分子由于具有较强的极性，所以它可借助于较强 的静电引力来吸引和牵制水中的离子。
➢ （3）水分子正极（氢端）吸引水中阴离子，而负极（氧 端）吸引阳离子。这种水中离子和水分子之间能相互吸引 作用，使水中正负离子周围为水分子所包围的过程称为离 子的水合作用。
0.36
0.75
0.00087 0.0355
0.36
0.76
0.0005 0.038 Company Logo
2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢ 计算步骤：
(1)、计算各离子的mol浓度，mg/L→g/L→mol/L
(2)、计算水的离子强度I
I＝（0.0951×12＋0.00097×22＋……＋0.0467×12）
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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢ 对于高矿化度的地下水，即离子强度＞0.1mol/L，迪拜－ 休克尔公式就不适用了，为此应用戴维斯方程：
log ri

AZi2 1 Baio
I I
bio I
➢ 式中A，B参数与上述一样，
104.5°，键长为0.96Å（1Å=10-10m），见图2-1。
图2-1 水分子结构模型

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2.1 水溶液的结构与性质
❖一、 水的结构
❖ 2.水分子的内部结构 ➢ 由于氧的电负性为3.5，氢的电负性为2.1，（中性原子接
受电子的能力，称为电负性）这种差异导致了H、O形成 共价键。 ➢ 由于氧的电负性大，所以共价电子偏向氧原子，这样使氧 带有部分负电性，氢还有部分正电性，这就造成了极性共 价键。
➢ 由这种极性共价键所形成的分子称为极性分子。

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2.1 水溶液的结构与性质
❖一、 水的结构
❖ 3.水分子间的联结 ➢ 水分子间是靠氢键联结起来的。
所谓氢键是一种因静电吸引作用而产生的附加键， 所以一个水分子中的氢原子，在保持同本分子中氧原子 的共价键的同时，又能同相邻水分子中的氧原子产生一 种静电吸引力。 ➢ 这样水分子就有具有了两种类型的键：
5
0.4291
10
0.4960
15
0.5000
20
0.5042
25
0.5085
B×10－8
0.3241 0.3249 0.3258 0.3262 0.3273 0.3281
温度 （℃） 30 35 40 50 60
A
0.5130 0.5175 0.5221 0.5319 0.5425
B×10－8
0.3290 0.3297 0.3305 0.3221 0.3338
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢ 水溶液的离子强度计算化公式如下： I 1 2
Z
2 i
mi
➢ 式中Zi—离子i的电荷数；mi—离子i的浓度（mol/L） ➢ 例1：现有一地下水样分析结果表3（25℃），求Ca2＋活度。
➢
表3 地下水样分析结果
离子
Na＋
Ca2＋
Mg2＋
SO42＋
＝0.0991＜0.1mol/L
(3)、计算活度系数
查表，25℃时，A＝0.5085，B＝0.3281×10－8
a0 Ca 2
6.0108

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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数 ➢ 计算步骤：
➢ （3）水的热传导、热容及热膨胀性能几乎比其它所有液体 都高：这一性质使水对自然界起到良好的调节作用 ，利于
人类和各种生物生存。

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2.1 水溶液的结构与性质
❖二. 水的特异性质
❖ 2.水具有较大的表面张力 ➢ （1）液体中，除汞以外，水的表面张力最大。水的表面

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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
❖ （1）活度的定义 指实际参加化学反应的物质浓度，或指所研究的溶液
体系中化学组分的有效浓度。
ai=γi·mi
式中：ai—组分i的活度；γi—组分i的的活度系数；
SO32-,Pb2＋ Sr2＋,Ba2＋,S2-,Cd2＋,CO32-
Ca2＋,Fe2＋,Mn2＋,Ca2＋,Zn2＋,Sn2＋,Ni2＋,Co2＋,Li＋,
8 9

Mg2＋ H＋,Al3＋,Fe3＋,Cr3＋
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2.2 热力学在水文地球化学中的应用

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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢ 表2
迪拜－休克尔方程中各种离子的
a
0 i
值
（×108） 2.5 3.0 3.5 4.0
4.0-4.5 4.5 5
6
离子
NH+4 K＋,Cl－,NO－3 OH－,HS－,MnO－4 SO42-,PO43-,HPO42-,CrO42Na＋,HCO3-,H2PO4-,HSO3-
Cl－
CO32－
HCO3－
mg/L
2187
39
57
232
1680
84
2580
mol/L 0.0951 0.00097 0.0023 0.00242 0.0474 0.0014 0.0467
γi
0.78
a0
0.072

0.39 0.00038
0.44 0.001
Hydrogeochemistry
水文地球化学
第二章 水溶液的物理化学基础
东华理工大学水L文O地G球O化学课程组
本章内容
2.1 水溶液的结构与性质 2.2 热力学在水文地球化学中的应用

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2.1 水溶液的结构与性质
❖一、 水的结构
❖ 1. 水分子的种类
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2.1 水溶液的结构与性质
❖二. 水的特异性质
❖ 1.水具有独特的热力学性质
➢ （1）水的生成热很高：水的稳定性很好，在2000K的高温 下，水的离解度仅为0.588%，保证了水在地下深部高温状 态下可广泛参与水文地球化学作用过程 。
➢ （2）水具有很高的沸点和达到沸点以前的极长液态阶段： 这一性质保证了地球上大量液态水的存在 ，而高沸点是由 于水分子间的氢键强度大而产生的 。
❖二. 水的特异性质
❖ 4.水具有高的介电效应
➢ （1）在水中，盐类离子晶体发生离解时，一些水分子围 绕着每个离子形成一层抵消外部静电引力（或斥力）的 “绝缘”外膜，它会部分中和离子的电荷，并阻止正负离 子间的再行键合。这种绝缘效应（或屏蔽效应）称为介电 效应。
➢ （2）介电常数：表征在某介质中电荷之间的吸引力比在 真空中减少的倍数。水的介电常数在常温下为81，0℃时 为88，100℃时为56。这意味着正负离子在水中的相互吸 引力比在真空中减少81倍。
此时达到最大密度。
➢ 在250～300℃时，n接近1，即水具有H2O形式。 ➢ 水分子在缔合过程中不会引起化学性质的变化。这种由
单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的 现象，称为水分子的缔合作用。
➢ 液态、固态水均以巨型分子形式存在，汽态水才以单分
子的形式存在。

mi—组分i的摩尔浓度 ❖ （2）活度系数的计算
➢ 对于矿化度＜100mg/L的天然水，γi＝1，浓度＝活度；
➢ 对于矿化度＞100mg/L的天然水，γi有两种情况：

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2.2 热力学在水文地球化学中的应用
❖一. 热力学基本原理
❖ 1.活度与活度系数
➢ 这9种不同形式的水中，以H216O占绝对优势，通常所讲的
水的性质，即为H O的性质，一般用H O来表示。
16 2
2
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2.1 水溶液的结构与性质
❖一、 水的结构
❖ 2.水分子的内部结构 ➢ 原子结构理论表明，H2O分子呈V形结构，H-O键的夹角为
➢ （2）水对固体的溶解性能是由于是极性分子，其介电效应 高，能使盐类产生水合作用等特性有关。

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2.1 水溶液的结构与性质
❖二. 水的特异性质
1. 水具有独特的热力学性质 2. 水具有较大的表面张力 3. 水具有较小的粘滞性和较大的流动性 4. 水具有高的介电效应 5. 水具使盐类离子产生水合作用的能力 6. 水具有良好的溶解性能