[农林牧渔]水化学第五章 天然水中与水生生物相关的主要化学过程.ppt

第一节 天然水中界面上的物理化学过程 天然水体是个多相体系，在水与气体、水与底质、水与生物、水与悬浊物质、胶体粒子相互接触之处，都有巨大的界面。物质在界面处的行为与均相溶液内不同，水中的化学反应，大多发生在相间不连续的界面上，在很大程度上为发生在界面上的各种现象所制约。界面上的化学过程极其复杂，本章主要讨论与水生生物活动较为密切相关的液—固及气—液之间的若干重要的物理、化学及生物的作用。?? 一、胶体 （一）胶体的基本概念 在常见的物理化学教科书中，胶体被定义为“任何线形直径在10-9m到10-6m间的粒子”，即胶体粒径大小范围为1-1000nm，故也可称其为“纳米粒子”。所以在透过0.45μm微孔膜的水样中，除了真正的溶解态组分外，还存在着胶体，此时水中某化学要素的含量，实际上也包括了胶体部分。在海洋科学中，用0.45μm微孔膜来确定其膜保留物为颗粒物已成为惯例，并且已为大多数研究者所采用。故在实际研究工作中，可将胶体粒子定义为“能透过0.45μm微孔膜但被分子量截留或分子量保留为1000Dalton的超滤膜所保留的粒子”。 本世纪初，人们把胶体分为两类：亲液胶体和憎液胶体。如蛋白质、明胶等容易与水形成胶体的溶液叫做亲液胶体，而那些本质上不溶于介质的物质，必须经过适当处理后，才可以将它分散在某种介质中的，叫做憎液胶体。如金溶胶等，都是典型的憎液胶体。胶体体系还可以按分散相和分散介质的聚集状态来分类，这样可以把胶体分成八类（表7-1）凡分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶；分散介质为气体的则称为气溶胶；而分散介质为固体的则称为固溶胶。最简单的分散体系总是由两相组成，例如大气层中的尘埃、水滴称为分散相，空气称为分散介质；工业废水中的杂质、泥沙等是分散相，水是分散介质；养殖水域环境则是一个复杂的分散体系，其中的分散相有溶解态、胶态及悬浮态的各种物质。 胶体粒子及细微粘土粒子，由于分散度高，总表面积大，通过选择吸附作用，从溶液中吸附一定离子，或者由于粒子表面基团的电离、水解等，使得胶体粒子等表面总呈带电状态。吸附在胶体微粒表面的离子，决定着表面带电性质，因此称为“决定电位离子”。它们与胶体表面结合很紧，与胶体粒子一起移动并不分开。 胶体表面带电后，由于静电引力关系，可从溶液中再吸附一些荷电相反的离子（称为“反离子”），它们与胶体表面保持一定距离。离表面近的反离子，受的引力较大，总是随胶体粒子一起移动，故合称为“固定层”，也称吸附层。离胶体表面更远的反离子，由于受到的引力较小，在胶体粒子移动时，它们并不随之移动，称为“扩散层”。当与胶体表面的距离增大到一定数值时，反离子浓度即与溶液主体内的平均浓度相同，这一点即为溶液主体与扩散层的“分界”。 （二）胶体的电学性质 1. 胶体离子表面电荷的由来??? 如前所述，胶体粒子表面总带有电荷，同时还可吸附溶液中带相反电荷的离子构成胶团。与此同时，离子的热运动又促使这些离子在界面上建立起具有一定分布规律的双电层。溶胶粒子表面电荷的来源大致有以下三个方面。 （1）电离??? 一些胶体粒子，在水中本身就可以电离，故其表面带电荷。例如硅胶表面分子与水作用生成H2SiO3，它是一个弱电解质，在水中电离生成 ，使硅胶粒子带负电。高分子（如蛋白质）含有许多羧基（—COOH）和氨基（— ），从而使整个大分子在不同pH条件下带电性不同，当介质的pH较低时，分子带正电荷，pH值较高时，带负电荷，在某个特定的pH值时，蛋白质分子的净电荷为零，此pH值称为该蛋白质的等电点。 （2）离子吸附??? 分散相表面对电解质正负离子不相等的吸附，从而使其表面获得电荷。有些物质本身不能离解，例如石墨、纤维、油珠等，但是可以从水或水溶胶中吸附H+、OH—或其它离子，从而使物质带电。影响分散相表面带正电荷还是带负电荷的因素主要有两个。一方面水化能力强的粒子往往留在溶液中，水化能力弱的粒子则容易被吸附于固体表面。阳离子的水化能力一般比阴离子强，所以固体表面带负电荷的可能性比较大；另一方面根据Fajans规则，能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最容易被质点表面吸附。例如用AgNO3和KBr反应制备AgBr溶胶时，AgBr质点易于吸附Ag+或Br-，而对K+和 吸附较弱，因此AgBr质点的带电状态，取决于溶液中Ag+或Br-中哪种离子过量。 如果有表面活性剂的离子存在，那么，通常可以根据所吸附的表面活性剂的离子的正负来判断表面带电的正负。 具有水合作用的物质（如蛋白质、多糖等）表面不太容易吸附离子，而疏水物质的表面（如脂类表面）则比较容易吸附离子。（Dunan J. Shao, 1983） （3）晶格取代??? 晶格取代也是粘土粒子带电的原因之一。粘土是由氧化铝八面体和硅氧四面体的晶格组成