地下水的主要化学性质

Answer 1

地下水中含有复杂的化学成分，因此使其具有相应的化学性质。主要化学性质有:酸碱性、硬度、总矿化度、氧化还原性及侵蚀性等。

1.酸碱性

地下水的酸碱性与氢离子的浓度有关。水中氢离子浓度通常用pH值表示。pH值为氢离子浓度的负对数，即pH=－lg［H⁺］。当水温在25℃时，［H⁺］·［OH^－］=10^－14。在纯水中，氢离子的浓度与氢氧根离子的浓度相等，即［H⁺］=10^－7，［OH^－］=10^－7，pH=7，说明水呈中性。当［H⁺］大于10^－7时，pH小于7，说明水呈酸性。当［H⁺］小于10^－7时，pH大于7，说明水呈碱性。大部分天然水的pH值介于6～8.5之间(表5－10)。地下水按pH值可分为七类(表5－11)。pH值是确定很多化学成分(硫化氢、二氧化硅、重金属等)能否存在于水溶液中的指标。

表5－10 天然水的pH值

表5－11 地下水按pH值分类

2.硬度

水的硬度决定于钙、镁离子的含量，其他金属离子如铁、锰、铝、锶、锌等也能生成硬度，但是在地下水中这些离子含量极少，可忽略不计。

硬度可分为总硬度、暂时硬度、永久硬度及碳酸盐硬度。

(1)总硬度

水中所含钙、镁离子的总量称为总硬度。

(2)暂时硬度

将水加热至沸腾，由于脱碳酸作用，水中的重碳酸根离子与钙、镁离子结合形成碳酸盐沉淀。呈碳酸盐沉淀的这部分钙、镁离子的数量称为暂时硬度。

普通水文地质学

(3)永久硬度

指水沸腾以后仍保留在水中的钙、镁离子的含量(即总硬度与暂时硬度的差值)称为永久硬度。

(4)碳酸盐硬度

碳酸盐硬度是指水中与重碳酸根离子含量相当的钙、镁离子含量。有时用碳酸盐硬度代替暂时硬度。实际上，碳酸盐硬度往往大于暂时硬度。因为水沸腾时，水中的重碳酸根离子不可能完全形成沉淀，其中有一部分重碳酸根离子因受热而分解成CO₂气体逸出了。

水中氢氧根离子、碳酸根离子和重碳酸根离子的总量称为水的总碱度。如果一般水中不含氢氧根离子和碳酸根离子，则重碳酸根离子含量往往就是总碱度，总碱度减去总硬度就是负硬度。

目前我国常采用德国度和每升水中钙、镁离子的毫克当量数表示。根据硬度将水分为五类(表5－12)。

表5－12 地下水按硬度分类

①1meq/L(毫克当量/升)=2.8德国度;1毫克当量/升=1毫摩尔×离子价/升。

水的硬度与工业及生活用水关系很大，硬水使锅炉产生锅垢，纺织品变脆，洗衣消耗大量的肥皂，饮用会影响肠胃消化功能。饮用水的硬度标准为10～25德国度。

3.总矿化度(M)

水的总矿化度是指单位体积水中所含各种离子、分子及化合物(不包括游离状态的气体成分)的总量，以g/L表示。通常用水在105℃～110℃下蒸干后所得的干涸残渣质量来表示水的矿化度。也可以将分析所得离子、化合物含量相加，计算求得理论干涸残余物质。但在计算时，HCO^－₃只能采用含量的1/2。因为在蒸干时有将近1/2的HCO^－₃分解生成CO₂和H₂O逸出。其反应式如下:

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根据矿化度，将地下水分为五类(表5－13)。

表5－13 水按矿化度的分类

水的矿化度与化学成分有密切关系，低矿化度的水常以HCO^－₃为主，中等矿化度的水以SO^2－₄为主，高矿化度的水以Cl^－为主。在地壳正常的水动力带中，地下水的矿化度随深度而增加。

4.氧化还原性

在地下水中，含有各种离子、分子及胶体等物质。它们经常会发生化学反应。化学反应中某些物质失去电子，称为氧化反应，则此物质为还原剂;某些物质获得电子，称为还原反应，此物质为氧化剂。在反应中氧化反应和还原反应同时发生，氧化剂和还原剂同时存在，称为氧化还原反应。因此地下水具有氧化还原性。

以氧化还原电位(E_h)衡量氧化还原性的强弱。在25℃时，氧化还原电位和物质浓度之间的关系可用能斯特公式计算。即

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式中:E_h为氧化还原电位，V;E⁰_h为标准电位，V;n为氧化还原反应中得到或失去的电子数;［氧化态］、［还原态］分别表示氧化还原反应中氧化态和还原态物质的摩尔浓度。

E_h值愈大，其氧化性相对愈强;反之，其还原性相对愈强。

氧化环境的主要特点是地下水中含有游离O₂，E_h值较大，而pH值较小，一般位于地表附近及地下水强径流带，对大多数金属元素具有较大的迁移能力。还原环境中的地下水不含游离O₂，E_h值较小，而pH值较大，含CH₄及有机化合物，有的还含有H₂S。

5.侵蚀性

地下水的侵蚀性主要表现在含侵蚀性CO₂水对混凝土的侵蚀，硫酸盐对混凝土的侵蚀及酸性水对机械设备的侵蚀。

(1)侵蚀性CO₂的侵蚀

含有CO₂的地下水和混凝土接触，混凝土中的CaCO₃将加快溶解而遭受破坏。

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(2)硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀也称结晶性侵蚀。当地下水中Cl^－含量小于1000mg/L，而SO^2－₄含量大于250mg/L时，就会发生硫酸盐侵蚀。其机理是SO^2－₄渗入混凝土内，与其某些成分相互作用，生成含水的硫铝酸盐，反应式如下:

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这种新生成的硫铝酸盐的体积比原来的混凝土的体积要增大2.5倍，使混凝土的结构疏松，遭受破坏。

(3)酸性侵蚀

酸性侵蚀主要是铁置换了水中H⁺所造成的。

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酸性侵蚀与水的pH值有关，pH值越小，酸性越强，水对金属的腐蚀作用也越强。当pH=6.5时，水对铁质材料有腐蚀作用，使水管使用年限缩短5%，pH﹤4，水泵只需几天或十几天就不能使用。