水文地球化学基础Hydrogeochemistry第一讲绪论及化学热力学基础第一部分绪论1、水文地球化学是水文地质学的组成部分地下水在数量和质量上的时空变化规律2、HGC的研究意义(2)实际意义——人类生存和发展的需要二、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另一方面：HGC的研究离不开水文地质条件的分析。2、HGC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研究地球（包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈）的化学及组成、化学作用及化学演化的科学包括以下5个学科分支：3、HGC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。水文地球化学的主要研究任务氟斑牙患者对身形佝偻的氟骨病患者的形象比喻：抬头不见蓝天低头不见脚尖生时不能平睡死时不能入棺含氟量与其毒性关系砷中毒引起的各种病变砷中毒患者4、HGC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5、水文地球化学是环境污染控制与治理的理论基础ConceptualizationPRBSworking四、水文地球化学的研究进展五、研究方法六、应具备的知识七、参考资料水是极性分子，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(土)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，这些反应是控制地下水化学成分形成和演变的重要作用。水岩相互作用在某种程度上取决于与水的状态(在一定的温度和压力下与固相的和气相的饱和状态)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。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-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、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系统实际情况的方法。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。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；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。化学平衡常数K的获得需要化学热力学的知识。热力学理论包含三个基本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、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）热力学第三定律“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”绝对零度不可达到，但可以无限趋近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。1、热力学体系的性质、状态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。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。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状态性质或状态函数。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。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。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运动之中。所以，平衡是动态的。平衡必须在一定的条件下才能保持，所以它又是相对的和暂时的。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在热力学中，焓是系统状态函数，它指一种化学反应向环境提供的热量总值，以符号H表示，ΔH指一种反应的焓变化。在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的焓变化，称为标准生成焓，以ΔHf表示例如、水的ΔHf＝285.8kJ/mo1，就是说，在标准状态下，lmolH2和l/2molO2生成1molH2O时所生成的热量为285.8kJ焓可作为化学反应热效应的指标，化学反应的热效应是指反应前后生成物和反应物标准生成焓的差值，热力学上称这个差值为反应的标准焓变化，以ΔHr表示。其计算方法如下：ΔHr＝ΣΔHf(生成物)—ΣΔHf(反应物)ΔHr为正值，属吸热反应；ΔHr为负值，属放热反应CaCO3溶解：CaCO3＝Ca2++CO32-ΔHr＝ΔHCa+ΔHC