完成機(jī)構(gòu):[1]四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,四川雅安625014 [2]中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院,四川成都610021
外部條件(外因)主要是指介質(zhì)的地質(zhì)和水文地球化學(xué)條件及環(huán)境因素
(一)溫度
溫度對(duì)元素的遷移有很大影響
壓力對(duì)物質(zhì)溶解度的影響比較小,但從地殼深部地下水質(zhì)的形成來(lái)看
在地下水中
當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)
,可求得平衡常數(shù):
水文地球化學(xué)基礎(chǔ)
如果體系中,某一組份濃度改變
,則反應(yīng)向著消除這一影響的方向進(jìn)行。元素在地下水中形成絡(luò)合物的程度也與元素在地下水中的濃度有關(guān)。從溶度積(Kso)規(guī)則同樣可以說(shuō)明溶液中難溶物質(zhì)的濃度對(duì)元素遷移的影響。對(duì)一些溶解度小的鹽來(lái)說(shuō),如溶液中增加相同離子的活度,則鹽類(lèi)溶解度降低(“同離子效應(yīng)”)。(二)酸堿條件對(duì)元素遷移的影響
元素在地下水中遷移的程度及其在地下水中的存在形式
,與地下水的酸性條件(pH值)有關(guān)。pH值影響著化合物的溶解與沉淀、弱酸和弱堿的水解作用,金屬離子的成絡(luò)作用、吸附作用等。地下水的pH值一般在6.5—8.5之間。pH值的大小主要取決于溶質(zhì)性質(zhì)與數(shù)量、礦物的水解作用及生物作用等。自然界不同環(huán)境下,水的pH值有所不同,如表3-3所示。
表3-3 不同環(huán)境水的pH值
1.pH值與金屬氫氧化物沉淀的關(guān)系
地下水的pH值是控制金屬氫氧化物Me(OH)n沉淀的重要因素
,一般,金屬呈氫氧化物Me(OH)n開(kāi)始沉淀的pH值可按下式求得:
水文地球化學(xué)基礎(chǔ)
式中:〔Men+〕——平衡時(shí)Men+離子的摩爾濃度(mol·L-1)
Ks——Me(OH)n的溶度積
Kw——水的離子積
n——金屬離子Men+的電荷數(shù)
如已知
,當(dāng)〔Fe3+〕=0.02mol·L-1時(shí)
水文地球化學(xué)基礎(chǔ)
一般情況下
表3-4列出部分氫氧化物從水溶液中開(kāi)始沉淀的pH值
堿金屬或堿土金屬元素在一般地下水中的pH值范圍內(nèi)
,不能形成氫氧化物沉淀。它們無(wú)論是形成陽(yáng)離子(K+、Na+、Ca2+、Sr2+)或是形成絡(luò)合物穩(wěn)定性小的元素(Be等),在地下水正常pH值范圍內(nèi)(pH=6—8)都具有高的遷移性。
表3-4 部分氫氧化物從溶液中沉淀的pH值(25℃) (據(jù)A.И.別列爾曼
,1968)
圖3-12 一些主要氧化物溶解度與pH的關(guān)系(據(jù)南京大學(xué)《地球化學(xué)》修改)
圖3-13 SiO2及CaCO3的溶解度和介質(zhì)的pH值關(guān)系
1—SiO22—CaCO3在水中溶解曲線;3—CaCO3在海水中溶解曲線(據(jù)C.W.科林斯
,1950)只有當(dāng)pH>8(堿性)時(shí)
,Ni2+、Co2+、Zn2+、Ag+、Cd2+、Cu2+、Pb2+等離子才能形成氫氧化物沉淀,因此在自然界水體中,這些離子雖然濃度很低,但能隨水遷移。2.pH值與元素溶解度的關(guān)系
在溶液中
,pH值的變化對(duì)于不同組份的溶解度將產(chǎn)生不同的影響(圖3-12,3-13)。當(dāng)溶液中pH值增大時(shí),具有堿性及弱堿性的元素的化合物,其溶解度降低,如CaCO3、Fe2O3(Fe2O3只在pH=2—3的溶液中存在,當(dāng)pH=4—5時(shí),就幾乎全部析出)等;對(duì)于酸性元素的化合物來(lái)說(shuō),其溶解度隨pH值增大而增大,如SiO2、GeO2;而兩性元素如Al2O3溶于強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性溶液(即在強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下都能呈溶解態(tài)遷移)總體講
3.pH值與元素存在形式的關(guān)系
一些金屬元素(如Cd
、Pb、Hg、I、Zn等)、弱酸另外
等)。在堿性水中,元素遷移的形式呈復(fù)雜的絡(luò)合物(如
4.pH值與化合物水解的關(guān)系
化合物的水解作用與pH值有關(guān)
圖3-14 主要離子的水解譜(據(jù)阮天健
(三)氧化還原條件對(duì)元素遷移的影響
元素在氧化還原反應(yīng)中伴隨有電子的得失
1.K
2.氧化后生成的陽(yáng)離子
,同水中的陽(yáng)離子Zn2+生成ZnSO4
3.一些離子氧化后
與碳酸生成穩(wěn)定的絡(luò)合物在地下水中進(jìn)行遷移。如
,即:
,從而增強(qiáng)了鈾的遷移。
與上述作用相反的情況
大部分變價(jià)元素,按在中性水中遷移的性質(zhì)可分為兩組(表3-5)
表3-5 部分變價(jià)元素不同價(jià)態(tài)時(shí)的遷移性能
地下水的氧化還原條件不僅能決定元素遷移的強(qiáng)弱
的形式在地下水中存在的量最多
的溶度積,則以
的形式遷移
的膠體遷移,甚至從溶液中沉淀出來(lái)
氧化還原條件對(duì)元素遷移強(qiáng)度的影響很大
將表3-6中兩個(gè)半序列進(jìn)行比較
可以看出
(四)有機(jī)物對(duì)元素遷移的影響
地下水中含有大量的有機(jī)物
植物遺體分解
表3-6 表生帶氧化環(huán)境和還原環(huán)境中元素遷移序列(據(jù)A.H.別列爾曼
表3-7 Zn、Pt的遷移相對(duì)性系數(shù)(Cx)
另外
(五)膠體對(duì)元素遷移的影響
膠體有巨大的表面能
,能吸附一定的反號(hào)離子,還可使離子發(fā)生交替吸附作用,因此,膠體對(duì)元素的遷移影響很大。
表3-8 地下水中的常見(jiàn)膠體
地下水中常見(jiàn)的膠體可分為兩類(lèi)
,即正膠體和負(fù)膠體(表3-8)。在自然界中,負(fù)膠體較正膠體分布要廣泛得多。膠體吸附現(xiàn)象在表生帶表現(xiàn)較為突出
絡(luò)陰離子形式)
吸附作用服從質(zhì)量作用定律
膠體的吸附作用對(duì)于微量元素的富集同樣也有很大的影響。例如
,表生帶廣泛分布的膠體物質(zhì)對(duì)鈾遷移的影響主要表現(xiàn)在U4+及易被粘土
、有機(jī)物、淤泥、煤、泥炭、鐵錳沉積、硫化物等膠體吸附,從而阻礙鈾在地下水中的遷移。(六)水文地質(zhì)條件對(duì)元素遷移的影響
1.地層巖性對(duì)元素遷移的影響
地層的巖性對(duì)元素的遷移影響也較大
。巖石的透水性是使巖石中的元素轉(zhuǎn)入水中的先決條件。透水性好的巖石,能使地下水及大氣降水自由通過(guò),加速氧化作用,促進(jìn)元素遷移。圍巖的化學(xué)活性越大,越有利于元素的遷移。在自然界分布很廣的碳酸鹽類(lèi)巖石,由于它在一定程度上能改變地下水的酸度,因此影響著金屬元素的遷移。2.水交替條件(徑流條件)對(duì)元素遷移的影響
水交替條件(徑流條件)的強(qiáng)弱對(duì)元素遷移影響較大
。水交替強(qiáng)度與氣候、地形及巖性有關(guān)。在氣候濕潤(rùn)、地形切割強(qiáng)烈、巖石透水性好的山區(qū)地下徑流量增大,可加速巖石及礦物的溶濾作用
,使元素大量轉(zhuǎn)入水中,但徑流量增大,水量增多的結(jié)果往往導(dǎo)致物質(zhì)含量降低。對(duì)深層水來(lái)說(shuō),水壓(水頭)及水的流速也是元素遷移的重要原因。3.地下水的化學(xué)成分及礦化度對(duì)元素遷移的影響
地下水的化學(xué)成分及礦化度
,反映了一定的地球化學(xué)環(huán)境,因此對(duì)元素的遷移影響較大。如地下水中O2的含量隨深度增加而減少。這樣,在淺部由于O2含量較多,氧化作用可使變價(jià)元素從低價(jià)轉(zhuǎn)為高價(jià),使化合物氧化為含氧化合物,使難溶化合物變?yōu)榭扇芑衔锒D(zhuǎn)入水中。在深部缺氧的還原條件下,F(xiàn)e3+還原成Fe2+,從而增加鐵在水中的遷移。富含CO2的地下水可溶蝕破壞碳酸鹽巖石,使其化學(xué)成分轉(zhuǎn)入水中。富含CH4及H2S的地下水易使低價(jià)元素遷移。水的礦化度增高會(huì)引起鹽類(lèi)沉淀,對(duì)元素的遷移是不利的
。(七)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)元素遷移的影響
人類(lèi)活動(dòng)常使地下水中化學(xué)元素發(fā)生改變
,這方面的影響是不能忽視的。1.由于礦石冶煉廢水及礦山水的滲漏排放
,使元素被分散到地下水中2.大量的工業(yè)“三廢”(廢水
3.在農(nóng)業(yè)灌溉中,由于灌水不當(dāng)?shù)仍蚩墒雇寥喇a(chǎn)生次生鹽漬化
。而洗鹽排水可使原來(lái)土壤鹽漬化脫鹽淡化,這主要是由于Na+、Cl-、Ca2+、等元素的轉(zhuǎn)移所致
。以MnO2為原料制得的MnCl2溶液中常含有Cu2+
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