池塘里的那些事儿(31.32.33)

2018-09-27 17:32:11 bcy 17
池塘里的那些事儿
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水中元素化合物的溶解度
  
  当水与岩石和土壤矿物接触时,岩石和矿物就会溶解。其溶解度取决于两个方面:一方面取决于组成这些矿物的元素的离子半径、原子价、极化度、化学键类型及其他物理—化学性质;另一方面取决于温度、压力、浓度、pH、pe(Eh,即氧化还原电位)等外界条件。
  
  具有离子键型的矿物通常比共价键矿物更容易溶解。例如在硫酸盐中,阳离子与阴离子硫酸根之间的化学键是离子键,这些盐的溶解度就比由共价键构成的硫化物大。
  
  离子键矿物的溶解度,随离子半径的增大和原子价的减少而增加:Na3PO4,Na2SO4,Na2CO3是易溶性的,而Ca(PO4)2,CaSO4,CaCO3是难溶性的。
  
  根据元素化合物在蒸馏水中的溶解度,可将元素的化合物划分为下列几类:
  
  (1)极容易溶解的和极容易带出的:溶解度可达每升几百克或几十克,如钾、钠、铯、铷的卤化物,硫酸盐、硼酸盐和硅酸盐。
  
  (2)溶解的(可带出的):钙、镁、镍、锌、钴、铁、锰(均为2价)的卤化物,硫酸盐和重碳酸盐类。
  
  (3)难溶解的(弱带出的):锶的硫酸盐,钡、锶、锌、银的碳酸盐和硅酸盐。
  
  (4)最难溶解的(活动性小的):铅的碳酸盐,锌、钙、二价锰的硅酸盐和铜的碳酸盐。
  
  (5)不溶解的(稳定的):三价铁、四价锰、三价钛和三价钴的氢氧化物。
  
  氯化钙、硫酸钙的溶解度比碳酸钙高,因此,这两种盐含量高的水体不能用石灰提高碱度(或pH),必须使用溶解度更高的碳酸盐,如碳酸钠。
  
  碳酸铜是最难溶解的,因此,高碱度或高pH水体用硫酸铜杀藻铜离子的剂量比低碱度的水体要高的多。
  
  含亚铁离子高的地下水只要曝气将铁氧化为三价铁,加点石灰提高pH,就可以形成不溶解的氢氧化铁沉淀而除去。



池塘里的那些事
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pe
  
  水最重要的属性包括温度(T)、盐度(s)、氢离子活度(pH)和电子活度(pe)。前面3个指标大家都很清楚,但电子活度有些人就不大清楚。电子活度是电子浓度的负对数:
  
  pe = -log(e)
  
  大多数情况下,我们检测水体电子供应能力是采用氧化还原电位计,一般也称氧化还原电位,用符号Eh表示(Eh = pe×0.0592)。水体中不存在游离的电子,氧化还原反应必须同时发生,也就是说,一种物质被氧化的同时,必须有一种物质被还原。在氧化还原反应中,被氧化物提供电子,称为电子供体,被还原物接受电子,称为电子受体。
  
  自然界的生物,除了光能自养的生物外,都是靠氧化还原性物质获得能量的。例如,鱼虾通过氧化碳水化合物获得能量:
  
  CH2O + O2 —> CO2+ H2O
  
  在上述反应中,碳水化合物是电子供体,氧是电子受体。如果我们把这个反应分为两个半反应,则有:
  
  CH2O + H2O —> CO2+ 4e + 4H
  
  在氧化碳水化合物所产生的电子和氢离子必须有受体,好氧生物以氧(O2)做电子受体(和氢受体),构成另一个半反应:
  
  4e + 4H + O2 —> 2 H2O(Eh°= 1.27v)
  
  厌氧生物同样需要氧化还原性物质以获得能量,只不过它们的电子受体不是氧。池塘里常见的厌氧生物的无机电子受体主要有硝酸(NO3)、氧化铁、氧化锰、硫酸(SO4)等。如硝酸和硫酸:
  
  10e + 12H + 2NO3 —> N2 + 6H2O(Eh°= 1.24v)
  
  8e + 10H + SO4 —> H2S + 4H2O(Eh°= 0.34v)
  
  池塘一旦出现硫化氢就会引起鱼虾死亡,所以,很多朋友尽管不大了解pe或Eh,但都很关注池塘硫化氢产生的条件。所以,很多人都会问这么一个问题,电位低到什么时候会产生硫化氢?其实,这个问题并不好回答,因为上述方程给出的是标准条件,而池塘里的条件是千变万化的。
  
  根据上述方程,有
  
  K = [H2S] ^(1/8)/([e][H]^(5/4)[SO4]^(1/8))
  
  -log(e)=-log(k)+5/4log(H)+1/8log([SO4]/[H2S])
  
  pe = pe°- 5/4pH + 1/8log([SO4]/[H2S])
  
  假设对虾池塘硫化氢浓度不能超过0.1毫克/升,海水中硫酸含量为2650毫克/升,pH为8.2,则有:
  
  pe = pe°- 5/4×8.2+ 1/8log((2650/96)/( 0.1/34)) = pe°- 9.7534
  
  Eh = pe×0.0592 = 0.34 – 0.5774 = - 0.2374(v)
  
  同等条件下,当pH为7.5时,Eh = - 0.1856(v)。因此,沿海酸性硫酸盐土壤的池塘硫酸含量高而pH又低的情况下,防止硫化氢危害是很重要的。



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水的属性和结构
  
  水是氢和氧的化学化合物。至少在气体状态它有分子式H2O。虽然相同的分子式也代表着液态水和冰的成分,在这两种形态中的分子与结构有关联,水的这种关联被认为是压缩的相而不是作为分子的简单聚合的看法是对的。因为在自然中存在三种氢和三种氧的同位素,因此,水分子有18个种类的可能。
  
  水的物理特性在许多方面是很独特的,这种化合物的这些也许被认为是正常的偏离形态是非常重要的,无论是生命形式的发育和持续的存在以及地球表面的形状和组成都与之有关。水的沸点和冰点都远远高于这种低分子量的预期值,以及液态水的表面张力和介电常数也比预想的更大。水结冰时,其密度减少;事实上,水在1个大气压力下的最大密度发生在近4°C。虽然这种行为类型在液-固转变中不是独特的,但水的这种行为对所有生命形式是最幸运的一个属性。
  
  从H2O分子的结构考虑,液态水的物理特性最了解。在O^2-离子和H^+离子之间形成的两个化学键彼为此105°角。其结果是H+离子在分子的同一边,它赋予水具有双极的特性。这种双极特性除了简单的静电效果外,相连的氢离子保留了与带负电的离子和水分子之间的相互作用的能力。这种影响,称为氢键,存在于水的液体和固体形态中,形成定义完善的冰的晶体结构。液态水无序得多,但分子之间引力明显很强烈。将分子分离所需的能量表现在水的高汽化热,另一个是高表面张力。液态水具有一些聚合物的特性。
  
  溶解离子的存在会更改水的一些物理属性,值得注意的是水的导电能力。然而,水分子的双极属性,在溶质离子以及溶剂的行为上是一个重要因素。液态水的结构的详细信息仍远远没有被充分理解。最近Stillinger(1980)综述了关于水知识的现状。早些时候仍然很重要的综述是Drost-Hansen (1967)发表的纯净水以及Kay(1968)发表的含溶解离子的水。
  
  双极水分子被强烈吸引在大多数矿物表面,以有序的形式排在多种形式的溶解离子周围形成鞘,将离子上的电荷与其它带电的离子隔开。水作为一种溶剂的效力与这种活性有关。这种粘性的液体湿润矿物表面和渗透到小开口的能力也提高了其风化岩石的效力。