2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、第七章 水溶液地球化學,第一節(jié) 水和水圈第二節(jié) 水溶液和絡(luò)合作用第三節(jié) 礦物在水中的溶解和沉淀第四節(jié) 氧化和還原作用第五節(jié) 水溶液-礦物界面,第七章 水溶液地球化學,第一節(jié) 水和水圈一     水的分子結(jié)構(gòu)和鍵合特征二     水的性質(zhì)三     高溫高壓下的水四  

2、   水圈的組成五     天然水的類型、特征和分布,第七章 水溶液地球化學,第二節(jié) 水溶液和絡(luò)合作用 一     酸和基二     水的離解和pH值三     CO2在水中的溶解和酸的離

3、解四     水解作用五     海水的pH緩沖六     水溶物種和離子的水合七     絡(luò)合作用和絡(luò)合物,第七章 水溶液地球化學,第三節(jié) 礦物在水中的溶解和沉淀 一溶解和溶解度二碳酸鹽和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀三SiO2礦物的溶解和沉淀四鹵水和蒸發(fā)巖

4、,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,如果我們把無水石膏晶體CaSO4 (c) 放在水中攪拌,晶體就開始溶解,離解成自由的陽離子Ca2+ 和陰離子SO42- CaSO4 (c) = Ca2+ + SO42- (7-24)過了一段時間,溶液中Ca2+ 和SO42- 已達到飽和,再增加任何數(shù)量的固體CaSO4,自由離子Ca

5、2+、SO42- 的濃度就不會再增加,這時已達到平衡,其平衡常數(shù)為 K24 = [Ca2+][SO42-] / [CaSO4(c)],第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,固體CaSO4離子化的速度,主要取決于固體(晶體)的表面積,如果晶體的顆粒度足夠小并保持攪拌,其表面積的作用基本相等。因此,在實際效果上,固體的濃度是相等的。所以,在水溶液地球化學的熱力學計算中,把純固體的濃度看作等于1。換句話說,與水一樣,是把它的作用

6、放在平衡常數(shù)里考慮。這樣,上述平衡常數(shù)就可表達為 K24 = [Ca2+][SO42-]當T = 25℃、P = 1×105Pa時, K24 = 3.4×10-5 = 10-4.46,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,在本例中,達到平衡時有10-2.23或5.8×10-3 mol/L的CaSO4晶體被離解,生成的[Ca2+]和[SO42-]兩種離子濃度同樣為10-2.23或5.8

7、×10-3 mol/L,我們把在達到平衡時單位體積溶液中可溶解的固體的摩爾數(shù),稱為該固體的溶解度(Solubility)。由于礦物溶解時的平衡常數(shù)是生成離子溶解度的乘積,因此該常數(shù)又稱溶度積常數(shù)Ksp(Solubility product)。,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,顯然,平衡常數(shù)與溶解度的關(guān)系可表達為 K = (溶解度) n, 或溶解度 = K (1/ n)式中,n為單位分子離解后生成的離子數(shù),

8、本例中n = 2。,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,在螢石溶解時,CaF2 = Ca2+ + 2F- (7-25) 離解后生成一個Ca2+ 和兩個F- ,n = 3。在25℃時,螢石的溶度積常數(shù)為Ksp = 10-10.4,由于螢石溶解時,[F-] = 2[Ca2+] K25 = [Ca2+][F-]2 = 10-10.4 = 4[Ca2+]3

9、 , [Ca2+] = 10-3.7 ,所以,在25℃時,螢石的溶解度為10-3.7 mol/L或2.0×10-4mol/L。,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,下面我們來計算在CaCO3–H2O體系中,T = 25℃和與大氣CO2相平衡的條件下,求該體系各主要水溶組分的濃度。,第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,已知: CO2 (g) + H2O (l) = H2CO3 (aq)

10、K4 = 10-1.5 (1) H2CO3 (aq) = H+ + HCO3- K5 = 10-6.4 (2) HCO3- = H+ + CO32- K6 = 10-10.3 (3) H2O (l) = H+ + OH- K1 = Kw = 10-14

11、 (4) CaCO3 (c) = Ca2+ + CO32- K26 = 10-8.35 (5) 空氣中的CO2分壓: PCO2 = 10-3.5 (6),第七章 水溶液地球化學,一溶解和溶解度,[H+] = 10-8.4 即pH = 8.4;[H2CO3] = 10-5.0;[HCO3-] = 1

12、0-3.0;[CO32-] = 10-4.9; [OH-] = 10-5..6;[Ca2+] = 10-3.4這一與大氣CO2和CaCO3相平衡的水溶液體系,實際上是一個簡化了的海水體系。用這一簡化體系計算得到的pH值(8.4)與實測海水的pH值(8.1~8.3)是相差不大的。,第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,這里以碳酸鈣為例,加以說明。CaCO3有三種結(jié)晶形式,即方解石、文石和六方球方解石,其中

13、第三種礦物主要是人造礦物,在自然界罕見。與大多數(shù)天然礦物的溶解度隨溫度的上升而升高不同,CaCO3在水中的溶解度的一個重要特點是,在大多情況下,其溶解度隨溫度的上升而下降。在溫度相同的條件下,三個變種的溶解度亦有明顯差別,其中方解石的溶解度最小,文石稍大,六方球方解石的溶解度最高。,第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,由于自然界大多數(shù)情況

14、下是弱酸性至弱堿性環(huán)境,在弱酸性至中性條件下,方解石發(fā)生溶解,如喀斯特溶洞的形成,其反應(yīng)式為 CaCO3 (s) + 2H+ → Ca2+ + H2O + CO2 (g) (7-27) 在弱堿性條件下,方解石發(fā)生沉淀,如海水中石灰?guī)r的形成,沉積物中的碳酸鹽膠結(jié),鐘乳石頂端液滴的揮發(fā)等,其反應(yīng)式為:Ca2+ + HCO3- + OH- → CaCO3(s)

15、+ H2O (l),第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,在現(xiàn)代的碳酸鈣沉積物中,方解石和文石均屬常見礦物,但在古老的沉積物和石灰?guī)r中,幾乎全都是方解石。這說明了,在地表通常的溫壓條件下,方解石是更為穩(wěn)定的變種,文石在成巖過程中要變?yōu)榉浇馐?蝸牛殼文石向方解石轉(zhuǎn)變的地層界線,第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,由于CaCO3的溶解度有隨溫度上升而下降的特點,在含有Ca2+

16、和HCO3- 的溶液在蒸發(fā)、加熱或受堿作用時,都可能導(dǎo)致碳酸鈣的沉淀。在通常情況下,海水幾乎是CaCO3飽和的,在熱帶淺海地區(qū),石灰?guī)r是一種十分常見的沉積物,但在溫度較低的深海地區(qū)和高緯度地帶,則不易沉淀出大量的石灰?guī)r。由于很多海洋生物要用CaCO3來構(gòu)筑自己的殼體,生物碎屑對沉積碳酸鹽巖的形成,亦起著十分重要的作用。,第七章 水溶液地球化學,二. 碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀,沉積成因方解石中往往含1~2%的Mg,個別情況下可

17、高達20%,但含Mg方解石晶體中Mg離子的分布是隨機的,它與白云石晶體中Mg離子的分布嚴格有序并與Ca離子一個接一個交替排布絕然不同。,第七章 水溶液地球化學,白云石之迷,白云巖是一種常見的沉積巖,其分布面積可以很廣,厚度可以很大,形成時代亦可以從前寒武紀至新生代,已有的證據(jù)表明,其形成條件相當于一般的表生環(huán)境。然而,在一般的現(xiàn)代沉積物中,所形成的含Ca和Mg的碳酸鹽礦物,是方解石/文石,或菱鎂礦(MgCO3),或含Mg方解石/文石,

18、而沒有白云石。在實驗室中模擬低溫環(huán)境制備白云石亦沒有取得成功,得到的一般是方解石和菱鎂礦的混合物,只有在加熱到100℃以上時才能獲得成功??紤]到白云石晶體的有序度很高,推測需要相當長的時間才能長成,加上白云巖一般顆粒度較粗,多孔,缺少化石等特征,因此認為,白云石很可能是在成巖階段由碳酸鈣礦物與含Mg2+ 的溶液反應(yīng)而生成。如果溶液的鹽度較大、pH值較高、Mg2+/Ca2+ 較高,溫度較高,則有利于這種化學反應(yīng)的進行。,第七章 水溶液地

19、球化學,三. SiO2礦物的溶解和沉淀,含有Si和O的天然化合物,即二氧化硅和硅酸鹽,是巖石、土壤和沉積物中最重要的組成物質(zhì),硅的氧化物和硅酸鹽加在一起,占了整個地殼的90%。自然界結(jié)晶的SiO2有多種多形變體,其中包括α-石英、β-石英、鱗石英、方石英、斯石英和柯石英。除了結(jié)晶的SiO2外,還有多種非晶質(zhì)的SiO2,如瑪瑙、蛋白石等,玉髓是一種微晶的α-石英。,第七章 水溶液地球化學,三. SiO2礦物的溶解和沉淀,不同溫度、氣液

20、平衡壓力和溶液pH<9的條件下,非晶SiO2和α-石英在水中的溶解度見圖7-13(Walther & Helgeson, 1977)。由圖可見,低溫條件下石英的溶解度很低,在0℃、25℃和100℃時僅大致分別為10-5 mol、10-4 mol和10-3 mol。溫度和壓力升高時溶解度明顯增加,在1000×105Pa和350℃時為0.13 %(Kennedy, 1950)。,第七章 水溶液地球化學,三. SiO

21、2礦物的溶解和沉淀,第七章 水溶液地球化學,三. SiO2礦物的溶解和沉淀,自然界中有些巖石,幾乎全部由SiO2組成,如在熱泉地區(qū)、淡水湖和咸水湖泊中均有發(fā)現(xiàn),但古代一些幾乎全由SiO2組成的巖石,具有明顯的海相成因特征。由于海水中可溶性SiO2的含量很低,僅為1-2×10-6,而常溫下非晶SiO2和α-石英在水中的溶解度分別為6×10-6和100×10-6,因此,SiO2作為直接的化學沉淀物的可能性不大

22、。形成較純的海相SiO2巖的原因之一,很可能是與有機物的生命過程有關(guān),因為很多生物(如單細胞動物的放射蟲、單細胞植物的硅藻和海綿骨針等)要利用SiO2來建造自己的殼體,還能用一層有機薄膜把SiO2保護起來,在它們死亡以后,大量的硅質(zhì)生物碎屑可以在海底堆積起來。,第七章 水溶液地球化學,四. 鹵水和蒸發(fā)巖,前面討論的碳酸鹽、硫酸鹽、SiO2等,有一個共同點,即它們都是以難溶物質(zhì)的形式,從溶液中沉淀出來。蒸發(fā)巖的性質(zhì)則大不相同,這些礦物的

23、溶解度較高或很高,如石鹽(NaCl)在常溫時在水中的溶解度為26.4 %,在650℃時為77%。因此,只有在經(jīng)過了相當長時間的蒸發(fā),并失去了大量水份以后,變成鹵水,然后再從鹵水中沉淀出來?,F(xiàn)代,這些沉積物在沙漠盆地和某些熱帶的淺海濱海地區(qū)都能見到,這對我們認識古代鹽類礦床的成因,可以提供很多信息。,第七章 水溶液地球化學,四. 鹵水和蒸發(fā)巖,前面討論的碳酸鹽、硫酸鹽、SiO2等,有一個共同點,即它們都是以難溶物質(zhì)的形式,從溶液中沉淀出

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