Question

水的性质和溶解作用

Answer 1

地球表面的2/3 被水覆盖,而各种盐度的含水流体对于地球上地幔和地壳的火山活动、岩浆作用和变质作用以及成矿作用等具有决定性的意义。表4-1 表示了水圈中水质量的分布特征。从中可以看出水主要存在于海水中,但是岩石圈仍然圈闭了地球水质量的19%,还有约 1%的水以结晶水形式固定在固体冰中。

表4-1 水圈中水的质量分布 单位:g

水的结构由氢与氧的电子层结构所决定。氢和氧离子半径相近,电负性差别较大,为离子-共价键结合,其中共价键性占70%。由于氢和氧的电负性差,使得氧原子带一定的负电荷,氢原子带一定的正电荷,正负电荷重心不重合,水是个键能很强的偶极分子,H—O键角在液相中为108°,在气相中为105° (图4-7)。

图4-7 水分子的结构

水偶极分子间的分子键力强大,使水具有比其他分子化合物高得多的沸点 (100℃)、熔点 (冰点)和临界温度,使水在很宽的温度范围内呈液相。水有很高的热容,比其他流体更易于传导热。在接近冰点之上的温度下,水的密度最大,意味着固体冰将飘浮在液态水之上。由于偶极性,水具有很大的表面张力,易于“润湿”矿物表面,吸附在矿物表面渗透于岩石中,是矿物浸蚀和反应的介质。水的沸点与饱和蒸汽压有关。压力增加,沸点增高;温度升高,密度减小。高压下高温水遇到压力骤降会沸腾,在热液体系成矿作用中有重要意义。沸腾引起CO₂、H₂ S等组分逸出进入气相,造成液相的pH值改变,使得配合物解离,引起矿物沉淀。温度压力高于临界点 (374.15℃和22.064MPa),水转化为超临界流体 (supercritical fluid),其中的元素行为会发生很大改变,超临界流体在地球化学研究中具有非常重要的意义。水的 H—O键能较大,H—O键共价键性较高,液态水中水分子解离度很小,具有弱电离性:

地球化学

25℃时水的电离常数

=10^-14,纯水的活度

=1,所以[H⁺] [OH^-]=10^-14 ,中性时 [H⁺]=10^-7 ,pH=7。水的解离程度随温度升高而增大,100℃ 时,[H⁺][OH^-]=10^-12 ,中性pH=6;200～300℃ 时,中性pH还会向酸性偏移。

水是偶极分子,介电常数ε很大。介电常数增大,离子间吸引力就减小,流体离解离子的能力增大。常温常压下 (18℃),空气介电常数等于 1,水的介电常数等于 81,所以水中离子间静电引力比空气中降低了 80 倍,对离子的解离能力比空气中增大了 80 倍。离子键化合物在水中极易溶解,水是矿物和离子化合物的良好溶剂。水的介电常数随温度升高而降低,100℃时降为 55 (图4-8)。静电引力与介电常数成反比,因此高温下静电相互作用——静电引力增强,这对过渡金属非常重要。高温下,元素变为硬金属的趋势增强,意味着与F^-、O H^-和Cl^-等硬碱或边界碱配位体结合的配合物将变得更稳定,更有利于离子键化合物的稳定和迁移。

图4-8 作为温度和压力函数的水的介电常数 (三角为水的临界点)

(据 Fyfe et al.,1978)

T—温度;P—压力;ε_water—水的介电常数;“L+V”—液-气平衡