高中實驗室蒸餾水簡圖

『肆』 用樹狀圖梳理初中化學教材各章內容知識點

教材各章（節）總結（10）
（一）第一章 大家都來學化學
1.1 社會生活與化學 1.2 化學實驗室之旅 1.3 物質的變化
1.4 物質性質的探究
學習 組成 不需要發生化學變化就能表現出來的性質
內容 結構 物理 如色、態、味、熔沸點、硬度、密度等
性質 發生化學變化（反應）時表現出來的性質
物質 化學 如可燃性、穩定性、氧化性、還原性等
現象是放熱、發光、變色、生成氣體和沉澱
化學 物理變化 區別：是否生成新物質
研究 變化規律 化學變化 化學變化的過程中一定伴有物理變化
對象 （化學反應） 聯系 物理變化的過程中不一定發生化學變化

化學變化實質：反應物分子 ——→ 原子 ——→ 生成物分子（新物質）
直接加熱：試管、蒸發皿、燃燒匙、坩堝
反應器 間接加熱：燒杯、燒瓶、錐形瓶
固體：鑷子（塊狀）、鑰匙（粉末）、托盤天枰（定量）
常用 取用 液體：滴管（滴加）、試管（傾倒）、量筒（定量）
儀器 存放：廣口瓶（固體）、細口瓶（液體）、集氣瓶（氣體）
化學 夾持：試管夾、鐵架台（鐵夾，鐵圈）、坩堝鉗
研究 基本 其他：酒精燈（加熱）、漏斗（過濾）、長頸漏斗（分液）、
方法 操作 石棉網（受熱均勻）、玻璃棒（攪拌）、水槽（儲水）
儀器洗滌：內壁上既不聚成水滴，也不成股流下
化學 要領 葯品取用：不（觸、聞、嘗、棄、拿走）等
實驗 加熱：酒精燈（酒精量2／3、外焰、禁吹滅、禁對口），
試管（1／3、45°原則、先預熱後加熱）

探究步驟：

（二）第二章 識空氣 保護空氣
2.1 空氣的成分 2.2 保護空氣的潔凈清新 2.3 構成物質的微粒
瑞典化學家舍勒和英國化學家普里斯特里
早年的 法國化學家拉瓦錫（N2和O2）做的實驗
研究 集氣瓶中有大量的白煙產生，並放出
現象 熱量，打開彈簧夾，燒杯中的水倒
演示實驗到集氣瓶中，並上升至約1／5的地方
方程式：2P + 5O2 ======= 2P2O5
性質：無色無味難溶於水的氣體
成分 氮氣（N2）―78％化學性質不活潑
用途：製取氮肥，制炸葯化工原料
氧氣（O2）―21％
體積 性質：無色無味難溶於水的氣體
分數 稀有氣體－0.94％化學性質很不活潑
用途：保護氣，激光、低溫麻醉
二氧化碳（CO2）－0.03％
空 其他氣體和雜質－0.03％（H2O、SO2、CO等）
氣 含硫的：SO2、 H2S等
含碳的：CO2 、CO等
工業的 氣體 含氮的：NO2等
污染源交通的 產生污染物含氯的：氟利昂等
生活的 顆粒：煙、粉塵、氧化鉛等
損害人體健康和地面設施、導致地球的生態平衡失調
污染 危害 酸雨 ——→ 二氧化硫（SO2）
防治 三大環境問題 臭氧空洞 ——→ 氟利昂等
溫室效應 ——→ 二氧化碳（CO2）
減少使用化石燃料開發新能源（太陽能、氫能、風能、地熱等）
防治 減少有害氣體的排放，廢氣進行回收凈化再利用等
大力植樹造林嚴禁亂砍濫伐
混合物 （空氣、溶液 、合金)
金屬（K Ga Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au）
分類 單質 非金屬 （H B C N O F Si P S Cl）
稀有氣體（He Ne Ar Kr Xe Rn）
純凈物 氧化物（H2O CO CO2 CuO2 Fe2O3）
無機物 酸（HCl HNO3 H2SO4）
化合物 鹼（NaOH KOH Ca(OH)2）
鹽（NaCl Na2CO3 (NH)2HPO4）
有機物（CH4 CH3OH C2H5OH CH3COOH）
概念：保持物質化學性質的最小微粒
物 分 子 質量小、體積小、不斷運動、之間有間隙
質 特徵 同種分子的物質化學性質相同
（分子決定物質的化學性質）
概念：化學變化中的的最小微粒
結 分 質量小、體積小、不斷運動、之間有間隙
合 解 特徵 同種分子的物質化學性質相同
質子
結構 原子核 中子 核電荷數=質子數=核外電子數
核外電子
構成 原 子 會畫：結構簡圖、核外電子排布
相對原子質量 ==

得 得 ≈質子數 + 中子數
失 失 與分子 區別：在化學變化中分子可分，原子不可分
電 電 的關系 聯系：分子是由原子構成的
子 子
概念：帶電荷的原子或原子團
離 子 陽離子：帶正電荷的離子 形成新物質
陰離子：帶負電荷的離子
（三）第三章 維持生命之氣——氧氣
3.1 認識氧氣3.2 製取氧氣3.3 燃燒條件與滅火原理3.4 辨別物質的元素組成

無色、無味的氣體，不易溶於水，密度比空氣略大
物理性質 液態氧、固態氧均為淡藍色

C + O2 —→ CO2
S + O2 —→ SO2
化學性質：比較活潑 P + O2 —→ P2O5 氧化反應（燃燒）、化合反應
Al + O2 —→ Al2O3
Fe + O2 —→ Fe3O4
氧氣 富氧膜分離氧氣
工業 分離液態氧氣 物理變化

H2O2 —→ H2O + O2
反應 KMnO4 —→ K2MnO4 + MnO2 + O2 分解反應
製取 KClO3 —→ KCl + O2
（1）固體和液體反應，不加熱
裝置（據狀態和條件） 製取氣體的裝置
（2）固體加熱製取氣體的裝置
實驗室 收集：排水法、向上排空氣法
步驟：查、裝、定、點、收、離、熄（茶莊定點利息）
驗滿：將帶火星的木條放在瓶口
驗純：將帶火星的木條伸進瓶里
化合反應：A + B + … ===== C（多變一）
分解反應：A ===== B + C + … （一變多）

可燃物
燃燒條件 溫度達到著火點
與空氣或氧氣充分接觸
平靜燃燒
隔離或清除可燃物
劇烈氧化 滅火原理 降溫到著火點以下
氧化 隔絕空氣或氧氣
反應 急速燃燒 無限空間
有限空間——→ 爆炸 ————→
緩慢氧化——————→ 自然

定義：具有相同核電荷數（即核內質子數）的一類原子的總稱
分類：金屬元素和非金屬元素
元素 定義：用來表示元素的特定符號
符號 寫法：「一大二小」原則
含義 表示一種元素、表示該元素的一個一種原子
有的還能表示一種物質
分子、原子、離子、元素與物質的關系

微觀世界

宏觀世界

（四）第四章 生命之源——水
4.1 我們的水資源 4.2 飲用水 4.3 探究水的組成
4.4 表示物質組成的化學式 4.5 化學方程式

地球上：97﹪海水，2﹪冰川，1﹪淡水
儲存 生物體內：人體的65﹪，某些動植物的達90﹪
污染：工業「三廢」和生活污水的任意排放等

吸附：明礬吸附雜質、活性炭吸附色素和異味
原理：不溶於水的固體和液體分離
凈化 過濾 儀器：鐵架台、漏斗、濾紙、玻璃棒、燒杯（2個）
備註：過濾之前要靜置，濾紙漏斗角一樣，一貼二低三靠
蒸餾：除去水中可溶性雜質的方法

硬水：有害的。含較多鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）的水
水 軟硬水 軟水：無害的。含較少（或不含）鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）
鑒別方法：肥皂水（攪拌後無氣泡則硬水，有氣泡則軟水）
硬水變軟水（水的軟化）：煮沸或蒸餾

現象：兩級上有氣泡產生（氧正氫負），V負:V正 = 2:1
電解水 解釋：化學變化中，分子——→原子——→新分子——→新物質
結論（水的組成）：氫（H）、氧（O）元素

構成：每一個水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成

性質 化學：通電分解 H2O ——→ H2 ↑+ O2 ↑
物理：無色無味的液體，冰點0℃，沸點℃，密度為1g∕cm3

元素符號：略（見第三章）
定義：用元素符號表示物質組成的式子
表 金屬：Fe Al Cu Zn等
示 X型（直接用元素符號表示） 非金屬（固態）：C S P
單質 稀有氣體：He Ne Ar 等
書寫 Xn（元素符號加角標）：H2 O2 N2 Cl2 O3等
化學式 化合物：金非氧順次寫，個數序位不能亂
宏觀：表示一種物質及元素組成
意義 微觀：表示物質的一個分子及一個分子中的原子構成
相對分子質量
計算 物質中元素的質量比
表 元素的質量分數：物質質量×某元素質量分數=該元素質量

示 定義：用化學式來表示化學反應（變化）式子
內容：化學反應中，各反應物的質量總和，
理論依據：質量守恆定律 等於各生成物的質量總和

原因：反應前後，原子的 沒有改變
「量」的：表示各物質間的質量關系
化學 意義 「質」的：表示反應物、生成物和反應條件
方程式 書寫原則：以客觀事實為基礎、遵守質量守恆定律；

定義：化學方程式中在各物質化學式前填適當計量數使反應物
配平 和生成物的每一種原子個數都相等
方法：最小公倍數法；奇數配偶法；觀察法；
設（設未知數）； 寫（寫方程式）； 量（找關系量）；
計算 比（列比例式）； 求（球結果）； 答（簡明答案）；

概念：不同元素形成化合物時一種個數比是固定的數值，這時顯示了
元素的某種特性
規定（規律）：單質中元素化合價為零；化合物中正負化合價代數為零；
化合價 速記：一價氫氯納鉀銀，二價氧鈣鋇鎂鋅，三鋁四硅五氮磷，
二三鐵、二四碳，二四六硫都齊全，銅汞二價最常見；
應用：求化合價；判斷化學式正誤；書寫化學式；

原子結構（最外層電子數）、化合價、化學式以及化學式計算的關系
相對分子質量
原子結構 化合價 化學式 元素的質量比
（最外層電子數） 元素的質量分數

化學反應過程中，「五個不變」 、「兩個一定變」 、「一個可能變」的總結
反應物和生成物的總質量不變
宏觀 元素種類不變
五個不變 原子種類不變
微觀 原子數目不變
原子質量不變

化學反應 宏觀：物質質量一定變
兩個一定變 微觀：構成物質的粒子一定變
（變為構成生成物的粒子）

一個可能變：分子總數可能變

（五）第五章 燃 料
5.1 潔凈的燃料----氫氣 5.2 組成燃料的主要元素-----碳
5.3 古生物的「遺產」-----化石燃料
最清潔的燃料————氫氣（H2）
燃料 組成燃料的主要元素————碳(C)
古生物的遺產————化石燃料(煤、石油、天然氣)
燃料燃燒對環境的影響（CO2、SO2等）
物理：無色無味、密度最小的氣體，極難溶於水
性質 穩定性：常溫下性質穩定
化學 純的氫氣安靜地燃燒
活潑性（可燃性） 不純的氫氣發生爆炸
氫氣 方程式：2H2 + O2 ======= 2H2O
實驗室制備：Zn + H2SO4 === ZnSO4 + H2↑或Zn + 2HCl === ZnCl2 + H2↑
收集：向下排空氣法（密度與空氣大）或排水法（極難溶於水）
爆炸極限：氫氣的純度（空氣里混入的氫氣體積）4.0﹪——74.2﹪
驗證：在火焰上方罩一乾冷的燒杯，燒杯壁上有水珠
用途：充灌探空氣球（物理性質），清潔高能燃料（可燃性：化學性質）

組成：混合物，主要含碳元素，含少量的氮、硫元素等
煤 焦爐煤氣
綜合利用：隔絕空氣高溫加熱 焦炭
（化學變化） 煤焦油
組成：混合物，主要含碳、氫元素，含少量的氮、硫元素等
化石燃料 石油 石油氣、汽油、煤油
綜合利用：————→ 柴油、潤滑油
（蒸餾） （物理變化） 重油、石蠟、瀝青
物理性質：無色無味 、極難溶於水的氣體密度比空氣小 天然氣 化學性質：可燃性CH4 + 2O2 ======= CO2 + 2H2O
（甲烷） 用途:燃料和化工原理
種類：金剛石、石墨、C60、無定性碳（炭黑、木炭、活性炭、焦炭）
碳 物理：各不相同（如金剛石是最硬的物質、活性炭有吸附性）
單 性質 常溫：性質穩定
質 化學 C + O2 (充足) ======= CO2
點燃 2C + O2 (不足)======= 2CO
用途：鑽頭、切割玻璃、電極、吸附劑、燃料、冶煉金屬等

物理：無色無味 、難溶於水的氣體，密度與空氣略小
性質 可燃性：2CO + O2 ======= 2CO2
CO 化學 還原性：CO + CuO ======= Cu + CO2
碳 毒性：與血紅蛋白結合
用途：燃料、冶煉金屬
物理：無色無味 、能溶於水的氣體，密度與空氣大
通常：不能燃燒、不支持燃燒，不供給呼吸
碳 性質 水：CO2 + H2O = H2CO3, H2CO3 = H2O +CO2↑
的 化學 石灰水：Ca(OH)2 + CO2 == CaCO↓(白)+ H2O
氧 碳：C + CO2 ====== 2CO
化
物 CO2 原理：CaCO3 + 2HCl == CaCl2 + CO2↑+ H2O
裝置：固體和液體反應，不需加熱制氣裝置
實驗室製法 收集：向上排空氣法（密度與空氣大）
驗滿：燃著的木條放在集氣瓶口
檢驗：澄清石灰水變渾濁（白色）
Ca(OH)2 + CO2 == CaCO↓(白)+ H2O
用途：滅火、製冷劑、人工降雨、光合作用的原理、汽水等

酸雨（排放的SO2 、SO3等）
燃料燃燒對環境的影響 溫室效應（排放的CO2）
一氧化碳及其他氣體、粉塵的排放
（六）第六章 金 屬
6.1 奇妙的金屬性質 6.2 金屬礦物與冶煉 6.3 珍惜和保護金屬資源

相似性：金屬光澤、延展性、導電性、導熱性等
物理 導電性：銀＞銅＞金＞鋁＞鋅＞鐵＞鉛
差異性 密度：金＞鉛＞銀＞銅＞鐵＞鋅＞鋁
熔點：鎢＞鐵＞銅＞金＞銀＞鋁＞錫
硬度：鉻＞鐵＞銀＞銅＞金＞鋁＞鉛

金屬 + 氧氣 ——→ 金屬氧化物
金屬 3Fe + 2O2 ======= Fe3O4
性質 4Al + 3O2 ======= 2Al2O3
2Cu + O2 ====== 2CuO
較活潑金屬 + 酸 ——→ 金屬化合物 + 氫氣
2Al + 6HCl ===== 2AlCl3 + 3H2↑
Fe + 2HCl ===== FeCl2 + H2↑ 置換反應
Zn + H2SO4(稀) ===== ZnSO4 + H2↑
化學
+ → +

Fe + CuSO4 ===== FeSO4 + Cu（濕法煉銅、鍍銅）
2Al + 3CuSO4 ===== Al2(SO4)3 + 3Cu
Mg + FeSO4 ===== Fe + MgSO4
置換反應：A + BC ===== B + AC（一單換一單）
活動性：K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H）Cu Hg Ag Pt Au
（鉀 鈣 鈉 鎂 鋁 鋅 鐵 錫 鉛 (氫) 銅 汞 銀 鉑 金）

金屬冶煉法
定義：一種金屬與其他金屬或非金屬熔合而成（有金屬特性）的
熔點：低（比各組分的熔點低）
合金 特點 強度：高（比各組分的強度高）
生鐵：含碳量2﹪—4.3﹪
鐵合金 鋼：含碳量0.03﹪—2﹪

赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦(Fe3O4)、黃鐵礦( FeS3)
礦物 鈦鐵礦( FeTiO3)、孔雀石（Cu(OH)2CO3）、赤銅礦（Cu2O）
方鉛礦（PbS）、鋁土礦（Al2O3）
C CO2
熱還原法：金屬氧化物 + H2 ——→金屬單質+ H2O
CO2 CO2
方法
電解法：金屬氧化物 ———→ 金屬單質 + 氧氣
直接加熱法：金屬氧化物 ———→ 金屬單質 + 氧氣
冶煉 反應：C + O2 ==== CO2 、C + CO2 ==== 2CO
煉鐵 Fe2O3 + 3CO ==== 2Fe + 3CO2(主要反應)
金屬 鐵的冶煉 原料：鐵礦石（赤鐵礦）焦炭 石灰石 空氣
(熱還原法) 煉鋼：加入氧氣，除去生鐵中過量的碳及雜質

形成：鐵 + 氧氣 + 水 ——→ 鐵銹（紅褐色）
銹蝕（鐵銹） 主要成分：Fe2O3·X H2O（紅褐色）
除銹：Fe2O3 + 6HCl(適量) ===== 2FeCl3 + 3H2O
Fe2O3 + 3H2SO4(適量) ===== Fe2(SO4)3 + 3H2O
防銹原理：隔絕空氣和水
保護 防銹方法：刷油漆；塗機油；電鍍（鋅）；氧化膜；
資源保護：有計劃、合理開采；尋找替代品；回收再利用

『伍』 水質評測數據

要的是哪裡的數據啊！具體點吧！
鄱陽湖湖口段水質監測報告

前 言

湖口縣位於鄱陽湖和長江交匯處 , 三面環水。當地的飲用水及工農用水 , 主要取之於鄱陽湖。鄱陽湖湖口段的水質與當地人民的生活息息相關 , 所以對這一區域水質的監測顯得尤其重要。另外 , 湖口是鄱陽湖的出水口 , 這里的水質狀況對於鄱陽湖的整體水質具有較強代表性 , 要了解鄱陽湖的生態環境質量 , 對湖口段的水質進行監測就是一個很好的途徑。因此 , 我們展開了這次對鄱陽湖湖口段的水質監測。

• 布點前的實地考察

通過上網和查閱有關資料，我們繪制了鄱陽湖和長江交匯處的湖口縣形狀簡圖。湖口縣居民生活污水和工業區廢水是鄱陽湖湖口段的主要污染源。鄱陽湖湖水在湖口與長江交匯，在交匯出形成清濁分明的界線。鄱陽湖水較為清澈，水草叢生，有大量的魚蝦生存，是中國的主要淡水魚產區，也中國最大的候鳥越冬棲息濕地。

鄱陽湖周邊的長期居民抽取鄱陽湖水飲用或打井飲用地下水，到目前為止，尚無不正常反映。

• 設置采樣斷面和取樣點

根據斷面設置的原則，結合初步測試和該區的監測量，在鄱陽湖湖口段共置兩個取樣斷面。其中 Aa 斷面是地區控制斷面 ,Bb 斷面是交匯處斷面。同時，經過考察水面寬 50~100m ，水深 5~10m, 設兩個點，即水面下 0.3~0.5m 出和河底上約 1m 處各

• 取樣

按技術要求，每年按春夏秋冬四季取樣，每季取樣兩次，每年取樣八次。受監測條件所限，這次監測我們是選在「五一」長假，所得數據僅僅為這個季節的水質調查結果。

取樣時，乘一小木船到水域中心，取樣人員在船上用小水桶取樣。其中現場測定水溫和 PH 值二個項目，水流速度用浮標大致測定。水樣裝塑料容器中，蓋緊密封運回實驗室。並根據所測量項目從塑料容器中取出水樣進行預處理，待測。為了進行比較和了解當地飲用水質量狀況，我們還收集了當地的自來水。

• 水樣測定

為了保證數據的質量，首先用標准樣對儀器設備和葯品進行校正，達標後，開始監測。監測人員利用質量控制圖控制，質量控制人員對監測人員通過密碼樣進行監督，個別數據重復多次測定，剔除可疑數據。

由於實驗條件限制，鄱陽湖湖水其它有害離子的含量又較少 , 所以我們主要監測項目只有：流量、 PH 值、懸浮物含量、 COD 等。流量和 PH 值的測定方法較為簡易，可以直接測定，這里就不詳細記錄了。我們把精力主要花在懸浮物含量和 COD 的測定上，現在，我們把實驗過程記錄如下：

• 懸浮物含量的測定

原理：懸浮物含量指每升水中含懸浮物的質量，用 mg/L 表示，在水質分析中，將水樣過濾，凡不能通過濾器的固體顆粒物稱為懸浮物。

測定方法：量取 100mL 水樣，通過一定型號已預先烘乾至恆重的濾膜過濾 , 再將該濾膜和膜上的截留物烘乾至恆重 , 兩者質量之差除以過濾通過水樣的體積即為懸浮物含量。本法的關鍵是掌握適當的烘乾溫度活烘乾時間 , 以免破壞懸浮物組成 , 影響稱量的准確性。經過多次測量求平均值 :

100mL 長江水中懸浮物凈重： 0.018g ,

100mL 湖水中懸浮物凈重： 0.007g ,

100mL 自來水中懸浮物凈重： 0.001g ,

則 :

長江水的懸浮物含量為： 0.18g/L,

湖水的懸浮物含量為： 0.07g/L,

自來水中懸浮物含量為： 0.01g/L 。

（二） COD 的測定

原理： HH-6 化學耗氧量測定儀採用密封催化消解法測定 COD 值，在強酸性溶液中，加入一定量重鉻鉀熱消解水樣 10min ，重鉻酸鉀被水中有機物還原為三價鉻，在波長 610mm 處測定三件鉻離子含量，再根據三價鉻離子的量換算出消耗的質量濃度。

儀器： HH-6 化學耗氧量測定儀、 500mL 容量瓶若干個、燒杯若干、玻璃棒。

試劑 : 蒸餾水、鄰苯二甲酸氫鉀、濃硫酸、重鉻酸鉀

步驟：本實驗採用的是密封催化消解法

• 常用試劑及配製：

（ 1 ）濃硫酸 ( 分析純 . 比量 1.84)

（ 2 ）鄰苯二甲酸氧鉀標液 :

• 准確稱取在 105~110 ℃ 烘乾 2H 的鄰苯二甲酸氫鉀 0.5101g ，置於 500ML 容量瓶中，以蒸餾水定容至標線，搖均勻備用，該標液的 COD 理論值為 1200mg/L 。• 同上，配置標液的 COD 理論值為 100mg/L 溶液。

• 同上，配置 COD 理論值為 2000mg/L 的溶液。

（ 3 ）專用氧化劑（隨機配備）：

取隨機配備的整瓶固體試劑，放入清洗干凈的 500mL 燒杯，先加入 200mL 蒸餾水，再假如 100mL 濃硫酸，冷卻後放置於 500mL 容量瓶中，以蒸餾水定量、搖勻。

（ 4 ）專用催化劑：

取隨機配備的整瓶固體試劑，溶於 500mL 濃硫酸中，搖勻放置 1~2 天，使其完全溶解。取上述溶液 100mL ，再加入 400mL 濃硫酸，搖勻備用。

2 、標定曲線

• COD 值小於 100mg/L 時的曲線標定（測定范圍： 5~100mg/L ）• 取隨機附件反應管 4 只作好標記，清洗干凈（用洗滌液清洗後，用自來水沖洗，用稀硫酸浸泡 5~12h 取出後用蒸餾水清洗、烘乾）。分別按表 -1 加入濃度為 100mg/L 鄰苯二甲酸氧鉀。

表 -1

鄰苯二甲酸氧鉀標液（ mL ）
0
0.6
1.5
3.0

COD 理論值為（ mg/L ）
0
20
50
100

• 用蒸餾水將各反應管依次補足至 3.0mL 。

• 每支試管內加入專用氧化劑 1mL 。

• 每支反應管內加入專用催化劑 5mL ，塞上搖勻。

• 將反應管依次插入爐孔內，待溫度降至低於設定值後，按消解鍵，儀器自動定時消解，消解完畢蜂鳴報警。

• 取出反應管至試管架，自然冷卻 2min ，再水冷卻至室溫。

• 按功能 1 操作方法，用所配標樣以最小二乘法標定曲線並存儲。

• COD 值大於 100mg/L 時的曲線標定（測量范圍： 100~1200mg/L ）

• 取隨機附件反應管 6 只作好標記，清洗干凈。分別按表 -2 加入濃度為 1200mg/L 鄰苯二甲酸氧鉀。表 -2

鄰苯二甲酸氧鉀標液（ mL ）
0
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0

COD 理論值為（ mg/L ）
0
100
200
400
800
1200

B~F 同上。

G 、 向每一支反應管內加入 3mL 蒸餾水，塞上搖勻，待測。

H 、 按功能 1 操作方法，用所配標樣以最小二乘法標定曲線並存儲。

• COD 值大於 1000mg/L 時的曲線標定（測量范圍： 1000~2000mg/L ）

• 取隨機附件反應管 4 只作好標記，清洗干凈。分別按表 -3 加入濃度為 2000mg/L 鄰苯二甲酸氧鉀。

表 -3

鄰苯二甲酸氧鉀標液（ mL ）
0
1.5
2.25
3.0

COD 理論值為（ mg/L ）
0
1000
1500
2000

B~F 同上。

G 、 向每一支反應管內加入 8mL 蒸餾水，塞上搖勻，待測。

H 、 按功能 1 操作方法，用所配標樣以最小二乘法標定曲線並存儲。

3 、實際水樣的測定

• 分別吸取 3mL 蒸餾水（作空白）或混合均勻的水樣放置於已清洗干凈的反應管中。
• 按照標定曲線時的 C~F 的步驟操作。

• 按功能 2 操作方法直接測定出實際水樣的吸光度和 COD 值。

4 、實際水樣的測定值

長江水 COD 值為 122.8 mg/L鄱陽湖水 COD 值為 82.6 mg/L

自來水 COD 值為 38.3 mg/L

註：此數據是在 5~100mg/L 時的曲線標定的，曲線方程為：

C3=724.5*A-5.4

檢測數據列表為：

項目 水樣
自來水
鄱陽湖水（ Aa 截面）
長江水（ Bb 截面）

流量（ m3/s ）
0
0.6
1.3

PH
6.80
6.85
6.90

懸浮物（ mg/L ）
10
70
180

COD
38.3
82.6
122.8

• 結論

結合調查掌握的資料，將監測數據與有關標准比較，知道鄱陽湖湖水污染不是很嚴重，所受污染主要是有機物污染，重金屬檢不出。通過水體的自凈，基本能使水體恢復，不會對長江下游造成污染。

長江水在 COD 值和懸浮物含量上，遠遠大於鄱陽湖湖水，這就是為什麼在湖口水域——鄱陽湖與長江交界處會形成涇渭分明、清濁相交的界線。

湖口縣自來水廠把自來水取水點設在鄱陽湖水域是正確的，但是，由於現在鄱陽湖水位並不是處在豐水期，自來水取水點離岸較近，水位較淺。一般有機物密度較小，在波浪的影響下，上層水域和較淺水域有機物含量大，含沙量較高，因此，我們檢測出的鄱陽湖自來水 COD 值和懸浮物含量都較大，自來水水質較差。

要改善湖口縣自來水水質，最好把取水點設在遠離湖岸，水位較深的區域。

『陸』 不飽和水沉積物中水合物生成過程

臧小亞^1,2,3，梁德青^1,2，吳能友^1,2

臧小亞（1983－），女，助理研究員，博士，主要從事沉積物中天然氣水合物的研究工作，E-mail:[email protected]。

梁德青，男，研究員，主要從事水合物基礎和應用技術研究，E-mail:[email protected]。

1.中國科學院廣州能源研究所，廣州510640

2.中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣州510640

3.中國科學院研究生院，北京100049

摘要：採用甲烷和混合氣體（CH₄為91.85％,C₂H。為5.09％,C₃H₈為3.06％）作為氣源，研究在不同的溫度和壓力條件下，純擴散型水合物在不同粒徑沉積物（150～250 μm和250～380 μm）中的生成過程。結果表明：水合物在沉積物中的生成速率與沉積物粒徑、氣源組分、孔隙水鹽度以及溫度壓力條件都有關系。在沉積物和鹽水體系裡，混合氣生成水合物的誘導時間非常短，反應體系達到水合物生成條件時，沉積物內便開始有水合物生成，而且初始階段的水合物生成速率比較大。在不同的沉積物體系中，混合氣水合物的生成過程可以分為3個階段，即快速反應階段、反應平穩階段和尾聲階段。在不同的溫壓條件下，水合物具有不同的轉化率。

關鍵詞：氣體水合物；生成動力學；水合物轉化率；多孔介質；熱力學

Formation Process of Hydrate in Partially Water-Saturated Sediments

Zang Xiaoya^1,2,3,Liang Deqing^1,2*,Wu Nengyou^1,2

1.Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate,Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

2.Guangzhou Centerfor Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou,510640,China

3.Graate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

Abstract:Gas hydrateformation from two types of dissolved gas (methane and mixed gas) in natural porous media were studied in a novel apparatus with two different diameter silica sand particles (150～250μm and 250～380μm) from South China Sea under varying thermodynamic conditions.Hydrate was formed in the salt water,which occupied the interstitial space of the partially water-saturated silica sand bed.The experiments demonstrate that hydrateformation rate was afunction of particle diameter,gas source,water salinity,and thermodynamic condition.The hydrate formation inction time was very short and pressure decreased rapidly in the initial stage.Mixed gas hydrateformation process can be divided into three stages with different type sediments.Conversion rate of water to hydrate was different under vary thermodynamic conditions thoughformation process were similar.Sand particle diameter and water salinity also influence the formation process of hydrate.

Key words:gas hydrate;formation kinetics; water conversion rate; natural porous media ; thermodynamic condition

0 引言

天然氣水合物是一種類冰狀的、非化學計量的籠形晶體化合物，它一般是由一些低分子量氣體（如甲烷、乙烷等）分子被包進水分子氫鍵形成的籠中所形成^[1]。1天然氣水合物生成需要低溫和高壓的條件，因此在自然界中已發現的主要分布於海洋陸坡區和陸地永久凍土帶。地球上已探明的水合物儲量超過1.5×10¹⁶m³，可以作為未來的潛在能源^[2-4]。在我國南海北部海域沉積物中發現大量的以擴散型方式存在的水合物樣品，若能加以開采利用則能有效緩解我國能源需求與供給之間的矛盾^[5]。如何能夠在不危害環境的情況下安全高效地開采和利用水合物資源，需解決的問題核心主要有2點：一是掌握水合物在海底賦存區的生成機制和分布規律^[6]；二是了解開采過程中外界條件的變化對水合物穩定性的影響。

在過去的20年間，許多學者關於沉積物中水合物生成動力學的問題展開了研究。Cha等[7]首先開展了第三界面對水合物生成過程影響的研究，他的研究結果表明第三界面的存在對水合物生成的熱力學及動力學特性都有影響。接著，Zatsepina和Buffett^[8-10]系統的開展了多孔介質體系中不同溫壓條件下甲烷氣體在水合物成核以及生成過程中的溶解度變化，他們的結果說明氣體溶解度在有無水合物生成時變化很大，同時，在條件適宜的情況下孔隙水中的溶解氣體可以直接結晶成核並生成水合物。Tohidi等^[11]證明了Zatsepina和Buffett的結論，得出在無自由氣體存在的系統中同樣可以生成水合物。他們同時還發現水合物比較容易在孔隙中心生成，在沉積物顆粒較細的情況下，水合物容易將沉積物顆粒固結。Klauda和Sandler^[12]提出了一種模型，該模型以沉積物類型、地溫梯度和海底深度作為輸入變數，利用大洋鑽探計劃（ODP）所得的數據預測海底水合物穩定帶的最大值。Chuvilin等^[13-14]提出溫度和冷凍周期能影響水合物的熱力學條件和沉積物中的冰－水分布情況，因此，沉積物中只有很少一部分的水能轉化成水合物。Waite等^[15]通過富含甲烷沉積物和孔隙水沉積物的地震波研究，說明了水合物包裹沉積物顆粒並將其固結。Spangenberg等^[16]設計了一套實驗裝置研究水合物在沉積物孔隙中的生成過程，實驗結果證實了一個假設，在充滿了孔隙的水合物生成過程中，沉積物中上升流體的運動能運輸溶解甲烷氣至水合物穩定帶，在這個過程中，水合物就可以形成。最近，Maddena等^[17]研究了在不同直徑沉積物顆粒體系中的水合物生成過程，結果說明沉積物粒徑對水合物生成有一定的影響。Linga等^[18]也證明了沉積物孔隙內部氣體的大量聚集可能導致水合物在沉積物中大量生成，同時，也第一次在沉積物孔隙內部的甲烷氣泡的氣－水界面上發現了薄片狀的甲烷水合物。

雖然上述工作取得了一定的進展，但是仍然有許多關鍵問題需要解決。在以往的多孔介質水合物生成動力學的研究中，往往只考慮1個或2個影響因素，在實際中的情況卻要復雜得多，需要系統地考慮總體因素。為了全面地了解水合物在沉積物中的生成過程，表徵水合物在不同溫度和壓力條件下的生成特性，為水合物的開發和利用提供理論數據，本文通過自製的水合物生成裝置研究不同的沉積物粒徑、不同的孔隙水鹽度以及不同溫壓條件下甲烷以及混合氣體在沉積物孔隙水體系中的生成過程。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及材料

圖1 實驗裝置簡圖

整個實驗在如圖1所示的自製實驗裝置上進行。裝置主要由管路、氣瓶、增壓裝置、真空泵、恆溫水浴和反應釜組成。反應釜為自製不銹鋼反應釜，體積為330 m L。其中沉積物放置在不銹鋼反應釜內的聚四氟乙烯反應釜內，沉積物體積為78 m L。不銹鋼反應釜內剩餘氣體所佔據的體積為200m L。

1.2 實驗過程

實驗採用的方法是首先將南海北部陸坡鑽探所得沉積物進行人工篩分，用篩子篩分為不同的粒徑，選取粒徑分布介於40～60目和60～100目的沉積物，測得孔隙度分別為42％和36.7％，並配置鹽度為3.5％的鹽水。將75 g篩分處理好後的沉積物放入小反應釜內，滴入15 g的鹽水溶液，並使得鹽水均勻分布於沉積物孔隙內。最後將小反應釜置於大反應釜內，密封後往大反應釜內充入反應氣體，在常溫下保持48 h後，將反應溫度和壓力設定至實驗所需條件，並實時採集反應系統內溫度與壓力的變化，研究水合物的生成過程。

2 結果與討論

實驗系統的研究了甲烷和混合氣等不同氣源組分水合物的生成過程，反應結束後沉積物中水合物的含量可以通過實驗過程中消耗的氣體量計算得到。在擴散型水合物生成過程中，由於水合物生成過程比較緩慢，體系溫度不發生變化，壓力的降低可以說明水合物的形成。表1給出了實驗的條件及實驗結果。其中水合物轉化率為沉積物孔隙水轉化為水合物的量所佔的份額。

表1 實驗條件以及實驗結果總結

如表1中結果所示：在第一組實驗中，實驗採用的氣源為混合氣，沉積物粒徑介於250～380 μm，不同的溫壓條件下，水合物的轉化率從21.02％到39.49％不等。第二組和第三組實驗的結果同樣說明了在此類實驗條件下，較低的溫度能夠增加水合物的轉化率。這可能是由於實驗溫度越低，過冷度越大，從而水合物形成驅動力也相應較大。同樣的道理，水合物的轉化率會隨著壓力的升高而增加。但是，4、5、6組實驗沉積物粒徑為150～250μm，顆粒非常細，此種沉積物體系中溫度為277 K時水合物的轉化率反而小於溫度為279 K時的水合物轉化率。這也說明了在沉積物顆粒特別細的時候，沉積物可能改變水合物的生成環境，水合物生成速率反而未必與驅動力成正比^[19]。同時，溫度比較低時，水合物在反應初始階段容易在氣體和沉積物界面上生成，沉積物孔隙內的水也容易轉化成水合物從而堵塞孔隙中氣體運移通道。因此，氣體擴散速度隨著反應的進行慢慢減小，水合物生成速率也隨之減小。

續表

圖2所示為實驗中採用的沉積物＋鹽水體系生成水合物前後的對比。圖a為經過人工篩分處理並吸水後的沉積物，粒度分布介於60目到100目之間；圖b為反應結束後沉積物體系，白色類冰狀固體為水合物，由於水合物生成過程最容易發生在氣液界面上，因此在沉積物體系表面最容易生成水合物。水合物在沉積物表面生成後，會通過毛細作用將體系內的水分吸到沉積物上部或者表面來繼續生成水合物。從圖b中可以看出，水合物在表面分布的比較多。但是在自然界中，氣源不充分，水合物不會在短時間內大量聚集，氣體有充足的時間溶解在沉積物孔隙水內部，而且水合物區域在空間上也足夠大，分布相對比較均勻。圖c是分解中的水合物在沉積物中的分布，有水合物與水共存。

2.1 孔隙水鹽度對水合物生成過程的影響

圖2 沉積物體系反應前後對比

反應體系內沒有添加劑的情況下，甲烷與純水生成水合物比較困難，需要比較大的過冷度、更強的反應驅動力或者較長的誘導時間^[20]。因此，許多學者提出了各種各樣的方法來解決這些問題^[21-22]。實驗採用純水和鹽度為3.5％的鹽水作為孔隙水來比較孔隙水鹽度的不同對水合物生成過程的影響。圖3a中孔隙水為鹽水，水合物生成過程沒有誘導時間；圖3b中，第13組實驗中的孔隙水為蒸餾水，水合物生成所需的誘導時間為42 h。在初始的42 h內，壓力無任何變化，水合物沒有生成。過了誘導時間後，水合物開始形成，壓力開始下降。在自然界沉積物中，沉積物孔隙水為鹽水，水合物在沉積物孔隙內部生成，沉積物體系的多孔性以及海水的鹽度都能促進水合物的生成過程，縮短誘導時間^[23]。水合物在沉積物體系內的生成過程可以劃分為2個階段：第一個階段是水合物在孔隙內部沉積物的多孔表面生成，此時水合物生成速率由氣體到水合物籠的擴散速率決定；第二個階段是水合物在沉積物中大量生成將沉積物固結的過程，這個過程中水合物生成速率由氣體在沉積物體系內部的擴散速率決定。

圖3 第11組和13組實驗過程中的溫度和壓力變化

實驗採用的粒徑介於150～250μm的Ⅱ型沉積物。初始值代表了反應體系內部溫度達到設定值並且穩定的點。圖3a代表了第11組實驗，孔隙水w(Na Cl）為3.5％溶液，圖3b為第13組實驗，孔隙水為蒸餾水

2.2 沉積物粒徑對水合物生成過程的影響

實驗中用到了2種粒徑的水合物，粒徑分布介於250～380μm和150～250μm。圖4是第3組和第6組實驗過程中水合物轉化率隨時間的變化圖。實驗都是採用w (Na Cl）為3.5％溶液作為孔隙水，在7.5 MPa壓力下生成水合物，溫度有3個溫度點，275 K,277 K和279 K。如圖4中所示， 2種粒徑沉積物體系內所有的反應過程都可以分為3個階段，在初始的12 h內，水合物轉化率增加得很快，這表明水合物反應速率也很快。在反應的中間階段，即從12～40 h之間，溶解在孔隙水中的氣體已經被消耗完，此時水合物轉化率開始下降，並且在這個階段，水合物生成速率取決於氣體在沉積物中的擴散速率。由於初始階段水合物的大量生成，沉積物表面以及沉積物孔隙間大多被水合物占據，因此氣體擴散速率下降。在反應結尾階段，水合物轉化率已經沒有明顯的變化。這個現象說明水合物在反應的前40 h內已經基本反應完全。在整個反應過程中，沉積物的粒徑對水合物轉化率的變化趨勢影響不明顯。

圖4 不同沉積物粒徑對水合物轉化率的影響

實線代表Ⅰ型沉積物，虛線代表Ⅱ型沉積物，反應採用的氣體為混合氣，反應初始壓力為7.5 MPa

第三組實驗中水合物的轉化率分別為53.94％,53.90％和52.30％，反應體系內溫度沒有明顯變化。在第6組實驗中，水合物轉化率分別為52.30％,49.01％和50.33％，溫度為279 K時水合物的轉化率反而要大於277 K時的轉化率，結果與第3組實驗的有所不同。一般來說，大顆粒沉積物體系中的水合物轉化率大於小顆粒沉積物體系中水合物的轉化率。在Ⅱ型沉積物體系內，可能是由於水合物形成初期階段，沉積物之間的孔隙以及沉積物與氣體的交界面被水合物占據，氣體進入沉積物的通道被阻塞，因此，接下來的水合物生成過程也就被延緩了。

圖5所示為第7組實驗和第10組實驗中水合物轉化率的變化。2組實驗都是在9.5 MPa的初始壓力下進行的，孔隙水鹽度為3.5％。與圖4中結果不同的是沉積物的粒徑能影響甲烷水合物的生成過程。實驗結束後，第7組實驗中水合物的轉化率分別為13.82％,12.91％和11.94％，第10組實驗中，水合物轉化率分別為48.47％,47.39％和35.23％。在相同的實驗條件下，Ⅰ型沉積物體系中甲烷水合物的轉化率要遠遠大於Ⅱ型沉積物體系中甲烷水合物的轉化率。

圖5 2種不同水合物粒徑體系內甲烷水合物轉化率隨時間的變化圖

圖中實線代表Ⅰ型沉積物體系內水合物轉化率，虛線代表Ⅱ型沉積物體系內水合物轉化率，實驗採用的氣源為甲烷氣體，反應初始壓力為9.5 MPa

2.3 氣源組分對水合物生成過程的影響

圖6 第3組實驗和第9組實驗中水合物的轉化率變化

虛線代表第3組實驗中水合物的轉化率變化趨勢，反應初始壓力為7.5MPa，反應溫度為275K,277K和279K；實線代表第9組實驗中水合物的轉化率變化趨勢，反應壓力為13.5 MPa，反應溫度為275K,277K和279K。兩組實驗都採用的Ⅰ型沉積物體系

實驗中採用了甲烷和混合氣（CH₄:91.85％,C₂H₆:5.09％,C₃H₈:3.06%）作為反應氣體。實驗1-6是採用混合氣作為氣源，實驗7～13是採用甲烷氣作為氣源。圖6所示為第3組實驗以及第9組實驗過程中水合物的轉化率變化趨勢。從圖中可以看出，第9組實驗的反應初始壓力為13.9 MPa，第3組實驗的反應初始壓力為7.5 MPa，但是在反應初始階段，第3組實驗中的水合物轉化率要大於第9組實驗中水合物的轉化率。這是由於混合氣內含有乙烷以及丙烷，相對甲烷來說更容易與水反應生成水合物。因此，當實驗結束後，第3組實驗的水合物轉化率可以達到55％，依然要遠遠大於第9組實驗中水合物的轉化率。

3 結束語

通過自製的實驗裝置研究了沉積物孔隙水體系裡水合物的生成過程，實驗採用甲烷和混合氣（CH₄:91.85%,C₂H₆:5.09%,C₃H₈:3.06%）作為反應氣體。水合物的生成實驗分別在275 K,277 K，和279 K 3個溫度點下進行。實驗結果表明沉積物顆粒粒徑、氣源組分、孔隙水鹽度和熱力學條件等因素共同影響水合物的生成過程。與水合物在純水中的生成過程不同，當孔隙水w (Na Cl）為3.5％溶液時，水合物的誘導時間非常短，反應體系壓力在初始階段就很快降低，水合物很容易生成。2種沉積物粒徑體系裡，水合物的生成過程都可以劃分為3個階段：第一個階段水合物轉化率增加很快；第二個階段，水合物生成速率開始下降，氣體的擴散和溶解速率決定了這個階段水合物生成速率；第三個階段水合物轉化率不再有明顯的增加，水合物生成過程基本結束。不同的溫度和壓力條件下，水合物生成過程趨勢基本一致，但水合物轉化率會有不同。同樣的溫壓條件下，甲烷水合物的轉化率要小於混合氣水合物的轉化率。沉積物粒徑的不同能影響甲烷水合物的轉化率，但是混合氣水合物的轉化率受沉積物粒徑的影響比較小。從實驗整體來看，在氣體和沉積物以及孔隙水的界面上最容易生成水合物。

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