水，以其无所不在的姿态，贯穿地球生态、人类生活以及科学研究的方方面面。从微观层面的生物化学反应，到宏观尺度的全球生态系统循环，水化学作为一门揭示水的化学本质与行为规律的学科，正日益凸显其关键价值。在当下，水资源危机、水污染难题严重威胁着人类社会的可持续发展，培养精通水化学知识与技术的专业人才迫在眉睫。正是基于这样的时代需求，我们精心编写了这本《水化学》教材，力求将其打造为满足新时代对环境类专业人才培养需求的知识宝库。
本教材凝聚了多位长期深耕水化学教学与科研一线专家学者的心血，旨在为高等院校相关专业学生提供全面、系统且前沿的水化学知识体系，同时为科研人员、工程技术人员在水资源保护、水环境修复、水处理工艺研发等工作中提供权威参考。编写全程秉持理论深度与实践广度兼具、经典知识与前沿探索并重的原则，致力于打造一部兼具科学性、实用性与前瞻性的优质教材。我们始终紧跟学科发展前沿，将最新研究成果融入教材内容，力求展现水化学学科的动态发展全貌。本教材将水化学原理有机融入水处理案例，将理论知识与实际应用有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力。
教材系统阐述水化学核心原理及其在水处理中的应用，涵盖水循环与污染、化学反应热力学与动力学、酸碱-配位-氧化还原-光化学机制及相间作用六大板块。首先以水循环引出传统/新污染物行为与控制策略；继而以热力学三大定律、吉布斯判据与平衡常数解析反应方向与限度，结合溶液非理想行为说明其在工艺优化中的价值；动力学部分聚焦速率方程、阿伦尼乌斯关系及催化-酶促机制。酸碱化学、配位化学、氧化还原化学各章分别以pc-pH图、稳定常数与pε-pH图为工具，剖析质子/电子转移、配位/沉淀竞争及典型元素化学反应，并延伸至絮凝、阻垢、高级氧化等工程技术。光化学章节介绍光解定律与量子产率，探讨光催化及水合电子体系对污染物降解的影响。最后论述溶解-挥发、沉淀-溶解、吸附等相间作用，阐明亨利定律、溶解度影响因素及表面模型在重金属/有机物去除中的应用。全书通过理论与案例融合，为水处理工艺设计奠定化学基础。
本教材分为7章，编写分工如下。第1章：张超杰、李瑞萍；第2章：王红武；第3章：孙铸宇、张超杰、李瑞萍；第4章：樊金红、刘忻；第5章：陈家斌、张亚雷；第6章：张超杰、孙铸宇、黄笛；第7章：王红武、刘志刚。张超杰和王红武教授对全书进行了内容设计和统稿工作，张亚雷教授对全书进行了审核与定稿。
本教材获得同济大学本科教材出版基金资助。书中参考了相关专家学者的文献资料，在此谨向这些作者致以由衷感谢。谢彤、翟振宇、陈逸凡、王艳琼、朱剑锋、李佳霓参与了书稿的整理与校核工作。在此，我们向所有为本教材编写与出版提供支持与帮助的同人表示衷心感谢。
我们深知，教材的完善是一个持续的过程。由于水化学学科发展迅速，加上编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，衷心希望广大读者在使用过程中，不吝提出宝贵意见与建议，让我们共同努力，携手不断完善这本教材，为培养更多优秀的水化学专业人才，推动水化学学科发展，守护地球水资源贡献力量。
编者
2025年7月于同济大学
1绪论001
1.1水和水的循环001
1.1.1水的物理性质和化学性质001
1.1.2水循环004
1.2水环境与水环境问题005
1.2.1水环境的定义006
1.2.2水环境问题006
1.3水污染及其控制007
1.3.1水中传统污染物007
1.3.2新污染物011
1.3.3水中污染物的行为018
1.3.4水污染控制方法023
参考文献035
课后习题038
2水化学反应的基本原理040
2.1化学反应热力学040
2.1.1化学热力学基本定律041
2.1.2化学反应方向的判断042
2.1.3化学平衡045
2.1.4热力学在水处理中的应用047
2.2溶液热力学048
2.2.1溶液的基本概念和基本定律048
2.2.2活度概念050
2.2.3水溶液中离子和分子的非理想行为050
2.2.4溶液热力学在水处理中的应用051
2.3化学反应动力学053
2.3.1化学反应速率的定义054
2.3.2化学反应速率方程055
2.3.3温度对化学反应速率的影响和阿伦尼乌斯方程056
2.3.4催化反应动力学057
2.3.5经验速率方程060
2.4热力学和动力学的应用案例061
2.4.1热力学061
2.4.2动力学064
参考文献065
课后习题067
3酸碱化学069
3.1酸碱基本理论070
3.1.1酸碱电离理论070
3.1.2酸碱质子理论071
3.1.3酸碱电子理论075
3.2酸碱电离的基本概念075
3.2.1水的电离平衡和水的离子积075
3.2.2溶液的酸碱性与pH076
3.2.3酸碱电离常数077
3.2.4离子的活度080
3.3酸碱平衡计算080
3.3.1质子平衡方程080
3.3.2酸碱平衡计算方法082
3.4pc-pH图087
3.4.1一元酸-共轭碱体系的pc-pH图088
3.4.2二元酸-共轭碱体系的pc-pH图089
3.4.3多元酸-共轭碱体系的pc-pH图091
3.4.4-pH图的应用092
参考文献094
课后习题095
4配位化学096
4.1配位化学基础096
4.1.1配位化学基本概念096
4.1.2配位化学键理论097
4.1.3配合物的稳定性及平衡计算100
4.1.4配合物的反应104
4.2无机配体配合物108
4.2.1金属羟基配合物108
4.2.2其他无机配体配合物111
4.3有机配体配合物112
4.3.1低分子量有机酸112
4.3.2氨基多羧酸114
4.3.3腐殖质116
4.4配位化学在水处理中的应用119
4.4.1在水环境分析中的应用119
4.4.2无机高分子絮凝剂在吸附工艺中的应用121
4.4.3阻垢剂在水处理中的应用123
4.4.4在水处理催化降解工艺中的应用124
4.4.5在重金属-有机物复合污染处理中的应用127
参考文献133
课后习题134
5氧化还原化学136
5.1氧化还原化学基础136
5.1.1氧化还原基本概念137
5.1.2氧化还原平衡138
5.2氧化还原图解143
5.2.1氧化还原pc-pε图143
5.2.2氧化还原pε-pH图144
5.3典型元素的氧化还原化学146
5.3.1铁化学146
5.3.2氯化学149
5.3.3氮化学151
5.3.4碳化学153
5.3.5铜化学155
5.3.6锰化学157
5.4氧化还原在水处理中的应用159
5.4.1高级氧化技术159
5.4.2高级还原技术162
5.4.3折点加氯164
参考文献165
课后习题167
6光化学169
6.1光化学基础169
6.1.1光谱类型170
6.1.2吸收光谱产生的原因171
6.2光化学反应基本定律173
6.2.1光化学第一定律173
6.2.2光化学第二定律174
6.2.3朗伯-比尔定律174
6.2.4量子产率174
6.2.5光化学实验方法175
6.3光化学反应类型176
6.3.1直接光解176
6.3.2间接光解178
6.4水环境中典型光化学过程179
6.4.1有机污染物的光化学180
6.4.2腐殖酸的光化学181
6.5光化学在水处理中的应用182
6.5.1新型光催化体系182
6.5.2光致水合电子体系189
参考文献198
课后习题201
7相间作用202
7.1表面张力和表面自由能203
7.2气体在水中的溶解与挥发204
7.2.1亨利定律与气体在水中的溶解度204
7.2.2双膜理论与水中气体的挥发206
7.3固体的沉淀与溶解207
7.3.1沉淀与溶解动力学207
7.3.2沉淀与溶解平衡及其计算208
7.3.3固体溶解度的影响因素209
7.3.4Fe(OH)3和FePO4在水中的平衡转化213
7.3.5几种典型固体物质的溶解-沉淀平衡214
7.4吸附作用216
7.4.1吸附作用相关基本概念217
7.4.2吸附作用相关理论与模型220
7.4.3水中有机污染物的吸附223
7.4.4水中金属污染物的吸附224
7.5应用案例226
7.5.1表面张力和表面自由能226
7.5.2气液相互作用226
7.5.3固体的沉淀与溶解227
7.5.4吸附作用227
参考文献230
课后习题233
附录235
附录1一些物质的标准摩尔生成焓、标准摩尔生成吉布斯函数和标准摩尔熵的数据235
附录2一些水合离子的标准摩尔生成焓、标准摩尔生成吉布斯函数和标准摩尔熵的数据238
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