[科普中国]-离子浓度

离子浓度，溶液中含某种离子的总量与体积之比，用n/V表示，单位一般为mol/L。

例题向含有下列离子的溶液中分别加入烧碱固体（溶液体积变化可忽略），能引起离子浓度减小的是？

A、HCO3-；B、Cl-；C、OH-；D、Cu2+；

答案：选择AD

HCO3-+OH- =H2O+CO3 2-

Cu2++2OH-=Cu(OH)2↓

HCO3-、Cu2+都减少，OH-浓度增加，Cl-浓度几乎不变。

土壤中重金属自由离子浓度采用一种研究重金属自由离子浓度的方法———道南膜技术，研究了采自我国不同地区的11种耕层土壤中Cd、Zn、Pb和Cu的自由离子浓度。结果表明，道南膜技术测定的Cd、Zn自由态浓度与 WinHumicV模型计算结果吻合较好，测定的Pb和Cu自由态浓度稍高于WinHumicV模型计算结果。同时，采用Sauvé提出的吸附模型对溶解态和自由态的重金属进行分 析.结果表明，溶解态Zn、Cu和Pb以及自由态的Zn、Cu受土壤的污染程度(重金属总量)、土壤pH和溶液中溶解性有机碳控制。1

样品取样及分析在系统运转24、36和48h从供出液和接受液中分别取10mL和5mL样品。测定样品pH值。同时，供出液样品经0.45μm滤膜过滤，用TOC仪测定溶解性有机碳浓度。剩余的供出液和接受液样品用硝酸酸化后，用于测定各种元素离子浓度，其中利用ICP-OES测定元素K、Ca、Na和Mg，利用ICP-MS测定溶解态和自由态Cd、Zn、Pb和Cu浓度(溶解态重金属浓度指供出液Ca(NO3)2中重金属的浓度，包含有自由态重金属以及一些结合态重金属).通过测定接受液中自由态重金属浓度(因溶液通过阳离子交换膜后，都为自由态重金属)，采用Temminghoff 等提出的计算公式：[M2+]d =[M2+]a([K+]d [K+]a)2计算得到所有自由态金属离子浓度。式中[M2+]d为供出液中二价自由态金属离子浓度；[M2+]a 为接受液中二价自由态金属离子浓度；[K+]d 为供出液中钾离子浓度；[K+]a 为接受液中钾离子浓度(通过K+来校正离子强度)。1

自由态Cu测定值和Pb测定值的对数测定从自由态Cu测定值和Pb测定值对数测定的结果与WinHumicV估算结果比较可以看出，利用道南膜技术测定所得的Cd2+和Zn2+的自由态浓度与WinHumicV模型计算的结果吻合很好，而Pb2+和Cu2+的自由态浓度要稍高于模型的计算结果。出现这样的结果，可能是上述4种重金属自由离子浓度受土壤的性质如pH值以及有机质等的影响不同造成的，如自由态的Pb2+和Cu2+与自由态的Cd2+和Zn2+相比，其受土壤中的有机质或可溶性有机碳的影响比较大，可能会导致其产生的差异(Sauvé et al。,2000；Weng，2001)。

pH值和有机质(或DOC)是对土壤溶液重金属形态影响较大的2个因素。可以看出土壤中溶解态的Zn在考虑土壤的pH和土壤中总Zn后，回归方程拟合度好(p=0.002)。如果在方程中加入变量log(SOM)，回归方程拟合度虽然较好，但与只考虑土壤的pH和土壤中总Zn的拟合度相比差异不大，但是在方程中加入变量log DOC，拟合方程的决定系数增大约0.13～0.14，回归方程拟合度很好，这说明土壤溶液中溶解态Zn浓度是由土壤的污染程度(总Zn含量)、土壤pH和溶液中溶解性有机碳三者控制的。同样，溶解态Cu和Pb浓度也是由土壤的污染程度(重金属总量)、土壤pH和溶液中溶解性有机碳三者控制的，这与Sauvé等(2000)的研究结果相一致。土壤中自由态的Zn和Cu浓度的主要控制因素与二者的溶解态浓度的控制因素一样，也受土壤的污染程度(重金属总量)、土壤pH和溶液中溶解性有机碳三者控制的。对于土壤中自由态的Pb，即使考虑了土壤的污染程度(重金属总量)、土壤pH和溶液中溶解性有机碳，也不能对其进行准确的拟合，这表明土壤中自由态的Pb的浓度可能还有其它的影响因素。1

钢筋腐蚀临界氯离子浓度研究综述针对临界氯离子浓度研究方法中一些关键性问题进行了总结分析，如临界氯离子浓度的表达形式、氯离子浓度的测定方法等，并指出各研究方法的优缺点，以便为今后的研究提供参考。2

临界氯离子浓度的定义临界氯离子浓度的定义主要有以下两种: 一种是从科学研究的角度定义为钢筋周围混凝土孔隙液中不至于引起钢筋去钝化的氯离子的最高浓度；另一种是从工程实践的角度定义为导致钢筋混凝土结构出现可见或可接受程度劣化时，钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子的浓度。但是由于后者中这种可见的或可接受程度的劣化很难对其量化，导致不同研究者所得试验结果离散性增大，所以，研究者更多采用前者来定义临界氯离子浓度。2

临界氯离子浓度的表达形式对临界氯离子浓度的研究中所采用的表达形式不尽相同，这也是造成临界氯离子浓度离散性大的一个重要因素。例如Alonso和Sanchez对现有文献中大量临界氯离子浓度值进行统计整理后得到，以总氯离子占胶凝材料的百分比表示的(520个数据) 临界氯离子浓度范围为0.3%到4%；以自由氯离子占胶凝材料的百分比表示的(350个数据) 临界氯离子浓度范围为0.1%到2.5%；以自由氯离子的摩尔浓度与氢氧根离子的摩尔浓度比值[Cl－]/[OH－]表示的(320个数据) 大部分临界氯离子浓度范围在1到3之间，但总的范围为0.2到20。由此可见，各种表达形式得到的数据离散性均比较大，因此有待对临界氯离子浓度的表达形式进行总结分类，其主要的表达形式归纳如下：

( 1) 以自由氯离子含量Cl－Free占水泥、胶凝材料或混凝土的重量百分比表示；

( 2) 以自由氯离子Cl－Free浓度与OH－浓度的摩尔比表示；

( 3) 以自由氯离子Cl－Free的摩尔浓度表示，mol/L；

( 4) 以总的氯离子含量Cl－Total占水泥、胶凝材料或混凝土的重量百分比表示；

( 5) 以总的氯离子Cl－Total浓度与H+浓度的摩尔比表示。2

以自由氯离子浓度表征首先从钢筋腐蚀机理来看，自由氯离子是引起钢筋腐蚀的主要原因，因此采用自由氯离子来表征临界氯离子浓度。

汪鹰通过X射线光电子能谱和原子力显微镜研究发现，钝化膜为双层结构的无定形n型半导体的成相膜，并且其表面很不平整；通过X射线光电子能谱研究后认为，破膜机理更可能是游离态氯离子先在其表层吸附，一定量后通过钝化膜表面缺陷穿透到膜中，在钝化膜内层形成FeCl2 ，从而使钝化膜局部溶解破坏。从氯离子破膜机理来看，自由氯离子是引起钢筋锈蚀的主要存在形式，当这部分游离态Cl－在钢筋表面钝化膜上达到一定浓度时，并且在其他腐蚀条件(如O2和H2O) 具备的情况下钢筋就开始腐蚀；而对于被束缚于氯铝酸盐中以及被CSH凝胶吸附的结合氯离子已经失去游离状态，不会再与钢筋钝化膜发生化学反应，因此临界氯离子浓度值应以混凝土空隙液中自由氯离子浓度占水泥、胶凝材料或混凝土的重量百分比表示较合理。2

氯离子浓度的测定方法临界氯离子浓度的研究中，如何测定混凝土中氯离子含量是研究中的关键问题之一。由于不同研究者采取的测定方法不尽相同，而测定方法的选择则会直接影响到实验结果的准确性，因此这也是造成实验结果离散性偏大的主要原因之一，所以应该对氯离子浓度的测定方法进行总结分析，以便后续的实验研究以及统一实验标准的制定。主要对自由氯离子和总氯离子的测定方法进行了总结分析。2

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所