Химический состав морской воды
Вода как растворитель обладает свойством растворять различные вещества. Если воде дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Из-за уникальной растворяющей способности воды до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда. Поэтому в природе не встречается химически чистая вода.
Морская вода отличается от вод суши более богатым качественным составом растворенных в ней веществ, и поэтому все ее свойства оказываются отличными от свойств пресной воды.
Особенностью морской воды как раствора является то, что она представляет слабый и поэтому полностью ионизированный раствор, содержащий большое количество частиц. Размеры растворенных в морской воде частиц весьма разнообразны. Поэтому морская вода может в отдельных случаях вести себя как молекулярный или кристаллоидный раствор, когда размеры растворенных частиц меньше 10 -7 см. При увеличении размеров растворенных неорганических и органических веществ она приближается к коллоидным, а вблизи побережий к мутным растворам. В таких растворах происходит постепенное соединение растворенных веществ и осаждение вследствие увеличения их веса.
В морской воде растворены почти все химические элементы таблицы Менделеева. Концентрация некоторых из них столь мала, что их присутствие обнаруживается только в морских организмах, аккумулирующих эти элементы из морской воды. Кроме них в морской воде растворены некоторые газы: кислород, азот, аргон, углекислота, сероводород и некоторое количество органического вещества океанического и материкового происхождения.
Весь химический состав морской воды можно подразделить на 5 групп:
1) главные ионы (11 ионов — хлор, натрий, сульфат, магний, кальций, калий, бикарбонат (карбо-уголь), бром, барит, стронций, фтор), которые составляют 99.98% массы всех растворенных веществ;
2) растворенные газы (O2, N2, CO2, H2S, Ar и другие инертные газы), при этом соотношение в воде O2: N2= 1 : 2 (что было установлено еще А.Лавуазье в 1783 г.), а не 1 : 4, как в воздухе;
3) биогенные элементы (С, Н, N, P, Si, Fe, Mn) и их соединения, из которых состоят морские организмы;
4) группа микроэлементов с концентрацией меньше 1 × 10-6;
5) органические вещества.
Среднее количество растворенных в водах Мирового океана твердых веществ составляет около 3.5% по весу и лишь в отдельных морях и заливах, соединенных с океаном, может достигать 4.1% (Красное море, Персидский залив). Больше всего в морской воде содержится хлора — 1.94%, т. е. более 55% всех растворенных в воде твердых веществ. Затем следуют натрий — l.08%, магний — 0.13%, кальций — 0.04%, калий — 0.04% .
Главнейшие растворенные в воде элементы обычно находятся не в чистом виде, а в виде соединений (солей). Основными из них являются:
1) хлориды (NaCl, MgCl2, KCl). Они обусловливают горько-соленый вкус воды;
В речной воде соотношение между растворенными солями обратное. Больше всего в ней содержится карбонатов (60.1%) и меньше всего хлоридов (5.2 %).
Общее содержание твердых веществ, растворенных в морской воде, выражают в тысячных долях весовых единиц — промилле и обозначают знаком ‰. Содержание растворенных твердых веществ, выраженное в промилле, численно равно их весу в граммах в одном килограмме морской воды.
В Мировом океане непрерывно идут сложные химические, биологические и геологические процессы, изменяющие состав и содержание растворенных в нем веществ. Эти процессы можно разделить на две группы.
Процессы 1-й группы (приток пресных вод, осадки, испарение, образование и таяние льда) меняют общую концентрацию раствора, но не меняют соотношений между растворенными веществами. При этих процессах концентрация раствора может меняться от 0 до 4% (от 0 до 40‰).
Процессы 2-й группы (фотосинтез растений и дыхание животных, сильно меняющие содержание газов, деятельность бактерий и деятельность морских организмов, расходующих химические вещества на постройку своих скелетов и панцирей, а также растворение донных отложений) меняют соотношение между растворенными в воде веществами.
Эти процессы могут сильно — в несколько раз — изменять содержание фосфатов, нитратов, нитритов и других микроэлементов, имеющих большое биологическое значение, так как они в значительной мере определяют условия жизни в океане. Содержание главных элементов эти процессы почти не затрагивают.
В целом Мировой океан — динамическая система, в которой количество поступающих веществ (речной сток, атмосферная пыль, продукты вулканизма) приблизительно равно количеству убывающих из неё (осаждение, вынос в атмосферу).
Изучение проблемы солености морской воды затрагивает почти все разделы науки о море. Скорость диффузии солей в воде — важная часть явления перемешивания, изучаемого физиками.
Биологи обращаются к циклу солей при исследовании скорости роста растений.
Химики занимаются измерением скоростей газообмена между океаном и атмосферой, временем «жизни» солей и проблемой их выпадения в осадок.
Геологи анализируют распределение и возраст таких осадков, а геохимики строят общую картину распределения солей в океанах. По этим причинам необходимо подробно рассмотреть, что же такое соленость морской воды.
Источник
Физические свойства морской воды
Химический состав морской воды.
План
Морской воды
Лекция № 2 Тема Химико — физические свойства
УДК: 656.62.052.4:551.5 (075) Кузнецов Ю.М. к.т.н., доцент,
1. Химический состав морской воды
2. Физические свойства морской воды.
3. Цвет и прозрачность, свечение и цветение моря, морское обрастание.
Морская вода является очень разбавленным и почти полностью ионизированным раствором. В ней кроме твердых веществ , составляющих по весу не более 4 %, растворены газы: азот, кислород, углекислый газ и в некоторых случаях сероводород (Черное, Каспийское море).
Морская вода состоит из 96,5 % пресной воды и 3,5 % солей, растворенных газов и взвесей. Считается, что в морской воде в различной концентрации содержатся более 72 элементов таблицы Менделеева.
Общее содержание растворенных минеральных веществ в единице массы морской воды в зависимости от притока речных вод, выпадения атмосферных осадков, испарения и таяния льдов может изменяться в довольно широких пределах (от 2 до35 г/кг), но процентное содержание солевого состава воды остается постоянным (закон постоянства солевого состава морской воды).
По своему солевому составу морская вода резко отличается от речной (табл.1)
Таблица 1- Солевой состав воды
| Вещества | Морская, % | Речная, % |
| Хлориды Сульфаты Карбонаты Соединения азота, фосфора, кремния и органическое вещество | 88.7 10,8 0,3 0,2 | 5,2 9,9 60,1 24,8 |
Химический состав главнейших растворенных в морской воде ионов приведен в табл. 2.
Таблица 2 —Процентное содержание ионов в морской воде
| Катионы | Содержание, % | Анионы | Содержание, % |
| Натрий | 38,7 | Хлор | 45,1 |
| Магний | 8,8 | Сульфат-ион | 4,6 |
| Кальций | 1,7 | Карбонат-ион | 0,2 |
| Калий | 0,8 | Бром | 0,1 |
К физическим свойствам морской воды относятся: соленость, температура плотность, оптические и акустические свойства.
Морская вода обладает горько-солёным вкусом и большим, чем у пресной воды, удельным весом. Соленый вкус морской воде придает хлористый натрий (поваренная соль), а горький – хлористый магний.
Соленостью называется количество солей в граммах, растворённых в килограмме морской воды. Средняя солёность воды Мирового океана 35г на 1кг воды или 35%О (промилле). В отдельных районах в зависимости от гидрологических и климатических условий соленость может резко отклоняться от средней. Солёность Чорного моря у поверхности состаляет18%О,на глубине> 1км — 22%О, Азовского — 12%О Средиземного 38-39%О , Персидского залива 38-40%О.
Минимум солёности расположен в высоких широтах (на широте 10º–34,72%О), максимум на широте 30°–35,56%О.
Установлена связь между соленостью и относительной электропроводностью морской воды:
где S — соленость. %О.
R15 — относительная электропроводность при температуре 15 о С.
Под относительной электропроводностью понимается отношение удельной электропроводности проб морской воды к удельной электропроводности воды, имеющей соленость 35 %О.
На основе зависимости (1) сконструированы судовые солемеры
ГМ-55, ГМ-56, ГМ-65, которые определяют соленость воды по ее относительной электропроводности.
Основными причинами уменьшения солености морской воды за счет ее опреснения являются выпадение атмосферных осадков и интенсивные таяния льда в высоких широтах , а увеличение ее солености происходит вследствие испарения частиц чистой воды с поверхности морей и океанов.
Изменение солёности с глубиной зависит в основном от перемешивания водных масс при движении. Существенное увеличение солёности с глубиной происходит до 1000–5000м. Ниже – колебание солёности малы. Например, в полярных областях, начиная с глубины 200м и до дна, солёность не меняется. В морях величина солености, как на поверхности, так и на глубине, меняется в значительно больших пределах, чем в океанах.
Температура морской воды. Основными факторами, которые непрерывно изменяют температуру морской воды являются: суммарное действие прямой и рассеянной солнечной радиации, эффективное излучение системы вода- атмосфера, конвекция и испарение. В прибрежной зоне на температуру морской воды оказывает влияние еще и сток речных вод.
Повышению температурыморской воды способствуют:
— поглощение морем прямой и рассеянной солнечной радиации,
— излучение из более теплой атмосферы в более холодный океан.
— конденсация влаги из атмосферы над более холодным океаном,
— выпадение осадков, более теплых, чем поверхностные слои океанов.
Понижение температурыводы происходит за счет:
— излучения океана в атмосферу,
— конвекции в атмосфере,
— выпадения на поверхность океанов более холодных осадков.
В восточных частях океана обоих полушарий в тропической зоне изотермы сходятся к экватору, в западных частях – отходят от него. Такое расположение изотерм связывает с режимом поверхностных течений воды – с востока на запад к северу и к югу — пассатные течения. Здесь температура поверхностных вод океана составляет в среднем 28°, к югу и северу понижается до 0 на широтах 60º Ю.Ш. и 75° С.Ш.
Средняя температура океана летом +18°, зимой +10. Температура замерзания морской воды при S=35%О равна – 1,9°С, кипения 100,53°.
В северном полушарии температура выше на соответствующих высотах. Разница объясняется постоянным охлаждающим влиянием Антарктики, льды которой доходят до умеренных широт всех 3 х океанов.
В Атлантическом океане заметное влияние на режим температуры показывает тёплое течение Гольфстрим, в Тихом океане Куро-Сио.
Суточные колебания температуры воды редко превышают 1°С. Наибольшая температура в северном полушарии наблюдается в августе, в южном — в феврале.
Изменение температуры воды с глубиной зависит как от лучистой энергии солнца (прямая теплопередача) так и от вертикального перемешивания воды при штормовой погоде.
Тепло солнечной радиации распространяется на глубину до 100м (глубже темнота), а ветровое перемешивание захватывает слои воды не более 200м. Суточное колебание температуры прослеживаются до глубины не более 30м от поверхности, а годовые колебания до глубины 350–450м. Ниже температура постоянна.
На глубине 3000–4000м температура в разных местах океанов находится в пределах от +2 до -1°.
Тепловой режим океана оказывает существенное влияние на годовой ход температуры воздуха над океаном и материками.
Плотность морской воды.Под плотностью понимается отношение массы вещества к его объему, т.е это масса единицы объема.
кг/м 3 (2).
В океанографии и судовождении для решения практических задач используется относительная плотность d , под которой понимают отношение массы единицы объема воды при температуре t о С к массе единицы объема дистиллированной воды при 4 о С, обозначается S 
.
Относительная плотностьморской воды зависит от солёности и температуры. При t=0°C, S=35 %О ρ=1.028г/м 3 . Плотность уменьшается от полюсов к экватору. Наименьшая плотность в тропиках, там же и наименьшая солёность.
Для удобства записи применяют величину условной плотности
Так, например, если по «Океанологическим таблицам» относительная плотность морской воды d при t = 20 о С и солености S = 35 %О в полном выражении составляет 1,0247781, то условная плотность в этом случае будет иметь вид 24,7781.
Плотность имеет большое значение при расчете изменения осадки судов в водах различной плотности. Для этого используется формула:
∆d = 
, (4)
где ∆d — изменение осадки,
ρ1 и ρ2 — относительные плотности морской воды.
В Мировом океане встречаются следующие характерные изменения относительной плотности морской воды и соответствующие осадки судов.
1. Вода малой солености ( 20 о С, относительная плотность d = 1.0009, характерна для устьев рек. Осадка судов в таких районах наибольшая.
2. Вода малой солености ( о С. Относительная плотность пониженная d = 1,0032, характерно для районов портов в устьях рек. Осадка судов близка к наибольшей.
3. Вода высокой солености (>30 ‰) и сильно прогретая, d =1,0217. Такие условия наблюдаются в тропической и экваториальной зонах океанов. Осадка судов близка к минимальной.
4. Вода имеет высокую соленость (>30 ‰) и низкую температуру (1-3 о С). Относительная плотность максимальная — d = 1,0264. Такие условия встречаются у Мурманского побережья в осенне- зимний период. Осадка судов минимальная.
5. Вода имеет соленость менее 20 ‰ и высокую температуру порядка 20-30 о С.
Относительная плотность близка к среднему значению. Такие условия характерны для Азовского и Черного морей. Осадка судов средняя.
Сведения о плотности воды в открытых морях снять с карт №19 и№20 2-го тома Морского Атласа или с карт «Атласов океанов».
В портах сведения о фактической плотности морской воды могут быть получены на портовой гидрометеостанции.
Оптические свойства морской воды отличаются тем, что морская вода вдали от берегов более прозрачна, чем пресная речная. Однако, даже в наиболее чистой океанической воде только 1% световой энергии проникает ниже 100м. Солнечный свет можно увидеть только в верхнем 100 метровом слое океана; более 97% объёма Мирового океана находится в состоянии вечной темноты.
По мере погружения в глубь океана солнечный свет быстро исчезает, и цвет его изменяется от белого к голубому. Многие из обитателей морского дна окрашены в яркие цвета. Однако они невидимы при естественном освещении и обнаруживаются только при искусственном освещении.
Поглощение света значительно ограничивает видимость с подводных лодок. В чистой океанической воды можно получить отчётливые фотографии предметов только на расстоянии 5–7м от камеры, а на расстоянии до 10м картина резко ухудшается. Во многих прибрежных районах оптические наблюдения практически невозможны.
В 10 метровом слое морской воды наблюдается полное поглощение 100% коротких (ультрафиолетовых) и длинных (инфракрасных) волн. Минимальное поглощение наблюдается вблизи 0,47мкн (окно прозрачности), в голубой части спектра, но даже энергия голубого света уменьшается вдвое на глубине 47м.
Акустические свойства морской воды несколько отличаются от акустических свойств пресной воды. Так, если скорость звука в пресной воде в среднем составляет при температуре 15 0 С –1462 м/с, то в морской воде –1500м/с. В зависимости от давления, температуры и солёности она изменяется следующим образом:
— при увеличении глубины на 1км на +11%,
— при увеличении температуры на 1°С на +0,3%,
— при увеличении солёности на 1%Она +0,09%.
Для измерения глубины используются эхолоты, принцип действия которых основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя до приёмника, отразившегося от дна океана.
Источник
