1001 вопрос об океане и 1001 ответ

Химия океана

В кубическом километре морской воды содержится около 40 млн. т растворенных твердых веществ.

Этот закон был открыт в 1884 г. В. Диттмаром (поэтому иногда его называют правилом Диттмара.). Проанализировав 77 проб морской воды, собранных во время кругосветного плавания «Челленджера», Диттмар пришел к выводу, что несмотря на изменчивость общего содержания солей в различных точках океана соотношение между основными компонентами остается неизменным. Такое постоянство позволяет для определения солености морской воды измерять лишь одну основную компоненту раствора, а остальные рассчитывать.

Все океаны соединены между собой, и воды их непрерывно перемешиваются. Даже если придонные водные массы в глубоководных районах океана возвращаются на поверхность раз в 2000 лет, то такой круговорот совершился более миллиона раз, ибо океаны существуют уже около 3 млрд. лет.

Нет, относительное содержание таких элементов (алюминий, медь, олово, висмут и др.) не пропорционально общему солесодержанию. Нет связи и между соленостью и растворенными в воде газами — кислородом, углекислым газом и азотом.

В морской воде обнаружено по меньшей мере 72 из 92 встречающихся в естественных условиях химических элементов. Большая их часть содержится в воде в чрезвычайно малых концентрациях. Вероятнее всего, в морской воде присутствуют все элементы, встречающиеся на Земле в природных условиях.

Вот главные элементы, расположенные в порядке убывания их содержания в морской воде: хлор, натрий, магний, сера, кальций, калий, бром, углерод, стронций, бор.

Для этого пользуются разными формулами, однако в любом искусственном составе должны содержаться следующие соли: хлористый натрий (NaCl), хлористый магний (MgCI₂), сернокислый магний (MgSO₄) и хлористый кальций (СаС1₂). Лаймен и Флеминг вместо сернокислого магния (MgSO₄) используют сернокислый натрий (Na₂SO₄). Приблизительное весовое содержание (в г/кг) основных составных частей таково:

Некоторые элементы (калий, натрий, кальций и магний) представляют собой продукт выветривания горных пород. Другие элементы (хлориды, бромиды и бикарбонаты) могли попасть в воду вместе с вулканическими газами.

Ежегодно реки выносят в море около 400 млн. т силикатов, и тем не менее в морской воде их растворено очень мало. Это можно частично объяснить тем, что силикаты реагируют с бикарбонатами, образуя глину, осаждающуюся на дно. Возможно, однако, что большую часть силикатов потребляют в верхнем слое океана диатомовые водоросли.

В воде содержатся все атмосферные газы, хотя и в иных пропорциях, чем в воздухе. Больше всего растворено азота, который, впрочем, в силу своей инертной природы не участвует в биологических процессах. В значительных количествах в воде содержатся кислород и углекислый газ. Аргон, гелий и неон присутствуют в весьма малых концентрациях. В тех районах Мирового океана, где отсутствует кислород, в воде образуется сероводород. В атмосфере этот газ в нормальных условиях отсутствует.

Этот ядовитый газ выделяется некоторыми морскими растениями и животными. Эверетт Дуглас из Скриппсовского океанографического института установил, что окись углерода растворяется в морской воде хуже, чем кислород, но лучше, чем водород или азот.

Это хлор, бром, сера и бор. Характерно, что эти элементы относятся к наиболее летучим, и их распространенность в морской воде свидетельствует в пользу вулканической гипотезы формирования состава морской воды.

434. Какое наименьшее количество растворенных в морской воде твердых веществ можно измерить лабораторными методами?

Профессор Дайтон Керрит из Массачусетского технологического института разработал метод прямого анализа проб морской воды на содержание чрезвычайно малых количеств свободных металлов. Употребляя специальные термины, можно определить его методику как анодную пленочную вольтометрию с использованием тонкопленочных ртутно-графитных электродов. Во время 85-го рейса НИС «Чейн» химик У. Ф. Фитцджеральд измерил чрезвычайно малые количества цинка, меди, свинца и кадмия в пробах морской воды. Количество этих элементов составляло примерно миллиардную долю процента.

Присутствие щелочных элементов (натрий, кальций, магний и калий) делает морскую воду слегка щелочным раствором.

Соленость определяется как общее количество растворенных веществ, содержащихся в 1 кг морской воды. Океанологи считают соленость в единицах, называемых «промилле» и обозначаемых ‰. Соленость 35‰ означает, что в 1 кг морской воды содержится 35 г солей. Под соленостью подразумевается содержание всех растворенных в воде веществ, а не только солей.

Хлорность определяется как общая масса ионов хлора, содержащихся в 1 кг воды. Содержание хлора в морской воде измеряют по количеству азотнокислого серебра, которое нужно добавить к пробе морской воды для образования осадка, состоящего из хлористого серебра. Океанологи вынуждены вычислять хлорность морской воды, так как непосредственное измерение солености химическими методами проводить трудно. Между соленостью и хлорностью установлена следующая зависимость: соленость (‰) = 1,8066 хлорности (‰).

Один из источников солей в океане — выветривание и эрозия коренных пород земной коры. Некоторые из солей попали в морскую воду из коренных и осадочных пород ложа океана. Большая часть солей попала в океан из первичной атмосферы, насыщенной вулканическими газами.

В течение долгого времени считалось, что первоначально океаны были пресноводными. В этом вопросе среди ученых до сих пор нет единодушия, но все же сейчас преобладает представление о том, что морская вода либо была соленой с самого начала, либо стала соленой в период формирования океанов в результате растворения солей, содержавшихся в коренных породах. За время геологических эпох огромное количество растворенного материала поступило в океаны с суши.

Присутствие в воде растворенных солей увеличивает ее плотность, а следовательно и ее выталкивающую силу, что имеет большое значение для морских животных. Кроме того, в морской воде помимо натрия и хлора содержится большое количество других химических веществ, служащих исходным материалом для синтеза растениями органического вещества, которое в свою очередь становится источником пищи для морских животных.

На 85% растворенные в морской воде соли состоят из хлористого натрия. Кроме него, в ней в значительных количествах присутствуют хлористый магний, сернокислый магний, сернокислый кальций, сульфит калия, углекислый кальций и бромистый магний. В небольших количествах содержатся многие другие вещества.

По-видимому, все встречающиеся в природных условиях элементы содержатся и в морской воде.

В основном мировая добыча соли сосредоточена на суше (причем соляные месторождения имеют, по-видимому, морское происхождение). Однако в благоприятных климатических условиях поваренную соль можно добывать в мелководных бассейнах путем естественного ее выпаривания. Так, во Франции, Италии, Испании, а также в бухте Сан-Франциско и в других местах соль до сих пор добывается из морской воды.

В открытом океане содержание солей обычно колеблется от 33 до 38‰, а средняя соленость Мирового океана составляет 35‰. Средняя соленость океана примерно, соответствует солености стакана воды, в котором размешана чайная ложка соли. Содержащейся в океанах соли достаточно для того, чтобы покрыть все материки толщиной 150 м.

Соленость Мирового океана несомненно должна возрастать: ведь реки ежегодно вносят в него примерно миллиард тонн солей. Однако на протяжении нескольких миллиардов лет существования океана соленость его, по-видимому, изменилась незначительно. Об этом свидетельствует тот факт, что кровь таких древних животных, как акулы, по своему составу очень близка к морской воде. В таких же пропорциях (хотя и в пониженной концентрации) соли содержатся и в организмах более молодых видов. Впрочем, значительная часть попавшей в океан соли возвращается на сушу. Когда ветер срывает гребни волн, вместе с брызгами в атмосферу попадают частички соли, которые могут непосредственно переноситься на сушу, а могут попадать туда вместе с дождем, для которого они послужили ядрами конденсации. Кроме того, соль возвращается на сушу вместе с осадочными породами, поднимающимися в течение геологических эпох со дна океана.

В тех районах, где происходит таяние льда, сказывается влияние речного стока или выпадают обильные осадки, соленость может составлять всего лишь 10‰. Одним из таких районов является Балтийское море. В районах избыточного испарения, например в Средиземном и Красном морях, соленость может достигать 40‰и более.

Наибольшую соленость имеют воды Красного моря и Персидского залива — более 42‰. В Северной Атлантике соленость составляет в среднем 37,9‰, причем наивысшая соленость отмечается в Саргассовом море — за счет сильного испарения и удаленности от речного стока, В отдельных точках Красного моря вблизи дна была измерена соленость более 270‰— это уже почти насыщенный раствор.

В полярных районах соленость понижена за счет таяния льдов, а в замкнутых морях — за счет осадков и речного стока. В Балтийском море соленость колеблется от 2 до 15‰, в Черном море она составляет около 18‰.

Это объясняется стоком таких крупных рек, как Дунай, Днестр, Днепр и Дон.

Соленость так называемых «солоноватых вод» составляет от 0,50 до 17‰.

Области высокой солености обычно связаны с областями сильного испарения. Однако в экваториальной зоне испарение уменьшается за счет облачного покрова, а частые ливни понижают соленость вод, поэтому соленость здесь не превышает средней величины для Мирового океана (35‰). Зоны максимальной солености расположены вблизи тропиков Рака и Козерога.

Прямыми методами соленость не измеряют, ее рассчитывают косвенно по результатам лабораторного титрования на хлор либо по измерениям электропроводности. В недавнем прошлом наиболее распространенным методом определения соленое было титрование на хлор. Сравнительно недавно этот метод стал вытесняться измерением электропроводности морской воды.

К пробе морской воды добавляют азотнокислое серебро. Происходит химическая реакция, в результате которой хлористое серебро выпадает в осадок. Количество азотнокислого серебра, необходимое для осаждения всех растворенных в воде солей, прямо пропорционально хлорности, которая затем в свою очередь пересчитывается в соленость. Для калибровки метода титруют пробы так называемой нормальной воды, хлорность которой определяется на берегу с очень высокой точностью. Эту воду называют иногда «копенгагенской», так как ее впервые начали приготовлять в Копенгагенской гидрологической лаборатории.

Чаще всего для этого применяют батометр Нансена. В последнее время стали применять новый тип батометра (батометр Нискина), который изготавливается из пластмассы во избежание загрязнения проб воды ионами металлов.

Измерение электропроводности можно производить как в лаборатории, так и in situ. Электропроводность зависит не только от солености, но и от температуры воды, поэтому при ее измерении надо обязательно контролировать температуру. Для получения вертикального профиля температуры и солености применяют СТГ-зонд (соленость — температура — глубина). Такой зонд дает непрерывное распределение температуры и солености по глубине, в отличие от батометров, дающих распределение на дискретных, заранее заданных глубинах.

Количество растворенного в воде кислорода при нормальных условиях (насыщенная атмосфера, давление 760 мм рт. ст.) измеряется в миллиграммах на литр. Ниже приводится таблица, в которой указана растворимость кислорода при различной температуре. Интересно отметить, что количество растворенного кислорода с ростом температуры уменьшается. Более того, так как рыбы при повышенной температуре становятся более активными, им требуется больше кислорода, так что содержание кислорода в воде становится еще меньше. Биологи утверждают, что при повышении температуры воды на 10 °C потребление кислорода рыбами удваивается.

Кислород может переходить из океанов в атмосферу, а также поглощаться в процессе биологической деятельности и при разложении органического вещества бактериями. В застойных зонах в присутствии сильных окислителей кислород может израсходоваться полностью.

Фотосинтезирующие растения появились примерно 3 млрд. лет тому назад, следовательно, до этого времени ни в атмосфере, ни в океане не было избытка свободного кислорода. Когда в океане появился свободный кислород, вначале он, по-видимому, расходовался на окисление различных компонентов морской воды и лишь затем стал в ней растворяться.

Поскольку весь Мировой океан охвачен единой циркуляционной системой, такие районы редки. Черное море, почти отрезанное от Средиземного моря, полностью лишено кислорода на глубинах более 200 м. Ниже этой глубины там могут существовать лишь анаэробные бактерии.

Воды, лишенные кислорода, обнаружены также у берегов Северной Каролины, Калифорнии и Венесуэлы, а также в некоторых норвежских фьордах с мелководными порогами на входах.

Обозначение рН употребляется для количественной характеристики концентрации водородных ионов в морской воде. Эта концентрация, выраженная в грамм-ионах на 1 л воды, в среднем имеет порядок 10⁷. Величиной рН называют показатель степени величины концентрации, взятой с обратным знаком (то есть в среднем рН = 7).