Лекция 4. Главные ионы и соленость воды океана
К числу главных ионов, содержащихся в природных водах, относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+, Сl-, SO42-, НСО3-. Главные ионы, или макрокомпоненты, определяют химический тип вод. Ряд компонентов, растворенных в водах, занимает промежуточное положение между макро-и микрокомпонентами. К ним относятся Н+, NH4+, NO3-, H2SiO3. Эти компоненты в некоторых типах вод могут приобретать первостепенное значение.
Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах составляет несколько единиц - миллиграммов на 1 л, в рассолах же достигает нескольких сотен промилле (г/л).
Содержание некоторых элементов в морской воде | |||
Элементы | Содержание, мг/л | Элементы | Содержание, мг/л |
Хлор | 19 500 | Углерод | |
Сера | Стронций | ||
Натрий | 10 833 | Бор | 4.5 |
Калий | Кремний | 0.5 | |
Магний | 1 311 | Фтор | 1.0 |
Кальций | Рубидий | 0.2 | |
Бром | Азот | 0.1 |
Хлоридные ионы обладают высокой миграционной способностью, то есть способностью к перемещению, определяемой физико-химическими константами данного иона и условиями среды, в которой происходит миграция. Они не образуют трудно-растворимых минералов, не адсорбируются коллоидными системами (за исключением красноземных почв субтропиков), не накапливаются биогенным путем. Растворимость хлоридных солей натрия, магния и кальция очень высокая. Вследствие указанных причин хлоридные ионы беспрепятственно мигрируют с водами. Они присутствуют во всех природных водах в количестве от „следов" до нескольких сотен граммов на 1 л воды. В слабо- и умеренноминерализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. С увеличением минерализации их содержание растет абсолютно и относительно. В водах повышенной минерализации ионы хлора по количественному содержанию занимают первое или второе место. Основными источниками поступления иона хлора в природные воды являются: хлористые минералы из горных пород, почв (особенно солончаков) и скоплений солей; атмосферные осадки; вулканические выбросы.
Сульфатные ионы обладают хорошей подвижностью, но уступают в этом отношении хлоридным. Содержание SO42- в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов Са2+, которые образуют с SO42- сравнительно малорастворимый CaSO4. В отсутствие кислорода (в анаэробной среде) сульфатные ионы становятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводорода. Основная роль в этом процессе принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, развивающим свою деятельность при наличии органического вещества. Так как сера является жизненно необходимым элементом, входя в состав белков, аминокислот и многих других органических соединений, она активно захватывается живым веществом. Растения усваивают серу в форме SO42-. С этим связано биогенное накопление серы в гумусовом горизонте почв. Основным источником появления в воде сульфатов являются различные осадочные породы, в состав которых входят гипс и ангидрит. Немаловажное значение в обогащении вод ионами SO42- имеют процессы окисления сульфидов, широко распространенные в земной коре.
Гидрокарбонатные и карбонатные ионы (СО32-, НСО3-) являются важнейшей частью химического состава природных вод. Оба эти иона, будучи производными угольной кислоты Н2СОЗ, находятся в растворе в динамическом равновесии между самой угольной кислотой и составляющими ее ионами. Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых. Они, как правило, доминируют в водах низкой минерализации и довольно часто - в водах умеренной минерализации. Накопление в водах ионов НСО3- лимитируется присутствием кальция, образующего с НСО3- слаборастворимую соль. Источником гидрокарбонатных и карбонатных ионов служат различные карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели, а также карбонатный цемент многих осадочных пород.
Ионы натрия по распространенности среди катионов стоят на первом месте. Все соли натрия обладают высокой растворимостью, которая обусловливает его миграцию преимущественно в ионорастворенном виде. С повышением минерализации содержание Na+ увеличивается, и уже в водах, имеющих минерализацию несколько граммов на литр, Na+ в большинстве случаев становится преобладающим катионом. В морской воде ионы Na+ составляют около 84% массы всех катионов. Большая часть ионов натрия уравновешивается ионами хлора, в результате чего образуется подвижное и устойчивое соединение, которое со значительной скоростью мигрирует в растворе. Меньшая, но все же существенная часть Na+ мигрирует в форме сернокислых солей и частично в форме неустойчивых углекислых солей. Одним из источников появления Na+ в водах являются продукты выветривания изверженных пород (гранит, гнейс и др.). Другим важным источником Na+ в водах служат залежи его солей, главным образом каменной соли.
Ионы калия по химическим свойствам и содержанию в земной коре имеют большое сходство с ионами натрия. Однако ионы калия в очень незначительных концентрациях содержатся в природных водах, за исключением атмосферных осадков. Количество калия обычно составляет примерно 4-10% от количества натрия (больший процент — в маломинерализованных водах), но это соотношение под влиянием локальных условий часто нарушается. Причина этого нарушения обусловлена большой биологической потребностью для живых организмов, в первую очередь для растительности.
Ионы кальция. Этот элемент активно участвует в биологических процессах, среднее содержание кальция в живом веществе составляет 0,5 %. После смерти организмов кальций быстро переходит в минеральную форму и поступает в почву. Поэтому почвенные растворы, как правило, являются кальциевыми. Ионы кальция доминируют в катионном составе слабоминерализованных вод. С ростом минерализации относительное содержание Са2+ быстро уменьшается. Это объясняется сравнительно ограниченной растворимостью сернокислых и низкой растворимостью углекислых солей кальция, вследствие чего при испарительном концентрировании природных вод, имеющем место в аридных условиях, непрерывно выводятся из раствора огромные количества Са2+ в виде солей. Одним из важных источников Са2+ в природных водах являются известняки, доломиты и известковистый цемент горных пород.
Ионы магния присутствуют почти во всех природных водах, но очень редко встречаются воды, в которых магний доминирует. Обычно же в слабоминерализованных водах преобладает кальций, в сильноминерализованных - натрий. Ионы магния поступают в природные воды преимущественно при растворении доломитов, мергелей.
В гидрохимии широко распространен термин минерализация воды, под которым понимают общее содержание в воде всех найденных при анализе минеральных веществ. Существует близкое к минерализации понятие сумма ионов, то есть арифметическая сумма всех содержащихся в исследуемой воде ионов в миллиграммах или граммах на литр, концентрация которых больше 0,1 мг/л. Понятие сумма минеральных веществ кроме суммы ионов включает недиссоциированные неорганические вещества.
В океанологии для характеристики минерализации воды пользуются термином соленость, значение которой близко к сумме ионов, и хлорностъ.
Под соленостью (S ‰) понимается суммарное содержание в граммах твердых минеральных веществ, растворенных в 1 кг морской воды при условии, что все твердые вещества высушены до постоянной массы при 480 °С, органические вещества полностью сожжены, бромиды и иодиды замещены эквивалентной массой хлорида, а все углекислые соли переведены в оксиды. Измеряется в «‰» («промилле») или единицах PSU (Practical Salinity Units). 1 промилле = 1 г/кг.
Хлорность (Cl ‰) — это суммарная масса в граммах галогенидов (хлорид, бромид, иодид, за исключением фторида), содержащихся в 1 кг морской воды, в пересчете на эквивалентное содержание хлорида (по определению Серенсена).
В 1978 году введена и утверждена всем международными океанографическими организациями шкала практической солености (Practical Salinity Scale), в которой измерение солёности основано на электропроводности (кондуктометрия), а не на выпаривании воды. В 1970-х годах широкое применение в морских исследованиях получили океанографические CTD зонды, и с тех пор солёность воды измеряется в основном электрическим методом. Для поверки приборов используют стандартную морскую воду. Средняя солёность мирового океана — 35 ‰ или PSU. Для калибровки приборов в Бискайском заливе добывается так называемая нормальная вода с солёностью близкой к 35 ‰ или PSU.
Дата добавления: 2015-08-20; просмотров: 3627;