Лекция 4. Главные ионы и соленость воды океана

К числу главных ионов, содержащихся в природных водах, от­носятся ионы К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Сl^-, SO₄^2-, 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).

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 SO₄^2- в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов Са²⁺, которые обра­зуют с SO₄^2- 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 SO₄^2-. 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 SO₄^2- имеют процессы окисления сульфидов, широко распространенные в земной коре.

Гидрокарбонатные и карбонатные ионы (СО₃^2-, НСО₃^-) являются важнейшей частью химического состава природных вод. Оба эти иона, будучи производными угольной кислоты Н₂СО_З, 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.