Химические элементы в морской воде

  У воды по сравнению с другими распространенными на Земле жидкостями растворяющая способность наиболее ве­лика (см. таблицу 6.1). То, что она расщепляет молекулы хи­мических соединений, объясняется биполярной формой мо­лекулы воды. Рисунок 7.1 иллюстрирует диссоциацию молеку­лы обычной поваренной соли, хлорида натрия NaCl, на отдельные элементы — ионы. Ион натрия Na+ называется катионом, он несет положительный заряд; ион хлора — хлорид-ион С1- — называется анионом и несет отрицатель­ный заряд. В природе Na+ и С1- соединяются друг с дру­гом, образуя твердое вещество, а их избыточные заряды при этом взаимно нейтрализуются. В морской воде в силу того, что молекула Н20 сама представляет собой электриче­ский диполь (см. рисунок 6.1), свободные ионы, как правило, нейтрализуются молекулами воды, которые окружают ионы определенным образом (рисунок 7.1).

Хлорид натрия NaCl диссоциирует в воде на ионы натрия (заряженные положительно) и хлора (заряженные отрицательно)

Рисунок 7.1. Хлорид натрия NaCl диссоцииру­ет в воде на ионы натрия (заряженные по­ложительно) и хлора (заряженные отрица­тельно). Поскольку молекула воды сама по себе поляризована, она может присоеди­няться к ионам и нейтрализовывать их; в результате образуется более крупная части­ца, называемая сольватированным ионом.

  Соединение «ион плюс вода», называемое сольватированным ионом, велико по размеру и обычно не является электрически нейтральным. (Один из способов опреснить соленую воду — это пропустить ее между двумя электродами, подсоединенными к положительному и отрицательному концам электрической батареи. Сольватированный нон Na+ притягивается к отрицательному (—) электроду, а ион С1- — к положительному ( + ). Посередине потока, текущего между электродами, вода обеднена солью, и, откачав ее, можно получить «пресную» воду. На самом деле этот метод пригоден только для воды с соленостью менее 5‰. Тот факт, что вода является столь хорошим «растворителем» (читай: нейтрализатором), означает, что для разделения практически нейтральных сольватированных ионов требуются сильные электрические поля, а это влечет за собой значительные затраты.) Отдельные ионы все-таки мо­гут соединяться в воде друг с другом. В таблице 7.1, где пред­ставлены современные (1983 г.) данные о растворенных в морской воде элементах, указаны также «предпочтитель­ные» химические состояния для каждого такого элемента: например, углерод присутствует в виде С02 (растворенного углекислого газа), сера - в виде SO42- (сульфат-иона) и т. д. Коротко говоря, именно благодаря высокой растворя­ющей способности Н20 в состав морских солей входит большинство известных химических элементов.

Пар, выходящий из фумарол вулкана Асо на о. Кюсю в Японии

Пар, выходящий из фумарол вулкана Асо на о. Кюсю в Японии. Перегре­тый пар, выходящий из активных вулканов, образуется в основном за счет подземных вод, попавших в тре­щины остывающей магмы, но часть пара возникает из ювенильной воды, которая здесь впервые выходит на поверхность.

Концентрации

  В таблице 7.1 приведены средние значения концентраций мно­гих элементов, обнаруженных в морской воде. Читатель до­лжен иметь в виду, что эти цифры не претендуют на абсо­лютную точность и в будущем, по мере развития наших знаний, могут быть пересмотрены. Как и следовало ожи­дать, концентрации элементов далеко не одинаковы; они могут быть велики (один только хлор при солености 19,353 ‰ обеспечивает 55 % массы солей), малы (фтор при­сутствует в количестве приблизительно 1 млн-1) и даже крайне малы (содержание золота составляет 10-5 млн-1).

Распределения

  Химические элементы распределены в океанах не одинако­во. Различные типы распределения концентраций, которые можно измерить, позволяют разбить растворенные в воде элементы на четыре группы.

1. Консервативные элементы. Восемь основных элементов дают 99,5% всего растворенного материала. Их концентра­ции много больше, чем их «поток» в океаны в результате эрозии континентальной коры или вулканической деятельно­сти. Иными словами, их времена пребывания значительно превышают те несколько тысяч лет, которые необходимы для полного перемешивания воды в океане. Отношения их концентраций всегда постоянны; этот факт постоянства от­носительных концентраций консервативных элементов бу­дет рассматриваться ниже в этой главе. В таблице 7.1 консер­вативные элементы помечены звездочкой (*).

2. Биогенные элементы. Концентрации элементов, которые играют важную роль в питании морских растений, и по вер­тикали, и по горизонтали распределены неравномерно. Кон­центрации этих элементов обычно низки в поверхностных водах, где растения их интенсивно поглощают, и возраста­ют на глубине, где в результате разложения органического материала эти элементы возвращаются в раствор. В таблице 7.1 основные биогенные элементы отмечены двумя звездочками.

3. Микроэлементы. Третьими по порядку их вклада в массу солей являются элементы, встречающиеся в крайне малых концентрациях — менее 1 млн-1. В таблице 7.1 различные эле­менты, находящиеся в воде в пренебрежимо малых концент­рациях, охарактеризованы как элементы биогенного типа. Хотя собственно биогенными элементами они не считаются, их распределение, сходное с распределением биогенных элементов, объясняется тем, что, подобно последним, они ассимилируются многими морскими организмами. Известно, что микроэлементы играют жизненно важную роль в химиче­ских процессах, происходящих в теле живых организмов.

4. Растворенные газы. В наибольших концентрациях в воде присутствуют те газы, которые входят в состав атмосфер­ного воздуха. Таким образом, у поверхности вода обычно насыщена азотом и кислородом. Однако с глубиной сход­ство теряется. Так, например, углекислый газ служит основ­ным источником углерода при построении протоплазмы (в таблице 7.1 углерод классифицируется как биогенный элемент); его концентрация с глубиной возрастает, и в этом отношении он сходен с питательными веществами.

Элементы, растворенные в морской воде и показанные в виде периодической таблицы - классификация Гросса

Рисунок 7.2. Элементы, растворенные в морской воде и показанные в виде периодической таблицы — классифи­кация Гросса (Gross M.G.).

  Гросс группирует элементы иным образом (рисунок 7.2), основываясь на периодической системе Менделеева. Из его классификации ясно видно, что микроэлементы, необходимые для роста растений, являются переходными элементами.