海洋科学导论 第四章：海水的化学组成和特性

范围 ② ②
24-30 <1-630
② ② ② <10-1200 <0.02-5 <0.1-110 ② ② ② ②
5-200 5-140 0.10-0.70 0.03-0.40 <0.01-0.60
1.1-1.9 ② ② ②
0.1-120 25-65
②
4-20 0.4-2 1-35③
②
单位（/Kg）
①弱酸在海水中的解离； ②变价元素在海水中的氧化还原平衡； ③微量元素在海水中的有机和无机络合物； ④生物合成有机物； ⑤海水中的有机物及无机颗粒物。
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .2 海水中的微量元素
Stumm 按微量金属元素粒子大小分为以下7种形式：
§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .3 海水中的放射性同位素 ③海洋中长寿命放射性核素
176Lu—镥、147Sm—钐、138La—铼、87Rb—铷、68Ga、40K等， 浓度为10–4~10–12 g / L，半衰期109~1016a。
2、人工放射性核素 ①核爆炸：产生的裂变产物、活化产物、残余物。
UO2(CO3)34–
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1.1 海水的主要成分 3、元素在海水中的逗留时间
T=
海水中某元素的总量 该元素每年进入海洋的量
即：元素以固定的速率向海洋输送，把海水中该元素全部置换出 来所需的平均时间。
Q
海洋
M
R dM/dt = Q – R 稳定状态：Q=R
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .2 海水中的微量元素
2、海水的氧化还原电位（参考《地球化学》）
海水氧化还原电位对变价元素的价态有重要影响。
如果海水处于氧化还原的平衡，其对氧化—还原的半电极反应为：
aox + ne
电极电位可表示为：
a red
Eh = E0 –
C
4.9
N
6.3
O
4.5
F
5.7
Na
7.7
Mg
7.0
Al
2
Si
3.8
P
4
S
6.9
元素
logτ
Cl
7.9
K
6.7
Ca
5.9
Sc
4.6
Ti
4
V
5
Cr
3
Mn
4
Fe
2
Co
4.5
Ni
4
Cu
4
Zn
4
Ga
4
元素
logτ
As
5
Se
4
Br
8
Rb
6.4
Zr
5
Mo
5
Ag
5
Cd
4.7
Sb
4
I
6
Cs
5.8
Ba
4.5
La
6.3
主要成分的氯度比值，在不同海区大洋水中基本恒定，但并非绝对不变。 如钙的氯度比值在太平洋表层水为0.02104，深层水中为0.02119-0.02132。
近海区（河口区）海水主要成分的氯度比值与大洋水有较大差别： 海水： Na+>Mg2+>Ca2+； Cl–>SO42–>HCO3–（CO32–） 河水： Ca2+ >Mg2+ > Na+ ； HCO3–（CO32–） >SO42–> Cl–
活化产物：核爆炸产生的中子与空气、弹壳、土壤等物质发生核 反应所产生的放射性核素。
32P、35S、51Cr、54Mn、55Fe、59Fe、57Co、58Co、60Co、65Zn、 14C、3H等。
水下核爆炸产生的活化产物：35Cl、45Ca、35S、82Br、24Na、 27Mg、42K等。
残余物：核反应不完全而剩余的放射性核燃料。
0.0077
0.00040
0.00038---0.00044
0.0257
0.00133
0.00130---0.00140
0.00129
0.000067
0.000064---0.000090
35.1705
1.815437
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1.1 海水的主要成分
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
化学海洋学：用化学的原理和方法解决海洋中有关问题的科学。
基本内容： 研究海水的化学组成和特性。 即研究：海水中各种均相化学过程、海水与大气界面的气—
液化学过程、海水与沉积物及悬浮颗粒的固—液界面的化学过程。
化学海洋学为海洋科学的其它方向的发展奠定了基础： 海洋环流、水团等需要利用示踪方法跟踪海水的运动，海水 化学成分分析有助于确定其运动和来源；生物海洋学的研究；海 洋地质学研究等方面。
μg mg mg μg mg g g ng mg μg g g g g ng ng μg μg μg μg mg μg mg ng ng μg μg ng ng μg
主要存在形态①
Li+
H3BO3 HCO3–,CO32–
NO3– F–,MgF+
Na+
Mg2+ Al(OH)4–, Al(OH)30
H4SiO40 HPO42–,NaHPO4–,Mg HPO4–
§ 4.1 海水的化学组成
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1.1 海水的主要成分
1、海水中的成分划分：
①主要成分：浓度大于1×10-6mg/kg的成分（又称保守元素）。
} 阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+（锶）；
阴离子：Cl–、SO42–、Br–、HCO3–（CO32–）、F–、 占99.9%。
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第四章：海水的化学组成和特性 主要内容： 2学时
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第四章：海水的化学组成和特性
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第四章：海水的化学组成和特性
海水的化学组成： 复杂的多组分水溶液。 海水中铜的存在比较复
杂；海水中的钠的存在形式 比较简单；海水中溶解的有 机物也十分复杂。
海水中的元素输出与元素的含量成正比：R=kM（k为输出速率常数）
1/k = M/Q = τ
即：元素的逗留时间等于元素输出速率常数的倒数。
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1.1 海水的主要成分 海水中一些元素的逗留时间
元素
logτ
H
4.5
Li
6.5
Be
(2)
B
7.0
河口区海水的Ca / Cl ‰比大洋水高。 ②气体成分：O2、N2和惰性气体。 ③营养元素：N、P、Si（营养盐、生源要素），与海洋植物生长有关。 ④微量元素：含量低，不属于营养元素。 ⑤有机物质：氨基酸、腐殖质、叶绿素等。
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元素
Li
B
C N②
F
Na
Mg
4.1.1 海水的主要成分 Al Si
成分
Cl– Na+ SO42– Mg2+ Ca2+ K+ HCO3– Br– Sr2+ B(OH)3 F– 共计
§ 4.1 海水的化学组成
海水主要成分的含量（S=35）及氯度比值
含量（g/kg）
氯度比值
氯度比值变化范围
19.3535
0.99894
10.7634
0.55556
0.5535---0.5572
RT nF
ln
ared aOX
=
E0
–
2.303
RT nF
log
ared aOX
如果海水未平衡，氧化还原电位主要取决于海水中起主要作用的氧化还 原电位。
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .3 海水中的放射性同位素 1、天然放射性同位素
①三大天然放射系
铀系、锕系、钍系：U、Pa--镤、Th—钍（ 227Th 、228Th、 230Th 、231Th 、232Th 、234Th ）、Ac--锕、Ra—镭、Fr—钫、 Rn—氡、Po—钋、Bi—铋、Pb、Tl—铊等11种元素38种核素。
SO42–,NaSO4–,Mg SO40 Cl–
K+
Ca2+
Mn2+,MnCl+
Fe(OH)30 Ni2+,NiCO30,NiCl+ CuCO30,CuOH+,Cu2+ Zn2+,ZnOH+,ZnCO30,ZnCl+
HAsO42– Br–
Rb+
Sr2+
CdCl20 IO3– Cs+
Ba2+
HgCl42– Pb CO30,Pb(CO3)32–,PbCl+
来源：河流输入、大气沉降、海底热泉等。 平衡：络合、熬合、氧化还原、生物吸收、颗粒吸附与解吸等。 研究方法：分析测定。
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .2 海水中的微量元素 1、微量元素在海水中的存在形式和形态 与其在海洋的地球化学、生物及化学过程有关。可分为以 下几种类型：
Au
5
元素 Hg Pb Ra Th U
logτ 5
(2.6) 6.6 (2) 6.4
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .2 海水中的微量元素 海水中的微量元素：浓度小于1×10-6mg/kg的成分。
Fe、Al在地壳中的含量高，但在海水中的含量低，是海水中 的微量元素。
2、性质与溶存形式 P S
海水中最重要的溶解元素 Cl
的化学形态和浓度（P112-113）
K Ca
Mn
Fe
Ni
①周期表两端的元素含量较 Cu
高（1、2、6、7族）；
Zn
As
②同族元素从第三周期开始 Br
随原子序数增加而减少；
Rb
Sr
③第1、2、7族元素的logC Cd
与原子序数成线性关系。
I Cs
①指氧化水体中的无机形态。
2.7124
0.14000
0.1394---0.1406
1.294
0.06680
0.06641---0.06713
0.4121
0.02127
0.0211---0.02134
0.3991
0.02060
0.0203---0.0209
0.1356
0.007002
0.0672
0.00347
0.00344---0.00351
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .4 海洋化学污染 海洋化学污染：直接或间接由人类向大洋和河口排放的各种废物 或废热，引起对人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命 的现象。
1、碳氢化合物---石油
世 界 主 要 海 上 石 油 运 输
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Ba

②浓度对于化合的氮，元素也以氮气形式存在。
Hg
Pb
③浓度受到大气中含铅汽油燃烧的影响。
U
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平均浓度 174 4.5 27.6 420 1.3 10.77 1.29 540 2.8 70 0.904
19.345 0.399 0.412
14 55 0.50 0.25 0.40 1.7 67 120 7.9 80 50 0.29 14 1 2 3.3
包括放射性液体、树脂、固体废物等。
18F、24Na、51Cr、66Mn、60Co、65Ni、89Sr、90Sr、131I、137Cs、 140Ba、144Ce等。 ③高放射性核废料向海洋投放
海水运动、深海生物的携带等。
④放射性核素的应用和事故
核医学、科研、太空航行器、同位素能源发生器、核潜艇、 卫星火箭等应用放射性材料可造成海洋（环境）放射性污染。
放射性核素在海水中浓度的表示方法：g/L ；αpm/L。
②宇宙射线与大气元素或其它物质作用的产物 3H、7Be、14C、26Al、32Si、32P、33P、35S、35Cl、37Cl和39Ar等。
14N + 1n
12C + 3H
14N + 1n
14C + 1p
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裂变产物：235U、239Pu分裂的产物---89Sr—锶、90Sr、90Y—钇、 95Zr—锆、95Nb—铌、103Ru--氡、106Ru、131I、137Cs—铯、140Ba— 钡、141Ce—铈、 144Ce。
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§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .3 海水中的放射性同位素
空中核爆炸产生的放射性尘埃： 90Sr、 137Cs—铯、 55Fe、 65Zn、 60Co、 95Zr—锆--- 95Nb—铌、 103Ru--氡---103Rh—铑、 106Ru-106Rh、 141Ce—铈、 144Ce。
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .3 海水中的放射性同位素 ②核动力舰船及原子能工厂排放的放射性废物
4.1 .4 海洋化学污染
§ 4.1 海水的化学组成
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第四章：海水的化学组成和特性
§ 4.1 海水的化学组成
4.1 .4 海洋化学污染 2、海洋中的重金属污染
主要指对海洋环境有极大危害的重金属元素：Hg、Pb、Cd、 Cr、Cu等元素。
分 子：H3BO3。 （Si（硅）属于非保守元素）
根据海水组成的恒定性，可测定海水的成分：
近似估计：
氯度比值 =
主要成分含量（g/kg） Cl‰
SA = Σ （氯度比值） × Cl‰
海水主要成分含量（g/kg）= 氯度比值 × Cl‰
SA = 1.81544 × Cl‰
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