海水的理化性质#精选

海水的理化性质

（一）海水的化学性质

海洋是地球水圈的主体，是全球水循环的主要起点和归宿，也是各大陆外流区的岩石风化产物最终的聚集场所。海水的历史可追溯到地壳形成的初期，在漫长的岁月里，由于地壳的变动和广泛的生物活动，改变着海水的某些化学成分。

1．海水的化学组成

海水是一种成分复杂的混合溶液。它所包含的物质可分为三类：①溶解物质，包括各种盐类、有机化合物和溶解气体；②气泡；③固体物质，包括有机固体、无机固体和胶体颗粒。海洋总体积中，有96％～97％是水，3％～4％是溶解于水中的各种化学元素和其他物质。

目前海水中已发现80多种化学元素，但其含量差别很大。主要化学元素是氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等12种（表5．5），含量约占全部海水化学元素总量的99.8％～99.9％，因此，被称为海水的大量元素。其他元素在海洋中含量极少，都在1mg／L以下，称为海水的微量元素。海水化学元素最大特点之一，是上述12种主要离子浓度之间的比例几乎不变，因此称为海水组成的恒定性。它对计算海水盐度具有重要意义。溶解在海水中的元素绝大部分是以离子形式存在的。海水中主要的盐类含量差别很大（表5．6）。由表5.6可知，氯化物含量最高，占88.6％，其次是硫酸盐，占10.8％。

海水中盐分的来源，主要来自两个方面：一是河流从大陆带来。河流不断地将其所溶解的盐类输送到海洋里，其成分虽与海水不同（表5．7）（海水中以氯化物为最多，河水则以碳酸盐类占优势），但是，因为碳酸盐的溶解度小，流到海洋里以后很容易沉淀。另一方面，海洋生物大量地吸收碳酸盐构成骨胳、甲壳等，当这些生物死后，它们的外壳、骨胳等就沉积在海底，这么一来，使海水中的碳酸盐大为减少。硫酸盐的收支近于平衡，而氯化物消耗最少。由于长年累月生物作用的结果，就使海水中的盐分与河水大不相同。二是海水中的氯和钠由岩浆活动中分离得来。这从海洋古地理研究和从古代岩盐的沉积、以及最古老的海洋生物遗体都可证实古海水也是咸的。总之，这两种来源是相辅相成的。

2．海水的盐度

海水盐度是1000g海水中所含溶解的盐类物质的总量，叫盐度（绝对盐度）。单位为‰或10-3。在实际工作中，此量不易直接量测，而常用“实用盐度”。实用盐度略小于绝对盐度。近百年来，由于测定盐度的原理和方法不断变革，实用盐度的定义已屡见变更。

20世纪50年代以来，海洋化学家致力于电导率测盐度研究。因为海水是多种成分的电解质溶液，故海水的电导率取决于盐度、温度和压力。在温度、压力不变情况下，电导率的差异反映着盐度的变化。根据这个原理，可以由测定海水的电导率来推算盐度。即在温度为15℃、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率，与质量比为32.4356×10-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电导率的比值（K15）来定义。实用盐度用下式确定：

式中：a0＝0.0080；a1＝-0.1692；a2＝25.3851；a3=14.0941；a4＝-7.0261；a5＝2.7081；Σai=35.000；2×10-3≤S≤42×10-3。可见，当K15＝1时，海水的实用盐度恰好等于35×10-3，这是世界大洋的平均盐度值。这种方法仍离不开海水组成的恒定性这一特点。

若测定温度不在15℃，则应进行订正。现已有实用盐度与电导比查算表及温度订正表供实际应用。

世界大洋盐度的空间分布和时间变化，主要取决于影响海水盐度的各自然环境因素和各种过程（降水、蒸发等）。这些因素在不同自然地理区所起的作用是不同的。在低纬区，降水、蒸发、洋流和海水的涡动、对流混合起主要作用。降水大于蒸发，使海水冲淡、盐度降低；蒸发大于降水，则盐度升高。盐度较高的洋流流经一海区时，可使盐度增加；反之，可使盐度降低。在高纬区，除受上述因素影响外，结冰和融冰也能影响盐度。在大陆沿岸海区，因河流的淡水注入可使盐度降低。例如，我国长江口附近，在夏季因流量增加，使海水冲淡，盐度值可降低到11.5×10-3左右。

世界大洋绝大部分海域表面盐度变化在33×10-3～37×10-3之间。海洋表面盐度分布的规律为：①从亚热带海区向高低纬递减，形成马鞍形；②盐度等值线大体与纬线平行，但寒暖流交汇处等值线密集，盐度水平梯度增大；③大洋中的盐度比近岸海区的盐度高；④世界最高盐度（＞40×10-3）在红海，最低盐度在波罗的海（3×10-3～10×10-3）。

大洋表层盐度随时间变化的幅度很小，一般日变幅不超过0.05×10-3，年变幅不超过2×10-3。只有大河河口附近，或有大量海冰融化的海域，盐度的年变幅才比较大。

3．海水中的气体

溶解于海水的气体，以氧和二氧化碳较为重要。海水中的氧主要来自大气与海生植物的光合作用。海水中的二氧化碳主要也来自大气与海洋生物的呼吸作用及生物残体的分解。因此，海水中的氧和二氧化碳的含量与大气中的含量和海水生物的多少密切相关。

当海生植物茂盛，光合作用强烈时，水中的溶解氧含量多，二氧化碳少；当生物残体多、植物光合作用弱时，水中二氧化碳多，而氧含量少。当水温增高时，海水中的氧含量减少；当水温降低时，海水中的氧含量增多。

海水中二氧化碳的溶解度是有限的，但海生植物能消耗相当多的二氧化碳，而且在微碱性环境中，海水中二氧化碳还可与钙离子结合生成碳酸钙沉淀。这样，大气中的二氧化碳就可以不断地溶于海水中，故在海洋上或海岸边，空气总是十分清新的，海洋是自然界二氧化碳的巨大调节器。

（二）海水的物理性质

海水的物理性质主要包括温度、密度、水色、透明度、海冰等。现简述于下：

1．海水温度

海水主要是靠吸收太阳光能的辐射热来增高温度的。因此，海水温度因时、因地而异。但因水的热容量大，可以透光，又有波浪及流动调节温度，故海陆之间温度的变化和分布有明显的差异。海面水温的变化比陆地温度的变化要小得多，不论日较差或年较差都很小。据观察，海洋表面平均日较差一般不超过1℃，年较差则为1～17℃。陆地上气温的平均较差却大得多，日较差最大可达50℃，年较差最大可达70～80℃。

海水温度由低纬向高纬减低的趋势要较陆地缓慢得多。据观察，海洋表面最低温度是-2℃，最高温度是36℃，温度的绝对较差只有38℃。而在陆地上，温度绝对较差可达100℃以上。

世界大洋表面的年均温为17.4℃，其中太平洋最高达19.1℃，印度洋为17.0℃，大西洋为16.9℃。

世界大洋表面水温分布具有如下规律：

（1）水温从低纬向高纬递减，等温线大体呈带状分布。

（2）北半球水温（平均为19.2℃）较南半球水温（平均为16℃）高。

（3）水温等温线从低纬向高纬疏密相间，低、高纬等温线较疏，纬度40°～50°地带等温线较密。

（4）大洋东西两侧，水温分布有明显差异，在低纬区，水温西高东低；在高纬区，水温则东高西低；在纬度40°～50°地带，等温线西密东疏。

（5）夏季大洋表面水温普遍高于冬季，可是水温水平梯度冬季大于夏季。

世界大洋水温的垂直分布规律是：从海面向海底呈不均匀递减的趋势；在南北纬40°之间，海水可分为表层暖水对流层和深层冷水平流层（图5.31）。

2．海水密度

海水密度是指单位体积内所含海水的质量。其单位为g/cm3。但是习惯上使用的密度是指海水的比重，即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温3.98℃时蒸馏水密度之比。因此在数值上密度和比重是相等的。海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因子之一。

海水的密度，是盐度、水温和压力的函数。因此，海水密度可用ρs,t,p来表示。

在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度，称为现场密度或当场密度。当大气压等于零时的密度，称为条件密度，用ρs,t,0表示。

因为海水的密度一般都大于1，例如，1.01600，1.02814等，并精确到小数5位，为书写的方便，可将密度数值减去1再乘以1000，并用σs,t,p表示。即：

例如：ρs,t,p为1.02545时，σs,t,p为25.45

海水的密度与温度、盐度和压力的关系比较复杂。凡是影响海水温度和盐度变化的地理因素，都影响密度变化。虽然各大洋不同季节的密度在数值上有所变化，但其分布规律大体是相同的，即大洋表面密度随纬度的增高而增大，等密度线大致与纬线平行。赤道地区由于温度很高，降水多，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约1.02300。亚热带海区盐度虽然很高，但那里的温度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右。极地海区由于温度很低，降水少，所以密度最大。在三大洋的南极海区，密度均很大，可达1.02700以上。

在垂直方向上，海水的结构总是稳定的，密度向下递增。在南北纬20°之间100m左右水层内，密度最小，并且在50m以内垂直梯度极小，几乎没有变化；50～100m深度上，密度垂直梯度最大，出现密度的突变层（跃层）。它对声波有折射作用，潜艇在其下面航行或停留，不易被上部侦测发现，故有液体海底之称。约从1500m开始，密度垂直梯度很小；在深层大于3000m，密度几乎不随深度而变化。

3．水色

所谓水色，是指自海面及海水中发出于海面外的光的颜色。它并不是太阳光线透入海水中的光的颜色，也不是日常所说的海水的颜色。它取决于海水的光学性质和光线的强弱，以及海水中悬浮质和浮游生物的颜色，也与天空状况和海底的底质有关。由于水体对光有选择吸收和散射的作用，即太阳光线中的红、橙、黄等长光波易被水吸收而增温，而蓝、绿、青等短光波散射得最强，故海水多呈蓝、绿色。

水色常用水色计测定。水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码1～

21代表水色。号码越小，水色越高；号码越大，水色越低。

4．海水的透明度

海水的透明度，是指海水的能见度。也是指海水清澈的程度。它表示水体透光的能力，但不是光线所能达到的绝对深度。它决定于光线强度和水中的悬浮物和浮游生物的多少。光线强，透明度大，反之则小。水色越高，透明度越大；水色越低，透明度越小。

透明度的测定：用一个直径30cm的白色圆盘，垂直放到海水中，直到肉眼隐约可见圆盘为止，这时的深度，则为透明度。世界以大西洋中部的马尾藻海透明度最大，达66.5m。我国南海为20～30m，黄海为1～2m。

5．海冰

淡水的冰点为0℃，最大密度的温度是4℃；而海水的冰点和最大密度的温度都随盐度的增大而降低，但冰点降低较和缓。当海水的盐度大于24.695×10-3时，最大密度的温度低于冰点温度；而盐度小于24.695×10-3时，最大密度的温度高于冰点温度；只有盐度在24.695×10-3时，海水的最大密度的温度才与冰点温度相同，为-1.332℃（图5．32）。

海水结冰较淡水困难。因大洋表面盐度一般均大于24.695×10-3，故冰点更低；当海面水温达到冰点时，因密度增大形成对流，使下层温度较高的海水上升，故较难结冰；当整层海水达到冰点，海水结冰时，又要不断的析出盐分，使未结冰的海水盐度增大，密度也增大，从而加强了对流和降低了冰点，阻碍海冰的进一步增长。

（选自刘南威主编《自然地理学》）

海水－化学元素的故乡

作者：佚名文章来源：转贴点击数：1675 更新时间：2005-5-7 热

海水占地球总水量的94%，大海中不仅有取之不尽、用之不竭的水，还溶解了大量的气体物质和各种盐类，人类在陆地上发现的100多种化学元素，在海水中可以找到80多种。人们生活必不可少的食盐及钾、镁、溴、碘、锂、铀、重水等多种重要化学元素，都大量蕴藏于海洋之中。所以海水又被称作化学元素的故乡。

作为地球上最大的连续矿体的海洋水体，由于海洋水体巨大(约为13.7亿立方千米)，有的元素虽然其含量甚微，但总量是非常丰富的。例如铀，1吨海水只含0.00033克，但海洋中总铀量却有45亿吨，金的总量也达500万吨。海洋化学资源的持续利用是人类生存发展的重要前提。目前，全世界每年从海洋中提取淡水20多亿吨、食盐5000万吨、镁及氧化镁260多万吨、溴20万吨，总产值达6亿多美元。其中，中国的食盐产量居世界首位，产量约为3000万吨。

目前，人们已能直接从海水中提取稀有元素、化合物和核能物质(如从海水中提镁、溴、碘、钾、铀和重水等)，其中有的资源已进入工业化生产。

无穷的盐资源

人类生存营养中盐是不可缺少的。中国人“煮海为盐”的历史可以追溯到4000余年前的夏代。进入封建社会，盐、铁成为国家两项最大的官营商品。盐、铁官卖，一方面可以保证供应，另一方面，可以作为国家财政的重要来源和调节阀门。进入现代社会，盐又是重要化工原料，化工行业广泛应用的两碱一酸(纯碱、烧碱、盐酸)主要是由氯化钠加工而成。

从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。其中盐田法历史最悠久，也是最简便和经济有效的方法。将盐田建在海滩边，借用海滩逐渐升高的坡度，开出一片片像扶梯一样的池子。利用涨潮或用风车和泵抽取海水到池内。海水流过几个池子，随着风吹日晒，水分不断蒸发，海水中的盐浓度愈来愈高，最后让浓盐水进入结晶池，继续蒸发，直到析出食盐晶体。

我国是海水晒盐产量最多的国家，也是盐田面积最大的国家。2000年，全国原盐总产量3369万吨，其中海盐区产量2451万吨。我国有盐田37.6万公顷。每年生产的海盐，供应着全国一半人口的食用盐和80%的工业用盐。还有100万吨原盐出口。

海水晒盐，节约燃料。但是，海水晒盐受天气限制，占用大量平坦土地，劳动条件十分艰苦，生产效率低。目前世界上只有中国、印度和少数气候条件特别适宜的国家大规模海水晒盐。在澳大利亚和墨西哥一些非常干旱的海岸地区，使用自动化机械进行海水晒盐，生产效率极高，一个盐场工人年产原盐7000吨。而在土地资源相对紧张的日本等国，则采用电渗析法制盐技术。

海洋元素——溴

溴是一种贵重的药品原料，可以生产许多消毒药品。例如红药水就是溴与汞的有机化合物，溴还可以制成熏蒸剂、杀虫剂、抗爆剂等。而茫茫大海就是化学元素“溴”的主产地，地球上99%以上的溴都在海水中，总量约为100万亿吨。

1925年，法国化学家贝拉发明了提取溴的方法，即以中度卤水和苦卤为原料的空气吹出法制溴以来，现已成为工业规模海水提溴的成熟方法。此外，树脂法、溶剂萃取法和空心纤维法提溴新工艺也正在研究中。随着新方法的不断出现，人们不仅能从海水中提取溴，还能从天然卤水及制钾母液中获取溴，使溴的产量大大增加。我国1967年开始用“空气吹出法”进行海水直接提溴，1968年获得成功。现在青岛、连云港、北海等地相继建立了提溴工厂，进行试验生产。“十五”期间，国家不断加大科技投入力量，组织技术攻关，研制气态膜法海水提溴新工艺，以期在海水提溴工艺技术方面位居世界前列。

海水提钾、镁

难以提取的钾是植物生长发育所必需的一种重要元素，它也是海洋宝库馈赠给人类的又一宝物。但是由于钾的溶解性低，在1升海水中仅能提取380毫克钾，而且，钾与钠离子、镁离子和钙离子共存，分离较困难，致使钾的工业开采步履维艰。目前先后探索了二苦胺沉淀法、有机溶剂法、膜法、离子交换法从海水中提取钾盐技术。因为钾肥是重要的农用化肥，所以中国、印度两个农业大国，也利用海水晒盐后的卤水，生产一定数量的钾盐，用以制造钾肥。

在海水直接提取钾盐技术研究方面，我国位居世界前列。20世纪70年代发明的无机离子交换法海水提钾技术，采用天然的斜发沸石作为无机离子交换剂，对海水中钾离子进行吸附富集，再经过洗脱、蒸发分离等工序，可以得到钾盐产品。此工艺技术成功解决了海水中钾离子富集问题，以及钾盐与钠盐、镁盐的分离难题，而且采用的天然沸石不会对海洋环境造成任何污染，被认为是最具工业化前途的海水提钾方法。目前正在进行工艺改进以及海水制取硫酸钾、磷酸二氢钾等钾系列产品研制工作。

镁不仅大量用于火箭、导弹和飞机制造业，它还可以用于钢铁工业。信号弹、照明弹、燃烧弹、烟火礼花弹、闪光灯都要用金属镁。近年来镁还作为新型无机阻燃剂，用于多种热塑性树脂和橡胶制品的提取加工。另外，镁还是组成叶绿素的主要元素，可以促进作物对磷的吸收。海水矿物中，镁盐仅次于钠盐居第二位，主要以氯化镁和硫酸镁的形式存在。从海水中提取镁并不复杂，只要将石灰乳液加入海水中，沉淀出氢氧化镁，注入盐酸，再转换成无水氯化镁就可以了。

让海水献出核燃料——氘、氚、铀

第二次世界大战后期，美国率先制造出原子弹，急急忙忙地丢在了日本的广岛和长崎，向世人显示了原子核的巨大能量。战后不久，原苏联和美国又先后试验爆炸了比原子弹威力更大的氢弹。

原子弹的能量是重元素的原子核分裂变化时释放出来的。氢弹的能量是轻元素的原子核聚合变化时释放出来的。能够发生裂变反应的最佳物质是铀，能够发生聚变反应的最佳物质是氘。不论是在核裂变反应的重元素铀，还是核聚变反应的轻元素氘、氚，在世界大洋中的储藏量都是巨大的。海水中的铀多达45亿吨，是已知陆地铀矿储量的4500倍。陆地铀矿很稀少，从海水中提铀将成为铀材料的主要来源。

海水提铀的方法很多，目前最为有效的是吸附法。氢氧化钛有吸附铀的性能。利用这一类吸附剂做成吸附器就能够进行海水提铀。氘是氢的同位素。氘的原子核除包含一个质子外，比氢多了一个中子。氘的化学性质与氢一样，但是一个氘原子比一个氢原子重一倍，所以叫做“重氢”。重氢和氧化合成的水叫做“重水”，它主要赋存于海水中，总量可达250亿吨。重水现已成为核反应堆运行不可缺少的辅助材料，同时还是制取氘的原料。

蕴藏在海水中的氘有50亿吨，足够人类用上千万亿年。随着海水提取重水生产氘产业的兴起，预计不久的将来，核聚变技术和海洋氘、氚提取技术将会有重大突破，人类持续发展的能源问题将一劳永逸地得到解决。

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