第2章 海水的化学组成

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的密度最大。
对于中纬度地区水中生物的生存具有重要意义。 冰首先在表层形成,并成为下覆水体与大气冷却 的屏障,延缓深层水的结冰。
(3)水是极好的溶剂
(4)水中盐分的增加 导致冰点的降低以 及达到最大密度的 温度降低
冰点、最大密度对应温度与盐度的关系
(5)水中盐分的增加导致渗透压增加
许多海洋生物细胞内体液的盐含量与海水是接近
的,这使得他们几乎不用耗费更多的能量来维持 体液与海水之间的盐浓度平衡。 哺乳动物血液中的盐浓度与海水也是接近的。
2、天然水的循环
(1)水循环概念:
水循环是指地球上的水在太阳辐射及重力作用下
进行着的相变、运动和循环过程。
(2)天然水循环的特点:
① 自然界水循环是连续的、快速的; ② 水圈水的年蒸发量等于年降水量; ③ 蒸发量和降水量存在区域性差异。 ④

氯度的测定方法:
Mohr银量法
Ag Cl AgCl (白)
Knudsen的改进:
海水移液管和氯度滴定管 国际标准海水


终点滴定管读数加一校正值

该方法也称Mohr—Knusden法
盐度与氯度的关系式
克纽森(Knudsen)盐度公式(1902):
S ‰ =0.030+1.8050Cl ‰
常量元素(主要溶解成分)
阳离子:Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+ 阴离子:Cl-、Br-、SO42-、HCO3-、F分 子:H3BO3
特点:
1. 含量较高,占总盐分的99.9% 2. 性质稳定 3. 生物活动影响较小
4. 浓度间比值基本恒定

又称保守性元素
(3)海水主要成分(常量元素)组成的恒定性
由风引起的海水飞沫的搬运:Cl、Br、F 海面的蒸发:I、Br、S、H2BO3 气体溶入海水中:CO2、SO2、CH4
⑧ 沉积物间隙水的影响:沉积物间隙水的一些 常量组分与海水明显不同,受沉积物间隙水 影响的水体,其常量组分会发生一定的变化。
Ca2+浓度由于沉积物有机碎屑氧化释放出CO2, 进而导致CaCO3的溶解而发生变化; SO42-因为细菌作用还原为H2S而发生变化; K+和其它一些阳离子会与黏土矿物进行离子交 换而发生变化; 间隙水中的Mg2+由于被绿泥石吸附或与CaCO3 反应形成白云石而浓度降低; 温度对间隙水的组成也有较大影响,因为固/液 分配与温度有关。
第二章 海水的化学组成
第1节 引言
第2节 海洋的形成
一、宇宙的形成
宇宙大爆炸
距今约140亿年前,一个比
针尖还小的点发生大爆炸, 宇宙从此诞生(伽莫夫, 1948)。物质粒子摆脱了 能量的束缚,开始自发地 排列起来形成现在的宇宙。
二、太阳的形成
距今约50亿年前,一块由气体和尘埃组成的巨大
地球表面水的三种形式可以相互转化,但地球 上水的三种形态总量是不变的,处于平衡状态;
(3)天然水循环过程对海洋水的作用
① 向海洋输送物质 ② 影响海水盐度的分布 ③ 对同位素分馏的作用
长 江 虎 跳 峡
宜昌水文站1950~2000年平均 含沙量约1.14千克/立方米, 相应的年均输沙量达5.01亿吨
④ 矿物的沉淀与溶解: 海洋中文石或方解 石的沉淀会导致海 水中Ca2+浓度的减 少,而文石或方解 石在深层水中的溶 解可导致Ca2+浓度 增加约1%,这就 导致海水中Ca/Cl 比值的变化。

海底热液的输入:热 液的注入对绝大多数 海水主要成分的影响 很小,但会使局部海 域一些常量组分也会 发生变化,如Si和Ca 浓度的增加,Mg、K、 B和SO42-浓度的降低 等。此外,在大西洋 海脊处观察到高的 F/Cl比值,也被归因 于海底火山气体的注 入。
第4节 盐度与氯度
盐度提出的目的:
衡量海水中溶解物质的总量。
研究盐度的意义
可以通过盐度计算海水的密度以及其他物理性质。 对盐度水平及垂直分布规律的调查和研究,对了
解海水物理性质(声速的传播、水团的划分及运 动)和化学性质等提供了有用的指标。 在研究海水的反应平衡过程,气体的溶解度以及 一些成分的测定都必须有盐度的资料。
星际尘云——“原始太阳星云”,在万有引力的 重压下,体积越缩越小, 密度也越来越大,核心 的温度也越来越高。当体积缩小百万倍后,成为 一颗原始恒星,核心区域温度也升高而趋近於摄 氏一千万度左右。当这个原始恒星或胎星的核心 区域温度高达一千万度时,触发了氢融合反应, 太阳便诞生了。
三、地球的形成
地球形成初期是一个炽热的火球,温度高达 5000℃,同时不断地经受数百万颗陨石的冲击。
海洋的年龄已有39亿年,目前海水中盐分是非常长的年 代形成的,基本上处于稳定状态,外界影响难以使其成 分发生明显变化。 海水环流年龄温跃层以上平均几十年,深层1000年左右, 使整个海洋中的水混合比较均匀。 海水蒸发和降雨,仅使海水组分浓缩或稀释,而组分的 相对比值是变化不大的。

恒比规律的引论:
⑥ 与盐卤水的混合:不同矿物,如NaCl(食盐)、 CaCO3(文石)、CaSO4⋅2H2O(石膏)是在蒸 发的不同阶段形成,即在不同时间以不同的速率 迁出。 ⑦ 海-气界面物质的交换:每年通过气泡释放至大气 中的离子高达109吨,其中的绝大多数直接或间接 地返回海洋。在此过程中,由于气泡会将部分溶 解组分和颗粒物选择性地富集在其表面并离开海 洋,导致元素组成发生分馏。
五、海洋的形成
火山活动持续不断
最初地球
岩浆中夹带的水汽遇冷凝结,地 球表面开始有了水 海洋形成时间:38亿年前
最初的海洋
百度文库
第3节 海水的化学组成
1、水的性质及其意义
(1)异常高的冰点与沸点,导致其高的热容量:
水所具有的高热容量对于维持地球的气候与生命具有 重要意义
(2)异常的密度变化:温度接近4℃时,水
怎样测定盐度?
通过将海水干燥并称重来测定含盐量的做法
存在困难:
1、克纽森(Knudsen)盐度公式
盐度(Salinity)的原始定义(1902)
在1 kg海水中,将所有的碳酸盐转变为氧化物,
所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代,且所有有机 物被氧化以后,所含全部固体物质的总克数。
单位:g/kg, 以符号S‰表示。

② ③ ④ ⑤
相对于海水混合速率,常量组分由河流输入海洋 的速率是慢的,这也称为保守行为。 常量组分对海域生物过程、地球化学过程不敏感, 仅受控于物理过程。 恒比规律不适用于微量或痕量组分。 恒比规律没有历史继承性。 恒比规律表明常量组分具有保守性质,并不是说 这些组分未经任何化学等反应,仅仅是因为它们 的浓度高到足以掩盖这些过程的效应。
盐度的测定方法 称取一定量的海水, ①加入盐酸酸化, ②加入Cl2水, ③在水浴上蒸干, ④在150℃烘24小时, ⑤于380℃、480℃分别烘干48小时,至恒重。 ⑥称量每千克海水中残留固体总量。
盐度测定过程的反应式
MgCO3 2 HCl MgCl2 CO2 H 2O (Ca同) Mg ( HCO3 ) 2 2 HCl MgCl2 CO2 2 H 2O (Ca同) 2 Br Cl2 2Cl Br2 (碘同) MgCl2 (部分由MgCO3产生) MgO 2 HCl

30亿年前海水化学组成与现代海水的比较
30亿年前的海水,其K+浓度比现代海水来得高,而 Na+浓度比现代海水来得低。 30亿年前的海水,其Mg2+ 、Ca2+浓度比现代海水来 得高。 海水中的许多阴离子,如F- 、Cl-、Br-、I-、SO42-、 AsO42-等,它们在海水中的含量远比从岩石溶出的 要多,可能是火山、海底热液等输入的缘故。
(4)海水常量组分组成非恒定性的影响因素
① 河口区:河水输入对区域恒比规律有一定 影响
② 缺氧海盆:细菌的还原作用,使SO42-被还原为 H2S,进而可通过形成FeS2、ZnS、CuS等沉淀将 迁出水体,由此导致海水中的SO42- /Cl-非常低, 偏离恒比规律。 ③ 海冰的形成:海冰形成时,仅少量离子结合进入 海冰,导致盐卤水常量组分比值偏离恒比规律。 海冰形成时, SO42-结合进入冰体,导致海冰具有 高SO42- /Cl-比值,而残余水的SO42- /Cl-比值较低。 海冰形成过程中,CaCO3沉淀在海冰中的形成也 会导致Ca/Cl比值的变化。

Marcet-Dittmar恒比规律:海水的大部分 常量元素,其含量比值基本上是不变的。
不管盐度从一个地方到另一个地方如何变化, 开阔大洋水中的常量元素的比值几乎是恒定的。
开阔大洋表层水与深层水主要阳离子与氯度的比值
海水中常量元素恒定的原因:

水体在海洋中的移动速率快于加入或 迁出元素的化学过程的速率。
据估算世界河流每年向 海洋输送物质640亿吨, 仅溶解盐分55亿吨。
利津水文站多年平均含沙量 约25.2千克/立方米,相应的 年均输沙量达8.392亿吨
3、原始海水的化学组成及变迁
水对其接触的岩石进行风化,岩石变成了碎屑,元 素溶于水中,由此形成了海水。 原始海水因溶解原始大气的成分(如HCl、CO2、 H2S等),呈现为酸性和还原性为主的化学特征, 近似为0.3 M HCl溶液。 原始海水组成可视为由0.3 M HCl溶液与岩石接触, 溶解Ca、Mg、K、Na、Fe、Al等元素,中和后, Fe、Al等以氢氧化物沉淀,把无机物和有机物沉积 到海底。
加热,水
有机物 加热 CO2 H 2O
注意:
在测定过程中,由于卤化物水解和卤素挥发会产 生一定误差,总含盐量不等于盐度,它大约比盐 度大0.45%。
氯度(chlorinity)的定义(1902年)
在1000克的海水中,当溴和碘为等摩尔的
氯取代后,所含氯的总克数。
以g/kg为单位,用符号Cl‰表示。
海洋物质的粒径区分标准

实际工作中,一般以孔径为0.4或 0.2μm的滤膜过 滤海水,被滤膜截留的称为颗粒物,通过滤膜的称 为溶解物质,其中包含了胶体物质(操作性定义)。
(2)海水的元素组成
海水中元素的分类
分类依据:海水中的含量
A类 B类 C类 D类 E类 ﹥50 mmol/kg 0.05~50 mmol/kg 0.05~50 µmol/kg 0.05~50 nmol/kg ﹤50 pmol/kg 常量元素 常量元素 微量元素 痕量元素 痕量元素


海水化学组成的变迁
海水化学组成至少在几亿年内基本恒定,证据
包括:
① 从沉积物中贝壳的Sr/Ca比看,2~6亿年前海水的主
要元素和Sr/Ca比与现代海水相近; ② 从对寒武纪沉积物的分析看,可能20 亿年前海水中 主要化学组分浓度与现代相近。
4、现代海水的化学组成
(1)元素存在形态
海洋物质: ① 颗粒物质:由海洋生物碎屑等形成的颗粒有机 物和各种矿物所构成的颗粒无机物; ② 胶体物质:多糖、蛋白质等构成的胶体有机物 和Fe、Al等无机胶体; ③ 气体:保守性气体(N2、Ar、Xe)和非保守气 体(O2、CO2); ④ 真正溶解物质:溶解于海水中的无机离子和分 子以及小分子量的有机分子。
地球形成的时间:距今46亿年 地球形成时间的证据:古老的 矿物结晶体—锆石,测定年代 为44亿年

四、月亮的形成
年轻的地球与一个火星大小的、高速运动的星体
发生碰撞,冲击力将地球表层掀掉一大块。这块 被剥离的熔岩状星体外壳溅落到太空中,绕着地 球的轨道飞行,10亿年后才被地球引力揉成一个 小星球,即为月球。 证据:在月球上发现地球的星体残片以及其他来 自地球的物质。
1779年,Bergman最早对海水进行化学分析; 1819年,Marcet首次指出:海盐的化学组成基本 恒定; 1865年,Forchhammer测定世界海洋表层水Cl-、 SO42-、Mg2+、Ca2+、K+、Na+的浓度,发现元素之 间的比值仅存在很小变化; 1884年,Dittmar分析了“挑战者”号采集的样品, 结果与Forchhammer的相当吻合,但深水中的 Ca2+浓度比表层水高约0.3%; 1965年,Culkin综合此前的数据,进一步证明海水 常量元素组成相对恒定的观点。
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