Temat: ‚Skład chemiczny wody morskiej“

Autor: Ewa Miazgowska
nauczyciel chemii
w Gimnazjum nr 1
w Cieszynie
Temat: „Skład chemiczny wody morskiej”
Wyjątkowa rola wody w środowisku przyrodniczym oraz
w gospodarce to powód, dla którego w programach nauczania wielu
przedmiotów występują hasła dotyczące wody. Jest oczywiste, że
specyfika każdej z nauk wymaga innego spojrzenia na tę ważną substancję. W programie nauczania chemii w gimnazjum i szkole ponadgimnazjalnej woda pojawia się wielokrotnie, więc treści zawarte
w tym artykule można wykorzystać w procesie nauczania.
Woda oceaniczna stanowi roztwór, w którym występują niemal
wszystkie pierwiastki chemiczne. Cztery z nich tworzą aż 97%
wszystkich soli rozpuszczonych w wodach mórz i oceanów, co przedstawiono na poniższym diagramie kołowym.
Rys. 4 Skład wody morskiej
Wśród rozpuszczonych substancji wyróżniamy: makroelementy
czyli sole mineralne, mikroelementy czyli biogeny i pierwiastki śladowe, składniki organiczne, izotopy oraz gazy.
2
Makroelementy
Makroelementy to składniki wody decydujące o jej zasoleniu.
Typowy skład soli zawartych w wodzie morskiej przedstawiono
w tabeli nr 2:
Tabela nr 2. Skład chemiczny wody morskiej1
Nazwa soli
Zawartość w g/kg
Zawartość %
Chlorki
88,7
NaCl
MgCl2
27,213
77,8
3,807
10,9
Siarczany (VI)
10,8
MgSO4
1,658
4,7
CaSO4
1,260
3,6
K2SO4
0,863
2,5
Węglany
0,3
CaCO3
0,123
0,3
Pozostałe sole, w tym MgBr2
0,076
0,2
35,000
100,0
Ogółem
W rzeczywistości woda morska jest roztworem a zawarte w niej sole
występują w formie rozpuszczonej. Słuszne jest zatem przedstawienie
ich składu w postaci jonowej. Jonowy skład wody morskiej przedstawia tabela nr 3
Tabela nr 3. Procentowy udział wybranych jonów w wodzie morskiej2
Zawartość procentowa
Nazwa i wzór jonu
wynikająca z zawartości
w g/kg
1. anion chlorkowy
2. kation sodu
2
Na
55,04
+
30,61
3. anion siarczanowy (VI)
SO4
2-
7,68
4. kation magnezu
Mg2+
3,69
2+
5 .kation wapnia
Ca
1,16
6. kation potasu
K+
1,10
Razem
1
Cl
-
99,28
Por. Z. Różańska, Ekologia środowiska morskiego, Wydawnictwo ART, Olsztyn 1999
Ibidem,
3
Analizując dane z tabeli można zadać pytanie: „Skąd wzięły się te olbrzymie zasoby soli w oceanach?” Ich ilość szacuje się na 5 • 1016
ton. Mogłaby ona pokryć powierzchnię zajętą przez wszechocean
warstwą grubości 62 m, a powierzchnię całej kuli ziemskiej warstwą
grubości 47,5 m. Należy przypuszczać, że zasoby soli są zapewne tak
stare jak wszechocean. Dostały się one do wody oceanicznej równocześnie z jej powstaniem.
Przeciętne zasolenie wody morskiej wynosi 35 promili, co oznacza,
że 35 g soli rozpuszczonych jest w 1 kg wody.
W roku 1884 angielski chemik C. R. Dittmar, badając próbki
wody przywiezione przez wyprawę badawczą statku „Challenger”,
dokonał zadziwiającego odkrycia. Stwierdził, że w przebadanych
oceanach i morzach otwartych woda zawiera te same sole i w takim
samym stosunku procentowym. W związku ze stałością wzajemnych
stosunków głównych składników wody morskiej jest oczywiste, że
miara stężenia jednego z nich w próbce badanej może być wskaźnikiem zasolenia.
Dawniej określano zasolenie, mierząc metodą chemiczną zawartość
chlorków. Metoda ta polega na miareczkowaniu wody morskiej azotanem (V) srebra w obecności chromianu potasu K2CrO4 jako wskaźnika. Zachodzi wówczas reakcja opisana równaniem:
Ag+ + Cl-
AgCl
Po dodaniu znikomego nadmiaru jonów Ag+ i po wyczerpaniu się jonów chlorkowych w miareczkowanym roztworze zachodzi reakcja
jonów CrO42- z jonami Ag+, w czasie której wytrąca się brunatnoczerwony osad chromianu srebra.
4
Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem:
2Ag+ + CrO42-
Ag2CrO4
Związek między zawartością chlorków a zasoleniem jest następujący:
zasolenie = 1, 80655 • równowartość chlorkowa
gdzie: równowartość chlorkowa to ilość chlorków w g przypadająca
na 1 000 g wody morskiej.
W ostatnich latach stosuje się metodę obliczania słoności wody
na podstawie pomiarów przewodnictwa elektrycznego za pomocą
tzw. salinometru. W metodzie tej wykorzystuje się fakt, że roztwór
soli jest elektrolitem i im większe zasolenie przy danej temperaturze,
tym wyższe przewodnictwo.
5
Mikroelementy
Mikroelementy to substancje występujące w wodzie morskiej
w minimalnych ilościach. Należą do nich tzw. biogeny oraz pierwiastki śladowe.
Biogeny stanowią niezbędny warunek „żyzności” wody morskiej
i decydują o podstawowej produkcji mórz i oceanów. Są to takie substancje jak: fosfor, azot i krzem. Pierwiastki te dostępne są
w oceanach w postaci rozpuszczonych fosforanów, azotanów i krzemianów. Biogeny zużywane są w górnej warstwie oceanu, gdyż właśnie tam przenika światło słoneczne i odbywa się proces fotosyntezy.
W głębszych warstwach morza bakterie rozkładają martwe szczątki
organiczne i dzięki krążeniu wody w oceanie biogeny docierają ponownie do górnych warstw wody. Zawartość tych mikroelementów
w wodzie morskiej waha się w bardzo szerokich granicach, np. dla
azot 1-700 mg/m3, dla fosforu 1-170 mg/m3. Średnia zawartość
związków krzemu w 1 m3 wody morskiej o zasoleniu 35 promili wynosi ok. 500 mg.
Pierwiastki śladowe występują w wodzie morskiej w minimalnych, śladowych ilościach. Niektóre z nich, np. żelazo, miedź, kobalt
spełniają ważną katalityczną rolę w rozwoju fitoplanktonu oraz wywierają istotny wpływ na tempo procesów fotosyntezy. Miedź, związana z białkiem jako tzw. hemocjanina, w krwi mięczaków, głowonogów i skorupiaków odgrywa przy oddychaniu podobną rolę jak zawierająca żelazo hemoglobina kręgowców.
Wiele organizmów morskich posiada zdolność absorbowania
i koncentracji pierwiastków śladowych dla potrzeb fizjologicznych
i biochemicznych, np. homary i omułki koncentrują kobalt, strzykwy
– wanad, niektóre meduzy – cynk, cynę i ołów, promienice – stront,
morszczyny i listownice – glin. Bioakumulacja jest ważna nie tylko
dla organizmów żyjących w oceanie, ale może mieć również znacze-
6
nie przemysłowe. Przecież właśnie w następstwie koncentracji przez
organizmy morskie powstały złoża wapieni, fosforytów, ziemi
okrzemkowej, ropy naftowej, a nawet metali ciężkich: żelaza, miedzi,
cynku. Złoża metaliczne mogą także powstawać na dnie morskim
w postaci buł, czyli zaokrąglonych grudek zawierających kilka metali. Są to tzw. konkrecje żelazowo-manganowe. W największej ilości
występują one na dnie Oceanu Spokojnego.
Pierwiastki śladowe występują w wodzie morskiej w znacznie niższym stężeniu niż w skorupie ziemskiej. Zawartość wybranych metali
w skorupie ziemskiej i w wodzie morskiej przedstawia tabela nr 4.
Pozyskiwanie tych metali z wody, przy wyczerpujących się zapasach
na lądzie, to wielkie wyzwanie dla współczesnego człowieka.
Tabela nr 4. Zawartość niektórych metali w skorupie ziemskiej i w wodzie
morskiej.1
Metal
1
Skorupa ziemska (µg/g)
Woda morska (µg/g)
Chrom
48,00
0,0002
Mangan
670,00
0,0019
Kobalt
12,00
0,00005
Nikiel
37,00
0,002
Miedź
32,00
0,002
Cynk
63,00
0,002
Srebro
0,06
0,00028
Cyna
2,10
0,00081
Złoto
0,002
0,000011
Uran
2,90
0,0033
Por. Z. Różańska, Ekologia środowiska morskiego, Wydawnictwo ART., Olsztyn 1999
7
Składniki organiczne
W wodzie morskiej zidentyfikowano ogromną ilość związków
organicznych, które są bądź rozpuszczone w wodzie, bądź stanowią
tzw. materiał zawieszony. Dominującą formą jest rozpuszczona materia organiczna. Często dzieli się ją na:
a) bezazotowa materia organiczna zawierająca węglowodory,
b) związki azotowe: aminokwasy, peptydy,
c) substancje lipidowe,
d) związki kompleksowe łącznie z kwasami humusowymi.
W tabeli nr 5 zebrano przykłady niektórych związków organicznych
rozpuszczonych w wodzie morskiej.
Tabela nr 5. Przykłady niektórych związków organicznych rozpuszczonych
w wodzie morskiej.1
Związek chemiczny
Stężenie [mgC/m3(ppb)]
Witamina B12, cyjanokobalamina
0,0005
Witamina B1, chlorowodorek tiaminy
0,005
Witamina H, biotyna
0,001
Alifatyczne kwasy karboksylowe nasy-
5,00
cone i nienasycone (tłuszczowe)
Mocznik
5,00
Całkowite wolne węglowodany
10,00
Całkowite wolne aminokwasy
10,00
Aminokwasy związane
50,00
Całkowite węglowodory
200,00
Badania ostatnich lat dowodzą ogromną rolę związków organicznych
rozpuszczonych w wodzie morskiej. Chodzi nie tylko o złożone
związki organiczne, metabolity, produkty i wydaliny pochodzą
z przemiany materii różnych organizmów zasiedlających środowisko
1
Por. K.Korzeniewski, Podstawy oceanografii chemicznej, Wydawnictwo Uniwersytetu
Gdańskiego,Gdańsk 1995
8
morskie, ale także o wita-miny (B12, B1, H) i antybiotyki. Morze jest
środowiskiem aktywnym biochemicznie. Broni się przed napływami
z zewnątrz, zwłaszcza mikrobiologicznymi. Wynika to z antybiotycznych właściwości wody morskiej. Liczne doświadczenia ostatnich lat
potwierdziły bakteriobójczą działalność surowej wody morskiej na
przykład w odniesieniu do mocno chorobotwórczych drobnoustrojów
Escherichia coli.
Masa materii organicznej rozpuszczonej a także bardzo rozdrobnionej, zalegającej w stanie zawieszenia zwłaszcza głębsze warstwy morza, stanowi olbrzymią rezerwę tej materii, zapewne wielokrotnie
przewyższającą materię żywą skupioną w ciele organizmów morskich. Na ten doniosły fakt jako pierwszy zwrócił uwagę wybitny fizjolog duński A. Krogh, który obliczył, że tylko w Atlantyku rozpuszczonej materii organicznej znajduje się 20 000 razy więcej niż
wynosi roczny zbiór pszenicy w skali światowej.
Izotopy w środowisku morskim
Spośród izotopów trwałych na uwagę zasługują przede wszystkim odmiany izotopowe dwóch pierwiastków występujących
w środowisku morskim w największej ilości: wodoru i tlenu. Wodór
tworzy trzy trwałe izotopy: 1H ,2H (deuter) oraz 3H (tryt). Pierwszy
z nich występuje w oceanie w największej ilości. Ponad 99,9%
wszystkich atomów wodoru stanowi 1H.
Tlen występuje w trzech odmianach:
16
O,
17
O,
18
O. Najlżejszy
z tych izotopów ma też znaczną przewagę ilościową nad pozostałymi
stanowiąc 99,7% całości.
Cząsteczki wody zbudowane z różnych izotopów różnią się między sobą pewnymi cechami fizycznymi. Lekka woda, czyli 1H216O paruje łatwiej i dlatego w rejonach oceanu, w których parowanie przeważa nad opadami, powierzchniowe warstwy wody wzbogacone są
9
w cząsteczki wody cięższej. Rejony takie to przede wszystkim strefy
podzwrotnikowe. Fakt ten umożliwia przeprowadzanie na przykład
badań cyrkulacji oceanicznej.
Z kolei zawartość izotopu 18O w osadach dennych Morza Czerwonego dostarcza uczonym informacji na temat historii tego młodego
akwenu. Badanie trwałych izotopów pierwiastków rozpuszczonych
w wodzie morskiej przyniesie jeszcze niewątpliwie wiele interesujących wyników.
W wodzie morskiej występuje także pewna ilość izotopów promieniotwórczych. Według danych amerykańskiego oceanografa
R. Revelle`a, woda morska zawiera 183,08 mld ton promieniotwórczych izotopów potasu, węgla, rubidu, uranu i radu. Ogólna promieniotwórczość środowiska morskiego równa się 4,7 •1011 Curie.1
Listę najczęściej spotykanych w morzu izotopów promieniotwórczych zawiera tabela nr 6.
Tabela nr 6. Izotopy promieniotwórcze występujące w wodzie morskiej.2
1
2
Nazwa
Okres połowicznego
Źródło
tor 232
rozpadu w latach
14•109
pierwotny składnik skorupy
uran 238
4,5•109
pierwotny składnik skorupy
potas 40
1,3•109
pierwotny składnik skorupy
uran 235
0,7•109
pierwotny składnik skorupy
węgiel 14
5570
promieniowanie kosmiczne,
krzem 32
500
wybuchy jądrowe
promieniowanie kosmiczne
tryt (3H)
12
wybuchy jądrowe
stront 90
28
wybuchy jądrowe
cez 137
30
wybuchy jądrowe
Por. K. Demel, Życie morza, Wydawnictwo Morskie Gdańsk, 1974
Por. S. K. Szymborscy, Wszechocean, Wiedza Powszechna, Warszawa 1981
10
W środowisku oceanicznym występują wszystkie naturalne radioaktywne elementy, ale najważniejszy udział stanowi 40K. Jego zawartość
w ogólnej ilości potasu wynosi 0,0119%.
Radioaktywność naturalna wynikająca z obecności 40K wzrasta wraz
z zasoleniem i dla wartości 35 promili wynosi 13,69 Bq/dm3. 1
Początki badań nad promieniotwórczością mórz sięgają końca XIX
wieku. Dotyczyły one promieniotwórczości naturalnej, a szczególnie
uranu, radu i radonu. Natomiast okres wzmożonych badań wiąże się
z wyzwoleniem sztucznej promieniotwórczości.
Gazy rozpuszczone w wodzie morskiej
Gazy rozpuszczone w wodzie morskiej pochodzą z trzech źródeł:
z atmosfery ziemskiej, z aktywności wulkanicznej pod dnem oceanów
i z procesów chemicznych zachodzących w wodzie. Rozpuszczalność
wszystkich gazów w wodzie zależy od temperatury, ciśnienia, stopnia
zasolenia oraz właściwości fizyczno-chemicznych danego gazu.
Analiza tabeli nr 7 pozwala sformułować następujący wniosek:
procentowy stosunek gazów rozpuszczonych w wodzie morskiej różni
się znacznie od ich udziału w składzie powietrza.
Tabela nr 7. Procentowy udział tlenu, azotu i tlenku węgla (IV) w powietrzu
i w wodzie morskiej2.
Wyszczególnienie
Tlen
Azot
Dwutlenek węgla
Powietrze
21
78
0,03
34
63
1,6
Woda morska
o temperaturze
t=10°C
i zasoleniu S=35‰
1
Por. Z. Różańska, Zasoby, zanieczyszczenia i ochrona wód morskich ze szczególnym uwzględnieniem
Bałtyku, PWN, Warszawa 1987
2
Por. Z. Różańska, Ekologia środowiska morskiego, Wydawnictwo ART., Olsztyn 1999
11
Tlen występujący w wodzie morskiej pochodzi z atmosfery
i z procesów fotosyntezy. Ruchy powierzchniowe mas wodnych
sprzyjają napowietrzaniu, a tym samym zwiększają natlenienie. Największą rolę odgrywa tutaj falowanie, którego wpływ w otwartych
wodach oceanicznych sięgać może do głębokości ok. 200 m. Podobnie procesy asymilacji wyzwalają tlen tylko w powierzchniowych,
dobrze prześwietlanych wodach. Podczas korzystnych warunków do
fotosyntezy nasycenie wody tlenem może przekraczać nawet 100%.
Tlen zużywany jest w procesie rozkładu martwej materii organicznej
oraz w procesie oddychania. Jego zawartość we wszechoceanie szacuje się na 7480 mld t.1 Oceany w całej swej masie są wystarczająco natlenione, jednak postępujące zanieczyszczenie mórz i przybrzeżnych
stref oceanicznych pogarsza w znacznym stopniu warunki tlenowe,
prowadząc niejednokrotnie do daleko posuniętych deformacji ekosystemów.
Drugim niezmiernie ważnym dla procesów biologicznych gazem jest tlenek węgla (IV). Stanowi on źródło węgla potrzebnego do
asymilacji substancji organicznej. Jego procentowy udział w wodzie
morskiej jest wyższy niż w powietrzu (tabela nr 7). Do oceanów tlenek węgla (IV) przedostaje się z atmosfery, procesów oddychania,
rozpadu substancji organicznych oraz z wybuchów podwodnych wulkanów. Zużywany jest on głównie w procesach fotosyntezy. Przy
wzroście temperatury wody może uchodzić z powrotem do atmosfery,
podobnie jak inne gazy.
Azot to kolejny gaz występujący w wodzie morskiej. W warstwie
powierzchniowej oceanu znajduje się on prawie w całkowitej równowadze z azotem atmosferycznym. W głębszych warstwach wody zawartość azotu jest ściśle związana z tworzeniem się i rozpadem sub-
1
Por. Z. Różańska, Ekologia środowiska morskiego, Wydawnictwo ART, Olsztyn 1999
12
stancji organicznych. Wolna forma azotu nie odgrywa jednak znaczącej roli w życiu organizmów morskich.
Z gazów rozpuszczonych w wodzie morskiej na uwagę zasługuje
również siarkowodór. Powstaje w procesie beztlenowego rozkładu
materii organicznej, przy współudziale bakterii dokonujących redukcji siarczanów. Siarkowodór to gaz toksyczny dla organizmów,
a w jego obecności rozwijają się tylko bakterie siarkowe. Między występowaniem siarkowodoru i tlenu w wodzie morskiej zachodzi ścisła
zależność. Pojawia się on bowiem dopiero w razie zupełnego zaniku
tlenu. Z zależności tej wynika fakt, iż siarkowodór nie występuje
w natlenionych wodach oceanicznych, natomiast pojawia się w morzach, w których trudny kontakt z oceanem uniemożliwia odświeżanie
głębszych warstw wody. Klasyczny pod tym względem przykład stanowi Morze Czarne. Jest to zbiornik martwy poniżej 200 m głębokości, czyli do największej głębi 2104 m. Strefa martwa i nieproduktywna obejmuje 77 % powierzchni dna i 88 % objętości wody.1 Bardzo podobnie, choć nieco mniej drastycznie wygląda sytuacja
w Morzu Kaspijskim. Niestety, zanosi się na to, że jeśli proces zanieczyszczenia wody morskiej nie zostanie powstrzymany, trzecim morzem bez życia stanie się Bałtyk.
W wodzie morskiej znaleźć można także metan , którego zawartość ze względu na bardzo słabą rozpuszczalność w wodzie jest niewielka. Głównym źródłem metanu są tak zwane klatraty zalegające
dno morskie.
Są to pewne struktury krystaliczne, wewnątrz których w maleńkich klatkach zamknięte są cząsteczki gazów takich jak metan,
siarkowodór, tlenek węgla (IV). Z chemicznego punktu widzenia kla-
1
Por. T. Umiński, Zwierzęta i oceany, WSiP, Warszawa 1986
13
traty to tzw. związki klatkowe (łac. Clatratus – zamknięty w kapsułce).1 Struktury te pokazano na rysunku nr 4.
Rys. 4 Klatrat metanu – budowa 2
1
2
Por. Świat Nauki, Luty 2000,
Por. Świat Nauki, Luty 2000,
14
Klatraty gazów nie są rzadkością, można je spotkać w różnych
miejscach na Ziemi, co przedstawia rysunek nr 5.
Rys. 5 Złoża klatratów1
Badania ostatnich lat dowodzą, iż w klatratach związana jest dwukrotnie większa ilość węgla niż we wszystkich znanych ziemskich
złożach gazu ziemnego, ropy naftowej i węgla razem wziętych. Podczas topnienia z centymetra sześciennego klatratu metanu uwalnia się
do 164 cm3 metanu2. W oceanach zalegają zatem ogromne zasoby
energii, stanowiące jednocześnie potencjalną bombę ekologiczną,
gdyż w razie naturalnego rozkładu tylko niewielkiej części klatratów
uwolnione zostaną gigantyczne ilości metanu. Metan uwalniający się
z wody morskiej do atmosfery pozostaje tam przeciętnie 10 lat. Jednak nie znika bez śladu. W wyniku utleniania ulega przemianie
w tlenek węgla (IV). Gaz ten przyczynia się tym samym do przy1
2
Ibidem,
Por. Świat Nauki, Luty 2000,
15
spieszenia efektu cieplarnianego w stopniu niemal 30-krotnie większym niż tlenek węgla (IV) pochodzący ze spalania paliw kopalnych.