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.

 

 

Rys. 4  Skład wody morskiej

 

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 diagramie kołowym.   

 

 

 

 Wśród rozpuszczonych substancji wyróżniamy: makroelementy czyli sole mineralne, mikroelementy czyli biogeny i pierwiastki śladowe, składniki organiczne, izotopy oraz gazy.

 

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 morskiej [1]

 

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 morskiej [2]

 

Analizując dane z tabeli można zadać pytanie: „Skąd wzięły się te olbrzymie zasoby soli w oceanach?” Ich ilość szacuje się na 5 ˇ 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 CrO₄^2- z jonami Ag⁺, w czasie której wytrąca się brunatno-czerwony osad chromianu srebra.

 

Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem:

   

2Ag⁺ + CrO₄^2-   Ag₂CrO_4­            

 

Związek między zawartością chlorków a zasoleniem jest następujący:

 

zasolenie = 1, 80655 ˇ 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.

 

      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 znaczenie 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. [3]

 

 

     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. [4]

 

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 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: ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. 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 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 ˇ10¹¹ Curie. [5]

Listę najczęściej spotykanych w morzu izotopów promienio­twórczych zawiera tabela nr 6.

 

Tabela nr 6. Izotopy promieniotwórcze występujące w wodzie morskiej. [6]

 

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. [7]

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 morskiej [8] .

 

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. [9] 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 substancji 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. [10] 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 klatraty to tzw. związki klatkowe (łac. Clatratus – zamknięty w kap­sułce). [11] Struktury te pokazano na rysunku nr 4.

 

 

 

Rys. 4  Klatrat metanu – budowa [12]

 

Klatraty gazów nie są rzadkością, można je spotkać w różnych miejscach na Ziemi, co przedstawia rysunek nr 5.

 

Rys. 5  Złoża klatratów [13]

 

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 metanu [14] . 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 przy­spieszenia efektu cieplarnianego w stopniu niemal 30-krotnie więk­szym niż tlenek węgla (IV) pochodzący ze spalania paliw kopalnych.