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
Nazwa soli
|
Zawartość w g/kg
|
Zawartość %
|
Chlorki
|
|
88,7
|
NaCl
|
27,213
|
77,8
|
MgCl2
|
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
|
Ogółem
|
35,000
|
100,0
|
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
Nazwa i wzór jonu
|
Zawartość procentowa wynikająca
z zawartości w g/kg
|
1. anion chlorkowy
Cl-
|
55,04
|
2. kation sodu
Na+
|
30,61
|
3. anion siarczanowy
(VI) SO42-
|
7,68
|
4. kation magnezu Mg2+
|
3,69
|
5 .kation wapnia Ca2+
|
1,16
|
6. kation potasu K+
|
1,10
|
Razem
|
99,28
|
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 CrO42- z jonami
Ag+, w czasie której wytrąca się brunatno-czerwony osad chromianu
srebra.
Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem:
2Ag+ + CrO42-
Ag2CrO4
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.
Metal
|
Skorupa ziemska (ľg/g)
|
Woda morska (ľg/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
|
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.
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 nasycone
i nienasycone (tłuszczowe)
|
5,00
|
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 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.
Listę najczęściej spotykanych w morzu izotopów promieniotwórczych
zawiera tabela nr 6.
Tabela nr 6. Izotopy promieniotwórcze
występujące w wodzie morskiej.
Nazwa
|
Okres połowicznego
rozpadu w latach
|
Źródło
|
tor 232
|
14ˇ109
|
pierwotny składnik skorupy
|
uran 238
|
4,5ˇ109
|
pierwotny składnik skorupy
|
potas 40
|
1,3ˇ109
|
pierwotny składnik skorupy
|
uran 235
|
0,7ˇ109
|
pierwotny składnik skorupy
|
węgiel 14
|
5570
|
promieniowanie kosmiczne,
wybuchy jądrowe
|
krzem 32
|
500
|
promieniowanie kosmiczne
|
tryt
(3H)
|
12
|
wybuchy jądrowe
|
stront
90
|
28
|
wybuchy jądrowe
|
cez
137
|
30
|
wybuchy jądrowe
|
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.
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.
Wyszczególnienie
|
Tlen
|
Azot
|
Dwutlenek węgla
|
Powietrze
|
21
|
78
|
0,03
|
Woda morska o temperaturze
t=10°C
i zasoleniu S=35
|
34
|
63
|
1,6
|
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. 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. 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). Struktury te pokazano na rysunku nr 4.
Rys. 4 Klatrat metanu budowa
Klatraty gazów nie są rzadkością, można je spotkać w różnych miejscach
na Ziemi, co przedstawia rysunek nr 5.
Rys. 5 Złoża klatratów
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. 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.
