Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

img-503161453

.pdf
Скачиваний:
28
Добавлен:
31.05.2019
Размер:
8.78 Mб
Скачать

il. А. Шишкина

П од редакцией чл.-корр. АН С С С Р

О. А. А Л Е К И Н А

Допущено Главным управлением гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР

в качестве учебного пособия для гидрометеорологических техникумов

ГИ Д Р О М Е Т Е О И ЗД А Т • Л Е Н И Н Г Р А Д • 1974

УДК 551.46

В книге дается представление о свойствах во­

ды как растворителя, о

химическом

составе м ор­

ских вод, о процессах,

протекаю щ их

в М ировом

океане и формирую щ их

его

гидрохимический ре­

жим.

 

 

 

И злож ены сведения

об

общей технике л аб о ­

раторны х работ, об организации и оборудовании

гидрохимических лабораторий,

широко, освещ ается

методика гидрохимического

анализа.

 

 

 

 

 

 

Имею тся элементы программированного обу­

чения и контроля.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

■ Книга

предназначена

 

в

качестве

учебного

пособия

для

учащ ихся

гидрометеорологических

техникумов,

а такж е

м ож ет служ ить для

повыш е­

ния

квалиф икации

 

работников

морских

гидро­

метеорологических

станций.

М ож ет

быть

 

полезна

и для других специалистов,

связанны х с морскими

гидрохимическими

исследованиями.

 

 

 

 

 

 

The

text-book

contains

inform ations

 

about

chem ical

properties

of

sea

w ater

and

the

processes

which take

place

in

the W orld

w ide

ocean

and

form

its

hydrochem ical regim e.

 

 

 

 

 

 

 

 

The

are

 

inform ations

about

the

equipm ent

of

hydrochem ical

laboratories

 

and som e

m ethods

of

hydrochem ical an aly sis

of

sea

w ater

in

the

tex t­

book.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The

book

is

intended

for

the

college

 

stu d en ts

who

specialized

in

hydrochem istry

of

sea,

and

it

w ill

be

also

 

useful

for

em ployees of

m arine

hyd ­

rom eteorological

statio n s

and

for

other specialists.

20807-174

© Г и д р о м ете о и зд ат , 1974 r.

9 - 7 4

069(02)-74

П Р ЕД И С Л О В И Е

В настоящем учебном пособии, предназначенном для учащихся гидрометеорологических техникумов, готовящих кадры океанологов средней квалификации, излагаются в соответствии с программой

курса «Гидрохимия» основные

сведения

о химическом

составе

морских вод, об особенностях

гидрохимического режима

океана,

о процессах, формирующих этот режим,

и о влиянии окружающей-

среды.

Большое внимание уделено методам химического анализа основных компонентов морской воды и приемам первичной обра­ ботки результатов, даны понятия об организации наблюдений

иметодах определения загрязнения моря.

Вкниге также изложены вопросы подготовки к гидрохимиче­ ским работам в море, проведения наблюдений, камеральной об­ работки и составления отчета о выполненных работах.

Ввиду того, что учащиеся техникума не знакомы с аналитиче­ ской химией, в учебнике даны основные положения теории вод­ ных растворов и общая техника лабораторных работ.

Всвязи с особыми условиями работы техников сетевых лабо­

раторий (удаление от методического центра, обсерваторий, иссле­ довательских институтов и т. д.) в книге изложены вопросы орга­ низации береговых и судовых гидрохимических лабораторий.

Объем учебного пособия не позволил охватить все многообразие методов анализа морских вод, но, изучив методику определения основных компонентов морской воды, техник-океанолог будет доста­ точно подготовлен для выполнения и других анализов.

Для контроля и самостоятельного изучения теоретического ма­ териала автор предлагает карточки для обучения и самоконтроля, а для практических тем — выполнение лабораторных и практиче­ ских работ.

В работе над книгой были использованы учебники и учебные пособия О. А. Алекина, П. И. Воскресенского, Н. И. Егорова, Н. Н. Зубова, Ю. В. Истошина и др.

Автор приносит благодарность инженеру-гидрохимику морской гидрометстанции Туапсе JI. П. Штурмин и преподавателю Туап­ синского морского гидрометеорологического техникума Ю. И. Шамраеву, сделавшим ряд замечаний в процессе подготовки рукописи,

1*

3

а также учащимся техникума, выполнившим примеры заполнения книжек химических определений.

Автор глубоко признателен члену-корреспонденту АН СССР

профессору О. А. Алекину, доктору географических наук А. И. Си­ монову и кандидату географических наук Б. М. Затучной за ценные советы при подготовке рукописи к печати.

Карточки для обучения и самоконтроля

При изучении материала и для контроля его усвоения следует пользоваться карточками обучения и самоконтроля. Для этого необходимо в левой колонке карточки внимательно прочесть во­

прос, обдумать его и, используя элементы ответа в правой

ко­

лонке, составить правильный, логически построенный ответ.

 

та­

Проверить

правильность

составленного

ответа

можно по

блице шифров

(приложение), где против

номеров

карточек

и во­

просов стоят номера элементов ответа

в

необходимом

для

пра­

вильного ответа порядке.

 

 

 

 

 

 

1: каковы фи­

Пример. Карточка № 1.

Свойства воды. Вопрос

зические свойства воды?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составляем из отдельных элементов, представленных в правой

колонке, ответ: вода

( 11) — прозрачная

(8),

бесцветная

жид­

кость (2),

не

имеет

(4)

запаха

(12),

вкуса

и

определенной

формы (17).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12,

17 —

Проверяем по шифру правильность ответа: 11, 8, 2, 4,

ответ правильный.

 

Свойства

воды.

Вопрос 3:

чем

вода

Пример. Карточка № 1.

резко отличается от всех других жидкостей?

 

имеющими

наи­

Составляем

ответ: физическими

свойствами,

большие аномалии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверяем по шифру: 3,

1, 19,

9 — ответ

правильный.

 

 

Обучение

по карточкам

выполняется

в

обратном

порядке.

Изучая ту или иную тему, составляют из элементов ответа с по­ мощью шифра правильный, логически построенный ответ. После изучения всего раздела или параграфа контролируют усвоение ма­ териала по карточкам, не пользуясь шифром (по шифру только проверяют правильность ответа).

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха,

тебя невозможно

описать, тобой наслаждаются,

не ведая, что ты

такое!

Н ель зя сказать,

что

ты

необходима д л я

жизни:

ты сама ж изнь ...

Ты

самое большое богатство на свете...»

 

 

(А н туан

д е С ен т-Э кзю п ери . « З е м л я

л ю д ей » )

«Действительно, вода самая удивительная окидкость, с которой встречается человек».

(А. П . В и н о гр ад о в . « Х им ия п л а н е т » )

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Предмет и задачи химии моря

Вода является одним из наиболее распространенных и важ­ нейших веществ нашей планеты. 98% всей гидросферы принад­ лежит Мировому океану, который покрывает три четверти поверх­ ности Земли. Именно в водах Мирового океана впервые зароди­ лась жизнь.

Находясь в постоянном взаимодействии с атмосферой и лито­ сферой, Мировой океан оказывает огромное влияние на климат нашей планеты и населяющий ее животный и растительный мир. Моря и океаны издавна служат удобным и дешевым путем, свя­ зывающим различные континенты, страны, народы. Мировой океан — неиссякаемый источник влаги. Сложные процессы дви­ жения, охватывающие толщу океанических вод, заключают в себе весьма значительные энергетические ресурсы. Кроме того, Мировой океан является источником пищевых и кормовых продуктов, а также гигантским хранилищем химического и минерального сырья.

Рациональное использование богатств океана возможно лишь при всестороннем его изучении. При этом одной из важнейших проблем является изучение его своеобразного химического состава, сложившегося в течение многих веков. Водные массы океана на­ ходятся в непрерывном движении. Количество и состав растворен­ ных в них веществ под влиянием окружающей среды изменяются непрерывно. Закономерности изменения химического состава мор­ ской воды могут быть поняты только при комплексных, специально поставленных работах, с учетом всех вызывающих изменения при­ чин. Это и определило необходимость выделения химии моря (химии океана), занимающейся изучением химического состава вод Мирового океана.

5

Химия моря научная дисциплина, изучающая химический со­ став морских вод и его изменения во времени и пространстве в причинной взаимосвязи с химическими, физическими и биологи­ ческими процессами, протекающими как в воде, так и в окружаю­ щей среде.

Химия моря входит как один из разделов в науку об океане — океанологию. В начальном периоде океанологических исследова­ ний химия моря не играла существенной роли. До начала XX в. ее роль сводилась главным образом к определению отдельных эле­

ментов,

влияющих на жизнедеятельность организмов,

живущих

в море.

Введение в гидрохимическую практику новых

методов

химических определений способствовало облегчению и одновре­ менно углублению анализов.

Внастоящее время гидрохимические лаборатории располагают хорошо разработанной методикой химического анализа, расширя­ ется использование электрометрической аппаратуры, вводятся но­ вые методы химических определений.

Впоследние годы проводятся обширные гидрохимические ис­ следования в Атлантическом и Тихом океанах, расширяются гидрохимические работы в Индийском океане, продолжается более детальное исследование в морях Северного Ледовитого океана. Ведутся регулярные гидрохимические наблюдения на морских гидрометстанциях, в обсерваториях, институтах Гидрометслужбы

СССР и других ведомственных организациях.

Внашей стране накопился уже довольно обширный фактиче­ ский материал, позволяющий делать обобщения и выводы в отно­ шении закономерности химических процессов, протекающих в мор­

ских водах, и их связи с гидрологическими, метеорологическими, физическими и биологическими явлениями. Все это позволяет по­ ставить перед химией моря новые обширные и актуальные задачи.

Основной задачей химии моря является изучение химического состава вод морей, океанов и процессов, формирующих их гидро­ химический режим. Дальнейшее развитие гидрохимических иссле­ дований должно устанавливать связи между физическими, химиче­ скими, биологическими и биохимическими процессами, изучать их не только в водной среде, но и в граничащих с ней средах (атмо­ сфера и дно, живые организмы, взвеси, лед, донные отложения).

На новом этапе развития химии океана необходимо сосредото­ чить внимание на изучении химических свойств • морской воды в условиях высоких давлений, расширении изучения круговорота веществ и солевого баланса моря, определении естественной И’ ис­ кусственной радиоактивности морских вод.

Все возрастающее загрязнение Мирового океана выдвинуло на первый план проблему изучения процессов химического загряз­ нения морских вод и мер борьбы с ним.

Одной из основных задач химии моря является также разра­ ботка методов анализа химического состава морских вод и про­ мышленных методов извлечения из них химического сырья.

§ 2. Связь химии океана с океанологией и другими науками

Знание химического состава морской воды имеет большое зна­ чение как для океанологии, так и для других наук, изучающих Мировой океан. {Сведения о режиме химического состава морских вод позволяют решать вопросы происхождения и динамики вод­ ных масс, дают возможность выяснить глубину и интенсивность турбулентного и конвективного перемешивания, определить воз­ раст глубинных вод, адвективный перенос вод и др. у ''

Щелочность морской воды, водородный показатель pH, содер­ жание кремния и другие характеристики позволяют судить о влия­ нии материковых вод на отдельные районы моря, о распростране­ нии струй морских течений.

Режим биогенных веществ — хороший показатель подъема глу­ бинных вод, а соленость является важнейшей характеристикой водных масс.

Гидрохимические сведения крайне необходимы и гидробиоло­ гам, и ихтиологам для изучения среды, в которой живут, пита­ ются и развиваются живые организмы. С химией морских вод связаны и биологические вопросы возникновения жизни на Земле, й проблемы использования органической продукции океана. Изуче­ ние гидрохимического режима способствует решению вопросов о регулировании запасов промысловых рыб, их разведении и пере­ селении.

Для морской геологии изучение химического состава морской воды необходимо при выяснении происхождения осадочных пород, минералообразования и ряда других проблем, связанных с прош­ лым и настоящим нашей Земли.

Гидрохимические данные необходимы и для курортологии при использовании морской воды как лечебного фактора.

§ 3. Народнохозяйственное значение химии океана

Сведения о химическом составе вод морей и океанов необхо­ димы для решения многих задач, связанных с развитием народ­ ного хозяйства.

Соленость и состав воды учитываются в вопросах судовожде­ ния, судостроения и морского гидротехнического строительства. Данные о солености необходимы для расчета грузовой марки су­ дов, для правильной загрузки судов в портах и обеспечения без­ опасности судовождения при переходе из вод с высокой соле­ ностью в распресненные воды. Использование полной грузоподъ­ емности судна зависит от правильного и точного учета солености воды при его загрузке в порту. Соленость имеет большое значе­ ние и для определения правильного технического использования морской воды на флоте — питание котлов, опреснительных устано­ вок и пр. Знание солености нужно и при использовании навига­ ционных гидроакустических приборов. При гидротехническом

7

строительстве выбор той или иной марки бетона или антикорро­ зийных покрытий, меры борьбы с древоточцами зависят от хими­ ческого состава морской воды.

Большое значение имеет изучение гидрохимического режима морских вод для рыбной промышленности, так как эти сведения необходимы для рационального использования рыбного хозяйства, оценки кормовых запасов океанов и морей, определения районов промысла, планомерного воспроизводства рыбных запасов.

В изучении химического состава морской воды заинтересо­ вана и химическая промышленность. Извлечение из морских вод ряда химических веществ: магния, калия, брома, иода, глаубе­ ровой соли и т. д. — необходимо для стекольной, фармацевтической, текстильной, целлюлозно-бумажной промышленности и производ­ ства удобрений.

Загрязнение морских вод сточными промышленными и быто­ выми водами, радиоактивное загрязнение требует решения вопро­ сов охраны вод океанов и морей, что невозможно без изучения гидрохимического режима морских вод.

§ 4. Перспективы использования химических богатств Мирового океана

'УВ морской воде присутствуют почти все известные в природе химические элементы, но определение многих из них связано со значительными трудностями, так как они находятся в весьма малых концентрациях.'|Но если подсчитать сумму всех растворен­ ных в Мировом океане веществ, мы получим довольно внушитель­ ную величину — 56-101ё т \(/по А. Полдерварту). Если извлечь все вещества, находящиеся в морской воде, и равномерно распреде­ лить их по всей поверхности суши, мы получим слой толщиной около 150 м.

УГаким образом, воды океана — это неисчерпаемый источник

сырья

для химической

и

металлургической промышленности.

В них содержатся (см.

табл. 9)

миллиарды тонн магния, калия,

брома,

кальция, миллионы

тонн

золота, серебра, урана, тория

и других редких металлов, а дейтерия, этого топлива ядерных реакторов, в виде D2O в три раза больше объема Каспийского моря. V

Несмотря на то, что известно не менее 60 растворенных в мор­ ской воде ценных элементов, в промышленных масштабах извле­ кается всего лишь четыре — натрий, хлор (поваренная соль), со­ единения магния и бром, В качестве побочных отходов в процессе получения поваренной соли или извлечения магния добывают некоторые соединения кальция и калия. Добыча остальных эле­ ментов сопряжена с техническими трудностями, затраты на пре­ одоление которых значительно превышают ценность извлекаемого элемента. Тем не менее многие растворенные в морской воде эле­ менты следует уже рассматривать как реальные минеральные ре­

сурсы будущего. Применение ионообменных смол, а возможно, и выращивание морских организмов, способных концентрировать те или иные вещества, должно привести к промышленно рента­ бельному извлечению из морских вод многих ценных металлов.

Вместе с развитием химической промышленности на базе сырья из морской воды ставится вопрос и о получении из нее пресной воды, которой уже сейчас не хватает во многих районах земного шара.

Не меньшие богатства таит в себе и дно океана. Многие мил­ лионы лет из воды океана вместе с другими веществами осажда­ лись и ценные металлы. Практически неисчерпаемы запасы же­ лезомарганцевых конкреций, содержащих примесь редких метал­ лов. Кроме того, промышленный интерес могут иметь фосфорит­ ные конкреции, красная глубоководная глина. На материковой отмели имеются огромные залежи нефти, природного газа, камен­ ного угля, титана, циркония, тория, ванадия и др. Практически используется лишь незначительная доля ископаемых богатств ма­ териковой отмели: нефть (Мексиканский и Персидский заливы, Каспийское море, берега Аляски), каменный уголь у берегов Англии и Японии; у берегов Ньюфаундленда ведется добыча же­ лезной и медной руды, а у берегов Южной Африки добывают алмазы.

Однако все это — лишь первые шаги в освоении богатств дна Мирового океана. Мировой океан — это грандиозное хранилище минеральных веществ, и трудно представить себе, какие еще воз­ можности получения ценных металлов откроют в будущем дости­ жения науки и техники.

Раздел первый

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОМ СОСТАВЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

Глава I. ВОДА КАК РАСТВОРИТЕЛЬ

§

1. Свойства воды

Вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость,

не имеющую ни запаха,

ни вкуса,

ни определенной формы. Со­

стоит вода из водорода

(11,19%)

и кислорода (88,81%), причем

водорода по объему в 2,00285 раза больше, чем кислорода. Хими­ ческая формула воды Н20 , молекулярная масса 18,0160.

Максимальная

плотность дистиллированной 1зодьГТД)000 г/см3

наблюдается

при

температуре 3,982° С

(при нормальном давле­

нии), поэтому плотность дистиллированной воды при 4° С принята

за единицу плотности.

кипит при 100° С и замер­

Вода плохо проводит электричество,

зает при 0°С

(табл. 1).

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

 

Физические свойства воды

 

 

 

Свойства, единицы изм ерени я

Величина

Температура плавления (при 1 атм ), °С

0 , 0 0

Температура кипения (при 1 атм ), °С

1 0 0 , 0 0

Температура максимальной плотности, °С

3 ,9 8 2

Теплота плавления при 0° С и

1 атм, кал /г

7 9 ,7

У дельная теплоемкость при 1

атм, к ал /(г • г р а д ):

 

пара

(при

100° С)

 

0,4 8 7

воды

(при

15° С)

 

1 , 0 0 0

Скорость звука в воде при 25° С,

м /с

1496

Д иэлектрическая проницаемость

при 25° С (в единицах

8 1 ,0

СГСЭ)

 

 

10

Соседние файлы в предмете Гидрохимия