海洋科学导论 第四章：海水的化学组成和特性.ppt

海洋科学导论 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 化学海洋学 用化学的原理和方法解决海洋中有关问题的科学 基本内容 研究海水的化学组成和特性 即研究 海水中各种均相化学过程 海水与大气界面的气 液化学过程 海水与沉积物及悬浮颗粒的固 液界面的化学过程 化学海洋学为海洋科学的其它方向的发展奠定了基础 海洋环流 水团等需要利用示踪方法跟踪海水的运动 海水化学成分分析有助于确定其运动和来源 生物海洋学的研究 海洋地质学研究等方面 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 主要内容 2学时 第四章 海水的化学组成和特性 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 第四章 海水的化学组成和特性 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 海水的化学组成 复杂的多组分水溶液 海水中铜的存在比较复杂 海水中的钠的存在形式比较简单 海水中溶解的有机物也十分复杂 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 1 海水中的成分划分 主要成分 浓度大于1 10 6mg kg的成分 又称保守元素 阳离子 Na K Ca2 Mg2 Sr2 锶 阴离子 Cl SO42 Br HCO3 CO32 F 分子 H3BO3 4 1 1海水的主要成分 海水主要成分含量 g kg 氯度比值 Cl 近似估计 SA 氯度比值 Cl SA 1 81544 Cl 根据海水组成的恒定性 可测定海水的成分 Si 硅 属于非保守元素 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 海水主要成分的含量 S 35 及氯度比值 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 气体成分 O2 N2和惰性气体 营养元素 N P Si 营养盐 生源要素 与海洋植物生长有关 微量元素 含量低 不属于营养元素 有机物质 氨基酸 腐殖质 叶绿素等 4 1 1海水的主要成分 主要成分的氯度比值 在不同海区大洋水中基本恒定 但并非绝对不变 如钙的氯度比值在太平洋表层水为0 02104 深层水中为0 02119 0 02132 近海区 河口区 海水主要成分的氯度比值与大洋水有较大差别 海水 Na Mg2 Ca2 Cl SO42 HCO3 CO32 河水 Ca2 Mg2 Na HCO3 CO32 SO42 Cl 河口区海水的Ca Cl 比大洋水高 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1 1海水的主要成分 2 性质与溶存形式 指氧化水体中的无机形态 浓度对于化合的氮 元素也以氮气形式存在 浓度受到大气中含铅汽油燃烧的影响 海水中最重要的溶解元素的化学形态和浓度 P112 113 周期表两端的元素含量较高 1 2 6 7族 同族元素从第三周期开始随原子序数增加而减少 第1 2 7族元素的logC与原子序数成线性关系 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 1海水的主要成分 3 元素在海水中的逗留时间 即 元素以固定的速率向海洋输送 把海水中该元素全部置换出来所需的平均时间 dM dt Q R 稳定状态 Q R 海水中的元素输出与元素的含量成正比 R kM k为输出速率常数 1 k M Q 即 元素的逗留时间等于元素输出速率常数的倒数 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1 1海水的主要成分 海水中一些元素的逗留时间 4 1海水的化学组成 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 2海水中的微量元素 海水中的微量元素 浓度小于1 10 6mg kg的成分 来源 河流输入 大气沉降 海底热泉等 平衡 络合 熬合 氧化还原 生物吸收 颗粒吸附与解吸等 研究方法 分析测定 Fe Al在地壳中的含量高 但在海水中的含量低 是海水中的微量元素 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 2海水中的微量元素 1 微量元素在海水中的存在形式和形态 弱酸在海水中的解离 变价元素在海水中的氧化还原平衡 微量元素在海水中的有机和无机络合物 生物合成有机物 海水中的有机物及无机颗粒物 与其在海洋的地球化学 生物及化学过程有关 可分为以下几种类型 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 2海水中的微量元素 Stumm按微量金属元素粒子大小分为以下7种形式 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 2海水中的微量元素 2 海水的氧化还原电位 参考 地球化学 海水氧化还原电位对变价元素的价态有重要影响 如果海水处于氧化还原的平衡 其对氧化 还原的半电极反应为 电极电位可表示为 如果海水未平衡 氧化还原电位主要取决于海水中起主要作用的氧化还原电位 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 3海水中的放射性同位素 1 天然放射性同位素 三大天然放射系 铀系 锕系 钍系 U Pa 镤 Th 钍 227Th 228Th 230Th 231Th 232Th 234Th Ac 锕 Ra 镭 Fr 钫 Rn 氡 Po 钋 Bi 铋 Pb Tl 铊等11种元素38种核素 放射性核素在海水中浓度的表示方法 g L pm L 宇宙射线与大气元素或其它物质作用的产物 3H 7Be 14C 26Al 32Si 32P 33P 35S 35Cl 37Cl和39Ar等 14N 1n12C 3H14N 1n14C 1p 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 3海水中的放射性同位素 海洋中长寿命放射性核素 176Lu 镥 147Sm 钐 138La 铼 87Rb 铷 68Ga 40K等 浓度为10 4 10 12g L 半衰期109 1016a 2 人工放射性核素 核爆炸 产生的裂变产物 活化产物 残余物 裂变产物 235U 239Pu分裂的产物 89Sr 锶 90Sr 90Y 钇 95Zr 锆 95Nb 铌 103Ru 氡 106Ru 131I 137Cs 铯 140Ba 钡 141Ce 铈 144Ce 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 3海水中的放射性同位素 活化产物 核爆炸产生的中子与空气 弹壳 土壤等物质发生核反应所产生的放射性核素 32P 35S 51Cr 54Mn 55Fe 59Fe 57Co 58Co 60Co 65Zn 14C 3H等 残余物 核反应不完全而剩余的放射性核燃料 空中核爆炸产生的放射性尘埃 90Sr 137Cs 铯 55Fe 65Zn 60Co 95Zr 锆 95Nb 铌 103Ru 氡 103Rh 铑 106Ru 106Rh 141Ce 铈 144Ce 水下核爆炸产生的活化产物 35Cl 45Ca 35S 82Br 24Na 27Mg 42K等 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 核动力舰船及原子能工厂排放的放射性废物 包括放射性液体 树脂 固体废物等 18F 24Na 51Cr 66Mn 60Co 65Ni 89Sr 90Sr 131I 137Cs 140Ba 144Ce等 高放射性核废料向海洋投放海水运动 深海生物的携带等 放射性核素的应用和事故核医学 科研 太空航行器 同位素能源发生器 核潜艇 卫星火箭等应用放射性材料可造成海洋 环境 放射性污染 4 1 3海水中的放射性同位素 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 4海洋化学污染 海洋化学污染 直接或间接由人类向大洋和河口排放的各种废物或废热 引起对人类生存环境和健康的危害 或者危及海洋生命的现象 1 碳氢化合物 石油 世界主要海上石油运输 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 4海洋化学污染 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 4 1 4海洋化学污染 2 海洋中的重金属污染 主要指对海洋环境有极大危害的重金属元素 Hg Pb Cd Cr Cu等元素 3 海洋中的合成有机化合物污染 主要指对海洋环境有极大危害的DDT 滴滴涕 PCB 多氯联苯 4 海洋中的富营养化 5 海洋中的放射性核素污染 主要指硝酸盐 磷酸盐等生活污水 形成 水华 爆发赤潮等 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 1海水的化学组成 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 海水中碳化物的主要形式为 HCO3 CO32 H2CO3和CO2 CO2 g H2O H2CO3 H HCO3 2H CO32 Ca2 CO32 CaCO3 s 6CO2 6H2O C6H12O6 6O2 光合作用 呼吸作用 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 4 2 1海水的pH值 约为8 1 弱碱性有利于生物利用CaCO3 有利于完成光合作用 秉 海洋科学导论 天然海水的PH值经常稳定在7 9 8 4之间未受污染的海水pH值在8 0 8 3之间 也就是说 天然的海洋有点偏碱太平洋海域平均PH值是7 889 8 268 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 4 2 1海水的pH值 1 pH标度 1909年Sorensen提出的pH标度 pHs logCH 1924年Sorensen又提出活度标度 pHa logaH 25 C时 pHa pHs 0 027 2 pH实用标度 pHs标准采用0 05mol dm3苯二甲酸氢钾的水溶液在25 C时 pH 4 00 3 影响海水pH的因素 CO2的平衡 温度 压力等 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 4 2 2海水的缓冲容量 海水的缓冲容量 使pH变化一个单位所需加入的酸或碱的量 海水的pH在6 9之间时缓冲容量最大 大洋水的pH变化主要由CO2的变化引起的 海水的缓冲容量还与H3BO3有关 海水的缓冲容量比淡水和NaCl溶液都要大 离子对的影响 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 4 2 3海水的总碱度 碳酸碱度和总二氧化碳 1 海水总碱度AT 碱度 用以中和弱酸负离子所需的氢离子的物质量除以海水的体积 mol dm3 海水的总碱度可分为 碳酸盐碱度 CA 硼酸盐碱度 BA 和过剩碱度 SA 碱度方程 AT H HCO3 2 CO32 OH B OH 4 SA AT HCO3 2 CO32 B OH 4 简化方程为 2 海水的碳酸盐碱度 CA HCO3 2 CO32 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 2海水中的二氧化碳系统 4 2 3海水的总碱度 碳酸碱度和总二氧化碳 3 海水的总二氧化碳 海水对CO2的吸收取决于 海水的静态容量 热力学平衡问题 大气 海洋之间CO2的交换速率 动力学问题 海水垂直混合速率 海水的总CO2 CO2 CCO2 T CHCO3 CCO32 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 1海水中的溶解气体 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 1海水中的溶解气体 空气中不变成分的含量 空气中可变成分的含量 地面 1 空气的主要成分和分压 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 1海水中的溶解气体 2 气体的溶解度 气体的溶解度决定于气体的水面上的分压 海水的温度和盐度 单位 mol dm3 3 大气成分在海水中的溶解度 大气成分在海水中的溶解度主要决定于气体的性质 气体的分压 海水的温度和盐度 对单一的某气体 在标准大气压下 气体的溶解度可表示为海水温度 盐度 氯度 的函数 Fox 1909 提出 CF 10 291 0 2809t 0 006009t2 0 0000632t3 0 1161 0 003922t 0 0000631t2 Cl 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 2气体在海气界面的交换 1 气体交换模式薄层模式 即气相与液相的界面都存在一层很薄的扩散层 气体的交换速率主要取决于气体在这两个扩散层之间的扩散速度 液相扩散层是控制交换速率的主要方面 海洋科学导论 5 10 3 0 1cm 涡动气相分压 液相分压 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 2气体在海气界面的交换 2 海水与大气中的CO2的交换 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 2气体在海气界面的交换 3 气体交换速率与风速等的关系 风速增大 气体交换速率增加 温度升高 气体交换速率增加 不同气体 气体交换速率不同等 4 海洋中气体的通量 依现场测定的气体在气相和液相中的分压数据 5 海洋中氧的变化过程 生物活动对海水中氧的影响 0 80m 6CO2 6H2OC6H12O6 6O2 海水中氧气的消耗和生化需氧量 BOD 化学耗氧量 COD 光合作用 海洋科学导论 有机物的分解 4 3海气界面的气体交换 第四章 海水的化学组成和特性 初级生产力 溶解氧的补偿深度 一般是20m左右BOD COD 4 3 2概念 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 3含硫气体和甲烷 海水中的硫主要以二甲基硫 DMS 硫化氢 二硫化碳 二甲亚砜 DMSP 的形式存在 H2S 以重金属硫化物存在 CS2 水溶性差 含量少 DMS 海洋中浮游植物代谢产生DMSP 在酶作用下产生DMS CH4 海洋中有机碎屑分解产生 CO CO2还原 表层海水中的分布与H2 N2O相近 垂直分布随深度增加而降低 海洋科学导论 负温室效应气体 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 4 3 4氮和惰性气体 惰性气体化学性质稳定 不参加化学反应 称为保守气体 由于分析方法的限制 目前在海水中的分布情况不清楚 N2O 1963年测定结果表明 高纬度海水中N2O可能处于不饱和状态 1971年在大西洋中北部测定结果表明 表层海水中N2O处于过饱和状态 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 3海气界面的气体交换 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 1海洋中氮 磷 硅的主要存在形式 1 海洋中氮的主要存在形式 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 1海洋中氮 磷 硅的主要存在形式 2 海洋中磷的主要存在形式 无机磷酸盐 溶解的无机磷酸盐 DIP 有机磷合物H3PO4H H2PO4 H HPO42 H PO43 K1 K2 K3 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 1海洋中氮 磷 硅的主要存在形式 海水中PO43 聚合成的多磷酸盐 Polyphosphate 以磷酸根团通过P O P键结合 形成链状或环状 和多种金属阳离子形成络合物 海洋中颗粒态无机磷酸盐 PIP 主要以磷酸盐矿物存在于海水悬浮物和海洋沉积物中 磷灰石 Ca10 PO4 6X2 其中X F OH Cl Ca Na K Ag Sr2 Mn2 Mg2 Zn2 Cd2 Ba2 Sc2 Y3 等取代 PO43 CO32 SO42 CrO42 AsO42 VO42 F OH SiO32 等取代 有机磷合物颗粒有机磷化合物 POP 主要存在于生物体内和有机碎屑物中 如核酸 DNA RNA 高能化合物三磷酸腺苷 ATP 细胞膜的磷脂等 海水中还存在溶解有机磷化合物 DOP 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 1海洋中氮 磷 硅的主要存在形式 3 海水中硅的存在形式 海水中硅的存在形式 溶解硅酸盐 悬浮二氧化硅 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 2海洋中的硝酸盐 磷酸盐 硅酸盐的分布与变化 1 平面变化 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 2海洋中的硝酸盐 磷酸盐 硅酸盐的分布与变化 2 垂直分布 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 2海洋中的硝酸盐 磷酸盐 硅酸盐的分布与变化 3 季节变化 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 2海洋中的硝酸盐 磷酸盐 硅酸盐的分布与变化 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 2海洋中的硝酸盐 磷酸盐 硅酸盐的分布与变化 海洋科学导论 第四章 海水的化学组成和特性 4 4海水中的营养元素 4 4 3海洋中的氮 磷 硅的循环 1 海洋中氮的循环 海洋科学导