Файл: Шишкина, Л. А. Гидрохимия учебное пособие.pdf

Л. А. Шишкина

Под редакцией чл.-корр. АНСССР

О. А. АЛЕКИНА

Допущено Главным управлением гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР

в качестве учебного пособия для гидрометеорологических техникумов

ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ • ЛЕНИНГРАД • 1974

А* f y - 3f 43C

Вкниге дается представление о свойствах во­ ды как растворителя, о химическом составе мор­ ских вод, о процессах, протекающих в Мировом океане и формирующих его гидрохимический ре­ жим.

Изложены сведения об общей технике лабо­ раторных работ, об организации и оборудовании гидрохимических лабораторий, широко освещается методика гидрохимического анализа.

Имеются элементы программированного обу­ чения и контроля.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для учащихся гидрометеорологических техникумов, а также может служить для повыше­ ния квалификации работников морских гидро­ метеорологических станций. Может быть полезна и для других специалистов, связанных с морскими гидрохимическими исследованиями.

The text-book contains informations about chemical properties of sea water and the processes

The are informations about the equipment of hydrochemical laboratories and some methods of hydrochemical analysis of sea water in the text­ book.

The book is intended for the college students who specialized in hydrochemistry of sea, and it will be also useful for employees of marine hyd­ rometeorological stations and for other specialists.

ПРЕДИСЛОВИЕ

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 Л. П. Штурмин и преподавателю Туап­ синского морского гидрометеорологического техникума Ю. И. Шамраеву, сделавшим ряд замечаний в процессе подготовки рукописи,

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты — сама жизнь... Ты самое большое богатство на свете...»

(Антуан де Сент-Экзюпери. «Земля людей»)

«Действительно, вода — самая удивительная жид­ кость, с которой встречается человек».

(А. П. Виноградов. «Химия планет»)

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.

6

§ 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.

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, и 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

В 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* 1015 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.

Таким образом, воды океана — это' неисчерпаемый источник

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

моря.

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-

8