Химическая экология гидросферы

Министерство образования  и науки Российской Федерации 

(МИНОБРНАУКИ РОССИИ)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ)

Геолого – географический факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По химии на тему «Химическая  экология гидросферы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Савостьянов Николай

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2012

Оглавление.

 

 

 

1. Введение                                                                           3
2. Основная часть                                                                 4-19
3. Заключение                                                                       20
4. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Гидросферу как составную часть биосферы можно рассматривать как в узком, так и в более широком смысле слова. В узком смысле гидросфера - это прерывистая оболочка, состоящая из соленой воды (моря, океаны), пресной воды (реки, озера, водохранилища), а также твердой воды (снежный покров, ледники). В широком смысле гидросфера - это непрерывная оболочка системы вода - пар, включающая упомянутую уже собственно гидросферу, а также пронизанную водой или парами воды литосферу и атмосферу.Общая масса воды в гидросфере оценивается величиной   т. Вода в атмосфере распределяется неравномерно. В мировом океане ее содержится 1372 млн  , в литосфере - 600, в материковом льде - 23, в водоемах суши - 1 млн  . Гидросфера находится в состоянии непрерывного движения, развития, обновления. Ежегодно с поверхности Земли испаряется 0,5 млн   воды, что составляет половину объема всех водоемов суши. Водяные пары атмосферы, а их 13 тыс.  , обновляются в течение десяти суток. Вода рек в результате стока сменяется каждые 12 суток. Вода озер обновляется каждые 10 лет. Воды мирового океана полностью сменяются каждые 3 тыс. лет, а в самой малоподвижной форме воды - в ледниках - полный водообмен происходит за 8,5 тыс. лет. Запасы воды в гидросфере составляют 1,5 млрд. км ³ .

Часть гидросферы	Объем воды, тыс. км3	Объем воды в % общего объема
Океан	1370323	94,201
Подземные воды	60000	4,42
Зоны активного водообмена	4000	0,27
Ледники	24000	1,65
Озера	230	0,016
Почвенная влага	75	0,005
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001

Таблица запасов воды на Земле:

 

Из приведенных данных можно увидеть, что запасы соленой  воды колоссальны по сравнению с  запасами пресной воды которые составляют 3% общего объема воды суши.

Основная часть.

Гидросферой называют прерывистую водную оболочку Земли, расположенную между атмосферой и земной корой и представляющую собой совокупность океанов, морей и водных объектов суши (реки, озера, водохранилища, болота, подземные воды), включая скопления воды в твердой фазе (снежный покров, ледники).Океан занимает 71%  нашей Земли, массы вода в нем составляет 1,5·10¹⁸ т.

 Большая часть поверхности нашей планеты, около 71%, покрыта мировым океаном, составляющим 97% всех поверхностных вод Земли и около половины всех вод литосферы.

В химическом составе морской воды можно выделить пять компонентов:

1) главные ионы - эти одиннадцать компонентов составляют 99,98% по весу от всех растворенных в океанской воде солей (данные приведены в таблице ниже);

Анион	Концентрация г/кг	Катион	Концентрация г/кг
Cl-	12,3534	Na+	10,7638
SO42-	2,7007	Mg2+	1,2970
HCO3-	0,1427	Ca2+	0,4080
Br-	0,0659	K+	0,3875
E-	0,0013	Sr2+	0,0083
BO3-	0,0265

2) биогенные элементы (С, Н, N, P, Si, Fe, Мп), из которых состоят организмы; 3) растворимые в морской воде газы: O₂, CO₂, N₂, углеводороды и инертные газы; 4) микроэлементы; 5) органические вещества.

Подавляющую часть морской соли составляют хлориды, а не карбонаты. В этом состоит главное отличие морской воды от речной, в которой преобладают углекислые соли. Постоянство солевого состава морской воды - главнейшая закономерность в химии океана. Концентрация растворенных солей определяет величину солености океана. За величину солености (S) принят вес сухого остатка, содержащегося в 1 кг морской воды, когда карбонаты переведены в оксиды, бромиды и йодиды замещены эквивалентным количеством хлора и органические вещества сожжены при 480^oС. Единица измерения - г/кг, или промилле (%₀). Однако большей частью соленость вычисляется по хлорности, электропроводности или показателю преломления. Между соленостью и хлорностью имеется соотношение 5%₀=1,81 Сl.Важной химической характеристикой океанических вод является водородный показатель (рН). Выделение CO₂ в результате дыхания H₂CO₃ ;

С другой стороны, поглощение CO₂  в процессе фотосинтеза приводит к уменьшению количества H₂CO₃ и H , т.е. к росту рН. Отсюда можно утверждать, что рН в океанах регулируется равновесием CO₂ и карбоната кальция:

Видно, что повышение количества  CO₂ увеличивает содержание H₂CO₃ , что, в свою очередь, вызывает уменьшение содержания карбоната кальция, а уменьшение содержания CO₂  приводит к осаждению карбоната кальция. Вода, содержащая H₂CO₃ и HCO₃^-, обладает буферными свойствами, поэтому достаточно большие изменения концентрации H могут не приводить к сильному изменению рН. Рассмотрим реакцию

Константа равновесия этой реакции будет

 

Если количества HCO₃^- и H₂CO₃ равны (например,10-2  моль/л), то H⁺=10^-6,5  моль/л и рН=6,5. Суммарное количество HCO₃^-  и H₂CO₃ составляет  моль/л. При добавлении в раствор кислоты равновесие сдвигается влево с образованием H₂CO₃. Чтобы изменить отношение   например до 1/3, потребуется добавить кислоты около  моль на литр раствора. Прибавленное количество H почти в 104 раз превышает первоначальное содержание водородных ионов. Новое значение рН можно вычислить:

 

Таким образом, рН изменилось незначительно, несмотря на добавление такого количества ионов водорода, которое сильно превосходит первоначальное содержание в растворе. Большая часть добавленных ионов связана в форме H₂CO₃, и очень маленькое количество существует как H. Конечно, химические свойства морской воды гораздо сложнее рассмотренных выше соотношений. Однако результирующие соотношения между растворимыми молекулами и ионами, атмосферным CO₂ и твердым карбонатом кальция приводят к формированию буферного раствора с рН=8,0-8,4. При этом не исключено, конечно, что активность органического вещества или другие локальные причины могут образовать на некоторое время более низкие (до 6) и более высокие (до 10) значения рН. Существенной характеристикой, особенно важной для нормального протекания фотосинтеза, является "прозрачность" воды океана. За условную прозрачность морской (и океанической) воды принята глубина моря (океана), на которой белый диск диаметром 30 см становится невидимым. Мировой океан в последние десятилетия стал объектом глубоких всесторонних исследований. И это не случайно, поскольку ресурсы океана грандиозны, как и он сам. Затрагивая вопрос о ресурсах океана, хотелось бы разделить их на две группы: одна из них биохимического характера, другая - физического. Говоря о ресурсах биохимического характера, прежде всего необходимо указать на то, что океан является важным источником пищевых ресурсов. В настоящее время промыслы в океане дают 1/16 всех белков и 3-4% жиров животного происхождения. Мировой улов рыбы в последние годы составляет 63 млн т в год. Наиболее богатые уловы оказываются приуроченными к выходам на поверхность подводных течений, выносящих из-под фотослоя, т.е. с глубины более 200 м, воды, богатые фосфатами, нитратами и другими солями. Замечено, что в местах выхода таких течений, равно как и вдоль кромки тающего полярного льда, бурно развивается планктон - главный корм рыб. Здесь вылов рыбы достигает 180 кг с 1 га акватории. В общем улове в настоящее время рыба составляет 90%, моллюски - 5%, ракообразные - 3%, морские растения - 1,5%. В океане обитает свыше 300000 видов живых организмов, от микроскопических водорослей до самых крупных на планете животных - 160-тонных синих китов. А между тем в океане пока эксплуатируется лишь 0,0001% продуцента. Важно указать, что океан является грандиозным источником минеральных ресурсов. Больше всего в океане хлора, натрия, магния, кальция, калия. В океане относительно много урана, серебра, золота. Приводимая ниже таблица подтверждает сказанное. 

Некоторые из элементов, определяющих химические ресурсы мирового океана:

Элемент	Содержание, т	Элемент	Содержание, т
Cl	2,6·1016	U	2·1111
Na	1,4·1016	Cu	1,5·1011
Mg	1,8·1015	Ag	5,0·1010
Ca	5,6·1014	Au	1,1·108
K	5,3·1014

Вода в атмосфере - это главным образом водяной пар и его конденсат (капельки воды и ледяные кристаллы).

Биологическая вода - это вода, содержащаяся в живых организмах и растениях, в которых в среднем ее находится 80%. Общая масса живого вещества биосферы около 1400 млрд. тонн, соответственно масса биологической воды составляет 1120 млрд. тонн, или 1120 км³.

Вода - это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Под действием солнечного тепла вода испаряется из естественных водоемов и водотоков - океанов, морей, рек, а также почвы. Водяной пар, будучи легче воздуха, поднимается в верхние слои атмосферы и конденсируется в мельчайшие капельки, образуя облака. Из облаков вода возвращается на земную поверхность в виде атмосферных осадков - дождей и снега. Выпадающая вода поступает непосредственно в водные объекты, а также собирается в верхних слоях почвы, образуя поверхностные и грунтовые воды, которые, соприкасаясь с минеральными и органическими веществами, частично растворяют их, формируя химический состав природных вод.

«Парниковый эффект», приводящий к нарушению теплового баланса Земли, способен повысить температуру земной поверхности. Любая человеческая деятельность, которая способствует парниковому эффекту и происходящим изменениям климата, по-видимому, влияет и на глобальный круговорот воды. Предполагаемое повышение уровня моря не только создает проблему защиты прибрежных районов от затопления, но может привести к загрязнению водных ресурсов (при затоплении химических производств, складов ядовитых веществ, свалок токсических отходов и т.д.), а также увеличению доли соленой воды по отношению к пресной воде. В результате потепления климата и увеличения испарений осадки могут возрасти на 15%. При повышении температуры на 2-4^оС в глобальном масштабе возможно таяние льда и повышение уровня Мирового океана примерно на 20м с последующими непредсказуемыми экологическими последствиями.

Огромную роль играет вода в живых организмах. Обмен веществ без нее невозможен; почти все химические, физиологические и коллоидные процессы в организме (ассимиляция, диссимиляция, диффузия, ресорбция, осмос и др.) протекают в водных растворах или при обязательном участии воды.

Исключительные свойства воды в общей биологической системе Земли связаны с ее физическими и химическими свойствами. Вода (Н₂О) - простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом. При обычных условиях это жидкость без запаха, вкуса и цвета. По шкале Цельсия температура плавления воды принята за 0^оС, а температура кипения - за 100оС. Температура кипения воды является аномальной и в то же время наиболее важной, так как именно поэтому стало возможным существование на Земле воды в жидкой фазе. С другой стороны, существование воды в чистом виде обусловлено и высокой температурой замерзания, что обеспечивает вымерзание примесей .Высокая теплоемкость воды способствовала тому, что Мировой океан стал регулятором климата, перераспределяя тепло по поверхности Земли. Наибольшую плотность вода имеет при 4^оС (1г/см³), при 0^оС плотность льда 916,8 кг/м³, а плотность воды - 999,968 кг/м³. Такая зависимость плотности воды от температуры позволяет сохраниться в холодные периоды всей водной биосфере. При температурах до 4^оС плотность льда становится меньше плотности воды и лед всплывает. При дальнейшем охлаждении происходит перемешивание более плотной холодной воды и менее плотной теплой до тех пор пока вся вода не достигнет 4^оС. Поверхностный слой становится легче глубинных слоев, и перемешивание воды прекращается, что приводит к образованию на поверхности воды льда, служащего тепловым барьером, защищающим гидросферу от переохлаждения.

Вода обладает способностью растворять очень многие вещества, имеет высокую диэлектрическую постоянную, способна к самопроизвольной электролитической диссоциации с образованием ионов: H₂O + H⁺ + OH^-.

Эти свойства воды позволяют из любой природной системы получить водный раствор электролита, в котором возможно протекание многих процессов, невозможных в безводной среде. Многие вещества вступают с водой в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом. Изменение физических свойств водных растворов почти линейно зависит от концентрации растворенных в ней солей.

С ростом населения Земли и увеличением выпуска промышленной и сельскохозяйственной продукции потребление воды возрастает. По оценкам Института мировых ресурсов, около 9000 км³ пресной воды доступно для человеческой деятельности. Этот запас воды достаточен, чтобы обеспечить 20 млрд. человек в год. По оценкам специалистов, безвозвратное водопотребление составляет 150 км³ в год (около 1% устойчивого стока пресных вод). В среднем городское водопотребление оценивается в 450 л/сутки на одного человека. Из них 50% идет на хозяйственно-питьевые, 20% на коммунально-бытовые и 30% на производственные нужды.