3.3 Определение солености морской воды

Основным отличительным свойством морской воды является ее соленость, точное происхождение которой еще не изучено.

Общий объем морской воды 1370 млн км³ при солености 35%о содержит 48*10¹⁵ т соли, которая покрыла бы всю земную поверхность слоем весом 95 Т/М², а только выступающие из воды области - слоем весом 320 т/м².

Ионный состав морской воды соленостью 35%о выглядит таким образом.

Компоненты Концентрация, %

Хлориды (Сl) 19. 353

Натрий (Nа) 10. 760

Сульфаты (SO₄) 2. 712

Магний (Мg) 1. 294

Кальций (Са) 0. 413

Калий (К) 0. 387

Гидрокарбонаты ( НСО₃ ) 0. 142

Больше всего в морской воде содержится хлора и натрия. Но главные растворенные в воде элементы обычно находятся не в чистом виде, а в виде солей. Основными из них являются: 1) Хлориды - процентное содержание которых составляет 88.7% от всех растворенных веществ. Придает воде горько-соленый вкус; 2) Сульфаты - 10.8%; 3) Гидрокарбонаты - 0.3%. В речной воде соотношения между солями обратное. 1) Гидрокарбонаты - 60.1%; 2) Сульфаты - 34.7 %; 3) Хлориды - 5.2%.

Практически очень сложно определить соленость прямыми измерениями, то есть последовательностью операций, которые включали бы испарение, высушивание и взвешивание твердого осадка, полученного из данного количества морской воды. Это связано с тем, что некоторые вещества, особенно хлористые соединения, испаряются еще из гигроскопического осадка на последних стадиях высушивания.

Для избежание этих трудностей при определении солености была создана Международная комиссия во главе с Кнудсеном. Главнейшим результатом деятельности этой комиссии было установление закона о стабильности соотношения между растворенными в морской воде веществами в различных частях Мирового океана, который получил название "Постоянства солевого состава морской воды". Благодаря этому оказалось возможным составить таблицы для вычисления солености морской воды по содержанию в ней хлора, который определяется значительно проще. Международная комиссия установила такое соотношение между хлором и соленостью

5=0.03+1. 805Сl

Новая формула ЮНЕСКО

S=1. 80655Сl

Для Черного моря S=0.184+1.795Сl

Исходя из этого, определение солености можно дать таким образом:

Соленостью морской воды называется суммарное количество всех твердых минеральных растворенных веществ в граммах, которые содержатся в 1кг морской воды, при условии, что бром и йод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекислые соли переведены в окислы, а все органические вещества сожжены при температуре 480°С.

В данное время существует несколько способов определения солености. К числу наиболее распространенных относятся такие методы:

1. Физический

2. Химический

3. Оптический

4. Электромагнитный

5. 1. Физический (ареометрический) метод.

Ареометр (прибор для измерения удельного веса) представляет собой полый стеклянный цилиндр, вытянутый кверху в узкую трубку - шейку. Нижняя часть цилиндра заполнена дробью. На шейку нанесенная шкала с ценой деления 0.0002. Деления достаточно велики, чтобы можно было взять отсчет с точностью до десятой части деления. Чтобы сохранить достаточно большие значения делений применяют набор ареометров, который охватывает все возможные в морской практике удельные весы. К каждому набору ареометров добавляются:

1. поисковый ареометр со шкалой от 1.0000 до 1.0400

2. термометр со шкалой от -5°С к +40°С

3. ареометрический стакан

Производство ареометрирования.

1.Проба должна принять температуру помещения

2. Ареометрический стакан трижды ополаскивают исследуемой водой, после чего воду наливают так, чтобы после погружения ареометра уровень был на 1 -2 см ниже края стакана

3. Измеряют температуру пробы с точностью до 0.1 °С

4. Осторожно опускают ареометр, сообщая ему легкое вращательное следование. После того, как вращение прекратится, делают отсчет. Отсчет делают по нижнему краю мениска.

5. Измерения повторяют еще два раза, после чего среднее между тремя отсчетами записывают в книжку.

6. Снова измеряют температуру воды. Различие между отсчетами не должна превышать 0.5 градуса. В противном случае все измерения необходимо повторить.

7. Делают первичную обработку удельного веса, которое заключается в следующем:

а) вводят инструментальные поправки в отсчеты термометра

б) вводят инструментальные поправки в отсчеты ареометра

в) приводят исправленные показания ареометра к температуре 17.5°С

г) окончательный отсчет записывают с точностью до 0. 0001.

2. Химический (аргентометрический) метод

Из закона постоянства солевого состава морской воды вытекает, что соленость морской воды можно определить, зная содержание любого элемента. Удобнее всего оказалось определять соленость морской воды по содержанию в ней хлора, поскольку существуют достаточно простые и точные методы определения хлора и, кроме того, процентное содержание хлора в морской воде достаточно большое.

Порядок определения хлора в морской воде следующий:

Точно отмеренную пробу (15 мл ) морской воды титруют раствором азотнокислого серебра AgNO₃ определенной концентрации до прекращения образования белого творожистого осадка хлористого серебра AgCl. Для точного определения конца образования осадка применяется индикатор - раствор хромовокислого калия K₂CrO₄. Хромовокислый калий дает с раствором азотнокислого серебра оранжевый осадок, причем образование осадка начинается только тогда, когда происходит полное осаждение хлора. Таким образом, в момент окончания осаждения хлора титруемая жидкость меняет свой цвет.

Для проверки титра раствора азотнокислого серебра, им титруют т.н. "нормальную воду", то есть воду, которая имеет хлорность 19.38%о и соленость 35%о, то есть среднюю соленость воды океана. Нормальная вода выпускается в специальных запаянных стеклянных баллонах емкостью 100-250 мл.

Таким образом, ход титрования такой:

1. Определяем величину А - отсчет бюретки при титровании "нормальной" морской воды. При отсчете по бюретке необходимо вводить ее инструментальную поправку.

2. Определяем размер а = 19.38 - А

3 Берем 15 мл исследуемой пробы и титруем ее. Получаем величину а - отсчет по бюретке при титровании исследуемой пробы.

4. Знавая а и α, по Океанографическим таблицам определяем поправку К.

5. Определяем хлорность воды С1 = а + К

6. Определяем соленость воды 8 = 0.03 + 1. 805 Сl.

3. Оптический метод

3. Метод определения солености по оптическим характеристикам основан на зависимости коэффициента преломления света в морской воде от ее солености. Для определения коэффициента преломления света водой разной солености могут быть использованные интерферометры и рефрактометры.

Интерферометр состоит из оптического устройства для получения пучка параллельных лучей - коллиматора; двух оптических пластинок, через которые проходят параллельные пучки; двух кювет с плоскопараллельними стеклянными стенками; термостата, в который помещаются кюветы; зеркала, которое имеет две двойные диафрагмы; компенсатора с микрометрическим винтом; окуляра и термометра для измерения температуры в термостате.

Принцип работы интерферометра заключается в том, что два луча от коллиматора проходят пластинки и кюветы, в одной из которых находится "нормальная" вода, а в другой - исследуемая проба морской воды, в которых они преломляются. Дальше, отразившись от зеркала, они возвращаются в окуляр. Каждый луч проходит через пластинку и кювету. В связи с тем, что коэффициент преломления луча исследуемой и "нормальной" воды разный, интерференционные полосы в окуляре оказываются сдвинутыми по отношению друг к другу. Перемещая одну из оптических пластинок с помощью микрометрического винта компенсатора, можно соединить интерференционные полосы в окуляре. Угол поворота микрометрического винта фиксируется на его шкале. Для разных температур термостата строятся графики, которые определяют соотношение солености исследуемой пробы и отсчета микрометрического винта.

Интерферометр снабжен кюветами разного объема - 4, 6 и 10 см³. В малой кювете с помощью интерферометра можно определить соленость в диапазоне от 0 до 35%о с погрешностью 0.03%о. При использовании большой кюветы погрешность измерения может быть снижена до 0.003%о. Время, необходимое для определения солености одной пробы, 7-8 минут. Причем большая часть времени - 5-6 минут - тратится на термостатирование проб перед началом измерения.