3.5: Вода як універсальний розчинник

Last updated
Save as PDF

Page ID: 35871

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Як зазначено в попередніх розділах, полярна молекула води дозволяє молекулам води утворювати зв'язки один з одним. Ці зв'язки іменуються водневими зв'язками. Якщо розглядати хлорид натрію (сіль), сполуку, що містить іонні зв'язки, ми могли б продемонструвати, що просто помістивши кухонну сіль у воду, наприклад, ми можемо зменшити електростатичне тяжіння між іонами натрію та хлориду в 80 разів. Оскільки все більше іонів натрію та хлору звільняються внаслідок ослаблення електростатичного тяжіння, яке утримує їх разом, вони стають оточені полярними молекулами води - що називається «гідратація».

Кристал солі розчиняється водою, окремі іони гідратують.

Малюнок 1: Кристал солі розчиняється водою, окремі іони гідратовані.

Кредит: Огляд Всесвіту - структури, еволюції, спостереження та теорії (посилання зовнішнє)

Вода розчиняє більше речовин, ніж будь-яка інша звичайна рідина, розбиваючи «солі» на компонентні «іони» (наприклад, NaCl в Na ⁺ та Cl ^-) та зволожуючи ці іони, щоб утримати їх від взаємодії. Так, полярні молекули води мають тяжіння для іонів (атомів або груп атомів із зарядом), де «катіони» - іони з позитивним зарядом, а «аніони» мають негативний заряд. Більшість елементів мають високу розчинність у воді, а це означає, що великі концентрації цих елементів можуть накопичуватися до перевищення здатності молекул води ізолювати іони. Точка, в якій Na і Cl, наприклад, почнуть осаджувати сіль у морській воді, називається «насиченням». Для NaCl (мінералу «галіт») це відбувається лише з сучасної морської води, коли відбувається випаровування і обсяг морської води зменшується приблизно до 10% від її початкового об'єму.

Морська вода - це, по суті, розчин NaCl, який становить в середньому концентрацію 35 г NaCl/кг води (або 3,5% солі). Na і Cl складають понад 85% від загальної кількості розчинених твердих речовин (солі), але є й інші важливі іони. Відносна кількість іонів в морській воді займає по порядку: Cl, Na, SO ₄, Mg, Ca, K. Разом ці іони складають > 99% розчинених твердих речовин у морській воді. Маючи лише чотири інші елементи - HCO ₃ (бікарбонат), Br, Sr, B, F - у нас є 99,99% всіх розчинених твердих речовин. Заряди повинні балансувати, тому позитивний заряд, пов'язаний з Na ⁺, Mg ²⁺, Ca ²⁺, K ⁺ дорівнює негативному заряду, пов'язаному з Cl ^-, SO ₄ ² ^- (і HCO ₃ ^-). Ми не думаємо, що ви хотіли б цього іншим способом. Подумайте, який потік течії був би від моря до вас, сидячи на пляжі, якби заряди не були збалансовані—шокує!

Солоність варіюється в діапазоні приблизно від 32 до 37 o/oo у відкритому океані, як ілюструє малюнок 2 (нижче). Зверніть увагу, що ділянки з найвищою солоністю трапляються в регіонах з найвищим чистим випаровуванням, як і можна було очікувати.

Карта середньої солоності на поверхні океану 1990-94 рр. (модель POP)

Рисунок 2: Середня солоність на поверхні океану 1990-94 (модель POP).

Всі інші розчинені речовини в морській воді знаходяться в дуже низьких концентраціях (частина на мільйон або мільярд) (ppm або ppb; ^{від 10 -6} до 10 ^-9). Сюди входять важливі поживні речовини, такі як фосфати та нітрати, які циклікуються організмами (елементи, що називаються «біолімітуючими») і необхідні для життя. Багато металів мають сліди концентрації (хочеть' розбагатіти? У морській воді розчинено близько 9 мільйонів тонн золота, що приблизно дорівнює всьому золоту, видобутому на землі протягом історії).

Як було зазначено раніше, випаровування морської води дає передбачувану послідовність мінеральних солей (мінерали насичуються в певний момент). Після випаровування декількох% маси води CaCo ₃ (кальцит) випадає в осад; після випаровування 81% CaSO ₄ (гіпс) повністю випадає в осад; після випаровування близько 90,5% NaCl (галіт) повністю випадає; при випаровуванні 96% випадають солі K і Mg (з SO ₄ і Cl). В океані досить солі, щоб покрити землю шаром товщиною 170 м. Природні поклади з стародавніх океанів, подібні до цього, називаються «евапорітами».