Сравнение физических свойств и химического состава морской воды

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОРОДА МОСКВЫ

СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 1413

127543, г. Москва, ул. Белозерская, д. 7

                                              тел.    (499) 206-64-77

                                                 факс: (499) 206-45-50

Сравнение   физических свойств и химического состава  морской воды

                                                                                      Авторы проекта:

Ученики 6 класса

Лихопой Кирилл,

Ширяев Павел,

Паксяйкина Анастасия,

Мануйлова Ангелина

Научные руководители:

Ширяева Маргарита Юрьевна,

учитель химии,

Довгопол  Наталья  Борисовна,

учитель ИКТ

Москва 2013

Введение

Каждое лето мы отдыхаем на море.  В каждой стране оно  разное. То бирюзовое, как Эгейское, то синее, как Средиземное. То очень соленое, как Мертвое, то не очень, как Черное.  И каждый раз в качестве сувенира мы и наши друзья привозим домой бутылку морской воды. В настоящее время, таких образцов уже десять. Причем одна из бутылок не подписана. Поэтому в своем проекте мы решили определить физические свойства и  химические свойства привезенных образцов морской воды, а также определить, откуда прибыл неизвестный образец.

Цель проекта: изучить свойства и химический состав  воды  морей Атлантического бассейна и Мёртвого моря.

Задачи: 1.Изучение литературных  и интернет-источников по данной теме.

2.        Освоение методик ведения физических и  химических  исследований по изучению свойств и химического состава морской воды.

3.        Определение физических свойств  морской воды: плотности, мутности, электропроводности.

4.        Определение химических компонентов воды: гидрокарбонат -ионов, сульфат- ионов, нитрат- ионов, хлорид ионов, бромид-ионов, уровень рН.

5.      Определение солености морской воды.

Объект исследования: образцы морской воды морей  Атлантического бассейна и Мертвого моря

Предмет исследования: физические свойства и химический состав морской воды.

Методы исследования: проведение гидрофизических и гидрохимических анализов, сравнение полученных результатов с данными литературных источников.

Значение результатов исследования: использование результатов исследования для оптимального  выбора места отдыха в целях  улучшения состояния здоровья.

1.1.Геохимическое объяснение

1.4.Характеристика морей

2.Экспериментальная работа

2.1.Изучение физических свойств

2.2.Определение химического состава морской воды.

Заключение

Источники информации

1.1.Геохимическое объяснение

Научное обоснование появлению солёной воды в море было положено работами Эдмунда Галлея в 1715 году. Он предположил, что соль и другие минералы вымывались из почвы и доставлялись в море реками. Достигнув океана, соли оставались и постепенно концентрировались. Галлей заметил, что большинство озёр, не имеющих водной связи с океанами, имеют солёную воду.

Теория Галлея отчасти верна. Вдобавок к ней следует упомянуть, что соединения натрия вымывались из дна океанов на ранних этапах их формирования. Присутствие другого элемента соли, хлора, объясняется его высвобождением (в виде соляной кислоты) из недр Земли при извержениях вулканов. Ионы натрия и хлора постепенно стали основными составляющими солевого состава морской воды.

1.2.Химический состав морской воды

Мировой океан представляет собой единое целостное природное тело, которое занимает 2/3 всей площади земного шара. Морская вода,из которой он состоит - самое распространенное вещество на поверхности Земли.Она отличается от пресной воды горько-соленым вкусом, удельным весом,прозрачностью и цветом, более агрессивным воздействием на строительные материалы и другими свойствами. Это объясняется содержанием в морской воде более 50 различных компонентов.

Суммарное содержание твердых растворенных веществ в 1кг морской воды и выраженное в десятых долях процента (промилле ‰) - называется соленостью. Средняя соленость морской воды на поверхности океана колеблется от32 до 37‰, в природных слоях от 34 до 35‰. В некоторых морях отмечается значительное отклонение от этих средних величин. Так, соленость Черного моря17-18‰, Каспия 12-13‰, а Красного моря - до 40‰. Теоретически в морской воде находятся все известные химические элементы, но весовое содержание их различно.

Из всего количества растворенных веществ 99.6%составляют галоидные соли натрия, калия, магния и сульфаты магния и кальция, и только 0.4% солевого состава приходится на долю остальных веществ. Из таблицы видно, что всего 13 элементов «таблицы Менделеева» содержится в количестве более 0.1 мг/л. Даже такие важные для многих процессов в океане (в особенности для жизнедеятельности морских организмов) элементы как фосфор, йод, железо, вместе с кальцием, серой, углеродом и некоторыми другими, содержатся в количестве, меньшем 0.1 мг/л. В морской воде в виде живой материи и в виде растворенных «косных» органических веществ содержатся также и органические вещества, составляя в сумме величину около 2 мг/л.

Солевой состав морской воды резко отличается от солевого состава речной воды, но близок к водам, выделяющимся при вулканических извержениях, или горячих источников, получающих питание из глубоких недр Земли.В речной воде также содержатся растворенные вещества, количество которых очень сильно зависит от физико-географических условий.

Чем больше величина испарения, тем больше соленость морской воды, поскольку при испарении остаются соли. На изменение солености большое влияние оказывают океанические и прибрежные течения, вынос пресных вод крупными реками, перемешивание вод океанов и морей. По глубине колебания солености происходят лишь до 1500 м, ниже соленость меняется незначительно.

Горьковато-соленый вкус океанской и морской воды обусловлен как раз ее составом.

По определению, соленость морской воды - это общее количество твердых веществ в граммах, растворенное в 1 кг морской воды.

Соленость измеряется в «промилле»

Средняя соленость вод мирового океана составляет 35%.Это означает, что в 1 кг морской воды содержится 35 г солей.

Соленость Балтийского моря 2-5

Черное море 17-18

Красное-40

Наименее солёной является вода Финского залива и северной части Ботнического залива, входящих в акваторию Балтийского моря. Наиболее солёной является вода Красного моря и восточная часть Средиземного моря. Солёные озёра, такие как Мёртвое море, могут иметь значительно больший уровень содержания солей.

Сравнение данных табл. 1 показывает, что соленость

Мертвого моря в 8 раз превышает соленость Атлантического

океана, в 7 раз - Средиземного моря и Красного моря,

в 14,5 раз - Черного и в 40 раз - Балтийского.

Соленость вод океана не везде одинакова. На величину солености влияют следующие процессы:

1.Испарение воды

2.Образование льдов

3.Выпадение осадков

4.Сток речных вод

5.Таяние льдов

При этом, испарение и льдообразование, способствуют повышению солености, а выпадение осадков, сток речных вод, таяние льдов понижают её.

Вода, находящаяся в океанах и морях, содержит в растворе всегда некоторое количество веществ, и, несмотря на то, что этих тел немного сравнительно с массой воды, они тем не менее изменяют се химические и физические свойства настолько, что она перестает, в сущности, быть водой, а становится водным раствором различных солей, который мы и называем, в отличие or пресной воды, морской водой.

Состав морской воды может быть определен только после ее изучения с помощью химического анализа качественного и количественного. Такое исследование большого количества образцов, взятых из разных мест на поверхности океанов, впервые было сделано датским химиком Форшхаммером в 60-х годах XIX столетия.

Затем подобную же работу, но в большем размере и более современными приемами выполнил в 1878–1882 гг. английский химик Д и т м а р. обработавший 76 образцов морской воды, собранной на Challenger в разных океанах и с различных глубин. Оба эти исследования, а также и другие подобные работы привели к следующему основному выводу, а именно: вдали от берегов везде в Мировом океане состав воды одинаков. В разных местах океанов изменяется общее количество веществ, находящихся в растворе в морской воде, но состав их остается неизменным, т. е. при изменении общего содержания солей в морской воде это происходит не за счет тех или других составных частей, а пропорционально уменьшаются или увеличиваются все соли, входящие в раствор. Вблизи берегов или в морях состав воды может быть несколько иным, вследствие влияния местных причин. Такое однообразие состава морской воды показывает, что естественное перемешивание воды в океане происходит весьма совершенным образом. Это явление имеет полную аналогию с однообразием состава атмосферы, наблюдаемым в ее нижних слоях, и вследствие столь же хорошего перемешивания ее ветрами.

Исследования показали, что из числа всех химических элементов 32 встречаются в морской воде. Конечно, многие из них в весьма малых количествах. Вот главнейшие составные части морской воды, согласно-определению Дитмара на основании анализов образцов воды трех океанов, собранных экспедицией на Challenger.

Из таблицы видно, какое большое количество хлористых соединений находится в морской воде; сульфатов уже немного, а карбонатов еще-меньше. Многие вещества, входящие в состав воды океанов, заключаются там в таких малых количествах, что даже и не включены в таблицу. Наконец, есть вещества, находимые только косвенным путем, например, йод – в водорослях, медь, серебро – в коралловых известняках, фосфор – в губках и т. п.

Мировой океан постоянно принимает большое количество пресной воды, стекающей в него береговыми потоками и реками. Приблизительно от 30 ООО до 40 ООО км3 пресной воды таким путем доставляется ежегодно в океан; предварительно протекая по суше, вся эта масса пресной воды растворяет понемногу в себе многие вещества, выщелачивая поверхность, по которой она течет. Поэтому пресные воды всегда содержат тоже некоторое количество веществ в растворе; если сравнить состав воды океанов и пресной воды, несомой реками, то получится следующая таблица:

Вода океанов Речная вода

Хлориды................88,7°/о 5,2%

Сульфаты..............10,8 9,9

Карбонаты..............0,3 60,1

Прочие вещества . . . 0,2 24,8

100,0 100,0

Хлористые соединения, преобладающие в воде океанов, встречаются в очень малом количестве в речной воде, в которой обычно преобладают карбонаты, почти отсутствующие в морской воде. Отсюда видно, что соли, преобладающие в воде океанов, не вносятся в нее реками, а, очевидно, иного происхождения.

Большое количество карбонатов, вносимых речными водами в океан, не накопляется там, так как, по-видимому, расходуется морскими организмами, которые используют их на созидание скелетов, раковин, покровов и неподвижных построек (коралловые рифы, острова, берега). По отмирании организмов, как видно было из разбора отложений грунта дна океанов, эти карбонаты образуют там новые пласгы отложений.

Анализы состава океанической воды, собранной из разных мест, были повторены в последние годы в Международной лаборатории по изучению моря в Копенгагене М. Кнудсеном; они подтвердили высказанное выше положение о постоянстве и одинаковости состава морской воды в пределах точности определения и, вместе с тем, ясно показали существование правильной зависимости между содержанием в морской воде хлора, ее удельным весом и ее соленостью.

Химический анализ какого-либо вещества требует тщательного взвешивания и других тонких наблюдений, которые невозможно производить на корабле, хотя бы и немного, но постоянно дрожащем, и где трудно держать какое-либо помещение при постоянной температуре. Поэтому определение состава морской воды приходится производить всегда на берегу, в лабораториях, и для этого привозить образцы воды из плавания.

1.3.Физические свойства морской воды

Морская вода слабо -щелочная, pH варьирует в пределах от 7,5 до 8,4.

Плотность морской воды колеблется в пределах от 1020 до 1030 кг/м³ и зависит от температуры и солености. При солености, превышающей 24‰, температура максимальной плотности становится ниже температуры замерзания — при охлаждении морская вода всегда сжимается, и плотность ее растет.

Скорость звука в морской воде — около 1500 м/с.

Свойства морской воды с солёностью 35 ‰:

1.4.Характеристика морей

Самое соленое море мирового океана - Красное. В 1литре его воды содержится 41 г солей. В среднем за год над морем выпадает не более 100 мм атмосферных осадков, тогда как величина испарения с его поверхности достигает 2000 мм в год. При полном отсутствии речного стока это создает постоянный дефицит водного баланса моря, для восполнения которого существует только один источник - поступление воды из Аденского залива. В течение года через Баб-эль-Мандебский пролив в море вносится примерно на 1000куб. км воды больше, чем выносится из него. При этом, согласно расчетам, для полного обмена вод Красного моря необходимо всего 15 лет.

Отсутствие берегового стока (а проще говоря рек и дождевых потоков), а значит и грязи с суши, обеспечивает сказочную прозрачность воды. Температура воды стабильна круглый год - 20-25°C. Все эти факторы обусловили богатство и уникальность морской жизни в Красном море.

Мертвое море расположено в Западной Азии на территории Израиля и Иордании. Оно находится в тектонической впадине, образовавшейся вследствие так называемого афро-азиатского разлома, который произошел в эпоху где-то между концом третичного и началом четвертичного периода, то есть более2-х миллионов лет назад.

Площадь Мертвого моря 1050 кв. м, глубина 350-400метров. В него впадает единственная река Иордан, но питание происходит также за счет многочисленных минеральных источников. Выхода море не имеет, является бессточным, потому более правильно называть его озером.

Поверхность Мертвого моря находится на 400 метров ниже уровня Мирового океана (самая низкая точка Земного шара). В своих теперешних очертаниях Мертвое море существует более 5000 лет, за это время на его дне скопился осадочный иловый слой толщиной более 100 метров.

В течение многих лет под жаркими лучами солнца вода Мертвого моря испарялась, а минералы накапливались, увеличивая соленость моря. Эти условия во многом и определяют уникальность состава воды и грязей Мертвого моря.

По составу солей Мертвое море резко отличается от всех других морей планеты. Соленость Мертвого моря в 8 раз превышает соленость Атлантического океана и 40 раз Балтийского моря. В то время как в водах других морей содержание хлорида натрия составляет 77% от всего солевого состава, в водах Мертвого моря его доля составляет 25-30%, а на долю солей магния приходится до 50%, содержание брома рекордно: в 80 раз выше, чем в Атлантическом океане.

Высокая соленость воды Мертвого моря объясняет ее большую плотность, которая составляет 1.3-1.4 г/см3. Увеличение плотности воды с глубиной, по-видимому, и создает эффект выталкивания при погружении в воду. В воде Мертвого моря высокое содержание микроэлементов таких как: медь, цинк, кобальт и другие. К особенностям воды Мертвого моря следует отнести и высокое значение рН, равное 9.

Воды Мертвого моря — настоящая кладовая минеральных веществ. Мертвое море, в переводе с иврита - Соленое море. Своим названием оно обязано необычайно высокому содержанию солей и минералов. В Мертвом море с его небольшим водным объемом, соли значительно больше, чем в любом другом море Земли. Соленость Мертвого моря в 8 раз превышает соленость Атлантического океана, в 7 раз - Средиземного моря и Красного моря, в 14,5 раз - Черного моря и в 40 раз - Балтийского моря. Соленость воды в граммах содержащихся в 1 литре воды выражают в промиллях.

Средиземное море — средиземное, межматериковое море Атлантического океана, соединяющееся с ним на западе Гибралтарским проливом.

В Средиземном море выделяют моря: Альборан, Балеарское, Лигурийское, Тирренское, Адриатическое, Ионическое, Критское, Эгейское. В бассейн Средиземного моря включают Мраморное море, Чёрное море, Азовское море.

Скорости установившихся течений в открытой части моря 0,5—1,0 км/ч, в некоторых проливах — 2—4 км/ч. Средняя температура воды на поверхности в феврале понижается с С. на Ю. от 8—12 до 17 °С в вост. и центр. частях и от 11 до 15 °С на 3. В августе средняя температура воды изменяется от 19 до 25°С. — на крайнем В. она повышается до 27—30 °С. Большое испарение ведёт к сильному повышению солёности. Её значения увеличиваются с 3. на В. от 36 до — 39,5 . Плотность воды на поверхности изменяется от 1,023—1,027 г/см³ летом — до 1,027—1,029 г/см³ зимой. В период зимнего охлаждения в р-нах с повышенной плотностью развивается интенсивное конвективное перемешивание, к-рое приводит к формированию высокосолёных и тёплых промежуточных вод в Вост. бассейне и глубинных вод на С. западного бассейна, в Адриатическом и Эгейском морях. По придонным температуре и солёности Средиземное море является одним из самых тёплых и соленых морей Мирового ок. (12,6—13,4 °С и 38,4—38,7 соответственно). Относит. прозрачность воды до 50—60 м, цвет — интенсивно синий.

2.Экспериментальная работа

2.1.Изучение физических свойств

Оборудование:

1.УИОД(устройство измерения и обработки данных)

2.Ареометр

3.Датчик мутности воды

4.Датчик электрической проводимости

Ход эксперимента:

1.Налили воду в цилиндр;

2.Опустили ареометр в воду;

3.Определили плотность воды. Повторили еще  9 раз, промывая каждый раз ареометр и цилиндр;

4.Подключили датчик мутности к УИОД;

5.Налили воду в контейнер, и поставили его в гнездо  на датчике, закрыли крышку;

6. Записали показания датчика. Повторили еще 9 раз;

7. Подключили датчик электрической проводимости к УИОД;

8. Опустили электрод во все образцы, каждый раз промывая электрод дистиллированной водой;

9.Записали показания датчика.

2.1.1.Определение плотности

Вывод: Наибольшую плотность воды имеет образец № 10 (Мертвое море), наименьшую образцы №1 и 7(Черное море и неизвестный образец)

2.1.2.Определение мутности

Вывод: Наибольшую мутность  воды имеет образец № 1 (Черное  море), наименьшую образцы №7 и 10 (Мертвое море и неизвестный образец)

2.1.3.Определение электрической  проводимости

Вывод: Наибольшую электропроводимость  воды имеет образец № 10(Мертвое море), наименьшую образцы №1 и 7 (Черное  море, (г. Судак), и неизвестный образец)

2.2.Определение химического состава морской воды

Оборудование: Тестовые полоски «6 в 1» фирмы «Тетра»

2.2.1.Определение нитрат-ионов и жесткости воды

Ход эксперимента: Погрузили тестовую полоску в воду и провели ею 2-3 раза из стороны в сторону. Стряхнули лишнюю жидкость и сравнили тестовое поле  с цветной шкалой

Выводы:1.Нитрат-ионы обнаружены в образцах  №1,2,3,4,10

2.Пониженная  жесткость воды в образце №1.

2.2.2.Определение хлорид и бромид-ионов

Ход эксперимента: к образцам добавили раствор нитрата серебра.

В образцах №1-9 выпал  осадок белого цвета. В образце №10  выпал осадок желтоватого цвета.

Вывод: в Мертвом море обнаружены бромид- или иодид- ионы.

2.2.3.Определение рН воды

Ход эксперимента:

1. Подключили датчик рН к УИОД;

2. Опустили электрод во все образцы, каждый раз промывая электрод дистиллированной водой;

3.Записали показания датчика.

Вывод: в образце №10 (Мертвое море)-  слабокислотная среда, в образцах №4,5 – слабо-щелочная среда

 Сводная таблица результатов

Качественный и количественный анализ морской воды

2.2.4. Определение  %  содержания солей в  морской воде

Ход эксперимента:

1.На весах взвесили  пустую фарфоровую чашечку;

2.Взвесили фарфоровую чашечку с морской водой;

3.Выпарили воду и охладили чашечку;

4.Взвесили фарфоровую чашечку с  солью;

5.Заполнили таблицу и рассчитали % содержание солей в морской воде.

Определение % содержания солей в  морской воды

Заключение

Выводы:

1.При анализе данных по плотности, электрической проводимости,  а также по  расчетам  % содержания солей в морской воде мы сделали вывод, что  наибольшее количество солей ( наибольшая соленость) содержится в Мертвом море. А наименьшее количество (наименьшая соленость) солей в Черном море и в неизвестном водоеме. Это не противоречит научным  источникам.

2.Анализируя данные по мутности мы сделали вывод, что наиболее прозрачным является Мертвое море  и неизвестный водоем. А самым  мутным  Черное море.

3.Нитрат-ионы были  обнаружены в образцах  №1,2,3,4,10. Это можно объяснить стоком рек в море или разложением органических остатков.

4. По химическому составу от других морей очень отличается Мертвое море.  Это можно объяснить особыми природными условиями (высокая среднегодовая температура, редкие осадки, нет стока рек). В нем  не содержатся сульфат-ионы, но  оно содержит достаточное количество иодид и бромид- ионов, поэтому вода  Мертвого моря отличается целебными  свойствами.

5. Результаты  рН отличаются от данных в  научных  источниках в образцах №1,3,10.

6.Вода из неизвестного водоема имеет наименьшую плотность, электрическую  проводимость, очень прозрачная, не содержит нитрат-ионов.  Поэтому мы думаем, что это вода  из  Лимского залива (Хорватия, полуостров Истрия) – природного залива, проникающего вглубь материка на 10 километров. Вода в заливе слабосолёная из-за многочисленных ключей пресной воды, расположенных на дне и в окрестных горах.

Литература.

1. Хорн Р. Морская химия (структура воды и химия гидросферы). — Москва: Мир, 1972. — (Науки о земле).
2. Руководство по химическому анализу морских вод (РД52.10.243-293) / Орадовский С. Г.. — С.-Пб: «Гидрометеоиздат».
3. Смирнов Г.Н., Курлович Е.В., Витрешко И.А., Мальгина И.А. Гидрология и гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов по спец. «Водоснабжение и канализация» / под ред. Г.Н. Смирнова. — Высш. шк.. — М., 1988. — 472 с.
4. Вейль П. Популярная океанография = Oceanography. An Introduction to the Marine Environment by Peter K. Weyl / Пер. с англ. Г.И. Баранова, В.В. Панова, А.О. Шпайхера. Под ред. А.Ф. Трешникова. — Л.: «Гидрометеоиздат», 1977. — 504 с илл. с. — 50 000 экз.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%EE%F0%F1%EA%E0%FF_%E2%EE%E4
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D1%91%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C