8. ИОНЫ

Мертвое море

В Мертвом море вся толща воды отчетливо разделена на два слоя, устойчивая граница между которыми проходит на глубине 40 м. Сезонные изменения температуры, от 19 до 37 °С, происходят только в верхнем слое, они сопровождаются также сезонными изменениями плотности и солености воды; разумеется, подобные изменения происходят и в связи с более медленными переменами климата. Однако глубже 40 м все свойства морской воды остаются неизменными круглогодично. На глубине от 40 до 60 м температура, плотность и соленость воды резко возрастают; на глубине от 60 до 100 м эти параметры изменяются более плавно, а на еще больших глубинах остаются однородными; температура на самой большой глубине, откуда брались пробы (приблизительно 350 м) равна приблизительно 22 °С, а соленость составляет 332 г в литре воды.

Химический состав двух водных слоев Мертвого моря настолько различен, что образование нижнего слоя из верхнего представляется очень мало вероятным. В 1959 1960 гг. средняя соленость поверхностного слоя составляла почти 300 г/л; главным анионом, присутствующим в воде, являлся хлорид-ион. Концентрация бромид-иона составляла всего лишь 4,6 г/л, сульфат-иона -0,58 г/л и бикарбонат-иона-0,23 г/л. Главными катионами были ионы натрия, магния, кальция и калия.

Однако на глубине более 40 м концентрации ионов совсем иные. На глубине 40 м происходит резкое возрастание концентрации ионов магния, кальция, хлора и брома, а при дальнейшем увеличении глубины их концентрации изменяются приблизительно так же, как плотность и общая соленость воды. На глубинах более 100 м средние концентрации всех этих ионов остаются постоянными и имеют значения, значительно большие, чем на поверхности. Концентрация иона натрия обнаруживает небольшой минимум чуть ниже границы раздела двух водных слоев на глубине 40 м, но снова возрастает при дальнейшем увеличении глубины и на глубинах более 100 м составляет 39,7 r/л, что лишь немного превышает концентрацию на поверхности. Концентрации сульфат- и бикарбонат-ионов на глубинах более 40 м непрерывно уменьшаются.

Все эти изменения были исследованы в результате изучения отношения концентрации каждого иона по сравнению с концентрацией иона магния, который был выбран в качестве эталона из-за его высокой растворимости и высокой концентрации в Мертвом море. Исследование указанных отношений показало, что на глубинах более 40 м должно происходить значительное удаление из морской воды хлорида натрия, карбоната кальция и сульфата кальция, но ионы магния, калия и брома остаются в растворе.

Осаждение соли происходит из полностью насыщенного раствора. Следовательно, удаление, например, хлорида натрия из морской воды на глубинах более 40 м должно происходить, если вода на глубинах менее 40 м далека от насыщения хлоридом натрия, на глубинах от 40 до 100 м лишь несколько ненасыщена им (по-видимому, из-за некоторой диффузии вверх), а на глубинах более 100 м полностью насыщена. На осаждение хлорида натрия из всего водного слоя, лежащего ниже отметки 40 м, указывает также наличие массивных отложений (главным образом хлорида натрия) на дне Мертвого моря на глубинах, превышающих 40 м.

Таким образом, нижний водный слой Мертвого моря можно рассматривать как реликтовую массу воды, из которой на протяжении многих тысячелетий происходило осаждение хлорида натрия. На последнем этапе истории Мертвого моря этот рассол должен был изолироваться от атмосферы в результате накопления более разбавленного верхнего слоя воды, происхождение которого, по-видимому, связано с изменениями водного баланса в окружающем регионе. Приток воды в

поверхностный слой должен был содержать растворенные соли; дополнительное поступление солей в поверхностный слой обусловливалось очень засоленными паводковыми водами, а также диффузией вверх ионов из нижнего слоя воды. Только таким образом можно объяснить высокую соленость верхнего слоя воды в современном Мертвом море.

Постепенное уменьшение температуры и солености воды при продвижении вверх в самом верхнем 60-метровом участке нижнего водного слоя, по-видимому, обусловлено теплопетэеносом и ионной диффузией между слоями. Однако диффузия представляет собой настолько медленный процесс, что хотя граница раздела между слоями постепенно опускается, полное перемешивание всей массы воды в Мертвом море должно произойти еще очень нескоро.

Осадки, накапливающиесся в настоящее время на дне Мертвого моря, имеют главным образом химическое происхождение. Они состоят почти полностью из гипса (одна из форм сульфата кальция), а также из арагонита и кальцита (формы карбоната кальция). Гипс и арагонит осаждаются с поверхности воды по всей площади моря; при этом осаждение гипса происходит быстрее, чем возобновление сульфат-ионов из реки Иордан и других небольших рек, впадающих в Мертвое море. Ключ к этой загадке заключается в следующем.

Более глубоководные отложения содержат меньше гипса, чем кальцита и арагонита, хотя гипс образует донные отложения в прибрежной зоне, подверженной воздействию волн. Геохимические исследования указывают на то, что бактерии превращают глубоководные осадки гипса в сероводород и кальций. Кальций соединяется с карбонат-ионами, образуя кальцит, а сероводород диффундирует

вверх, проникает в верхний слой воды и реагирует там с растворенным в воде кислородом, снова образуя сульфат-ионы. Эти ионы опять соединяются с кальцием, и таким образом завершается цикл, в котором принимает участие гипс. В результате суммарное осаждение гипса оказывается больше его эффективного ежегодного поступления; по мере осаждения гипса сульфат-ионы вступают в циклический процесс на дне моря и возвращаются оттуда на поверхность, чтобы снова превратиться в осадки.

Д. Неев, К. О. Эмери (Сайенс Джорвел, декабрь, 1966)

После изучения главы 8 вы сможете;

1) провести различие между сильными электролитами, слабыми электролитами и неэлектролитами и приводить примеры каждого из них;

2) описать экспериментальные данные, свидетельствующие об электролитической диссоциации,

3) формулировать и применять закон разбавления Оствальда;

4) излагать основные положения теории Бренстеда-Лоури, в которой для объяснения свойств кислот и оснований вводится представление о переносе протона,

5) провести различие между сильными и слабыми кислотами;

6) провести различие между сильными и слабыми основаниями,

7) привести примеры а) кислот и оснований, образующих сопряженные пары; б) амфотерных веществ;

8) объяснить смысл терминов льюисова кислота и льюисово основание и привести их примеры;

9) вычислять константы диссоциации и значения по заданным данным.

10) объяснить смысл и применимость следующих понятий: а) значение ионное произведение воды;

11) вычислить значения водородного показателя

12) объяснить смысл следующих терминов: а) константа диссоциации индикатора; б) границы изменения окраски индикатора;

13) рисовать и интерпретировать четыре типа кривых кислотно-основного титрования;

14) привести примеры кислотно-основных реакций в водных растворах солей;

15) объяснить принцип действия буферных растворов и описать их применение;

16) использовать уравнение Гендерсона для вычисления pH и концентраций;

17) вычислять растворимость различных соединений и произведения растворимости;

18) объяснить сущность эффекта общего иона и привести его примеры;

19) записать выражения для констант устойчивости комплексных ионов, образующихся в водных растворах;

20) провести различие между катионообменниками и анионообменниками и привести примеры каждого из них;

21) кратко описать различные применения ионного обмена.