天津科技大学化学海洋学复习资料

1第一章：海水的化学组成1.海水中化学成分分成哪几类？如何理解这种分类方式？(1)海水的元素构成：常量元素：含量大于1mg/kg的元素，共15种。分别是O、H、Cl、Na、mg、S、Ca、K、Br、C、N、Sr、B、Si、F。微量元素：含量小于1mg/kg的元素。(2)海水中的化学物质组成：主要成分：在海水中浓度大于1mg/kg的成分。包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Cl－、SO42－、Br－、HCO3－(CO32)、F－、H3BO3共11种成分。营养元素：非保守成分(生原要素或营养盐)N、P、和Si；微量营养元素As、Co、Cu、Fe、Mn、Mo等。微量元素：在海水中的含量小于1mg/kg的元素。溶解气体：海水中溶有大量的气体，它们主要来源于大气。如氧、二氧化碳、氮及惰性气体等。海水中的有机物质：海水中的有机物质，包括有生命的生物体、生物残体、生物的代谢物、排泄物和溶解有机物。悬浮颗粒：可以在海水中悬浮数天的固体颗粒。2.海水中的常量元素、主要成分都是哪几种？（参看第1题）3.什么是海水组成的恒定性？是谁首先提出的？1819年，Marcet提出“全世界所有的海水水样都含有同样种类的成分，这些成分之间具有非常接近恒定的比例关系，而这些水样之间只有含盐量总值不同的区别”。1884年Dittmar仔细地分析和研究了“挑战者”号调查船在环球海洋调查航行期间从世界各大洋中不同深度所采集的77个海水水样，结果证实海水中主要溶解成分的恒比关系，即“尽管各大海各海区海水的含盐量可能不同，但海水主要溶解成分的含量间有恒定的比值。4.什么是海水中的溶解气体？海水中的溶解气体主要指溶存形式的气体分子，而不是指“气泡”，前者分布在海水的各个深度，后者集中出现在表层。海水中的溶解气体种类（1）活性气体和非活性气体。参与海水中生物和化学反应的气体称为活性气体，又称非保守气体；例如CO2、O2；不参与生物和化学反应，仅受物理过程影响的气体称为非活性气体，又称保守气体；例如惰性气体和氮气。（2）微量气体。以空气中的含量为区分标准，除N2、O2、Ar、CO2外的气体，例如：甲烷和一氧化碳。（3）放射性气体。例如；3H、222Rn、3He。5.海水是怎样形成的？海水物质的来源？(1)最初的海水是伴随地球本身的形成，较轻物质从接近地核的中心向地表迁移形成大气和海水雏形；(2)在地球地质结构成熟(15亿年)以前，原生火成岩中易溶物质和频繁的火山喷发带来的酸性挥发物质溶于地表水中，汇成海水；(3)在地球地质状况进入稳定期后，陆地岩石风化后淋滤水携带溶解物质通过径流入海是海水物质的主要来源。海洋中大部分的阳离子和一小部分阴离子看来似乎是来源于火成硅酸盐的风化和火山的排出物，并由河流带入海洋。也有一部分来自海底的水热作用产物。多数主要阴离子是来源于挥发性物质。6.理解表1.2与Goldschmidt模型的关系。图1-4Goldschmidt地球化学平衡模型示意表1.2海水中常量元素的种类和含量7.会计算元素或某中成分在海水中的停留时间。掌握几种主要元素的平均停留时间：富集元素：Cl、Br、Na、Mg、K、S、B、Sr、Rh、U、Ca、C、F预平衡元素：N、P、Si、I原原生生火火成成岩岩风风化化海海水水沉沉积积物物分分配配风化总量Ai元素浓度ai形成沉积量Bi元素浓度bi海水总量Ci元素浓度ciAai=Bbi+Cci2贫乏元素：Al、Fe、Mn、Cu。Q、R：元素y输入、输出海洋的速率M：元素y在海洋中的总量显然：dMy/dt=Qy－Ry经无数次循环，海洋与地壳岩石间元素分布基本平衡。所以有：dMy/dt=Qy－Ry=0该式称为稳定海洋假设，即对同一种元素y而言：Qy=Ry；但不同元素之间的Q或R各不相同。海水中某种元素y的平均停留时间定义如下：ty=My/Qy利用平均停留时间定义式，可以进行各种元素平均停留时间的计算，也可以对海水中其他组分（例如海水中的水分）进行这种计算；海洋中水的停留时间tW≈4000年（这里海水平均深度4000m、以海水平均蒸发量1m/yr作为海洋中水的输出速率）。8.对维持海水化学组成的机制的理解：⑴影响海水化学组成的本质因素是元素的特性，主要是元素的水溶性和元素在海水中的地球化学活性；另外，元素在地球体系中的总存在量也制约着元素在海水中的浓度。解释：元素在海水中以溶解态存在的前提是该元素存在形式是水溶性的，水溶性越强，海水中含量越多；在海水体系中，某元素的地球化学活性越弱，海水中含量越多。不同元素的特性相异，导致海水各元素的含量差异。如果一种元素在地球中本来存在量就小，那么它在海水中的浓度也不会大。⑵维持海水化学组成的机制，有几种理论进行解释。A.元素的地球化学循环平衡过程作为维持机制。即：海水中某种元素的多少，是由该元素在地球各储库间的大循环、大平衡所决定的。地球进入稳定期（距今15亿年）以来，各元素在各储库间已达到了地球化学循环的平衡，作为储库之一——海水的化学组成无实质变化。这意味着各种元素已经在海水与地壳岩石、海水与大气间建立了化学平衡。相比之下，海水中生物循环过程只对局部海水的元素构成产生影响，但实际上它只是内部循环，短时间尺度有影响；长时间尺度看，不能作为整体海水化学组成的维持机制。B.海水中的其它化学过程作为维持机制。包括酸-碱反应，氧化还原反应，溶解-沉淀反应，络合反应，气-液和液-固反应。但是，在这些反应过程，有的属于海水的内部循环，短时间尺度有影响；其余属于元素地球大循环（即①）的组成部分。C.溶存元素-矿物平衡过程作为维持机制。克雷莫（Kramer，J.R.1965）提出的理论。他研究了海水中的10种主要成分，H+，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，PO43-，SO42-，Cl-，F-，CO2。认为这些溶存组分和在海底沉积物中出现的矿物之间存在着化学平衡，海水中这些元素的浓度就是由这种化学平衡关系来决定的。该理论还有待验证。显然溶存元素-矿物平衡属于元素地球大循环（即①）的组成部分。综上所述，维持海水化学组成的因素有两方面：⑴本质因素是元素的特性，主要是元素的水溶性、元素在海水中的地球化学活性和元素在地球体系中的总存在量。⑵过程因素是元素的地球化学循环平衡过程。9.元素的（分离）分配系数和电负性函数关系如何？两者的定义和物理意义？(答案提示：分离分配系数与电负性函数的关系要强调线性递减（负相关）关系，同时注意电负性函数不等同于电负性。)分离分配系数的物理意义：它反映了海水中的目标元素浓度与其在地壳岩石中浓度的相对大小。电负性函数的物理意义：以氧为参比元素，综合表征了元素（地球）化学性质的差异。10.海水中富集、贫乏和预平衡元素划分的具体标准是什么？若以cs、cr分别表示元素y在海水和河水中平均浓度（单位µmol/kg）。可将海水中元素粗略划分如下：海洋储库Ｍ［相当于CSTR］输出R输入Q3(1)海水富集元素：cs＞10cr在漫长的地质年代里不断聚集，充分混合，相互间的浓度比例基本保持恒定(变化在±10%以内)。(2)海水贫乏元素：cs＜0.1cr与河水比较，海水中这些组分含量少，一旦进入迅速从海洋中离去，因此在整个海洋中的分布是不均匀的，不同海区浓度差异常常很大。(3)预平衡元素：10cr＞cs＞0.1cr在河水和海水中的浓度相近，流入海洋的该元素似乎是被河水“预平衡”的。11.盐度与氯度的定义和单位？如何测定？海水的盐度和氯度（范围）分别是多少？盐度定义为：在1千克海水中，所有的溴化物和碘化物为等摩尔的氯化物所取代，所有的碳酸盐全部转换为氧化物，有机物全部被氧化以后所含固体物质的总克数，以克/千克为单位，用符号S‰表示。氯度定义为：在1千克海水中，当溴和碘为等摩尔的氯取代后，所含氯的克数。以克/千克为单位，用符号Cl‰表示。新定义为：沉淀0.3285234千克海水中卤素所需银的克数。测定方法：（1）1902年国际海洋学委员会规定下列操作方法：取一定量的海水，用HCl酸化以后，再加氯水，在水浴上蒸干，而后放在150℃烘干24小时，最后先后在380℃及480℃分别烘烧48小时至恒重，称出每千克海水残留固体物的重量。（2）电导法测定。第二章海水中的微量元素1.微量元素的界定值。研究微量元素的意义。微量元素的界定值：1mg/kg研究微量元素的意义：(1)微量元素虽然含量少，但也参与了海洋中的各种生物化学过程；(2)相同的海洋过程对微量元素的含量的影响要比常量元素更明显，或者说同一海洋过程所造成的微量元素的相对变化幅度要大于常量元素，这使我们更容易发现问题。2.叙述1970s后期海水微量元素研究的变化。变化的背景是什么？这种变化表现在两个方面：1）采样更科学和分析技术更精确。采样技术的改进使得我们可以在尽可能地避免样品沾污的条件下采集海水样品；分析技术的改进后得到的分析仪器和分析方法的检测限更低、能够得到更为精确的微量元素含量值。2）海洋学界公认的微量元素含量值普遍比之前低1～2个数量级。经过海洋学上的一致性检验的微量元素含量数据普遍降低。3.什么是“海洋学上的一致性”？痕量元素的浓度的时空变化与海洋中已知的生物过程、物理过程、地质过程相一致。或者说，海洋中经过相同的物质循环过程的微量元素间应有较好的相关关系。他们在海水中应有类似的分布。或者说，实测数据能用海洋中已知的生物过程、物理过程、地质过程解释。4.布鲁兰分类法的优点是什么？其他分类方式有哪些？(1)直观地描述了微量元素的空间分布。(2)其他分类方式：1）根据平均停留时间分类法——角皆静男等于1983年提出的。2）根据与生物的关系的分类法——Broecker和彭宗宏于1982年提出的。3）根据痕量元素在海水中的垂直分布进行分类——Bruland于1983年提出的。5.海洋中微量元素的输入和再生方式有哪些？哪种输入量最大？输入方式：（1）两种主要的外部来源：A.大气或河流把陆地岩石风化的产物输入到海洋中。B.通过海水的相互作用在海脊伸展中心引入矿物，形成海洋地壳玄武岩，经由高温热液活动和低温的相互作用重新释放痕量元素。（2）热液活动，海底高温的热液活动把痕量元素引入海水中。（3）伴随中层、深层颗粒物质的氧化分解及浮游生物外壳骨骼（硅酸、CaCO3）的溶解而发生的再生过程。（4）伴随沉到海底的沉积物的重新溶解而发生的再生过程。海水中微量元素的再生：（1）颗粒相的再生作用：颗粒物质的产生、沉降、分解是控制海洋中微量元素分布的重要因素。颗粒物绝大多数起源于表层，在更深水层，沉降中的颗粒氧化分解、溶解作用使其中的微量元素得以释放，返回海水中。（2）沉积相的再生作用：沉积物中微量元素的重新溶解并进入海水，是海洋中微量元素循环的关键过程之一。6.熟悉移流-扩散方程的形式和简单的推导。AZ、AX、AY的取值范围是多少？举例说明什么情况下R值为正、为负、4为零。大洋中任意一点处某一成分浓度的改变，可看作是移流（海水水团在三维空间的宏观运动，即通常所谓的海流，如上升流等）和涡流（湍流）扩散综合作用的结果。借用分子扩散理论，则涡流（湍流）扩散速率可以用费克定律描述。例如:垂直方向(向下为正，水表z=0)在大洋水体中取某微元体积，对某一成分作物料衡算：浓度增加速率=扩散进入净速率+内部生成净速率-移流迁出净速率得到组分浓度的移流-扩散方程[一般式]：在大洋中AZ的范围通常是0.1到103厘米2/秒；而AX和AY的范围是104到108厘米2/秒。举例：A、当一个（生物、化学）反应过程造成目标元素在水体中浓度增加时，R＞O，例如海水中光合作用为主时，水体中的溶解氧增加。B、当目标元素不参与（生物、化学）反应过程时，R=O，例如海水中的保守行为元素即是如此。C、当一个（生物、化学）反应过程造成目标元素在水体中浓度减少时，R＜O，例如海水中放射性元素，放射性衰变反应过程总是使其浓度减少。7.能够根据移流-扩散方程一般式，针对元素的特征分布和具有特定环流环境的海域给出各种简化模型的数学表达式。也会逆向描述数学模型的所适宜的元素分布和海洋环境。什么是单行为模型？单行为模型：