Какво е морска вода

[T-rex]

Преведено от статията на Ранди Хомс



Морската вода е сложен разтвор, съдържащ голямо разнообразие от органични и неорганични химикали. Без практически познания за това какво се съдържа в естествената морска вода, често е трудно да се оценят проблемите в аквариума, както и твърденията на производителите и други акваристи за това какви добавки и методологии е желателно да се използват за поддържане на рифови аквариуми.

Тази статия се стреми да даде по-добро разбиране за това какво се случва в морската вода, отколкото една проста таблица с концентрациите на елементи, въпреки че са предоставени и такива таблици.

Молекулата на водата е съставена от два водородни атома, свързани с един кислороден атом (H2O ; Фигура 1).

Водата съставлява около 96,5% от масата на естествената морска вода. Аквариум от 100 галона съдържа приблизително 12 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 водни молекули. Едно от най-важните свойства на водата е, че тя е предимно течност, а не газ, при стайна температура. Повечето други молекули с подобен размер и тегло (напр. кислород, O2 ; азот, N2 ; амоняк, NH3 ) са газове при стайна температура. Причината водата да е течност е, че тя образува силни междумолекулни водородни връзки, при които водородният атом от една водна молекула образува преходна химическа връзка, наречена водородна връзка, с кислородния атом в близка водна молекула. Въпреки че всяка от тези връзки трае само за части от секундата, тя бързо и многократно се възстановява, след като бъде разкъсана. Тази мрежа от водородни връзки ( Фигура 2 ) държи водата в течно агрегатно състояние, вместо да я оставя да се разпръсне като газ.



Освен това, диполярната природа на водата ѝ позволява да взаимодейства силно със заредени йони в разтвор. Няколко водни молекули, например, се групират около всеки йон и се ориентират, за да се възползват от...тези йонни и частични йонни взаимодействия. Например, водата се ориентира с кислородните си атоми, насочени към положително заредения калциев йон (Ca ++ ) в разтвора. Този ефект е много важен за много свойства, от разтворимостта до осмотичното налягане.




Физически свойства на морската вода

Морската вода има по-висока плътност от сладката вода, поради по-високата плътност на разтворените в нея соли. Морската вода със соленост от 35 ppt е около 1,0264 пъти по-плътна от сладката вода при същата температура и затова се казва, че има специфично тегло от 1,0264. Това свойство е причината хидрометрите да са подходящ начин за измерване на солеността.

Морската вода също пречупва светлината (пречупва преминаващата през нея светлина) повече от сладководната. Този ефект се дължи на по-пречупващия характер на йоните в разтвора в сравнение със сладководните. Коефициентът на пречупване на сладководните води е около 1,33300, докато този на морската вода със соленост 35 ppt е около 1,33940. Рефрактометрите се възползват от това свойство и позволяват на акваристите да измерват солеността чрез коефициент на пречупване.

Заредените йони в морската вода могат да провеждат електричество. Това свойство не само прави аквариумите с морска вода опасни от гледна точка на електрическата безопасност, но и позволява на акваристите да измерват солеността чрез проводимост . Колкото повече заредени йони са налични, толкова по-висока е проводимостта, а устройство, което може правилно да измерва проводимостта, може да доведе до полезни определяния на солеността. Проводимостта на морската вода със соленост от 35 ppt е 53 mS/cm, докато за пречистената сладка вода тя е под 0,001 mS/cm.

Когато морската вода се изпарява, тя навлиза в атмосферата, но солите обикновено остават. Тези соли могат да станат все по-концентрирани, ако изпарената вода не се долее с прясна или ако се замести с  още морска вода, съдържаща допълнителни соли. Когато това се случи в езеро за събиране на сол, може да е желателно, но ако се случи в затворена лагуна или морски аквариум, солеността може да се повиши до точката, в която морските организми са стресирани или убити.

Морската вода, с многото си заредени йони, има по-високо осмотично налягане от сладководната. Накратко, водата ,,предпочита" да се смесва със заредените йони. Тоест, тя е в по-ниско енергийно състояние, когато съдържа заредени йони, поради причините, описани в предишния раздел. Следователно, ако сладководната и солената вода са разделени от мембрана, през която може да премине само вода, водата ще тече от сладководната в солената вода. Ако този процес се уравновеси, водата ще тече, докато концентрациите на сол от двете страни станат еднакви, или, ако се позволи да се повиши налягането, той ще продължи, докато по-високото водно налягане от страната на морската вода не се отблъсне срещу входящата вода, за да я спре. Това налягане се нарича осмотично налягане. Осмотичното налягане между морската вода с концентрация 35 ppt и сладководната вода е 25,9 бара (25,5 атмосфери) при 25°C.

Тъй като водата се привлича от соли в морската вода, налягането на водните пари над морската вода е по-ниско, отколкото над сладката вода при същата температура. То е с около 2% по-ниско спрямо морската вода, която при 25°C е 23,323 mm Hg, докато сладката вода има налягане на парите от 23,756 mm Hg при същата температура.

Йоните и другите разтворени химикали обикновено бързо дифундират и се смесват през няколко фута вода. Аквариум с типична циркулация няма да покаже значителни разлики в химичните свойства като функция на дълбочината или в целия аквариум, освен в случаите на непрекъснато добавяне на добавки (като капеща варова вода), които може да отнемат време, за да се смесят напълно. Океанът, където разстоянията са много по-големи в сравнение с движението на теченията и дифузията за период от няколко дни, може да покаже значителни вариации в химичния състав като функция на дълбочината и местоположението.

Морската вода със соленост 35 ppt има точка на замръзване, която е с 1,9°C по-ниска от сладководната. Това понижаване на точката на замръзване се получава, защото йоните във водата са склонни да я правят по-стабилна в течна форма, отколкото в твърдо състояние. Когато морската вода замръзва, повечето йони се изключват от леда, въпреки че някои, като например сулфати, могат да бъдат включени до известна степен. Следователно, солите в морския лед не съответстват на състава на морската вода.

PH
Обикновено се посочва, че pH на морската вода е 8,2 ± 0,1, но може да варира, тъй като фотосинтезата консумира въглероден диоксид локално, а дишането на организмите съответно произвежда такъв. PH също варира в зависимост от географската ширина. То е функция и на дълбочината по различни причини, включително фотосинтеза близо до повърхността, разлагане на органични вещества в средните дълбочини (понижаване на pH до 7,5 на 1000 метра) и разтваряне на калциев карбонат в много дълбоки води (повишаване на pH обратно до около 8). В затворени лагуни pH може да се променя циклично -с разлики между дневно и нощновреме, точно както в рифов аквариум, повишавайки се с няколко десети от pH единица през деня. При специални обстоятелства морската вода може да има много по-ниско pH. Морската вода в мангровите гори, където присъстват силно редуциращи седименти, може да намали pH под 7,0. В открития океан, където има много по-голям обем вода, съдържаща буфери, pH се колебае малко. Тъй като хората добавят въглероден диоксид в атмосферата, повече въглероден диоксид е добавен и в океаните, което води до последващ спад на pH. Това е едно от въздействията, които хората са оказали върху океаните, което тревожи еколозите по отношение на въздействието му върху калциращите организми, особено върху кораловите рифове, но също и върху други системи, включващи организми като фораминиферите, които имат варовикови скелети и са важни звена в много морски хранителни вериги.

Алкалността на естествената морска вода е предимно мярка за бикарбонат плюс два пъти концентрацията на карбонат. В океана тя варира в зависимост от местоположението и дълбочината. В повърхностните води тя обикновено варира между около 2,25 и 2,45 meq/L (6,3 до 6,9 dKH) и често се променя в зависимост от промените в солеността. В дълбоки води и издигащи се води тя може да е по-висока поради разтваряне на калциев карбонат , което се дължи на налягането.

Елементи в морската вода

Почти всеки елемент, известен на човека, е бил открит в морската вода. Някои от тях присъстват в много високи концентрации, а други са изключително редки. Този уебсайт показва периодичната таблица с елементи към които може да се посочи с курсора, за да се види концентрацията на всеки от тях в морската вода, както и множество други свойства на елемента. Разделите, които следват в тази статия, описват подробно концентрациите и други интересни аспекти на много от елементите, представляващи най-голям интерес за рифовите акваристи.

Големите четири йона

Повечето от съставките на морската вода са неорганични йони. Фигури 3 и 4 (по-долу) показват основните йони, присъстващи по тегло и брой. Натрият и хлоридът (двата йона в готварската сол) са двата основни йона в морската вода. С 19 000 ppm за хлорид и 10 500 ppm за натрий, те съставляват съответно 54% и 30% от общото тегло на йоните в морската вода. Следващите два най-често срещани йона, магнезият (с 1280 ppm) и сулфатът (с 2700 ppm), съставляват съответно 3,7% и 7,7% от теглото на йоните в морската вода. Заедно тези четири йона съставляват почти 96% от теглото на присъстващите йони.



Макар че тези факти може да изглеждат маловажни за акваристите, те имат значителни последици. Например, солеността на морската вода, независимо дали е измерена с хидрометър, рефрактометър или измервател на проводимост, се определя доминирано от тези четири йона. Отклоненията в концентрацията на който и да е друг йон, дори и да са значителни по други причини, няма да променят съществено тези измервания. Например, дали калцият е 300 ppm или 500 ppm, няма да се забележи при типично определяне на солеността. Тази разлика представлява само 0,6% промяна в общото тегло на наличните соли, променяйки солеността от 35 ppt на 34,8 ppt. По същия начин, независимо дали алкалността е 5 meq/L (14 dKH) или 2 meq/L (5,6 dKH), промяната в солеността е само около 0,5%.

Друго важно следствие от високата концентрация на тези други йони е, че те се движат много бавно, когато са нарушени от добавки и храни. Например, добавянето на калциев хлорид повишава хлорида повече, отколкото калция, но тъй като вече има фон от 19 000 ppm хлорид, подобни добавки не нарушават бързо относителните съотношения на различните йони в морската вода.



Интересен (поне за химиците) е фактът, че тъй като сулфатният йон (SO4- ) тежи четири пъти повече от магнезиевия йон (Mg ++ ), той всъщност присъства в по-малки количества от магнезиевите йони (Фигура 4), въпреки че е с по-висока концентрация, базирана на тегло (Фигура 3). Друг коментар относно концентрациите на магнезий в морската вода - съдържанието на магнезий в морската вода, заедно с това на други йони, не е постоянно от началото на образуването на океаните. По-конкретно, то често е било по-ниско, например в края на периода Креда. Количеството магнезий, включено в калциево-карбонатните скелети на организми като коралите, е функция на това колко магнезий има във водата. Следователно, съдържанието на магнезий в древните седименти може да бъде значително по-ниско от по-съвременните от подобни организми. Освен че е интересен факт, този резултат може да играе роля и в пригодността на някои варовикови находища за поддържане на магнезий в аквариуми. Например, такъв варовик понякога се използва в CaCO3 / CO2 реактори или като суровина за производство на калциев хидроксид (вар). Ако е с ниско съдържание на магнезий, може да са необходими допълнителни добавки, за да се поддържат съвременните концентрации на магнезий в морската вода.

Другите основни йони

Основните компоненти на морската вода обикновено се определят като йони, присъстващи в количество, по-голямо от 1 милионна част (ppm) или 1 милиграм на литър (mg/L) (Таблица 2). Различно определение за основни йони, базирано на броя на присъстващите йони, а не на теглото им, има малко по-различен списък, като се добавя литий (0,17 ppm). Заедно тези йони представляват 99,9% от разтворените вещества в морската вода.

Един важен момент относно тези концентрации: те са верни само за типична морска вода, която съдържа около 35 тегловни части сол на хиляда части морска вода (35 ppt). Тази морска вода има специфично тегло около 1,0264, което може да е по-високо от това, което се поддържа в много морски аквариуми. Тъй като солеността на морската вода варира, тези концентрации обикновено се променят едновременно нагоре и надолу. Следователно, ако един аквариум съдържа вода със специфично тегло 1,023, солеността е около 30,5 ppt и всички концентрации в Таблица 1 са намалени с около 13 процента.

Всички тези основни йони са по същество непроменени по концентрация на различни места в океана, освен ако промените в солеността не ги преместват всички заедно нагоре или надолу. Йоните, чиято концентрация не се променя от място на място, се наричат йони от ,,консервативен тип", описание, което се отнася и за някои от второстепенните и микроелементите, които са разгледани по-долу.

Основните йони включват тези, които са критични за акваристите, като калций и бикарбонат, и други, които по-рядко се вземат предвид, като калий и флуорид.

Органичните молекули могат също да отговарят на определението за основен компонент на морската вода (Таблица 2), но традиционно не се считат за основен вид в морската вода.

Малки йони

Съществуват различни определения за това кои йони в морската вода представляват ,,малките йони". Според някои определения списъкът със съставки е доста дълъг. Таблица 3 показва само няколко от съставките на морската вода, които често се обозначават като малки йони. По-изобилните от тях понякога се обединяват с основните йони (като литий), докато най-малко разпространените (като желязо) често се обединяват с микроелементи. Йоните в тази категория често варират значително в зависимост от местоположението в океана. Това е главно защото много от тях са тясно свързани с биологичната активност. Тези йони могат да бъдат локално изчерпани, ако биологичната активност е достатъчно висока. Йоните, които варират по този начин, се наричат йони от ,,хранителен тип", защото се консумират от един или повече вида организми.



Разтворени атмосферни газове

Всеки газ, присъстващ в атмосферата, ще присъства и в морската вода. Много от тях не са важни за рифовите акваристи, но два са от решаващо значение: кислород и въглероден диоксид. Освен въглеродния диоксид, всички газове имат по-ниска разтворимост в морската вода с повишаване на температурата и солеността.

Кислородът обикновено е най-силно концентриран близо до повърхността на океана. В горните 50 метра концентрацията на кислород се контролира до голяма степен чрез обмен с атмосферата и обикновено е близка до равновесие с въздуха. Между 50 и 100 метра нивото на O2 често се повишава поради фотосинтезата. Под около 100 метра в открития океан нивото на кислород спада постоянно,a през следващите 1000 метра поради биологични процеси, които го консумират. След това понякога нивото се повишава отново в по-дълбоките океани, тъй като кислородът там се попълва от потъваща студена океанска вода, богата на кислород.

Въглеродният диоксид е специален случай. Той се хидратира при контакт с вода, за да образува въглеродна киселина, която след това може да се йонизира (разпадне) до водородни йони, бикарбонат и карбонат, както е показано по-долу.

CO2 + H 2 O <--> H2CO3 <--> H + HCO 3 <--> 2H + CO 3

Поради тази причина въглеродният диоксид е много по-разтворим в морската вода, отколкото всеки друг атмосферен газ. Той е по-разтворим от всички останали газове взети заедно, като всъщност общата му разтворимост е около 100 ppm въглероден диоксид.

Микроелементи

Много се дискутира темата за микроелементите в морските аквариуми и то с основание. Повечето химикали, разтворени в морска вода, се класифицират като микроелементи, просто защото много йони и молекули присъстват в много ниски концентрации. В много случаи концентрацията на тези йони варира от място на място, а също и в зависимост от дълбочината.

Много микроелементи са метали. Докато хората обикновено възприемат разтворените тежки метали като токсични, няколко от тях са от съществено значение за организмите. Тяхната токсичност е свързана предимно с тяхната концентрация: златната среда е от съществено значение, където достатъчно от всеки от тези метали присъства, за да съществува живот, но не е наличен толкова много, че да е токсично. Добър пример е медта. Тя присъства в естествената морска вода в количество от около 0,25 части на милиард (ppb), което е около хиляда пъти по-малко от токсичните нива, често използвани за убиване на микроорганизми при лечението на болни морски риби. Медта обаче е необходима за оцеляването на много животни.

За разлика от повечето основни йони, много от второстепенните и микроелементите приемат много различни форми в морската вода. Следователно, еднократна мярка за количеството на даден атом (напр. мед, йод или желязо) казва малко за неговите различни форми, неговата бионаличност за организмите или неговата токсичност. Йодът в морската вода, например, приема формите на йодид (I⁻ ) , йодат (IO3⁻ ) и органойодни съединения, от които има много, включително метилйодид (CH3I ) . В някои случаи тези разлики са добре установени за естествената морска вода, а в други случаи, като например метали, свързани с органични вещества, те продължават да бъдат слабо разбрани. Може да се каже обаче, че много по-малко се знае за тези проблеми в рифовите аквариуми, където често се добавят неестествени материали (напр. хелатни метали, йод като I2 и др.) и концентрациите на определени видове може да са много по-високи (или евентуално по-ниски), отколкото в естествената морска вода (метали, органични вещества, фосфати, нитрати и др.).

Органични продукти

Природата на органичните молекули със сигурност е най-сложният аспект на химията на морската вода. Неотдавнашна статия в списание ,,Nature" гласи:

,, Разтворената органична материя (dissolved organic matter, ще наричаме за по-лесно DOM) в морската вода е най-големият резервоар на обменим органичен въглерод в океана, сравним по количество с атмосферния въглероден диоксид. Съставът, времето на обмяна и съдбата на всички, с изключение на няколко, планктонни съставки на това вещество обаче са до голяма степен неизвестни. "

рганичните съединения се определят от химиците като такива, които съдържат въглеродни и водородни атоми. Те могат да съдържат и други атоми и често съдържат както азот, така и фосфор. Органичните материали имат много важни свойства в морската вода, включително това, че са храна, токсини и свързващи метали агенти. Те също така причиняват повечето миризми, могат да инхибират абиотичното утаяване на калциев карбонат и да намалят проникването на светлина през водата.

Океанографите често класифицират органичните материали като разтворена органична материя (DOM) или частици органична материя (particulate organic matter POM). Определението е оперативно, като DOM се определя като всички органични материали, които могат да преминат през филтри с размери 0,2 - 1,0 мм, а POM са всички материали, които се задържат от такива филтри. Макар че това определение е полезно и лесно за тълкуване, то може да бъде донякъде подвеждащо. Химик, когато бъде попитан за капка масло с размер 0,2 мм във вода, не би твърдял, че е ,,разтворено" във водата, но би попаднало в определението за DOM.

В рифов аквариум и в природата, нещата, описани като POM, включват живи организми, като някои бактерии и фитопланктон (и всички ,,разтворени" органични материали в телата им). Това би включвало и това, което акваристите често наричат детрит: натрупаните частици органичен материал, които възникват от части от мъртви организми и струпванията на разтворени органични материали.

Химичната природа на органичната материя в океана е слабо проучена. Част от причината за тази липса на разбиране произтича от огромното разнообразие от органични материали, които съществуват в океаните. По същество няма ограничение за броя на различните органични съединения, които са теоретично възможни, и факт е, че милиони органични съединения са били синтезирани или идентифицирани. Идентифицирането и количественото определяне на всеки възможен органичен материал в морската вода просто не е възможно, поне със съвременните технологии. Следователно, идентифицирането на формата, която органичните материали приемат в океана, най-често включва групирането им в класове чрез функционален тест, като например дали могат да бъдат извлечени от водата с хидрофобен разтворител, дали съдържат азот или фосфор и т.н. Само малък брой органични съединения са били индивидуално идентифицирани и количествено определени в морската вода, съставляващи 4-11% от общия органичен въглерод.

Разтвореният органичен материал в океаните често се измерва по отношение на съдържанието му на въглерод и се нарича разтворен органичен въглерод (dissolved organic carbon-DOC) и частичен органичен въглерод (particulate organic carbon - POC). Повърхностните океански води обикновено съдържат около 0,7-1,1 ppm DOC. Частичните органични материали (POM) са по-сложни за количествено определяне от DOM, защото по дефиниция POM включва всички органични материали по-големи от 1 mm (микрон). Това определение включва всичко - от бактерии до китове. Идентифицирането им като отделни химикали също е безплодно упражнение. Въпреки това, суспендираният POC често е по-малко изобилен от DOC, често с порядък.

Как се държат йоните в морската вода?

В предишните раздели описахме какви йони присъстват в морската вода, но не и как те взаимодействат помежду си. Основните и второстепенните неорганични йони в морската вода се движат независимо едни от други, образувайки непрекъсната мъгла от заредени йони, движещи се през водата.

Много от йоните обаче са частично и временно свързани един с друг в разтвора и не действат като напълно отделни видове. Тенденцията за образуване на йонни двойки в разтвор е много по-разпространена за някои йони (напр. калций, Ca2 + ; магнезий, Mg2 + ; карбонат, CO3- ; флуорид , F⁻ ; хидроксид, OH⁻), отколкото за някои други (напр. натрий, Na + ; калий, K + ; хлорид, Cl-; бромид, Br-). Като цяло, тенденцията за образуване на йонни двойки е по-висока за йони с по-висок нетен заряд. Такива йонни двойки имат значително влияние върху различни свойства на морската вода, които са от голямо значение за акваристите, като например разтворимостта на калциев карбонат .

Как се държат йоните в морската вода: Прости йони

Най -простите положително заредени йони в разтвора са натрий (Na⁺ ) и калий (K⁺ ) . Те са предимно свободни йони, с обвивка от три или четири здраво свързани водни молекули, прикрепени към тях. Това е известно като ,,първична хидратационна сфера". Тези водни молекули са сравнително здраво свързани, но бързо се обменят с други водни молекули от обема на разтвора (със скорост от около милиард обмена в секунда за всеки йон!). Отвъд тази първа обвивка има още 10 до 20 водни молекули, които са по-слабо свързани, но все още са силно повлияни от металния йон. Тези видове хидратиращи водни молекули присъстват за всички йони в разтвора и няма да бъдат споменавани по-нататък за всеки йон поотделно.

Малка част от натрия и калия (около 5%) съществуват като йонни двойки със сулфат, образувайки NaSO4⁻ и KSO4⁻ . Този тип йонна двойка се разглежда най-добре като временна асоциация между двата йона и може да продължи само за много малка част от секундата, преди йоните да се разделят. Въпреки това, този тип асоциация може да има важни последици за поведението на тези йони. Йоните, образуващи такива двойки, всъщност се ,,докосват". Тоест, повечето или всички хидратиращи водни молекули, които са между тях, са временно отстранени. Това премахване на междинните водни молекули е основната разлика между йонните двойки и йоните, които са просто близо един до друг.

Най-простите отрицателно заредени йони, хлорид (Cl⁻ ) и бромид (Br⁻ ) , образуват малко йонни двойки в разтвор. Те присъстват предимно под формата на хидратирани свободни йони, съответно с две и една здраво свързани водни молекули.

Как се държат йоните в морската вода: карбонат и бикарбонат

Едно от по-сложните взаимодействия, и едно от много важните за рифовите акваристи, включва карбонат (CO3 2- ) . Карбонатът е предимно йонно сдвоен в разтвор, като само около 15% реално присъства като свободен CO3 2- във всеки даден момент. Този факт е важен за поддържането на нивата на калций и алкалност в аквариумите, защото именно концентрацията на свободен карбонат може да се утаи с калций като калциев карбонат (CaCO3 ) . Ако нивата на свободен карбонат се повишат твърде много, нивата на калций ще спаднат поради утаяването на CaCO3 .

Карбонатът образува йонни двойки предимно с магнезий, образувайки разтворим MgCO3 . Този ефект е една от причините, поради които нивата на магнезий са толкова важни в морските аквариуми за поддържане едновременно на високи нива на алкалност и калций. Ако магнезият е твърде нисък, повече карбонат ще бъде в свободна форма и ще бъде по-склонен да се утаи като калциев карбонат.

Карбонатът също е йонно сдвоен с натрий и калций, образувайки съответно разтворими NaCO3⁻ и CaCO3 . Йонната двойка разтворим калциев карбонат звучи странно, но по същество това е една отделна молекула CaCO3 , която е разтворима във вода; тя не се утаява от разтвора. Фактът, че карбонатът също е йонно сдвоен с натрий, е една от причините солеността да оказва влияние върху количеството калций и алкалност, които могат да се поддържат в разтвора: по-ниската соленост означава по-малко натрий, което означава повече свободен карбонат и по-голяма вероятност за утаяване на CaCO3 .

Йонното сдвояване има друг голям, но по-фин ефект върху карбоната. Във вода въглеродният диоксид се хидратира, за да образува H₂CO₃ , който след това може да се разпадне (йонизира) на протони (H⁺ ) , бикарбонат (HCO₃- ) и карбонат ( CO₃- ) :

CO2 + H2O <--> H2CO3 <-->  H + + HCO3-  <--> 2H +  + CO 3 --

Когато CO2 се добави към вода, системата ще достигне равновесие със специфични концентрации на всеки от показаните по-горе видове. Съгласно принципа на Льошателие, ако нещо се отстрани от едната страна на равновесието, равновесието ще се измести в тази посока. Например, ако карбонатът се отстрани от системата, тогава всяка от показаните реакции ще продължи надясно, като ефективно ще замести част от отстранения карбонат.

Важно е да се отбележи, че точно този ефект се наблюдава в морската вода, когато карбонатът се ,,отстранява" чрез образуване на йонни двойки. Само ,,свободната" концентрация на тези видове определя позицията на химичното равновесие, така че карбонатът под формата на йонна двойка не се ,,брои" и равновесието се измества силно надясно. Ако броим карбоната във всички форми (свободен и йонно сдвоен), се оказва, че той е много по-висок в морската вода, отколкото в сладката вода при същото pH, а йонното сдвояване е основната причина.

Същият ефект може да се наблюдава и при разтворимостта на CaCO3 :

CaCO 3(твърд) <-->  Ca ++  + CO 3 --

В този случай, ако CaCO3 се добави към водата, той се разпада на Ca2 + и CO3- . В крайна сметка се достига равновесие, при което CaCO3 повече не се разтваря. Ако обаче част от карбоната се отстрани чрез йонно сдвояване (както и част от Ca2 + ), тогава допълнителен CaCO3 може да се разтвори, за да замести ,,загубения". Това е основната причина, поради която CaCO3 е приблизително 15 пъти по-разтворим в морска вода, отколкото в сладка вода.

Бикарбонатът (HCO3- ) присъства в морската вода в значително по-висока концентрация от карбоната, въпреки че точното съотношение зависи от pH (много), температурата (малко) и солеността (малко). При pH 8,0 има около седем пъти повече бикарбонат, отколкото карбонат. Процентът на карбоната се увеличава с повишаване на pH, докато при pH 8,9 (при 25°C) концентрациите на карбонат и бикарбонат са равни. За разлика от карбоната, бикарбонатът не е екстензивно йонно свързан, като само около 25% от него е свързан с натрий, магнезий и калций.

Както карбонатът, така и бикарбонатът са от решаващо значение за рифовите акваристи, като бикарбонатът е важен като източник на скелетни градивни материали , а карбонатът контролира утаяването на калциев карбонат върху нагревателите и помпите.

Как се държат йоните в морската вода: калций, магнезий и стронций

Калций , магнезий и стронций присъстват предимно в свободна форма, хидратирани от шест до осем здраво свързани водни молекули. Малко количество от всеки от тях (около 10-15%) присъства като йонни двойки със сулфатни йони. Много по-малки проценти присъстват като йонни двойки с карбонат и бикарбонат. Важно е да се отбележи, че макар тези комплекси да включват само малък процент от общия калций и магнезий, те включват голяма част от общия карбонат (което е възможно, защото има толкова много калций и магнезий в сравнение с карбоната).

Средното време на престой (т.е. колко дълго средно един йон остава в океана, преди да се отложи в седименти) за магнезий в морската вода е от порядъка на 45 милиона години. Това време е значително по-дълго от това на калция (няколко милиона години), но по-малко от това на натрия (около 250 милиона години). В известен смисъл този резултат произтича от високата му концентрация и от това колко лесно се отлага в различни минерали. Калцият се извлича по-бързо, тъй като се отлага в калциево-карбонатни скелети. Стронцийът попада между калция и магнезия по отношение на времето на престой, което отразява сравнително бавното му усвояване, но също така и сравнително ниската му концентрация.

Магнезият е особено важен заради ролята си за предотвратяване на абиотичното утаяване на калциев карбонат от морската вода. Морската вода е пренаситена по отношение на калциевия карбонат, но всеки път, когато той започне да се утаява, магнезият се прикрепя към повърхността на нарастващия кристал и възпрепятства по-нататъшното утаяване. Следователно, океанът може да остане пренаситен за дълги периоди от време.

Как се държат йоните в морската вода: Сулфат


Seawater is a complex solution containing a wide variety of organic and inorganic chemicals. While some of these are frequently discussed by reef aquarists, others are rarely mentioned. Without a working knowledge of what is present in natural seawater, it is often difficult to assess aquarium problems, as well as the claims of manufacturers and other aquarists about what additives and methodologies are desirable in maintaining reef aquaria.

This article is intended to help aquarists better understand the water in their aquaria. It strives to give a better understanding of what happens in seawater than does a simple table of elemental concentrations, although such tables are also provided.

The topics covered are:


The Water Itself
Seawater's Physical Properties
pH
Elements in Seawater
The Big Four Ions
The Other Major Ions
Minor Ions
Dissolved Atmospheric Gases
Trace Elements
Complexities to Minor and Trace Elements
Organics
How do Ions Behave in Seawater?
How Ions Behave in Seawater: Simple Ions
How Ions Behave in Seawater: Carbonate and Bicarbonate
How Ions Behave in Seawater: Calcium, Magnesium and Strontium
How Ions Behave in Seawater: Sulfate
How Ions Behave in Seawater: Phosphate
How Ions Behave in Seawater: Metals
Nitrogen Compounds in Seawater
Iodine in Seawater
An Artificial Seawater Recipe
Conclusion
References
In the references section are links to articles about many of the individual ions present in seawater that most interest reef aquarists. This article does not try to describe what commercial artificial seawater and reef aquarium water contain. The following linked articles are more useful for those purposes:

A Chemical Analysis of Select Trace Elements in Synthetic Sea Salts and Natural Seawater

It's (In) the Water

What We Put in the Water

It Is Still in the Water

The Composition Of Several Synthetic Seawater Mixes

The Water Itself

A water molecule is composed of two hydrogen atoms bonded to a single oxygen atom (H2O; Figure 1). Water comprises about 96.5% of the mass of natural seawater. A 100 gallon aquarium contains approximately 12,500,000,000,000,000,000,000,000,000 water molecules. One of water's most important properties is that it is primarily a liquid, rather than a gas, at room temperature. Most other molecules of similar size and weight (e.g., oxygen, O2; nitrogen, N2; ammonia, NH3) are gases at room temperature. The reason that water is a liquid is that it forms strong intermolecular hydrogen bonds in which the hydrogen atom from one water molecule forms a transient chemical bond, called a hydrogen bond, to the oxygen atom in a nearby water molecule. While each of these bonds lasts only a fraction of a second, it rapidly and repeatedly reforms after being broken. This network of hydrogen bonds (Figure 2) holds the water together as a liquid rather than letting it fly apart as a gas.

Water forms hydrogen bonds because the electrons in water molecules are not evenly distributed. Oxygen is more electronegative than hydrogen, so the central oxygen atom draws electrons from the hydrogen atoms toward itself. This movement of electrons leaves the oxygen atom with a partially negative charge and the hydrogen atoms with a partially positive charge; this redistribution of electrons is called a dipole. When one water molecule interacts with another, there can be an interaction between a partially positively charged hydrogen atom and a partially negatively charged oxygen atom, creating a "hydrogen bond."


Figure 1. A space-filling model of a water molecule. The central oxygen atom is shown in red, and the two hydrogen atoms are shown in white.
Additionally, water's dipolar nature allows it to interact strongly with charged ions in solution. Several water molecules, for example, cluster around each ion, and orient themselves to take advantage of these ion and partial ion interactions. For example, water orients with its oxygen atoms pointed toward the positively charged calcium ion (Ca++) in solution. This effect is very important for many properties, from solubility to osmotic pressure.


Figure 2. A schematic diagram of water molecules connected
by hydrogen bonds (shown in red).
 

Seawater's Physical Properties

Seawater tends to have a higher density than does freshwater, due to seawater's higher density of dissolved salts. Seawater with a salinity of 35 ppt is about 1.0264 times as dense as freshwater at the same temperature, and so is said to have a specific gravity of 1.0264. This property is the reason that hydrometers are a suitable way to measure salinity.

Seawater also refracts light (bends light passing through it) more than freshwater does. This effect is due to the more refractive nature of the ions in solution compared to freshwater. The refractive index of freshwater is about 1.33300 while that of seawater with a salinity of 35 ppt is about 1.33940. Refractometers take advantage of this property and allow aquarists to measure salinity by refractive index.

The charged ions in seawater can conduct electricity. Not only does this attribute make seawater aquaria dangerous from an electrical safety perspective, it also allows aquarists to measure salinity via conductivity. The more charged ions present, the higher the conductivity, and a device that can appropriately measure conductivity can lead to useful determinations of the salinity. The conductivity of seawater with a salinity of 35 ppt is 53 mS/cm, while for purified freshwater, it is below 0.001 mS/cm.

When seawater evaporates, water enters the atmosphere, but salts generally remain behind. These salts can then become more and more concentrated if the evaporated water is not replaced, or if it is replaced with seawater containing additional salts. When this happens in a salt collection pond, it may be desirable, but if it happens in a closed lagoon or a marine aquarium, the salinity may rise to the point at which marine organisms are stressed or killed.

Seawater, with its many charged ions, has a higher osmotic pressure than does freshwater. In short, water "prefers" to be mixed with the charged ions. That is, it is in a lower energy state when it contains charged ions for the reasons described in the previous section. Consequently, if freshwater and salt water are separated by a membrane that only water can pass through, water will stream from the freshwater into the salt water. If that process is allowed to equilibrate, water will flow until the salt concentrations on each side are the same or, if pressure is allowed to build, it will continue until higher water pressure on the seawater side pushes back against the incoming water to stop it. That pressure is called osmotic pressure. The osmotic pressure between 35 ppt seawater and freshwater is 25.9 bar (25.5 atmospheres) at 25°C.

Because water is attracted to salts in seawater, water vapor's pressure over seawater is lower than over freshwater at the same temperature. It is about 2% lower over seawater, which at 25°C is 23.323 mm Hg, while freshwater has a vapor pressure of 23.756 mm Hg at the same temperature.

Ions and other dissolved chemicals are usually quick to diffuse and otherwise mix through a few feet of water. An aquarium with typical circulation will show no significant differences in chemical properties as a function of depth or across the aquarium, except in the case of things being continually added (such as dripping limewater) that may take time to be fully mixed in. The ocean, where distances are much greater compared to the movement of currents and diffusion in a few days time frame, can show significant variations in chemical composition as a function of depth and location.

Seawater with a salinity of 35 ppt has a freezing point that is 1.9°C (3.4°F) lower than freshwater. This freezing point depression comes about because the ions in the water tend to make the water more stable in its liquid form than as a solid. When seawater freezes, most ions are excluded from the ice, although some, such as sulfate, can be incorporated to some extent. Consequently, the salts in sea ice do not match the seawater's composition.

pH

The pH of seawater is typically stated to be 8.2 ± 0.1, but it can vary as photosynthesis consumes carbon dioxide locally and as respiration produces it. It also varies by latitude and is often lower where there is upwelling. It is also a function of depth for a variety of reasons, including photosynthesis near the surface, decomposition of organics in the mid-depths (dropping pH to as low as 7.5 by 1000 meters), and dissolution of calcium carbonate in very deep water (raising the pH back up to around 8). In closed lagoons, the pH can cycle from day to night just as in a reef aquarium, rising several tenths of a pH unit during the day. In special circumstances, seawater can be much lower in pH. Seawater in mangroves where highly reducing sediments are present can reduce the pH to below 7.0. In the open ocean, where there is a much larger volume of water containing buffers, the pH fluctuates little. As humans have added carbon dioxide to the atmosphere, more carbon dioxide has also been added to the oceans, with a consequent drop in pH. This is one of the impacts humans have had on the oceans that concerns ecologists in terms of its impact on calcifying organisms, especially on coral reefs but also on other systems involving such organisms as foraminiferans, which have calcareous skeletons and which are important links in many marine food webs.

The alkalinity of natural seawater is primarily a measure of bicarbonate plus two times the carbonate concentration. In the ocean, it varies by location and depth. In surface waters, it usually varies between about 2.25 and 2.45 meq/L (6.3 to 6.9 dKH), and often varies with changes in salinity. In deep water and upwelling water, it may be higher due to dissolution of calcium carbonate that is driven by pressure.

Elements in Seawater

Nearly every element known to man has been found in seawater (Table 1). Some are present at very high concentrations, and some are vanishingly rare. This linked website shows a periodic table of elements that can be pointed at with the cursor to see the concentration of each in seawater, as well as a host of other properties of the element. The sections that follow in this article detail the concentrations and other interesting aspects of many of the elements of most interest to reef aquarists.

Table 1. Concentrations of many elements in natural seawater.
Element   
Symbol
Atomic Number
Seawater Concentration Range
Approximate weight concentration*
Lithium   
Li
3
25 µM
174 µg/L
Beryllium   
Be
4
4-30 pM
270 pg/L
Boron   
B
5
0.42 mM
4.5 mg/L
Carbon   
C
6
2-2.5 mM
30 mg/L
Nitrogen   
N
7
0-45 µM
630 µg/l
Fluorine   
F
9
68 µM
1.3 mg/L
Sodium   
Na
11
468 mM
10.8 g/L
Magnesium   
Mg
12
53.2 mM
1.29 g/L
Aluminum   
Al
13
5-40 nM
1.1 µg/L
Silicon   
Si
14
0-180 µM
5 mg/L
Phosphorous   
P
15
0-3.2 µM
99 µg/L
Sulfur   
S
16
28.2 mM
900 mg/L
Chlorine   
Cl
17
546 mM
19.4 g/L
Potassium   
K
19
10.2 mM
398 mg/L
Calcium   
Ca
20
10.3 mM
412 mg/L
Scandium   
Sc
21
8-20 pM
900 pg/L
Titanium   
Ti
22
few pM
150 pg/L
Vanadium   
V
23
20-35 nM
1.8 µg/L
Chromium   
Cr
24
2-5 nM
260 ng/L
Manganese   
Mn
25
0.2-3 nM
165 ng/L
Iron   
Fe
26
0.1-2.5 nM
140 ng/L
Cobalt   
Co
27
0.01 - 0.1 nM
6 ng/L
Nickel   
Ni
28
2-12 nM
700 ng/L
Copper   
Cu
29
0.5-6 nM
380 ng/L
Zinc   
Zn
30
0.05-9 nM
590 ng/L
Gallium   
Ga
31
5-30 pM
2 ng/L
Arsenic   
As
33
15-25 nM
1.8 µg/L
Selenium   
Se
34
0.5-2.3 nM
180 ng/L
Bromine   
Br
35
0.84 mM
67 mg/L
Rubidium   
Rb
37
1.4 µM
120 µg/L
Strontium   
Sr
38
90 µM
7.9 mg/L
Yttrium   
Y
39
0.15 nM
1.3 µg/L
Zirconium   
Zr
40
0.3 nM
27 ng/L
Niobium   
Nb
41
50 pm
4.7 ng/L
Molybdenum   
Mo
42
0.11 µM
10.5 µg/L
Technetium   
Tc
43
none stable
none stable
Ruthenium   
Ru
44
‹0.05 pM
‹5 pg/L
Palladium   
Pd
46
0.2 pM
21 pg/L
Silver   
Ag
47
0.5-35 pm
3.8 ng/L
Cadmium   
Cd
48
0.001-1.1 nM
124 ng/L
Indium   
In
49
1 pM
115 pg/L
Tin   
Sn
50
1-12 pM
1.4 ng/L
Antimony   
Sb
51
1.2 nM
146 ng/L
Iodine   
I
53
0.2-0.5 uM
64 µg/L
Cesium   
Cs
55
2.2 nM
290 ng/L
Barium   
Ba
56
32-150 nM
21 µg/L
Lanthanum   
La
57
13-37 pM
5.1 ng/L
Cerium   
Ce
58
16-26 pM
3.6 ng/L
Praseodymium   
Pr
59
4 pM
560 pg/L
Neodymium   
Nd
60
12-25 pM
3.6 ng/L
Samarium   
Sm
62
3-5 pM
750 pg/L
Europium   
Eu
63
0.6 - 1 pM
150 pg/L
Gadolinium   
Gd
64
3-7 pM
1.1 ng/L
Terbium   
Tb
65
0.9 pM
143 pg/L
Dysprosium   
Dy
66
5-6 pM
975 pg/L
Holmium   
Ho
67
1.9 pM
310 pg/L
Erbium   
Er
68
4-5 pM
835 pg/L
Thulium   
Tm
69
0.8pM
135 pg/L
Ytterbium   
Yb
70
3-5pM
865 pg/L
Lutetium   
Lu
71
0.9 pM
157 pg/L
Tungsten   
W
74
0.5 nM
92 ng/L
Rhenium   
Re
75
14-30 pM
5.6 pg/L
Iridium   
Ir
77
0.01 pM
1.9 pg/L
Platinum   
Pt
78
0.5pM
98 pg/L
Gold   
Au
79
0.1-0.2 pM
39 pg/L
Mercury   
Hg
80
2-10 pM
2 ng/L
Thallium   
Tl
81
60 pM
12 ng/L
Lead   
Pb
82
5-175 pM
36 ng/L
Bismuth   
Bi
83
‹0.015 - 0.24 pM
50 pg/L
*This column uses the high end of the concentration range. 1 mg/l ?/span> 1 ppm;
1 µg/L ?/span> 1 ppb; 1 ng/L ?/span> 1 ppt (part per trillion); 1 pg/L ?/span> 1 ppq (part per quadrillion); see this linked article on unit definitions for more information on the relationships between these units.
The Big Four Ions

Most of seawater's constituents are inorganic ions. Figures 3 and 4 (below) show the primary ions present by weight and number. Sodium and chloride (the two ions in table salt) are the two primary ions in seawater. At 19,000 ppm for chloride and 10,500 ppm for sodium, they comprise 54% and 30% of the total weight of ions in seawater, respectively. The next two most common ions, magnesium (at 1280 ppm) and sulfate (at 2700 ppm) comprise 3.7% and 7.7% of the weight of seawater ions, respectively. Together, these four ions comprise almost 96% of the weight of ions present.


Figure 3. Relative concentration of ions in seawater by weight.
While these facts may seem unimportant to aquarists, they have significant implications. For example, the salinity of seawater, whether measured with a hydrometer, a refractometer or a conductivity meter, is dominated by these four ions. Deviations in the concentration of any other ion, even if significant for other reasons, will not significantly alter such measurements. For example, whether the calcium is 300 ppm or 500 ppm will not be noticeable in a typical salinity determination. That difference represents only a 0.6% change in the total weight of salts present, changing the salinity from 35 ppt to 34.8 ppt. Likewise, whether the alkalinity is 5 meq/L (14 dKH) or 2 meq/L (5.6 dKH), the change in salinity is only about 0.5%.

Another important implication of the high concentration of these other ions is that they move around only very slowly when perturbed by additives and foods. For example, adding calcium chloride boosts chloride more than it does calcium, but since there is already a background of 19,000 ppm of chloride, such additions do not rapidly disturb the relative ratios of the various ions in seawater.


Figure 4. Relative concentration of ions in seawater by number.
Interesting (well, at least to chemists) is the fact that since a sulfate ion (SO4--) weighs four times as much as a magnesium ion (Mg++), it is actually present in smaller numbers than magnesium ions (Figure 4) even though it is present at a higher weight-based concentration (Figure 3).One other comment on magnesium concentrations in seawater - - seawater's magnesium content, along with that of other ions, has not been constant since the oceans formed. Specifically, it has often been lower, as in the late Cretaceous period. The amount of magnesium incorporated into the calcium carbonate skeletons of organisms such as corals is a function of how much magnesium is in the water. Consequently, the magnesium content of ancient sediments can be significantly lower than more modern ones from similar organisms. In addition to being an interesting fact, this result may also play a role in the suitability of certain limestone deposits in maintaining magnesium in aquaria. For example, such limestone is sometimes used in CaCO3/CO2 reactors or as the raw material for making calcium hydroxide (lime). If it is low in magnesium, additional supplements may be necessary to maintain modern seawater magnesium concentrations.

The Other Major Ions

The seawater's major components are usually defined as those ions present at greater than 1 part per million (ppm) or 1 milligram per liter (mg/L) (Table 2). A different definition of major ions based on the numbers of ions present, rather than the weight of those ions, has a slightly different list, with lithium (0.17 ppm) being added. Together, these ions account for 99.9% of seawater's solutes.

Table 2.  Major ions in seawater.
Species   
Concentration milligrams per liter (mg/L)
Cl- (chloride)   
19,000
Na+ (sodium)   
10,500
SO42- (sulfate)   
2700
Mg2+ (magnesium)   
1280
Ca2+ (calcium)   
412
K+ (potassium)   
399
HCO3- (bicarbonate)   
110
Br- (bromide)   
67
CO32- (carbonate)   
20
Sr2+ (strontium)   
7.9
B(OH)3 + B(OH)4- (borate)   
5 (as Boron)
F- (fluoride)   
1.3
Organics   
1 to 2
Everything else combined (except dissolved gasses)   
Less than 1
One important point about these concentrations: they are correct for only typical seawater, which contains about 35 parts of salt by weight per thousand parts of seawater (35 ppt). This seawater has a specific gravity of around 1.0264 which may be higher than is maintained in many marine aquaria. As the salinity of seawater varies, these concentrations typically move up and down together. Consequently, if an aquarium contains water with a specific gravity of 1.023, the salinity is about 30.5 ppt and all of the concentrations in Table 1 are reduced by about 13 percent.

All of these major ions are essentially unchanged in concentration at different locations in the ocean, except as salinity changes move them all up or down together. Ions that do not change concentration from place to place are referred to as "conservative type" ions, a description that also applies to some of the minor and trace elements that are discussed below.

The major ions include many that are critical to aquarists, such as calcium and bicarbonate, and others that are rarely considered, such as potassium and fluoride. Many of these have been discussed in previous articles that are linked in the references section at the end of the article.

Organic molecules may also meet the definition of being a major component of seawater (Table 2), but they are traditionally not considered a major specie in seawater. The nature of these organic compounds is discussed later in the article.

Minor Ions

There are various definitions of which ions in seawater constitute the "minor ions." By some definitions, the list of constituents is rather long. Table 3 shows just a few of the constituents of seawater that are often labeled as minor ions. The more abundant of these are sometimes lumped with the major ions (such as lithium), while the least abundant (such as iron) are often lumped in with trace elements. Ions in this category often vary significantly with location in the ocean. That is primarily because many of them are tightly linked to biological activity. These ions can be locally depleted if biological activity is high enough. Ions that vary in this fashion are referred to as "nutrient type" ions, because they are consumed by one or more types of organism.

Table 3.  Some typical minor and trace ions in seawater.
Species   
Concentration
milligrams per liter (mg/L)
Li+ (lithium)   
0.17
Rb+ (rubidium)   
0.12
H2PO4- + HPO42- + PO43-
(phosphate)   
0.0 to 0.3
IO3- (iodate)   
0.03 to 0.06
I- (iodide)   
0 to 0.03
Ba+ (barium)   
0.004 to 0.02
Al3+ (aluminum)   
0.00014 to 0.001
Fe2+ + Fe3+ (iron)   
0.000006 to 0.00014
Zn2+ (zinc)   
0.000003 to 0.0006
Dissolved Atmospheric Gases

Table 4.  Atmospheric gases in seawater at 25?/span>C when in equilibrium with air.
Gas   
Concentration
Carbon dioxide  (as HCO3- and CO3--)   
100 ppm of CO2
Nitrogen (N2)   
10.7 ppm
Oxygen (O2)   
6.6 ppm
Argon (Ar)   
0.40 ppm
Neon (Ne)   
0.13 ppb
Helium (He)   
0.0066 ppb
Krypton (Kr)   
0.185 ppb
Xenon (Xe)   
0.038 ppb
Any gas present in the atmosphere will be present in seawater. Many of these are unimportant to reef aquarists, but two are of critical importance: oxygen and carbon dioxide. Aside from carbon dioxide, all of the gases have lower solubility in seawater as the temperature and salinity are raised. Table 4 shows the concentration of the most common gases in seawater at 25°C.

Oxygen is generally most highly concentrated near the ocean's surface. In the top 50 meters or so, oxygen's concentration is controlled largely by exchange with the atmosphere, and is usually close to equilibrium with the air. Between 50 and 100 meters, the O2 level often rises due to photosynthesis. Below about 100 meters in the open ocean the oxygen level drops steadily for the next 1000 meters or so due to biological processes that consume it. It then sometimes rises again in the deeper oceans as oxygen there is replenished by sinking cold ocean water that is rich in oxygen. The importance of dissolved oxygen in seawater and reef aquaria has been discussed in a series of previous articles:

The Need to Breathe in Reef Tanks: Is it a Given Right?
http://www.reefkeeping.com/issues/2005-06/eb/index.php

The Need to Breathe, Part 2: Experimental Tanks
http://www.reefkeeping.com/issues/2005-07/eb/index.php

The Need to Breathe, Part 3: Real Tanks and Real Importance
http://reefkeeping.com/issues/2005-08/eb/index.php

Carbon dioxide is a special case. It hydrates on contact with water to form carbonic acid, which can then ionize (break apart) to from hydrogen ions, bicarbonate and carbonate, as shown below.

CO2  +  H2O  ßà H2CO3  ßà  H+  +  HCO3-  ßà  2H+  +  CO3--

Table 5.  Fate of carbon dioxide in the ocean after 1000 years.

Form/Location

Percentage

CO2 in the atmosphere   
1.4%

CO2/H2CO3 in the ocean   
0.5%

HCO3- in the ocean   
79.9%

CO3-- in the ocean   
9.6%

Organics on land   
4.9%

Organics in the ocean   
3.7%

For this reason, carbon dioxide is much more soluble in seawater than is any other atmospheric gas. It is more soluble than all the other gases combined, in fact, with a total solubility of about 100 ppm of carbon dioxide. An interesting question to ask is, "What happens to carbon dioxide that is mixed into the ocean?" After 1000 years, it is thought that it ends up in the forms shown in Table 5.

Additional discussion of carbonate and bicarbonate in seawater is provided in subsequent sections of this article.

Many other gases are dissolved in seawater, but it is beyond the scope of this article to describe all of them. Many have biological significance, including hydrogen sulfide (H2S), methane (CH4) and other organic gases, carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and nitrous oxide (N2O).

Trace Elements

There is much discussion about trace elements in marine aquaria, and for good reason. Most chemicals dissolved in seawater are classified as trace elements simply because so many ions and molecules are present at very low concentrations (Table 1). In many cases, these ions are quite variable in concentration from place to place and also as a function of depth. Anyone wishing to view extensive lists of these ions is advised to check the appropriate references given at the end of this article.

Many trace elements are metals. While people typically view dissolved heavy metals as toxic, several of them are essential for organisms. Their toxicity is primarily related to their concentration: a happy medium is essential, where enough of each of these metals is present for life to exist, but not so much is present as to be toxic. A good example is copper. It is present in natural seawater at about 0.25 parts per billion (ppb), which is about a thousand times less than the toxic levels often used to kill microorganisms in the treatment of sick marine fish. Copper is, however, necessary for many animals to survive.

Complexities to Minor and Trace Elements

Unlike most of the major ions, many of the minor and trace elements take many different forms in seawater. Consequently, a single measure of the amount of a particular atom (e.g., copper, iodine or iron) says little about its different forms, its bioavailability to organisms or its toxicity. Iodine in seawater, for example, takes the forms of iodide (I-), iodate (IO3-) and organoiodine compounds, of which there are many, including methyliodide (CH3I). In some cases, these differences are well-established for natural seawater, and in other cases, such as metals bound to organics, they continue to be poorly understood. It is safe to say, however, that far less is known about such issues in reef aquaria, where unnatural materials are often added (e.g., chelated metals, iodine as I2, etc.) and concentrations of certain species may be far higher (or possibly lower) than in natural seawater (metals, organics, phosphate, nitrate, etc.).

Organics

The nature of organic molecules is certainly the most complicated aspect of seawater chemistry. A recent article in the journal "Nature" stated:

"Seawater dissolved organic matter (DOM) is the largest reservoir of exchangeable organic carbon in the ocean, comparable in quantity to atmospheric carbon dioxide. The composition, turnover times and fate of all but a few planktonic constituents of this material are, however, largely unknown."1

Organic compounds are defined by chemists as those that contain carbon and hydrogen atoms. They can contain other atoms as well, and often contain both nitrogen and phosphorus. Organic materials have many important properties in seawater, including being food, toxins and metal binding agents. They also cause most odors, can inhibit the abiotic precipitation of calcium carbonate and can reduce light's penetration through the water.

Океанографите често класифицират органичните материали като разтворена органична материя (DOM) или частици органична материя (POM). Определението е оперативно, като DOM се определя като всички органични материали, които могат да преминат през филтри с размери 0,2 - 1,0 мм, а POM са всички материали, които се задържат от такива филтри. Макар че това определение е полезно и лесно за тълкуване, то може да бъде донякъде подвеждащо. Химик, когато бъде попитан за капка масло с размер 0,2 мм във вода, не би твърдял, че е ,,разтворено" във водата, но би попаднало в определението за DOM. Новопромотирани оферти за хранителни продукти от специална разпродажба на Cambridge Food.

В рифов аквариум и в природата, нещата, описани като POM, включват живи организми, като някои бактерии и фитопланктон (и всички ,,разтворени" органични материали в телата им). Това би включвало и това, което акваристите често наричат ​​детрит: натрупаните частици органичен материал, които възникват от части от мъртви организми и струпванията на разтворени органични материали.

Химичната природа на органичната материя в океана е слабо проучена. Част от причината за тази липса на разбиране произтича от огромното разнообразие от органични материали, които съществуват в океаните. По същество няма ограничение за броя на различните органични съединения, които са теоретично възможни, и факт е, че милиони органични съединения са били синтезирани или идентифицирани. Идентифицирането и количественото определяне на всеки възможен органичен материал в морската вода просто не е възможно, поне със съвременните технологии. Следователно, идентифицирането на формата, която органичните материали приемат в океана, най-често включва групирането им в класове чрез функционален тест, като например дали могат да бъдат извлечени от водата с хидрофобен разтворител, дали съдържат азот или фосфор и т.н. Само малък брой органични съединения са били индивидуално идентифицирани и количествено определени в морската вода, съставляващи 4-11% от общия органичен въглерод.

Разтвореният органичен материал в океаните често се измерва по отношение на съдържанието му на въглерод и се нарича разтворен органичен въглерод (DOC) и частицен органичен въглерод (POC). Повърхностните океански води обикновено съдържат около 0,7-1,1 ppm DOC. Частичните органични материали (POM) са по-сложни за количествено определяне от DOM, защото по дефиниция POM включва всички органични материали по-големи от 1 mm (микрон). Това определение включва всичко - от бактерии до китове. Идентифицирането им като отделни химикали също е безплодно упражнение. Въпреки това, суспендираният POC често е по-малко изобилен от DOC, често с порядък.

Как се държат йоните в морската вода?

В предишните раздели описах какви йони присъстват в морската вода, но не и как те взаимодействат помежду си. В първо приближение, основните и второстепенните неорганични йони в морската вода се движат независимо един от друг, образувайки непрекъсната мъгла от заредени йони, движещи се през водата.

Много от йоните обаче са частично и временно свързани един с друг в разтвора и не действат като напълно отделни видове. Тенденцията за образуване на йонни двойки в разтвор е много по-разпространена за някои йони (напр. калций, Ca2 + ; магнезий, Mg2 + ; карбонат, CO3- ; флуорид , F⁻ ; хидроксид, OH⁻), отколкото за някои други (напр. натрий, Na + ; калий, K + ; хлорид, Cl-; бромид, Br-). Като цяло, тенденцията за образуване на йонни двойки е по-висока за йони с по-висок нетен заряд. Такива йонни двойки имат значително влияние върху различни свойства на морската вода, които са от голямо значение за акваристите, като например разтворимостта на калциев карбонат .

Как се държат йоните в морската вода: Прости йони

Най -простите положително заредени йони в разтвора са натрий (Na⁺ ) и калий (K⁺ ) . Те са предимно свободни йони, с обвивка от три или четири здраво свързани водни молекули, прикрепени към тях. Това е известно като ,,първична хидратационна сфера". Тези водни молекули са сравнително здраво свързани, но бързо се обменят с други водни молекули от обема на разтвора (със скорост от около милиард обмена в секунда за всеки йон!). Отвъд тази първа обвивка има още 10 до 20 водни молекули, които са по-слабо свързани, но все още са силно повлияни от металния йон. Тези видове хидратиращи водни молекули присъстват за всички йони в разтвора и няма да бъдат споменавани по-нататък за всеки йон поотделно.

Малка част от натрия и калия (около 5%) съществуват като йонни двойки със сулфат, образувайки NaSO4⁻ и KSO4⁻ . Този тип йонна двойка се разглежда най-добре като временна асоциация между двата йона и може да продължи само за много малка част от секундата, преди йоните да се разделят. Въпреки това, този тип асоциация може да има важни последици за поведението на тези йони. Йоните, образуващи такива двойки, всъщност се ,,докосват". Тоест, повечето или всички хидратиращи водни молекули, които са между тях, са временно отстранени. Това премахване на междинните водни молекули е основната разлика между йонните двойки и йоните, които са просто близо един до друг.

Най-простите отрицателно заредени йони, хлорид (Cl⁻ ) и бромид (Br⁻ ) , образуват малко йонни двойки в разтвор. Те присъстват предимно под формата на хидратирани свободни йони, съответно с две и една здраво свързани водни молекули.

Как се държат йоните в морската вода: карбонат и бикарбонат

Едно от по-сложните взаимодействия, и едно от много важните за рифовите акваристи, включва карбонат (CO3 2- ) . Карбонатът е предимно йонно сдвоен в разтвор, като само около 15% реално присъства като свободен CO3 2- във всеки даден момент. Този факт е важен за поддържането на нивата на калций и алкалност в аквариумите, защото именно концентрацията на свободен карбонат може да се утаи с калций като калциев карбонат (CaCO3 ) . Ако нивата на свободен карбонат се повишат твърде много, нивата на калций ще спаднат поради утаяването на CaCO3 .

Карбонатът образува йонни двойки предимно с магнезий, образувайки разтворим MgCO3 . Този ефект е една от причините, поради които нивата на магнезий са толкова важни в морските аквариуми за поддържане едновременно на високи нива на алкалност и калций. Ако магнезият е твърде нисък, повече карбонат ще бъде в свободна форма и ще бъде по-склонен да се утаи като калциев карбонат.

Карбонатът също е йонно сдвоен с натрий и калций, образувайки съответно разтворими NaCO3⁻ и CaCO3 . Йонната двойка разтворим калциев карбонат звучи странно, но по същество това е една отделна молекула CaCO3 , която е разтворима във вода; тя не се утаява от разтвора. Фактът, че карбонатът също е йонно сдвоен с натрий, е една от причините солеността да оказва влияние върху количеството калций и алкалност, които могат да се поддържат в разтвора: по-ниската соленост означава по-малко натрий, което означава повече свободен карбонат и по-голяма вероятност за утаяване на CaCO3 .

Йонното сдвояване има друг голям, но по-фин ефект върху карбоната. Във вода въглеродният диоксид се хидратира, за да образува H₂CO₃ , който след това може да се разпадне (йонизира) на протони (H⁺ ) , бикарбонат (HCO₃- ) и карбонат ( CO₃- ) :

CO 2   + H 2 O  ßà H 2 CO 3  ßà   H +   + HCO 3 -  ßà   2H +   + CO 3 --

Когато CO2 се добави към вода, системата ще достигне равновесие със специфични концентрации на всеки от показаните по-горе видове. Съгласно принципа на Льошателие, ако нещо се отстрани от едната страна на равновесието, равновесието ще се измести в тази посока. Например, ако карбонатът се отстрани от системата, тогава всяка от показаните реакции ще продължи надясно, като ефективно ще замести част от отстранения карбонат.

Важно е да се отбележи, че точно този ефект се наблюдава в морската вода, когато карбонатът се ,,отстранява" чрез образуване на йонни двойки. Само ,,свободната" концентрация на тези видове определя позицията на химичното равновесие, така че карбонатът под формата на йонна двойка не се ,,брои" и равновесието се измества силно надясно. Ако броим карбоната във всички форми (свободен и йонно сдвоен), се оказва, че той е много по-висок в морската вода, отколкото в сладката вода при същото pH, а йонното сдвояване е основната причина.

Същият ефект може да се наблюдава и при разтворимостта на CaCO3 :

CaCO 3 (твърд)   ßà   Ca ++   + CO 3 --

В този случай, ако CaCO3 се добави към водата, той се разпада на Ca2 + и CO3- . В крайна сметка се достига равновесие, при което CaCO3 повече не се разтваря. Ако обаче част от карбоната се отстрани чрез йонно сдвояване (както и част от Ca2 + ), тогава допълнителен CaCO3 може да се разтвори, за да замести ,,загубения". Това е основната причина, поради която CaCO3 е приблизително 15 пъти по-разтворим в морска вода, отколкото в сладка вода.

Бикарбонатът (HCO3- ) присъства в морската вода в значително по-висока концентрация от карбоната, въпреки че точното съотношение зависи от pH (много), температурата (малко) и солеността (малко). При pH 8,0 има около седем пъти повече бикарбонат, отколкото карбонат. Процентът на карбоната се увеличава с повишаване на pH, докато при pH 8,9 (при 25°C) концентрациите на карбонат и бикарбонат са равни. За разлика от карбоната, бикарбонатът не е екстензивно йонно свързан, като само около 25% от него е свързан с натрий, магнезий и калций.

Както карбонатът, така и бикарбонатът са от решаващо значение за рифовите акваристи, като бикарбонатът е важен като източник на скелетни градивни материали , а карбонатът контролира утаяването на калциев карбонат върху нагревателите и помпите.

Как се държат йоните в морската вода: калций, магнезий и стронций

Калций , магнезий и стронций присъстват предимно в свободна форма, хидратирани от шест до осем здраво свързани водни молекули. Малко количество от всеки от тях (около 10-15%) присъства като йонни двойки със сулфатни йони. Много по-малки проценти присъстват като йонни двойки с карбонат и бикарбонат. Важно е да се отбележи, че макар тези комплекси да включват само малък процент от общия калций и магнезий, те включват голяма част от общия карбонат (което е възможно, защото има толкова много калций и магнезий в сравнение с карбоната).

Средното време на престой (т.е. колко дълго средно един йон остава в океана, преди да се отложи в седименти) за магнезий в морската вода е от порядъка на 45 милиона години. Това време е значително по-дълго от това на калция (няколко милиона години), но по-малко от това на натрия (около 250 милиона години). В известен смисъл този резултат произтича от високата му концентрация и от това колко лесно се отлага в различни минерали. Калцият се извлича по-бързо, тъй като се отлага в калциево-карбонатни скелети. Стронцийът попада между калция и магнезия по отношение на времето на престой, което отразява сравнително бавното му усвояване, но също така и сравнително ниската му концентрация.

Магнезият е особено важен заради ролята си за предотвратяване на абиотичното утаяване на калциев карбонат от морската вода. Морската вода е пренаситена по отношение на калциевия карбонат, но всеки път, когато той започне да се утаява, магнезият се прикрепя към повърхността на нарастващия кристал и възпрепятства по-нататъшното утаяване. Следователно, океанът може да остане пренаситен за дълги периоди от време.

Как се държат йоните в морската вода: Сулфат

Както бе споменато по-горе, сулфатът образува йонни взаимодействия с повечето положително заредени частици в морската вода. Всъщност, повече от половината от него е под формата на йонна двойка, като доминират NaSO₄ и MgSO₄ . Сулфатът не е особено забележителен като компонент на морската вода, тъй като присъства в сравнително висока концентрация, която не варира много в зависимост от местоположението или дълбочината. Ако обаче нивото на кислород спадне значително, той може да служи като акцептор на електрони (източник на кислород) за микроорганизми, разграждащи органични материали. Този процес образува токсичния газ, сероводород.



Заключение

Океанът е сложна химическа супа, съдържаща голямо разнообразие от различни органични и неорганични химикали. Много от тези химикали имат важно значение за рифовите акваристи. Започвайки да разбираме какво представляват различните химикали и как те взаимодействат помежду си и с биологичните системи, би трябвало да помогне на акваристите да оценят по-добре какво се случва в техните аквариуми. Надяваме се, че това разбиране ще доведе от своя страна до по-добри практики за отглеждане на животни, както и до повече удоволствие от хобито на рифовия аквариум.

TODO: йод

[NO CARRIER]

 Благодаря!