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지하수의 pH

지표로부터 침투한 강수에는, 대기중에 포함되는 이산화탄소 CO2가 용존 하고 있으며, 또, 얕은 지층에 퇴적된 주로 식물 기원의 유기물이 분해해 생성한 CO2가 지하수에 녹아 있다.

이 때문에 얕은 지하수에서는 약간 산성(6부근)인 pH를 나타낸다.

지하수가 유동함과 동시에 CO2는 모래와 접촉하여 Na+등의 알칼리성분을 녹여내고 CO2는 HCO3–로 변화하여(Na+ CO2+ H2O→ Na+ HCO3–+ OH–) 알칼리성을 나타내게 된다.

이와 같이, 충적 평야의 심부에 대수하는 연대의 낡은 지하수에서는, CO2가 소실되어 pH가 상승한다.

경우에 따라서는 9.0을 나타내기도 한다.

pH가 9를 넘는 사례는 용존 성분이 비교적 적은 화강암질의 모암에서 용출되는 온천수 등에서 보이며, 수질은 알칼리성 단순 온천으로 불려지고있다.

파이라이트 FeS를 포함한 지층의 지하수나 광산 용수가 지표로 나오면 강한 산성을 나타낸다.

이는 용해된 Fe2+가 산소에 의해 Fe3+로 산화되면서 H+가 방출되기 때문이다(2Fe2+O2/2+2H2O → Fe2O3(s)+4H+).

철 박테리아도 공존하며 수로는 적색으로 덮여 있다.

이 Fe2+의 산화반응에서 공존하는 탄산수소 이온 HCO3 – 이 촉매작용을 나타낸다.

HCO3 – 이 모두 소비되어 pH4 가까이까지 떨어지면 이 반응은 매우 늦어진다.

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바닷물의 주요 화학 성분

표1에 해수 중 주요 화학성분의 농도를 나타낸다.

바닷물은 3.5% 정도의 염분을 포함한다.

이는 지구가 형성되고 바다가 형성될 당시 바닷물은 산성이었고, 그로 인해 지각을 녹여 알칼리 금속·알칼리 토류 금속에 의해 중화되었기 때문이다.

다만 바닷물이 중성화된 이후에도 미미하나마 지각을 계속 녹이고 있어 염분 농도는 서서히 상승하고 있다.

그러나 빙하기에 의한 극지 빙관의 성장이나 융해 멜트 다운으로 다소의 상하가 있다.

해양의 염분은 지구상의 관측 장소에 따라 3.1%에서 3.8%까지 차이가 나며, 해양에서 제각각이다.

특히 하구나 빙하가 붕괴하는 지역에서는 기수화되고 있다.

가장 염분이 높은 외양은 홍해이며, 해수의 증발량의 많음, 강수의 적음, 하천의 유입, 지형에 의해 해수의 교반이 적은 것 등이 영향을 주고 있다.

또한 염호(물이 짠 호수)에서는 바닷물보다 더 염분이 높은 경우가 있다.

가장 높은 것은 사해이며 염분 농도는 30% 정도이다.

이들 염호(물이 짠 호수)는 하천에서 담수가 유입되지만 증발이 심해 유출되는 하천이 없기 때문에 성립된다.

하천의 담수는 약간 염분을 포함하고 있기 때문에 수분의 증발로 염분이 농축되는 것이다.

하천에 의한 물의 유입은 있어도 유출이 없다고 하는 의미에서는, 염호(물이 짠 호수)는 바다와 같다.

출처[Wikipedia]

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바닷물의 구성 원소

해수 및 지각 함유량의 관계를 (해수농도 순)과 (지각농도 순)에 나타낸다.

단 지구상에 풍부하게 존재하며 생명의 주 구성원소이며 상온에서 기체·액체·고체 상태의 분자를 구성하는 C, H, O, N 및 희가스는 제외한다.

청봉(해수농도)과 주황봉(지각농도)의 높이 차이가 작은 원소일수록 바닷물과 지각중과의 농도비의 상관성이 높아진다.

지각에 풍부하게 존재하는 원소가 반드시 해수 중의 농도가 높다고는 할 수 없다.

상관성이 높은 원소는 알칼리 금속원소와 할로겐 원소로 이들은 1가의 정 또는 부의 이온을 형성해 안정적인 수화 이온을 형성하는 이온이다.다음으로 2가의 알칼리 토류금속 원소이다.

한편 상관성이 낮거나 전혀 없는 원소, 즉 log [mg/kg] = 0.0 축을 기준으로 청봉과 주황봉이 서로 반대방향에 있는 원소이다.

이들은 안정적인 값이 3 이상인 금속원소이다.

이 금속은 중성 수중에서는 난용성 수산화물 M(OH) n(n ≧3 : 가수, 탈수산화물 : MOn/2)을 형성하여 이들 금속이온의 용존 농도가 지극히 낮기 때문이다.

인 P의 해수 중 농도가 낮은 것은 FePO4나 AlPO4와 같은 다가금속이온과 불용성염을 형성하고 있기 때문이다.

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해양의 탄생과 구성 원소의 변천

우리가 사는 별, 지구가 생긴 것은 지금부터 약 46억 년 전이었다.

원료가 된 물질은 미행성에 포함되어 있던 암석이나 금속이었다.

미행성의 충돌·합체의 반복에 의해서 지구는 지금의 형태, 크기를 만들어 갔다.

작은 것은 큰 것에 흡수되어 가다가 서서히 하나의 행성으로 정리되어 갔던 것이다.

지구의 근원인 원시 지구는 이렇게 탄생했다.

원시 지구의 반경이 현재 지구의 약 20%인 1500가량 되면 소행성의 충돌로 인해 탈가스를 일으키게 됐다.

탈가스로 인해 안에 들어 있던 이산화탄소나 물, 질소 등 가스 성분이 방출돼 원시 지구 주위를 뒤덮었다.

원시 대기의 탄생이다.

원시 대기는 수증기를 주성분으로 해, 이산화탄소와 질소, 일산화탄소를 포함하고 있었다고 생각되고 있다.

46억 년 전 갓 태어난 지구에서는 암석이 녹아내린 마그마의 바다가 지표를 뒤덮고 있었다.

또 수증기, 이산화탄소나 질소 등 가스로 이루어진 원시 대기가 하늘을 뒤덮고 있었다.

[지구의 탄생]

 약 43억 년 전이 되자 지구의 온도가 갑자기 떨어져 원시 대기 속에 들어 있던 수증기가 비가 돼 지상으로 쏟아지기 시작했다.

비가 지표를 차게 하고 지표가 차가워지면 원시 대기가 식어 비가 더 내려 연간 강수량은 10m가 넘는 엄청난 폭우였던 것으로 추정된다.

이런 폭우가 1,000년 가까이 계속되면서 현재의 바다 밑바탕이 되는 원시의 바다가 생겨났다.

원시의 바다는 비에 녹은 염산등도 흘러 들었기 때문에, 처음에는 산성으로, 도저히 생물이 살 수 있는 환경이 아니었던 것 같다.

산성 바닷물은 이후 지표면 암석과 토양의 성분인 칼슘, 철, 나트륨 등을 녹여 현재와 같은 중성의 바닷물이 됐다.

[해사홍보협회]

산성의 바닷물이 중성됨에 따라, 고농도였던 Al3+나 Ti4+등이 Al(OH)3나 Ti(OH)4등의 수산화물로 침전해, 현재의 저농도가 되었다.

 32억 년 전이 되자 광합성을 하는 생물이 나타나 이산화탄소를 산소로 변환하게 됐다.

해수 중의 산소가 증가하면 Fe2+는 Fe3+로, Mn2+는 Mn4+로 산화되어 각각 Fe(OH)3, MnO2로 침전되어 갔다.철이나 망간등의 농도가 저하해, 해수중에서 산소가 소비되지 않게 된 20 수억년 전부터, 대기중에 산소가 공급되게 되었다.

[Wikipedia]

대기 중 산소가 증가하여 태양으로부터의 자외선이 감소하자 지표면에도 생물이 서식할 환경이 조성되어 이산화탄소의 소비와 산소의 생산이 평형상태를 이루어 현재의 대기가 되었다.

그러나 최근 화석연료의 대량소비로 인해 이산화탄소가 서서히 증가하고 있다.

이상에서 기술한 바와 같이 해양이 탄생한 시대에는 지각과 바닷물의 성분에는 상당한 상관성이었으나 알칼리 금속·알칼리 토류 금속에 의한 지표로부터의 용출에 의한 산성에서 중성, 또 광합성 생물의 탄생과 그 산소의 생산에 의한 바닷물의 산화 환원 전위의 플러스 측으로의 변화로 다가금속 원소에서 현저하게 볼 수 있듯이 지각 성분의 경향과는 다른 해양의 구성성분이 되었다.

그런데 특이한 원소로 불소와 인이다.할로겐 원소인 불소는 F–로서 안정적이다.

또, 인은 가수 V·Ⅲ·Ⅰ·-Ⅲ로서 환경의 산화 환원 전위에 따라 안정된 화학종으로서 수중에 용존할 수 있다.

그러나 지각 중의 농도로 미루어 해수 중의 농도는 극히 낮다.

이는 F–및 PO43-(현재의 해양환경에서 안정된 화학종)이 각종 금속이온과 난용해성 소금을 형성하기 때문일 것이다.