Химия окружающей среды -

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ при МСХ РФ
ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная
академия имени В. Р. Филиппова»
Кафедра неорганической и аналитической химии
А. В. Бардымова
Химия окружающей среды
Методические указания и задания к контрольным работам
для студентов третьего курса заочной формы обучения
по специальности 110102.65. «Агроэкология»
Улан-Удэ
Издательство БГСХА им. В. Р. Филиппова
2009
1
УДК 54(07)
Б 247
Утверждено к печати методическим советом
ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В. Р. Филиппова»
Протокол от « 11 » июня 2008 г.
Введение
Рецензент
Т. Д. Ямпилова – к.б.н., доцент кафедры
сельскохозяйственной экологии.
Б 247
Бардымова А. В.
Химия окружающей среды: Методические указания и задания к контрольным работам для студентов третьего курса заочной формы обучения по специальности
110102.65 «Агроэкология» /А.В.Бардымова, О.К.Царева,
Т.Ц. Жамсуева, Л.П.Ильина. – Улан-Удэ: Изд-во БГСХА,
2009. – 93 с.
УДК 54 (07)
© Царева О.К., Бардымова А.В., Жамсуева Т.Ц., Ильина Л.П., 2009
© ФГОУ ВПО БГСХА, 2009
2
В 21 веке проблема гармоничного взаимодействия общества с
природой является одной из важнейших. Окружающий нас мир –
мир химических соединений. Воздух, вода, продукты, одежда, мебель и мы сами – это химические системы разных уровней.
Современному специалисту-агроэкологу необходимо уметь предвидеть последствия внедрения новых технологий, знать особенности поведения различных химических соединений при их попадании в
окружающую среду, оценивать их воздействие на биосферные процессы. Сохранение и совершенствование человеческой цивилизации
возможно только в условиях стабильного функционирования биосферных систем поддержания жизни на Земле.
В основе процессов, определяющих состояние окружающей среды, лежат физико-химические превращения.
Глобальные процессы, происходящие в окружающей среде и
обусловленные как природными, так и антропогенными факторами,
стали предметом изучения новых научных направлений. Одной из
таких новых наук и является «Химия окружающей среды».
Организм всех живых существ представляет сложную саморегулирующуюся биохимическую систему, которая находится во взаимодействии со средой обитания. Содержание химических элементов в живых организмах коррелирует с их нахождением в естественной незагрязненной природной среде. Поэтому важно знание химических процессов, качественного и количественного состава окружающей среды, миграции химических элементов и их соединений.
Еще более важно знание о путях антропогенного воздействия на
природную среду, нарушениях равновесного химического обмена
между живыми организмами и средой обитания. Поэтому химия окружающей среды изучает процессы миграции загрязняющих веществ,
химизм их превращений в природной среде, влияние загрязняющих
веществ на процессы жизнедеятельности.
3
Методическое пособие составлено в соответствии с программой курса «Химия окружающей среды» и требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 110102.65 «Агроэкология».
При выполнении контрольной работы следует внимательно изучить теоретическую часть работы, привлекая литературу, указанную в пособии. Весь материал разбит на 11 тем, к которым дан краткий теоретический обзор темы, а также приведены контрольные
вопросы и тесты.
При выполнении контрольной работы следует указать номер
вопроса или задачи и полностью переписать условие. Для замечаний рецензента необходимо оставлять поля.
Студент выполняет контрольную работу в соответствии с вариантом задания, определяемого по двум последним цифрам номера
зачетной книжки.
4
Варианты контрольного задания
№
Номера задач для контрольных работ
варианта
1
2
00
3
21
60
67
82
120
131
147
177
195
01
4
22
59
68
83
119
132
148
178
196
02
5
23
58
69
84
118
133
149
179
197
03
6
24
57
70
85
101
134
150
180
198
04
7
25
56
71
86
102
135
151
161
199
05
8
26
55
72
87
103
136
152
162
200
06
9
27
54
73
88
104
137
153
163
181
07
10
28
53
74
89
105
138
154
164
182
08
11
29
52
75
90
106
139
155
165
183
09
12
30
51
76
91
107
140
156
166
184
10
13
31
50
77
92
108
130
157
167
185
11
14
32
49
78
93
109
129
158
168
186
12
15
33
48
79
94
110
121
159
169
187
13
16
34
47
80
95
111
122
160
170
188
14
17
35
46
61
96
112
123
141
171
189
15
18
36
45
62
97
113
124
142
172
190
16
19
37
44
63
98
114
125
143
173
191
17
20
38
43
64
99
115
126
144
174
192
18
2
39
42
65
100
116
127
145
175
193
19
1
40
41
66
81
117
128
146
176
194
5
Нам известно, что в основе жизнедеятельности человека, процессов в окружающей его среде лежит акт химического взаимодействия. В результате исходные вещества превращаются в различные
продукты. Поэтому для описания, управления состоянием окружающей среды в условиях все возрастающих масштабов человеческой деятельности необходимо знание механизмов химического взаимодействия.
Химия окружающей среды – это раздел химии, в котором
рассматривают химический состав и процессы, происходящие в окружающей среде, а также результаты этих процессов.
Развитие и существование живых организмов неразрывно связано с качеством природной среды, в которой они обитают. Степень
соответствия совокупности природных условий потребностям живого организма характеризует качество среды обитания. Условия, оказывающие влияние на жизнедеятельность организмов, называют экологическими факторами. К важнейшим из них относится химический фактор, характеризующий качественный и количественный химический состав среды обитания.
Сущность химического экологического фактора вытекает из
закона толерантности Шельфорда и закономерностей миграции
химических элементов в природной среде, их поступления в живые
организмы. Закон толерантности говорит о том, что существование
живого организма невозможно при недостатке или избытке конкретного жизненно необходимого химического элемента в среде обитания в доступной для организма форме. Толерантность (терпимость) – это способность живого организма выносить отклонения
концентрации i-го химического элемента от оптимального значения
для данного вида живых существ.
Интервал концентраций химического элемента, при котором возможна биологическая жизнедеятельность организма, называется
интервалом толерантности i-го химического элемента. Следовательно, химическое загрязнение – это такое поступление в окружающую среду химического элемента, когда его концентрация выходит за пределы интервала толерантности.
Ориентировочно в настоящее время в мире производится около
80 тысяч видов химических продуктов, ежегодно поступает в обо-
рот более тысячи новых соединений, во всем мире используют 250
млн.тонн органических химических продуктов, становится очевидным, что в результате может измениться материальный состав
окружающей среды, химический состав биосферы (лито-; гидро-;
атмосферы) с находящимися в ней живыми существами.
Изучение материального состава окружающей среды требует применения методов аналитической, биологической, физической
и других химических наук. Но простое перенесение химических закономерностей на поведение химических элементов в природных
условиях не даст истинных результатов. Этому есть ряд причин:
1.крайне неравномерное распространение химических элементов в земной коре, причем содержание некоторых веществ в тысячи
раз меньше содержания других;
2.внешние факторы ограничены узкими рамками (температура,
давление, освещение и др.);
3.в земной коре элементы находятся в разнообразных формах
нахождения, где не могут проявлять свои химические свойства;
4.в природных условиях практически никогда не происходят реакции, только между отдельными элементами, в природных реакциях принимают участие очень многие химические элементы, хоть и в
различной мере.
В связи с этим следует химические элементы подразделить в
зависимости от их отношения к биоте – живому веществу планеты.
Химический состав живых организмов, сформировавшийся на протяжении миллионов лет, определяется доступностью химических
элементов, находящихся в природной среде. В чистой окружающей
среде живые организмы составляют с природной средой сбалансированную систему.
Образующие живую материю биогенные, т.е. жизненно необходимые, химические элементы в зависимости от их содержания в
организме человека условно подразделяют на две категории: макро- и микроэлементы.
К макроэлементам относят те, содержание которых превышает 0,01 % массы организма человека – это 12 элементов: кислород
О; углерод С; водород Н; азот N; кальций Са; фосфор Р; калий К;
сера S; хлор CI; натрий Na; магний Mg; железо Fе.
К микроэлементам относят: F; Zn; Sr; Br; Cu; Ba; Mn; B; V; Se;
I; Mo; Cr; Li; Cs; Co; Rb – 18 элементов.
6
7
Основные понятия химии окружающей среды.
Кроме них в организме человека постоянно присутствуют 9 элементов: Pb; AI; Cd; As; Hg; Au; Ag; Be – которые при превышении
нормы оказывают токсическое действие.
«Металлами жизни» называют 10 металлов: Na; K; Ca; Mg; Zn;
Fe; Cu; Co; Mo.
При исследовании химических элементов в химии окружающей
среды используются следующие понятия:
Кларковое содержание – содержание химического элемента
в земной коре или ее части.
Кристаллическая решетка – пространственное расположение атомов, ионов, молекул в соединениях, минералах.
Ra и Ri – размеры радиусов атомов и ионов, закономерно изменяющихся в зависимости от их положения в периодической системе.
От их величин во многом зависит их распределение в земной коре и
миграционная способность.
Поляризация и поляризуемость характеризует деформируемость атомов и ионов в электрическом поле. Способность ионов и
атомов деформировать чужие оболочки называется поляризацией,
а способность самого иона деформироваться – поляризуемостью.
Эти величины зависят от радиуса атома и иона, величины заряда
иона, от строения электронной оболочки. Эти величины уменьшают
Ri, сближают расстояния в кристаллической решетке, понижают растворимость, t°кип. и t°пл., повышают летучесть, электропроводимость, увеличивают цветность, непрозрачность, металличность окраски, увеличивают фотохимическую чувствительность, делают
соединения менее доступными растениям и животным.
Потенциал ионизации J определяет возможность изоморфного замещения ионов, увеличение J уменьшает возможности образования ионных кристаллических решеток, что делает соединения
более устойчивыми и менее доступными для живых организмов.
В химии окружающей среды кроме чисто химических понятий
широко используются и биологические.
Биосфера – область распространения живого вещества; включая живые организмы. В нее входят атмосфера (до 15 – 20 кл), гидросфера (11 кл) и литосфера (5 км).
Совокупность совместно обитающих и контактирующих между
собой особей одного вида называется популяцией.
Биоценоз – группа взаимозависимых живых организмов, объединенных под воздействием факторов среды.
Биотоп – пространство, занимаемое биоценозом.
Экосистемы объединяют биоценозы с биотопами, важнейшие
показатели экосистем - биомасса и продуктивность.
Биокосная система – система, где живые организмы и неорганическое вещество неразрывно связаны между собой. Организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические
вещества, называются автотрофами; организмы, получающие энергию химических реакций, называют хемотрофами; организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, называются гетеротрофами (консументами); организмы, перерабатывающие органические вещества в неорганические называются редуцентами.
Существенные изменения в окружающую среду вносят загрязняющие вещества – химические вещества, присутствующие в окружающей среде в количествах, превышающих их естественное содержание, или новые химические соединения, ранее не встречавшиеся в природе.
Существует два вида причин загрязнения окружающей среды:
естественные, возникающие в самой природе (землетрясения, извержения вулканов, ливневые дожди, ураганы и т.д.), и аптропогенные, в результате деятельности человека.
Загрязнители классифицируют по их природе (механические, физические, химические); по источникам поступления, по области применения, объему производства, устойчивости, способности к разложению.
Таким образом, химию окружающей среды можно разделить
на 2 раздела: химическая экология – изучение процессов в окружающей среде без влияния человека и экологическую химию – изучение процессов в окружающей среде с учетом антропогенного воздействия.
8
9
Контрольные вопросы
(Основные понятия химии окружающей среды)
1.Дайте краткую характеристику оболочек земного шара. Какие из них образуют биосферу?
2.Что такое биомасса? Из каких величин она складывается?
Охарактеризуйте эти величины.
3.Дайте определение и приведите примеры биокостных систем.
4.Что такое биоценоз? Каковы требования выделения отдельных биоценозов?
5.Дайте определение экосистемы. Какие показатели ее характеризуют?
6.Что такое экотоны? Почему важно их изучение?
7.Что представляют собой трофические уровни? Как происходит перераспределение энергии при переходе на каждый последующий трофический уровень?
8.Атомные и ионные радиусы и их связь со свойствами соединений и их миграционной способностью.
9.Что показывает коэффициент биологического поглощения?
10.Сродство к электрону, потенциал ионизации и электроотрицательность.
11.Поляризация и поляризуемость. Как влияет поляризация на
доступность химических элементов живым организмам?
12.Важнейшие формы нахождения химических элементов в окружающей среде.
13.Радиоактивное загрязнение биосферы.
14.Что включает в себя биогенная форма нахождения химических элементов?
15.Назовите ряд специфических особенностей живого вещества.
16.Приведите примеры экологических проблем, связанных с
производством и использованием техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.
17.Основные промышленные источники химического загрязнения окружающей среды.
18.Сельскохозяйственное загрязнение.
19.Загрязнение коммунальным хозяйством городов.
20.Транспортное загрязнение окружающей среды.
Тесты
(Основные понятия химии окружающей среды)
1.Укажите физическое свойство, которое описывает воду:
1) температура плавления;
2) ширина;
3) высота;
4) цвет;
10
5) длина.
2.Самый легкий газ:
1) кислород;
2) водород;
3) углекислый газ;
4) азот;
5) гелий.
3.Укажите ряд, в котором находятся только биогенные элементы:
1) H, O, He, N;
2) O, N, S, C, Cr;
3) C, S, P, As, Pt;
4) C, O, N, P, S;
5) H, Na, CI, P, C.
4.Прочность молекулы определяется:
1) энергией ионизации;
2) сродством к электрону;
3) электроотрицательностью;
4) энергией химической связи;
5) твердостью.
5.Наличие какой связи определяет жидкое агрегатное состояние воды в обычных комнатных условиях?
1) ковалентная полярная связь;
2) ковалентная неполярная связь;
3) водородная связь;
4) ионная связь;
5) металлическая связь.
6.Металл, встречающийся в природе в свободном состоянии:
1) серебро;
2) цинк;
3) натрий;
4) алюминий;
5) кальций.
7.Количество кислорода в атмосфере остается практически
неизменным, благодаря:
1) наличию кислорода в земной коре;
2)содержанию кислорода в составе органических веществ растительного и животного происхождения;
11
3) поступлению кислорода из космоса;
4) жизнедеятельности растений;
5) получению кислорода из воздуха.
8.Озоновый слой важен для поддержания жизни на Земле,
потому что озон:
1) является сильным окислителем;
2) поглощает ультрафиолетовое излучение солнца;
3) обладает свойством дезинфицировать воду и воздух;
4) по составу похож на кислород;
5) хорошо поглощает вещества, загрязняющие воздух.
9.Для обеззараживания питьевой воды используют озон, потому что он:
1) окисляет вредные примеси;
2) поглощает ультрафиолетовое излучение;
3) является аллотропным видоизменением кислорода;
4) вытесняет йод из солей;
5) выделяет кислород при разложении.
10. В I группе главной подгруппы от лития к цезию радиус
атомов:
1) уменьшается, число электронов на внешнем уровне возрастает;
2) уменьшается, число электронов на внешнем уровне не изменяется;
3) возрастает, число электронов на внешнем уровне увеличивается;
4) возрастает, число электронов на внешнем уровне не изменяется;
5) число электронов на внешнем уровне неизменно.
11. Укажите физическое явление:
1) ржавление железа;
2) плавление алюминия;
3) скисание молока;
4) горение угля;
5) гниение пищи.
12. Укажите химическое явление:
1) плавление льда;
2) кипение воды;
3) измельчение сахара в пудру;
4) получение бензина из нефти;
5) гниение пищи.
13. Укажите ряд, содержащий только микроэлементы в
живом организме:
1) Zn, Fe, Br, Cu, Ba;
2) F, Sr, Br, Cu, Hg, I;
3) K, Mn, V, I, Se;
4) Mn, Cr, Li, Cs, I;
5) Mo, Pb, Ni, Co, Cu.
14. Более доступными для растений являются атомы и ионы,
обладающие:
1) большей поляризуемостью;
2) меньшей поляризуемостью;
3) большей способностью деформировать другие соединения;
4) меньшей способностью деформировать другие соединения;
5) не деформирующие другие соединения.
15.Хемотрофами называются организмы:
1) питающиеся готовыми органическим соединениями;
2) перерабатывающие органические вещества в неорганические;
3) синтезирующие органические вещества из неорганических;
4) получающие энергию из химических реакций;
5) не знаю.
12
13
Круговорот кислорода, азота, углерода
Круговорот кислорода. С биологической точки зрения является важной составной частью воздуха. Он необходим для дыхания растений, животных и человека. В больших количествах
расходуется в процессах окисления и горения. Одновременно происходит обратный процесс – восстановление кислорода. Известны 3 молекулы (Н2 О, СО2 , N2 ), способные к образованию в фотохимических процессах химических соединений, богатых свободной энергией.
Н2О ® Н2 +
1
О (разложение воды)
2 2
СО2 + 2Н2О ® СН3ОН +
3
О
2 2
СО2 + Н2О ® СН4 + 2О2
1
С Н О + О2 (реакция фотосинтеза)
6 6 12 6
3
N2 + 3H2O ® 2NH3 +
O2
2
N2 + 2H2O ® N2H4 + O2
2H2O ® O2 + 4H+ + 4e ( на свету)
СО2 + 4Н+ + 4е ® СН2О + Н2О ( в темноте)
H2 + CO2 ® (CH2O)n + O2
СО2 + Н2О ®
Озон. Образование озона идет в результате УФ-радиации:
О2 + О = О3
2О2 + h n = О + О3;
Общее содержание озона колеблется около 2 – 5 .10-5 объемн. %.
Слой не превышает 1,7 – 4 мм при н.у. Максимальное количество
озона находится на высоте 15 – 30 км. Уменьшение озонового слоя
связано с увеличением концентрации загрязняющих веществ, которые активно реагируют с озоном. Самолеты выбрасывают в атмосферу N2, SO2, которые снижают содержание озона. Такой же эффект
вызывают промышленные загрязнители атмосферы – отходы промышленной и бытовой деятельности: соединения азота, хлора, фтора и т.д.
Y + О3 ® YO + O2;
YО + О ® Y + O2,
Где Y – радикалы и атомы – NO, HO, Cl, Br, ClO.
Это может привести к тому, что атмосфера может стать прозрачной для опасной УФ-радиации. Сейчас наблюдается постоянное уменьшение озонового слоя на 0,4 – 0,5% в год, обнаруживаются озоновые дыры.
Круговорот азота. Азот встречается в атмосфере в виде N2
(75% массы и 78% объема воздуха). Вовлечение N2 в круговорот
начинается с азотфиксации – образования аммиака, а потом других
соединений (NO2-, NO3 -) в результате деятельности почвенных и
водных азотфиксирующих микроорганизмов:
N2 ® аммиак NH3 ® нитриты NO2- ® нитраты NO3-.
В природных условиях свободный азот фиксируют сине-зеленые водоросли, а также азотбактерии. Процесс превращения
азотсодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями, называется нитрификацией. Аммиак образуется также в процессе экскреции и разложения растительных и
животных организмов. Небиологическим путем азот образуется при электрических разрядах в атмосфере и при высоких тем14
пературах (выхлопные газы, выбросы промышленных предприятий):
N2 + O2 ® 2NO;
2NO + O2 ® 2NO2; 3NO2 + H2O ® NO + 2HNO3,
которая впоследствии дает нитраты. В биосфере происходит обратся
ный процесс (NO3- ® NO2- ® NH3 ® N2), который называется
денитрификацией. Оксиды азота NO и NO2 относятся к основным
загрязнителям атмосферы. Естественными источниками являются
лесные пожары, грозовые разряды, процессы денитрификации в почве (NO3- ® NO2- ® NO ® N2O ® N2). Основным антропогенным источником NO и NO2 являются процессы высокотемпературного сгорания различных видов топлива (природного газа, угля, бензина, мазута) на тепловых электростанциях, промышленных установках и автомобильных двигателях. Это составляет примерно 90%
всех выбросов оксидов азота в атмосферу. Также причастны некоторые отрасли химической промышленности, в частности производители HNO3 («лисьи хвосты» над трубами), H2SO4 нитрозным методом, взрывчатых веществ.
Круговорот углерода. Углерод в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа СО2. (0,03%) по массе. В почвенном
воздухе концентрация СО2 выше, так как идет постоянное окисление органического вещества почвы. Круговорот углерода в биосфере начинается с поглощения атмосферного СО2 зелеными растениями в процессе фотосинтеза:
1
СО2 + Н2О ¾свет
¾
¾® 6 С6Н12О6 + О2
Большинство растений и животных потребляют кислород при
дыхании и выделяют СО2. Углерод в виде органического вещества
из растений поступает в пищевые цепи животных. Мертвые растения и животные разлагаются микроорганизмами почвы, в результате углерод окисляется до СО2 и возвращается в атмосферу. Естественными источниками СО2 в атмосферу являются также извержения вулканов и лесные пожары. Углекислый газ растворяется в
океанах. Океан содержит СО2 в 50 раз больше, чем в атмосфере.
СО2 + Н2О = Н2СО3;
Н2СО3= НСО3- + Н+; НСО3= СО32- + Н+
При взаимодействии ионов Са2+ (попадающими в воду вследствие выветривания пород) с СО32- образуется нерастворимый кар15
бонат кальция – известняк: Са2+ + СО32- ® СаСО3. При совместном
взаимодействии ионов Са2+ и Mg2+ с карбонат-ионами образуется
доломит СаСО3. MgCO3. Благодаря этим реакциям и при дальнейшем
растворении СО2 в воде происходит частичное превращение карбоната в растворимый гидрокарбонат: СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2. на поверхности водоема раствор согревается, из него выпадает СаСО3 и выделяется СО2, то есть происходит обратная реакция.
Техногенная деятельность человека нарушила естественный баланс
круговорота углерода. За последние 150 лет количество сжигаемого
топлива увеличивается примерно на 4,3%. В результате ежегодно в
атмосферу выбрасывается около 6 млрд. т СО2. Отрицательным экологическим последствием интенсивного сжигания топлива является
увеличение в атмосфере ядовитого угарного газа СО.
1.Какова основная биологическая функция кислорода воздуха? В
каких реакциях участвует кислород? Напишите уравнения реакций.
2.Максимальное количество воздуха, проходящее через легкие
человека за сутки, составляет 11520 л. Сколько литров воздуха проходит через легкие человека за 1 час?
3.В состав воздуха входит 20,95% (по объему) молекулярного
кислорода. Максимальное количество воздуха, проходящее через
легкие человека за сутки, составляет 11520 л. Сколько литров кислорода человек потребляет за сутки и за 1 час?
4.Как происходит восстановление кислорода в атмосфере? Какие вещества при этом участвуют? Напишите уравнения реакций.
5.Что называют озоновым слоем? Какое вещество его образует?
Напишите уравнения реакций.
6.Для образования озона расходуется 16,7 г молекулярного кислорода. Рассчитайте, сколько литров озона образуется при нормальных условиях?
7.При взаимодействии 2,82 литров углекислого газа с водой образуется метан и молекулярный кислород. Рассчитайте объем выделившегося кислорода при нормальных условиях.
8.При разложении 5,22 г воды образуется водород и кислород.
Написав уравнение реакции, рассчитайте объем выделившегося
кислорода при нормальных условиях.
9.Что такое нитрификация и денитрификация? Охарактеризуйте
эти процессы и напишите цепочки превращений.
10. Опишите небиологический путь образования азота N 2
в атмосфере. Составьте уравнения реакций.
11.Назовите основные природные и антропогенные источники
оксидов азота в атмосфере и напишите уравнения реакций.
12.Антропогенные источники ежегодно выделяют в окружающую среду до 60 млн т оксидов азота, причем на долю химической
промышленности приходится около 5%, а на долю энергетики и транспорта - около 95%. Вычислите, сколько тонн оксидов азота выделяют в год предприятия химической промышленности и сколько тонн
– предприятия энергетики и транспорта.
13.Антропогенные источники выделяют в атмосферу до 60 млн т
оксидов азота в год (в пересчете на NO2). На долю автотранспорта
приходится около 40%, а на долю ТЭЦ (теплоэлектроцентралей) –
30%. Вычислите, сколько тонн составит эмиссия оксидов азота от:
а) автотранспорта; б) ТЭЦ.
14.Антропогенные источники выделяют в атмосферу до 60 млн
т оксидов азота в год (в пересчете на NO2). На долю сжигания топлива в промышленности приходится около 20%, а на долю всех прочих источников – 10%. Вычислите, сколько тонн составит эмиссия
оксидов азота от: а) сжигания топлива в промышленности; б) всех
прочих источников.
15.Охарактеризуйте два механизма удаления углекислого газа
СО2 из атмосферы и напишите уравнения реакций.
16.Охарактеризуйте природные и антропогенные источники поступления СО2 в атмосферу. Назовите основные факторы воздействия человека на круговорот углерода и экологические последствия
этого воздействия.
17.Каким образом углекислый газ СО2 перемещается из атмосферы в гидросферу и обратно. Напишите уравнения реакций.
18.Опишите переход углерода из неживых (абиотических) компонентов в живые (биотические) компоненты и обратно.
19.Растения с листовой поверхностью в 1 дм2 усваивают за 1
час из атмосферы воздуха около 50 мг СО2, а из воздуха, содержащего до 5% углекислого газа, 110 мг. Какая масса глюкозы ассимилируется за 1 час в первом и во втором случаях? Для решения задачи составьте уравнение фотосинтеза глюкозы.
16
17
Контрольные вопросы
(Круговорот кислорода, азота, углерода)
20.Растения с листовой поверхностью в 1 дм2 усваивают за 1
час из атмосферы воздуха около 50 мг СО2, а из воздуха, содержащего до 5% углекислого газа, 110 мг. Какой объем кислорода выделяется при этом в воздух? Для решения задачи составьте уравнение фотосинтеза глюкозы.
Тесты
(Круговорот кислорода, азота, углерода)
1.Важнейшим звеном круговорота веществ является:
1) воздушный перенос;
2) фотосинтез;
3) гликолиз;
4) гидролиз;
5) водный перенос.
2.Какому элементу соответствует электронная формула
внешнего энергетического уровня 2s2 2p4 ?
1) азоту;
2) фосфору;
3) кислороду;
4) сере;
5) селену.
3.Какая из данных форм кислорода имеет запах?
1) кислород воздуха;
2) озон;
3) атомарный кислород;
4) кислород, растворенный в воде;
5) кислород почвы.
4.Объем воздуха (содержащего 21 % кислорода), необходимый для сжигания 6 моль сероводорода (при н.у.), равен:
1) 112 л;
2) 224 л;
3) 960 л;
4) 320 л;
5) 480 л.
5.На внешнем электронном уровне атома азота находятся:
1) два спаренных s - электрона и два неспаренных p - электрона;
2) два спаренных s - электрона и три неспаренных p - электрона;
3) два спаренных s - электрона и два спаренных р - электрона;
4) два спаренных s - электрона и три неспаренных d - электрона;
5) пять р - электронов.
6. Атмосферный азот образуется в основном в результате
жизнедеятельности:
1) растений;
2) животных;
3) грибов;
4) вирусов;
5) почвенных бактерий.
7.Какое утверждение верно?
1) азот в свободном состоянии находится в атмосфере Земли;
2) азот в свободном состоянии находится в земной коре;
3) азот в свободном состоянии в природе не встречается;
18
4) азот существует только в виде соединений;
5) не знаю.
8.В цепочке химических превращений при нитрификации:
N2 ® NH3 ® X ® NO3Вещество Х – это:
1) водород;
2) кислород;
3) нитрит;
3) гидрид;
5) оксид азота.
9. В каком из перечисленных соединений степень окисления
азота равна +3?
1) NO;
2) NO2;
3) N2O3;
4) HNO3;
5) NH3.
10.Какому элементу соответствует электронная формула
внешнего энергетического уровня 2s2 2p2 ?
1) бериллию;
2) бору;
3) углероду;
4) азоту;
5) кислороду.
11.Углерод в атмосфере содержится в основном в виде какого соединения?
1) CO;
2) CO2;
3) H2CO3;
4) CO32-;
5) Na2CO3.
12.Какой газ выделяется в результате дыхания растений и
животных?
1) H2S;
2) O2;
3) CO2;
4) CO;
5) NO.
13.Какое вещество образуется при растворении СО2 в океанах?
1) H2CO3;
2) Na2CO3;
3) CaCO3;
4) H2SO3;
5) H2SO4.
14.Какое из приведенных уравнений электролитической диссоциации угольной кислоты записано правильно?
1) H2CO3 ® H2+ + CO32-;
2) H2CO3 ® H+ + HCO3-;
3) H2CO3 ® 2H+ + CO32-;
4) H2CO3 ® 2H+ + 2CO32-;
5) H2CO3 ® H2+ + CO32-;
15.В цепочке химических превращений:
СаС2 ® Са(ОН)2 ® Х ® Са(НСО3)2 веществом Х является:
1) CaCl2;
2) CaO;
3) CaCO3;
4) CO2;
5) CO.
Круговорот серы, фосфора, водорода
Круговорот серы. Сера встречается в виде залежей сульфидных и сульфатных минералов и в виде примесей в угле и нефти: халь19
козин Cu2S, пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, гипс CuSO4. 2H2O, глауберит Na2SO4.CaSO4 и др. В раннюю бескислородную эпоху Земли
в атмосфере находились H2S и SO2. Появление серных бактерий с
земным и пурпурным пигментом привело к фотосинтезу в анаэробных условиях:
hv
CH2O + H2O + 2S
CO2 + H2S ¾¾®
6CO2 + 12H2S ® C6H12O6 + 6H2O + 12S
С появлением кислорода произошли окислительные процессы с
помощью серобактерий: 2H2S + O2 = 2H2O + 2S.
Тианобактерии окисляют S дальше ® SO32- ® SO42S + 1,5O2 + H2O ® H2SO4 + 119 ккалл
В почве и воде сера находится в виде SO42- , а затем поступает
в растения. В клетках растений идут восстановительные процессы
до HS- или -S-S-. В окружающую среду из растений сера переходит
в окисленной форме в виде сульфатов.
Обладая хорошей подвижностью SO42- c речным стоком попадает в океан. В речной сток поступает SO42- в результате выветривания пород, выщелачивания почв, из атмосферных осадков, минерализации органического вещества. В океане сера погружается под
континент, образуя H2S и SO2 и с вулканическими извержениями поступает на поверхность Земли,замыкая круговорот.
В атмосфере сера содержится в виде SO2 , H2S и SO42- ( с пылью, океанические брызги). Все реакции серы в атмосфере приводят к SO42-:
H2S ® S ® SO2 ® SO3 ® SO42Время существования H2S около 2 суток.
Антропогенный источник серы – образование SO2 в результате
сжигания топлива (на ТЭЦ, заводах, фабриках, для обогревания помещений, в двигателях внутреннего сгорания), в металлургических
производствах, в производстве серной кислоты и при переработке
нефти. Присутствие SO2 в атмосфере приводит к образованию аэрозолей и «кислых солей». Время жизни SO2 около 4 суток.
катализато р
SO2 + O3 ¾¾
¾ ¾¾® SO3 + O2
SO3 + H2O ® H2SO4
SO2 + H2O ® H2SO3 « H + HSO3- « 2H+ + SO322H2SO3 + O2 ® 2H2SO4
До серной кислоты сернистая кислота может окисляться также
озоном и пероксидом водорода: HSO3- + O3 ® SO42- + H+ + O2;
HSO3- + H2O2 ® SO42- + H+ + H2O
Круговорот фосфора. Фосфор содержится в земной коре в количестве около 0,1%, причем водная и воздушная миграция невысока.
Значительная часть фосфора представлена в виде апатита
Ca10(PO4)6F2 с примесями кадмия, мышьяка и хлора, дикальцийфосфат CaHPO4, Ca3(PO4)2, гидроксилапатита Ca10(PO4)6(OH)2 и др.
Круговорот фосфора проще и охватывает только лито- и гидросферу. В основном происходит движение фосфора с суши в воду и
далее в донные отложения. Соединения фосфора играют важную
роль в биологических системах. Этот элемент входит в состав фосфатных групп молекул РНК и ДНК, ответственных за синтез белков
и передачу наследственной информации. Фосфор входит в состав
аденозинтрифосфата (АТФ). При гидролизе АТФ связь Р-О-Р разрывается с выделением энергии:
АТФ + H2O ® Н3РО
О4 + АДФ + энергия.
При оценке загрязнения биосферы соединениями фосфора важны техногенные пути их поступления. Значительное количество фосфора входит в состав моющих средств и со сточными водами попадают в гидросферу (в почву и грунтовые воды). Различные стиральные порошки содержат от 4 до 50% пирофосфатов или триполифосфатов. В гидросфере соединения фосфора включаются в пищевые
цепи морских экосистем. Часть соединений теряется в глубинных
отложениях, часть возвращается в виде органических удобрений при
внесении на поля костно-рыбной муки.
Круговорот водорода. Водород наиболее распространенный элемент в Космосе. Здесь идут ядерные реакции, в результате которых
ядра водорода являются строительным материалом ядер гелия Не и
других элементов. При этом часть вещества водорода превращается
в энергию. В атмосфере Земли содержится 5 . 10-5 объемных % и 3,5
.
10-6 массовых % водорода, что составляет 1,7 . 1010 т, что отвечает
динамическому равновесию, поскольку водород не только поступает
из Космоса, но и уходит в Космос. Самый внешний слой атмосферы –
протоносфера – состоит из протонов. Ниже водород присутствует в
виде Н2. Н2 – самый легкий из газов и самый распространенный, особенно в гидросфере и живом организме.
20
21
Адсорбированный водород, поднимаясь по глубинным разломам
из недр Земли, взаимодействует с O2, Si, C, N, S, Al, Mn и др., очищая от них нижнюю мантию. Одновременно водород взаимодействует с кремнеземом:
2H2 + SiO2 = Si + 2H2O.
Образовавшаяся вода устремлялась к зонам растяжения земной коры, заполняя водой океанические впадины. Масса современной гидросферы – 1,4 . 1018 т.
В живом веществе связано примерно 7,3 . 1011 т водорода. Идет
постоянный круговорот воды за счет продукции живого вещества,
испарения. Деревья перекачивают воду из почвы в атмосферу. Корневые волоски растений выделяют угольную кислоту. Кислота диссоциирует Н+ + НСО3- и поступает в почву. При дыхании растений и
животных выделяется СО2: СО2 + H2O ® Н2СО3. Ион водорода Н+
самостоятельно существовать не может и связывается с молекулой воды в ион гидроксония [H3O]+, который определяет реакцию
среды, т.е. рН, а рН определяет миграцию большинства элементов.
Ион НСО3- определяет минерализацию воды.
Таким образом, водород на поверхности Земли встречает множество барьеров и включается в разнообразные круговороты. Некоторые анаэробные бактерии способствуют восстановлению водорода из органического вещества. Выделившийся водород встречает на
своем пути последний барьер – озоновый слой: О3 + Н2 = Н2О + О2.
Контрольные вопросы
(Круговорот серы, фосфора, водорода)
1.Какие вещества преобладали в раннюю бескислородную эпоху
Земли в атмосфере? Какие при этом происходили процессы? Напишите уравнения реакций.
2.Какие процессы происходили в атмосфере с появлением кислорода на Земле? Напишите уравнения реакций.
3.В виде какого соединения сера встречается чаще всего и каким образом она попадает в океан?
4.Назовите природные и антропогенные источники сернистого
газа SO2.
5.Напишите уравнения химических превращений SO2 в атмосфере.
22
6.Мировой выброс SO2 составляет 147 млн т в год. Из общего
количества сернистого газа, выделяемого в атмосферу Земли, около
40% приходится на долю нефтепродуктов. Сколько тонн это составляет?
7.На нефтеперерабатывающем заводе мощностью 12 млн т
выбросы SO2 составляют 219 тыс. т в год. Вычислите, сколько тонн
SO2 образуется при переработке 1 т сырой нефти.
8.Электростанция сжигает за сутки 1000 т угля, содержащего
3% серы. Вычислите массу сернистого газа SO2, образующегося за
сутки, предварительно написав уравнение реакции.
9.Электростанция сжигает за сутки 1000 т угля, содержащего
3% серы. Допустим, что 10% образовавшегося при сжигании угля
сернистого газа SO2 окисляется в серный ангидрид SO3, который
превращается в серную кислоту H2SO4. Напишите уравнения всех
упомянутых реакций и вычислите массу образовавшегося серного
ангидрида SO3.
10.Охарактеризуйте круговорот фосфора. Почему он считается
проще, по сравнению с круговоротом других веществ, например, азота?
11.Назовите основную биологическую роль соединений фосфора. Напишите уравнение реакции.
12.Для получения фосфорной кислоты используется следующая
реакция: Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4. Определите, сколько килограмм
фосфорной кислоты можно получить, если при этом было израсходовано 18,65 кг воды.
13.При сжигании фосфора образуется оксид фосфора (V). Написав уравнение реакции, рассчитайте массу в граммах образовавшегося оксида, если в реакцию вступило 7,18 г фосфора.
14.Где встречается кислород и в каком количестве?
15.Что происходит с адсорбированным водородом? Напишите
уравнение реакции.
16.Сколько литров воды образуется при взаимодействии 6,8 кг
газообразного водорода с кремнеземом? Напишите уравнение реакции и решите задачу.
17.В виде какого соединения водород встречается в живом веществе и что в дальнейшем с ним происходит?
18.Рассчитайте, сколько кг угольной кислоты Н2СО3 образуется
при взаимодействии 7,5 литров воды с углекислым газом при нормальных условиях. Напишите уравнение реакции и решите задачу.
23
19.В атмосфере газообразный водород, сталкиваясь с озоном,
образует воду и кислород. Напишите уравнение реакции и рассчитайте массу выделившейся воды, если в реакцию вступило 3,2 л
водорода при нормальных условиях.
20.Сколько литров воды образуется при взаимодействии 5 кг
озона с газообразным водородом при нормальных условиях. Напишите уравнение реакции и решите задачу.
Тесты
(Круговорот серы, фосфора, водорода)
1.Вещества, находившиеся в атмосфере в раннюю бескислородную эпоху Земли:
1) O2 и H2;
2) H2 и N2;
3) Cl2 и Br2;
4) CO и NO2;
5) H2S и SO2.
2.Какую формулу имеет сернистый газ?
1) H2S;
2) SO2;
3) SO3;
4) SO4;
5) SO.
3.Какое соединение серы образуется при гниении белка?
1) сернистый газ;
2) сульфид магния;
3) серный ангидрид;
4) сероводород;
5) сульфид бария.
4.Какое название имеет соединение Na2 SO3 ?
1) гидросульфит натрия;
2) сульфит натрия;
3) сульфид натрия;
4) сульфат натрия;
5) гидросульфид натрия.
5.В цепочке химических превращений:
S ® SO2 ® SO3 ® X ® K2SO4 вещество Х – это:
1) серная кислота;
2) сульфат натрия;
3) сероводородная кислота;
4) сернистая кислота;
5) сульфид натрия.
6. Средняя соль серной кислоты называется:
1) гидросульфатом;
2) сульфидом;
3) сульфатом;
4) гидросульфитом;
5) сульфитом.
7.При горении сероводорода в воздухе без катализатора
образуется:
1) вода и сернистый газ;
2) вода;
3) сернистый газ;
4) вода и атомарная сера;
5) сернистый газ и атомарная сера.
8.Как доказать, что оксид серы (VI) является кислотным
оксидом?
1) сжечь;
2) окислить;
3) растворить в воде (образуется серная кислота);
4) восстановить;
5) не знаю.
9.При сжигании 136 г сероводорода образовалось 210 г
оксида серы (IV). Массовая доля выхода SO2 равна:
1) 95%;
2) 82%;
3) 90%;
4) 76%;
5) 71%.
10.В каком из перечисленных соединений степень окисления фосфора равна +3?
1) P4H10;
2) NaPO3;
3) Na3PO4;
4) PCl3;
5) Na2 HPO4 .
11.Какое из перечисленных веществ взаимодействует с оксидом фосфора (V) с образованием ортофосфорной кислоты?
1) кислород;
2) водород;
3) вода;
4) серная кислота;
5) оксид серы (VI).
12.Какое утверждение верно?
1) фосфор в свободном состоянии находится в атмосфере Земли;
2) фосфор в свободном состоянии находится в земной коре;
3) фосфор в свободном состоянии в природе не встречается;
4) фосфор существует только в виде соединений;
5) не знаю.
13.Какое утверждение относится к химическому элементу
водороду?
1) водород – самый легкий газ;
2) водород входит в состав воды;
3) водород является компонентом топлива для реактивных
двигателей;
4) смесь водорода с кислородом взрывоопасна;
5) водород – самый распространенный газ.
14.Какое из приведенных утверждений неверно?
1) водород хорошо растворим в воде;
2) водород не имеет запаха;
3) водород – бесцветный газ;
4) водород легче воздуха;
5) не знаю.
24
25
15.Найдите объем, который занимает 0,3 моль водорода
при нормальных условиях:
1) 22,4 л;
2) 6,72 л;
3) 67,2 л;
4) 44,8 л;
5) 74,7 л.
Миграция химических элементов в окружающей среде
Все химические элементы, находящиеся в биосфере, образуют
различные, относительно устойчивые системы, называемые «формами нахождения». Составляющие их элементы могут совместно
перемещаться в биосфере и за ее пределами. Значит, можно считать, что химические элементы находятся почти постоянно в состоянии движения, которое и является их миграцией. Любое движение происходит за счет энергии, каковыми на Земле являются:
1.гравитационные силы;
2.космическая энергия (солнечная);
3.энергия радиоактивного распада (внутренняя теплота Земли).
Можно выделить четыре основных вида миграции химических
элементов:
Механическая миграция означает перемещение элементов
без изменения форм нахождения: газы в атмосфере, растворенные
вещества в воде.
Физико-химическая миграция сопровождается химическими реакциями. К ней также относят диффузию, сорбцию, радиоактивный распад. Изоморфное замещение в литосфере.
Биогенная миграция – это движение элементов, связанное с
жизнедеятельностью биоты.
Техническая миграция связана с деятельностью человека, и
роль ее все более возрастает.
В зависимости от перемещения химических элементов от форм
нахождения можно выделить три типа миграции.
Первый тип – это изменение формы нахождения элементов без
их значительного перемещения, например, растворение. Для характеристики этого типа миграции используются коэффициенты перехода элементов из одной формы в другую. К примеру КБП = Р/П,
где КБП – коэффициент биологического поглощения; Р – содержание элемента в золе растения; П – содержание этого же элемента в
почве. Если КБП > 1, идет перекачивание элемента из почв. После
Чернобыльской катастрофы радионуклиды перешли в растения в
26
районе аварии, уменьшив тем самым дальность миграции, локализовав последствия. Но вскоре начались пожары, переводя радионуклиды в аэрозоли, дальность и скорость миграции резко возросли
и перевели в следующий тип миграции.
Второй тип – это перемещения без изменения формы нахождения элементов. Примерами могут служить перемещение аэрозолей,
растворов и нерастворимых веществ поверхностными и подземными водами.
Но наиболее распространен третий тип миграции, объединяющий два предыдущих.
А. Е. Ферсман, изучая причины миграции, разделил их на внутренние, связанные со свойствами атомов и их соединений, и внешние, обусловленные средой.
К внутренним факторам относятся электростатические свойства атомов и ионов. Это радиус иона, его заряд, тип химической
связи в соединении и межмолекулярные силы.
К внешним факторам относят температуру, увеличивающую
скорость миграции, давление, изменяющее скорость, и направление
химических процессов, концентрацию ионов водорода (рН среды),
изменяющую подвижность ионов, окислительно-восстановительный
потенциал среды и т.д.
Звенья биогеохимического цикла миграции химических элементов приведены на рисунке 1.
В начале цикла продуценты (земные растения) усваивают из
почвы и воздуха необходимые для их развития элементы, синтезируя белок, углеводы и жиры, выделяя кислород. Затем растения потребляются консументами I порядка – травоядными животными. В
их организме с участием кислорода воздуха элементы переходят в
животные белки, углеводы и другие соединения, которые становятся пищей консументов II порядка – хищников. В конце цикла редуценты осуществляют минерализацию, возвращая химические элементы в среду обитания. При этом консументы и редуценты потребляют кислород и выделяют диоксид углерода.
Экологическая опасность химического элемента и его соединений определяется его токсическим действием на живые организмы
и физико-химическими свойствами, от которых зависит способность
элемента к миграции в природных средах и живом организме. Наи27
большую опасность представляют соединения с большей миграционной способностью. Атмосферный воздух и природная вода – основные среды миграции антропогенных загрязнений.
Рассмотрим более подробно факторы миграции. Химический
состав и химические свойства мигрирующего элемента характеризует внутренние факторы. Элементы с низкой энергией ионизации (I
< 1,4 эВ) мигрируют в виде катионов (Cs+, Rb+, Li+, Na+, K+); их соединения хорошо растворимы в воде, образуют сильные основания.
Элементы с I от 1,4 – 3,0 эВ мигрируют в форме катионов (Co2+,
Cu2+, Zn2+, и т.д.), их соединения хорошо растворяются в воде, при
подщелачивании выделяют гидроксиды, в большинстве выпадающие в осадок. Элементы с I = 3 – 7 эВ (Fe3+, Mn3+, AI3+, Ti4+ и др.)
образуют амфотерные оксиды, чувствительные к рН, осаждаются
в виде гидроксидов; I > 7эВ (As3+, B3+, Cr6+ и т.д.).
К основным внешним факторам относятся химический состав
природных вод, их рН и температура. Природные воды содержат в
растворенном виде газы, неорганические и органические соединения. Их делят на 5 групп:
1. Макрокомпоненты – ионы K+, Na+, Mg2+, Ca2+, CI-, SO42-, HCO3-,
2CO 3 .
2. Растворенные газы – O2, N2, CO2, H2S, CH4 и др.
3. Биогенные вещества – соединения азота, фосфора, железа.
4. Органические соединения в виде органических кислот, сложных эфиров, фенолов и гумусовых веществ.
5. Все металлы, кроме макроэлементов (Na+, K+, Mg2+, Ca2+).
Кислотность природных вод оказывает основное влияние на состояние и перенос загрязнений в водной среде. Большинство ионов
металлов: Cu2+, Cr3+, Pb2+, Cd2+, Hg2+ при рН > 6 осаждаются в виде
плохо растворимых гидроксидов, карбонатов, сульфидов и концентрируются в данных отложениях. При подкислении природных вод,
содержащих кислоты, происходит обратный процесс – металлы в
виде катионов переходят в растворимое состояние
Формы свинца (II) в водной среде в зависимости от рН показаны на рисунке 2.
Миграция элементов зависит от температуры. Ее повышение
интенсифицирует процессы жизнедеятельности водных организмов,
что нарушает равновесие экосистем, начинают бурно размножаться
вирусы и болезнетворные микробы, вызывающие различные заболевания.
В схеме миграций загрязнений можно выделить 5 стадий.
Первая стадия – это стадия поступления загрязнений из источников их образования в природную среду. Летучие вредные вещества поступают в атмосферу в виде газов, паров и мелкодисперсных частиц. В природные воды загрязнения поступают в виде сточных вод, в почву со свалок и мест захоронений отходов.
Вторая стадия – миграция, происходит внутри природных сред
и между ними, за счет переноса воздушными массами, стоком рек,
морскими течениями, седиментацией на почве, поверхности водоемов.
Третья стадия – перемещение элементов из атмосферы, почвы
через корневую систему в растения, это же происходит и в водоемах. Почвенный раствор – жидкая фаза почвы является основным
источником химических элементов питания растений и микроорганизмов почвы. Изменение ее химического состава может говорить
о влиянии загрязнений на биосферу. В местах повышенного антропогенного воздействия имеет место повышение концентрации H+, SO42-, AI3+,
Mn2+, Cu2+, Mg2+ и тяжелых металлов.
Антропогенное закисление почвы угнетающе действует на жизнедеятельность микроорганизмов, повышает содержание тяжелых
металлов в растениях, уменьшает количество доступного Са и Mg, а
AI переходит в растворимую форму и блокирует усвоение фосфора.
Четвертая стадия – поступление химических элементов в организмы животных с кормами, дыханием и водой.
Пятая стадия – поступление химических элементов в организм
человека с пищей, питьевой водой и дыханием.
28
29
Контрольные вопросы
(Миграция)
1.Почему химические элементы подвержены миграции?
2.Охарактеризуйте известные Вам виды миграции химических
элементов.
3.Какие типы миграции можно выделить в связи с перемещением
химических элементов?
4.Факторы, определяющие миграцию элементов в биосфере.
1.Нерастворимый монацит перемещается по второму типу
миграции. При изменении рН гидролизуется. Каковы продукты
гидролиза?
1) Th(SO4)2;
2) Th(OH)4;
3) ThCI4;
4) ThOHPO4;
5) H3PO4 .
2.Наиболее токсично вещество:
1) NaHCO3;
2) KCI;
3) Na3 PO4 ;
4) Pb(NO3)2 ;
5) Fe2O3 .
3.Левая часть кратного ионного уравнения реакции: СО32+ 2Н+ = ….. соответствует взаимодействию в растворе:
1) угольной кислоты и гидроксида натрия;
2) карбоната кальция и соляной кислоты;
3) углекислого газа и воды;
4) азотной кислоты и карбоната натрия;
5) углекислого газа и гидроксида натрия.
4.Загрязнение водоема органическими веществами, попадающими из животноводческих хозяйств, приводит к гибели
рыб, потому что:
1) продукты жизнедеятельности животных ядовиты для рыб;
2) эти вещества не растворяются в воде, она становится мутной, и рыба гибнет;
3) для дыхания рыб не хватает кислорода, который расходуется
на окисление загрязнителей;
4) появляется много водорослей;
5) появляется много бактерий.
5. Попадание извести в почву способствует:
1) обогащению питательными веществами;
2) повышению влажности;
3) понижению влажности;
4) понижению кислотности;
5) уничтожению сорняков.
6.Наибольшую часть объема атмосферного воздуха составляет:
1) кислород;
2) водород;
3) углекислый газ;
4) азот;
5) озон.
7. Во влажном воздухе железные предметы быстро покрываются ржавчиной, потому что железо:
1) вступает в реакцию с углекислым газом;
2) постепенно окисляется кислородом воздуха в присутствии
воды;
30
31
5.Внутренние факторы миграции.
6.Внешние факторы миграции.
7.Влияние процессов радиоактивного распада на миграцию химических элементов.
8.Влияние концентрации водородных ионов на процесс миграции.
9.Поведение амфотерных элементов в воде и почве в зависимости от внешних факторов миграции.
10.Механическая миграция химических элементов.
11.Диффузионная миграция элементов.
12.В каком виде мигрирует AI в кислой среде при рН < 3,5 и в
щелочной среде при рН > 9.
13.Каковы формы нахождения свинца в водной среде в зависимости от ее рН?
14.Роль неорганических соединений в жизнедеятельности живых организмов.
15.Электрохимические процессы при миграции элементов (на
примере элемента S).
16.Роль живых организмов в миграции элементов.
17.Роль влияния температуры на процессы миграции.
18.Концентрация химических элементов растениями.
19.Аэрозольный перенос - важнейший процесс миграции элементов.
20.Миграция с поверхностными водами.
Тесты
(Миграция)
3) реагирует с азотом, находящимся в воздухе;
4) покрывается пленкой оксида;
5 вступает в реакцию с водородом.
8. Кристаллическую решетку, состоящую из ионов, образуют
вещества с:
1) ковалентной неполярной связью;
2) металлической связью;
3) ковалентной полярной связью;
4) водородной связью;
5) ионной связью.
9.При прокаливании известняка массой 200 г выделилось 35,84 л
оксида углерода (IV). Чему равна массовая доля примесей в известняке?
1) 80 %;
2) 20 %;
3) 2 %;
4) 0,8 %;
5) 10 %.
10. Мышьяк мигрирует в водной среде в виде:
1) As3+;
2) AsO33-;
3) As5+;
4) Aso;
5) As3-.
11. Кальций мигрирует в водной среде в виде:
1) Ca(NO3)2 ;
2) Ca2+;
3) Cao;
4) CaCO3;
5) Ca3(PO4 )2 .
12. Скорость и дальность диффузионной миграции элементов:
1) прямо пропорциональна размерам диффундирующих частиц;
2) обратно пропорциональна размерам диффундирующих частиц;
3) обратно пропорциональна температуре среды;
4) не зависит от давления;
5) не зависит от концентрации.
13.В самородном состоянии в природе встречаются:
1) алюминий;
2) натрий;
Атмосфера – газовая оболочка Земли, наиболее подвижная часть
биосферы. Поэтому воздействие на нее множества различных источников загрязнения приобретает глобальный характер.
Для понимания процессов распространения и трансформации
загрязняющих веществ в воздушной среде и выявления наиболее
опасных видов антропогенных воздействий необходимо знать, где и
как идут в ней химические процессы.
Атмосфера, если провести мысленный разрез по вертикали, имеет определенную структуру. Верхняя ее граница, где происходит рассеивание газов в межпланетное пространство, находится на высоте около 1000 км. В околоземном пространстве 5,5 км сосредоточено 50 %, а в слое около 40 км до 99 % всей массы газовой смеси
атмосферы.
С увеличением высоты наблюдается изменение таких параметров как давление (Р), температура (t°, T°К), газовый состав атмосферы. А именно, давление падает, и на высоте 50 км достигает
величины 1 мм.рт.ст. Температурная зависимость сложнее, так как
имеются минимумы и максимумы. Слои, на которые делится атмосфера (по вертикали), соответствуют изменению температурного
режима:
32
33
3) кальций;
4) золото;
5) железо.
14. На растворимость углекислого газа в воде не влияет:
1) давление;
2) температура;
3) рН среды;
4) скорость;
5) химическое взаимодействие с водой.
15. Как диссоциирует соль AIOHCI2 ?
1) 2AIOHCI2 ® 2AIO+ + 2HCI-;
2) 3AIOHCI2 ® 2AICI3- + H2O;
3) AIOHCI2 ® AIOH2+ + 2CI-;
4) 3AIOHCI2 ® 3AI(OH)3 + 2CI-;
5) AIOHCI2 ® AI3+ + OH- + 2CI-.
Химические процессы в атмосфере
Тропосфера
Границы
(км.над to градиент Изменение
уровнем моря)
к/км
температурного режима
0 – (8 – 18)
-6,45
Температура падает
Стратосфера
(8 – 18) – (50 -55)
+1,38
Мезосфера
(50 – 55) – (80 – 85)
-2,56
Термосфера
(80 – 85) – 1000
+3,13
Зона
До 20 км температура
постоянная
(220оК),
затем возрастает
о
(до 265 – 270 К)
Понижение
температуры
(до 190 – 170оК)
Температура
повышается
Переход от зоны к зоне происходит плавно за счет узких переходных пауз, (тропопауза, стратопауза, мезопауза, термопауза и т.д.) составляющих около 5 км. Три первых слоя: тропосфера, стратосфера и
мезосфера образуют зону – гомосферу, где идет интенсивное перемешивание газового состава. После гомосферы идут слои, получившие
название гетеросферы, где температура плавно понижается.
Атмосфера Земли состоит из:
N2 – 78,089 %; O2 – 20,948 %; Ar – 0,934 %;
CO2 – 3,65 * 10-2 %; Ne – 1,8 * 10-3 %; He – 5,2 * 10-4 %.
А также: Kr, H2, NH3, NO, N2O, O3, NO, CO очень мало.
В целом можно сделать вывод, что газовая оболочка нашей
Земли состоит из азота и кислорода с примесью благородных
газов.
Ниже 90 км идет интенсивное перемешивание, поэтому газовый
состав постоянный. Средняя молекулярная масса воздуха 28,96 а.е.м.
С увеличением высоты она снижается, так как в ней возрастает
доля гелия (Не).
Содержание паров воды уменьшается до тропопаузы. Пары воды
играют важную роль в регуляции температурного режима Земли.
Так как водные пары поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца, то в пустынях, где мало воды, днем очень жарко, а ночью холодно.
В стратосфере на температуру влияет содержание озона О3 .
При поглощении озоном ультрафиолетового излучения Солнца происходит выделение тепла.
34
В мезосфере мало озона, поэтому температура падает.
В термосфере молекулы и атомы кислорода и азота поглощают
жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и температура опять
повышается.
Радиация, поглощенная поверхностью Земли, возвращается в
виде инфракрасного излучения, расходуется на испарение воды, поглощается парами воды и углекислого газа, аэрозолями и пылью.
Различия температурного режима на поверхности Земли вызывают
общую циркуляцию атмосферы.
Верхние слои атмосферы определяют условия жизни на поверхности Земли. Они играют роль защитного барьера на солнечные излучения и частиц с высокой энергией. Это начинается с высоты 250 км,
при этом идут химические процессы, химическая диссоциация.
hu
hu
О2 ® О + О;
N2 ® N + N.
С высоты свыше 90 км идут процессы ионизации и в атмосфере
находятся N2+, O2+, O+, NO+ (под действием радиации). Все эти
реакции экзотермичны, поэтому температура повышается. На высоте 30 – 50 км происходит образование озона О3 и его разрушение:
О3 + hυ → О + О
О2 + О → О3
О3 + hυ → О2 + О
О3 + О → 2О2
О + О → О2
образование О2
Сумма этих реакций = 0
В нулевом цикле не изменяется
химический состав системы, а
энергия cолнечного света hυ
переходит в тепло.
разложение О3
____________________________
Цикл С.Чэплина (1930 г).
Наибольшая концентрация озона приходится на высоте от 15 до
40 км с максимумом 24 – 27 км над экватором и 13 – 15 км над
полюсами Земли.
Экспериментально определенные концентрации озона О3 показали, что в стратосфере содержание его меньше, чем по циклу Чэплина. Оказалось, что это связано с присутствием в стратосфере катализаторов разрушения озона – это оксид азота и атомы CI.
NO – один из таких катализаторов, источником этого газа является сверхзвуковая авиация, работающая на высоте 20 – 25 км.
Кроме этого факта было обнаружено, что NO может образовываться в верхних слоях атмосферы из N2O, который в свою очередь
образуется при горении биомассы и окислении N2 воздуха. На вы35
сотах 15 – 20 км происходит разрушение озона оксидами азота:
O3 + NO ® NO2 + O2
NO2 + O ® NO + O2
Источниками атомарного хлора, который разрушает озон, являются хлорфторуглероды, известные как фреоны (охладители). Они
стали использоваться с 1930 г. как хладоносители в холодильных
машинах. Это газообразные и жидкие вещества, хорошо растворимые в органических растворителях, практически нерастворимые в
воде. При их разрушении образуется атомарный хлор, который и
воздействует на озон:
O3 + CI ® CIO + O2;
CIO + O ® CI + O2.
Известны фреон – 1,1 (CFCI3), фреон – 1,2 (CF2CI2), фреон – 1,4
(CF4), фреон – 2,2 (CHCIF2) и др., время их жизни в тропосфере составляет десятилетия и может быть перенесено в стратосферу. Поэтому их считают виновниками образования озоновых дыр.
Как известно, озоновый слой экранирует и защищает Землю от
жесткого ультрафиолетового излучения с длиной волны ( l ) < 310
нм. А концентрация CI в районе «дыр» превышает средние точки на
100 %. Согласно прогнозу, через 10 – 20 лет при нынешнем поступлении фреона в атмосферу, концентрация озона уменьшается на 17 %,
что в конечном счете приводит к увеличению ультрафиолетового
излучения. Известно, что увеличение радиации на 1 % ведет к увеличению раковых заболеваний на 2 %. В связи с развитием цивилизации усилилось антропогенное воздействие на окружающую среду.
К наиболее опасным загрязнителям атмосферы можно отнести тяжелые металлы, пыль и газовые выбросы. По решению Европейской экономической комиссии в группу наиболее опасных, и, следовательно, приоритетных для целей наблюдения, контроля и регулирования тяжелых металлов включают: Hg, Pb, Cd, Cr, Mn, Ni, Co, W,
Cu, Fe, Zn, Sb, а также As и Se. Особенно опасными являются металлы, не входящие в состав молекул: Hg, Cd, Pb. Попадание этих
элементов в организм приводит к тяжелым токсическим поражениям центральной нервной системы. Извлечение из земных недр руд
этих металлов приводит к их рассеиванию за счет испарения, коррозии и улетучивания. Большие количества металлов поступают в атмосферу в составе аэрозолей из природных источников, а также производственных. В процессе воздушного переноса они подвергаются
36
различным превращениям и переходят в легкодоступные для биоты
формы. Источниками тяжелых металлов являются:
1) предприятия тепло- и электроэнергетики;
2) предприятия черной и цветной металлургии;
3) горнодобывающие предприятия;
4) цементные заводы;
5) химические комбинаты;
6) автотранспорт.
Загрязнение атмосферы городов значительно, хотя в глобальном масштабе неуловимо. Можно привести пример: первопричина –
процессы сгорания:
4CH + 5O2(г) ® 4СО2(г) + 2Н2О(г) опасности нет,,
топливо
но если будет недостаток кислорода, то будут идти следующие химические реакции:
1) 4СН + 3О2(г) ® 4СО(г) + 2Н2О(г) ; 2) 4СН + О2(г) ® 4С(г) + 2Н2О(г)
топливо
угарный газ
топливо
сажа
В реакции (1) образуется ядовитый газ монооксид углерода СО,
а если кислорода будет еще меньше (2), то образуется сажа.
При низких температурах и недостатке О2 идут реакции пирализа, в результате образуются полициклические ароматические углеводороды, которые являются канцерогенами (бензоперен). Так, сжигание топлива, на первый взгляд, кажется безвредным, но оно может
привести к образованию опасных органических загрязнителей.
Следовательно, актуальными остаются вопросы по оценке, контролю за состоянием атмосферы и подбору методов очистки ее от загрязнений на всех экоуровнях (локальном, региональном, глобальном).
Контрольные вопросы
(Химические процессы в атмосфере)
1.Что такое атмосферный воздух и его роль для биоты?
2.Какой химический состав имеет газовая оболочка Земли?
3.Из каких вертикальных слоев состоит атмосфера Земли, какова их протяженность, что такое «паузы»?
4.Каким образом и почему меняется температурный режим
атмосферы Земли с увеличением высоты?
5.Как меняется атмосферное давление в процессе удаления от
поверхности Земли?
37
6.Меняется ли и как газовый состав атмосферы от тропосферы
и термосферы?
7.Что такое химическая диссоциация? Приведите примеры, укажите, где идут эти процессы в атмосфере (расстояние, газовый слой,
температура, схема химической диссоциации).
8.На какой высоте идет образование озона и его разрушение?
Напишите уравнения реакций.
9.Напишите уравнения реакций разрушения озона под действием оксидов азота. Рассчитайте массу озона, которую может разрушить оксид азота (II) в объеме 2 л, если допустить, что газы находятся при нормальных условиях?
10.В чем заключается разрушительное воздействие фреонов на
озоновый слой? Дайте полный ответ, приведите схемы химических
реакций.
11.В чем заключается пагубное воздействие виновников озоновых «дыр»?
12.Что такое антропогенное воздействие, и каким образом может идти загрязнение атмосферы?
13.Перечислите тяжелые металлы, которые относятся к наиболее опасным в соответствии с решением Европейской экономической комиссии.
14.Что является источниками загрязнения атмосферы тяжелыми металлами, и как это может произойти?
15.Почему процессы сжигания топлива в городах являются источником значительных загрязнений на локальном уровне?
16.Рассчитайте объем угарного газа, который может выделиться
при неполном сжигании 10 кг «условного топлива», если реакция идет
при нормальных условиях: 4СН + 3О2(г) = 4СО(г) + 2Н2О(г).
17.Известно, что загрязнение воздуха может произойти из-за
примесей, входящих в состав топлива. Рассчитайте массу оксида серы (IV), которая образуется в результате сгорания пирита,
составляющего 3 % от 20 кг угля: 4Fe2 S (тв) + 11О2(г) = 8SO2(г) +
2Fe2 O3 .
18.Выхлопы автотранспорта можно выразить упрощенным уравнением реакции: СН4(г) + 2О2(г) + 2NO(г) ® Н2О(г) + НСНО(г) +
2NO2(г) . Рассчитайте объем метана, из которого при нормальных
условиях может выделиться 50 литров NO2.
19.Пользуясь уравнением вышеприведенной реакции, рассчитайте массу формальдегида НСНО, если сгорело 100 литров метана
при нормальных условиях.
20.Существует мнение, что оксид азота (IV), находящийся в атмосфере городов, увеличивает эффективность образования серной
кислоты на поверхности камней в городах с умеренными концентрациями оксида серы (IV). Рассчитайте по уравнению реакции: SO2(г)
+ NO2(г) + H2O ® NO(ж) + H2SO4водн. массу H2SO4, если в реакцию
вступило 32 л SO2 и 20 л NO2 (условия нормальные).
38
39
Тесты
(Химические процессы в атмосфере)
1.Что такое атмосфера?
1) водная оболочка Земли;
2) газовая оболочка Земли;
3) биота;
4) экосистема;
5) не знаю.
2.Верхняя граница атмосферы находится на высоте:
1) 50 км;
2) 100 км;
3) 80 км;
4) 1000 км;
5) 2000 км.
3.Как изменяется температурный режим в тропосфере?
1) повышается;
2) понижается;
3) понижается, потом повышается;
4) не изменяется;
5) не знаю.
4.Атмосфера Земли содержит наибольшее количество газов:
1) O2, N2, CO2;
2) N2, O2, N2O;
3) N2, O2, Ar;
4) CO2, Ne, Ar;
5) Kr, Ne, NO.
5. Средняя молекулярная масса воздуха (а.е.м.):
1) 32,0;
2) 48,0;
3) 28,0;
4) 18,0;
5) 29,0.
6. Атмосферное давление с увеличением высоты:
1) не меняется;
2) увеличивается;
3) уменьшается;
4) увеличивается, затем уменьшается;
5) не знаю.
7. Протяженность стратосферы (км над уровнем моря):
1) 8 – 18;
2) 0 – 8;
3) 18 – 55;
4) 55 – 85;
5) 80 – 85;
8. Как меняется температура в ряду (по вертикали) тропосфера – стратосфера – мезосфера – термосфера?
1) падает – возрастает – падает – повышается;
2) повышается – падает – повышается – падает;
3) падает – падает – падает – повышается;
4) падает – не меняется – повышается – падает – повышается;
5) повышается – не меняется – падает – повышается.
9. Какая схема отражает образование озона?
hn
1) О2 ® О + О;
hn
2) N2 ® N + N;
3) O3 + h n ® O2 + O;
+h n
4) О2 ® О + О ® O3
5) O + O ® O2.
10. На какой высоте происходит образование озона?
1) 80 – 100 км;
2) 50 – 80 км;
3) 30 – 50 км;
4) 10 – 20 км;
5) 5 – 10 км.
Частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, образуют различные аэрозоли (от греч. аer – воздух и лат. solution –
раствор). Аэрозоли – это дисперсные системы с газообразной дис-
40
41
11. На какой высоте находится наибольшая концентрация
озона?
1) 15 – 10 км;
2) 10 – 15 км;
3) 15 – 20 км;
4) 15 – 30 км;
5) 15 – 40 км.
12. Катализаторами разрушения озона являются:
1) оксиды азота, фреоны, тяжелые металлы;
2) оксиды серы, аммиак, пары воды;
3) оксиды углерода, оксид кремния, аммиак;
4) щелочные металлы, сера, азот;
5) не знаю.
13. На какой высоте разрушают озон оксиды азота?
1) 5 – 10 км;
2) 10 – 15 км;
3) 15 – 20 км;
4) 20 – 25 км;
5) 25 – 30 км.
14. Виновниками образования озоновых дыр считают:
1) формальдегиды;
2) карбоновые кислоты;
3) хлорфторуглероды;
4) углеводороды;
5) альдегиды.
15. Наиболее опасные по токсичности при совместном местонахождении металлы – это:
1) K, Na, Ca;
2) Cr, W, Mo;
3) Fe, Ni, Co;
4) Pb, Cu, Zn;
5) Hg, Cd, Pb.
Аэрозоли
персной средой. По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы – системы с жидкой дисперсной фазой в виде капель размером 0,1 – 10 мкм, пыли – системы с твердыми частицами размером более 10 мкм и дымы – системы, размеры твердых частиц в которых находятся в пределах 0,001
– 10 мкм. Твердые частицы можно представить в виде сфер с радиусом в пределах от 0,001 до 100 мкм. Многочисленные частицы аэрозолей с радиусом 0,1 – 1 мкм. Частицы аэрозолей либо попадают в
атмосферу с земной поверхности в готовом виде, либо образуются
непосредственно в атмосфере в результате химических реакций.
Жидкая вода находится в атмосфере в виде облаков, дождя, тумана
и дымки. В загрязнении атмосферы большую роль играют пыли и
дымы, твердые частицы, которые разнообразны по химическому
составу и по происхождению.
Естественными источниками твердых частиц являются вулканы при их извержении; метеориты, сгорающие в слоях атмосферы;
горные породы (частицы, образующиеся при выветривании этих пород); причиной образования частиц могут быть ветровая эрозия почв,
пыльные бури, лесные пожары, морские штормы, цветочная пыльца. Антропогенными источниками твердых частиц являются открытые разработки угля и других полезных ископаемых, а кроме того к
образованию твердых частиц в атмосфере приводят: сжигание топлива на теплоэлектростанциях (ТЭС), теплоэлектроцентралях (ТЭЦ),
в котельных промышленных предприятий и автомобилях; обогащение и обработка руд; выплавка и обработка металлов (резание, сверление); производство цемента, асбеста, кирпича и других строительных материалов; различные процессы обработки материалов в силикатной промышленности (дробление, размалывание); производство
и применение удобрений и пестицидов; сжигание мусора и отходов;
ядерные взрывы и др.
Большое количество твердых частиц получается при сжигании
угля – это частицы золы (CaSiO3), сажи (C), оксидов металлов (CaO,
FeO, Fe2O3). В глобальном масштабе твердые частицы в атмосфере имеют в основном минеральное происхождение, но в отдельных
районах состав их меняется в зависимости от источников образования, и могут преобладать силикаты, карбонаты, сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды, сажа и даже споры растений.
Многие аэрозольные частицы образуются из газов, например
SO2, или из углеводородов. В атмосфере происходит окисление SO2
с образованием тумана серной кислоты. Это может быть фотохимическое или каталитическое окисление, катализаторами являются
ионы тяжелых металлов. Из органических соединений, попадающих
в атмосферу, наибольшую склонность к образованию аэрозолей проявляют терпены – ненасыщенные углеводороды состава (С5Н8 )n ,
содержащиеся, главным образом, в растениях.
Число аэрозольных частиц сильно варьирует в зависимости от
местности. В нижней тропосфере на высоте менее 2 км, в сельских
районах их концентрация составляет около 104 частиц в 1 см3 воздуха, а над загрязненными большими городами – больше 105 частиц в
1 см3 воздуха.
Путем осаждения из атмосферы удаляется около 20 % частиц,
главным образом в результате промывания атмосферы осадками и
образования туманов. Этот процесс очищения влияет на время пребывания частиц в атмосфере у частиц с диаметром 1 мкм и меньше, время пребывания в нижних слоях атмосферы составляет 10 –
20 суток, в верхних слоях – 1 – 3 года.
Трансформация аэрозольных частиц в атмосфере заключается
в коагуляции (укрупнение частиц), седиментации (оседание под действием силы тяжести) и в изменении химического состава.
2NH3 + H2SO4 = (NH4)2 SO4
2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl
CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
HNO3 + NaCl = NaNO3 + HCl
Частицы диаметром > 1 мкм поглощают инфракрасные частицы,
в результате чего воздушные слои нагреваются, а нижние остаются
более холодными. Это приводит к охлаждению земной поверхности.
Одним из опасных видов пыли является металлическая пыль,
особенно пыль тяжелых металлов (ТМ). К ТМ относятся более 40
химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с
Ar выше 50 и r > 7–8 г/ см3 (кроме благородных и редких). К числу
ТМ относят Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, W,
Hg, Tl, Pb, Bi. Металлы попадают в воздух с дымом плавильных
печей при производстве, например, стали и цветных металлов, а также
42
43
1.Что называют аэрозолями и как они делятся?
2.Укажите размеры твердых частиц, входящих в состав аэрозолей.
3.Назовите естественные источники частиц в атмосфере, образующие аэрозоль.
4.Назовите антропогенные источники частиц в атмосфере, образующие аэрозоль.
5.Из каких соединений могут образоваться аэрозольные частицы?
6.Назовите число аэрозольных частиц в 1 см3 воздуха.
7.Назовите пути самоочищения атмосферы от взвешенных частиц.
8.Какие изменения могут происходить с аэрозольными частицами в атмосфере?
9.Какие химические реакции с аэрозолями могут происходить в
атмосфере? Напишите уравнения реакций.
10.Исходя из уравнения 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4, определите
массу в граммах образовавшегося сульфата аммония, если в реакцию вступило 42,3 г аммиака.
11.Определите массу в граммах сульфата натрия Na2SO4, если
в реакцию вступило 18,2 г хлорида натрия с серной кислотой. Напишите уравнение реакции и решите задачу.
12.Рассчитайте, сколько граммов сульфата кальция CaSO4 образуется, если в реакцию с серной кислотой вступило 82,4 г карбоната кальция. Напишите уравнение реакции и решите задачу.
13.Какие изменения климата наблюдаются при увеличении количества аэрозолей, особенно в городах?
14.Что такое тяжелые металлы? Какие из перечисленных металлов можно отнести к тяжелым: Cr, Mg, Hg, Fe, Cd, Zn, Al, Ca, Cu, Pb?
Выделите среди них три главных металла - загрязнителя атмосферы.
15.В чем заключается принципиальное биологическое отличие
Zn и Cu от Pb, Hg, Cd?
16.Что такое аллергия и чем вызывается? Назовите аллергены.
17.Приведите примеры биологических, лекарственных, бытовых,
пищевых и промышленных аллергенов?
18.Медицинское обследование рабочего с завода по выплавке
свинца показало, что концентрация свинца в его крови составляет
1,2 мкг/мл. Рассчитайте, какой концентрации свинца в моче это
соответствует. Могут при этом быть обнаружены признаки заболевания, если учесть, что признаки заболевания наблюдаются при
содержании свинца 1 мкг/мл крови или соответственно 0,1 мкг/мл
в моче.
19.В сигарете содержится 1,4 мкг кадмия, 25% которого остается в организме курильщика. Вычислите, сколько микрограммов
кадмия остается ежедневно в организме человека при выкуривании
20 сигарет.
20.Было установлено, что содержание свинца в бензине составляет 0,03 г/л. Учитывая, что 75% свинца, содержащегося в бензине,
выделяется в воздух с выхлопными газами, рассчитайте, сколько
граммов свинца выделит в атмосферу один автомобиль при использовании 100 л бензина.
44
45
рассеиваются вместе с золой и доменными шлаками. Главными
металлами-загрязнителями являются Pb, Hg, Cd, оказывающие вредное влияние на организм человека, например, признаки заболевания
наблюдаются при содержании Pb 1 кмг/мл в крови или соответственно 0,1 мкг/мл в моче. Кроме того, есть металлы, которые являются
жизненно необходимыми, но избыточные количества влияют отрицательно на здоровье человека. К таким металлам относятся, например, Zn и Cu.
Пыль и аллергические заболевания. Аллергия – повышенная
чувствительность организма человека к воздействию некоторых
факторов окружающей среды, называемых аллергенами. Аллергены бывают: 1) неинфекционного происхождения (бытовая пыль,
шерсть животных, лекарственные средства и другие химические
вещества и растительные пищевые продукты); 2) инфекционного
происхождения (бактерии, вирусы, грибки и продукты их жизнедеятельности).
Специалисты различают биологические (бактерии, вирусы, грибки), лекарственные (пенициллин, хинин), бытовые (пыль ковров, одежды, частички домашних насекомых, шерсть животных, препараты
бытовой химии), пыльцевые (пыльца некоторых растений), пищевые
(кофе, какао, мука), промышленные (металлы: Pt, V, Be, Ni, Cr, Co,
Hg; древесная пыль, искусственные смолы, пестициды, продукты
биохимических заводов) аллергены.
Контрольные вопросы
(Аэрозоли)
Тесты
(Аэрозоли)
1.Что нельзя отнести к аэрозолям?
1) туман; 2) пыль; 3) грязь;
4) дым;
5) облако.
2.Одной из особенностей аэрозолей является:
1) существенные колебания температуры;
2) наличие капельно-жидкой влаги;
3) возможность свободного перемещения по суше;
4) высокое содержание молекулярного азота;
5) высокая плотность населения.
3.Причиной образования частиц в атмосфере может быть:
1) водное течение;
2) пыльные бури;
3) рост растений;
4) выпас скота;
5) шелест листвы.
4.К антропогенным источникам твердых частиц относится:
1) извержение вулканов;
2) метеориты, сгорающие в слоях атмосферы;
3) выветривание горных пород;
4) обогащение и обработка руд;
5) морские штормы.
5.Основным компонентом аэрозолей стратосферы является сульфат аммония (NH4 )2 SO4. При реакции какого вещества
его можно получить?
1) NH3;
2) NaCl;
3) H2O;
4) KNO3;
5) KCl.
6.К числу тяжелых металлов относится:
1) Na;
2) K;
3) Ca;
4) Cr;
5) Ba.
7.Число электронов на внешнем уровне у свинца:
1) 1;
2) 2;
3) 3;
4) 4;
5) 5.
8.К тяжелым металлам относится последовательность
элементов:
1) Cd, Sn, Pb;
2) Li, Na, K;
3) B, As, Se;
4) Be, Mg, Ca;
5) Rb, Cs, Fr.
9.Последовательность цифр 2–8–14–2 соответствует распределению электронов на энергетических уровнях атома:
1) хрома;
2) марганца;
3) железа;
4) кобальта; 5) никеля.
46
10.Железо в соединениях имеет:
1) постоянную валентность;
2) переменную валентность;
3) валентность, равную нулю;
4) отрицательную валентность;
5) положительную валентность.
11.Какой металл можно встретить в самородном виде на
Земле?
1) медь;
2) железо;
3) марганец;
4) хром;
5) натрий.
12.Ртуть находит применение:
1) в медицине;
2) в парфюмерии;
3) в металлургии;
4) в электротехнике;
5) в сельском хозяйстве.
13.Избыток ртути в организме человека отражается на
работе:
1) центральной нервной системы;
2) сердечно-сосудистой системы;
3) системы органов размножения;
4) лимфатической системы;
5) желудочно-кишечного тракта.
14.Семейство железа вместе с ним образуют:
1) натрий и рубидий;
2) серебро и золото;
3) кобальт и никель;
4) ртуть и свинец;
5) медь и цинк.
15.Какой металл вызвал упадок Римской империи?
1) Cr;
2) Mn;
3) Fe;
4) Hg;
5) Pb.
Химия и экология водной среды
Гидросфера – водная оболочка Земли, совокупность ее океанов, морей, рек, озер, болот, водохранилищ, подземных вод, включая
запасы воды в твердой фазе в виде льда.
Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте тропопаузы (8 – 18 км), нижняя располагается на глубине » 10 км, нижее
дна океана.
Вода – это единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества
47
(лед) и газа (пары воды). Вода обладает рядом аномальных физикохимических свойств:
а) высоким поверхностным натяжением и зависящим от него
значительным капиллярным поднятием, что обеспечивает питание
растений по корневым системам;
б) высокими температурами кристаллизации и кипения;
в) высокими удельными энтальпиями испарения и плавления;
г) плотность льда меньше плотности жидкой воды.
Все эти аномальные свойства воды объясняются образованием водородных связей между молекулами. Вода является прекрасным растворителем многих веществ, так как характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью ( e = 81), ослабляя в 81 раз
силы притяжения между частицами при растворении их в воде. По
этой причине гидросфера представляет собой сложную экосистему
с большим разнообразием компонентов.
Природная вода – раствор многих веществ, в том числе солей,
газов, веществ органического происхождения, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. Состав грунтовых, озерных, речных, морских и океанских вод изменяется в широких пределах в зависимости от состава почв, пород, растительного мира, с которыми
вода контактирует.
В гидрохимии компоненты химического состава вод делят на
шесть групп:
1. Главные ионы (макрокомпоненты): K+; Na+; Mg2+; Ca2+; CI-;
2SO4 ; HCO3-; CO3 2-. Интересно отметить, что в открытом океане
независимо от абсолютной концентрации соотношение между главными ионами остается примерно постоянным.
2. Растворенные газы: O2; N2; H2S; NH3; CH4 и др. Концентрация газов в воде определяется их парциальным давлением.
3. Биогенные вещества – продукты жизнедеятельности организмов, состав которых может изменяться очень широко. К этим
веществам относятся и соединения кремния, железа, находящиеся
в виде истинных и коллоидных форм растворения.
4. Растворенные органические вещества (РОВ). Эта группа
включает практически все классы органических соединений. Вещества именно этой группы придают воде запах и цвет. Ввиду их многообразия, малых концентраций для их количественной характерис-
тики используются содержание Nорг., Рорг., Сорг., биохимическое потребление кислорода (БПК), окисляемость (ХПК). По происхождению растворенные органические вещества делят на автохтонные
– продукты метаболизма и распада организмов; и аллохтонные –
это вещества, поступающие со стоками, атмосферными осадками и
т.д. Для речных вод наиболее характерны аллохтонные растворенные органические вещества, а для морей и океанов – автохтонные.
5. Микроэлементы, куда входят все металлы, кроме главных
ионов, а также анионы.
6. Токсичные загрязняющие вещества: тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические вещества, синтетические поверхностно-активные вещества и т.д. Кроме этого, в природной воде очень
много взвешенных частиц, пузырьков газа, множество микроорганизмов и бактерий.
Концентрация конкретных примесей в воде характеризует ее
свойства, совокупность которых и определяет качество самой воды.
Показатели качества воды обычно подразделяют на физические
(температура, цветность, взвешенные вещества, запах, вкус и др.),
химические (жесткость, рН, окисляемость, сухой осадок и др.),
биологические (гидробионты) и бактериологические (общее количество, коли-индекс и др.).
48
49
Особенности химических процессов в гидросфере
В воде присутствуют все классы неорганических и органических веществ – это главная особенность природных вод.
В природных водах на химические процессы сильно влияет гидролиз, и в водных процессах участвуют продукты гидролиза.
В третьих, в химических процессах в гидросфере участвуют
водоросли и бактерии.
Химические реакции в водной среде в основном ионообменные
и окислительно-восстановительные.
Обмен веществ в водных экосистемах при участии органических и неорганических метаболитов выделяют в воду одними органическими и потребляемых другими составляют основу экологического метаболизма.
Среди экологических проблем века важное место занимает распространившееся явление «цветения» внутренних водоемов и при-
брежных морских вод, вызываемое различными видами водорослей. Происходит это при загрязнении водной среды биогенными элементами. При увеличении концентрации биогенов возрастает суммарная биомасса водных организмов, что приводит к постепенному
эвтрофированию водоемов. С увеличением биопродуктивности возрастает скорость накопления донных отложений, изменяются концентрации РОВ, происходит разбалансировка экохимических связей
между отдельными компонентами экосистемы.
Основными источниками загрязнения водоемов биогенными
веществами служат смыв удобрений с полей, строительство водохранилищ без очистки ложа, сброс сточных вод, строительство плотин, образование застойных зон, тепловое загрязнение воды. Особенно опасно «цветение», вызванное сине-зелеными и другими токсичными водорослями. Сине-зеленые водоросли занимают положение между бактериями и растениями (цианобактерии), это первые
фотосинтезные организмы (3 млрд.лет), созданные атмосферой.
Сочетание фотосинтеза и миксотрофного питания (органических веществ из внешней среды) обеспечивает их высокую приспособляемость к различным экологическим условиям, поэтому распространяется всюду.
«Цветение» воды, вызванное сине-зелеными водорослями, сопровождается комплексом отрицательных последствий, даже гибелью птиц, животных, человека. Причина в выделении ими альготоксинов, которые не имеют запаха, цвета, хорошо растворяются в воде,
выдерживают стерилизацию кипячением.
Виды загрязнений и каналы самоочищения водной среды
З.В. в водной среде можно разделить условно на 3 группы:
1) так называемые консервативные вещества – неразлагающиеся или разлагающиеся очень медленно. Это ионы металла, минеральные соли, соединения типа хлорорганических пестицидов, нефтяные углеводороды. К этой же группе З.В. можно отнести и радионуклиды. Очищение, снижение концентрации этих веществ происходит лишь в результате разбавления, массопереноса, комплексообразования, сорбции и бионакопления. Самоочищение и рассеяние
З.В. в окружающей среде и загрязнение сопредельных объектов.
2) биогенные вещества, минимальные формы N, Р, легко усвояемые органические соединения. Самоочищение происходит в результате биохимических процессов.
50
3) водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, зачастую токсичные, промышленного и бытового
происхождения. Самоочищение происходит в результате химической и микробиологической трансформации.
Итак, основные пути самоочищения водной среды:
1) Физические процессы массопереноса: разбавление, испарение, сорбция, бионакопление.
2) Химические трансформации: гидролиз, фотолиз, окисление.
3) Микробиологические трансформации.
Контрольные вопросы
(Химия и экология водной среды)
1.Сколько граммов Na2SO4 содержится в насыщенном его растворе с массовой долей 16 % и плотностью r = 1,141 г/мл объемом 500 мл?
2.Анализ воды показал, что в ней содержится гидрокарбонат
кальция массой 1,3860 г. Объем воды составил 5 л. Определить
массовую долю, молярную и нормальную концентрации соли.
3.Исследование природной воды показало, что в ней содержится 500 мг хлорида магния, 480 мг хлорида натрия в 5 л. Какова массовая доля и нормальная концентрация этих солей?
4.В сточной воде находятся Ве2+ с концентрацией 3*10-3 моль/л.
Во сколько раз надо разбавить сточную воду, чтобы ее можно было
сливать в водоем? ПДК для Ве2+ составляет 2*10-4 мг/л.
5.Какой объем 2 М раствора серной кислоты требуется для приготовления 500 мл 0,1 н раствора?
6.Рассчитать рН 0,1 М раствора NaHCO3.
7.Как изменится рН 0,005М раствора NH4OH при разбавлении
его в 10 раз?
8.Рассчитать концентрацию азотистой кислоты в растворе с рН
2,7. Константа диссоциации кислоты равна 4,6*10-4.
9.В 3 л воды растворен 1 л СО2. Рассчитайте рН раствора.
10.В 4 л воды содержится 648 мг гидрокарбоната кальция. Определить рН этого раствора.
11.Сколько мл 0,1 н раствора HCI израсходовано при определении карбонатной жесткости воды объемом 100 мл, если карбонатная жесткость равна 2,5 ммоль экв/л?
51
12.Сколько граммов осадка получится при кипячении 5 л воды с
карбонатной жесткостью 3,3 ммоль экв/л?
13.Определить общую и карбонатную жесткость воды, если
анализ обнаружил в 5 л воды 1,386 г Са(НСО3)2, 0,61 г CaCI2 и 0,48 г
NaCI.
14.Сколько граммов Са(ОН)2 необходимо прибавить к 1000 л воды,
чтобы удалить временную жесткость, равную 2,86 ммоль экв/л?
15.При кипячении воды объемом 250 мл, содержащей гидрокарбонат кальция, выпал осадок массой 3,5 мг. Чему равна жесткость воды?
16.В природной воде объемом 20 м3 содержится 14 мг/л кислорода О 2 . Для обескислороживания воды добавили 63 мг/л
Na 2 SO 3 . Сколько кислорода осталось в воде? Реакция взаимодействия:
2Na2SO3 + O2 ® 2Na2SO4.
17.Сколько граммов карбоната натрия нужно для осаждения
всего хлорида магния, если анализ показал, что в 5 л воды содержится 0,011 г MgCI2?
18.Для восстановления кислорода в воду ввели гидразин N2H4
массой 120 г. Объем воды 20 м3. Каково содержание кислорода в
этой воде в мг/л?
19.Сколько литров 2М раствора сульфата натрия необходимо израсходовать для восстановления кислорода, растворенного в 50 м3
питьевой воды, содержащей 3,2 мг/л О2?
20.Для определения растворенного кислорода используется 1,5 М
раствор гидразина N2H4 объемом 6,5 л. Объем исследуемой воды
325 м3. Сколько кислорода в мг/л содержится в этой воде?
Тесты
(Химические процессы в водной среде)
1.Массовая доля загрязняющего вещества составляет при
растворении 30 г в 270 г воды:
1) 1 %;
2) 30 %;
3) 3 %;
4) 10 %;
5) 0,1 %.
52
2. Растворимость газов в воде увеличивается:
1) при понижении давления;
2) при повышении давления;
3) при повышении температуры;
4) при перемешивании;
5) не изменяется.
3. При сливании 25 г 16 %-ного раствора гидроксида натрия с раствором, содержащим избыток хлорида Fe(III), получили осадок, масса которого:
1) 1,07 г;
2) 2,38 г;
3) 3,57 г;
4) 4,76 г;
5) 7,14 г.
4. Катионы Са2+ и Mg2+, содержащиеся в жесткой воде,
можно перевести в осадок, добавляя к ней:
1) соду;
2) поваренную соль;
3) нашатырный спирт;
4) соляную кислоту;
5) азотную кислоту.
5. Ион СО32- можно определить в результате реакции:
1) карбоната калия с азотной кислотой;
2) оксида углерода с гидроксидом натрия;
3) карбоната натрия с хлоридом кальция;
4) карбоната натрия с хлоридом калия;
5) карбоната калия с соляной кислотой.
6. Отбеливающее и обеззараживающее свойство хлорной
воды можно объяснить химической реакцией, которая соответствует уравнению:
1) H2 + CI2 = 2HCI;
2) CI2 + H2O = 2HCI + O;
3) HCI « H+ + CI-;
4) 4HCI + O2 ® 2H2O + 2CI2;
5) HCI + AgNO3 = AgCI + HNO3.
7. Озон используют для обеззараживания питьевой воды,
потому что он:
1) вытесняет йод из йодида калия;
53
2) является аллотропным видоизменением кислорода;
3) окисляет некоторые вещества;
4) поглощает ультрафиолетовое излучение;
5) тяжелее кислорода.
8. Какая из кислот при одинаковой концентрации имеет наибольшую рН?
1) HCN;
2) HF;
3) HNO2;
4) CH3COOH;
5) HNO3.
9. Укажите процесс, наиболее эффективный при очистке
мутных сточных вод:
1) выпаривание;
2) отстаивание;
3) коагуляция;
4) электролиз;
5) нейтрализация.
10. Поглощение загрязняющего вещества поверхностью
твердого вещества называется:
1) адсорбция;
2) абсорбция;
3) коагуляция;
4) флотация;
5) окисление.
11. Как надо изменить концентрацию ионов водорода в растворе, чтобы рН раствора увеличился на единицу?
1) увеличить в 10 раз;
2) уменьшить в 10 раз;
3) уменьшить на 1 моль/л;
4) увеличить на 1 моль/л;
5) упарить раствор вдвое.
12. Как изменится рН воды, если к 10 л добавить 10-2 моль
NaOH?
1) возрастет на 2;
2) уменьшится на 2;
3) возрастет на 1;
54
4) уменьшится на 1;
5) возрастет на 4.
13. Степень диссоциации циановодородной кислоты при разбавлении раствора в 2 раза:
1) уменьшится в 4 раза;
2) уменьшится в 2 раза;
3) увеличится в 4 раза;
4) увеличится в 2 раза;
5) не изменится.
14. Укажите ряд, в котором находятся только главные ионы:
1) Na+; Ca2+; Be2+; SO42-;
2) K+; Mg2+; SO42-; PO43-;
3) Ca2+; Fe3+; CI-; HCO3-;
4) Na+; K+; Ca2+; HCO3-;
5) K+; Ba2+; Cu2+; Co2+.
15. Какова рН раствора уксусной кислоты с концентрацией
0,2 н?
1) 1;
2) 2,3;
3) 3,7;
4) 5,9;
5) 7,2.
Химические процессы в почве
Почвенный покров Земли содержит практически все химические элементы периодической системы. При этом концентрация одного и того же элемента колеблется в широких пределах в зависимости, например, от уровня и характера техногенного воздействия
на почвенный покров той или иной территории. По абсолютному содержанию в почвенной массе химические элементы подразделяют
на несколько групп. Основу элементного состава почвы составляют
кислород (от 36% в торфяных до 52% в песчаных почвах) и кремний
( в среднем около 33% от массы почвы). Эти элементы, а также Al,
Fe, Ca, Mg, K, Na, C, концентрации которых колеблются от нескольких процентов до десятых долей процента, относят к почвенным
микроэлементам. Ti, Mn, N, P, S, H, которые по содержанию в почве
– десятые и сотые доли процента ее массы – составляют своего
55
рода промежуточную группу между макро- и микроэлементами.
Содержание микро- и ультрамикроэлементов (Ba, Sr, B, Rb, Cu, V,
Cr, Ni, Mo, Cs, Cl, Zn и многие другие) в почвах составляет n . 10-3 –
n . 10-10 %. Элементный состав почвы позволяет сделать некоторые
предварительные выводы об ее потенциальном плодородии. Так,
высокое содержание азота, фосфора, калия является признаком плодородия почвы, тогда как высокий уровень накопления хлора и натрия – показателем свойств, неблагоприятных для растений.
Большая часть земной коры образована кристаллическим фундаментом. Около 80% фундамента перекрыто осадочными породами толщиной около 5 км. Около 60% осадочных пород представлено
тонкозернистыми глинисто-алевритовыми породами (глина и кварц
– SiO2), а остальная часть – в основном карбонаты (известняками –
карбонатом кальция (СаСО3) и доломитами – MgCa(CO3)2) и песчаники ( в основном кварцем).
Ил, пыль и песчаные отложения образуются, главным образом,
за счет выветривания – разрушения и изменения твердой породы.
Эти отложения переносятся реками в океаны. В морской воде они
погружаются на морское дно, где в результате физических и химических процессов превращаются в осадочные породы, которые со
временем становятся сушей.
Физическое выветривание является механическим процессом
размельчения пород до частиц меньшего размера без изменений в
химическом составе. Химическое выветривание вызывается водой
– особенно кислой водой – и газами, например, кислородом, которые
разрушают минералы. Некоторые ионы и соединения удаляются с
раствором в грунтовые воды и реки, остальные химически измененные остатки формируют основу почв.
Свободный кислород играет большую роль при разложении веществ в восстановительной форме:
2FeS2 + 7 O2 + 7H2O = 2Fe(OH)3 + H2SO4
Fe2SiO4 + O2 + 5H2O = 2Fe(OH)3 + H4SiO4,
где Fe2SiO4 – фаялит, H4SiO4 – кремниевая кислота. Fe(OH)3
при дегидратации дает ряд оксидов железа Fe2O3 (гематит – темнокрасного цвета), FeOOH (гетит и лепидокрокит – желтого цвета).
Окисление восстановленного органического вещества в почвах
катализируется микроорганизмами до образования СО2, что важно
с точки зрения образования кислотности:
56
СН2О + О2 = СО2 + Н2О
СО2 + Н2О = Н2СО3
Н2СО3 = Н+ + НСО3Эти реакции могут понизить рН почв от 5,6 до 4 – 5. Источники
кислотности континентальных вод различны – это и диссоциации атмосферного СО2 в дождевой воде и почвенного СО2 с образованием
Н2СО3, диссоциация природного и антропогенного SO2 с образованием H2SO3 и H2SO4. Реакцию между минералом и кислыми агентами выветривания называют кислотным гидролизом:
CaCO3 + H2CO3 = Ca2+ + 2HCO3Mg2SiO4 + 4H2CO3 = 2Mg2+ + 4HCO3- + H4SiO4
Выветривание плагиоклаза анортита до каолинита:
CaAl2Si2O8 + 2H2CO3 + H2O = Ca2+ + 2HCO3- + Al2Si2O5(OH)4
Реакция для богатого натрием полевого шпата, альбита:
2NaAlSi3O8 + 9H2O + 2H2CO3 = Al2Si2O5(OH)4 + 2Na+ + 2HCO3- + 4H4SiO4
Доминирующим процессом выветривания в верхнем слое коры
является кислотный гидролиз, в результате которого образуются
частично разрушенный и гидратированный остаток и растворенные
в воде кремниевая кислота и бикарбонат. Но большая часть Земли
перекрыта более молодыми осадочными породами, например известняками. В молодых горных поясах (Альпы, Гималаи) воды ручьев содержат мало натрия и H4SiO4, но богаты кальцием и HCO3-.
Можно полагать, что растворение известняка, а не полевого шпата,
является ведущей реакцией выветривания.
Скорости выветривания пород зависят от растворимости и
устойчивости составляющих их минералов. Высокотемпературные
мономерные силикаты (например, оливины) с ионными связями металл – кислород легко выветриваются, тогда как каркасные силикаты (например, кварц) устойчивы. Скорости растворения мономерных силикатов (Ca2SiO4, Mg2SiO4 и т.д.) пропорциональны скорости протекания реакций между двухвалентными катионами и молекулами воды в процессе гидратации. Скорость протекания реакций между молекулами воды и щелочными ионами связана с размером ионов (Ca(H2O)62+ > Mg(H2O)62+ > Be(H2O)62+). Это отражается в экспериментальных скоростях реакций, где Ca 2SiO 4 >
Mg2SiO4 > Be2SiO4, и контролируется относительной силой связи
катион – кислород.
57
В результате выветривания верхней коры образуется 2 типа твердых продуктов. Кварц достаточно устойчив к выветриванию и полевые шпаты, которые разрушаются с образованием глинистых минералов. Глинистые минералы специфичны по характеру состава,
являясь водосодержащими слоистыми силикатами, состоящими в
основном из атомов кислорода, кремния и алюминия. Глинистые
минералы представлены небольшими чешуйками размером < 4 мкм.
Контрольные вопросы
(Химические процессы в почве)
1.На какие группы подразделяются химические элементы, содержащиеся в почве? Назовите их.
2.Что является показателем плодородия почв?
3.Каковы состав кристаллического фундамента и осадочных
пород земной коры?
4.Что называется выветриванием? Опишите перенос отложений, образующихся за счет выветривания.
5.Охарактеризуйте явления физического и химического выветривания.
6.Какова роль кислорода при разложении веществ? Напишите
уравнения реакций.
7.Сколько кг Fe(OH)3 образуется при окислении 175 кг пирита
FeS2? Напишите уравнение реакции и решите задачу.
8.При разработке рудных месторождений сульфид железа FeS2
остается в отработанной породе, которая накапливается в отвалах и
затопляется грунтовыми водами. Образование серной кислоты делает дренажные воды сильно кислыми (рН = 1 – 2). Написав предварительно уравнение реакции, определите массу образовавшейся
H2SO4, если при этом окисляется 84,75 кг FeS2.
9.Содержащийся в почвах FeS2 может окисляться кислородом
с образованием сульфата железа (II), который в дальнейшем окисляется до сульфата железа (III):
FeS2 + 2H2O + 7O2 = FeSO4 + H2SO4
Определите массу FeSO4, если в реакцию с FeS2 вступило 8,2
литра молекулярного кислорода при нормальных условиях.
10.Каким образом происходит окисление восстановленного органического вещества в почвах? Напишите уравнения реакций.
11.Напишите уравнение реакции образования угольной кислоты
Н2СО3. Рассчитайте массу образовавшейся кислоты, если в реак58
цию вступило 48,95 литров углекислого газа СО2 при нормальных
условиях.
12.Напишите уравнение реакции образования сернистой кислоты H2SO3. Определите массу образовавшейся кислоты, если в реакцию с водой вступило 75,7 г диоксида серы SO2.
13.Рассчитайте массу образовавшейся серной кислоты H2SO4,
если в реакцию с водой вступило 28,9 литров серного ангидрида
SO3 при нормальных условиях. Напишите уравнение реакции и решите задачу.
14.Что называют кислотным гидролизом? Напишите уравнение
реакции.
15.В результате кислотного гидролиза простого силиката (оливина) Mg2SiO4 образуется гидрокарбонат магния, согласно следующему уравнению реакции:
Mg2SiO4 + 4H2CO3 = 2Mg(HCO3)2 + H4SiO4
Рассчитайте массу образовавшегося Mg(HCO3)2, если известно, что в реакцию вступило 54,2 г силиката магния.
16.Полевой шпат серии плагиоклазов входит в состав пород верхнего слоя земной коры. Упрощенная реакция выветривания этого
сложного силиката выглядит следующим образом:
CaAl2Si2O8 + 2H2CO3 + H2O = Ca(HCO3)2 + Al2Si2O5(OH)4
Определите массу образовавшегося гидрокарбоната кальция
Ca(HCO3)2, если известно, что в реакцию вступило 23,8 кг богатого
кальцием плагиоклаза анортита CaAl2Si2O8.
17.Какое вещество входит в состав молодых осадочных пород?
Что содержат воды альпийских ручьев?
18.От чего зависят скорости выветривания пород?
19.Выветривание СаСО3 демонстрирует следующая реакция:
CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2
Рассчитайте массу в граммах образовавшегося гидрокарбоната кальция Ca(HCO3)2, если в реакцию вступило 620 грамм карбоната кальция.
20.Что такое глинистые минералы и как они образуются?
Тесты
(Химические процессы в почве)
1.163 кг почвы содержит 31,8% кремния (по массе). Сколько кг это составляет?
1) 72,3; 2) 51,8;
3) 47,5;
4) 64,7;
5) 38,2.
59
13.Назовите неизвестное вещество, пропущенное в цепочке превращений Fe(OH) ® Х ® Fe2O3 :
1) Fe;
2) Fe3O4;
3) FeO;
4) Fe(OH)3;
5) Fe2O.
14.Какой из перечисленных минералов не является карбонатом?
1) полевой шпат;
2) мел;
3) известняк;
4) мрамор;
5) не знаю.
15.Содержание кремния в кремниевой кислоте H4SiO4 составляет:
1) 26,2%; 2) 28,3%;
3) 29,2%;
4) 31,4%;
5) 32,1%.
2.В состав торфяных почв массой 520 кг входит 23,5% кислорода О2 . Масса кислорода составляет:
1) 122,2 кг; 2) 175,3 кг; 3) 108,7 кг; 4) 97,5 кг; 5) 72,4 кг.
3.Песчаные почвы массой 350 кг содержат 48% кислорода
О2. Сколько кг это составляет?
1) 115;
2) 142;
3) 168;
4) 179;
5) 203.
4.Химический элемент, относящийся к почвенным макроэлементам:
1) Be;
2) Mg;
3) Ca;
4) Ba;
5) Ra.
5.От высокого содержания какого элемента зависит плодородие почвы?
1) магния;
2) алюминия;
3) кремния;
4) фосфора;
5) серы.
6.Высокий уровень накопления в почве какого элемента неблагоприятен для растений?
1) калий;
2) углерод;
3) азот;
4) кислород;
5) хлор.
7.Толщина слоя осадочных пород земной коры составляет:
1) 1 км;
2) 2 км;
3) 3 км;
4) 4 км;
5) 5 км.
8.Около 60% осадочных пород массой 3,5 тонн представлено тонкозернистыми глинисто-алевритовыми породами (глины и кварц SiO2). Сколько тонн это составляет?
1) 1,2;
2) 2,1;
3) 3,4;
4) 4,1;
5) 5,3.
9.В состав осадочных пород массой 480 тонн входит 40%
карбонатов и песчаников. Сколько тонн это составляет?
1) 122;
2) 192;
3) 234;
4) 287;
5) 329.
10.Молекулярная формула гематита:
1) Fe2O3; 2) FeO;
3) Fe3O4; 4) Fe3O4 . nH2O; 5) Fe(OH)3.
11.Вещество, имеющее формулу Fe(OH) 3, называется:
1) гидроксид железа (III);
2) гидроксид железа (II);
3) оксид железа (III);
4) оксид железа (II);
5) гематит.
12.Гематит массой 90 г содержит 80% Fe2 O3 . Масса железа, полученного из данной руды, согласно уравнению реакции:
Fe2O3 + 3СО = 2 Fe + 3 СО2 равна:
1) 180 г;
2) 56 г;
3) 22,4 г;
4) 50,4 г;
5) 112 г.
Термин «геохимические барьеры» означает те участки земной
коры, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, и, как следствие, их концентрация увеличивается. В пределах большинства
барьеров происходит резкое изменение типа миграции химических
элементов, изменение интенсивности миграции и осаждение определенных химических элементов или их соединений.
Геохимические барьеры биосферы разделяются на 2 типа: природные и техногенные. И те, и другие располагаются на участках
изменения факторов миграции. В первом случае изменение факторов
миграции обусловлено природными особенностями конкретного участка биосферы, во втором случае – антропогенной деятельностью.
Оба типа подразделяются на 4 класса: физико-химический; биогеохимический; механический; социальный.
Изучение барьеров начато недавно, поэтому наиболее изучены
физико-химические барьеры. Среди них выделяют следующие: сероводородный, кислородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамичный. Физико-химические барьеры
связаны с осаждением химических элементов, мигрирующих в ионной форме в водах с различными окислительно-восстановительными и кислотно-щелочными условиями.
Зная класс барьера, направление миграционного потока перед
барьером, можно прогнозировать осаждение на конкретном барьере
определенных элементов.
Механические барьеры представляют собой участки резкого
уменьшения интенсивности механической миграции. Эти барьеры
60
61
Геохимические барьеры и концентрация
химических элементов
Количественные характеристики
геохимических барьеров
Важнейшая количественная характеристика – это градиент
барьера.
G = d m / d ℓ = (m1 – m2) L,
где m1 – величина какого-либо показателя перед барьером;
m2 – величина этого же показателя сразу после барьера;
L – ширина барьера.
Еще одна характеристика – контрастность барьера S.
S = m1 / m2
Концентрация элементов на барьере (h) определяется по формуле:
h = K * C1 – C2 / a1 - a2 ,
где К – коэффициент, зависящий от «инертной массы» (почв,
осадков, живого вещества), на которых происходит накопление вещества;
С1 и С2 – концентрация вещества в потоке до и после барьера;
а1 и а2 – общее соединение всех веществ до и после барьера.
Для концентрации какого-нибудь элемента на барьере не обязательно его высокое содержание в мигрирующем потоке. Если данный участок является барьером для одного элемента или его соединения, у большинства остальных элементов на этом участке интенсивность миграции не изменится, то даже при низкой концентрации
данного элемента в миграционном потоке его концентрация на барьере со временем может стать очень высокой.
Этой особенностью геохимических барьеров необходимо чаще
пользоваться при формировании техногенных барьеров, учитывая
формы нахождения элементов, их относительное количество и особенности среды миграции.
В миграционных потоках содержатся элементы, способные вступать в химические реакции между собой и осаждаться на барьерах.
Иногда некоторых элементов в системе может быть настолько много, что их хватает для реализации всех возможных реакций. Эти
элементы в данной системе являются избыточными. Например,
О2 в воздухе. Его содержание не лимитирует протекание процессов
окисления. К дефицитным относятся те элементы, низкое содержание которых не позволяет реализовать все термодинамические
возможные реакции. Элементы, избыточные в одной системе, могут оказаться дефицитными в другой. Тот же О2 дефицитен в глубинах Земли.
Если в системе один из реагентов присутствует в количестве
недостаточном для реализации всех возможных реакций, то осуществляются только те реакции, для которых характерно максимальное химическое сродство. Это правило называют принципом торможения.
62
63
связаны со вторым типом миграции химических элементов, а в пределах биосферы – связаны с миграцией в минимальной и количественной форме.
Биохимические барьеры связаны в основном с первым типом
миграции химических элементов, с накоплением химических элементов в растительных и животных организмах.
Накопление на барьерах химических элементов часто приводит
к образованию месторождений полезных ископаемых. До недавнего
времени такие процессы были только природными, сейчас появились и техногенные.
Геохимические барьеры существенно отличаются не только
концентрацией определенных элементов, но и величиной барьеров.
Поэтому их разделяют на макро-, мезо-, микробарьеры.
Макробарьеры могут иметь ширину до нескольких километров,
а протяженность до тысячи километров (зоны смешивания пресной
и соленой воды);
Мезобарьеры имеют ширину до сотен метров, протяженностью
десятки километров (пример – краевые зоны болот);
Микробарьеры – от нескольких миллиметров до метров (родники, где на выходе отлагаются окислившиеся кислородом воздуха
Fe(OH)3).
Если к одному барьеру подходят несколько миграционных потоков, то возникают многосторонние барьеры, а если происходит наложение нескольких барьеров, то образуются комплексные барьеры.
Иногда барьеры разделяют в зависимости от положения миграционных потоков. Если продвигаются в горизонтальном направлении – латеральный барьер, если в вертикальном направлении или
наклонном – вертикальные или радиальные.
Если к раствору с равными концентрациями CI- и I- добавлять
по каплям AgNO3, то сначала начнет осаждаться AgI. Это связано с
величиной ПР. ПРAgI = 8,5 * 10-17; ПРAgCI = 1,7 * 10-10. Лишь после
того, как большая часть I- будет осаждена, начнет осаждаться AgCI.
Задача: При каком соотношении концентрация ионов Ва2+ и Sr2+, их
сульфаты при введении иона SO42- будут выпадать одновременно?
ПРBaSO4 = 9,9 * 10-11; ПРSrSO4 = 3,6 * 10-7
[Sr2+]
ПРSrSO4
3,6 * 10-7
-------------- = ---------------- = ----------------- = 3,6 * 103 = 3600
[Ba2+]
ПРBaSO4
10-10
Следовательно, сульфаты Sr и Ba будут выпадать из раствора
одновременно при условии, если [Sr2+] будет в 3600 раз больше концентрации [Ba2+]; если [Sr2+] / [Ba2+] > 3600, то выпадет SrSO4, и это
будет продолжаться до тех пор, пока отношение не станет = 3600, и
тогда сульфаты начнут выпадать одновременно. Если же отношения < 3600, то начинает выпадать BaSO4, и до тех пор, пока вновь
отношение концентрации не станет = 3600.
В отличие от лабораторного эксперимента в природных условиях
процесс полного расхождения ионов не происходит, их новые порции
поступают извне. В природе обстановка для продолжительного торможения второй реакции более благоприятна, чем в лаборатории.
Комплексные барьеры
Они образуются в результате наложения друг на друга различных барьеров. Часто возникновение одного барьера вызывает второе, третье и т.д. В местах смешивания сероводородных вод и металлоносных рассолов происходит отложение сульфидов на сероводородном барьере. На границе придонных бескислородных вод с
кислородными водами на поверхности действует кислородный барьер, где осаждаются аморфные гидроксиды Fe3+. Они сорбируют
металл, особенно Cu (сорбционный барьер). С охлаждением в глубине моря связано появление термодинамического барьера (осаждение Zn при различных его комплексных соединениях, действие
сульфат-редуцитных бактерий (пятый биохимический барьер).
Контрольные вопросы
Социальные барьеры. Под этим термином понимаются зоны
складирования и захоронения отходов промышленных и бытовых.
1.как и на всех барьерах, здесь прекращается перемещение веществ;
2.барьеры создаются искусственно, им нет аналогов в природе;
3.вещества на этих барьерах не объединяются общим физическим или химическим свойством, что обязательно на природных и
техногенных барьерах;
4.на них могут накапливаться элементы, не встречающиеся
вместе в природе и даже противопоказанные, запрещенные (Ni,Ba
или Cu и Mn);
5.на этих барьерах встречаются участки с различной геохимической обстановкой (кислотная, сероводородная и т.д.), поэтому трудно прогнозировать дальнейшую их миграцию;
6.высокие концентрации техногенных соединений (ксенобиотиков).
1.Растворимость фторида кальция 2,16 . 10-4 моль/л. Вычислить
ПР CaF2.
2.Растворимость Fe(OH)2 при 18°С составляет 5 . 10-6 моль/л.
Вычислить ПР Fe(OH)2 .
3.В 500мл насыщенного раствора Ag2CrO4 содержится 0,0166г.
Чему равно произведение растворимости этой соли?
4.В 50мл насыщенного раствора Ag2CO3 содержится 6,3 . 10-6
моль СО32-. Вычислить ПР Ag2CO3.
5.В 100мл насыщенного раствора PbJ2 содержится 1,3 . 10-4 моль/л
этой соли. Вычислить ПР PbJ2 .
6.Определить растворимость PbCl2 в граммах на 100 г воды и в
моль/л, если ПР PbCl2 = 1,7 . 10-5.
7.Вычислить растворимость CaF2 в г/100 г воды и в моль/л, если
ПР CaF2=4 . 10-11.
8.Вычислить растворимость SrCO3 в г/100г воды и в моль/л,
если ПР SrCO3 = 9,42 . 10-10.
9.Чему равна растворимость ZnCO3 в граммах на 100 г воды и
в моль/л, если ПР ZnCO3=9,98 . 10-11?
10.Вычислить растворимость Cu2S в граммах на 100 г воды и в
моль/л, если ПР Cu2S = 2,6 . 10-49.
11.Вычислить концентрацию ионов Ва2+ и РО43- в моль/л в насыщенном растворе Ва3(РО4)2, если ПР Ва3(РО4)2 = 6 . 10-39.
12.Вычислить концентрацию ионов Pb2+ и CI- в моль/л в насыщенном растворе PbCI2, если ПР PbCI2 = 1,7 . 10-5.
64
65
Социальные барьеры
13.В каком насыщенном растворе – AgCI или PbCI2 – содержится больше ионов хлора и во сколько раз? ПР AgCI = 1,7 . 10-10;
ПР PbCI2 = 1,7 . 10-5.
14.Имеется два насыщенных раствора: сульфата и сульфита
свинца. В каком из них концентрация ионов свинца в моль/л больше?
Во сколько раз?
15.Сколько граммов S2- содержится в 100 мл насыщенных растворов CuS и As2S3? ПР CuS = 3,2 . 10-38; ПРAs2S3 = 4,1 . 10-29.
16.К 50 мл 0,001 н раствора HCI добавили 450 мл 0,0001 н раствора AgNO3. Выпал ли осадок? ПР AgCI = 1,8 . 10-10. Сделать
расчеты.
17.К 10 мл 0,01 М раствора CaCI2 прибавили 10 мл 0,01 М раствора H2SO4. Выпал ли осадок? ПР CaSO4 = 6,26 . 10-5. Сделать
расчеты.
18.Смешали одинаковые объемы 0,02 н растворов SrCI2 и
K2CrO4. Выпал ли осадок? Сделать расчеты. ПР SrCrO4 = 3,6 . 10-5.
19.Выпадет ли осадок при сливании равных объемов 0,02 н раствора CaCI2 и 0,02 н раствора Na2SO4 ? Ответ подтвердите расчетами. ПР CaSO4 = 1 . 10-5.
20.Смешали одинаковые объемы Sr(NO3)2 с концентрацией 0,002 н
и 0,002 н раствора K2SO4. Достигается ли ПР SrSO4, равный 3,6 . 10-7?
Тесты
1. Какая соль более растворима в воде BaCO3 или SrCO3 ,
если ПР BaCO3 = 5 . 10-9 ; а ПР SrCO3 = 9,4 . 10-10?
1) растворимы одинаково;
2) обе соли хорошо растворимы;
3) BaCO3 лучше растворяется;
4) SrCO3 лучше растворяется;
5) не знаю.
2. ПР NiC2O4 = ПР Na3AIF6 . Какое соотношение между растворимостями правильно?
1) S NiC2O4 > S Na3AIF6 ;
2) S NiC2O4 = S Na3AIF6 ;
3) S NiC2O4 < S Na3AIF6 ;
4) растворимости невозможно определить;
5) обе соли хорошо растворимы.
66
3. Какое математическое выражение ПР Ag2CrO4 верно?
1) ПР = [Ag+] [CrO42-];
2) ПР = [Ag+]2 [CrO42-];
3) ПР = [Ag+] [CrO42-]2;
4) ПР = [Ag+]2 [CrO42-]2;
5) ПР = [Ag+]3 [CrO42-]
4. Какой осадок выпадет первым – оксалат или хромат
при добавлении ионов Pb2+. ПР PbCrO4 = 1,8 . 10-14 ;
ПР
PbC2O4 = 2,7 . 10-11?
1) PbCrO4;
2) PbC2O4;
3) выпадут одновременно;
4) осадки не выпадут;
5) cоли свинца хорошо растворимы.
5. Растворимость соли АВ 2 равна 1 . 10 -3 моль/л. Вычислите ПР:
1) 4 . 10-9;
2) 1 . 10-3;
3) 2 . 10-6;
4) 4 . 10-6;
5) 2 . 10-3.
6. Растворимость соли А2В равна 10-5 моль/л. Вычислите ПР:
1) 4 . 10-9;
2) 1 .10-9;
3) 4 .10-15;
4) 2 .10-15;
5) 1 . 10-10.
7. ПР соли А2 В3 равно 1,08 . 10-23 . Чему равна растворимость в моль/л?
1) 1 . 10-5;
2) 1 . 10-6;
3) 1 . 10-7;
4) 1 . 10-14;
5) 1 .10-8.
8. ПР Fe(OH) 3 равно 4 . 10-38 . Вычислите растворимость
в моль/л:
1) 4,5 . 10-10;
2) 2 . 10-10;
67
14. Растворимость соли А2 В равна 1 . 10-11. Вычислите ПР:
1) 1 . 10-22;
2) 1 . 10-11;
3) 2 . 10-33;
4) 4 . 10-33;
5) 2 . 10-5.
15.Почему сульфид цинка не растворяется в уксусной кислоте?
1) уксусная кислота – слабая кислота;
2) ПР ZnS > Kq CH3COOH ;
3) ПР ZnS < Kq CH3COOH ;
4) ацетат цинка – нерастворимая в воде соль;
5) сульфид цинка хорошо растворяется в воде.
3) 3,1 . 10-10;
4) 4,5 . 10-19;
5) 2 .10-13.
9. Растворимость соли АВ2 равна 2,8 . 10-4 г в 100 г раствора.
Молекулярная масса соли равна 280. Вычислите ПР:
1) 1 . 10-5;
2) 1 . 10-10;
3) 2 . 10-15;
4) 4 . 10-15;
5) 2,8 . 10-8.
10. Растворимость соли А2 В равна 1 . 10-9 моль/л. Вычислите ПР:
1) 1 . 10-9;
2) 2 . 10-27;
3) 2 . 10-18;
4) 4 . 10-27;
5) 1 . 10-6.
11. Растворимость соли АВ2 равна 1,5 . 10-3 г в 100 г раствора.
Молекулярная масса соли равна 150. Вычислите ПР:
1) 1,95 . 10-2;
2) 1 . 10-4;
3) 4 . 10-12;
4) 4 . 10-9;
5) 4 . 10-6.
12. ПР AgCrO4 = 4 . 10-12. Вычислите растворимость в моль/л:
1) 4 . 10-4;
2) 1 . 10-4;
3) 2 . 10-6;
4) 1,9 . 10-3;
5) 1,6 . 10-24.
13. Растворимость соли АВ2 равна 2 . 10-2 г в 100 г раствора.
Молекулярная масса соли равна 200. Вычислите ПР:
1) 1 . 10-3;
2) 1 . 10-6;
3) 4 . 10-9;
4) 2 . 10-6;
5) 4 . 10-4.
Окружающая среда (биосфера) – это живая система глобального уровня. И как любой живой организм может быть подвержена
болезни. В таком случае необходимо поставить правильный диагноз, назначить верное лечение, основанное на контроле за состоянием больного. Контроль должен опираться на систему наблюдений
из определенного набора объективных параметров, отражающих
состояние пациента, развитие болезни и эффективность мер, для
устранения данной патологии.
Чтобы выполнить все это, необходимо организовать мероприятия по системе мониторинга за состоянием окружающей среды.
Термин мониторинг появился в связи с изменениями, вызванными антропогенным воздействием, в результате развития современной цивилизации, которые привлекли пристальное внимание к возникшим проблемам наблюдения и контроля за состоянием и уровнем загрязнения окружающей среды большинства стран мира (1972 г.
Стокгольмская конференция ООН).
В настоящее время употребляют два основных термина, касающихся оценки качества окружающей среды: мониторинг и контроль.
Мониторинг – это информационная система наблюдений и анализа состояния окружающей среды, наблюдения эффектов, вызываемых ими в биосфере (monitor – предупреждать, предостерегать (лат.)).
68
69
Мониторинг окружающей среды и ПДК
Контроль – это не только наблюдение и получение информации, но и элементы воздействия и управления состоянием окружающей среды.
Мониторинг в более развернутом виде – это система наблюдений за источниками и факторами антропогенных воздействий: химических, физических, биологических (излучения, механические воздействия и т.д.), а также за эффектами, производимыми этими воздействиями на окружающую среду, и особенно ответ биологических систем на эти воздействия.
Наблюдения могут производиться по химическим, физическим
и биологическим показателям в отдельности или комплексно (интегральные показатели состояния природных систем). Мониторинг
может проводиться по отдельным компонентам экосистем или за
экосистемами разного уровня.
При этом используются физико-химические, биологические, географические, космические и другие методы мониторинга.
По классификации, предложенной академиком И.П.Герасимовым, мониторинг подразделяют на подсистемы: биоэкологический,
геоэкологический и биосферный.
Первый уровень – биоэкологический (биологический, санитарно-гигиенический) мониторинг включает наблюдение:
- за состоянием окружающей среды;
- за степенью загрязнения природных объектов вредными вещ ес т в а м и ;
- за воздействием этих загрязнителей на человека и биоту в
целом (совокупность флоры, фауны и микроорганизмов);
- за наличием в окружающей среде аллергенов, патогенных организмов, пыли;
- за содержанием в атмосфере оксидов азота и серы, тяжелых
металлов;
- за качеством водных объектов, степенью их загрязнения и т.д.
Объектами мониторинга являются: приземные слои атмосферы, поверхностные и грунтовые воды, почвы, промышленные и бытовые стоки и выбросы, радиоактивные излучения и отходы.
Биоэкологический мониторинг осуществляют различные службы:
гидрометеорологическая (метеостанция, гидропосты, обсерватории),
санитарно-гигиеническая, эпидемиологическая (санэпидемстанции) и др.
Биоэкологический мониторинг дает экспресс-информацию о состоянии окружающей среды и очень важен для всех районов, городов,
населенных пунктов.
Второй уровень – системный геоэкологический (природно-хозяйственный) мониторинг. Суть его заключается в наблюдении
за изменениями в экологических системах (биогеоценозах), природных комплексах, за их продуктивностью, динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных и растительных ресурсов.
Третий уровень – глобальный биосферный мониторинг.
Целью этого мониторинга является контроль за состоянием окружающей среды в глобальном масштабе, наблюдение за глобальнофоновыми изменениями в природе, прогноз возможных изменений
биосферы и всей географической оболочки в результате хозяйственной деятельности человека.
Объектами мониторинга являются: радиационный баланс, прозрачность атмосферы и ее антропогенное изменение, мировой водный баланс и загрязнение мирового океана, крупномасштабные изменения в биогеохимических циклах элементов и веществ (СО2, О2,
N2, P, S, H2O и др.), энергообмен географической оболочки с космосом, мировая миграция птиц, животных, растений и насекомых, изменение климата на планете и др.
По классификации других исследователей, различают мониторинг: глобальный, региональный, локальный, базовый и т.д.
Глобальный мониторинг – слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и прогноз возможных изменений.
Региональный мониторинг – оценка антропогенного влияния на природную среду в ходе обычной хозяйственной деятельности человека в отдельном регионе, в пределах которого процессы и
явления отличаются от общего базового фона.
Локальный мониторинг (импактный) – в первую очередь,
контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ в биосфере, влияние источников на степени загрязнений природной среды. Состояние окружающей среды оценивается с точки
зрения здоровья человека.
Базовый мониторинг (фоновый) – слежение за состоянием
природных систем и процессов, на которых нет наложения региональных антропогенных влияний, т.е. окружающая среда находится
70
71
как бы в «чистом» состоянии, хотя глобальные загрязнения все же
вносят свой вклад в ее изменение. Для этого создаются биосферные заповедники по всему миру, где запрещена производственная
деятельность, представляющая опасность для всего живого (в 62
странах мира создано более 230 таких заповедников).
Как система наблюдений любой мониторинг состоит из 3 ступеней (блоков):
1.наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую
среду и за ее состоянием;
2.оценка фактического состояния;
3.прогноз возможных изменений.
Согласно решению Совета управляющих Программ ООН по
проблемам окружающей среды (ЮНЕП, Кения, 1974 г), наблюдения над загрязнением биосферы признаны первоочередными на импактном (уровень сильного локального загрязнения), региональном
и локальном уровнях.
Важнейшим элементом мониторинга является оценка состояния окружающей среды – выбор показателей, характеристик ее
объектов и их непосредственное измерение.
Изменение концентраций загрязняющих веществ к какой-либо
части экосистемы отражается на всех остальных частях. Но учитывая природную консервативность, этот процесс может затянуться надолго, поэтому возникла необходимость в определении показателей стандартов качества состояния окружающей среды (установить показатели экологического нормирования) – ПДК.
ПДК – это основная величина экологического нормирования
загрязняющих веществ в окружающей среде, а именно предельно
допустимые концентрации загрязняющих веществ, представляющие
такое содержание вредного вещества в окружающей среде, которое
при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека и не
вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.
При определении ПДК учитывают влияние загрязнителей не
только на здоровье человека, но и на его воздействие на воздух,
животных, растения, микроорганизмы, а также на биоценозы (природные сообщества) в целом.
ПДК загрязняющих веществ (з.в.) устанавливается в законодательном порядке или рекомендуется компетентными органами са-
нитарной охраны. В настоящее время установлены ПДК для большого количества химических загрязнителей.
Экологическое нормирование призвано ограничить антропогенные воздействия экологическими возможностями живых систем, его
цель – оптимизация взаимодействия человека с природой.
Оно предусматривает:
- учет множественности путей загрязнения и самоочищение элементов биосферы при оценке последствий антропогенного воздействия;
- выявление «критических» компонентов биосферы, наиболее
чувствительных к антропогенному воздействию;
- развитие научного подхода к нормированию антропогенных
воздействий с учетом их влияния на природные экосистемы.
Для оценки состояния воздушной среды используются несколько видов ПДК. Это ПДК рабочей зоны (ПДК р.з.);
Максимально-разовая (ПДК м.р.);
Среднесуточная (ПДК с.с.);
ПДК атм. (в атмосфере населенного пункта);
ПДК п.п. (на площадке предприятия, 0,3 ПДК р.з.)
ПДК р.з., ПДК м.р., ПДК с.с. – устанавливаются на основе рефлекторных реакций организма человека на присутствие в воздухе
токсикантов, (измеряются в мг/м3).
ПДК р.з. – это концентрация, при которой у работающих не возникает каких-либо заболеваний или отклонений от нормального здоровья, обнаруживаемых во время работы или в отдельные сроки
(при условии ежедневного вдыхания з.в. в течение 8 часов за все
время рабочего стажа). При этом рабочей зоной считается пространство высотой 2 м над поверхностью поля или площадки, на которой
расположено место постоянного или временного пребывания работающего.
ПДК м.р. – максимальная разовая концентрация з.в. (мг/м3 ) в
воздухе над пунктом, которая не может вызвать рефлекторной реакции в организме человека.
ПДК с.с. – среднесуточная концентрация з.в. в воздухе над пунктом, не оказывающая прямого или косвенного влияния на организм
человека в условиях неопределенного долгого круглосуточного вдыхания.
72
73
Дополнительно для оценки действия токсикантов на живые организмы приняты следующие величины.
ЛК50 – летальная концентрация, вызывающая при вдыхании
50 %-ную гибель подопытных животных (мг/л или миллимолях/л);
ПКост. – пороговая концентрация острого действия, установленная на лабораторных животных при однократной воздушной ингаляции (мг/л);
ПКхр – пороговая концентрация хронического действия, устанавливаемая на лабораторных животных при длительном ингаляционном воздействии по 6 час. ежедневно (мг/л).
ПДК вредных веществ в воздухе устанавливают экспериментально с испытанием на подопытных животных, на это уходит много времени, поэтому используют расчетные методы определения ПДК, которые позволяют производить токсическое
действие химических соединений, исходя из их физико-химических характеристик и результатов простейших токсикологических исследований, регрессионный анализ (регрессия – зависимость средних значений конкретных величин от нескольких других величин). Эти значения ПДК весьма близки к нормативным,
определяемым экспериментально. Величины ПДК утверждаются соответствующими компетентными органами. Например, ПДК
некоторых радиоактивных веществ в водной и воздушной среде
не имеют нижних пределов безопасности, т.к. любые их количества, превышающие природный фон, опасны для живых организмов, если не непосредственно, то генетически, в цепи последующих поколений.
Для обеспечения ПДК воздушной среды установлена еще одна
нормативная величина – ПДВ – предельнодопустимый выброс,
это объем (количество) З.В., выбрасываемых за единицу времени,
превышение которого ведет к превышению ПДК в среде, окружающей источник загрязнения и, следовательно, к неблагоприятным последствиям для окружающей среды.
Кроме ПДК для контроля за выбросами действуют дополнительные характеристики:
ДОК – допустимое остаточное количество;
ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействия;
ОДК – ориентировочно допустимая концентрация.
Для водной среды (гидросферы) в нашей стране нет единых
общегосударственных норм качества воды, так как ее пригодность
определяется конкретными требованиями отдельных видов водопользования. Качество поверхностных вод нормируется для водопользования по трем категориям:
1) хозяйственно-пищевого;
2) культурно-бытового;
3) рыбо-хозяйственного.
Для первых двух категорий определяющими являются санитарно-гигиенические нормы, включающие общепринятые показатели:
количество взвешенных веществ (мг/л); плавающие примеси;
запахи; вкус;
окраска; температура; рН (6,5 – 8,5); минерализация (350 мг/л
хлоридов; 500 мг сульфатов); содержание растворенного кислорода
(не менее 4 мг/л в любое время года при отборе до 12 час дня);
биохимическое потребление кислорода БПК пот. (3 мг/л); возбудители болезни; содержание ядовитых веществ.
Для воды разработаны ПДК около 1000 химических соединений, которые объединены по следующим лимитирующим показателям вредности (ЛПВ): санитарно-токсикологическому (с-т); общесанитарному (общ.); органолептическому (орг).
Самые высшие требования предъявляются к питьевой воде –
ГОСТ на воду, используемую для питья и в пищевой промышленности (2874 – 73), определяются благоприятные для человека органолептические показатели, вкус, запах, цвет, прозрачность, химический состав и эпидемиологическая безопасность воды.
74
75
ПДК для почв
Установить ПДК з.в. в почвах сложно, т.к. они малоподвижны, по сравнению с водой и воздухом, и накопление з.в. может
протекать длительное время. В то же время физико-химические
процессы, протекающие в этой среде посредством микробиологической жизни, способствуют трансформации химических веществ, которые определяются наличием различных факторов,
влияющих на направление и глубину микробиогеохимических
трансформаций. Поэтому ПДК з.в. в почвах определяется не только химической природой, токсичностью, но и способностями самих почв.
В зависимости от зонально-генетического ряда почвы сильно
отличаются друг от друга по химическому составу и по свойствам,
поэтому для них ПДК не могут быть унифицированы.
Исключение составляют пестициды и тяжелые металлы (Т.М.).
В России установлены ориентировочно-допустимые количества
(ОДК) для тяжелых металлов вместо ПДК.
Так как поступление вредных веществ в организм человека и
животных непосредственно из почвы не происходит, а идет через
другие субстраты – воду, воздух, растения – то особое внимание
уделяется миграции з.в. (важен почвенно-экологический мониторинг).
ПДК для продуктов питания установлен для химических элементов, способных при определенных количествах вызывать патологические эффекты. Например:
Направление Рыбная
мг/кг
AI
30
Hg
0,5
Мясная
мг/кг
10
0,03
Молочная
мг/кг
1
0,005
Хл.злаки
мг/кг
20
0,01
Овощи
мг/кг
30
0,02
Фрукты
мг/кг
20
0,01
Соки
мг/кг
10
0,005
Для ряда сельскохозяйственных культур устанавливается ПДК
пестицидов и метаболитов (по ряду биопоказателей).
Экспериментальное определение ПДКпр весьма длительно, поэтому применяют временно-допустимые концентрации (ВДК) пестицидов, определяемые расчетными методами.
Строгое соблюдение ПДК и ВДК в отдельных компонентах биосферы и продуктах питания еще не является гарантией сохранения
здоровья людей и чистоты окружающей среды.
ПДК, ПДВ установлены только в последние десятилетия, а последствия проявляются через многие десятилетия (силикоз). Появляются новые загрязнители.
Поэтому ПДК следует рассматривать как один, но не самый
важный показатель быстрого воздействия загрязнителей на окружающую среду.
Контрольные вопросы
(Мониторинг и ПДК)
2.Приведите классификацию мониторинга.
3.Чем занимается глобальный мониторинг? Где и когда были
изложены основные цели глобальной системы мониторинга?
4.Назовите и дайте краткую характеристику трем ступеням
любого мониторинга.
Рассчитайте ВДК (временно допустимые концентрации) для загрязняющих веществ - пестицидов по формуле:
ВДКпр = 0,13 * 10-2 ЛД50 + 76,
где ЛД50 устанавливается экспериментально (в примерах с 5 по 17).
5.Раундап «Ураган», «Торнадо»; LД50 (для крыс) = 4900 мг/кг
(пестицид общеистребительный).
6.Бентазон «Базарган» – гербицид: LД50 для крыс = 1100 мг/кг.
7.Зенкор (Лексон, Метрибузик) – гербицид; LД50 для крыс = 2200
мг/кг.
8.Дианат (Банвел Д) – гербицид; LД50 для лабораторных животных 1200 мг/кг – 3000 мг/кг.
9.Дикват (Реглон) – гербицид; LД50 для крыс = 282 мг/кг.
10.Лонтрея – гербицид; LД50 для крыс и мышей = 500 мг/кг.
11.Биксультап (Банкол) инсектицид; LД50 для крыс = 1105 – 1120
мг/кг.
12.Аполло – инсектицид; LД50 для крыс = 3200 мг/кг (min).
13.Дельтаметрин – инсектицид; LД50 для крыс = 128,5 – 138,7
мг/кг.
14.Диазинон – инсектицид; LД50 для крыс = 76 – 130 мг/кг.
15.Диазинон – инсектицид; LД50 для крыс = 76 – 130 мг/кг.
16.Бенкамил - фунгицид; LД50 (мыши и кролики) = 6300 – 9900
мг/кг.
17.Гексатиуран - фунгицид; LД50 (мыши) = 1380 мг/кг.
18.Что понимают под термином базовый (фоновый) мониторинг?
19.Что такое экологическое нормирование и что оно предусматривает (какова его цель)?
20.Чем отличаются друг от друга региональный и локальный
мониторинг.
1.Что такое мониторинг? Чем система мониторинга отличается от системы контроля за состоянием окружающей среды, которой
занимаются многие службы?
Тесты
(Мониторинг и ПДК)
1.Какое из определений мониторинга наиболее точно отражает его сущность?
1) наблюдение за состоянием окружающей среды;
76
77
2) наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды;
3) количественная оценка состояния окружающей среды;
4) управление качеством окружающей среды;
5) нет правильного ответа.
2.Импактным уровнем наблюдения является:
1) уровень сильного локального загрязнения;
2) региональный уровень;
3) фоновый (глобальный) уровень;
4) биосферный уровень;
5) нет правильного ответа;
3.В понятие «мониторинг» не включается:
1) управление качеством окружающей среды;
2) оценка фактического состояния окружающей среды;
3) оценка прогнозируемого состояния окружающей среды;
4) прогноз состояний;
5) нет правильного ответа;
4.Кем из ученых предложена классификация мониторинга
на биоэкологический, геоэкологический, биосферный?
1) Ю.А.Израэль;
2) Н.Н.Моисеев;
3) С.С.Шварц;
4) И.П.Герасимов;
5) В.П.Казначеев.
5.Антропогенные изменения в биогеохимических циклах элементов и веществ являются объектами:
1) биоэкологического мониторинга;
2) геоэкологического мониторинга;
3) биосферного мониторинга;
4) импактного мониторинга;
5) нет правильного ответа.
6.Как называется вид экологического мониторинга, оценивающий экологическую ситуацию района (города)?
1) Фоновый;
2) Локальный;
3) Глобальный;
4) Региональный;
5) Фоновый, локальный, региональный.
7.Экологический мониторинг характеризуется:
1) наблюдением за состоянием окружающей среды;
2) прогнозом экологической ситуации;
3) системой наблюдений, анализа и прогноза состояния окружающей среды;
4) анализом полученных данных о состоянии окружающей среды;
5) системой наблюдений за состоянием окружающей среды.
8.Экологическая опасность характеризуется:
1) ущербом окружающей среде;
2) риском причинить ущерб любой окружающей среде;
3) любым ущербом от нарушения правил охраны природы;
4) вредом для здоровья человека;
5) количеством вреда, нанесенным объектам окружающей среды.
9.Оценка качества окружающей среды, контроль – это:
1) система наблюдения, анализа и прогнозирования за состоянием
окружающей среды;
2) система наблюдения за состоянием окружающей среды;
3) оценка фактического состояния окружающей среды;
4) система наблюдения, анализа и управления состоянием окружающей среды;
5) прогноз состояний.
10. ПДК – это:
1) предельно-допустимые количества;
2) предельно-допустимые концентрации з.в., при которых при
постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени отсутствуют неблагоприятные воздействия или их
последствия на здоровье человека;
3) основная величина экологического нормирования з.в.;
4) предельно-критическое содержание з.в., при котором наблюдается негативное воздействие;
5) нет правильного ответа.
11. Поступление в окружающую среду различных загрязнителей строго регламентируется законодательством, устанавливающим:
1) ПДП; ПРК; ППП;
2) ПДК; ПДС; ПДВ;
3) ПРП; ПКС; ПДВ;
78
79
4) ПРИ; ПДУ; ПДО;
5) нет правильного ответа.
12. Величина, характеризующая объем вредных веществ,
выбрасываемых в атмосферу отдельными источниками загрязнения в единицу времени – это:
1) ПДК;
2) ДОК;
3) ОБУВ;
4) ПДВ;
5) ОДК.
13. Пороговая концентрация острого действия ПКост устанавливается на подопытных животных при:
1) гибели 50 % подопытных животных;
2) длительном вдыхании по 6 час ежедневно;
3) однократном ингаляционном воздействии;
4) максимальная разовая концентрация в воздухе населенных
пунктов;
5) среднесуточная предельно-допустимая концентрация в воздухе населенного пункта, не влияющая на живые организмы в условиях долгого круглосуточного вдыхания.
14. Что такое ПДК т.м.?
1) предельно-допустимые количества твердого мусора;
2) предельно-допустимые концентрации технического материала;
3) предельно-допустимые концентрации тяжелых металлов;
4) предельно-допустимые концентрации топливного мусора;
5) нет правильного ответа.
15. Какой математический метод используется для расчета
ПДКМ.Р., ПДКС.С., ПДКР.З.?
1) регрессионный;
2) дифференциальный;
3) интегральный;
4) корреляционный;
5) нет правильного ответа.
Окружающая среда Земли состоит из атмосферы, гидросферы и литосферы. Каждую из них можно рассматривать как резервуар, в который поступают различные химические вещества и так же
выносятся из этого пространства. Химия окружающей среды рассматривает круговорот различных химических веществ в каждом
из этих составляющих, а также влияние человеческой деятельности
на эти процессы.
По мере того, как ученые получали все больше и больше информации о том, как действуют химические составляющие поверхности Земли, становилось очевидным, что недостаточно рассмотрение отдельных природных сред. Все три резервуара: атмосфера, воды океанов, поверхность суши и его недра, не изолированы
друг от друга. Между ними двигаются крупные и продолжительные
потоки химических веществ. Причем вынос химического материала из одного пространства может на него существенно влиять, но
может оказать сильное химическое воздействие на принимающую
среду. Например, природный поток восстановленной газообразной
серы из океанов в атмосферу практически не влияет на химизм морской воды, но при поступлении в атмосферу играет ведущую роль в
химии кислот и оснований в ней, оказывает влияние на количество
образующихся облаков.
Поэтому ученые пришли к выводу, что для химического понимания интегрированных систем важным является изучение глобальной природной системы, ее природных и антропогенных изменений.
Такие исследования широкомасштабны, требуют больших экономических затрат от развитых стран мира. Для этого за последнее десятилетие было создано несколько крупных международных программ, из которых наиболее близка к химии окружающей среды
Международная геосферно-биосферная программа (IGBP).
Эта программа исследований рассматривает вопросы: как в
настоящее время действуют системы Земли; каков прогноз на будущее в результате воздействия человеческого и других факторов
(описание и понимание взаимодействия физико-химико-биологических процессов, которые управляют системой Земли, средой, предоставленной для жизни, а также характер влияния антропогенного
фактора).
Химические аспекты глобальных изменений можно разделить
на две категории:
1.Изменения в природных круговоротах в результате поступления или удаления присутствующих в них химических веществ из-за
80
81
Глобальные изменения в окружающей среде
обычных циклических или вызванных человеческим воздействием
процессов.
2.Поступление в окружающую среду необычных химических
соединений в результате промышленного синтеза и производства
новых веществ.
Первая категория химических изменений касается природных
или вызванных человеком изменений в существующих круговоротах. Наиболее интересны в глобальном масштабе экосистемы Земли круговороты углерода (С) и серы (S). Круговорот этих элементов
имел место в течение всей истории Земли (4,5 млрд.лет). Возникновение жизни на нашей планете оказало огромное влияние на оба круговорота (биологический фактор), а также повлияло на изменение
температуры (ледниковый и межледниковый период), климата Земли (переменная облачность и температура). За последние несколько
сотен лет человеческая деятельность нарушила эти и другие природные циклы, повторяя, усиливая или ускоряя их.
Глобальные циклы углерода и серы, а также фреонов (хлорофтороуглеводородов) вблизи и на поверхности Земли отражают наиболее
наглядно потенциальные изменения, которые могут произойти в крупных регионах и в целом на планете вследствие легкой миграции этих
химических веществ, широко распространенных в атмосфере.
Рассмотрим глобальный цикл углерода.
Самым важным компонентом его природного цикла является
газообразное вещество – диоксид углерода (СО2 – углекислый газ).
Концентрация атмосферного СО2 возрастает со временем и это всемирное явление. Как показали расчеты, в атмосфере содержится
только около 50 % СО2, привнесенного в результате сжигания ископаемого топлива. Следовательно, оставшаяся часть должна быть
адсорбирована в другом резервуаре.
Как показали исследования, источниками СО2 в поверхностных
средах являются:
1) биосфера суши (включая пресные воды);
2) океаны;
3) антропогенная эмиссия (сжигание топлива и промышленная
деятельность).
В ненарушенном состоянии биосферы суши и океана обмениваются СО2 с атмосферой (двусторонний сбалансированный пере-
нос). Эти же резервуары служат стоками для антропогенного СО2.
Вулканические эмиссии здесь не учитываются, т.к. считаются несущественными в количественном отношении за короткое время.
Основными потребителями СО2 на суше являются, как известно, зеленые растения (процесс фотосинтеза).
Тропические океаны являются суммарными источниками СО2
в атмосферу (температурный режим поверхностного слоя воды влияет на способность ее растворять СО2 и потреблять его или выделять в процессах биосинтеза и дыхания). В более высоких и полярных широтах океаны являются суммарным стоком СО2.
Сжигание ископаемого топлива и другие антропогенные воздействия на природу приводят к значительному дополнительному привносу СО2 не только в атмосферу, но и в океаны.
Химический состав морской воды способствует большой способности захватывать избыток СО2:
СО32-(водн) + СО2(г) + Н2О(ж) « 2НСО3-водн.
Карбонат ионы взаимодействуют с СО2 и образуются гидрокарбонат ионы, и в результате этого взаимодействия морская вода в
8 раз более эффективно поглощает СО2, по сравнению с раствором
со сходной ионной силой, но не содержащим СО32-.
Самыми большими резервуарами углерода являются: морские
отложения и осадочные породы на суше в виде СаСО3 .
Следующим резервуаром является морская вода, где углерод
находится в основном в растворенной форме в виде НСО3-. На глубине океанов содержатся основные запасы углерода в ископаемых
топливах и сланцах, но взаимодействия с атмосферой идут или медленно, или отсутствуют.Особенно малым резервуаром является атмосфера, она чувствительна даже к небольшим изменениям процентного содержания углерода в других резервуарах, т.к. затем они
идут в атмосферу в виде СО2.
Антропогенное влияние человека заключается в переработке
подземных природных источников топлива (нефти, угля, сланцев,
газа), сопровождающееся выделением СО2 в атмосферу, а также
работой различных промышленных предприятий.
Таким образом, незначительное повышение диоксида углерода
в атмосфере наблюдается в результате его усвоения лесами и фитопланктоном океанов (фотосинтез), поглощения океанскими водами
(образующиеся осадки находятся на дне).
82
83
Сокращение площади лесов, загрязнение океанов может привести к значительному увеличению концентрации диоксида углерода в
атмосфере.
Накопление углекислого газа (СО2) в газовой оболочке Земли –
одна из основных причин так называемого «парникового эффекта»,
возрастающего от нагревания Земли лучами Солнца. Диоксид углерода не пропускает тепло обратно в космос и таким образом влияет
на климат Земли. Возникает угроза глобального потепления планеты.
«Парниковый эффект» влияет на изменение климата на Земле и
относится к глобальным изменениям в окружающей среде. СО2 является самым важным из антропогенных парниковых газов, но
кроме него свой вклад вносят и другие газообразные вещества. Так,
немногим более чем на половину эффект бывает связан с СО2, но
другие газы СН4, N2O, ХФУ также вносят существенный вклад в
общий результат парникового эффекта. Хотя поступления этих газов
в атмосферу по абсолютному их количеству, по сравнению с СО2,
были невелики. Так, 1 молекула метана (СН4) в 21 раз, а ХФУ –
более чем в 12000 раз более эффективно поглощают энергию, чем
СО2. Парниковые газы влияют не только на температуру (глобальное потепление), но и на другие изменения в климате Земли: распределение дождевых осадков, потепление лета, более влажные зимы,
содержание влаги в почве. Все это может привести к географическим сдвигам, к изменению уровней урожая зерновых, а это, в свою
очередь, к существенным последствиям социального, экономического и политического характера. Последствием глобального потепления может быть глобальное повышение уровня моря из-за частичного теплового расширения морской воды, таяния ледников, небольших ледниковых шапок, а также севших на мель плавучих льдов
(западного Антарктического ледяного щита).
Теперь рассмотрим глобальный цикл серы и антропогенные воздействия на него. Вулканические эмиссии серы состоят в основном
из SO2 – диоксида серы, меньше H2S (вулканов, суши и моря) и они
мало изменяются. Потоки море-воздух сульфатов морских солей,
летучей серы, эмиссии серных газов с суши имеют примерно такие
же показатели. Потоки этих газов являются основными компонентами в круговороте S, т.к. геохимические запасы серы не могут быть
сбалансированными без них. Они (из морских и сухопутных источ-
ников) составляют » 70 % количества S, поступающей в атмосферу
у
при сжигании ископаемых топлив. Из океанского резервуара летучая сера поступает в атмосферу в виде газа диметилсульфида (ДМС),
который продуцируется морским фитопланктоном, живущим на поверхности океанических вод, и морскими водорослями, которые
выделяют небольшое количество карбонилсульфида (КСS), дисульфид углерода (CS2) и сероводорода (H2S).
Растения суши продуцируют сходный набор газов, но здесь H2S
играет главную господствующую роль. В результате антропогенной
деятельности части серного цикла существенно изменились и включают в себя следующее (по сравнению с ненарушенным состоянием):
1.Эоловые эмиссии серосодержащих частиц почвенной пыли
возросли » в 2 раза в год, т.к. это результат новых методов ведения
сельского хозяйства (выпас животных, вспашка земли, мелиоративные работы).
2.Привнос серы в атмосферу (главным образом в виде SO2) при
сжигании ископаемых топлив, плавке металлов и другой промышленной деятельности возрос примерно в 20 раз (за 120 лет). Возрастание эмиссии серы за счет ископаемых топлив, по сравнению с другими потоками в ее природном цикле, оказывает существенное воздействие на другие части цикла.
3.Поток S, выпадающей из атмосферы в океаны и на поверхность
суши, увеличен на 25 % и 163 %, соответственно, это не влияет на
химизм морской воды из-за ее буферных свойств и большого содержания в ней сульфатов (SO42-), но сильно влияет на слабозабуференные почвы и пресные воды (закисление почвы, кислотные дожди).
4.Количество серы, поступающее в океаны с речным стоком
увеличилось почти в 2 раза, за счет обогащения серой сточных вод
и сельскохозяйственных удобрений, поступающих в русла рек, грунтовые воды и затем в море.
5.Нарушение баланса между потоками серы, «континентальной»
и «морской» частями атмосферы. Поток серы (сериловит) в воздухе, направленном к морю, в 6 раз выше.
Можно сделать вывод, что человеческая деятельность существенно изменима, круговорот серы между атмосферой, океанами и
поверхностью суши, и его местное региональное влияние достаточно велико.
84
85
Контрольные вопросы
(Глобальные изменения в окружающей среде)
За счет поступления в атмосферу кислотообразующего газа
диоксида серы, окисления свободными радикалами (ОН- и NO3-) газа
диметилсульфида до SO2 и метансульфоновой кислоты (МСК –
CH3SO3H), которые растворяясь в каплях дождевой воды и облаков
окисляются до образования H2SO4 (сильной кислоты), повышается
кислотность дождевой воды. В состав атмосферных аэрозолей могут входить SO2, SO42-, дым, почвенная пыль и т.д., что способствует увеличению облачности атмосферы.
Поступление в окружающую среду необычных химических веществ в результате промышленного синтеза и производства новых
соединений ясно и понятно. Так, ряд веществ, обнаруженных в окружающей среде, являются результатом исключительной деятельности человека: пестициды, которые разрушаются в почве под влиянием бактерий с образованием ряда других необычных соединений:
полихлорированные дифенилы (ПХД), которые широко применяются в промышленности и плохо разрушаются в окружающей среде;
трибутилированное олово (ТБО), применяемое в корабельных красках; многие наркотики, некоторые радионуклеотиды, ряд хлорфторуглеродов (ХФУ), фреоны, разработанные как распыляемые аэрозоли охлаждаемых смесей, при производстве твердого мыла и многие
другие. Было подсчитано, что химической промышленностью синтезировано несколько миллионов различных химикатов (в основном
органических), которых никогда раньше не было на Земле. Подсчитано, что примерно 1/3 их общей продукции попадает в окружающую среду.
Влияние их сложно предсказать, так как не существует подобных им природных соединений, чье поведение уже изучено. Новое
вещество может показаться безвредным в одних условиях и стать
источником опасного действия в других. Например, когда были впервые введены ХФУ, то из-за их химической инертности считалось,
что они будут абсолютно безвредными для окружающей среды. Но
это оказалось безвредным для всех природных резервуаров, за исключением верхних слоев атмосферы (стратосферы), где они подвергаются распаду под влиянием солнечной радиации (ультрафиолетовые излучения). Продукты их распада (CI) приводят к разрушению О3 – озона и к образованию «озоновых дыр» в атмосфере. А
это угрожает жизни биоты Земли, увеличивает уровень радиоактивности на планете.
1.Что понимается под глобальными изменениями окружающей
среды?
2.Какая международная программа наиболее близко занимается вопросами глобальной природной системы?
3.Перечислите известные вам химические аспекты глобальных
изменений.
4.Какие природные циклы играют важную роль в глобальных
изменениях?
5.Известно, что вулканические эмиссии серы состоят из смеси газов: SO2, H2S, CH4 и др. Рассчитайте массу диоксида серы,
если 1 тонна газовой смеси содержит 65 % сернистого газа.
6.Рассчитайте массу карбоната натрия, содержащегося в морской воде, которая может связать 20 кг СО2,, поступающего в гидросферу, если процесс идет по схеме: Na2CO3 + CO2 ® 2NaHCO3.
7.Рассчитайте, какой объем СО2 может связать 10 литров
10,6 %-ный раствор хлорида кальция ( r = 1,05 г/мл) при t° = 20°C,
P = 720 мм.рт.ст., если реакция идет по уравнению:
CaCI2 + CO2 + H2O = CaCO3 + 2HCI.
8.Рассчитайте, какой объем углекислого газа (при н.у.) может
«связать» 100 г глюкозы при фотосинтезе по уравнению:
6СО2 + 6Н2О ® С6Н12О6 + О2.
9.В результате сжигания природного газа метана СН4 образуется диоксид углерода, который попадает в атмосферу и там при
растворении в каплях воды превращается в слабую угольную кислоту. Рассчитайте массу угольной кислоты, которая может образоваться от сгорания 20 л СН4 (при н.у.):
СО2 + Н2О = Н2СО3.
СН4 + О2 = СО2 + 2Н2О;
10.Каковы глобальные изменения при увеличении концентрации
диоксида углерода в атмосфере?
11.Связывание углекислого газа в океанских водах может происходить по уравнению химической реакции:
CaCI2 + 2CO2 + 2H2O = Ca(HCO3)2 + 2HCI.
Какими ионно- молекулярными уравнениями можно описать данное
взаимодействие?
12.Что такое глобальное потепление Земли? В чем заключается это явление и чем вызывается?
86
87
13.Каковы последствия глобальных изменений в цикле серы?
14.При сжигании летучей серы образуется ее диоксид. Рассчитайте объем выделившегося SO2 при температуре 100°С и Р = 2
атмосферы при сгорании 50 кг серы: S + O2 = SO2.
15.Известно, что NO2 является катализатором образования серной кислоты из диоксида серы. Рассчитайте массу H2SO4, которая
может образоваться из 20 л SO2 при температуре 10°С, Р = 0,2 атмосфер по уравнению реакции: SO2 +NO2 + H2O « NO + H2SO4.
16.Каковы глобальные последствия при увеличении выбросов
серы в атмосферу?
17.Какая масса органического вещества должна разложиться?
Чтобы в атмосферу выделилось 120 л диоксида углерода (при t –
273°К и Р = 760 мм.рт.ст.) согласно химической реакции:
СН2О + О2 ® СО2 + Н2О + Q.
18.Каковы глобальные последствия увеличения содержания в
атмосфере хлорофторуглеродов?
19.Рассчитайте, какое значение может иметь рН дождевой воды,
если в 1 л содержится 0,025 * 10-5 моль Н+.
20.Каков механизм увеличения облачности атмосферы продуктами окисления серы?
1.Продуктом сжигания топлива, идущего в атмосферу с
поверхности литосферы, является:
1) кислород;
2) углерод;
3) диоксид углерода;
4) оксид кремния;
5) оксид водорода.
2.К глобальным изменениям окружающей среды относятся:
1) глобальное потепление;
2) выпадение осадков;
3) пожары;
4) наводнение;
5) пыльные бури.
3. Виновником образования большого количества облаков в
атмосфере является:
1) увеличение содержания кислорода;
2) уменьшение содержания пыли;
3) увеличение содержания диоксида серы и сульфат ионов;
4) уменьшение скорости ветра;
5) увеличение температуры воздуха.
4. Главной причиной глобального потепления является увеличение в атмосфере:
1) водорода;
2) азота;
3) воды;
4) диоксида углерода;
5) диоксида серы.
5. Причиной образования озоновых дыр является присутствие в стратосфере:
1) кислорода;
2) воды;
3) метана;
4) диоксида углерода;
5) хлорофторуглеродов.
6. Назовите виновников парникового эффекта:
1) пары воды, почвенная пыль, радиация;
2) диоксид углерода, метан, оксид азота (I);
3) пары воды, температура, радиация;
4) давление, температура, атомы хлора;
5) фреоны, пары воды, радиация.
7. Глобальная природная система включает:
1) атмосферу, гидросферу, литосферу;
2) атмосферу, биоту, ядро земли;
3) гидросферу, населенные пункты, почву;
4) подземные воды, пресные воды, леса;
5) не знаю.
8. Источниками нарушения круговорота серы являются:
1) вулканические эмиссии;
2) серосодержащие руды металлов;
3) биота суши (растения, животные);
4) человеческая деятельность;
5) космические законы.
9. Нарушение баланса между потоками серы в атмосфере
от «континентальной» части к морской увеличено:
1) в 2 раза;
88
89
Тесты
(Глобальные изменения в окружающей среде)
2) в 6 раз;
3) в 10 раз;
4) в 100 раз;
5) в 1000 раз.
10. Какой деятельностью человек усиливает глобальные изменения на планете Земля?
1) антропогенная эмиссия, загрязнение воды океанов, вырубка
лесов и их уничтожение;
2) плавание, воздушные развлечения, выращивание садов;
3) духовная деятельность, обучение детей математике, правописанию;
4) техническая деятельность, обучение музыке и хореографии;
5) не знаю.
11. Какие атомы, входящие в состав фреонов, играют главную роль в разрушении озонового слоя Земли?
1) фтора;
2) хлора;
3) углерода;
4) водорода;
5) не знаю.
12. Почему диоксид серы является одним из соединений, приводящих к повышению «кислотности» дождевой воды:
1) образует кислоту;
2) образует щелочь;
3) образует соль;
4) является амфотерным оксидом;
5) не знаю.
13. В виде какого иона происходит связывание диоксида углерода «морской» водой океанов:
1) СО32-;
2) НСО3-;
3) С2Н3СОО-;
4) НСОО-;
5) С2О42-.
14. Благодаря какому излучению солнечной энергии происходит «парниковый» эффект:
1) ультрафиолетовому;
90
2) инфракрасному;
3) видимому спектру;
4) ядерному;
5) электронному.
15. Из океанов летучая сера поступает в атмосферу в виде
газа, который выделяют морские фитопланктоны, живущие на
поверхности воды:
1) диоксид серы;
2) карбонилсульфид;
3) сероводород;
4) диметилсульфид;
5) дисульфид углерода.
Библиографический список
1.Дж. Андруз и др. Введение в химию окружающей среды. Пер.
с англ. – М.: Мир, 1999. – 271 с.
2.Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. – М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 295 с.
3.Шевченко Т.М., Шевченко Л.А. Химия и окружающая среда:
Учебное пособие/ – Кемерово, 2005. – 135 с.
4.Орлов Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / Д.С. Орлов, Л.К. Садовская, И.Н. Лозановская. – М.:
Высш. шк., 2002. – 334 с.
5.Экологическая химия. Основы и концепция/ Под ред. Н.Б. Градовой. – М.: Мир, 1997. – 393 с.
6.Чернобаев И.П. Химия окружающей среды. – Киев: Высш.
шк., 1990. – 183 с.
7.Химия: Учебное пособие/ Под ред. проф. В.В. Денисова. –
М.: ИКЦ «МарТ», 2003. – 464 с.
8.Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под
ред. А.И. Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 728 с.
9.Шилов И.А. Экология. - М.: Высш. шк., 2001. - 512 с.
10.Иметхенов А.Б. и др. Экология, охрана природы и природопользование: Учебник для вузов. – Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2001.
– 420 с.
91
Содержание
1.Введение...............................................................................3
2.Варианты контрольных работ.................................................5
3.Основные понятия химии окружающей среды.......................6
4.Круговорот кислорода, азота, углерода.................................13
5.Круговорот серы, фосфора, водорода....................................19
6.Миграция химических элементов в окружающей среде.........26
7.Химические процессы в атмосфере.......................................33
8.Аэрозоли.............................................................................41
9.Химия и экология водной среды..........................................47
10.Химические процессы в почве............................................55
11.Геохимические барьеры и концентрация химических элементов............................................................................................61
12.Мониторинг и ПДК..............................................................69
13.Глобальные изменения в окружающей среде.......................80
Учебно-методическое издание
Бардымова Александра Владимировича
Царева Ольга Константиновна
Жамсуева Туяна Цырендоржиевна
Ильина Лариса Петровна
ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Методические указания и задания к контрольным работам
для студентов третьего курса заочной формы обучения
по специальности 110102.65. «Агроэкология»
Редактор Э. Б. Шоймполова
Компьютерная верстка О. Б. Чимитовой
Подписано в печать 05.05.2009. Бум. тип. №1. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л. 5,8. Тираж 100. Заказ № 503.
Цена договорная
Издательство ФГОУ ВПО «Бурятская государственная
сельскохозяйственная академия им. В. Р. Филиппова»,
670024, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина, 8.
e-mail: rio_bgsha@mail.ru
92
93