ЛЕКЦИЯ 4 Рекреационная способность следовых веществ в

ЛЕКЦИЯ 4
1. Рекреационная способность следовых веществ в атмосфере
(процессы удаления газов растениями, твердыми веществами, водой,
в процессе химических реакций)
Очевидно, что газы с коротким временем пребывания в атмосфере могут
быть легко удалены. Некоторые из них удаляются в процессе поглощения
растениями (поглощение СО2 в процессе фотосинтеза), твердыми веществами
(компонентами почв, минералов) или водой (в процессах растворения). Однако
наиболее частой причиной короткого времени пребывания газа в атмосфере
служит протекание химических реакций.
Наиболее реакционно-способной единицей в атмосфере является
фрагмент молекулы воды, радикал гидроксила (ОН*). Этот радикал образуется
в результате фотохимически инициируемой последовательности реакций,
которая запускается фотоном света.
Радикал ОН* может вступать в
реакции со многими соединениями атмосферы, поэтому у него короткое время
пребывания, и скорости реакций его больше, чем у такого распространенного
газа, как О2. реакция между диоксидом азота (NО2) и радикалом ОН* приводит
к образованию НNО3, важной составляющей кислотных дождей. ХФУ
(хлорфторуглеводороды: охлаждающие вещества и распыляющие вещества
аэрозолей) в реакции с ОН* вступают ограниченно. Подобные газы
накапливаются в атмосфере и со временем просачиваются в стратосферу. Там
имеют место совершенно другие химические процессы, в которых преобладает
не ОН*, а атомарный кислород (т.е. О). газы, реагирующие с атомарным
кислородом стратосферы, могут препятствовать образованию О3 и отвечать за
истощение озонового слоя стратосферы.
ОЗОН
В последние десятилетия большое внимание уделяется экологическим
последствиям изменения окислительной способности атмосферного воздуха.
Озон – признанный парниковый газ. Увеличение его содержания в атмосфере
может привести к серьезным изменениям климата. Озон и другие
фотооксиданты оказывают сильное влияние и на качество среды обитания
человека, поскольку они могут вызывать различные заболевания. Являясь
сильными окислителями, они разрушают многие широко используемые в быту
и в производственной сфере материалы.
Несмотря на то, что озон является токсикантом в тропосфере, он играет
жизненно важную роль в защите организмов Земли от разрушающего УФизлучения. В верхней части атмосферы присутствует только очень небольшое
количество О3. Если бы весь озон атмосферы Земли, большая часть которого
находится в стратосфере, был перенесен на уровень земли, он составлял бы
слой чистого О3 толщиной лишь 3 мм. Такая разреженная природа слоя О3
привела к тому, что в течение нескольких десятилетий ученые были озабочены
тем, что О3 стратосферы может быть поврежден присутствием ХФУ.
1
Образование и разрушение озона. Образование озона (О3) – это
фотохимический процесс с использованием энергии света. Чем меньше длина
волны света, тем больше энергии он несет. Образование О3 инициируется УФизлучением при длинах волн менее 242 нм:
О2(г) + hv → О(г) + О(г).
Атомарный кислород (О) может затем взаимодействовать с
молекулярным кислородом (О2):
О2(г) + О(г) → О3( г).
Образование О3 в этом фотохимическом процессе может быть
уравновешено реакциями, в ходе которвх О3 разрушается. Наиболее важной
является фотолиз:
О3( г) + hv → О2( г).
Расчеты равновесия между образованием и разрушением О3, в которых
учитываются только реакции, включающие элемент кислород, дают правдивое
описание О3, наблюдаемого в стратосфере. Результаты таких вычислений дают
также правильную форму вертикальных профилей О3 в атмосфере и пик
концентраций О3, находящихся на нужной высоте, но предсказываемые
концентрации слишком высоки. Это происходит оттого, что существуют другие
процессы
разрушения
О 3,
включающие
водородосодержащие,
азотосодержащие и хлорсодержащие соединения.
Все реакции с участием этих соединений приводят к разрушению О3 и
атомарного кислорода с одновременным появлением молекул ОН-, NО- или
хлорсодержащих. Эти процессы каталитические, и каждое из реагирующих
веществ может отвечать за разрушение большого количества молекул О3.
Именно тот факт, что одна молекула загрязнителя может отвечать за
разрушение большого числа молекул О3, стал причиной серьезной
озабоченности существованием следовых загрязнителей в стратосфере.
Влияние фотооксидантов на живые организмы. Фотооксиданты
оказывают на живые организмы прямое и косвенное воздействие. Первое из
них связано с поглощением и химическим взаимодействием этих токсикантов с
биомолекулами тканей. В случае растений крайним проявлением
фитотоксического эффекта служит образование некротических пятен на
поверхности листвы, высыхание и опадение хвои. При массированном
повреждении фотосинтезирующих органов происходит гибель растения. если
концентрации фотооксидантов в окружающем воздухе лежат ниже уровня
острой токсичности, изменения не столь очевидны и драматичны. Они
выражаются в уменьшении продуктивности фотосинтеза, снижении
сопротивляемости болезням и насекомым-вредителям.
Косвенное воздействие фотооксидантов на растительность связано
главным образом с их влиянием на формирование кислотности атмосферных
осадков и на химические и биологические процессы в почвах под действием
сильных кислот.
Озон сильно влияет на скорость поглощения диоксида углерода из
атмосферы листвой растений. Суммарное количество газа, проникающего
2
внутрь листа, обратно пропорционально общему сопротивлению переносу
молекул этого газа из свободной атмосферы.
Биохимическое действие озона обусловлено его высокой реакционной
способностью по отношению к органическим соединениям, имеющим в составе
молекул двойные углерод-углеродные связи и сульфгидрильные группировки.
Фотооксиданты оказывают негативное воздействие не только на
естественные растительные сообщества, но также и на сельскохозяйственные
культуры. Это проявляется в снижении урожайности: в США около 90% потерь
урожая из-за загрязнения воздуха относят на счет озона.
Из всех газообразных загрязняющих воздух веществ наиболее сильное
влияние на животные организмы также оказывает озон. В опытах на
экспериментальных животных было показано, что озон поражает ткани легких
и приводит к биохимическим изменениям на уровне клетки. В клетках
происходят процессы, аналогичные наблюдаемым под действием проникающей
радиации. В том и другом случае в тканях образуются свободные радикалы,
легко вступающие в реакции с элементами биомолекул.
Наиболее заметным проявлением воздействия озона на человека является
сильное раздражение слизистых оболочек глаз и носоглотки. Одновременно
происходят изменения в легких: уменьшается их емкость, увеличивается
сопротивление бронхов, затрудняется дыхание.
Воздействие фотооксидантов на материалы. Наиболее заметное
воздействие озон оказывает на резину и многие другие полимерные материалы.
Даже наиболее устойчивые к действию загрязняющих атмосферу компонентов
хлопчатобумажные ткани значительно теряют прочность при постоянном
контакте с воздухом, содержащим относительно небольшие количества озона.
Озон незаметно, но достаточно эффективно взаимодействует также со многими
используемыми в текстильной промышленности красителями на основе
синтетических органических соединений. При этом ткани теряют или
постепенно изменяют свой цвет. Аналогичное действие озон оказывает на
масляные и другие краски, что приводит к опасности утраты многих
ценнейших произведений искусства, таких как картины и фрески.
Для увеличения сопротивляемости тканей и красителей действию
фотооксидантов в их состав вводят в качестве добавок специальные веществаантиоксиданты. К таким же мерам прибегают для увеличения срока службы
изделий из резины, сильно страдающей от постоянного контакта с
загрязненным озоном воздухом.
Резина и различные ткани принадлежат к очень широко используемым
материалам. Поэтому их преждевременное старение приносит огромные
убытки. Согласно оценкам, ежегодные потери от разрушения этих материалов
вследствие загрязнения атмосферы для стран Западной Европы в середине
1990-х гг. исчислялись суммами 4-10 млрд. экю. Еще 3-20 млрд. экю терялось в
связи с повышенной заболеваемостью людей. Значительная часть этого ущерба
связана с фотохимическим загрязнением атмосферы.
3
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите основные пути удаления (стока) газов с коротким временем
2.
3.
4.
5.
6.
пребывания из атмосферы.
Какую роль играет радикал ОН* в процессах удаления компонентов
атмосферного воздуха ? Приведите примеры реакций ?
Как происходят процессы образования и разрушения озона ?
Что такое фотооксиданты, как они образуются в атмосфере ?
Какое прямое и косвенное воздействие оказывают фотооксиданты на
живые организмы ?
Какое воздействие оказывают фотооксиданты на материалы ?
4