Тема занятия - Государственный университет имени Шакарима

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
ГОРОДА СЕМЕЙ
Документ СМК 3
УМКД
УМКД 042-______
уровня
/03-2013
УМКД
Редакция № 1
Учебно-методические
______20___ г.
материалы по курсу
«Химия географической
среды»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Химия географической среды»
для специальности 5В011200 – «Химия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 2 из 79
Содержание
1.
2.
3.
4.
Глоссарий
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа студентов
2
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 3 из 79
1 ГЛОССАРИЙ
Алюминий (Al) Алюминий является основным компонентом большинства горных пород. При
воздействии на почву кислотных осадков алюминий высвобождается и проникает в водоемы,
оказывая, к примеру, негативное влияние на репродуктивную функцию рыбы и птиц.
Бензин. Бензин является органическим топливом, которое получается из сырой нефти. При его
сгорании образуется двуокись углерода (CO2), углеводороды (HC), оксид азота (NOx) и другие
вещества. Сжигание бензина также приводит к глобальному потеплению, образованию
кислотных осадков и заболачиванию. Каталитические нейтрализаторы позволяют снизить
выброс углеводородов и оксида азота, однако никак не влияют на выброс двуокиси углерода.
Биологическое разнообразие. Биологическое разнообразие означает большое количество
биологических
видов
и
генетических
вариаций
внутри
вида.
Биотопливо. Биотопливо - это общее название всех видов топлива, получаемого из растений
(биомассы). К нему относится практически все: от дерева и соломы до переработанного
биотоплива, такого как гранулы и этанол. Биотопливо представляет собой переработанную
солнечную энергию: растения трансформируют солнечную энергию в химическую,
вырабатываемую в форме различных видов сахара. Биотопливо является возобновляемым,
поскольку оно может быть воссоздано за относительно короткий промежуток времени с
момента использования и может пополняться до тех пор, пока люди потребляют меньше чем
выращивают. Чрезмерные вырубки могут негативно сказаться на биологическом разнообразии.
В настоящее время торф перестал считаться биологическим топливом.
Ветровая энергия. Ветровая энергия является побочным продуктом солнечной энергии. При
нагревании воздух поднимается, вытесняя более холодный воздух. При этом образуется ветер.
Использование ветровой энергии оказывает очень незначительное влияние на окружающую
среду. Некоторые участки, однако, могут быть неприемлемы для использования данного вида
энергии из-за повышенной шумности и воздействия на природные и культурные ценности
через изменение ландшафта.
Возобновляемая энергия. К возобновляемым видам энергии относится солнечная, ветровая и
гидроэнергия, а также различные виды биотоплива. Основной особенностью возобновляемой
энергии является возможность ее воссоздания в относительно короткий срок. Исключение
составляет солнце, которое вырабатывает энергию постоянно (если не учитывать тот факт, что
через многие миллиарды лет солнце исчезнет совсем).
Гидроэнергия. Гидроэнергия генерируется из солнечной энергии при нагреве воды, выпадении
осадков и заполнении водоемов. По сути, использование гидроэнергии никак не связано с
выбросами, однако при этом оно оказывает существенное влияние на местность, меняя условия
обитания в пределах вокруг рек, на которых строятся плотины. Плотины меняют направления
рек, некоторые из которых осушаются. Плотины затопляют территории. При этом люди,
живущие в районе затопления, вынуждены переселяться, а растения и животные погибают.
Двуокись углерода (CO2). Двуокись углерода - это газ, присутствующий в атмосфере и
необходимый для роста растений. В середине 19 века содержание CO2 в атмосфере составляло
около 270 промилле (частиц на миллион), однако в результате сжигания органического топлива
это содержание поднялось и составляет 350 промилле. CO2 не представляет прямой опасности
для здоровья человека, но в то же время является основной причиной глобального потепления.
ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан) является высокотоксичным и чрезвычайно опасным для
окружающей среды инсектицидом, запрещенным во многих странах. Для получения более
подробной информации обратитесь к разделу, посвященному полихлорбифенилу, который
обладает
аналогичными
свойствами.
3
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 4 из 79
Диоксин это общее название нескольких органических соединений на основе хлора. Всего
подобных соединений 210, некоторые из которых являются высокотоксичными.
Железо (Fe). Железо является жизненно важным элементом для человеческого организма. Так,
например, железо, содержащееся в красных кровяных тельцах, позволяет связывать кислород.
Частички оксида железа, содержащиеся в выбросах металлообрабатывающих предприятий,
могут иметь отрицательное воздействие на человека. Ученые считают, что они способствуют
развитию облегченной формы фиброза легких, который повышает риск образования рака
легких.
Замкнутый процесс. Основной задачей данного процесса является снижение выбросов до
нуля. При этом все остатки используются повторно и ничего не сбрасывается в окружающую
среду. На практике получается, что остатки снова возвращаются в технологический процесс,
однако, какая то часть отходов все же попадает в итоге в окружающую среду.
Компостирование это процесс, при котором растения и пищевые отходы разлагаются под
действием кислорода, образуя почву (гумус). Гумус применяется на садовых участках, парках и
в сельском хозяйстве. Для промышленного изготовления компоста отходы необходимо
отсортировать, чтобы уменьшить содержание тяжелых металлов.
Летучий органический углерод. В состав летучих органических соединений входит углерод,
кислород, азот, хлор и другие атомы, которые могут образовывать газы. Примером таких
соединений являются органические растворители, используемые в быту и промышленности.
Они способствую образованию приземного озона и “смога”.
Медь (Cu). Медь является важным элементом для человеческого организма, однако требуется
только в очень малых дозах. К примеру, медь входит в состав многих важных ферментов. Соли
меди отрицательно влияют на рост водорослей, разрушая процесс фотосинтеза и задержки
азота. Повышенное содержание меди обнаружено в кислотных грунтовых водах.
Металлы. В состав металлов входит множество элементов, каждый из которых не может
исчезнуть или разложиться. Они могут взаимодействовать с другими элементами, приобретая
новые характеристики и изменяя воздействие на окружающую среду.
Оксид азота (NOx). Оксид азота образуется при горении, в ходе которого окисляется азот,
содержащийся в воздухе. Выбросы оксида азота способствуют образованию кислотных дождей,
заболачиванию и появлению “смога”, а также могут привести к прямому нарушению роста
растений.
Озоновый слой (O3). Тонкий озоновый слой обеспечивает защиту организмов от вредного
ультрафиолетового солнечного излучения. В состав озона входит три молекулы кислорода,
которые распадаются на кислород (двухатомный элемент) и снова формируют озон.
Повышение уровня заболеваемости раком кожи, которое имеет место в настоящее время,
ученые частично связывают с уменьшением толщины озонового слоя. Озоновый слой
располагается в стратосфере на высоте 25 км. В последние годы наблюдается его уменьшение, а
в определенных зонах (например у полюсов) - полное исчезновение. Молекулы озона
распадаются под действием природных газов, таких как метан и окись азота (веселящий газ),
хлор и бромсодержащие газы (CFC, HCFC и галогены).
Органическое топливо. В органическое топливо входят растения и растительные остатки,
которые попали в земную кору миллионы лет тому назад и трансформировались в
органический материал (уголь, газ и нефть). Органическое топливо - это пример
невозобновляемого топлива. При сгорании такого топлива среди прочего выделяется двуокись
углерода. При этом углерод исключается из биологического цикла, улетучивается в атмосферу
и вызывает глобальное потепление. При сжигании такие вещества как сера и тяжелые металлы
высвобождаются и попадают в окружающую среду, нарушая естественный баланс.
Полихлорбифенил это вещество с длительным периодом распада, которое не является
природным. В настоящее время от него в основном страдают рыбы и птицы. Полихлорбифенил
попадает в пищевую цепь и в итоге оказывает пагубное воздействие на организм человека. В
4
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 5 из 79
настоящее время данный токсин можно обнаружить в организме каждого животного и
человека.
Пластик это общее название различных материалов, которые обладают различными
характеристиками и состоят из длинных углеродных цепей. Основу пластика составляет
углерод, которые получают из нефти или природного газа, и смешивают с различными
химическими веществами. Пластик делится на группы по различным признакам. К одной из
таких групп относится термопластик, который трансформируется при нагревании, и
отверженный пластик, который при нагреве затвердевает. Пластик оказывает воздействие на
окружающую среду на каждом этапе жизненного цикла - от добычи нефти и газа для его
производства, до эксплуатации и утилизации отходов. До настоящего времени масштабного
исследования влияния пластика на окружающую среду не проводилось, поэтому трудно с
точностью указать, какой из пластиков является наилучшим. Можно, однако, с уверенностью
сказать, что с точки зрения экологии пластики на основе хлора (например ПВХ, описанный
ниже) проигрывают другим термопластикам. Это объясняется в основном тем, что хлор,
который содержится в пластике, может взаимодействовать с органическими соединениями,
которые зачастую имеют крайне негативное влияние на окружающую среду.
ПВХ Поливенилхлорид используется для производства напольных покрытий, виниловых обоев,
электрокабелей и пр. В состав ПВХ входит хлор, при сгорании которого образуется соляная
кислота и хлорные соединения углеводородов, которые увеличивают содержание в почве и воде
хлор-органических
веществ,
таких
как
диоксины.
Природный газ - это органическое топливо, содержащееся в земной коре. При его сжигании
образуется меньшее количество двуокиси углерода и серы. В некоторых случаях природный газ
можно заменить на биогаз, который является возобновляемым ресурсом.
Полигоны для захоронения отходов. Полигоны представляют собой современные свалки,
отвечающие определенным требованиям по защите окружающей среды. В основании полигона
должна располагаться плита, которая отвечает за сбор и обработку дождевой воды,
загрязненной токсинами, содержащимися в мусоре. Вывоз мусора на полигоны означает, что он
скапливается на свалке, а не сжигается или перерабатывается.
Растворители - это общее название для веществ, которые растворяют другие вещества. В
последнее время большое внимание уделяется органическим растворителям, поскольку они
угрожают здоровью человека и оказывают воздействие на окружающую среду. Особый интерес
представляют органические летучие вещества. Они способствуют образованию приземного
озонового слоя. Чрезвычайно опасными для здоровья являются бензин, ксилол и
трихлорэтилен.
Ртуть (Hg). Ртуть обладает уникальными техническими характеристиками, поскольку она
начинает плавиться уже при температуре -39°C. Пары начинают образовываться при
температуре 20°C даже несмотря на то, что температура кипения ртути составляет 375°C. Ртуть
в твердом состоянии не представляет угрозы для окружающей среды, однако ее пары легко
усваиваются дыхательной системой, скапливаются в центральной нервной системе и, к
примеру, могут привести к поражению сердца или почек. Ртуть активно взаимодействует с
другими веществами и приобретает повышенную токсичность. Она также легко усваивается
растениями и животными, и приводит к разрушению клеток. При больших выбросах ртуть
остается в организме, поскольку ее поступление значительно превышает возможности
организма по ее выводу. Чем больше пищевая цепь - тем больше содержание ртути в конечном
продукте. Ртуть воздействует на репродуктивную функцию животных, например птиц. Из-за
своей токсичности и летучести для заражения целого озера достаточно одной чайной ложки
ртути, поэтому необходимо отказаться от ее использования и оставлять в земной коре в
неактивной форме. Уже полученные металлы необходимо помещать в хранилища,
исключающие утечку в окружающую среду.
Среда обитания - это определенный участок природы, в котором проживает животное или
растение и от которого оно зависит. К среде обитания могут относиться лиственные леса
5
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 6 из 79
высокогорья, край канавы, леса предгорий и другие участки с особыми характеристиками.
Изменение среды обитания приводит к изменению условий проживания организмов. Часто за
подобным изменением стоит человек и его деятельность, как например вырубка лесов,
осушение или заболачивание.
Фосфор (P). Вместе с азотом фосфор является одним из важнейших питательных веществ и
питательных солей, необходимых для всех растений и животных. Основная часть фосфора
попадает в водоемы со сточными водами из лесов и полей, где используются искусственные
удобрения, а также с очистных установок. Чрезмерный приток фосфора приводит к
заболачиванию.
Фотосинтез это процесс, в ходе которого растения преобразуют энергию солнца в химическую
энергию в форме сахара, используя двуокись углерода и воду. Побочным продуктом является
важный для жизни кислород. В процессе фотосинтеза растения потребляют углекислый газ,
который относится к парниковым газам. Зеленые клетки растений являются “природными
заводами по производству кислорода”, а фотосинтез - основой экологического жизненного
цикла Земли.
Хлорфторуглероды - это синтетические газы, в состав которых входит хлор, углерод, фтор и
азот. Их также часто называют "CFC" в честь торговой марки компании Du Pont. Помимо
прочего CFC используется в качестве хладагента в морозильниках, рефрижераторах, системах
кондиционирования и т.д., а также для производства пенопласта и очистки электроники. CFC
разрушает озоновый слой в стратосфере, существенно повышая уровень губительной
солнечной радиации. Он также является агрессивным газом, вызывающим парниковый эффект,
и, вероятно, способен изменять ДНК. HCFC (гидрохлорфторуглерод) обычно называют
“мягким CFC”, поскольку он не оказывает столь губительного влияния на озоновый слой, как
обычный CFC. Заменителем данного газа является HFC (гидрофторуглерод), который не
разрушает озоновый слой. Кроме того он оказывает куда меньшее влияние на глобальное
потепление,
чем
CFC.
Цикл В природе существует множество циклов. Основными является производство растениями
кислорода и сахаров из двуокиси углерода и воды при фотосинтезе. Животные потребляют
питательные вещества, содержащиеся в растениях или других животных. Клетки растений и
животных используют сахара и кислород, вырабатывают энергию и производят двуокись
углерода и воду. Цикл заканчивается, когда растения снова потребляют двуокись углерода и
воду. В процессе все остатки используются повторно, получается безотходное производство.
Для создания цикла в промышленных процессах необходимо повторно использовать остатки и
свести
уровень
отходов
к
нулю.
Энергия. Энергия не может исчезнуть, она может лишь перейти в другую форму. Источники
энергии можно разделить на три основные группы - солнечная, ядерная и энергия
органического топлива. Солнечная энергия, как и энергия ветра, воды и биотоплива, может
использоваться напрямую. К органическому топливу относится уголь, нефть и природный газ.
Носители энергии, такие как электричество, вода и воздух, позволяют ее использовать. Энергия
используется для работы, освещения, обогрева и перевозки. В сущности, потребление любой
энергии оказывает воздействие на окружающую среду, однако степень такого воздействия
зависит
от
типа
источника.
6
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 7 из 79
2 Лекции
Краткий конспект лекций.
Лекция 1-3. Введение. Предмет изучения и задачи химии географической
среды
1. Определение и объекты изучения химии окружающей среды: гидросфера,
атмосфера и литосфера.
2. Понятия о биосфере (Геккель, Зюсс, Вернадский) и ноосфере
(Вернадский).
3. Биогеохимические циклы элементов и веществ.
1. Определение и объекты изучения химии окружающей среды: гидросфера,
атмосфера и литосфера.
Окружающая природная среда представляет собой все, что не включается в понятие
"общество". Природа - это материя, которая окружает общество. Природа создает для человека
и общества необходимый биологический режим жизни. Человек воздействует на природу,
используя среду обитания в качестве средства и места жизни. В процессе производства часть
природной среды (вещество) изымается, меняет свою форму и превращается в материальные
ценности. Одновременно в самой природе происходят негативные изменения, человек вносит
диссонанс в динамику природных явлений, природная среда заполняется отходами
производства.
Понятие "охрана окружающей природной среды" связано с современным периодом, когда стали
осуществляться меры по предотвращению ее загрязнения. Это реакция общества на
возрастающие масштабы ухудшения состояния природы. Источниками загрязнения являются
отходы промышленности, энергетики, транспорта, газы, сточные воды, нефть и нефтепродукты,
бытовые отходы. Загрязнение Мирового океана нефтью, вырубка лесов и обмеление рек,
уничтожение почвенного и растительного покрова - это следствие добычи полезных
ископаемых. Химическое загрязнение не имеет границ: следы человеческой деятельности в
виде остатков ДДТ обнаруживаются во льдах необитаемой Антарктиды. Ближний космос
засорен остатками космических аппаратов.
В федеральном законе "Об охране окружающей природной среды" окружающая природная
среда (ОПС) рассматривается как совокупность природных объектов и условий, в которых
осуществляется жизнь и деятельность человека, включающая литосферу, гидросферу,
атмосферу, биосферу и околоземное космическое пространство. В этом законе перечислены
компоненты ОПС. Закон гласит, что охране от загрязнения, порчи, повреждения, истощения,
разрушения подлежат естественные экологические системы, земля, ее недра, поверхностные и
подземные воды, атмосфера и озоновый слой атмосферы, леса и иная растительность,
животный мир, природные ландшафты, микроорганизмы, генетический фонд. Особой охране
подлежат государственные природные заповедники, редкие виды растений и животных.
Окружающая среда состоит из природных объектов: воздух, недра, почва, река, участок леса,
животное и др. Эту правовую категорию следует отличать от понятия "природный ресурс".
Природный ресурс - это совокупность запасов природных веществ и энергии, которые
используются обществом для удовлетворения своих потребностей. Например, река - это
природный объект, а запас гидравлической энергии реки - это природный ресурс. Лес - это
природный объект, а древесина на корню - это природный ресурс. Продуктивный пласт - это
объект, а извлекаемая из пласта нефть - это ресурс.
7
УМКД 042_____/03-2013



Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 8 из 79
Юридическое понятие "недра" определяется как часть земной коры, расположенная ниже
почвенного слоя и дна водоемов, простирающаяся до глубин, доступных для геологического
изучения и освоения.
Водный объект - это сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа или в
недрах, имеющее границы, объем и черты водного режима.
Животный мир - это совокупность всех видов живых орга-низмов, находящихся в состоянии
естественной свободы.
Природная среда есть совокупность всей живой и неживой природы. Природа в современном
естествознании представляется динамичной, развивающейся через кризисные состояния,
катастрофы и разветвления (точки бифуркации). Современная картина жизни определяет
кризисные состояния как необходимую составляющую развития материи. Система "обществоприрода" по достижении точки бифуркации перестраивается. Бифуркация - это толчок к
развитию биосферы по какому-то новому пути.
Компоненты природной среды, влияющие на организмы, называют экологическими
факторами. К ним относят:
абиотические - компоненты неживой природы (литосфера, гидросфера, атмосфера,
почва, климат):
биотические - особи и популяции в природных сообществах:
антропогенные - деятельность человека, приводящая к изменению среды обитания
организмов. Антропогенный фактор вызван популяционным взрывом и разрушает биосферу.
Недостаток или избыток того или иного экологического фактора (экологического воздействия)
ведет к невозможности существования живых организмов. В таких случаях говорят
о лимитирующих экологических факторах.
Экосистемы - это динамические системы в определенном пространстве, которые образуют
живые организмы и среда их обитания. Все части экосистемы взаимодействуют друг с другом,
используя потоки энергии и создавая круговорот вещества. Размер экосистем может быть
различным - они рассматриваются на различных иерархических уровнях: от глобального до
отдельных географических объектов.
Биосфера - это единая глобальная экосистема, включающая в себя совокупность всех живых
организмов на Земле - биоценоз, а также гидросферу, часть атмосферы и литосферы.
Перечисленные земные оболочки наряду с другими (астеносферой, верхней и нижней мантией,
ядром нашей планеты) образуют геосферы.
Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном
слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на
относительно низком уровне эволюционного развития: вклад растений в общую биомассу
составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% видов позвоночные, из которых лишь десятая часть - млекопитающие.
Главная функция биосферы - обеспечение круговорота химических элементов и
вещества между гидросферой, атмосферой, литосферой и живыми организмами. Основным
источником энергии для обеспечения подобного движения вещества является Солнце. В
результате биологического круговорота происходит созидание органического вещества и его
последующее разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения; с ними
связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. В круговороте участвует
множество химических элементов и соединений, из которых наиболее важные вода, углерод,
сера, азот и фосфор.
Биота биосферы обуславливает преобладающую часть химических превращений на планете.
Отсюда суждение В.Вернадского об огромной преобразуюхцей геологической роли живого
вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили
через себя всю атмосферу, весь объем мирового океана, массу почвы и минеральных веществ.
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей
растения и живые организмы выполняют мощную средообразующую функцию. Эта функция
8
УМКД 042_____/03-2013


Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 9 из 79
регулирует и обеспечивает необходимые для жизни состав атмосферы, радиационный и
тепловой режим на планете, водный баланс и климатические особенности больших
пространств, самоочищение воздуха и рек, поддержание плодородия почв.
Именно поэтому следует различать:
ресурсы биосферы, возобновляемые ресурсы веществ и энергии, находящиеся под
контролем живых организмов;
ресурсы техносферы, захваченные человеком и вырванные им из биотического
круговорота, находящиеся вне контроля со стороны биосферы.
Атмосфера - внешняя газовая оболочка Земли, на 99% состоящая из азота и кислорода.
Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на три группы: биогенные
(
и др.): физико-химические (
и др.); техногенные
(
и др.). Районы месторождений нефти и газа являются поставщиками
многих газов в атмосферу:
и др. Споры бактерий и грибов встречаются
на высоте до 20 км от поверхности Земли. Важнейшую роль в развитии живых организмов
играет озоновый слой атмосферы, который поглощает губительное для организмов
ультрафиолетовое излучение Солнца.
Гидросфера - это водная оболочка Земли, куда входят воды океанов, морей, континентальных
водоемов и ледяных покровов. Развитие органического мира тесно связано с гидросферой:
мировой океан - это место скопления огромного количества биологических, минеральных и
энергетических ресурсов. В зависимости от температуры, солености, давления и глубины
изменяются виды подводных растений и организмов. Океанский фитопланктон поставляет
почти половину кислорода атмосферы.
Литосфера включает земную кору и верхний слой мантии - астеносферу. Основная масса
организмов сосредоточена в почвенном слое литосферы, однако жизнь в ней опускается на
глубину проникновения воды - до 7 км.
Геологическая среда рассматривается как природная среда недропользования, связанная с
геологическими объектами и процессами. К геологическим объектам относят осадочный и
гранитно-метаморфический слои литосферы, а также гидросферу. К геологическим процессам
относят геодинамические, эндогенные и экзогенные процессы, которые сформировали
внутренние и внешние геосферы, природные ландшафты и месторождения полезных
ископаемых.
Действие геодинамических и эндогенных процессов (землетрясения, извержения вулканов и
подводные излияния лав) разрушительно проявляются на тектонически активных
континентальных окраинах, зонах спрединга и субдукции, трансформных разломах, в
коллизионных складчатых поясах.
Экзогенные процессы (оползни, лавины, эрозия, карсты и др.) проявляются на поверхности
Земли повсеместно в результате длительных процессов выветривания.
Недра - это часть земной коры от нижней границы почвенно-растительного слоя на суше или от
поверхности морского дна до предельно возможной глубины ее использования. В то же время
следует иметь в виду, что на объектах недропользования разрушительному воздействию
подвержен почвенно-растительный слой на больших территориях.
Техносфера - это часть биосферы, преобразованная деятельностью человека. Развитие
производительных сил общества, нерегулируемый рост населения планеты и его потребностей
идет за счет возрастания материального производства, разрушительно воздействующего на
природную среду. Наиболее опасными техногенными объектами являются тепловые и
электрические станции, угледобывающие и горно-металлургические предприятия,
нефтегазовые промыслы, химические и нефтеперерабатывающие заводы, магистральные нефтеи газопроводы, танкеры для транспортировки нефти и сжиженного газа, подземные хранилища
нефти и газа, радиохимические заводы, пункты захоронения отработанного ядерного топлива.
9
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 10 из 79
2.
Понятия о биосфере (Геккель, Зюсс, Вернадский) и ноосфере (Вернадский). Все
живые существа планеты взаимодействуют с внешней средой и изменяют - такие
представления возникли давно на основе наблюдений природных явлений. Французский
ученый Ж.Б. Ламарк отмечал, что все живые организмы, бесконечно разнообразные и
многочисленные, с непрерывно сменяющимися поколениями, в результате своей
жизнедеятельности принимают активное участие в формировании поверхности Земли.
Работы Ж.Б. Ламарка положили начало представлениям о существовании на нашей планете
особого пространства, заселенного живыми организмами и преобразуемого ими.
Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Однако он не
разработал представлений о биосфере и не дал введенному термину точного
определения. Творчески развил идеи своих предшественников русский геохимик В.И.
Вернадский (1863 - 1945), основоположник науки биогеохимии, создатель учения о биосфере.
По В.И. Вернадскому, биосфера - оболочка Земли, состав, структура и характеристики которой
обусловлены
прошлой
и
современной
деятельностью
живых
организмов.
По Вернадскому - Биосфера - сфера единства живого и косного (неживого) вещества ("живое
вещество биосферы есть совокупность живых организмов, в ней живущих" - определение
Вернадского).
Помимо живых и косных природных тел в биосфере существуют биокосные природные тела,
такие как почва, поверхностные воды и т.п.
В настоящее время наша планета рассматривается как единая самоорганизующаяся система,
состоящая из внутренних и внешних сфер:
 ядро;
 мантии;
 земная кора;
 гидросфера;
 атмосфера;

биосфера.
Биосфера имеет определенные размеры: она включает некоторую часть атмосферы
(тропосферу) высотой 10-15 км, всю водную оболочку глубиной до 11 км и верхнюю часть
литосферы глубиной до 3-х км (в нефтяных месторождениях были найдены бактерии на
глубине до 3-х км). Несмотря на то что гидросфера составляет около 71% всей поверхности
планеты, основная масса живого вещества биосферы сосредоточена на континентах (свыше
99,8%); на океаносферу приходится только 0,13%. На континентах преобладают растения
(99,2%),
в
океанах
животные
и
микроорганизмы
(93,7%).
Живое вещество сосредоточено в основном в зеленых растениях суши, биомасса которых на
четыре порядка больше, чем фотосинтезирующих организмов гидросферы. Организмы, не
способные к фотосинтезу, составляют 1 %.
Вернадский отмечал, что между живым и косным веществом "есть, однако, непрерывная,
непрекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток
атомов
в
косное
вещество
биосферы,
и
обратно".
В своих трудах Вернадский подчеркивал, что несмотря на то, что живого вещества в биосфере
не много, но "геологически оно является самой большой силой в биосфере и определяет все
идущие
в
ней
процессы".
(Вопрос: приведите примеры того, что живое вещество кардинальным образом изменило
биосферу).
При изучении механизма эволюции биосферы, Вернадский отмечал, что живое вещество
определяет все основные особенности ее эволюции. Образно живое вещество можно сравнить с
тонкой пленкой на поверхности планеты, которая существует за счет энергии Солнца. Живое
вещество ускоряет все планетарные процессы (каталитические реакции?). Вернадский обращает
внимание на то, что жизнь на Земле геологически вечна, т. е. она появилась вместе (или
практически вместе) с Землей как космическим телом, что теперь подтверждается и новейшими
10
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 11 из 79
научными данными. Жизнь - ровесница началу геологической истории Земли. Живое вещество
непрерывно эволюционирует. И в этой эволюции четко прослеживается процесс постепенного
развития и усложнения центральной нервной системы. Вернадский пишет: "Раз достигнутый в
процессе эволюции уровень развития мозга не идет уже вспять, только вперед".
Приходит очередь человека. Человечество изобретает (а может, развивает?) сначала
земледелие, затем скотоводство, перестраивает биоценозы и вовлекает в биогеохимические
циклы запасы (остатки) былых биосфер. В книге "Живое вещество" Вернадский отмечает:
"Измененная культурой земная поверхность не есть что-то чуждое Природе и в ней наносное,
но есть естественное и неизбежное проявление жизни как природного явления".
Эволюционный процесс биосферы - это объективный процесс и в нем участвует новая
геологическая сила - научная мысль социального человечества.
"Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое
состояние
в
ноосферу".
Наблюдаемая перестройка биосферы - природный геологический процесс, и человечество
должно осознать это и вести себя таким образом, чтобы не противоречить идущему
геологическому
процессу.
При этом "научная мысль как проявление живого вещества по существу не может быть
обратимым
явлением
Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, Вернадский приходит к
выводу о том, что человечеству как части живого вещества придется взять на себя
ответственность за будущее развитие биосферы и общества. Будущность человечества требует
активного вмешательства Разума в судьбу всего человечества, биосфера должна будет
измениться. Измениться должно будет все - и геохимические циклы биосферы, и ее
способности обеспечивать потребности человечества в сочетании с изменением природы
общества, а может быть, и природы самого человека. Все это должно сделаться объектом
целенаправленной деятельности. Понятие ноосферы было предложено Э. Леруа (1870-1954).
Наиболее полное воплощение теория Леруа нашла в разработке Тейяра де Шардена.
Эволюционная модель Леруа и Тейяра де Шардена повторяет основные положения
неоплатонизма. Возникновение Вселенной, появление и развитие жизни на Земле описывается
в терминах современной науки, но принципиальная схема концепции соответствует принципам
неоплатоников. Согласно Тейяру де Шардену, человек также стремится перейти в сферу разума
и раствориться в Боге. Представление о ноосфере и "сверхжизни" в ней, как слиянии рас,
Природы и Бога в единое целое, как конец эволюции носит философский характер. Тейяр де
Шарден полагал, что переход в сверхжизнь неизбежен. На Земле она утвердится помимо воли
людей, несмотря ни на что - ибо такова поступь мировой эволюции.
По Тейяр де Шардену появление человека неразрывно связано с эволюцией биосферы, но
человек принципиально новое и оригинальное целое природы, это "новый порядок реальности".
После появления человека реализуется "выше чем животная биосфера, следующая за ней человеческая сфера, сфера рефлексии, сознательного и свободного изобретения, короче говоря,
мысли: собственно сфера разума, или ноосфера". В ноосфере "завершается после более чем
шестисот миллионов лет биосферное усилие церебрализации". Тейяр был убежден, что
эволюция не закончилась на человеке как индивидууме, но продолжается по мере того, как
человечество объединяется в сообщества с возрастающей дифференциацией индивидуальных
функций и соответственно увеличивающейся степенью взаимозависимости, - тенденция,
необычайно ускоренная современной технологией, урбанизацией, телекоммуникациями и
развитием вычислительной техники. Глобальная сеть знаний, исследований и чувство
взаимозависимости людей образуют то, что Тейяр называл ноосферой.
Биогеохимические циклы элементов и веществ. За счет процессов миграции химических
элементов все геосферы Земли связаны единым циклом круговорота этих элементов. Такой
круговорот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия,
получил название большого (геологического) круговорота. Этот круговорот имеет
11
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 12 из 79
абиотических характер. Продолжительность его существования - около 4 млрд лет. Мощность
большого (геологического) круговорота веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере
оценивается в 2х1016 тонн / год. Возникновение жизни на Земле привело к появлению новой
формы миграции химических элементов - биогенной. За счет биологической миграции на
большой круговорот наложился малый (биогенный) круговорот веществ. В малом
биологическом круговороте перемещаются в основ ном углерод (1011 тонну год), кисэнь (2х
1011 тонн в год), азот (2x10и1 тонн в год) и фосфор (десятый тонн в год). Сейчас оба
круговорота протекают одновременно, тесно взаимосвязаны. Благодаря взаимодействию
различных групп живых организмов между собой и с окружающей средой в экосистемах
возникает определенная и характерная каждому виду экосистем структура биомассы, создается
своеобразный тип потока энергии и специфические закономерности ее передачи от одной
группы организмов к другой, формируются трофические цепи, определяющие
последовательность перехода органических веществ от одних групп живых организмов в
другие. Движущей силой всех веществ в биогеохимических циклах есть поток солнечной
энергии или частично энергии геологических процессов Земли. Затраты энергии необходимы и
для перемещения веществ в биогеохимических циклах, и для преодоления биогеохимических
барьеров. Такими барьерами на разных уровнях выступают мембраны клеток, сами особи
растений и животных и другие материальные структуры. Перемещение веществ в
биогеохимических циклах одновременно обеспечивает жизнедеятельность живых организмов.
Главными оценочными параметрами эффективности и направления работы биогеохимического
цикла является количество биомассы, ее элементарный состав и активное функционирование
живых
организмов.
Пространственное перемещение веществ в пределах геосфер, или, иначе говоря, их миграция
делится
на
пять
основных
типов:
1. Механический перенос (идет без изменения химического состава веществ).
2. Водное (миграция осуществляется за счет растворения веществ и их последующего
перемещения в форме ионов или коллоидов). Это один из важнейших видов перемещения
веществ
в
биосферы
3. Воздушное (перенос веществ в форме газов, пыли или аэрозолей с потоками воздуха),
4. Биогенное (перенос осуществляется при активном участии живых организмов).
5. Техногенное, что проявляется как результат хозяйственной деятельности человека.
Интенсивность круговорота веществ в любом биогеохимическом цикле является важнейшей
характеристикой. Оценки такой интенсивности сделать непросто. Одним из самых доступных
индексов интенсивности биологического круговорота веществ может служить соотношение
массы подстилки и другого органического опада, который есть в любом биом, и массы опада,
образующегося за один год. Чем больше этот индекс, тем, очевидно, ниже интенсивность
биологического круговорота. Реальные оценки показывают, что в тундре значение этого
индекса максимальные и, следовательно, здесь минимальная интенсивность биогеохимических
циклов. В зоне тайги интенсивность биологического круговорота возрастает, а в зоне
широколиственных лесов становится еще большей. Наибольшая скорость круговорота веществ
регистрируется в тропических и субтропических биома: саваннах и влажных тропических
лесах. В агро-экосистемах биогеохимический круговорот идет интенсивно, но качественные его
параметры уже другие. Живые организмы биосферы инициируют и реализуют большое
количество широкомасштабных физико-химических процессов. Метаболизм живых организмов
сопровождается серьезными изменениями газового состава атмосферы. Из атмосферы
изымаются или, наоборот, поступают в нее кислород, углекислый газ, азот, аммиак, метан,
водяной пар и многие другие вещества. Под влиянием накопления в атмосфере свободного
кислорода, который является продуктом жизнедеятельности зеленых растений, на Земле стали
преобладать окислительные процессы, играющие важную роль в абиогенного и биогенном
преобразованиях углерода, железа, меди, азота, фосфора, серы и многих других элементов. В то
же время на планете сохранились и восстановительные процессы, осуществляющие анаэробные
12
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 13 из 79
организмы. Результатом этих планетарных процессов является образование таких чисто
биогенных залежей, как осадочные горные породы: известняки, фосфаты, силикаты, каменный
уголь и др.. Все они - результат жизнедеятельности живых организмов.
Анализируя биогеохимические циклы, В.И. Вернадский обнаружил концентрационную
функцию живого вещества. За счет реализации этой функции живое вещество избирательно
поглощает из окружающей среды химические элементы. Если наша планета в целом
сформирована из соединений из железа, никеля, магния, серы, кислорода в первую очередь, то
за счет выборочного поглощения и концентрационной функции состав биомассы совсем
другой. Она образована из углерода, водорода при сравнительно малой участия других
элементов.
Химические элементы, которые принимают подавляющее участие в построении живого
вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных. Концентрационная
функция животных и растений по-разному реализуется по различным их видам. Принцип
цикличности в преобразованиях и перемещении веществ в биосфере является
основополагающим. Сохранение цикличности - это условие существования биосферы.
Введение в биосферу однонаправленных процессов, которые осуществляет человек при
конструировании техносферы и агросферы, оказывается для биосферы губительным и наиболее
опасным. Для биосферы характерна высокая замкнутость биогеохимических циклов. Потери
веществ в них составляют не более 3-6%. Однако все биогеохимические циклы дают некоторое
количество "отходов". Такие естественные отходы для биосферы безвредны. Они являются
накоплением в определенной мере инертных веществ, которые аккумулируются в атмосфере,
или
поступающих
в
литосферу
в
виде
осадочных
пород.
Более того, отходы отдельных биогеохимических циклов является условием возникновения и
поддержания существования многих групп живых организмов. Так, биогенное происхождение
имеет весь кислород атмосферы, возникающего как "отходы" фотосинтетического процесса. За
счет отходов биогеохимического цикла углерода в земной коре накопились большие запасы
геологических залежей: каменного угля, нефти, известняков. Общее количество их достигает
1010-1017 тонн. Биогеохимические циклы эволюционируют вместе с эволюцией биосферы.
Реализация отдельных биогеохимических циклов и накопления отходов является основой
возникновения биогеохимических циклов нового типа или осложнение уже существующих.
Так, накопление в атмосфере свободного кислорода создало предпосылку возникновения
большой группы организмов, которые используют свободный кислород для дыхания. Процессы
химического биогенного окисления стали составной частью биогеохимических циклов.
Центральное место в биосфере занимают биогеохимические циклы: углерода, воды, азота и
фосфора. Эти циклы наибольшей степени подверглись трансформации при формировании
техносферы и агросферы, и изучение их стало важной задачей экологии. Биогеохимический
цикл углерода базируется на атмосферном депо, которое удерживает его в количестве,
примерно уровне 700 млрд тонн в форме углекислого газа. Этот цикл инициируется
фотосинтезом и дыханием. Оба процесса идут так интенсивно, что у растений и животных на
долю углерода приходится до 40 - 50% общей массы. Остатки отмерших растений и животных
способствуют образованию гумуса. Аналогично образуется и торф. В этих двух формах
умещается до 99% углерода нашей планеты. Скорость круговорота углерода исчисляется в
среднем
от
300
до
1000
лет.
Образование техносферы существенно изменило этот цикл. Сейчас антропогенная поступления
углекислого газа в атмосферу возросло более естественного на 6 - 10%. Это связано главным
образом с вырубкой лесов и заменой их менее продуктивными агроценозами. Определенный
вклад вносит и промышленность и все производства, которые связаны со сжиганием топлива.
Биогеохимический цикл азота. Это одна из самых быстрых круговоротов веществ. Реализуется
он в основном за счет деятельности различных групп живых организмов и, в первую очередь,
при активном участии микробов. Основным депо азота является газообразный азот атмосферы.
13
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 14 из 79
Его связывания осуществляется свободно существующими азотофиксаторов (Azotobacter,
Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органические вещества, содержащие связанный азот,
минерализуются за счет аммонификация и нитрофикации, что делает доступным для высших
растений нитратный и аммонийный азот. Общие оценки фиксации атмосферного азота
противоречивые и в среднем для планеты составляют от 100-170 мг/м2 в год до 1-20 гр/м2 в
год. Это соответствует примерно 126 млн тонн азота в год. В антропогенную эпоху на
круговорот азота большое влияние оказывает производство синтетических азотных удобрений.
Оно заключается в связывании азота воздуха и поэтапного его превращения сначала в аммиак,
затем в азотную кислоту, необходимую для получения нитратов. Этот процесс стал
широкомасштабным и привлек в биогеохимический цикл азота из атмосферного депо большое
его количество. Введение антропогенного азота в его биогеохимический цикл равен 6,4 х107
тонн
азота
в
год.
Из всех синтетических минеральных удобрений азотные удобрения требуют наиболее
энергетических затрат при их производстве и поэтому являются самыми дорогими. Однако в
сельском хозяйстве не разработаны технологии безотходного применения азотных удобрений.
Нитраты не полностью используются культурными растениями и существенно загрязняют
грунтовые воды и водоемы. Проблема нитратного загрязнения окружающей среды в наше
время стала одной из наиболее актуальных. Биогеохимический цикл фосфора. Этот цикл имеет
наиболее простой характер. Основной запас фосфора сосредоточен на планете в виде горных
пород и минералов. При их выветривании образуются фосфаты, которые используются
растениями для построения органических веществ своего тела. После отмирания растений
фосфор минерализуются микроорганизмы-редуценты. Потери фосфора из биогеохимического
цикла связаны в основном с вынесением фосфора в моря и океаны. Оттуда обратно на сушу он
может
попасть
только
через
рыбу
или
гуано.
Фосфорные удобрения производят в основном из горных пород. Такой перевод фосфора из
депо в активную часть биогеохимического цикла так же, как в случае с азотом, имеет
негативные последствия. Не использован культурными растениями фосфор в результате эрозии
поступает в водоемы, что приводит к эвтрофикации. Особенностью природных экосистем
является повторное использование биогенных веществ. Хотя в биогеохимических циклах
некоторые из таких элементов и теряются, поступая в депо, и делаются недоступными для
растений в природных экосистемах масштаб этих процессов незначительный. Антропогенная
природопользования вносит в природные циклы немало препятствий. Так, распространенность
процессов сжигания топлива, в т.ч. и для нужд сельскохозяйственного производства, приводит
к поступлению в атмосферу около 20 млрд тонн углекислого газа и 700 млн тонн прочих газов и
твердых частиц. Сами вырубки леса приводили только на территории СССР до выноса из
экосистем леса до 1,2-5 тыс. тонн фосфора, 6-20 тыс. тонн азота и 1,2-6 тыс. тонн кремния.
Перенесены в урбанизированные районы или в агроэкосистемы, эти вещества оказываются
либо совсем, либо временно исключенными из природного их кругооборота. Эти процессы, по
сути, ведут к появлению нового техногенного типа круговорота химических элементов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дайте определение химии географической среды и её объектам: гидросфера, атмосфера и
литосфера.
2. Что такое биосфера в понимании Геккеля, Зюсса, Вернадского
3. Биохимические циклы каких элементов входя в биологический.
Литература.
Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – 852 с.
Лекция 4-6. Химия гидросферы.
1. Химический состав природных вод.
2. Основные виды природных вод и особенности их состава.
14
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 15 из 79
3. Основные равновесия природных вод.
Химический состав природных вод. Химический состав природных вод – совокупность
растворенных в природных водах минеральных и органических веществ в ионном,
молекулярном, комплексном и коллоидном состояниях (ГОСТ 17403-72). В природных водах
растворены почти все известные на Земле химические элементы, из 87 стабильных химических
элементов, установленных в земной коре, в настоящее время в природных водах обнаружены
около 80. При повышении чувствительности аналитических методов, очевидно, будут
установлены и остальные. Распределение химических элементов в водных объектах
определяется типом природной системы и свойствами самих элементов (их
распространенностью в земной коре и растворимостью в воде). Х.с.п.в. представляет собой
сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических
соединений. Его условно делят на шесть групп: главные ионы (см. макрокомпоненты
природных вод); растворенные газы (см. газовый состав природных вод); биогенные вещества
(см.); органические вещества; микроэлементы (см.) и загрязняющие вещества (см.). Сложность
Х.с.п.в. определяется не только присутствием в них большого числа химических элементов и
многообразием их форм и соединений, но и разным содержанием каждого из них, которое к
тому же меняется в различных типах вод, что связано с особенностями условий их
формирования (табл. 1). Под формированием химического состава природных вод понимается
совокупность процессов, приводящих к образованию того или иного химического состава
природной воды (ГОСТ 17403-72). Количество растворенных веществ в воде будет зависеть, с
одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасается в процессе своего
круговорота, с другой — от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Факторы,
определяющие формирование Х.с.п.в. могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые
— факторы, непосредственно влияющие на состав воды (т.е. действие веществ, которые могут
обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды). К ним
относятся: горные породы, живые организмы, обмен с другими типами природных вод, а также
деятельность человека. К косвенным относятся факторы, определяющие условия, в которых
протекает взаимодействие веществ с водой: климат (см.), рельеф (см.), водный режим (см.),
растительность (см.), гидрогеологические и гидродинамические условия и пр. Каждому типу
природных вод (атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды) соответствует
определенный набор прямых и косвенных факторов формирования химического состава их вод.
Для систематизации представлений о химическом составе и минерализации различных типов
природных вод (а также водных объектов) используются классификации, в основу которых
положены разнообразные принципы (см. классификация природных вод по химическому
составу).
2.
Основные виды природных вод и особенности их состава. Процесс формирования
химического состава природных вод очень сложен и зависит от множества факторов (рис. 1.12).
Атмосферные воды
Основой, первоисточником всех природных вод является Мировой океан. В результате
испарительных процессов под воздействием энергии солнечного излучения громадные объемы
воды поднимаются в атмосферу и переносятся на огромные расстояния. Атмосферные воды
являются первой стадией формирования поверхностных и подземных вод. Атмосферные воды
относятся к наименее изученным, но можно сказать, что испарившаяся вода содержит
незначительное количество примесей и является практически пресной. Рис. 1.12.
15
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 16 из 79
Рис.1.12. Факторы, влияющие на формирование химического состава природных вод
Общая минерализация ее составляет 10-20 мг/л. Однако это могут быть растворы сильных
кислот. Известно, что кислотные дожди наносят непоправимый вред природе. Образуются они
в результате взаимодействия атмосферной влаги и газов - окислов серы и азота, в огромных
количествах выделяющихся при сжигании органического топлива - мазута, угля, торфа и т. п.
В результате растворения этих газов в атмосферной воде ее водородный показатель достигает
значений рН 3-4. Эта атмосферная влага фактически является слабым раствором серной,
азотной и некоторых других кислот. В атмосфере могут также находиться вредные примеси,
попадающие в нее в результате техногенных катастроф. При растворении в атмосферной влаге
они могут переноситься на огромные расстояния и загрязнять природные воды далеко от места
аварии. Всем памятны радиоактивные выбросы в Чернобыле, когда огромные европейские
пространства оказались загрязнены радионуклидами. В таком случае атмосферные воды
непосредственно влияют на химический состав и качество природных вод, а антропогенные
факторы оказывают влияние на атмосферные воды.
Климат местности
Одним из основных факторов формирования химического состава воды является климат
местности. Выпавшие атмосферные осадки, как правило, уменьшают минерализацию
поверхностных и подземных вод. В то же время в результате испарения поверхностных вод
минерализация их увеличивается. Климат является одной из географических характеристик той
или иной местности Земли и изучается в рамках науки климатологии. На климат местности
оказывают воздействие такие географические факторы, как широта, высота над уровнем моря,
распределение морей, равнинных пространств и горных массивов, растительный и снежный
покров. Антропогенные факторы также непосредственно влияют на климат. Рукотворные
водоемы, регулирование речных стоков, тепловое, газовое и аэрозольное загрязнение
атмосферы, тепловое загрязнение гидросферы, вырубка лесов и т. д. - все эти факторы
приводят к глобальному изменению климата.
Залегающие горные породы и их выщелачивание
К ведущим факторам формирования минералогического состава природных вод можно отнести
и залегающие горные породы. Подземные реки, протекающие в осадочных и коренных
породах, обогащаются различными ионами хорошо растворимых минералов, содержащихся в
этих породах. Главнейшими растворимыми минералами, которые в основном и определяют
химический состав природных вод, являются галит и каменная соль NaСl, гипс СаSO4, кальцит
СаСО3 и доломит СаСО х МgCO3. Химический состав природных вод в значительной степени
определяется процессами выщелачивания, или химического выветривания горных пород. В
табл. 1.7 приведена классификация горных пород по их происхождению.
Относительное содержание горных пород в земной коре представлено в табл. 1.8. Как видно,
осадочные и метаморфические горные породы, оказывающие основное влияние на
формирование химического состава природных вод, составляют не более 5%.
Таблица 1.7. Классификация горных пород по происхождению
Виды пород
Породообразующие процессы
16
УМКД 042_____/03-2013
Магматические,
изверженные
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 17 из 79
или Остывание расплавленной магмы: эффузивные, или
вулканические, вылившиеся наружу в виде потока лавы;
Энтрузивные, застывшие в глубине Земли, не доходя до
ее поверхности.
Осадочные
Разрушение первичных пород и последующее выпадение
(механические,
в виде механических осадков (песок, песчаник) или
химические
и химических отложений (соли).
органогенные осадки)*
Метаморфические
Воздействие на магматические и осадочные породы
высоких давлений и температур (гнейс, мрамор),
химическое воздействие растворов; погружение горных
пород в глубь Земли в результате складочатости или
воздействия поднимающейся в высокие горизонты магмы
* Сюда причисляются и породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности организмов
(мел, известняки). Характерный признак этих пород- слоистость и наличие отпечатков и
окаменелостей.
В то же время свойства магматических пород, составляющих более 95% земной коры, очень
важны для понимания процессов их выщелачивания. Классификация этих пород по их
активности приведена в табл. 1.9.
Таблица 1.8. Относительное содержание горных пород в земной коре
Содержание в земной
Виды пород
коре, %
Магматические
95
Метаморфические
4
Осадочные
1
Таблица 1.9. Классификация магматических горных пород
Виды
магматических
Содержание SiO2, %
Пример
пород
Кислые
66
Гранит
Средние
66 и 65
Сиенит, диорит
Основные
45 - 55
Габбро, базальт
Ультраосновные
45
Дунит
Щелочные
Около 55
Нефелиновые сиениты
Гидрокарбонатно-кальциевые воды образуются при протекании подземных вод через
известняки. Сульфатные кальциевые воды образуются при растворении минералов,
содержащих гипс. Хлоридные натриевые воды образуются при выщелачивании каменной соли.
Важнейшие
виды
горных
пород
приведены
в
табл.
1.10.
Таблица 1.10. Важнейшие горные породы
Виды
горных
Наименование пород
пород
Магматические
Граниты, диориты, сиениты, габбро, базальты, порфирты,
липариты, андезиты, дуниты, трахиты, нефелиновые сиениты и
др.
17
УМКД 042_____/03-2013
Осадочные
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 18 из 79
Механические, или обломочные, породы: валуны, щебень,
галька, гравий, брекчии, конгломераты, пески, глины и др.
Химические осадки: каменная соль, гипс, ангидрит, калийные
магнзиальные соли, мирабилит и др.
Метаморфические
Глинистые и кристаллические сланцы (хлористые, слюдяные и
др.), роговик, песчаник, гнейсы, скарны (кремнесиликатные
породы), полевые шпаты и др.
Из таблицы видно, что на формирование химического состава природных вод основное
влияние оказывают осадочные породы, точнее, хорошо растворимые минералы осадочных
пород. В табл. 1.11 представлены основные минералы, находящиеся в земной коре.
Таблица 1.11. Минералогический состав земной коры
Наименование
Содержание
в Наименование
Содержание
в
минерала
земной коре, %
минерала
земной коре, %
Полевые шпаты
55
Фосфаты
0,75
Силикаты
15
Хлористые
соединения
0,30
Кварц
и
его
12
разновидности
Фтористые
соединения
0,20
Слюда
3
Доломит
0,10
Оксиды железа
3
Прочие
(глины,
0,15
сульфиды и др.)
Вода
9
Кальцит
1,5
ВСЕГО
100
Окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные реакции, в результате которых
происходит формирование природных вод, оказывают большое влияние на химический состав
воды. В зависимости от содержания в атмосфере окислов серы, азота и диоксида углерода
(углекислого газа) природные воды имеют различную активную реакцию. В более кислых
природных водах, как правило, лучше растворяется большинство химических элементов.
Растворение химических соединений природных минералов под воздействием химических
реакций
носит
название
химического
выщелачивания
минералов.
Окислительно-восстановительные реакции в природных водах определяются наличием в них
окислителей, например кислорода, и восстановителей, например водорода. Окислением
называется процесс отдачи электронов, а восстановлением - процесс их приобретения.
Поскольку процесс окисления химического элемента сопровождается восстановлением
окислителя,
эта
реакция
и
носит
название
окислительно-восстановительной.
Многие элементы (железо, марганец, хром, сера, кобальт и др.) способны изменять свою
валентность, поэтому реакции окисления и восстановления играют значительную роль,
переводя
растворимые
"соединения
в
нерастворимые
и
наоборот.
В процессах растворения почвенных минералов значительная роль принадлежит
микроорганизмам. В процессе своей жизнедеятельности они используют энергию
окислительно-восстановительных реакций, поэтому процесс называется биологическим
выщелачиванием минералов.
Смешение природных вод
18
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 19 из 79
При смешении различных природных вод происходит значительное изменение их химического
состава. Так, в результате образования нерастворимых соединений и выпадения осадка
получаются воды, химический состав которых не совпадает с химическим составом исходной
воды.
Почвы обогащают природные воды газами, органическими веществами, ионами электролитов.
В результате прохождения через почвенные слои вода насыщается продуктами разложения
органических остатков. Это высокомолекулярные органические, гумусовые и фульвокислоты.
В свою очередь, из почвы вымываются комплексные коллоидные соединения вида SiO2 х
Аl2О3. При формировании химического состава природных вод в почвенной среде активно
протекают процессы ионного обмена между водой и структурными составляющими почвы.
Антропогенные факторы
Одним из основных антропогенных факторов, оказывающих непосредственное влияние на
химический состав природных вод, являются сточные воды. Хозяйственно-бытовые,
промышленные и сельскохозяйственные сточные воды могут содержать весь перечень
природных и созданных человеком химических элементов и веществ. Поскольку полностью
очистить сточные воды не представляется возможным, то все эти вещества оказываются в
почве, воде, атмосфере. Сточные воды приводят также к термическому загрязнению
природных вод и уменьшению концентрации кислорода, что снижает окислительный
потенциал
воды.
Интенсивное развитие сельскохозяйственного производства способствует изменению
химического состава природных вод (поступление в водоемы нитратов, нитритов, пестицидов,
нефтепродуктов, фенолов). Использование оросительного земледелия приводит к усилению
засоленности почв. Свалки и захоронения твердых и жидких отходов, отвалы шлаков и пепла,
хранилища миненральных удобрений, животноводческие комплексы, пыль и стоки
автомобильных дорог, аэрозоли городов и т.д. - все это способствует изменению химического
состава природных вод.
3.
Основные равновесия природных вод. Важной химической характеристикой
океанических вод является водородный показатель (рН). Выделение CО2 в результате дыхания
и разложения вызывает понижение рН в природных водах, потому что при присоединении CО2
с водой образуется слабая (слабодиссоциирующая) кислота Н2СО3:
Н2О + СО2 <=> Н2СО3 <=> НСО3- + Н+.
С другой стороны, поглощение СО2 в процессе фотосинтеза приводит к уменьшению
количества Н2СО3 и Н+, т.е. к росту рН. Отсюда можно утверждать, что рН в океанах
регулируется равновесием СО2 и карбоната кальция:
Н2О + СО2
СаСО2 (тв) + Н2СО3 <=> Са2+ + НСО3-.
Видно, что повышение количества СО2 увеличивает содержание Н2СО3, что, в свою очередь,
вызывает уменьшение содержания карбоната кальция, а уменьшение содержания СО2 приводит
к осаждению карбоната кальция. Вода, содержащая Н2СО3 и НСО3-, обладает буферными
свойствами, поэтому достаточно большие изменения концентрации Н+ могут не приводить к
сильному изменению рН.
Рассмотрим реакцию
Н2СО3 <=> НСО3- + Н+.
Константа равновесия этой реакции будет
[H+] [НСО3-]
К = --------------------,
[Н2СО3]
откуда
К
[НСО3-]
------ = -------------, где К = 10 -6,5.
[H+] [Н2СО3]
19
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 20 из 79
Если количества НСО3- и Н2СО3 равны (например, 10-2 моль/л), то Н+ = 10 -6,5 моль/л и рН =
6,5. Суммарное количество НСО3- и Н2СО3 составляет 2 • 10-2 моль/л. При добавлении в
раствор кислоты равновесие сдвигается влево с образованием Н2СО3. Чтобы
изменить отношение НСО3- например до 1/3, потребуется добавить кислоты около 5 • 10-3
моль на литр раствора. Прибавленное количество Н+ почти в 104 раз превышает
первоначальное содержание водородных ионов. Новое значение рН можно вычислить:
10-6,5/[H+]=1/3;[H+]=3•10-6,5~10-5,9;рН=5,9.
Таким образом, рН изменилась незначительно, несмотря на добавление такого количества
ионов водорода, которое сильно превосходит первоначальное содержание в растворе. Большая
часть добавленных ионов связана в виде Н2СО3, и очень маленькое количество существует как
Н+. Конечно, химические свойства морской воды гораздо сложнее рассмотренных
соотношений. Однако результирующие соотношения между растворимыми молекулами и
ионами, атмосферным СО2 и твердым карбонатом кальция приводят к формированию
буферного раствора с рН=8,0 – 8,4. При этом не исключено, что активность органического
вещества или другие локальные причины могут образовать на некоторое время более низкие
(до 6) и более высокие (до 10) значения рН. Существенной характеристикой, особенно важной
для успешного протекания фотосинтеза, является «прозрачность» воды океана. За условную
прозрачность морской (и океанической) воды принята глубина моря (океана), на которой белый
диск диаметром 30 см становится невидимым.
Растворение диоксида углерода в речных водах идет по той жен реакции, что и в водах
мирового океана:
Н2О + СО2 <=> Н2СО3 <=> НСО3- + Н+.
При равновесии устанавливается величина рН=5,6, а содержание НСО3- не может превышать
100 г/т. В результате взаимодействия воды с минералами повышается величина рН, так как
ионы водорода связываются соединениями Н4SiО4 и НСО3-. Водородный показатель озерных
и речных вод регулируется также равновесием с атмосферным диоксидом углерода, за
исключением случаев отсутствия контакта с атмосферой для вод глубинных частей некоторых
озер. Содержание кислорода в воде и величина рН контролируются также процессами дыхания
организмов и разложения органических веществ. Интервал значения рН большинства рек и озер
– от 6 до 8. Однако, встречаются величины как более высокие, так и более низкие.
Важной характеристикой природных вод является их жесткость. Различают жесткость
карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную). Первая обусловлена присутствием в
воде бикарбонатов – Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2 или их хлоридами. Карбонатная жесткость
устраняется кипячением или прибавлением к воде гидроксида кальция:
Ca(HCO3)2 + Ca(ОН)2 = 2 CaСО3 + 2Н2О.
Постоянная жесткость устранима прибавлением к воде соды:
CaSО4 + Nа2СО3 = Ca СО3↓+ Nа2SО4.
Сумма временной и постоянной жесткости воды составляет обую жесткость, выраженную в
миллиграмм-эквивалентах ионов Ca2+ и Mg2+ на литр воды. Вода с жесткостью мене 4 мгэкв/л называется мягкой, от 4 до 8 – средней, от 8 до 12 – жесткой, больше 12 мг-экв/л – очень
жесткой. Жесткость отдельных природных вод колеблется в широких пределах. Для открытых
водоемов она часто зависит от времени года и погоды. Наиболее «мягкой» природной водой
является атмосферная вода, почти не содержащая растворенных солей.
Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен веществ у них
функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотности-щелочности.
Концентрация водородных ионов во многом зависит от карбонатной системы, которая является
важной для всей гидросферы и описывается сложной системой равновесий,
устанавливающихся при растворении в природных пресных водах свободного СО2, по реакции:
СО2 + Н2О * Н2СО3 * Н+ + НС .
Именно эта реакция является причиной того, что рН пресных природных вод редко бывает
теоретически нейтральной, то есть равной 7. Чаще всего рН чистой воды колеблется от 6,9 до
20
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 21 из 79
5,6. В природе приведенное выше равновесие в чистом виде не существует, так как на
природные воды оказывает действие многочисленные факторы: температура, давление,
содержание в атмосфере кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород
по которым протекает река или расположено озеро. рН сравнительно легко измерить, поэтому
его изучили во многих водных местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению
(от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и
толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна.
Так как изменение рН пропорционально изменению количества СО2, рН может служить
индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза и дыхания). В воде с
низким рН содержится мало биогенных элементов, в связи с чем продуктивность здесь мала. рН
сказывается и на распределении водных организмов. Растения растут в воде с рН ниже 7,5
(Isoetes и Sparganium), от 7,7 до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha
angustifolia). Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень
редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукрылых из рода
Chaoborus. Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны
приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН * 10 вода гибельна для всех рыб.
Максимальная продуктивность вод приходится на рН между 6,5 и 8,5.
Вопросы для самоконтроля.
1. Гидрологический цикл.
2. Уникальные свойства воды.
3. Химический состав природных вод: растворенные газы, главные ионы, биогенные
элементы, микроэлементы, растворенное органическое вещество.
4. Основные виды природных вод и особенности их состава.
5. Основные равновесия природных вод.
Литература.
1. Бруевич С.В. Химия Тихого океана. —В кн.: Тихий океан. — М. — 1966. — с. 108—116.
2. Посохов Е.В. Ионный состав природных вод. Генезис и эволюция. — Л.:
Гидрометеоиздат. — 1985. — 255 с.
3. Шварцев С.А. и др. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. — Новосибирск: Наука. —
1982. — 286 с.
4. Савенко В.С. Биофильность химических элементов и ее отражение в химии океана //
Вест. МГУ, сер. 5, геогр. — 1997, №1. — с. 3—7.
5. Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода.
Лекция 7. Проблемы водоочистки и водообработки
1. Сточные воды и методы их очистки.
2. Методы получения питьевой воды.
3. Альтернативные методы дезинфекции питьевой воды.
1. Сточные воды и методы их очистки.
В любом естественном водоеме или реке происходит естественный процесс самоочищения,
который протекает достаточно медленно. До момента пока промышленно-бытовые сбросы
были не велики, водоемы сами отлично справлялись с потоками сточных вод. В наши время
водоемы уже не справляются с тем количеством отходов, которые сбрасываются в них. Именно
по этой причине возникло необходимость обезвреживать очищать сточные воды и грамотно их
утилизировать. Очистка сточных вод представляет собой специальную обработку, с целью
разрушения или удаления из сточной воды всех вредных веществ и примесей. Это достаточно
очень сложный многоэтапный процесс. Метод очистки сточных вод можно условно разделить
на несколько типов: механический метод, химически, физико-химический и биологический. И
когда все методы применяются совместно, то процесс очистки сточных вод носит название
21
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 22 из 79
комбинированный. Какой метод применить, в каждой конкретной ситуации решается
непосредственно предприятием организующим очищение сточных вод. В основном это зависит
от характера загрязнения сточных вод и степени вредности имеющихся в них примесей.
Механический метод заключается в следующем: из сточных вод путем отстаивания и
дальнейшей фильтрации удаляются все механические примеси, мелкодисперсные частицы в
зависимости от их размеров улавливаются специальными решетками, ситами и песколовками.
Поверхностные
загрязнения
сточных
вод
улавливаются
нефтеловушками,
бензомаслоулавителями и отстойниками. По средством механической очистки можно удалить
около 75% нерастворимых примесей из бытовых сточных вод. Химический метод заключается
в том, что в сточные воды добавляются специальные химические реагенты, которые вступая в
реакцию с загрязнителями осаждают их виде нерастворимых осадков. Химическим методом
можно достигнуть очистки нерастворимых примесей около 90-95% и растворимых примесей до
25%. Физико-химический метод обработки сточных вод позволяет удалить из них воды
нерастворенные органические примеси и дисперсные примеси. Также можно удалить
органические и плохоокисляемые вещества. В основном физико-химический метод
применяется в виде коагуляции окисления сорбции экстракции и др. Высокое применение
имеет и такой химический метод как электролиз, заключаются в разрушении органических
веществ сточных водах, извлечении металлов, механических веществ и кислот.
Электролитическая очистка производится в специальных сооружениях, электролизерах. Такой
способ очистки достаточно эффективен на свинцовых и медных предприятиях, а также
лакокрасочной промышленности и других отраслях. Сточные воды могут также быть очищены
с помощью ультразвука, ионообменных смол, озоном. Также себя хорошо зарекомендовала
очистка путем хлорирования. Во время очистки сточных вод не малую роль должен сыграть и
биологический метод, который основан на использовании закономерности биохимического и
физиологического очищения рек и других водоемов. На сегодняшний день существует
несколько типов биологических устройств, которые устанавливаются и необходимы для
очистки сточных вод. Это биофильтры, аэротенки и биологические пруды. Сущность
биофильтра заключается в том, что сточные воды пропускаются через специальный слой
крупнозернистого материала, который покрыт тонкой бактериальной пленкой. Именно
благодаря этой пленке происходит интенсивные процессы биологического окисления. Пленка
служит действующим началом в биофильтрах. В биологических прудах очистку сточных вод
производят абсолютно все организмы, которые населяют водоем. Аэротенки используемые при
биологическом методе очистки сточных вод, представляют собой огромные резервуары из
железобетона. В аэротенках очищающим началом является активный ил из бактерий и
животных. Все эти живые существа достаточно бурно развиваются в аэротенках и
способствуют переработки сточных вод, поступающих в сооружение, бактерии в аэротенках
склеиваются в хлопья, и выделяют особые ферменты, которые минерализируют агонические
соединения. Ил вместе с хлопьями очень быстро оседают, отделяясь от очищенной воды.
Амебы, инфузории, жгутиковые, коловратки и другие мельчайшие животные пожирают
бактерии, которые не слиплись в хлопья и омолаживают тем самым бактериальную массу ила.
Сточные воды перед биологической очисткой подвергаются механической очистке, а после нее
для удаления болезнетворных бактерий и последующей химической очистке, хлорированию
посредством жидкого хлора или хлорной извести, а также для дезинфекции используют такие
методы как электролиз, ультразвук и изолирование. Биологический метод показывает неплохие
результаты для очистки бытовых сточных вод. Он применяется при очистке отходов
предприятия, нефтеперерабатывающей промышленности, а также при производстве
искусственного волокна.
2.
Методы получения питьевой воды. Состав воды полностью определяет ее
физико-химические свойства и соответственно ее вкусовые характеристики.
Нередко состав несбалансирован и это влечет за собой неприятные, а иногда и
нежелательные последствия. Одним из проявлений т акого дисбаланса можно
22
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 23 из 79
назвать жесткость воды, которая определяется наличием в ней, так называемых
солей жесткости. Рассматриваемые соли, являются соединениями гидрокарбонатов
и карбонатов магния и кальция. Несколько реже встречаются другие соли этих
металлов.
Жесткость воды - непостоянная характеристика и может изменяться. Так,
существует два типа жесткости: временная или постоянная. В случае первого типа,
процесс кипячения приводит к тому, что соли оседают в виде осадка и, как
результат, получается относительно мягкая вода. Во втором случае, при постоянной
жесткости, для смягчения воды кипячения будет недостаточно. Знать тип
жесткости, очень важно, для осуществления правильного подбора системы
водоочистки и водоподготовки, которая в случае неправильного выбора,
употребляемая жидкость может нанести ущерб и вред здоровью.
С одной стороны, может показаться, что только жесткая вода представляет
опасность для разного рода техники, негативно влияет на здоровье, накапливаясь в
организме человека, да и просто не отличается хорошими вкусовыми свойствами.
Однако, как не покажется странным, полная противоположность – мягкая питьевая
вода, также чревата негативными последствиями.
Слишком мягкая вода в чем-то похожа на дистиллированную, т.к. содержание в ней
и полезных, и вредных микроэлементов слишком мало, что также не самым лучшим
образом отражается на здоровье и может стать причиной коррозии труб, если
только они не пластмассовые.
Норма мягкости и способы получения
Общепринятой нормой содержания солей жесткости в воде считается 7 мг -экв/л.
Питьевая вода такой жесткости абсолютно безопасна для питья, однако
нежелательна при эксплуатации бытовых приборов.
Для получения оптимальной по мягкости питьевой воды, сегодня на рынке
предложена широкая номенклатура различных установок, с разной технологией
работы и эффективностью. Но прежде чем приобретать фильтр умягчитель воды,
необходимо произвести анализ ее химического состава . Впрочем, для получения
наивысшего качества воды такой анализ необходимо производить регулярно.
Сделать это можно специальным прибором, который может производить анализ
воды не только по жесткости, но и по ряду других параметров.
Для абсолютного большинства случаев, сегодня используются следующие методы
умягчения воды:
 термический;
 реагентный;
 ионообменный;
 мембранный.
Термический способ самый простой и заключается в простом доведении воды до
состояния кипения, вследствие которого, карбонаты магния и кальц ия выпадают в
осадок. При использовании такого метода, полученная вода лучше всего подходит
для технических нужд, например, в качестве теплоносителя для котлов низкого
давления.
Распространены также и реагентные методы. Суть очистки воды посредством
реагентов заключается в том, что при попадании в воду они взаимодействуют с
солями магния и кальция, после чего образуются труднорастворимые соединения,
которые легко фильтруются средствами механической очистки. В качестве
реагентов может выступать кальцинирован ная сода, известь, гидроксиды бария и
натрия и прочие вещества. Такой метод позволяет добиться уровня жесткости воды
в 7 мг-экв/л, а заодно и осветляет ее. Нередко применяется совместно с
термической обработкой.
23
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 24 из 79
Ионообменный метод получения мягкой питьевой воды считается наиболее
надежным в плане обессоливания. Суть данного метода заключается в извлечении
катионов магния и кальция, и заменой их катионами натрия или водорода. Ионный
обмен позволяет делать частичное или глубокое обессоливание. В первом случае ,
катионы солей жесткости заменяются катионами водорода, что приводит к
разрушению бикарбонат-ионов и извлечением получившегося газа из воды. При
втором методе обессоливания, происходит полное удаление солей и примесей.
И в завершение – мембранные методы, под которыми обычно понимают обратный
осмос воды. Эффективность данного метода обессоливания регулируется
селективностью эксплуатируемых мембран, которые позволяют получить степень
очистки от 50 до 99%.
3. Альтернативные методы дезинфекции питьевой воды.
Природные воды, используемые для питьевого и производственного водоснабжения, должны
иметь благоприятные органолептические свойства, быть безвредными по химическому составу
и безопасными в санитарно-эпидемиологическом отношении. Перед производителями питьевой
воды стоит задача обеспечения ее эпидемической безопасности, т. е. достаточной очистки и
обеззараживания.
Следует понимать, что ни один из современных методов обработки воды не обеспечивает 100
% очистки воды от микроорганизмов (наиболее близкими к идеалу остаются только
дистилляция и обратный осмос). Но даже если предположить, что система водоподготовки и
обеспечит абсолютное удаление из воды всех микроорганизмов, то остается большая
вероятность вторичного загрязнения воды при ее транспортировке по трубам
распределительной сети, при хранении в емкостях, при контакте с атмосферным воздухом и т.
д.
Санитарными нормами и правилами не ставится цель доведения воды по микробиологическим
показателям до стерильного качества (отсутствие всех микроорганизмов). Задача состоит в том,
чтобы удалить (или инактивировать) наиболее опасные для здоровья человека микроорганизмы.
Основным документом, определяющим гигиенические требования к качеству питьевых вод,
является СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
СанПиН 2.1.4.1074-01 устанавливает нормативы безопасности питьевой воды по
микробиологическим и паразитологическим показателям:
Показатели
Единицы измерения
Нормативы
Термотолерантные колиформные
Число бактерий в 100 мл
Отсутствие
бактерии
Общие колиформные бактерии
Число бактерий в 100 мл
Отсутствие
Число образующих колонии бактерий в 1
Не более
Общее микробное число
мл
50
Число бляшкообразующих единиц (БОЕ) в
Колифаги
Отсутствие
100 мл
Споры сульфитредуцирующих
Число спор в 20 мл
Отсутствие
клостридий
Цисты лямблий
Число цист в 50 л
Отсутствие
Обеззараживание осуществляется химическими и физическими методами.
Физические методы обеззараживания:
– кипячение;
– ультразвуковое воздействие;
– воздействие электрическим разрядом;
– ультрафиолетовое облучение.
24
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 25 из 79
Химические методы обеззараживания:
– обработка воды сильными окислителями: озоном, хлорсодержащими веществами;
– олигодинамия (воздействие ионами тяжелых металлов – серебра, меди и других).
Эффективность обеззараживания воды химическими и физическими методами во многом
зависит от свойств воды и биологических особенностей микроорганизмов – их устойчивости к
этим воздействиям.
Экономичность (экономическая целесообразность) обеззараживания воды тем или иным
методом определяется составом воды, местоположением и мощностью водопроводной станции,
стоимостью реагентов и оборудования дезинфекции и финансовой возможностью собственника
водопровода.
Краткое описание методов обеззараживания.
Важно понимать – ни один из методов обеззараживания не является универсальным и самым
лучшим! Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками.
Кипячение воды при атмосферном давлении в течение 10–12 мин
убивает все неспорообразующие микроорганизмы. После охлаждения
споры в этой воде прорастут (вторичное загрязнение). Кипячение требует
большого расхода энергии и не обладает пролонгированным эффектом.
Этот метод используется для обеззараживания малых объемов
воды: в быту, полевых условиях, лабораториях, малых водоочистных
установках и других подобных случаях.
Ультразвуковое
воздействие убивает
большинство
микроорганизмов при интенсивности излучения не менее 2 Вт/см² и
времени обработки не менее 5 мин. Работа генератора ультразвука
требует большого расхода энергии и не обладает пролонгированным
эффектом.
Этот метод, также как и кипячение, используется для
обеззараживания малых объемов воды.
Электрический разряд в воде обладает высоким бактерицидным
эффектом. При разряде образуются ударные волны и свободные
радикалы, обладающие сильными окисляющими свойствами. В
результате
происходит
гибель
большинства
микроорганизмов.
Электрический разряд в воде требует большой мощности
высоковольтного генератора. Поэтому расход электроэнергии составляет
около 2 кВт×ч на 1 м³ обрабатываемой воды.
Ультрафиолетовое облучение убивает микроорганизмы, но
клеточные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов
остаются в воде. УФ излучение требует большого расхода энергии и не
обладает пролонгированным эффектом. УФ лампы содержат ртуть (класс
опасности 1) и требуют специальных мер по утилизации.
Озонирование – самый эффективный и дорогой метод
обеззараживания воды, требует большого расхода электроэнергии,
больших затрат на приобретение и обслуживание оборудования.
Использование озона для обеззараживания производится в
очищенную воду. В этом случае озон будет затрачиваться лишь на
дезинфекцию. Если после очистки в воде остались не окисленные
соединения (органические загрязнения, не окисленное железо, марганец и
25
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 26 из 79
т. п.), расход озона значительно возрастет.
В обработанной озоном воде иногда наблюдается рост бактерий, поскольку разложение
фенольных групп, входящих в состав гуминовых веществ, способствует активации
микроорганизмов, ранее находящихся в подавленном состоянии. Поэтому остаточный озон не
всегда гарантирует высокое качество воды по микробиологическим показателям у потребителя.
Кроме этого остаточный озон разрушает металлические трубопроводы, особенно стальные,
поэтому перед подачей воды в распределительные сети необходимо некоторое время
выдержать ее в контактных резервуарах для полного разложения озона. Использовать
остаточный озон для защиты воды от вторичных загрязнений в трубопроводе в период
транспортирования возможно лишь для труб из материалов, стойких к воздействию озона
(некоторые пластмассы, асбестоцемент, бетон и т. д.). Поэтому в воду чаще добавляют
хлорсодержащие вещества.
Поскольку озон (класс опасности 1) представляет высокую опасность для персонала, в зале
озонаторов и в помещениях распределительных камер должна предусматриваться приточновытяжная вентиляция как постоянно действующая, так и аварийная на случай превышения
допустимой концентрации озона. Вентиляционные системы автоматизируются на тепловой
режим и степень загазованности. Вентиляционное оборудование выполняется во
взрывобезопасном варианте.
Пролонгированный (консервирующий) эффект обеспечивается только хлорсодержащими
веществами.
Хлор является сильнодействующим ядовитым веществом (класс опасности 2), поэтому его
использование требует мероприятий повышенной промышленной безопасности, защиты
населения и территорий от последствий возникновения возможных аварий и чрезвычайных
ситуаций.
В этой связи предприятия водопроводно-канализационного хозяйства применяют
альтернативные способы обеззараживания воды с пролонгированным (консервирующим)
эффектом.
Хлорсодержащие вещества для обеззараживания воды: гипохлорит натрия (NaClO) химический
и электролитический, гипохлорит кальция (Ca(ClO)2), диоксид хлора (ClO2).
Химический гипохлорит натрия марки «А» (класс опасности 3) производится с содержанием
активного хлора не менее 190 г/л. При транспортировке и хранении из-за нестойкости продукта
происходят потери гипохлорита натрия, главным образом по причине превращения его в более
стойкое соединение NaCl (соль).
Электролитический гипохлорит натрия марки «Э» (класс опасности 4) производится с
содержанием активного хлора 4–8 г/л. В отличие от химического гипохлорита натрия
электролитический гипохлорит получают на месте потребления, и его транспортировка и
хранение не требуется.
Гипохлорит кальция санитарно-технический марки «А» (класс опасности 3), представляющий
собой порошок белого цвета с резким запахом хлора, производится с содержанием активного
хлора не менее 45 %. Гипохлорит кальция при контакте с жидкими маслообразными
органическими веществами или пылевидными органическими продуктами может вызвать их
возгорание.
Диоксид хлора (класс опасности 1) получают на месте потребления реакцией соляной кислоты
с хлоритом натрия NaClO2. Диоксид хлора более сильный окислитель по сравнению с хлором и
может использоваться для удаления запаха, деструкции органических веществ и улучшения
вкусовых качеств воды. Однако его использование может привести к образованию побочных
продуктов, например хлорита, который является токсичным. Кроме того, стоимость диоксида
хлора высока.
Обеззараживание воды ионами тяжелых металлов. Небольшие концентрации ионов тяжелых
металлов (серебра, меди, цинка и др.) вызывают гибель находящихся в воде микроорганизмов.
Наибольшими бактерицидными свойствами обладает серебро (класс опасности 2). В настоящее
26
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 27 из 79
время разработаны технологии и устройства для электролитического растворения серебра.
Получаемая «серебряная вода» содержит ионы серебра и является эффективным веществом для
дезинфекции и консервирования питьевой воды. Но следует учитывать, что серебрение воды,
во-первых, дорогой метод обеззараживания, во-вторых, концентрации серебра, которые
разрешены действующими нормативами, способны лишь притормозить рост бактерий в воде.
Как и большинство тяжелых металлов, серебро медленно выводится из организма и при его
постоянном поступлении может накапливаться. При длительном накоплении серебра возможно
проявление признаков отравления. Комплексный подход при выборе методов обеззараживания
позволит достичь требуемого эффекта при оптимальном сочетании эффективности и
экономичности дезинфекции воды.
Вопросы для самоконтроля.
1. Основные источники поступления загрязняющих веществ в водную среду.
2. Сточные воды.
3. Промышленные стоки.
4. Атмосферные выпадения.
5. Особенности
источников
поступления
для
различных
классов.
Основные процессы миграции загрязняющих веществ в природных водах
Литература.
1. Бруевич С.В. Химия Тихого океана. —В кн.: Тихий океан. — М. — 1966. — с. 108—116.
2. Посохов Е.В. Ионный состав природных вод. Генезис и эволюция. — Л.:
Гидрометеоиздат. — 1985. — 255 с.
3. Шварцев С.А. и др. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. — Новосибирск: Наука. —
1982. — 286 с.
4. Савенко В.С. Биофильность химических элементов и ее отражение в химии океана //
Вест. МГУ, сер. 5, геогр. — 1997, №1. — с. 3—7.
5. Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода.
Лекция 8-10. Химия почв
1. Происхождение, состав и функции почвы.
2. Химический состав почв.
3. Свойства почв.
1. Происхождение, состав и функции почвы.
Почва является средой и основным условием развития растений. В почверастения укореняются
и из нее черпают все необходимые дляжизнедеятельности питательные вещества и воду. Под
понятием почваподразумевается самый верхний слой твердой земной коры, пригодный
дляобработки и выращивания растений, который в свою очередь состоит издостаточно тонких
увлажняемого и гумусного слоев.
Увлажняемый слойтемного цвета, имеет незначительную толщину в несколько
сантиметров,содержит
наибольшее
число
почвенных
организмов,
в нем
идет
бурнаябиологическая деятельность.
Гумусный слой толще; если его толщинадостигает 30 см, можно говорить об очень
плодородной почве, в немобитают многочисленные живые организмы, перерабатывающие
растительныеи органические остатки на минеральные составляющие, в результате чегоони
растворяются грунтовыми водами и всасываются корнями растений. Нижерасполагаются
минеральный слой и материнские породы.
По химическому составу минеральной компоненты почва состоит из песка иалеврита (формы
кварца (кремнезёма) SiO 2 с добавками силикатов (Al 4(SiO 4 ) 3 , Fe 4 (SiO 4 ) 3 , Fe 2 SiO 4 ) и
глинистых минералов(кристаллические соединения силикатов и гидроксида алюминия)).
27
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 28 из 79
Единая международная классификация почв пока ещё не разработана. Почвыодного типа
обычно образуют широтные зоны, вытянутые вдоль областей содинаковым увлажнением и
среднегодовой температурой. В горах чёткопрослеживается высотная зональность почв.
Преобладание в растительном покрове влаголюбивых растений свидетельствует о близком
залегании грунтовых вод.
Почвы с высоким содержанием азота — крапива двудомная, осот, мята, крестовик
обыкновенный.
Почвы с низким содержанием азота — клевер полевой, лядвенец, ясколка, льнянка.
Истощенные почвы — ромашка аптечная, пастушья сумка.
Уплотненные почвы — Подорожник большой, лапчатка гусиная, лисохвост.
Перегнойные почвы — звездчатка средняя, вероника полевая, яснотка пурпурная, одуванчик
лекарственный, поповник
Переувлажненные и заболоченные почвы — влаголюбивая растительность, осока, хвощ,
пикульник, щучка, камыш.
К физическим свойствам почвыотносятся:
пористость ( зависит от величины и формы зерен) крупнозернистые почвы содержат мало пор,
примерно до 25% на песке или гравии, а на черноземе пористость достигает 85%, на глинистой
почве пористость составляет 40-45%.
Капиллярность почвы. Способность почвы поднимать влагу. Капиллярность выше у
мелкозернистых почв, а , значит высота поднятия грунтовых вод, скажем, у чернозема выше,
чем на песчаной почве. Поэтому строительство благоприятнее на крупнозернистых почвах,
меньше сырость . ниже грунтовые воды.
Влагоемкость почвы - то есть способность почвы удерживать влагу: высокую влажность будет
иметь чернозем, меньше подзолистая и еще меньше песчаная почва. Это имеет значение для
создания оптимального по влажности микроклимата внутри зданий. Считается, что почвы с
большой влагоемкостью являются нездоровыми.
Гигроскопичность почвы - это способность притягиваь водяные пары из воздуха. Минмальной
гигроскопичностью обладают крупнозернистые почвы, свободные от загрязнений.
Почвенный воздух. Он заполняет поры меду частицами почвы, находясь в непосредственном
контакте с атмосферным воздухом, отличается по составу от атмосферного. Если в
атмосферном воздухе содержание кислорода достигает 21%, то в почвенном воздухе
содержание кислорода занчительно меньше - 18-19%. В чистой почве содержится в основном
кислорода и углекислый газ, в загрязненных почвах добавляется водород и метан. Чем больше
кислорода в почвенном воздухе, тем лучше идут в почве процессы самоочищения. Например, в
куче мусора, где нет доступа кислорода преобладают процессы гинения,а если отходы
обезвреживются в незагрязненной почве ( то есть мало отходов, много чистой почвы) то
процессы самоочищения идут до конца, заканчиваясь минерализацией и гумификацией то есть
образованием гумуса.
Почвенная влага - существует в химически связанном, в жидком и газообразном состоянии.
Влага почвы оказывает влияние на микроклимат и на выживание микроорганизмов в почве.
Химический состав почвы. В почве могут содержатся все химические элементы. Тело человека
по качественному составу содержит те же макро и микроэлементы, что и почва, поскольку
почва участвует в круговороте веществ в природе, а, значит почва влияет на состояние здоровья
человека.
Почвы состоят из частиц различного размера, начиная от крупных валунови заканчивая мелким
грунтом (частицы мельче 2 мм в диаметре) иколлоидными частицами (< 1 мкм).Обычно
частицы, составляющие почву,делят на глину (мельче 0,002 мм в диаметре), ил (0,002–0,02 мм),
песок(0,02–2,0 мм) и гравий (больше 2 мм). Механическая структура почвыимеет очень важное
значение для сельского хозяйства, определяет усилия,требуемые для обработки почвы,
необходимое количество поливов и т. п.Хорошие почвы содержат примерно одинаковое
количество песка и глины;они называются суглинками. Преобладание песка делаетпочву более
28
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 29 из 79
рассыпчатой и лёгкой для обработки; с другой стороны, в нейхуже удерживается вода и
питательные вещества. Глинистые почвы плоходренируются, являются сырыми и клейкими, но
зато содержат многопитательных веществ и не выщелачиваются. Каменистость почвы (наличие
крупных частиц) влияет на износ сельскохозяйственных орудий.
По степени содержания гумуса (перегноя) почвы подразделяются на бедноили незначительно
гумусные (1% гумуса и меньше), умеренно гумусные ( до2% гумуса), среднегумусные (2-3%) и,
наконец, гумусные, содержащиеболее 3% перегноя. Благоприятными для разведения
любыхсельскохозяйственных культур считаются почвы, содержащие не менее 3-5%гумуса.
Чернозем — это тип почвы, встречающийся в луговой и степной зонах,характеризуется
повышенным содержанием гумуса (до 15) и высоким уровнемприродного плодородия. Из
названия данного типа почвы следуетхарактеристика его окраски, которой чернозем обязан
гумусу.
Важной характеристикой почвы является ее способность поглощать солнечное тепло.
От этого зависит тепловой режим почвы в целом, что влияет наразвитие растений, которое
происходит в определенных условияхтемпературного режима. Изменения температурного
режима почвы в сторонуповышения или понижения могут отрицательно сказаться на
прорастаниисемян и последующем развитии растений.
На способность почвы поглощать тепло влияет целый ряд факторов:
структурный состав почвы: чем больше в почве крупных частиц(песка), тем быстрее она
нагревается и меньше тепла требует длядостижения определенного температурного показателя;
цвет почвы: темные почвы лучше аккумулируют тепло, так как темная поверхность быстрее
нагревается, весной темные почвы быстрее оттаивают;
уровень содержания влаги в почве: сухие почвы нагреваются значительно быстрее, чем
влажные, степень прогревания почвы вглубь также выше;
степень насыщенности почвы гумусом и другими органическими субстанциями:гумусные
почвы прогреваются лучше и быстрее за счет темного цвета,рыхлой пористой структуры,
обеспечивающей теплопроводность,и оптимального содержания влаги в составе почвы.
Твердая фаза почв и поровое пространство.
Дисперсность почвы. Два уровня дисперсности почв - уровень элементарных почвенных частиц
(ЭПЧ) и агрегатный уровень. Гранулометрический состав почвы как характеристика ее
дисперсности. Происхождение ЭПЧ. Классификации ЭПЧ по размерам. Вещественный состав и
свойства гранулометрических фракций и их влияние на свойства почвы в целом. Изменение
гранулометрического состава в процессе почвообразования. Методы гранулометрического
анализа (способы пептизации почвы, разделения и учета фракций). Уравнение Стокса и условия
его применимости к почвенным суспензиям. Понятие об эффективном диаметре ЭПЧ.
Интерпретация данных гранулометрии. Вероятностные показатели гранулометрического
состава (по П.Н. Березину). Отечественные и зарубежные классификации почв по
гранулометрическому составу. Использование данных гранулометрии при диагностике почв и
почвенных процессов, при картировании и агроэкологической оценке почв.
Микроагрегатный состав почв. Понятие о микроагрегате. Условия и механизмы агрегирования
ЭПЧ и их связь с особенностями осадкои почвообразования. Свойства фракций микроагрегатов.
Микроагрегатный анализ почвы. Способы сопоставления данных гранулометрического и
микроагрегатного анализа. Коэффициенты дисперсности и структурности.
Макроагрегатный состав почвы. Почвенные агрегаты высших порядков - макроагрегаты (педы).
Условия образования. Морфологическая классификация педов и их диагностическое значение.
Сравнительная характеристика агрегатного состояния главных типов почв. Агрономически
ценная структура: свойства, условия формирования и разрушения. Влияние макроструктуры на
свойства, режимы почв и их плодородие. Значение агрегированности для мелиорации и охраны
почв. Механические, физические, физико-химические, химические и биологические способы
оптимизации агрегатного состояния почв. Система методов оценки агрегатного состояния почв.
29
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 30 из 79
Удельная поверхность почвы как характеристика ее дисперсности. Связь величины удельной
поверхности с гранулометрическим, химическим, минералогическим составом и агрегатным
состоянием почв.
Плотность почв. Плотность твердой фазы (рs) как показатель ее вещественного состава.
Удельный объем твердой фазы, его значения. Величины рs характерные для различных почв и
их компонентов. Профильные изменения рs и их значения для диагностики почв.
Использование в разных разделах почвоведения. Методы определения рs.
Плотность сложения (объемная масса) почв (рb) как показатель вещественного состава и
упаковки. Характерные величины рb. Понятие об оптимальной и о равновесной плотности.
Проблема переуплотнения почв в сельском хозяйстве. Изменения рb во времени. Применение
рbв разных разделах почвоведения. Расчеты с использованием величин рb. Методы определения
рb в полевых и лабораторных условиях.
Поровое пространство почв. Общая порозность (пористость) и ее величины в различных
горизонтах и типах почв. Активная и неактивная, капиллярная и некапиллярная порозность.
Текстурное (внутриагрегатное), межагрегатное, межфрагментное поровое пространство.
Проихождение пор (поры упаковки, трещины, биогенные поры). Функции пор различного
размера и происхождения (поры аэрации, инфильтрации, влагопроводящие, влагосберегающие
поры; поры транзитного межгоризонтного перемещения жидкой, газовой, живой и твердой
фазы). Изменение порозности во времени. Особенности порового пространства набухающих
почв. Методы измерения и расчета общей и дифференциальной порозности.
2. Химический состав почв.
Химический состав почвы является отражением элементарного состава всех геосфер,
принимающих участие в формировании почвы. Поэтому в состав всякой почвы входят те
элементы, которые распространены или встречаются как в литосфере, так и в гидро-, атмо- и
биосфере.
В состав почв входят почти все элементы периодической системы Менделеева. Однако
подавляющее их большинство встречается в почвах в очень малых количествах, поэтому в
практике приходится иметь дело всего с 15 элементами. К ним принадлежат прежде всего
четыре элемента органогена, т. е. С, N, О и Н, как входящие в состав органических веществ,
затем из неметаллов S, Р, Si и С1, а из металлов Na, К, Са, Mg, AI, Fe и Мn.
Перечисленные 15 элементов, составляя основу химического состава литосферы в целом,
в то же время входят в зольную часть растительных и животных остатков, которая, в свою
очередь, образуется за счет элементов, рассеянных в массе почвы. Количественное содержание
в почве этих элементов различно: на первое место надо поставить О и Si, на второе — А1 и Fe,
на третье — Са и Mg, а затем — К и все остальные.
Нормальный рост растений обусловлен содержанием в почве доступных форм зольных
элементов и азота. Обычно растения усваивают из почвы N, Р, К, S, Са, Mg, Fe, Na, Si в
достаточно больших количествах и эти элементы называются макроэлементами, а В, Mn, Mo,
Сu, Zn, Со, F используются в ничтожных количествах и называются микроэлементами. К
важнейшим из них относятся элементы, без которых невозможно образование белков,— N, Р, S,
Fe, Mg; такие элементы, как К, Сu, Mg, Na, оказывают огромное влияние на регуляцию работы
клеток и формирование различных тканей растений.
Элементы питания, содержащиеся в почвах, находятся в различных минеральных и
органических соединениях, и запасы их обычно значительно превышают ежегодную
потребность. Однако большая часть их находится в форме, не доступной для растений: азот —
в органическом веществе, фосфор — в фосфатах, железо, алюминий, кальций, калий — в
поглощенном состоянии, кальций и магний — в форме карбонатов, т. е. в не растворимой в
воде форме. Процесс усвоения растениями элементов питания происходит благодаря
обменному поглощению. Формы соединений и биологическое значение химических элементов
различны. Элементы входят в состав почв в форме различных химических соединений,
характеризующих тип почвы, и имеют разное биологическое значение.
30
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 31 из 79
Кислород в свободном состоянии находится в почвенном воздухе, а в связанном входит в
состав воды, окислов, гидратов, кислородных кислот и их солей. Он имеет важное значение, как
элемент, необходимый для дыхания растений и животных, и как элемент-органоген.
Кремний входит в состав силикатов, т. е. солей кремниевых, алюмокремниевых и
феррокремниевых кислот, а также встречается в виде кремнезема, как кристаллического
(кварц), так и аморфного. Биологическое значение кремния не выяснено, но он всегда
содержится в золе растений (в особенности камыша и тростника) и, по-видимому, необходим
для образования клеток и тканей более твердых частей организмов.
Алюминий входит в состав алюмосиликатов, глинозема и гидратов глинозема. Биологического
значения он не имеет.
Железо входит в состав ферросиликатов и других солей, как окисных, так и закисных, а также в
состав гидратов железа. Биологическое значение его велико: с ним связано образование хлорофилла в зеленых растениях.
Кальций встречается преимущественно в виде солей разных кислот, чаще всего угольной. Он
очень важен для растений, так как входит в состав стеблей, и обычно находится в растительных
клетках в виде кристаллов щавелевокислого кальция.
Магний, как и кальций, встречается в виде аналогичных соединений. Он важен для растений,
так как входит в состав хлорофилла.
Натрий и калий входят в состав солей различных кислот, причем натрий биологического
значения не имеет, тогда как калий является одним из основных элементов питания растений и,
в частности, играет большую роль в крахмалообразовании.
Фосфор входит в состав почвы в виде фосфатов и в виде различных органических соединений.
Он содержится в ядре растительных клеток. Известно, что недостаток в почве фосфора отражается на качестве зерна. Он является одним из основных питательных элементов и необходим
для развития растений так же, как и азот.
Азот — исключительно важный для питания растений, элемент- органоген, входящий в состав
молекулы белков основы растительной и животной клетки, Встречается в почве в форме
различных органических соединений, аммиачных солей и солей азотной и азотистой кислот.
Сера также входит в состав молекулы белков. В почвах встречается в форме сульфатов,
сернистых солей, сероводорода и различных органических соединений.
Водород важен для растений как органоген. Входит в состав воды, гидратов, разнообразных
свободных кислот и их кислых солей.
Хлор биологического значения не имеет. В почве встречается в виде хлористых солей.
Углерод входит в состав растительных остатков и составляет в среднем 45 % их массы. Как
основа всех органических соединений он имеет исключительно большое значение. Встречается
в почве также и в форме минеральных соединений углекислого газа и солей угольной кислоты.
Марганец, как предполагают, играет роль катализатора. Определенное биологическое значение
имеют также и многие другие химические элементы, встречающиеся в почвах в очень малых
количествах (например, медь, цинк, фтор, бор и другие), так называемые микроэлементы.
Некоторые из них используются в качестве минеральных удобрений. Однако наибольшее
значение для питания растений имеют соли калия, кальция, магния, железа и кислот — азотной,
фосфорной, серной и угольной.
Для характеристики плодородия почвы наибольшее значение имеет содержание гумуса,
азота, фосфора и калия. Определение содержания в почве тех или других химических
элементов и форм их соединений является задачей химического анализа почв.
Содержание гумуса в верхнем горизонте почв разного типа колеблется в широких пределах, но
для каждого типа и подтипа почвы оно является достаточно устойчивым и поэтому характерным показателем. Для остальных элементов, наряду с их валовым содержанием (которое
свидетельствует о той или иной степени плодородия почвы), необходимо знать содержание их
форм растениями.
31
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 32 из 79
Валовое содержание в почвах азота и фосфора (в верхнем горизонте) обычно выражается в
десятых долях процента, калия содержится до двух и более процентов. Содержание же их
усвояемых форм не превышает тысячных долей процента и его принято выражать в
миллиграммах на 100 г почвы. К органической части почвы относятся неразложившиеся и
полуразложившиеся остатки растений, почвенных животных и гумус. Остатки растительных и
животных организмов, постепенно разлагаясь, восстанавливают и пополняют в почве запасы
гумуса.
Процесс происходит при активном участии микроорганизмов и животных (дождевых червей,
личинок насекомых). Этот сложный биохимический процесс распада и синтеза идет
одновременно.
Во время разложения органического вещества вследствие действия ферментов, которые
выделяют грибы и бактерии, происходят процессы повторного синтеза, полимеризации и
конденсации с образованием новых высокомолекулярных соединений коллоидного характера.
Образуется сложное органическое вещество, получившее название гумус (почвенный
перегной). Почвы сильно отличаются по содержанию, составу и свойствам гумуса.
В состав гумуса входят гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.
Гуминовые кислоты — это группа веществ темного цвета, которые выделяются из почвы
щелочами и осаждаются кислотами. Они характеризуются высоким содержанием углерода
(50—62 %), аморфным состоянием, полидисперсностью (различной величиной частиц) и
гетерогенностью.
При взаимодействии с катионами гуминовые кислоты образуют соли — гуматы. Гуматы
одновалентных катионов К+, Na+, N+ образуют в почве коллоидные растворы — золи, которые
легко растворяются и вымываются из почвы. Гуматы двух- и трехвалентных катионов (Са2+,
Mg2+, Al3+, Fe3+) находятся в почве в виде нерастворимых гелей, не вымываются,
накапливаются в местах образования, больше всего их в верхних слоях почвы.
Гуминовые кислоты — наиболее ценная часть гумуса, они имеют большую собирательную
поверхность, играют важную роль в образовании агрономически ценной структуры почвы и
основного фонда питательных веществ (прежде всего азот для растений).
Фульвокислоты — это гуминовые вещества желтого или красного цвета, которые остаются в
растворе после выпадения в осадок гуминовых кислот. Фульвокислоты отличаются от
гуминовых меньшим содержанием азота, более высокой кислотностью, высокой
растворимостью в воде их соединений с минеральной частью почвы. Благодаря высокой
кислотности фульвокислоты разрушают почвенные минералы и способствуют перемещению
продуктов разложения в нижние слои почвы.
Гумины представляют собой комплекс гуминовых веществ с меньшим содержанием углерода и
состоят из тех же гуминовых и фульвокислот, высоко полимеризованных, уплотненных и более
тесно связанных между собой.
Состав перегноя и соотношение гуминовых и фульвокислот в разных почвах неодинаковы.
Состав перегноя в значительной мере определяется составом высших растений, остатки
которых составляют основу его образования, а также соотношением групп микроорганизмов,
особенностями увлажнения и распада органического вещества, а в обрабатываемых почвах —
способами обработки и удобрением почвы, севооборотами.
Гумус играет важную роль в процессах, происходящих в почвах. Он улучшает его химические,
физико-химические и биологические свойства. Свежий почвенный перегной насыщает комочки
почвы, склеивает их, а кальций и магний цементирует, способствуя образованию прочной,
агрономически ценной структуры. Медленно разлагаясь, гумус является источником зольных
элементов и азота для растений, а вбирая растворимые элементы питания (калий, фосфор),
предотвращает их вымывание.
Факторы почвообразования, внешние условия в значительной мере влияют на накопление,
особенности образования органических остатков и состав гумуса. Решающую роль в этом
имеют растительность и соответствующая ей микрофлора почвы, которая разлагает остатки
32
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 33 из 79
этой растительности. Например, древесный опад хвойных лесов медленно разлагается
преимущественно грибной микрофлорой почвы, вследствие чего образуется гумус с содержанием большого количества фульвокислот. Они растворяют минеральные вещества
верхнего слоя почвы, и почвообразующий процесс идет по типу подзолообразования. Этому
содействуют повышенная кислотность материнской породы (морена, моренные отложения),
достаточное количество осадков.
В почвах, покрытых травянистой растительностью, особенности и химический состав
отмерших остатков другие, разлагаются они преимущественно бактериями, вследствие чего
образуется больше малорастворимых гуминовых кислот, которые вступают в соединения с
кальцием, магнием и другими катионами почвы, закрепляя в гумусе питательные вещества. Это
способствует образованию хорошей структуры и других благоприятных физических свойств
почвы.
Незначительное проникновение осадков в глубокие слои почвы, содержание в материнской
породе карбонатов кальция и магния способствуют накоплению в ней значительных количеств
гумуса. В таких условиях образовались черноземы и лугово-черноземные почвы, содержание
гумуса в которых составляет 5—6 %, а в отдельных случаях— 10—12 %.
От содержания и качества почвенного перегноя в значительной мере зависит плодородие
почвы.
Разные типы почв содержат неодинаковое количество гумуса. Бедные на гумус подзолистые и
дерново-подзолистые почвы Полесья содержат его от 0,5 до 2 %, серые лесные почвы Лесостепи — 1,5—3,0%. В черноземах лесостепной и степной зон Украины от 3 до 6 % гумуса, а в
черноземах Сибири его накапливается до 10—12 %. Торфяные почвы, в которых остатки
водной и болотной растительности разлагаются без доступа воздуха, содержат 80—90 %
органического вещества.
Гумус почвы необходимо не только сохранять, но и заботиться об увеличении его содержания и
повышении качества. С этой целью вносят в почву перегной, торф, компосты, высевают многолетние травы, люпин и т. д. Внесение достаточного количества минеральных удобрений и
окультуривание способствуют развитию в почве микрофлоры, что, в свою очередь, усиливает
процессы образования гумуса с преобладанием в нем гуминовых кислот. Противоэрозионная
безотвальная обработка предотвращает разложение и способствует накоплению гумуса.
В результате процессов выветривания горных пород накапливаются обломки различных
размеров, механически перемешанные под действием силы тяжести, ветра и воды. Эти обломки
и образуют материнские рыхлые породы.
Свойства рыхлых пород в значительной степени зависят от размера и соотношения
составляющих их частиц. Соотношение в почве частиц разного размера, выраженное в
процентах, называется ее механическим составом, а отдельные частицы более или менее
одинакового размера — механическими элементами.
Механический состав почвы существенно влияет на ее водные, воздушные, механические и
химические свойства. Камни, галька и хрящ обладают «провальной» водопроницаемостью и
образуются из крупных обломков первичных минералов и горных пород. Песок состоит
преимущественно из первичных минералов, быстро пропускает воду, плохо ее удерживает,
поэтому песчаные отложения обычно хорошо аэрированы. По мере уменьшения размеров
песчаных частиц уменьшается скорость впитывания воды и увеличивается влагоемкость.
Пыль содержит некоторое количество вторичных минералов, которые под воздействием воды
могут разбухать, вследствие чего появляются новые свойства почв — пластичность и липкость.
Ил содержит вторичные глинистые минералы, очень сильно разбухающие в воде и почти не
пропускающие воду и воздух. Илистые частицы обладают коллоидными свойствами, имеют
заряд, способны к обменным реакциям, свертываются под влиянием солей. Именно они в
основном удерживают в поглощенном состоянии элементы питания.
33
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 34 из 79
При уменьшении размера частичек ускоряется процесс, выветривания, а следовательно,
образование вторичных минералов — группы алюмосиликатов (каолин, монтмориллонит),
гидроокисей железа и алюминия, углекислых солей Са, Mg, К.
Механические элементы в зависимости от размера имеют различные физические свойства и
химический состав. Поэтому очень важно знать количество механических элементов того или
иного размера в горной породе или почве. Чаще всего для этого используется несколько
методов механического анализа с целью выделения всех механических фракций.
Для характеристики механического состава почв используют двух- или трехчленные
классификации почв по механическому составу. В настоящее время для классификации почв и
грунтов используют трехчленную классификацию Н. А. Качинского. Однако самое большое
распространение имеет двучленная классификация почв, разработанная сначала Н. М.
Сибирцевым, а затем Н. А. Качинским. В двучленной классификации выделяют две группы
частиц: физический песок — более 0,01 мм и физическую глину менее 0,01 мм; в трехчленной
— три: песок — 1,0—0,05 мм, пыль — 0,05—0,001 мм и ил — менее 0,001 мм.
По механическому составу верхних почвенных горизонтов и почвообразующих пород почвы
делятся на песчаные (рыхлые и связные), супесчаные, суглинистые (легкие, средние и тяжелые)
и глинистые (легкие, средние и тяжелые).
Почвы разного механического состава в зависимости от содержания физической глины имеют
неодинаковую пластичность, т. е. способность скатываться в шнур, шар и т. д. Используя это
качество, разработали простые способы определения механического состава почв в поле.
Для того чтобы определить механический состав почв полевым методом, образец (комочек)
увлажняют до тестообразного состояния, а затем раскатывают ладонями.
При названии почвы необходимо обязательно указывать ее механический состав, например
чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый, дерново-подзолистая супесчаная и т. д. Разные
типы почв могут иметь одинаковый механический состав.
Механический состав почв в значительной мере влияет на их агрономические свойства. В
практике песчаные и супесчаные почвы называют легкими, так как они легко поддаются
обработке, а суглинистые и глинистые — тяжелыми, потому что обработка их связана с
большими энергетическими затратами. Легкие почвы рыхлые, хорошо пропускают влагу и
воздух, весной быстро прогреваются. Но в то же время они плохо удерживают воду, содержат
мало органических веществ и элементов питания для растений. Тяжелые почвы плотны, плохо
пропускают влагу и воздух, весной прогреваются медленно, поэтому обработку их начинают
позже. Содержание гумуса и элементов питания в них выше, чем в песчаных и супесчаных
почвах. Однако в общем глинистые и суглинистые почвы плодороднее песчаных и супесчаных.
Механический состав почв необходимо учитывать при хозяйственном использовании их.
Большинство растений хорошо растет на почвах среднего механического состава. Кукурузу,
картофель, арбузы, томаты лучше возделывать на легкосуглинистых и супесчаных почвах, а
пшеницу, овес, свеклу и капусту — на средне- и тяжелосуглинистых.
Происхождение и состав минеральной части почвы. Почва, как уже отмечалось, состоит из
минеральных, органических и органо- минеральных веществ при значительном преобладании
минеральных (80—90 % почвенной массы).
Минералы и горные породы, слагающие земную кору, представляют собой различные химические соединения — соли кислот (кремниевой, серной, фосфорной и др.), окислы (кремния,
железа, алюминия и др.) и самородные элементы. В составе этих соединений содержатся
элементы питания растений Р, К, S, Са, Mg и другие, но в труднорастворимой форме.
Содержание азота в них не превышает 0,03 %, и встречается он лишь в осадочных породах.
Образование почв из горных пород происходит под воздействием двух процессов,
протекающих на земной поверхности, — выветривания и почвообразования.
Выветривание — процесс разрушения и изменения горных пород и слагающих их минералов в
термодинамических условиях земной поверхности. Разрушение горных пород происходит под
действием атмосферы (колебание температуры, вода, ветер и др.) и биосферы (углекислый газ,
34
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 35 из 79
организмы). В зависимости от действия преобладающих факторов различают три типа
выветривания: физическое, химическое и биологическое.
В процессе выветривания из массивной горной породы образуется рыхлая почвообразующая
порода, и зольные элементы питания из труднорастворимого состояния переходят в
растворимые, доступные растениям. Но они подвергаются действию атмосферных осадков,
вымываются ими, переносятся поверхностными и грунтовыми водами с суши в моря и океаны,
где полностью или частично осаждаются, участвуют в образовании осадочных горных пород.
Могут пройти целые геологические эпохи, пока осадочные породы станут сушей и вновь
подвергнутся выветриванию. Этот круговорот веществ, совершающийся между сушей и
океаном, называют большим, или геологическим, круговоротом веществ.
Почвообразовательный процесс. Начало почвообразовательного процесса — поселение
растений и микроорганизмов на продуктах выветривания горных пород. Почвообразовательный
процесс имеет длительную историю и связан с эволюцией растительного и животного мира на
Земле. По А. А. Роде, почвообразовательный процесс — это совокупность явлений
превращения и передвижения веществ и энергии, протекающих в земной толще. Каждому из
этих явлений противостоит другое, противоположное по своей сущности.
Различают следующие процессы, протекающие одновременно и взаимосвязано, в результате
которых из горной породы образуется новое самостоятельное природное тело — почва: 1)
разложение минералов горных пород и образование новых минералов, а также элементов
зольного питания растений в доступных формах; 2) создание органического вещества (на
поверхности породы и в ее верхних слоях), его разложение, синтез новых органоминеральных
соединений в процессе гумификации и их разрушение, аккумуляция и освобождение элементов
зольного и азотного питания; 3) взаимодействие минеральных и органических веществ с
образованием органоминеральных соединений разной степени подвижности; 4) перемещение и
осаждение в почвенной толще различных продуктов почвообразования — минеральных,
органических и органоминеральных; 5) поступление влаги в почву и ее возврат в атмосферу
(транспирация и испарение); 6) поглощение лучистой энергии солнца почвой, ее нагревание и
излучение энергии, сопровождаемое охлаждением, и другие.
Большая часть перечисленных процессов протекает при участии живых организмов — растений
и микроорганизмов. Корни высших растений проникают в породу на значительную глубину,
охватывают большой объем породы, извлекая из ее толщи элементы зольной пищи (фосфор,
калий, серу и др.) и азот (его присутствие в породе связано с биохимической деятельностью
микроорганизмов).
Зеленые растения обладают избирательной поглотительной способностью. Сущность ее
заключается в том, что корни растений усваивают химические элементы из почвенного
раствора с минимальным содержанием наиболее важных для организмов веществ в
присутствии больших количеств остальных соединений. Корни растений как бы переносят
элементы питания из нижних горизонтов породы в верхние. Используя углекислый газ воздуха,
воду, зольные элементы, азот, лучистую энергию солнца, растения синтезируют органическое
вещество.
Наряду с созданием (синтезом) органического вещества происходит его разрушение (под
воздействием микроорганизмов) с образованием новых минеральных соединений, доступных
для следующих поколений растений. Таким образом, между растениями и почвообразующими
породами, а затем и почвами возникает круговорот зольных элементов и азота. В результате его
действия в верхнем слое почвы происходит постепенное накопление элементов минерального и
азотного питания растений — одного из факторов плодородия. Этот круговорот, по
предложению В. Р. Вильямса, был назван малым биологическим круговоротом вещества.
Биологический круговорот развивается на фоне геологического. Часть питательных элементов,
не использованных растением, может вымываться и поступать в большой геологический
круговорот и, наоборот, с помощью растений элементы питания из большого геологического
круговорота могут поступать в малый биологический.
35
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 36 из 79
В основе почвообразовательного процесса лежит малый биологический круговорот веществ.
Органические остатки, которые накапливаются после отмирания растений на поверхности
породы или в ее верхних слоях, минерализуются не полностью, часть их в процессе
гумификации превращается в гумус, который содержит все элементы питания. Накопление
гумуса в верхних слоях и взаимодействие гумусовых веществ с минеральной частью породы
приводят к образованию почвы. Гумус содержится только в почвах и его нет в
почвообразующих породах.
Таким образом, сущность почвообразовательного процесса заключается в создании (синтезе)
органического вещества и его разрушении, а также во взаимодействии минеральной части породы и почвы с продуктами разложения органических остатков и гумусовыми веществами.
3. Свойства почв.
Свойства почвы определяются ее водопроницаемостью, влагоемкостью, водоподъемной
способностью и водоотдачей.
Водопроницаемость — свойство почвы как пористого тела пропускать воду. Она зависит от
механического состава, структурного состояния и сложения почвы.
В почвах легкого механического состава водопроницаемость выражена хорошо, а почвы
тяжелые и особенно бесструктурные — слабоводопроницаемы. При наличии водопрочной
структуры суглинистые и глинистые почвы обладают высокой водопроницаемостью. У почв с
рыхлым сложением она выше, чем у почв уплотненных.
Влагоемкость характеризует способность почвы удерживать влагу. Различают несколько видов
влагоемкости, основными из которых являются наименьшая, капиллярная и полная.
Наименьшая влагоемкость (полевая) — предельное количество влаги, которое способна
удерживать почва в полевых условиях после стекания гравитационной воды и при отсутствии
капиллярного увлажнения за счет грунтовых вод. При наименьшей влагоемкости в почве
содержится максимальное количество воды, доступной для растений, так как водой заполнено
50—70 % пор почвы.
Капиллярная влагоемкость — количество влаги, которое способна удерживать почва при
наличии капиллярной связи с грунтовой водой, за счет которой она пополняется.
Полная влагоемкость — содержание влаги в почве при условии полного заполнения всех пор
водой.
Влагоемкость почвы зависит от механического состава, содержания гумуса и структуры.
Суглинистые и глинистые почвы имеют наибольшую влагоемкость по сравнению с почвами
супесчаными и песчаными. Почвы, богатые гумусом, структурные, способны удерживать влаги
больше, чем бесструктурные и слабогумусированные. Сельскохозяйственные культуры
неодинаково требовательны к содержанию влаги в почве. Наилучшие условия для роста
зерновых культур создаются при влажности почвы 30— 50 %, для зерновых, бобовых — 50—
60, корнеплодов и технических культур — 60—70, луговых трав — 80—90 % полной влагоемкости.
Водоподъемная способность — способность почвы медленно поднимать воду по капиллярным
порам под действием менисковых сил (сцепление воды с почвенными частицами). Высота и
скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше и
быстрее она поднимается. В крупных порах вода поднимается на меньшую высоту, но с
большей скоростью. Почвы тяжелые бесструктурные обладают лучшей водоподъемной
способностью по сравнению с почвами легкими и структурными.
К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, усадка, связность,
твердость и сопротивление при обработке.
Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и
сохранять эту форму впоследствии.
Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим
составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют
состав коллоидной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гумуса. Например,
36
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 37 из 79
при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием —
снижается. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.
Липкость — способность почвы прилипать к различным поверхностям. В результате
прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и
ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении.
Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не
проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая.
Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение
натрием — увеличению липкости. С липкостью связано такое агрономическое и ценное
свойство почвы, как физическая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипает
к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спелости.
Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим
много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим
содержанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много
поглощенного кальция. Набухание может вызвать неблагоприятные в агрономическом
отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы могут
быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных
отдельностей.
Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это обратный процесс набуханию. При
высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.
Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические
показатели, как сумма энергетических затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ
машин и орудий.
Связность почвы — способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся
разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы.
Связность определяет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает почва
проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство
специальными приборами — твердомерами. Высокая твердость является признаком плохих
физико-химических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влияет на
сопротивление при обработке.
Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о
рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических
свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удельное сопротивление почвы
изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.
Почва обладает определенной реакцией, которая проявляется при взаимодействии с водой или
растворами солей. Реакция почвы может быть нейтральной, кислой или щелочной. Эти
свойства почвы имеют чрезвычайно важное значение для роста и развития растений, так как
каждый вид растений лучше всего развивается при определенной реакции почвы.
Кислотность почвы — одно из важных ее свойств, обусловленное определенной концентрацией
водородных ионов. Источник кислотности почвы — органические кислоты, образующиеся при
распаде растительных остатков и вымывающиеся в нижние горизонты. Среди этих кислот
наиболее распространены перегнойные кислоты и прежде всего — креновые.
В зависимости от направления и развития почвообразовательного процесса в отдельных типах
и разностях почв кислотность проявляется по-разному. Если в почвенном растворе имеются
ионы кальция и противодействие повышению кислотности почвы высокое, вредное действие
кислотности почвы уменьшается, а если раствор содержит ионы алюминия, железа и марганца,
ее токсичность для растений и почвенных микроорганизмов увеличивается.
Высокая кислотность всегда отрицательно влияет на микробиологические процессы в почве и
на развитие растений. Если реакция почвы очень кислая (подзолистые почвы), то в почвенном
растворе кроме водорода находятся ионы алюминия, высокая концентрация которых также
37
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 38 из 79
отрицательно влияет на развитие растений. Особенно чувствительны к кислой реакции клевер,
пшеница, лен, свекла.
Кислая реакция почвы затрудняет усвоение растениями азота, кальция, магния и способствует
поступлению в них алюминия и марганца. В растениях, которые растут на кислых почвах,
задерживается превращение моносахаридов в дисахариды и другие сложные соединения,
нарушаются процессы образования белков и обмена.
Различают актуальную, или активную, и потенциальную, или пассивную, кислотность почв.
Актуальная кислотность обусловливается наличием ионов водорода в почвенном растворе, а
потенциальная — водородных ионов и ионов алюминия в почвенном поглощающем комплексе.
Актуальную кислотность почвенного раствора обусловливают в основном растворимые
органические кислоты, которые образуются в почве в результате биохимических процессов.
В ряде случаев отрицательное действие кислой реакции связано с подвижностью ионов
алюминия, который токсичен для растений, особенно при низком рН.
Условным общим показателем кислотности почвы является кислотность почвенного раствора
— рН, которая зависит от содержания в почве свободных кислот и обменных ионов водорода.
Сельскохозяйственные растения лучше всего развиваются при рН от 5,5 до 7,5. Величина рН
наиболее распространенных типов почв колеблется в пределах от 3 до 9, в зависимости от чего
почвы делятся на такие группы: очень кислые — рН 3—4, кислые — рН 4—5, слабокислые —
рН 5—6, нейтральные — рН 6—7, щелочные — рН 7—8, сильно щелочные — рН 8—9.
Почва с рН 6,5—7 практически нейтральна.
Потенциальную кислотность можно определить, если выделить из поглощающего комплекса
поглощенные ионы водорода. В зависимости от того, какими солями определяют
потенциальную кислотность, ее разделяют на обменную и гидролитическую.
Обменная кислотность обусловливается наличием в ППК водорода и алюминия, которые
вытесняются из почвы под действием нейтральных солей. Обменную кислотность обозначают
так же, как и активную, но с обязательным указанием, что это рН солевой вытяжки. Обменная
кислотность сильно кислых почв равна 4,5, кислых — 4,6—5,5, слабокислых — 5,6—6, близких
к нейтральным — 6,1—6,5, нейтральных — 7. Обменную кислотность можно также определять
в миллиграмм — эквивалентах суммы водорода и алюминия на 100 г почвы.
Гидролитическая кислотность — это количество ионов водорода, которые вытесняются из
почвы водным раствором солей слабых кислот и сильных щелочей. Обычно для этой цели
применяют уксуснокислые соли — ацетат натрия или кальция.
Величина гидролитической кислотности в разных почвах бывает от 0,1 до 10 мг-экв и более на
100 г почвы. В обыкновенных черноземах гидролитической кислотности практически нет, реакция их нейтральная, тогда как в черноземах оподзоленных и серых лесных почвах она иногда
достигает 3 мг-экв и более на 100 г почвы. Самая высокая гидролитическая кислотность в
некоторых торфяных горизонтах болотных почв и их разностей. Обычно гидролитическая
кислотность почвы больше, чем обменная. Она практически является общей кислотностью
почвы, потому что при определении ее учитываются как активная, так и обменная формы.
Знание кислотности почвы имеет большое практическое значение для определения потребности
почвы в известковании. Чаще всего пользуются данными гидролитической кислотности. Если
она составляет 1—2 мг-экв, то нет потребности в известковании почв, а если почва имеет
большую кислотность, то ее нужно обязательно известковать. Слабоподзолистые песчаные
почвы известкуют даже при гидролитической кислотности менее 2 мг-экв на 100 г почвы.
При известковании почв кроме гидролитической кислотности учитывают степень
насыщенности основаниями и актуальную кислотность. В известковании нуждаются все почвы
с рН<5,5 и V<70 %. К кислым почвам относятся подзолистые, дерново-подзолистые,
красноземы, а также многие болотные и заболоченные почвы.
При известковании углекислый кальций вступает в реакцию с обменным водородом или
алюминием и замещает его на поверхности коллоидной частички почвы (почвеннопоглощающего комплекса), а вытесненный ион водорода соединяется с кислородом, образуя
38
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 39 из 79
воду и углекислый газ. Для известкования применяют мел, измельченный мергель, а в районах
развития сахарной промышленности — дефекат, который содержит до 60—70 % карбоната
кальция.
Щелочность почвы обусловливается содержанием в почвенном поглощающем комплексе
катионов натрия. В почвенном растворе щелочных почв находится углекислый натрий,
двууглекислый натрий и др. Вследствие диссоциации этих солей в почвенном растворе
преобладают ионы ОН-, поэтому рН>8. Такая реакция неблагоприятная для большинства
сельскохозяйственных культур.
Повышенная щелочность в почве не только вредна для развития растений, но и усиливает
пептизацию коллоидов, вследствие чего резко ухудшаются физические свойства и водный
режим почв.
В зависимости от содержания обменного натрия (в % к сумме поглощенных оснований)
различают такие почвы: свыше 20 % — солонцы, 10—20 — солонцеватые, 5—10 —
слабосолонцеватые, менее 5 % — несолонцеватые.
Почвы, в водном растворе которых есть растворимые соли натрия (в основном хлориды,
сульфаты и карбонаты), называются солончаками. Обычно в составе таких почв есть также
растворимые соли кальция и магния.
Почву, как уже отмечалось, необходимо рассматривать как систему, состоящую из трех фаз
(или частей) — твердой, жидкой и газообразной. Все три фазы почвы находятся в постоянном
взаимодействии, между ними непрерывно протекают реакции обмена и поглощения.
Наибольшей подвижностью и изменчивостью обладают газообразная и жидкая фазы, по
сравнению с ними твердая фаза инертна, но и она содержит активную часть — почвенные
коллоиды.
К коллоидам принято относить все измельченные вещества, размер частиц которых колеблется
от 10 до 10 см. Тонкодисперсные частицы коллоидов обладают большой удельной поверхностью, достигающей 10—50 м2 и более на 1 г вещества, и свободной поверхностной энергией.
Большой запас свободной поверхностной энергии обусловливает такие важные свойства
коллоидов, как высокую адсорбционную способность (поглощение), стремление к агрегации
частиц, и другие.
В процессах обмена и поглощения в почве решающую роль играют коллоиды. Совокупность
почвенных частиц, обладающих свойствами коллоидов, принято называть коллоидным
комплексом почвы или, по предложению академика К. К. Гейдройца, почвенным
поглощающим комплексом (ППК).
Почвенный поглощающий комплекс — высокодисперсная минеральная и органическая часть
почвы, обусловливающая ее поглотительную и обменную способность.
По составу коллоиды почвы подразделяются на три группы: минеральные, органические и
органоминеральные. В почве преобладают минеральные коллоиды, преимущественно из групп
глинистых минералов, гидроокислов и окислов.
Органические коллоиды состоят из гумусовых веществ, поэтому верхние слои почвы содержат
больше органических коллоидов, чем нижние. Органоминеральные коллоиды представлены
комплексными соединениями гумусовых веществ с минеральными.
Содержание коллоидов зависит от механического состава почвы и содержания гумуса.
Наиболее богаты коллоидами глинистые и суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса.
Почвы песчаные, супесчаные, обедненные илистой фракцией и гумусом, содержат
незначительное количество коллоидов.
Коллоиды могут находиться в двух состояниях: коллоидного раствора — золя и коллоидного
хлопьевидного осадка — геля. В том случае, когда твердые коллоидные частицы почвы
распределены в большом объеме воды и отделены одна от другой, они находятся в состоянии
золя. Подобное состояние объясняется двумя причинами: наличием электрического заряда у
коллоидных частиц и водной оболочки вокруг них.
39
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 40 из 79
Образованию геля способствует обезвоживание коллоидных частиц при высушивании и
промораживании почвы и нейтрализация заряда при добавлении в почву электролитов. Процесс
соединения (слипания) коллоидных частиц называется коагуляцией.
Процесс, противоположный коагуляции, называется пептизацией (переход геля в золь).
Пептизируются коллоиды, хорошо набухающие в воде (гидрофильные).
В почве наблюдается переход части коллоидов из одного состояния в другое, но состояние
коллоидов в виде геля — наиболее постоянное. Лишь во влажной почве небольшая часть
коллоидов находится в состоянии золя.
Поглотительная способность — это свойство почвы поглощать и удерживать растворенные или
взвешенные в воде твердые вещества, газы, а также живые микроорганизмы.
ППК способен поглощать вещества, вносимые в почву или образовавшиеся в ней. Известный
ученый К. К. Гедройц, изучая явление поглощения почвой других веществ, выделил 5 видов
поглотительной способности почвы: механическую, биологическую, физико-химическую,
физическую и химическую.
Механическая поглотительная — это способность почвы механически задерживать в своих
порах твердые частички.
Биологическое поглощение обусловливается жизнедеятельностью микроорганизмов, которые
усваивают из почвенного раствора питательные вещества и используют их для построения
своего тела.
Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность обусловливается свойством
коллоидных частиц почвы поглощать из почвенного раствора катионы и анионы, а физические
— адсорбировать на своей поверхности целые молекулы.
Химическая поглотительная способность почвы заключается в том, что растворенные в
почвенном растворе соединения могут реагировать между собой или с твердой частью почвы,
вследствие чего выпадают в осадок и удерживаются в почве.
Физико-химическая поглотительная способность — очень важное свойство почвы.
Питательные элементы для растений в форме ионов могут быть в почвенном растворе или в
адсорбированном состоянии на поверхности почвенных коллоидов.
Между почвенным раствором и твердой частью почвы происходит обмен ионов. Корневые
волоски имеют свойство усваивать питательные вещества из почвенного раствора, а также
ионы, которые находятся в адсорбированном состоянии. Благодаря физико-химической
поглотительной способности питательные элементы, в том числе и внесенные с минеральными
удобрениями, не вымываются с почвы, а удерживаются на поверхности почвенных частиц и
используются растениями.
Соли, содержащиеся в почвенном растворе, диссоциируют, то есть распадаются на частички,
заряженные положительно (катионы) и отрицательно (анионы). Между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором происходит обмен катионов.
Если в почве много ионов калия, то из почвенного поглощающего комплекса в раствор будут
поступать катионы кальция, а при внесении извести в раствор вытесняется одновалентный катион калия. Таким образом, ионы питательных веществ могут находиться как в поглощенном
состоянии, так и в почвенном растворе.
Энергия поглощения катионов зависит от их валентности и атомной массы: чем больше
валентность, а в пределах одинаковой валентности чем больше атомная масса, тем выше
энергия поглощения (за исключением водорода).
Количество катионов, которые может поглотить почва, называется емкостью поглощения, или
емкостью обмена, и выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г почвы. Чем
больше в почве глинистых частиц и гумуса, тем больше ее емкость поглощения. Так,
супесчаные дерново-подзолистые почвы имеют емкость поглощения 5—10 мг-экв, суглинистые
серые лесные почвы— 10—20, а суглинистые черноземы — 30—50 мг-экв на 100 г почвы и
больше.
40
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 41 из 79
Чрезвычайно важное значение для многих свойств почвы, в частности для ее плодородия, имеет
состав поглощенных ионов. Двухвалентные катионы кальция и магния (Са2+, Mg2+), как уже
упоминалось, способствуют коагуляции почвенных коллоидов и образованию структуры
почвы. Эти катионы агрономически наиболее ценные. Одновалентные катионы калия, натрия,
водорода, аммония (К+, Na+, Н+, NH+) пептизируют почвенные коллоиды, не способствуют
образованию структуры почвы, приводят к ухудшению физико-механических и воднофизических свойств. Поглощенный водород также подкисляет почвенный раствор.
Трехвалентные катионы (Al3+, Fe3+) имеют высокое адсорбционное свойство, но в интервале
кислотности, которая свойственна почвам (рН 4,5—7,5), растворимость солей алюминия и
железа чрезвычайно низкая, поэтому их оксиды содержатся в основном в минеральных
коллоидах. Однако в кислых почвах они находятся в поглощенном состоянии, как и в
почвенном растворе, обусловливая его подкисление.
Почвы, в которых до 25 % емкости поглощения приходится на Н+ и А13+, считают
насыщенными основаниями, а если водород и алюминий составляют свыше 25 % емкости
поглощения, это свидетельствует о том, что такие почвы ненасыщены основаниями.
Черноземы, каштановые почвы и сероземы насыщены основаниями, дерново-подзолистые,
светло-серые лесные, болотные почвы, красноземы — ненасыщены. Почвы, в поглощающем
комплексе которых 15—20 % и больше натрия, называются солонцами.
Наряду с физико-химическим поглощением катионов в почве может иметь место поглощение
анионов. По возрастающей способности к адсорбции анионы располагаются следующим образом: С1-, NO3-, O2-. Анионы хлора и нитраты адсорбируются почвой только при наличии
коллоидов с высоким содержанием полутораоксидов алюминия и железа при кислой реакции
среды (красноземы). Обычно хлориды и нитраты почвой не поглощаются и поэтому легко
вымываются. Поскольку они не образуют тяжелорастворимых соединений, содержание их в
почве зависит от водного режима и усвояемости растениями.
Анионы фосфорной кислоты хорошо поглощаются всеми почвами, особенно кислыми,
богатыми на полутораоксиды, бедными на гумус. Лишь незначительная часть фосфатионов
может вступать в обменные реакции с ППК, потому что положительно заряженных коллоидов
мало. Кроме обменного поглощения значительную роль в поглощении анионов фосфорной
кислоты играют реакции химического осаждения с двух- и трехвалентными катионами кальция,
алюминия, железа и др. С ними анионы образуют тяжело растворимые и нерастворимые соли.
Вследствие этого понижается доступ фосфатионов для растений, и это явление называют
ретроградацией.
Вопросы для самоконтроля. Общая характеристика, сходство и различие с природными
водами. Понятие геохимического барьера. Типы геохимических барьеров в почвенных средах:
их роль в миграции и трансформации загрязняющих веществ в почвенном слое.
Литература.
Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1993.
Лекция 11-12. Химия верхних слоев атмосферы.
1. Атмосфера как объект изучения химии географической среды.
2. Состав и структура атмосферы.
3. Воздействие солнечной радиации на атмосферу.
4. Основные реакционно-способные частицы ионосферы и стратосферы.
5. Химия стратосферного озона (кислородный, водородный, хлорный и
азотный циклы озона).
1. Атмосфера как объект изучения химии географической среды.
2.
Состав и структура атмосферы.
41
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 42 из 79
3. Воздействие солнечной радиации на атмосферу.
4.
Основные реакционно-способные частицы ионосферы и стратосферы.
5. Химия стратосферного озона (кислородный, водородный, хлорный и азотный
циклы озона).
6. Вопросы для самоконтроля.
7. Литература.
Лекция 13-14. Химия нижних слоев атмосферы.
1. Тропосфера как глобальный окислительный резервуар.
2. Основные реакционно-способные частицы в тропосфере: гидроксильный
радикал, оксиды азота и серы и их превращения.
3. Газофазные реакции в тропосфере. "Фотохимический смог".
4. Гетерофазные реакции в тропосфере. "Кислые дожди".
1. Тропосфера как глобальный окислительный резервуар.
2.
Основные реакционно-способные частицы в тропосфере: гидроксильный радикал,
оксиды азота и серы и их превращения.
3.
Газофазные реакции в тропосфере. "Фотохимический смог".
4. Гетерофазные реакции в тропосфере. "Кислые дожди".
5. Вопросы для самоконтроля.
6. Литература.
Лекция 15 Методы и средства анализа химического загрязнения
окружающей среды
1. Современные методы аналитической химии в применении к анализу
объектов окружающей среды.
2. Проблемы пробоотбора и пробоподготовки.
3. Тенденции развития методов аналитического контроля за содержанием
экотоксикантов в объектах окружающей среды.
42
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 43 из 79
Современные методы аналитической химии в применении к анализу объектов
окружающей среды.
Проблемы пробоотбора и пробоподготовки.
Тенденции развития методов аналитического контроля за содержанием экотоксикантов в
объектах окружающей среды.
1. Вопросы для самоконтроля.
2. Литература.
3 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Тема занятия
Кол
Час.
Л-1.ВерховскийВ.Н.,
Смирнов А.Д.Техника
Химического
эксперимента.Т.1,М.1973
С.299-346.
1
2.1.
Руководство
Л-2.Методические
Рекомендации к практ.
занятиям по методике и
технике шк.хим.экспер.
Дейнова Т.К.Л.1988.
С.5-6.
Л-1.Т.2.с.3-82,
Л-2.с. 6-10.
1
1
1
Л-1.Т.2. с. 82- 112,
Л-2. с.10- 13.
Л-1.Т.2. с. 132- 159.
1
Л-3. Афанасьев М.А.
идр.Количественные опыты
по химии.М., Просвещение,
1972. с. 18-20,39-42,55-58,7376,78-85,124-133.
1
1
1
Л-1. с. 170-243.
1
Л-4. Полосин В.С.
Школьный эксперимент по
неорганической химии.М.,
просвещение, 1970. с.98-111.
Л-1.Т.2. с. 244-315,
43
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 44 из 79
1
1
1
Л-2. с. 18- 21.
Л-4. с.92-98.
Л-1.Т.2. с.316-377 ,
Л-4. с.115-127.
Л-1.Т.2. с. 378-434,
Л-4. с.127-234.
Л-1.Т.2. с. 435-470,
Л-4. с.134-147 .
1
9.
1
Л-4. с 148-154.
Л-1.Т.2. с. 11- 25.
Л-4 с.154-163
1
Л-4. с.163-165.
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
№ Тема
Цель
и
содержание
Задания
Реформирован Подготовиться
ие школьного к лекциям по
образования.К теме.
онцепция
Законспектиров
школьного
ать
химического
вопросы СРС
образования.
по
теме
Химический
(см.УМКД).
кабинет
Подготовиться
Рекомендуемая
литература
осн./доп.
1.
Л-1.ВерховскийВ.Н.,
Смирнов А.Д.Техника
Химического
эксперимента.Т.1,М19
73
Форма
отчета
Срок
Конспект
Контр.
3,6
Работа
недели
Коллокви
ум №1.
Л-2.Методические
Рекомендации к практ.
занятиям по методике
44
УМКД 042_____/03-2013
Редакция № 1
от .09.2013 г.
стр. 45 из 79
химии и его к коллоквиуму и технике
шк.хим.экспер.
оборудование. №1.
Дейнова Т.К.Л.1988.
Л-3. Афанасьев М.А. и
др.Количественные
опыты по химии.М.,
Просвещение, 1972.
2
Л-4. Полосин В.С.
Школьный
эксперимент по
неорганической
химии.М.,
просвещение, 1970.
Л-1.ВерховскийВ.Н.,
Химический
Подготовиться
эксперимент - к лекциям по Смирнов А.Д.Техника
Химического
основа
теме.
эксперимента.Т.1,М19
изучения
Законспектиров 73
химии.
Методы
химического
эксперимента.
Техника
и
методика
химического
эксперимента.
ать
вопросы СРС
по
теме
(см.УМКД).
Подготовиться
к коллоквиуму
№2.
Л-2.Методические
Рекомендации к практ.
занятиям по методике
и технике
шк.хим.экспер.
Дейнова Т.К.Л.1988.
Конспект 10,14
Ответ по недели
индив.
заданиям
Коллокви
ум №2.
Л-3. Афанасьев М.А. и
др.Количественные
опыты по химии.М.,
Просвещение, 1972.
Л-4. Полосин В.С.
Школьный
эксперимент по
неорганической
химии.М.,
просвещение, 1970.
45