Химия окружающей среды Вторушина Анна Николаевна ТПУ - 2013

для студентов, обучающихся по направлению:
280700 «Техносферная безопасность»
Химия окружающей
среды
Вторушина Анна Николаевна
ТПУ - 2013
ГИДРОСФЕРА
ГИДРОСФЕРА
- Прерывистая водная оболочка Земли.
Состав гидросферы по классам
вод
Состав
гидросферы
 Общая масса воды 2×1018 т – 0.025%
массы Земли.
 Объем гидросферы – 1375 × 106 км3
 Мировой океан – 71%
Свойства воды
 Зависимость плотности от
температурного режима
 Теплоемкость
 Удельная энтальпия плавления
 Удельная энтальпия испарения
 Диэлектрическая проницаемость
 Поверхностное натяжение
Показатели качества
воды
1. Физические:
Цветность, запах, вкус, прозрачность
2. Химические:
pH, жесткость, щелочность,
окисляемость (ХПК, БПК)
Роль гидросферы:
 Среда, в которой произошло зарождение и
развитие живого вещества;
 Обязательный компонент в составе живого
организма;
 Переносчик растворенных веществ между
литосферой и гидросферой, атмосферой и
гидросферой, между живыми организмами и
окружающей средой;
 Универсальный растворитель –
взаимодействует со всеми веществами, как
правило, не вступая в реакции.
Видеофрагмент №1
Роль гидросферы
Гидросфера
Химия Мирового
океана
Состав Мирового океана
1) главные ионы – одиннадцать
компонентов составляют 99,98 % по
массе от всех растворенных в океанской
воде солей (табл. 5)
2) биогенные элементы – С, Н, N, P, Si,
Fe, Mn, из которых состоят организмы;
3) растворенные в морской воде газы –
О2, N2, CO2, углеводороды и инертные
газы;
4) микроэлементы;
5) органические вещества.
Источники элементов в
океане:
 речные воды (основной источник)
 высокотемпературные гидротермальные
излияния
 глубинные источники
Изъятие элементов из вод океана:
 Осаждение на дно
 Испарение
Источники элементов в
океане
Характеристики вод
океана:
 Соленость
 Водородный показатель (pH)
 Прозрачность
Ресурсы океана:
 Среда обитания для многих видов
животных и растений
 Источник химических элементов
 Регулятор баланса СО2- О2
Процессы в дельтах рек
и эстуариях
1. Агрегация
коллоидного
материала
Рис. Двойной
электрический слой,
включающий в себя
неподвижный слой
отрицательных
зарядов на частице
и подвижный слой
ионов из раствора
Процессы в дельтах рек и
эстуариях
2. Процессы перемешивания
Рис. Идеализированные графики консервативного и
неконсервативного перемешивания в дельтах рек. Ср и
СМ- концентрации ионов в речной и морской воде
Процессы в дельтах рек и
эстуариях
3. Гальморолиз и ионный обмен в дельтах
Гальморолиз - процесс, с помощью которого
материал суши приводится в соответствие
с морскими условиями.
Понятие гальморолиза определено неточно.
Считают, что он включает в себя все те
реакции, которые оказывают влияние на
частицу в океане до захоронения ее в
виде осадка.
Процессы в дельтах рек и
эстуариях
4. Микробиологическая деятельность в дельтах
Рис. Зависимость концентрации растворенных силикатов (а) и
неорганического фосфора (РНФ) (б) от солености в дельте
р. Грейт Уз (неконсервативное удаление)
Процессы в дельтах рек и
эстуариях
4. Микробиологическая деятельность в
дельтах
Рис. Средние концентрации растворенного
кислорода в приливо-отливной части реки Темзы
осенью
Химия основных ионов
морской воды
Свойства морской воды:
1. Высокая ионная сила морской воды,
которая содержит около 35 г/л солей.
2. Химический состав морской воды, с
высоким содержанием ионов Na+ и Сl-.
3. Постоянные относительные
концентрации основных ионов морской
воды во всех океанах Земли.
Постоянство химии главных
ионов в морской воде в
геологическом временном
масштабе
 Эвапориты — соли, которые выпали
природным путем из испаряющейся
морской воды в бассейнах, по
большей части отрезанных от
открытого океана.
Последовательный ряд и
приблизительные мощности слоев
солей, осаждающихся при испарении 1
км морской воды
Химический круговорот
главных ионов
Времена пребывания ионов в морской воде –
индикатор путей их обращения.
Ион
Na+
Mg2+
K+
Ca2+
HCO3
SO42
Cl-
Время пребывания
(106 лет)
78
14
13
1.1
0.09
12
131
Простая модель, суммирующая
привнос материала в морскую
воду
Упрощенный баланс для основных
ионов в морской воде. Все величины
даны в 1012 моль/год
Ион
ClNa+
Mg2+
SO42 
K+
Ca2+
HCO3
Si
Речной
приток
5.8
8.3
5.0
3.2
1.1
11.9
30.6
5.8
Удаление/источник*
КОCaCO3 Опаловые Сульфиды
глины
силикаты
Потоки Эвапориты
моревоздух
1.1
4.7
0.9
4.7
0.8
0.1
1.2
1.2
0.1
-0.5
СОХ
1.6
-4.9
0.6
1.2
-0.8
-4.8
17
34
-2.4
7.0
КО-глины – катионный обмен на глинистых минералах
дельт; СОХ – срединные океанические хребты и др.
взаимодействия базальт-морская вода
-1.1
Процессы выноса
главных ионов морской
воды
1. Потоки море – воздух
2. Эвапориты
2
( водн )
Ca
 SO

( водн )
Na
2
4( водн )
 2H 2O( ж) 
 CaSO4  2H 2O( тв )

( водн )
 Cl

 NaCl( тв )
3. Катионный обмен
4. Осаждение карбонатов
Процессы выноса главных
ионов морской воды
4. Осаждение карбонатов
2
( водн )
Ca

3( водн )
 HCO

 CaCO3( тв )  H 2O( ж)
Процессы выноса главных
ионов морской воды
4.1. Биологический вынос ионов Ca2+ и
HCO3- играет существенную роль
Планктонная
кокколитофорида, скелет
состоит из круглых щитков,
окружающих каждую
водорослевую клетку
Планктонная
фораминифера,
распространенная в
тропических океанах
Процессы выноса главных
ионов морской воды
4.2. Абиогенное осаждение карбонатов
– играет второстепенное значение
Обогащенные ооидами
отложения с Большой
Багамской отмели
Нитчатые илы (нити
арагонита) с Большой
Багамской отмели
Процессы выноса
главных ионов морской
воды
5. Опаловые силикаты
Опаловые силикаты (опал) — это
разновидность продуцируемого
биологически диоксида кремния (SiO4
nН2О), выделяемого как скелетный
материал морским фитопланктоном
(диатомеями) и одной группой
морского зоопланктона
(радиоляриями)
Процессы выноса главных
ионов морской воды
5. Опаловые силикаты – 95%
растворяется по мере погружения
вниз
Кремнистая радиолярия,
экваториальная часть Тихого
океана
Кремнистая диатомовая
водоросль, экваториальная
часть Тихого океана
Процессы выноса
главных ионов морской
воды
6. Сульфиды
2
4( водн )
2CH 2O( тв )  SO

3( водн )

 2HCO
 HS

( водн )
 H (ж)
- Этот процесс широко распространен в морских
отложениях и особенно важен на границе
континентов.
2
( водн )
Fe

( водн )
 HS
2
3( водн )
FeS( тв )  S2O

 FeS( тв )  H

( водн )
2
3( водн )

 FeS2( тв )  SO

Процессы выноса
главных ионов морской
воды
7. Гидротермальные процессы
Рис. Упрощенная схема строения срединного
океанического хребта
Процессы выноса
главных ионов морской
воды
Рис. Гидротермальная конвекция в срединном
океаническом хребте
Процессы выноса главных
ионов морской воды
7. Гидротермальные процессы
Рис. Черный курильщик,
Восточное Тихоокеанское Поднятие
Процессы выноса
главных ионов морской
воды
7. Гидротермальные процессы:
а) гидротермальные реакции как сток
главных ионов.

2
11Fe2 SiO4( тв )  2 H 2O( ж )  2Mg(2водн

2
SO

)
4( водн ) 

 Mg 2 Si3O6 (OH )4( тв )  7 Fe3O4( тв )  FeS2( тв )  8SiO2( водн )
б) гидротермальные реакции как источники
главных ионов
в) гидротермальные реакции с участием
сульфатов и калия
БАЛАНС ЗАПАСОВ ГЛАВНЫХ
ИОНОВ МОРСКОЙ ВОДЫ
Запасы главных ионов в морской воде
сбалансированы (приход = расходу),
кроме К+
1. «Обратные реакции выветривания»
Разрушенный
алюмосиликат( тв )  K (водн )  HCO3( водн )  H 4 SiO4( водн ) 


 K  алюмосиликат( тв )  CO2( г )  H 2O( ж )
2. Фиксация К+ на глинистых минералах
в результате реакций ионного обмена
3. Вынос ионов из морской воды за
счет постоянного захоронения в
поровой воде отложений
Рис. Распределение
концентраций Ca2+ и
Mg2+ в осадочных
поровых водах в
зависимости от
глубины
Следовые химические
элементы в морской
воде
Сравнение общего атмосферного и речного
притоков в океаны Земли (109 моль/год)
Металлы (по поведению в процессе
химического круговорота)
делятся:
1. Консервативное поведение (
практически постоянные концентрации
по всей глубине, длительные времена
пребывания, хорошо перемешаны),
например: Mo, W, Br-, Cs+
2. Поведение по типу питательных
веществ
3. Класс выноса - извлечение элементов
Вертикальное распределение
растворенных молибдена и вольфрама в
северной части Тихого океана
(консервативное поведение)
2. Поведение по типу питательных
веществ
Сезонные циклы продуктивности и средние
глобальные скорости первичной продукции
Вертикальное распределение
растворенных нитратов (а), фосфора (б) и
кремния (в) в Атлантическом, Тихом и
Индийском океанах (поведение по типу
питательных веществ)
Концентрации питательных
веществ и металлов в глубинных
(более 3 км) водах Северной
Атлантики и севера Тихого океана
и времена их пребывания
Компонент
Северная
Север
Атлантика Тихого
океана
Нитрат (мкмоль/л)
20
40
Кремний (мкмоль/л) 25
170
Фосфор (мкмоль/л)
1,3
2,8
Цинк (нмоль/л)
1,7
8,0
Кадмий (нмоль/л)
0,3
0,9
Алюминий (нмоль/л) 20
0,4
Магний (нмоль/л)
0,6
0,2
Приблизительные
времена пребывания
в океане, годы
57000
20000
69000
4500
32000
50
30
Вертикальное распределение
растворенного цинка и кадмия на севере
Тихого океана (поведение аналогично по
типу питательных веществ, но не всегда
компоненты являются лимитирующими
для биологических процессов)
3. Класс выноса - извлечение
элементов
Вертикальное
распределение
алюминия в северной
части Тихого океана.
Причиной увеличения
концентрации
алюминия в
глубинных водах
является привнос
алюминия из
отложений морского
ложа
Концентрации свинца и годичных
слоях определенного возраста в
кораллах, собранных у
Флоридских Ключей
Океаническая
циркуляция
Идеализированная карта глубинных океанических
течений (жирная линия) и поверхностных
течений (штриховая линия)
Глобальный круговорот глубинных
океанических вод. Основные маршруты
течений (точечный орнамент).
Глубинному перемешиванию в северной
части Тихого океана препятствует
топография морского ложа вокруг
Алеутской дуги.
Видеофрагмент №2
Функционирование морских
экосистем на примере
кораллового рифа
Химия континентальных
вод
Континентальные воды:
 реки;
 озера;
 грунтовые воды и т.д.
Химия континентальных
вод
Химический состав континентальных
вод контролируется
преимущественно факторами:
 химией элементов;
 режимами выветривания;
 биологическими процессами.
Химия континентальных
вод
Особенности химии континентальных
вод:
1. В составе пресных вод в ионной форме
преобладают 4 металла (Ca2+, Na+, K+,
Mg2+).
2. Концентрации ионов в растворе низки.
3. Ионный состав растворенных веществ в
пресной воде принципиально отличается
от состава континентальной коры
(основной источник компонентов в
процессах выветривания).
Химия континентальных
вод
Сравнение среднего состава основных катионов в
породах континентальной коры и речных водах
Al
Fe
Ca
Na
K
Mg
Континентальная кора,
мг/кг
80
35
30
29
28
13
Речные воды,
мг/кг
0.05
0.04
13.0
5.2
1.3
3.4
Химия континентальных вод
Зависимость влияние химии элементов на состав
отношения
средних
концентраций
элементов в
реках в
составе
взвеси к
содержанию в
растворе от
отношения
заряд/ионный
радиус для
наиболее
распростране
нных ионов
этих
элементов
Загрязнение вод
Способы проникновения загрязнений:
1. Сброс сточных вод
2. Утечка или просачивание с
последующим переносом
3. Перенос речным потоком
4. Взаимодействие и перенос на
поверхности раздела воздух-вода и
вода-воздух
Источники загрязнения
гидросферы:
1. Естественные (вулканическая
деятельность, разрушение горных
пород, продукты жизнедеятельности
организмов и т.д.)
2. Антропогенные:
- токсичное (пестициды и др.)
- эвтрофирующее
Эвтрофицирование водоемов
Эвтрофикация вод – повышение
биологической продуктивности водных
объектов, в первую очередь малых рек
и водохранилищ на них, в результате
накопления в воде биогенных веществ
(азота и фосфора) под воздействием
антропогенных или естественных
факторов.
Эвтрофицирование:
естественное
антропогенное
Естественное эвтрофирование – длительный
процесс.
Определяется действием абиотических
факторов:
1. интенсивность солнечной радиации,
2. изменение климатических условий (зональные
и сезонные различия величины и характера
атмосферных осадков, колебание
температуры, воздействие ветра),
3. величина водного стока,
4. зональное различие в гидрохимическом стоке
(общая минерализация воды, различное
содержание химических ингредиентов),
Действие биотических факторов - биологические
процессы в водоеме.
Антропогенное эвтрофирование – очень
быстрый процесс.
Определяется:
 сбросом в водоемы бытовых и промышленных
сточных вод;
 выносом с полей минеральных удобрений,
пестицидов и ядохимикатов;
 окультированием земель на площади водосбора
и побережья водоемов;
 регулированием режимов работы
гидросооружений;
 рекреационным использованием водоемов.
Критерии определения уровня
трофности водоема:
 уменьшение концентрации растворенного
кислорода;
 увеличение концентрации биогенных веществ;
 увеличение содержания взвешенных частиц,
особенно органического вещества;
 последовательная смена популяций водорослей
с преобладанием сине-зеленых или зеленых
водорослей;
 увеличение мутности (не проникновения света)
водной среды;
 увеличение концентрации фосфора в донных
отложениях.
Темы докладов:
1. Классификация природных вод.
Показатели качества вод и способы
их определения.
2. Загрязнение водных объектов
пестицидами.
3. Загрязнение водных объектов
синтетическими поверхностноактивными веществами (СПАВ).
Темы докладов:
4. рН, механизм стабилизации рН в реках,
озёрах, болотах, океанах, влияние
изменения рН на гидросферу.
5. Влияние серосодержащих веществ на
экосистемы водоёмов (механизм
воздействия, возможные
последствия).
6. Источники загрязнения гидросферы
радиоактивными веществами,
механизм радиационного загрязнения
и возможные последствия.
Темы докладов:
7. Загрязнение водных объектов бытовыми
сточными водами (источники загрязнения,
последствия и т.д.).
8. Загрязнение водных объектов
нефтепродуктами.
9. Проблемы мирового океана.
10. Минеральные ресурсы мирового океана.
Темы докладов:
11. Абиогенное осаждение карбоната
кальция. Тонкозернистые илы (ооиды и
нитчатые илы) Большой Багамской
отмели и Персидского залива.
12. Гидротермальные излияния – источник
или сток главных ионов морской воды?
Черные курильщики.
13. Океаническая циркуляция и ее влияние
на распределение микроэлементов в
гидросфере .