Реферат «ХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ГАЗОВЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ. РОЛЬ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ В ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ И ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ЗЕМЛИ»


Атмосфера - внешняя газовая оболочка биосферы. Ее масса составляет примерно одну миллионную часть массы Земли (5,98 ∙ 1021 т). Однако, роль атмосферы огромна. Она определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от космического излучения и ультрафиолетового излучения Солнца и др.
В состав атмосферы (по объему) входят: азот - 78,09%, кислород - 20,95%, аргон - 0,93%, неон - 0,00018%, а также углекислый газ (0,03%), другие газы, пары воды. Азот, кислород и инертные газы относятся к постоянным компонентам воздуха, углекислый газ и пары воды - к его переменным компонентам, поскольку содержание последних может сильно меняться в зависимости от условий. Кроме того, различают случайные составляющие воздуха. Это могут быть:
1.Природные выделения:
❖пыль, образующаяся при эрозии почв, а также растительного, вулканического или космического происхождения;
❖туман, частицы морской соли, вулканические газы, дым (газ от лесных и степных пожаров);
❖различные продукты растительного, животного или микробиологического происхождения;
2.Загрязняющие вещества (ЗВ) антропогенного происхождения:
❖твердые вещества (пыль, сажа, копоть и т. и.);
❖оксиды серы {SO2 SO3), углерода (СО, СО2), азота (NO, NO2);
❖различные углеводороды и т. д.
Естественные источники загрязнения, связанные с различными катаклизмами (извержениями вулканов, землетрясений и т.п.), нередко уступают мощности антропогенных выбросов. Так, природные источники выбрасывают 30 млн. т оксида серы (IV), антропогенные - 150 млн. т оксида серы (IV).
Вместе с тем воздушный океан обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ (в определенных границах). Крупные и мелкие аэрозольные частицы выпадают на земную поверхность самостоятельно (под действием силы тяжести) или с дождевыми каплями. В атмосфере протекают химические реакции с участием загрязнителей и т. д. Естественно, что защитные ресурсы природы не безграничны. Поэтому большие объемы вредных выбросов влекут за собой неблагоприятные экологические последствия, т.к. при их повышении не будет происходить полного рассеивания и разложения примесей.
Парниковый эффект. Наблюдения показывают, что содержание углекислого газа в атмосфере (вследствие сжигания топлива, вырубки лесов и др.) неуклонно растет. Уплотненный слой СO2, подобно стеклу (или пленке) в оранжерее (теплице), свободно пропускает лучистую энергию Солнца к земной поверхности, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли в космос и тем самым создает так называемый парниковый (тепличный) эффект.
Это грозит глобальным изменением климата на планете. Как следствие всеобщего потепления (повышения температуры) может быть таяние щитовых ледников, повышение уровня Мирового океана, всемирный потоп на равнинах и т.п. Парниковый эффект (в меньшем масштабе) изменит такие критически важные параметры, как количество осадков, испарение с поверхности океана, влагоперенос, ветер, слой облаков и др. В частности, усиление испарения приводит к тому, что почва станет суше на обширных территориях.
Концентрация углекислого газа в атмосфере растет примерно в четыре раза медленнее, чем это следует из расчета по количеству сжигаемого топлива. Значительная часть углекислого газа поглощается из атмосферы океаном и откладывается в виде карбонатов:
CO2 +H2O → H2CO3
H2CO3 + Ca2+ → CaCO3 + 2H+
Содержание углекислого газа в океане (по массе) почти в 100 раз больше, чем в атмосфере, но диффузия его в глубинные слои - процесс медленный (что лимитирует газообмен). Другой путь - потребление углекислого газа фотосинтезирующими организмами с образованием биомассы.
Влияние человека на природу многогранно; его деятельность может дать противоположный результат (действию С02). Например, запыление атмосферы создает экран для солнечной радиации, следовательно, способствует похолоданию/

Рис. 1. Влияние загрязнения атмосферы продуктами сгорания горючих ископаемых на изменение теплового баланса Земли (а - парниковый эффект - захват тепловой энергии в атмосфере Земли из-за повышенного содержания в ней углекислого газа, способствующий потеплению климата; б - отражение солнечного излучения частицами пыли, попадающими в верхнюю атмосферу Земли, способствующий похолоданию климата)
Разрушение озонового слоя. Важнейшей (хотя и малой) частью земной атмосферы, защищающей все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового солнечного излучения, является озоносфера (основная масса O3 расположена на высотах 10 - 50 км с максимумом концентрации на 20 - 25 км).
Образование атмосферного озона связано с расщеплением молекул O2 (или отщеплением атомов О от молекул, содержащих кислород) под влиянием коротковолнового излучения (hv < 2400 А):

Одновременно при действии радиации (с = 2550 А) происходит распад молекул озона:

Значит, при образовании и разрушении молекул озона поглощается ультрафиолетовое излучение. Однако озон не только задерживает вредное для жизни избыточное солнечное излучение, но и (как СO2, особенно пары воды) поглощает тепловое излучение поверхности Земли, препятствуя ее охлаждению.
Реакции образования и распада озона приводят к равновесию (постоянству концентрации озона). Оно хрупко. Активную роль в образовании и разрушении озона играют окислы азота и тяжелых металлов (медь, железо, марганец), хлор, фтор, бром. Так, окись азота участвует в разрушении озонового слоя по схеме
NO + O3= NO 2 + О 2
Большую угрозу озоновому слою Земли несут насыщенные фторхлоруглеводороды (иногда с атомами Вг), известные как фреоны (хладоны), например, CFCl3 (фреон - 12), CF2Cl2 (фреон - 22), CF3Br (фреон - 13В1), CFCl2 - CFCl2 (фреон - 112) и т. п.
В условном обозначении фреонов последняя цифра означает число атомов F, предпоследняя - число атомов Н, увеличенное на единицу, третья (от конца) - число атомов С, уменьшенное на единицу. У бромфреонов ставится буква В с цифрой, указывающей наличие атомов Вг.
Фреоны применяются как рабочие тела (хладоносители) в холодильных установках, пропелленты для аэрозолей, компоненты огнетушащих составов и др. Почти 95 % этих веществ попадает в атмосферу. Являясь инертными в нижних слоях атмосферы, они быстро разрушаются в стратосфере, содействуя распаду озона
Наблюдения (с помощью искусственных спутников Земли) показывают, что озоновый слой над Антарктикой (и в ряде других регионов нашей планеты) разрушен. Причиной образования озоновой дыры (несомненно влияющей на климат и погоду земного шара) вероятнее всего является выброс в атмосферу химических веществ.
В 1985 г. была подписана Венская конвенция, а в 1987 г. - Монреальское межправительственное соглашение по охране озонового слоя Земли. Предусматриваются ограничения на производство фреонов, азотных удобрений, бромсодержащих веществ. В ряде стран ведутся поиски новых соединений с целью замены веществ, признанных опасными для озонового слоя.
Кислотные дожди. Одним из основных загрязнителей атмосферы является сернистый газ (SO2). Продолжительность пребывания его в атмосфере не очень велика (около 15-20 суток). Он окисляется кислородом воздуха до SO3:
2SO2 + О 2 = 2SO3
Сернистый ангидрид участвует также в фотохимических процессах, идущих в атмосфере:

В присутствии воды SO2 и SO3 дают кислоты (сернистую и серную)
SO 2 + Н2O = H2SO3
SO3 + Н2О = H2SO4
которые превращают выпадающие дожди в кислые (растворы кислот). Таким образом, оксид серы (IV) является причиной образования кислотных дождей.
Дождевая вода, возникающая при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию (pH = 7). В действительности она слегка подкисляется (до pH = 5,6 - 5,7) уже при взаимодействии с всегда присутствующим (даже в чистом воздухе) углекислым газом:
СО 2 + Н2О = Н2СO3
Свой весомый вклад вносит оксид азота (IV)
2NO2 + Н2О = HNO2 + HNO3
Диоксиды серы и азота делают дожди заметно кислыми.
От кислотных дождей страдает растительный и животный мир. Леса высыхают, развивается суховершинность. У хвойных деревьев желтеет и отпадает хвоя, у лиственных изменяется окраска листьев, повреждается кора. Подвержены неблагоприятному воздействию сельскохозяйственные культуры (особенно листья томатов, сои, фасоли, табака и др.) и декоративные растения. В реках и озерах гибнут моллюски, ракообразные, рыбы. Косвенно страдает и здоровье людей.
Кислота разрушает сооружения из мрамора и известняка, что грозит утратой многих исторических памятников искусства.
Смог. Опасные последствия вызывает смог (как следствие загрязнения воздуха определенными химическими веществами).
Лондонский смог - это смесь тумана и дыма, главным компонентом которого является оксид серы (IV), попадающий в атмосферу города при сжигании (для отапливания жилья) битумных углей. После трагического смога 1952 г. в Лондоне (этот смог вызвал гибель 4700 человек) английский парламент принял закон, предусматривающий создание местными властями контрольных (или «бездымных») зон, что дало положительные результаты.
Не менее коварен фотохимический туман (смог лос-анжелесского типа), возникающий при действии солнечной радиации на газовые выбросы (преимущественно автотранспортом). В сложной смеси углеводородов и оксидов азота автомобильных выбросов протекают фотохимические превращения:

и т.п. В результате образуются различные продукты (свободные радикалы, альдегиды, перекиси и др.), значительно превышающие по своей токсичности исходные загрязнители. Так, в фотохимическом смоге обнаружен пероксиацетилнитрат (ПАН), который является сильным лакриматором (он раздражает слизистую оболочку глаз). При этом смоге отмечаются симптомы удушья, обостряются легочные и другие заболевания. Повреждает смог и растения (за что ответственен в основном ПАН), вызывает коррозию и т.д.
Основные источники загрязнения атмосферы
Количество SO2, ежегодно загрязняющее атмосферу Земли, оценивается в 140 - 160 млн.т, причем около 70 % его выбрасывают с дымовыми газами топливно-энергетические установки (при сжигании сернистых углей и мазутов), 15% - предприятия химической и газонефтеперерабатывающей промышленности.
Количество антропогенных выбросов оксидов азота (в пересчете на NO2) составляет примерно 60 млн т ежегодно, причем 95% выбросов дает энергетика с транспортом и менее 5% приходится на долю химической промышленности.
К основным источникам загрязнения атмосферы относятся предприятия топливно-энергетического комплекса, а также черной и цветной металлургии, автотранспорт и т. д.
Тепловые станции выбрасывают в атмосферу не только СO2, но и также СО (угарный газ), диоксид серы и оксиды азота, различные углеводороды, частицы топлива и др.
Доменный и мартеновский процессы, обжиг сульфидных руд цветных металлов сопровождаются выбросами в атмосферу громадного количества пыли (в ее состав входят оксиды железа и никеля, кремния (Si02), марганца (Мп02), ванадия (V2Os)), оксид серы (IV), оксид углерода (II) и др. Алюминиевая промышленность загрязняет воздух фтористыми соединениями.
Весьма значительный вклад в загрязнение атмосферы вносит автомобильный транспорт. В выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) содержатся окись углерода, окислы азота, углеводороды, альдегиды, сажа и пр. К этому надо добавить канцерогенные вещества (такие, как бензапирен), а также соединения свинца (оседающие вдоль дорог) вследствие использования этилированного бензина.

В идеальном случае при сжигании топлива должны получаться только углекислый газ и пары воды, например:
С9Н20 + 14O2 = 9СO2 + 10Н2О.
Однако из-за неполного сгорания (и разного рода добавок) образуются различные химические вещества:
С9Н20 + 9,5O2 = 9СО + 10Н2О
С8Н18 + 2,5O2 = 4СН3-СНО + Н2O
Рb(С2Н5)4 + 2СН3СН2Вr+ 14,5O2 = РbВr2 + 12СO2 + 15Н2O
и т.п.
Выбросы машиностроительных заводов, помимо основных загрязнителей (СO2, SO2, NO2, и др.), часто содержат различные вредные вещества, связанные со спецификой производства. Например, вентиляционный воздух гальванических ванн богат НСl, H2SO4, Cr2O3, NO2, NaOH и пр. При сварке и резке металлов в воздух попадают газы, химический состав которых зависит от природы свариваемых материалов (обычно это соединения хрома, никеля, марганца и др.).
В угольной промышленности источниками загрязнения атмосферы могут быть отвалы пустой породы, внутри которых (вследствие самовозгорания) нередко в течение долгого времени идет горение угля и пирита, сопровождаемые выделением СО, SO2 и др.
При добыче, хранении, транспортировке и переработке нефти теряется (в воздух) огромное количество углеводородов.
При производстве стройматериалов и цемента выбросы состоят в основном из пыли (цементная промышленность является «поставщиком» тончайшей пыли).
Выбросы химической промышленности весьма разнообразны и очень агрессивны (хотя и составляют всего 1,3 % всех промышленных выбросов). Так, при производстве фосфорных удобрений, алюминия, керамических и других материалов в атмосферу попадают соединения фтора (HF, SiF4, NaF, F2 и т. п ). Газообразные CF и НСI попадают в атмосферу при электролитическом получении хлора, производстве калийных удобрений и т.д. Немалую долю в загрязнении атмосферы вносит смесь оксидов азота (нитрозные газы), которые образуются при получении азотной кислоты, производстве азотных удобрений, нитровании органических соединений и т.п.
Немало используется в химических и нефтехимических производствах горючих и взрывоопасных веществ.
Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это самая тонкая оболочка планеты (0,001 % массы Земли); она находится в тесной связи с атмосферой и литосферой.
Вода - самое распространенное вещество на Земле и играет исключительную роль во всех жизненных процессах. Растения содержат 90% воды; тело человека - 71%, его кровь - 90%, мускулы - 75%, кости - 28%. В год человек потребляет около 1 т воды. При потери человеком 10% воды может наступить самоотравление, при потере 21% - смерть. Без воды немыслима хозяйственная деятельность человека. Потребность воды в промышленности очень велика. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство (орошение, мелиорация, животноводство), причем три четверти ее расходуется безвозвратно. Большое значение вода имеет в выработке электроэнергии.
Вода как вещество обладает рядом аномальных особенностей, которые обусловлены ее молекулярным строением. Одно из таких свойств - необычно высокая температура кипения и замерзания, а также теплоемкость. Некоторые аномалии воды имеют огромное значение для таких важных процессов, как возникновение и поддержание жизни на Земле, образование климата нашей планеты, формирование ее рельефа.
Общий запас воды на Земле составляет около 1000 млн км3 (на долю суши приходится 29,2% Земли); 98 % этого запаса - морские соленые воды, 2% - пресные, из них лишь 0,01% находится в доступной форме для использования (реки, озера, водохранилища). Морская вода содержит в среднем 35 г/л солей. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает территорию суши.
Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды связывает воедино все части гидросферы, образуя замкнутую систему: океан, атмосфера, суша. Вода является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли.
Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, происходящих внутри организмов и для создания тех условий среды, которые обеспечивают возможность жизни на Земле.
В естественных условиях вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, взвешены твердые частицы. Пресной считается вода с содержанием солей до 1 грамма в литре.
Сброс неочищенных производственных или бытовых сточных вод в водоемы оказывает на них многообразное отрицательное воздействие. Прежде всего, загрязненная вода не может быть использована для водоснабжения. Кроме того, содержащиеся в воде растворимые и нерастворимые органические и неорганические вещества приводят к образованию шламовых донных отложений, к загниванию и изменению воды, гибели водной флоры и фауны. В каждом водоеме, куда сбрасываются сточные воды, кроме рыб и водоплавующих птиц, находится (в толще воды) планктон, состоящий из взвешенных в воде мельчайших микроорганизмов: водорослей, инфузорий, рачков, личинок, насекомых и пр. Планктон является пищей для рыб. На дне водоемов находятся донные организмы, составляющие бентоз: водоросли, моллюски, пиявки, цветковые растения, также необходимые рыбам.
Последствия загрязнений могут быть сгруппированы по воздействию на основные параметры водной системы следующим образом:
Кислород. Он нужен для окисления и разложения многих соединений и организмов, а также для жизнедеятельности живых организмов. Если количество кислорода в водной среде уменьшается, то меняются параметры среды и те организмы, которые дышат кислородом, оказываются в условиях, когда дыхание затруднено, количество биологических видов ограничивается и их активность понижается. Следовательно, это вызывает гибель планктона, бентоза, рыб. Одновременно станут усилено развиваться анаэробные микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде. Биологическое равновесие нарушается, начинается загнивание водоема.
Питательные вещества. Некоторые элементы и неорганические соединения являются основной пищей автотрофных организмов, входящих в биологический пищевой цикл. Если снабжение этими веществами усиливается или уменьшается, то возникают серьезные трудности.
Биологически активные вещества. Некоторые химические соединения, попадая в биологический круговорот, могут вызывать как хронические (долговременные), так и острые (кратковременные) изменения. Эти вещества отличаются большим разнообразием свойств: от соединений, влияющих на физиологические процессы, до широкого спектра ядов селективного действия.
Взвешенные твердые частицы. Они склонны к образованию нестабильных или устойчивых суспензий и включают как неорганические, так и органические компоненты. При повышении их содержания ухудшается пропускание света, снижается активность фотосинтеза, ухудшается внешний вид воды и может нарушаться жаберное дыхание. При оседании их на дно уменьшается активность придонных флоры и фауны.
Тепловые воздействия. При сливе вод, имеющих температуру иную, чем у воды водоема, происходят физиологические изменения, зависящие от разности температур. Между этими изменениями и температурой нет простой корреляции.
Водоемы способны к самоочищению, так как поступающие загрязнения в большинстве случаев разрушаются; меняются их физико-химические свойства, структура, концентрация. Органические вещества разлагаются под действием организмов. Бактерии, попадающие в сточные воды, погибают под действием УФ - излучения Солнца, изменения температуры. Самоочищение - это важное явление; здесь сам водоем выполняет функции очистного сооружения.
Очевидно, для обеспечения населения водой и охраны водных ресурсов в сложившейся ситуации необходимо решение следующих основных задач:
1)сокращение потребления исходной воды на единицу выпускаемой продукции и для бытовых нужд;
2)предотвращение попадания загрязнений в открытые водоемы и подземные пустоты.
Санитарные требования к ка честву воды в водоемах
Для сохранения равновесия в водоемах установлены «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1975 г.). Правилами установлены нормативы отдельных показателей, характеризующих воду в водоемах после сброса в них сточных вод.
К ним относятся:
количество растворенного кислорода, которое после смешения должно быть не менее 4 мг/л;
содержание взвешенных частиц в воде (оно после спуска сточных вод не может увеличиваться больше, чем на 0,25 мг/л для водоемов первой и второй категории соответственно);
минеральный осадок, который не может быть более 1000 мг/л, в том числе хлоридов - не более 350, сульфатов - не более 500 мг/л;
биохимическая потребность в кислороде1;
отсутствие в воде запаха и привкуса;
кислотность воды (в пределах 6,5 < pH < 8,5);
отсутствие на поверхности воды плавающих примесей (пленок, пятен минеральных масел и т.п );
отсутствие ядовитых веществ в концентрациях, могущих оказать вредное воздействие на человека и животных и др.
Санитарными нормами установлены ПДК более чем для 400 веществ различной природы (для водоемов первой и второй категории).

Литература:
Охрана природы (химическая экология): Учеб. пособие/Т.К. Балина, Ю.Г. Папулов, Р.А. Зимин. .(Тверь, 1995).
Степин Б.Д., Цветков Л.Л. Неорганическая химия: Учеб, для хим. и химико-технол. спец, вузов. - М., 1994.
Химическое загрязнение атмосферы: Учебно-методическое пособие/Ю.Г. Папулов, Т.К. Болина, Р.А. Зимин. - Тверь, 1993.
Шустов С.Б. Шустова Л.В. Химические основы экологии: Учеб, пособие для учащихся шк., гимназий с углубл. изуч. химии, биологии и экологии. - М., 1994.
Химическая экология: учебное пособие для учащихся 10 классов химико-биологического профиля. Исаев Д.С. (Тверь, 2013)

Приложенные файлы


Добавить комментарий