ХИМИЯ ЭКЗАМЕН. Химия окружающей среды или экологическая химия раздел химии, изучающий химические и биохимические превращения, происходящие в окружающей природной среде, или экосфере
 Скачать 240.25 Kb.
|
|
1 БИЛЕТ Химия окружающей среды или экологическая химия — раздел химии, изучающий химические и биохимические превращения, происходящие в окружающей природной среде, или экосфере. Её можно определить как изучение источников, реакций, транспорта, эффектов и путей химических соединений в воздухе, почве и водной среде; влияние на них деятельности человека и биосферы. Химия окружающей среды — междисциплинарная наука, включающая химию атмосферы , воды и почвы, в значительной степени полагающаяся на аналитическую химию и связанная с окружающей средой и другими областями науки. Рассмотрена роль экологической химии в решении природоохранных задач. Обсуждаются химические аспекты загрязнения окружающей среды, закономерности трансформации загрязняющих веществ в атмосфере и гидро-сфере, механизмы химико-биологических процессов самоочищения и форми-рования биологической полноценности природной водной среды. Химия окружающей среды включает в себя прежде всего понимание того, как работает незагрязненная среда, какие химические вещества в каких концентрациях присутствуют в природе и с какими эффектами. Без этого было бы невозможно точно изучить влияние человека на окружающую среду в результате выброса химических веществ. Наука использует более узкие разделы химии, такие, как геохимия, химия почв, гидрохимия, химия атмосферы, химия природных соединений органического происхождения и др. Химия окружающей среды изучает химические процессы во всех оболочках Земли, в том числе в биосфере, изучает миграции и превращения всех химических соединений, в том числе природных и антропогенных загрязнителей. 2 БИЛЕТ Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень непохожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от математики, истории, экономики и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а прежде всего самим человеком. Близко к естественным наукам примыкает экология. Не следует думать, будто экология – это «хорошая» химия, в отличие от классической «плохой» химии, которая загрязняет окружающую среду. Нет «плохой» химии или «плохой» ядерной физики – есть научный и технический прогресс или его недостаток в какой-нибудь области деятельности. Задача эколога – использовать новые достижения естественных наук для того, чтобы при максимальной выгоде свести к минимуму риск нарушения среды обитания живых существ. Баланс «риск-выгода» является предметом изучения экологов. Между естественными науками нет строгих границ. Например, мы уже познакомились с атомами нескольких видов. Открытие и изучение свойств новых видов атомов когда-то было принято считать задачей химиков. Однако получилось так, что из известных на сегодняшний день видов атомов часть открыта химиками, а часть – физиками. Это лишь один из многих примеров «открытых границ» между физикой и химией. Жизнь является сложной цепью химических превращений. Все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. Значит, серьезному биологу, врачу, ботанику, агроному, зоологу не обойтись без знания химии. Экологическая геология — научная дисциплина, изучающая экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и, прежде всего, — человека. Экологическая фармакология – учебная дисциплина, содержащая систематизированные научные знания по обеспечению экологической безопасности. Разработки, создания, обращения и использования лекарственных средств, лекарственного растительного сырья. Экологическая токсикология (экотоксикология) — раздел токсикологии, изучающий эффекты воздействия токсичных веществ на экосистемы и их круговорот в биосфере, в особенности в пищевых цепях. 3 БИЛЕТ Химические взаимодействия осуществляются при передаче закодированных сообщений при помощи специфических молекул, а также используются для защиты или нападения на всех уровнях эволюционного развития. Сложность взаимоотношений между организмами выражается в характере действия данного организма на среду (межвидовое или внутривидовое) – являются ли они благоприятными или вредными для оказывающего их вида. Ниже приведена классификация различных типов химических воздействий организма на среду. Классификация типов химических воздействий организма на среду (по М. Барбье, 1978). Вещества, участвующие в межвидовых (аллелохимических) взаимодействиях: А. Алломоны (приносят пользу организму-продуценту): Отпугивающие вещества. Вещества, прикрывающие бегство (чернильная жидкость у головоногих моллюсков). Супрессоры (антибиотики). Яды. Индукторы (вызывают образование галлусов, узелков и т.п.). Противоядия. Приманки (привлекают добычу к организму-хищнику). Б. Кайромоны (приносят пользу организму-реципиенту): Вещества, привлекающие к пище. Индукторы, стимулирующие адаптацию (например, фактор, вызывающий образование шипов у коловраток). Сигналы, предупреждающие реципиента об опасности или токсичности. Стимуляторы (факторы роста). В. Депрессоры: отбросы и подобные им продукты, отравляющие реципиента, не увеличивая приспособляемости производящего их организма к окружающей среде. 4 БИЛЕТ Биотический круговорот. Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называет биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеахимическим круговоротом.[ …] Биотический круговорот — круговорот биогенных элементов и вовлекаемых им других веществ в экосистемах, в биосфере между их биотическими и абиотическими компонентами. Важнейшей чертой биосферного биотического круговорота является высокая степень замкнутости. С жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов связаны многие протекающие в почве процессы — круговороты биогенных элементов, минерализация животных и растительных остатков, обогащение почвы доступными для растений формами азота. С деятельностью микроорганизмов связано плодородие почвы. Следовательно, почвенные микроорганизмы влияют непосредственно на жизнь растений, а через них — на животных и человека, являясь одной из главных частей наземных экосистем.Пруды и озера особенно удобны для исследований, поскольку на протяжении короткого периода времени круговороты биогенных элементов в них могут рассматриваться как незавуровнях 5 БИЛЕТ В химические элементы биосферы земные – это углерод, азот, кислород, фосфор и сера. 95% биосферы состоит из них. Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ. Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические Макроэлементы, присутствующие в больших количествах в пище (до нескольких процентов сухой массы) и необходимые организму в конкретных весовых количествах для правильного его функционирования. • Микроэлементы, необходимые организму в следовых количествах (порядка от 10-2 до 10-11% живой массы организма). Они очень важны для метаболических процессов и выработки гормонов и энзимов.  6 БИЛЕТ Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере в том числе и в тех их частях, которые входят в состав биосферы. Основных круговоротов веществ в природе 2: большой (геологический) и малый (биохимический). Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли К большому круговороту относится и круговорот воды между сушей и океаном, через атмосферу. Малый (биохимический) круговорот веществ в природе, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.. Данный круговорот для жизни биосферы главный. Он является порождением жизни и поддерживается живым веществом. Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара В зависимости от типа переноса вещества и энергии в экосистемах выделяют 2 вида малого круговорота. Биологический и биогеохимический. Биологический предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемых трофической цепью и имеет место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его активным метаболизмом. Но в наземных экосистемах он невозможен, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ от растения к растению. А биогеохимический круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Элементы, необходимые организмам в больших количествах носят название макробиогенные элементы. Это основные – С, N, O, H, и не основные – Ca, Mg, Na, Cl, K. Остальные элементы называются микробиогенными. Это Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B и др. Соединения биогенных элементов, необходимых организму называются питательными веществами. Это: 1.органические вещества (белки, жиры, углеводы, витамины); 2.неорганические вещества (вода, минеральные соли, СО2). Наибольшее значение имеют круговороты воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества. 7 БИЛЕТ Общая характеристика загрязняющих веществ Загрязняющие вещества – это вещества, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду либо непосредственно, либо после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами и загрязняющими воздействиями. Загрязняющее воздух вещество — это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные. По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подразделяют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактивное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, электромагнитные поля. К химическому — наличие химических веществ и их соединений. Основными загрязняющими веществами атмосферного воздуха являются диоксид серы; диоксид азота; оксиды углерода, твердых веществ и углеводородов – они составляют 1749,9 тыс. т, или 98,8 % от общей массы зарегистрированных выбросов 8 БИЛЕТ ПДК. Характеристика s-элементов, p-элементов, d-элементов и f-элементов Предельно допустимая концентрация (или ПДК) – величина, характеризующая максимальное количество вещества, которое может находиться в объекте измерений в момент времени без вреда для живых организмов, и являющаяся основной величиной экологического нормирования содержания токсических веществ в природной среде. Предельно допустимая концентрация является важнейшим экологическим стандартом и нормативом качества окружающей среды. ПДК основных загрязняющих веществ рекомендованы компетентными учреждениями и органами здравоохранения для воздуха, почвы, воды, для пищевых кормов и продуктов, или установлены в законодательном порядке. В настоящее время установлены ПДК большого числа вредных соединений для водной и воздушной сред, относительно недавно начаты исследования по установлению допустимых концентраций загрязняющих веществ для почвы Элементы s-электронного строения характеризуются энергетической выгодностью участий в реакциях ионизации s-электронов и относятся к непереходным элементам, свойства которых с увеличением атомных номеров контрастно изменяются по горизонтальным периодам периодической системы и проявляют гораздо большее сходство в вертикальных группах. Для всех s-элементов типичны металлические свойства (щелочные металлы). Главная подгруппа V группы периодической системы Д.И. Менделеева включает пять элементов: типичные p-элементы азот N, фосфор P, а также сходные с ними элементы больших периодов мышьяк As, сурьму Sb, и висмут Bi. Они имеют общее название пниктогены. Атомы этих элементов имеют на внешнем уровне по 5 электронов (конфигурация пs2 пp3). В соединениях элементы проявляют степень окисления от -3 до 5. Наиболее характерны степени +3 и +5. Для висмута более характерна степень окисления +3. О  собенность строения атомов d-элементов обусловлена наличием в них избытка валентных орбиталей и недостатком электронов. D-Элементы-металлы, а все металлы имею небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне, легко их теряют, проявляя восстановительные свойства 9 БИЛЕТ Биогеохимические циклы (круговороты) - циклические процессы обмена веществ между различными компонентами биосферы, обусловленные жизнедеятельностью организмов. ИЛИ Это циркуляция химических элементов в биосфере по определённым путям из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Загрязняющие вещества – любой природный или антропогенный агент, попадающий в окружающую природную среду в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающий тем самым её загрязнение. ИЛИ Токсичное и/или опасное вещество, способное причинить вред здоровью людей или окружающей и природной среде. Одними из самых сильных ЗВ являются ртуть, свинец, мышьяк и кадмий и они могут мигрировать по внешним и внутренним средам, т.е. путешествовать по глобальному круговороту веществ. Круговорот ртути: может брать начало с промышленных отходов/бытовых сточных вод (лекарства, красители и т.п.), стоки с различных свалок и хозяйственных полей (удобрения содержат пестициды, которые и являются производными ртути). После она попадает в гидросферу и уже с неё в живые организмы, где накапливается (благодаря биоаккумуляции, т.е. свойству накопления ЗВ в организме) и после смерти попадает обратно в литосферу/гидросферу. Также круговорот ртути может брать своё начало с атмосферы из-за электростанций, работающих на угле, откуда тоже поступает ртуть. Это всё АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ. Существует и природный круговорот ртути, там она берет своё начало из вулканических и геотермических выбросов и рудных месторождений. Круговорот свинца: в литосфере свинец появляется не только благодаря промышленным предприятиям и антропогенному влиянию (например, добыча свинца, выхлопы транспорта, нефтепродукты, краски и т.п.), но и из-за выплавления его из вещества мантии, в результате радиоактивного распада изотопов урана и тория, при выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются (так может попасть и в гидросферу) и т.д. Из почвы свинец попадает в растения, которые его хорошо поглощают и накапливают, а после попадает либо в живые организмы, либо в атмосферу в случае пожара. В случае антропогенного круговорота свинца, свинец не распространяется в атмосфере на большие расстояния, а просто скапливается в месте действия. Круговорот кадмия: кадмий практически не встречается в природе в чистом виде. Основной источник поступления – выбросы горнорудных и металлургических предприятий. Попадая в организмы гидробионтов, кадмий активно трансформируется в различных органах, связывается с белками. Наиболее активно аккумулируется (поглощается, накапливается) моллюсками и рыбой, которая этими моллюсками питается. Из гидросферы попадает сразу в живые организмы, а из них уже в литосферу и после в гидросферу. Круговорот мышьяка: мышьяк естественным образом присутствует в биосфере, с наибольшей концентрацией в корнях растений. В организме человека он тоже присутствует, но в очень малых количествах (содержится в почках и печени). Благодаря антропогенному воздействию мышьяк появляется в литосфере из-за использования мышьяка в пестицидах, консервантах для древесины, для обработки металлов, в краске и на электростанциях, работающих на угле. В гидросферу он может попасть из-за сбросов с угольных электростанций и горнодобывающей промышленности. А в атмосфере – в результате производства стали и стекла, а также сжигания лесов и пастбищ. |