Егоров Экохимия. В. В. Егоров

• Название: В. В. Егоров
• Анкор: Егоров Экохимия.pdf
• Дата: 14.05.2017
• Размер: 2.47 Mb.
• Имя файла: Егоров Экохимия.pdf
• Тип: Документы; #7574
• страница: 6 из 16

55
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Классификация экологических факторов по Реймерсу. Важнейшие экологические факторы. Как делят организмы по их отношению к свету, теплу, воде. Перечислите способы взаимодействия между организмами. Какие экологические нарушения связаны со светом и ионизирующим излучением Земли. Какие экологические проблемы объединяют такие факторы, как вода, воздух и почва. Организмы, человек, информация — в чем экологическая общность и отличия. Какой фактор становится все более определяющим в плане нарушений окружающей среды Дайте мотивированный ответ, используя все экологические факторы

ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
И ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
3.1.
АТМОСФЕРА.
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ
Атмосфера
— это газовая оболочка Земли. Ее толщина км — ограничена магнитопаузой) в среднем составляет одну четвертую от радиуса Земли, а плотность в тысячу раз меньше плотности воды. Ее масса оценивается в 5
× 10 т. Состав атмосферы приведен в табл. 2. Следует отметить, что баланс газов в ней поддерживается за счет постоянных процессов их поступления и использования,
например, организмами, в том числе человеком. В частности, на сгорание топлива уходит до 25% кислорода, выделяемого растениями. Но их количество все время сокращается, а следовательно, сокращается и выделение кислорода, и поглощение углекислого газа. В результате только 2762 895 7727
23427 57
73 267 57
1 23 456753 8
2 93 73 33 9
23 276 3
9 2
3 73 37673
3 76 3
93 73 37673 13 767753
9 23 73 376773 83 76777 23 193 73 376773
8
3 76777 3 19 23 73 3767773
3 767773 9
3 76777773 8
23 767777 3 3
3

333 !376"3#3$%&3 1

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
57
за прошедшее столетие содержание последнего возросло на 10–15% и продолжает линейно расти.
Если говорить об экологической роли атмосферы, то наряду с процессами дыхания, поддержания теплового режима, переноса веществ и защиты биоты от опасных лучей и холода космоса, она защищает нас и от метеоритов.
Воздушная оболочка — это наиболее динамичная часть природы нашей планеты. Наряду с переносом в самой атмосфере, между ней, поверхностью Земли, гидросферой и биосферой происходит постоянный обмен газами, водой и теплом. С атмосферой связана также циркуляционная и циклоническая деятельность.
Структура атмосферы приведена на рисунке Наиболее экологически важными компонентами атмосферы являются следующие) вода, отражающая и поглощающая тепловое излучение Земли и тем самым сохраняющая температуру в нижних слоях атмосферы;
Рис. Структура атмосферы

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ) озон, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая биоту и нагревая стратосферу) углекислый газ, отражающий тепло Земли и создающий парниковый эффект.
Как видно из рисунка, в зависимости от характера изменения температуры в атмосфере различают следующие основные слои тропосферу (около 80% массы атмосферы. Здесь живет большинство организмов стратосферу (около 20% массы. Здесь находится так называемый озоновый слой мезосферу (около 0,3%). Здесь наблюдается свечение атмосферы термосферу (около 0,05% массы. Здесь идет ионизация воздуха экзосферу. Здесь находится граница газов, откуда идет их утечка в космос, в первую очередь водорода.
Важно отметить, что солнце нагревает Землю, а она атмосферу (точнее, тропосферу) неравномерно. Это связано с углом падения его лучей, в результате экватор нагревается больше, полюсы — меньше. Но атмосфера стремится усреднить температуру (и состав) за счет диффузии, конвекции и переноса воздушных масс. Вместе стем солнечная активность это, как отмечалось, важнейший экологический фактор на Земле. Ее изменения существенно отражаются на биоте. Так, высокая активность солнечного излучения в году привела в Амурской области к росту клещей, а следовательно, и энцефалитных вирусов, а также к увеличению численности белок (враз) и азотфиксирующих бактерий ив результате к росту растительности.
Интересно, что максимум активности солнца положительно отражается на лиственных, в частности, на плодовых деревьях, и на поголовье мышей а минимум — на хвойных деревьях и численности зайцев. При этом солнечные бури приводят к нервным расстройствам, инфарктам, инсультам. Причем их воздействие на человека существенно зависит оттого, был он рожден в период максимума или минимума активности. В последнем случае защитная реакция организма больше, но его силы быстрее истощаются

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
59
3.2.
ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ
Верхние слои атмосферы определяют условия жизни на Земле. Это связано стем, что они являются защитным барьером для рентгеновского, жесткого ультрафиолетового излучения и космических частиц. Рассмотрим последовательно эти слои.
3.2.1.
ТЕРМОСФЕРА
В экзосфере газов мало, они чрезвычайно разрежены и поэтому не имеют решающего значения для химии атмосферы. Здесь преимущественно находятся атомы водорода, гелия, а ниже — кислорода.
Химические процессы в атмосфере начинаются примерно с высоты 250 км. Здесь находится азот и кислород и отсутствуют, например, пары воды и углекислый газ. С этой высоты начинается, но активно осуществляется гораздо ниже (90–100 км) поглощение жесткого, те. коротковолнового УФ. Основные типы реакций в термосфере следую щие:
а) гомолитический распад молекул O
2 и других, например нм)
(реакция идет ив обратном направлении с выделением тепла);
б) ионизация 2
3
h
+
–
2 2
N
N
e
(80 – 130 нм 2
3 4
h
+
2 2
O
O
e ;
1 2 3
45 2
h
O
O
e ;
1
+
–
NO
NO + e в) восстановление 2
1 3
2
O
e
2O;
1 2
1 3

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
г) перенос заряда 1
2 1
+
2 2
2 2
N
O
O
N ;
2 2
N
NO
NO
N ;
1 1
1 2
1
+
2 2
2 2
O
N
N
O ;
1 1
2 д) обмен+ N
2
® N + NO
+
;
2
N
O
NO
N.
1 1
1 2 Для восстановления частицы NO
+ требуется высокая энергия, поэтому она накапливается в верхних слоях тер мосферы, которые называются ионосферой.
На высоте до 90 км поглощается значительная часть коротковолнового УФ, хотя основная реакция, ответственная за это, идет ниже.
3.2.2.
МЕЗОСФЕРА. СТРАТОСФЕРА.
ЦИКЛ ОЗОНА
В мезосфере идут сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов и возбужденных частиц,
определяющих свечение атмосферы. С высоты около 50 км и до 20 км включительно протекают реакции с участием кислорода, относящиеся к циклу Чэпмена (рис. Цикл Чэпмена
— процессы образования и разложения озона.
Основные реакции образования озона в этом цикле + O
2
® начинается в термосфере, она обратима+ Звездочка (
*) обозначает активированную частицу.
Рис. Цикл Чэпмена

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
61
На высоте 20–25 км в стратосфере находится максимальное количество озона. Здесь сего участием протекает экзотермическая реакция образования молекулярного кислорода+ O
® а также основная реакция цикла Чэпмена, важная для сохранения жизни на Земле, поскольку она идет с поглощением основной доли жесткого УФ 2
3
h
3 2
O
O
O
(200–310 нм).
Многие реакции цикла Чэпмена протекают с выделением тепла, что приводит к росту температуры в указанных слоях.
Ряд соединений удаляет озон из атмосферы, что приводит к образованию так называемых озоновых дыр. К таким соединениям относятся оксид азота (II), атом хлора и перекисный радикал + O
3
®NO
2
+ O
2
,
Cl + O
3
® ClO + O
2
,
OH
× + O
3
® HO
2
× + Откуда же берутся эти вещества в атмосфере Во первых, они появляются в результате природных явлений,
например испарения воды 2
3
h
2
H O
H + OH
,
O
*
+ H
2
O
® и, во вторых, в результате антропогенной деятельности.
Так, полет ракеты или самолета разрушает озоновый слой в результате протекания высокотемпературной реакции в сопле 2
O +а фреоны (С, С хладоагенты, газы распылители в баллончиках) образуют под влиянием ультрафиолетового облучения атомарный хлор 2
3 4
h
2 2
2
CF Cl
CF По расчетам, одна молекула оксида азота способна разрушить до 10 молекул озона, а хлор гораздо больше

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Таким образом озоновая дыра образуется как в результате естественных процессов (ее появление и увеличение наблюдается весной над Южным полюсом, таки антропогенных загрязнений. В последнее время в атмосфере над
Антарктидой отмечается все большее содержание фтор хлорпроизводных органических соединений (фреонов).
Так, в 2005 году площадь озоновой дыры в Южном полушарии достигла 27 млн км. Это в три раза превышает площадь США.
К чему приводят озоновые дыры Главное — это увеличение потока жесткого ультрафиолетового света (длина волны 297 нм) на Землю, являющегося мутагенными канцерогенным фактором (провоцирует рак кожи. Поданным специалистов, уменьшение озонового слоя до десятикратно увеличит этот поток, что вызовет многократное возрастание числа таких заболеваний. Кроме этого, в результате интенсивного облучения нарушится облачный покрова значит, и тепловой баланс в данном регионе. Сегодня мировое сообщество приняло решение прекратить выброс разрушающих озон фреонов в атмосферу.
Но есть и противоположное явление, связанное с повышенным содержанием озона в воздухе. Не будем забывать, что это высокоактивный окислитель, который в больших концентрациях вызывает отек легких и кровоизлияния. В альвеолах он может образовать различные токсичные соединения с другими газами, переносимыми кровью. У растений озон поражает поверхность, те. растительные ткани. Таким образом, как и во всех остальных случаях, здесь надо учитывать действие закона оп тимума.
3.2.3.
СТРАТОСФЕРА. ЦИКЛ СЕРЫ.
КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ
В стратосфере важнейшим для экологии Земли является цикл серы, приводящий к образованию серной кислоты и кислотных дождей (рис. Важнейшие реакции этого цикла, часто начинающиеся с превращения карбонилсульфида (COS) — продукта

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
63
вулканической и антропогенной деятельности, а также серы и сероводорода, следующие 2
h
COS
CO + S
,
S + O
2
® O + (SO),
1 2
2
(SO) + O
O + SO ,
12 1
2 3
SO + OH
(HSO ),
1 2
1 3
2 2
3
(HSO ) + O
HO
+ SO ,
SO
3
+ H
2
O
® Реакция окисления диоксида серы (сернистого ангидрида) до триоксида (серного ангидрида SO
3
) протекает только в присутствии в воздухе окислителей кислорода,
озона, пероксида водорода. Она инициируется солнечным излучением, а способствует ей наличие катализаторов оксидов металлов и воды, растворяясь в которой серный ангидрид превращается в серную кислоту.
Образующаяся в каплях воды в облаках (аэрозолях) кислота далее выпадает вместе с осадками на землю (кислотные дожди. Сернокислые (плюс азотнокислые дожди —
30% от всего количества кислотных дождей) нарушают кислотный и солевой баланс в водоемах (в кислой среде растворяются минералы, в результате вводу переходят тяжелые металлы, разрушают почву и растительные ткани, а также покрытия (коррозия металлов) и строения, приводят к заболеваниям дыхательных путей и гибели многих организмов. Так, например,
при рН водоема менее 5 погибают ракообразные, лосось,
форель, плотва.
Заметим, что присутствие в воздухе аммиака или,
например, катионов кальция также может изменять кислотность воды, нов щелочную область. Тем не менее такие осадки также относят к кислотным дождям.
Рис. Цикл серы

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
3.2.4.
ТРОПОСФЕРА.
ЦИКЛ ПЕРЕКИСНОГО РАДИКАЛА
После поглощения жесткого или дальнего ультрафиолетового излучения остальной поток солнечного света
(ближний ультрафиолет, видимый и инфракрасный свет)
активирует процессы в тропосфере — той области атмосферы, в которой мы существуем. Ключевые процессы здесь связаны с циклом OH
(перекисного радикала) (рис. Он появляется в результате следующих реакций 2
h ?
*
3 2
O
O + O
(310 нм 2
*
2
O + H O
2OH ,
1 2
3
h
2
HNO
NO + OH
(300 – 400 нм 2
3
h
3 2
HNO
NO + OH ,
1 2
3
h
2 2
H O
2OH Роль перекисного радикала связана сего высокой окислительной активностью. В частности, сего участием в атмосфере протекают следующие каталитические реакции + OH
× ® HNO
2
,
NO
2
+ OH
× ® HNO
3
,
CO + 2OH
× ® CO
2
+ Кроме того, перекисный радикал активно окисляет органические соединения, в частности углеводороды, появляющиеся в тропосфере, например метан + CH
4
® CH
3
× + Далее образующийся алкильный радикал в цепочке реакций превращается в токсичный формальдегид (СН
2
O):
2 2
O
O
NO
3 3
2 3
2
CH
CH O
CH O
CH O.
1 2
2 Рис. Цикл перекиосного
радикала в атмосфере

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
65
Таким образом, выброс углеводородов в атмосферу чреват самыми серьезными последствиями для организмов,
кстати, не только вследствие появления альдегидов и других окисленных углеводородов, но и СО + CH
2
O
® HCO× + H
2
O,
HCO
× + O
2
® HO
2
× + CO,
1 2
h
2 2
CH O
H + CO.
3.2.5.
ТРОПОСФЕРА.
ЦИКЛ
ГИДРОПЕРЕКИСНОГО РАДИКАЛА.
СМОГ
Еще одним продуктом реакций с участием перекисного радикала является гидроперекисный радикал НО
2
Цикл его приведен на рис. Он образуется в результате следующих реакций + O
3
® HO
2
× + O
2
,
OH
× + H
2
O
2
® HO
2
× + а также реакции) + O
2
® Сам гидроперекисный радикал способен образовать, например, в результате следующей реакции + NO ® NO
2
+ Он же образует пероксид водорода источник перекисного радикала+ Кроме того, этот радикал активно участвует в образовании так называемого фотохимического смога.
Рис. Цикл гидроперекисного
радикала

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Смог
— сочетание газообразных и твердых примесей с туманом.
Различают два вида смога, названных именами тех городов, где они привели к наиболее серьезным последствиям.
Лондонский, или химический, смог впервые наблюдался в 1952 году. Он привел к гибели около 3200 человек. Сжигание мазута и угля, традиционно используемых лондонцами для каминов и печей, плюс высокая влажность и отсутствие ветра — все это привело к накоплению в воздухе сажи,
диоксида серы, оксида углерода и других опасных соединений, а также пыли. В частности, концентрация сернистого ангидрида SO
2
достигала 10 мг/м
3
. В результате — одышка,
отравление (в том числе угарным газом СО, заболевание дыхательных путей, поражение легких и т. д. Причем, наиболее уязвимыми оказались старики и дети. Отмечалась также гибель растений и разрушение поверхности сооружений.
Важно отметить, что отравление угарным газом определяется его высокой связывающей способностью с гемоглобином крови, которая враз выше, чему кислорода. В результате образуется карбоксигемоглобин (СОНb)
(табл. 3). Это понижает снабжение организма кислородом.
Например, если в воздухе содержится 0,1% СО, тов течение нескольких часов у человека на 60% снижается способность гемоглобина переносить кислород 75 2 9422 987  529 4247
1
 294
2345637896 8 9 6846  5966 6
96 846 
1 
 38 

 38 

 996 86 !"#4$

!"#4$
%
 636 86 !"#4$

!"#4$


&4 896 '(
1

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
67
Из данных таблицы следует, что содержание угарного газа в воздухе коррелирует сего наличием в крови. Здесь же важно отметить, что курение не только ведет к отравлению, но и снижает мыслительную способность, а также реакцию организма на внешнее воздействие. Кроме того,
оно перегружает сердце и вызывает ряд заболеваний, в том числе онкологических (легких и дыхательных путей).
Лос Анджелеский, или фотохимический, смог наблюдался неоднократно и продолжает наблюдаться не только в этом, но ив других городах, например в Лондоне, Париже, Нью Йорке. Погибших в результате гораздо больше.
Он связан с наличием в городе огромного количества транспорта, полным безветрием и высокой активностью солнца, в частности коротковолнового излучения, при низкой влажности воздуха.
Одним из активных участников образования смога в этом случае, наряду с перекисными гидроперекисным радикалами, является озон. Он появляется в результате реакции атомарного кислорода (продукта фотоинициируе мого расщепления оксидов в воздухе) с молекулярным кислородом, например 2
h
2
NO
NO + O,
O + O
2
+ X
® O
3
+ Х — посторонний атом или молекула).
Озон, как уже отмечалось, обладает чрезвычайно высокой окислительной активностью. Это видно на примере следующей реакции+ NO
® NO
2
+ Этот и другие активные окислители (оксиды азота, нитраты и пр, взаимодействуя с углеводородами (выхлопы машин, в первую очередь с непредельными, приводят к образованию в воздухе высокотоксичных пероксидов и перкислот, а также пероксилацетилнитратов (ПАН. Последние могут образоваться в результате следующей цепочки превращений, началом которой является окисление углеводородов

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2
3 3
3 3
1 3
2 1
3 3
3 2
2 3
2 3
2 2
2 3
O ,O
O углеводороды кислоты пероксиды ,O
3 2
ПАН
перкислоты
RH
R
RO
RO
R CHO
R C(O)OH
ROOH
RCO
RCO
RC(O)OONO Образовавшиеся токсичные продукты приводят к раздражению слизистых оболочек (глаз, дыхательных путей,
горла), поражению органов дыхания, появлению и обострению заболеваний, причем преимущественно у пожилых людей и детей. Кроме того, наблюдается увядание и гибель растений, коррозия металлов, разрушение резины и пр.
Следует отметить, что аэрозоли (твердые частицы ввоз духе, приводящие к смогу, могут образоваться ив результате естественных процессов (вулканической деятельности, пожаров, пыли, захвата с водой морской соли. Так,
смог часто наблюдается в хвойных лесах, где происходит окисление терпеновых углеводов.
Однако основной причиной появления смога является антропогенная деятельность. Сегодня он не редкость во многих крупных городах мира, где, наряду с указанными процессами, наблюдается образование дымки и ухудшение видимости. Это связано, в частности, с выбросами серосодержащих соединений. В результате цепочки окислительных реакций это приводит к образованию солей, например + H O
H SO
(NH ) SO (крист

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ