Егоров Экохимия. В. В. Егоров
![]()
|
69 3.3. ВОДА В АТМОСФЕРЕ Вода сосредоточена в тропосфере. Ее содержание снижается с высотой. Роль воды в атмосфере многообразна: она участвует в миграции веществ, поддерживает тепловой баланс Земли, способствует трансформации химических соединений. Перенос многих веществ, главным образом водорастворимых, осуществляется вместе с облаками (это аэрозоли, те. дисперсии жидкой воды в воздухе, а их осаждение — с осадками. Температура планеты, ее изменение, в основном ее приповерхностного воздушного слоя — тропосферы, во многом определяются фазовым состоянием воды и ее теплоемкостью. Значительная величина последнего показателя способствует тому, что вода играет роль теплового демпфера, те. не позволяет температуре резко изменяться при переходе, например, от дня к ночи, от зимы к лету. Многие превращения химических соединений в воздухе связаны с водой. Капля воды (в облаке, тумане, смоге) играет роль своеобразного микрореактора. Ее рН колеблется от 2 до 6, а ионная сила находится в диапазоне 0,001– 0,01 моль/л. В такой капле содержатся как производные самой воды, например основные ионы Ни ОН итак называемые активные формы кислорода (АФК): ОН, НО 2 , Н 2 О 2 , О, таки другие вещества, например катионы металлов железа (Fe 2+,3+ ), марганца (Mn 2+ ) и др. и анионы кислотных остатков, например NO 3 – , SO 4 2– , CO 3 В капле воды идет окисление многих, главным образом водорастворимых, веществ. Например, здесь протекает следующая окислительно восстановительная реакция, катализатором которой являются катионы марганца или железа 2 2 2 4 SO + H O H Кроме окислительно восстановительных, в каплях воды идут реакции соединения с образованием кислот, например: SO 2 + H 2 O « H 2 SO 3 , 2NO 3 + H 2 O ® HNO 3 + HNO 2 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Заметим, что последняя реакция относится и к окислительно восстановительным. Как уже отмечалось, присутствие воды в атмосфере способствует разрушению озона, например, кроме приведенных выше, в результате следующих реакций + O 3 ® H 2 O 2 + O 2 , HO 2 × + O 3 ® (HO 3 ) + и далее ® OH× + В заключение важно отметить, что постоянство содержания воды в атмосфере поддерживается исключительно гидросферой и роль человека здесь пока незначительна. 3.4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА Атмосфера — это наиболее подвижная часть природы, поэтому ее локальные изменения могут приобретать глобальный характер. Основными источниками загрязнений атмосферы являются естественные загрязнители минерального и животного происхождения, сжигание топлива и отходов, промышленные выбросы. Загрязнение воздушной среды существенно нарушает в ней баланс, в первую очередь кислорода, озона, углекислого и угарного газа, оксидов серы и азота. Это особенно важно для тропосферы, в которой существует все живое. Согласно критериям оценки экологической обстановки, принятым в РФ, негативное воздействие загрязнений ввоз духе происходит путем прямого контакта с поллютантами атмосферы, а также путем выпадения этих веществ из атмосферы и вторичного загрязнения окружающей среды. К основным показателям такого воздействия на человека относят заболеваемость, смертность, нарушение репродуктивных функций, а также здоровья новорожденных. Особенно тяжелая ситуация сложилась в районе городов и промышленных предприятий. В табл. 4 приведены некоторые компоненты тропосферы, их среднее содержание в природе и изменение в воздухе городов. Отчетливо Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ 71 видно завышение многих вещество причинах и последствиях которого мы поговорим ниже. Здесь отметим только, что наиболее опасны такие изменения над самим городом ив подветренной зоне до 150–200 км. Кроме указанных в таблице, в воздухе могут содержаться попавшие туда органические вещества, в частности азот и серосодержащие соединения (о кислотных оксидах и кислотах мы уже говорили выше — см. Вода в атмосфере, а также металлы и пыль. На Земле наблюдается естественное загрязнение воздуха, например, в результате вулканической деятельности (сегодня существует примерно около 500 действующих активно или спящих вулканов, пыльных бурь, пожаров и пр. В частности, сильные ветры — бури, смерчи, ураганы могут поднимать и переносить с воздухом до 50 млн т пыли. Причиной пыльных бурь в степных, полупустынных и пустынных районах являются засухи и разрушения почвы, связанные зачастую с деятельностью человека это выпас скота, уничтожение деревьев и кустарников и пр. В результате пыльных бурь и ветров происходит загрязнение кормов, поражение органов дыхания и пищеварения, полегание и гибель посевов и многое другое. Итак, загрязнения воздуха происходят в результате естественных процессов, но гораздо опаснее антропогенные источники. Как правило, они локальные, номы уже отмечали способность атмосферы превращать локальные изменения в глобальные. Основные источники таких загрязнений это энергетика, химическая промышленность и транспорт. Близко к ним сельское хозяйство и быт 259 898564 42628 42228 62228426 288 89428464 88 123 4546473 758643 9 3 45464473 46 1 3 2 46473 468 1 3 32 45464473 4675643 3 3333 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Мы рассмотрим наиболее существенные поллютанты и их воздействие на организм, в первую очередь животных и человека. Ноне будем забывать о том, что и растения подвергаются такому воздействию. В результате действия загрязнителей воздуха, главным образом промышленных газов, нарушаются процессы транспирации, изменяется фотосинтетический аппарат, разрушаются цитоплазма и хлоропласты, происходит изменение корневой системы. Особенно подвержены такому воздействию хвойные. Они первыми гибнут в промышленных районах с высоким уровнем загрязнений. В заключение важно отметить, что именно по характеристикам растений, в частности по параметрам листьев, в нашей стране сегодня проводится мониторинг поллютантов. 3.4.1. ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ Парниковые газы — это соединения, создающие ввоз духе слой (защитный экран, поглощающий тепловое (ИК) излучение земной поверхности (и солнца) и вторично его излучающий, тем самым возвращая тепло в тропосферу (рис. 11). В результате этого повышается температура в данном регионе. К парниковым относятся углекислый газ, пары воды, метан, фреоны, так называемый веселящий газ (N 2 O) и ряд других соединений. Отметим, что в том порядке, в котором они написаны, уменьшается их содержание в воздухе, а значит, и вклад в действие защитного экрана. Важно также, что сегодня парниковый эффектна зависит от углекислого газа, выбрасываемого в результате деятельности человека (выбросы более млн т в год. Причем его содержание в атмосфере, как отмечалось, линейно растет со временем. Рис. Излучение земной поверхности в ИК области и поглощение его CO 2 и H 2 O Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ 73 Очевидно, что многие из отмеченных соединений являются обычными компонентами тропосферы, а их побочное действие — результат повышения содержания ввоз духе. Счем же это связано? Роль паров воды в атмосфере мы уже обсудили, рассмотрим теперь следующий из газов — углекислый — главное «действующее лицо среди парниковых газов. Он поступает в атмосферу из глубин Земли в результате окисления углерода осадочных пород, при вулканических извержениях и магматических процессах, а также вследствие жизнедеятельности биоты, в том числе окисления (горения) ее останков. Скорость его поступления до определенного момента была равна скорости связывания, что обеспечивало равновесие. Но его равновесная концентрация в воздухе была нарушена в XVIII веке (промышленная революция. С этого времени содержание Св тропосфере увеличивалось примерно на 0,34% в год, и сегодня оно существенно превышает норму (примерно на Это связано со многими причинами, но главные — вырубка лесов и сжигание топлива. Так, площадь лесов, поглощающих углекислый газ, на планете сократилась к началу нашего века примерно на 20–25%. Что касается сжигания органики, то вот только несколько цифр. Самолет за часов полета удаляет из воздуха 35 т кислорода, выделяя столько же углекислого газа. Автомобиль за прогон в 1– 1,5 тыс. км — соответственно 1 т кислорода и 1 т углекислого газа. Кроме того, подсчитано, что все люди выделяют в год около 6 млрд т этого газа и столько же животные. Проблема избытка углекислого газа в атмосфере сегодня приобрела международный масштаб в связи с глобальным повышением температуры и ростом атмосферных катаклизмов. Расчеты показали чтобы сдержать глобальное потепление, надо уменьшить выбросы С втрое. Ряд государств приняли соглашение (Киотский протокол, в котором говорится о мерах по определенному ограничению его промышленных выбросов (на 6%). Однако некоторые страны, ив первую очередь США, не присоединились к данному документу, хотя в конгрессе страны все сильнее звучат голоса о необходимости этого ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Метан — его концентрация в атмосфере с XVII по XХ век возросла в два–три раза, в результате равновесие давно нарушено. Его источниками являются болота, рисовые поля, фермы, добыча полезных ископаемых. Все эти площади продолжают расти, и пока нет возможности затормозить этот процесс. Фреоны — это смесь фторхлоруглеводородов типа CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 и др. Их синтез начался в 30 х годах прошлого века. С этого времени содержание фреонов в атмосфере увеличивается на 5–10% в год. Однако попытки ряда государств сократить эту динамику за счет сокращения производства фреонов и их применения пока не дают ощутимых резуль татов. Содержание в воздухе оксида азота N 2 O с Х века и до настоящего момента возросло более чем на 20%. Несмотря на его ничтожную концентрацию в атмосфере (менее, такая динамика настораживает. Каковы же его источники В первую очередь производство и использование удобрений, причем этот источник продолжает расти. Все эти изменения привели к глобальному потеплению климата на планете, хотя некоторые ученые считают причиной этого процесса определенную цикличность температуры атмосферы Земли. Вместе стем только за последние лет она возросла примерно на С, причем в последнее десятилетие температура увеличивалась в три раза быстрее, чем в среднем за прошедшее столетие. Много это или мало В результате такого вроде бы незначительного потепления уровень океана за счет обычного теплового расширения воды и таяния ледников (толщина арктического льда с 1960 года уменьшилась на поднялся на 10–15 см. Это привело к затоплению значительных площадей, а значит, к сокращению жизненного пространства на суше. Если темпы потепления не снизятся, то предсказывается, что средний уровень воды с по 2100 год может подняться на 50 см, что повлечет за собой тяжелые последствия для 50% населения Земли. Кроме того, смягчение климата ведет к продвижению на север южной флоры и фауны, в том числе возбудителей заболеваний Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ 75 Подсчитано, что если концентрация Св атмосфере возрастет в 1,5 раза, то температура тропосферы увеличится на 1,2–2 °C со всеми вытекающими последствиями. А если увеличение достигнет 4 °C, то это будет критическим моментом для жизни на нашей планете. Следует отметить, что только наличие твердых частичек в воздухе, те. образование аэрозолей, снижает температуру в тропосфере. 3.4.2. СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ Из соединений серы в воздухе наиболее распространены следующие (в порядке убывания содержания SO 2 до мг/м 3 в воздухе городов, СОСН, (СН 3 ) 2 S, SO 4 2– . За год в результате природных процессов в атмосферу поступает млн т соединений серы, а деятельность человека дает вдвое больше — 60–70 млн т только сернистого ангидрида К естественным источникам серы можно отнести процессы утилизации разного рода биоотходов микроорганизмами, которые интенсивны в болотах, устьях рек, на побережье, а также в почве. Кроме того, значителен вклад вулканов, пожаров ив особенности процессов, происходящих на поверхности океанов. Антропогенная деятельность связана со сжиганием топлива, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленностью, а также с предприятиями по изготовлению искусственного волокна, сахара (сероводород, сероуглерод) и др. В частности, при сжигании млн т угля выделяется 25 тыс. кг серы в виде оксида. Вот только несколько реакций, которые приводят к появлению диоксида серы в воздухе + 3/2O 2 ® ZnO + SO 2 , 2FeS + 7/2O 2 ® Fe 2 O 3 + 2SO 2 , H 2 S + O 3 ® H 2 O + Диоксид серы (сернистый ангидрид) вызывает раздражение слизистых оболочек носа и горла, а также глаз ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Однопроцентное содержание его в воздухе раздражающе действует на влажную кожу в результате образования кислоты. Вдыхание сернистого ангидрида вызывает болезненные явления вдыхательных путях и легких, вплоть до бронхита, отеков и паралича. Оценки показывают, что его содержание в воздухе в количестве 6 мг/м 3 вызывает недомогание. При этом наблюдаются не только легочные, но и сердечно сосудистые заболевания. Триоксид серы (серный ангидрид) также является газом, раздражающим слизистые. При относительно небольшой концентрации (около 0,001%) он вызывает ощущение удушья. Его появление во влажном воздухе приводит к образованию серной кислоты и соответственно кислотных дождей, последствия которых напомним кратко подкисление водоемов (гибель рыбы и др, коррозия металлов (разрушение покрытий, конструкций, растворение минералов вводе (ухудшение ее качества, нарушение структуры почв (гибель растений, в первую очередь хвойных. Отметим, что в окрестностях заводов по производству серной кислоты наблюдается гибель садов и виноград ников. Сероуглерод Си выше) вызывает головные боли, сопровождающиеся галлюцинациями и другими психическими расстройствами, а концентрация на порядок выше приводит к помешательству. Постоянное нахождение в атмосфере, содержащей даже относительно низкие дозы CS 2 , вызывает то припадки истерии, то сонливость, а более высокие — тяжелые нервные расстройства, ослабление умственной деятельности и зрения. 3.4.3. СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА Наиболее распространенными соединениями азота, встречающимися в воздухе, являются N 2 O, NO, NO 2 , НNO 3 , NН 3 , NO 3 – , Н. Многие из них разрушают озоновый слой, а оксиды азота приводят к появлению фотохимического смога и кислотных дождей. Их основными источниками, кроме атмосферных процессов и окисления азотсодержащих соединений бактерия Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ 77 ми вводе ив почве, являются химическая промышленность и транспорт. В частности, оксид N 2 O, так называемый веселящий газ, производят как активный пенообразователь и распылитель. Монооксид азота NO образуется, например, в высокотемпературных выхлопах машин в количестве г за 1 км пробега по реакции+ O 2 « Он отрицательно влияет на эпителий органов дыхания, а при длительном воздействии нарушаются функции ЦНС. Наиболее ядовитым из перечисленных соединений является диоксид азота NO 2 . Он получается в результате реакции окисления монооксида азота, которая спонтанно протекает в воздухе + 1/2O 2 ® Его образование связано и с природными процессами (около 40 млн т в год, и с деятельностью человека (около млн т в год). Хорошо известно, что при растворении вводе он образует азотную и азотистую кислоты+ H 2 O ® HNO 2 + Человек, находящийся в атмосфере с высокой концентрацией диоксида азота (более 0,005%), в течение первых часов никаких недомоганий не ощущает. Примерно к восьмому часу появляется удушье, кашель, тошнота, боли в животе. При этом учащается пульс и наступает расстройство сердечной деятельности. Таким образом, диоксид в первую очередь поражает органы дыхания (слизистую, легкие, вызывая отеки, а эффект образуемых им кислот аналогичен эффекту от действия серной кислоты (см. выше. В частности, пары азотной кислоты раздражают кожу и слизистые, разрушают зубы. Аммиак выделяется в результате биоразложения различных остатков в почве. Его концентрация высока ввоз духе животноводческих ферм (коровников, свинарников и пр, поскольку он выделяется с мочой животных, атак же вблизи химических предприятий. Аммиак производят ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ практически во всех развитых странах, но главным производителем является Россия. Используется он в том числе и для получения азотных удобрений, а в природе образует соли азотной и серной кислот. Биологический эффект аммиака знает каждый, кто нюхал нашатырный спирт (раствор аммиака вводе. В высоких концентрациях он чрезвычайно токсичен. 3.4.4. СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА Об углекислом газе мы уже говорили. Монооксид углерода, или угарный газ, в большом количестве образуется в природе (вулканическая деятельность, пожары и пр. Это составляет примерно 0,35 млрд т в год. Антропогенная деятельность дает около 0,15 млрд т в год, причем основная доля (около 0,1 млрд т) приходится на США. Его источники неполное сгорание топлива и твердых отходов. Мо нооксид углерода выделяется ив результате сжигания та бака. Как отмечалось, токсичность СО связана главным образом сего способностью к образованию прочного соединения с гемоглобином, препятствующего связыванию и переносу кислорода в организме. Это отражается на дыхании, что известно курильщикам. Даже после непродолжительного нахождения в прокуренном помещении человек начинает задыхаться и кашлять, тоже в комнате, где неисправны печь или камин (можно угореть, те. отравиться. Заметим, что количество СО в крови курильщика может достигать десятка граммов, что на порядок выше допустимого. Наблюдается отложение липидов на стенках кровеносных сосудов, что снижает их проводимость. Кроме угарного и углекислого газов в воздухе встречаются органические соединения и продукты их окисления. Особенно опасными являются диоксины. Основные источники органики, помимо растений (изопрен, терпены) и бактерий (выделяют метан, — добывающая, нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, бензоколонки, быта также транспорт. Он дает около всех органических выбросов. Причем в выхлопах авто Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ |