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: 7 из 16

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