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: 8 из 16

79
мобиля встречается практически вся органическая химия. Здесь и углеводороды (в основном короткоцепные),
и спирты, и альдегиды, и кетоны, и фенолы и др. Летучая органика является источником многих проблем, таких как нарушение дыхания, отравление, мутация, раковые и другие заболевания.
Промышленность (коксохимическая, металлургическая, нефтехимическая) и ТЭЦ, кроме перечисленного, в больших количествах поставляют ароматические соединения, из которых наиболее токсичными являются поли ароматические, или конденсированные полициклические вещества — это нафталин, антрацен, пирен и их производные. Они способны накапливаться в организме (главным образом в костном мозге. Являясь структурными аналогами гормонов, они могут влиять на деятельность внутренних органов.
Один из опаснейших классов органических веществ —
галогенсодержащие, в первую очередь хлорсодержащие,
соединения. Они, кроме всего прочего, обладают способностью модифицировать органические вещества в организме. К ним, помимо фреонов (заметим, не являющихся высокотоксичными веществами, относятся такие растворители, как хлороформ, дихлорэтан и четыреххлористый углерод (наиболее токсичен. Здесь же мономеры для производства полимеров (хлорвинил, хлоропрен и пр, атак же хлорпроизводные ароматических соединений. Последние наиболее опасны, поскольку обладают комплексным действием и ароматических соединений, и хлора, а также кумулятивным эффектом.
Коммунальное хозяйство, свалки, стоки поставляют значительное количество не только дурно пахнущих, но и токсичных соединений. Постоянно дымящая свалка возле вашего сельского дома, дачи — это не столь безобидно,
как кажется на первый взгляд. Да, ароматы — это неприятно, ноне только. Першение в горле, затрудненное дыхание, слезоточивость, головные боли — это первые симптомы возможного серьезного отравления. Только промышленная переработка бытовых отходов — решение данной проблемы

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Еще одна проблема связана с аэрозольным загрязнением воздуха, тес твердыми (дым, пыль) и жидкими (туман, смог) частицами, содержащимися в нем. Ежегодно в атмосферу поступает около 11 км пыли только искусственного происхождения. Ее источники — процессы сгорания каменного угля, выплавки металлов, производства цемента и пр. В составе пыли представлено большинство тяжелых металлов, в основном в виде соединений.
3.4.5.
ТЯЖЕЛЫЕ
МЕТАЛЛЫ
Наличие в воздухе тяжелых металлов, из которых наиболее распространенными и опасными являются свинец,
ртуть, кадмий, мышьяк, таллий, а также хром, марганец,
ванадий и никель, является результатом сжигания топлива, производства стали и других металлов, а также вулканической деятельности и пожаров. Причем антропогенные источники превышают природные. В результате такой деятельности исчезли и продолжают исчезать многие виды животных и растений.
Свинца, который выделяется вместе с выхлопными газами автомобилей (250 тыс. т в года также с отходами топливной промышленности и энергетики, только в городах содержится в воздухе (в составе пыли) в количестве около 1%. В результате горожанин поглощает ежедневно до 45 мкг свинца, что враз больше, чем поглощает селянин, ив раз больше, чем доза первобытного человека, однако запрещение в ряде стран использования добавок соединений свинца в топливо позволяет частично решить эту проблему.
Вместе стем следует отметить, что этот металл — один из наиболее токсичных. Он снижает активность ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, что влияет и на обмен веществ, способен замещать кальций в костях и нервных волокнах, что негативно отражается на их свойствах. В частности, последнее вызывает первоначальный рост нервной возбудимости (бессонница, что приводит к утомлению, депрессии. В свою очередь, нервные

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
81
нарушения влияют на мозга также на зрение (аналогичное влияние кадмия и ртути).
Проблема кадмия и таллия в городах сегодня выходит на первый план, вытесняя свинец. Дело в том, что только кадмия в результате антропогенной деятельности выбрасывается в воздух около 7 тыс. т в год (0,8 тыс. т дают природные источники. Это производство и использование топлива, травление металлов и др. В результате человек получает ежедневно до 59 мкг этого металла. Кадмий нарушает нервную деятельность, структуру костей, работу почек, ферментов, а таллий приводит к облысению и отравлению организма.
Токсичность ртути (источники — металлургия, химическая промышленность, в частности электрохимическая,
а также текстильная) вызвана ее способностью взаимодействовать с сульфидными группами белков, нарушая их структуру и функции, а следовательно, и функции клеток. Это приводит к серьезным нарушениям в организме вплоть до гибели. Следует заметить, что органометалли ческие соединения ртути, используемые сегодня, например, в качестве биопротекторных покрытий (судостроение и др, могут быть на порядки токсичнее самой ртути.
Это касается и большинства других металлов.
Выбросы и отходы металлов в районах промышленных предприятий приводят зачастую к необратимым последствиям. В частности, в окрестностях заводов по производству алюминия гибнут виноградники и сады, вблизи цементных заводов — плодовые деревья и кустарники, около свинцово цинковых — посевы и т. д.
Важно отметить также проблему радионуклидов (они в большинстве относятся к тяжелым металлам. Она встала на повестку дня в результате появления и расширения их производства и использования, в связи с авариями на
АЭС и испытаниями ядерного оружия. Такие катастрофы приобретают глобальное значение из за быстрого переноса радиоактивных изотопов на большие расстояния (вспомним аварии на ПО Маяк в 1957 году и на Чернобыльской
АЭС в 1986 году) и с долговременным загрязнением территории. Так, период полураспада стронция 90 и цезия 137

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
около 30 лет. Все это привело к тому, что на территории нашей страны радиоактивный фон повышен по сравнению с нормой. Сегодня к зонам радиоактивного загрязнения относятся 14 субъектов РФ.
Радионуклиды, попадая в организм с воздухом, водой и пищей (накопление в цепях питания, не действуют избирательно, а разрушают все его системы. Даже низкие дозы провоцируют лейкозы. Наиболее подвержен такому воздействию генетический аппарат клеток, в котором в результате нарушений наблюдаются злокачественные новообразования, наследственные заболевания и уродства, а также мутации. Все это сказывается на последующих по колениях.
Еще один класс поллютантов, о котором нельзя не сказать микробы и вирусы, вызывающие эпидемии (эпизоотии, эпифитотии). Но эта тема относится к биоэкологии.
3.5.
ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ
Как следует из сказанного, проблема защиты атмосферы от антропогенных выбросов сегодня стоит очень остро.
И это не только парниковые газы, повышающие температуру окружающей среды. Здесь и органика, и тяжелые металлы. Так, например, атмосферой переносится до ртути и до 50% свинца, поступающих в мировой океан.
Загрязнение атмосферы снижает интенсивность столь важной для жизнедеятельности солнечной радиации (например, в Париже до 30%), продуктивность животных, вызывая их заболевания, уничтожает растительность, влияет на здоровье людей. Например, в воздухе наших жилищ находятся пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, диоксид азота, радон (выделяют бетонные конструкции) и тяжелые металлы, а также инсектициды, дезодоранты, моющие вещества, аэрозоли, микробы и бактерии.
Есть ли выход Да, и не один. Касательно атмосферных выбросов — это, наряду с улучшением качества топлива, строжайшее законодательное их ограничение икон троль на уровне государственных органов. Здесь необходимы нормативы по предельно допустимым выбросам

Глава 3. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ
83
(ПДВ для автомобилей введены, например, в Германии)
и концентрациям (ПДК — см. табл. 12). Важно оценивать суммарные индексы допустимых загрязнений атмосферы (ИЗА), используя их объективные индикаторы (хвою,
листву, мхи и др, а также разрабатывать совершенные фильтрующие, поглощающие и пылеулавливающие системы. Но это только полумеры, как и рациональное расположение предприятий и жилых построек. Очевидно,
что реальной гарантией является создание безотходных технологий, которых пока не так много.
И в быту мы должны максимально оградить себя от поллютантов и других опасных компонентов, зная их источники, снижая их использование и выбросы, проветривая помещения. В частности, японскими исследователями показано, что одна из болезней жилищ — бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе клещей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Состав и строение атмосферы. Основные реакции, протекающие в разных слоях атмосферы. Цикл Чэпмена и его нарушения. Роль антропогенного фактора. Циклы перекисного и гидроперекисного радикалов, их роль. Смог, его причины и следствия. Кислотные дожди, причины и следствия. Роль воды в атмосфере. Парниковые газы, их экологическая роль и способы борьбы сними. Загрязнение атмосферы соединениями углерода, азота, серы и тяжелыми металлами. Причины и следствия. Защита атмосферы

ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
И ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ
4.1.
ГИДРОСФЕРА. ВОДА
Гидросфера
— это прерывистая водная оболочка Земли.
Общий запас воды на нашей планете оценивается в млн км, а пресной — 35,83 млн км, или от всего запаса. Кроме поверхностных вод, в нее включают подземные воды, леди снег Арктики и Антарктики, а более широко — атмосферную воду и ту, которая содержится в составе организмов (табл. 5). Как следует из нее,
основная масса воды, содержащей 35 г/дм
3
солей, находится в морях и океанах. На втором месте — подземные  6854 68
48582345689  88
 428
78
8
12
48428
9  458
489  458
37 4854 68
12345467489 7
7
7
7
49 754 7
 7
7
7
39 754 7
 7
7
 7
 7!4"5#7
7
 7
7
$928279 7
7
7
7
%9347
 7
 7
7
&44'47
 7
7
 7
(98 7
7
 7
7
%3 2#7
 7
7
 7
)'4*93 7
 7
7
 7 1
4

Глава 4. ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ
85
источники, на третьем — замерзшие массы воды полюсов Земли, на четвертом — пресноводные бассейны суши и почвенные воды, на пятом — атмосферная вода и, наконец, нашестом так называемая биологическая вода,
находящаяся в составе организмов.
Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с другими сферами, образуя сложный круговорот воды на планете. Ежегодно в этом круговороте только на поверхности Земли участвует более 1 млн км воды, что составляет около 0,1% всего активного водообмена. Циркуляция воды осуществляется в глобальном цикле, включающем
(рис. 12):
· испарение воды (транспирация — » 525 тыс. км
3
/год);
· охлаждение и конденсацию (облака, туман, смог перенос в воздухе (со скоростью 0,1–10 мс) и течение самой воды выпадение в виде осадков (дождь, снег, град просачивание в грунт исток потребление организмами (поглощение и выделение,
например человеком около 2 л в сутки).
Интересно, что на испарение воды расходуется около попадающей на землю энергии солнца.
Как отмечалось, всего 2,58% гидросферы приходится на пресную воду (содержание солей до 1 г/дм
3
). При этом
Рис. Круговорот воды

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
большая часть ее (85%) сосредоточена во льдах. Возобновление пресной воды определяет доступные человечеству ресурсы, причем только артезианская вода потребляется необратимо. Скорость водообмена чрезвычайно мала у льдов и снегов планеты — 8000 летно у поверхностных вод она враз быстрее. Еще быстрее, примерно за 10–
12 суток, обновляется вода рек, которая имеет большое практическое значение для человека.
Все население Земли использует ежегодно около 3800 км
3
воды. При этом на разбавление стоков уходит почти пятая ее часть. Рост потребления пресной воды оценивается в 0,5–
2% в год. При таких темпах ее запасов хватит на 25–30 лет.
Сегодня, по оценкам специалистов, на одного жителя планеты приходится 1780 л воды в сутки (при потерях однако примерно 1,5 млрд человек постоянно ощущает ее недостаток и еще 500 млн страдают от низкого качества.
Проблема недостатка воды возникает по ряду причин:
это и неравномерность ее распределения на планете, и рост ее потребления человечеством, и потери при использовании, и ухудшение качества в результате загрязнений.
К антропогенным источникам истощения запасов воды относится отбор поверхностных и подземных вод, разработка месторождений, урбанизация, энергетика и др. Загрязнения, наряду с природными источниками (извержения вулканов, цунами и др, связаны с промышленной деятельностью человека, строительством, сельским хозяйством, бытом, а также с захоронениями отходов, военными испытаниями, гидросооружениями, гидропроектами (переброска реки при многим другим.
Роль воды на планете, в том числе в биосфере, трудно переоценить. Она — источник кислорода в фотосинтезе,
компонент и среда для организмов и протекания реакций,
растворитель и переносчик различных соединений, тепловой демпфер, участник геологических процессов и пр. О ее важности говорит хотя бы тот факт, что человек состоит на 80% из воды, а потеря 10–20% ведет к гибели.
Но что такое вода На этот, казалось бы, простой вопрос ученые пока не могут дать однозначного ответа. И дело тут не в формуле, которую знают все, а в ее составе, струк

Глава 4. ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ
87
туре и свойствах. Даже образующие воду компоненты до конца не изучены. И речь идет не о посторонних веществах, а о производных самой воды. Начать с того, что с учетом двух изотопов водорода и трех кислорода различных
«вод» уже девять, а если сюда присовокупить продукты их диссоциации и окисления, то тогда состав воды практически становится задачей с большим числом решений.
Состав вещества определяет его структуру и свойства.
Но структура воды, также как и ее состав, — пока предмет споров в ученых кругах. По одним оценкам, вводе присутствует около 10% организованной жидкости, по другим гораздо больше. Третьи говорят о том, что вода сплошной кристалл, но обладающий высокой подвижностью, поэтому ее можно назвать жидким кристаллом. Действительно, в чистой воде находят разные надмолекулярные структуры самой воды — от простейших двойников,
тройников до устойчивых пяти и шестичленных ассоциа тов. Последние складываются в блоки более высокого порядка (кластеры, клатраты и др, которые, в свою очередь,
образуют пространственные фигуры — шары, цепи и пр.
Если говорить о свойствах воды, ее аномалиях, то этому следует посвятить целую книгу. Некоторые из них, в частности высокая теплоемкость и низкая плотность льда,
отмечены выше. Номы перейдем к тому, что не менее, а может даже более важно для экологии, — это характеристика природной воды.
4.2.
КОМПОНЕНТЫ
ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
Вначале определим основные группы компонентов воды. Первая группа — это главные ионы. К ним относятся катионы калия, натрия, магния и кальция (K
+
, Na
+
,
Mg
2+
, Ca
2+
), а также анионы кислотных остатков, а именно хлорид анион, сульфат анион, карбонат и бикарбонат анионы (Cl
–
, SO
4 2–
, CO
3 2–
, HCO
3
–
). Соотношение главных ионов вводе в норме практически постоянно. Ионная сила пресной воды около 0,01.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. Ко второй группе относятся газы, главные из которых кислород, азот, сероводород и метан. Их содержание достаточно мало, например метана вводе содержится 5–
9 ммоль/л.
3. Третью группу составляют биогенные вещества. Это в первую очередь соединения азота и фосфора. Сюда же включаются соединения железа. В четвертой группе находятся все микроэлементы.
Это катионы всех металлов (кроме железа, главных ионов,
тяжелых металлов и радионуклидов, а также оставшиеся анионы, в первую очередь галогенид анионы (кроме хлорид аниона. Растворенные органические вещества (РОВ) помещают в наиболее представительную пятую группу. Здесь находятся все классы органических соединений, важнейшими из которых являются ароматические соединения, атак же гуминовые и фульвеновые кислоты.
Для оценки содержания РОВ используют различные косвенные показатели, такие как содержание органического углерода, азота, фосфора и окисляемость (ХПК химическое потребление кислорода, БПК — биохимическое потребление кислорода — норма 1 мг/л).
6. Шестая группа — это токсичные и другие загрязнения. Здесь находятся тяжелые металлы, радионуклиды,
многие органические, в частности хлорорганические и ароматические, соединения, поверхностно активные вещества (ПАВ, полимеры и пр. Наконец, седьмую группу образуют макропримеси.
Это пузырьки газов, капельки масел, твердые частицы,
микроводоросли, вирусы, бактерии и другие простейшие,
т. е. все то, что можно увидеть невооруженным глазом или с помощью микроскопа. Последние годы вводы Мирового океана все чаще попадают нерастворимые органические соединения, например нефть и углеводороды.
В целом определить основной состав природной воды вполне реально (в пределах чувствительности существующих аналитических методов, но это совершенно не значит, что ее можно воспроизвести искусственно. Так называемая минерализованная вода часто небезопасна. Глав

Глава 4. ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ
89
ным образом это связано с отсутствием либо наличием в ней определенных микропримесей.
Хотя природная вода представляет собой незаменимое вещество для организмов, нельзя забывать о том, что она же является переносчиком и аккумулятором загрязнений различного типа, которые накапливаются в результате попадания бытовых и промышленных стоков в водоемы.
Например, реки выносят в океан около 4 млрд т различных веществ в год плюс 0,3 млрд т попадает на сушу и еще млрд т выпадает в осадок.
4.2.1.
КАТИОНЫ МЕТАЛЛОВ
Это важнейший компонент природной воды, содержание которого зависит отряда условий — рН, окислительно восстановительного потенциала, ионной силы, наличия лигандов и т. д. Например, подкисление водоема (кислотные дожди и др) приводит к возрастанию в нем количества металлов. Причем они могут находиться в разной степени окисления и не только в виде ионов, но ив составе неорганических и металлоорганических соединений, которые образуют растворы, коллоидные частицы и взвеси.
Надо отметить, что переход катиона металла из раствора в комплекс, например с органическим лигандом,
приводит к увеличению его количества в растворе, изменению скорости прохождения через биологические мембраны и токсичности. Так, многие комплексы кадмия, ртути, свинца менее токсичны по сравнению со свободными катионами. Нов случае органометаллических соединений часто бывает наоборот.
Катионы металлов и их комплексы играют важную роль в жизни водоема. Кроме прямого потребления автотрофами, они выполняют функции катализаторов различных, в первую очередь окислительно восстановительных,
процессов. Важно отметить, что в природной воде в максимальном количестве содержатся медь и железо (также встречается марганец. Какова же их роль?
Железо, как известно, занимаете место по содержанию в земной коре после кислорода, кремния и алюминия

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
В воде его концентрация может достигать М. Реки ежегодно несут в моря и океаны 10 т железа. Вводу оно поступает в результате растворения (выветривания) горных пород из подземных источников, а также со сточными водами.
Железо — это питательный элемент для водной биоты.
В организме оно встречается в составе активного центра многих ферментов, а также в миоглобине, гемоглобине и пр. Вводе оно присутствует в двух степенях окисления,
в основном в виде гидроксокатионов (табл. 6), а также в виде комплексов.
Меди в природной воде враз меньше, чем железа,
т. е. около 3
× МВ водоемы она поступает в результате антропогенной деятельности. Ее источники — химическая промышленность, металлургия, сельское хозяйство. Она также незаменима для организмов, поскольку находится в активном центре ферментов, участвующих в синтезе белков, жиров, витаминов. В природе она встречается главным образом в степени окисления +2, причем в виде гид роксокатионов (табл. 6), а также в виде комплексов с органическими и неорганическими лигандами. Кроме того, вводе встречаются соединения марганца (II) и (IV). Причем последние выступают в роли окислителей.