Введение

Для работы с данным пособием необходимо параллельное знакомство c основным курсом лекционных занятий по данному предмету, ибо автор стремился избегать его полного дублирования. В учебном пособии излагается не только теоретический материал: разъяснение сути фундаментальных химических и экологических законов проводится путем разбора большого практического материала и примеров.

Объем материала по естественно-научным дисциплинам, химии, физике, биологии, экологии, сообщаемого студентам в университете, достаточно велик и, в принципе, позволяет рассматривать весьма сложные вопросы при анализе химических явлений в окружающей среде. Однако опыт проведения контроля знаний в вузе показывает, что у некоторой части студентов имеется разрыв между уровнем знаний фактического материала и умением применять эти знания на практике. Пособие поможет ликвидировать этот разрыв.

Изучение учебного пособия должно помочь студенту при подготовке к экзамену. Умение уверенно ориентироваться в обширном материале данного курса особенно важно потому, что конкретные вопросы, входящие в экзаменационный билет могут быть сформулированы по-разному. Для успешного ответа на экзамене необходимо самостоятельно сделать правильный отбор нужного материала. Поэтому, встретив в пособии вопрос, не изучавшийся на лекциях, не нужно торопится его отбрасывать. Разобрав его, можно обнаружить взаимосвязь между казавшимися независимыми сведениями и явлениями. Нужно помнить, что знания лишними не бывают.

В конце каждого раздела учебного пособия имеется список вопросов для самоконтроля. Не нужно пренебрегать ответами на них. Именно самостоятельное воспроизведение студентами многих химических формул, уравнений химических реакций, математических выкладок при выводе основных физико-химических закономерностей способствует глубокому пониманию и эффективному усвоению материала.

Пособие может принести пользу при подготовке к лабораторным работам, предусмотренным программой по курсу химии окружающей среды. Его можно использовать при выполнении реферативных работ по данному курсу, а также токсикологии, экологии, коллоидной химии и другим дисциплинам.

Основная цель учебного пособия по химии окружающей среды – привить студентам навыки самостоятельной работы и помочь усвоению основного теоретического материала, рассматриваемого на лекциях.

1. Происхождение атмосферы земли

1.1. Основные гипотезы образования и развития атмосферы

Современная земная атмосфера является итогом долгого процесса эволюции, который начался более 4 млрд. лет тому назад и многие детали которого в настоящее время остаются невыясненными [1]. Атмосфера многократно изменяла свой состав и свойства.

Согласно современным представлениям, Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад из протопланетного газопылевого облака, рассеянного в околосолнечном пространстве. Газовая компонента облака была представлена главным образом водородом (Н₂) и гелием (Не) с небольшими примесями других газов. Как не без основания считается, первичная атмосфера, доставшаяся Земле от газово-пылевого облака, была утрачена в период образования планеты. Это заключение вытекает из того, что благородные газы – гелий (He), неон (Ne) и аргон (Ar) – гораздо больше распространены в космосе, чем в современной земной атмосфере.

Другая атмосфера Земли, вторичная по своей природе, но похожая на первую, возникла в результате выделения газов из земных недр. В процессе гравитационного сжатия газопылевого облака происходило выделение тепловой энергии. Радиоактивный распад короткоживущих изотопов, таких как ²⁶Аl, и долгоживущих изотопов урана, тория, калия и рубидия вызывал постепенный разогрев недр планеты. Дополнительным источником теплоты служили, очевидно, приливные деформации под действием гравитации Луны, формировавшейся одновременно с Землей.

Выделение тепловой энергии приводило к частичному расплавлению материала планеты и выделению газообразных веществ, существовавших первоначально в форме льда. Формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли происходило за счет паров и газов, выделившихся в результате дегазации мантии. Пылевые частицы состояли изо льда, образовавшегося при конденсации воды (Н₂О), аммиака (NH₃) и метана (CH₄), а также, возможно, других простейших органических соединений, таких как ацетонитрил (СН₃ – С   N), формальдегид (НCОН).

Процесс образования вторичной атмосферы усиливался множеством действующих вулканов. Предполагается, что газы, извергавшиеся вулканами в течение первых 500 млн. лет существования нашей планеты, состояли главным образом из водорода, водяного пара, метана и оксидов углерода (II) и (IV) (СО, СО₂) с примесью некоторых соединений серы (SO₂, H₂S). Конденсация водяного пара 4 млрд. лет назад привела к образованию гидросферы. Очевидно, уже на этой стадии должны были произойти значительные изменения в составе атмосферы. Наиболее важными факторами ранней эволюции атмосферы наряду с продолжавшейся дегазацией мантии являлись такие процессы, как растворение углекислого газа (СО₂) в водоемах (это привело впоследствии к образованию древнейших осадочных пород), диссипация в космос водорода и гелия и, как следствие, увеличение относительного содержания азота [1].

В связи с повышенной распространенностью водорода в первичной туманности возникали простейшие его соединения с углеродом и азотом. Поскольку наиболее стабильной формой углерода был угарный газ (СО), то по мере охлаждения солнечной туманности происходили следующие реакции:

2CO + 2H₂O CH₄ + CO₂, (1.1)

CO₂ + 4H₂ CH₄ + 2H₂O, (1.2)

N₂ + 3H₂ 2NH₃. (1.3)

При падении температуры газовой туманности ниже 400 К ранее выделившиеся силикаты взаимодействовали с парами воды и протекали следующие реакции:

3MgSiO₃ + SiO₂ + H₂O_(г) → Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂, (1.4)

3Mg₂SiO₄ + 5SiO₂ + H₂O_(г) → 2Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂. (1.5)

Таким образом, гидратированные силикаты оказались скрытыми носителями такого важного летучего вещества, как вода. Кроме того, обладая в тонкодисперсном состоянии высокой адсорбционной способностью, они могли захватывать и поглощать из окружающей среды не только молекулы воды, но также обычные и инертные газы. Вероятно, адсорбция была наиболее важным процессом, при котором оставшиеся в туманности летучие вещества поглощались пылевой фазой и затем, при дальнейшей аккумуляции, внедрились в планеты земного типа [2].

Природные газы глубин Земли играли исключительно большую роль в формировании важнейших оболочек нашей планеты, охватываемых современной биосферой – областью расселения живых организмов. Все глубинные газы Земли, поступавшие на ее поверхность, в большинстве случаев подвергались резкому изменению и переходили в другие химические соединения. Исключение представляют благородные газы, которые накапливаются в атмосфере. Основной вулканический газ – вода – конденсировался в виде жидкой воды, пополняя гидросферу. Следующий по распространению вулканический компонент – углекислый газ – растворялся в воде, образуя в гидросфере сложную карбонатную систему, из которой углекислота извлекалась при образовании карбонатных горных пород – известняков и доломитов:

CO₂ + H₂O H₂CO₃ 2Н⁺ + СО₃^2–, (1.6)

Са²⁺ + СО₃^2– СаСО₃. (1.7)

Дымы HCl и HF вулканического происхождения попадали в атмосферу и гидросферу, затем переходили в ионы фтора и хлора. Протекали следующие химические реакции:

HCl + OH^– → Cl^– + H₂O, (1.8)

HF + OH^– → F^– + H₂O. (1.9)

Из приведенных данных следует, что история поверхности Земли с вековой дегазацией ее глубинных частей была органически связана с историей подземных природных газов, океана и атмосферы. Иначе говоря, материал океана и вещество атмосферы возникли из общего источника, и поэтому происхождение гидросферы и атмосферы Земли следует рассматривать как одну проблему. Однако состав избытка летучих и вулканических газов резко отличается от состава современной атмосферы Земли [2].

Далее будут рассмотрены различные теории образования атмосферы. Некоторые ученые считают, что атмосфера образовывалась непрерывно, а некоторые, наоборот, полагают, что атмосфера нашей планеты образовалась взрывоподобно.

Основоположником представлений о непрерывном образовании атмосферы был американский ученый У. Руби [3]. Сначала он считал наиболее очевидным источником атмосферных газов выветривание горных пород. Руби оценил долю такой составляющей атмосферы.

Согласно его оценке, все летучие компоненты горных пород (без учета осадочных пород), выделившиеся при выветривании, не составляют и 1% от общего количества газа, содержащегося в современной атмосфере, гидросфере и осадочных породах (в качестве летучих компонентов). Отложение же таких осадочных пород, как, например, карбонаты, и вовсе не могло происходить в отсутствие атмосферы и гидросферы. Следовательно, летучие компоненты в подобных осадочных породах необходимо рассматривать как часть древней атмосферы и гидросферы, перешедшую в вещество осадочных пород.

На основании своей оценки Руби заключил, что остальные 99% вещества атмосферы выделились непосредственно из мантии. Кроме того, он предложил и конкретные механизмы выделения газов из мантии: выделение газов из вулканов и с водами термальных источников. Руби оценил количество газов, выброшенных вулканами (в том числе и вулканами океанического дна) и выделившихся с водами термальных источников. Оказалось, что если на протяжении последних 3 млрд. лет выделение газов было таким же, как сегодня, то их количество в 100 раз превысило бы количество газов, содержащихся в современной атмосфере.

В действительности же, конечно, наблюдаемые вулканические газы (почти целиком представляющие собой водяной пар) и воды термальных источников – это не что иное, как бывшие поверхностные воды Земли, просочившиеся в ее недра. Но если предположить, что только 1% из них непосредственно поднялся из мантии, то количество газов, поступивших из внутренних недр Земли за 3 млрд. лет, окажется достаточным, чтобы сформировать современную атмосферу. На основании этого Руби сделал вывод, что атмосфера образовалась за счет газов из земных недр.

Идея Руби о так называемом непрерывном выделении газов упоминается во многих учебниках и до сих пор еще является наиболее широко распространенной гипотезой о процессе формирования атмосферы. Однако в свете последних данных оценки Руби вызывают некоторое сомнение. Ряд самых древних пород на Земле является метаморфическим, образовавшимся из осадочных пород. Следовательно, во время осаждения этих пород 3,7 млрд. лет назад должны были уже существовать моря.

Взрывоподобное образование атмосферы вытекает из анализа изотопного состава аргона, т. е. отношения содержания аргона-40 и аргона-36. В настоящее время установлено [3], что современное изотопное отношение аргона в атмосфере 295,5, а внутри Земли (в ее мантии) среднее значение близко к 5000. Расчеты показывают, что такое различие изотопного отношения можно объяснить, если только выделение газов произошло в ходе очень короткого процесса на весьма ранних стадиях развития Земли (не более чем спустя 500 млн. лет после ее образования). Кроме того, выделение газов должно было происходить очень бурно: необходимо, чтобы высвободилось около 80% аргона, захваченного Землей из протопланетного облака.

В рамках предложенной Руби схемы непрерывного выделения газов разница изотопных отношений аргона в атмосфере и недрах Земли совершенно необъяснима.

Если процесс выделения аргона на ранних стадиях истории Земли был очень бурным, и в ходе его высвободилось около 80% аргона, содержащегося в современной атмосфере, то предположение о выделении и остальных составляющих современной атмосферы в таком процессе кажется вполне реальным. Во всяком случае, взрывоподобный характер выделения газов из недр Земли на очень ранних стадиях ее истории не противоречит данным других наук, указывающим на существование гидросферы в докембрии.

Отметим, что таким путем не мог образоваться атмосферный кислород. Этот важный продукт жизнедеятельности живых организмов мог образоваться в ходе реакции фотосинтеза уже после того, как возникла атмосфера Земли.

Итак, основываясь на изотопном составе аргона, стало возможным получить количественные характеристики времени и способа выделения газов атмосферы из земных недр. Если процесс выделения газов был взрывоподобным, он должен был бы охватывать всю планету. С каким конкретным событием в истории Земли это могло бы быть связано? Дать ясный ответ на этот вопрос сегодня нельзя. С наиболее высокой вероятностью таким событием, охватившим всю Землю и сопровождавшимся крупномасштабным выделением газов, мог бы быть процесс расслоения Земли на ядро и мантию. Однако в настоящее время это утверждение не выходит за рамки гипотезы.