Тема 2 Неорганические загрязняющие вещества и их трансформация в биосфере

1 Образование и этапы трансформации оксидов углерода и серы.

2 Смог

3 Тяжелые металлы их классификация, источники поступления в окружающую среду и трансформация в почве.

1 Образование и этапы трансформации оксидов углерода и серы.

Сера

Из соединений серы в воздухе наиболее распространены следующие (в порядке убывания содержания): SO₂ (до 1 мг/м3 в воздухе городов), СОS, СS₂, Н₂S, (СН₃)₂S, SO₄^2–. За год в результате природных процессов в атмосферу поступает 30–40 млн т соединений серы, а деятельность человека дает вдвое больше — 60–70 млн т только сернистого ангидрида SO₂. 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 и в 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 1 млн т угля выделяется 25 тыс. кг серы в виде оксида. Вот только несколько реакций, которые приводят к появлению диоксида серы в воздухе:

ZnS + 3/2O₂ → ZnO + SO₂,

2FeS + 7/2O₂→Fe₂O₃ + 2SO₂,

H₂S + O₃→H₂O + SO₂.

Диоксид серы (сернистый ангидрид) вызывает раздражение слизистых оболочек носа и горла, а также глаз. Однопроцентное содержание его в воздухе раздражающе действует на влажную кожу в результате образования кислоты. Вдыхание сернистого ангидрида вызывает болезненные явления в дыхательных путях и легких, вплоть до бронхита, отеков и паралича. Оценки показывают, что его содержание в воздухе в количестве 6 мг/м3 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 в воде (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 виноградников.

Сероуглерод СS₂ (0,03% и 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 CS₂, вызывает то припадки истерии, то сонливость, а более высокие — тяжелые нервные расстройства, ослабление умственной деятельности и зрения.

В стратосфере важнейшим для экологии Земли является цикл серы, приводящий к образованию серной кислоты и кислотных дождей (рис. 8).

Важнейшие реакции этого цикла, часто начинающиеся с превращения карбонилсульфида (COS) — продукта вулканической и антропогенной деятельности, а также серы и сероводорода, следующие:

COS →CO+S (на свету),

S + O₂→O + (SO),

(SO)+O₂ →O+SO₂,

SO₂ +OH•→(HSO₃•),

(HSO₃•)+O₂ →HO₂•+SO₃,

SO₃+H₂O→H₂SO₄.

Реакция окисления диоксида серы (сернистого ангидрида SO₂) до триоксида (серного ангидрида SO₃) 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 в воду 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 килотность воды, но в щелочную область. Тем не менее, такие осадки также относят к кислотным дождям.

Рис. 1. Цикл серы