Контрольні питання

1. Що належить до водного середовища Землі?

2. Чому вода є регулятором температури на Землі?

3. Які речовини добре розчиняються у воді, чому?

4. До чого призводить змивання у поверхневі води мінеральних добрив і пестицидів?

5. Від чого залежить здатність водойм до самоочищення?

6. До чого призводить високе значення БПК стічних вод?

7. Чому забруднення водойм стічними водами призводить до збільшення кількості сполук Нітрогену у воді?

8. Що призводить до евтрофікації природних вод?

9. Чому нафтове забруднення є небезпечним для морських організмів?

10. Шкідливі наслідки забруднення гідросфери для життя і здоров’я людей.

11. Вплив забруднення води на тваринний і рослинний світ.

12. Екологічні наслідки забруднення гідросфери.

Список рекомендованої літератури

1. Основи екологічної хімії: Підручник / Б.М. Федишин, В.І. Дорохов, Г.В. Павлюк, Е.А. Головко, Б.В. Борисик; За ред.. Б.М. Федишина. – Житомир: Видавництво "Державний агроекологічний університет", 2006. – 500 с.

2. Экологическая химия: Учебник для студ. Сред. Проф. Учеб. Заведений / Л.С. Астафьева. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 224 с.

3. Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды. Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод. -К.: Вища шк..,1983. – 334с.

4. Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1978. – 720 с.

5. Алекин О.А. Основы гидрохимии. – Л .: Гидрометиздат, 1970. – 442 с.

6. Никаноров А.М. Гидрохимия. – Л.: Гидрометиздат, 1989. – 350 с.

Тема 7 Екологічна хімія атмосфери

План

1. Атмосфера як газоподібний гомогенний розчин

2. Природні процеси, що впливають на склад атмосфери

3. Утворення озонового шару та його руйнування

4. Процеси, що відбуваються в атмосфері під дією антропогенних факторів

5. Антропогенні фактори впливу на атмосферу.

Ключові слова: атмосфера, озоновий шар, озонові діри, первинні забруднювачі, вторинні забруднювачі, парниковий ефект

7.1. Атмосфера як газоподібний гомогенний розчин. Газову оболонку Землі називають атмосферою. Її маса складає біля 5,9·10¹⁵ т.

Атмосфера являє собою механічну суміш газів: азоту (78,8 % за об’ємом), кисню (20,94%), вуглекислого газу (0,033%), інертних газів (0,93%) та ін. З хімічної точки зору, повітря – це розчин кисню, вуглекислого газу та інших газів в азоті.

До висоти 100 км склад атмосфери значно не змінюється. Вище 90-100 км під дією ультрафіолетової сонячної радіації молекули кисню розпадаються на атоми, на висоті 400-500 км склад атмосфери атомарний.

Одній із складових атмосфери є водяна пара. Водяна пара біля 50% зосереджена в п’ятикілометровому шарі, із висотою її кількість швидко зменшується. У верхніх шарах, де температура понижена, водяна пара конденсується, утворюючи хмари. Пари води добре поглинають інфрачервоні промені і відіграють важливу роль в підтриманні температури вночі, коли Земля випромінює енергію в космічний простір. Тому в пустелі, де концентрація води в атмосфері дуже мала, вдень спека, а вночі холодно.

В атмосфері міститься також більше 500 органічних сполук (альдегіди, кетони, спирти, органічні кислоти та ін.), багато радикалів як органічного так і неорганічного походження. Атмосфера вміщує також багато пилу, що впливає на колір неба.

З висотою змінюється тиск, густина, температура повітря, а на великих висотах і склад. Постійне переміщення повітряних мас вздовж поверхні Землі називають вітром.

7.2. Природні процеси, що впливають на склад атмосфери. Атмосфера – це складна система, її пронизують промені сонця і космічне випромінювання. Цей потік енергії здійснює хімічний вплив на атмосферу. Крім того, під впливом сили земного притягання більш важкі атоми та молекули опускаються в нижню частину атмосфери, в верхній частині її залишаються більш легкі. Дифузної розподілення молекул за тривалий час призвело до того, що на висоті 500-1000 км елемент Гелій є основним компонентом атмосфери. Гелієва корона Землі простягається приблизно до 1600 км, а вище 2000-3000 км переважає Гідроген.

Верхні шари атмосфери захищають нашу планету від потоку променів високої енергії. Сонце випромінює енергію з різної довжиною хвилі. Короткохвильове випромінювання в УФ- області спектру має високу енергію, яка викликає хімічні реакції.

Реакції, які відбуваються в верхніх шарах атмосфери

Рівняння реакції	DН іонізації кДж/моль	lmax, нм
N2 + hn ® N2+ + e	-1495	80,1
O2 + hn ® O2+ + e	-1205	99,3
O + hn ® O+ + e	-1313	91,2
NO + hn ® NO+ + e	-890	134,5

Необхідно звернути увагу на те, що всі дані реакції екзотермічні. Тобто енергія УФ випромінювання Сонця перетворюється на теплову енергію.

Молекули О₂ поглинають більшу частину короткохвильового випромінювання з високою енергією, при цьому утворюється атоми Оксигену:

О₂ (г) + h ® 2 О (г)

На висоті біля 400 км дисоційовано 99% молекул кисню, а долю О₂ приходиться лише 1 %. На висоті 130 км вміст О₂ і О однаковий. На нижчих висотах вміст молекулярного кисню більший, тому атоми Оксигену частіше стикаються з молекулами кисню, що призводить до утворення озону:

О (г) + О₂(г) « О₃^* + 105 кДж/моль.

Ця реакція оборотна, тобто молекула О₃^* може розпадатися. Чим нижче до Землі, тим більша концентрація N₂ і О₂, тим частіші зіткнення і стабілізація озону.

Самі молекули озону здатні поглинати випромінювання, що дуже важливо для людства. Сильніше всього озоном поглинаються фотони з довжиною хвилі 200-310 нм. Це випромінювання іншими часточками не поглинається в тій мірі як озоном. При такому випромінювання все живе не може існувати.

Таким чином, атмосфера є своєрідним середовищем, що захищає земних поселенців від космічного і сонячного впливу, створює необхідні фізичні і хімічні умови для існування людства.

7.3. Утворення озонового шару та його руйнування. Завдяки наявності в атмосфері озону, що утворює “озоновий шар”, розміщений на висоті 20-30 км, земна поверхня захищена від жорсткого ультрафіолетового проміння Сонця. Озон відіграє роль своєрідного фільтра, що поглинає ультрафіолетову радіацію, але ж сам при цьому руйнується. Тому всі біооб’єкти Землі не зазнають руйнації від УФ-проміння.

Озон взаємодіє з речовинами, які потрапляють в атмосферу. Тому при підвищених концентраціях в атмосфері нітроген оксиду, хлорорганічних сполук, таких як фреони, пестициди вміст озону знижується. Озон також розпадається під дією жорсткого ультрафіолетового випромінювання:

О₃ → О₂ + О

В атмосфері з’являються “озонові діри”, місця де ультрафіолетова радіація не затримується й поступає на земну поверхню. Це може викликати ріст ракових захворювань, зменшити ефективність імунної системи людини, може також негативно вплинути на врожай, рослинність, живі ресурси моря, навіть, на планктон. У випадку повної руйнації озонового шару все живе на Землі загине.

Руйнування озонового шару обумовлює антропогенне забруднення атмосфери:

- ядерні вибухи (1 мт при вибуху утворює 1000 -12000 т нітроген оксидів);

- сверхзвукові літаки та ракети ( 1 кг томлива дає 18 г NO, за рік викидається до 1 млн т нітроген оксидів двигунами літаків);

• використання мінеральних азотних добрив;

• спалювання топлива дає до 3 млн т нітроген оксидів за рік.

7.4. Процеси, що відбуваються в атмосфері під дією антропогенних факторів. Завдяки діяльності людини в довкілля надходять найрізноманітніші речовини в газоподібному, рідкому, твердому та аерозольному стані.

В атмосферу Землі щорічно потрапляє біля 1 км³ пилеподібних часточок. Значна частина яких може знаходитися в атмосфері в завислому стані на протязі кількох років. Найчастіше – це сполуки Силіцію, Кальцію, Карбону (незгоріле вугілля, сажа, смола), оксиди Феруму, Магнію, Мангану, Цинку, Купруму, Ніколу, Плюмбуму, Кадмію та ін., а також цемент, азбест, ароматичні і аліфатичні вуглеводні, солі карбонових кислот.

Існує два вида забруднень атмосфери: природне і штучне. Всі речовини, що потрапляють в довкілля в результаті життєдіяльності людини, називають первинними забруднювачами.

Атмосферу забруднюють різноманітні газоподібні чи дисперсні речовини природного походження. До природних джерел забруднення відносяться пилові, або чорні бурі, вулканічні виверження, космічний пил тощо. Природні джерела забруднюють атмосферу продуктами переважно земного походження, котрі на ¾ складаються з неорганічних речовин. Це продукти вивітрювання гірських порід, частинки грунту, попіл, морська сіль та ін.. Природні джерела забруднень найчастіше діють періодично і як правило вони не отруйні.

Джерела антропогенного забруднення атмосфери – різні промислові підприємства, теплові електростанції, всі види транспорту. Провідну роль у забруднені атмосфери газами відіграє спалювання палива – вугілля і нафти.

Маса забруднюючих речовин, які потрапляють в атмосферу

(т/рік, за даними ЮНЕСКО, 1996)

Речовина	Природні надходження	Антропогенні викиди
Оксид карбону (II) - СО	–	3,5·108
Оксид сульфуру (IV) - SO2	1,4·108	1,45·108
Оксиди нітрогену (II) -NO	1,4·109	(1,50–2,00)·107
Аерозолі (тверді речовини)	(7,70–22,00)·1010	(9,60–26,00)·1010
Фреони, поліхлорвінілові речовини	–	2,00·106
Озон - О3	2,00·109	–
Углеводні	1,00·109	1,00·106
Свинець - Pb	–	2,00·105
Ртуть - Hg	–	5,00·103

Як свідчать дані таблиці, антропогенні забруднення переважають природні, при цьому 37% забруднень дає автотранспорт, 32% - промисловість, 31% - інші джерела забруднень.

Антропогенні викиди викликають не тільки зміну фізичного складу довкілля, алей спричиняють ряд хімічних реакцій між стаціонарними складовими довкілля й компонентами, що надійшли. В результаті утворюються вторинні забруднювачі.

Наприклад, викид в атмосферу SO₂ спричинює реакції фотохімічного окиснення:

2SO₂ + О₂ → 2SO₃

Для протікання реакції досить незначної кількості озону. SO₃, що утворюється, взаємодіючи з водяною парою, утворює туман сульфатної кислоти, а в хмарах її капельки:

SO₃ + Н₂О → Н₂SO₄.

Аналогічні реакції відбуваються і з нітроген оксидами:

NO+ О₂ → 2NO₂

3NO₂+ Н₂О → 2НNO₃ + NO.

В результаті в хмарах накопичуються краплі кислот, що призводить до появи “кислих” дощів. Водневий показник рН такого дощу може досягти величини 1,5, що далеко від нейтрального середовища. Такі опади взаємодіють з рослинами, задають шкоди якості води в природних водоймах, погіршують стан ґрунтів, призводять до руйнування виробів з металу, архітектурних споруд із мармуру і бетону.

Причиною виникнення кислотних дощів можуть бути спалювання сланців, нафти, вугілля, газу в промисловості, сільському господарстві й навіть в побуті.

Розглянемо основні забруднювальні речовини.

Сполуки Нітрогену в атмосфері представлені в основному оксидами, аміаком, солями амонію, нітратною кислотою та нітратами. Емісія Нітрогену до атмосфери відбувається в процесі вулканічної діяльності, під час грозових розрядів в атмосфері, горіння біомаси, спалювані твердого й рідкого палива. Більшість реакцій приводить до утворення в атмосфері нітратної кислоти, яка виводиться з тропосфери з атмосферними осадками. Це призводить до підвищення окисної здатності атмосфери, збільшенню кислотності опадів, перевищенню вмісту нітратів у водах районів забруднень.

До найбільш важливих сполук Сульфуру, що знаходяться в атмосфері відносять: Сульфур диоксид (SO₂), сірковуглець (СS₂), сірководень (Н₂S), диметилсульфід ((СН₃)₂S), карбонілсульфур (СОS), сульфітна (Н₂SO₃) та сульфатна (Н₂SO₄) кислоти. Сполуки Сульфуру можуть потрапляти до атмосфери природним та антропогенним шляхом.

Сірчистий газ (SO₃) відноситься до первинних забруднювачів. Потрапляє він до атмосфери при вулканічних виверженнях і при окиснюванні Н₂S, а також сульфідних руд. Але ці природні джерела не створюють його значних концентрацій в атмосфері. Більшу небезпеку становить антропогенний сірчистий газ, який утворюється при згорянні органічних речовин, виплавці сірковмісних руд, виробництві й застосуванні сульфатної кислоти, а також при окисненні сірчаного газу (SO₂). Кінцевим продуктом є аерозоль або розчин сульфатної кислоти в дощовій воді. Це з найбільш токсичних компонентів промислового забруднення середовища.

Метан – найбільш важливий представник органічних речовин в атмосфері. Збільшення вмісту метану в атмосфері сприяє посиленню парникового ефекту. Прироними джерелами метану є органічні речовини, що розкладаються за умов нестачі кисню. Процесс цей іде в грунтах, болотах, у шарах опаду і осадових породах. Частина метану окиснюється особливими видами бактерій з утворенням вуглекислого газу і води.

7.5. Антропогенні фактори впливу на атмосферу. Людина своєю діяльністю викликає виділення в атмосферу багато різних речовин і фізичних факторів. У районах промислового і сільськогосподарського виробництва атмосфера насичена різними речовинами, які різні як за своєю природою, так і за агрегатним станом і температурою. Утворюється специфічна атмосферна зона, яка за своїми параметрами далека від природної.

Природні процеси, що відбуваються в атмосфері не в силі відтворювати початкові параметри атмосфери. Тому виробничі повітряні зони є зонами підвищеного ризику перебування там людей. Шкідливі речовини за рахунок циркуляції повітря переносяться на далекі відстані, створюючи дискомфорт на інших територіях. Основним джерелом забруднення атмосфери серед галузей промисловості є металургія, хімічна та нафтохімічна, машинобудівна, будівельна та ін.

Сильний вплив на стан атмосфери має і сільськогосподарське виробництво. Обробіток ґрунту з використанням потужної техніки, сприяє виділенню в атмосферу ґрунтового пилу, а внесення мінеральних добрив і використання хімічних засобів захисту рослин від хвороб, шкідників і бур'янів приводить до виділення в атмосферу значної кількості органічних і неорганічних сполук Хлору, Флору, Арсену, Меркурію та ін. Тваринницький комплекс є джерелом виділення в атмосферу аміаку, сірководню, меркаптанів, індолу, пилу корму, шерсті та інших речовин.

Для забезпечення життєдіяльності людство широко використовує транспорт. З відпрацьованими газами двигунів та турбін в атмосферу надходить до 200 різноманітних речовин. Вихлопні гази транспорту вміщують: карбон оксиди, нітроген оксиди, сажу, оксиди металів, сполуки Плюмбуму, ряд вуглеводнів (етен, етин, метан, пропан), альдегіди, крім того, у двигуні утворюються канцерогенні циклічні вуглеводні. Газові викиди транспорту в атмосфері зазнають впливу сонячного світла, що приводить до фотохімічних реакцій, у результаті яких утворюються озон, пероксиди нітроген оксиди, бензпірен та інші сполуки, які шкідливо впливають на центральну нервову і м'язову системи людини.

Джерелами забруднення стають теплоелектростанції. Нині виробництво електроенергії в Україні теплоелектростанціями становить понад 70%. Їх робота пов'язана з викидами в атмосферу оксидів карбону, сірки та азоту, що утворюються в процесі спалювання незбагаченого вугілля.

Шкідливі гази опиняються в повітрі в результаті спалювання палива для потреб промисловості, опалення житла, роботи транспорту, спалювання й переробки побутових і промислових відходів.

На Землі щорічно спалюється біля 2 млрд. т вугілля, білля 1 млрд. т нафти та газу, при цьому в атмосферу викидається 500 млн. т СО₂, 120 млн. т попелу, 60 млн. т сульфур діоксиду SО₂. Спалювання великої кількості палива і забруднення атмосфери зумовило виникнення такого явища, як парниковий ефект – підвищення загальної температури на Землі. Ріст середньої температури на 0,5º за сто років пов'язують саме накопиченням карбон діоксиду в атмосфері. Карбон діоксид не поглинає сонячних променів і пропускає їх до поверхні Землі. Земна поверхня нагрівається й випромінює інфрачервоні промені. Вони добре поглинаються карбон діоксидом. Результатом цього процесу є підвищення температури в нижніх шарах атмосфери.

Джерелом радіоактивного забруднення атмосфери є атомна енергетика і атомна промисловість, особливо при аварійних ситуаціях. Радіоактивні елементи потрапляють в атмосферу, переносяться на далекі відстані і стають джерелом довготривалого випромінювання.

Значного впливу атмосфера зазнає від військово-промислового комплексу і війн. Вибух забруднює атмосферу пилом ґрунту, продуктами реакцій окиснення пороху і т.д. Вибух атомної бомби спричинює вихід в атмосферу радіоактивних елементів, які поширюються на далекі відстані; у результаті в атмосфері посилюються радіаційно-хімічні процеси.

Стан повітряного середовища України. Основними стаціонарними забрудниками повітря України є підприємства Чорної металургії (33%), теплової енергетики (№)%), вугільної промисловості (10%), хімічної та нафтохімічної промисловості (7%).

Щорічно по всі Україні в атмосферу викидається 17 млн. т шкідливих речовин, тобто по 300 кг на кожну людину. Більше третини загального обсягу шкідливих викидів у атмосферу дає автомобільний та інший транспорт – 6,5 млн. т на рік. На автотранспорт припадає більше 40% моно оксиду вуглецю, 46% вуглеводнів і близько 30% оксидів азоту від загальної кількості цих речовин, яка потрапляє в атмосферу.

Тим часом, довготривале забруднення атмосферного повітря сірчаним газом, оксидами вуглецю, азоту та іншими речовинами підвищує захворюваність населення з ураженням окремих органів і систем організму.

Незважаючи на спад промислового виробництва протягом останніх 10 років, рівень забруднення атмосферного повітря в Україні не зменшився. Це пов'язане з використанням застарілих технологій – як виробничих, так і очисних, відсутністю ефективного контролю й моніторингу забруднень, низьким рівнем екологічної свідомості населення.