Химия окружающей среды учебное пособие

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Я.И. Вайсман, Т.В. Нурисламова, Л.В. Рудакова, Т.С. Уланова, И.С. Глушанкова

ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 502: 315 502.7:54:66 Х46

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.Н. Коротаев (Пермский государственный технический университет);

доктор биологических наук, профессор И.В. Май (Федеральное государственное учреждение науки «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» (ФГУН «ФНЦ МПТ УРЗН» РОСПОТРЕБНАДЗОРА))

Химия окружающей среды: учеб. пособие / Я.И. ВайсХ46 ман, Т.В. Нурисламова, Л.В. Рудакова, Т.С. Уланова, И.С. Глушанкова. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. –

325 с.

ISBN 978-5-398-00394-9

Представлены материалы о химических процессах, протекающих в окружающей среде под влиянием природных и антропогенных факторов. Пособие включает три модуля. Первый модуль посвящен химии атмосферы и содержит сведения о физико-химических процессах трансформации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, а также знакомит с кинетикой химических реакций загрязняющих веществ, содержащихся в продуктах сгорания различных видов топлива, и механизмами образования смога. Второй модуль направлен на изучение химии водных систем. Подробно рассмотрены физико-химические процессы, протекающие во всей толще водных систем и особенно в верхнем, поверхностном слое, который играет чрезвычайно важную роль в биологических процессах в воде водоемов. В третьем модуле представлены данные о физико-химических свойствах почв и их роли в процессах трансформации загрязняющих примесей в окружающей среде. Каждый модуль содержит примеры решения задач по химии окружающей среды, задачи для самостоятельного решения и контрольные вопросы для самопроверки.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Может быть полезно магистрантам, аспирантам и специалистам в области защиты окружающей среды.

УДК 502: 315 502.7:54:66

ISBN 978-5-398-00394-9 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный технический университет», 2010

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Современному специалисту в области охраны окружающей среды и рационального природопользования необходимо уметь предвидеть последствия внедрения новых инновационных технологий, знать особенности поведения различных химических соединений при их попадании в окружающую среду, уметь оценивать их воздействие на биосферные процессы. Это особенно важно при разработке стратегии перехода к устойчивому развитию, поскольку сохранение и совершенствование человеческой цивилизации возможно только в условиях стабильного функционирования биосферных систем, обеспечивающих поддержание жизни на Земле.

Известно, что в основе процессов, обуславливающих современное состояние биосферы, лежат физико-химические превращения веществ в литосфере, гидросфере, атмосфере

иживых организмах. Глобальные процессы, происходящие в окружающей среде и обусловленные как природными, так

иантропогенными факторами, свидетельствуют о тесной взаимосвязи между явлениями, протекающими с участием абиотических компонентов в различных геосферах, и биогеохимическими циклами. Механизмы распределения и трансформации веществ в окружающей среде определяются в первую очередь их физико-химическими свойствами и природными факторами.

Кчислу важных экологических проблем, обусловленных поведением химических веществ в окружающей среде, относится общее загрязнение атмосферы и, как следствие этого, формирование различных видов смога, «парниковый эффект», разрушение озонового экрана.

Помимо загрязнения воздуха важным вопросом химии окружающей среды является изучение поведения загрязняющих веществ в воде водоемов, которые, попадая даже

6

в незначительных количествах, способны накапливаться и трансформироваться, нарушая естественные процессы самоочищения.

В глобальных процессах переноса химических веществ, происходящих в биосфере, участвует почва, самая инертная среда, физико-химические свойства которой обеспечивают депонирование веществ на протяжении длительного времени, что чрезвычайно важно для осуществления биогеохимических циклов.

Дисциплина «Химия окружающей среды», являясь специальной дисциплиной учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды», базируется на основных законах и понятиях общей и органической химии, физической химии. Необходима для изучения дисциплин «Экологический мониторинг», «Физико-химиче- ские методы защиты биосферы», «Стратегия устойчивого развития».

Изучение дисциплины способствует формированию профессиональных компетенций выпускников, в частности развитию умений и навыков проведения анализа и составления прогноза поведения загрязняющих веществ в природных средах.

7

МОДУЛЬ 1. ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ

Глава 1

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Физико-химические процессы превращения компонентов атмосферы являются предметом изучения одного из разделов химии окружающей среды. Специфические особенности этих превращений связаны как с природными (фаза солнечной активности, географическое положение, время суток и др.), так и с антропогенными факторами, обусловленными загрязнением воздуха.

Загрязнение воздуха вызывают вещества, присутствующие в атмосфере в концентрациях, превышающих гигиенические нормативы, и появляющиеся в результате химических или биологических процессов, связанных с деятельностью человека, а также природных явлений (лесные пожары, вулканическая деятельность и др.). Наличие загрязняющих веществ в атмосфере вызывает необходимость оценки потенциальной способности веществ перемещаться от места выброса и рассеиваться, а также вероятности их трансформации и деструкции. На трансформацию и деструкцию химических веществ в окружающей среде оказывают влияние естественные факторы:

–солнечная радиация представляет собой источник энергии, который может вызывать фотохимические процессы;

–кислород является активным компонентом окружающей среды: отсутствие или присутствие кислорода определяет степень возможного окисления или восстановления химических соединений. Окисленные и восстановленные формы

одного и того же вещества имеют разные экологические и токсические свойства;

8

–пары воды присутствуют в тропосфере повсеместно

ивступают в химические реакции с компонентами окружающей среды;

–живые организмы благодаря процессу дыхания обладают энергией метаболизма, необходимой для протекания целого ряда химических превращений;

–аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно, уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли.

При решении проблем защиты окружающей среды большое значение имеет скорость физико-химических превращений веществ. Высокая скорость протекания химических реакций приводит к образованию простых химических компонентов: диоксида углерода, воды, соединений азота

исеры, следовательно, к исчезновению вещества из окружающей среды. При медленном разрушении вещество сохраняется длительное время в объеме атмосферы, что может привести к его концентрированию или трансформации в более опасные токсичные соединения. Образование таких производных можно рассматривать как процесс интоксикации окружающей среды [2].

1.1. Строение атмосферы

Атмосферный воздух, которым мы дышим, представляет собой сложную систему, находящуюся в тесном взаимодействии с окружающей средой: земной поверхностью, мировым океаном, космосом, солнечным излучением. В воздухе под действием внешних и внутренних факторов протекают аэродинамические, тепловые, электромагнитные, химические, биохимические и фотохимические процессы, от которых зависят температура, давление, скорость перемещения и химический состав воздуха.

Атмосфера на сотни километров простирается вокруг Земли, ее масса составляет около 5×1015 тонн. Плотность,

9

влажность, температура и химический состав атмосферы зависят от высоты слоя атмосферы [3].

Атмосферу условно разделяют на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера – ближайший к поверхности Земли слой атмосферы, толщина которого составляет над экватором 16–18 км, над полюсами 7–9 км. В тропосфере заключено 9/10 всей массы атмосферы, воздух находится в постоянном движении. Здесь наиболее интенсивно протекают аэродинамические, тепловые и химические процессы. Происходит горизонтальное и вертикальное перемещение воздушных масс воздуха, образование зон с повышенным и пониженным давлением, охлаждение или нагревание воздушных масс.

Температура воздуха в тропосфере по мере удаления от поверхности Земли понижается и на высоте 10–15 км достигает минус 60–70 °С.

Стратосфера – достигает высоты 50–60 км и характеризуется малой плотностью воздуха. В стратосфере происходит интенсивное перемешивание воздуха и скорость движения может достигать 100 км/час и более. Характерной особенностью стратосферы является возрастание температуры по мере удаления от земной поверхности. Это объясняется тем, что на этих высотах Землю опоясывает слой разряженного воздуха, в состав которого входит озон. Большая часть энергии ультрафиолетовых лучей, пронизывающих стратосферу, поглощается озоном, вследствие чего и происходит разогревание воздуха.

Мезосфера – над стратосферой расположен третий ярус атмосферы – мезосфера, где температура воздуха по мере удаления от поверхности Земли вновь понижается и у верхней границы на высоте около 80 км достигает минус 76 °С.

Термосфера – выше яруса мезосферы расположена термосфера, для которой характерно непрерывное повышение

10