831

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

В.А. Щепетова

ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Рекомендовано Редсоветом университета в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по направлению 280700 «Техносферная безопасность»

Пенза 2013

УДК 502:54(075.8) ББК 20.1:24я73

Щ56

Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры неорганической, аналитичеD ской, физической и коллоидной хиD мии Московского университета пищеD вых производств Н.В. Макаров;

ст. преподаватель кафедры инженерD ной экологии Пензенского государD ственного университета архитектуры и строительства И.Н. Симонова

Щепетова В.А.

Щ56 Химия окружающей среды: учеб. пособие / В.А. Щепетова. – Пенза: ПГУАС, 2013. – 136 с.

Обобщены сведения о химическом строении и процессах, происходящих в окружающей среде. Рассмотрены экологоDхимические аспекты нахождеD ния и перемещения химических веществ в биосфере, их трансформации и круговороты в атмосфере, гидросфере и литосфере. Проанализированы осD новные антропогенные факторы, изменяющие химический состав окружаюD щей среды.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Инженерная экология» и предназначено для использования на занятиях по дисциплине «Химия окружающей среды» студентами, обучающимися по направлению 280700 «Техносферная безопасность».

©Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2013

©Щепетова В.А., 2013

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие по курсу «Химия окружающей среды» подготовD лено с учетом требований Федерального государственного образоваD тельного стандарта высшего профессионального образования по наD правлению 280700 «Техносферная безопасность» (квалификация – бакалавр).

Учебное пособие состоит из пяти разделов, краткого толкового слоD варя, библиографического списка и предназначено для использования

вкачестве дополнительной литературы при изучении дисциплины «Химия окружающей среды».

Данная дисциплина находится на стыке химии и экологии. Знания

вобласти экологии помогут студентам познать строение биосферы, глобальные проблемы окружающей среды, а знания по химии – расD смотреть все вышеперечисленное с помощью химических формул и уравнений.

Вмешательство человека прямо или косвенно оказывает влияние на экологическое равновесие. Ещё древний человек, выжигая леса, наруD шал экологическое равновесие, но делал он это в относительно малых масштабах. На современном этапе развития цивилизации воздействие человека на природу приняло такой размах, что нарушение экологиD ческого равновесия угрожающим в глобальном масштабе. ДеятельD ность человека на сегодняшний момент настолько соизмерима с мощD ными силами природы, что сама природа уже не в состоянии справD ляться с испытываемыми ею нагрузками.

Проблема охраны окружающей среды сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические аспекты. В основе процессов, обусловливающих современное состояние биосферы, лежат химичеD ские превращения веществ. Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды формируют новый раздел современной химии, названный химической экологией или химией окружающей среды. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биоD сфере, химическое загрязнение окружающей среды и его влияние на экологическое равновесие; даёт характеристику основных химических загрязнителей.

Понимание сути проблемы охраны окружающей среды, безусловно, требует знакомства с рядом предварительных понятий, определений, суждений, детальное изучение которых должно способствовать не только более глубокому проникновению в суть вопроса, но и развитию экологического образования.

3

1.БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для продолжения существования жизни на Земле химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в жиD вые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других организмов. Перемещения и превраD щения веществ и элементов в природе под действием биологических и геологических факторов, сопровождающиеся перераспределением энергии, поступающей от Солнца, образуют биогеохимические циклы. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство процентного состава входящих в неё элементов (гомео стаз). Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. Вещества в круговоротах постоянно трансформируются, перестраиваются, обмениваясь атомаD ми, разрываются одни связи и образуются другие, а сами атомы остаD ются неизменными.

Выделяют большой, или геологический (абиотический), круговорот веществ, в основе которого лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты. Около половины (!) падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.д. Движение воды и ветра приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. НапластоD вания, образующиеся в море в течение длительного времени, могут возвращаться на сушу – и процессы возобновляются.

В основе малого, или биологического (биотического), круговорота веD ществ в природе лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Все организмы экосистемы связаны между собой потокаD ми вещества и энергии. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1 % паD дающей на Землю лучистой энергии. Энергия, вовлеченная в биолоD гический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества.

Большой и малый круговорот веществ составляют биогеохими& ческие циклы элементов – это перемещения и превращения элементов

4

через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Эти процессы обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. Общая схема и взаимосвязь потоков в глобальном круговороте веществ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема круговорота веществ в природе, т.е. биогеохимических циклов элементов

В каждом биогеохимическом цикле (то есть для каждого отдельD ного элемента) можно выделить два фонда:

1)резервный – большая масса медленно движущихся веществ, соD держащих данный элемент, в основном в составе абиотического комD понента;

2)обменный (подвижный) – меньший фонд, но более активный. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их неD посредственным окружением. Цикл представлен пищевой цепью и свяD зан с резервным фондом.

Среди биогеохимических циклов элементов выделяют циклы двух типов: циклы газообразных веществ (I) и цикл осадочных веществ (II). Такое деление основано на проявлении склонности химических элеD ментов образовывать газообразные соединения (С, О, N, S) и негазоD образные вещества (Р, Са, Fe) в условиях Земли.

Нарушения в циклах типа I могут быстро устраняться за счет крупD ных атмосферных или океанических (и тех, и других) подвижных

5

фондов. Циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами способны возвращаться в исходное состояние.

Самоконтроль циклов типа II затруднен, они легче нарушаются в результате местных пертурбаций, поскольку в этих циклах основная масса вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде.

В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникD ли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимиD ческих циклов. Циклы некоторых элементов (например азота, серы, фосфора, калия) стали природно антропогенными, они характериD зуются значительной незамкнутостью. Некоторые же соединения и материалы, созданные человеком, например пластмассы, вообще не способны включаться в природные или природноDантропогенные циклы, т. к. не перерабатываются в экосистемах, загрязняют их.

1.1. Цикл кислорода

Переоценить роль кислорода в природе сложно, поскольку это, воD первых, элемент, необходимый для дыхания всего живого, воDвторых, элемент, входящий в состав воды – вещества, поддерживающий жизнь на Земле, а вDтретьих – элемент, активнейшим образом участвующий в процессах окисления на планете, и просто элемент, входящий в состав сложных веществ, в том числе живого органического вещества.

Кислород в природе находится:

в атмосфере в свободном (молекулярном и атомарном) состоянии

ввиде озона, оксидов, кислородсодержащих анионов, растворенных в атмосферных осадках (например, СО32–);

на суше в биомассе в неживом веществе;

в воде – в Мировом океане – в составе воды в растворенном виде (O2), в виде растворенных оксидов и кислородсодержащих анионов;

в геосфере в гранитном слое и осадочной оболочке в виде оксидов и кислородсодержащих анионов.

Необходимо отметить, что представить глобальный круговорот кислорода крайне сложно, поскольку, как указано выше, он входит в состав оксидов (вода, песок и др.), сложных неорганических (соли, минералы и др.) и органических (кислоты, альдегиды, спирты и др.) веществ, которые включены в другие круговороты. Поэтому можно проследить цикл образования и потребления молекулярного кислороD да, который представлен на рис. 2.

6

Процессы окисления неорганических веществ могут быть представD лены следующими реакциями:

Процесс горения, как любая реакция окисления, потребляет кислоD род. Это происходит в результате природных пожаров, а особенно в результате антропогенной деятельности. Причем сжигание топлива и другие окислительные процессы в промышленности и быту являются неотъемлемой частью круговорота кислорода.

Некоторое количество органического вещества, содержащего киD слород, захоранивается, вследствие чего из годичного круговорота выводится часть кислорода в связанном виде.

В 2000 г. с учетом всех видов расхода ежегодное потребление кислорода составило 210–230 млрд т (из них 2,6 млрд т в год – на дыхание человечества, а 50 млрд т в год – на промышленные, бытовые нужды и транспорт), тогда как вся фитосфера ежегодно продуцирует 240 млрд т этого газа.

Влияние человека на круговорот кислорода в природе отражается в потреблении кислорода, а из приведенных выше цифр виден масштаб использования кислорода в хозяйственной деятельности человека. Обращает на себя внимание тот факт, что процессов потребления кислорода много, а образования – только один – фотосинтез.

1.2. Цикл углерода

Особенности углерода – способность образовывать одинарные, кратные связи, соединяться в цепи и циклы – сделали углерод основой органических соединений, разнообразных по строению и свойствам.

Углерод в природе находится:

в атмосфере преимущественно в виде СО2, СО, растворенном в атмосферных осадках HCO31–;

на суше преимущественно в виде живого органического вещества

иорганического вещества почв, карбонатов, гидрокарбонатов;

в воде – в Мировом океане – содержится «органический» углерод – в живых организмах и «карбонатный» углерод – СО2, Н2СО3, HCO3–1,

CO32–;

8

 в геосфере в виде ископаемого топлива (органический С) в кристаллических и вулканических породах (неорганический С в виде карбонатов, карбидов), сорбированного СО2 в осадочных породах оргаD нического и неорганического происхождения.

Биологический круговорот углерода осуществляется благодаря четко отлаженному в ходе эволюции механизму функционирования двух фундаментальных процессов – фотосинтеза и клеточного дыD хания.

Впроцессе фотосинтеза (формула (1)) из углекислого газа и воды образуются органические вещества (прежде всего углеводы), а электроD магнитная энергия Солнца переходит в энергию химических связей этих соединений.

Ежегодный прирост биомассы в результате фотосинтеза составляет около 200 млрд т.

Клеточное дыхание – противоположный фотосинтезу процесс (формула (2)), в котором расщепляются углеводы и извлекается из них энергия, которая переводится в форму АТФ и далее используется на различные энергетические нужды клетки.

Впротивоположность веществу энергия не подчиняется закону цикличности. Для нормальной жизни и клетки, и отдельного оргаD низма, и экосистемы Солнце должно непрерывно поставлять на Землю новые и новые порции энергии. Итак, солнечная энергия превращается

вхимическую энергию органических веществ растений, а от растений передается к животным.

Глобальный круговорот углерода

В глобальном круговороте углерода происходит:

–растворение углекислого газа в Мировом океане и атмосферных осадках (над океаном (0,33 мг/л HCO3–) и над сушей (10 мг/л HCO3–));

–водный сток углеродсодержащих веществ с суши в Мировой океан в виде HCO3– и органического вещества;

–связывание углерода в виде карбонатов кальция (и магния) биоD химически в живых организмах и химически с кальцием речных стоков.

Особый интерес представляет движение масс углекислого газа в

пределах биосферы. Содержание СО2 в различных резервуарах земного шара наглядно показывает роль каждого из них в глобальном цикле углерода:

атмосфера / суша / океан / геосфера=1 / 3 / 50 / 10.

9

Поскольку роль Мирового океана в круговороте углерода наибольD шая (см. табл. 2), то ее следует рассмотреть особо. При этом необходиD мо учитывать, что:

в пресной воде СО2 растворяется лучше, но на поверхности Земли пресных вод неизмеримо меньше, чем соленых;

растворимость СО2 уменьшается с возрастанием температуры;

при растворении углекислого газа в воде образуется слабая угольная кислота, которая диссоциирует ступенчато с образованием карбонатDгидрокарбонатной системы

Схематичное движение масс СО2 следующее: углекислый газ акD тивно растворяется в холодной воде приполярных районов океана; хоD лодная вода имеет большую плотность, поэтому массы воды с повыD шенным содержанием СО2 опускаются на глубину Мирового океана и в виде мощных холодных течений перемещаются к экватору, где они постепенно нагреваются, уменьшается их плотность, затем поднимаD ются наверх и освобождаются от избытка углекислого газа.

Таким образом, глобальная динамика масс углерода в биосфере определяется двумя крупными циклами массообмена. Первый из них обеспечивается ассимиляцией СО2 и Н2О путем фотосинтеза органичеD ского вещества и его последующего разложения с образованием СО2.

10