Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия биосферы. Учебное пособие для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»
А. И. Сердюк, Ю. А. Ташкинов
Химия биосферы
учебное пособие
для студентов направления подготовки
20.03.01 «Техносферная безопасность»
Макеевка 2022
2
УДК 504.7:574(075.8)
ББК 28.080.3я7
С 32
Рекомендовано к изданию Ученым советом Государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»
08.06.2022 г., протокол № 11
Рецензенты:
Алемасова, А. С., доктор химических наук, профессор, заведующая
кафедрой аналитической химии ГОУ ВПО «Донецкий национальный
университет»;
Михальчук, В. М., доктор химических наук, профессор, заведующий
кафедрой физической химии ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет».
Братчун, В.И., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Автомобильные дороги и аэродромы» ГОУ ВПО «Донбасская национальная
академия строительства и архитектуры».
С 32 Сердюк, А. И. Химия биосферы: учебное пособие для студентов
направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» / А. И. Сердюк,
Ю. А. Ташкинов. – Макеевка: ГОУ ВПО «ДОННАСА», 2022. – 96 с.
В учебном пособии по дисциплине «Химия биосферы» изложены основные
понятия и законы химии окружающей среды: атмосферы, гидросферы и почвы.
Рассмотрены химические процессы, протекающие в этих средах, образования и
стока основных загрязняющих веществ антропогенного и природного характера.
Также рассмотрены химические методы, положенные в основу очистки биосферы
от загрязнений.
Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм
обучения, обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная
безопасность», профиль «Инженерная защита окружающей среды».
УДК 504.7:574(075.8)
ББК 28.080.3я7
©А. И. Сердюк,
Ю. А. Ташкинов, 2022
© ГОУ ВПО «Донбасская
национальная академия
строительства и
архитектуры», 2022
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
МОДУЛЬ 1 БИОСФЕРА ЗЕМЛИ И ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ
ТЕМА 1. БИОСФЕРА – ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМОВ НА ЗЕМЛЕ
8
1.1
Биосфера. Учение В.И. Вернадского о биосфере
8
1.2
Гидросфера, как составная часть биосферы
10
1.3
Атмосфера, как составная часть биосферы
11
1.4
Литосфера, как составная часть биосферы
12
ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГИДРОСФЕРЫ
14
2.1
Газы в природных водах
2.2
Ионы в природных водах
18
2.3
Органические вещества в природных водах
22
ТЕМА 3. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ
КЛАССИФИКАЦИЯ
23
3.1
Показатели качества природных вод
3.2
Требования к качеству хозяйственно-питьевой воды
24
3.3
Требования к качеству воды, используемой в сельском хозяйстве
25
ТЕМА 4. ВИДЫ СТОЧНЫХ ВОД И ИХ ХИМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
27
4.1
Виды сточных вод и их загрязнения
27
4.2
Условия растворения и потребления кислорода в сточной воде
29
4.3
Биохимическая и химическая потребности в кислороде в сточной
воде
31
4.4
Фазовое состояние веществ, загрязняющих воду, как критерий
выбора методов её очистки
32
ТЕМА 5. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ
35
5.1
Методы очистки воды, исходя из деления примесей воды по их
фазовому состоянию
6
8
14
23
35
4
5.2
Коагулирование примесей воды. Флокулянты
36
5.3
Методы обессоливания и опреснения воды
44
5.4
Ионообменный метод опреснения и обессоливание воды.
Опреснение воды электродиализом
45
МОДУЛЬ 2 ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОЧВЫ
50
ТЕМА 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
50
6.1
Состав атмосферы и свойства составляющих ее газов
6.2
Химические источники газов в атмосфере
52
6.3
Химические источники выведения газов из атмосферы (стоки)
53
6.4
Времена пребывания следовых веществ в атмосфере
55
ТЕМА 7. ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ
57
7.1
Растворимость газов в дождевых каплях. Закон Генри
7.2
Растворимость газов, реагирующих с водой, в дождевых каплях
59
7.3
Образование загрязнений атмосферы при сгорании топлива
62
ТЕМА 8. ХИМИЯ ПОЧВЫ
65
8.1
Химический состав земной коры
65
8.2
Процесс почвообразования в верхней части земной коры
68
8.3
Элементарный состав почв
68
8.4
Органические вещества почвы
70
ТЕМА 9. ПОЧВЕННО-ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ
72
9.1
Виды почвенно-поглотительной способности
9.2
Катионнообменная способность почв
73
9.3
Обменные катионы почв
75
9.4
Щелочность и кислотность почв
76
ТЕМА 10 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПИТАННИЯ РАСТЕНИЙ В
ПОЧВЕ
80
10.1
Азотные соединения в почве
80
10.2
Процессы нитрификации и денитрификации в почве
82
10.3
Соединения фосфора в почве
85
10.4
Применения удобрений и охрана почв
87
50
57
72
5
10.5
Экологическая роль азотных удобрений
88
10.6
Экологическая роль фосфорных удобрений
89
10.7
Экологическая роль калийных удобрений
90
10.8
Оптимизация, контроль и охрана гумусового состояния почв
90
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
92
6
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение атмосферы вредными химическими веществами оказывает
значительное воздействие на здоровье населения и экосистемы области. Это
количество выбросов в регионе обеспечивается более чем 1140 предприятиями
различных отраслей промышленности и автотранспортом. Наибольшее
загрязнение атмосферы наблюдается в тех городах области, где расположены
предприятия угольной промышленности, черной металлургии и энергетики, а
именно, в Мариуполе (21,9% общих объемов выбросов по области), Донецке
(9,3%), Макеевке (7,2%), Дебальцево (6,6%), Енакиево (4,6%).
В структуре загрязняющих веществ Донецкой области, наибольший
удельный вес приходится на оксид углерода (32,9% общего объема выбросов),
метан (23,3%) и диоксид серы (21,7%). В регионе также приоритетными
веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются пыль, диоксид азота,
, формальдегид, фенол, аммиак, тяжелые металлы, бенз(а)пирен, сероводород. По
наиболее опасным ингредиентам: формальдегиду, диоксиду азота и пыли уровень
загрязнения атмосферы остается высоким.
Поверхностные водные ресурсы Донецкой области наполовину состоят из
шахтных вод, а также очищенных или частично очищенных сточных вод.
Основным источником воды для населения и промышленности Донбасса является
река Северский Донец, воды которой подаются в регион по каналу Северский
Донец - Донбасс
Химические процессы, которые протекают в атмосфере, гидросфере, и
почве Донецкой области, оказывают большое влияние на чистоту воды и воздуха,
качество почвы и, соответственно, на качество жизни человека. Для сохранения
чистых воды, воздуха и почвы необходимы глубокие знания о химических и
физико-химических свойствах протекающих в них процессах, как природного,
так и техногенного характера, позволяющие разработать эффективные методы их
очистки.
7
Дисциплина «Химия биосферы» представляет собой раздел химии,
ориентированный на изучение химических превращений, происходящих в
природной среде, химических реакций, приводящих к образованию и стоку
загрязняющих веществ.
Целью дисциплины является подготовка высококвалифицированных
специалистов в области химии по направлению техносферной безопасности и
профилю инженерной защиты окружающей среды, способных в процессе своей
деятельности осуществлять все требуемые мероприятия, обусловленные
полученными знаниями и навыками по данной дисциплине.
Основные задачи изучения дисциплины:
− дать представления о химическом строении веществ и фундаментальных
законах химии, имеющих отношение к окружающей среде;
− научить математическим методам решения задач химии;
− отработать умение исследовать, анализировать, решать задачи, применять
химические навыки в решении проблем защиты атмосферы, воды и почвы и
профессиональной деятельности;
− уделить особое внимание обусловленным прикладной химией аспектам
профессиональной деятельности в области техносферной безопасности и по
профилю инженерной защиты окружающей среды.
8
МОДУЛЬ 1 БИОСФЕРА ЗЕМЛИ И ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ
ТЕМА 1 БИОСФЕРА – ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМОВ НА ЗЕМЛЕ
1.1 Биосфера. Учение В.И. Вернадского о биосфере
1.2 Гидросфера, как составная часть биосферы
1.3 Атмосфера, как составная часть биосферы
1.4 Литосфера, как составная часть биосферы
1.1 Биосфера. Учение В.И. Вернадского о биосфере
Понятия «окружающая среда» применяется в экологии – науке о
взаимоотношениях организмов с окружающей средой. Окружающая среда
представляет собой систему. В зависимости от агрегативного состояния вещества
различают атмосферу, гидросферу и литосферу. Прежде всего представляет
интерес химический состав окружающей среды и химические процессы,
протекающие в ней. Под влияния деятельности человека изменяется химический
состав окружающей среды и, вследствие этого, физические характеристики
атмосферы, гидросферы и почвы, а также климат планеты.
В геологическом прошлом имели место существенные изменения
химического состава и физического состояния окружающей среды. С этим
связывается эволюция живых организмов, эволюция биосферы. В связи с этим, на
сегодняшний день важнейшей задачей является прогнозирование возможных
изменений биосферы под влиянием хозяйственной деятельности человека. Для
этого необходимо исследование химического состояния окружающей среды –
атмосферы, воды и почвы.
Впервые термин "биосфера" использовал австралийский геолог Е.Зюсс в
1875г. Слово "биосфера" происходит от двух слов: био – жизнь и сфера – сфера
или шар.
9
Таким образом, биосфера – сфера жизни или область существования живых
организмов на Земле.
Понятие "биосферы" стало широко применятся после работ Вернадского
В.И. В 20-х годах нашего столетия академиком Вернадским было разработано
представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где основной
ход геохимических превращений определяется жизнью.
Биосферой Вернадский В.И. назвал ту область нашей планеты, в которой
существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно
подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.
Вернадский В.И. доказал, что живые организмы играют очень важную роль
в формировании облика Земли. Химический состав атмосферы, гидросферы и
литосферы обусловлен жизнедеятельностью организмов.
"Если бы на Земле не было живых организмов – писал В. И. Вернадский, её
облик был бы таким же неизменным и химически инертным как неизменен облик
Луны".
Минеральные инертные вещества перерабатываются живыми организмами
и приобретают новые качества.
Живые организмы, обладая огромной способностью приспосабливаться к
условиям существования, сами активно их изменяют.
Таким образом, живая и неживая материя на Земле составляют единое
целое, что собственно и называется биосферой.
С точки зрения системного подхода биосфера представляет собой
глобальную экосистему Земли. При изучении любых систем необходимо дать
ответ на два вопроса: 1. Как устроено система? 2. Как она функционирует?
В результате длительной эволюции сформировалась нынешняя биосфера
Земли, основными составляющими которой являются живые организмы и среда
их обитания – атмосфера, гидросфера и литосфера.
10
1.2 Атмосфера, как составная часть биосферы
Атмосфера – газовая оболочка Земли, которая простирается в космическое
пространство примерно на 3000км.
Почти 50% всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5 км слое, 75%
– в 10 км, а 90% – в 16 км.
Живые организмы сосредоточены в слое ниже 12-18 км, т.е. ниже озонового
слоя, хотя космонавтами были обнаружены споры микроорганизмов на высоте
примерно 85 км, причем они находились в латентном (спящем) состоянии.
Атмосфера Земли формировалась в течении длительного периода (~ 3 млрд лет),
но за последние 50 млн лет её состав стабилизировался. Современная атмосфера
Земли состоит, в основном, из: (на уровне моря, в объемных процентах) азота –
78,09%; кислорода – 20,94%; аргона – 0,93%; СО2 – 0,03%; водорода – 0,01%.
Из числа малых по количеству газов следует отметить углекислый газ (СО2)
и озон, которые оказывают решающее влияние на жизнь. Кроме того, в атмосфере
всегда присутствуют водяные пары, а в нижней её части присутствуют
взвешенные частицы – результат природной или антропогенной деятельности.
Эти частицы влияют на прозрачность атмосферы, что в свою очередь, влияет на
жизнь.
СО2 в атмосфере появляется в результате дыхания растений и животных,
деятельности вулканов, антропогенным путем. За последние годы содержание
СО2 в атмосфере увеличивается за счет антропогенной деятельности. Так как СО2
хорошо поглощает тепловое излучение, которое идет от Земли, то повышение
содержание СО2 в атмосфере может привести к так называемому парниковому
эффекту и перегреву биосферы.
Важной составляющей атмосферы, влияющей на жизнь, является озоновый
слой, максимальная плотность которого на высоте 16-26 км. Этот слой защищает
всё живое от жесткого ультрафиолетового излучения солнца. Разрушение
озонового слоя в результате техногенного воздействия, возникновение озоновых
дыр – одна из глобальных проблем современности. С ультрафиолетовой
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]