КонспектЛекцХимияГорохов

19 Химия и экология

Экологические проблемы общества. Кислотные дожди.

«Парниковый» эффект. Производственные и бытовые отходы.

Защита воздушного бассейна от загрязнения. Охрана водного бассейна.

Роль химии в решении экологических проблем.

Человечество привыкло веками брать от природы все, что считает нужным, сдабривая окружающую среду всевозможными отходами от переработки природных ресурсов. В окружающую среду попадает большое число вредных веществ (тяжелые металлы и неметаллы II,V и VII групп таблицы Д.И. Менделеева, полициклические ароматические углеводороды, пестициды и др.).

Для обеспечения потребностей одного человека ежегодно извлекается из Земли 20-30 т минерального сырья, каждый год на планете появляется не менее 100 млрд. т производственных отходов.

Реки и моря загрязняются токсическими металлами, нефтепродуктами, поверхностно-активными веществами и т. д. Расход чистой воды на Земле составляет около 40 % речных стоков. Если сохранится существующая тенденция загрязнения водных бассейнов, то к 2010 г. все мировые ресурсы пресных вод могут оказаться исчерпанными.

В последние годы уничтожение лесов (вырубки, пожары) достигло катастрофических размеров, чреватых очень опасными подвижками в биосфере. Леса – это каркас всей биосферы, без которого невозможна жизнь на Земле. Антропогенные выбросы в атмосферу вызвали крупные экологические последствия планетарного масштаба (озоновые дыры, «парниковый» эффект, кислотные дожди).

161

Сегодня в биосфере доминирующую роль играет человек. Его трудом выведены новые сорта растений и породы животных, создаются каналы и новые моря, перемещаются огромные массы ископаемых пород, синтезируются новые материалы и химические элементы. Преобразующая деятельность человека распространяется на дно океана и космическое пространство. Все это порождает сложные проблемы во взаимоотношениях человека с природой.

Человек – часть природы, поэтому и производительную деятельность человека надо рассматривать в рамках природы и ее возможностей. В.И. Вернадский полагал, что в будущем средой обитания человека станет так называемая ноосфера (ноо – по-гречески разум), где разумно и рационально организованные производство и потребление станут основной гармонии между человеком и природой.

При сжигании органического топлива в котельных, промышленных печах и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу поступают оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, летучие химические реагенты и продукты. В атмосфере образуются H2SO3 и H2SO4 при взаимодействии оксидов серы с водой:

SO2+H2O= H2SO3

SO3+H2O= H2SO4

и HNO3 в результате реакции NO2 с водой: 3NO2+H2O=2HNO3+NO.

Кислоты в виде мелких капель (0,1-1,0 мкм) переносятся на сотни километров и выпадают в виде кислотных дождей (рН<5,6, иногда до рН4). Попадая в почву, вода нейтрализуется, растворяя соединения токсичных тяжелых металлов, а при недостаточной обменной емкости почвы подкисляет ее, что снимает урожай и вредит лесам.

Происходит заметное подкисление вод озер и прудов, которые становятся мертвыми.

Диоксид углерода (СО2) прозрачен для солнечного света, но не пропускает в атмосферу инфракрасное излучение Земли, т. е. ведет себя

162

подобно полиэтиленовой пленке в парнике. Ожидается, что к 2050 г. концентрация СО2 удвоится по сравнению с 1978 г., что вызовет повышение средней температуры на Земле на 2,5-3,5 К, таяние ледников и повышение уровня Мирового Океана на 4-5 м. До некоторой степени «парниковый» эффект компенсируется образованием аэрозолей твердых и жидких частиц, выбрасываемых в атмосферу в результате природных процессов и жизнедеятельности человека. Аэрозоли снижают среднюю температуру земной поверхности. Тем не менее человечеству необходимо снизить поступление СО2 в атмосферу. Экономически приемлемых путей решения этой проблемы пока не найдено.

Объем производственных отходов непрерывно увеличивается. Прогнозируется, что годовой объем горных пород возрастет до 600 млрд.т. Эти отходы занимают огромные площади земли, в виде пыли попадают в атмосферу, растворяясь, поступают в гидросферу. Твердые отходы содержат вредные вещества, экологически опасны. В отвалах производств черных металлов имеются титан, никель, кобальт, медь и др. металлы. Золы углей и горючих сланцев содержат Mo, Ge, Re, V и др. элементы. Например, содержание Ge в сжигаемых углях на порядок больше его мирового потребления. При переработке отходов можно получить ряд ценных компонентов. Отходы многих производств металлургической, теплоэнергетической, химической промышленности – сырье для получения строительных материалов.

В развитых странах мира количество бытовых отходов на человека колеблется в пределах 200-250 кг/год. В Москве на каждого жителя приходится около 300 кг/год. Бытовые отходы содержат много компонентов: бумага (3040%), пищевые отбросы (*30%), металлы (4-9%) и полимеры (2-3%). Разрабатываются технологии отбора с помощью специальных механизмов компонентов отходов. Пока работают мусоросжигающие заводы, на свалках «огневой» метод.

163

Защита воздушного бассейна от загрязнений должна осуществляться по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива и разработка новых методов преобразования энергии и новых технологий. Однако пока используется только первый путь. Тепловые электростанции оборудуют высокими трубами, на электростанциях и металлургических заводах устанавливают золоуловители, фильтры, адсорберы.

Оксиды серы нейтрализуются веществами основного характера (известняк, известь, оксид магния и др.):

SO2 +CaCO3 + 12 H2O = CaSO3 12 H2O +CO2

SO2 +Ca(OH)2 = CaSO3 12 H2O + 12 H2O

SO2 + MgO +6H2O = MgSO3 6H2O

Оксиды азота нейтрализуются известью, содой, аммиаком и другими веществами:

4NO2 + 2Ca(OH)2 = Ca(NO3 )2 +Ca(NO2 )2 + 2H2 O

2NO2 + Na 2 CO3 = NaNO2 + NaNO3 + CO2

2NO2 + 2NH4 OH = NH4 NO3 + NH4 NO2 + H2 O

Оксиды азота и серы обезвреживаются также методом каталитического восстановления, например:

4NO+CH4=2N2+Co2+2H2O 2NO2+CH4=N2+Co2+2H2O

В автомобилях предложены катализаторы, которые устанавливаются в выхлопных трубах и представляют собой пористую насадку с катализатором

(Pt, Pd, Rh).

Вода, использованная на производственные или бытовые нужды и получившая загрязнения, которые изменили ее состав и свойства, называется сточной.

Состав вод весьма разнообразен, поэтому разнообразны и методы их очистки. По технологическому признаку методы обезвреживания сточных вод можно подразделить на три группы: очистка от суспензированных и

164

эмульгированных примесей, очистка от растворенных примесей, устранение или уничтожение сточных вод.

Грубодисперсные примеси удаляются из сточных вод отстаиванием, фильтрованием и флотацией.

Очистка от растворенных примесей проводится реагентным, ионообменным, электрохимическим и другими методами. Например, с помощью окислительно-восстановительных реакций можно превратить вредные вещества в безвредные. Так, цианид – ион можно окислить гипохлоритом до азота и СО2:

2CN− + 5OCl− + 2Н+ = 2СО2 + N2 + 5Cl− + H2O

Если сточные воды содержат легко восстанавливаемые примеси, то их можно отделить методом восстановления. В качестве восстановителей используют водород, гидразин, алюминий, диоксид серы и др.

Например, триоксид хрома можно восстановить диоксидом серы: 2CrO3+3SO2*Cr2(SO4)3

Ионообменные методы получают все более широкое применение для удаления примесей из сточных вод. С помощью ионообменных смол можно очистить стоки от радиоактивных катионов, например от ионов стронция:

nSr2+ + 2R n−nH+ ↔ R n2− nSr2+ + 2nH+ .

При анионировании вредные ионы сточных вод заменяются на ионы анионита:

nCN− + R n+nOH− ↔ R n+nCN− + nOH−

Для очистки сточных вод используют также электродиализ, электроокисление и электровосстановление. При пропускании сточных вод через электролизер с нерастворимыми электродами вредные примеси либо окисляются на аноде, либо восстанавливаются на катоде. Обезвреживание примесей органического характера проводят деструктивным и регенеративным методами. К деструктивным методам относится термоокисление и электроокисление. Термоокисление заключается либо в сжигании сточных вод совместно с топливом (огневое обезвреживание), либо в окислении примесей

165

кислородом воздуха, озоном, хлором и другими окислителями. Электрохимическое окисление органических примесей происходит на нерастворимом аноде. Например, фенол окисляется на аноде до диоксида углерода и малеиновой кислоты:

_

С6 H5OH + 7H2O +16e = 2CO2 + (CHCOOH)2 +16H+

Для очистки сточных вод широко используется метод адсорбции. В качестве адсорбентов служат активированные угли, синтетические сорбенты, зола, шлак, опилки и др. С помощью активированного угля из сточных вод удаляется бензол, спирт и другие вещества.

Все более широкое применение для очистки сточных вод находит биологический метод, заключающийся в удалении органических примесей с помощью микроорганизмов.

Наилучшим путем решения проблемы охраны водного бассейна является создание замкнутых водооборотных систем. В этом случае полностью исключается сброс сточных вод в водоемы. Важную роль в решении этой проблемы играет химия, так как с помощью химических реакций и физикохимических процессов удается удалить до необходимых пределов примеси из сточных вод, которые после обработки снова поступают на производство. При создании замкнутых водооборотных систем проводят регенерацию отработанных растворов с извлечением солей, чтобы сократить до минимума расход воды. Например, заменяют водное охлаждение на воздушное, водные растворы неводными, проводят многократное использование воды в технологическом процессе. В настоящее время на многих предприятиях используют замкнутые водооборотные системы. На некоторых химических заводах в кругообороте находится до 95-97% всей потребляемой воды.

Использование достижений химии является важным условием для решения экологических проблем путем:

- комплексного использования сырья и водорода в качестве топлива. Применение водорода значительно снизит уровень загрязнения атмосферы, так как при его окислении образуется безвредный продукт – вода. Природные

166

запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется большое количество теплоты. Поэтому водород может найти широкое применение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений освещения, отопления и охлаждения, для получения электроэнергии с помощью электрохимических генераторов. Энергетическая система должна иметь установки для получения водорода, подсистемы его передачи и распределения и установки для его использования;

- применения электрохимических топливных элементов. Электрохимическая энергетика включает в себя генерацию и накопление электрической энергии. Генерация электроэнергии происходит в устройствах, называемых топливными элементами (ТЭ). Токообразующей реакцией в ТЭ – окисление водорода:

2Н2+О2=2Н2О.

Для непрерывной работы ТЭ необходимы подача реагентов, отвод продуктов реакции и теплоты, система автоматики. Батарея ТЭ вместе со вспомогательными устройствами составляет электрохимический генератор (ЭХГ), который входит в электрохимическую энергоустановку. Она состоит из блока переработки топлива, инвертора постоянного тока в переменный и устройств использования теплоты;

- создание безвредных и безотходных процессов; замкнутых систем, обеспечивающих многократное использование воды в производстве; территориально промышленных комплексов предприятий, взаимосвязанных принципами безотходной технологии в масштабе всего экономического района.

167

20 Химическая идентификация и анализ веществ

Химическая идентификация. Качественный и количественный анализ.

Химические, физико-химические и физические методы анализа.

Впрактической деятельности часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) вещества и количественной оценки (измерения) его содержания. Химическая идентификация – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и справочных данных для известных веществ. Обычно определяется комплекс свойств веществ: цвет, вязкость, плотность, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал и др. Для облегчения идентификации созданы банки химических и физико-химических данных, используются универсальные приборы (хроматографы, спектрофотомеры, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. Химические идентификация и измерения являются предметом специальной химической науки – аналитической химии, которая рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает качественный анализ и количественный анализ.

Вклассическом качественном анализе используются, главным образом, легко выполняемые, характерные для данного элемента химические реакции, сопровождаемые легко наблюдаемыми эффектами (появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, выделение газа

ит. п.). Используемые для обнаружения реакции должны быть по возможности специфическими (селективными) и обладать достаточно высокой чувствительностью.

Классический анализ неорганических веществ производят «сухим» или «мокрым» путем. Анализ сухим путем применяется для предварительных

168

испытаний и при исследовании минералов. Он включает испытание на окрашивание пламени газовой горелки, в которое на платиновой игле вносят исследуемое вещество, смоченное 7,5 н. растворе HCl. Таким путем обнаруживают Hg(I), Tl(I), Pb, Cu, As, Sb, Te, Ga, Ba, Sr, Ca, Li, Na, K, Rb, Cs.

Для открытия ряда элементов применяют также фотометрию пламени, спектральные, рентгеноспектральные, полярографические и другие методы.

Другие классическим методом предварительного испытания сухим путем является получение перлов буры или фосфорной соли (Na2NH4PO4.4H2O) со следами анализируемого вещества при нагревании их последовательно в окислительном и в восстановительном пламени. По окраске перлов можно судить о наличии Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Nb, Ce.

Иногда нагревают небольшую пробу анализируемого материала в закрытой или открытой стеклянной трубке и наблюдают образующиеся на холодных частях трубки возгоны или распознают выделяющиеся газы по запаху либо другим путем.

При нагревании исследуемого вещества на платиновой или фарфоровой пластинке обращают внимание на изменение цвета; прокаливают исследуемое вещество с углем в присутствии карбоната натрия (нитрата кобальта) и цианида калия, наблюдают цвет образующихся продуктов реакции и возгонов, металлических корольков; перечисленные методы позволяют обнаружить Sb, As, Mo, Pb, Bi, Zn, Cd, Hg, Fe, Ni, Co, Mn, Ag, Sn, Cu, Au, Pt, S, Se, а также бораты, фосфаты, силикаты, сульфиды As и Sb, пирит, соли аммония, алюминия, цинка, магния, окиси As, Sb и Sn(IV).

Качественный анализ мокрым путем (в растворах) осуществляют макро-, полумикро-, микро- и ультра-микрометодами, которые отличаются друг от друга количеством взятого для исследования материала и объемом раствора и соответственно этому – техникой работы.

169

Таблица 3. Методы химического качественного анализа.

Наибольшее практическое значение в химическом качественном анализе имеют специальные реакции, позволяющие обнаруживать данный элемент даже при небольших его концентрациях в присутствии большого числа других элементов. Помимо селективности, важнейшей характеристикой реакции является ее чувствительность, выраженная наименьшим количеством обнаруживаемого элемента или же наименьшей концентрацией раствора, при которой данный элемент может быть однозначно обнаружен без предварительного обогащения (предельная концентрация).

Неорганический качественный анализ в водных растворах основан на ионных реакциях и позволяет обнаруживать элементы в форме катионов или анионов. В классической схеме анализа катионы с помощью групповых реагентов разделяют на группы, которые подразделяются на подгруппы. Анионы не имеют общеустановленного разделения на подгруппы.

Разделение ионов на группы и подгруппы основано на использовании их главнейших химических свойств (кислотно-основных, комплексообразующих, окислительно-восстановительных).

Органический качественный анализ отличается от неорганического анализа. Подавляющее большинство органических соединений имеют ковалентный характер и потому каждое из них должно идентифицироваться индивидуально. В органическом качественном анализе смесь веществ первоначально разделяют, основываясь на их разной летучести, растворимости

170