Методичні рекомендації

При опрацюванні даної теми слід звернути увагу на таке.У нове тисячоріччя людство вступає в умовах екологічної кризи. В останній чверті XX століття чотири глобальні екологічні проблеми: кислотні дощі, парниковий ефект, руйнування озонового шару та явища ядерної зими.

Кислотний дощ — усі види метеорологічних опадів: дощ, сніг, град, туман, дощ зі снігом, — кислотність яких вища від нормальної. Мірою кислотності є значення рН (водневий показник). Нормальне pH у чистих дощах — 5,6.

Кислотний дощ утворюється в результаті реакції між водою і такими забруднюючими речовинами, як діоксид сірки (SO₂) і різних оксидів азоту (NO_x). Ці речовини викидаються в атмосферу автомобільним транспортом, у результаті діяльності металургійних підприємств і електростанцій, а також при спалюванні вугілля і деревини. Вступаючи в реакцію з водою атмосфери, вони перетворюються в розчини кислот: сірчаної, сірчистої, азотистої й азотної. Потім, разом із снігом чи дощем, вони випадають на землю.

Природними джерелами надходження сульфур (ІV) оксиду в атмосферу є головним чином вулкани і лісові пожежі. Тим часом природні надходження в атмосферу оксидів азоту зв'язані головним чином з електричними розрядами, при яких утвориться NО, згодом — NO₂. Значна частина оксидів азоту природного походження переробляється в ґрунті мікроорганізмами, тобто включена в біохімічний круговорот.

Сульфур (ІV) оксиду, що потрапив в атмосферу, перетерплює ряд хімічних перетворень, що ведуть до утворення кислот. Частково діоксид сірки в результаті фотохімічного окислювання перетворюється в триоксид сірки (сірчаний ангідрид) SO₃:

2SO₂ + О₂ → 2SO₃,

який реагує з водяною парою атмосфери, утворюючи аерозолі сульфатної кислоти:

SO₃ + Н₂О → H₂SO₄.

Основна частина сульфур (ІV) оксиду, що викидається у вологому повітрі утворить аерозоль сульфітної кислоти і зображують умовною формулою Н₂SO₃:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃.

сульфітна кислота у вологому повітрі поступово окисляється до сульфатної:

2H₂SO₃ + O₂ → 2H₂SO₄.

Аерозолі сульфітної і сульфатної кислот приводять до конденсації водяної пари атмосфери і стають причиною кислотних опадів (дощі, тумани, сніг). При спалюванні палива утворяться тверді мікрочастинки сульфатів металів (в основному при спалюванні вугілля), легко розчинні у воді, що осаджуються на ґрунт і рослини, роблячи кислотними роси. Аерозолі сульфітної і сульфатної кислот складають близько 2/3 кислотних опадів, інше приходиться на частку аерозолів азотної й азотистої кислот, що утворяться при взаємодії сульфур (ІV) оксиду з водяною парою атмосфери:

2NO₂ + H₂О → HNO₃ + HNO_2.

Існують ще два види кислотних дощів, що поки не відслідковуються моніторингом атмосфери. Хлор, що знаходиться в атмосфері, при з'єднанні з метаном (джерела надходження метану в атмосферу: антропогенний — рисові поля, а також результат танення гідрату метану у вічній мерзлоті внаслідок потеплення клімату) утворить хлороводень, що добре розчиняється у воді з утворенням аерозолей соляної кислоти:

Cl + СН₄ → CH₃ + HCI, СН₃ + Cl₂ → СН₃Cl + Cl.

Вплив кислотних дощів на екосистеми і людей.

У водяних екосистемах кислотні опади викликають загибель риб та інших водяних мешканців. Підкислення води рік і озер серйозно впливає і на сухопутних тварин, тому що багато звірів і птахів входять до складу харчових ланцюгів, що починаються у водяних екосистемах. Разом із загибеллю озер стає очевидною і деградація лісів. Кислоти порушують захисний восковий покрив листів, роблячи рослини більш уразливими для комах, грибів і інших патогенних мікроорганізмів. Під час посухи через ушкоджені листи випаровується більше вологи. Вилуджування біогенів із ґрунту і вивільнення токсичних елементів сприяє уповільненню росту і загибелі дерев. Можна припустити, що відбувається і з дикими видами тварин, коли гинуть ліси. Якщо руйнується лісова екосистема, починається ерозія ґрунту, засмічення водоймищ, повінь і погіршення запасів води стають катастрофічними. Підкислення ґрунту азотнокислими дощами стимулює розвиток лісових шкідників. У результаті закислення в ґрунті відбувається розчинення живильних речовин, життєво необхідних рослинам; ці речовини виносяться дощами в ґрунтові води. Одночасно вилуджуються з ґрунту і важкі метали, що потім засвоюються рослинами, викликаючи в них серйозні ушкодження. Використовуючи такі рослини в їжу, людина також одержує разом з ними підвищену дозу важких металів. Коли деградує ґрунтова фауна, знижуються врожаї, погіршується якість сільськогосподарської продукції, а це, як ми знаємо, спричиняє погіршення здоров'я населення. Під дією кислот з гірських порід і мінералів вивільняється алюміній, а також ртуть і свинець, що потім попадають у поверхневі і ґрунтові води. Алюміній здатний викликати хворобу Альцгеймера, різновид передчасного старіння. Важкі метали, що знаходяться в природних водах, негативно впливають на нирки, печінку, центральну нервову систему, викликаючи різні онкологічні захворювання. Генетичні наслідки отруєння важкими металами можуть проявитися через 20 років і більш не тільки в тих, хто вживає брудну воду, але й у їхніх нащадків. Забруднення повітря кислото утворюючими викидами робить різноманітний шкідливий вплив і на організм людини. Вдихання вологого повітря, що містить сульфур (ІV) оксид, особливо небезпечно для людей похилого віку, що страждають серцево-судинними і легеневими захворюваннями, у важких випадках може виникнути набряк легень. Шкідливо це і для здорових людей, оскільки SO₂ і сульфатні частки мають канцерогенну дію. Установлено тісний взаємозв'язок між підвищенням смертності від бронхітів і ростом концентрації сульфур (ІV) оксиду в повітрі. Під час трагічного лондонського туману 1952 р. більш 4000 смертей було віднесено за рахунок підвищеного вмісту у вологому повітрі діоксиду сірки і сульфатних часток. Численні дослідження показали збільшення числа захворювань дихальних шляхів у районах, повітря яких забруднений діоксидом азоту NО₂. Потрапляючи в дихальні шляхи, він взаємодіє з гемоглобіном крові, утрудняючи перенос кисню до органів і тканин, викликає респіраторні, астматичні і серцеві захворювання. У лютому 1972 р. у Японії з цієї причини занедужало більш 70 000 чоловік, для багатьох з них захворювання мало летальний результат.

Кислотні дощі роз'їдають метали, фарби, синтетичні з'єднання, руйнують архітектурні пам'ятники. Багато скульптур і будинки в Римі, Венеції й інших містах, пам'ятники зодчества, такі, як Акрополь в Афінах, Кельнський собор та інші, за кілька останніх десятиліть одержали значно великі ушкодження, чим за весь попередій час. Під погрозою повного руйнування в результаті дії кислотних опадів знаходяться більш 50 тис. скульптур скельного «Міста Будд» під Юньанем у Китаї, побудованого 15 століть назад. Найбільш характерні кислотні дощі для індустріальних країн з високорозвиненою енергетикою. Найбільшу втрату вони нанесли лісам Центральної Європи, зокрема 35% лісів Німеччини (на площі більш 2,5 млн. га) ушкоджені ними. Збиток від кислотних дощів для європейських лісів оцінюється в 118 млн. м3 деревини в рік (з них близько 35 млн. м3 на європейській території Росії). У меншому ступені від кислотних дощів страждають сільськогосподарські рослини, оскільки підкислення ґрунтів тут можна контролювати агрохімікатами. Для боротьби з кислотними дощами необхідно направити зусилля на скорочення викидів кислотоутворюючих речовин вугільними електростанціями. А для цього необхідно: використання низько сірчисте вугілля чи його очищення від сірки; установка фільтрів для очищення газоподібних продуктів; застосування альтернативних джерел енергії. Більшість людей залишається байдужими до проблеми кислотних дощів.

Парниковий ефект. Парниковий ефект був виявлений Жозефом Фур'є в 1824 і вперше був кількісно досліджений Сванте Арреніус в 1896. Це процес, при якому поглинання і випускання інфрачервоного випромінювання атмосферними газами викликає нагрівання атмосфери і поверхні планети.

На Землі основними парниковими газами є: водяний пар (відповідальний приблизно за 36-70% парникового ефекту, без урахування хмар), вуглекислий газ (CO₂) (9-26%), метан (CH₄) (4-9%) і озон (3-7%). Атмосферні концентрації CO₂ і CH₄ збільшилися на 31% і 149% відповідно в порівнянні з початком промислової революції в середині XVIII століття. Згідно окремим дослідженням, такі рівні концентрації досягнуті вперше за останні 650 тисяч років — період, для якого були отримані достовірні дані із зразків полярного льоду.

З початком епохи індустріалізації в атмосферу почав надходити вуглекислий газ, що утворюється в результаті спалювання викопного палива:

С + О₂ → СО₂ — реакція спалювання вугілля,

C₃H₈ + 5О₂ → 3СО₂ + 4Н₂О — реакція спалювання газу,

С₂₅Н₅₂ + 38 О₂ → 25СО₂ + 26Н₂О — реакція згоряння мазуту.

Викиди вуглекислого газу в атмосферу значно зросли в другій половині XX століття. Основною причиною цього стала колосальна залежність сучасної світової економіки від викопних видів палива. Сьогодні, наприклад, викопне паливо забезпечує 75 % світового виробництва електричної енергії. За оцінками експертів ООН, із початку XX ст. збільшення викидів вуглекислого газу складало від 0,5 % до 5 % щорічно. У результаті тільки за рахунок спалювання палива в атмосферу надійшло 400 млрд тонн вуглекислого газу. За розрахунками фахівців, зараз атмосфера містить на 25 % вуглекислого газу більше, ніж його було накопичено за останні 160 тисяч років. На думку деяких учених, відбулося порушення біосферного вуглецевого кругообігу: "надходження вуглекислого газу в атмосферу почало перевищувати його споживання живими організмами.

Сьогодні у світі в результаті спалювання палива на теплових електростанціях, промислових підприємствах і в автомобільних двигунах в атмосферу щорічно викидається більше 5 млрд тонн вуглекислого газу. Ще 1—2 млрд тонн його йде в атмосферу за рахунок спалювання лісів, переважно тропічних. Ліси зникають із поверхні планети з катастрофічною швидкістю, за останні два століття їхня площа скоротилася вдвічі Вологі тропічні ліси почали інтенсивно згоряти із середини XX ст. (у середньому вони зникають зі швидкістю 1 га на хвилину або 5 тис км на рік).

25 % промислових викидів вуглекислого газу за рахунок спалювання палива в атмосферу дають США і країни Євросоюзу. 11 % - Китай, 9 % - Росія.

До інших парникових газів, поява яких в атмосфері в значній кількості o6v мовлена господарською діяльністю людини, належать

метан СН₄, що надходить із рисових полів (близько 110 млн тонн на рік), в результаті витоків природного газу при нафто- і вуглевидобутку (до 50 млн тонн у рік) Частка його впливу на посилення парникового ефекту складає 15 %.

фторхлорвуглеці (фреони), витік яких відбувається на промислових га інших об'єктах. Частка їхнього впливу 12—24%,

нітроген оксиди, що потрапляють в атмосферу внаслідок спалювання палива в реактивних літакових і ракетних двигунах, застосування азотних добрив v сільському господарстві Частка їхнього впливу - 5—6%

За останні роки відзначається поступове зростання цих парникових газів в атмосфері.

Негативні наслідки парникового ефекту.

На думку ряду вчених, середня температура на планеті зросла в порівнянні з доіндустріальним періодом (кінець XIX ст.) приблизно на 0,6 °С За найбільш оптимістичними прогнозами, до 2025 р. підвищення температури складе 2,5 °С а до кінця XXI сторіччя — майже 6 °С.

Серед важливих проблем, пов'язаних з посиленням парникового ефекту й потеплінням, виділяється проблема підвищення рівня Світового океану за рахунок танення материкових і морських льодів і проблема теплового розширення води в океані. За минуле століття рівень Світового океану підвищився на 10—25 см, а до кінця XXI сторіччя може підвищитися вже на 1—2 м. Якщо ж відбудеться руйнування льодових щитів Антарктиди й Гренландії, то рівень океану підвищиться на 10 м, а це спричинить зникнення з карти світу десятків держав.

Поступове підвищення рівня Світового океану також змусить сотні мільйонів людей мігрувати з прибережних зон, дельт рік і островів. Вода затопить чимало приморських міст, серйозно постраждають місця нересту риб. Більше за інших постраждають Китай, Єгипет, Бангладеш, Нідерланди, Японія, США.

Потепління призведе також до вивільнення метану, що знаходиться в зоні вічної мерзлоти у вигляді гідрату метану. Гідрат метану — це тверда речовина, що складається з кристалів води й метану, поглиненого під тиском водою. За оцінками, у зоні вічної мерзлоти метану міститься в багато разів більше, ніж у всій живій матерії на Землі.

Озонова діра - локальне падіння концентрації озону в стратосфері на 10—40%. Пов'язано це з дією фреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків. Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. Загальноприйнята в науковому середовищі теорія, за якою в другій половині XX століття вся зростаюча дія антропогенного чинника у вигляді виділення хлор- і бромвмісних фреонів (CFC) привела до значного зменшення озонового шару. Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення «озонових дір» значною мірою природній і не пов'язаний винятково з шкідливою дією людської цивілізації.

Озонова діра діаметром понад 1 000 км вперше була відкрита 1985 року в Південній півкулі над Антарктидою групою британських вчених. Вона з'являлася кожний серпень, до грудня або січня припиняючи своє існування. Над Північною півкулею в Арктиці утворювалася інша діра, значно менших розмірів.

Механізм синтезу, а також розпаду (фотоліз) озону, був запропонований Сіднеєм Чепманом в 1930 році й носить його ім'я. Реакції утворення озону:

• О₂ + hν → 2О + 2О₂ → 2О₃

Фотоліз молекулярного кисню відбувається в стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 175—200 нм і до 242 нм.

• О₃ + hν → О₂ + О

• О₃ + O → 2О₂

Озон витрачається в реакціях фотолізу і взаємодії з атомарним киснем. До зменшення концентрації озону в атмосфері веде сукупність чинників, головним з яких є руйнування молекул озону в реакціях з різними речовинами антропогенного і природнього походження, відсутність сонячного випромінювання протягом полярної зими, особливо стійкий полярний вихор, який перешкоджає проникненню озону з приполярних широт, і утворення полярних стратосферних хмар (ПСХ), поверхню частинок якого каталізують реакції розпаду озону. Ці чинники особливо характерні для Антарктики, в Арктиці полярний вихор набагато слабкіший за причини відсутності континентальної поверхні, температура вище на декілька градусів, ніж в Антарктиці, а ПСХ менш поширені, до того ж мають тенденцію до розпаду на початку осені. Будучи хімічно активними, молекули озону (O₃) можуть реагувати з багатьма неорганічними і органічними сполуками. Головними речовинами, що вносять внесок в руйнуванню молекул озону є:

прості речовини (водень (H₂), атоми кисню (O), хлору (Cl), брому (Br)),

неорганічні сполуки (хлороводень (HCl), монооксид азоту (NO)),

органічні сполуки (метан (CH₄), фторхлор- і фторбромфреони, які виділяють атоми (Cl) і (Br)).

На відміну, наприклад від гідрофторфреонів (HFC), які розщеплюються до атомів фтору, які, у свою чергу, швидко реагують з водою (H₂O) утворюючи стабільний фтороводень (H₂F₂). Таким чином, фтор (F) не бере участь в реакціях розпаду O₃. Йод також не руйнує стратосферний озон, оскільки йодовмісні органічні речовини майже повністю витрачаються ще в тропосфері.

Наслідки. Ослаблення озонового шару усилює потік сонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числа ракових утворень шкіри. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.

Ядерна зима. Учені вважають, що при декількох великомасштабних ядерних вибухах, які тягнуть за собою згоряння лісових масивів, міст, величезні шару диму, гари піднялися б до стратосфери, блокуючи тим самим шлях сонячної радіації (ядерна ніч). Тривала ядерна ніч зветься "ядерна зима".

Зима протриває кілька років, може навіть усього пари місяців, але за цей час буде майже цілком знищений озоновий шар Землі.

На Землю підуть потоки ультрафіолетових променів. Моделювання даної ситуації показує, що в результаті вибуху потужністю в 100 Кт температура понизиться в середньому в поверхні Землі на 10-20 градусів. Після ядерної зими подальше природне продовження життя на Землі буде досить проблематичним:

виникне дефіцит харчування й енергії. Через сильну зміну клімату сільське

господарство прийде в занепад, природа буде знищена, або сильно зміниться.

відбудеться радіоактивне забруднення ділянок місцевості, що знову ж приведе до винищування живої природи

глобальні зміни навколишнього середовища (забруднення, вимирання безлічі

видів, руйнування дикої природи).

Ядерна зброя - величезна погроза всьому людству. Так, по розрахунках американських фахівців, зривши термоядерного заряду потужністю 20 Мт може зрівняти з землею всі житлові будинки в радіусі 24 км і знищити все живе на відстані 140 км від епіцентру.

З огляду на накопичені запаси ядерної зброї і його руйнівну силу, фахівці вважають, що світова війна з застосуванням ядерної зброї означала б загибель сотень мільйонів людей, перетворення в руїни всіх досягнень світової цивілізації і культури.

Питання 4.Охорона довкілля від забруднень сполук неметалічних елементів.