Xімія та екологія

Розвиток промисловості та транспорту, збільшення населення, проник-нення людини в космос, інтенсифікація сільського господарства (використання добрив, засобів захисту рослин), перевезення нафтопродуктів, поховання небез-печних хімічних речовин, а також відходів атомних електростанцій, кораблів, човнів, випробування ядерної зброї — все це джерела глобального забруднення природного середовища — землі, води, повітря. У біосфері постійно перебуває близько одного мільйона різних хімічних сполук антропогенного походження — оксиди вуглецю, сірки, азоту, озон, метали (свинець, кадмій, ртуть тощо) та їхні сполуки, органічні речовини (вуглеводні, хлоро- фосфоро-, нітропохідні), радіоактивні та тверді речовини (сажа, попіл, пил, пісок), гербіциди, пестициди, нітрати, а також продукти взаємодії всіх цих речовин, які є більш токсични-ми, ніж вихідні.

Хімічні аспекти проблеми навколишнього середовища складають само-стійний та важливий розділ сучасної хімії, який називається хімічною еколо-гією. Хімічна екологія включає питання, які пов’язані з хімічними процесами, що відбуваються в системі «людина і біосфера», з хімічним забрудненням біо-сфери та його впливом на екологічну рівновагу, з характеристикою основних хімічних забруднювачів і способів визначення ступеню забруднення, з хіміч-ними методами боротьби з забрудненням навколишнього середовища, з вина-ходженням нових екологічно чистих джерел енергії.

11.1. ОХОРОНА ПОВІТРЯНОГО БАСЕЙНУ

Основні антропогенні атмосферні викиди шкідливих речовин викликані спалюванням органічного палива на електростанціях, у котельних, проми-слових печах і двигунах внутрішнього згорання, а також переробкою руд і одержанням різних хімічних продуктів. Крім того, в атмосферу надходять вуглеводні, свинець, ртуть, миш’як, радіоактивні ізотопи. Основна частина ви-кидів надходить від теплових електростанцій, підприємств металургії, вироб-ництв з добування та переробки нафти, автотранспорту.

Продукти горіння пального залежать від його складу та умов спалювання. При цьому завжди утворюються Н₂О, СО₂ та СО. Крім того, продукти горіння пального містять оксиди сірки та азоту. Основна частина оксидів азоту надходять в атмосферу від автотранспорту та теплових електростанцій.

Продукти горіння пального також містять вуглеводні (наприклад, бенз(а) пирен С₂₀Н₁₂, який має канцерогенні властивості). Продукти горіння твердого палива та мазуту налічцють значну долю твердих речовин: сажу, золу та ін.

Антропогенні викиди в атмосферу впливають не тільки на навколишнє середовище, а й на цілі континенти і навіть на клімат на Землі. До числа таких глобальних наслідків належать зруйнування озонового шару, «парниковий» ефект і кислотні дощі.

«Парниковий ефект». Діоксид вуглецю СО₂ прозорий для сонячного світла, але не пропускає в атмосферу інфрачервоне випромінювання Землі, тобто поводить себе подібно до поліетиленової плівки в парнику. Концентрація СО₂ зростає зі збільшенням темпів горіння пального, що викликає підвищення середньої температури на Землі і, відповідно, танення льодовиків та збільшення рівня Світового Океану.

Кислотні дощі. В атмосфері утворюються Н₂SO₃, H₂SO₄ та HNO₃ при взаємодії оксидів сірки та азоту з водою:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃;

SO₃ + H₂O → H₂SO₄;

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO.

Кислоти у вигляді малих крапель (0,1—1,0 мкм) переносяться на великі відстані (сотні кілометрів) і випадають у вигляді кислотних дощів (рН<6,5 іноді до рН=4). Вода з низьким значенням рН може розчиняти сполуки токсичних важких металів, а при недостатній обмінній ємності грунту підкислює його, що знижує врожай і шкодить лісам. Кислотні дощі також спричиняють корозію металів і руйнування будівельних конструкцій та творів мистецтва.

Захист повітряного басейну від забруднення. Захист повітряного басейну від забруднення відбувається за трьома напрямками: знешкодження викидів, зміна складу пального та розробка нових методів перетворення енергії і нових технологій.

На першому етапі значною мірою використовується перший напрямок. Теплові електростанції та металургійні заводи мають уловлювачі золи для вида-лення її з продуктів горіння, фільтри та адсорбери для сорбції деяких газів та твердих часточок.

Для нейтралізації оксидів сірки та азоту використовують вапняк СаСО₃, гашене вапно Са(ОН)₂, MgO, соду Na₂СO₃ та інші:

SO₂ + CaCO₃ + ½ H₂O → CaSO₄· ½ H₂O + CO₂;

SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃· ½ H₂O + ½ H₂O;

SO₂ + MgO + 6H₂O → MgSO₃ · 6H₂O;

4NO₂ + 2Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + Ca (NO₂)₂ + 2H₂O;

2NO₂ + Na₂CO₃ → NaNO₂ + NaNO₃ + CO₂.

Оксиди азоту та сірки знешкоджують також методом каталітичного відновлення, наприклад:

4NO + CH₄ → 2N₂ + CO₂ + 2H₂O;

2NO₂ + CH₄ → N₂ + CO₂ + 2H₂O.

SO₂ та CO окиснюють на каталізаторах:

SO₂ + ½ O₂ → SO₃;

SO₃ + H₂O → H₂SO₄;

CO + ½ O₂ → CO₂.

Однак ці методи недостатньо ефективні. Більш перспективними напрям-ками є створення нових технологій та пристроїв, наприклад, розвиток водневої і електрохімічної енергетики та створення електромобіля.

11.2 ОХОРОНА ВОДНОГО БАСЕЙНУ

Характеристика стічних вод. Стічною водою називається вода, яка була використана на виробничі та побутові потреби й одержала забруднення, що змінили її властивості, і яка підлягає очищенню та видаленню з даного об’єкта або населеного пункту. Склад стічних вод дуже різноманітний і залежить від типу виробництва. Найбільшу кількість домішок мають води хімічної, горно-металургійної, целюлозо-паперової, нафто- та вуглепереробної галузей проми-словості. Стічні води характеризуються такими технологічними показниками: кількість нерозчинених і розчинених домішок, БПК, окисність, рН, твердість, кислотність, загальний солевміст та ін.

Методи очищення вод. Для очищення води використовують хімічні, фізикохімічні, біологічні та фізичні методи. Наприклад, для очищення вод від грубодисперсних домішок використовують фільтрування, відстоювання, флотацію. Для очищення стічних вод від розчинних неорганічних домішок використовують реакції нейтралізації, осадження, окиснення, відновлення. Наприклад, якщо води мають кислий характер, то їх нейтралізують гашеним вапном Са(ОН)₂, содою Na₂CO₃, магнезитом MgCO₃, вапняком СаСО₃ та ін. За допомогою окисно-відновних реакцій можна виділити, наприклад, ціанід-іон CN^- за допомогою NaOCl:

2CN^- + 5OCl^- + 2H⁺ → 2CO₂ + N₂ + 5Cl^- +H₂O.

Для видалення розчинних домішок широко використовують іонообмінні методи. Загальні принципи іонного обміну описані в пункті 6.3. Наприклад, для видалення іонів Cd²⁺ зі стічної води її можна піддати Na-катіонуванню:

2NaR+Cd²⁺↔CdR₂+2Na⁺.

Але цей метод використовують тільки для глибокого очищення води, то-му що вартість його достатньо велика.

Для видалення органічних домішок використовують методи термоокис-нення (вогневе знешкодження) або окиснення домішок киснем повітря, хлором та іншими окисниками. За методом електроокиснення стічні води пропускають через електролізер, у якому відбувається електрохімічне окиснення органічних домішок на нерозчинному аноді. Наприклад, фенол С₆Н₅ОН окиснюється на аноді до СО₂ і малеїнової кислоти:

С₂Н₅ОН + 7Н₂О + 16e → 2СО₂ + (СНСООН)₂ + 16Н⁺.

Крім того, для очищення від органічних домішок використовують методи екстракції, перегонки, адсорбції, іонного обміну, осадження, а також біологічні методи видалення домішок за допомогою мікроорганізмів.

Хімічні знання та технології відіграють майже головну роль у вирішенні сучасних екологічних проблем, незалежно від джерела їхнього виникнення. Головними напрямками збереження і охорони природи за допомогою хімії є:

моніторинг, тобто аналітичний контроль навколишнього середовища;

токсикологічні дослідження, зокрема оцінка канцерогенної та мутагенної активності хімічних речовин;

створення мало- і безвідхідних виробництв, енерго- і ресурсозбе-рігаючих технологій;

очищення та переробка стічних вод, відхідних та вихлопних газів, твердих відходів;

поведінка та розподіл хімічних речовин (природних і антропогенних) в екологічних системах (регіональний рівень) і геосфері — атмосфері, гідросфері та верхній літосфері (біосферний рівень);

глобальні біогеохімічні цикли елементів і хімічна стійкість біосфери;

освіта та виховання: екологічне — хіміків, хімічне — екологів, хіміко-екологічне — населення.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Коровин Н.В. Общая химия.- М.: Высш.шк., 1998.

2. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія.- Київ; Ірпінь: ВТФ “Перун”, 1998.

3. Карапетьянц Н.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия.- М.: Высш.шк., 1993.

4. Общая химия /под ред. Соколовской Е.И. и Бузея Л.С.- М: Изд-во МГУ, 1989.

5. Харин А.Н., Катаева И.А., Харина А.Т. Курс химии.- М.: Высш. шк., 1983.

6. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М.: Высш. шк., 1998.

7. Курс химии. Ч.2, специальная для строительных вузов / под ред. В.А. Киреева.- М.: Высш. шк., 1980.

8. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1988.

9. М.Фримантл. Химия в действие.- М.: Мир, 1991.

10. Зайцев О.С. Общая химия. Состояние веществ и химические реакции.- М.: Химия, 1990.

11. Дворкін Л.И. Опоряджувальні матеріали і вироби. Довідник.- Київ, Вища шк., 1993.

ЗМІСТ

ВСТУП............................................................................................................	3
Розділ 1. АТОМНО - МОЛЕКУЛЯРНЕ ВЧЕННЯ
1.1. Основні поняття хімії..................................................................	4
1.2. Основні закони хімії....................................................................	7
Розділ 2. ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ПЕРЕБІГУ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ
2.1. Енергетика хімічних процесів....................................................	9
2.2. Напрямленість хімічних процесів...........................................	13
2.3. Хімічна кінетика .........................................................................	16
2.4. Хімічна рівновага........................................................................	24
Розділ 3. РОЗЧИНИ. ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ
3.1. Розчини. Характеристика розчинів та способи вираження їхнього складу..............................................................................	29
3.2. Загальні властивості розчинів....................................................	32
3.3. Розчини електролітів...................................................................	35
3.4. Гідроліз солей..............................................................................	47
3.5. Дисперсні системи......................................................................	52
Розділ 4. БУДОВА РЕЧОВИНИ
4.1. Будова атома................................................................................	59
4.2. Періодична система елементів Д.І. Менделєєва та електрон- на теорія будови атома................................................................	64
4.3. Хімічний зв’язок і будова молекул............................................	67
Розділ 5. ОКИСНО-ВІДНОВНІ РЕАКЦІЇ. ОСНОВИ ЕЛЕКТРОХІМІЇ
5.1. Окисно-відновні реакції..............................................................	78
5.2. Електродні потенціали. Гальванічні елементи.........................	82
5.3. Корозія металів............................................................................	87
5.4. Електроліз....................................................................................	93
Розділ 6. МЕТАЛИ
6.1. Загальна характеристика............................................................	96
6.2. Магній, кальцій та їхні сполуки.................................................	98
6.3. Твердість води та методи її усунення........................................	100
Розділ 7. НЕМЕТАЛИ.
7.1. Загальна характеристика............................................................	102
7.2. Вуглець та його неорганічні сполуки........................................	104
7.3. Кремній та його сполуки............................................................	109
Розділ 8. НЕОРГАНІЧНІ В’ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ
8.1. Загальні властивості....................................................................	116
8.2. Гіпсові в’яжучі речовини...........................................................	119
8.3. Вапняні в’яжучі речовини..........................................................	120
8.4. Портландцемент..........................................................................	122

155