Химия окружающей среды (стр. 4 )

И в быту мы должны максимально оградить себя от поллютантов и других опасных компонентов, зная их источники, снижая их использование и выбросы, проветривая помещения.

Контрольные вопросы по теме

1.  Состав и строение атмосферы.

2.  Основные реакции, протекающие в разных слоях атмосферы.

3.  Цикл Чэпмена и его нарушения. Роль антропогенного фактора.

4.  Циклы перекисного и гидроперекисного радикалов, их роль.

5.  Озоновые дыры. К чему приводит образование озоновых дыр?

6.  Кислотные дожди, причины и следствия.

7.  Смог, его причины и следствия.

8.  Загрязнение атмосферы. Причины и следствия.

9.  Парниковые газы, их экологическая роль и способы борьбы с ними.

10.  Загрязнение атмосферы тяжелыми металлами.

11.  Защита атмосферы.

Глава 3. Физико-химические процессы в гидросфере

Гидросфера – это водная оболочка Земли. Иногда в её состав включают только поверхностные воды, т. е. воды Мирового океана, рек, озёр, ледников и т. д.; иногда - все воды планеты, в том числе атмосферный водяной пар и воду, входящую в состав минералов и живых организмов. Но чаще всего под гидросферой понимают совокупность жидких и твёрдых вод, находящихся на поверхности земли и в пределах литосферы.

Гидросферу можно рассматривать как совокупность водных объектов. Они подразделяются на водоёмы, водотоки и особые водные объекты.

Общий запас воды на нашей планете оценивается в 1389,53 млн км3, а пресной — 35,83 млн км3, или 2,58% от всего запаса. Кроме поверхностных вод, в нее включают подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а более широко — атмосферную воду и ту, которая содержится в составе организмов.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с другими сферами, образуя сложный круговорот воды на планете. Ежегодно в этом круговороте только на поверхности Земли участвует более 1 млн. км3 воды, что составляет около 0,1% всего активного водообмена.

Для биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность уменьшать свою плотность при замерзании. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы этого не происходило, то все водоемы промерзли бы до дна, испарение прекратилось, все животные и растения погибли.

Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы невозможна.

Ни одно вещество в мире не поглощает и не отдает столько тепла, сколько вода. Вода сохраняет тепло на земле. Если бы вода не обладала такой теплоемкостью, как сейчас обмен веществ в теплокровных и холоднокровных организмах был бы невозможен.

Дождь растворяет в себе все ядовитые газы атмосферы. Вода является своеобразным фильтром. Вода является почти универсальным растворителем.

Вода — источник кислорода в фотосинтезе, компонент и среда для организмов и протекания реакций, растворитель и переносчик различных соединений, тепловой демпфер, участник геологических процессов и пр.

3.1. Компоненты природной воды

Основные группы компонентов воды.

1.  Первая группа — это главные ионы. К ним относятся катионы калия, натрия, магния и кальция (K+, Na+, Mg2+, Ca2+), а также анионы кислотных остатков, а именно: хлорид - анион, сульфат - анион, карбонат - и бикарбонат - анионы (Cl–, SO42–, CO32–, HCO3–). Соотношение главных ионов в воде в норме практически постоянно. Ионная сила пресной воды около 0,01.

2.  Ко второй группе относятся газы, главные из которых кислород, азот, сероводород и метан. Их содержание достаточно мало, например метана в воде содержится 5–9 моль/л.

3.  Третью группу составляют биогенные вещества. Это в первую очередь соединения азота и фосфора. Сюда же включаются соединения железа.

4.  В четвертой группе находятся все микроэлементы. Это катионы всех металлов (кроме железа, главных ионов, тяжелых металлов и радионуклидов), а также оставшиеся анионы, в первую очередь галогенид-анионы (кроме хлорид-аниона).

5.  Растворенные органические вещества (РОВ) помещают в наиболее представительную пятую группу. Здесь находятся все классы органических соединений, важнейшими из которых являются ароматические соединения, а также гуминовые и фульвокислоты. Для оценки содержания РОВ используют различные косвенные показатели, такие как содержание органического углерода, азота, фосфора и окисляемость (ХПК—химическое потребление кислорода, БПК биохимическое потребление кислорода — норма 1 мг/л).

6.  Шестая группа — это токсичные и другие загрязнения. Здесь находятся тяжелые металлы, радионуклиды, многие органические, в частности хлорорганические и ароматические, соединения, поверхностно-активные вещества (ПАВ), полимеры и пр.

7.  Наконец, седьмую группу образуют макропримеси. Это пузырьки газов, капельки масел, твердые частицы, микроводоросли, вирусы, бактерии и другие простейшие, т. е. все то, что можно увидеть невооруженным глазом или с помощью микроскопа.

3.2. Важнейшие химические элементы в природных водах

Азот и его соединения в природных водах. В природных водах азот находится в виде ряда неорганических и разнообразных органических соединений. К неорганическим формам относятся аммоний, нитриты и нитраты — все хорошо растворимые. Органические соединения — белковоподобные соединения, полипептиды, гумусовые вещества, аминокислоты, амины, мочевина — присутствуют в воде во взвешенном состоянии (остатки организмов), в виде коллоидных и истинных растворов. Между неорганическими и органическими соединениями азота постоянно осуществляются взаимные переходы. Повышение содержания нитратов и нитритов в воде свидетельствует о загрязнении воды. В чистых водах нитрит-ионы аналитически не обнаруживаются.

Фосфор и его соединения в природных водах. Фосфор встречается в природных водах в форме органических и неорганических соединений, мигрируя в виде истинных коллоидных растворов и во взвешенном состоянии. Неорганический фосфор представлен соединениями ортофосфорной кислоты Н3РО4. Органические соединения фосфора представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфолипидами.

Кремний и его соединения в природных водах. Кремний — один из наиболее распространенных элементов. Формы соединений в природных водах довольно многообразны и зависят от минерализации, состава воды и рН среды. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой и поликремниевых кислот. Содержание кремния уменьшается в природных водах при потреблении его водными организмами (например, диатомовыми водорослями), при переходе кремниевой кислоты при определенных условиях в гель, при сорбции и дегидратации.

Железо и его соединения в природных водах. Железо — непременный компонент поверхностных вод. Соединения трехвалентного железа наиболее распространены, двухвалентное железо обнаруживается в водах с низкими окислительными потенциалами.

Кроме растворенного ионного железа (Fе2+, Fе3+), в природных водах присутствуют гидроксокомплексы, коллоидные неорганические и органические формы. Значительная часть железа мигрирует в поверхностных водах в форме взвешенных частиц. В природных водах многие соединения железа малоустойчивы, поскольку подвергаются гидролизу с последующим осаждением гидроксидов. Формы миграции железа в почвенно-грунтовых водах меняются посезонно: в период весеннего половодья при большом количестве взвешенного материала преобладают взвешенные формы, в межень (сезонное понижение уровня воды в реках) большую роль в переносе железа играет органическое вещество. Наиболее важные источники поступления химических, в том числе биогенных элементов в природные воды разделяют на две большие группы: внешние и внутренние. Внешние источники обеспечивают поступление веществ в водоемы с речным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Внутренние источники накапливают химические элементы за счет процессов поступления из залитого ложа водохранилищ, минерализации древесной, луговой и высшей водной растительности и отмершего планктона, а также донных отложений.

3.3. Основное равновесие в водоеме.

Трофические цепи

Любой водоем представляет собой реактор открытого типа. В нем в норме наблюдается равновесие всех компонентов. Оно обеспечивается равенством скоростей их поступления (образования) и удаления (исчезновения): V поступления = V исчезновения.

К важнейшим относится равновесие между органическими и неорганическими компонентами. Оно поддерживается равными скоростями их производства и потребления:

минеральные вещества, вода, СО2, ← автотрофы → органические в-а, О2

гетеротрофы

О равновесии неорганический углерод – органический углерод. В данном случае оно относится к водным растениям (водорослям) и потребляющим их организмам (зоопланктону, рыбам), т. е. метаболиты первых (и они сами) потребляются вторыми, и наоборот. Важно отметить, что водоросли, по последним научным данным, являются основными производителями биомассы и кислорода на Земле.

В Мировом океане они подразделяются следующим образом:

фитопланктон — взвешенные в воде водоросли;

микрофиты — закрепленные водоросли.

Говоря об углероде и его роли в циркуляции водорослей, надо отметить, что растворимость углекислого газа в соленой воде больше, чем в пресной. В результате его содержание в морской воде превышает в 15 раз содержание кислорода и в 30 раз азота. В этой связи лимитирующим фактором в процессе фотосинтеза водорослями органического вещества являются соединения азота, а также фосфора. Причем, соотношение этих элементов в органическом веществе фитопланктона постоянно и равно

С:N:Р = 108:16:1.

Исследования показали, что вообще соотношение различных органических соединений, или метаболитов, в природной воде в среднем постоянно и близко их соотношению в крови. Таким образом, речь может идти о гомеостазе в широком смысле слова, т. е. о постоянстве среды обитания в природе и внутренней среды в организме.