Химия окружающей среды1 Лекции Нельзя объять необъятное Козьма Прутков Химия окружающей среды. - презентация

1 химия окружающей среды1 Лекции Нельзя объять необъятное Козьма Прутков Химия окружающей среды

2 химия окружающей среды2 Что такое химия окружающей среды

3 химия окружающей среды3 Что такое химия окружающей среды " Что такое химия окружающей среды ? Достаточно трудно однозначно ответить на этот вопрос, поскольку химия окружающей среды включает в себя много различных дисциплин, от изучения реакций фреонов в стратосфере и анализа токсичных веществ в донных океанских отложениях, до химии и биохимии нестабильных растворимых органометаллических соединений синтезируемых анаэробными бактериями. органометаллических Химия окружающей среды – Это изучение источников, реакций, переноса, влияния на среду и стоков химических веществ находящихся в гидросфере, атмосфере и литосфере. - Stanley E. Manahan Environmental Chemistry, Fifth edition.

4 химия окружающей среды4 In the end we will conserve only what we love; We will love only what we understand; and we will understand only what we are taught. Baba Dioum (Senegalese ecologist)

5 химия окружающей среды5 Чем занимается химия окружающей среды? химия Окружающей среды Борьба с загрязнением Окружающей среды Очистка окружающей среды Исследования окружающей среды Разработка законодательства по охране окружающей среды Мониторинг окружающей среды

6 химия окружающей среды6 Происхождение вселенной

7 химия окружающей среды7 Происхождение и эволюция Земли Образование земной коры и атмосферы Образование земной коры и атмосферы

8 химия окружающей среды8 »Образование гидросферы

9 химия окружающей среды9 Гидрологический цикл.

10 химия окружающей среды10 Гидрологический цикл. 2 Объем водяных паров, содержащихся в атмосфере - около 0, км 3, вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности: - океанов - 0, км 3 /год - суши - 0, км 3 год - переносится с воздушными массами - 0, км 3 /год. Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере - обычно 10 дней, среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км.

11 химия окружающей среды11 Гидрологический цикл.3 Водяные пары затем возвращаются либо в океаны - 0, км 3 /год, либо на континенты - 0, км 3 /год в виде снега или дождя. Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя, подземные воды (9, км 3 ); остальная вода течет по поверхности в виде рек - 0, км 3 или вновь испаряется в атмосферу. Поскольку общее количество воды в гидросфере постоянно во времени, процессы испарения и осаждения должны быть сбалансированы для Земли в целом, несмотря на большие локальные различия между гумидными и аридными регионами.

12 химия окружающей среды12 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 1 1. Образование Земли из протопланетного пылевого облака. температура поверхности - очень высокая. Состав атмосферы обусловлен активной дегазацией магмы Преобладание СО 2 и паров воды; также SO 2, HCl и другие газы; водорода, гелия и азота было совсем немного. Давление примерно в 100 раз превышало нынешнее.

13 химия окружающей среды13 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 2 2. Остывание Земли пары воды сконденсировались и в них начали растворяться газы. Водные растворы газов (преимущественно кислоты) реагировали с магматическими горными породами. При этом образовывались осадочные породы 2НCl + CaAl 2 Si 2 O 8 = СаСl 2 + 2HAlSiO 4 2Н 2 О + 2С0 2 + CaAI 2 Si = Са(НСО 3 ) 2 + 2HAlSiO 4 Н 2 и He – улетучиваются в космос увеличивалось количество аргона ( 40 Аг), образующегося при радиоактивном распаде природного 40 К

14 химия окружающей среды14 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 3. Древнейшие из известных ископаемых бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно продвинутого метаболизма, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов: С H 2 S -> СН S +Н 2 0

15 химия окружающей среды15 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 4 3. Фотосинтез - процесс, позволяющий получать органические вещества из углекислого газа и воды под действием света: Н С0 2 -> СН С Н 2 0 = С 6 Н

16 химия окружающей среды16 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 5 Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, он начал постепенно накапливаться в атмосфере. Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта (О 2 ) была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Постепенно возникла атмосфера современного состава.

17 химия окружающей среды17 Происхождение жизни и эволюция атмосферы 5

18 химия окружающей среды18 Состав атмосферы

19 химия окружающей среды19 ТЕОРИЯ ГЕИ биология контролирует способность планеты быть обитаемой, делая атмосферу, океаны и сушу удобными для поддержания и развития жизни «биогеохимические циклы»

20 химия окружающей среды20 Строение Земли Три концентрические оболочки: центральное ядро промежуточная оболочка или мантия наружная оболочка, или земная кора - литосфера

21 химия окружающей среды21 Литосфера Литосфера является твердой оболочкой кристаллического строения. Средняя плотность - 2,7 г/см 3. В зависимости от глубины и слагающих пород плотность может меняться от 1,0 до 3,3 г/см 3. Состоит из трех слоев: осадочного (обычно небольшой мощности), гранитного, сложенного магматическими и метаморфическими горными породами кислого состава типа гранитов, и базальтового, состоящего из основных пород, близких по составу к базальтам.

22 химия окружающей среды22 Мантия –Граница между литосферой и мантией устанавливается по резкой смене скоростей сейсмических волн, она названа разделом Мохоровичича в честь югославского ученого А. Мохоровичича. –составляет более 80% объема земного шара, более 2/3 его массы (примерно т ) –состоит из сильно сжатых силикатных систем неоднородна по своему составу –Располагается ниже литосферы и простирается до глубины 2900 км

23 химия окружающей среды23 Мантия 2 Мантию принято делить на три зоны: В до глубины 400км верхняя мантия С -- до глубины 1000км D до глубины 2900км.

24 химия окружающей среды24 Мантия 3 Строение Земли (модель ГуттенбергаБуллена)

25 химия окружающей среды25 Строение Земли

26 химия окружающей среды26 Биосфера Биосфера это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу литосферу

27 химия окружающей среды27 Общая структура Земли

28 химия окружающей среды28 Биосфера 2 Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы – аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами; геобиосферу верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.

29 химия окружающей среды29 Ноосфера Ноосфера качественно новое состояние биосферы, находящейся в эволюционном развитии (В.И.Вернадский).

30 химия окружающей среды30 Атмосфера Атмосфера является самым маленьким из геологических резервуаров Земли

31 химия окружающей среды31 Циркуляция атмосферы

32 химия окружающей среды32 Состав атмосферы

33 химия окружающей среды33 Приблизительный состав атмосферы

34 химия окружающей среды34 Виды источников 1. Геохимические источники Дегазация магмы (вулканы) пыль(вулканы, аридные районы) морские брызги выделение газов из водных растворов Метеоры испарение

35 химия окружающей среды35 Виды источников 2. Биологические источники Леса (6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ) «С» + О2 = СО 2 Микроорганизмы (почвы, рек и океанов)

36 химия окружающей среды36 Виды источников 3.Антропогенные Промышленное производство Транспорт Сельское хозяйство

37 химия окружающей среды37 Виды источников 4. Химические реакции N 2 + O 2 (разряд) 2NO ЗО 2 (разряд ) 2О 3

38 химия окружающей среды38 Виды стоков Рассеивание в космосе Растворение. Жизнедеятельность организмов. Химические реакции. Разрушение под действием излучения Конденсация

39 химия окружающей среды39 Время пребывания Понятие баланса между источником газа и стоком этого газа для атмосферы является крайне важным. Ситуация часто описывается с помощью уравнения: F вх = F вых = A/τ Где F вх и F вых это потоки в атмосферу и из нее А общее количество газа в атмосфере и τ время пребывания газа в атмосфере. Время пребывания величина, описывающая системы в устойчивом состоянии. Это очень важное понятие, играющее центральную роль в химии окружающей среды.

40 химия окружающей среды40 Время пребывания следов газов в естественной атмосфере

41 химия окружающей среды41 Современные компоненты атмосферы 1. Азот ( N 2 ) и соединения азота относительно тяжел, нерастворим в воде и химически инертен, практически не уходит из атмосферы. После инертных газов у него самое большое время пребывания в атмосфере 10 6 лет. вступает в реакции либо под действием нитрифицирующих бактерий (восстановление его до солей аммония), либо при очень высокой температуре (окисление до оксида азота (II)).

42 химия окружающей среды42 Современные компоненты атмосферы 2.Кислород (О 2 ) молекула кислорода очень реакционноспособна О. – О. источник и сток – в основном живые организмы время пребывания лет

43 химия окружающей среды43 Современные компоненты атмосферы 3. Углекислый газ (СО 2 ) время пребывания 4 года Источники и стоки – антропогенные, дегазация гидросферы, фотосинтез, растворение

44 химия окружающей среды44 Парниковый эффект?

45 химия окружающей среды45 Современные компоненты атмосферы 4. Пары воды время пребывания 10 суток Основной источник паров воды испарение сток конденсация Абсолютная и относительная влажность

46 химия окружающей среды46 Современные компоненты атмосферы 5. Оксид серы (IV) (SO2) время пребывания от 3 до 7 суток. А. Источники: Деятельность вулканов - 0,6*10 6 моль/год окисление соединений серы, выделяемых организмами и их остатками (-2*10 6 моль/год). Антропогенная деятельность - 3*10 6 моль/год В. Стоки вымывание атмосферными осадками и поглощение растительностью H 2 O + SO 2 = H 2 S0 3. 2H 2 SO 3 + О 2 = 2H 2 SO 4

47 химия окружающей среды47 Современные компоненты атмосферы 6. Сероводород (Н 2 S) время пребывания – одни сутки Источники: дегазации магмы продукт жизнедеятельности организмов образуется только в анаэробных (бескислородных) условиях. Для аэробных организмов - токсичен. Гниение -как результат восстановления серы, содержащейся в белках. жизнедеятельность сульфатредуцирующих анаэробных бактерий подземных гипсовых слоев, которые в качестве окислителя используют сульфат-ион: CaSО 4 + «С» + 2Н 2 О = Са(НСО 3 ) 2 + H 2 S Основной сток - окисление кислородом воздуха до существенно менее токсичного S0 2 : 2H 2 S + ЗО 2 = 2Н 2 О + 2SO 2.

48 химия окружающей среды48 Современные компоненты атмосферы 7. Метан (СН4) время пребывания 3,6 года Источник жизнедеятельность бактерий, обитающих во влажных анаэробных условиях, - болотах и донных отложениях, а также в пищевом тракте травоядных животных. сток окисление кислородом воздуха

49 химия окружающей среды49 Современные компоненты атмосферы 8. Инертные газы (Ar, He, Rn) Источники Аргон, гелий и радон продукты радиоактивного распада. Ar образуется в результате распада 40 К, He и Rn в результате распада ядер урана и тория. Поскольку He и Rn продукты радиоактивного распада, они выделяются в первую очередь над залежами пород, обогащенных ураном и торием. При этом Rn (период полураспада 3,85 суток) не успевает улететь достаточно далеко от источника, и оказывается хорошим индикатором пород, обогащенных ураном и торием. По той же причине Rn отсутствует в воздушных массах, долгое время находившихся над океаном Все остальные инертные газы продукты дегазации магмы. Стоки радона радиоактивный распад. гелия улетучивание в космическое пространство. У остальных инертных газов стоков практически нет.

50 химия окружающей среды50 Локальные резервуары в атмосфере

51 химия окружающей среды51 Загрязняющие вещества в атмосфере 1. Источники А. Вулканической природы Пыль, оксиды серы, азота В. Антропогенной природы дымовые трубы выхлопные газы автотранспорта сельскохозяйственные угодья Самолеты СО, Н 2 СО, C 6 H 5 OH, Cl, Hg, Н 3 С-СНО, С, SO 2 NO, NO 2 СОСl 2 HCN, NH 3 и ……..

52 химия окружающей среды52 Время пребывания следов газов в атмосфере Газы Время пребы- вания Газы Время пребы- вания Диоксид углерода4 годаДиоксид серы3 -7 дней Оксид углерода0,1 годаСероводород1 день Метан3,6 годаСероуглерод40 дней Муравьиная кислота 10 днейСерооксид углерода1год Азотистый ангидрид летДиметилсульфид1 день Оксид азота4 дняМетилхлорид30 дней Диоксид азота4 дняМетилиодид5 дней Аммиак2 дняХлороуглеводороды4 дня

53 химия окружающей среды53 Поведение загрязняющих веществ в атмосфере Рассеивание Окисление Введение хлора и фтора в молекулу препятствует окислению. Для сопоставления: время пребывания терпенов несколько часов, Н 2 СО - 3 суток, СН 4 и СН 3 Сl более 3 лет, CF 2 C1 2 более 40 лет. Растворение Химические реакции

54 химия окружающей среды54 Лондонский смог – первичное загрязнение smog = smo[ke] +[fo]g SCFeS 2 S0 2 + Н 2 0 H 2 SO 3 H 2 SO 3 + O 2 H 2 SO 4

55 химия окружающей среды55 Лондонский смог

56 химия окружающей среды56 Смог Лос-Анджелеса вторичное загрязнение O + N 2 NO + N N + O 2 NO +O N 2 + O 2 2NO Oз СН NO H 2 O + НСНО + 2NO 2

57 химия окружающей среды57 Сравнение смогов Лос-Анджелеса и Лондона

58 химия окружающей среды58 Энергия

59 химия окружающей среды59 Потребление энергии Развитие экономики Улучшение жизни Производство энергии Загрязнение среды

60 химия окружающей среды60 Энергия Одно из основных свойств материи - способность производить работу Различным физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии.

61 химия окружающей среды61 Виды энергии Механическая энергия – работа и тепло Кинетическая энергия - энергия механической системы, зависящая от скоростей движения составляющих ее частей. В классической механике кинетическая энергия материальной точки массы m, движущейся со скоростью v, равна 1 / 2mv2. Потенциальная энергия - часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. Энергия излучения – энергия, которую несут, например, световые волны. Электрическая энергия

62 химия окружающей среды62 Мощность Мощность - скорость с которой используется энергия. измеряется отношением работы A к промежутку времени Δt, в течение которого она совершена

63 химия окружающей среды63 Некоторые единицы мощности: киловатт (1 кВт=103 Вт) мегаватт (1 МВт=106 Вт).One kilowatt (kW) = 1000 W Ватт (W)= 1 J/s, единица мощности СИ. Названа в честь Дж. Уатта. 1 Вт=107 эрг / с=0,102 кгс. м / с=1, л. с. В технике широко применяют кратные единицы: –Лошадиная сила - внесистемная единица мощности; обозначается л. с. 1 л. с. = 75 кгс.м / с = 0,736 кВт.

64 химия окружающей среды64 Источники энергии Солнечная энергия Прямая –Земля получает 50 триллионных частей всего солнечного излучения Не прямая –Пища –Ветер –Энергия воды –Ископаемые топлива Другие источники –Приливная энергия –Геотермальная –Ядерная

65 химия окружающей среды65 Количество энергии, которое земля получает от солнца Солнце излучает примерно 1.17x10 31 кдж/год. Земля находится на расстоянии 1.5x10 8 км от солнца. Радиус земли - 6.4x10 3 км. Солнце Земля

66 химия окружающей среды66 Площадь сферы с радиусом равным расстоянию между землей и солнцем: 4 (1.5 x 10 8 ) 2 = 2.8 x км 2. Площадь диска земли: Rз 2 = 3.14 x (6.4 x 10 3 ) 2 = 1.3 x10 8 км 2 Тогда, энергия получаемая землей: 1.3x10 8 / (2.8 x ) x 1.17 x = 54 x кдж/год

67 химия окружающей среды67 Распределение энергии, получаемой землей от солнца. 30% - отражается обратно в космос. –Энергия, отражаемая атмосферой и облаками: – 14.1 x кдж/год –Энергия, отражаемая поверхностью земли: –2.2 x10 20 кдж/год –Всего: 16.3 x кдж/год Поглощенная солнечная энергия превращается в тепло, которое определяет погодные процессы. Половина этой энергии оказывает влияние на гидрологический цикл, вызывая испарение или конденсацию водных масс.

68 химия окружающей среды68 Глобальный перенос энергии

69 химия окружающей среды69 Энергия дождей Энергия на испарение = (2.46кдж/мл) x (мл воды) Количество мл воды = (площадь) x (количество осадков) Площадь России = кв. км. (1000x100) 2 cm 2 = 17 х см 2 Объем водыVolume of water = 17 х см 2 x 70 см = 1,2 x мл Энергия = (2.46 кдж/мл) x (1,2 x мл) = 3 x кдж

70 химия окружающей среды70 Полученная солнечная энергия = (площади поверхности) x (солнечное излучение на ед. поверхности в год) = 17 х м 2 x (6.5x10 3 кдж/м 2 /день x 365 дней) =4,5 x кдж/год 3 х кдж (Эквивалентно энергии 8 x тонн ТНТ)

71 химия окружающей среды71 Глобальные потоки энергии Источники А х кдж/год Солнечная энергия54.4 Солнечная энергия влияющая на климат и биосферу 38.1 Энергия на испарение12.5 Энергия ветра 0.11 Энергия на фотосинтез 0.08 Энергия из глубин земли Энергия волн и приливов Общее количество потребляемой человечеством энергии (1990) В том числе энергия из ископаемых топлив Энергия в пище потребленной человечеством,

72 химия окружающей среды72 Human Energy Use vs. Natural Energy Flows Annual energy fluxes on Earth in kilojoules

73 химия окружающей среды73

74 химия окружающей среды74

75 химия окружающей среды75

76 химия окружающей среды76

77 химия окружающей среды77 ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ Запасы урана. В 1995 более или менее достоверные мировые запасы урана оценивались в 1,5 млн. т. Дополнительные ресурсы оценивались в 0,9 млн. т. Крупнейшие из известных источников урана находятся в Северной Америке, Австралии, Бразилии и Южной Африке. Считается, что большими количествами урана обладают страны бывшего Советского Союза.

78 химия окружающей среды78 Реактор-размножитель. Ядерный реактор-размножитель обладает чудесной способностью, вырабатывая энергию, в то же время производить еще и новое ядерное топливо. К тому же он работает на более распространенном изотопе урана 238U (преобразуя его в делящийся материал плутоний). Считается, что при использовании реакторов-размножителей запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет. По-видимому, это ценная альтернатива ядерным реакторам нынешнего поколения.

79 химия окружающей среды79 Энергия термоядерного синтеза. Энергия ядер дейтерия, содержащихся в 1 м3 воды, равна примерно 3´1012 Дж. Иначе говоря, 1 м3 морской воды в принципе может дать столько же энергии, как и 200 т нефти-сырца.

80 химия окружающей среды80 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Солнечная энергия. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

81 химия окружающей среды81 Геотермальная энергия. Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии.

82 химия окружающей среды82 Гидроэнергия. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где- либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией.

83 химия окружающей среды83 Приливная энергетика. Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

84 химия окружающей среды84

85 химия окружающей среды85 Ветроэнергетика. В США значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность электростанций в этих областях может обеспечить 12% потребности США в электроэнергии. Крупнейшие в США расположены в штате Вашингтон, где каждый из трех генераторов (установленных на башнях высотой 60 м, с диаметром ветрового колеса, равным 90 м) дает 2,5 МВт электроэнергии. Проектируются системы на 4,0 МВт.

86 химия окружающей среды86

87 химия окружающей среды87 Твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, – это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. На биомассу – древесину и органические отходы – приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса – обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

88 химия окружающей среды88 В Бразилии сахарный тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

89 химия окружающей среды89 Топливные элементы. Топливные элементы как преобразователи химической энергии топлива в электроэнергию характеризуются более высоким КПД, нежели теплоэнергетические устройства, основанные на сжигании. Если КПД типичной электростанции, сжигающей топливо, не превышает примерно 40%, то КПД топливного элемента может достигать 85%. Правда, пока что топливные элементы относятся к дорогостоящим источникам электроэнергии

90 химия окружающей среды90

91 химия окружающей среды91 Электромагнитное излучение и процессы в атмосфере Основные характеристики электромагнитного излучения λ= c/ν E = h * ν P = E*N/S где P удельная мощность, Е энергия фотона, N число фотонов, S площадь сечения, перпендикулярного потоку. Распределение мощности излучения в зависимости от частоты называется спектром.

92 химия окружающей среды92 Шкала электромагнитного излучения

93 химия окружающей среды93 Химические реакции под действием излучения О 2 + О* О 3

94 химия окружающей среды94 Химические реакции под действием излучения

95 химия окружающей среды95 Литосфера Распространенность (кларки) главных химических элементов в земной коре до глубины 16 км

96 химия окружающей среды96 Горные породы 1. Магматические, или изверженные Возникают из магмы. Они подразделяются на: –интрузивные, или глубинные, (гранит, габбро) –эффузивные, или излившиеся, (базальт, диабаз, обсидиан и др.)

97 химия окружающей среды97 Горные породы 2. Осадочные Образуются в результате взаимодействия литосферы с атмосферой, гидросферой и биосферой. подразделяется на –обломочные (пески, песчаники, галечник и т. д.); –глинистые (каолиновые, монтмориллонитовые и другие глины); –хемогенные –органогенные (калийная и каменная соли, известковый туф, известняк, доломит, фосфориты и т.д.).

98 химия окружающей среды98 Горные породы 3. Метаморфические Возникают в результате преобразования магматических и осадочных пород в глубоких частях Земли под действием высокой температуры, больших давлений, химически активных растворов и газов. К ним относятся –гнейсы, –сланцы, –мрамор, –кварцит и ряд других горных пород.

99 химия окружающей среды99 Минералы Минерал _ простое вещество или химическое соединение, возникающее в результате природных процессов или искусственно получаемое в лаборатории. кристаллические (около 98%) аморфные

100 химия окружающей среды100 Минералы 2 Общий минеральный состав земной коры (%) Полевые шпаты57,9 Железо-магнезиальные силикаты16,8 Кварц12,6 Слюды 3,6 Кальцит 1,5 Минералы глин 1,1 Прочие минералы 6,5

101 химия окружающей среды101 Строение силикатных минералов 1. Силикаты с изолированными тетраэдрами [Sio 4 ] + Оливин – (Mg,Fe) 2 [Sio 4 ]

102 химия окружающей среды102 Строение силикатных минералов 2. Цепочечные силикаты[Si 2 O 6 ] 4- Ферросилит - Fe 2 [Si ]

103 химия окружающей среды103 Строение силикатных минералов 3. Ленточные силикаты и алюмосиликаты [Si 4 O 11 ] 6- Тремолит – Ca 2 Mg 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 4. Слоистые силикаты Слюды - мусковит – KAl 2 [AlSi 3 O 10 ](OH,F) 2 5. Каркасные силикаты Кварц – SiO 2 Полевые шпаты – Na[AlSi 3 O 8 ]

104 химия окружающей среды104 Выветривание 1.Физическое выветривание механическое воздействие тепловое воздействие 2.Химическое выветривание Воздействие газов Воздействие биосферы образование осадочных пород

105 химия окружающей среды105 Химическое выветривание Выветривание под действием кислорода 3Fe 2 (SiO 4 ) + O 2 = 2Fe 3 O 4 + 3H 4 SiO 4 4FeS O 2 + 2H 2 O = 4Fe SO H +

106 химия окружающей среды106 Выщелачивание H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 Na + > K + > Ca 2+ > Fe 2+ > Mg 2+ H 4 SiO 4 =SiO 2 *XH 2 O + (2-X)H 2 O

107 химия окружающей среды107 Почва

108 химия окружающей среды108

109 химия окружающей среды109 Гидросфера Гидросфера совокупность всех природных вод Земли. Гидросфера, в отличие от атмосферы, плотная среда, перемешивание вещества в ней происходит достаточно медленно (среднее время перемешивания 1600 лет). Поэтому вещество в гидросфере перемешивается в основном локально, и состав гидросферы, в отличие от состава атмосферы, весьма неоднороден.

110 химия окружающей среды110 Никаких солей в природной воде на самом деле нет. Все соли в природной воде диссоциированы, поэтому правильнее говорить, что в воде при­ сутствуют те или иные ионы

111 химия окружающей среды111 Источники и стоки веществ, растворенных в воде Виды источников

112 химия окружающей среды112 Виды стоков Вымывание проточными водами. Наиболее мощный сток в проточных пресных водоемах – растворенные вещества стекают в моря, подземные воды или бессточные озера. Вынос ветром (эоловый вынос). Во время штормов ветер, срывая мельчайшие капельки воды с поверхности водоемов, производит вынос незначительной доли растворенных веществ из водоема. Эти вещества, переносясь на сушу, могут существенно влиять на химический состав прибрежных территорий. Наиболее существенную роль играет эоловый вынос с поверхности океанов.

113 химия окружающей среды113 Кристаллизация. В результате испарения воды или понижения температуры концентрация растворенных веществ повышается и в итоге раствор может оказаться насыщенным. Тогда растворенные вещества (в первую очередь, соли) выпадают в осадок (кристаллизуются). Чем меньше растворимость соли, тем при более высокой температуре она кристаллизуется. Однако этот процесс имеет значение только для ионов, концентрация которых в воде достаточно велика.

114 химия окружающей среды114

115 химия окружающей среды115 Адсорбция на взвешенных частицах. Многие растворенные вещества способны адсорбироваться на поверхности взвешенных частиц, после оседания которых, адсорбированное вещество переходит в донные отложения, выводясь тем самым из водоема. Химические реакции в водоеме. Растворенные в воде вещества могут вступать между собой в различные реакции, переходя в другие формы. В результате химических реакций могут также образовываться летучие или нерастворимые вещества. Первые уходят в атмосферу, вторые в донные отложения. Например, ионы двухвалентного железа, окисляясь кислородом воздуха в присутствии гидрокарбонатов, оседают в виде гидроксида железа (III): 4Fe 2+ + О НСО 3 – + Н 2 О = 4Fe(OH) СО 2

116 химия окружающей среды116 Часто химические реакции начинаются при концентрировании воды путем испарения, как это происходит в океанах или бессточных озерах. Например, при увеличении концентрации, ионы кальция начинают реагировать с гидрокарбонат–ионами: Са HCО 3 – = CaCO 3 + Н 2 О + СО 2 Поэтому в большинстве рек основную массу ионов составляют гидрокарбонат – ионы и ионы кальция и магния, а в океанах и бессточных озерах их доля в общей массе ионов невелика.

117 химия окружающей среды117 Поглощение живыми организмами. Растворенные и взвешенные вещества могут поглощаться живыми организмами. Дальше у таких веществ два пути: перебраться вместе с организмом на сушу, или после гибели организма оказаться в донных отложениях. Причем и в том, и в другом случае вещество может пройти через длинную пищевую цепь.

118 химия окружающей среды118 Схема стоков растворенных в воде веществ

119 химия окружающей среды119 Главные компоненты природных вод Главными компонентами мы будем называть те компоненты природных вод, которые определяют основные химические процессы в них. К главным компонентам относят: главные ионы (то есть ионы, присутствующие в воде в наибольших концентрациях), они же макрокомпоненты. вещества, концентрация которых невелика, но поддерживается более или менее постоянной за счет обмена с атмосферой (СО 2, О 3 ) или подстилающими породами. кинетически устойчивые продукты разложения органических остатков гумусовые кислоты, а также серосодержащие соединения.

120 химия окружающей среды120 Главные ионы Основную массу растворенных веществ составляют четыре катиона (Са 2+, Mg 2+, Na +, К + ) и три аниона (НСО 3 –, Сl – и SO 4 2 – ). Эти семь ионов еще называют главными ионами, а сумму катионов Са 2+ и Mg 2+ общей жесткостью.

121 химия окружающей среды121 Гидрокарбонаты и жесткость. Как правило, в пресных водоемах больше всего ионов кальция, магния и гидрокарбонатов Выщелачивание известняков и доломитов (Ca,Mg)CO 3 + Н СО 2 –> (Ca,Mg )2+ + НС0 3 – Выщелачивание полевых шпатов CaSi 2 Al 2 O 8 + 2Н 2 О + 2СО 2 = Са НСО 3 – + 2HAlSiO 4. анортит каолинит

122 химия окружающей среды122 При концентрировании воды гидрокарбонаты реагируют с ионами кальция и магния, поэтому в океанах или бессточных озерах с соленой водой гидрокарбонатов и кальция достаточно мало. Са(Mg) HCО 3 – = Ca(Mg)CO 3 + Н 2 О + СО 2 Гидрокарбонат –ионы определяют рН природных вод и нейтрализуют попадающие в водоемы кислоты (в первую очередь, серную).

123 химия окружающей среды123 Магний выщелачивается хуже кальция (в первую очередь это относится к карбонатным породам), его молярная концентрация в пресной воде обычно в 4 – 5 раз меньше молярной концентрации кальция. Ионы кальция необходимы многим организмам для построения скелета и осуществления мышечных сокращений. Ионы магния используются водной растительностью для построения фотосинтетического аппарата.

124 химия окружающей среды124 Хлориды. Основной источник в пресных водах атмосферные осадки, в которые хлориды попадают с капельками морской воды, уносящимися ветром во время штормов. В среднем - 64% хлоридов в пресных водоемах России, попадают с атмосферными осадками. - 29% хлоридов - в результате деятельности человека. Особенно велик сброс хлоридов в реки, протекающие в крупных городах. Так, в Москве –реке выше города концентрация хлоридов колеблется в диапазоне 0,3 –0,6 мМ, а ниже 1,2 – 3,1 мМ. Третий, наименее мощный источник хлоридов в пресных водоемах – растворение подземных отложений солей (Лена, Кама). Из воды хлориды практически не выводятся, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

125 химия окружающей среды125 Натрий. Привносится с атмосферными осадками - 37%. Выщелачивание различных минералов пироксенов, амфиболов, слюд, полевых шпатов - 35% вымывание атмосферной пыли - 29% в результате деятельности человека - 26% Из природной воды, натрий, также как и хлориды, практически не выводится, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

126 химия окружающей среды126 Калий. Несмотря на то, что химически натрий весьма сходен с калием, их источники в гидросфере сильно различаются. Во –первых, калий гораздо хуже выщелачивается из горных пород, а во– вторых, активно поглощается биосферой (в первую очередь, растительностью). В пресных водоемах массовая концентрация калия в среднем в 4 раза меньше, чем концентрация натрия. В океанских водах в 28 раз. 70% калия попадает в водоемы с атмосферной пылью (в основном он содержится в золе сгоревших деревьев и частицах почвы). 23% за счет выщелачивания горных пород и только 2% за счет деятельности человека (в основном, это сток калийных удобрений). Доля калия, принесенного из океанов, также невелика около 5%. калий активно поглощается живыми организмами. Кроме того, обладая гораздо большим сродством к силикатным породам, чем натрий, калий сильнее сорбируется на взвешенных частицах силикатных минералов (в первую очередь, глинах).

127 химия окружающей среды127 Сульфаты. Сульфаты попадают в водоемы из атмосферы. Серусодержащие вещества, окисляются до серной кислоты, которая и проливается с дождями. Человек также выбрасывает в атмосферу серусодержащие соединения (в первую очередь S0 2 ), поэтому вокруг крупных городов и промышленных центров содержание сульфатов в осадках и водоемах повышено. С атмосферными осадками в пресные воды попадает 63% сульфатов, причем 20% прямой результат деятельности человека, 3% приносится с океанов ветром, а остальные 40% следствие естественных процессов на суше. Сульфаты частично поглощаются живыми организмами. Они восстанавливают серу до степени окисления –2 и встраивают ее в структуру белков. При концентрировании вод, содержащих сульфаты и ионы кальция, выпадает сульфат кальция: Са 2+ + SO 4 2– = CaSO 4 что способствует выведению сульфатов в донные отложения. Сульфаты также могут восстановиться в донных отложениях до сульфидов или сероводорода. SO 4 2- S 2-

128 химия окружающей среды128 Общая минерализация и ионная сила природной воды Общая минерализация это массовая концентрация всех растворенных в природной воде солей, при условии, что гидрокарбонаты превращаются в карбонаты. Общая минерализация природных вод колеблется от 10 –15 мг/л в дождевых водах, тундровых озерах и водах верховых болот до 200 г/л в бессточном Мертвом море и заливе Кара – Богаз – Гол.

129 химия окружающей среды129

130 химия окружающей среды130 Ионная сила Влияние электростатических взаимодействий на химические и биологические процессы в растворе определяется его ионной силой (измеряется в моль/л), вычисляемой по формуле: где Z ион, z его заряд, [Z] молярная концентрация иона Z.

131 химия окружающей среды131 Для природной воды ионную силу можно приближенно вычислить по формуле: I= 0,5 ([Na + ] + [К + ] + [Са 2+ ] 4 + [Mg 2+ ] 4 + [HCO 3 – ] + [Сl – ] + [SO 4 2– ] 4), где [Na + ] – молярная (моль/л) концентрация ионов Na+ и т.д. Поскольку ионная сила зависит от квадрата заряда иона, в растворе сульфата магния (MgSO4) она будет в 4 раза больше, чем в растворе хлорида натрия (NaCl) той же молярной концентрации.

132 химия окружающей среды132

133 химия окружающей среды133 Влияние растворенных солей на конфигурацию белков.. Свойства белков зависят от конфигурации, то есть от взаимного расположения тех или иных фрагментов молекулы в пространстве. Кроме того, разные участки белковой молекулы несут положительные или отрицательные заряды. Эти заряды притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, поддерживая, таким образом, определенную конфигурацию молекулы. Если ионы, находящиеся в растворе, скомпенсируют заряды на молекуле белка, то заряженные фрагменты перестанут притягиваться (отталкиваться). Молекула белка изменит конфигурацию, (как говорят, белок свернется) и потеряет свои функции.

134 химия окружающей среды134 Влияние растворенных солей на осмотические явления. Проникновение растворителя из более разбавленного раствора в более концентрированный через полупроницаемую мембрану называется осмосом (от греческого слова ώσμος давление). Поэтому, если клетку, не имеющую специальных систем противодействия осмосу, поместить в рассол, внутриклеточная вода будет выходить наружу, и клетка останется без воды. Если же клетку поместить в дистиллированную воду, то вода снаружи начнет разбавлять внутриклеточную жидкость, то есть вода начнет втягиваться в клетку. Дело кончится тем, что клетка лопнет.

135 химия окружающей среды135 Влияние на взвеси. В природных водах часто существуют довольно устойчивые взвеси мелких частиц. Поверхность этих частиц часто несет на себе небольшой электростатический заряд, поэтому они не слипаются. Если же в растворе присутствуют соли, то их ионы нейтрализуют поверхностный заряд, частицы слипаются и выпадают в осадок. Именно поэтому морская вода обычно гораздо прозрачнее озерной.

136 химия окружающей среды136 Влияние на скорости и равновесия реакций с участием ионов. Если в раствор, в котором происходят реакции с участием заряженных частиц, ввести какой –либо фоновый электролит, то он будет «расталкивать» разноименные частицы и «стягивать» одноименные

137 химия окружающей среды137

138 химия окружающей среды138 Организмы и ионная сила внешней среды. Поскольку ионная сила влияет на конфигурацию белков, а также на скорости и равновесия реакций в организме, все организмы вынуждены поддерживать внутри себя постоянную ионную силу даже при колебании ионной силы внешней среды. Поэтому в любом организме существуют специальные механиз­ мы поддержания постоянства ионной силы. Они сводятся либо к выкачиванию излишней воды, либо к выведению избытка солей. Чем больше разница ионной силы внутри и вне организма, тем больше энергии требуется для поддержания постоянства внутренней ионной силы. Поэтому для водных организмов существует некий диапазон ионной силы внешней среды, в котором эти организмы могут существовать.

139 химия окружающей среды139 Растворенные газы Азот. Основной источник и сток азота атмосфера. Сам по себе молекулярный азот, будучи химически инертным, не влияет практически ни на какие процессы в водоеме. Однако, если в водоеме присутствуют организмы – азотфиксаторы, (например, цианобактерии, они же сине – зеленые водоросли), то азот будет превращаться ими в соединения, доступные живым организмам.

140 химия окружающей среды140 Кислород. Источники – из воздуха в результате растворения из водных растений в результате фотосинтеза, Стоки – дыхание живых организмов разложение их остатков. Если у водоема плохой газообмен с воздухом и в нем находится много останков отмерших организмов, то кислород оказывается в дефиците. В этом водоеме органические остатки окисляются не полностью. В результате неполного окисления образуются летучие соединения серы в степени окисления –2 и азота –3. Эти соединения придают воде специфический запах тины. В бурных горных реках - концентрация кислорода максимальна, и органические соединения быстро окисляются.. Во время штормов обогащается кислородом вода морей, озер и крупных рек. А вот в глубоких стоячих водоемах газообмен затруднен, и концентрация кислорода в них может быть невысокой. Кроме того, газообмен сильно затруднен зимой, когда водоем покрыт льдом. Нефтяные, масляные и бензиновые пленки тоже сильно затрудняют газообмен.

141 химия окружающей среды141 Углекислый газ Источники –воздух, дыхание водных организмов, разложение их останков. Стоки – фотосинтез, выщелачивание горных пород. Углекислый газ, растворенный в воде, нейтрализует попадающие в воду основания. Например, он нейтрализует аммиак, образующийся при разложении мочевины, попадающей в воду в результате жизнедеятельности организмов: (H 2 N) 2 CO + 2Н 2 О = NH 3 + NH 4 HCO 3 NH 3 + СО 2 + Н 2 О = NH 4 HCO 3 В водном растворе углекислый газ находится в равновесии с угольной кислотой, причем равновесие сильно смещено в сторону СО2 (отношение Н2СО3:СО2

142 химия окружающей среды142 Органическое вещество

143 химия окружающей среды143