Что такое химия окружающей среды?

СОДЕРЖАНИЕ

Часть I. Основные вопросы химии окружающей среды 7

Глава 1. Введение 7

Что такое химия окружающей среды? 7

Возникновение химических элементов 9

Возникновение Вселенной 9

Образование звезд 9

Возникновение Солнечной системы 11

Контрольные вопросы 12

Глава 2. История области действия химии окружающей среды 13

Возникновение и история Земли 13

Образование Земли 13

Дифференциация мантии и образование геосфер 14

Эволюция атмосферы 14

Возникновение жизни и проблема хиральности 15

Критические уровни содержания кислорода в атмосфере 19

Этапы эволюции биосферы 19

Контрольные вопросы 20

Глава 3. Область действия химии окружающей среды 21

Земля 21

Ядро и мантия 22

Земная кора 23

Гидросфера 24

Атмосфера 24

Биосфера 24

Контрольные вопросы 26

Глава 4. Природные циклы 27

Экзогенный и эндогенный циклы 27

Гидрологический цикл 27

Циклы биогенных элементов 28

Контрольные вопросы 31

Глава 5. Миграция веществ 32

Механическая 32

Физико-химическая 33

Биогенная 39

Контрольные вопросы 40

Глава 6. Загрязнение окружающей среды 41

Понятие о загрязнении 41

Виды загрязняющих веществ 42

Токсикология 44

Токсичность 45

Типы токсического воздействия 46

Определение ПДК 49

Контрольные вопросы 51

Задачи 51

Глава 7. Химия атмосферы 53

Состав и строение атмосферы 53

Примеси тропосферы 54 7.3. Городской смог 66

Стратосферный озон 69

Парниковый эффект» 72

Радиоактивное загрязнение атмосферы 75

Радон 75

Изотопы в окружающей среде 77

Искусственная» радиоактивность 80

Контрольные вопросы 81

Задачи 82

Глава 8. Химия гидросферы 84

Составляющие гидросферы 84

Аномальные свойства воды и состав природных вод 85

Водопроводная вода 89

Химическое загрязнение гидросферы 98

Очистка сточных вод 99

Последствия загрязнения бытовыми

Сточными водами. Эвтрофикация 125

Загрязнение углеводородами 128

Загрязнение вод металлами 132

Загрязнение вод синтетическими органическими

Веществами 137

Пестициды 139

ДДТ 144

Синтетические поверхностно-активные вещества 145

Контрольные вопросы 146

Задачи 147

Глава 9. Химия литосферы 150

Состав и строение литосферы 150

Процессы выветривания 153

Добыча, переработка и использование природных ресурсов 157

Почвы. Химический состав, свойства, загрязнение 158

Общие для большинства почв реакции 160

Химическое загрязнение почв 163

Полигоны твердых бытовых отходов и их экологическая роль 166

Контрольные вопросы 174

Задачи 175

Глава 10. Экологический мониторинг 176

Часть II. Практикум по химии окружающей среды 183

Техника безопасности и правила поведения в лаборатории 183

Общие правила работы в лаборатории 183

Техника безопасности и меры предосторожности 184

I. Токсичность 185

Лабораторная работа №1 Воздействие табачного дыма

На организм человека 185

Лабораторная работа №2 Определение влияния ионов

Металлов на активность каталазы 188

II. Химия атмосферы 190

Лабораторная работа №1 Определение серы в топливе 190

Лабораторная работа №2 Определение растворенного

В воде кислорода 191

Лабораторная работа №3 Определение различных форм

Углекислоты в природных водоёмах (свободной углекислоты,

Карбонат-ионов, гидрокарбонат-ионов) 193

III. Химия гидросферы 193

Лабораторная работа №1 Определение остаточного хлора 197

Лабораторная работа №2 Определение железа

(качественное, количественное) 200

Лабораторная работа №3 Определение окисляемости

Природных и сточных вод (перманганатной и бихроматной) 204

IV. Химия литосферы 210

Лабораторная работа №1 Исследование содержания в

Почве горюче-смазочных материалов (ГСМ) 210

Лабораторная работа №2 Адсорбция меди в почве 211

Лабораторная работа №3 Определение содержания

Фосфатов в почве 215

Библиографический список 220

Часть I. Основные вопросы химии окружающей среды

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ

Что такое химия окружающей среды?

 

«Вероятно, будет правильным сказать, что термин «химия окру­жающей среды» не имеет четкого определения. Ясно, что специалисты по химии окружающей среды принимают участие в решении важных вопросов по состоянию окружающей среды — истощению озонового (Оз) слоя стратосферы, глобальному потеплению и им подобных. Кроме того, установлена роль химии окружающей среды в про­блемах регионального и локального масштабов — например, влиянии кислотных дождей и загрязнении водных ресурсов» (Андруз и др., 1999).

У студента, приступающего к изучению химии окружающей среды, вполне естественно желание знать – что же такое «химия окружающей среды»? Чтобы ответить на этот вопрос следует ответить и на другой – какое место в системе естественных наук и в системе наук, занимающихся окружающей средой, она занимает?

Экология, часто смешиваемая с наукой об окружающей среде, – наука об организации и функционировании надорганизменных живых систем. Ее предметом являются управляющие надорганизменными системами законы, а объектом – популяции, сообщества и экосистемы вплоть до биосферы.

Охрана окружающей среды изучает окружающую человека среду, ее живые и неживые компоненты и их взаимодействие. Теоретической основой ее является экология применительно к человеку. Не следует путать эту дисциплину с охраной природы. Если охрана окружающей среды ориентирована на охрану здоровья человека и его благополучия и обеспечивающей это благополучие среды обитания, то главной проблемой охраны природы является сохранение естественной природы, не затронутой человеком.

Энвайронменталогия - комплексная дисциплина об окружающей среде, взаимодействии человеческого общества с ней, особенно экономических, социальных, политических, философских и этических аспектах этого взаимодействия. Базируется на теоретических разработках науки об окружающей среде. Энвайронментализм – логичное и неизбежное порождение энвайронментологии – общественное движение за охрану окружающей среды.

В настоящее время в блоке наук об окружающей среде существует несколько химических дисциплин:

· экологическая химия - исследует взаимодействия организмов и среды их обитания, опосредованные природными химическими веществами;

· токсикологическая химия – химия ядовитых веществ, занимающаяся, главным образом, вопросами их взаимодействия с живыми тканями и организмами;

· аналитическая химия окружающей среды – приложение аналитической химии для обнаружения различных веществ в окружающей среде (Зилов, 2006).

Химия окружающей среды, по одному из определений, занимается изучением источников, реакций, поведения химических веществ в водной, почвенной, воздушной среде и действии на них техносферы (Manahan, 2000).

Химия окружающей среды - наука, занимающаяся химическими аспектами окружающей среды. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, процессы миграции и трансформации химических соеди­нений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, литосфере и гидросфере, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разраба­тывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окру­жающей среды и др. (Гусакова, 2004).

Химия окружающей среды находится на стыке геохимии, экологии, учений об атмосфере и гидросфере. Комплексный характер дисциплины и ее молодость (химия окружающей среды возникла только с ростом интереса к проблемам окружающей среды в 1960-е - 70-е годы) порождают обширный круг вопросов, подлежащих рассмотрению в нем.

Существующие на сегодня программы, курсы лекций и учебники химии окружающей среды представляют собой довольно пестрое зрелище. В одних химия окружающей среды рассматривается как химия природных сред, и курс сводится к природной химии атмосферы, гидрохимии, химии почв, т. е. к части классической геохимии. Другие авторы рассматривают химию окружающей среды как часть биогеохимии и рассматривают природные биогеохимические циклы и воздействие на них техносферы. Часто в курс химии окружающей среды включаются вопросы промышленной и инженерной экологии, проблемы, связанные с очисткой сточных вод или атмосферных выбросов. Иногда пособия превращаются в справочники по содержанию вредных веществ в окружающей среде.

Авторы попытались рассмотреть становление современного химического состава окружающей среды, механизмы и результаты воздействия на окружающую среду главных классов антропогенных загрязняющих веществ и некоторые глобальные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.

1.2. Возникновение химических элементов [1]

Возникновение Вселенной

Большинство космологов полагает, что Вселенная возникла как плотный сгусток вещества и энергии, который начал расширяться примерно 18 млрд. лет тому назад. Образование элементов уходит своими корнями к Большому взрыву. Возникновение элементов в результате Большого взрыва впервые было обосновано Гамовым в 1946 г.

Во время Большого взрыва образовались легкие элементы, которые затем посредством ядерных реакций внутри звезд дали начало элементам с атомным номером 6 и выше (Озима, 1990).

Общая картина возникновения элементов может быть выражена следующей схемой:

1. «Горение» водорода. В процессе ядерного синтеза атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и высвобождая энергию:

4₁¹H→₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν (процесс требует температуры 10⁷ – 10⁸ К)

2. «Горение» гелия происходит при температуре > 10⁸ K:

₂³He + ₂⁴He → ₄⁷Be + γ

₄⁷Be + ₁¹H → ₅⁸B + γ

₅⁸B → ₄⁸Be + β⁺ + ν

₄⁸Be + ₂⁴He →₆¹²С

₆¹²С + ₂⁴He →₈¹⁶О

 

Образование звезд

Водород и другие легкие элементы рассеялись во Вселенной и, сгруппировавшись, образовали звезды. Под действием собственной силы тяжести звезды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звезд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали

атомы гелия, т.е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжелых элементов. Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звездах. Так, температура 10⁸ K возможна внутри звезды с массой равной массе нашего солнца. Внутри солнца постоянно идет процесс ядерных превращений:

₆¹²С + ₁¹H →₇¹³N + γ

₇¹³N→₆¹³C + β⁺ + ν

₆¹³С + ₁¹H →₇¹⁴N + γ

₇¹⁴N+ ₁¹H →₈¹⁵O+ γ

₈¹⁵O→₇¹⁵N + β⁺ + ν

₇¹⁵N+ ₁¹H →₆¹²C+ ₂⁴He

4₁¹H→₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν

Эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера (рис. 1).

В звездах с большими массами температуры выше и там идут процессы

синтеза более тяжелых элементов. В звездах тяжелее солнца вдвое:

₄⁸Be + ₂⁴He → ₆¹²C

₆¹²C + ₂⁴He → ₈¹⁶O

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₄²⁸Si + ₂⁴He

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₅³¹P +₁¹H

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₆³¹Si + ₀¹n

Звезды с массой 20 солнечных масс способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций. Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро. С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжелых элементов – возрастает. Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звезд. Элементы от № 27 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает свое ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа.

Рис. 1. Углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: