- •ВВЕДЕНИЕ
- •Тема 1. ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
- •Лекция 1
- •1. Образование земной коры, атмосферы и гидросферы
- •2. Происхождение жизни и эволюция Земли
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 2
- •1. Состав и строение атмосферы
- •3. Тропосфера
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 3 (тема 2)
- •1. Природные органические вещества в тропосфере
- •2. Дисперсные системы в атмосфере
- •3. Основные критерии устойчивости аэрозолей
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 4 (тема 2)
- •1. Процессы окисления в тропосфере
- •2. Механизм образования гидроксидных
- •и гидропероксидных радикалов в атмосфере
- •3. Химические превращения органических соединений
- •в тропосфере
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лекция 5 (тема 2)
- •1. Атмосферный цикл соединений серы в тропосфере
- •2. Соединения азота в тропосфере
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 6 (тема 2)
- •1. Загрязнение атмосферы. Парниковый эффект
- •2. Смог. Фотохимический смог и химизм его образования
- •3. Лондонский смог
- •Контрольные вопросы
- •Тема 3. ХИМИЯ СТРАТОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ
- •Лекция 7
- •1. Озон. Химические и физико-химические свойства озона
- •2. Изменения озонового слоя
- •4. Обрыв цепи в реакциях распада озона
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лекция 8 (тема 3)
- •1. Проблема озоновых дыр
- •2. Мероприятия по сохранению озонового слоя
- •3. Строение ионосферы
- •4. Фотохимические процессы в ионосфере
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 9
- •1. Вода как химическое соединение
- •2. Состав и классификация природных вод
- •3. Важнейшие химические элементы в природных водах
- •4. Органические вещества в природных водах
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 10 (тема 4)
- •1. Основные факторы, влияющие на состав природных вод
- •2. Процессы растворения газов в природных водах
- •3. Растворения твердых веществ в природных водах
- •4. Показатели качества природных вод
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 11 (тема 4)
- •1. Химия морской воды. Соленость и ионная сила воды
- •2. Состав ионов в морской воде и закон Дитмара
- •3. Химический состав и круговорот ионов
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 12 (тема 4)
- •1. Химия континентальных вод
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 13 (тема 4)
- •3. Редокс-буферность природных вод
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лекция 14 (тема 4)
- •1. Формирование кислотности поверхностных вод
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 15
- •1. Литосфера. Строение литосферы и структура земной коры
- •2. Химический состав земной коры
- •3. Минералы и горные породы
- •4. Магматические породы
- •5. Осадочные породы
- •6. Метаморфические породы
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 16 (тема 5)
- •1. Структурная организация силикатов
- •2. Состав и структура глинистых минералов
- •3. Условия образования глинистых минералов
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 17 (тема 5)
- •1. Использование глинистых минералов. Сурфактанты
- •2. Гипергенез и почвообразование
- •3. Факторы, влияющие на скорость гипергенеза
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 18 (тема 5)
- •1. Механизмы гипергенеза
- •2. Окислительно-восстановительные реакции
- •3. Кислотный гидролиз
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 19 (тема 5)
- •1. Элементный состав почв
- •2. Неспецифические органические соединения в почвах
- •3. Специфические гумусовые вещества почв
- •4. Органоминеральные соединения в почвах
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 20 (тема 5)
- •1. Закисление почв
- •2. Поглотительная способность почв
- •3. Ионообменные свойства и засоление почв
- •4. Соединения азота в почвах
- •5. Соединения фосфора в почвах
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 21
- •1. Виды ионизирующих излучений и единицы измерения
- •2. Источники ионизирующих излучений в окружающей среде
- •3. Радиоактивность и законы радиоактивного распада
- •Контрольные вопросы и задания
- •Тема 7. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
- •Лекция 22
- •Глобальное потепление климата и диоксид углерода
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 23 (тема 7)
- •1. Деградация почв
- •2. Глобальное загрязнение Мирового океана
- •Контрольные вопросы
- •Тема 8. ЯДЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
- •Лекция 24
- •1. Стойкие органические загрязнители. ДДТ и диоксины
- •2. Токсичные металлы
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 25 (тема 8)
- •1. Вредные вещества в пищевых продуктах. Токсичные металлы
- •2. Вредные вещества в пищевых продуктах. Нитраты
- •Контрольные вопросы
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
жидкой фазе (окислению предшествует абсорбция) — третий путь. Конечным продуктом окисления является серная кислота, которая в дальнейшем может перейти в сульфаты.
•Соединения азота в тропосфере представлены в основном оксидами азота, аммиаком и солями аммония, а также азотной кислотой и нитратами. Оксид
идиоксид азота в тропосфере подвергаются взаимным превращениям.
•Важной частью атмосферного цикла соединений азота является образование азотной кислоты. Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида или триоксида азота, которые вновь включаются в атмосферный цикл соединений азота.
•Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде растворов HNO3 и ее солей.
Контрольные вопросы
1.Назвать источники поступления серы в атмосферу.
2.Объяснить механизм трансформации оксидов серы в серную кислоту.
3.Какие источники вносят основной вклад в антропогенное загрязнение атмосферы?
4.Может ли окисление диоксида серы в триоксид серы протекать в твердой фазе?
5.Какие радикалы участвуют в процессах окисления соединений серы?
6.Основные источники и соединения атмосферного азота.
7.Какова концентрация и время жизни гемиоксида азота в тропосфере?
8.Охарактеризовать пути стока соединений азота из атмосферы.
Лекция 6 (тема 2)
План лекции
1.Загрязнение атмосферы. Парниковый эффект.
2.Смог. Фотохимический смог и химизм его образования.
3.Лондонский смог.
1. Загрязнение атмосферы. Парниковый эффект
Загрязнение атмосферы — это привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами.
Естественными источниками загрязнения атмосферы являются вулка-
низм, лесные пожары, пыльные бури, выветривание и пр. Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями природным экосистемам, за исключением некоторых катастрофических природных явлений. Например, при извержениях вулканов Кракатау (Зондский архипелаг) в 1883 г., Катмай (Аляска) в 1912 г., Пинатубу (Филиппины) в 1991 г. пепел распространялся на бóльшую часть поверхности планеты. В связи с этим уменьшался приток солнечной радиации на 10–20 %, что вызывало в северном полушарии понижение среднегодовой температуры воздуха на 0,5 °С. Также источником запыленности атмосферы могут быть крупные лесные пожары, дым от которых распространяется на тысячи километров. Это приводит к значительному уменьшению притока солнечной радиации к земной поверхности.
Однако в последние десятилетия антропогенные факторы загрязнения ат-
мосферы стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный
28
характер. Они могут оказывать различные воздействия на атмосферу: непосредственно на состояние атмосферы (нагревание, изменение влажности и др.); на физико-химические свойства атмосферы (изменение состава, увеличение концентрации СО2, аэрозолей, фреонов и пр.); на свойства подстилающей поверхности (изменение величины альбедо системы «океан — атмосфера» и др.).
К основным источникам загрязнения относятся промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетика, сельское хозяйство и др.
По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются на твердые, жидкие и газообразные, причем последние составляют около 90 % от общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ. Значительную долю загрязнения атмосферного воздуха вносит автотранспорт. Так, в атмосферный воздух Москвы ежегодно поступает 1290 тыс. т загрязняющих веществ, из них более 70 % приходится на автотранспорт. В среднем на каждого жителя столицы приходится по 120 кг различных загрязняющих компонентов.
Парниковый эффект. Систематические наблюдения за содержанием диоксида углерода в атмосфере показывают, что оно растет. Известно, что атмосфера, подобно стеклу оранжереи, пропускает лучистую энергию Солнца с поверхности Земли, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли и тем самым создает так называемый тепличный (парниковый) эффект.
Глобальное изменение климата тесно связано с загрязнением атмосферы промышленными отходами и выхлопными газами. Влияние цивилизации на климат Земли — реальность, последствия которой ощущаются уже сейчас. Глобальное потепление атмосферы связано с повышением содержания в ней углекислого газа из-за вырубки лесов, поглощающих его, и сжиганием такого топлива, как уголь и бензин, при котором происходит выброс этого газа в атмосферу. Глобальное потепление способствует раннему таянию снега, в результате чего возрастает поглощение почвой солнечной энергии, которая испаряет в ней влагу, способствуя засухе. Основным источником CO2 антропогенного происхождения является сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа и др.).
2. Смог. Фотохимический смог и химизм его образования
Совокупность газообразных и твердых примесей в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образующихся в результате их преобразования и вызывающих интенсивное загрязнение атмосферы, называется смогом.
Смог представляет собой туманную завесу, образованную из дыма и газообразных отходов, возникающую на урбанизированных территориях. Известны два типа смога — классический (лондонский) и фотохимический. Фотохимический смог впервые был отмечен в Лос-Анджелесе в годы второй мировой войны.
Характерные особенности фотохимического смога:
•образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха;
•сопровождается возникновением голубоватой дымки, небольшого тумана и ухудшением видимости;
•вызывает сильное раздражение слизистых оболочек и губит листву растений, что является результатом сильного окислительного действия.
Это внешние проявления смога. Следует выявить источники, причины и химизм его возникновения.
29
Источником фотохимического смога является автотранспорт и его выхлопные газы. Следует различать первичные загрязнители, которые, в принципе, не отличаются высокой токсичностью. Это летучие органические соединения — углеводороды, содержащиеся в бензине и выхлопе, и оксиды азота NO и NO2.
Главной причиной смога являются вторичные загрязнители, которые образуются в результате химических реакций из первичных загрязнителей. К их числу относятся озон, альдегиды (формальдегид) и перекисные соединения, в частности пероксиацетилнитрат (ПАН). Это первый член гомологического ряда R–C(O)–O–O–NO2. Второй член — пероксипропилацетат. При наличии в воздухе производных бензола образуются ароматические пероксисоединения, например пероксибензоилнитрат. Все соединения обладают раздражающим действием. Последний может использоваться как слезоточивое средство.
Химические реакции, протекающие в ходе образования фотохимического
смога: |
СН4 + ОН → СН3 + Н2О |
– метильный радикал; |
|
1) |
|||
2) |
СН3 + О2 → СН3ОО |
– метилпероксидный радикал; |
|
3) |
СН3ОО + NO → СН3О + NO2 |
– метоксильный радикал; |
|
4) |
СН3О + O2 → СН2О + НО2 |
– гидропероксидый радикал; |
|
5) |
НО2 |
+ NO → ОН + NO2 |
– гидроксидный радикал; |
6) |
СН2О + НО → Н2О + НСО |
– формильный радикал; |
|
7) |
НСО + O2 → НО2 + СО |
– гидропероксидый радикал; |
|
8) |
СО + ОН → СО2 + Н |
– водородный радикал; |
|
9) |
Н + О2 → НО2 |
– гидропероксидый радикал; |
|
10) |
НО2 |
+ NO → ОН + NO2 |
– гидроксидный радикал; |
11) |
NO2 |
+ hν → NO + Oт |
– кислород триплетный; |
12) |
Oт + О2 + М → О3 + М* |
– озон. |
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________
СН4 + 8O2 + 4М = СО2 + 2Н2О + 4 М* + 4О3.
При полном окислении метана в присутствие оксидов азота образуются четыре молекулы озона. В результате концентрация его повышается до 1 000 мкг/м3 (Лос-Анджелес). Важная роль в процессах образования озона принадлежит оксидам азота, причем скорость будет возрастать при увеличении скорости конверсии NO в NO2:
[О3] = к[NO2]/[NO].
Чтобы запустить процесс образования смога, нужна достаточная концентрация оксида азота NO. Оксид азота получается из диоксида при солнечном облучении.
Химизм образования ПАН (СН3–C(O)–O–O–NO2). Если в воздухе присут-
ствует этан, то при его окислении сначала образуется ацетальдегид, который дальше дает ацетильный радикал:
СН3СНО + НО → Н2О + СН3СО |
– ацетильный радикал. |
30