- •Раздел 3 Химия окружающей среды
- •Оглавление
- •Атмосфера
- •Состав атмосферы
- •Химические процессы в атмосфере
- •Реакции, способствующие разрушению озона в атмосфере Земли
- •Действие озона на живые организмы и материалы
- •Химия аэрозолей и пыли
- •Экологические проблемы, связанные с химией атмосферного аэрозоля
- •Органические и неорганические загрязнители
- •Летучие органические соединения
- •Соединения серы и азота
- •Парниковый эффект
- •Парниковые газы
- •Городская атмосфера
- •Последствия первичного и вторичного загрязнения воздуха
- •Гидросфера Состав гидросферы
- •Качество природной воды
- •Химические процессы в гидросфере
- •Речные воды
- •Океанические воды Основные особенности океанической воды
- •Химия морской воды. Соленость и ионная сила воды
- •Соленость воды.
- •Ионная сила.
- •Активность.
- •Состав ионов в морской воде и закон Дитмара
- •Химический состав неосновных ионов.
- •Вынос ионов.
- •Эвапориты.
- •Подземные воды
- •Формирование кислотности поверхностных вод
- •Особенности окислительно-восстановительных процессов в подземных водах
- •Глобальное загрязнение Мирового океана
- •Загрязнения речных и морских вод
- •Органическое загрязнение
- •Сброс отходов в море с целью захоронения (дампинг).
- •Неорганические токсины
- •Соединения тяжелых металлов.
- •Поведение тяжелых металлов в водной среде.
- •Литосфера Химический состав литосферы
- •Химический состав почв
- •Химические процессы в литосфере
- •Химические реакции и процессы в почве
- •Глобальные экологические функции почв
- •Химическое загрязнение почв
- •Изменения почвы в зависимости от способов ее обработки
- •Методы и способы утилизации и ликвидации отходов
- •Биосфера – особая оболочка планеты
- •Некоторые особенности биосферы
- •Процессы в биосфере
- •Основные функции живого вещества в биосфере
- •Химические процессы в биосфере
- •Химические основы экологического анализа
- •Меры токсичности веществ
- •Экологическое нормирование
- •Аналитическая химия в экологических исследованиях
- •Особо опасные экотоксиканты Токсичные металлы
- •Вредные вещества в пищевых продуктах. Нитраты
- •Пестициды
- •Диоксины
- •Биотрансформация экотоксикантов
Химические процессы в гидросфере
Рассмотрение химических процессов в гидросфере — задача очень сложная, более сложная, чем изучение процессов в атмосфере. Причина заключается в том, что природная вода представляет собой систему открытого типа, обменивающуюся веществами и энергией с сопредельными средами: атмосферой, литосферой, биологической составляющей. Схематически всю гидросферу или ее определенную подсистему, например водоем, можно рассматривать как своеобразный химический реактор проточного типа.
Гидросфера — глобальная открытая система, стабильность которой тем выше, чем больше разнообразие составляющих ее компонентов. Опасность разбалансировки такой системы, нарушение равновесия и стабильности возникает тогда, когда существенно изменяются химический состав или физико-химические параметры на входе и соответственно продукция на выходе.
Химические процессы в гидросфере имеют следующие особенности:
Многообразие форм химических соединений: присутствуют все классы органических и неорганических веществ. Например, металлы, являющиеся непременным компонентом природных водоемов, существуют в гидросфере в виде простых ионов, гидратированных ионов, комплексных и металлорганических соединений, коллоидных частиц и взвесей.
Влияние гидролиза на химические процессы и участие в них гидратированных молекул и ионов. Например, железо, важный питательный компонент водных организмов, существует в гидросфере в форме гидроксокомплексов Fе3+:
Fе3+ + Н2О → FеОН2+ + Н+
FеОН2+ + Н2О →Fе(ОН)2+ + Н+
В целом процессы гидролиза, происходящие в гидросфере с различными минералами, играют важную роль не только в отношении изменения химического состава той или иной водной системы, но и в связи с изменениями ее рН (реакции среды). Так, если минерал (соль) образован анионами слабой кислоты (Н2S, Н2СО3, Н3РО4 и т.д.) и катионами сильного основания (КОН, NаОН и т.д.), то в результате гидролиза реакция среды станет щелочной (рН > 7):
Nа2S + Н2О → NаНS + NаОН
S2- + Н2О→ НS- + ОН-
При гидролизе минералов (солей), образованных анионами сильной кислоты (НС1, Н2SО4, НNО3 и т.д.) и катионами слабого основания [А1(ОН)3, Zn(ОН)2, NН4ОН и т.д.], реакция среды будет кислой (рН < 7):
А1С13 + Н2О -→А1(ОН)С12 + НС1
А13++Н2О→А1(ОН)2+ + Н+
Если минерал (соль) образован анионами слабой кислоты и слабого основания, гидролиз будет происходить до конца (а не по первой ступени как в предыдущих случаях), а реакция среды будет близка к нейтральной (рН 7):
СН3СООNН4 + Н2О = СН3СООН + NН4ОН
СН3СОО- + NН4+ + Н2О = СН3СООН + NН4ОН
Реакцию водной среды не изменяют также минералы (соли), образованные анионами сильных кислот и катионами сильных оснований, поскольку они не подвергаются гидролизу. В данном случае рН 7.
3. Участие в химических процессах водорослей и бактерий. Водоросли (их около 30 тыс. видов) выделяют в водную среду органические вещества, а поглощают минеральные и углекислый газ. Бактерии, наоборот, превращают органические вещества в минеральные, т. е. перерабатывают создаваемое в процессе фотосинтеза органическое вещество в доступную для усвоения живыми организмами (например, рыбами) форму. Численность бактерий в природной воде составляет 1—300 млн./мл, что в десятки раз меньше, чем в почве.
В целом на окисление органического вещества в гидросфере за год требуется около 1,5-1011 т кислорода.
В гидросфере протекают следующие химические и физико-химические процессы:
1. Химические реакции в водных растворах, в основном ионообменные и окислительно-восстановительные. Типичным примером ионообменной реакции может служить реакция раствора хлорида цинка с гидроксидом натрия:
ZnС12 + 2NаОН = Zn(ОН)2 + 2NаС1
Zn2+ + 2ОН- = Zn(ОН)2
Примером окислительно-восстановительного процесса может служить реакция
С12° + Н2О = НС1-1 + НС1+1О*,
где хлор выступает в качестве окислителя и восстановителя (реакция самоокисления — самовосстановления).
2. Испарение и растворение газов на поверхности раздела воздух—вода. Например, растворение газов О2, N2, СО2 Н2S и NН3 в природной воде. Кислород растворим в большей степени, чем азот, поэтому их соотношение в природных водах составляет N2:О2 = = 65:35. Процесс растворения СО2 можно представить равновесными реакциями:
СО2 (атмосфера) ↔ СО2 (гидросфера)
Равновесие, характеризующее образование угольной кислоты:
СО2 (раствор) + Н2О ↔Н2СО3
3. Сорбционные процессы, т.е. процессы адсорбции, абсорбции и десорбции, обычно протекающие с участием органических соединений и способствующие самоочищению природных вод.
4. Фотолиз — фотохимические превращения, протекающие в природных водах под воздействием УФ-излучения Солнца при участии свободных радикалов и возбужденных частиц. Толщина слоя воды, в котором осуществляется фотолиз, может доходить до нескольких метров. Фотолиз протекает с участием кислорода и свободных радикалов, играя важную роль в процессах самоочищения неглубоких водоемов, рек, прудов, прибрежных зон морей, озер, водохранилищ от загрязняющих веществ.