- •Федеральное агентство по образованию
- •Экологическая химия
- •Введение: предмет экологической химии, задачи экологической химии
- •1Основные понятия и определения
- •1.1 Загрязнение окружающей среды. Химическое загрязнение. Вредные вещества.
- •1.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ
- •2.1.1. Пдк вредных веществ в атмосфере
- •1.2.2 Пдк вредных веществ в водной среде
- •1.2.3Пдк вредных веществ в почве
- •1.3.2 Распространение в ос
- •1.3.3 Время жизни (устойчивость) загрязнителя
- •1.3.4 Склонность загрязнителя к деградации (биоразложению)
- •1.4 Термодинамический и кинетический подходы к изучению поведения загрязнителей в ос
- •1) Определять возможность самопроизвольного протекания химических реакций в том или ином направлении;
- •2) Определять условия, при которых устанавливается химическое равновесие.
- •При низких давлениях газы можно считать идеальными, и Ka ≈ Kp.
- •1) Рассчитать время достижения заданной степени превращения веществ (или опре- делить степень превращения вещества в заданный момент времени),
- •2) Найти условия, при которых время достижения заданной степени превращения ве- щества будет минимальным.
- •2. Физико-химические процессы в атмосфере
- •2.1 Состав и строение атмосферы
- •Qисточник и Qсток – скорости поступления и стока веществ соответственно для произвольного резервуара, атмосферы в целом или ее части;
- •2.1.1 Основные зоны атмосферы
- •2.1.2 Атмосферное давление
- •2.1.3 Солнечная радиация и вертикальная структура атмосферы
- •2.1.4 Тепловой баланс атмосферы и подстилающей ее поверхности
- •Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать:
- •1.3.4. Фотохимический смог в городской атмосфере
- •1.3.6Метан
- •В присутствии no общий результат окисления метана:
- •1.3.7.1 Номенклатура и особенности тропосферного аэрозоля
- •1.3.7.2 Время жизни (устойчивость) аэрозоля
- •Водородный цикл
- •Азотный цикл
- •Хлорный цикл
- •Физико-химические процессы в гидросфере
- •3. Биогенные вещества – главным образом соединения азота и фосфора. К биогенным элементам относят также соединения кремния и железа.
- •2.2. Классификация природных вод
- •1) Физико-географические (рельеф, климат…);
- •2.3.2 Процессы растворения твердых веществ в природныхводах
- •2.4 Кислотно-основное равновесие в природных водоемах
- •2.4.2 Растворимость карбонатов и рН подземных и поверхностных природных вод
- •2.5.1 Окислительно_восстановительное равновесие
- •2.5.2 Взаимосвязь между окислительно-восстановительны-ми и кислотно-основными характеристиками природных вод
- •2.6 Процессы самоочищения водных экосистем
- •2.6.1 Виды загрязнений и каналы самоочищения водной среды
- •2.6.3 Физико-химические процессы на границе разделафаз
- •1) В качестве окислителя участвуют ионы металлов в окисленной форме;
- •2) В окислении зв участвуют свободные радикалы и другие реакционноспособные частицы.
- •1) Рекомбинация и диспропорционирование
- •3) Присоединение по кратной связи
- •3 Физико-химические процессы в почвах
- •3.1 Гипергенез и почвообразование
- •3.3 Элементный и фазовый состав почв
- •3.4 Оганические вещества почвы
- •3.4.1 Классификация органических веществ почвы
- •3.5.2 Обменные катионы почв
- •3.7 Соединения азота в почве
- •3.6 Проблемы загрязнения почвенных экосистем
- •3.6.1 Проблема применения минеральных удобрений
- •3.6.2 Проблемы применения химическх средств защиты растений
- •3.6.3 Поведение пестицидов в ос
1.3.6Метан
Метан – главный органический компонент атмосферы Земли. В силу химической инертности он имеет наибольшее время жизни в сравнении с другими органическими соединениями и поэтому содержится в атмосфере в наибольших количествах.
Метан поглощает восходящее ИК-излучение подстилающей поверхности, т.е. является одним из парниковых газов. Кроме того, его содержание в значительной степени определяет окислительные свойства атмосферы.
Метан присутствует во всей толще тропосферы и стратосферы, хотя его распределение в этих слоях неравномерно по географической широте, по высоте и непостоянно во времени.В нижних слоях атмосферы наибольшие колебания концентраций отмечены над континентами – от 1,7 до 5 млн-1в Северном полушарии, причем максимальные концентрации наблюдаются над территориями, в недрах которых имеются крупные залежи ископаемого топлива – каменного угля, нефти и природного газа. Содержание метана уменьшается при движении с севера на юг. С высотой содержание метана быстро убывает, и на высоте 50 км оно обычно не превышает 0,3 млн-1.
Исследования состава воздуха в образцах льда из Гренландии и Антарктиды показали, что до середины XVIIIвека содержание метана составляло 45% от современного. Увеличение его началось 350 лет назад, и скорость прироста содержанияCH4увеличивалась до 1982 г. В настоящее время это прирост замедлился.
Метан поступает в атмосферу из разных источников, которые можно разделить на три категории: природные, антропогенные и квазиприродные.В число последних входят такие источники, которые будучи по механизму генерации метана природными (биологическими или геохимическими), тем не менее находятся под прямым или косвенным контролем человека.
В природных условиях метан образуется высокоспециализированными анаэробными микроорганизмами-метаногенами.Субстратами для них служат уксусная кислота, метанол, метиламин, метилмеркаптан и смесьCO+H2. Все эти соединения – продукты жизнедеятельности целого сообщества других анаэробных микроорганизмов-деструкторов, осуществляющих постадийное разложение мертвого органического вещества. В общем виде образование метана может быть представлено уравнениями:
CH3COO → CH4 + CO2
CH3OH + H2 → CH4 + H2O
CH3SH + H2 → CH4 + H2S
CO2+ 4H2→CH4+ 2H2O.
Наиболее активно микробиологический синтез метана протекает в богатых органическими соединениями и бедных кислородом донных отложениях пресноводных водоемов, морей и переувлажненных почвах – болотах и сезонно-затопляемых территориях (их называют также амфибиальными ландшафтами).Образующийся метан диффундирует вверх по почвенному разрезу, либо поднимается со дна вместе с другими газами в виде пузырьков. Однако основная часть метана не достигает земной поверхности вследствие поглощения аэробными метанокисляющими бактериями – метанотрофами. Таким образом, выход из зоны генерации в атмосферу обусловлен возможностью прорыва метана через стоящий на его пути весьма эффективный 2бактериальный фильтр», наименее вероятен такой прорыв в глубоководных водоемах и морях. Поэтому моря, несмотря на огромные масштабы образования метана в нижних горизонтах воды и донных отложениях, вносят относительно небольшой вклад в глобальный потокCH4. В континентальных экосистемах наибольшая часть метана выделяется в атмосферу из переувлажненных почв, мигрируя через корневую систему и стебли сосудистых растений – осоки, камыша и т.п.
В качестве потнциально важного источника атмосферного метана в последние годы рассматриваются также так называемые метановые газогидраты (клатраты) - снегоподобные структур,в которых СН4 включен в кристаллическую решеткуводы.В 1м3такого образования может содержаться до 170 м3метана. Газогидраты устойчивы при низких температурах или при высоких давлениях, поэтому они обнаруживаются в вечномерзлотных почвах полярных тундр и в морских осадках на глубинах более 500 м. Если морские газогидраты достаточно стабильны, то протаивание мерзлотных почв полярных тундр при глобальном потеплении может привести к выделению в атмосферу больших количеств метана и значительному усилению парникового эффекта.
Квазиприродные источники метана сопряжены главным образом с сельскохозяйственным производством. Образование его в данном случае также объясняется деятельностьюмикроорганизмов-метаногенов в почвах, занятых под выращивание риса, а также обитающих в пищеварительном тракте сельскохозяйственных животных и некоторых видов насекомых – фитофагов.К их числу относятся прежде всего термиты, активно колонизирующие в тропических регионах освобождаемые от лесов территории.
Заметный вклад в глобальный поток CH4 вносят также свалки твердых бытовых отходов, предприятия по переработке бытовых стоков и отходов животноводства.Ежегодно около 5 · 108т твердых бытовых отходов, и подавляющее их количество захоранивается на специально организованных полигонах и на стихийных свалках (для полигонов часто используют карьеры, овраги и другие естественные или искусственные понижения рельефа. Мощность слоя отходов, на 50-60% состоящих из органических компонентов, достигает десятков метров.
В нижних горизонтах таких отложений спонтанно формируется анаэробное микробное сообщество, подвергающее разложению органическое вещество и вырабатывающее смесь газов, состоящих главным образом из метана и диоксида углерода (до 60 и 40% соответственно). Как и в случае чисто природных источников, в верхнем слое свалочных отложений формируется микробиологический фильтр из метанотрофов, поглощающих основную часть поднимающегося из анаэробной зоны метана, однако часть газа прорывается в атмосферу.
Аналогичным образом происходит генерация, потребление и выделение метана на иловых площадках-накопителях осадков сточных вод (ежегодное «производство» таких осадков в масштабах планеты оценивается величиной около 5 · 108 т).Другими словами, эти антропогенные объекты функционируют аналогично природным источникам метана за счет деятельности микробных сообществ.
Чисто антропогенная эмиссия метана связана с добычей ископаемого топлива - угля, нефти и природного газа, - а также с процессами горения как ископаемого топлива, так и сырой биомассы.В последнем случае речь идет о степных и лесных пожарах, возникающих по воле или по вине человека. Как в выхлопе автомобилей, так и в дымовых газах от горения биомассы, метан - главный органический компонент.
Стоки метана определяются двумя процессами: поглощением почвами с последующей микробиологической ассимиляцией метанотрофами и окислением в атмосфере в химических реакциях, инициируемых в основном гидроксильными радикалами. Первая стадия окисления, конечными продуктами которого являются оксиды углерода, может быть выражена уравнением:
СН4 + НО• → СН3• + Н2О (18)
Далее:
CH3• + O2 + M → CH3O2• + M* (48)
CH3O2• + HO2• → CH3OOH + O2
CHOOH + hν → CH3O• + HO• CH3O• + O2 → CH2=O + HO2•
Суммарно: CH4 + O2 → CH2=O + H2O (49)
Образующийся формальдегид относительно устойчив, однако его взаимодействие с гидроксильным радикалом приводит к образованию оксидов углерода:
CH2=O + HO• → C•H=O + H2O
C•H=O + O2 → CO + HO2•
HO2• + O3 → HO• + 2 O2
____________________________________________
C•H=O + O3 → CO + H2O + O2
С учетом CO + O3 → CO2 + O2
можно записать CH4+ 2O3→CO2+ 2H2O+O2