Химия окружающей среды - Уральский государственный

Уральский государственный лесотехнический университет
Кафедра ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ БИОСФЕРЫ
Направление подготовки
24100.62 Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Профиль подготовки
Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов
Химия окружающей среды
Разработчик программы:
проф. кафедры физико-химической технологии
защиты биосферы, к.х.н. И.Н. Липунов
Что такое химия окружающей среды?
Химия окружающей среды - наука, изучающая химические
процессы в окружающей среде, процессы миграции и превращения всех
химических соединений, в том числе и загрязнителей.
Химия окружающей среды (экологическая химия) дает
представление о процессах формирования химического состава
компонентов биосферы, накопления и трансформации химического
вещества в основных геосферах Земли под воздействием природных и
антропогенных факторов
Химия окружающей среды
возникла на стыке дисциплин экологии и химии и тесно связана с
другими естественно-научными дисциплинами
химия
история
биология
География
экология
социология
физика
Математика
Химия и экология, взаимно дополняя друг друга, создают научные
основы рационального природопользования и охраны окружающей
среды, способствуют оптимизации взаимодействия человека с природой
Предпосылки возникновения дисциплины
”Химия окружающей среды”
Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), французский химик:
• впервые систематически применил химические методы
исследования к биологии;
• установил, что О2 атмосферы потребляется
животными и выделяется растениями;
• доказал, что дыхание человека и животных
представляет собой процесс окисления;
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945),
академик АН СССР ‒ основатель геохимии:
• первым из ученых привел доказательства
геологического по своим масштабам хозяйственного
воздействия человека на все природные процессы;
• предупредил о неизбежности возникновения
экологических проблем
Структура химии окружающей среды
ХОС – это комплекс научных дисциплин:
•
•
•
•
•
•
•
•
Химия атмосферы
Химия литосферы
Химия гидросферы
Химия почв
Химия биосферы
Химическая токсикология
Химия загрязняющих веществ
Химия экологического мониторинга
Цель дисциплины ”Химия окружающей среды”
― изучение изменений химического состава окружающей среды и
прогнозирование возможных экологических последствий таких
изменений
Основными задачами дисциплины в теоретическом и практическом
плане являются ‒ дать будущим специалистам знания по:
• основным химическим, физико-химическим и биохимическим
процессам, протекающими в биосфере;
• влиянию антропогенных факторов на изменение химического состава
основных геосфер Земли;
• прогнозированию поведения химических веществ в окружающей
среде под влиянием природных и антропогенных факторов и разработке
способов управления химическим состоянием объектов природной
среды;
• основным закономерностям и физико-химическими моделям
распределения, миграции и трансформации химических веществ в
биосфере;
• применению способов управления химическим состоянием объектов
природной среды и разработке рекомендаций по снижению уровня
химического загрязнения окружающей среды наиболее опасными
веществами.
После окончания изучения дисциплины
студент должен:
• знать физико-химические и биохимические закономерности
формирования химического состава биосферы, источники
химического загрязнения природных сред, общие закономерности
распределения химических веществ в биосфере, в том числе и
процессы трансформации и миграции загрязняющих веществ в
природных системах;
• уметь прогнозировать влияние загрязняющих химических веществ, в
том числе и особо опасных, на состояние основных компонентов
биосферы;
• владеть основными методами аналитического обнаружения и
количественного определения химических веществ в воздухе, воде и
почве.
Дисциплина ”Химия окружающей среды” готовит будущего
специалиста к решению следующих задач профессиональной
деятельности:
В области производственно-технологической деятельности:
• участие в мероприятиях по охране окружающей среды на основе
требований промышленной безопасности и других нормативных
документов, регламентирующих качество природных сред.
В области организационно-управленческой деятельности:
• участие в разработке и реализации новых энерго- и
ресурсосберегающих, малоотходных и экологически безопасных
технологических процессов, способствующих снижению степени
загрязнения природных сред.
В области проектной деятельности:
• расчет и проектирование отдельных стадий технологического
процесса в соответствии с техническим заданием, учетом экологоэкономических ограничений и требований промышленной безопасности.
В области научно-исследовательской деятельности:
• анализ опасностей промышленных производств на природные
системы.
Трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы
Вид учебной работы
Форма
обучения
Всего
часов
очное
заочное
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
36
36
14
Лекции (Л)
Лабораторные занятия (ЛЗ)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Проработка тем, вынесенных на самостоятельное
изучение с выполнением домашнего задания
(реферат)
Подготовка к лабораторным занятиям
Домашнее задание (решение задач)
Вид промежуточной аттестации: экзамен
Общая трудоемкость
• часы
• зачетные единицы
20
16
36
20
16
36
6
8
58
14
14
40
18
4
36
18
4
36
10
8
36
108
3
108
3
108
3
Содержание дисциплины
1. Введение в курс ”Химия окружающей среды” (Цели и задачи
дисциплины. Основные понятия и определения).
2. Биосфера и происхождение жизни на Земле (Устройство биосферы.
Происхождение и эволюция Земли. Возникновение и эволюция жизни на
Земле. Химические особенности живых организмов).
3. Химия основных геосфер Земли (Химия атмосферы. Химия
педосферы. Химия литосферы. Химия гидросферы).
4. Закономерности распределения и миграции химических веществ в
биосфере (Общие закономерности распределения химических загрязняющих
веществ в биосфере. Миграция химических загрязняющих веществ в
биогеоценозе).
5. Управление качеством окружающей природной среды (Система
нормирования качества окружающей среды. Химические основы
экологического мониторинга).
6. Методы анализа загрязняющих веществ природных матриц (Общие
вопросы аналитической химии токсикантов. Хроматографические методы
анализа. Спектральный анализ. Электрохимические методы анализа).
Лабораторные работы
Название раздела курса
Название лабораторных работ
1.
Методы анализа
загрязняющих веществ в
природных матрицах
2.
3.
4.
Определение химических
показателей качества воды
Санитарная оценка воды
Определение стабильности
воды
Обнаружение и
определение
экотоксикантов в
природных водах (Cd, Pb,
Hg, фенол, ПАУ)
Лист контрольных мероприятий студента очной формы обучения
1. Текущие тестирование во время
чтения лекций. Тема: 1-6
Тестирование
Выполнение
домашней
работы
Реферативный
обзор
дополнительно
го материала
Активность
на занятиях
Выступление
на занятии
Перечень и содержание
разделов дисциплины
Посещаемость
занятий
Текущая аттестация
Максимально
возможная
сумма баллов
0-6
6
2. Коллоквиум по лаб. работе
″Определение химических
показателей качества воды″
0-1
0-2
0-1
0-2
4
3. Коллоквиум по лаб. работе
″Санитарная оценка воды″
0-1
0-2
0-1
0-2
4
4. Коллоквиум по лаб. работе ″
Определение примесей воды
различной степени дисперсности″
0-1
0-2
0-1
0-2
4
5. Коллоквиум по лаб. работе
″ Определение стабильности воды″
0-1
0-1
0-2
4
6. Коллоквиум по лаб. работе
″ Обнаружение и определение
суперэкотоксикантов в природных
водах (Cd, Pb, Hg, фенол, ПАУ)″
0-1
0-1
0-2
4
7. Выполнение домашнего задания №
1 и № 2 (решение задач)
Обязательный минимум для допуска
к экзамену
0-4
5
0
4
1
4
4
30
14
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Трифонов К.И., Девисилов В.А. Физико-химические процессы в
техносфере: учебник. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. 2011. 240 с.
2. Химия окружающей среды. Курс лекций. Электронный
образовательный ресурс /Липунов И.Н. Екатеринбург: ″Баско″. 2008.
449 МБ.
3. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Химия окружающей среды.
Атмосфера: учебное пособие. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.228 с.
4. Липунов И.Н., Никифоров А.Ф. Химия окружающей среды: учебное
пособие. Екатеринбург: УГЛТУ. 2006. 319 с.
5. Зилов Е.А. Химия окружающей среды: учебное пособие. М.: Мир,
2005. 296 с.
6. Хаханина Т.И. Химия окружающей среды: учебное пособие. М.:
Высшее образование. 2009.
Фрагмент презентации из курса лекций
Происхождение и эволюция нашей планеты
Модель внутреннего строения Земли
Одна из гипотез происхождения Земли, являющейся планетой Солнечной
системы, основана результатах огромного взрыва, названного Большим Взрывом
(big bang).
Схематический разрез Земли
Содержание элементов в космосе
Фрагмент презентации из курса лекций
Химия атмосферы
Источники формирования химического состава атмосферы
Антропогенные
Природные
Биологические
Геохимические
ПЫЛИ И
МОРСКИЕ
БРЫЗГИ
ГОРНЫЕ
ПОРОДЫ
НАЗЕМНЫЕ
ВУЛКАНЫ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
ЛЕС
Химические процессы
в природных экосистемах
с участием микроорганизмов
ТРАНСПОРТ
ПРЕДПРИЯТИЯ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ,
ЖКХ, СЕЛЬСКОГО
ХОЗЯЙСТВА
Фрагмент презентации из курса лекций
Химические процессы образования и разрушения озона в стратосфере
Образование озона
О2 + hν = О* + О (3Р)
О + О2 = О3*
О3* + М (О2, N2) = О3 + М*
Разложение озона
О + О3 = 2О2 + 392 кДж
О3 + hν = О2(1∆) + О*
О2(1∆) + О3 = 2О2 + О
Процесс образования и разложения озона, описанный выше
приведенными реакциями, называют циклом Чемпена
Катализаторами разложения О3 являются NхОу и атомы Cl:
NO + O3 = NO2 + O2
NO2 + O = NO + O2
Cl + O3 = ClO• + O2
ClO• + O = O2 + Cl
CF2Cl2 + hν = CF2Cl• + Cl
Фрагменты презентации из курса лекций
Кислотные дожди
Наличие в атмосфере паров воды, оксидов серы и азота является
причиной образования кислых атмосферных осадков:
2SO2 + O2 = 2SO3
2NO + O2 = 2NO2
SO3 + H2O = H2SO4
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3
Фрагменты презентации из курса лекций
Кислотные дожди
состав
дождевых капель.
Образующиеся в атмосфере кислоты входят в
в состав туманов, облачных и дождевых капель.
Величина рН таких образований 2,9 – 5,5.
Кислотный дождь – одна из наиболее
тяжелых форм загрязнения биосферы,
которую справедливо называют
«опасной болезнью биосферы».
Фрагменты презентации из курса лекций
Токсический и фотохимический смог
Причиной токсического смога является повышенная концентрация
SO2 в атмосфере, который взаимодействуя с парами воды и кислородом
атмосферы, образует H2SO3 и H2SO4.
При высокой влажности воздуха наличие кислотных продуктов
приводит к образованию густого тумана, который захватывает частицы
сажи и пыли. Такой токсичный туман называют токсичным или
″лондонским″ смогом, в память о трагедии 1952 года, когда в Лондоне
от него погибло около 4000 человек.
Фрагменты презентации из курса лекций
Фотохимический смог (смог лос-анджелесского типа), основной
причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопные
газы, образуется при наличии в атмосфере углеводородов, оксидов азота,
инверсии температуры, интенсивного солнечного излучения и отсутствия
ветра.
Взаимодействие СnН2n+2, NxOy, O2, O3 под действием солнечной
энергии приводит к образованию токсичных пероксиацилнитратов:
СnН2n+2 + RCHO + NO +NO2 + O2 + O3 + һν = RCOOONO2
Фрагмент презентации из курса лекций
Трансформация неорганических соединений в тропосфере
В газовой фазе (∙OH, HO2∙)
SO2
В жидкой фазе (O2,∙OH, HO2∙)
H2SO4
HO2∙
∙
2
OH
H2 S
32
В твердой фазе
NH4+
O2
MeSO4
44
Вывод из атмосферы
Схема трансформации неорганических соединений серы
Фрагменты презентации из курса лекций
Химия литосферы
Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли. Толщина литосферы
колеблется в пределах 10–100 км; 10–20 км над океанами, 35–50 км над
материками, 70–80 км над горными массивами; масса литосферы
составляет 0,3–0,4 % от массы Земли.
Средний химический состав
современной земной коры
характеризуется большим
содержанием кислорода, за которым
следуют кремний и алюминий
Фрагменты презентации из курса лекций
Химия гидросферы
Знание химического состава природных вод имеет огромное
практическое значение для оценки возможности их использования в
различных отраслях экономики.
Под влиянием климатических и других
условий химический состав природных вод
изменяется и приобретает характерные черты,
иногда специфические для различных видов
природных вод (атмосферные осадки, реки,
озера, подземные воды).
Очистка бытовых и промышленных
сточных вод — серьезнейшая
экологическая проблема, актуальность
решения которой возрастает с каждым
годом.