Химия окружающей среды Вторушина Анна Николаевна ТПУ - 2013

для студентов, обучающихся по направлению:
280700 «Техносферная безопасность»
Химия окружающей
среды
Вторушина Анна Николаевна
ТПУ - 2013
Литосфера
Литосфера
Литосфера – каменная оболочка
Земли, включающая земную кору
мощностью от 6 до 80 км (горные
системы).
Континентальная кора – громадный
резервуар магматических и
метаморфических пород (80%),
покрытых осадочными породами
(20%).
Масса конт.коры составляет 23.6*1024 т.
Схема поперечного разреза
континентальной коры, на которой
показаны геометрия и глобальный
средний состав осадочной оболочки
Средний химический состав верхней
континентальной коры, осадочных
глинисто-алевритовых пород и взвеси в
реках
Средний состав
континентальной
коры, вес.%
SiO2
TiO2
Al2O3
FeO
MgO
CaO
Na2O
K2O

66.0
0.5
15.2
4.5
2.2
4.2
3.9
3.4
99.9
Средний состав
осадочных глинистоалевритовых пород,
вес.%
62.8
1.0
18.9
6.5
2.2
1.3
1.2
3.7
99.9
Средний
состав взвеси
реки, вес.%
61.0
1.1
21.7
7.6
2.1
2.3
0.9
2.7
99.4
Структура
континентальной коры
Многие твердые вещества коры
реакционноспособны:
 Радиоактивные элементы (уран, калий и
т.д.)
 Некоторые нестабильные минералы
(выветривание при изменении t или P)
Строение силикатов:
Степень структурной
сложности силиката
определяет его
реакционную способность
и характер поведения в
процессах выветривания.
1.
2.
3.
4.
Мономерные силикаты
Цепочечные силикаты
С двойной цепочкой
Слоистые силикаты
5. Каркасные силикаты
Процессы выветривания
Выветривание – процесс разрушения и
изменения горных пород и минералов в
приповерхностных условиях под
воздействием физико-химических
факторов атмосферы, гидросферы и
биосферы.
Процессы выветривания
Факторы выветривания:




Колебания температур;
Химические агенты (О2, Н2О, СО2);
Органические кислоты;
Микроорганизмы.
Процессы выветривания
1. Физическое выветривание – механический
процесс размельчения породы до частиц
меньшего размера без существенных
изменений в химическом составе.
2. Химическое выветривание – разрушение
горных пород с изменением их химического
состава:
 растворение;
 окисление;
 гидратация;
 гидролиз.
Механизмы химического
выветривания
 Растворение минералов (не зависит от
рН):
H 2O


NaCl( тв ) галит 
 Na(водн)  Cl( водн)
 Окисление:
2FeS2( тв )  7,5O2( г )  7 H 2O( ж) 
 Fe(OH )3(водн)  H 2 SO4(водн)
В окисление сульфидов вовлечены
микроорганизмы :

2
2FeS2( тв )  7O2( г )  2H 2O( ж) 
 4H(водн)  2Fe(2водн

4
SO
)
4( водн )
(окисление пирита)
Механизмы химического
выветривания
Затем окисление 2-х валентного железа (при
низких значениях рН):
2
( водн )
24Fe
 O2( г )  10H 2O( ж) 
 4Fe(OH )3( тв )  8H

( водн )
При рН менее 3.5 окисление катализируется
железобактериями.
Окисленное железо взаимодействует с пиритом:


2
2
FeS2( тв )  14Fe(3водн

8
H
O


16
H

15
Fe

2
SO
)
2 ( ж)
( водн )
( водн )
4( водн )
Механизмы химического
выветривания
При значениях рН значительно выше 3
железо (III) осаждается как обычный
оксид (гетит):
3
( водн )
Fe
 2H 2O( ж) 
 FeOOH( тв )  3H

( водн )
Восстановленные железосодержащие
силикаты также могут окисляться (напр.
фаялит (богатый железом оливин):
Fe2 SiO4( тв )  0,5O2( г )  5H 2O( ж) 
 Fe(OH )3( тв )  H 2 SiO4( водн)
Механизмы химического
выветривания
Окисление органического вещества
- в почвах катализируется
микроорганизмами, сопровождается
изменением рН.
CH 2O( тв )  O2( г ) 
CO2( г )  H 2O( ж)
CO2( г )  H 2O( ж) 
 H 2CO4(водн)
H 2CO4(водн) 
H

( водн )

3( водн )
 HCO
Механизмы химического
выветривания
Продукты частичного разрушения обладают
карбоксильными и фенольными группами,
которые при диссоциации дают ион Н+:
RCOOH( тв ) 
H

( водн )
R  C6 H 4OH ( тв ) 
H

( водн )

( водн )
 RCOO

( водн )
 R  C6 H 4O
Увеличение кислотности среды используется
при разрушении большинства силикатов в
процессе кислотного гидролиза
Механизмы химического
выветривания
Кислотный гидролиз
- реакция между минералом и кислыми
агентами выветривания.
Выветривание СaCO3:
2
( водн )

3( водн )
CaCO3( тв )  H 2CO3(водн) 
Ca
 2HCO
Кислотный гидролиз силиката богатого
магнием оливина (форстерит):


MgSiO4( тв )  4H 2CO3(водн) 
 2Mg(2водн

4
HCO
)
3( водн )  H 4 SiO4( водн )
Механизмы химического
выветривания
Усредненный процесс химического
выветривания сложных силикатов
на примере плагиоклаза анорита богатого Са:
CaAl2 Si2O8( тв )  2 H 2CO3( водн )  H 2O( ж ) 

2
( водн )

 Ca

3( водн )
 Al2 Si2O5 (OH )4( тв )  2 HCO
пример для богатого Na полевого шпата:
2 NaAlSi3O8( тв )  2 H 2CO3( водн )  9 H 2O( ж ) 


 2 Na(водн )  Al2 Si2O5 (OH )4( тв )  2 HCO3( водн )  4 H 4 SiO( водн)
Содержание минералов в верхней
континентальной коре, %
Плагиоклазовые полевые
шпаты
Калиевые полевые шпаты
Кварц
Вулканическое стекло
Амфиболы
Слюда биотит
Слюда мусковит
Хлорит
Пироксены
Оливин
Оксиды
остальное
Среднее по верхней
континентальной
коре
39,9
Среднее по подверженной
воздействиям поверхности
континентальной коры
34,9
12,9
23,2
2,1
8,7
5,0
2,2
1,4
0,2
1,6
3,0
11,3
20,3
12,5
1,8
7,6
4,4
1,9
2,2
0,2
1,4
2,6
Ограненные впадины, развившиеся в
местах нарушений в полевом шпате из
гранита (юго-запад Англии)
Факторы, определяющие скорость
реакций выветривания
1. тем-ра и доступность влаги (скорость
потока воды)
2. Растворимость и устойчивость
минералов, составляющих породу
3. Тип материнского материала
(относительная сила связи катионкислород)
4. Биогенные почвы
Мощная бокситовая почва (темная),
перекрывающая четвертичный известняк
(белый). Почва проникает в расширенные
растворами углубления на поверхности
известняка. Обнажение примерно 6 м
высотой. Южная Ямайка.
Влияние климата на
минералогию глин на Гавайях
Сравнительно большие скорости потока воды, связанные с
большим кол-вом дождевых осадков, приводят к
предпочтительному удалению катионов и кремния.
Идеализированное вертикальное
распределение глинистых минералов,
образовавшееся в условиях выщелачивания
в почвах, развившихся на базальте
Темы докладов:
1. Источники загрязнения литосферы
радиоактивными отходами, механизм
воздействия этого явления.
2. Токсикация почв тяжёлыми металлами.
3. Влияние атмосферных и гидросферных
загрязнений на деградацию литосферы.
4. Руды: извлечение, обогащение,
получение основных компонентов,
образование отходов, их свойства.
Темы докладов:
5. Генная инженерия в сельском
хозяйстве: за и против!
6. Массовое вымирание видов
7. Потеря почвенных ресурсов
8. Переработка и утилизация ТБО
9. Ядерные катастрофы. Их последствия.
10. Стандарты качества окружающей
среды.
11. Экологические аспекты применения
химического оружия.
Видеофрагмент №3
Взаимосвязь атмосферы –
гидросферы - литосферы
Биогеохимические
циклы
Природные циклы
Геологический цикл
Экзогенный и
эндогенный циклы
Биогеохимический цикл на фоне
упрощенной схемы потока
энергии
 Обменный фонд – вещество которого
совершает постоянную циркуляцию
между живыми организмами и
окружающей их средой.
 Резервный фонд - вещество которого
не участвует в данный момент в
круговороте, но которое может быть
вовлечено.
Гидрологический цикл
Биогеохимиче
ский цикл в
сопряжении
с другими
элементами
Круговорот углерода
Упрощенный вариант
глобального цикла
углерода (потоки в Гт/год)
Круговорот углерода
Наибольший резервуар углерода –
литосфера:
 в составе осадочных карбонатов всех
форм;
 в составе ископаемых топлив (биогенное и
биокосное вещ-во).
Также в виде графита и алмазов.
Биомасса содержит 0.001% углерода Земли
и полностью определяет его планетарный
круговорот
Круговорот углерода
 Тренды изменения концентраций
СО2 в северном и южном
полушариях
Содержание СО2 в воздухе
атмосферы и кернов льда
Концентрации атмосферного СО2 в Мауна Лоа и
ожидаемые концентрации в случае, если бы
весь СО2, образующийся при сжигании
ископаемого топлива, остался в воздухе
Источники и сток
атмосферного СО2
1. биосфера суши (включая пресные
воды) (60 Гт углерода в год);
2. океаны (90 Гт углерода в год);
2
3( водн )
CO

3( водн )
 CO2( г )  H 2O( ж) 
 2HCO
3. антропогенная эмиссия в
результате сжигания ископаемого
топлива и др. промышленной
деятельности.
Оценки потоков СО2 в атмосферу при
изменениях в землепользовании
Основные элементы простой модели
поглощения СО2 океанами
Антропогенные потоки
Источники потока антропогенного СО2 в
атмосферу и его стоки за период 1980-1989гг
(Гт углерода в год).
Источники
Стоки
Сжигание ископаемых 5,5  0,5
Атмосфера
3,2  0,2
топлив
Изменение в
1,1  1,1
Океаны
2,0  0,8
землепользовании
Сумма
6,6  1,2
Сумма
5,2  0,8
Суммарные источники – суммарные стоки = 1,4  1,4 (недостающий
сток)
Сжигание ископаемого
топлива
Годовая продукция СО2, образующегося при
сжигании ископаемых топлив и производстве
цемента
Глобальные годовые эмиссии
СО2, образующегося при
сжигании ископаемых топлив и
производстве цемента
Вклад каждого из парниковых
газов в изменение
радиационного баланса (19801990гг)
Круговорот азота (Гт/год)
Фиксация азота
Микроорганизмы путём прямой фиксации
непосредственно извлекают азот из атмосферы
и связывают его в почве:
 некоторые свободноживущие почвенные
бактерии;
 симбионтные клубеньковые бактерии
(существующие в симбиозе с бобовыми);
 цианобионты, которые также бывают
симбионтами грибов, мхов, папоротников, а
иногда и высших растений.
Фиксация азота организмами происходит в
нитритную форму (соединения на основе NH3),
далее связываясь с почвенной влагой он
переходит в нитратную форму.
Круговор
от азота
Основные специфические черты
круговорота азота
 преимущественная концентрация в
атмосфере, играющей исключительную
роль резервуара, из которой живые
организмы черпают запасы необходимого
им азота;
 ведущая роль в круговороте азота почв и
почвенных микроорганизмов, деятельность
которых обеспечивает переход азота в
биосфере из одних форм в другие.
Содержание азота в
связанном виде в
биосфере:
 органическое вещество почвенного
покрова (1,5х1011 т),
 биомасса растений (1,1х109 т),
 биомасса животных (6,1х107 т).
 некоторые биогенные ископаемые
(селитры).
Фиксация азота бактериями, делает его
доступным для остальной части биоты:
С учетом азота и фосфора уравнение
фотосинтеза/дыхания имеет вид:
 Мочевина, накапливаемая биологическим путем
(в моче животных), в результате гидролиза
разлагается (в щелочной среде):
NH 2CONH 2( ж )  H 2O( ж ) 
 2 NH 3( г )  CO2( г )
 в кислой среде :
NH3(г)  H(водн)  NH4( водн)
Некоторые микроорганизмы, например
Nitrosomonas, окисляют NH4+, используя его в
качестве источника энергии в процессе
дыхания:
2NH3(г)  2O2(г )  N2O(г)  3H 2O( г)
Круговорот фосфора
Круговорот фосфора
Круговорот фосфора
Круговорот фосфора
Фосфор – лимитирующий биогенный
элемент. Входит в состав нуклеотидов,
нуклеиновых кислот, фосфолипидов,
скелетных фосфатов.
Мировые разведанные ресурсы
фосфатов превышают 40 млрд.т
Отличие: цикл фосфора не содержит
газовой фазы.
Круговорот серы
Круговорот серы
Потоки, для которых нет
существенных изменений за
последние 150 лет:
 вулканическая эмиссия серы;
 потоки море-воздух сульфатов
морских солей;
 эмиссия серных газов с суши.
Упрощенный вариант цикла серы в
середине 1980-х гг, потоки в Гт серы
в год
Потоки серного цикла, существенно
изменившиеся в результате
человеческой деятельности
1. Золовые эмиссии серосодержащих
частиц почвенной пыли (увеличение в 2
раза)
2. Прямой привнос серы (в основном SO2)
в результате сжигания ископаемых
топлив (увеличение в 20 раз в последние
120 лет)
3. Поток серы, выпадающий из атмосферы
в океаны (ув.на 25%) и на поверхность
суши (ув. на 163%)
Потоки серного цикла, существенно
изменившиеся в результате
человеческой деятельности
4. Количество серы, поступающей в океаны
с речным стоком, увеличилось более чем
в 2 раза;
5. Поток серы между «континентальной» и
«морской» частями атмосферы
увеличился в 6 раз.
Основной источник серы – выветривание
из осадочного резервного фонда
(сульфидсодержащих горных пород):
Сульфатредуцирующие бактерии в
отсутствии кислорода образуют H2S:
В присутствии кислорода ряд бактерий окисляют
H2S до:
Некоторые бактерии окисляют сульфиты до
серы и сульфатов:
Круговорот серы
Процессы с участием серосодержащих
компонентов, приводящие к увеличению
кислотности осадков:
 сжигание ископаемого топлива;
 продуцирование морским организмами
диметилсульфида (ДМС).
Круговорот серы
Основные природные и антропогенные
циклы диоксида серы и сульфатов
Содержание в атмосфере
метансульфоновой
кислоты
Содержание в
атмосфере ДМС
Связь между циклами
элементов
В отсутствии О2 некоторые бактерии окисляют
серу и сульфиты, используя нитраты (циклы
азота и серы):
Зеленые серные бактерии используют серу в
хемосинтезе орган.вещества:
И пурпурные бактерии:
Универсальная схема описания
циркуляции веществ между
резервуарами Земли
Дискуссия на тему:
 Глобальное изменение климата –
антропогенный фактор: За и против!
 Разрушение озонового слоя:
деятельность человека или
естественные процессы.
Загрязнение
окружающей среды
Загрязнение – все то, что не в том месте,
не в то время и не в том количестве,
какое естественно для природы, что
выводит ее системы из состояния
равновесия, отличается от обычно
наблюдаемой нормы и/или желательного
для человека» (Реймерс, 1998)
Загрязнение окружающей
среды
 «Любые изменения воздуха, вод, почв или
пищевых продуктов, оказывающие
нежелательное воздействие на здоровье,
выживаемость или деятельность человека,
называются загрязнением» (Миллер, 1993)
 «Загрязнением называют поступление в
окружающую среду любых твердых, жидких и
газообразных веществ, микроорганизмов или
энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в
количествах, вредных для здоровья человека,
животных, состояния растений и экосистем»
(Коробкин, 2000)
Загрязнение окружающей
среды
Загрязнение окружающей среды поступление в природную среду любых
твердых, газообразных или жидких
веществ, микроорганизмов или энергии
(тепловой, электромагнитной,
радиационной, звуковой) в количествах,
вызывающих изменение состава и
свойств компонентов природы,
оказывающих вредное воздействие на
человека, флору и фауну
(Скурлатов Ю. И., Дука Г. Г., Мизити А., 1994).
Воздействие на
экосистемы Земли:
 Изменения в природных круговоротах
в результате добавления или
удаления присутствующих в них
химических веществ из-за обычных
циклических и/или вызванных
человеком воздействий;
 Поступление в окр. среду необычных
химических соединений в результате
промышленного синтеза и
производства новых веществ.
Примеры веществ, попавших в окр.
среду исключительно в результате
человеческой деятельности
Название
2,2-ди(р-хлорфенил)-1,1,1трихлорэтан (ДДТ)
Применение
Пестицид – с/х
ПХД (полихлорирова-нные
дифенилы)
Диэлектрики в
трансформаторах;
гидравлические жидкости и
т.д.
Компонент корабельных
красок
Распыляемые аэрозоли,
пенообразователи
ТБО (трибутилированное
олово)
ХФУ (хлорфторуглеводороды)
Воздействие на окр.среду
Неселективный яд,
концентрирование в пищево
цепи
Устойчивы к разложению
Подавляет половое
воспроизведение моллюсков
Разрушение озона
стратосферы
Классификации
загрязнений:
 1. По объектам: загрязнение вод
(поверхностных и подземных), загрязнение
атмосферы, загрязнение почв, загрязнение
космического пространства и т. п.
 2. По масштабам: локальное, региональное,
глобальное.
 3. По природе действующих факторов:
физическое, химическое, биологическое.
 4. По характеру воздействия на объекты
окружающей среды.
 5. Природные и антропогенные загрязнения.
 6. По поведению загрязнителей в
окружающей среде.
Классификация
загрязнений по
масштабам:
1. Локальное загрязнение – это загрязнение
окружающей среды в конкретной местности в
ограниченных пространственно-временных
масштабах;
2. Региональное загрязнение формируется на
основе локальных загрязнений при увеличении
их количества или пространственно-временных
масштабов;
3. Глобальное загрязнение – это загрязнение,
которое нарушает естественные физикохимические, биологические показатели
биосферы в целом и обнаруживаются
практически в любой точке нашей планеты.
Классификация загрязнений по природе
действующего агента
(Коробкин, 2000)
Классификация загрязнений по
поведению
загрязнителей в окружающей
среде:
1. Разложимые биологически вещества –
подвергаются атаке микроорганизмов, ведущей к
их деградации и полному удалению (отходы
жизнедеятельности организмов и т.д.);
2. Биологически неразложимые вещества не
изменяются под воздействием микроорганизмов
(инертные загрязнители - твердые частицы,
тяжелые металлы, многие синтетические
органические вещества сохраняются в
окружающей среде в неизменной форме,
несмотря на то, что они могут растворяться или
транспортироваться).
Классификация загрязнений по
поведению
загрязнителей в окружающей
среде:
3. Химически разложимые вещества - такие как,
например, кислоты, уничтожаются в ходе
химических реакций в окружающей среде.
Факторами, определяющими тяжесть воздействия
загрязняющих веществ, являются:
1) их биологическая активность (сила токсического
или другого воздействия на биоту);
2) концентрация;
3) время жизни в среде или устойчивость.
Виды загрязняющих
веществ:
 Контаминант - любое инородное
вещество как вредное, так и
нейтральное, не оказывающее вредного
воздействия на окружающую среду,
которое можно определить как примесь
или чужеродное вещество.
 Поллютант – вещества, вызывающие
деградацию окружающей среды.
Пути воздействия
загрязнителей на
 природу
Токсиканты - оказывают прямое действие на
метаболизм водных организмов.
 Мутагены – генетически активные вещества,
вызывающие мутации (изменения)
наследственной информации подвергающихся
их действию организмов (сопряжено с
канцерогенным действием).
 Канцерогены – вещества, стимулирующие рост
злокачественных новообразований (раковых
опухолей) у обработанных ими организмов.
 Тератогены – вещества, способные нарушать
нормальное развитие эмбрионов
многоклеточных организмов, вызывая появление
измененных дефектных особей.