Химия окружающей среды

ГОУ ВПО ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

НЕФТЕХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ 

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электронный семинар 

Дисциплина: Химия окружающей среды 
 
 
 
 
 
 
 
 

         Выполнила:  студент  гр. ЗОС-517 

                                                        Осовская Н.В. 
 
 
 
 
 
 
 

Омск 2011

Загрязнение воды. Способы попадания  загрязнений в  воду. «Пороговый уровень» загрязнения.

   Загрязнение воды — попадание различных загрязнителей в воды рек, озер, морей, океанов, подземные воды. Происходит при прямом или непрямом попадании загрязнителей в воду в отсутствие адекватных мер по очистке и удалению вредных веществ.

   Загрязнение вод можно распределить на такие типы:

   Механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

   Химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

   Радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

   Тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

   «Пороговый  уровень» загрязнения — максимальное количество загрязнителя, лекарства или другого фактора, которое переносится организмом без ущерба для него.

   В большинстве случаев загрязнение вод остаётся невидимым, поскольку загрязнители растворены в воде. Но есть и исключения: пенящиеся моющие средства, а также плавающие на поверхности нефтепродукты и неочищенные стоки. Есть несколько природных загрязнителей. Находящиеся в земле соединения алюминия попадают в систему пресных водоёмов в результате химических реакций. Паводки вымывают из почвы лугов соединения магния, которые наносят огромный ущерб рыбным запасам.

   Однако  объём естественных загрязняющих веществ  ничтожен по сравнению с производимыми человеком. Ежегодно в водные бассейны попадают тысячи химических веществ с непредсказуемым действием, многие из которых представляют собой новые химические соединения. В воде могут быть обнаружены повышенные концентрации токсичных тяжелых металлов (как кадмия, ртути, свинца, хрома), пестициды, нитраты и фосфаты, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВы). Как известно, ежегодно в моря и океаны попадает до 12 млн. тонн нефти. Определенный вклад в повышение концентрации тяжелых металлов в воде вносят и кислотные дожди. Они способны растворять в грунте минералы, что приводит к увеличению содержания в воде ионов тяжелых металлов. С атомных электростанций в круговорот воды в природе попадают радиоактивные отходы. Сброс неочищенных сточных вод в водные источники приводит к микробиологическим загрязнениям воды.  

Действие  загрязнений на основные параметры водной системы: кислород, биологически активные вещества, взвешенные частицы. Тепловое воздействие загрязнений.

   Чистая  вода прозрачна, бесцветна, не имеет  запаха и вкуса, населена множеством рыб, растений и животных. Загрязненные воды мутные, с неприятным запахом, не пригодны для питья, часто содержат огромное количество бактерий и водорослей. Система самоочистки воды (аэрация проточной водой и осаждение на дно взвешенных частиц) не срабатывает из-за переизбытка в ней антропогенных загрязнителей.

   Органические  вещества, содержащиеся в сточных  водах, разлагаются ферментами аэробных бактерий, которые поглощают растворенный в воде кислород и выделяют углекислый газ по мере усвоения органических остатков. Общеизвестными конечными продуктами распада являются углекислый газ и вода, но могут образовываться и многие другие соединения. Например, бактерии перерабатывают азот, содержащийся в отходах, в аммиак (NH₃), который, соединяясь с натрием, калием или другими химическими элементами, образует соли азотной кислоты - нитраты. Сера преобразуется в сероводородные соединения (вещества, содержащие радикал -SH или сероводород H₂S), которые постепенно переходят в серу (S) или в сульфат-ион (SO₄^2–), также образующий соли. В водах, содержащих фекальные массы, растительные или животные остатки, поступающие с предприятий пищевой промышленности, бумажные волокна и остатки целлюлозы от предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, процессы разложения протекают практически одинаково. Поскольку аэробные бактерии используют кислород, первым результатом распада органических остатков является уменьшение содержания кислорода, растворенного в принимающих стоки водах. Оно изменяется в зависимости от температуры, а также в некоторой степени - от солености и давления. Пресная вода при 20°C и интенсивной аэрации в одном литре содержит 9,2мг растворенного кислорода. С повышением температуры воды этот показатель уменьшается, а при ее охлаждении - увеличивается. В мелких водотоках с быстрым течением, где вода интенсивно перемешивается, поступающий из атмосферы кислород компенсирует истощение его запасов, растворенных в воде. Одновременно углекислый газ, образующийся при разложении содержащихся в сточных водах веществ, улетучивается в атмосферу. Таким образом сокращается срок неблагоприятного воздействия процессов разложения органики. И наоборот, в водоемах со слабым течением, где воды перемешиваются медленно и изолированы от атмосферы, неизбежное уменьшение содержания кислорода и рост концентрации углекислого газа влекут за собой серьезные изменения. Когда содержание кислорода уменьшается до определенного уровня, происходит замор рыбы и начинают погибать другие живые организмы, что, в свою очередь, приводит к увеличению объема разлагающейся органики. Большая часть рыб гибнет из-за отравления промышленными и сельскохозяйственными стоками, но многие - и от недостатка в воде кислорода. Рыбы, как и все живые существа, поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Если кислорода в воде мало, но высока концентрация углекислого газа, интенсивность их дыхания снижается (известно, что вода при высоком содержании угольной кислоты, т.е. растворенного в ней углекислого газа, становится кислой).

   Тепловое  загрязнение. Температура воды, используемой на тепловых электростанциях для охлаждения пара, повышается на 3-10°С, а иногда до 20°С. Плотность и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается либо вокруг места слива, либо в смешанном потоке, текущем вниз по течению реки. Мощные электростанции заметно нагревают воды в реках и бухтах, на которых они расположены. Летом, когда потребность в электрической энергии для кондиционирования воздуха очень велика и ее выработка возрастает, эти воды часто перегреваются. Понятие "тепловое загрязнение" относится именно к таким случаям, так как избыточное тепло уменьшает растворимость кислорода в воде, ускоряет темпы химических реакций и, следовательно, влияет на жизнь животных и растений в водоприемных бассейнах. Существуют яркие примеры того, как в результате повышения температуры воды погибали рыбы, возникали препятствия на пути их миграций, быстрыми темпами размножались водоросли и другие низшие сорные растения, происходили несвоевременные сезонные изменения водной среды. Однако в некоторых случаях увеличивались уловы рыбы, продлевался вегетационный период и прослеживались иные благоприятные последствия. Поэтому подчеркнем, что для более корректного употребления термина "тепловое загрязнение" необходимо иметь гораздо больше информации о влиянии дополнительного тепла на водную среду в каждом конкретном месте. 

Места повышенной реакционной способности водной массы: поверхностная пленка, глубинные воды, донный осадок, придонная водная масса. Их характеристика и свойства.

   Поверхностные водные массы. Их свойства и пределы распространения определяются зональной изменчивостью обмена энергии и веществ и циркуляции поверхностных вод.

   В поверхностной структурной зоне формируются следующие водные массы: 1) экваториальные; 2) тропические, подразделяющиеся на северотропические и южнотропические; 3) субтропические, делящиеся на северные и южные; 4) субполярные, состоящие из субарктических и субантарктических; 5) полярные, включающие антарктические и арктические.

   Характеристика поверхностных водных масс

   Глубинные водные массы. Несмотря на относительно большую гомогенность, все глубинные водные массы имеют свои специфические свойства, по которым их можно отличить друг от друга. Они формируются главным образом в результате смешения поверхностных и промежуточных водных масс. Наиболее благоприятные условия для образования глубинных вод создаются по периферии высокоширотных циклонических макроциркуляционных систем и особенно в той их части, которая проходит вдоль материковых склонов. Поэтому основные глубинные водные массы образуются на севере океанов и у Антарктиды.

   Верхняя граница глубинных водных масс прослеживается от 1000 м до 2000 м, а нижняя граница залегает большей частью вблизи 4000м. Поэтому, толщина занимаемого ими слоя меняется довольно значительно - приблизительно от 1500 м до 3000 м.

   Средние скорости вертикального перемещения глубинных вод большей частью укладываются в пределы от 1-2∙10^-4 см/сек до 5-7∙10^-4 см/сек. В горизонтальном переносе немалое значение имеют меридиональные составляющие. Несмотря на небольшие их величины (от 0,2 до 0,8 см/сек), количество веществ, переносимых глубинными водами, очень велико благодаря огромной их массе. Поэтому их значение в межширотном обмене веществ и энергии Мирового океана весьма велико.

   В соответствии с местом образования, распространением и свойствами глубинных  водных масс выделяются следующие три их типа: североокеанические, срединные океанические и полярные.

   У глубинной североатлантической  водной массы наиболее высокие (среди  других глубинных вод) соленость (от 35,1 до 34,7‰), температура (4,0-2,0°С), условная плотность (27,9 - 27,8), содержание растворенного кислорода (6,0 - 5,0 мл/л) и скорость перемещения. Вместе с тем концентрация фосфатов минимальна (менее 1,5 мкг-атом/л).

   Придонные водные массы. Они заполняют наиболее глубокие части океанов, перемещаясь по котловинам и соединяющим их подводным долинам.

   Подобно другим видам водных масс, придонные  воды образуются в результате опускания  вышележащих вод, которое, в конечном счете, вызывается поверхностной горизонтальной циркуляцией. При этом все типы придонных  водных масс, кроме северо-индийских, формируются в высоких широтах одновременно с промежуточными и глубинными водами. Из-за расчлененности рельефа дна придонные воды при своем перемещении подвергаются более сильной трансформации. Как уже говорилось, для них характерно преобладание меридионального переноса, скорость которого меняется приблизительно от 0,1 до 1 см/сек.

   Наибольшее  распространение в Мировом океане получили придонные антарктические воды. В северных частях океанов  выделяются придонные водные массы, которые могут быть объединены общим термином - североокеанические, несмотря на довольно значительные различия свойств и условий формирования.

   Придонная арктическая водная масса получила большее развитие по вертикали за счет высокого положения верхней  ее границы, прослеживающейся на глубине 2500-3000 м (тогда как обычно на 4000 м). В условиях замкнутых котловин, в Арктическом бассейне, хорошо проявляется повышение температуры воды ко дну, что, по-видимому, связано с влиянием притока тепла из недр земли. Увеличение температуры от верхней границы придонных вод ко дну составляет от 0,06°С до 0,12°С. Соленость либо совершенно однородна, либо увеличивается на 0,01 - 0,02‰.

   Донные  осадки — минеральные вещества, отложившиеся на дне океанов, морей, озёр, рек в результате физических, химических и биологических процессов.

   Вдоль экватора в океане выявлено что их толщина достигает более 2000 м. Среди донных осадков выделяются биогенные (известковые, кремнистые), терригенные, вулканогенные и осадки смешанного происхождения (полигенные), к которым относят и глубоководные красные глины. На глубине более 4500—5000 м известковые осадки вследствие растворения карбоната кальция (СаСО3) отсутствуют. 

Металлы в водной среде. Консервативные и неконсервативные свойства водной системы, связанные с концентрацией  металлов. Биологическая и химическая активность металлов в водной среде.

   Металл-токсикант, попав в водоем или реку, распределяется между компонентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество металла  вызывает расстройство данной системы. При оценке способности экосистемы сопротивляться внешнему токсическому воздействию принято говорить о буферной емкости экосистемы. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению к тяжелым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого существенно не нарушает естественного характера функционирования всей изучаемой экосистемы. При этом сам металл-токсикант распределяется на следующие составляющие: 1) металл в растворенной форме; 2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном, то есть растительными микроорганизмами; 3) удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды; 4) адсорбированный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в растворимой форме; 5) находящийся в адсорбированной форме на частицах взвеси.

   Ионы  металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости  от условий среды (pH, окислительно-восстановительный  потенциал, наличие лигандов) они  существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

   Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

   Многие  металлы образуют довольно прочные  комплексы с органикой; эти комплексы  являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных  водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

   Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных  водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и  токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

   Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

   1.      может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

   2.      мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

   3.      токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

   Компоненты  естественных водных систем характеризуются так называемыми консервативными или неконсервативными свойствами. К консервативным относятся вещества, концентрации которых остаются примерно постоянными либо характеризуются постоянным отношением к концентрации какого либо другого вещества в системе. К таким металлам можно отнести распространенные натрий, калий и кальций.

   Группу  неконсервативных веществ составляет большинство переходных металлов (железо, медь, цинк). Их содержание меняется в  зависимости от таких факторов, как  географическое положение, время, сезон, температура, соленость воды и, что более важно, биологическая активность.

   Эти тяжелые металлы, как правило, присутствуют в концентрациях, не превышающих одной миллионной доли, а в большинстве случаев лежащих в области микро и субмикроконцентраций вплоть до 10~10 моль/л или меньше. Несмотря на это вследствие своей химической активности они играют определяющую роль в химии водных систем.

   Во  многих случаях такие металлы, как  медь, цинк, кадмий и никель, присутствующие в виде следов, играют жизненно важную роль в биологической системе и могут рассматриваться как микроэлементы питания. Однако при более высоких концентрациях те же металлы могут выступать в качестве ингибиторов реакций с энзимами и в некоторых случаях проявляют высокую токсичность по отношению к определенным организмам.

   Биологическая активность и химическая реакционная  способность металлов частично зависят  от их валентного состояния. Имеется  значительное различие между аналитической  концентрацией ионов металлов и  их концентрацией, доступной для водных организмов. Если вещества проходят через фильтр с размерами пор 0,45 мкм, то они могут рассматриваться как истинные растворы. Вещества, остающиеся на поверхности такого фильтра, относятся к дисперсным системам. При таком разделении веществ изучение их химической структуры отступает на второй план. Однако сведения о концентрации веществ и их химической природе необходимы для понимания свойств и реакций, протекающих в водной системе. Структура соединений, в которых присутствуют металлы, зависит от степени окисления и способности данного металла к комплексообразованию. 

Основные  типы соединений металлов в водном растворе: гидратированные  соединения, ионные пары, комплексные  ионы. Их характеристика, условия образования  и значение.

   Гидратированные ионы. При растворении солей в воде образуются гидратированные ионы. Образование гидратированных ионов приводит к стабилизации ионов в растворах воды. Каждый отрицательный ион притягивает положительные концы нескольких ближайших молекул воды и стремится удержать их около себя.

   Положительные ионы, которые обычно меньше анионов, притягивают воду еще сильнее; каждый катион притягивает отрицательные  концы молекул воды и прочно связывает  несколько молекул, удерживая их около себя; при этом образуется гидрат, который может быть весьма устойчивым, особенно в случае катионов, несущих двойной или тройной положительный заряд.

   Комплексные соединения — это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному иону (или атому), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами. Комплексообразователь обычно положительно заряжен и в таком случае именуется в современной научной литературе металлоцентром.

   Ионные пары, состоят из двух противоположно заряженных ионов, удерживаемых электростатическими силами, дисперсионными, ион-дипольными или некоторымирыми др. взаимодействиями.  

Мировой океан. Состав ионов в морской воде. Различия между континентальными поверхностными водами и морской водой.

  Мировой океан — основная часть гидросферы, составляющая 94,1 % всей её площади, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава.

  Континенты  и большие архипелаги разделяют мировой океан на пять больших частей (океанов):

• Атлантический океан
• Индийский океан
• Северный Ледовитый океан
• Тихий океан
• Южный океан

  Большие регионы океанов известны как моря, заливы, проливы и т. п.

  Ионный  состав морской воды - основной ионный состав морской воды определяется концентрациями семи ионов: хлора, сульфатного, гидрокарбонатного, натрия, калия, магния, кальция.

  Огромный  слой соленой воды, покрывающий большую  часть Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный состав. Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.

  Ионный  состав мирового океана.

  Морскую воду часто называют соленой. Под  соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях. 

Дельты  рек и эстуарии. Их определение, особенности потоков воды. Процессы, протекающие в дельтах и эстуариях и их особенности.

   Дельта - низменность в низовьях реки, сложеннная речными отложениями и разделеннная разветвленной сетью рукавов  и протоков.

   Дельты – это плоские низменные равнины, полого наклоненные в сторону моря, часто имеющие форму, близкую к треугольной. В их пределах река распадается на многочисленные радиально расходящиеся рукава и потоки, образуя аллювиально-дельтовые равнины. Река, впадая в моря и озера, приносит с собой большое количество обломочного материала, как влекомого по дну, так и во взвешенном состоянии. Часть его уносится в море, значительная же часть оседает в прибрежной зоне, образуя подводный конус выноса. Постепенно нарастая в сторону моря, в ширину и высоту, он начинает выступать на поверхности в виде выдающегося в море широкого конуса (дельты) с вершиной, обращенной к реке. Дельты образуются при относительно небольшой глубине моря, обилии обломочного материала, отсутствии приливов и отливов и сильных вдольбереговых течений и сравнительно медленных колебательных тектонических движений.

   В речных дельтах встречаются различные  по своему составу и генезису отложения:

1. аллювиальные отложения русловых потоков (на равнинах – пески и глины, более грубый материал – в горах);
2. озерные отложения, в отшнурованных руслах (глинистые осадки, богатые органическим веществом);
3. болотистые отложения (торфяники, на месте зарастающих озер);
4. морские осадки.

   Эстуарий (от лат. aestuarium — затопляемое устье реки) — однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря.

   Для образования эстуариев благоприятны условия там, где наблюдаются приливы и отливы, вдольбереговые течения и прогибание земной коры. Во время приливов море далеко вдается в устьевые части рек, а во время отливов морская вода вместе с речной образуют мощный поток, движущийся со значительной скоростью. При этом обломочный материал, принесенный рекой, выносится в море, где подхватывается береговыми течениями. 

Поведение газов в воде: H₂S, O₂. Оксид углерода (IV) в водной среде. Система СО₂ - СО₃^2- ее характеристика и значение для водной системы. Цикл СО₂ в атмосфере и гидросфере и климат планеты.