Контрольная работа по "Экологии". 159

10. Кремний и углерод - «соседи» по подгруппе в периодической таблице Д.И. Менделеева. У этих элементов много общих характеристик. Однако кремний (в отличие от углерода) не только не является основой земной жизни, но даже не принимает сколь-нибудь существенного участия в ее функционировании. Объясните этот факт.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи  с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать. Уже у германия проявляются металлические свойства, а у олова и у свинца они преобладают над неметаллическими. Таким образом, углерод и кремний относят к неметаллам, германий причисляют как к металлам, так и к неметаллам, а олово и свинец - металлы.

Среди элементов IV группы наибольшее значение имеют углерод, входящий в состав всех живых организмов, и кремний - важнейший элемент земной коры.

Двухвалентные соединения для кремния менее характерны, чем для углерода. Это связано  с меньшим значением энергии  возбуждения атомов кремния благодаря  большей удаленности наружных электронов от ядра. При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами.

При обычных условиях углерод и кремний очень инертны  и практически не взаимодействуют  ни с какими простыми и сложными веществами. Исключение составляет аморфный кремний, реагирующий с фтором.

При нагревании углерод  и кремний взаимодействуют с  галогенами, с элементами подгруппы  серы, азотом, водородом и многими  металлами. В последнем случае образуются соединения, называемые карбидами и силицидами. С углеродом и кремнием взаимодействуют лишь некоторые кислоты, являющиеся сильными окислителями. Например, в присутствии окислителей (KClO3, MnO2) аморфный углерод растворяется в концентрированных азотной и серной кислотах при нагревании. Кремний же растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот.

Аналогично углероду кремний тоже образует с водородом  соединения, но они менее устойчивы. Надежно идентифицированы только шесть  низших гомологов предельного ряда. Их называют силанами. Простейший представитель моносилан.

В природе кремнезем(SiO2) встречается в виде включений  в граниты и другие породы. Такие  включения заметны на осколках породы, они напоминают кусочки оплавленного стекла. Освобождаясь при выветривании породы, они скапливаются в руслах рек в виде белого песка. Встречается оксид кремния(IV) и в виде прекрасных кристаллов кварца размером, иногда превышающим человеческий рост.

Оксид кремния (IV) практически  нерастворим в воде. Соответствующая  ему кремниевая кислота получается вытеснением ее из растворов солей другими кислотами, в том числе и угольной.

Оксид углерода (IV) растворяется в воде (1:1 по объему), причем он частично взаимодействует с ней, образуя  угольную кислоту:

СО2 + Н2О- Н2СО3

Оксид углерода(II) не реагирует  ни с водой, ни с растворами щелочей и кислот. Подобно оксиду азота(II) NO, он относится к несолеобразующим оксидам.

Оксид углерода(II) получается при взаимодействии оксида углерода(IV) с сильно раскаленным углем:

С + СО2 = 2CO - 160 кДж

Оксид углерода(IV) образуется в природе при дыхании животных и растений, при гниении органических остатков в почве, при пожарах. Оксид углерода(IV) тяжелее атмосферного воздуха и поэтому может скапливаться в опасных концентрациях в погребах и колодцах. В угольных шахтах из-за медленного окисления угля содержание углекислого газа также выше, чем на открытом воздухе. Служба охраны труда следит за тем, чтобы оно не превышало установленной нормы (30 мг/м3).

Для растений углекислый газ служит источником углерода, и  обогащение им воздуха в парниках и теплицах приводит к повышению урожая. Оксид углерода(IV) применяют также для газирования воды и напитков, жидким CO2 заряжают огнетушители. Твердый оксид углерода(IV) под названием сухого льда применяют для охлаждения продуктов. Преимущество сухого льда перед обыкновенным заключается в том, что он поддерживает в окружающем пространстве значительно более низкую температуру и испаряется, не переходя в жидкое состояние.

20. Раскройте причины и опишите химические явления и процессы, лежащие в основе экологической проблемы «кислотные дожди».

Одна из важнейших  экологических проблем, с которой  связывают окисление природной среды, — кислотные дожди. Образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты (рис. 1). В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН=3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе рН = 2,3.

Рис. 1. Кислотные дожди: их причина и  вредное влияние

Суммарные мировые  антропогенные выбросы двух главных загрязнителей'воздуха — виновников подкисления атмосферной влаги — S0₂ и NO_r составляют ежегодно более 255 млн т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем. Выяснилось, что природные экосистемы подвергаются разрушению даже при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека. «Озера и реки, лишенные рыбы, гибнущие леса — вот печальные последствия индустриализации планеты.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы — свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся менее доступными для усвоения. Алюминий снижает также прирост древесины. Токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется еще в большей степени.

30. Дайте характеристику металлов как загрязнителей воды. Обоснуйте, почему ртуть - одна из лидеров «большой тройки» металлов, представляющих наибольшую опасность для людей и окружающей среды.

Поступление ТМ в реки НП происходит в составе аэральных выпадений, поверхностого смыва с почвы, с талыми и грунтовыми водами, а также с ливневым стоком по дренажным канавам, вдоль МКАД. Дополнительным источником является коррозия оцинкованной сетки, уложенной в 2002 г. для укрепления откосов, берегов и дна рек. Фоновые уровни содержаний ТМ в водотоках на незагрязненных участках парка составляют в мкг/л: Zn 17; Cu 4,7; Pb 1,1; Cd < 0,5; Ni 8; Fe 288; Mn 30.

Загрязнение металлами водной сферы  особенно возросло с индустриализацией. В природных (грунтовых, поверхностных) водах присутствуют тяжелые металлы, попадающие туда при выветривании пород. Концентрация их в обычных условиях не велика. К тому же минеральные процессы связаны с естественными биологическими, а это уравновешивает присутствие тяжелых металлов. Другое дело — антропогенные источники попадания ионом металлов в воды при добыче нефти, угля, руды, а еще с промышленными отходами. Даже такие безобидные, казалось бы, гигиенические препараты, как моющие средства, и то могут быть источником ионов цинка и селена. А это уже два из приведенных выше токсичных металлов. Много загрязнений токсичными металлами вносится в воды и с сельскохозяйственными стоками. Тяжелые металлы присутствуют в виде коллоидных частичек в смеси с органическими и неорганическими веществами. Одной из форм таких токсичных металлов являются различные формы алкильных соединений ртути и таллия. Сейчас известно, что существуют в воде такие алкильные соединения мышьяка, олова, свинца, селена, кадмия. Такие вещества способны образовывать высокотоксичные органические соединения, вредные для всего живого даже в нанограммовых количествах.

Тяжелые металлы затрудняют биологические  процессы очистки стоков и отрицательно влияют на флору и фауну. Природные  штаммы микроорганизмов не могут  быть использованы для накопления этих металлов в силу их высоко токсичности. Однако, есть белок высших организмов - металлотионеин, который активно связывает различные тяжелые металлы. Ген, кодирующий синтез мышиного металлотионеина, клонирован в бактериях. Это открывает возможность получения белка в больших количествах с использование иммобилизованных бактерий и его использования для связывания и экстракции тяжелых металлов.

Французские исследователи установили, что дно Атлантического океана загрязнено попадающим с суши свинцом на расстоянии до 160 км от берега и на глубине до 1610 м. Более высокая концентрация этого металла в верхнем слое донных отложений, чем в более глубоких слоях, свидетельствует о том, что это результат хозяйственной деятельности человека, а не следствие длительного природного процесса.

Всемирная организация здравоохранения относит ртуть, отличающуюся разнообразным спектром негативного воздействия на живые организмы, к самым распространенным и опасным токсикантам для окружающей среды . Ртуть принадлежит к числу тиоловых ядов, блокирующих сульфгидрильные группы белковых соединений и этим нарушающих белковый обмен и ферментативную деятельность организма. В настоящее время установлено, что наряду с общетоксическим действием (отравлениями) ртуть и ее соединения вызывают гонадотоксический (воздействие на половые железы), эмбриотоксический (воздействие на зародыши), тератогенный (пороки развития и уродства) и мутагенный (возникновение наследственных изменений) эффекты. С точки зрения патологии человека, ртуть отличается большим разнообразием проявлений токсического действия в зависимости от свойств веществ, в виде которых она поступает в организм (пары металлической ртути, неорганические или органические соединения), путей поступления и дозы.

Основные пути воздействия ртути  на человека связаны с:

- вдыханием паров металлической ртути, находящихся в воздухе;

- использованием пищевых продуктов,  содержащих производные ртути;

- потреблением питьевой воды, загрязненной  ртутью.

Таким образом, высокая токсичность  ртути, наличие техногенных источников загрязнения ртутью среды обитания человека, невозможность массового перехода на безртутные технологии, широкий спектр объектов, загрязняемых ртутью, позволяют утверждать, что проблема ртутной безопасности является одной из приоритетных экологических, медицинских и социальных проблем. В этом контексте большую значимость приобретают вопросы устранения ртутного загрязнения помещений, территорий и других объектов – демеркуризация.

41. Дайте характеристику монооксида углерода (угарного газа), как одного из основных газов-загрязнителей атмосферы. Охарактеризуйте антропогенные причины образования экологических ловушек.

При полном сгорании ископаемого топлива (угля или углеводородов) образуются достаточно безобидные продукты –  диоксид углерода и вода, однако в условиях недостатка кислорода образуется ядовитый монооксид углерода. Если кислорода еще меньше, среди продуктов сгорания появляется углерод (в виде сажи). При низких температурах и малом количестве кислорода разрушение углеводородов может сопровождаться их изомеризацией и поликонденсацией, приводящими к образованию полициклических ароматических углеводородов, в том числе бензопирена, обладающего канцерогенными свойствами.

Для предотвращения смога  необходимо совершенствовать двигатели  автомобилей и эффективно очищать  выхлопные газы. Количество монооксида углерода, образующегося в автомобильных двигателях, можно уменьшить, дожигая его до менее опасного диоксида углерода. Повышение доли воздуха в горючей смеси способствует уменьшению выброса не только СО, но и несгоревших углеводородов. Наиболее эффективными оказались каталитические преобразователи, в которых монооксид углерода и несгоревшие углеводороды окисляются до диоксида углерода и воды, а оксиды азота восстанавливаются до молекулярного азота. К сожалению, каталитические дожигатели нельзя использовать в случае заправки автомобиля этилированным бензином. Такой бензин содержит соединения свинца, необратимо отравляющие катализатор. Увы, в нашей стране этилированный бензин еще широко используется.

Экологические ловушки. Понятие. Пример. - отрицательное влияние изменения качества внешней химической среды на метаболизм живых организмов. В качестве примера такой ловушки приводят воздействие метилртути (CH3 Hg) на физиологические процессы в организме человека (болезнь "Минамата").

Перечень "экологических  ловушек" можно дополнить примером с нитратами, широко использующихся в качестве удобрений (соли азотной  кислоты) в сельском хозяйстве. Интенсивное  поступление нитратов в растения приводит к тому, что они не полностью  включаются в обменные процессы и накапливаются в листьях, стеблях и корнях, причем избыток частично восстанавливается до аммиака.

Другим     примером       "экологической    ловушки"     являются  радионукли-ды, которые  содержатся в радиоактивных отходах  атомной энергетики или образуются в результате ядерных испытаний. Это изотопы элементов, которые способны к ионизирующему излучению (α, β, γ и рентгеновское). α - и β - излучения оказывают воздействие на организм, в основном будучи им поглощенными, а испускающие их вещества относят к «внутренним» излучениям, в то время как γ - излучение может отказать воздействие на организм, находясь вне его.

51. Проанализируйте альтернативные решения, предполагающие использование ветровой и гидроэнергии.

Использование энергии  из возобновляемых источников имеет ряд преимуществ перед традиционной энергетикой: запасы этой энергии неисчерпаемы; ее использование является экологически чистым и безопасным; ее масштабное использование укрепит энергетическую безопасность государства; сам факт ее развития и использования – это признак успешности государства (или собственника). В то же время у НВИЭ есть два больших недостатка: малая производительность и зависимость от капризов погоды.

К возобновляемым источникам энергии или альтернативным источникам энергии можно отнести солнечную, ветряную, гидроэнергию, энергию приливов и отливов, геотермальную, водородную и биотопливную энергию.

Многие европейские  страны сегодня быстрыми темпами  развивают энергетику на возобновляемых и неисчерпаемых источниках. Речь идет об энергии, для получения которой не нужно ископаемое топливо – это энергия ветра, воды.

Мир убедился – будущее  экологически безопасной энергетики в  использовании возобновляемых источников энергии. По решению сената США только в 2007 г. выделяется 1 млрд долларов на развитие возобновляемой энергетики. В ФРГ организован Союз содействия развитию альтернативных источников энергии и др. По данным периодической печати мировые инвестиции в возобновляемые источники энергии достигли в 2004 г. рекорда – 30 млрд долларов, что составляет 25 % всех инвестиций в энергетическую отрасль. Причем в их первых рядах крупнейшие нефтяные компании.

Ветроэнергетика. Ветровая энергетика связана с солнечной. Поэтому не случайно, что когда  говорят о возобновляемых источниках энергии, отмечают – энергия Солнца и ее производных. Ветер – движение воздуха относительно поверхности Земли – имеет солнечное происхождение.

Как известно, в зависимости  от цвета тела поглощают большую  или меньшую часть солнечного излучения. Чем больше степень черноты, тем больше тело нагревается. Поскольку различные участки поверхности Земли имеют разную степень черноты, то под действием солнечных лучей они нагреваются до различной температуры. Соответственно разную температуру имеют и нижние слои атмосферы. Вследствие этого давление воздуха на одной и той же высоте неодинаково, что приводит к горизонтальному перемещению больших масс воздуха.

Использование энергии  ветра имеет давнюю историю. Многие столетия воды морей и океанов  бороздили парусники, а ветряные мельницы были привычным элементом пейзажа в сельскохозяйственных районах Европы.

Работы по строительству  ветряных электростанций ведутся во многих странах, в том числе в  России, Казахстане, Австралии, Великобритании, Канаде, Китае, Нидерландах, Швеции и др.

Россия также располагает  огромными ресурсами энергии  ветра — около 6,2 трлн кВт•ч, что  почти в 10 раз больше, чем РАО  ЕЭС России произвело электроэнергии в 2000 г. Они сосредоточены вдоль  побережья Северного Ледовитого океана, а также в районах, прилегающих к Черному, Каспийскому, Охотскому и Балтийскому морям и др.

В настоящее время  на ветряных электростанциях вырабатывается около 0,5 % электроэнергии от общего объема ее мирового производства. Ожидается, что к 2040 г. эта цифра возрастет  до 20 %. Самый быстрый рост ветроэнергетических мощностей наблюдается в Европе.

Малая ГЭС – это  гидроэлектростанция с установленной  мощностью не более 20-30 мегаватт. На севере России мощность большинства  малых ГЭС не превышает 3-5 мегаватт. В Китае, мировом лидере по количеству малых и микро- ГЭС, действует более 100 тысяч станций, и по российской технологии производятся турбины для таких ГЭС. В настоящее время в развитых странах наблюдаются два основных направления в развитии малой гидроэнергетики: энергетическое использование плотин и водохранилищ, созданных для водоснабжения, и использование малых водотоков с помощью бесплотинных ГЭС или строительство малых ГЭС традиционной компоновки в новых створах. В России ни первое, ни второе направление до настоящего времени практически не реализуются.

Приливные электростанции также являются источником экологически чистой энергии. Они не загрязняют окружающую среду опасными отходами, что неизбежно  при работе обычных теплоэлектростанций, и не требуют затопления территорий, что неизбежно при строительстве крупных гидроэлектростанций.

Особыми характеристиками приливной энергии являются ее неизменность в течение месяца и независимость  от уровня воды в течение года, несмотря на интервалы в 24-часовом цикле  и нерегулярность лунного месяца. Эти качества делают приливы очень мощным источником энергии, который может использоваться в сочетании с речными гидроэлектростанциями, оборудованными водохранилищами. Наиболее важными индикаторами энергетического потенциала является территория приливного бассейна и высота прилива. Что касается побережья Кольского полуострова, то относительно небольшая высота прилива (2-3 метра) и ограниченная площадь акваторий, пригодных для возведения дамбы, делают строительство нескольких потенциально возможных приливных электростанций экономически невыгодным.

Волновая энергия обладает более высокой по сравнению с  ветром и солнцем плотностью энергии. Морские волны накапливают в  себе энергию ветра на значительном пространстве разгона. Они являются, таким образом, природным концентратом энергии. Еще одно достоинство волнения – его повсеместность, благодаря чему оно доступно широкому кругу прибрежных потребителей. Недостаток волновой энергии заключается в ее нестабильности во времени, зависимости от ледовой обстановки, сложности преобразования и передачи потребителю.

61. Проведите анализ и расшифруйте на примерах методы термического способа очистки промышленных сточных вод.

Термический способ. Наиболее распространенным способом умягчения  воды, связанным с нагреванием, является перегонка, или дистилляция. Перегонку чаще всего применяют тогда, когда приходится очищать воду от растворимых в ней твердых или жидких примесей. Для этого воду посредством нагревания переводят в пар, а потом пар превращают снова в жидкость путем охлаждения. Полученная таким образом вода уже не содержит прежних растворенных примесей.

Дистиллированная вода широко применяется в медицине, а  также для приготовления электролита  в аккумуляторных батареях и других целей. Для ее получения используют приборы — дистилляторы, или перегонные кубы. Такие устройства дают примерно от 4 до 5 м3 дистиллированной воды в час. Вода подогревается в дистилляторах электрическим или газовым способом. При недостаточном умягчении воду подвергают повторной перегонке (бидистилляции).

Простейший прибор для  перегонки воды — колба. Она плотно закрывается резиновой пробкой, в которую вставлен термометр. Боковой  отросток колбы соединен с холодильником. В нем пары конденсируются и полученная жидкость стекает в колбу-приемник.

На химических предприятиях образуются сточные воды, содержащие различные минеральные соли (кальция, магния, натрия и др.) также органические вещества. Такие воды могут быть обезврежены термическими методами:1) концентрированием сточных вод  с последующим выделением растворенных веществ; 2) окислением органических веществ в присутствии катализатора при атмосферном и повышенном давлении; 3) жидкофазным окислением органических веществ; 4) огневым обезвреживанием.

Концентрирование сточных  вод 

Этот метод в основном используют для обезвреживания минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Процесс разделения минеральных  веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ. Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрированные сточные воды можно непосредственно направлять на выделение сухого продукта, например в распылительную сушилку. Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных, вымораживающих и кристаллогидратных установках непрерывного и периодического действия.

Метод жидкофазного окисления 

Этот метод очистки  основан на окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при температурах 100—350 °С и давлениях 2— 28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.

Метод парофазного каталитического окисления

В основе метода находится  гетерогенное каталитическое окисление  кислородом воздуха при высокой  температуре, летучих органических веществ, находящихся в промышленных сточных водах. Процесс протекает  весьма интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или другого катализатора.

70. Напишите и проанализируйте формулы существующих рекомендаций по укрупненной оценке экономического ущерба от загрязнений атмосферы и водоемов.

В общем виде оценка экономического ущерба, причиняемого годовыми выбросами загрязнений в отдельные природные компоненты (атмосферные, водные объекты) от отдельных стационарных источников загрязнения, определяется по формуле:

а) водные объекты

б) воздушная среда

где у — экономический ущерб от загрязнения;

Tj — фактический объем выброса (сброса) i-ro вредного вещества;

σ — коэффициент, учитывающий региональные особенности территории, подверженной вредному воздействию, и связанный с относительной опасностью ее загрязнения;

—коэффициент приведения различных  вредных веществ к агрегированному  виду (к "монозагрязнителю"), характеризует относительную опасность i-ro вредного вещества для биоты;

f — коэффициент, учитывающий характер рассеивания вредных веществ в атмосфере;

γ — стоимостная (денежная) оценка ущерба от единицы выброса вредного вещества;

п — количество вредных  веществ.

Список использованной литературы.

Н. Л. Глинка "Общая химия" Издательство "Химия" Ленинградское отделение 1973 г.

Критерии санитарно-гигиенического состояния окружающей среды. Вып.1: Ртуть: Пер. с англ. – М. : Медицина, 1979.

Ершов Ю.А., Плетнева Г.В. Механизм токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

Янин Е.П. Добыча и производство ртути в СНГ как источник загрязнения окружающей среды // Эколого-геохимические проблемы ртути. М.: ИМГРЭ, 2000. С. 38- 59.

Мустафин С.К., Минигазимов Н.С. и  др. Проблемы ртутной безопасности Южного Урала // Экологические проблемы промышленных зон Урала. Т.1. – Магнитогорск: МГМА, 1998.