Какие газы, содержащиеся в выбросах металлургических заводов, теплоэлектростанций, автомобилей, взаимодействуют с дождевой водой

Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Основным свойством популяций  является то, что они находятся  в беспрерывном движении, постоянно  изменяются. Это отражается на всех параметрах: продуктивности, устойчивости, структуре, распределении в пространстве. Популяциям присущи конкретные генетические и экологические признаки, отражающие способность систем поддерживать существование  в постоянно меняющихся условиях: рост, развитие, устойчивость.

В популяциях проявляются все формы биотических отношений, но наиболее ярко выражены мутуалистические и конкурентные. Мутуализм – крайняя степень ассоциации между особями, при которой каждый извлекает выгоду из связи с другим организмом. Популяция представляет собой форму внутривидовой организации или форму существования вида, обеспечивающую наиболее полное использование данной группой особей природных ресурсов территории, к которой популяция приурочена. Биологическое значение популяции состоит в наиболее полном и рациональном использовании энергетических ресурсов, позволяющем обеспечить оставление потомства. При половом размножении обмен генами превращает популяцию в целостную генетическую систему. Если размножение происходит вегетативным путем (побегами, почками) или другими способами, то популяция представляет собой систему клонов, или чистых линий, совместно использующих среду.

Говоря об экологических  популяциях, необходимо отметить большое  разнообразие их масштабов. У одного и того же вида в разной среде  популяции могут сильно различаться. Эти различия обусловлены:

а) площадью ареала популяции  – они могут занимать территорию, сравнимую по площади с материком (популяции песца, кряквы), и могут  ограничиваться несколькими квадратными  метрами (некоторые амфибии и  моллюски);

б) количеством особей, образующих популяцию, – популяция может  объединять миллионы особей (комары) или  всего несколько десятков животных (крупные хищники);

в) количеством микропопуляций – одни популяции представлены множеством микропопуляций, приуроченных к разным биотопам, другие – едины в пространственном отношении.

Таким образом, популяции  представляют собой весьма разнообразные  видовые группировки, количество и  особенности которых соответствуют  пестроте и условиям местообитания, специфическим свойствам среды  и биологии самих животных.

Типы популяций.

 Популяции могут занимать  разные по размеру площади  и условия обитания в пределах  местообитания одной популяции  тоже могут быть не одинаковы.  По этому признаку выделяют  три типа популяций: элементарную, экологическую, географическую.

Элементарная (локальная) популяция – это совокупность особей одного вида, занимающих небольшой участок однородной площади. Между ними постоянно идет обмен генетической информацией.

Экологическая популяция – совокупность элементарных популяций, внутривидовые группировки, приуроченные к конкретным биоценозам. Растения одного вида в ценозе называются ценопопуляцией. Обмен генетической информацией между ними происходит достаточно часто.

 ПРИМЕРЫ. Рыбы одного  вида во всех стаях общего  водоема; древостои в монодоминантных лесах, представляющих одну группу типов леса: травяных, лишайниковых или сфагновых лиственничников; древостои в осоковых (сухих) и разнотравных (влажных) дубняках; популяции белок в сосновых, елово-пихтовых и широколиственных лесах одного района.

Географическая  популяция – совокупность экологических популяций, заселивших географически сходные районы. Географические популяции существуют автономно, ареалы их относительно изолированы, обмен генами происходит редко – у животных и птиц – во время миграций, у растений – при разносе пыльцы, семян и плодов. На этом уровне происходит формирование географических рас, разновидностей, выделяются подвиды.

ПРИМЕРЫ. Известны географические расы лиственницы даурской (Larix dahurica): западная и восточная, северная и южная расы лиственницы курильской. Аналогично выделение у березы каменной двух подвидов: березы Эрмана и шерстистой. У вида "белка обыкновенная" насчитывается около 20 географических популяций, или подвидов.

Численность и плотность  – основные параметры популяции. Численность – общее количество особей на данной территории или в  данном объеме. Плотность – количество особей или их биомасса на единице  площади или объема. В природе  происходит постоянные колебания численности  и плотности.

Динамика численности  и плотности определяется в основном рождаемостью, смертностью и процессами миграции. Это показатели, характеризующие  изменение популяции в течение  определенного периода: месяца, сезона, года. Изучение этих процессов и причин их обусловливающих очень важно для прогнозов состояния популяций.

Популяция приспосабливается  к изменению условий среды  путем обновления и замещения  особей, т.е. процессами рождения (возобновления) и убывания (отмирания), дополняемыми процессами миграции. В стабильной популяции темпы рождаемости  и смертности близки, сбалансированы.

В растущей популяции рождаемость  превышает смертность. Для растущих популяций характерны вспышки массового размножения, особенно у мелких животных (саранча, 28-точечная картофельная коровка, колорадский жук, грызуны, вороны, воробьи; из растений – амброзия, борщевик Сосновского в северной республике Коми, одуванчик, прилипало гималайское, отчасти – дуб монгольский). Нередко растущими становятся популяции крупных животных в условиях заповедного режима (лоси в Магаданском заповеднике, на Аляске, олень пятнистый в Уссурийском заповеднике, слоны в национальном парке Кении) или интродукции (лось в Ленинградской области, ондатра в Восточной Европе, домашние кошки в отдельных семьях).

Если смертность превышает  рождаемость, то такая популяция  считается сокращающейся. В естественной среде она сокращается до определенного  предела, а затем рождаемость (плодовитость) вновь повышается и популяция  из сокращающейся становится растущей. Чаще всего неумеренно растущими бывают популяции нежелательных видов, сокращающимися – редких, реликтовых, ценных, как в экономическом, так и в эстетическом отношении.

Биоценоз представляет собой - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих участок земной поверхности и характеризующихся определенными отношениями как друг с другом, так и с совокупностью абиотических факторов. Примерами биоценозов могут служить совокупность организмов пруда, дубравы, соснового или берёзового леса. Во многих случаях границы биоценозов размыты и условны. Составными частями биоценоза являются фитоценоз (совокупность растений), зооценоз (совокупность животных), микоценоз (совокупность грибов) и микробоценоз (совокупность микpoopганизмов). Синоним биоценоза – сообщество. Биоценозы возникли на основе биогенного круговорота и обеспечивают его в конкретных природных условиях. Биоценоз — это динамическая, способная к саморегулированию система, компоненты которой (продуценты, консументы, редуценты) взаимосвязаны. Наиболее важными количественными показателями биоценозов являются биоразнообразие (совокупное количество видов в нём) и биомасса (совокупная масса всех видов живых организмов данного биоценоза). Характеризуется соотношением видов, которые имеют разные адаптации к факторам среды, типам питания, размерам, внешнему виду.

Виды биоценозов: 1) Естественные (река, озеро, луг.) 2) Искусственные (пруд, сад.)

Участок земной поверхности (суши или водоема) с однотипными  абиотическими условиями (рельефом, климатом, почвами, характером увлажнения), занимаемый тем или иным биоценозом, называется биотопом. В пространственном отношении биотоп соответствует  биоценозу. Биотоп, с которым связаны  обитающие здесь организмы и  условия их существования, подвергается изменениям со стороны биоценоза. Однородность климатических условий биоценоза  определяет климатоп, почвенно-грунтовых — эдафотоп, увлажнения — гидротоп.

Виды структур биоценоза: видовая, пространственная (вертикальная (ярусность) и горизонтальная (мозаичность) организация биоценоза) и трофическая.

 Возникновение биоценоза начинается с появления первых организмов на лишенных жизни участках. Нередко, особенно в гумидной зоне, первыми поселенцами оказываются представители водорослей, мхов и лишайников.

При последующем развитии сообщества происходит дифференциация растительного покрова по ярусам и синузиям, устойчивое постоянство приобретают его мозаичность, видовой состав, пищевые цепи и консорции. В конечном итоге занятыми оказываются все экологические ниши и дальнейшее вселение организмов становится возможным только после – вытеснения или уничтожения старожилов. Данная, заключительная, стадия образования биоценоза получила название насыщенной.

Случайные отклонения в структуре  биоценоза называются флуктуациями. Как правило, они обусловлены  случайными или сезонными изменениями  численности видов, входящих в биоценоз, в результате неблагоприятных метеорологических  явлений, наводнений, землетрясений  и т. д. Обильные снегопады и иней, например, приводят к изреживанию крон, и весной под пологом леса большее развитие получают злаки. Весенние заморозки и поздневесенний снежный покров не только повреждают цветущие растения, что сказывается на их плодоношении, но и нередко служат причиной массовой гибели перелетных птиц. Сильные ветры, наводнения и землетрясения вызывают нарушения в биоценозах, после которых для восстановления сообщества требуется продолжительное время.

Экосистемы

Экосистема - биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую  компоненту системы, биоценоз. Простейший пример экосистемы — лишайник. Роль продуцентов выполняют водоросли, осуществляющие фотосинтез. Грибница выступает консументом, питающимся продуктами фотосинтеза, а бактерии и простейшие — редуцентами.

 Вместе с веществом через экосистему проходит поток энергии, заключенной в его химических связях. Относительное количество передаваемых на каждый следующий трофический уровень веществ и энергии изображают в виде экологической пищевой пирамиды.

В экосистеме можно выделить два компонента — биотический  и абиотический.

 Биотический делится  на автотрофный (организмы, получающие  первичную энергию для существования  из фото- и хемосинтеза или  продуценты) и гетеротрофный (организмы,  получающие энергию из процессов  окисления органического вещества  — консументы и редуценты) компоненты формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных  процессов являются продуценты, усваивающие  энергию солнца, (тепла, химических связей). Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов  и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы:

1.климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2.неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3.органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;

4.продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;

5.макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

6.микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Таким образом, каждая экосистема занимает определенную территорию, обладает конкретным видовым составом, характеризуется  трофической структурой и биопродуктивностью.

2. Определение  и устранение жесткости воды.

Жёсткость воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых  котлах), связанное с содержанием  растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится

Существует два типа жесткости: временная и постоянная. Обусловлено  это различие типом анионов, которые  присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.

Постоянная жесткость (или  некарбонатная) возникает, если в растворе присутствуют сульфатные, хлоридные, нитратные  и другие анионы, соли кальция и  магния которых хорошо растворимы и  так просто не удаляются. Общая жесткость  определяется как суммарное содержание всех солей кальция и магния в  растворе.

У нас в стране вода классифицируется по жесткости таким образом:

§    Мягкая вода с  жесткостью менее 3,0 мг-экв/л,

§    Средней жесткости  – 3,0-6,0 мг-экв/л

§   Жесткая – более 6,0 мг-экв/мл. Методы определения жесткости

Для определения  жесткости могут быть использованы:

 а) визуально-колориметрический  метод, пригодный для анализа  воды с очень малой жесткостью  порядка десятых долей микрограмм  – эквивалента в литре; 

 б) объемный олеатный метод.

 в) кислотно-основное  титрование.

Колориметрический метод 

 Этот метод основан  на различной интенсивности окраски  хром темно – синего в зависимости  от концентрации ионов Са2+  и Mg2+ в анализируемой воде и может быть использован для быстрого определения малых жесткостей воды (от 10 мкг – экв/л).

Олеатный метод

 Этот метод основан  на малой растворимости олеатов кальция и магния. Поэтому добавление раствора олеата калия к анализируемой пробе воды и ее взбалтывание вызывает сначала осаждение всех содержащихся в воде ионов кальция и магния в виде олеата, и лишь затем избыток олеата калия приводит к образованию устойчивой пены, что и служит признаком окончания титрования.

 Минимальное количество  олеата, уже вызывающее при взбалтывании пробы воды появление пены, зависит от концентрации в ней ионов кальция и магния.   Олеатный метод определения жесткости применим для анализа вод, жесткость которых не превышает 0,5 мг–экв/л. Наименьшая жесткость, которая может быть достаточно надежно зафиксирована олеатным методом, составляет 2 мкг – экв/л. Таким образом, чувствительность этого метода практически такая же, как и трилонометрического.

Метод кислотно-основного  титрования

 В основе кислотно-основного  титрования в водных растворах  лежат реакции взаимодействия  между кислотами и основаниями: 

 Н⁺ + ОН^– = Н₂О

 С помощью этого  метода прямым титрованием можно  определить концентрацию кислоты  или основания или содержание  элементов, образующих кислоты  или растворимые основания (например, фосфора – в виде фосфорной  кислоты, мышьяка – в виде  мышьяковой кислоты) 

 Обратным титрованием  или косвенными методами находят  содержание некоторых солей (например, солей аммония, кальция). Применяя  специальные приемы, титруют смеси  кислот с их солями, смеси кислых  и средних солей.

 Методы устранения  жесткости.

Чтобы избавиться от временной  жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами  и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

                                Ca² + 2HCO^3- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑             

 С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

        Чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду: СаСl² + Na²CO³ = CaCO³ ↓+ 2NaCl.       

    «Жесткость воды  и способы ее устранения»

                                                   Задача № 1

Какие газы, содержащиеся в  выбросах металлургических заводов, теплоэлектростанций, автомобилей, взаимодействуют с дождевой водой и являются причиной кислотных дождей? Напишите уравнения химических реакций, приводящих к образованию основных компонентов кислотных дождей. Приведите примеры действия кислотных дождей на растительные ткани, живые организмы, железные опоры мостов, скульптуры из мрамора.

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы. Принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0.

Диоксид серы, попавший в  атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию  кислот.

Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления  превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃,

который реагирует с водяным  паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO₃ + Н₂O = Н₂SO₄.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе  образует кислотный полигидрат SО₂•nH₂O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н₂SО₃:

SO₂ + H₂O = H₂SO₃.

Сернистая кислота во влажном  воздухе постепенно окисляется до серной:

2Н₂SО₃ + О₂ = 2Н₂SO₄.

Аэрозоли серной и сернистой  кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Аэрозоли серной и сернистой  кислот составляют около 2/3 кислотных  осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой  кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

2NО₂ + Н₂О = НNО₃ + НNО₂.

Существуют еще два  вида кислотных дождей. Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлороводород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Сl• + СН₄ = CН•3 + НСl,

СН•3 + Сl₂ = CН₃Cl + Сl•.

Очень опасны выбросы фтороводорода (производство алюминия, стекольное), который хорошо растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.

Последствия кислотных дождей

При повышении кислотности  воды (еще до критического порога выживания  водной биоты, например для моллюсков таким порогом является рН = 6, для окуней – рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

Аl(ОН)₃ + 3H⁺ = Al₃⁺ + 3Н₂О.

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона  и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам.

Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных  ионов тяжелых металлов – кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых  в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам. В результате изменения экосистемы водоемов, происходит их заболачивание, засорение, повышенная илистость.  Кроме того, в результате таких процессов вода становится непригодной для использования человеком.

Дефицит питательных веществ  и интоксикация воды приводят к «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная  вода разрушает скелеты рыб и  раковины моллюсков, а главное –  снижает репродуктивные процессы. В  свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями.

Металлы под действием  кислотных дождей, туманов и рос разрушаются. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины:

2FeSO₄ + Н₂О + 0,5O₂ = 2Fe(ОН)SO₄.

Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется патина, состоящая из карбонатов и  сульфатов. Слои пыли и копоти на поверхности  создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно  растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании  корки налета, достигающей миллиметровой  толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму.

Загрязнение воздуха кислотообразующими выбросами оказывает многообразное  вредное влияние и на организм человека. Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вредно это и для здоровых людей, поскольку SO₂ и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием.

Известняк, мел, мрамор, туф, содержащие карбонат кальция, разрушаются под действием кислотных дождей:

СаСО₃ + Н₂SО₄ = Са²⁺ + SO₄^2–+ СО₂ + Н₂О,

СаСО₃ + 2HNO₃ = Са₂+ + 2NО^3– + СО₂ + Н₂О.

                                        Задача № 2