Химические процессы в гидросфере - раздел Экология, Дисциплина Химические основы экологии
Рассмотрение Химических Процессов В Гидросфере — Задача Очень...
Рассмотрение химических процессов в гидросфере — задача очень сложная, более сложная, чем изучение процессов в атмосфере. Причина заключается в том, что природная вода представляет собой систему открытого типа, обменивающуюся веществами и энергией с сопредельными средами: атмосферой, литосферой, биологической составляющей. Схематически всю гидросферу или ее определенную подсистему, например водоем, можно рассматривать как своеобразный химический реактор проточного типа.
Гидросфера — глобальная открытая система, стабильность которой тем выше, чем больше разнообразие составляющих ее компонентов. Опасность разбалансировки такой системы, нарушение равновесия и стабильности возникает тогда, когда существенно изменяются химический состав или физико-химические параметры на входе и соответственно продукция на выходе.
Химические процессы в гидросфере имеют следующие особенности:
1. Многообразие форм химических соединений: присутствуют все классы органических и неорганических веществ. Например, металлы, являющиеся непременным компонентом природных водоемов, существуют в гидросфере в виде простых ионов, гидратированных ионов, комплексных и металлорганических соединений, коллоидных частиц и взвесей.
2. Влияние гидролиза на химические процессы и участие в них гидратированных молекул и ионов. Например, железо, важный питательный компонент водных организмов, существует в гидросфере в форме гидроксокомплексов Fе3+:
Fе3+ + Н2О → (FеОН)2+ + Н+
(FеОН)2+ + Н2О →Fе(ОН)2+ + Н+
В целом процессы гидролиза, происходящие в гидросфере с различными минералами, играют важную роль не только в отношении изменения химического состава той или иной водной системы, но и в связи с изменениями ее рН (реакции среды). Так, если минерал (соль) образован анионами слабой кислоты (Н2S, Н2СО3, Н3РО4 и т.д.) и катионами сильного основания (КОН, NаОН и т.д.), то в результате гидролиза реакция среды станет щелочной (рН > 7):
Nа2S + Н2О → NаНS + NаОН
S2- + Н2О→ НS- + ОН-
При гидролизе минералов (солей), образованных анионами сильной кислоты (НС1, Н2SО4, НNО3 и т.д.) и катионами слабого основания [А1(ОН)3, Zn(ОН)2, NН4ОН и т.д.], реакция среды будет кислой (рН < 7):
А1С13 + Н2О -→А1(ОН)С12 + НС1
А13++Н2О→А1(ОН)2+ + Н+
Если минерал (соль) образован анионами слабой кислоты и слабого основания, гидролиз будет происходить до конца (а не по первой ступени как в предыдущих случаях), а реакция среды будет близка к нейтральной (рН 7):
СН3СООNН4 + Н2О = СН3СООН + NН4ОН
СН3СОО- + NН4+ + Н2О = СН3СООН + NН4ОН
Реакцию водной среды не изменяют также минералы (соли), образованные анионами сильных кислот и катионами сильных оснований, поскольку они не подвергаются гидролизу. В данном случае рН 7.
3. Участие в химических процессах водорослей и бактерий. Водоросли (их около 30 тыс. видов) выделяют в водную среду органические вещества, а поглощают минеральные и углекислый газ. Бактерии, наоборот, превращают органические вещества в минеральные, т. е. перерабатывают создаваемое в процессе фотосинтеза органическое вещество в доступную для усвоения живыми организмами (например, рыбами) форму. Численность бактерий в природной воде составляет 1—300 млн./мл, что в десятки раз меньше, чем в почве.
В целом на окисление органического вещества в гидросфере за год требуется около 1,5-1011 т кислорода.
В гидросфере протекают следующие химические и физико-химические процессы:
1. Химические реакции в водных растворах, в основном ионообменные и окислительно-восстановительные. Типичным примером ионообменной реакции может служить реакция раствора хлорида цинка с гидроксидом натрия:
ZnС12 + 2NаОН = Zn(ОН)2 + 2NаС1
Zn2+ + 2ОН- = Zn(ОН)2
Примером окислительно-восстановительного процесса может служить реакция
С12° + Н2О = НС1-1 + НС1+1О*,
где хлор выступает в качестве окислителя и восстановителя (реакция самоокисления — самовосстановления).
2. Испарение и растворение газов на поверхности раздела воздух—вода. Например, растворение газов О2, N2, СО2 Н2S и NН3 в природной воде. Кислород растворим в большей степени, чем азот, поэтому их соотношение в природных водах составляет N2:О2 = 65:35. Процесс растворения СО2 можно представить равновесными реакциями:
СО2 (атмосфера) ↔ СО2 (гидросфера)
Равновесие, характеризующее образование угольной кислоты:
СО2 (раствор) + Н2О ↔Н2СО3
3. Сорбционные процессы, т.е. процессы адсорбции, абсорбции и десорбции, обычно протекающие с участием органических соединений и способствующие самоочищению природных вод.
4. Фотолиз — фотохимические превращения, протекающие в природных водах под воздействием УФ-излучения Солнца при участии свободных радикалов и возбужденных частиц. Толщина слоя воды, в котором осуществляется фотолиз, может доходить до нескольких метров. Фотолиз протекает с участием кислорода и свободных радикалов, играя важную роль в процессах самоочищения неглубоких водоемов, рек, прудов, прибрежных зон морей, озер, водохранилищ от загрязняющих веществ.
Все темы данного раздела:
Атмосфера
Атмосфера — газообразная (газовая) оболочка планет. Атмосфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких частиц твердых веществ. Основа атмосферы, воздух, представляет собой смесь газов,
Состав атмосферы
Атмосфера представляет собой чрезвычайно сложную систему. Ее пронизывает излучение Солнца и испускаемые им частицы высокой энергии, а также космическое излучение. Этот поток энергии
Химические процессы в атмосфере
К особенностям химических процессов в атмосфере относят следующие:
1) Большинство химических реакций инициируются не термически, а фотохимически, т.е. при воздействии квантов света,
Реакции, способствующие разрушению озона в атмосфере Земли
Азотный цикл (NOx):
N2O + O(1D) → NO + NO
О3 + NO → NO2 + О2
NO2 + О → NO + О
Действие озона на живые организмы и материалы
Действие озона на человека. Вдыхание озона — компонента фотохимического смога — вызывает кашель, одышку, раздражение носоглотки и осложняет хронические болезни, такие, как астма, бронхиты, сердечна
Химия аэрозолей и пыли
Возникновение атмосферной пыли и аэрозолей
Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ион
Экологические проблемы, связанные с химией атмосферного аэрозоля
1. Влияние на формирование радиационного режима планеты. Аэрозоли, в зависимости от размера и состава частиц, вносят существенный вклад в отражение, рассеяние и поглощение коротковолновой радиации
Летучие органические соединения
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различных химических соединений. Основные антропогенные источники сконцентрированы в городах, занимающих
Соединения серы и азота
Поступление в атмосферу соединений серы
1. Биологические процессы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органич
Парниковый эффект
Основной причиной влияния на климат считают нарастание в атмосфере доли парниковых газов, ведущее к повышению температуры, за которой следует таяние ледников и повышение уровня океана, что вызовет
Парниковые газы
Метан. Глобальное потепление на 12% обусловлено метаном (СН4). Он образуется в процессе анаэробного бактериального разложения в болотах, на рисовых полях и свалках, в желудках кор
Чтo тaкoе фреoны
В 1931 гoду, кoгдa был синтезирoвaн безвредный для челoвеческoгo oргaнизмa хлaдaгент – фреoн. Впoследствии былo синтезирoвaнo бoлее четырех десяткoв рaзных фреoнoв, oтличaющихся друг oт другa пo кa
Городская атмосфера
Лондонский смог — первичное загрязнение
В городской среде присутствуют загрязняющие вещества, непосредственно выброшенные в атмосферу и называемые первичными загрязнителями. Дым — п
Последствия первичного и вторичного загрязнения воздуха
Фотохимический смог, с которым сталкиваются все чаще в современных городах, создает в них атмосферу, непохожую на дымный воздух городов в прошлом. В отличие от угля бензин как топливо дает мало дым
Состав гидросферы
Гидросфера — водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота, водохранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледн
Качество природной воды
Показатели качества природной воды обычно подразделяют на физические (температура, цветность, взвешенные вещества, запах, вкус и др.), химические (жесткость, активная реакция, окисляе
Речные воды
Особенности речных вод:
1) в растворенном состоянии в химическом составе пресной воды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов (Са2+
Основные особенности океанической воды
Вода в океанах и морях вода представляет собой слабый (около 4%), полностью ионизированный, исключительно однородный раствор, в состав которого входит 95 % воды,
Соленость воды.
Соленость определяется как вес в граммах неорганических ионов в 1 кг воды. Измеряется по проводимости электрического тока (электропроводности). Воды открытого океана имеют соленость порядка 32– 37
Активность
Свойства морской воды как концентрированной системы существенно отличаются от свойств идеальных растворов. Поэтому в физико- химии морских вод необходимо учитывать снижение реакционной способности
Состав ионов в морской воде и закон Дитмара
Среди катионов в водах Мирового океана преобладающими являются в порядке убывания: натрий — 0,47, магний — 0,053, калий — 0,01, кальций — менее 0,01 моль/л; из анионов: хлор — 0,55, сульфат-анион —
Химический состав неосновных ионов.
В химии морской воды преобладают семь основных ионов. Однако оказалось, что в ней есть и другие ионы и элементы (практически вся таблица элементов Менделеева). Концентрации растворенных металлов до
Вынос ионов
К основным процессам удаления ионов относят:
• выброс ионов в атмосферу (потоки «море — воздух»);
• процессы отложения в виде эвапоритов, химического осаждения карбонатов, абиоген
Эвапориты
Испарение воды способствует осаждению составляющих ее солей, так называемых эвапоритных минералов. Осаждение начинается с наименее растворимых солей и заканчивается наиболее растворимыми. Когда исп
Подземные воды
Подземные воды — часть водных ресурсов Земли; общие запасы подземных вод составляют свыше 60 млн. км³. Подземные воды содержатся в земной коре, находятся в активном взаимодейс
Происхождение подземных вод и их распространение
В земной коре находится большое количество воды, физически и химически связанной, свободной гравитационной, капиллярной, а также в виде водяного пара и льда.
По современным представлениям,
Формирование кислотности поверхностных вод
Выпадение кислых атмосферных осадков может привести к серьезным изменениям в состоянии поверхностных водных систем (озер, прудов и т. д.). Можно условно выделить три стадии процесса их закисления.
Особенности окислительно-восстановительных процессов в подземных водах
• Содержание кислорода в инфильтрационных водах. Если инфильтрационные воды поступают в водоносный горизонт по трещинам обнаженных пород, то они обогащены кислородом и характеризуются значительной
Глобальное загрязнение Мирового океана
Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления
Загрязнения речных и морских вод
90 % забираемой воды для водоснабжения городов и промышленных предприятий сбрасывается обратно в реки и водоемы в виде сточных вод, загрязненных отходами хозяйственной деятельности. Сточные воды —
Органическое загрязнение
При наличии кислорода органические вещества распадаются на более простые в результате активности бактерий — биохимическое окисление (биологическая очистка воды), т.е. при достаточном количестве O
Нефть и нефтепродукты
Категория веществ, которые плохо поддаются разложению. Вода становится непригодной для использования при попадании 1 л нефти в объем воды 106 л. Нефть и нефтепродукты являются наиболее
Неорганические токсины
Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, ка
Соединения тяжелых металлов.
Решением Европейской экологической комиссии ООН в группу наиболее опасных тяжелых металлов выделены ртуть, свинец, кадмий, хром, марганец, никель, кобальт, ванадий, медь, железо, цинк, сурьма, а
Поведение тяжелых металлов в водной среде.
В водные экосистемы атомы тяжелых металлов поступают из почв и горных пород в результате химического и микробиологического выщелачивания минералов, с паводковыми и дождевыми водами, а также при
SiО2 + СаО →СаSiО3 — метасиликат кальция
Образующиеся соли часто входят в состав минералов, объединенных общим названием — алюмосиликаты. Минералы — основа земной коры. Среди них большую часть составляют (масс. %): сили
Химические процессы в литосфере
В недрах Земли и на ее поверхностях постоянно происходит разрушение горных пород. Разрушающее действие оказывают высокая и низкая температуры (резкое колебание температур), вода, С
Химические реакции и процессы в почве
Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, является связующим звеном между всеми оболочками планеты и живыми организмами, играет важную роль в процессах обмена веществом (энергией) между
Глобальные экологические функции почв
Гидросферные
Атмосферные
Литосферные
Общебиосферные и этносферные
Трансформация поверхностных вод в грунтовые
Химическое загрязнение почв
В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей истории человечества. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1
Пестициды.
Пестициды без исключений являются ядами широкого спектра действия.
Обычно пестициды подразделяют следующим образом:
инсектициды — химические средства для борьбы с вредными
Методы и способы утилизации и ликвидации отходов
Основными направлениями оперирования промышленными твердыми отходами являются:
- захоронения на полигонах и свалках;
переработка конкретных твердых отходов по заво
Некоторые особенности биосферы
1. Биосфера – закономерный продут эволюции планеты Земля.
2. Биосфера Земли – большая (глобальная) открытая система, у которой на входе – поток солнечного излучения, а на выходе – минералы
Процессы в биосфере
Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие би
Основные функции живого вещества в биосфере
Функции
Краткая характеристика процессов
Энергетическая
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результат
Химические процессы в биосфере
Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:
– участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;
– проте
Химические основы экологического анализа
Изучение и контроль состояния окружающей среды включают исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, атмосферный воздух, почвы, совокупность этих систем в плане определения в них
Меры токсичности веществ
Количественная характеристика токсичности веществ сложна. Судить о ней приходится по результатам воздействия вещества на живой организм, для которого характерна индивидуальная вариабельность, т.е.
Экологическое нормирование
Регулирование качества природной среды основано на определении экологически допустимого воздействия на нее, когда самоочищение природы еще способно работать. Определенными нормами т
Аналитическая химия в экологических исследованиях
Высокоэффективные методы контроля состояния окружающей среды исключительно важны для диагностики токсикантов. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими метод
Токсичные металлы
Установлено, что 70 % токсичных металлов попадает в организм человека с пищей. Контролируется восемь наиболее опасных токсичных примесей: ртуть, свинец, олово, кадмий, медь, цинк, железо, мышьяк. Э
Вредные вещества в пищевых продуктах. Нитраты
Само по себе присутствие нитратов в растениях — нормальное явление, но излишнее увеличение их крайне нежелательно, т. к. они обладают высокой токсичностью для человека. Особой токсичностью обладает
Пестициды
Будучи малополярными органическими веществами, хлорорганические пестициды обладают кумулятивным токсическим эффектом — накапливаются в жировых тканях. Способность атома хлора к нукл
Диоксины
Особую опасность представляют содержащиеся в летучей золе полихлорированные дибензо-n-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ).
Диоксины и близкие им по структуре хлорорганич
Биотрансформация экотоксикантов
Неорганические экотоксиканты. Многие организмы имеют естественные механизмы метаболизма и удаления тяжелых металлов, чаще всего в форме металлорганических соединений. Один из наиб
Новости и инфо для студентов