Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Химия окружающей среды

Покупка
Артикул: 752338.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Исследованы процессы формирования химического состава окружающей среды. Рассмотрены проблемы устойчивости биосферы в целом и человеческой цивилизации в частности при появлении в природе большого количества новых веществ в результате техногенных выбросов. Предназначен для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», а также может быть полезен для подготовки дипломированных специалистов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» и при изучении специальных предметов на второй ступени обучения при подготовке магистров.
Петелин, А. Л. Химия окружающей среды : курс лекций / А. Л. Петелин, Е. С. Михалина. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2010. - 71 с. - ISBN 978-5-87623-328-8. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1228291 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 1336 

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов 

А.Л. Петелин 
Е.С. Михалина 
 

Химия окружающей среды 

 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва Издательский Дом МИСиС 2010 

УДК 54.504 
 
П29 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. И.В. Апыхтина 

Петелин А.Л., Михалина Е.С. 
П29  
Химия окружающей среды: Курс лекций. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2010. – 71 с. 
ISBN 978-5-87623-328-8 

Исследованы процессы формирования химического состава окружающей 
среды. Рассмотрены проблемы устойчивости биосферы в целом и человеческой цивилизации в частности при появлении в природе большого количества новых веществ в результате техногенных выбросов.  
Предназначен для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», а также может быть полезен для подготовки дипломированных специалистов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных 
ресурсов» и при изучении специальных предметов на второй ступени обучения при подготовке магистров. 
 

УДК 54.504 

ISBN 978-5-87623-328-8 
© Петелин А.Л., 
Михалина Е.С., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Формирование химического состава природной среды ...................5 
1.1. Происхождение Вселенной. Образование химических 
элементов...............................................................................................5 
1.2. Солнечная система, элементный состав космического 
пространства и химический  состав планет .......................................7 
1.3. Планета Земля: образование, строение, формирование 
химического состава геосфер............................................................15 
2. Химия живых организмов и ее влияние на среду обитания...........24 
2.1. Химические условия на Земле  в период зарождения 
жизни ...................................................................................................24 
2.2. Термодинамическая устойчивость существования 
биомолекул. Метастабильность живой природы ............................25 
2.3. Формирование биосферы и современного состава 
природных сред ..................................................................................26 
3. Химическая устойчивость биосферы ...............................................33 
3.1. Поле устойчивости живых организмов и биосферы ................33 
3.2. Биосферные катастрофы, их классификация............................34 
4. Изменение химического состава природной среды под 
действием техногенных выбросов ........................................................35 
4.1. Элементный и вещественный состав выбросов 
промышленных предприятий, транспорта и других сфер 
человеческой деятельности ...............................................................35 
4.2. Загрязнение атмосферы и гидросферы......................................37 
5. Влияние химического состава среды на биологические 
объекты....................................................................................................42 
5.1. Отклик живого организма на изменение химического 
состава среды обитания .....................................................................42 
5.2. Классификация токсичных веществ. Количественные 
критерии токсичности........................................................................44 
5.3. Металлы в биосфере, их влияние на живые организмы ..........47 
6. Способы прогнозирования состава окружающей среды ................54 
6.1. Термодинамический анализ сложных химических систем.........54 
6.2. Кинетический способ расчета концентраций веществ в 
среде обитания....................................................................................56 
Библиографический список...................................................................60 
Приложение.............................................................................................61 

Введение 

Изучение данной дисциплины дает возможность рассмотреть основы процессов формирования химического состава среды обитания 
человека. При этом под средой обитания понимается не только область непосредственного контакта человека с окружающей природной средой, но весь доступный органам чувств мир – мир звезд, планет, земной мир во всем своем многообразии, мир неорганической 
материи и мир живой природы.  
Материал, изложенный в данном курсе лекций, позволит получить представление о причинах появления химических веществ, заполняющих воздушную, водную и твердую сферы Земли, познакомиться с современными научными сведениями относительно путей 
возникновения всех химических элементов Периодической системы 
Д.И. Менделеева. При изложении материала особое внимание уделено изменениям химического состава природной среды и процессам, 
протекающим в ней под влиянием живых организмов за время существования Земли, техногенному влиянию цивилизации на природную 
среду. Рассмотрены природные и техногенные токсичные вещества, 
описано их биологическое действие, приведены критерии токсичности, указаны способы нейтрализации влияния этих веществ. 
 

1. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО 
СОСТАВА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 

1.1. Происхождение Вселенной.  
Образование химических элементов 

Одной из самых сложных проблем науки является фундаментальная проблема происхождения Вселенной. Существуют различные 
теории возникновения и развития нашей Вселенной. Самой современной и принятой за основу в настоящее время является теория 
Большого взрыва. Формирование химического «портрета» природной среды, такого, каким мы его знаем, т.е. формирование сегодняшнего состава всех природных сред, несомненно связано с процессами 
возникновения и развития Вселенной в целом.  
Как предполагает современная наука, во Вселенной, образовавшейся 15–20 млрд лет назад в результате так называемого Большого 
взрыва, не было химических элементов, а лишь элементарные частицы – протоны, электроны, γ-кванты (высокоэнергетические фотоны) 
и некоторые другие, которые до нашего времени не дожили. Под 
действием сил тяготения облака разреженного газа этих частиц начали сжиматься. Этому сжатию ничто не препятствовало, пока в образовавшихся сгущениях – протозвездах – плотность не достигла значений около 100 г/см3, а температура – около 1⋅107 К (повышение 
температуры происходило вследствие перехода гравитационной 
энергии сжатия в тепловую). В этих условиях протоны приобретали 
достаточную скорость, чтобы преодолеть барьер электростатического отталкивания и сблизиться на сверхмалые расстояния, при которых вступают в действие ядерные силы. На протозвездах начали 
происходить реакции ядерного синтеза: 

 
( , )
р
р
р п
е+
+
→
+
+ ν , 

где p – протон; 
n – нейтрон; 
е+ – позитрон (положительно заряженный электрон); 
ν – нейтрино. 

Образовавшиеся составные частицы – дейтроны (ядра тяжелого 
изотопа водорода – дейтерия) – присоединяли к себе еще один протон, образуя ядра легкого изотопа гелия – Не3: 

 
3
( , )
Не
р п
р
+
→
+ γ , 

где γ – γ-квант. 

Далее реакции ядерного синтеза, как предполагают, развивались 
по следующему сценарию: 

 
3
3
4
2
Не
Не
Не
р
+
→
+
, 

где Не4 – ядро стабильного изотопа гелия: 

 
4
3
7
Не
Не
Ве ,
+
→
 

и далее до изотопов Li, B, Be.  
Пока происходили эти ядерные реакции, дальнейшее сжатие звезды было невозможно, так как ему противодействовало давление излучения, возникающего при ядерных процессах. По мере «выгорания» протонов (ядер атомов водорода) давление внутри звезды 
уменьшалось, и она начинала вновь сжиматься, что вызывало рост 
плотности и температуры. При плотности 1⋅105 г/см3 и температуре 
1⋅108 К стали возможны столкновения более тяжелых частиц и синтез 
следующих элементов: 

 
4
4
8
+
→
+ γ
Не
Не
Ве
; 

 
8
4
12
Ве
Не
С
+
→
+ γ ; 

 
12
4
16
С
Не
О
+
→
+ γ ; 

 
16
4
20
О
Не
Nе
+
→
+ γ . 

Когда исчерпывались частицы для этих реакций, продолжалось 
сжатие, и при плотности 1⋅106 г/см3 и температуре около 1⋅109 К происходило образование ядер следующих элементов в процессах так 
называемого углеродно-азотного цикла: 

 
12
4
14
С
Не
N
( , )
р п
+
→
+
; 

 
12
12
24
С
С
Мg
+
→
+ γ ; 

 
14
14
28
N
N
Si
+
→
+ γ ; 

 
16
16
32
О
О
S
+
→
+ γ . 

Новое сжатие следовало при достижении плотности 3⋅106 г/см3 и 
температуры 3⋅109 K с образованием металлов железной группы: 

 
28
28
Si
Si
(Co,Fe,Ni)
+
→
. 

Реакции между другими ядрами приводили к образованию всех 
остальных элементов, занимающих позиции между серой и группой 
железа. 
На более поздних этапах сжатия образовывались более тяжелые 
элементы, вплоть до радиоактивных актиния, тория и урана, занимающих последние позиции. Эти ядра самопроизвольно распадаются, поэтому только незначительная часть из них просуществовала до 
нашего времени. 
Дальнейшее развитие звезд приводило к гигантским взрывам 
(сверхновые и новые звезды); звездное вещество в огромных количествах выбрасывалось в пространство, образуя облака космического 
газа и пыли. В этих облаках содержались практически все химические элементы, синтезированные в результате ядерных реакций в 
недрах звезд. 
Водород и гелий содержатся во Вселенной в наибольшем количестве как реликты самых ранних мгновений образования элементов. 
Однако процесс образования звезд привел к характерному относительному содержанию элементов в космосе. Литий, бериллий и бор 
недостаточно устойчивы внутри звезд, поэтому содержание этих элементов во Вселенной невелико. Углерод, азот и кислород образовались в результате продуктивного циклического процесса в звездах, 
что привело к их относительно высокому содержанию. Кремний довольно устойчив к фотодиссоциации (разложению светом) в звездах, 
поэтому он тоже распространен и доминирует в окружающем мире 
минералов.  

1.2. Солнечная система, элементный состав 
космического пространства и химический  
состав планет 

Пылевые и газовые облака, вращавшиеся вокруг звезд, постепенно сгущались, распадаясь на отдельные фрагменты, которые под 
действием тех же гравитационных сил уплотнялись и со временем 
приобретали характерную для планет сферическую форму. Массы 
«протопланет» значительно уступали массе центральной звезды, вокруг которой они вращались, поэтому при сжатии вещества не про
исходили ядерные реакции – плотности и температуры были недостаточны. Однако химические реакции между элементами, имеющимися в составе протопланет, могли происходить. При этом образовывались химические вещества – оксиды, силикаты, сульфиды, сульфаты и другие более сложные соединения, которые широко представлены в веществе нашей планеты и в настоящее время.  
Согласно гипотезе российского академика О.Ю. Шмидта, которая 
поддерживается большинством ученых, занимающихся этим вопросом, 
сначала вокруг уже существующего Солнца вращалось допланетное 
газопылевое облако. Анализ движения мелких частиц показал, что, 
вращаясь вокруг Солнца по различным орбитам, частицы, которых было огромное множество, неизбежно сталкивались друг с другом. Это 
приводило к обмену между ними энергией, разогреву и их слипанию в 
вакууме. В результате столкновения и слипания «усреднялись» параметры движения частиц, сближались орбиты. К слипшимся частицам 
присоединялись новые, образовывались сгустки, которые росли в размерах тем быстрее, чем больше становились. Это является следствием 
закона всемирного тяготения: чем массивнее тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие тела. Так постепенно образовывались первичные 
зародыши планет. Чем крупнее они становились, тем ближе к круговым 
(вследствие «усреднения») становились их орбиты. Углы наклона орбит 
также «усреднялись», что на следующем этапе привело к образованию 
планет, орбиты которых находятся почти в одной плоскости. И изменением формы орбит, и выравниванием плоскостей вращения вокруг 
Солнца также управлял закон всемирного тяготения.  
В областях, близких к Солнцу, частицы, образовавшие планеты, 
сильно нагревались. Летучие легкие компоненты, входящие в их состав (замерзшие газы), испарялись. Поэтому поблизости от Солнца 
образовались небольшие планеты, состоящие из тугоплавких тяжелых элементов, – Меркурий, Венера, Земля и Марс – планеты земного типа. В более далеких и, как следствие, более холодных частях 
Солнечной системы легкие элементы, находящиеся первоначально в 
твердом состоянии, сохранились. Поэтому там образовались планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, состоящие в основном 
из водорода и его соединений. Совсем далеко от Солнца, там, где 
вещества в газопылевом облаке оставалось уже немного, образовался 
небольшой Плутон. Его орбита не смогла придти к оптимальному 
виду, так как за ним уже не было значительных масс для образования 
других тел. Однако по поводу образования Плутона высказываются и 
другие предположения.  

Модель О.Ю. Шмидта позволяет объяснить многие особенности 
строения Солнечной системы, в частности эмпирический (выведенный на основе наблюдений) закон планетных расстояний, который 
связывает радиус орбиты планеты с ее номером, отсчитываемым в 
порядке удаления от Солнца. Возникновение систем спутников планет также удовлетворительно может быть объяснено процессом, аналогичным образованию самих планет. 
Итак, Солнечной системой называется планетная система, состоящая из Солнца и вращающихся вокруг него небесных тел. Солнце является динамическим и геометрическим центром всей Солнечной системы. Его масса примерно в 1000 раз превышает общую массу всех остальных космических тел, вращающихся вокруг него. Основу Солнечной системы кроме самого Солнца составляют девять 
больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, 
Уран, Нептун, Плутон, которые перечислены в последовательности 
возрастания их расстояния от Солнца. Следует отметить, что несколько лет назад большинство астрономов пришло к выводу, что 
Плутон нельзя считать планетой: он имеет массу и размеры, которые 
ближе к массам и размерам спутников планет Солнечной системы. 
Не будем обсуждать вопрос, как назвать Плутон – планетой, спутником или астероидом. Важно, что это самое далекое от Солнца большое тело Солнечной системы.  
Размеры, физические и химические свойства планет позволяют 
разделить их на две группы – планеты земного типа и планетыгиганты. В первую группу помимо Земли входят Меркурий, Венера и 
Марс. Вторую группу образуют Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 
Плутон не отнесен ни к первой, ни ко второй группе. 
Самое большое число спутников, которые обнаружены к настоящему времени, имеет Сатурн – их 17. У Юпитера имеется 
16 спутников. Каждая из этих планет-гигантов вместе с системами 
своих спутников напоминает миниатюрную Солнечную систему. 
Уран окружен 15 спутниками, по два спутника у Марса и Нептуна. 
По одному спутнику имеют Земля (ее спутником является Луна) и 
Плутон. Венера и Меркурий, по астрономическим данным, лишены 
спутников. 
Охарактеризуем планеты двух указанных групп. 
Меркурий – ближайшая к Солнцу планета, среднее расстояние от 
Солнца не превышает 60 млн км, период обращения вокруг Солнца 
(год «по-меркуриански») составляет 88 земных суток. Меркурий немного больше Луны, его радиус примерно равен 2440 км. 

Близость к Солнцу и недостаточно большие размеры диска Меркурия затрудняют его изучение. Однако современные методы наблюдения позволили определить многие планетные характеристики. 
Так, средняя плотность вещества планеты близка к средней плотности Земли. Это позволяет предположить, что внутреннее строение 
Меркурия может быть похожие на строение Земли.  
Исследования Меркурия с космических аппаратов показало, что 
рельеф его поверхности сходен с лунным. На Меркурии есть лишь 
одна темная низменность, получившая название Море Зноя. Выделяются также крупные обрывы глубиной 2…3 км и протяженностью 
в несколько сотен километров. Высота гор на Меркурии не превышает 4 км. Ученые высказывают предположение, что рельеф поверхности этой планеты возник под воздействием метеоритной бомбардировки, т.е. при ударах падающих на поверхность метеоритов, и в результате действия вулканических сил. 
Венера – ближайшая к Земле планета (не считая Луны). Периодически расстояние между Венерой и Землей сокращается до 
40 млн км. Радиус Венеры составляет 6050 км, масса всего на 18 % 
меньше массы Земли. Более поздние астрономические исследования 
показали, что в атмосфере Венеры имеется сплошной облачной покров, сквозь который невозможно увидеть поверхность планеты. 
Исследования, проведенные в первой половине XX в., показали 
присутствие в атмосфере Венеры большого количества углекислого 
газа, а также наличие небольших долей угарного газа, паров плавиковой и соляной кислот. На Земле эти газы попадают в атмосферу в 
результате извержения вулканов. Поэтому можно предположить, что 
на Венере до сих пор также возможна активная вулканическая деятельность. 
Все параметры Венеры как планеты в начале изучения свидетельствовали о том, что она по своей природе очень сходна с Землей: 
близкие размеры и масса, а значит, и такая же сила тяжести на поверхности, имеются плотная атмосфера, облачный слой и т.д. Однако 
оказалось, что углекислого газа в атмосфере Венеры 97 %, нижняя 
граница облачного слоя, толщина которого оценивается примерно в 
10…12 км, находится на высоте около 60 км от твердой поверхности 
Венеры. Верхняя часть облаков состоит из капель серной кислоты с 
примесью хлорных соединений. Общее количество воды во много 
раз меньше, чем количество воды в гидросфере Земли. Обилие углекислого газа и густой облачный покров на Венере привели к мощному парниковому эффекту. Автоматические станции, побывавшие на 

планете, установили, что температура на поверхности достигает 
500 °С (выше, чем на дневной стороне Меркурия!), а атмосферное 
давление примерно в 100 раз больше нормального атмосферного 
давления на Земле.  
Марс – наиболее изученная планета Солнечной системы. Радиус 
Марса почти вдвое меньше земного – 3400 км, масса в 9 раз меньше 
земной. Марсианский год длится 687 земных суток, а период обращения вокруг своей оси (марсианские сутки) почти как у Земли – 
24 ч 37 мин. И смена времен года на Марсе происходит почти так же, 
как на Земле. В атмосфере Марса наблюдаются облака – желтые, состоящие из пыли, и белые, похожие на земные, с мелкими ледяными 
кристаллами. Часто на Марсе происходят пылевые бури, при которых желтые облака почти полностью заслоняют диск Марса. Атмосфера Марса также состоит на 95 % из углекислого газа, но в ней 
присутствует заметное количество паров воды и даже некоторое количество свободного кислорода. Атмосфера является сильно разреженной, ее давление на поверхности Марса такое же, как давление на 
Земле на высоте 35 км. Разреженная атмосфера Марса не может в той 
же степени, что и Земля, смягчить контрасты дневной и ночной температуры на поверхности. Летом температура в полдень может подниматься до +25 °С (как на Земле), но ночная близка к –100 °С. 
Большое внимание ученые уделяют полярным шапкам Марса, которые представляют собой наблюдаемые в телескопы белые пятна, 
покрывающие полярные области планеты. Как и на Земле, полярные 
шапки Марса, которые также состоят из снега и льда, подвержены 
сезонным изменениям – они достигают самых больших размеров в 
середине зимы. Летом северная шапка исчезает полностью, а от южной остается очень малая ее часть.  
Юпитер – самая большая планета Солнечной системы. Радиус 
Юпитера в 11 раз больше радиуса Земли, а масса больше земной в 
320 раз. Сутки на Юпитере продолжаются всего 10 ч – так быстро 
вращается эта планета вокруг своей оси. Ось вращения почти перпендикулярна к плоскости эклиптики, поэтому на Юпитере при вращении вокруг Солнца не происходит смены времен года. Юпитерианский год длится около 12 земных лет. 
Сила притяжения вблизи Юпитера намного больше, чем на Земле, 
в связи с чем его атмосфера во много раз мощнее земной. В атмосфере Юпитера постоянно наблюдаются облачные образования в виде 
сероватых полос, расположенных параллельно экватору планеты. 
Лучше всего проявляются ближайшие к экватору тропические поло
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину