ХАРЬКОВСКАЯ ВЕЧЕРНЯЯ ШКОЛА № 37

ХАРЬКОВСКОГО ГОРОДСКОГО СОВЕТА

ХАРЬКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Формирование экологической ориентации учащихся и решение экологических проблем в химических расчетных задачах

Пятина Неля Евгеньевна

учитель химии

«Берегите эти земли, эти воды,

даже малую былиночку любя,

берегите всех зверей внутри природы,

убивайте лишь зверей внутри себя».

Е. Евтушенко

Две проблемы волнуют человечество: сохранение мира и окружающей среды. Кажется, сейчас уже никто не хочет воевать. Но вот тем, как сохранить нашу Голубую Планету от экологических бед, озабочен сегодня каждый ее житель.

Экологические проблемы оказались следствием неоправданно большого расходования энергии и материалов: за последние десятилетия в воздух попало свинца больше, чем за весь предшествующий период истории. Усиленные исследования и полеты в космос разрушают озоновый слой. Анализ снежного покрова Антарктиды показал, что на поверхности этого весьма отдаленного от развитых стран материка осело 2,5 тыс.т пестицидов. Положение Арала угрожающее: с высохшего дна поднимается пылью до 75 млн. песка и соли в год.

Десна просит помощи. Острой остается проблема защиты Черного моря от промышленных и канализационных стоков. В беде главные водные артерии: Днепр, Днестр, Ю.Буг, Байкал, Волга и т.д. Чернобыль… Черновицкая беда, Западный Донбасс, Кривбасс, Запорожье – трудно перечислить все зоны риска.

Не очень оптимистическую картину рисуют нам химики. Когда же вообще возникла проблема экологии?

Первые упоминания о мерах по охране природы находят еще до новой эры. Так, во II тысячелетии до н.э. в южном Двуречьи были приняты меры по охране истощающихся лесов. В Индии III веке до н.э. император Атока запретил убивать зверей моложе 6 месяцев. Первым в России позаботился об охране рек и лесов Петр 1. В начале его царствования на свет появился русский военный флот, для строительства которого требовался лес. Ничего не жалея для флота, царь в то же время старался сохранить дубовые леса и корабельные сосняки. А.С. Пушкин в «Истории Петра» отметил указ о штрафах за самовольную порубку леса. Пеня немалая: за дуб – 15, за иное – 10 руб. (корова тогда стоила 80 коп.). Кроме штрафа, порубщика ждали кнут, рваные ноздри и др. Не был забыт и пряник: нашедшему мачтовый лес казна выдавала 2 рубля наградных. Значит надо было найти 5 лесов, чтобы возместить убытки за 1 срубленное дерево. Петр говорил: «Без бережи и самые большие леса истребиться могут». В этом дух заботы о сохранении богатств страны для будущего. В 1703 году он издал указ об охране лесов и рек.

Как видим, экологический кризис сегодня – это уже беда не какого-нибудь одного региона, страны, континента. Проблема выживания последующих поколений все настойчивее овладевает умами и сердцами граждан Земли, затмевая даже страх перед угрозой ядерной войны. Решение экологической проблемы в глобальном масштабе требует, прежде всего, развития фундаментального знания.

Школьная программа по химии предусматривает ознакомление учащихся лишь с некоторыми неорганическими элементами и классами неорганических и органических соединений. Однако не затронуты вопросы, связанные с загрязнением окружающей среды этими соединениями, их миграцией и трансформацией в природных системах, влиянием некоторых из этих веществ на санитарно-гигиенические показатели воды в водоемах, а также с действием токсикантов – представителей этой группы соединений – на организм. Кроме того, не обращено внимание на проблему правильного употребления белковой пищи, а ведь незнание этого важного аспекта рационального питания может привести к серьезным заболеваниям.

Над этими проблемами работали и работают такие ученые как проф.. В.М. Назаренко, преподаватели МГУ А.В. Краснянський, Є.В. Гарац, Є.Н. Онуфрієва, Є.В. Куратова, В.В. Сорокін. В своих статьях: «Экологизированный курс химии: от темы к теме», «Химические расчеты как средство оценки опасности ситуации», «Экологические проблемы в расчетных задачах по химии» журналов «Химия в школе» они обращают внимание на то, что экологическая проблема в первую очередь – социальная.

Поэтому при изучении таких тем, как «Галогены» (приложение №1), «Подгруппа кислорода» (приложение №2), «Подгруппа углерода» (приложение №3), «Углеводы» (приложение 4), «Металлы» (приложение 5), «Альдегиды. Карбоновые кислоты» (приложение 7), «Эфиры» (приложение 8) и т.д. основное внимание следует обратить на раскрытие причин загрязнения окружающей среды, научить школьников прогнозировать и анализировать последствия загрязнения природной среды, ознакомить их с основными направлениями по предупреждению загрязнения окружающей среды, а предложенные экологические проблемные задания позволят школьникам уже на первом этапе изучения химии найти практическое применение своим знаниям на благо человека и окружающего мира (приложение №6).

Общепризнано, что основными причинами загрязнения окружающей среды стали несовершенство технологической дисциплины, приводящее к авариям. Но уже сейчас ясно, что проблему нельзя решить только технологически. Проблема отходов стала экологической потому, что производство построено по принципу получения максимальной прибыли и не ставит задачи переработки отходов, так как любая природоохранная деятельность требует значительных материальных затрат, повышающих стоимость продукции. Но поскольку общество несет большие материальные потери от загрязнения окружающей среды, ликвидация последствий загрязнения – мера вынужденная. Получение сиюминутной выгоды, как правило, оборачивается колоссальными затратами в будущем. Восстановление объектов окружающей среды требует 100-кратных капиталовложений по сравнению со стоимостью профилактики.

Охрана природы должна стать не только приоритетной задачей государственной политики, но и личным делом каждого члена общества, что невозможно без изменения общественной психологии, повышения научного уровня общества в целом. Безграмотность широких слоев населения позволяет манипулировать общественным сознанием подчас с целью реализации продукции, формирования моды в сфере потребления и, в конечном счете, навязывания определенной экономической политики. Особое место занимает необразованность в области химии, которая при современном уровне химизации промышленности и быта приводит к авариям и, как следствие, к хемофобии. Произошла дискредитация химии как науки. Вынесенная в подзаголовок реклама использует самую распространенную ассоциацию химии с вредными веществами и с этой точки зрения гениальна.

Уровень знаний большинства людей формируется в средней школе, и проблему грамотности в вопросах химии и экологии в первую очередь должна решать школа. Во всем мире идет перестройка школьного образования с целью его экологизации, и химии здесь принадлежит особое место. Именно школьные учителя должны взять на себя почетную миссию реабилитации химии как науки.

Вода, дарующая жизнь

Трудно представить какую-либо отрасль народного хозяйства, существование которой было бы возможно без использования воды. К наиболее водоемким относятся промышленность, черная и цветная металлургия.

В коммунальном хозяйстве воду расходуют для питьевых и других нужд населения, бытового обслуживания (бани, прачечные, столовые), для поливки улиц и в противопожарных целях.

Основная причина загрязнения водоемов – сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством.

По степени опасности вещества подразделяют на три класса: І – вещества высоко опасные, оказывающие влияние на пищевую ценность продукции (мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, некоторые пестициды); ІІ – вещества умеренно опасные (бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром); ІІІ – вещества мало опасные (барий, ванадий, марганец, стронций).

Промышленные города – зоны с повышенным содержанием ионов тяжелых металлов в почве, во много раз превышающим фоновые значения, с последующей миграцией их в почвенные воды, растения и т.д.

Накопление ионов тяжелых металлов происходит в донной фауне и планктоне. Различные виды планктона могут концентрировать ионы тяжелых металлов. В дальнейшем происходит аккумуляция ионов тяжелых метолов рыбой, а также рыбоядными птицами (баклан, утка и др.), употребление которых в пищу может привести к тяжелым отравлениям. Постоянный сброс в водоемы сточных вод с содержанием вредных веществ, в сотни раз превышающих их ПДК, приводит к появлению мутаций у обитателей водоемов.

Поступление ионов тяжелых металлов происходит и в пищевые цепи наземных экосистем. Установлено, что хвоя и корни сосны концентрируют ртуть. В помидорах, выращенных в 500 м от завода, ионов свинца в 50-110 раз больше, в клубнях картофеля в 10-170 раз, чем на удаленных контрольных участках. Больше, чем другие овощи, ионы свинца накапливает капуста. Концентрация ионов свинца в костях рыб, птиц и человека постоянно увеличивается. Если в скелете первобытного человека было всего 2 кг ионов свинца, то в скелете современного человека их содержится в 50-100 раз больше.

Ртуть относится к высокоопасным металлам. Несмотря на низкие концентрации ионов ртути в окружающей среде, для некоторых видов грибов характерно селективное поглощение их. К грибам, концентрирующим их, относятся зонтик большой, который накапливает ионы ртути до 5400 мкг/кг сырого вещества, и шампиньоны, концентрирующие ионы ртути до 258 мкг/ кг, при концентрации их в почве, равной 20 мкг/кг.

В результате производственной деятельности человека в Мировой океан ежегодно попадает 430-650 тыс. тонн свинца, 60 тыс. тонн меди, 14 тыс. тонн кобальта и т.д. Круговорот воды в природе связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную влагу, осуществляется взаимодействие гидросферы с литосферой и атмосферой.

Загрязняя окружающую среду, человек не задумывается над тем, что это пагубно влияет не только на растения и животных, но и на него самого, подрывает его здоровье. Поэтому перед учителями химии стоит важная задача – воспитание личности, понимающей необходимость сохранения природы, а значит, и здоровья людей.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Тема «Галогены»

В свободном виде галогены не встречаются из-за их высокой химической активности. Все они ядовиты, обладают бактерицидным свойством, могут нарушать структуру двойственной спирали ДНК и вызывать ее денатурацию.

В связанном виде галогены (за исключением астата) широко распространены в природе. Они входят в состав многих минералов, содержатся в морской воде, живых организмах.

При рассмотрении положения галогенов в периодической системе важно напомнить учащимся о том, что с увеличением заряда ядра атома и относительной атомной массы галогенов их содержание в организме человека уменьшается. Так, нормальное содержание фтора составляет 0,1% (вес.), хлора – 0,01 %, брома – 0,0001%, йода – 0,00001%.

В организме человека галогены выполняют очень важные биохимические функции. Избыток или недостаток содержания этих элементов могут вызвать нарушение этих функций.

ФТОР

Фтор находится во всех органах и тканях тела человека. Наибольшее его количество содержится в волосах, ногтях, зубах и костях. Кости – своеобразное депо фтора, они имеют большое значение для регуляции его обмена. Если в организм поступает избыточное количество фтора (с пищей, водой), то до определенного момента кости накапливают его, выполняя защитную функцию, охраняя организм от вредного воздействия избытка фтора.

Основная биологическая роль фтора связана с его участием в формировании зубов и костеобразовании. Фтор также влияет на обмен жиров и углеводов.

Недостаток фтора в организме вызывает у людей поражение зубной ткани – кариес. Пополнить организм фтором можно, употребляя фторированную питьевую воду, мясо, овощи.

Избыток фтора в организме приводит к заболеванию флюорозом, который проявляется истощением, анемией, болью в суставах, хромотой, утолщением костей и частыми переломами, потерей чувствительности, коричневыми пятнами на зубах. Фтор в высоких концентрациях может спровоцировать кальцификацию мягких тканей, особенно кровеносных сосудов, связок, сухожилий; быть причиной мертворождений и высокой детской смертности.

Во многих биохимических процессах фтор выступает как ингибитор. Он угнетающе действует на щитовидную железу: в организме человека фтор и йод действует как антагонисты, фтор как более сильный галоген вытесняет йод из йодорганических соединений, что приводит к йодной недостаточности и как следствие – к образованию зоба.

Основные антропогенные источники фтора в биосфере – производство фосфорных удобрений, фосфорорганических соединений, стройматериалов, алюминия, керамических изделий, сжигание топлива.

Повышенное содержание фтора в почве вблизи его промышленных источников проводит к понижению способности почвы к самоочищению, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур на 5-25 %. Попадая в водоемы, фторид-ионы вызывают серьезные изменения в организмах гидробионтов (например, воспалительно-дистрофические изменения в жабрах, печени и почках).

ХЛОР

Ионы хлора поддерживают нормальное осмотическое давление плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости, участвуют в образовании соляной кислоты желудочного сока, обмене веществ, построении тканей. Они необходимы для очистки крови и дезинфекции клеток, способствуют избавлению от лишнего веса и растворяют отложение на суставах.

Хлор должен поступать в организм с растительной и животной пищей, а не в составе поваренной соли, которая приводит к его защелачиванию, замедляет водообмен, сгущает кровь, нарушает обменные процессы, вызывает заболевания сердечно-сосудистой системы.

Избыток хлора в организме – причина заболеваний желудочно-кишечного тракта, головных болей, нарушения общего обмена веществ.

Основные антропогенные источники хлора – производство газообразного хлора, хлорорганических соединений, соляной кислоты, массовые выбросы при очистке воды, сточные воды химического, фармацевтического, металлургического, целлюлозно-бумажного производств, а также поверхностные стоки, содержащие удобрения, и бытовые сточные воды.

Особую опасность представляют галогенпроизводные различных органических соединений, содержащиеся в виде примесей в воде, подвергающейся хлорированию (пестициды, амины, детергенты и т.д.). Чтобы избежать накопления хлорорганических веществ в воде, необходимо освобождать ее от органических примесей до хлорирования.

БРОМ

Бром относится к группе незаменимых микроэлементов. Важная его физиологическая функция – регулирование нервной деятельности. Отмечая это свойство, русский физиолог И.П. Павлов подчеркнул, что человечество должно быть счастливо, располагая таким драгоценным для нервной системы элементом, как бром. Бром усиливает процессы торможения в центральной нервной системе, оказывая успокаивающее действие.

Однако избыток брома вызывает угнетение функции щитовидной железы, так как бром сопутствует в организме йоду, вступает с ним в конкурентные отношения, препятствуя синтезу гормона щитовидной железы. Как и в случае со фтором, возникает йодная недостаточность.

Антропогенные источники брома – производство броморганических соединений, фотоматериалов; лакокрасочное, фармацевтическое, горнорудное и нефтехимическое производства.

ЙОД

Этот элемент также необходим организму. Многие продукты содержат йод в достаточном количестве: морская рыба, зеленые части растений, репа, лук-порей, дыня, чеснок, спаржа, морковь, капуста, картофель, томаты, фасоль, щавель, виноград, клубника, овсяная крупа. Богаты йодом морские водоросли, особенно бурая водоросль ламинария (морская капуста).

Биологическая роль йода стала предметом исследования в начале Х1Х в., когда было высказано предположение о связи недостатка йода в организме человека с образованием зоба. Это предположение подтвердилось тем, что в гормонах щитовидной железы был обнаружен йод.

Йодсодержащие гормоны усиливают окислительные процессы и влияют на рост человека, на его общее физическое и психическое развитие. Йод необходим для повышения иммунитета (возрастает активность лейкоцитов), участвует в создании фагоцитов – патрульных клеток, оберегающих организм от вторжения вирусов в кровь.

При отравлении четыреххлористым углеродом применяют препараты йода, который нейтрализует его действие.

Недостаток йода в организме вызывает серьезные нарушения обмена веществ. Детям и подросткам требуется йода больше, чем взрослым.

Йод широко используют в ветеринарии. В комплексе с другими микроэлементами он интенсифицирует рост и развитие животных, повышает надои и жирность молока у коров, а также плодовитость и продуктивность сельскохозяйственных животных, улучшает качество шерсти у овец. Антро-погенные источники йода в биосфере – отходы химического, фармацевтического производства. Органического синтеза, а также бытовые стоки и добыча нефти (воды буровых скважин). Большую опасность для всего живого представляют радионуклиды иод-129 и иод-131, которые могут появляться в биосфере в случае аварий на АЭС, при испытании ядерного оружия.

Не меньшую опасность для природной среды представляют и водородные соединения галогенов. Галогенводородные кислоты закисляют почву и водоемы, снижают их биологическую продуктивность и видовое разнообразие.

Наиболее токсичен фтороводород. Он сильно раздражает верхние дыхательные пути, глаза (вызывает слезоточение), действует на центральную нервную систему, снижает артериальное давление. Фторид-ион образует комплексные соединения с ионами кальция, магния, железа, марганца, меди и других металлов, изменяя активность клеточных ферментов, необходимых для протекания процессов метаболизма. Нарушаются энергетическое обеспечение клеток, процессы тканевого дыхания, перекисное окисление липидов, фосфорно-кальциевый обмен, интенсивность синтеза белка.

Хлороводород, попадая в организм человека, превращается в кислоту, при диссоциации которой образуется ион гидроксония. Последний становится донором протона, который обладает каталитическим свойством и реагирует с органическими молекулами, чем и объясняется способность хлороводорода вызывать поражение и некроз клеток. Длительное воздействие хлороводорода вызывает катары верхних дыхательных путей, изъязвление слизистой оболочки носа.

Бромоводород и йодоводород по действию на организм человека схожи с хлороводородом, однако эффект выражен слабее.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 2

Тема «Подгруппа кислорода»

Некоторые сведения об элементах этой подгруппы учащиеся получили ранее. Теперь у учителя появляется возможность рассмотреть ряд экологических проблем, которые возникают, если кислород, озон и соединения серы присутствуют в окружающей среде в больших концентрациях.

КИСЛОРОД И ОЗОН

Содержание свободного кислорода в атмосфере поддерживается благодаря фотосинтезу, осуществляемому растениями суши и фитопланктоном Мирового океана. Очень важно сохранение чистоты водоемов, так как загрязняющие вещества снижают содержание кислорода в воде (он расходуется на их окисление), нарушают их биологическую продуктивность. Понижение концентра-ции кислорода в воде ведет к увеличению токсичности загрязнителей. В стоячих водоемах кислорода содержится меньше, чем в проточных.

Молекулярный кислород не представляет опасности для клетки. Токсическое действие кислорода проявляется лишь в условиях окислительного стресса (насыщения тканей кислородом), при котором система ферментативной защиты организма не срабатывает. В этом случае происходит усиление перекисного окисления липидов в мембранах клеток и клеточных структур, изменение структуры и свойств РНК и ДНК, белков, снижение концентрации инактивация ферментов, повышающих проницаемость мембран, т.е. нарушается метаболизм клеток. Предполагают, что это связано с образованием высокореактивных частиц – гидроксильных радикалов и активированного молекулярного кислорода.

Токсическое действие кислорода в высоких концентрациях при нормальном давлении и достаточно долгой ингаляции вызывает поражение органов дыхания, главным образом легких, вплоть до развития отека. При вдыхании кислорода при повышенном давлении наступает поражение центральной нервной системы.

В отличие от кислорода озон неустойчив и легко разрушается. Этим объясняется его большая окислительная способность.

Озон в повышенных концентрациях нарушает процесс фотосинтеза у растений, ускоряет многие биохимические процессы.

Озон в существующих в природных условиях концентрациях оказывает стимулирующее действие на организм человека: повышает устойчивость к действию токсичных веществ, уровень гемоглобина в крови, иммунобиологи-ческую защиту, улучшает работу легких, нормализует артериальное давление.

В высоких концентрациях озон оказывает резко выраженное раздражающее действие на верхние дыхательные пути, бронхи и легкие. При интоксикации озоном изменяется активность ряда ферментов, нарушаются баланс биогенных аминов в организме, хромосомный аппарат лимфоцитов, метаболические процессы в печени, отмечается поражение сердечно-сосудистой и нервной систем, снижается устойчивость организма к инфекции.

Механизм токсического действия озона объясняется образованием свободных радикалов, озонидов и гидропероксидов. Дефицит в организме витамина Е усиливает токсическое действие озона.

СЕРА И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯ

Биологическая роль серы исключительно велика. Она входит в состав серосодержащих аминокислот. Сера обеспечивает в клетке такой тонкий и сложный процесс, как передача энергии: переносит электроны, принимая на свободную d-орбиталь один из неспаренных электронов кислорода. Этим объясняется высокая потребность организма в данном элементе. Сера участвует в фиксации и транспорте метильных групп.

К числу наиболее опасных из них относят сероводород и диоксид серы.

Сероводород выбрасывают в атмосферу предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, коксохимической, азотно-туковой промышленности. В больших концентрациях сероводород действует как сильный яд нервно-паралити-ческого действия. Сероводород блокирует дыхательные ферменты в результате его взаимодействия с железом, раздражающие действует на слизистую органов дыхания и глаз. При хронических воздействиях сероводорода в малых концентрациях ухудшается состояние сердечно-сосудистой и нервной систем человека.

Оксид серы (IV) поступает в воздух в результате сжигания топлива и плавки руд, содержащих серу. Основные источники загрязнения атмосферы SO2 : энергетические установки, предприятия цветной металлургии и сернокислотное производство. Менее значительны выбросы предприятий черной, нефтеперера-батывающей промышленности, производства суперфосфата, транспорта.

Оксид серы (IV) считается одной из основных действующих составных частей «токсичных туманов» и одним из активных компонентов формирования смога.

Хроническое воздействие сернистого газа на органы дыхания способствует возникновению бронхитов, в ряде случаев с астматическими явлениями, а также других респираторных заболеваний. Оксид серы (IV) может нарушать углеводный и белковый обмен, способствует образованию метгемоглобина, снижению иммунозащитных свойств организма.

При рассмотрении оксидов серы важно обсудить проблему воздействия кислотных осадков на почву и водоемы. Взаимодействуя с атмосферной влагой, оксиды серы образуют кислотные осадки, которые оказывают как прямое повреждающее действие на биоту, так и косвенное, закисляя почвы и водоемы. При закислении почвы снижаются доступность для растений питательных элементов (Ca, Mg, Mn) и плодородие почвы. Закисление уменьшает скорость разложения органических остатков, поскольку для жизнедеятельности большинства бактерий и грибов необходима нейтральная среда, снижается продуктивность азотфиксирующих бактерий, что приводит к ограничению поступления связанного азота в растения и торможению их роста. Изменение структуры почвы негативно сказывается на функционировании корневой системы растений. В кислой почве увеличивается подвижность ионов тяжелых металлов, которые накапливаются в растениях. Некоторые из них, например ионы железа и марганца, блокируют поступление фосфора в растения.

Затем обсуждается еще одна важная экологическая проблема – сохранение природных круговоротов веществ. Сера представляет собой один из так называемых циклических элементов, миграция которых происходит в системе «суша – океан – атмосфера – суша». Глобальный биогеохимический цикл серы представляет собой сложную и разветвленную сеть химических и биохимических процессов, в которых принимают участие соединения серы, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Отмечают, что в настоящее время круговорот серы нарушается из-за промышленного загрязнения воздуха оксидом серы (IV) и сероводородом, которые в больших концентрациях тормозят процессы анаэробного восстановления сульфатов и аэробного окисления сульфидов.

Обсуждение природоохранных мер можно начать с задания: «Предложите эффективные способы обезвреживания сероводорода и оксида серы (IV)».

Первое, что могут предложить учащиеся в отношении оксида серы (IV), - поглощение газа раствором щелочи или известковым молоком. Для лабораторных условий оба метода вполне приемлемы, однако в промышленных масштабах они нерентабельны, так как производство щелочей обходится достаточно дорого, а в случае использования известкового молока образующийся сульфит кальция, как правило, идет в отвалы, занимая большие территории и выводя серу из ее круговорота.

К наиболее эффективным методам утилизации оксида серы (IV) можно отнести: а) аммиачный:

SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3;

(NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3;

2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O (сульфат аммония – удобрение);

б) улавливание оксида серы (IV) сероводородом и получение из него либо свободной серы, либо серной кислоты

SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O

Этот способ позволяет утилизировать и другой загрязнитель – сероводород.

Теоретические вопросы можно дополнить экологическим экспериментом, иллюстрирующим негативное воздействие газообразных соединений серы (SO2, H2S) на биологические объекты. В имитационных опытах объектами служат комнатные растения, проростки семян (пшеницы, редиса, фасоли, гороха, овса) и модель водной экосистемы – аквариум.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

Тема «Подгруппа углерода»

При изучении этой темы основное внимание следует обратить на причины, вызывающие нарушение круговорота углерода в природе, рассмотреть физико-химическую природу оксидов углерода и оксида кремния и сравнить возможность их использования живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Необходимо также осветить вопросы охраны окружающей природной среды в связи с добычей и использованием ископаемого твердого топлива и производством цемента.

Живой мир на планете Земля – это мир углерода. Атомы углерода обладают уникальной способностью к образованию длинных цепей (прямых, разветвленных, в виде колец, спиралей). Углерод – единственный элемент, сохраняющий в цепях одновременно одинарные и кратные связи.

В отличие от углерода у кремния из-за увеличения заряда ядра и радиуса атома ослабевает связь валентных электронов с ядром, возрастает металличность, уменьшается электроотрицательность. Это приводит к тому, что атомы кремния не образуют длинных цепей подобных углеродным. Сравнение связей С – С и Si – Si показывает, что расстояние между атомами кремния значительно больше, и следовательно, энергия связи атомов меньше. Цепи из атомов кремния неустойчивы, легко распадаются под действием кислот, воды, аммиака.

Водородные соединения углерода и кремния также отличаются по свойствам. Энергия связи атомов в гидриде кремния – силане SiH4 значительно меньше, чем в метане СН4 , что позволяет полярным молекулам малого размера разрывать эти связи (гидролиз, возгорание на воздухе).

При сравнении свойств соединений углерода и кремния с кислородом учащимся может быть предложен проблемный вопрос: почему углекислый газ усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а оксид кремния (1У) нет? Ответ на него заключается в следующем. В процессе усвоения растениями углекислого газа лежит реакция карбоксилирования рибулозо-1,5-дифосфата (связывание углекислого раза в темной фазе фотосинтеза). Эта реакция возможна из-за молекулярной природы углекислого газа (он легко диффундирует через устьица в лист) и из-за наличия в его молекуле двойных связей, при разрыве которых происходит присоединение углекислого газа к углеводу.

В оксиде кремния (1У) атомы кремния не способны к образованию кратных связей: при образовании химических связей два валентных электрона из четырех переходят на d- подуровень, поэтому с кислородом образуются только одинарные связи. Оставшиеся у кремния и у кислорода не спаренные электроны образуют новые связи с соседними молекулами оксида кремния (1У), что приводит к созданию гигантского полимера с атомной кристаллической решеткой, твердого, исключительно плотно инертного вещества, не способного растворяться в воде. В этой форме кремний не усваивается растениями, и не включается в обменные процессы и, следовательно, выбывает из круговорота веществ в природе. Однако в некоторых формах он участвует в обмене веществ живых организмов. Так, кремний входит в состав стеблей растений, тканей животных. А искусственно полученные препарата на основе кремния менее канцерогенны, чем на основе углерода, способствуют более эффективному заживлению ран, язв, срастанию костей.

Круговорот углерода в природе состоит из двух циклов: геологического и биологического. Геологический цикл представлен углекислым газом, выделяющимся в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, с вулканическими газами, из горячих минеральных источников, поверхностных слоев океанических вод, при выветривании горных пород, а также при осаждении карбонатов кальция и магния. Этот цикл очень длителен. Биологический цикл, напротив, короткий и интенсивный: углерод в виде углекислого газа ассимилируется из атмосферы растениями и из биосферы вновь возвращается в геосферу – с растениями углерод попадает в организмы животных и человека, а затем при гниении экскрементов, животных и растительных останков – в почву и в виде углекислого газа – в атмосферу. Средняя длительность существования соединений углерода в экосистемах 15 лет.

Около 88% углерода, растворенного в океанической воде, в течение 26 дней возвращается в биосферу, остальной оседает в виде карбонатов. Океан адсорбирует из атмосферы примерно 30 % углекислого газа и одновременно служит источником этого газа, выделяя его в атмосферу в районах теплых вод. Таким образом, океан действует, как насос, перекачивающий углекислый газ из холодных районов в теплые, где давление углекислого газа в атмосфере несколько выше (углекислый газ лучше растворяется в холодной воде, чем в теплой). Установлено, что в водах рек, морей и океанов углекислого газа содержится в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Рассматривая круговорот углерода в природе, подчеркивают, что он не замкнут. Как отмечалось выше, углерод выходит из него часто на длительный срок в виде карбонатов, торфа, сапропели, гумуса и других органических осадков. Ежегодно в атмосферу Земли за счет естественных процессов поступает примерно 0,15·10

т углекислого газа, тогда как антропогенное его поступление достигло массы, что в 100-150 раз больше.

Приведу основные причины интенсивного притока углекислого газа в атмосферу:

- сжигание ископаемого топлива, отходов целлюлозно-бумажного производства;

- огромное потребление кислорода металлургической и химической промышленностью;

- истребление лесов, особенно тропических;

- разрушение и минерализация лесных подстилок, дернины лугов, степей;

- осушение болот, сопровождающееся интенсивным окислением торфяников;

- уничтожение водной растительности в дельтах рек, загрязнение водоемов и морей, приводящее к угнетению фотосинтеза и как следствие – к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере;

- обжиг известняка, производство цемента;

- воздействие кислотных осадков на природные запасы карбонатов, в результате чего в атмосферу поступает углекислый газ.

Учащимся уже известно, что углекислый газ относят к «парниковым газам» (уменьшает тепловое излучение Земли). Кроме того, увеличение его концентрации в атмосфере может привести к интенсивному осаждению на дне океана карбонатов кальция и магния, к снижению фотосинтеза (при избытке углекислый газ становится ингибитором этого процесса).

Углекислый газ оказывает на человека наркотическое действие, раздражает кожу и слизистые оболочки, в относительно малых концентрациях возбуждает дыхательный центр, в очень больших – угнетает. Обычно высокое содержание углекислого газа в воздухе связано с пониженным содержанием в нем кислорода, что может стать причиной смерти. Углекислый газ оказывает центральное сосудосуживающее и местное сосудорасширяющее действие, вызывает ацидоз (закисление), повышение содержания адреналина и норадреналина и уменьшение содержания аминокислот в крови, ингибирует действие ферментов в тканях. Животные менее чувствительны к углекислому газу, чем человек.

Большую опасность для здоровья человека представляет оксид углерода (П) – продукт неполного сгорания топлива. Этот оксид соединяется с гемоглобином крови в 200-300 раз быстрее, чем кислород, образует очень прочное соединение – карбоксигемоглобин, диссоциация которого протекает в 3600 раз медленнее, чем оксигемоглобина (соединение гемоглобина с кислородом). В этом случае резко снижается обеспеченность тканей организм кислородом, развивается гипоксемия.

Оксид углерода (П) соединяется не только с гемоглобином крови, но и с миоглобином мышц. Он нарушает углеводный обмен, усиливая распад гликогена в печени, нарушая утилизацию глюкозы, повышая уровень сахара в крови, моче и в спинномозговой жидкости, нарушает обмен фосфора и азота, водно-солевой обмен, изменяет содержание белков плазмы крови, снижает содержание витамина В6, повышает содержание липидов в плазме, что способствует усиленному отложению холестерина на стенках сосудов, свертываемость крови и проницаемость сосудов.

Серьезная проблема загрязнения атмосферы - поступление летучей золы с частицами несгоревшего топлива (две трети топлива рассеивается в окружающую среду), оксидов углерода, серы, азота, соединения фтора. Летучая зола содержит металлы, причем иногда в таких концентрациях, при которых экономически выгодно их извлечение. Так, максимальные концентрации стронция, ванадия, цинка, германия могут достигать 10 кг на 1 т золы. Зола углей может содержать также токсичные соединения мышьяка и ртути.

В золе другого твердого топлива – торфа содержится много урана, кобальта, меди, никеля, свинца, цинка.

Причина поступления твердых и газообразных соединений в атмосферу – низкий КПД электростанций, неудовлетворительная очистка топочных газов, пыление угля при его добыче и перевозке, потери его при разгрузке и складировании.

Важными природоохранными мерами здесь являются:

- предварительное извлечение из топлива серы (путем его гидрирования);

- применение очистных аппаратов;

- сокращение территорий, занимаемых ТЭС, путем более компактного их размещения;

- создание лесозащитных зон;

- использование шлаков и золоотвалов ТЭЦ в производстве строительных материалов.

Другой источник загрязнения атмосферы – производство цемента. На цементных заводах очагами пыления являются барабаны для сушки угля и сырья, шаровые мельницы для угля, сырья и цемента, вращающиеся печи и транспортно-загрузочные устройства. В окрестностях крупного цементного заводы производительностью 400 тыс. тонн цемента в год на расстоянии 2 км концентрация пыли в воздухе – 20 мг/м³.

Повышенная концентрация кремнезема в воздухе вызывает тяжелое заболевание – силикоз. При попадании оксида кремния в дыхательные пути происходит его гидратация в присутствии тканевой жидкости. При этом на поверхности пылевидных частиц образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты, которая и становится причиной заболевания: появляются одышка, боли, кашель.

Основные природоохранные меры в цементном производстве – полнейшая герметизация оборудования, снижение отходов до 99% и экономное расходование продукции. Интересен следующий подсчет: если на дне вагона останется слой цемента 0,5 см, то потери составят 150 кг.

Элементарный углерод попадает в атмосферу в виде сажи с выбросами. Длительность существования частиц элементарного углерода в атмосфере определяют размеры частиц, их концентрация, эффективность механизмов очистки промышленных выбросов, а также метеорологические условия. Так, в условиях дождливого климата они могут пребывать в атмосфере до 40 ч, а в засушливом – до одной недели и более. Частицы углерода в зависимости от источника загрязнения могут быть покрыты оболочкой, обусловливающей их гидрофильность. Попадая в облака, эти частицы становятся ядрами конденсации. Химические реакции, протекающие на таких частицах, могут приводить к образованию нелетучих веществ из газообразных продуктов, например сульфатов из SO3. Адсорбция частиц углерода аэрозолями снижает прозрачность атмосферы, что уменьшает количество солнечных дней и влияет на климат региона. Частицы угля активно поглощают солнечное излучение, что может привести к парниковому эффекту.

Сажа поступает в атмосферу также в составе отработанных газов автотранспорта. Выхлопы дизельных двигателей, особенно тяжелых грузовиков, состоящие в основном из частиц углерода, дают примерно половину всего количества углеродных частиц, попадающих в атмосферу крупных городов.

Частицы углерода в составе аэрозолей распространяются очень далеко от индустриальных центров. При открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольного концентрата, сжигании угля на ТЭС в атмосферу выбрасываются, помимо частиц углерода, СО, СО2,соединения серы, хлора, брома, в составе летучих фракций золы – Cd, Ni, Pb, Se, радионуклиды, а также полициклические ароматические углеводороды.

Высокое содержание частиц углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно страдают верхние дыхательные пути и легкие. Профессиональная заболеваемость представлена в основном антракозом и пылевым бронхитом; присутствие в угольной пыли части SiO2 ускоряет и осложняет этот процесс. Наиболее агрессивны частицы угольной пыли менее 5-7 мкм, способные глубоко проникать в легкие и в большом количестве задерживаться в легочной ткани. Существенное значение имеет продолжительность воздействия пыли: более длительное при меньшей концентрации оказывает более выраженный эффект, чем менее длительное, но более интенсивное. Повышенное содержание в угле меди, железа, никеля, свинца и цинка способствует учащению заболевания антракозом.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 4

Тема «Углеводы»

Биологическая роль углеводов

Среди углеводов есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые и нерастворимые в воде, способные легко окисляться и устойчивые к действию окислителей, гидролизуемые и негидролизуемые и т.д., что обусловливает разнообразие их биологических функций и живых организмах. При окислении углеводов выделяется энергия, используемая в биохимических реакциях. Промежуточные продукты процессов окисления служат исходными веществами для синтеза многих других органических соединений. Углеводы участвуют в построении клеточных оболочек, субклеточных структур и других образований, выполняющих в организме опорные, защитные и иные функции.

Так, триозы играю т роль промежуточных продуктов в процессах дыхания, фотосинтеза и других процессах углеводного обмена. Пентозы участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, некоторых коферментов (НАД, АНДФ, кофермента А, ФАД и ФМН), в синтезе АМФ, АДФ, АТФ и полисахаридов. Гексозы служат источником энергии, участвуют в синтезе дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов. Полисахариды играют роль главным образом резерва пищи и энергии (например, крахмал – у растений, гликоген – у животных и многих грибов), а также строительного материала у растений (целлюлоза). Обусловлено это прежде всего большими размерами молекул, что делает их практически нерастворимыми в воде, и, как следствие, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния. Длинные цепи полисахаридов могут компактно свертываться, а при необходимости легко превращаются в сахара путем гидролиза.

Крахмал запасается в растительных клетках в виде крахмальных зерен (например, в хлоропластах листьев, клубнях картофеля, семенах злаков и бобовых). Гликоген у позвоночных животных содержится в местах высокой метаболической активности (в печени, мышцах), где он служит главным источником глюкозы, используемой в процессе дыхания. Из целлюлозы (на 20 – 40%) построены клеточные стенки у всех растений на Земле; она встречается также в некоторых низших беспозвоночных.

Углеводы выполняют и защитные функции в организме. Например, гепарин ингибирует процесс свертывания крови (содержится в крови и соединительной ткани млекопитающих). Камеди (вязкие гели или клейкие растворы) и слизи (более жидкие гели или слизистые массы) представляют собой смеси сахаров и сахарных кислот. Они образуются в ответ на повреждение, а также способствуют удержанию влаги в растениях, тем самым повышая их засухоустойчивость. Слизи и камеди используют как смягчающее и обволакивающее лечебное средство, для защиты слизистой оболочки ротовой полости, желудочно-кишечного тракта, бронхов. В этих целях можно использовать льняное семя, корень алтея, листья подорожника, цветки липы и др.

Пектины, содержащиеся во многих фруктах и ягодах, по своему составу очень близки к камедям и слизям. Они обладают адсорбирующим и противовоспалительным действием, улучшают пищеварение, снижают интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, обезвреживают ядовитые вещества экзогенного и эндогенного происхождения. Способствуют выведению их организма излишнего количества холестерина. Пектина яблок задерживают размножение вируса А гриппа. Много пектинов содержится в плодах лесной земляники, шиповника, клюквы, черной смородины, черники, а также в яблоках, лимонах, апельсинах.

У полисахаридов растительного происхождения выявлена многообразная биологическая активность: антибиотическая, противовирусная, противоопухолевая, антидотная (противоядная).

Углеводы и правильное питание

Подсчитано, что во время голода организм человека расходует 100 единиц энергии, при питании углеводами – 106,4 , жирами – 114,5, белками – 140. Следовательно, самый экономичный источник питания – углеводы, а наименее выгодный – белки.

Легче всего усваиваются и дают наибольшее количество энергии сахара – глюкоза и фруктоза, которые содержатся в сладких овощах, фруктах и ягодах. Замена их рафинированным сахаром принесет только вред, поскольку на его расщепление организм расходует много витаминов (С, группы В). Кроме того, сахароза связывает кальций, что приводит к дефициту его в организме. Сахар способствует возникновению ожирения, диабета, гипогликемии, кариеса и других болезней зубов и десен, сердечно-сосудистых заболеваний, рака кишечника, несварения, гормональных нарушений, психических болезней, образованию камней в почках, вызывает воспаление мочеполовых путей. Пищевые продукты, обогащенные сахаром, не имеют практически энергетической ценности. Кроме того, они не пополняют организм витаминами, минеральными веществами, жирами и белками.

Для усвоения сахара организму требуется значительное количество тиамина (витамина В₁), рибофлавина (В₂), никотиновой кислоты (В₅), пиридоксина (В₆), пантотеновой кислоты (В₃), фосфора и магния. Именно поэтому у людей, употребляющих сахар и сахаросодержащие продукты, а не мед, сухофрукты, сладкие свежие овощи, фрукты, ягоды часто возникают дефицит натуральных сахаров (глюкозы, фруктозы) и витаминная недостаточность. Особенно вредно употреблять продукты, в которых сахар находится в «скрытом виде» (сиропы, кондитерские изделия, напитки, коктейли, мороженное, варенье и прочее).

Потребность организма в натуральном фруктовом сахаре в 4 – 5 раз больше, чес в белках и жирах. Много его, например, в меде, который к тому же содержит практически все витамины и большое число микроэлементов. Мед обладает лечебными свойствами, оказывает благоприятное действие на организм. Разумная доза меда для здорового человека – не более 6 чайных ложек в день.

Фрукты при правильном их употреблении способствуют восстановлению кислотно-основного баланса в организме. Кроме того, в них высокое содержание воды, необходимой организму; они не образуют токсичных отходов и почти не требуют энергии для переваривания. Все эти свойства делают их наиболее сбалансированной пищей для человека.

Из фруктов организм человека получает пять наиболее важных компонентов: глюкозу, аминокислоты, минеральные вещества, жирные кислоты и витамины. Идеальное соотношение этих составляющих в пище следующее: глюкоза – 90%, аминокислоты – 4 – 5 %, минеральные элементы – 3 – 4 %, жирные кислоты – 1 %, витамины - до 1 %. На Земле существует лишь один вид пищи, в которой выполняется это соотношение, - фрукты.

При употреблении фруктов и фруктовых соков надо учитывать два важных принципа. Первый: их надо употреблять только в сыром виде. Печеные яблоки, любые консервированные фрукты вредны, поскольку они не содержат питательных веществ, не обладают очищающим действием, токсичны и способствуют образованию в организме кислот, которые могут повредить слизистою оболочку внутренних органов. Кроме того, организм тратит энергию на нейтрализацию этих кислот и выброс их из организма. Любая тепловая обработка фруктов разрушает их потенциальную ценность.

Второй: фрукты и соки следует употреблять натощак и только спустя 20 – 30 мин можно съесть что-то еще. За это время фрукты или сок уйдет из желудка. Бананы, сухофрукты, финики находятся в желудке от 45 мин до 1 ч. Если в желудке находится другая пища, то фрукты следует есть, спустя некоторое время: если салат, сырые овощи, то через 2 ч; продукты в правильном сочетании, без мяса – через 3 ч; продукты в правильном сочетании в мясом – через 4 ч; продукты в неправильном сочетании – через 8 ч.

Если в рацион питания входит углеводная пища, то важно знать некоторые правила сочетания продуктов.

1. Не следует употреблять в пищу за один прием концентрированный углевод (хлеб, злаки, картофель, сладкие фрукты, пирожные) и концентрированный белок (орехи, мясо, яйца, сыр и др.). Углеводы расцепляются под действием ферментов слюны (щелочная среда), а белок – под действием желудочного сока (кислая среда); при смешивании такой пищи в желудке пищеварительные соки нейтрализуют друг друга и процесс переваривания пищи замедляется.

2. Не следует употреблять в один прием углеводную и кислую пищу (в ротовой полости происходит процесс, сходный с описанным выше).

3. Кислые фрукты нельзя смешивать с белками; в этом случае эффективность пищеварения снижается.

4. В один прием пищи можно съесть только один вид концентрированного крахмала. Если кашу или картофель употреблять с хлебом, то один из крахмалов идет на усвоение, а другой остается нетронутым в желудке, не проходит в кишечник, задерживает усвоение другой пищи, вызывает брожение, повышение кислотность желудочного сока. Кроме того, это одна из причин появления у человека избыточного веса.

5. Фрукты всегда едят отдельно от основной пищи, если они попадают в желудок вместе с другой едой, то, несмотря на их высокую питательную ценность, пользы это не принесет. Как только фрукты приходят в соприкосновение с пищей, находящийся в желудке, и пищеварительными соками, вся пищевая масса начинает бродить и превращается в кислоты. Для усвоения фруктов требуется 65 – 80 мин, тогда как на расщепление белков нужно 4 – 6 ч. При совместном из употреблении процесс пищеварения нарушается.

6. Кислые фрукты следует есть отдельно от сладких.

Целлюлозно-бумажная промышленность и окружающая среда

В настоящее время целлюлозно-бумажная промышленность вырабатывает для основных вида продукции – целлюлозу и бумагу, причем выработка целлюлозы коренным образом отличается от бумажного производства, представляя собой химический процесс с довольно сложной системой регенерации химических реагентов. Производство бумаги – процесс в основном механический с сопутствующими ему физико-химическими, главным образом сорбционными, процессами. Именно производство целлюлозы – основной загрязнитель атмосферного воздуха и водоемов. Производство бумаги и картона практически не загрязняет воздух, но загрязняет водоемы стоками, содержащими в основном взвешенные частицы – волокно и наполнители.

Важное преимущество целлюлозы перед многими синтетическими полимерами заключается в способности изделий из нее к биологическому разложению (грибами и бактериями), благодаря чему использованная продукция может быть возвращена в природные циклы веществ. Однако применяемые в настоящее время в мировой практике способы варки и отбелки целлюлозы приводят к огромным выбросам ядовитых веществ в окружающую среду. Отходящие газы содержат: сероводород, оксиды серы, метилмеркаптан (CH₃SH), диметилсульфид, диметилдисульфид, хлор, диоксид хлора, хлороводород, пары ртути, щелочные аэрозоли, пыль. Газопылевые выбросы не только отрицательно влияют на самочувствие людей, но и могут быть причиной серьезных заболеваний. Особенно органов дыхания, сердечно-сосудистой системы.

Загрязнение атмосферы вблизи предприятий, выпускающих бумагу и целлюлозу, вызывает ослабление роста и развития деревьев, их усыхание, нарушение фотосинтеза. Из деревьев хвойных пород больше всего страдают лиственницы, из лиственных – осины. Пылевые выбросы, оседающие на землю, увеличивают кислотность почвы и обедняют микрофлору; в результате биологическая активность почвы снижается. Загрязнение почвы приводит, в свою очередь, к загрязнению грунтовых вод и водоемов.

Современный целлюлозно-бумажный комбинат потребляет столько же воды, сколько город с населением 2 млн. человек. Сброс сточных вод крупным предприятием достигает 10 000 м³/ч и более, а всего целлюлозно-бумажные предприятия нашей страны сбрасывают за год около 3 млрд. м³ стоков. Сточные воды изменяют качество воды в природных водоемах: меняется цвет и величина рН, появляются специфический запах, взвешенные и растворенные органические вещества, большой плотный осадок. Такие водоемы характеризуются высокими окисляемостью и биохимическим потреблением кислорода. В них содержатся и вещества, губительные для гидробионтов, такие, как сереводород, металмеркаптан, метанол, смолы, фурфурол, фенолы, красители, минеральные кислоты, скипидар, соединения хлора, известь и др. Неприятный запах этих вод обусловленный наличием металмеркаптана и сероводорода, не исчезает даже при разбавлении в 1000 раз.

Серьезную опасность представляют стоки, загрязненные корой, целлюлозными волокнами и наполнителями. Кора содержит большое количество смолы и органических веществ. Растворимых в воде. Попадая в водоемы, кора осаждается на дне, образуя органные залежи, иногда в виде островов и мелей, изменяя при этом характер речного потока. Кора ухудшает состав и качество воды. Волокна, отлагаясь на дне водоемов, в анаэробных условиях загнивают, выделяя углекислый газ, метан и сероводород. Взвешенные в воде волокна и наполнители засоряют жабры рыб, тем самым вызывая их гибель. Продукты гниения волокон придают воде неприятный вкус, отравляют атмосферный воздух, губительно действуют на все живое в водоемах.

При приготовлении и использовании белильных растворов образуются хлорсодержащие сточные воды. Они загрязнены свободным и связанным хлором, продуктами хлорирования циллюлозы, кислотами. Еще одним источником загрязнения окружающей среды служат заводы по производству хлора, на которых для электролиза поваренной соли применяют ртутные электроды; сточные воды этих предприятий содержат большое количество ртути. Вредное воздействие загрязненных вод, сбрасываемых в водоемы. Связано с интенсивным использованием аэробными микроорганизмами растворенного кислорода и окислительные процессы (разложение органических веществ, а также с прямым воздействием токсичных вещества на гидробионты.

Учащимся небезынтересно будет узнать о причине катастрофического загрязнения внутреннего японского моря Сето, в которое сбрасывается сточные воды крупные целлюлозно-бумажные комбинаты. Эти воды содержали большое количество растворимых сульфатов. Известно, что основной источник образования сероводорода в водоемах – процесс восстановления сульфатов сульфатредуцирующими бактериями. Восстановление сульфатов особенно активно происходит в водоемах, подверженных загрязнению. Развитие сульфатредукции в загрязненном водоеме постепенно приводит к гибели его обитателей, что, в свою очередь, сводит к нулю самоочищающую способность водоема. Дальнейшее загрязнение вызывает стремительное накопление органических веществ, усиливая тем самым процессы образования сероводорода.

Природозащитные мероприятия в этой отрасли включают различные методы очистки газопылевых выбросов и сточных вод. Для очистки газопылевых выбросов используют абсорбенты (жидкие поглотители), адсорбенты (твердые поглотители), электрофильтры, пылеулавливатели (скрубберы), циклоны. Для обезвреживания газов применяют сухие и мокрые окислительные процессы каталитического окисления. Так, для очистки газов от диоксида серы, сероводорода и метилмеркаптана используют методы нейтрализации. А для обезвреживания других серосодержащих газов используют каталитическое окисление. Этот процесс ведут при температуре 500 – 600 ^оС на катализаторе, в состав которого входят оксиды алюминия, меди, ванадия и других металлов. Продукт окисления – диоксид серы – нейтрализуют раствором щелочи.

Для очистки сточных вод от взвешенных частиц, применяют методы осаждения, флотации, фильтрации, центрифугирования, ультрафильтрации, обратного осмоса ( гиперфильтрация – разделение растворов низкомолекулярных соединений под действием давления, превышающего осмотическое, со стороны раствора; в таком случае растворитель переносится в обратном направлении). Выбор метода зависит от природы загрязнителей. Например, уловленную на барабанных фильтрах кору отживают и сжигают. Очистку серосодержащих конденсатов ведут путем аэрации (обработка воздухом) или обработка острым паром. В первом случае обеспечивается возврат уловленной серы в производство, а во втором – удается очистить конденсат не только от сернистых соединений, но и от метанола и скипидара, однако при больших экономических затратах. Для очистки стоков от ионов металлов (ртуть, цинк) используют метод ионного обмена.

Растворенные органические вещества удаляют из сточных вод при помощи биологической очистки. Процесс осуществляют в аэротенках при протекании через них аэрируемой смеси отслоенной сточной воды и активного ила, представляющего собой хлопья микроорганизмов. Микроорганизмы сорбируют на своей поверхности органические вещества, а затем в процессе окисления минерализуют их.

Химическая очистка на циллюлозно-бумажных комбинатах сводится, по сути к методу коагуляции. Его применение эффективно для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1 – 100 ммк. Для этой цели используют сульфат алюминия. Однако в результате его гидролиза повышается содержание растворимых сульфатов в очищенных стоках, поэтому целесообразна замена данного коагулянта другим, например пентагидроксохлоридом алюминия Al₂(OH)₅Cl, но, к сожалению, этот эффективный реагент пока еще не выпускают в промышленных масштабах.

Один из самых опасных загрязнителей в производстве целлюлозы – фенол. Он присутствует как в сточных водах, так и в отходящих газах. Для извлечения фенола из сточных вод используют органические растворители (например, бутилацентат), затем связывают фенол раствором едкого натра. Жидкостная экстракция фенола из сточных вод представляет собой многоступенчатый процесс. На каждой ступени в абсорбенте сточные воды, смешивают с растворителем (экстрогеном), затем несмешивающиеся жидкие фазы разделяют. В результате извлечение фенола достигает почти 100 %. Другой метод – каталитическое сжигание газов, содержащих фенол. В этом случае сточные воды переводят в парообразное состояние; процесс ведут в циклонных печах при высокой температуре. Обезвреживание фенола проводят также при помощи озонирования и микробиологического окисления на биофильтрах. В обоих случаях идут процессы окисления с образованием углекислого газа и воды.

В заключение следует обратить внимание учащихся на необходимость комплексного решения проблемы загрязнения окружающей среды и координации мероприятий по очистки газопылевых выбросов и сточных вод на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, а также разработки новых, более эффективных методов очистки, поскольку не все из них удовлетворяют экологическим требованиям.

По рассмотренной теме можно провести конференцию с условиями названием «Байкал и ЦБК – совместимы ли они?».

ПРИЛОЖЕНИЕ № 5

Тема «Металлы»

В курсе неорганической химии практически отсутствует информация о роли металлов в природной среде (как биогенов, так и загрязнителей), их негативном воздействии на организм человека, а также об экологических проблемах, обусловленных промышленным получением металлов и их коррозией.

Металлы способны вступать во взаимодействие с белками организма и образовывать с ними металлорганические соединения. Ионы металлов – непременные участники биохимических процессов: они стимулируют нормализуют обмен веществ в организме, оказывают положительное действие на рос и размножение, на иммунобиологическую активность организма и продолжительность жизни; участвуют в кроветворении, в установлении определенной концентрации из в клетках, в окислительно-восстановительных процессах; стабилизируют и активируют ферменты (образуют их активные центры). Ионы металлов создают разность потенциалов вблизи поверхности клеточных мембран, чем обеспечивают протекание жизненных процессов в клетке. Регулирование работы даже таких биологических катализаторов, которые не содержат прочно связанного металла, возможно только с помощью ионов металлов.

При обсуждении причин, обусловливающих токсичность металлов, и в первую очередь тяжелых, внимание учащихся акцентируют на том, что она тесно связана с их физико-химическими свойствами (электронной конфигурацией, электроотрицательностью, энергией ионизации, величиной окислительно-восстановительного потенциала, способностью к образованию более или менее прочных соединений с рядом функциональных групп на поверхности или внутри клеток, белков и т.п.), а также со строением иона металла, с функциональной и структурной организацией биологического объекта.

Изменение концентрации металлов в окружающей среде может происходить как естественным путем (перераспределение между поверхностью суши, водой, атмосферой), так и искусственно (аккумуляция в почве, возникновение геохимических аномалий с последующим распределением и усвоением металлов растениями, животными и микроорганизмами).

Установлено, что между концентрацией элемента в организме и его биологической функцией прямой и простой связи нет. Так, железо и кобальт, содержащиеся в организме в очень малых количествах, жизненно необходимы, и падение их концентрации ниже допустимого уровня ведет к тяжелейшим расстройствам. Это объясняется тем, что многие металлы выполняют главным образом функции катализаторов.

В процессе эволюции организмы выработали систему защиты от повреждающего действия металлов как на уровне генома, так и на уровне тканевых регуляторных механизмов. Система защиты представлена специфическими белками, вырабатываемыми организмом, которые действуют на регуляторные участки ДНК и РНК; синтез таких белков приводит к появлению устойчивых (толерантных) к токсическому действию металлов популяций. Белки обладают несколькими центрами связывания, что дает возможность нейтрализовать одновременно большое количество поступающих в организм металлов.

По содержанию в живом веществе металлы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 10^-3 % (K, Ca, Mg, Fe, Na); микроэлементы, доля которых составляет от 10^-3 до 10^-6 % (Mn, Zn, Cu, Sr, Ni, Ba, Co, Al, V, Cr и др.); ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 10^-6% (Ng, Au, Pb, Ra, Ag и др.).

Организм и среда взаимосвязаны, и их взаимозависимость носит очень тонкий характер. Подмечено, например, что элементы, легко образующие растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы, хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, не дающие растворимых соединений, широко распространены в неорганической природе, в составе же организмов встречаются в ничтожных количествах. Таким образом, доступность элементов для биосферы играет, по-видимому, решающую роль в их участии в построении живого вещества. Минеральные компоненты составляют в среднем около 10 % от сухого вещества биомассы.

Металлы главной подгруппы І группы

Литий

Антропогенные источники: предприятия по производству лития, производство синтетических волокон (хлорид лития для барабанных сушилок), промышленные сточные воды (при их использовании для орошения сельскохозяйственных культур происходит аккумуляция лития почвой и растениями, при этом возникает угроза хронического отравления людей); сжигание угля (ежегодно высвобождается количество лития, в 20 раз превышающее годовой вынос этого металла речным стоком).

Биологическая роль. Содержание лития в животных организмах составляет 10^-4 %. Дефицит лития в организме человека приводит к психическим расстройствам, которые можно излечить препаратами на его основе.

Токсическое действие лития проявляется при повышенном содержании его в организме. Так, у человека избыток лития вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, расстройство зрения, а также дерматит лица и рук.

Натрий

Антропогенные источники: сжигание угля, выбросы предприятий черной металлургии, промышленно-бытовые сточные воды, использование хлорида натрия в качестве средства против обледенения шоссейных дорог или для умягчения питьевой воды.

Биологическая роль. Содержание натрия в животных организмах достигает 10^-1 %. Ионы натрия поддерживают у животных и человека нормальную возбудимость мышечных клеток, участвуют в сохранении кислотно-основного баланса в организме, в регуляции сердечной деятельности (успокаивают), удерживают воду в организме.

Токсическое действие. Избыток ионов натрия в организме человека чаще всего обусловлен чрезмерным употреблением поваренной соли. Это приводит к нарушению водного обмена, сгущению крови, вызывает дисфункцию почек, некоторые сердечно-сосудистые заболевания, а также общее нарушение обмена веществ.

Соединения натрия должны поступать в организм в составе натуральных продуктов. Суточная доза потребления поваренной соли составляет 4 - 8 г.

Калий

Антропогенные источники: выбросы металлургических предприятий, автомобильного транспорта; переработка калийно-магниевых руд, производство хлорида калия.

Биологическая роль. Калий не входит ни в одно органическое соединение. Ионы калия регулирую белковый и углеводный обмен, влияют на процесс фотосинтеза и рост растений, активизируют работу многих ферментных систем, снижают вязкость цитоплазмы, являются участниками калий-натриевого насоса в клетке. Установлено, что открытие устьиц листьев на свету связано с накоплением ионов калия в замыкающих клетках.

Калий играет важную роль в организме человека, участвуя в генерации биоэлектрических потенциалов, поддерживании осмотического давления, в углеводном обмене, синтезе белков. Он – основной внутриклеточный катион, тогда как натрий находится во внеклеточной жидкости. Калий необходим для нормального функционирования всех мышц, особенно сердечной, способствует выделению избыточного натрия. Тем самым избавляя организм от лишней воды и устраняя отеки. Калий - противосклеротический элемент, препараты на его основе применяют для профилактики нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы. Содержание калия в организме составляет 10^-1 %.

Токсическое действие. При повышенных концентрациях калия в организме происходят разрушение коллоидного состояния сыворотки крови, усиление двигательной активности, учащение сердечного ритма, нарушение углеводного, жирового и белкового обменов и ионно-электролитного баланса, а также снижение иммунной активности.

Металлы побочной подгруппы І группы

Медь

Антропогенные источники: промышленные выбросы, отходы, стоки предприятий цветной металлургии, выхлопные газы автотранспорта, медьсодержащие удобрения и пестициды, сжигание топлива.

Биоиндикаторами на соединения меди при загрязнении ими среды могут служить птицы (изменение перового покрова), сине-зеленые водоросли, моллюски, щетинковые черви (изменение внешнего вида или гибель).

Биологическая роль меди исключительна: она входит в состав пигмента крови низших животных (гемоцианина) и высших животных (цитохром и др.), участвует в процессах кроветворения и ферментативных реакциях в составе медьсодержащих энзимов.

В организме человека медь, как и железо, играет важную роль в поддержании нормального состава крови. Присутствие меди необходимо для активации железа, накопленного в печени, в противном случае оно не сможет участвовать в образовании гемоглобина. Содержание меди в живом организме составляет 10^-4 %.

Концентрация меди в окружающей среде, в частности в почве, может быть лимитирующим фактором развития многих организмов. Как недостаток, так и избыток меди в организме вызывают заболевания у животных и растений. Например, известен факт заболевания домашнего скота анемией из-за недостатка в почве пастбищ соединений меди. Эта же причина вызывает в растениях задержку образования хлорофилла (хлороз), снижает содержание в них витаминов.

Токсическое действие. Медь относят к группе высокотоксичных металлов. Ионы меди, при избытке их в организме, способны блокировать SH-группы белков, в особенности ферментов, чем нарушают их каталитическую функцию. Соли меди повышают проницаемость мембран митохондрий, разрушают эритроциты; вызывают расстройства нервной системы, печени и почек, снижение иммунобиологической реактивности, поражение зубов и слизистой рта, гастриты, язвенную болезнь желудка.

Соединения меди весьма токсичны для всех представителей флоры и фауны. В воде природных водоемов их токсическое действие проявляется по-разному. В жесткой воде оно выражено слабее, чем в мягкой, поскольку часть ионов меди связывается в ней в виде карбонатов и остается недоступной для гидробионтов.

В почве соединения меди угнетают активность нитрифицирующих бактерий, задерживая минерализацию азота, и тем самым снижают урожай сельскохозяйственных культур; вызывают хлороз у растений, а также гибель земляных червей (в этом случае почва теряет структуру, нарушается ее водопроницаемость и ухудшается водно-воздушный режим).

Серебро

Антропогенные источники: сжигание угля, выбросы промышленных предприятий и автотранспорта, процесс серебрения, производство серебряно-цинковых и серебряно-кадмиевых аккумуляторов, кино- и фотоматериалов.

Биологическая роль. Содержание серебра в организме человека составляет 10^-6 %. Сведений о биологической роли нет.

Токсическое действие. Предполагают, что соединения серебра обладают канцерогенными свойствами. Ионы серебра легко проникают в эритроциты и связываются с белками крови, образуя недиализуемые соединения. Повышенное содержание серебра в организме человека приводит к нарушению психики и ухудшению зрения.

Металлы главной подгруппы ІІ группы

Магний

Антропогенные источники: выбросы заводов по переработке магниевых руд.

Биологическая роль. Содержание в живом организме достигает 10^-2 %. Магний входит в состав основного пигмента зеленых листьев растений – хлорофилла. В животных организмах этот элемент поддерживает структуру рибосом, связывая РНК и белок. Большая и малая субъединицы рибосом ассоциируют только в присутствии магния. Магний активирует многие ферменты. Важная особенность магния проявляется в том, что он связывает фермент с субстратом по типу хелатной связи.

В организме человека соли магния проявляют антисептическое и сосудорасширяющее действие, понижают артериальное давление и содержание холестерина в крови, усиливают процессы торможения в коре головного мозга, оказывают успокаивающее действие на нервную систему, играют большую роль в профилактике и лечении рака. Магний устраняет старческую малоподвижность и дрожание мышц. Он благотворно действует на органы пищеварения: стимулирует выделение желчи, способствует сокращению желчного пузыря, усиливает активность желудка, и кишечника, очищает слизистую желудка, восстанавливает седые волосы.

Слабый раствор оксида магния излечивает раны, а ванна, принятая с несколькими столовыми ложками оксида магния, снимает напряжение нервной и мышечной системы. Ежедневный прием внутрь слабого раствора «магниевого молока» излечивает хронические поносы, очищает организм, предупреждает рак.

Токсическое действие. Повышенное содержание ионов магния в организме проводит к нарушению минерального обмена: падению содержания кальция и неорганического фосфора в сыворотке крови и увеличение в ней концентрации ионов магния. С нарушением обмена магния связывают повышенную смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней желудочно-кишечного тракта.

Кальций

Антропогенные источники: производство цемента, сточные воды бумажного, стекольного, химико-фармацевтического, кожевенного, лакокрасочного, пивоваренного производств, бытовые стоки прачечных; использование цементных и бетонированных емкостей, труб и хранилищ для питьевой воды. При хранении питьевой воды в цементированных хранилищах ухудшаются органолептические и физико-химические свойства воды, резко возрастают ее жесткость и рН (до 12). Хлорат кальция используют в качестве дефолианта для предуборочного удаления листьев с хлопчатника. Гипохлорит кальция употребляют как отбеливатель и окислитель в текстильной и бумажной промышленности. Хлорид кальция применяют как средство против обледенения аэродромов и железнодорожных рельсов. Все эти соединения попадают в окружающую среду и, накапливаясь в больших концентрациях, могут нанести вред биологическим системам.

Биологическая роль. В живом веществе из элементов-металлов кальций – главный. Содержание его в организме – 10^-2 %. Известны организмы, которые содержат больше 10% кальция (известковые водоросли, моллюски, кораллы, иглокожие и др.) Ионы кальция необходимы для процессов кроветворения, обмена веществ, уменьшения проницаемости сосудов (они препятствуют проникновению микроорганизмов в кровь), для нормального роста костей (скелета, зубов). Кальций благотворно влияет на состояние нервной системы, оказывает противовоспалительное действие.

Если человек в своем рационе имеет достаточное количество кальция, ему не страшны резкие смены погоды, инфекции, эпидемии.

Обмен кальция в организме тесно связан с обменом магния, стронция и фосфора. С последним кальций «неразлучен» (фосфор, костной ткани и тканей мозга). При нарушении фосфорно-кальциевого баланса организм берет кальций из «костного запаса» - зубов, костей, крупных суставов или строит кости из стронция (отсюда изменения в костях – «наросты»).

Часто говорят об обызвествлении кровеносных сосудов как о свидетельстве переизбытка кальция в организме. Это не так. Данный процесс происходит из-за связывания ионов кальция щавелевой кислотой в нерастворимый оксалат кальция.

Следует помнить, что любая вареная пища ведет к отложению солей щавелевой кислоты, разрушить которые способна лишь «живая» щавелевая кислота, вырабатываемая организмом человека из сырых продуктов: овощей, фруктов, орехов, семян, ягод, кисломолочных продуктов.

В пищевой рацион необходимо вводить достаточное количество продуктов, содержащих кальций и фосфор, в этом случае можно не бояться переломов костей, заболевания суставов, кожи, костей и нервной системы.

Токсическое действие. Поскольку кальций является важнейшим биоэлементом, его вредное действие возможно лишь при поступлении его в организм в очень больших дозах, что сопровождается увеличением содержания кальция в крови, усилением кальцификации и ослаблением регенерации тканей. При этом увеличивается выведение кальция с мочой, что ведет к заболеванию циститом.

Если кальций попадает в организм в виде цементной пыли, то страдают органы дыхания. У детей к тому же снижается возбудимость центральной нервной системы и обонятельного анализатора.

Стронций

Антропогенные источники: сточные воды металлургического, электротехнического, стекольного, керамического, сахарного производств; сырой остаток первичных отстойников станций биологической очистки крупных промышленных городов.

Биологическая роль. Содержание стронция в организме человека – 10^-4 %. Этот элемент встречается во всех органах и тканях, оказывает влияние на процессы костеобразования, на активность ряда ферментов, входит в состав скелета высших и низших животных.

Токсическое действие. При избытке стронция в организме прежде всего поражаются костная ткань, печень и кровь. Наиболее характерное проявление токсического действия стронция – уровская болезнь (повышенная ломкость и деформация костей). Предполагают, что такое действие стронция связано с блокированием биосинтеза витамина D и избыточным отложением фосфора в костях. Соединения стронция могут действовать как нервный и мышечный як.

Барий

Антропогенные источники: сточные воды химико-фармацевтического, нефтехимического, металлургического, мыловаренного, полиграфического, резинотехнического производства; канализационные стоки, пестициды, удобрения.

Биологическая роль. Сведений не имеется. Содержание бария в организме – 10^-5 %.

Токсическое действие. Водорастворимые соли бария (подвижные формы) – хлорид, нитрат, карбонат, сульфид – очень ядовиты. Нерастворимые в воде соли (неподвижные формы) – фосфат и сульфат – опасности не представляют (безвредный сульфат бария применяют в медицине при рентгенографии желудка и кишечника (ионы ария хорошо поглощают рентгеновские лучи и дают возможность получить четкое, контрастное изображение).

При хроническом отравлении солями бария поражаются костная ткань, костный мозг, печень. Барий не проникает в цитоплазму: его сорбирует клеточная мембрана. Некоторые соединения бария угнетают клеточное дыхание подобно цианидам, повышают проницаемость сосудов, приводя к кровоизлияниям и отекам; поражают центральную нервную систему, вызывая паралич. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что ведет к их хрупкости, обладает слабым мутагенным действием.

Металлы побочной подгруппы ІІ группы

Цинк

Антропогенные источники: выброс в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах на металлургических комбинатах; потери при добыче, транспортировке, обогащении, сортировке на горно-обогатительных фабриках; сжигание каменного угля, сточные воды химического, деревообрабатывающего, текстильного, бумажного, цементного производств; вымывание горячей водой из оцинкованных водопроводных труб.

Биологическая роль. Цинк - важный микроэлемент. Содержание его в организме человека – 10^-3 %. Он входит в состав крови и мышечной ткани, является катализатором многих реакций, благодаря чему в организме поддерживается необходимый кислотный уровень. Цинк входит в состав инсулина – гормона поджелудочной железы, регулирующей содержание сахара в крови, участвует в переносе углекислого газа в крови позвоночных, гидролизе пептидных связей при переваривании белков, стимулирует рост растений.

Основной источник цинка – пшеничные отруби. При дефиците цинка в организме возможны диабет, кожные заболевания.

Токсическое действие. В основе многих проявлений цинковой интоксикации лежат конкурентные отношения цинка с рядом металлов, например, кальцием. В этом случае падает содержание кальция в крови, костях, одновременно нарушается усвоение организмом фосфора; в результате развивается остеопороз (ломкость костей). Известен следующий факт. В 1981 г. в Японии была зарегистрирована вспышка тяжелого заболевания костно-мышечного системы у населения, употреблявшего в пищу рис, выращенный на полях орошения, где использовали сточные воды, сильно загрязненные сульфидами цинка и кадмия. Нельзя пить воду, хранившуюся в оцинкованных баках: накапливающиеся в ней ионы цинка отрицательно воздействуют на желудочно-кишечный тракт. Токсичность цинка объясняют его каталитической активностью.

Цинк в высоких концентрациях – мутаген и онкоген.

Кадмий

Антропогенные источники: сточные воды горно-металлургических комбинатов, производств красителей, кадмий-никелевых аккумуляторов, минеральных удобрений; сжигание твердого топлива, выбросы автотранспорта, табачный дым.

Биологическая роль. Специфического биологического значения кадмия как микроэлемента не установлено. Содержание в организме – 10^-4%.

Токсическое действие. Кадмий – биологический конкурент цинка. В организме человека он снижает активность пищеварительных ферментов, угнетает синтез гликогена в печени, нарушает функцию поджелудочной железы, углеводный обмен, вызывая гипергликемию; развивает поражение почек, снижает содержание в крови железа, кальция, фосфора, приводит к декальцификации скелета (в этом случае оно деформируется), тормозит рост костей, возникают сильные боли в пояснице ив мышцах ног, а также опасность частых переломов, которые происходят с удивительной легкостью, например, переломы ребер при кашле. Действуя на кожу, кадмий вызывает дерматиты. Кадмий – канцероген (рак легких, прямой кишки).

В организме человека ионы кадмия соединяются с карбоксильными, админными и сульфгидрильными группами, имеющимися в молекулах белков, и таким путем задерживаются в организме. Почки, печень, поджелудочная и щитовидная железы – органы, в которых кадмий может оставаться годами.

В природной среде кадмий тормозит процессы самоочищения водоемов, задерживается в почве и затем аккумулируется растениями. В зонах повышенного содержания кадмия в почве наблюдается 20 – 30-кратное увеличение его концентрации в наземных частях растений по сравнению с растениями незагрязненных территорий. Листья табака обладают способностью накапливать кадмий, что и определяет его содержание в табачном дыме.

Ртуть

Антропогенные источники: сжигание топлива, металлургические процессы, коксование угля, потери ртути на предприятиях по производству хлора и каустической соды, сжигание мусора, сточные воды.

Биологическая роль ртути не установлена. Содержание в организме человека – 10^-6 – 10^-7 %.

Токсическое действие. Техногенно рассеиваемая ртуть (пары, водорастворимые соли, органические соединения) геохимически более подвижна по сравнению с природной – соединениями ртути преимущественно труднорастворимыми, малолетучими, и поэтому более опасна в экологическом отношении.

Поступившие в атмосферу пары ртути сорбируют аэрозоли, почва, т.е. она включается в круговорот (под действием бактерий в водной среде металлическая ртуть подвергается метилированию и затем усваивается растениями и животными).

Экологические последствия загрязнения ртутью водной среды проявляются прежде всего в подавлении жизнедеятельности одноклеточных морских водорослей, нарушении фотосинтеза, а также в изменении структуры и функциональных характеристик природных сообществ.

В организме человека ионы ртути энергично соединяются с сульфгидрильными группами белков и прочно удерживаются в образовавшихся комплексах. Белки, содержащие эти группы, находятся в почках, поэтому ртуть, попадая в организм, сосредоточивается преимущественно в почках и нарушает их нормальную деятельность. Частично ртуть в тканях организма переходит в сульфад.

Ртуть задерживается также в клетках мозга и слизистой оболочке рта. При хронических отравлениях страдает центральная нервная система.

Если металлическая ртуть оказалась в помещении, следует засыпать ее порошком серы или залить раствором хлорида железа(ІІІ)/

Металлы главной подгруппы ІІІ группы

Алюминий

Антропогенные источники: горнорудные разработки, твердые выбросы и сточные воды предприятий (химико-фармацевтического, лакокрасочного, бумажного, текстильного), производства синтетического каучука, изготовление и использование алюминиевых деталей, конструкции, а также посуды и упаковочного материала (после термической обработке продуктов в алюминиевой посуде содержание его в них возрастает вдвое).

Биологическая роль. Алюминий – необходимый организму микроэлемент. В растительных организмах его содержится в десяти раз больше, чем в организмах животных. У человека алюминий обнаружен во всех органах, тканях и выделениях. Больше всего алюминий содержится в легких, печени, костях, головном мозге. Алюминий принимает участие в построении эпителиальной и соединительной ткани, в процессе регенерации костной ткани, в обмене фосфора. В зависимости от концентрации в организме алюминий оказывает активирующее или ингибирующее действие на активность пищеварительных ферментов. Известно, что нитрат алюминия повышает общую кислотность организма и переваривающую способность желудочного сока, увеличивает содержание в нем свободной соляной кислоты (учащиеся могут объяснить этот факт, написав уравнение гидролиза этой соли). Алюминий влияет на центральную нервную систему: повышенное содержание этого элемента в крови вызывает возбуждение, а пониженное – торможение.

В организме человека алюминия содержится 10^-3 %.

Токсическое действие. Алюминий – биологический конкурент железа, кальция и фосфора. Избыток его в организме человека приводит к нарушению минерального обмена: снижается задержка кальция, уменьшается адсорбция фосфора и железа, что в свою очередь ведет к снижению уровня АТФ в крови и нарушению процессов фосфорилирования; замедляется рост и размножение клеток. Высокая комплексообразующая способность алюминия обусловливает угнетение активности ряда ферментов, особенно участвующих в кроветворении (блокируются их активные центры).

Алюминий обладает нейротоксическим действием – нарушает двигательную активность, вызывает судороги, снижение памяти, некоторые психические реакции наподобие слабоумия. Имеются данные мутагенной активность алюминия.

Таллий

Антропогенные источники: сжигание топлива, производство свинца, меди, цинка, промышленные сточные воды, применение калийных удобрений.

Биологическая роль. Отсутствует. Содержание в организме человека – 10^-12 %.

Токсическое действие. Таллий относится к ядам, поражающим центральную и периферическую нервную системы, желудочно-кишечный тракт и почки. Таллий – биологический конкурент калия из-за сходства между ионами (одновалентные ионы таллия чрезвычайно токсичны). Таллий, замещая калий, конкурирует с ним за место в биологических мембранах. Попав в организм, таллий накапливается в волосах, костях почках, мышцах. Один из симптомов отравления таллием – выпадение волос.

Металлы главной подгруппы ІV группы

Свинец

Антропогенные источники: промышленные и бытовые сточные воды, выбросы автотранспорта, производство фотоматериалов, спичек, красок, аккумуляторов.

Биологическая роль. Отсутствует. Содержание свинца в организме человека – 10^-6 – 10^-12 %.

Токсическое действие. Все соединения свинца и сам металл ядовиты. В организме человека свинец удерживается белками эритроцитов, затем поступает в плазму крови (в виде комплексов с гамма-глобулином) и, наконец, достигает почек, печени и других органов. В костях свинец накапливается постепенно и надолго остается в них. Время от времени происходит выделение свинца из костей, что может стать причиной неожиданного развития симптомов острого отравления. Поражения десен, расстройство кишечника, заболевания почек, сосудов и центральной нервной системы, угнетение синтеза белка, отрицательное воздействие на генетический аппарат клетки – результат отравления свинцом.

Металлы главной подгруппы V группы

Сурьма и висмут

Антропогенные источники: сточные воды обогатительных фабрик и цехов металлургических предприятий, бытовых комбинатов, химико-фармацевтического производства.

Эти элементы не выполняют в организме человека никаких биологических функций. Для природной среды их соединение – яды.

Попадая в организм человека, сурьма вызывает кожные высыпания и пневмосклероз 9при вдыхании пыли), у женщин – гинекологические заболевания.

Ионы висмута в организме человека связываются с иммуноглобулинами, снижая их общее содержание; из-за образования специфического растворимого комплекса с белками висмут легко проникает через мембраны. Соли висмута угнетают действие амино- и карбоксипептидазы. Нарушают развитие плода в материнском организме, вызывают серьезные изменения в мозговой ткани, токсический гепатит, почечную недостаточность.

Металлы побочной подгруппы V группы

Ванадий

Антропогенные источники: сжигание топлива, выбросы автотранспорта, отходы обогатительных предприятий, металлургического, химического, лакокрасочного, текстильного, стекольного производства.

Биологическая роль. Содержание ванадия в организме человека – 10^-6 %. Ванадий участвует в регуляции жирового обмена, синтеза триглицеридов, процессах минерализации костной ткани, в метаболизме глюкозы и глутамина; катализирует ряд окислительно-восстановительных процессов. Он играет важную роль в повышении защитных функций организма, стимулирует движение фаноцитов – клеток, поглощающих болезнетворные микробы и повышающих невосприимчивость организма к инфекциям. Биохимические исследования показали, что в сочетании с другими микроэлементами ванадий замедляет процессы старения.

Токсическое действие. Высшим растениям ванадий не нужен, для них он один из наиболее токсичных элементов (тормозит рост, частично обесцвечивает листья). Однако многие растения (грибы, лишайники, папоротники, злаковые) аккумулируют его из почвы, поэтому представляют опасность для человека и животных.

Попадая в виде пыли в легкие человека, ванадий вызывает пневмосклероз, кожные высыпания.

Ниобий и тантал

Эти элементы не являются для организма человека необходимыми. Их соединения токсичны и вызывают легочные заболевания.

В природной среде соединения ниобия тормозят процессы самоочищения водоемов.

Металлы главной подгруппы VІ группы

Теллур

Антропогенные источники: металлургическая промышленность (стоки, пыль, аэрозоли), сжигание угля, сточные воды химического, машиностроительного, электротехнического, резинотехнического, нефтеперерабатывающего, стекольного производства.

Биологическая роль. Отчетливого представления о биологической роли теллура не существует. Содержание его в организме человека – 10^-6 %.

Токсическое действие. Теллур относят к тиоловым ядам – его действие по многом сходно с эффектами мышьяка и селена. При острых и хронических отравлениях происходит поражение центральной нервной системы, крови желудочно-кишечного тракта, почек и органов дыхания, нарушение обмена веществ. Теллур проникает через плаценту и может вызвать гибель плода. Все соединения теллура подвергаются в организме восстановлению до элементарного теллура, который ингибирует ряд ферментов (дегидразу и оксидазу мышц, каталазу), вызывает снижение уровня SH-группы в крови, тормозит рост организма.

Растворимые соли – теллуриты и ортотеллуриты – более токсичны, чем элементарный теллур и оксид теллура(IV).

Металлы побочной подгруппы VІ группы

Хром

Антропогенные источники: выбросы предприятий, добывающих, перерабатывающих, получающих и применяющих хром и его соединения; сжигание угля, промышленные стоки.

Биологическая роль. Содержание хрома в организме человека – 10^-4%. Биологическая роль мало изучена. Известно, что хром – непременный компонент ферментативных комплексов, участвующих в отмене жиров, белков и углеводов.

Токсическое действие. Наиболее ядовиты соединения хрома(IV), высокотоксичны соединения хрома(III), а соединения хрома(II) менее токсичны. При отравлении соединениями хрома в первую очередь поражаются почки, затем – печень и поджелудочная железа. Соединение хрома – канцерогены (вызывают рак легких и желудка) и аллергены.

Молибден

Антропогенные источники: переработка обогащение молибденовых руд, получение самого металла и его сплавов, фосфорные удобрения, производство цемента, микроудобрения, содержащих молибден, выбросы ТЭС.

Биологическая роль. Содержание молибдена в организме человека – 10^-4%. Молибден – важный микроэлемент растительных и животных организмов. У клубеньковых бактерий оно входит в состав нитрогеназы – фермента, отвечающего за фиксацию атмосферного азота. У растений – в состав фермента нитратредуктазы, который необходим для восстановления нитрат-иона до нитрат-иона в процессе синтеза аминокислот. В организме человека молибден участвует в тканевом дыхании, синтезе аскорбиновой кислоты, углеводном обмене.

Таксическое действие. При хроническом воздействии соединений молибдена на организм человека облабевает его иммунная защита, изменяется состав крови, возникают болезни органов пищеварения (гастрит, холецистит), сердечно-сосудистой системы и мозга, гинекологические заболевания, кариес, снижается жизненная емкость легких.

Вольфрам

Антропогенные источники: добыча, обогащение и переработка вольфрамовых руд, сточные воды металлургических предприятий.

Биологическая роль. Содержание вольфрама в организме – 10^-7 %. О биологической роли сведений нет.

Токсическое действие. Вольфрам – биологический конкурент молибдена. Попадая в организм человека и замещая молибден в соответствующих ферментах, он ингибирует их активность. Избыток вольфрама в организме приводит к нарушению функций печени, изменению белкового состава крови ( повышенному содержанию альбуминов), накоплению холестерина, общих липидов сыворотки крови.

Металлы побочной подгруппы VII группы

Марганец

Антропогенные источники: добыча и переработка марганцевых руд, выплавка чугуна, стали и сплавов, производство сухих гальванических элементов, сварка и резка металлов; выхлопные газы транспортных средств, работающих на бензине, в котором с качестве анидетонаторной присадки использован металциклопентадиенилмаргаництрикорбонил (ММТ), применение фунгицида, содержащего марганец.

Биологическая роль. Содержание марганца в организме человека – 10^-4 %. Он входит в состав металлпротеинового комплекса ферментов, активирует многие ферменты, может замещать другие металлы, в частности магний, в клеточных ферментных реакциях – этим обусловлено его участие в обмене веществ. Он необходим для формирования соединительной ткани и костей, роста организма, репродуктивной функции, функции центральной нервной системы и эндокринных желез. Недостаток марганца отрицательно сказывается на развитии костей.

У растений марганец участвует в окислении жирных кислот, процессах дыхания и фотосинтеза.

Токсическое действие. Проявляется в поражении легких, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, угнетении функций окислительных ферментов митохондрий. Обладает мутагенным и аллергическим эффектом.

Металлы побочной подгруппы VIII группы

Железо

Антропогенные источники: сточные воды и шламы металлургического, химического, нефтехимического, фармацевтического, лакокрасочного, текстильного производства; коррозия.

Биологическая роль. Содержание железа в организме человека составляет 10^-2%. Физиологическая роль железа обусловлена его способностью образовывать различные комплексные соединения с молекулярным кислородом, серой, азотом. Железосодержащие белки выполняют различные жизненно важные функции: гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям всех органов, миоглобин запасает его в мышцах в связанном виде, цитохромы обеспечивают тканевое дыхание. Железо участвует и в построении клеточного ядра.

Токсическое действие. Соединения железа(II) более токсичны, чем соединение железа(III). Вдыхание пыли, содержащей соединение железа, приводит к заболеванию легких, сердечно-сосудистой дистонии , к снижению секреции желудка, изменению состава крови, возникновению стоматита, гастрита.

Кобальт

Антропогенные источники: горно-металллургические комбинаты, пылевые выбросы в производстве цемента, сжигание каменного угля, выбросы автотранспорта.

Биологическая роль. Кобальт – незаменимый микроэлемент. Содержание его в организме – 10^-4%. Кобальт входит в состав витамина В₁₂ и ряда ферментов. Он положительно влияет на развитие эритроцитов, синтез белков, усвоение организмом кальция, фосфора и азота. Недостаток кобальта в организме может вызвать рак крови.

У растений кобальт в небольших количествах оказывает стимулирующее действие на важнейшие физиологические процессы (фотосинтез, дыхание, водный обмен и др.), повышает активность различных ферментов. Входят в состав витамина В₁₂влияющего на поступление азота и увеличение содержания хлорофилла и аскорбиновой кислоты, кобальт активирует биосинтез и повышает содержание белкового азота.

Токсическое действие. В повышенных концентрациях кобальт весьма токсичен. Он понижает артериальное давление, нарушает функции печени, щитовидной железы, углеводный обмен, увеличивает содержание молочной кислоты в мышечной ткани (причина утомляемости), тормозит переваривание жиров (жирные кислоты не утилизируются полностью и превращаются в триглицериды). Высокие дозы кобальта инактивируют ферменты окислительно-восстановительного ряда, угнетают дыхание тканей костного мозга, печени, почек процессы кроветворения. Ионы кобальта разрушают белки, так как образуют с ними устойчивые комплексы.

Никель

Антропогенные источники: предприятия горнорудной промышленности, производство цветных металлов, сжигание угля и мазута, выбросы автотранспорта, промышленные сточные воды, табачный дым.

Биологическая роль. Никель – необходимый человеку микроэлемент. Содержание его – 10^-4 %. Он входит в состав многих ферментов. Недостаток никеля в организме приводит к ингибированию ферментов печени, нарушает дыхательные процессы в митохондриях, изменяет содержание липидов в печени. Никель участвует в регуляции метаболизма гемма в печени и почках. Никель – биологический конкурент меди и железа. При избытке в организме никеля в нем падает содержание меди.

Токсическое действие. Высокий уровень содержания никеля в окружающей среде привел к появлению нового неврологического заболевания - миело-оптико-нейропатия (Япония). Симптомы: боли в животе, нарушение чувствительности, паралич, падение остроты зрения.

Соединение никеля и кобальта – канцерогены.

Обсуждение проблемы загрязнения окружающей среды металлами показывает, что этот вид загрязнения наиболее опасен для биологических объектов. Металлы проявляют двойственную роль в природной среде в зависимости от концентрации. Завышенное и заниженное содержание их в организмах вызывает различные болезни. Часто ион какого-било металла в организме (особенно при его недостатке) может замещаться близким по химическим свойствам и радиусу ионом другого металла, обычно «соседа» по группе периодической системы. Так, натрий замещается литием, калием и рубидием; кальций – стронцием, молибден – вольфрамом, железо – кобальтом. Иногда взаимозаменяются ионы весьма отличных по свойствам металлов, например, ионы магния ионами марганца. Это свидетельствует о заменяемости элементов жизни (в частности, в ферментативных системах), что в первую очередь зависит от химического состава среды.

Особенно опасно загрязнение среды тяжелыми металлами, поскольку они включаются в природный круговорот веществ. В последнее время все чаще выявляют очаги аномально высоких концентраций тяжелых металлов. Например, в некоторых промышленных районах содержание в почве свинца превышает его фоновое значение в 22 раза, кобальта – в 10, цинка – в 28, меди – в 100 раз. Из почвы металлы попадают в растения. Так, в помидорах, выращенных на расстоянии 500-5000 м от предприятия цветной металлургии, свинца содержится в 5 – 10 раз больше, а в клубнях картофеля – в 10-170 раз больше, чем на более удаленных участках. Накапливать металлы способны также грибы, мхи, водоросли, моллюски, рыбы. Например, в карпах, выращенных в прудах возле автомагистралей, концентрация свинца превышает допустимые значения в 3 раза.

Недостаток тяжелых металлов в природной среде также небезопасен для живых организмов. Полагают, что нехватка в организме цинка, меди, кобальта или никеля вызывает потерю аппетита, развитие близорукости.

Можно предложить учащимся составить схему передвижения того или иного металла по пищевой цепи, используя разнообразные источники поступления его в биосферу. При этом указать, в какой вероятной химической форме находится металл (класс соединений, растворимость) в каждом звене пищевой цепи, на что он влияет, какие нарушения вызывает, к каким последствиям может привести.

Воздействие тяжелых металлов на биологические объекты учащиеся могут исследовать во внеурочное время. Эту работу проводят либо с использованием образцов почвы и воды, взятых вблизи промышленных предприятий, било в условиях имитационных опытов. В качестве биологических объектов служат комнатные и аквариумные растения, а также проростки семян.

Еще одна серьезная проблема – коррозия металлов. С одной стороны, коррозию можно рассматривать как источник загрязнения среды металлами, а с другой – как следствие загрязнения окружающей среды. К сегодняшнему дню человек выплавил не менее 20 млрд. тонн железа, из которых 14 млрд. тонн уже «съедены» ржавчиной, рассеяны в биосфере. Ежегодно в мире производят около 0,6 млрд. тонн стали, от 10 до 25% которой уничтожает коррозия.

Интенсивность коррозии связана с наличием в биосфере агрессивных загрязнителей в виде газов , сажи, пыли, содержащей микропримеси металлов. Потери из-за коррозии можно значительно снизить, если не допускать загрязнения окружающей среды. С этой целью применяют мокрый способ очистки дымовых и отходящих газов, производят замену стальных и железобетонных труб трубами из фторопласта или фаолита; такие трубы можно эксплуатировать в течении 25-30 лет без замены. Для защиты черных металлов от сероводородной коррозии их заменяют другими конструкционными материалами, устойчивыми к сероводороду. К ним относят алюминий и его сплавы. Разрабатывают и внедряют коррозионно стойкие марки стали, ингибиторы коррозий, химические стойкие гидроизоляционные покрытия на основе полиэтилена. Коррозионную устойчивость железобетонных сооружений повышает добавление к цементной смеси ацетата натрия.

Коррозионно агрессивные вещества (кислоты, щелочи, соли) могут проникать в грунт из атмосферы, из подземных коммуникаций химических производств, в случаях аварий при их транспортировке. Попадая в почву, эти продукты усиливают коррозию металлических сооружений.

В наибольшей степени подвергают загрязнению металлами районы, в которых добывают руду, обогащают ее и производят металл. Установлено, что 70-75 % всех производственных отходов приходится на горную промышленность. Существует четкая закономерность: чем меньше объема производства металла и его концентрация в рудах, тем больше отходов образуется при получении его из руды. Так, из богатых железных руд на 1 т полученного железа образуется 1 т постой породы, а их бедных железных руд на такое же количество выплавленного металла образуется уже 2 т пустой породы. Для цветных металлов количество отходов еще больше: на 1 т готового металла для свинца – 30 т пустой породы, никеля – 100 м, меди – 200 – 300 т, олова – 500-1000 т, вольфрама и молибдена – около 2000 т.

В отвалах теряется более 15 % меди, 50 % цинка, 45 % серы и 13-14 % благородных металлов. Процесс выплавки металлов часто связан с применением различных токсичных веществ и сопровождается образованием пыли и газа, содержащих оксиды металлов. Так, отходы медиплавленой промышленности на 1 т черновой меди дают 2,09 т пыли, которая содержат до 15 % меди до 60 % оксидов железа, по 4 % мышьяка, ртути, цинка, свинца. Из медеплавильных печей выбрасываются в атмосферу также никель, кобальт, молибден и другие металлы. Потери продукции составляют от 5 до 20 %.

В черной металлургии проблем не меньше. Выплавка чугуна и стали сопровождается образованием большого количества отходов: твердых (шлак, пыль), газообразных (дымовые газы) и жидких (сточные воды). В окружающую среду попадают оксиды железа, алюминия, марганца, кремния и углерода, а также соединения серы.

Все эти данные свидетельствуют об огромной техногенной нагрузке на природную среду. Дальнейшее обсуждение проблемы можно связать с поиском путей снижения или предотвращения этой нагрузки. К ним следует отнести: комплексное использование руд, улавливание и использование газообразных выбросов, переработку твердых отходов (снижение их токсичности и появление нового источника сырья), повторное вовлечение в технологический процесс очищенных стоков, разработку и внедрение малоотходных технологий (например, бездоменный процесс получения железа).

Тема «Металлургия»

Процессы выплавки чугуна и переработки его в сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов и пыли. Выброс пыли в расчете на 1 т передельного чугуна составляет 4,5 оксида серы(IV) – 2,7кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианид водорода и смолистые вещества.

Загрязняют атмосферу и выбросы мартеновских и конвертных сталеплавильных цехов. При ведении мартеновского процесса пыль образуется из металлической шахты (стальной лом) при ее окислении, из шлака, руды , известняка и окалины, идущих на окисление примесей шахты, и из доломита. В период кипения стали выделяются пары оксидов железа(ІІІ) и алюминия. При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали выделяются 3000 – 4000 м³ газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м^3.. В период подачи кислорода в зону расплавленного металла пылеобразование многократно увеличивается, достигая 15-52 г/м³. Кроме того, плавление стали сопровождается выгоранием некоторого количества углерода и серы, в связи с чем в отходящих газах мартеновских печей при кислородном дутье содержится до 60 кг оксида углерода(ІІ) и до 3 кг оксида серы(ІV) в расчете на 1 т выдаваемой стали.

Главная особенность конвертерного процесса – получение стали из жидкого чугуна без применения топлива. Образующиеся дымовые газы состоят из частиц оксидов кремния, марганца и фосфора. В составе дыма содержится значительно количество угарного газа – до 80%. Концентрация пыли в отходящих газах составляет примерно 15 г/м³.

Перечисленные производства потребляют огромное количество кислорода воздуха и воды. Так, на 1 т чугуна или стали расходуется 8 кг кислорода и 150 м³ воды. Если учесть, что годовое производство черных металлов составляет примерно 240-250 млн. тонн, то становится понятно, почему так остро стоит сейчас проблема экономного и рационального использования природных ресурсов. Учащиеся более осмысленно воспринимают сообщение учителя о внедрении на металлургических предприятиях нового перспективного метода получения стали путем прямого восстановления железа из руды, позволяющего резко сократить расход воды и кислорода и практически исключить загрязнение атмосферы.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 6

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

В РАСЧЕТНЫХ ЗАДАЧАХ

1. Хлор может использоваться для очистки сточных вод от фенола. В водных растворах, содержащих фенол и хлор, идут сложные окислительно-восстановительные процессы и образуется смесь продуктов. В одной из реакций хлорноватистой кислоты с фенолом образуются СО2, HCl и вещество А:

Cl2 + H2O HCl + HClO (1)

C6H5OH + 7HClO A + 2CO2 + 7HCl (2)

(Стехиометрический коэффициент перед А равен 1)

При взаимодействии этого вещества массой 3,54 г с раствором гидроксида натрия массой 50 г (массовая доля щелочи 0,048) образуется средняя соль. Определите химическое строение вещества А.

РЕШЕНИЕ

Определяем молекулярную формулу вещества. Предположим, что вещество А содержит только атомы углерода, водорода и кислорода: СxНyОz. На основании уравнения химической реакции (2) составляем три алгебраических уравнения, учитывая, что число атомов углерода, водорода и кислорода в исходных веществах и в продуктах реакции одинаково:

6 = x + 2 => x = 4

{ 13 = y + 7 => y = 6 => C4H6O4

9 = z + 5 => z = 4

Чтобы определить химическое строение вещества А, найдем соотношение, в котором оно реагирует с гидроксидом натрия:

mo(NaOH) m(NaOH) n(NaOH)

50 г 2,4 г 0,06 моль

m(C4H6O4)

3,54 г n(C4H6O4)

M(C4H6O4) 0,03 моль

118 г/моль

Теперь можно предположить, что молекула вещества А содержит две карбоксильные группы: НООС-СН2-СН2-СООН

Ответ: янтарная кислота.

2. Нормальная средняя концентрация растворенного кислорода в пресном водоеме составляет 7 мг/л. В озере Х из-за эвтрофикации (чрезмерное поступление питательных веществ в результате сброса воды из городской канализации, смыва удобрений с близлежащих полей и эрозии почвы) происходит бурное развитие фитопланктона. Это в свою очередь приводит к снижению средней концентрации растворенного кислорода на 1,9 ·10

моль/л в год.

Ученые подсчитали, что если темпы снижения концентрации О2 сохраняется, то через 50 лет условия в озере Х станут эвтрофными, т.е. вода сильно помутнеет, погибнут природные растения, рыбы и моллюски, сменившись на популяции рыб, обитающих у поверхности воды и питающихся планктоном; произойдет заболачивание местности.

Рассчитайте типичную среднюю концентрацию растворенного О2 (в мг/л) для эвтрофных условий.

РЕШЕНИЕ

За 50 лет произойдет снижение концентрации на

1,9 ·10

моль/л · год · 50 лет = 9,5 · 10

моль/л,

что в мг/л составит

9,5 · 10

моль/л · 32 ·10

мг/моль = 3,04 мг/л

Таким образом, в каждом литре останется

7 мг/л – 3,04 мг/л ≈ 4 мг/л

Кислорода, что и является типичной средней концентрацией растворенного О2 для эвтрофных условий.

3. Объем Мирового океана 1370 млн.км³, а в одной капле воды (≈ 0,03 мл) содержится 250 млрд. атомов урана. Оцените массу урана в Мировом океане и сравните его запасы в океанической воде с запасами в разведанных месторождениях на суше – 18 млн. т.

РЕШЕНИЕ

N(U) n(U) c(U) nо(U) mо(U)

2,5∙10

4,15∙10

моль 1,38∙10

моль/л 1,89∙10

моль 4,5∙10

V V0

3∙10

л 1,37∙10

Пояснения к решению. Рассчитываем молярную концентрацию атомов урана c(U) в морской воде, исходя из числа атомов урана N(U) в одной капле воды и объема капли V; затем переходим к массе урана в Мировом океане mo(U). При этом используем формулы, связывающие эти величины: n(U) = N(U)/NA; c(U) = n(U)/V; nо(U) = c(U)∙ V0, где V0 - объем Мирового океана;

mо(U) = nо(U)∙ M(U).

Ответ: 4,5 млрд.т. урана, что в 250 раз превышает его разведанные запасы на суше.

Методические рекомендации. Имеет смысл обратить внимание учащихся на то, что, несмотря на очень малую концентрацию урана в океанической воде, его запасы в Мировом океане огромны. В настоящее время разработаны методы выделения урана из морской воды, но стоимость «морского» урана во много раз превышает стоимость урана выделяемого из его руд.

4. Кислотные дожди разрушают памятники культуры. Сравнительно прочный мрамор реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (CaSO4∙2H2O). Смена температур, потоки дождя и ветер быстро разрушают этот мягкий материал. Оцените объем дождевой воды, содержащей серную кислоту (pH = 4), при контакте с которой слой мрамора толщиной 1 мм и площадью 10 м² превращается в гипс. Плотность мрамора 2,8 г/см³; степени диссоциации серной кислоты как по первой, так и по второй ступени 100 %. Оцените достоверность полученного значения.

РЕШЕНИЕ

pH c(H

) c(H2SO4)

4 1∙ 10

моль/л 5∙ 10

моль/л

V(CaCO3) m(CaCO3) n(CaCO3) n(H2SO4) V0

1∙10

см³ 2,8∙10

г 280 моль 280 моль 5,6 ∙10

280 моль 280 моль

CaCO3 + H2SO4 + H2O CaSO4∙2H 2O + CO2

Пояснение к решению. Исходя из водородного показателя, рассчитываем молярную концентрацию серной кислоты. Затем находим объем кальцита (основной компонент мрамора), его массу и количество карбоната кальция; по химическому уравнению рассчитываем количество Кислоты, необходимое для растворения карбоната кальция. Исходя из количества кислоты и ее молярной концентрации находим объем дождевой воды.

Ответ: V0 = 5,6 ∙10

л, или 5600 м³. Расчет дает минимальное значение массы дождевой воды, поскольку он основан на предположениях, что кислота, содержащаяся в дождевой воде, успевает полностью прореагировать с мрамором и вода имеет pH = 4 (однако такая кислотность дождевой воды в Европе наблюдается сравнительно редко).

5. На дне Черного моря постоянно образуется сероводород – это результат жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Происходящий процесс можно выразить схемой:

CH4 + CaSO4 микроорганизмы CaCO3 + H2O + H2S

Рассчитайте объем (н.у.) сероводорода, образующегося при восстановлении 1 кг сульфата кальция, и объясните, почему верхние слои воды (менее 150-200 м) не содержат сероводорода.

РЕШЕНИЕ

m(CaSO4) n(CaSO4) n(H2S) V(H2S)

1000 г 7,35 моль 7,35 моль 166 л

7,35 моль 7,35 моль

CH4 + CaSO4 микроорганизмы CaCO3 + H2O + H2S

Ответ: V(H2S) = 166 л (н.у.) На глубине 150-200 м сероводород встречается с растворенным в воде кислородом. Кроме того, на этой же глубине живут серобактерии, которые используют реакцуию окисления сероводорода как источник энергии:

2H2S + O2 микроорганизмы 2S + H2O + 420 кДж

6. Оцените, на сколько метров поднимется уровень океанов, если все ледники растают. Условия расчета: а) объем льда в ледниках всего земного шара равен ≈ 24 млн.км³; б) радиус Земли 6370 км; в) океаны занимают 71 % поверхности планеты; г) плотность льда 0,92 г/см³, плотность воды 1,00 г/см³.

РЕШЕНИЕ

V(H2O тв.) m(H2O) V(H2O жид.)

24∙10

см³ 22,1∙10

г 22,1∙10

см³ h

6,1∙10³ см

R S S′

6,37∙10

см 5,1∙10

см² 3,6∙10

см²

Пояснение к решению. При расчете используем следующие формулы: площадь поверхности Земли: S = 4 π R²; площадь водной поверхности: S′ = 0,71 S;

объем воды, образовавшийся в результате таяния льда: V(H2O жид.) = S′ ∙ h, где h – высота подъема уровня океанов.

Ответ: h ≈ 61 м. Расчет дает завышенное значение h, так как не учитывается, что при подъеме уровня океана часть суши уйдет под воду и площадь водной поверхности S′ увеличится.

7. Предположим, что в городе 1 млн. квартир и из-за неисправности водопроводных кранов за 20 с вытекает в среднем 10 капель горячей (80º С) воды. Рассчитайте, какой объем метана (25º С, 1 атм) напрасно сжигают на городских тепловых станциях за год. Условия расчета: а) объем капли 0,2 мл; б) воду нагревают от 10 до 80º С; в) теплота сгорания метана 880 мДж/моль; г) на нагрев воды идет 86 % теплоты, выделяющейся при сгорании метана; д) удельная теплоемкость воды 4,2 Дж/ г∙К.

РЕШЕНИЕ

V/t V′/t V(H2O) m(H2O) Q

0,1 мл/с 0,1∙ 10

мл/с 3,16 ∙ 10

мл 3,16 ∙ 10

г 9,3 ∙ 10

Дж

V(CH4) n(CH4) Q′

30,1 ∙ 10

л 1,23 ∙ 10

моль 10,8 ∙ 10

Дж

Пояснение к решению. Рассчитываем объемную скорость воды, вытекающей из одного крана: V/t = 2 мл : 20 = 0,1 мл/с, и объем воды, вытекающей за год (31,56 ∙ 10

с) из всех кранов:

V(H2O) = 10

∙ 31,56∙ 10

с ∙ 0,1 мл/с = 3,16 ∙ 10

мл. Масса этой воды: m(H2O) = 3,16 ∙ 10

г (плотность воды ≈ 1 г/мл). Количество теплоты Q, необходимое для нагревания воды массой m(H2O) от температуры T1 до температуры T2 , находим по формуле Q = c ∙ m(H2O) ∙ (T2 – T1), где с – удельная теплоемкость воды. На нагревание воды идет 86 % теплоты, выделяющейся при сгорании метана Q′, следовательно, Q′ = Q/0,86. Количество метана, необходимое для получения этой теплоты, вычисляем по формуле n(CH4) = Q′/q m , где q m – молярная теплота сгорания метана.

Ответ: за год в мегаполисе впустую сжигается 30,1∙ 10

м³ газа.

Литература

1. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. М.: Высшая школа,1998.

2. Ягодин Г.А., Раков З.Г., Третьякова Л.Г.Химия и химическая технология в

решении глобальных экологических проблем. М.: Химия, 1998.

3. В.М. Назаренко. Журнал, «Школа-Пресс», Химия в школе, 1996.

4. Е.Н. Ануфриева. Журнал, «Школа-Пресс», Химия в школе, 1996.

5. А.В. Краснянский. Журнал, «Школа-Пресс», Химия в школе, 1996.

6. Туринска Н.В. Химия. - К., 2000.

Харківська вечірня школа № 37

Страницы

Формування екологічної орієнтації учнів і розв'язування екологічних проблем в хімічних розрахункових задачах

Вода, дарующая жизнь

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Тема «Галогены»

ФТОР

ХЛОР

БРОМ

ЙОД

Тема «Подгруппа кислорода»

КИСЛОРОД И ОЗОН

СЕРА И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯ

Тема «Подгруппа углерода»

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Обо мне