Химия окружающей среды вода

Экологическая химия область исследования и применения

химия окружающей среды Он изучает химические процессы, которые происходят на уровне окружающей среды. Это наука, которая применяет химические принципы для изучения экологических характеристик и воздействий, вызываемых деятельностью человека..

Кроме того, экологическая химия разрабатывает методы предотвращения, смягчения и восстановления существующего ущерба окружающей среде..

Химия окружающей среды может быть разделена на три основных дисциплины:

1. Экологическая химия атмосферы.
2. Экологическая химия гидросферы.
3. Экологическая химия почвы.

Комплексный подход к химии окружающей среды также требует изучения взаимосвязей между химическими процессами, происходящими в этих трех отсеках (атмосфера, гидросфера, почва), и их связями с биосферой..

• 1 Экологическая химия атмосферы
  • 1.1 -Стратосфера
  • 1.2 -Тропосфера
• 2 Экологическая химия гидросферы
  • 2.1 — Пресная вода
  • 2.2 — Водный цикл
  • 2.3 — Антропологические воздействия на водный цикл
• 3 Экологическая химия почвы
  • 3.1 Почва
  • 3.2 Антропологические воздействия на почву
• 4 Отношения между химией и окружающей средой
  • 4.1 -Модель Гаррелс и Лерман
• 5 Применение химии окружающей среды
• 6 Ссылки

Экологическая химия атмосферы

Атмосфера — это слой газов, который окружает Землю; это очень сложная система, где температура, давление и химический состав изменяются с высотой в очень широких пределах.

Солнце бомбардирует атмосферу радиацией и частицами высокой энергии; этот факт оказывает очень существенное химическое воздействие на все слои атмосферы, но, в частности, на верхний и внешний слои.

-стратосфера

Реакции фотодиссоциации и фотоионизации происходят во внешних областях атмосферы. В области высотой от 30 до 90 км, измеренной от поверхности земли, в стратосфере расположен слой, содержащий в основном озон (ИЛИ₃), называемый озоновым слоем.

Озоновый слой

Озон поглощает ультрафиолетовое излучение высокой энергии, которое исходит от Солнца, и если бы не существование этого слоя, ни один из известных способов жизни на планете не мог бы существовать..

В 1995 году химики-атмосферщики Марио Дж. Молина (мексиканец), Фрэнк С. Роуланд (американец) и Пол Крутцен (голландец) получили Нобелевскую премию по химии за исследования по разрушению и истощению озона в стратосфере..

В 1970 году Крутцен показал, что оксиды азота разрушают озон посредством каталитических химических реакций. Впоследствии Молина и Роуланд в 1974 году показали, что хлор хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) также способен разрушать озоновый слой.

-тропосфера

Атмосферный слой непосредственно над поверхностью земли, высотой от 0 до 12 км, называемый тропосферой, состоит в основном из азота (N₂) и кислород (O₂).

Токсичные газы

В результате деятельности человека в тропосфере содержится много дополнительных химических веществ, которые считаются загрязнителями воздуха, таких как:

• Двуокись и окись углерода (СО₂ и СО).
• Метан (СН₄).
• Оксид азота (NO).
• Диоксид серы (SO)₂).
• Озон О₃ (считается загрязняющим веществом в тропосфере)
• Летучие органические соединения (ЛОС), порошки или твердые частицы.

Среди многих других веществ, которые влияют на здоровье человека, растений и животных.

Кислотный дождь

Оксиды серы (SO₂ и так₃) и азотные, такие как закись азота (NO₂), вызвать еще одну экологическую проблему под названием кислотные дожди.

Эти оксиды, присутствующие в тропосфере в основном как продукты сгорания ископаемого топлива в промышленной деятельности и на транспорте, вступают в реакцию с дождевой водой с образованием серной кислоты и азотной кислоты с последующими кислотными осадками.

Высаживая этот дождь, содержащий сильные кислоты, он вызывает ряд экологических проблем, таких как подкисление морей и пресных вод. Это вызывает гибель водных организмов; подкисление почв, что вызывает гибель сельскохозяйственных культур и разрушение вследствие химического коррозионного воздействия зданий, мостов и памятников.

Другие атмосферные проблемы окружающей среды — фотохимический смог, вызванный главным образом оксидами азота и тропосферным озоном.

Глобальное потепление

Глобальное потепление вызвано высокими концентрациями СО₂ атмосферные и другие парниковые газы (ПГ), которые поглощают большую часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли, и задерживают тепло в тропосфере. Это вызывает изменение климата на планете.

Экологическая химия гидросферы

Гидросфера соответствует всем водоемам Земли: поверхностным или огромным — океанам, озерам, рекам, родникам — и подземным или водоносным слоям..

-Пресная вода

Вода является наиболее распространенным жидким веществом на планете, покрывает 75% поверхности Земли и абсолютно необходима для жизни..

Все формы жизни зависят от пресной воды (определяется как вода с содержанием соли менее 0,01%). 97% воды планеты — соленая вода.

Из оставшихся 3% пресной воды 87% находится в:

• Полюса Земли (которые тают и вливаются в моря из-за глобального потепления).
• Ледники (также в процессе исчезновения).
• Подземные воды.
• Вода в форме пара присутствует в атмосфере.

Только 0,4% всей пресной воды планеты доступно для потребления. Испарение воды из океанов и выпадение осадков постоянно обеспечивают этот небольшой процент.

Экологическая химия воды изучает химические процессы, которые происходят в водном цикле или гидрологическом цикле, а также разрабатывает технологии для очистки воды для потребления человеком, очистки промышленных и городских сточных вод, опреснения морской воды, рециркуляции и сохранение этого ресурса, среди прочего.

-Водный цикл

Водный цикл на Земле состоит из трех основных процессов: испарения, конденсации и осадков, из которых происходят три контура:

1. Поверхностный сток
2. Эвапотранспирация растений
3. Инфильтрация, при которой вода проходит на подземные уровни (подземные воды), циркулирует через каналы водоносного горизонта и выходит через источники, источники или колодцы..

-Антропологические воздействия на водный цикл

Деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды; Некоторые из причин и следствий антропологического действия следующие:

Модификация поверхности земли

Это вызвано уничтожением лесов и полей с обезлесением. Это влияет на круговорот воды, устраняя эвапотранспирацию (забирая воду через растения и возвращаясь в окружающую среду через испарение и испарение) и увеличивая сток.

Увеличение поверхностного стока вызывает увеличение речного стока и наводнений.

Урбанизация также изменяет поверхность земли и влияет на круговорот воды, поскольку пористая почва заменяется цементом и непроницаемым асфальтом, что делает невозможным проникновение.

Загрязнение водного цикла

Водный цикл включает в себя всю биосферу и, следовательно, отходы, генерируемые человеком, включаются в этот цикл различными процессами..

Химические загрязнители в воздухе попадают в дождь. Агрохимикаты, наносимые на почву, страдают от выщелачивания и инфильтрации в водоносные горизонты или стекают в реки, озера и моря.

Кроме того, отходы жиров и масел и выщелачивание свалок вывозятся путем инфильтрации в грунтовые воды..

Добыча воды с овердрафтом в водных ресурсах

Такая практика с использованием овердрафта вызывает истощение запасов подземных и поверхностных вод, влияет на экосистемы и вызывает локальное оседание почвы..

Экологическая химия почвы

Почвы являются одним из важнейших факторов баланса биосферы. Они обеспечивают растения, воду и питательные вещества для растений, которые являются производителями в наземных трофических цепях.

Пол

Почву можно определить как сложную и динамичную экосистему из трех фаз: твердой фазы минерального и органического носителя, водной жидкой фазы и газовой фазы; характеризуется наличием определенной фауны и флоры (бактерии, грибы, вирусы, растения, насекомые, нематоды, простейшие).

Свойства почвы постоянно меняются из-за условий окружающей среды и биологической активности, которая в ней развивается..

Антропологические воздействия на землю

Деградация почвы — это процесс, который снижает продуктивность почвы, способную вызвать глубокие и негативные изменения в экосистеме..

Факторы, которые вызывают деградацию почвы: климат, физиография, литология, растительность и деятельность человека.

В результате действий человека могут возникнуть:

• Физическая деградация почвы (например, уплотнение из-за неадекватного культивирования и практики животноводства).
• Химическая деградация почв (подкисление, подщелачивание, засоление, загрязнение агрохимикатами, стоки от промышленной и городской деятельности, разливы нефти и др.).
• Биологическая деградация почвы (снижение содержания органического вещества, деградация растительного покрова, потеря азотфиксирующих микроорганизмов и др.).

Химико-экологические отношения

Экологическая химия изучает различные химические процессы, которые происходят в трех средах: атмосфере, гидросфере и почве. Интересно рассмотреть дополнительный акцент на простой химической модели, которая пытается объяснить глобальные переносы вещества, которые происходят в окружающей среде..

-Модель Гаррелса и Лермана

Гаррелс и Лерман (1981) разработали упрощенную модель биогеохимии земной поверхности, которая изучает взаимодействие между атмосферой, гидросферой, земной корой и включенными биосферными отсеками..

Модель Гаррелса и Лермана рассматривает семь основных составляющих минералов планеты:

Органическое вещество, составляющее биосферу (живое и мертвое), представлено как СН₂Или, который является приблизительным стехиометрическим составом живых тканей.

В модели Гаррелса и Лермана геологические изменения изучаются как чистые переносы вещества между этими восемью компонентами планеты посредством химических реакций и чистого баланса сохранения массы..

Накопление СО₂ в атмосфере

Например, проблема накопления СО₂ в атмосфере изучается по этой модели, утверждая, что: в настоящее время мы сжигаем органический углерод, хранящийся в биосфере в виде угля, нефти и природного газа, отложенных в недрах в прошлые геологические времена.

В результате этого интенсивного сжигания ископаемого топлива концентрация СО₂ Атмосфера увеличивается.

Увеличение концентрации СО₂ в земной атмосфере это происходит потому, что скорость сжигания ископаемого углерода превышает скорость поглощения углерода другими компонентами биогеохимической системы Земли (например, фотосинтезирующими организмами и гидросферой).

Таким образом, выброс СО₂ в атмосферу в результате деятельности человека, превосходит регуляторную систему, которая модулирует изменения на Земле.

Размер биосферы

Модель, разработанная Гаррелсом и Лерманом, также считает, что размер биосферы увеличивается и уменьшается в результате баланса между фотосинтезом и дыханием..

В течение истории жизни на Земле масса биосферы увеличивалась поэтапно с высокими показателями фотосинтеза. Это привело к чистому хранению выбросов органического углерода и кислорода:

Дыхание как метаболическая активность микроорганизмов и высших животных, превращает органический углерод обратно в диоксид углерода (CO₂) и вода (H₂О), то есть полностью изменяет предыдущую химическую реакцию.

Наличие воды, хранение органического углерода и производство молекулярного кислорода имеют основополагающее значение для существования жизни.

Приложения химии окружающей среды

Экологическая химия предлагает решения для предотвращения, смягчения и устранения ущерба окружающей среде, вызванного деятельностью человека. Среди некоторых из этих решений мы можем упомянуть:

• Дизайн новых материалов под названием MOF’s (для его аббревиатуры на английском языке: Металлические Органические Каркасы). Они очень пористые и обладают способностью: поглощать и удерживать СО₂, получить H₂Или пары воздуха из пустынных районов и хранилища H₂ в маленьких контейнерах.
• Переработка отходов в сырье. Например, использование изношенных шин при производстве искусственной травы или подошв для обуви. Также использование отходов обрезки сельскохозяйственных культур, при производстве биогаза или биоэтанола.
• Химический синтез заменителей ХФУ.
• Развитие альтернативных источников энергии, таких как водородные элементы, для производства чистого электричества.
• Контроль загрязнения атмосферы с помощью инертных фильтров и реактивных фильтров.
• Опреснение морской воды методом обратного осмоса.
• Разработка новых материалов для флокуляции коллоидных веществ, взвешенных в воде (процесс очистки).
• Возврат эвтрофикации озер.
• Развитие «зеленой химии», тенденции, предполагающей замену токсичных химических соединений менее токсичными, и «экологически чистые» химические процедуры. Например, он применяется при использовании менее токсичных растворителей и сырья, в промышленности, при химической чистке прачечных и других..

Источник

Вода и ее химические свойства

Дата публикации: 25.02.2019 2019-02-25

Статья просмотрена: 6385 раз

Библиографическое описание:

Калякин, С. Н. Вода и ее химические свойства / С. Н. Калякин, С. Л. Покутняя. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 3 (23). — С. 20-23. — URL: https://moluch.ru/young/archive/23/1404/ (дата обращения: 21.10.2021).

Понять воду, значит понять Вселенную.

Масару Эмото (1943–2014), японский исследователь

Вода — один из самых распространённых соединений на нашей планете. Именно она является главной составляющей всего живого на планете, но также вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Без воды нет жизни: ведь жизнь на Земле появилась только тогда, когда на ней появилась вода. Вся жизнь зародилась в воде, поскольку она является естественным универсальным растворителем, а значит вода растворяет питательные вещества и обеспечивает ими клетки живых организмов. Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75 % от общей массы. По примерным подсчетам ученых на планете 1.4087 млрд. км 3 воды (причем соленой воды от общего объема примерно 97 %, пресной всего 3 %).

Да и сам человек на 60–80 % (в зависимости от возраста) состоит из воды. Большая часть воды — это кровь, жидкость в выделительной системе, мускулах, мозге и других органах, а также в костях и коже.

В понятии химии вода — это H₂O, то есть две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Но это дистиллированная вода. В природе вода содержит различные примеси и очень редко встречается в чистом виде. При взаимодействии водорода с кислородом происходит выделение большого количества тепла. Это соединение очень устойчивое, молекулы которого распадаются только при температуре 1500°С.

Каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Оксид построен в форме тетраэдра — атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма. Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5 0 . Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды — диполь. Это определяет то, какой может быть вода и ее свойства. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Рис. 1 Строение атома воды и оксид в виде тетраэдра

Вода — весьма активное в химическом отношении вещество. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ, именно поэтому вода — это определяющий характер химии. Вода имеет различные физические и химические свойства, но посмотрим на воду с химической точки зрения.

1. Биохимические свойства воды.

Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой. Вода способна растворять некоторые кислоты, основания и соли, представляющие ионные соединения и некоторые полярные неионные образования (простые спирты, сахара и аминокислоты). Благодаря воде сохраняется упругость и объем живой клетки, многие химические процессы организма протекают именно в водных растворах. Эти свойства дают клеткам теплопроводимость и теплоемкость, обеспечивающие терморегуляцию и защищает от температурных перепадов.

Без воды невозможен гидролиз — химическая реакция, которая сопровождает усвоение белков, жиров, углеводов, а ведь именно они являются обязательным компонентом нашей пищи, так, например, белок распадается на аминокислоты, углевод на глюкозу, жиры на глицерин. В результате этого процесса сложные органические вещества распадаются до простых веществ, которые, легко усваиваются живым организмом.

1. Вода-растворитель

Вода является наиболее распространённым растворителем на нашей планете. По растворимости в воде вещества делятся на три группы:

1) Хорошо растворимые: (сахар (С₁₂Н₂₂О₁₁), гидроксид натрия (NaOH), спирт (C₂H₅OH), хлороводород (HCl).

2) Мало растворимые: (гипс, сульфат свинца (PbSO4), бензол (C₆H₆), метан (СH₄), кислород).

3) Практически не растворимые: (стекло, серебро (Ag), золото (Au), керосин, растительное масло).

Из этого можно сделать вывод, что растворимость вещества прежде всего зависит от природы этого вещества, а также от температуры и давления окружающей среды. Сам процесс растворения обуславливается взаимодействием частиц растворителя и растворяемого вещества.

1. Вода— активное химическое вещество.

Вода может взаимодействовать:

1) с металлами с выделением водорода:

− с активными 2Na + 2H₂O → H₂ + 2NaOH (бурно)

− со средней активностью до H 3Fe + 4H₂O → 4H₂ + Fe₃O₄ (только при нагревании)

− с малоактивными после H (не взаимодействуют) Cu+ H₂O ≠

Достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

2) с неметаллами:

Из неметаллов с водой реагируют углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O → H₂ + CO (при сильном нагревании)

3) с оксидами неметаллов:

Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

4) с оксидами металлов

Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой.

CaO+ H₂O → Ca(OH)₂ гидроксид кальция (гашеная известь)

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует: ZnO, TiO₂, Cr₂O₃, из которых изготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.

5) с газами

Как говорилось в подпункте 4 вода взаимодействует с оксидами неметаллов. В данном случае CO₂ — это газ. Если струю газообразного оксида углерода (IV) CO₂ направить в воду, то часть его раствориться в ней. В этом растворе произойдет химическая реакция соединения и образуется вещество — угольная кислота H₂CO₃. Собирая углекислый газ над водой, ученый Джозеф Пристли обнаружил, что часть газа растворяется в воде и придает ей приятный терпкий вкус. По сути, Пристли впервые получил напиток газированный или содовой воды. Позже ученый Торберн Бергман создал аппарат, позволяющий насыщать жидкость углекислым газом под давлением и назвав его сатуратором.

Рис. 2 Джозеф Пристли и его прибор для исследования газов.

6) Гидраты.

Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом.

NaOH + H₂O → NaOH . H₂O (гидрат едкого натра)

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

7) Фотосинтез растений.

Фотосинтез — процесс, протекающий в зеленных листьях растений с использованием энергии света, при котором из углекислого газа и воды образуются органические вещества и кислород. Синтез растениями крахмала (C₆H₁₀O₅)_n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

Рис. 3. Фотосинтез растений, как химическая реакция.

8) Электролиз воды.

Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем.

Под действием электричества электрод, подключенный к отрицательному полюсу, становится катодом, а электрод, соединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду — отрицательно заряженные анионы.

Схема электролиза воды:

Вода — слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H+ воды.

1. Минерализация воды

Минерализация — это показатель количества содержащихся в воде растворенных веществ (неорганические соли неорганические вещества). Как правило, это бикарбонаты, хлориды, сульфаты кальция, магния, калия, натрия и других веществ. Минерализацию считают в грамм на литр (г/л) или грамм на дециметр в кубе (г/дм 3 ). С точки зрения бальнеологии по степени минерализации воду классифицируют на:

− Столовую — минерализация до 1 г/л

− Лечебно-столовую — минерализация от 1 г/л до 10 г/л

− Лечебная — минерализация более 10 г/л или высокое содержание биологически активных элементов: железо, брома, йода, сероводорода, фтора и т. д., при этом общая минерализация может быть невысокой.

Свойство минерализации основано на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.

1. Жесткость воды.

Жесткость воды — совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ (так называемых солей жесткости).

Из-за разного объема различных примесей в воде, она делится на два типа-жесткую и мягкую. Соли попадают в воду из-за того, что часть дождевых вод превращаются в грунтовую воду. Они протекают в недрах Земли, соприкасаются с минералами кальция и магния, вымывая из них мелкие частички. В воде, насыщенной углекислотой, карбонаты калия и магния растворяются, так как превращаются в кислые соли. В таком растворимом виде гидрокарбонаты металлов остаются в воде и обуславливают временную жесткость. При кипячении такой воды гидрокарбонаты разлагаются и выпадают в осадок. Но также существует постоянная жесткость, обуславливая присутствием в природной воде растворимых хлоридов и сульфатом кальция и магния. Жесткость воды количественно выражают числом ммоль эквивалентов (ммоль/экв) ионов кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ .

В жесткой воде плохо мылится мыло, которое представляет собой натриевые соли высших карбонатных кислот. Для устранения жесткости воды (ее умягчения) необходимы ионы Ca 2+ и Mg 2+ перевести в осадок. Временную карбонатную жесткость устраняют кипячение:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ ↓ + H₂O + CO₂↑

Постоянную жесткость кипячением устранить нельзя. Для этого добавляют в воду смесь гашенной извести Ca(OH)₂ или соды Na₂CO₃

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСO3↓ + 2Н2O

1. Теория Льюиса

В теории Льюиса (1923 г.) на основе электронных представлений было ещё более расширено понятие кислоты и основания. С точки зрения теории Льюиса — вода — это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоторой амфотерности воды в химических свойствах.

Подводя итог вышесказанного можно сказать, что вода — это самое уникальное вещество на земле. Академик Владимир Иванович Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы с ней сравниться по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабе биосферы — части планеты определяются, в самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами». Действительно, нет более важного для нас вещества на Земле, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, как в свойствах воды.

Источник