Глава V. Химия и окружающая среда. § 38. Охрана окружающей среды от химического загрязнения — с. 201
§ 38. Проверьте свои знания.
6. Что означает термин «зелёная химия»?
Как он звучит на английском и немецком языках?
«Зелёная химия» — инновационное направление химической промышленности, главный принцип которого: лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться. Для этого реализуют процессы, в которых побочные продукты либо совсем не образуются, либо безвредны. Основные направления: поиск новых путей синтеза и новых катализаторов; использование возобновляемых источников сырья и энергии; замена традиционных органических растворителей.
На английском языке — green chemistry [грин кемистри], на немецком — grüne Chemie [грюне хеми].
На английском языке — green chemistry [грин кемистри], на немецком — grüne Chemie [грюне хеми].
§ 38. Примените свои знания.
7. Составьте уравнения реакций образования кислотных дождей.
Кислотные дожди образуются при реакциях кислотных оксидов серы и азота с кислородом и водой атмосферы:
SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO (оксид азота(IV) окисляет оксид серы(IV))
2NO + O₂ = 2NO₂ (оксид азота(II) окисляется кислородом воздуха)
SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (серная кислота)
2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ (азотная и азотистая кислоты)
Также оксид серы(IV) может непосредственно окисляться: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃, а затем реагировать с водой; в воде растворяется и SO₂: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Азотистая кислота на воздухе окисляется до азотной: 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃. Растворы этих кислот и выпадают с осадками (pH < 5,6).
SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO (оксид азота(IV) окисляет оксид серы(IV))
2NO + O₂ = 2NO₂ (оксид азота(II) окисляется кислородом воздуха)
SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (серная кислота)
2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ (азотная и азотистая кислоты)
Также оксид серы(IV) может непосредственно окисляться: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃, а затем реагировать с водой; в воде растворяется и SO₂: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Азотистая кислота на воздухе окисляется до азотной: 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃. Растворы этих кислот и выпадают с осадками (pH < 5,6).
§ 38. Примените свои знания.
8. Запишите уравнения реакций, которые иллюстрируют процессы разрушения памятников архитектуры.
Памятники из мрамора и известняка (основа — карбонат кальция CaCO₃) разрушаются под действием кислот кислотных дождей:
CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂↑
CaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂↑
Образующиеся соли растворимы или рыхлы, поэтому поверхность скульптур осыпается.
Металлические конструкции и памятники из железа разрушаются: Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑ (с разбавленной кислотой); Fe + 2HNO₃ (разб.) = Fe(NO₃)₂ + H₂↑ — упрощённо.
Зелёный налёт — патина на медных и бронзовых памятниках (основный карбонат меди) тоже растворяется:
Cu₂(OH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + CO₂↑ + 3H₂O
Оговорка: для азотной кислоты реакция с железом идёт сложнее (возможны продукты восстановления азота); приведены простейшие уравнения для иллюстрации.
CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂↑
CaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂↑
Образующиеся соли растворимы или рыхлы, поэтому поверхность скульптур осыпается.
Металлические конструкции и памятники из железа разрушаются: Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑ (с разбавленной кислотой); Fe + 2HNO₃ (разб.) = Fe(NO₃)₂ + H₂↑ — упрощённо.
Зелёный налёт — патина на медных и бронзовых памятниках (основный карбонат меди) тоже растворяется:
Cu₂(OH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + CO₂↑ + 3H₂O
Оговорка: для азотной кислоты реакция с железом идёт сложнее (возможны продукты восстановления азота); приведены простейшие уравнения для иллюстрации.
§ 38. Проверьте свои знания.
1. Как образуются кислотные осадки? Какой вред окружающей среде, промышленным и сельскохозяйственным предприятиям они наносят? Как влияют кислотные осадки на здоровье человека?
1. Как образуются кислотные осадки? Какой вред окружающей среде, промышленным и сельскохозяйственным предприятиям они наносят? Как влияют кислотные осадки на здоровье человека?
Образование. При сжигании угля, нефти и мазута, при выплавке металлов из сульфидных руд и работе транспорта в атмосферу попадают оксиды серы и азота (SO₂, NO, NO₂). Оксид азота(II) образуется при высокой температуре и в грозовых разрядах: N₂ + O₂ = 2NO. В воздухе эти оксиды окисляются и взаимодействуют с водой облаков, тумана, дождя, давая серную, сернистую и азотную кислоты. Осадки с pH < 5,6 называют кислотными (дождь, снег, туман).
Вред природе. Закисляются почвы и водоёмы, из почвы вымываются Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ и высвобождаются ионы тяжёлых металлов (Al³⁺, Pb²⁺, Cd²⁺), гибнут рыба и водные организмы, повреждаются хвоя и листья, леса усыхают.
Вред хозяйству. Разрушаются мрамор, известняк и бетон зданий и памятников, корродируют металлические конструкции, мосты, кровли, трубопроводы; снижается урожайность сельскохозяйственных культур, закисляются пашни.
Здоровье человека. Кислотные аэрозоли и сами SO₂, NO₂ раздражают дыхательные пути и глаза, вызывают бронхит, астму, обострение сердечно-сосудистых заболеваний; тяжёлые металлы, попавшие в питьевую воду и продукты, токсичны.
Вред природе. Закисляются почвы и водоёмы, из почвы вымываются Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ и высвобождаются ионы тяжёлых металлов (Al³⁺, Pb²⁺, Cd²⁺), гибнут рыба и водные организмы, повреждаются хвоя и листья, леса усыхают.
Вред хозяйству. Разрушаются мрамор, известняк и бетон зданий и памятников, корродируют металлические конструкции, мосты, кровли, трубопроводы; снижается урожайность сельскохозяйственных культур, закисляются пашни.
Здоровье человека. Кислотные аэрозоли и сами SO₂, NO₂ раздражают дыхательные пути и глаза, вызывают бронхит, астму, обострение сердечно-сосудистых заболеваний; тяжёлые металлы, попавшие в питьевую воду и продукты, токсичны.
§ 38. Проверьте свои знания.
2. Что представляет собой парниковый эффект?
Почему его так называют?
К каким последствиям приводит парниковый эффект?
Парниковый эффект — это нагревание нижних слоёв атмосферы из-за того, что газы (CO₂, CH₄, водяной пар, N₂O, озон, фреоны) пропускают коротковолновое солнечное излучение к поверхности Земли, но задерживают длинноволновое тепловое (инфракрасное) излучение, идущее от нагретой поверхности.
Название связано с аналогией: плёнка или стекло парника пропускает солнечный свет, но не выпускает тепло, и внутри парника теплее, чем снаружи.
Естественный парниковый эффект делает среднюю температуру Земли около +15 °C (без него было бы около −18 °C). Опасно его усиление из-за сжигания топлива, вырубки лесов и роста выбросов CO₂ и CH₄. Последствия: потепление климата, таяние ледников и многолетней мерзлоты, подъём уровня Мирового океана и затопление побережий, учащение засух, наводнений и ураганов, смещение природных зон, исчезновение ряда видов растений и животных.
Название связано с аналогией: плёнка или стекло парника пропускает солнечный свет, но не выпускает тепло, и внутри парника теплее, чем снаружи.
Естественный парниковый эффект делает среднюю температуру Земли около +15 °C (без него было бы около −18 °C). Опасно его усиление из-за сжигания топлива, вырубки лесов и роста выбросов CO₂ и CH₄. Последствия: потепление климата, таяние ледников и многолетней мерзлоты, подъём уровня Мирового океана и затопление побережий, учащение засух, наводнений и ураганов, смещение природных зон, исчезновение ряда видов растений и животных.
§ 38. Проверьте свои знания.
3. Почему озоновый слой называют также озоновым щитом планеты?
Что такое озоновые дыры?
Каковы причины их возникновения?
Озоновый слой (на высоте около 20–35 км в стратосфере) поглощает основную часть жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для живых организмов (рак кожи, катаракта, подавление иммунитета, гибель планктона и растений). Он как бы защищает планету, поэтому его называют озоновым щитом.
Озоновые дыры — области, где концентрация озона заметно снижена (над Антарктидой весной; в меньшей степени над Арктикой).
Причины: разрушение озона атомами хлора и брома, образующимися из фреонов (хлорфторуглеродов, ранее применявшихся в холодильниках и аэрозолях), галонов и других веществ под действием ультрафиолета. Например, CF₂Cl₂ → CF₂Cl· + Cl· (под действием света); Cl· + O₃ → ClO· + O₂; ClO· + O → Cl· + O₂. Один атом хлора разрушает тысячи молекул озона. Определённую роль играют также оксиды азота (высотные самолёты, ракеты) и особые условия полярной стратосферы (низкие температуры, полярные стратосферные облака).
Озоновые дыры — области, где концентрация озона заметно снижена (над Антарктидой весной; в меньшей степени над Арктикой).
Причины: разрушение озона атомами хлора и брома, образующимися из фреонов (хлорфторуглеродов, ранее применявшихся в холодильниках и аэрозолях), галонов и других веществ под действием ультрафиолета. Например, CF₂Cl₂ → CF₂Cl· + Cl· (под действием света); Cl· + O₃ → ClO· + O₂; ClO· + O → Cl· + O₂. Один атом хлора разрушает тысячи молекул озона. Определённую роль играют также оксиды азота (высотные самолёты, ракеты) и особые условия полярной стратосферы (низкие температуры, полярные стратосферные облака).
§ 38. Проверьте свои знания.
4. Почему охрана Мирового океана является глобальной проблемой?
Мировой океан — единая система, связанная течениями, поэтому загрязнение, попавшее в одном месте, переносится на тысячи километров и не подчиняется государственным границам. Он занимает около 71 % поверхности Земли, поставляет значительную часть кислорода (фитопланктон), регулирует климат (поглощает CO₂, накапливает тепло), даёт пищу и ресурсы всему человечеству.
Загрязняют его нефть и нефтепродукты (аварии танкеров, платформ, сбросы), промышленные и бытовые стоки, тяжёлые металлы, пестициды, пластик, радиоактивные отходы. Это ведёт к гибели морских организмов, снижению биопродуктивности, накоплению ядов в пищевых цепях и возвращению их к человеку. Для защиты океана нужны совместные международные соглашения (например, конвенции по предотвращению загрязнения с судов), поэтому проблема глобальная.
Загрязняют его нефть и нефтепродукты (аварии танкеров, платформ, сбросы), промышленные и бытовые стоки, тяжёлые металлы, пестициды, пластик, радиоактивные отходы. Это ведёт к гибели морских организмов, снижению биопродуктивности, накоплению ядов в пищевых цепях и возвращению их к человеку. Для защиты океана нужны совместные международные соглашения (например, конвенции по предотвращению загрязнения с судов), поэтому проблема глобальная.
§ 38. Проверьте свои знания.
5. Какие международные соглашения регулируют систему мер по охране окружающей среды от химического загрязнения?
Основные международные документы:
1) Венская конвенция об охране озонового слоя (1985) и Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (1987), — поэтапный отказ от фреонов и других озоноразрушающих веществ.
2) Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992), Киотский протокол (1997) и Парижское соглашение (2015) — ограничение выбросов парниковых газов.
3) Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (Женева, 1979) — сокращение выбросов оксидов серы и азота, вызывающих кислотные дожди.
4) Базельская конвенция (1989) — контроль трансграничной перевозки опасных отходов и их удаления.
5) Стокгольмская конвенция (2001) — запрет и ограничение стойких органических загрязнителей (ДДТ, диоксины и др.).
6) Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ (1973/78) — защита морей.
Россия участвует во многих из этих соглашений и имеет собственные законы (об охране окружающей среды, об охране атмосферного воздуха).
1) Венская конвенция об охране озонового слоя (1985) и Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (1987), — поэтапный отказ от фреонов и других озоноразрушающих веществ.
2) Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992), Киотский протокол (1997) и Парижское соглашение (2015) — ограничение выбросов парниковых газов.
3) Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (Женева, 1979) — сокращение выбросов оксидов серы и азота, вызывающих кислотные дожди.
4) Базельская конвенция (1989) — контроль трансграничной перевозки опасных отходов и их удаления.
5) Стокгольмская конвенция (2001) — запрет и ограничение стойких органических загрязнителей (ДДТ, диоксины и др.).
6) Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ (1973/78) — защита морей.
Россия участвует во многих из этих соглашений и имеет собственные законы (об охране окружающей среды, об охране атмосферного воздуха).
§ 38. Примените свои знания.
9. В озонаторе находится воздух с объёмной долей кислорода 20 %. При электрическом разряде 15 % кислорода превратилось в озон. Определите объёмные доли кислорода и озона в образовавшемся озонированном воздухе.
Дано: φ(O₂) = 20 %; превращено в озон 15 % кислорода.
Найти: φ(O₂), φ(O₃) в образовавшейся смеси.
Решение. Возьмём 100 л воздуха: V(O₂) = 100 · 0,20 = 20 л; остальные 80 л — другие газы (в основном азот), не реагируют.
Прореагировало кислорода: 20 · 0,15 = 3 л.
Уравнение: 3O₂ = 2O₃ (электрический разряд); объёмы газов относятся как коэффициенты: из 3 л O₂ образуется 2 л O₃.
Осталось O₂: 20 − 3 = 17 л. Образовалось O₃: 3 · 2/3 = 2 л.
Общий объём смеси: 80 + 17 + 2 = 99 л (объём уменьшился на 1 л).
φ(O₂) = 17 / 99 · 100 % ≈ 17,2 %; φ(O₃) = 2 / 99 · 100 % ≈ 2,0 %.
Ответ: φ(O₂) ≈ 17,2 %; φ(O₃) ≈ 2,0 % (совпадает с ответом задачника).
Найти: φ(O₂), φ(O₃) в образовавшейся смеси.
Решение. Возьмём 100 л воздуха: V(O₂) = 100 · 0,20 = 20 л; остальные 80 л — другие газы (в основном азот), не реагируют.
Прореагировало кислорода: 20 · 0,15 = 3 л.
Уравнение: 3O₂ = 2O₃ (электрический разряд); объёмы газов относятся как коэффициенты: из 3 л O₂ образуется 2 л O₃.
Осталось O₂: 20 − 3 = 17 л. Образовалось O₃: 3 · 2/3 = 2 л.
Общий объём смеси: 80 + 17 + 2 = 99 л (объём уменьшился на 1 л).
φ(O₂) = 17 / 99 · 100 % ≈ 17,2 %; φ(O₃) = 2 / 99 · 100 % ≈ 2,0 %.
Ответ: φ(O₂) ≈ 17,2 %; φ(O₃) ≈ 2,0 % (совпадает с ответом задачника).
§ 38. Примените свои знания.
10. Выразите ПДК свинца в питьевой воде и атмосферном воздухе через количество вещества (ммоль/л или ммоль/м³).
Дано: ПДК(Pb) в воде = 0,005 мг/л; ПДК(Pb) в атмосфере = 0,007 мг/м³ (значения из текста параграфа); M(Pb) = 207 г/моль = 207 мг/ммоль.
Найти: ПДК свинца в ммоль/л и ммоль/м³.
Решение:
1) Вода: n = m / M = 0,005 мг/л : 207 мг/ммоль ≈ 2,4 · 10⁻⁵ ммоль/л.
2) Воздух: n = 0,007 мг/м³ : 207 мг/ммоль ≈ 3,4 · 10⁻⁵ ммоль/м³.
Ответ: ПДК свинца в питьевой воде ≈ 2,4 · 10⁻⁵ ммоль/л, в атмосферном воздухе ≈ 3,4 · 10⁻⁵ ммоль/м³.
Найти: ПДК свинца в ммоль/л и ммоль/м³.
Решение:
1) Вода: n = m / M = 0,005 мг/л : 207 мг/ммоль ≈ 2,4 · 10⁻⁵ ммоль/л.
2) Воздух: n = 0,007 мг/м³ : 207 мг/ммоль ≈ 3,4 · 10⁻⁵ ммоль/м³.
Ответ: ПДК свинца в питьевой воде ≈ 2,4 · 10⁻⁵ ммоль/л, в атмосферном воздухе ≈ 3,4 · 10⁻⁵ ммоль/м³.
§ 38. Используйте дополнительную информацию.
11. Подготовьте сообщение о наиболее крупных экологических катастрофах последнего десятилетия, вызванных химическим загрязнением.
Экологическая катастрофа — это авария или событие, приводящее к тяжёлому и длительному ущербу природе и здоровью людей. За последнее десятилетие можно выделить несколько примеров.
В январе 2019 г. в Бразилии (Брумадинью) разрушилась дамба хвостохранилища железорудного комбината; на долину вылились миллионы кубометров токсичной рудной пульпы, погибли сотни людей, загрязнена река Паропеба.
В августе 2020 г. в порту Бейрута взорвалось около 2750 т аммиачной селитры NH₄NO₃, хранившейся без должных мер безопасности: многие погибли, большая часть города была разрушена, в воздух попали оксиды азота.
В мае 2020 г. в Норильске из резервуара ТЭЦ вылилось около 21 тыс. т дизельного топлива, оно попало в реку Амбарная и озеро Пясино; нефтепродукты погубили водные экосистемы Арктики, ликвидация последствий длилась годами.
В июле 2020 г. у побережья Маврикия сел на риф танкер-балкер «Вакасио» и разлил около тысячи тонн мазута, пострадали коралловые рифы и мангровые заросли.
В феврале 2023 г. в штате Огайо (США) сошёл с рельсов поезд с вагонами, содержащими хлорэтен (винилхлорид); сжигание груза выбросило в воздух токсичные вещества, включая HCl и фосген.
В декабре 2024 г. в Керченском проливе потерпели крушение танкеры с мазутом; загрязнены побережье Чёрного моря у Анапы, погибли тысячи птиц.
Общие причины: нарушение правил безопасности, износ оборудования, человеческий фактор. Выводы: нужны контроль производств, аварийные планы, технологии очистки и «зелёная химия».
В январе 2019 г. в Бразилии (Брумадинью) разрушилась дамба хвостохранилища железорудного комбината; на долину вылились миллионы кубометров токсичной рудной пульпы, погибли сотни людей, загрязнена река Паропеба.
В августе 2020 г. в порту Бейрута взорвалось около 2750 т аммиачной селитры NH₄NO₃, хранившейся без должных мер безопасности: многие погибли, большая часть города была разрушена, в воздух попали оксиды азота.
В мае 2020 г. в Норильске из резервуара ТЭЦ вылилось около 21 тыс. т дизельного топлива, оно попало в реку Амбарная и озеро Пясино; нефтепродукты погубили водные экосистемы Арктики, ликвидация последствий длилась годами.
В июле 2020 г. у побережья Маврикия сел на риф танкер-балкер «Вакасио» и разлил около тысячи тонн мазута, пострадали коралловые рифы и мангровые заросли.
В феврале 2023 г. в штате Огайо (США) сошёл с рельсов поезд с вагонами, содержащими хлорэтен (винилхлорид); сжигание груза выбросило в воздух токсичные вещества, включая HCl и фосген.
В декабре 2024 г. в Керченском проливе потерпели крушение танкеры с мазутом; загрязнены побережье Чёрного моря у Анапы, погибли тысячи птиц.
Общие причины: нарушение правил безопасности, износ оборудования, человеческий фактор. Выводы: нужны контроль производств, аварийные планы, технологии очистки и «зелёная химия».
§ 38. Используйте дополнительную информацию.
12. Одно из направлений «зелёной химии», развиваемое в России, — синтез новых материалов, очистка химических веществ с использованием сверхкритических жидкостей. Чаще всего используют сверхкритический оксид углерода(IV). При каких условиях оксид углерода(IV) становится сверхкритическим?
Где уже используют сверхкритический оксид углерода(IV)?
Ответы на вопросы можно найти на сайте
Сверхкритическое состояние — это состояние вещества при температуре и давлении выше критической точки: исчезает различие между жидкостью и газом, вещество имеет плотность как у жидкости, но вязкость и способность проникать в пористые материалы как у газа, а также хорошо растворяет многие вещества.
Для оксида углерода(IV) критическая точка: температура около 31 °C (304 К) и давление около 7,4 МПа (73–74 атм). При t > 31 °C и p > 7,4 МПа CO₂ сверхкритический. Эти условия сравнительно мягкие, CO₂ дёшев, нетоксичен, негорюч, не оставляет следов растворителя (после снижения давления улетучивается).
Применение: экстракция кофеина из кофе и чая (получение кофе без кофеина), извлечение хмелевых экстрактов, эфирных масел, ароматизаторов и биологически активных веществ из растений; очистка и сухая чистка (вместо хлорорганических растворителей); получение лекарственных форм в виде микрочастиц; стерилизация и очистка медицинских изделий; сушка аэрогелей; переработка полимеров и вспенивание пластиков; хроматография; удаление загрязнителей из почв и отходов. В России такие технологии развивают для фармацевтики, пищевой промышленности и получения новых материалов.
Для оксида углерода(IV) критическая точка: температура около 31 °C (304 К) и давление около 7,4 МПа (73–74 атм). При t > 31 °C и p > 7,4 МПа CO₂ сверхкритический. Эти условия сравнительно мягкие, CO₂ дёшев, нетоксичен, негорюч, не оставляет следов растворителя (после снижения давления улетучивается).
Применение: экстракция кофеина из кофе и чая (получение кофе без кофеина), извлечение хмелевых экстрактов, эфирных масел, ароматизаторов и биологически активных веществ из растений; очистка и сухая чистка (вместо хлорорганических растворителей); получение лекарственных форм в виде микрочастиц; стерилизация и очистка медицинских изделий; сушка аэрогелей; переработка полимеров и вспенивание пластиков; хроматография; удаление загрязнителей из почв и отходов. В России такие технологии развивают для фармацевтики, пищевой промышленности и получения новых материалов.