Раздел № 5 ХИМИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЭКОЛОГИИ

Тема 5.1: Вода, растворы.

Основные понятия и термины по теме: вода. Ресурсы воды. Качество воды. Жесткость воды.

План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):

1. Вода вокруг нас.

2. Физические и химические свойства воды.

3. Водные ресурсы Земли.

4. Качество воды. Загрязнители воды и способы очистки.

5. Жесткая вода и ее умягчение. Опреснение воды.

Краткое изложение теоретических вопросов:

1. Вода (Н₂О) – это окись водорода, она является наиболее важным и распространенным веществом, в природе не существует чистой воды, в ней обязательно содержатся какие-либо примеси, чистая вода не имеет вкуса и запаха, прозрачна, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.

2. При переходе воды из твердого состояния в жидкое ее плотность не уменьшается, а возрастает, также плотность воды увеличивается при ее нагреве от 0 до +4°С, максимальную плотность вода имеет при +4°С, и только при последующем ее нагревании плотность уменьшается.

При +4°С градусах плотность воды превышает плотность льда, благодаря чему охлаждаясь сверху вода опускается на дно лишь до тех пор, пока ее температура не достигнет +4°С, вследствие чего лед остается на поверхности водоемов, что делает возможным жизнь под слоем льда водной флоры и фауны.

Еще одним свойством воды является то, что она обладает высокой теплоемкостью (4,1868 кДж/кг), это объясняет, почему в ночное время и при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или во время перехода от зимы к лету также медленно нагревается. Благодаря этому свойству вода является регулятором температуры на Земле.

Среди всех жидкостей вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, исключение составляет только ртуть. Дистиллированная вода не проводит электрический ток, так как она слабый электролит и диссоциирует в малой степени.

По массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100°С, а замерзает при 0°С, она плохой проводник для электричества и теплоты, но хороший растворитель.

Тяжелой водой (D₂О) называется та вода, в состав которой входит изотоп водорода, дейтерий. Химические реакции, с такой водой, протекают медленнее, чем с обычной.

Физические свойства	Н2О	D2О
Температура кипения (°С)		101,4
Температура кристаллизации (°С)		3,8
Плотность при 20°С (г/см3)	0,9982	1,1050
Молекулярная масса

3. Если распределить всю воду равномерно по поверхности земного шара, средний радиус которого равен 6370 км, получится пленка толщиной менее 3 км. Не много воды в общем объеме планеты. 97,75% - это соленые воды океанов и морей. Остальные 2,25 – пресные воды, однако половина их – 68,7% «законсервирована» в виде ледяных гигантских шапок Антарктиды, Арктики и Гренландии. 30,1% - составляют подземные воды.

4.Проникновение загрязняющих веществ в кругооборот воды.

На примере рисунка выявить основные загрязнители воды.

5.Важной характеристикой качества воды являются ее жесткость или мягкость. Вода считается жесткой, если содержание карбонатов кальция и магния превышает 12 мг/л. Эти соли связываются некоторыми компонентами моющих средств, и таким образом ухудшается пенообразование, на выстиранных изделиях остается нерастворимый осадок, придающий им матовый серый оттенок. Карбонат кальция жесткой воды образует в чайниках и котлах накипь (известковую корку), которая сокращает срок их службы и теплопроводность стенок. Воду смягчают добавлением солей натрия, замещающих кальций и магний. В мягкой воде (содержащей менее 6 мг/л карбонатов кальция и магния) мыло хорошо пенится, она больше подходит для стирки и мытья. Такая вода не должна использоваться для орошения, так как избыток натрия вреден для многих растений и может нарушать рыхлую комковатую структуру почв.

Хотя повышенные концентрации микроэлементов вредны и даже ядовиты, их небольшое содержание может благотворно влиять на здоровье людей. Примером служит фторирование воды с целью профилактики кариеса.

Лабораторные работы[1]:

- Анализ содержания примесей в воде.

- Очистка загрязненной воды.

- Устранение жесткости воды.

Задания для самостоятельного выполнения:

1. Решение задач на массовую долю вещества.

Форма контроля самостоятельной работы:

- Проверка рабочих тетрадей.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Каково значение воды для жизни на Земле?

2. Назовите виды воды.

3. Распределите общий объем воды на Земле.

4. Распределите общий объем пресной воды.

5. Назовите физические свойства воды.

6. Жесткость воды зависит от наличия катионов.

7. Назовите основные способы очистки воды.

Умения, сформированные у студента после изучения раздела:

1. Приводит примеры экспериментов и (или) наблюдений о:

- факторах, загрязняющих водную среду;

- методах очистки воды;

- способах устранения жесткости воды.

2. Объясняет прикладное значение важнейших достижений в области естественных наук.

3. Выдвигает гипотезы сохранения водных ресурсов и предлагает пути их решения.

Раздел 6 Химические процессы в атмосфере

Тема 6.1 Химические процессы в атмосфере

Основные понятия и термины по теме: атмосфера, биосфера, тропосфера, мезосфера. Состав воздуха, Озоновые дыры. Кислотные дожди.

План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):

1. Строение оболочек Земли.

2. Химический состав воздуха.

3. Озоновые дыры.

4. Загрязнение атмосферы и их источники.

5. Парниковый эффект. Кислотные дожди и их влияние.

Краткое изложение теоретических вопросов:

1. Атмосфера Земли подразделяется на следующие слои.

2. Тропосфера: 6-20 км. (люди).

3. Стратосфера: до 50 км. (метеозонт).

4. Мезосфера: до 85 км. (метеоры).

5. Термосфера: до 700 км. (космические аппараты).

6. Экзосфера: от 10000 км. (начало космического пространства).

Атмосфера (атмос – «пар», сфера – «шар») – газовая оболочка земли.

Тропосфера: 8 -10 км – в полярных широтах;

10 -12 км – в умеренных широтах;

16 -18 км – тропических широтах.

Содержит более 80% атмосферного воздуха и 90% водяного пара. Наблюдается турбулентность, возникают циклоны и антициклоны.

Нормальные условия: плотность 1,2 кг/м , давление 101,35 кПа, температура + 20ºС, влажность 50%.

Стратосфера: начинается от 11 до 59 км.

Характерно изменение tº в слое 11 – 25 км и повышение её в слое 25 -40 км, от -56,5 до 0,8 ºС. На высоте 40 км остается постоянной (до 55 км). Эта область называется стратопаузой. Стратопауза – это граница между стратосферой и мезосферой, t=0ºС.

Мезосфера: начинается от 50 км до 90 км. tº понижается 0,25-0,3 ºС на каждые 100м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Лучистый теплообмен – это сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбужденных молекул и т.д. обуславливают свечение атмосферы.

Термосфера:верхний предел- около 800 км, температура растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 р, после чего остается почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») – основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород.

Экзосфера: (сфера рассеяния) – на расстояние – 10000 км. ближний космический вакуум, который заполнен сильно разряженными частицами межпланетного газа и главным образом водорода.

2.Химический состав воздуха

Таблица 1. Состав воздуха

Газ	Доля* по объему вблизи поверхности Земли, %	Относительная молекулярная масса	Плотность по отношению к плотности сухого воздуха
Азот (N2)	78,084	28,0134	0,967
Кислород (О2)	20,946	31,9988	1,105
Аргон (Ar)	0,934	39,948	1,379
Углекислый газ (СО2)	0,033	44,00995	1,529
Неон (Ne)	1,818 10-3	20,183	0,095
Гелий (He)	5,239 10-4	4,0026	0,138
Газ	Доля* по объему вблизи поверхности Земли, %	Относительная молекулярная масса	Плотность по отношению к плотности сухого воздуха
Криптон (Kr)	1,14 10-4	83,800	2,868
Водород (Н2)	5 10-5	2,01594	0,070
Ксенон (Хе)	8,7 10-6	131,300	4,524
Озон (О3)	10-6…10-5	47,9982	1,624
Сухой воздух	–	28,9645	1,000

3. Озоновая дыра́ — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя. Эти полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что перевес в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями.

Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным процессом, и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации.

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны. Причины, по которой озоновая дыра образуется в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

Последствия разрушения озонового слоя:Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.

Восстановление озонового слоя:

Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки, и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года.

4.Загрязнение атмосферы — привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.

Основные загрязнители атмосферного воздуха:

Оксид углерода.

Оксиды азота.

Диоксид серы.

Углеводороды.

Альдегиды.

Тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr).

Аммиак.

Атмосферная пыль.

Радиоактивные изотопы.

5. Парниковый эффект.

В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастет содержание многих газов и газообразных примесей. Некоторые из них (в основном диоксид углерода и водяной пар) приводят к нагреванию поверхности Земли. Диоксид углерода и водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, нагревающий её поверхность, и экранируют длинноволновое тепловое излучение земли. Так возникает парниковый эффект. Согласно полученным недавно данным с помощью французского - американского спутника "Топекс-Посейдон" уровень мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1-3мм. Предполагается, что это связано с общим потеплением климата, при чем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением воды. Как показывают систематические наблюдения, в последние десятилетия появились признаки общей тенденции - климат на земле теплеет. Ни одна экологическая проблема так не беспокоит ученых, как усиление парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению.

Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников и превращению плодородных почв в пустыню. Такие прогнозы чаще всего связывает с диоксидом углерода, поглощающим солнечную энергию, хотя увеличение содержания в атмосфере других примесей - монооксида и диоксида азота, метана и других - также являются весьма ощутимо и приводят к потеплению.

Возникает ряд вопросов. Каковы будут последствия массового истребления лесов во многих странах на больших площадях? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечной энергии и таким образом скомпенсировать потепление за счёт увеличения содержания диоксида углерода, метана и других газов? Ответ на первый вопрос ясен: при массовом уничтожении растительности и в первую очередь лесов нарушиться биогеохимический круговорот углерода, ответ на второй вопрос требует дальнейших исследований. Сравнительно большая концентрация сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Образование таких аэрозолей, известных как "арктический туман", некоторые учёные связывают с возможными атмосферными последствиями испытания ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания - "ядерной зимы", обусловленные образованием сажи в процессе ядерного взрыва заключается в том, что при достаточно большом количестве сажи в атмосфере возможно затемнение солнечного света, что повлечёт за собой снижение температуры и, как следствие, вымерзание посевов в летнее время. Процесс похолодания, вероятно, происходит, но всё - таки в последнее десятилетия преобладает глобальное потепление. Активная промышленная деятельность грядёт к непрерывному возрастанию концентрации диоксида углерода в атмосфере в ХХ веке. Она возросла на 20 % . Если сохранятся современные темпы ростов промышленного производства, то к 30 годам наступающего столетия концентрация углекислоты в атмосфере удвоится.

Нынешние оценки глобального экологического состояния нашей планеты носит дискуссионный характер. Окончательные выводы делать очень опасно. Парниковый эффект существует - это бесспорно. Учитывать его, безусловно, надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может ещё очень многое предпринять и смягчить последствия происходящего.

Кислотные дожди.

Кислотные осадки - один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом: во время грозы, при извержении вулканов в результате жизнедеятельности бактерий. Но всё же основной источник оксидов серы и азота - выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанции, различных плавильных печей и т.п. Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах выпадают осадки, приближающиеся по кислотности к столовому уксусу. Труднее всего оценить непосредственное влияние кислотных осадков на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озёрам, вода в которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотные осадки. В результате образуются растворы ионов таких металлов, как алюминий и марганец, что влечет за собой подавление роста растений и водорослей, а в некоторых случаях и сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Кислотные осадки приводят к значительному снижению плодородия почвы. В результате окисления почвы резко снижается урожайность культурных растений. Нейтрализация почвы требует существенных материальных и энергетических затрат. Развитие химии атмосферы и окружающей среды, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, - вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды. Атмосфера земли содержит одно - и двухатомные молекулы кислорода и О_2, и ещё один аллотроп - озон О₃ . Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего животного коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна привесная молекула озона, прежде чем, чем попадает в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.

Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них - естественный - обусловливается бактериями : в природе оксиды азота образуются в основном в виде N₃O при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий . Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NO и NO₂ . Второй источник - различного рода газы искусственного происхождения , а также газы, образовавшиеся при ядерных взрывах.

Ученые - естествоиспытатели своевременно подготовили необходимую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих примечание хлорфторметанов. Для их замены в холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т.п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде. Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя - один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения.

Лабораторные работы[2]:

- Определение химического состава атмосферы.

- Измерение уровня углекислого газа.

- Механизм образования кислотных дождей.

Задания для самостоятельного выполнения:

1. Подготовить сообщение и электронную презентацию на тему «Атмосфера», «Атмосфера и климат», используя различные (печатные, электронные и др.) источники информации, в работе дать информацию о новых технологиях покорения атмосферы человеком и его влияние на атмосферу в целом. Особое место в докладе уделить глобальной проблеме загрязнению атмосферы.

2. Оформить отчет по практической работе.

Форма контроля самостоятельной работы:

- Сдача отчета по практической работе (ПР).

- Защита презентации и сообщения.

Вопросы для самоконтроля по теме «Атмосфера».