Материалы для уроков и факультативных занятий по экологическим аспектам химии

В приложении использованы материалы, опубликованные доцентами кафедры химии КГУ им. К.Э. Циолковского Н.И. Савиткиным, Я.Г. Авдеевым [17].

 

 

1. Тема занятия: Химические элементы в биосфере

Всё живое многообразие окружающей живой среды состоит из атомов сравнительно небольшого числа элементов. Всего лишь восемь элементов составляют по массе 99% земной коры, это О, Si, Al, Fe, Са, К, Na, Mg, причём массовая доля кремния в земной коре 25%, а кислорода 50%. В состав живого, в основном, входят шесть элементов-органогенов (их называют ещё - основные макроэлементы): С, Н, N, О, S, Р. В целом организм человека содержит около 70 элементов. По потребности организмов в элементах различают макроэлементы – 100 мг/сутки (для человека) имикроэлементы – 5-10 мг/сутки. Основные макроэлементы для человека: С, Н, N, О, S, Р и другие макроэлементы; Cа, Mg, Na, К, Cl. Микроэлементы доказанные: Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se и вероятные: Cr, Ni, V, Sr, Si. Пока не выяснена полностью роль каждого микроэлемента в жизнедеятельности человека. А для растений многое уже известно, так, 10 микроэлементов можно распределить по трём группам.

1. Элементы, необходимые для фотосинтеза: Mg, Fe, Zn, V, Cl.

2. Элементы, необходимые для азотного обмена: Mo, Cо, Fe, В.

3. Элементы, необходимые для других метаболических функций: В, Cо, Cu, Mn, Si.

Биогенные элементы (все макро- и микроэлементы в живом) перемешиваются в составе различных веществ, объединяя живые организмы (био) и неорганическое вещество земли (гео). Перемешивания эти цикличны, и гениальный русский естествоиспытатель В.И. Вернадский ввёл понятие о биогеохимических циклах элементов. Все биогеохимические циклы взаимодействуют в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы. Следствием неполной замкнутости биогеохимических циклов явилось накопление О₂ и N₂ в атмосфере и их соединений в литосфере. Длительность биосферных циклов от десятков до тысяч лет, а длительность геологического цикла – миллионы лет, поэтому для накопления элементов в атмосфере и литосфере нужно очень много времени. Ежегодный сброс углерода из биохимического цикла в геологический (отложение) около 130 т (10^-8 % от всей массы углерода в биосфере). Но за 600 млн. лет (в основном в палеозое) накопилось 10¹⁷ т отложений соединений углерода – известняк, уголь, нефть, битумы и т. д.

В каждом биохимическом цикле (для каждого элемента) выделяют два фонда: 1) резервный – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном, в составе абиотического компонента; 2) обменный – меньший по объёму, но более активный (быстрый) обмен между организмами и окружающей средой. Между этими фондами существует постоянный медленный обмен.

Среди биогеохимических циклов выделяют два типа – газообразный (С, О, N) и осадочный (Fe, Р, Са). Это связано с тем, что С, О, N преимущественно находится в виде газообразных веществ (СО₂, СН₄, Н₂О, NО₂, N₂), a Fe, Р, Са в виде минералов, например, Ca₃(РО₄)₂, Fe₂О₃, СаСО₃ и др.

Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте (возвращение элемента в цикл), во многих случаях основаны на биологических процессах, и человек зачастую не в силах исправить нарушение равновесия. Хотя нарушается оно, как правило, по вине человека за счёт вовлечения в циклы техногенных продуктов (полимеры, СМС, нефтепродукты, ионы тяжёлых металлов). Усилия по охране природы направлены на возвращение веществ в природные круговороты и сохранение равновесия в природе.

Ко времени появления на земной поверхности жидкой воды почти вся сера была в виде сульфидов. Сульфиды и сероводород, образующийся при гидролизе, – исходный пункт круговорота серы (рис. 1):

Рис. 1. Круговорот серы в природе

1) под действием О₂, СО₂ и Н₂О из сульфидов и сероводорода образуется сера.

CaS + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + H₂S,

2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S;

2) при недостатке О₂ сера скапливалась в виде самородной серы, а при избытке О₂ – постепенно (часто в присутствии микроорганизмов) переводилась в серную кислоту и сульфаты:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ (суммарно),

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O;

3) в глубоких слоях Земли при повышенных температурах сульфаты реагировали с органическими веществами, образуя сероводород. Например:

CaSO₄ + CH₄ → CaS + CO₂ + 2H₂O → CaCO₃ + H₂S + H₂O;

4) сульфаты, содержащиеся в почве, извлекаются растениями. В растениях сера из сульфатов переходит в аминокислоты, содержащие серу, например, цистеин:

а затем и в белок. Растения поедаются животными, и сера переходит в белок животных организмов;

5) после отмирания животных и растительных организмов белковые вещества разлагаются с выделением сероводорода, в состав которого входит сера.

Человек вмешивается в этот круговорот, переводя природные сульфиды в сульфаты при производстве серной кислоты из пирита (FeS₂), при выплавке металлов (Zn, Си, Сd) из их сульфидов.

К основным круговоротам биогенных элементов примешиваются элементы, вводимые в окружающую среду человеком. Это радиоактивные элементы Sr-90, Cs-137. Стронций сходен с кальцием, а цезий с калием и поэтому они заменяют биогенные элементы Са (в костях) и К (в тканях), разрушая живые организмы. Примером элемента, загрязняющего окружающую среду исключительно с помощью человека, является ртуть (Нg). По сравнению с доиндустриальным периодом поток ртути в атмосферу вырос на 60%. Очень опасны содержащиеся в биосфере Cd, Рb. Иногда, подчёркивая губительность металлов для живого, говорят о металлизации планеты (точнее биосферы). Поэтому с каждым годом возрастает значение природоохранных мероприятий, направленных на сокращение выбросов и стоков, содержащих токсичные металлы.

Завершая повествование о биогеохимических циклах (БГЦ) элементов, сделаем основные выводы:

а) БГЦ элементов существует благодаря энергии Солнца и активной деятельности живого;

в) все БГЦ в природе взаимосвязаны, выключение БГЦ одного элемента возможно лишь умозрительно, например, круговорот воды – совокупный цикл атомов водорода и кислорода;

в) круговорот совершает элемент не в виде совокупности атомов, а всоставе простых и сложных (неорганических и органических) веществ;

г) глобальная хозяйственная деятельность человека приводит к изменениям естественных циклов многих элементов и появлению циклов второстепенных, но токсичных элементов.

Вопросы и задания:

1. Расскажите о роли в жизнедеятельности человека следующих элементов: Fe, Na, К, Cа, Р, I, С.

2. Почему, по вашему мнению, основой жизни является углерод, а не кремний?

3. Составьте самостоятельно схему круговорота железа (без участия и с участием человека).

4. Какими уравнениями реакций можно отразить перемещение серы из цинковой обманки (ZnS) в гипс (CaSO₄∙2H₂O)?

 

2. Тема занятия:Вещества – загрязнители окружающей среды

В ходе развития цивилизации значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает возрастать.

Можно выделить четыре главных фактора воздействия человека на окружающую среду:

1. Изменение структуры земной поверхности (около 10% суши преобразовано в связи со строительством городов), созданием искусственных водоёмов и т. д.

2. Изменения, вносимые в живую природу путём истребления отдельных видов организмов; перемещения организмов в новые места обитания.

3. Изменения энергетического (теплового) баланса отдельных регионов и планеты в целом, оказывающие серьёзное влияние на климат.

4. Изменение химического состава окружающей среды, влияние на круговорот веществ в биосфере. Иногда всю совокупность химических веществ в биосфере (как природных, так и полученных человеком) называют хемосферой. Человеком синтезировано и выделено из природных источников свыше 18 млн. веществ. Эта цифра ежегодно возрастает на 5%. Изменения в хемосфере происходят за счёт выброса различных веществ в атмосферу, добычи ископаемых, химизации сельского хозяйства и др. Ежегодные извлечения из биосферы и выбросы в окружающую среду рассмотрены в табл. 1.

 

Таблица 1. Масштабы антропогенных воздействий на биосферу

Извлечения из биосферы, в год	Поступления в биосферу, в год
Ископаемые	100 млрд. т	Химические вещества	100 тыс. наименований
Синтетические материалы	60 млн. т
Минеральные удобрения	500 млн. т
Пестициды	5 млн. т
Железо	50 млн. т
Металлы	800 млн. т	Жидкий сток	500 млрд. м3
Твёрдый сток	17,4 млрд. т
Углекислый газ	20 млрд. т
Сернистый газ	150 млн. т

 

Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в природную среду любых веществ (газ, жидкость, твёрдое вещество), микроорганизмов или энергий (тепловая, звуковая, электромагнитная, радиационная) в количествах, вызывающих изменение состава и свойств компонентов природы и оказывающих вредное воздействие на человека, флору, фауну.

Остановимся подробнее на загрязнении окружающей среды химическими веществами. Химические вещества – загрязнители характеризуются следующими особенностями:

1) попадают в биосферу в процессе человеческой деятельности (антропогенное происхождение),

2) нарушают баланс веществ в экосистеме (образуются с большей скоростью, чем уничтожаются),

3) делают среду обитания для человека и живых организмов благоприятной,

4) попав первоначально в один из компонентов окружающей среды, загрязняют и остальные компоненты за счёт перемещений (миграции) (рис. 2).

Рис. 2. Пути миграции веществ-загрязнителей в биосфере (наиболее мощные и значимые потоки выделены жирными стрелками)

При изучении химии вы познакомились с различными веществами, которые подвергаются классификации по различным признакам. Вспомните известные вам критерии классификации веществ в химии. В экологии вещества классифицируют по их воздействию на человека и другие живые объекты. Все вещества, составляющие хемосферу, можно условно разделить на четыре группы.

1. Безвредные для человека.

2. Действующие на человека опосредованно, делая менее благоприятной среду его обитания.

3. Действуют на человека и живые организмы, отравляя их (токсиканты) или поражая каким-либо другим способом (например, радиоактивные вещества посредством излучения).

4. Вещества неопределённого характера действия. Для многих из них нет достаточно полных сведений о токсичности, поведении в биосфере.

Из веществ 2-й и 3-й групп особенно следует выделить канцерогенные (вызывающие рак), мутагенные (влияющие на генный аппарат и порождающие мутации), тератогенные (вызывающие уродства). Так, потенциальными канцерогенами признано сейчас около 25000 соединений.

Для обозначения веществ-загрязнителей в экологической литературе используют такие термины, как полютанты (от лат. полюции – марание) – химические вещества, загрязняющие среду обитания (синоним – загрязнители), ксенобиотики (от греч. ксенос – чужой, биос – жизнь) – вещества, чужеродные по отношению к живым организмам и не входящие в естественные биогеохимические циклы, экотоксиканты (греч. ойкос– дом, токсион - яд) – ядовитые вещества, появление которых вызывает серьёзные нарушения в структурах экосистем.

Вещества-загрязнители (полютанты), а также ксенобиотики и экотоксиканты, попадая в экосистемы, претерпевают изменения (трансформируются) под действием абиотических факторов (температура, радиация, вода (гидролиз) или биотических (превращение внутри живых организмов под действием ферментов). В результате трансформации полютантов их токсичность может как понизиться, так и усилиться. Например, при попадании пентахлорфенола С₆С1₅ОН (гербицид, инсектицид) в растение происходит взаимодействие его с глюкозой (С₆Н₁₂0₆) и получаемое вещество (С₁₂Н₁₁О₆Cl₅) почти безвредно. Пентахлорфенол (ПДК = 0,1 мг/м³) вызывает дерматиты, раздражает дыхательные пути. Тетрахлорметан (СС1₄), обладающий канцерогенным действием, в организмах млекопитающих превращается в радикал – СС1₃· (трихлорметил), который инициирует (начинает) реакции, поражающие печень.

По размеру охватываемые территории загрязнения подразделяют на глобальные (фоново-биосферные, так называемые газы – СО₂, СН₄, хлорфторуглеводороды, разрушающие озоновый слой); региональные (SО₂) – в районах с развитой металлургической промышленностью); локальные (стоки животноводческих ферм, в которых содержится избыток аммиака).

По источникам возникновения загрязнители разделяют на промышленные (SО₂ и др.), транспортные (СО и др.), сельскохозяйственные (пестициды), коммунально-бытовые (СМС).

Конкретные примеры воздействия полютантов на состояние атмосферы, гидросферы, а также источников веществ-загрязнителей и способы их обезвреживания можно рассмотреть на отдельном занятии.

Вопросы и задания:

1. Назовите основные химические вещества, входящие в окружающую нас хемосферу, и приведите их химическую и экологическую классификацию.

2. В чём отличие полютантов от ксенобиотиков? Приведите примеры веществ, относящихся к каждой из этих групп.

3. При содержании оксида углерода (IV) в воздухе более 4%(объёмные доли) происходит раздражение дыхательных путей, наблюдается шум в ушах. Произойдёт ли ухудшение самочувствия при лабораторной работе в химическом кабинете вместимостью 288 м³, если на каждом из 18 столов сгорает 2,3 г этанола (в спиртовках)?

4. В печени человека этанол сначала окисляется (в присутствии фермента алкогольдегидрогеназы) в этаналь, вызывающий поражение печени, а затем в уксусную кислоту. Напишите уравнения этих реакций.

5. Каким образом нефть и продукты сжигания нефти и угля загрязняют окружающую среду? Дайте развёрнутый ответ.

 

3. Научно-практическая конференция

«Состояние окружающей среды»

Доклады учащихся могут содержать как сведения о состоянии окружающей среды, так и экспериментальные данные, полученные учениками в процессе проведения практических занятий. Также в программу конференции можно включить доклады по теоретическим проблемам экологической химии.

Рекомендуемый примерный перечень тем для докладов учащихся на научно-практической конференции:

1. Природоохранное законодательство и нормативное обеспечение деятельности в области охраны окружающей среды (составляется на основе ежегодных докладов Государственного комитета по охране окружающей среды «О состоянии окружающей природной среды Калужской области»).

2. Методы химического и физико-химического анализа в экологическом мониторинге (по результатам экскурсии в центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора (городской, районный, областной).

3. Состояние атмосферного воздуха в городе (населённом пункте). Составляется на основе ежегодных докладов «О состоянии окружающей природной среды Калужской области».

4. Состояние поверхностных и подземных вод в области (районе). Составляется на основе ежегодных докладов «О состоянии окружающей природной среды Калужской области».

5. Что нужно знать о продуктах, которые мы употребляем в пищу. Составляется на основе статей В.М. Назаренко в журнале «Химия в школе» за 1993-1997 гг. по данным ЦГСЭН.

Сообщения по результатам практических работ:

1. Содержание остаточного хлора в воде (реки, источника).

2. Содержание нитратов в воде (реки, колодца).

Литература к занятиям:

1. Агесс П. Ключи к экологии. – Л.: Гидрометиздат, 1982. – 96 с.

2. Доклад «О состоянии окружающей среды Калужской области в 1994 году». – Калуга: комитет по охране окружающей среды, 1995. – 65 с.; 1997-2006 гг.

3. Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло. Кислотные дожди и окружающая среда. – М.: Химия, 1991. – 140 с.

4. Комплексные методики активного обучения учащихся, студентов и педагогов в системе непрерывного экологического образования. – Санкт- Петербург, 1993.

5.Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.Н., Кумачёв А.И. Экология на уроках химии. – Минск: Красико-принт, 1996. – 205 с.

6.Лурье Ю.Ю.Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.; Химия, 1884.

7. Назаренко В.М. Химия в школе (1993-1997 гг.) – статьи почти во всех номерах журнала за эти годы.

8. Никифорова Г.П., Жегин А.Ю. Экология и химия. – М.: Наука, 1994. – 78 с.

9. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. – М.: Стройиздат, 1990. – 347 с.

10. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. – М.: Химия, 1989. – 511 с.

11. Савиткин Н.И., Молчанов Я.Я. Внеклассная работа учащихся по анализу поверхностных и сточных вод. – Калуга, 1990. – 50 с.

12. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. – М.: Высшая школа, 1994. – 399 с.

13. Химия и общество. – М.: Мир, 1995. – 559 с.

14. Химия окружающей среды. – М.: Химия, 1982. – 670 с.

15. Чернова Н.М., Белова А.М. Экология. – М.: Просвещение, 1988. – 271 с.

16. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. – М.: Просвещение, 1995. – 238 с.