Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Перейдем к краткому знакомству с химическими процессами, протекающими в основных частях гидросферы.
Мировой океан. В науке об охране окружающей среды океаны и моря принято изучать как единую природную систему. Их вода связана течениями. Даже внутренние моря, например Черное море, обмениваются своей водой с океанами. Состав воды океанов и морей (морской воды) характеризуется относительным постоянством по основным ионам. Общее содержание солей в морской воде составляет в среднем 35 °/00 (г/кг) и колеблется от 33 до 37 °/00- Содержание по отдельным ионам следую-щее2(°/00): Na+ 10,77; Mg2+ 1,29; Ca2+ 0,4121; K+ 0,399; Sr2+ 0,0079; СГ 19,354; SO4 2,712; HCO3 0,1424; Br- 0,0673. Вывод о постоянстве состава воды не распространяется на те элементы, которые участвуют в биохимическом цикле и поглощаются микроорганизмами.
Биологические процессы, протекающие у поверхности водного бассейна и в его глубине, не одинаковы. В тонком слое воды у поверхности осуществляется процесс фотосинтеза, который можно выразить хорошо известным уравнением суммарной реакции
CO2 + H2O+ hv ->• {CH2O} + O2, AG0= + 475 кДж/моль. (6.25)
294
В.В. Вольхин. Общая химия
Реакция требует поступления энергии в систему. Поэтому фотосинтез осуществляется за счет утилизации энергии солнечного света. Для процесса фотосинтеза требуются питательные вещества - CO2 и многие другие. Процесс фотосинтеза протекает внутри клеток тканей фитопланктона - микроскопических водорослей.
Таким образом, фитопланктон выступает в качестве продуцента органического вещества и с него начинается биологический цикл. В последующих звеньях биоцикла участвуют потребители органического вещества - консументы (растительноядные и хищные животные). На восходящей ветви биологического цикла формируется цепочка пищевых связей, за счет которых биомасса каждого последующего звена приблизительно в 10 раз меньше, чем предыдущего.
Нисходящая ветвь биологического цикла выражает гибель живых организмов и разложение отмершего органического вещества до минерального (процесс деструкции). Этот процесс можно выразить следующей суммарной реакцией:
Энергия, затраченная на процесс фотосинтеза, возвращается. Процесс деструкции осуществляют организмы - редуценты. Они используют кислород для окисления органического вещества. Такие условия, при которых содержание O2 в воде оказывается достаточным для полного окисления отмершего органического вещества, относятся к аэробным. Нормальное содержание кислорода в воде является одним из признаков ее благополучия. Максимальная растворимость O2 в воде при 25 0C составляет %,Ъ2мг/дм\
В отсутствии свободного кислорода, т.е. в анаэробных условиях, процесс окисления отмершего органического вещества протекает с участием иных окислителей: ионов SO42" и NO3", осадков Fe(OH)3 и MnO2 (из донных отложений). Некоторые процессы окисления органических остатков в анаэробных условиях приближенно выражаются следующими уравнениями:
Все эти реакции протекают в анаэробных условиях с участием бактерий. Образующиеся токсичные вещества отравляют воду, и в ней не могут существовать формы жизни, свойственные аэробным условиям, например рыбы.
Примерб.5. Разложение остатков отмерших организмов в анаэробных условиях может протекать за счет разных процессов. Некоторые из них выражаются упрощенно уравнениями следующих суммарных реакций:
a) 5C6Hi2O6(K, + 24NO3-(P)-* 12N2(r) + 24НСО.-Г(р)+ 6С02(г) + 18Н20(ж),
S) C6H12O6(K) + 42С02(Г) + 24Fe(OH)3(K) -» 24Fe2+(p) + 48HCOj-(p) + 18Н20(Ж),
в) C6Hi2O6(K) -> 3CH4(D + 3CO2(D-
В качестве конкретного представителя углеводов выбрана глюкоза, для которой в справочной литературе имеются термодинамические данные.
Вычислим для каждой реакции значения AG0 и, используя полученные величины, сопоставим реакции по термодинамической вероятности их протекания.
Химия окружаюъцей среды
{CH2O} -I- O2 -> CO2 + H2O5 AG0= - 475 кДэю/моль,
(6.26)
2{CH2O} + SO42" + 2H3O+ -> H2S + 2CO2 + 4H2O, {CH2O} + 2NO3" -> 2NO2" -I- CO2 + H2O, 2{CH2O} -^CH4+ CO2.
(6.27) (6.28) (6.29)
Решение. Выбрав из справочной литературы значения AG0/- для веществ, участвующих в каждой из данных реакций, проведем вычисления значений AG0 {кДж):
а) AG° = 12AG0XN2(P)) + 24AG0XHCO3-(P)) + 6AG°{P01{Y)) + 18AGo/H20(?)) - 5AG7(C6H1206(K)) -- 24AG°y (NO3(P)) = 12 моль -0 + 24 моль • (-587,1 кДж/моль) + 6 моль • (-394 кДж/моль) + + 18 моль ? (-237 кДж/моль) - 5 моль •(-9Il кДж/моль) - 24 моль •(-Il 0,5 кДо/с/моль) = -13513 кДж.
Для последующих реакций приведем только результаты вычислений. Используем значение AG0Z-(Fe(OH)3) = - 699 кДо/с/моль (данные из научной литературы).
б) AG0 =-249,2 «Дж.
в) AG0 = -424 кДж.
Полученные значения AG0 приведем к 1 моль {CH2O}.
а) -13513 кДж/30 моль = - 450,4 кДж/моль,
б) - 249,2 кДж/6 моль = -41,5 кДж/моль,
в) -424 кДж/6 моль = -70,7 кДж/моль,
Вывод: термодинамическая вероятность прохождения первой реакции значительно выше, чем второй и третьей. Две последние реакции возможны только при недостатке ионов NO3" для окисления органических остатков. Предполагается, что соответствующие микроорганизмы присутствуют в реакционной системе в достаточных количествах.
