Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Приведенные примеры являются лишь некоторой иллюстрацией негативных последствий антропогенного загрязнения морской воды. Несмотря на огромный объем Мирового океана (около 1,4-Ю9 км2), человек уже сегодня способен создавать ситуации, угрожающие его собственному здоровью и даже жизни. Выход - обязательная очистка сточных вод, сбрасываемых в реки и океан, и обязательная ликвидация последствий экологических катастроф.
Озера. От океана они отличаются, прежде всего, нестационарностыо своих химических и биологических характеристик. Вода пресных озер характеризуется низким содержанием растворенных веществ, и биологические процессы в такой воде лимитируются поступлением в нее питательных веществ. Углерод в форме CO2 редко оказывается в недостатке по сравнению с другими питательными веществами, но содержание в воде азота и/или фосфора (в форме соединений) часто становится факто
Химия окружающей среды
297
ром, контролирующим рост биомассы. При этом имеет значение не только их реальное содержание в воде, но и молярное соотношение N/P, т.к. в составе живых организмов это соотношение должно быть вполне определенным. Так, синтез протоплазмы водорослей можно выразить уравнением
где формула в фигурных скобках призвана выразить соотношение между элементами в составе протоплазмы. Из формулы следует, что молярное соотношение C:N:P в составе протоплазмы составляет 106:16:1.
Процесс, выраженный уравнением (6.30), находится в равновесии в том смысле, что одновременно протекают реакции синтеза биомассы и деструкции отмирающего органического вещества. Уравнение обратной реакции подтверждает необходимость потребления кислорода в процессе деструкции органического вещества. Такой процесс может протекать только в аэробных условиях. В процессе деструкции в раствор выделяются соединения углерода, азота и фосфора, а также микроэлементы, которые не отражены в уравнении (6.30). Возврат в раствор элементов питания в значительной мере поддерживает материальный баланс в биохимическом цикле.
Если остатки биологической массы не успевают разложиться в аэробных условиях, например из-за недостатка O2, то они опускаются в более глубокие слои водоема, где свободный кислород может отсутствовать и условия тогда являются анаэробными. При разложении органических остатков в анаэробных условиях, как отмечалось для морской воды, альтернативными кислороду окислителями являются SO42", NO3", Fe(OH)3 и MnO2. Однако содержание ионов SO4 ~ в пресной воде обычно не бывает достаточным для разложения больших количеств биомассы. Более вероятными оказываются реакции с участием NO3- (см. уравнение (6.28)), FeOOH и MnO2 (из донных отложений). Окисление органических остатков оксигидроксидом железа (III) и диоксидом марганца (IV) приближенно выражается уравнениями
Выбор окислителя для разложения органических остатков в анаэробных условиях определяется не только его содержанием в данной среде, но и энергетикой процесса. Если содержание ионов NO3" оказывается достаточным для деятельности микроорганизмов, то реакция окисления органических остатков азотом (V) становится превалирующей (см. пример 6.5).
В некоторых озерах, особенно заболоченных, деструкция органических остатков протекает с участием бактерий, которые вырабатывают метан (см. уравнение (6.29)). Образующийся метан поступает в атмосферу и пополняет содержание в ней «парниковых» газов.
Замечено, что кислотные дожди представляют серьезную опасность для биологических процессов в озерах. Понижение pH озерной воды до 5,2 нарушает Са-обмен у раковинных моллюсков. Для рыбы предельное понижение pH составляет 5,0...4,5. Более устойчива к понижению pH воды форель, и весьма чувствителен карп. Примерно при этих же значениях pH наступает гибель планктона. При pH < 4,5 начинают
106CO2 + 16NO3- + HPO42- + 122H2O + 18H+ *=fc {(CH2O),06(NH3)16(H3PO4)} + 138O2,
(6.30)
{CH2O} + 4FeOOH + 8H3O+ = CO2 + 4Fe2+ + 15H2O, {CH2O} + 2MnO2 + 4H3O+ = CO2 + 2Mn2+ + 7H2O.
(6.31) (6.32)
298
B.B. Вольхин. Общая химия
выщелачиваться из донных отложений ионы Al(III), которые вызывают некрозы (разрушение) тканей организма рыб и их гибель.
Загрязнение озерной воды токсичными элементами и включение последних в пищевой цикл представляет такую же опасность на региональном уровне, как и глобальная проблема загрязнения воды Мирового океана.
Реки. Вода рек является пресной, содержание ионов в речной воде, как правило, низкое. Основные катионы - Ca2+, Na'1', K+ и Mg2+, а основные анионы - НСОз~, СГ и S042-. Кроме того, в воде рек содержатся коллоидные вещества и суспензированные твердые вещества. Вода разных рек может существенно отличаться по составу и содержанию растворенных и коллоидных веществ, что зависит от химических и биологических процессов, а также от климатических условий региона.
Химические процессы связаны с выщелачиванием ионов из минералов литосферы. Наиболее устойчивы в водных растворах катионы, имеющие заряд +1 или +2 (Ca2+, Na+, K+, Mg2+, Zn2+, Cu2+ и др.) и анионы сильных кислот (СГ, ВГ, NO3", SO42" и др.). Многозарядные катионы и анионы слабых кислот в воде подвергаются гидролизу. Питьевой воде свойственны значения pH, близкие к 7, и в этих условиях анионы углерода и фосфора представлены преимущественно формами НСОз™ и НРО4* . Фосфор образует также полифосфатные анионы, например P3Oi05-. В нейтральной воде отсутствуют простые ионы Fe3+ и Al3'1', т.к. они подвергаются гидролизу и образуют малорастворимые продукты. Однако в воде нередко содержатся ионы Fe2+, если они связаны в комплексы, например, с гуминовой кислотой. Их состав - FeL5 где L - анион гуминовой кислоты. Свободные ионы Fe2+ в воде нестабильны, они окисляются кислородом до Fe3+ и далее испытывают гидролиз и выпадают в осадок. Многие другие металлы в воде также существуют в форме комплексных соединений.
