Химия окружающей среды Вторушина Анна Николаевна ТПУ —

Химия окружающей среды Вторушина Анна Николаевна ТПУ - 2012

Литература • Хентов В. Я. Химия окружающей среды для технических вузов : учебное пособие для втузов / В. Я. Хентов. — Ростов н/Дону : Феникс, 2005. — 144 с. • Голдовская Л. Ф. Химия окружающей среды : учебник / Л. Ф. Голдовская. — М. : Мир, 2007. — 296 с. • Ахмеджанов Р. Р. Химия окружающей среды : учебное пособие / Р. Р. Ахмеджанов ; Томский политехнический университет (ТПУ), Институт дистанционного образования (ИДО). — Томск : Изд-во ТПУ, 2007. — 108 с.

Литература • Чернобаев И. П. Химия окружающей среды : учебное пособие / И. П. Чернобаев. — Киев : Высшая школа, 1990. — 190 с. • Гусакова, Н. В. Химия окружающей среды : учебное пособие для вузов / Н. В. Гусакова. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2004 . — 192 с. • Химия окружающей среды : учебное пособие / под ред. Т. И. Хаханиной. — М. : Высшее образование, 2009. — 130 с.

Рис. 1. Связь химических, биологических и экологических наук

• Аутоэкология - экология отдельных особей (внутривидовые взаимосвязи); • Синэкология - экология многовидовых сообществ (межвидовые взаимосвязи); • Демэкология – рассматривает динамику популяций; • Биогеоценология - учение об экологических системах. • Экосферология - изучает в планетарном масштабе сферу взаимодействия между современной биосферой и техносферой.

Биосфера. Строение, свойства, функции

Основные термины и определения • Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. • Биосфера - живые организмы и продукты их жизнедеятельности

Структура биосферы

Основные термины и определения • Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на живой организм. • Экологическая система – взаимосвязанная, единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания.

Основные термины и определения • Биотоп – это неорганическая, неживая среда с определенными физикохимическими условиями, например, температурой, влажностью, круговоротом веществ. • Живые существа, населяющие биотоп, образуют природное сообщество – БИОЦЕНОЗ.

Структура экосистемы

• Биотическая структура экосистемы – это совокупность организмов различных категорий, пути взаимодействия их между собой и окружающей средой. • Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца. • Продуценты – комплексы автотрофных организмов, обеспечивающих органическими веществами, следовательно, и энергией все остальные организмы (растения и фотосинтезирующие бактерии).

• Гетеротрофы – организмы, питающиеся готовыми органическими веществами. • Консументы – комплексы гетеротрофных организмов (животные, бесхлорофилльные растения). • Первичные консументы – животные, которые питаются непосредственно продуцентами (например, кролик ест морковку) – растительноядные. • Вторичные консументы – животные, которые питаются первичными консументами (лиса, питающаяся кроликом) – плотоядные.

• Редуценты или деструкторы – комплексы организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния (бактерии, грибы, простейшие – редуценты, а также организмы, которые питаются мертвыми органическими веществами – грифы, раки, муравьи – детритофаги). • Абиотическое окружение – весь комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена.

Рис. 2. Биотическая структура экосистемы

• Биологический вид – совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающего рядом общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный ареал, обособленных от других нескрещиваемостью в природных условиях. • Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающих определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Население одного вида на определенной территории. В современной биологии популяция рассматривается как элементарная единица процесса эволюции, способная реагировать на изменения среды перестройкой своего генофонда.

Тема 1. Химические элементы в биосфере

Возникновение химических элементов • 1946 г. Гамов – теория возникновения элементов в результате «Большого взрыва» (первичное образование тяжелых элементов) • 1990 г. Озима - первичное образование легких элементов

Общая схема возникновения элементов: 1. «горение» водорода

Общая схема возникновения элементов: 2. «горение» гелия

Содержание элементов во Вселенной

Происхождение и эволюция Земли

Таблица оксидов земной коры Ф. У. Кларка

Атмосфера

Атмосфера

Гипотезы происхождения атмосферы: 1. Непрерывное образование атмосферы (за счет выделения газов из мантии); 2. Взрывообразное образование атмосферы (например, за счет расслоения Земли на ядро и мантию)

Строение атмосферы

Закон парциального давления Дальтона P = P 0 exp(–h/H 0) P 0 –давление на поверхности земли h – отсчет высот от уровня океана H 0 – высота/ мера скорости с которой давление падает с высотой

Состав незагрязненного воздуха

Состав атмосферы Газы в атмосфере не всегда находятся в равновесии. Сбалансированное состояние атмосферы: Где , ‑ потоки в атмосферу и из нее, А – общее количество газа в атмосфере, ‑ время пребывания газа в атмосфере.

Время пребывания – величина, описывающая системы в устойчивом состоянии. Источники компонентов в атмосфере: 1. Геохимические 2. Биологические 3. Антропогенные

Геохимические источники компонентов: 1. Пыль от выветривания почвы (химическое влияние не велико из-за слабой хим. активности) 2. Морские брызги (более реакционноспособны) 3. Частицы привнесенные метеорами (металлы в верхних слоях атмосферы) 4. Выбросы вулканического происхождения (изменение температуры, нарушение химических процессов на больших высотах) 5. Радиоактивные элементы пород

Биологические источники компонентов 1. Лес: • Лесные пожары (значительный источник углерода); • Процессы дыхания и фотосинтеза (О 2, СО 2); • Источник следовых количеств органических кислот, альдегидов и др. соединений. 2. Микроорганизмы почв

Биологические источники компонентов Растения поглощают почвенные 3. Микроорганизмы океанов 4. Малоизученные процессы (CH 3 Cl, бром, йодсодержащие органические соединения)

Состав атмосферы: • Постоянные составляющие • Переменные составляющие (СО 2, водяной пар) • Случайные составные части (радиоактивные примеси, аммиак, сернистый газ и др. )

Состав атмосферы: Диссипация – это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли. Кинетическая теория газов: T – абсолютная температура, m – средняя масса частицы, V – средняя скорость частицы, k. B – константа Больцмана

Химические реакции в атмосфере можно разделить на: 1. 2. 3. 4. 5. Реакции фотодиссоциации Реакции фотоионизации Реакции диссоциативной рекомбинации Реакции с переносом заряда Реакции обмена

Химические реакции в атмосфере 1. Реакции фотодиссоциации Фотодиссоциация – это распад молекул с образованием свободных радикалов в результате поглощения фотона.

Химические реакции в атмосфере 2. Реакции фотоионизации Фотоионизация – это образование ионов из молекул и атомов под действием квантов света.

Химические реакции в атмосфере 3. Реакции диссоциативной рекомбинации – это реакции иона с электронами с образованием нейтральных молекул, которые в разряженных условиях верхней атмосферы будут быстро диссоциировать.

Химические реакции в атмосфере 4. Перенос заряда – реакция молекулярного иона с нейтральной частицей, сопровождающаяся переносом электрона.

Химические реакции в атмосфере 5. Реакции обмена – реакции сопровождающиеся разрывом связей.

Реакции следовых веществ в атмосфере Причина короткого пребывания газа в атмосфере – протекание хим. реакций.

Реакции следовых веществ в атмосфере Наиболее реакционноспособная единица в атмосфере – гидроксильный радикал. а) фоторазложение озона: б) Фотодиссоциация воды:

Реакции следовых веществ в атмосфере Гидроксильный радикал реагирует со многими соединениями, поэтому у него короткое время пребывания, и скорости реакций больше нежели у О 2. В стратосфере преобладает атомарный кислород. Газы просачиваясь в стратосферу мешают образованию озона.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ • • Источники антропогенного загрязнения: транспорт - 60% общего количества загрязнений, промышленность – 17%, энергетика – 14%, отопление и уничтожение отходов – 9%.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Классификация атмосферных загрязнений (по пути поступления в атмосферу): 1. первичные (поступающие непосредственно в атмосферу) 2. вторичные (являющиеся результатом превращения первичных).

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Около 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют: • сернистый газ, • окись углерода, • оксиды углерода • аэрозольная пыль.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Аэрозоли – дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твердые или жидкие частицы. Аэрозоли: 1. пыли – дисперсные системы, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. 2. дымы – аэрозоли, которые получаются при конденсации газа. 3. туман – дисперсная система, состоящая из жидких частиц в газообразной среде.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Источники аэрозолей: • Естественные (вулканы, гейзеры, разрушающиеся горные породы, пылевые бури, почвенная эрозия, лесные пожары), • Антропогенные (выбросы промышленных предприятий и др. )

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, – это их размер. Закон Стокса: где F – сила трения, r – радиус частицы, V – ее скорость и – вязкость среды.

Загрязнение атмосферы автотранспортом Количество загрязнения определяется: • составом топлива • объемом сжигаемого топлива • организация процесса сгорания

Рациональный выбор топлива

Загрязнение атмосферы автотранспортом Выбросы в атмосферу при сжигании различных видов топлива: • нетоксичные: углекислый газ, водяной пар (парниковые газы). • вредные вещества: оксид углерода (II), оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, бенз(а)пирен (С 20 Н 12), несгоревшие частицы топлива и т. п.

Нормы токсичности и выбросов с ОГ двигателей серийных авто полной массой до 3. 5. т

Загрязнение атмосферы автотранспортом Горение топлива Идеальная ситуация: Реальная ситуация:

Горение топлива - СО связывает гемоглобин в 210 раз эффективнее О 2

Горение топлива - Промышленные выбросы SO 2 – 200 Мт/год - Природные источники – 300 Мт/год (Эткинс, 1991)

Продукты горения топлива вызывают появление вторичного загрязнения Смог – это туман с влажностью около 70%. Общая схема образования фотохимического смога в упрощенном виде:

Некоторые составляющие фотохимического смога

Фотохимический смог Характерное распределение смога по времени суток:

Загрязнение воздуха и здоровье • Свинец – снижение умственных способностей у детей • Бензол – увеличение фотохимического смога, онкологические заболевания. • Толуол - онкологические заболевания; образует пероксибензилнитрат – раздражитель глаз.

Последствия загрязнения атмосферы • Диоксид серы, серная кислота – разрушает известняк до гипса; • Озон – разрушение двойных связей органических молекул (разрушение резин, красителей, нарушение жизнедеятельности растений); • Окиси азота – затруднение дыхания, инициирование фотохимических процессов с образованием альдегидов и др.

Озоновый слой Механизм образования озона: Факторы влияющие на концентрацию озона:

Разложение озона в азотном цикле

Разложение озона под действием водяного пара Таблица 2 Число частиц в 1 см 3 атмосферы по расчетным данным

Влияние антропогенных факторов на слой озона Фреоны:

Вклад различных циклов в скорость разложения озона 1 – галоидный цикл; 2 – водородный цикл; 3 – кислородный цикл; 4 – азотный цикл

Изменения глобального климата

Естественная эволюция климата Причины изменения климата: 1. Астрономические факторы (колебания климата с периодичностью в десятки тысяч лет). 2. Состав атмосферы (влияние естественных изменений содержания СО 2 существенно для интервалов времени более 100 тыс. лет).

Естественная эволюция климата Причины изменения климата: 3. Рельеф земной поверхности (сказывается на изменениях климата на больших пространствах за периоды не меньше сотен тысяч – миллионов лет). 4. Солнечная постоянная. Порядок времени – сотни миллионов, миллиарды лет.

Причины изменения климата: 5. Другие факторы, влияние которых сказывается за меньшие промежутки времени: • • Солнечная активность; Скорость вращения Земли; Вулканическая активность; Автоколебательные процессы в системе «атмосфера – гидросфера - криосфера» .

Основные антропогенные факторы, оказывающие влияние на климат: • Рост производства энергии (нагрев тропосферы); • Увеличение содержания СО 2 и др. парниковых газов в атмосфере; • Снижение содержания О 3 в стратосфере и увеличение в тропосфере; • Увеличение содержания аэрозолей в атмосфере (рост облачности, уменьшение приземной температуры воздуха).

Темы докладов: 1. 2. 3. 4. 5. Происхождение и эволюция Земли. Образование атмосферы. Состав и строение атмосферы. Функции атмосферы. Основные химические процессы, протекающие в атмосфере. 6. Парниковый эффект. 7. Причины глобальных климатических изменений. 8. Разрушение озонового слоя. Влияние хлорфторуглеродов и других компонентов антропогенного происхождения на процессы в озоновом слое.

Темы докладов: 9. Причины и механизм образования кислотных дождей (реакции, протекающие в атмосфере, основные характеристики компонентов кислотных дождей и сопуствующих газов, состав кислотного дождя, кислотные туманы и облака). 10. Воздействие угарного и углекислого газов на здоровье человека. 11. Воздействие оксидов азота и серного ангидрида на здоровье человека.

Темы докладов: 12. Воздействие тяжелых металлов на здоровье человека. 13. Источники загрязнения атмосферы бензапиреном. Механизм токсического воздействия. 14. Атмосферная радиоактивность: механизм влияния на окр. среду, реакции, аллергены, механизм появления этих частиц в атмосфере, их свойства.

ГИДРОСФЕРА - Прерывистая водная оболочка Земли.

Состав гидросферы по классам вод

Состав гидросферы • Общая масса воды 2× 1018 т – 0. 025% массы Земли. • Объем гидросферы – 1375 × 106 км 3 • Мировой океан – 71%

Свойства воды • Зависимость плотности от температурного режима • Теплоемкость • Удельная энтальпия плавления • Удельная энтальпия испарения • Диэлектрическая проницаемость • Поверхностное натяжение

Показатели качества воды 1. Физические: Цветность, запах, вкус, прозрачность 2. Химические: p. H, жесткость, щелочность, окисляемость (ХПК, БПК)

Роль гидросферы: • Среда, в которой произошло зарождение и развитие живого вещества; • Обязательный компонент в составе живого организма; • Переносчик растворенных веществ между литосферой и гидросферой, атмосферой и гидросферой, между живыми организмами и окружающей средой; • Универсальный растворитель – взаимодействует со всеми веществами, как правило, не вступая в реакции.

Состав Мирового океана 1) главные ионы – одиннадцать компонентов составляют 99, 98 % по массе от всех растворенных в океанской воде солей (табл. 5) 2) биогенные элементы – С, Н, N, P, Si, Fe, Mn, из которых состоят организмы; 3) растворенные в морской воде газы – О 2, N 2, CO 2, углеводороды и инертные газы; 4) микроэлементы; 5) органические вещества.

Источники элементов в океане: • речные воды (основной источник) • высокотемпературные гидротермальные излияния • глубинные источники Изъятие элементов из вод океана: • Осаждение на дно • Испарение

Характеристики вод океана: • Соленость • Водородный показатель (p. H) • Прозрачность Ресурсы океана: • Среда обитания для многих видов животных и растений • Источник химических элементов • Регулятор баланса СО 2 - О 2

Процессы в дельтах рек и эстуариях 1. Агрегация коллоидного материала Рис. Двойной электрический слой, включающий в себя неподвижный слой отрицательных зарядов на частице и подвижный слой ионов из раствора

Процессы в дельтах рек и эстуариях 2. Процессы перемешивания Рис. Идеализированные графики консервативного и неконсервативного перемешивания в дельтах рек. Ср и СМ - концентрации ионов в речной и морской воде

Процессы в дельтах рек и эстуариях 3. Гальморолиз и ионный обмен в дельтах Гальморолиз - процесс, с помощью которого материал суши приводится в соответствие с морскими условиями. Понятие гальморолиза определено неточно. Считают, что он включает в себя все те реакции, которые оказывают влияние на частицу в океане до захоронения ее в виде осадка.

Процессы в дельтах рек и эстуариях 4. Микробиологическая деятельность в дельтах Рис. Зависимость концентрации растворенных силикатов (а) и неорганического фосфора (РНФ) (б) от солености в дельте р. Грейт Уз (неконсервативное удаление)

Процессы в дельтах рек и эстуариях 4. Микробиологическая деятельность в дельтах Рис. Средние концентрации растворенного кислорода в приливо-отливной части реки Темзы осенью

Химия основных ионов морской воды Свойства морской воды: 1. Высокая ионная сила морской воды, которая содержит около 35 г/л солей. 2. Химический состав морской воды, с высоким содержанием ионов Na+ и Сl-. 3. Постоянные относительные концентрации основных ионов морской воды во всех океанах Земли.

Постоянство химии главных ионов в морской воде в геологическом временном масштабе • Эвапориты — соли, которые выпали природным путем из испаряющейся морской воды в бассейнах, по большей части отрезанных от открытого океана.

Последовательный ряд и приблизительные мощности слоев солей, осаждающихся при испарении 1 км морской воды

Химический круговорот главных ионов Времена пребывания ионов в морской воде – индикатор путей их обращения.

Простая модель, суммирующая привнос материала в морскую воду

Упрощенный баланс для основных ионов в морской воде. Все величины даны в 1012 моль/год

Процессы выноса главных ионов морской воды 1. Потоки море – воздух 2. Эвапориты 3. Катионный обмен 4. Осаждение карбонатов

Процессы выноса главных ионов морской воды 4. Осаждение карбонатов Абиогенное осаждение – второстепенное значение

Процессы выноса главных ионов морской воды 5. Опаловые силикаты (опал) — это разновидность продуцируемого биологически диоксида кремния (Si. O 4 n. Н 2 О), выделяемого как скелетный материал морским фитопланктоном (диатомеями) и одной группой морского зоопланктона (радиоляриями)

Процессы выноса главных ионов морской воды 6. Сульфиды

Процессы выноса главных ионов морской воды 7. Гидротермальные процессы Рис. Гидротермальная конвекция в срединном океаническом хребте

Процессы выноса главных ионов морской воды 7. Гидротермальные процессы: а) гидротермальные реакции как сток главных ионов. б) гидротермальные реакции как источники главных ионов в) гидротермальные реакции с участием сульфатов и калия

БАЛАНС ЗАПАСОВ ГЛАВНЫХ ИОНОВ МОРСКОЙ ВОДЫ Запасы главных ионов в морской воде сбалансированы (приход=расходу), кроме К+ 1. «Обратные реакции выветривания» 2. Фиксация К+ на глинистых минералах в результате реакций ионного обмена

Вынос ионов из морской воды за счет постоянного захоронения в поровой воде отложений Рис. Распределение концентраций Ca 2+ и Mg 2+ в осадочных поровых водах в зависимости от глубины

Следовые химические элементы в морской воде Сравнение общего атмосферного и речного притоков в океаны Земли (109 моль/год)

Металлы (по поведению в процессе химического круговорота) делятся: 1. Консервативное поведение ( практически постоянные концентрации по всей глубине, длительные времена пребывания, хорошо перемешаны), например: Mo, W, Br-, Cs+ 2. Поведение по типу питательных веществ 3. Класс выноса - извлечение элементов

Вертикальное распределение растворенных молибдена и вольфрама в северной части Тихого океана (консервативное поведение)

Вертикальное распределение растворенных нитратов (а), фосфора (б) и кремния (в) в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах (поведение по типу питательных веществ)

Концентрации питательных веществ и металлов в глубинных (более 3 км) водах Северной Атлантики и севера Тихого океана и времена их пребывания

Вертикальное распределение растворенного цинка и кадмия на севере Тихого океана (поведение по типу питательных веществ)

3. Класс выноса - извлечение элементов Вертикальное распределение алюминия в северной части Тихого океана. Причиной увеличения концентрации алюминия в глубинных водах является привнос алюминия из отложений морского ложа

Концентрации свинца и годичных слоях определенного возраста в кораллах, собранных у Флоридских Ключей

Океаническая циркуляция Идеализированная карта глубинных океанических течений (жирная линия) и поверхностных течений (штриховая линия)

Глобальный круговорот глубинных океанических вод. Основные маршруты течений (точечный орнамент). Глубинному перемешиванию в северной части Тихого океана препятствует топография морского ложа вокруг Алеутской дуги.

Загрязнение вод Способы проникновения загрязнений: 1. Сброс сточных вод 2. Утечка или просачивание с последующим переносом 3. Перенос речным потоком 4. Взаимодействие и перенос на поверхности раздела воздух-вода и вода-воздух

Источники загрязнения гидросферы: 1. Естественные (вулканическая деятельность, разрушение горных пород, продукты жизнедеятельности организмов и т. д. ) 2. Антропогенные: - токсичное (пестициды и др. ) - эвтрофирующее

Эвтрофицирование водоемов Эвтрофикация вод – повышение биологической продуктивности водных объектов, в первую очередь малых рек и водохранилищ на них, в результате накопления в воде биогенных веществ (азота и фосфора) под воздействием антропогенных или естественных факторов. Эвтрофицирование: естественное антропогенное

Естественное эвтрофирование – длительный процесс. Определяется действием абиотических факторов: 1. интенсивность солнечной радиации, 2. изменение климатических условий (зональные и сезонные различия величины и характера атмосферных осадков, колебание температуры, воздействие ветра), 3. величина водного стока, 4. зональное различие в гидрохимическом стоке (общая минерализация воды, различное содержание химических ингредиентов), Действие биотических факторов - биологические процессы в водоеме.

Антропогенное эвтрофирование – очень быстрый процесс. Определяется: • сбросом в водоемы бытовых и промышленных сточных вод; • выносом с полей минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов; • окультированием земель на площади водосбора и побережья водоемов; • регулированием режимов работы гидросооружений; • рекреационным использованием водоемов.

Критерии определения уровня трофности водоема: • уменьшение концентрации растворенного кислорода; • увеличение концентрации биогенных веществ; • увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического вещества; • последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых или зеленых водорослей; • увеличение мутности (не проникновения света) водной среды; • увеличение концентрации фосфора в донных отложениях.

Темы докладов: 1. Классификация природных вод. Показатели качества вод и способы их определения. 2. Загрязнение водных объектов пестицидами. 3. Загрязнение водных объектов синтетическими поверхностноактивными веществами (СПАВ).

Темы докладов: 4. р. Н, механизм стабилизации р. Н в реках, озёрах, болотах, океанах, влияние изменения р. Н на гидросферу. 5. Влияние серосодержащих веществ на экосистемы водоёмов (механизм воздействия, возможные последствия). 6. Источники загрязнения гидросферы радиоактивными веществами, механизм радиационного загрязнения и возможные последствия.

Темы докладов: 7. Загрязнение водных объектов бытовыми сточными водами (источники загрязнения, последствия и т. д. ). 8. Загрязнение водных объектов нефтепродуктами. 9. Проблемы мирового океана.

Литосфера – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью от 6 до 80 км (горные системы). Континентальная кора – громадный резервуар магматических и метаморфических пород (80%), покрытых осадочными породами (20%). Масса конт. коры составляет 23. 6*1024 т.

Схема поперечного разреза континентальной коры, на которой показаны геометрия и глобальный средний состав осадочной оболочки

Средний химический состав верхней континентальной коры, осадочных глинисто-алевритовых пород и взвеси в реках

Структура континентальной коры Многие твердые вещества коры реакционноспособны: • Радиоактивные элементы (уран, калий и т. д. ) • Некоторые нестабильные минералы (выветривание при изменении t или P)

Строение силикатов: Степень структурной сложности силиката определяет его реакционную способность и характер поведения в процессах выветривания. 1. 2. 3. 4. Мономерные силикаты Цепочечные силикаты С двойной цепочкой Слоистые силикаты 5. Каркасные силикаты

Процессы выветривания Выветривание – процесс разрушения и изменения горных пород и минералов в приповерхностных условиях под воздействием физико-химических факторов атмосферы, гидросферы и биосферы. Факторы выветривания: • Колебания температур; • Химические агенты (О 2, Н 2 О, СО 2); • Органические кислоты; • Микроорганизмы.

Процессы выветривания 1. Физическое выветривание – механический процесс размельчения породы до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе: 2. Химическое выветривание – разрушение горных пород с изменением их химического состава: • растворение; • окисление; • гидратация; • гидролиз.

Механизмы химического выветривания • Растворение минералов (не зависит от р. Н): • Окисление: В окисление сульфидов вовлечены микроорганизмы : (окисление пирита)

Механизмы химического выветривания Затем окисление 2 -х валентного железа (при низких значениях р. Н): При р. Н менее 3. 5 окисление катализируется железобактериями. Окисленное железо взаимодействует с пиритом:

Механизмы химического выветривания При значениям р. Н значительно выше 3 железо (III) осаждается как обычный оксид (гетит): Восстановленные железосодержащие силикаты также могут окисляться (напр. фаялит (богатый железом оливин):

Механизмы химического выветривания Окисление органического вещества - в почвах катализируется микроорганизмами, сопровождается изменением р. Н.

Механизмы химического выветривания Продукты частичного разрушения обладают карбоксильными и фенольными группами, которые при диссоциации дают ион Н+: Увеличение кислотности среды используется при разрушении большинства силикатов в процессе кислотного гидролиза

Механизмы химического выветривания Кислотный гидролиз - реакция между минералом и кислыми агентами выветривания. Выветривание Сa. CO 3: Кислотный гидролиз силиката богатого магнием оливина (форстерит):

Механизмы химического выветривания Усредненный процесс химического выветривания сложных силикатов (на примере плагиоклаза богатого Са):

Темы докладов: 1. Источники загрязнения литосферы радиоактивными отходами, механизм воздействия этого явления. 2. Токсикация почв тяжёлыми металлами. 3. Влияние атмосферных и гидросферных загрязнений на деградацию литосферы. 4. Руды: извлечение, обогащение, получение основных компонентов, образование отходов, их свойства.

Темы докладов: 5. Генная инженерия в сельском хозяйстве: за и против! 6. Глобальное потепление: человек или природа? 7. Массовое вымирание видов 8. Потеря почвенных ресурсов 9. Переработка и утилизация ТБО 10. Ядерные катастрофы. Их последствия.

Биогеохимические циклы

Природные циклы Геологический цикл

Экзогенный и эндогенный циклы

Биогеохимический цикл на фоне упрощенной схемы потока энергии

• Обменный фонд – вещество которого совершает постоянную циркуляцию между живыми организмами и окружающей их средой. • Резервный фонд - вещество которого не участвует в данный момент в круговороте, но которое может быть вовлечено.

Гидрологический цикл

Биогеохимиче ский цикл в сопряжении с другими элементами

Круговорот азота (Гт/год)

Фиксация азота Микроорганизмы путём прямой фиксации непосредственно извлекают азот из атмосферы и связывают его в почве: • некоторые свободноживущие почвенные бактерии; • симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми); • цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений. Фиксация азота организмами происходит в нитритную форму (соединения на основе NH 3), далее связываясь с почвенной влагой он переходит в нитратную форму.

Основные специфические черты круговорота азота • преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота; • ведущую роль в круговороте азота почв и почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие. • • Содержание азота в связанном виде в биосфере: органическое вещество почвенного покрова (1, 5 х1011 т), биомасса растений (1, 1 х109 т), биомасса животных (6, 1 х107 т). некоторые биогенные ископаемые (селитры).

Фиксация азота бактериями, делает его доступным для остальной части биоты: С учетом азота и фосфора уравнение фотосинтеза/дыхания имеет вид:

• Мочевина, накапливаемая биологическим путем (в моче животных), в результате гидролиза разлагается (в щелочной среде): • в кислой среде : Некоторые микроорганизмы, например Nitrosomonas, окисляют NH 4+, используя его в качестве источника энергии в процессе дыхания:

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора

Круговорот серы

Основной источник серы – выветривание из осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород): Сульфатредуцирующие бактерии в отсутствии кислорода образуют H 2 S:

В присутствии кислорода ряд бактерий окисляют H 2 S до: Некоторые бактерии окисляют сульфиты до серы и сульфатов:

Связи между циклами элементов В отсутствии О 2 некоторые бактерии окисляют серу и сульфиты, используя нитраты (циклы азота и серы): Зеленые серные бактерии используют серу в хемосинтезе орган. вещества: И пурпурные бактерии:

Универсальная схема описания циркуляции веществ между резервуарами Земли