Химия окружающей среды

 

2CuS + 3О2 = 2CuO + 2SO2

 

Стоки SO2 — вымывание атмосферными осадками и поглощение растительностью. SO2 легко растворяется в капельках воды, находящихся в облаках, образуя при этом сернистую кислоту:

 

H2O + SO2 = H2SО3.

 

Поскольку мелкие капельки воды имеют очень большую поверхность, в них легко проникает кислород, который окисляет сернистую кислоту до серной:

 

2H2SO3 + О2 = 2H2SO4

 

причем    по   сравнению   с   другими   химическими   процессами   в окружающей среде эта реакция идет довольно быстро. Хотя скорость этой реакции недостаточна для промышленного получения серной кислоты, ее вполне достаточно для того, чтобы вокруг источников SO2 постоянно выпадали кислотные дожди. Кроме того, превращение SO2 в H2SO4 ускоряется в присутствии оксидов азота.

Из-за высокой реакционной способности время пребывания SO2 в атмосфере невелико — от 3 до 7 суток.

 

 

 

Сероводород (Н2S)

 

Сероводород образуется при дегазации магмы и, в наибольших количествах, в качестве продукта жизнедеятельности организмов. Поскольку сероводород очень сильный восстановитель, он образуется только в анаэробных (бескислородных) условиях. Для большинства аэробных организмов (т.е. организмов, дышащих кислородом) токсичен.

Большие количества сероводорода выделяются при гниении, как результат восстановления серы, содержащейся в белках. Сероводород также образуется в результате деятельности сульфатредуцирующих организмов — анаэробных бактерий, которые живут, в частности, в подземных гипсовых слоях и в качестве окислителя используют сульфат-ион:

 

CaSО4 + «С» + 2Н2О = Са(НСО3)2 + H2S↑.

 

Основной сток сероводорода (равно как и других газов, содержащих серу в низких степенях окисления, например, (CH3)2S, COS) — его окисление кислородом воздуха до существенно менее токсичного SО2:

 

2H2S + ЗО2 = 2Н2О + 2SO2.

 

Окисление   протекает  быстро,   поэтому  среднее  время  пребывания сероводорода в атмосфере не превышает одних суток.

 

Метан (СН4)

 

Источник метана в атмосфере — жизнедеятельность различных бактерий, сток — окисление кислородом воздуха. Как правило, метанообразующие бактерии обитают во влажных анаэробных условиях, например, в болотах и донных отложениях. Также они обитают в пищевом тракте травоядных животных. С 1850 года концентрация метана в атмосфере выросла в два раза и составляет в настоящий момент 1600 млрд -1

Относительно причин такого увеличения единого мнения нет. Есть гипотезы, что сказалось увеличение площадей рисовых полей (которые постоянно залиты водой и в которых поэтому существуют хорошие условия для деятельности метанобразующих бактерий), а также загрязнение болот соединениями азота и фосфора — лимитирующими ресурсами для метанобразующих бактерий. Поскольку метан — парниковый газ, увеличение его концентрации может внести свою лепту в глобальное потепление климата.

Основной сток метана — радикальное окисление кислородом, (протекает медленно). Его время пребывания в атмосфере — 3,6 года.

 

 

 

Инертные газы

 

Три инертных газа — аргон, гелий и радон — преимущественно образуются как продукты радиоактивного распада. Аргон образуется в результате распада 40К, гелий и радон — в результате распада ядер урана и тория. Все остальные инертные газы — продукты дегазации магмы. Поскольку гелий и радон — продукты радиоактивного распада, они выделяются в первую очередь над залежами пород, обогащенных ураном и торием. При этом радон (период полураспада — 3,85 суток) не успевает улететь достаточно далеко от источника, и поэтому оказывается хорошим индикатором пород, обогащенных ураном и торием. По той же причине радон отсутствует в воздушных массах, долгое время находившихся над океаном. Итак, сток радона — радиоактивный распад.

 Основной сток гелия — улетучивание в космическое пространство. У остальных инертных газов стоков практически нет.

 

 

Природные источники

 

Поскольку в глобальном масштабе атмосферу можно рассматривать как находящуюся в состоянии равновесия, была создана модель, в которой атмосфера представлена как система, имеющая источники, резервуар (это сама атмосфера) и стоки, пребывающие в хрупком равновесии. Источники должны быть достаточно стабильными в течение длительного периода, в противном случае равновесие сдвинется.

Наиболее известный и тревожный пример такого сдвига — это увеличение источников СО2 из-за потребления огромных количеств ископаемого топлива в процессе человеческой деятельности, вызвавшем продолжительное возрастание концентрации CО2 в атмосфере. Существует множество источников микрокомпонентов в атмосфере, которые можно разделить по различным категориям, например, такие как геохимические, биологические и человеческие, или антропогенные. Некоторые из источников трудно определить по этим категориям. Является ли лесной пожар геохимическим, биологическим или антропогенным источником (особенно если лес был посажен или пожар начался вследствие человеческой деятельности)? Хотя наше разделение может оказаться несколько нечетким, источники, тем не менее, полезно разделить по категориям именно таким образом.

 

 Геохимические источники

 

Возможно, самыми мощными геохимическими источниками служат переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу.

Пыль — это в основном почва аридных регионов Земли. Если эта пыль достаточно тонка, то она может распространяться на большие площади и играть важную роль в перераспределении материала. Однако часто химическое влияние пыли в атмосфере не столь очевидно из-за ее слабой химической активности. Переносимые ветром в виде частиц соли морские брызги, наоборот, более реакционноспособны в атмосфере.

Частицы соли из океанов гигроскопичны, и во влажных условиях эти крошечные кристаллы NaCl притягивают воду и образуют концентрированный капельный раствор или аэрозоль. В результате этот процесс принимает участие в образовании облаков. Капельки могут быть также местом протекания важных химических реакций в атмосфере. Если в капельках растворяются сильные кислоты, например азотная (HNO3) или серная (Н2SО4), то может образоваться соляная кислота (НС1). Считается, что этот процесс является важным источником НСl в атмосфере:

 

H2SO4+NaCl ® НС1 + NаНSО4

 

Метеоры также могут приносить частицы в атмосферу. Это очень небольшой источник по сравнению с переносимой ветром пылью или лесными пожарами, но метеоры играют большую роль в верхних частях атмосферы, где плотность газов невысока. Здесь даже небольшой вклад может быть очень значителен и металлы, приносимые с метеорами, вступают в ряд химических реакций.

Наземные вулканы представляют наибольший источник пыли, которая в результате особенно сильных извержений может выноситься и в стратосферу. Издавна известно, что вулканические частицы могут влиять на глобальную температуру, задерживая солнечный свет. Они также могут нарушать химические процессы на больших высотах. Вулканы служат также огромным источником не только пыли, но и таких газов, как диоксид серы (SO2), CO2, HC1 и фтористый водород (HF). Эти газы вступают в реакции в стратосфере, давая начало другим частицам, из которых важнейшей является H2SO4, вырабатываемая косвенным путем из вулканических источников.

Необходимо понимать, что вулканы — это весьма непостоянный источник частиц, как во времени, так и в пространстве. Сильные вулканические извержения редки. Бывает, что проходят годы без больших извержений и затем вдруг единовременно высвобождается больше вещества, чем за многие предыдущие десятилетия. Извержения происходят в очень специфических районах, где расположены действующие вулканы. Кроме крупных извержений, в результате которых большое количество вещества попадает в верхние слои стратосферы, следует учитывать и небольшие фумарольные выбросы из вулканических трещин и расселин, из которых газы медленно выходят в нижние слои атмосферы в течение очень длительного времени. Баланс между этими двумя типами вулканических источников точно неизвестен, хотя для SO2 он составляет, вероятно, 50:50.

Радиоактивные элементы пород, в основном калий и такие тяжелые элементы, как радий, уран и торий, могут высвобождать газы. Аргон является результатом распада калия, а радон, радиоактивный газ с периодом полураспада 3,8 дней — распада радия. Серии уран-ториевых распадов приводят к образованию α-частиц, являющихся ядрами гелия. Когда эти ядра захватывают электроны, гелий поступает в атмосферу. Гелий не накапливается в атмосфере, поскольку он достаточно легкий газ и выносится в космос. Таким образом, концентрация гелия в состоянии устойчивости определяется балансом между его радиоактивным излучением из коры и потерей из верхних слоев атмосферы.

 

Биологические источники

 

В отличие от геологических источников биологические не являются крупным прямым источником поступления частиц в атмосферу, за исключением лесных пожаров. Лесные пожары служат значительным источником углерода, в виде частиц сажи.

Кроме того, живой лес играет большую роль в обмене газон с атмосферой. Основные газы атмосферы О2 и СО2 вовлечены в процессы дыхания и фотосинтеза. Однако лесами выделяются также огромные количества следовых органических соединений. Такие терпены, как пинен и лимонен, придают лесам их чудесный аромат. Леса являются также источниками органических кислот, альдегидов и других органических соединений.

Несмотря на очевидность того, что леса представляют мощный источник газов, особенно важную роль в генерации атмосферных следовых газов играют микроорганизмы. Метан — газ, который накапливается вследствие протекания реакций в анаэробных системах. Влажные почвы и болота, рисовые поля служат средой для микроорганизмов так же, как и пищеварительный тракт жвачных животных, например крупного рогатого скота.

Почвы Земли богаты соединениями азота, дающими начало всему спектру активных химических процессов с участием азота, в результате которых накапливаются многие азотсодержащие следовые газы. Можно взять мочевину (NH2CONH2), присутствующую в моче животных, как типичное азотное соединение почв, накапливаемое биологическим путем. В результате гидролиза NH2CONH2 разлагается до аммиака и СО2:

NН2СОNН2 + Н20 ® 2NH3+ СО2. 

 

Если почва, где произошел этот гидролиз, имела щелочную реакцию, то выделяется газообразный NH3, тогда как в условиях кислой среды он прореагирует с образованием иона аммония NH4+

 

NH3 + Н+ ® NH4+ 

 

Растения могут поглощать почвенные NH3 или NH4+ прямым путем, а некоторые микроорганизмы, окисляют NH4+, используя его в качестве источника энергии в процессе дыхания так же, как другие клетки используют восстановленные соединения углерода. Одной из возможных является реакция

2NH3 + 2О2 ® N2О + 3Н2О

 

 

Это биологический источник закиси азота (N2O), важного и достаточно устойчивого газа тропосферы. В природе протекают многие другие реакции с участием соединений азота, в процессе которых образуются газы NH3, N2, N2О и оксид азота (NO).

Деятельность микроорганизмов в океанах также является мощным источником следовых газов. Морская вода обогащена растворенными сульфатами и хлоридами (и в меньшей степени солями других галогенов: фтора (F), брома (Вг), йода (I)). Морские микроорганизмы используют эти элементы в метаболизме, в результате чего образуют серу (S) и галогенсодержащие следовые газы. Однако содержание азота в поверхностных морских водах настолько низкое, что в действительности океаны являются азотной пустыней. Это означает, что морская вода не служит достаточно большим источником азотсодержащих микрокомпонентных газов.

Органические сульфиды, продуцируемые морскими микроорганизмами, вносят особо существенный вклад в накопление серы в атмосфере. Наиболее типичным соединением является диметилсульфид - ДМС - (CH3)2S. Это летучее соединение образуется морским фитопланктоном, в верхних слоях океана в процессе гидролиза бетадиметилсульфопропионата (CH3)2S+CH2CH2COO-   до ДМС и акриловой кислоты (CH2=CHCOOH):

 

(CH3)2S+CH2CH2COO- ® (CH3)2S + СН2=СНСООН

 

Другим важным соединением серы, выделяемым океанами, является карбонилсульфид (COS). Он может образоваться в результате реакции между дисульфидом углерода (CS2) и водой:

 

CS2 + H2O ® COS + H2S

 

и, несмотря на то что поток его в атмосферу меньше, чем ДМС, из его устойчивости следует, что он будет накапливаться в больших концентрациях. Эти серосодержащие газы малорастворимы в воде, что способствует их выходу из океанов в атмосферу.

Хорошо известно существование органических галогенпроизводных в атмосфере. Несмотря на очевидную зависимость от антропогенного источника - жидкостями, применяемыми для химчистки, в огнетушителях и распыляемыми аэрозолями, существует также множество биологических источников. Метилхлорид (СН3С1), наиболее распространенный в атмосфере галогенуглеводород, происходит в первую очередь из  плохо изученных морских источников; некоторый вклад вносят также микробиологические процессы на суше и сгорающая биомасса. Содержащие бром и йод органические соединения также выделяются океанами, а распределение морского йода по поверхности суши служит значительным источником этого необходимого следового элемента для млекопитающих. Можно сказать, что базедова болезнь, возникающая в результате дефицита йода, особенно распространена в областях, удаленных от океана.

 

 

Реакционная способность следовых веществ в атмосфере

 

Очевидно, что газы с коротким временем пребывания в атмосфере могут быть легко удалены. Некоторые из них удаляются в процессе поглощения растениями, твердыми веществами или водой. Однако наиболее частой причиной короткого времени пребывания газа в атмосфере служит протекание химических реакций.

 

Время пребывания следов газов в естественной атмосфере

Газы	Время пребывания
Диоксид углерода	4 года
Оксид углерода	0,1 года
Метан	3,6 года
Муравьиная кислота	10 дней
Азотистый ангидрид	20-30 лет
Оксид азота	4 дня
Диоксид азота	4 дня
Аммиак	2 дня
Диоксид серы	3 -7 дней
Сероводород	1 день
Сероуглерод	40 дней
Серооксид углерода	1год
Диметилсульфид	1 день
Метилхлорид	30 дней
Метилиодид	5 дней
Хлороуглеводороды	4 дня