Бюллетень
Викторина
Глава
Диплом
Доклад
«Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №53» города Курска Учебный элективный предмет «Экология глазами химика»
 Скачать 3.78 Mb.
|
Кремний – второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе литосферы в процессах его выплавления. Кремний в виде высокодисперсного кремнезема (SiO2) повсеместно содержится в природных водах и используется многими морскими организмами для построения скелета. Биологический круговорот кремния в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатомовых и радиоляриевых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов. Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Значительное количество кремния перемещается в виде растворимых соединений, однако в составе обломочного материала его выносится во много раз больше. Свинец накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238U, 235U) и тория (232Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан – глобальный аккумулятор растворимых форм свинца. На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. «Время жизни» свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток. Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора автомобильных бензинов. Цинк обычно сопутствует свинцу в земной коре, однако биосферная геохимия этих элементов существенно различается. В отличие от свинца, цинк – один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков (в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках). Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли. Из приведенных примеров круговоротов видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера. В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.
Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, ферментов, костной ткани и эмали зубов и является важным биогенным элементом. Природный источник фосфора — горные породы, из которых он высвобождается при эрозии. Большая часть фосфора при этом снова теряется, т.к. вода смывает его в море, где он связан в морских осадках. В мелководных морских осадках фосфор доступен для рыб, которых в свою очередь поедают морские птицы. Они возвращают фосфор в круговорот со своими экскрементами (гуано), снова смываемыми в море, где их используют планктонные организмы и рыбы. Фосфор, содержащийся в почве, поглощают корни растений и используют его в процессах обмена веществ: синтез АТФ, нуклеиновых кислот и других органических соединений. При поедании растений животными происходит перераспределение фосфора, и он включается в органические соединения животных. При разложении погибших растений и животных редуцентами соединения фосфора возвращаются в почву и воды. Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи. Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном Казахстане в горах Каратау. Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах - в белках молока, крови, мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот - сложных органических полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки. Сырьем для получения фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах. Основной источник его - горные породы (главным образом изверженные). Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит, вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и других органически соединений. Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву, он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат источником фосфора в биогенном цикле. КРУГОВОРОТ СЕРЫ. Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы содержатся в организмах растений и животных. Сера широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и ряда других веществ. Круговорот серы происходит в атмосфере и литосфере. Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS2) и органических соединений. Антропогенным источником поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями и органическими соединениями. Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега. На поверхности Земли в почве и водоемах происходит связывание сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса (CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых в дальнейшем происходит образование угля и нефти. В почве изменение соединений серы происходит с участием сульфобактерий, использующих сульфатные соединения и выделяющих сероводород, который поступая в атмосферу и окисляясь снова переходит в сульфаты. Кроме этого сероводород в почве может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими бактериями окисляется до сульфатов. Среднее содержание серы в земной коре 0,047%. Сера входит в состав белков, витаминов, ферментов и играет важную роль в жизнедеятельности организмов. В почвах она находится в виде сульфатов (SO42-) — это основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки. В нефти встречаются её органические соединения. В иле водоёмов, в областях, лишённых кислорода (в аэробных условиях), сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сероводорода (H2S), при этом выделяется кислород. Другие виды бактерий, например, зелёные серобактерии, окисляют сероводород до серы (S). После гибели бактерий сера попадает в донные отложения, куда серу привносят также остатки растений и животных, создавая скопления самородной серы биохимического происхождения. Тианобактерии осуществляют аэробное окисление сероводорода до сульфатов (H2S ® SO42-), которые являются доступными для растений. Демонстрационный опыт Взаимодействие оксида углерода (IV) с раствором гидроксида кальция. Опыт служит иллюстрацией части круговорота углерода в природе, связанной с его изъятием из общего цикла. Происходит связывание газа CO2 в недоступные для живых организмов карбонаты.
VII. Задачи с экологическим содержанием (6 часов)
Основные понятия химии Предмет химии. Вещества. Задание 1. Согласны ли вы со следующими высказываниями:
Какие из этих высказываний сделаны хемофилами, а какие – хемофобами? К какой группе вы относите себя? Задание 2. На рисунке приведены модели молекул некоторых веществ. Какие из этих веществ есть в атмосфере Земли? Что вы можете сказать об источниках их появления и об их значении для живых существ? кислород Задание 3. Приведите примеры физических тел и веществ, присутствие которых в природе (воде, почве, воздухе) является загрязнением. Какой вид загрязнения является более заметным: загрязнение физическими телами (например, осколками бутылок, обрывками бумаги) или загрязнение веществами (например, метан в атмосфере или соли свинца в воде)? Согласны ли вы с тем, что более заметное загрязнение является и более вредным? Почему? Краткий очерк истории развития химии
Ознакомьтесь с данными таблицы, отражающей рост использования химических элементов. Сейчас в промышленности, сельском хозяйстве и медицине используются практически все 88 химических элементов, встречающихся в природе. Задание 1. Как вы думаете, сколько химических элементов содержится в выбрасываемом нами мусоре и отходах? Задание 2. Чем отличается мусор XXI века от мусора, например, XIX века? Задание 3. Можно ли было в XIX веке обеспечивать потребности человечества в железе, используя только металлолом? А в XXI веке? Чистые вещества и смеси Задание 1. Воздух – смесь, имеющая постоянные, переменные и случайные компоненты. Постоянные и переменные мы знаем. Какие случайные компоненты могут присутствовать в воздухе в крупном городе? Задание 2. Почему врачи считают, что прогулка или пробежка вдоль автомобильной дороги может принести больше вреда, чем пользы? Задание 3. Если все – таки приходится идти вдоль автотрассы с маленьким ребенком, врачи советуют взять его на руки и не рекомендуют катить в коляске или вести за руку. Почему? Знаки химических элементов Задание 1. Найдите в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева элементы, входящие в состав парниковых газов (водяной пар, углекислый газ, метан, озон). Назовите их порядковые номера и атомную массу. Задание 2. Элемент углерод называется на латыни Carboneum. Он входит в состав молекул двух из трех основных парниковых газов, участвующих в изменении климата на Земле: углекислого газа СО2 и метана СН4. Задание 3. В каких предложениях речь идет об углероде как химическом элементе, а в каких – как о веществе:
Превращение веществ. Роль химии в жизни человека. Задание 1. По данным статистики, количество пищевых отходов в Великобритании достигает 4 млн. т ежегодно. Если это продукты питания, то они, на первый взгляд, не могут быть ядовитыми или опасными. Почему же экологи Великобритании бьют тревогу? Какой может быть вред от пищевых отходов на свалках? Постарайтесь найти как можно больше ответов на этот вопрос. Химические формулы. Относительная атомная и молекулярная массы. Задание 1. В 2000 году человечество выбросило в атмосферу такое количество углекислого газа, что содержание углерода в нем составило примерно 6 млрд. тонн. Сколько тонн углекислого газа было выброшено в 2000 году? Вывод формулы. Задание 1. Дефолиантами называются вещества, вызывающие искусственный листопад. Их применение облегчает машинную уборку урожая. В составе одного из дефолиантов обнаружено 21,6% натрия, 33,3% хлора и 45,1% кислорода. Определите химическую формулу этого вещества. Физические явления и химические (явления) реакции в химии Задание 1. Каким способом – физическим или химическим – можно очищать водоем от разлитой нефти? Почему горящие бензин и нефть нельзя тушить водой? Химические реакции Задание 1. Бытовой газ представляет собой смесь двух газов – бутана С4Н10 и пропана С3Н8. При горении протекает химическая реакция, в результате которой образуется вода и углекислый газ. Почему мы не видим продукты горения газа? Объясните, почему в кухне с газовой плитой обязательно должна быть возможность частого проветривания помещения. Задание 2. Почему самоочистка воды от разлитых нефтепродуктов в южных морях длится несколько лет, а в северных – до 50 лет и более? Чем грозит Северному Ледовитому океану разработка нефтяных месторождений на его дне? Почему такая разработка более опасна, чем, например, в Персидском заливе? Химические уравнения Задание 1. Составьте схемы реакций горения бутана и пропана, подберите коэффициенты. Сколько молекул углекислого газа образуется из одной молекулы бутана? Из одной молекулы пропана? Задание 2. Один из вариантов развития энергетики на основе возобновимых источников энергии – замена бензина бутанолом С4Н9ОН, производимым из древесины. Это очень перспективная технология для России, поскольку для производства бутанола можно использовать зрелый или перестоявший лес, который практически не поглощает из атмосферы углекислый газ. Важно только грамотно организовывать вырубку и посадку деревьев. Составьте схему реакции горения бутанола, подберите коэффициенты. Количество вещества Задание 1. Рассчитайте молярную массу озона. Сколько молекул озона содержится в 1 моле? В 1 киломоле? Сколько атомов кислорода содержится в 1 моле озона? Задание 2. Чему равна молярная масса метана? Двигатель внедорожника выбрасывает в воздух около 400 г углекислого газа на каждый километр пути. Сколько м3 СО2 выбрасывает двигатель внедорожника за один день, если среднегодовой пробег составляет 20 тыс. км? Задание 3. В одном м3 воздуха содержится 0,00035 м3 углекислого газа. Рассчитайте, в каком объеме воздуха содержится 1моль углекислого газа. Задание 4. Сколько частиц СО2 содержится в 1 моле воздуха? Сколько молей СО2 содержится в 1 моле воздуха? В каком количестве молей воздуха содержится 1 моль углекислого газа? Задание 5. Хорошо известно, что легковой автомобиль загрязняет воздух вредными выбросами: на каждые 10 километров пути с его выхлопными газами в атмосферу попадает 7 моль монооксида углерода и 1 моль монооксида азота. Какая масса этих вредных веществ попадет в атмосферу при автомобильной поездке на дачу, которая расположена в 80 км от дома? Задание 6. Считается, что вредные примеси в воздухе не оказывают вредного влияния, если их количество не превышает определенного предела. Так, допускается содержание в 1 м3 воздуха диоксида азота - 0,085 мг, монооксида углерода - 3,0 мг, диоксида серы - 0,05 мг, сероводорода 0,008 мг. Какое количество (моль) этих вредных примесей (по отдельности) можно вдохнуть за сутки, не подвергая свое здоровье опасности? Норма потребления воздуха для дыхания у взрослых мужчин - 10 м3 в сутки. Задание 7. Определите, какое число молекул (формульных единиц) содержат порции веществ, часто применяемых в быту: 5 г пищевой соды (гидрокарбоната натрия) NaHCO3, 0,01 моль иода I2, 35 г поваренной соли (хлорида натрия) NaCl, 4 моль уксусной кислоты CH3COOH. Задание 8. Какова абсолютная масса одной молекулы аммиака NH3, хлороводорода HCl, серной кислоты H2SO4, белого фосфора P4? Все перечисленные вещества очень токсичны и при попадании с воздухом в дыхательные пути вызывают сильнейшие отравления. Сколько молекул будут находиться в 1 м3 воздуха при содержании этих веществ, признанном неопасным, а именно: NH3 - 0,2 мг; HCl - 0,05 мг; H2SO4 - 0,3 мг; P4 - 0,1 мг. Задание 9. Одинаковое ли (и какое именно) число молекул содержится в 1 г воды H2O и в 1 г кислорода O2? Какова экологическая роль этих веществ на Земле? Задание 10. Вычислите и сравните между собой массы 0,3 моль монооксида азота NO и такого же количества диоксида азота NO2. Предельное безопасное содержание этих вредных газов в 1 м3 воздуха составляет 0,6 мг NO и 0,085 мг NO2. Каково безопасное количество (моль) этих газов в 1 м3 воздуха? Задание 11. Такие виды рыб, как форель и хариус, очень чувствительны к чистоте воды. Если в 1 л природной воде содержится всего 3 . 10-6 моль серной кислоты (которая может попадать в реки с промышленными стоками или за счет "кислотных дождей"), то мальки этих рыб погибают. Вычислите ту массу серной кислоты в 1 л воды, которая представляет собой смертельную дозу для мальков форели и хариуса. |