Для сокращения и уменьшения выбросов химических веществ на промышленных предприятиях необходимо проводить следующие меры: [1]

ь Необходимо проектировать любое производство так, чтобы выбросы были заведомо минимальны.

ь Необходимо строго соблюдать технологические режимы производства.

ь Необходима обязательная герметизация оборудования на производствах, где присутствуют и получаются химические соединения (это касается не только химической промышленности).

ь Необходимо внедрение непрерывных технологических процессов и замкнутого круга производства, оборотного водопотребления.

ь Необходимо проводить меры по предотвращению аварий (например, планово-профилактический ремонт оборудования).

ь Борьба с потерями при транспортировке (предотвращение аварий газо- и нефтепроводов).

ь Борьба с эмиссией (выделением) промышленных газов в атмосферу.

ь Необходимо применение систем очистки сточных вод и борьбы с загрязнением.

ь Обязательная переработка и утилизация отходов, вторичное использование отходов.

2.2.2 Борьба с загрязнением воды

Понимание необходимости регулируемого водоснабжения и обезвреживания сточных вод возникло очень давно. Еще в Древнем Риме строили акведуки для снабжения свежей водой и “Cloaca maxima” - канализационную сеть, бассейна отстойника и тем самым предотвращение засорения канализации и образования продуктов гниения (“дортмундские колодцы” и “ эмские колодцы”) [1].

Другим методом обезвреживания сточных вод была их очистка с помощью полей орошения, т. е. спуск сточных вод на специально подготовленные поля. При, однако, лишь в середине прошлого столетия начались разработка методов очистки сточных вод и систематическое строительство канализационных сетей в городах.

Сначала были созданы установки механической очистки. Сущность этой очистки заключалась в осаждении находящихся в сточных водах твердых частиц на дно, при просачивании через песчаный грунт сточные воды отфильтровывались и осветлялись.

Таблица 1

Предельные значения концентрации загрязняющих веществ в сточных водах нефтеперегонных заводов, направляемых на биологическую очистку

Человек в процессе своей деятельности производит огромное количество химических веществ, которые негативно воздействуют на окружающую среду. Но в данный момент он не имеет такой технологии, которая бы делала бы деятельность человека абсолютно безотходной.

В печати, на радио, телевидении одной из главных тем стала экологическая. Широкая общественность знает теперь о критическом состоянии окружающей среды и начинает активно действовать. При этом она может уже опираться не на одни только эмоции, но и на фактические данные, в том числе в виде все большего числа различных карт экологической обстановки. Создаются общественные экологические организации от локальных в отдельных микрорайонах до всесоюзных, таких, как ассоциация «Экология и мир» и др., в органы власти разных уровней избраны многие искренние сторонники решительных мер по защите окружающей среды. «Экологизация» законодательной и исполнительной власти сейчас особенно важна, поскольку первоочередная задача - сделать экологически чистые производства выгодными и, наоборот, экономически невыгодным любое пренебрежение экологическими нормами. Без этого призывы к рядовым гражданам беречь природу будут выглядеть демагогическими и вряд ли достигнут цели. Вместе с тем необходима и самая широкая просветительская работа среди граждан всех возрастов [11, 17-20].

ГЛАВА III. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ: «ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИЗИСЫ»

3.1 Мои уроки

При изучении проблемы экологических кризисов в школьном курсе химии внимание учащихся следует обратить на то, что большинство загрязнителей атмосферы - оксиды, образующиеся в результате горения. Учащиеся знакомятся только с фактической стороной отрицательного влияния оксидов серы, азота, углерода на живые организмы и, в частности, на человека. Так высокая концентрация оксидов усугубляет симптомы хронических, респираторных сердечно - сосудистых заболеваний, обостряет или вызывает катары, бронхиты, эмфизему (тяжелую одышку), астму.

Учащиеся могут самостоятельно указать возможные источники загрязнения атмосферы, привести примеры воздействия некоторых загрязнителей на организм человека. В ходе обсуждения этих вопросов устанавливается прямая зависимость между степенью загрязнения атмосферы, показателями заболеваемости населения и как следствие экономическим ущербом. Вот почему следует говорить с учащимися о здоровье человека как об общественной ценности.

Далее рассматриваются оксиды неметаллов как загрязнители природной среды. Попадая в водоемы (пруды, озера, водохранилище), в ряде случаев они значительно закисляют их, вызывая тем самым гибель водных обитателей. Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды превращаются в кислоты и выпадают на землю в виде «кислотных дождей», нанося огромный ущерб самой природе, так и объектам окружающей среды: металлическим конструкциям, бетонным сооружениям.

Учащиеся приходят к выводу, что экономически более выгодно предотвратить загрязнение среды, чем длительное время и с огромными затратами восстанавливать разрушенное.

В качестве закрепления учащиеся решают простейшие расчетные задачи экологического содержания. Например: для выполнения лабораторного опыта в классе каждый ученик пользуется спиртовкой, в которой сгорает 11,5 г. спирта. Сколько метров кислорода будет израсходовано для горения, если в классе 20 учеников.

Для учащихся можно подготовить индивидуальные задания, которые можно использовать как в процессе обучения, так и для обобщения материала.

Задание № 1.

1. На каких свойствах кислорода основано его использование человеком? Приведите примеры химический реакций, имеющих практическое применение, в которых кислород - один из реагентов.

2. Перечислите естественные и техногенные источники загрязнения атмосферы.

3. Охарактеризуйте последствия загрязнения воздуха в городах.

В процессе изучения темы можно предложить учащимся задачи экологического содержания.

Задача: «В состав смога входит газ B, который может быть получен при сжигании простого желтого вещества А. При этом получается и вещество С, хорошо растворимое в воде с образование кислоты D. Если в D (конц.) растворить цинк, то получится газ B, при реакции которого с сероводородом образуется вещество А. Определите вещества А, B, С и D, напишите уравнение соответствующих реакций. Найдите объем 98%-ной кислоты D (с = 1,84 г/см³), который необходим для получения 11,2 л газа B (н.у). В чем заключается вредное воздействие газа B? Как можно использовать вещество А?»

При изучении химических производств решают задачи экологического содержания с использованием понятий «выход продукта в процентах от теоретически возможного», например: «На заводе по производству аммиака запланированный выход продукта составлял 17%. Утечка аммиака из-за неисправности оборудования уменьшила выход на 1%. Найдите массу аммиака, попавшего в окружающую среду, если при реакции было израсходовано 60 кг водорода. Какое негативное воздействие может оказать аммиак. Попав в воздух? В водоем?

Учащиеся могут составлять подобные задачи. Находя экологическую информацию в дополнительной литературе, а также используя средства массовой информации.

Можно предложить несколько схем возможных исследований.

I. Химический анализ загрязненных вод.

1. Отбор проб и их устранение

2. Фильтрование

3. Анализ фильтрата

II. Химический анализ сельскохозяйственных культур.

1. Обнаруживание углеводов

2. Выделение углеводов

3. Обнаруживание жиров и оценка их физико-химических свойств

4. Выделение масла из семян подсолнечника с последующим обнаружением белков и аминокислот

5. Выделение белков и аминокислот

6. Выделение и обнаружение органических кислот

7. Обнаружение витаминов

С некоторыми методами об очистке отходов учащиеся знакомятся при выполнении лабораторных и практических работ, ряд других можно продемонстрировать на кружковых или факультативных занятиях (перекристаллизация, осаждение, нейтрализация) [20, 21].

Урок-лекция №1. «Углеводороды как опасные химические загрязнители»

Цель. Показать роль углеводородов и их производных в природе и промышленности, осознать токсичность углеводородов, уяснить меры борьбы с ними.

Оборудование. Таблица Д.И. Менделеева, таблицы строения углеводородов, книги.

План урока

1. Метан, его роль в биосфере, его использование в биотехнологии и органическом синтезе.

2. Двойственная роль метана

Метан играет значительную роль в круговороте органического вещества биосферы (гораздо большую, чем СО₂, поскольку период существования метана в атмосфере в 2 раза меньше, чем период существования СО₂).

Метан и другие газообразные углеводороды, поступающие в атмосферу Земли, не накапливаются в ней. Основная причина - существование метанокисляющих бактерий, использующих СН₄ в качестве единственного источника углерода.

Метан - главная составная часть природного газа - рассматривается как сырье крупнотоннажной промышленности синтеза белка. Биомасса дрожжей, получаемая при выращивании бактерий на метане, представляет собой продукт, который по ряду показателей не уступает соевой муке или сухому молоку. Содержание белка в биомассе составляет 57-75%¹.

Метан используется и для получения водорода методом высокотемпературной конверсии метана с СО₂:

Один из продуктов реакции - токсичный угарный газ СО - опасный загрязнитель атмосферы. Эффективный способ его обезвреживания -каталитическое окислении (катализаторы Сr, Zn, Cu):

Образующийся в процессе реакции СО₂ поглощается водой или щелочью.

Метан в больших количествах опасен для жизни.

2. Фреоны (хладоны)

Фреоны - это фтор- или полифторуглеводороды, часто содержащие атомы хлора, реже - атомы брома.

Эти газы или легкокипящие жидкости обладают уникальным набором свойств: химически инертны, негорючи, взрывобезопасны, нетоксичны, не растворяются в воде и растворяются в органических растворителях. Применение фреонов открыло новые возможности для хранения продуктов питания в промышленных и бытовых холодильниках, для хранения и дозирования жидкостей (в виде аэрозолей). Их используют также в системах автоматического пожаротушения и как растворители. (Далее нужно рассказать ученикам о предполагаемом влиянии фреонов на озоновый слой.)

3. Галогеналканы, их физиологическое действие

Хлороформ по характеру действия - наркотик, вызывающий нарушение обмена веществ и поражение внутренних органов, особенно печени. При небольшом отравлении возникают рвота и боли в желудке, происходит нарушение сердечно-сосудистой деятельности. При тяжелом отравлении наступает ослабление дыхания, понижение температуры тела, глубокий наркоз. Хроническое воздействие хлороформа в небольших концентрациях вызывает дерматиты, экземы, желудочно-кишечные расстройства, изменения в печени.

Дихлорэтан действует как наркотик, причем по силе наркотического действия занимает среди галогеналканов первое место. В основном поражает печень. При легком отравлении появляются головные боли, головокружение, тошнота, происходит замедление пульса, небольшое увеличение печени. При тяжелом остром отравлении эти проявления выражены сильнее. Возможен смертельный исход. При хроническом отравлении наблюдается желтушная окраска слизистых оболочек и кожных покровов. При контакте с кожей возникают дерматиты.

4. Ароматические углеводороды, их физиологическое действие

Бензол обладает общетоксическим и мутагенным действием, а также воздействует на репродуктивную функцию женщин. Действует на почки, печень, изменяет формулу крови (уменьшает количество лейкоцитов, тромбоцитов, красных кровяных телец), нарушает структуру хромосом.

Нитробензол также обладает общетоксическим действием. Окисляет гемоглобин крови в метгемоглобин (метгемоглобинемия), вызывает желтушное окрашивание белков глаз, физиологические и неврологические расстройства.

В конце урока учитель делит класс на две группы и дает карточки с описанием ситуации и вопросами, которые проверяет на следующем уроке.

1-я ситуация. В одном из цехов анилинокрасочного завода остановили на планово-предупредительный ремонт сульфуратор (аппарат для сульфирования²), представляющий собой вертикальный чугунный аппарат высотой 3 м и объемом 600 л. На крышке имелся люк диаметром 0,4 м для внутреннего осмотра, ремонта и доочистки аппарата. После удаления и нейтрализации кислой среды, пропарки системы, промывки водой, установки заглушек на трубопроводах и слива из сульфуратора при помощи сифона необходимо было вручную удалить остаток. Лаборант провел анализ воздушной среды в сульфураторе, отобрав пробу на глубине 1,5 м. Содержание паров бензола оказалось равным 25 мг/м³.

Было получено разрешение на проведение работ по очистке аппарата. Рабочий без противогаза и спасательного жилета спустился в сульфуратор и через 5-10 мин потерял сознание. Получив тяжелое отравление, он полгода пролежал в больнице и затем был переведен на инвалидность с тяжелым заболеванием крови (ПДК - предельно допустимая концентрация - в рабочей зоне для бензола 5 мг/м³).

После спасения рабочего был сделан анализ воздушной среды в нижней части сульфуратора, который показал содержание бензола 6000 мг/м³.

Вопросы:

1. Во сколько раз была превышена концентрация бензола по результатам первого анализа?

2. Почему результат второго анализа во много раз превысил результат первого?

3. Кто нарушил производственную дисциплину и в чем это выразилось?

4. Как действует бензол на организм человека?

2-я ситуация. На установке нитробензольной очистки масел произошел несчастный случай. Для подготовки емкостей бригада ремонтных рабочих очистила их от остатков нитробензола и шлама (нерастворимые отложения). Работу внутри емкостей в шланговом противогазе проводили поочередно все члены бригады. Извлеченный шлам рабочие выносили из помещения на прицеховую территорию без применения средств индивидуальной защиты органов дыхания и перчаток. В результате все рабочие получили отравление нитробензолом (ПДК = 3 мг/м³).

Вопросы:

1. Как действует нитробензол на организм человека?

2. Что такое метгемоглобинемия?

3. Почему при выносе шлама необходимо было применять средства индивидуальной защиты?

4. Какие вы знаете меры первой помощи при отравлении нитро- и аминопроизводными бензола?

(Этот урок можно построить по-другому: дать всю информацию об углеводородах и их производных в начале каждой ситуации.) [22].

Урок №2. Кислотные дожди

Цели:

ь Раскрыть причины и механизм образования кислотных дождей;

ь показать их влияние на все компоненты биосферы, в том числе на человека;

ь обсудить основные методы снижения кислотообразующих выбросов в атмосферу.

ь На занятиях используются следующие аудиовизуальные технические средства обучения:

ь плакаты «Шкала кислотности», «Кислотные дожди», «Последствия кислотных дождей»;

ь дидактический раздаточный материал в виде таблицы, диаграммы источников выбросов в атмосферу оксидов серы и азота, схемы образования кислотных аэрозолей и дождей;

ь видеофильм Москомприроды о состоянии воздушного бассейна Москвы.

Ход урока

В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В последней четверти ХХ в. три глобальные экологические проблемы - разрушение озонового слоя Земли, прогрессирующее потепление ее климата и кислотные дожди - сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества.

Еще в конце прошлого века Фридрих Энгельс предупреждал: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто уничтожают последствия первых». Знакомство с проблемой кислотных дождей подтвердит нам правоту этих слов.

Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученого-естествоиспытателя, впервые создавшего теорию развития живой природы, Жана Батиста Ламарка: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Для успешного разрешения планетарных экологических кризисов и дальнейшего развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих кризисных проблем всеми, в том числе подрастающим поколением, чтобы направить свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние дома, в котором мы все живем, - нашей планеты Земли.

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы.

1. Понятие кислотности

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н⁺ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H⁺) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН- и характеризуется их концентрацией C(ОН-).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов - величина постоянная, равная:

C(H+)C(ОН-) = 10-¹⁴,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязанны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10-7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Рис. 1. Показатели кислотности различных веществ

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10-⁷ < C(H⁺) < 10⁰,

для щелочных сред:

10-¹⁴ < C(H⁺) < 10-⁷.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = -lgC(H⁺).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10-⁵ моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Показатель кислотности рН различных веществ, встречающихся в повседневной жизни, приведен на рис. 1.

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей, тем не менее, имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃.

Таблица 2

Выбросы (по годам) вредных веществ в атмосферу

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов - химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы - фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу - диоксид серы SO₂ (cернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота NО_х (монооксид, или оксид азота NО, диоксид азота NO₂ и др.).

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары.

(Школьникам раздают диаграмму «Источники выбросов в атмосферу оксидов серы и азота» (рис. 2), которую они потом вклеивают в свою тетрадь-конспект.)

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн. т (для сравнения: природные выбросы SO₂ в год равны примерно 20 млн. т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России - менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5-6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы); в 4-5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута.

Как показывают данные, приведенные в таблице (учащимся раздают эту таблицу), в России выбросы диоксида серы составляют более 30% всех вредных промышленных выбросов. На предприятиях энергетической отрасли промышленности, черной и цветной металлургии доля выбросов диоксида серы составляет примерно 40 и 50% соответственно (см. табл.). Меньше доля выбросов SO₂ предприятиями нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, угольной и газовой отраслей промышленности (см. табл.) - около 8% собственных выбросов загрязняющих веществ и около 5% суммарных выбросов и оксида серы предприятиями России, хотя предприятия этих отраслей дают примерно пятую часть всех техногенных выбросов загрязняющих веществ.

Анализ техногенных источников выбросов сернистого газа в атмосферу показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой в первую очередь для них и их ближайших соседей.

Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений в закисление атмосферных осадков.

Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследствии - NО₂. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м³ (Арктика) - 1,23 мкг/м³ (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м³.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO₂ и тетраоксид диазота N₂O₄. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид - гораздо более опасное соединение.

При высокотемпературном сгорании органического природного топлива происходят реакции двух типов: между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе (в угле содержание азота составляет в среднем около 1%, нефти и газе - 0,2-0,3%), и между кислородом воздуха и азотом, также содержащимся в воздухе.

Рис. 2. Источники выбросов в атмосферу оксидов серы (а) и оксидов азота (б)

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов - на долю России (см. табл.). Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами.

В России (см. рис. 2) около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же - на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере - автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Распределение выбросов оксидов азота по основным отраслям промышленного производства приведены в таблице.

Следует отметить, что при наметившейся в 1990-е гг. в России тенденции снижения выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями (см. табл.) доля диоксида серы и оксидов азота в этих выбросах увеличивается.

Суммарные выбросы всех загрязнителей в воздушную среду в 1997 г. по сравнению с 1993 г. сократились примерно на 30%, диоксида серы - примерно на 20%, оксидов азота - на 30%. (школьники делают расчеты, пользуясь данными таблицы.)

Однако лишь 20% этих сокращений обусловлены природоохранными мероприятиями и усилением экологического контроля. Основная причина - спад производства, который за эти годы составил более 50%. Расхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенного продукта. Как показывает анализ, спад производства был неравномерен в различных отраслях хозяйства - наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др.) и наибольшим - в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная отрасль промышленности и др.), при этом выбросы автотранспорта возросли, причем в крупных городах - очень значительно.

Отметим еще два - экономических - аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России, в том числе и связанную с кислотными осадками. К началу спада производства в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного оборудования был запредельным, в базовых отраслях промышленности (среди них те, что дают наибольшие кислотообразующие выбросы) средний возраст оборудования приближался к 30 годам. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств и на текущие затраты. В этих критических условиях для снижения удельных затрат на производимую продукцию предприятие экономит на всем и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях.

Как следует из ежегодных государственных докладов Госкомэкологии «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», данных мониторинга Росгидромета, во многих регионах даже сократившийся поток загрязнений превосходит ассимиляционный потенциал соответствующих экосистем, т. е. является для них заведомо чрезмерным.

3. Механизм образования кислотных осадков

(Ученикам раздают схему образования кислотных аэрозолей и дождей (рис. 3).)

Рис. 3 Схема образования кислотных аэрозолей и дождей

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот.

Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО₃:

2SO₂ + O₂ > 2SO₃,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO₃ + Н₂O > Н₂SO₄.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО₂*nH₂O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н₂SО₃:

SO₂ + H₂O > H₂SO₃.

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

2Н₂SО₃ + О₂ > 2Н₂SO₄.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег).

При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

2NО₂ + Н₂О > НNО₃ + НNО₂.

Существуют еще два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы. Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный - рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлороводород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Сl* + СН₄ > CН*₃ + НСl,

СН*₃ + Сl₂ > CН₃Cl + Сl*.

Очень опасны выбросы фтороводорода (производство алюминия, стекольное), который хорошо растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.

4. Выпадение кислотных дождей

Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире, и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота (рис. 4).

За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций. До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно в центре внимания национальных правительств и международных природоохранных организаций.

Рис. 4. Источники техногенных выбросов оксидов азота и серы

В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн. км², составляет 5-4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5.

В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км² выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков. В тропических районах, где промышленность практически неразвита, кислотные осадки вызваны поступлением в атмосферу оксидов азота за счет сжигания биомассы.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км² в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км²) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км²) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.

Превышение уровня критических нагрузок по выпадению окисленной серы отмечается в ряде областей (Ленинградская, Московская, Рязанская), на европейской территории России и по выпадениям оксидов азота - на половине этой территории.

За последние пять лет, согласно результатам измерений Росгидромета, наблюдается неизменное повышение кислотности дождей (минимальные значения рН = 3,1 - 3,4) на Урале и в Предуралье, на северо-западе и юге европейской территории России.

Специфическая особенность кислотных дождей - их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния - сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха. Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией - 7:1. Экспортируется «мокрая» часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него.

Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной серы к соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70% кислотных дождей в этих странах - результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков - одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.

5. Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду (рис. 5).

Рис. 5. Воздействия кислотных дождей на окружающую среду

В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются водные экосистемы, почва и растительность.

Природные поверхностные воды обладают буферными способностями по отношению к посторонним водородным и гидроксильным ионам, т. е. способностью поддерживать постоянную величину рН вблизи нейтральной точки; за пределами интервала значений рН = 4-13 буферная способность полностью утрачивается. Главным буферным соединением в воде является гидрокарбонат-ион HCO₃-, образующийся при диссоциации угольной кислоты и способный нейтрализовать кислоты и основания:

НСО₃- + Н⁺ Н₂СО₃,

НСО₃- + ОН- СО₃^2- + Н₂О.

Таким образом, гидрокарбонат-ион принимает на себя более или менее значительную часть добавляемых водородных или гидроксильных ионов, благодаря чему рН раствора меняется незначительно. Особенно высокими буферными способностями обладает морская вода, рН которой составляет в общем от 7 до 8,5, что соответствует слабощелочной реакции. Снеговые воды, а также большинство пресных водоемов, особенно в северных областях земного шара, обладают слабыми буферными свойствами и имеют кислую реакцию: 7 > рН > 4.

Самый богатый животный мир присущ водам, рН которых лежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче, чем животный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водами необитаемы, жизни в них нет, как нет жизни и в водоемах со значениями рН больше 11.

Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки. Сотни озер в Скандинавии, на северо-востоке США и на юго-востоке Канады, в Шотландии превратились в кислотные водоемы. Кислотные дожди привели к резкому снижению продуктивности 2500 озер Швеции. В Норвегии примерно половина поверхностных вод имеет повышенную кислотность, из 5000 озер в 1750 исчезла рыба. В провинции Онтарио (Канада) пострадало 20% озер, а в провинции Квебек - до 60% озер.

При повышении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например для моллюсков таким порогом является рН = 6, для окуней - рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

Аl(ОН)₃ + 3H⁺ > Al³⁺ + 3Н₂О.

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам.

Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам.

Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное - снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания).

«Мертвая вода» усиливает дефицит пресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытового использования и ее загрязнением.

Что касается состояния рек и озер России, то качество воды большинства водных объектов в течение всех последних лет наблюдений и контроля со стороны Госкомэкологии не отвечает нормативным требованиям из-за сильного загрязнения промышленными сточными водами. Все (обратите на это внимание!) основные реки России и их крупные притоки оцениваются как «загрязненные» или «сильно загрязненные». При таком положении кислотные осадки мало изменяют качественные характеристики воды.

Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они «нейтрализуют» почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питания растений, разрушение их корневой системы.

Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария, причем этот фактор долгодействующий, который может проявиться через много лет после прекращения вредных кислотообразующих выбросов в атмосферу. Больше всего страдают елово-пихтовые и дубовые леса. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение с поверхности листа) и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла (это воздействие можно определить зрительно по побурению листьев и игл).

Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям - грибам, бактериям, жукам и др.

В то же время подкисление почвы азотнокислыми дождями стимулирует развитие лесных вредителей.

Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м³ древесины в год (из них около 35 млн м³ на европейской территории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдают сельскохозяйственные растения, поскольку подкисление почв здесь можно контролировать агрохимикатами.

Воздействию кислотообразующих газов и кислотных осадков подвергаются органические материалы - кожа, бумага, ткани, резина, красители. Бумага, большинство тканей, кожа образованы гидрофильными веществами, которые накапливают воду между волокнами. Кислоты постепенно гидролизуют макромолекулы (главным образом целлюлозы и белков), в результате чего эти материалы становятся хрупкими и разрушаются. Как восстановитель диоксид серы вызывает обесцвечивание красителей, что приводит к выцветанию тканей.

Известняк, мел, мрамор, туф, содержащие карбонат кальция, разрушаются под действием кислотных дождей: