СаСО₃ + Н₂SО₄ > Са²⁺ + SO₄^2-+ СО₂ + Н₂О,

СаСО₃ + 2HNO₃ > Са²⁺ + 2NО₃- + СО₂ + Н₂О.

Многие скульптуры и здания в Риме, Венеции и других городах, памятники зодчества, такие, как Акрополь в Афинах, Кёльнский собор и другие, за несколько последних десятилетий получили значительно большие повреждения, чем за все предыдущее время. Под угрозой полного разрушения в результате действия кислотных осадков находятся более 50 тыс. скульптур скального «Города Будд» под Юньанем в Китае, построенного 15 веков назад.

Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если рН осадков достигает значений, равных 4,5-3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. С уменьшением рН интенсивно протекает разрушение силикатной кристаллической структуры, как, например, в полевом шпате (сырье для производства керамики, стекла, цемента):

3KAlSi₃O₈ + 12Н₂О + 2H+ > КAl₃Si₃O₁₀(ОН)₂ + 6H₄SiO₄ + 2К⁺,

2КAl₃Si₃O₁₀(ОН)₂ + 18Н₂О + 2Н⁺ > 3Al₂O₃(Н₂О)₃ + 6H₄SiO₄ + 2К⁺.

Подобным образом кислотные дожди разрушают древние оконные стекла церквей, соборов и дворцов. Старинное стекло из-за повышенного содержания оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное.

Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины:

2FeSO₄ + Н₂О + 0,5O₂ > 2Fe(ОН)SO₄.

Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется так называемая патина, состоящая из карбонатов и сульфатов. Слои пыли и копоти на поверхности создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании корки налета, достигающей миллиметровой толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму.

Загрязнение воздуха кислотообразующими выбросами оказывает многообразное вредное влияние и на организм человека.

Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вредно это и для здоровых людей, поскольку SO₂ и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием. Установлена тесная взаимосвязь между повышением смертности от бронхитов и ростом концентрации диоксида серы в воздухе. Во время трагического лондонского тумана 1952 г. более 4000 смертей было отнесено за счет повышенного содержания во влажном воздухе диоксида серы и сульфатных частиц.

Многочисленные исследования показали увеличение числа заболеваний дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота NО₂. Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания. В феврале 1972 г. в Японии по этой причине заболело более 70 000 человек, для многих из них заболевание имело летальный исход.

Кислотные дожди подобным образом действуют и на животных, однако систематических исследований здесь не проводилось, за исключением обитателей водных экосистем.

6. Меры по охране атмосферы от кислотообразующих выбросов

Чистота атмосферного воздуха планеты - одно из приоритетных направлений природоохранной деятельности национальных правительств, которая развивается в рамках программы, принятой на ХIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций в июне 1997 г.

Международными соглашениями установлены критические нормы выбросов диоксида серы и оксидов азота, ниже которых их воздействие на наиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также ряд рекомендаций по осуществлению снижения этих выбросов.

Основными на сегодняшний день методами снижения загрязнения атмосферы, в том числе кислотообразующими выбросами, являются разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы.

Ведутся исследования по снижению загрязнений от выхлопных газов автомобилей. Наибольшие трудности здесь вызывает именно уменьшение выбросов оксидов азота, которые помимо образования кислотных осадков ответственны за появление фотохимических загрязнителей (фотохимический смог) и разрушение озонового слоя в стратосфере. Для решения этой проблемы ведутся работы по созданию различных каталитических конвертеров, преобразующих оксиды азота в молекулярный азот.

Среди эффективных методов борьбы с выбросами окисленной серы в атмосферу через дымовые трубы следует отметить различные газоочистители, такие, как электрические фильтры, вакуумные, воздушные или жидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате образуется нерастворимый сульфат кальция СаSО₄. Этот метод позволяет удалить до 95% SО₂, но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тяги требует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникает проблема утилизации СаSO₄) и экономически эффективен лишь при строительстве новых крупных предприятий. Такой же дорогостоящий метод очистки дымовых газов от оксидов азота с помощью изоциановой кислоты НNСО (удаляется до 99% оксидов азота, превращающихся в безвредные азот и воду).

Восстановление нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при этом не только уменьшается кислотность воды, но и повышается ее буферная способность, т. е. сопротивляемость по отношению к будущим кислотным осадкам.

Известкование можно применять и для защиты лесов от кислотных дождей, используя распыление с самолетов свежемолотого доломита (СаСО₃*MgCO₃), который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ:

СаМg(СО₃)₂ + 2Н₂SО₃ > СаSО₃ + МgSО₃ + 2СО₂ + 2Н₂О,

СаМg(СО₃)₂ + 4НNО₃ > Са(NО₃)₂ + Мg(NО₃)₂ + 2СО₂ + 2Н₂О.

Для защиты памятников культуры и ценных архитектурных сооружений используют покрытия из высокомолекулярных соединений - силиконов или производных эфиров кремниевой кислоты; для защиты металлических изделий - покрытие их лаком, масляной краской или легирование сталей, образующих устойчивую к кислотам оксидную пленку.

Все перечисленные меры представляют собой реализацию метода «контроля на выходе» - снижение концентрации загрязнителей на стадии их попадания в атмосферу.

Более эффективен с экологической точки зрения метод «контроля на входе», предусматривающий очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии и создание так называемых безотходных технологий, т. е. технологических процессов, сопоставимых с природными циклами в биосфере.

Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя низкосернистый уголь, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется органическая сера. Отметим, что физические методы очистки малорентабельны, а применение химических методов очистки из-за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновь строящихся электростанциях. Для средних и малых предприятий энергетики используется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до 95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.

Хорошо разработана технология уменьшения содержания оксидов азота (на 50-60%) путем снижения температуры горения.

Перспективна замена бензина в автомобилях другими видами топлива (например, смесью спиртов), применение газобаллонных автомобилей, использующих природный газ, и электромобилей; использование на электростанциях в качестве топлива природного газа.

Реально заменить горючие ископаемые могут возобновимые экологически чистые энергетические ресурсы, такие, как солнечная энергия, ветер, морские приливы, термальные источники недр Земли. Пока возможности таких энергопроизводств относительно ограничены, но, тем не менее, например, в Дании ветровые электростанции дают около 12% энергии (столько же дают все АЭС в России).

Энергосбережение, внедрение новых неэнергоемких технологий и безотходных и малоотходных технологий производственных процессов, применение альтернативных источников энергии, все меры экологического контроля способны решить проблему загрязнения атмосферного воздуха, оздоровить окружающую среду, снять угрозу необратимых отрицательных изменений в биосфере Земли.

Далее в плане занятий - просмотр видеофильма и контрольная работа.

Вариант контрольной работы

1. Записать реакции, приводящие к появлению аэрозолей серной кислоты при выбросах в атмосферу сернистого газа.

2. Воздействие кислотных дождей на водную биоту.3. Основные методы «контроля на входе» выбросов диоксида серы в атмосферу [21, 25].

Урок №3. «Меры борьбы с загрязнением атмосферы. Мониторинг.

Закон об охране атмосферы».

Цель: Разъяснить понятие «мониторинг», способствовать осознанию школьниками законодательной стороны проблемы загрязнения воздуха, познакомить ребят с мерами борьбы с загрязнением атмосферы.

Оборудование. Самодельные наглядные пособия, слайды, таблицы.

План урока

1. Беседа о мерах борьбы с загрязнением атмосферы.

2. Мониторинг, знакомство с законом об охране атмосферы.

3. Подготовка к экскурсии на завод, сжигание мусора. После экскурсии учащиеся могут попытаться сделать прогноз о возможных последствиях загрязнения территории и воздуха вблизи завода, указать природоохранные меры (существующие и возможные).

Домашнее задание. Процесс обучения включает в себя важный этап - контроль знаний и умений. Цели экологического образования придают этому этапу некоторую специфику, поскольку у учащихся при изучении окружающей природной среды должна быть сформирована не только система знаний и умений, но и система отношений к экологическим проблемам.

Для обобщения материала в конце темы «Кислород. Оксиды. Горение» следует дать задания.

1-й вариант. Влияет ли изменение состава воздуха на природные процессы? Если да, то каким образом? Укажите причины изменения состава воздуха.

2-й вариант. Охарактеризуйте последствия загрязнения воздуха в городах.

3-й вариант. Перечислите группы мероприятий по охране атмосферы от загрязнения. Поясните роль зеленых насаждений в улучшении качества воздуха.

3. 2. Контрольные задания для закрепления знаний по теме: «Локальные и глобальные экологические кризисы»

3. 2. 1. Задачи с решениями

Задача 1. Объем Мирового океана 1370 млн. км3, а в одной капле воды ( 0,03 мл) содержится 250 млрд. атомов урана. Оцените массу урана в Мировом океане и сравните его запасы в океанической воде с запасами в разведанных месторождениях на суше - 18 млн. т.

Решение

N(U) n(U) c(U) n0(U) m0(U)

2,5 · 1011 4,15 · 10-13 моль 1,38 · 10-8 моль/л 1,89 · 1013 моль 4,5 · 1015 г

V V₀

3 · 10^-5 л 1,37 · 10²¹ л

Решение.

Рассчитываем молярную концентрацию атомов урана c(U) в морской воде, исходя из числа атомов урана N(U) в одной капле воды и объема капли V; затем переходим к массе урана в Мировом океане m₀(U). При этом используем формулы, связывающие эти величины: n(U) = N(U) / N_A ; c(U) = n(U) / V; n₀(U) = с(U) · V₀, где V₀ -- объем Мирового океана; m₀(U) = n(U) · M(U).

Ответ: 4,5 млрд. т урана, что в 250 раз превышает его разведанные запасы на суше.

Задача 2. Молярная концентрация золота в морской воде равна 2,5 · 10^-11 моль/л, а в 1 т золотоносной руды содержится 10 г золота (указаны средние значения). Рассчитайте:

объем морской воды, в котором содержится 1 кг золота;

во сколько раз массовая доля золота в промышленных рудах больше его массовой доли в морской воде (плотность воды 1 г/мл);

оцените максимальные затраты на добычу руды и выделение из нее 1 кг золота, если его цена равна = 10$/г;

предположите, какие экологические и экономические последствия можно ожидать для страны, которая продает золото, а покупает табак и алкогольные напитки.



Решение

Решение состоит из двух подсистем: нахождение массовых долей золота в морской воде и в руде. Сначала рассчитываем объем морской воды V₀, в котором содержится 1 кг золота, используя формулы: n(Au) = m(Au) / M(Au); V₀ = n(Au) / c(Au). Затем переходим от V₀ к m₀ и находим массовую долю золота в морской воде: (Аu) = m(Аu)/m₀.

Ответ: 1) 1 кг золота содержится в 2,0 · 10¹¹ л морской воды; 2) массовая доля золота в руде в 2 млн. раз больше, чем в морской воде; 3) все затраты, связанные с получением 1 кг золота, должны быть меньше его цены, т.е. меньше 10000$ (иначе его производство будет нерентабельным); 4) золото относится к невозобновляемым ресурсам, в отличие от табака и этанола (спирт получают в основном из картофеля, свеклы, фруктов низкого качества и продуктов их переработки), поэтому очевидны отрицательные последствия; загрязнение окружающей среды (при добыче руды и ее переработке) и ухудшение здоровья населения, вызванное увеличением потребления табака и алкоголя. Мировой опыт ряда стран (США, Германия, Франция, Япония) показывает, что только развитие высоких технологий может повысить уровень жизни населения и обеспечить безопасность государства.

Задача 3. Концентрация ионов водорода в дождевых водах Нигерии во время грозы достигает 0,001 моль/л. Выполните следующие задания: 1) объясните появление ионов водорода в дождевой воде и напишите уравнения соответствующих реакций; 2) рассчитайте массу кислоты в дождевой воде массой 1 * 105 т (масса среднего грозового облака); 3) оцените массу углекислого газа, поступающую в атмосферу после выпадения таких осадков в районах, содержащих карбонатные породы.

Решение

1) при электрическом разряде (молнии) в воздухе образуются оксиды азота, которые в дальнейшем образуют азотную кислоту, эти процессы можно упрощенно записать в виде уравнений:

2NO + О₂ 2NО₂,

4NO₂ + O₂ + 2Н₂О 4HNO₃;

2) рассчитаем массу кислоты, образующейся при грозовых разрядах:

3) рассчитаем массу углекислого газа, образующегося при действии

кислотного дождя на карбонатные породы:

Ответ: 1) см. химические уравнения в п. 1 решения; 2) m(НNО₃) = 6,3 т; 3) m(СО₂) = 2,2 т.

Задача 4. В Центральной Европе и Северной Америке бывают дожди, в которых концентрация ионов водорода достигает 1-10~4 моль/л (рН ss 4). Оцените массы серной и азотной кислот в 1 т дождевой воды, исходя из следующих предположений: 1) кислую среду создает только серная кислота; 2) только азотная кислота; 3) смесь кислот в молярном отношении 1:1. Проанализируйте, какая дождевая вода (из указанных) опаснее для мраморных и известняковых сооружений?

Решение:

1) рассчитаем массу серной кислоты, содержащейся в 1 т дождевой воды:

2) рассчитаем массу азотной кислоты, содержащейся в 1 т дождевой воды:

3) рассчитаем массы серной и азотной кислот, исходя из того, что их количества одинаковы. Пусть х -- количество (моль) каждой кислоты, содержащейся в 1 т воды. Учитывая, что общее количество ионов водорода равно 0,1 моль, записываем уравнение:

2х + x = 0,1 х = 0,0333 моль.

В этой задаче рассматривают разбавленные растворы сильных кислот и поэтому расчеты сделаны на основе предположений, что степени диссоциации кислот равны 100 % (в том числе для I и II ступени диссоциации серной кислоты).

Ответ: 1) m(Н₂SO₄) = 4,9 г; 2) m(НNО₃) = 6,3 г; 3) m(Н₂SO₄) = 3,27 г; 4) m(НNО₃) = 2,1 г. Дождевые воды равного объема и с одинаковой концентрацией ионов водорода реагируют с одинаковым количеством карбоната натрия, что видно из ионного уравнения:

СаСО₃ + 2Н⁺ Ca²⁺ + Н₂О + СО₂.

Однако азотная кислота образует нитрат кальция, растворимость которого выше растворимости сульфата кальция и дигидрата сульфата кальция (гипса), и поэтому можно ожидать, что в присутствии азотной кислоты разрушение мраморных и известняковых сооружений будет идти быстрее.

Задача 5. Кислотные дожди разрушают памятники культуры. Сравнительно прочный мрамор реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (CaS04 · 2H2O). Смена температур, потоки дождя и ветер быстро разрушают этот мягкий материал. Оцените объем дождевой воды, содержащей серную кислоту (pH = 4), при контакте с которой слой мрамора толщиной 1 мм и площадью 10 м2 превращается в гипс. Плотность мрамора 2,8 г/см3; степени диссоциации серной кислоты как по первой, так и по второй ступени 100 %. Оцените достоверность полученного значения.

Решение

Исходя из водородного показателя, рассчитываем молярную концентрацию серной кислоты. Затем находим объем кальцита (основной компонент мрамора), его массу и количество карбоната кальция; по химическому уравнению рассчитываем количество кислоты, необходимое для растворения карбоната кальция. Исходя из количества кислоты и ее молярной концентрации находим объем дождевой воды.

Ответ: V₀ = 5,6 · 10⁶ л, или 5600 м³. Расчет дает минимальное значение массы дождевой воды, поскольку он основан на предположениях, что кислота, содержащаяся в дождевой воде, успевает полностью прореагировать с мрамором и вода имеет рН = 4 (однако такая кислотность дождевой воды в Европе наблюдается сравнительно редко).

Задача 6. На дне Черного моря постоянно образуется сероводород -- это результат жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Происходящий процесс можно выразить схемой:

Рассчитайте объем (н.у.) сероводорода, образующегося при восстановлении 1 кг сульфата кальция, и объясните, почему верхние слои воды (менее 150 -- 200 м) не содержат сероводорода.

Решение

Ответ: V(H₂S) = 166 л (н.у.). На глубине 150 - 200 м сероводород встречается с растворенным в воде кислородом. Кроме того, на этой же глубине живут серобактерии, которые используют реакцию окисления сероводорода как источник энергии:

Задача 7. Фотосинтезирующие бактерии (например, пурпурные и зеленые серобактерии) восстанавливают углекислый газ, используя сероводород как донор водорода. Совокупность этих процессов можно упрощенно представить в виде схемы:

В связи с этим микроорганизмы играют важную роль в очистке от сероводорода освещенных загрязненных водоемов, в которых этот газ образуется в результате разложения органических веществ. Рассчитайте: 1) массу сероводорода, расходующегося при синтезе микроорганизмами углевода массой 90 г; 2) объем очищенной при этом воды, если учесть, что в результате жизнедеятельности бактерий концентрация сероводорода снизилась на 80 % и составила 0,5 мг/л (вода с таким содержанием H2S пригодна для использования в технике).

Решение

1) рассчитаем массу сероводорода:

2) рассчитаем объем очищенной воды. Для этого оценим исходную концентрацию сероводорода с'(H₂S) в воде (т.е. если бы в воде не было серобактерий, причем с'(Н₂S) = c(H₂S) / 0,8 и затем определим объем очищенной воды по формуле V₀ = m(H₂S)/c(H₂S), где c(H₂S) - изменение концентрации сероводорода в результате жизнедеятельности бактерий:

Ответ: 1) m(H₂S) = 204 г; 2) V₀ = 102 м³.

Задача 8. В процессе развития водоросли потребляют 16 атомов азота на каждый использованный атом фосфора. Уравнение синтеза клеточного вещества водорослей в ионно-молекулярной форме может быть упрощенно записано следующим образом:

106CO2 + 16NO3- + HPO42- + 122H2O + 18H+ C106H263O110N16P + 138O2

Следовательно, если в воде отношение n(N):n(P) окажется больше, чем 16:1, лимитирующим фактором роста будет фосфор, в противном случае - азот. На основе экологических наблюдений для озер и водохранилищ установлены допустимые концентрации фосфора (0,01 мг/л) и азота (0,3 мг/л), одновременное превышение которых приводит к усиленному росту водорослей. Определите, будет ли наблюдаться цветение озера, если концентрация гидрофосфат-ионов в озере равна 0,024 мг/л. а нитрат-ионов 6,2 мг/л. и найдите отношение числа атомов азота к числу атомов фосфора в этом водоеме (гидрофосфат - и нитрат ионы -- основные химические формы азота и фосфора в воде). Предложите способы ограничения роста водорослей в водоемах.

Решение



Для упрощения расчетов берем 1 л воды и рассчитываем концентрации элементов фосфора и азота исходя из концентрации соответствующих химических форм.

Ответ: с(Р) = 0,0078 мг/л (ниже допустимой), c(N) = 1,4 мг/л (выше допустимой). Лимитирующим элементом является фосфор. Озеро «цвести» не будет. Так как основным источником биогенных элементов в водоемах считают сток с сельскохозяйственных угодий, необходимо создать для него препятствия. Вдоль водохранилища рекомендуется оставлять 15 - 20-метровую залуженную полосу, свободную от деревьев и кустарников и предотвращающую поступление в водоем осенью листового спада. За лугом следует высаживать несколько рядов елей. Лесная зона вдоль берегов предохраняет почву от эрозии и потребляет биогенные вещества поверхностного стока, препятствуя их попаданию в водоем.

Задача 9. В подземных водах железо обычно находится в виде гидрокарбоната железа (II), причем концентрация ионов железа может превышать предельно допустимую концентрацию в питьевой воде (0,3 мг/мл). Эти воды очищают от железа упрощенной аэрацией: свободным падением воды с высоты 0,4 - 0,6 м с последующим фильтрованием через слой зернистого материала. Какая масса осадка - гидроксида железа (III) - может выпасть при аэрации 100 т воды с концентрацией ионов Fe2+ 2,8 мг/л, если при этом окисляется 90 % ионов Fe2+?

Решение

4Fe(HCO₃)₂ + O₂ + 2H₂O 4Fe(OH)₃ + 8CO₂

При проведении вычислений учитываем связь между начальной концентрацией ионов железа c(Fe²⁺) и концентрацией после аэрации c'(Fe²⁺): c'(Fe²⁺) = 0,1 · c(Fe²⁺), а также связь между массой ионов железа, их концентрацией в воде (до и после аэрации) и объемом воды V₀:

m(Fe²⁺) = c(Fe²⁺) · V₀ (до аэрации);

m'(Fe²⁺) = c'(Fe²⁺) · V₀ (после аэрации).

Масса окислившихся ионов Fe²⁺ равна разности масс ионов Fe²⁺ до и после аэрации: m''(Fe²⁺) = m(Fe²⁺) - m'(Fe²⁺)

Ответ: m (Fe(OH)₃) = 480 г.

Задача 10. Оцените, на сколько метров поднимется уровень океанов, если все ледники растают. Условия расчета: а) объем льда в ледниках всего земного шара равен ~ 24 млн. км3; б) радиус Земли 6370 км; в) океаны занимают 71 % поверхности планеты; г) плотность льда 0,92 г/см3, плотность воды 1,00 г/см3.

Решение

При расчете используем следующие формулы: площадь поверхности Земли: S = 4R²; площадь водной поверхности: S' = 0,71S; объем воды, образовавшийся в результате таяния льда V(H₂O, жидк.) = S' · h, где h -- высота подъема уровня океанов.

Ответ: h 61 м. Расчет дает завышенное значение h, так как не учитывается, что при подъеме уровня океана часть суши уйдет под воду и площадь водной поверхности S' увеличится [1].

Задача 11. Предположим, что в городе 1 млн. квартир и из-за неисправности водопроводных кранов за 20 с вытекает в среднем 10 капель горячей (80 С) воды. Рассчитайте, какай объем метана (25 С, 1 атм) напрасно сжигают на городских тепловых станциях за год. Условия расчета: а) объем капли 0,2 мл; б) воду нагревают от 10 до 80 С; в) теплота сгорания метана 880 мДж/моль; г) на нагрев воды идет 86 % теплоты, выделяющейся при сгорании метана; д) удельная теплоемкость воды 4,2 Дж/г·К.

Решение

V/t V'/t V(H₂O) m(H₂O) Q

0,1 мл/с 0,1· 10⁶ мл/с 3,16· 10¹² мл 3,16· 10¹² г 9,3·10¹⁴ Дж

V(CH₄) n(CH₄) Q'

30,1· 10⁹ л 1,23· 10⁹ моль 10,8·10¹⁴ кДж

Рассчитываем объемную скорость воды, вытекающей из одного крана: V/t = 2 мл : 20 = 0,1 мл/с, и объем воды, вытекающей за год (31,56 · 10⁶ с) из всех кранов: V(H₂O) = 10⁶ · 31,56 · 10⁶ с · 0,1 мл/с = 3,16 · 10¹² мл. Масса этой воды: m(H₂O) = 3,16 · 10¹² г (плотность воды 1 г/мл). Количество теплоты Q, необходимое для нагревания воды массой m(H₂O) от температуры Т₁ до Т₂, находим по формуле: Q = c · m(H₂O) · (T₂ - T₁), где с - удельная теплоемкость воды. На нагревание воды идет 86% теплоты, выделяющейся при сгорании метана Q', следовательно, Q' = Q/0,86. Количество метана, необходимое для получения этой теплоты, вычисляем по формуле: n(CH₄) = Q'/q_m, где q_m - молярная теплота сгорания метана.

Ответ: за год в мегаполисе впустую сжигается 30,1 · 10⁶ м³ газа. [2]

Задача 12. В верхних слоях атмосферы разложение озона может происходить как самопроизвольно , так и под действием загрязняющих атмосферу веществ. "Хлорный" и "азотный" циклы разложения озона насчитывают более ста реакций, но в самом кратком варианте могут быть записаны следующим образом. "Хлорный" цикл:

1) ;

2) ;

3)

"Азотный" цикл.

1) ;

2)

Являются ли процессы разложения озона по "хлорному" и "азотному" циклам каталитическими? Если да, то какие вещества выступают в роли катализаторов?

Задача 13. В газовых выбросах предприятий целлюлозно-бумажной промышленности содержатся сероводород и углекислый газ. Из-за высокой токсичности сероводорода очистка газовых выбросов от него -- задача очень важная. Обычно применяют метод орошения дымовых газов щелочным раствором:

H₂S + 2NaOH = Na₂S + 2H₂O;

CO₂ + NaOH = NaHCO₃.

Однако образующиеся соли натрия взаимодействуют между собой и с образующейся угольной кислотой (запишите как), что приводит к снижению эффективности поглощения сероводорода.

Для решения этой проблемы предложен метод поглощения H2S и СО2 раствором карбоната натрия с одновременным гетерокаталитическим окислением образующихся соединений на активированном угле (АУ):

Na₂CO₃ + CO₂ + Н₂O 2NaHCO₃;

Na₂CO₃ + H₂S NaHS + NaHCO₃;

Объясните преимущества нового метода с позиций принципа Ле-Шателье.

Задача 13 из раздела "Химическое равновесие" позволяет наполнить реальным химическим содержанием такие понятия, как очистка дымовых газов, источники загрязнения ОС, токсичность (текст задачи может быть дополнен описанием токсического действия сероводорода на организм человека).

Снижение эффективности поглощения сероводорода без использования АУ происходит из-за протекания реакций:

2NaHCO₃ + Na₂S = H₂S + 2Na₂CO₃;

Н₂СО₃ + Na₂S = Н₂S + Na₂CO₃.

Применение АУ приводит к тому, что образующиеся кислые соли NaHCO₃ и NaHS окисляются на АУ и, таким образом, выводятся из реакционной среды. Это приводит к сдвигу равновесия в первых двух реакциях в сторону образования этих солей (по принципу Ле-Шателье) и способствует более эффективному поглощению сероводорода.

Задача 14. Около 35 лет назад кислотность дождевой воды в мире составляла в среднем 5,6 единиц рН. С тех пор она увеличилась в 40 раз. Рассчитайте среднее значение рН дождевой воды в настоящее время.

Рассмотрите приведенную ниже схему. К кислотности какого из перечисленных растворов ближе всего полученное вами значение?

Задача 14 (раздел «Растворы») позволяет рассмотреть понятие «кислотные осадки» как в количественном (единицы рН), так и в качественном аспекте (сравнение с кислотностью) распространенных растворов.

Решение

Средняя концентрация ионов водорода в дождевой воде 35 лет назад была равна 1 · 10^-5,6 = 2,5 · 10^-6 моль/л,

после увеличения в 40 раз это составляет

2,5 · 10^-6 · 40 = 1 · 10^-4 моль/л,

что в единицах рH составляет - lg (1 · 10^-4) = 4. Полученное значение наиболее близко к кислотности столового уксуса.

Задача 15. Советским ученым В. Б. Алесковским предложен оригинальный метод добычи железа. Он предложил обрабатывать железную руду газообразным хлороводородом, не извлекая ее на поверхность:

Fe₂О₃ + НСl FeCl₃ + Н₂О;

FeO + НСl FeCl₂ + Н₂О.

Образующиеся хлориды железа при высоких температурах газообразны и могут быть извлечены на поверхность по трубопроводам. Обработка их при Т > 300 С водородом позволяет получить чистое железо:

FеСl₃ + Н₂ Fe + НСl;

FeCl₂ + Н₂ Fe + НСl,

причем возможна его кристаллизация сразу в виде готового изделия (например, трубы заданного диаметра и с определенной толщиной стенок).

Расставьте коэффициенты во всех приведенных уравнениях реакций. Укажите среди них уравнения окислительно-восстановительных реакций. Определите вещества-окислители и вещества-восстановители.

Может ли процесс добычи железа по методу Алесковского служить примером безотходной технологии? Какие достоинства и недостатки вы можете отметить в предложенном процессе?

Задача 16. В стратосфере на высоте 20- 30 км находится слой озона О₃, защищающий Землю от мощного ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы не "озоновый экран" атмосферы, то фотоны большой энергии достигли бы поверхности Земли и уничтожили на ней все живое. Подсчитано, что в среднем на каждого жителя Москвы в воздушном пространстве над городом (вплоть до верхней границы стратосферы) приходится по 150 моль озона. Сколько молекул озона О₃ и какая масса озона приходится в среднем на одного москвича?

Дано:

n(O₃) = 150 моль

M(O₃) = 48 г/моль

N_A= 6,02 · 10²³ моль^-1

N(O₃) - ?

m(О₃) - ?

Решение

В решении задачи используется уравнение, связывающее между собой число частиц N(O₃) в данной порции вещества n(O₃) и число Авогадро N_A:

n(O₃) = N(O₃) / N_A

отсюда: N(O₃) = n(О₃) · N_А;

N(O₃) = 150 моль · 6,02 · 10²³ моль^-1 = 9,03 · 10²⁵.

m(О₃) = n(О₃) · М(О₃);

m(O₃) = 150 моль · 48 г/моль = 7200 г = 7,2 кг.

Ответ: В воздушном пространстве над городом на каждого москвича приходится 7,2 кг озона, или 9,03 · 10²⁵ молекул О₃.

Задача 17. Круговорот азота в природе включает биологическую фиксацию этого элемента при помощи клубеньковых бактерий и процессы его окисления при атмосферных электрических разрядах. Во время грозы в воздухе образуется некоторое количество оксида азота неизвестного состава. Установлено, что абсолютная масса одной молекулы этого оксида азота составляет 4,99 · 10^-23 г. Определите формулу этого вещества.

Решение

Чтобы установить формулу оксида азота N_хO_y, который получается во время грозы, достаточно узнать молярную массу этого соединения. Молярные массы известных оксидов азота состава N₂O, NO, N₂О₃, NO₂, N₂О₄ и N₂O₅ равны соответственно 44, 30, 76, 46, 92 и 108 г/моль.

Запишем уравнение, связывающее между собой молярную массу вещества M(N_xO_y), абсолютную массу молекул m(N_хО_у) и число Авогадро N_A:

M(N_xO_y) = m(N_xO_y) · N_A

M(N_xO_y) = 4,99 · 10^-23 г · 6,02 · 10²³ моль^-1 = 30 г/моль.

Молярная масса, равная 30 г/моль, отвечает монооксиду азота NО.

Ответ. Формула образовавшегося во время грозы оксида азота - NО.

Задача 18. Из-за внезапной разгерметизации баллона с аммиаком (V = 10 л, р = 1,25 ·10⁶ Па, t = 20C) газ попал в воздух рабочего помещения размером 4 9 9 м. Сравните концентрацию аммиака в помещении с предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 2 · 10^-5 г/л. Условия расчета: аммиак равномерно распределен в объеме помещения, утечкой аммиака за пределы помещения можно пренебречь. Оцените достоверность полученной величины (ее соответствие реальным условиям).

Решение

1) массу аммиака рассчитали, исходя из уравнения Менделеева-Клапейрона; 2) k - отношение концентрации аммиака в помещении к ПДК.

Ответ: концентрация аммиака в помещении выше ПДК приблизительно в 120 раз; реальная ситуация - большие локальные концентрации газа вблизи источника аварии в первое время и неравномерное распределение аммиака по высоте.

Задача 19. Давление насыщенных паров ртути при комнатной температуре 293 К составляет 0,179 Па. Предельно допустимая концентрация паров ртути в воздухе рабочих помещений равна 0,01 мкг/л. Рассчитайте, во сколько раз концентрация насыщенных паров ртути выше предельно допустимой.

Решение

Концентрацию паров ртути (с, моль/м³) рассчитываем с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что пары ртути состоят из атомов:

pV = nRТ n / V = p / RT с = p / RT (с = n / V);

2) с'' - предельно допустимая концентрация ртути.

Ответ: концентрация ртути в помещении превышает ПДК В 1420 раз.

Задача 20. Вещество А широко используется в сельском хозяйстве, При нагревании до 470 К оно разлагается на оксид азота (содержащий 69,6% элемента азота) и воду, причем, если вещества А - 16,0 г, то образуется оксид азота массой 8,8 г и вода. Вещество А гигроскопично - оно склонно впитывать влагу из воздуха, отсыревать и слеживаться в сплошную твердую массу. Для дробления этого вещества одно время использовали взрывы мелких зарядов. Однако в 1921 г взорвался огромный склад этого вещества, был разрушен химический завод и пострадал г. Оппау (Германия). При детонации это вещество разлагается с образованием азота, кислорода и воды. Определите формулу вещества и запишите уравнения реакций, о которых говорится в задаче.

Решение

Определение простейшей формулы оксида азота:

(Простейшая формула оксида азота (I) совладает с молекулярной.) Определение простейшей формулы вещества А:

N_xH_yO_z x : y : z = n(N) : n(H) : n(O)

x : y : z = 0,4 моль : 0,8 моль : 0,6 моль

: y : z = 2 : 4 : 3 N₂H₄O₃

Ответ: учитывая химические свойства соединения А, можно утверждать, что это нитрат аммония NH₄NO₃. [27-29].

3. 2. 2. Задачи с правильным ответом

1. В стратосфере на высоте 20-30 км находится слой озона O₃, защищающий Землю от мощного ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы не "озоновый экран" атмосферы, то фотоны большой энергии достигли бы поверхности Земли и уничтожили на ней все живое. Подсчитано, что в среднем на каждого жителя Белгорода в воздушном пространстве над городом приходится по 150 моль озона. Сколько молекул озона и какая его масса приходится в среднем на одного белгородца? (Ответ: 9,03*10²⁵; 7,2 кг)

2. Одинаковое ли (и какое именно) число молекул содержится в 1г воды и в 1г кислорода? Какова роль этих веществ в биосфере Земли? (Ответ: 0,33*10²³; 0,37*10²⁷)

3. Чтобы приготовить бордосскую смесь (препарат против фитофторы - грибкового заболевания огородных растений), используют медный купорос CuSO₄?5H₂O. Рассчитайте число атомов кислорода и водорода, которые содержатся в 350 г этого вещества. (Ответ: 75,8*10²³; 84,2*10²³)

4. В сутки человек вдыхает приблизительно 25 кг воздуха. На каждые 100 км пути автомобиль расходует 1825 кг кислорода. Сколько суток сможет дышать человек воздухом, если одна из машин проедет на 100 км меньше? Используя приведенные факты и результаты ваших расчетов, подготовьте:

а) рекламный проспект автомобилей;

б) текст обращения к президенту России о защите природы. (Ответ: 347 суток 14 часов 52 минуты)

5. Основной компонент природного газа - метан. Некоторые крупные месторождения природного газа, например Астраханское, Оренбургское, помимо углеводородных газов содержат значительное количество сероводорода. Эта примесь, с одной стороны опасна, так как вызывает сильную коррозию трубопроводов и перекачивающей аппаратуры. Кроме того, при сгорании такого газа получается оксид серы (IV), что вызывает загрязнение атмосферы. С другой стороны сероводород является ценным химическим сырьем, из которого можно получить, например, серную кислоту. Предложите рациональные, по вашему мнению, способы очистки природного газа от сероводорода.

6. Белгородский мел содержит карбонат кальция и карбонат магния в пересчете на CaO и MgO соответственно 54 и 0,5 %.

Сколько примеси содержит белгородский мел?

Какой объем CO₂ выделится в атмосферу при обжиге образца такого мела массой 1 кг? (Ответ: 2,5%)

7. В природе постоянно происходит круговорот биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота и др. Человек в процессе своей деятельности вмешивается в круговорот веществ, использую минеральное сырье для своих нужд. Какая масса углерода должна превратиться в CO₂, чтобы получить 1 л минеральной газированной воды с концентрацией углекислоты 2%, с=1г/см³. (Ответ: 3,84 г.)

8. Азот - незаменимый биогенный элемент, поскольку входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера - неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Существуют азотфиксирующие бактерии, способные фиксировать азот воздуха и превращать его в доступную для растений форму. С помощью таких бактерий при хорошем урожае клевер может накапливать за сезон 150-160 кг/га азота. Какой объем воздуха в м³ содержит такую массу азота? Какую массу 10 % раствора аммиачной воды (используемой в качестве удобрений) может заменить 1 га клевера, накопивший за сезон 100 кг/га азота? (Ответ: 120 м³, 2100 кг)

9. Растения поглощают минеральные вещества и углекислый газ и под действием ультрафиолета синтезируют глюкозу, выделяя кислород.

Какой объем CO₂ усвоили зеленые листья сахарной свеклы для получения 100 г сахарозы, из которой можно изготовить 10 конфет (одна конфета содержит примерно 10 г сахара)? (Ответ: 26 л СО₂).

10. Листья растения махорки содержат лимонную кислоту, примерно 3%. Какая масса зеленых листьев этого растения потребуется для получения 1 кг лимонной кислоты, если потери при производстве составляют 15 %? (Ответ: 39,1 кг).

11. Для нейтрализации промышленных стоков гальванического участка завода "Энергомаш" города Белгорода потребовалось 60 кг негашеной извести CaO с массовой долей примесей 7%. Какая масса иона никеля Ni²⁺, содержащегося в стоках была нейтрализована?

(Ответ: 58,7 кг).

12. В состав феромона тревоги у муравьев - древоточцев входит углеводород. Каково строение углеводорода, если при его крекинге образуются пентан и пентен, а при его горении - 10 моль углекислого газа. (Отв.: декан)

13. Из 1 м³ древесных отходов можно получить 60 л метанола. Рассчитайте массу формалина (40%-го раствора формальдегида), который можно получить при окислении указанного объема спирта (Ответ: 0,791 г/см³).

3.2.3 Задачи для самостоятельного решения

Задача 1. В школьном химическом кабинете пролили на пол немного соляной кислоты, и к концу урока она полностью испарилась. Хотя хлороводород сильно токсичен и при вдыхании оказывает раздражающее действие, ученики не почувствовали никакого постороннего запаха. Много ли молекул НСl оказалось в воздухе, если масса хлороводорода, перешедшего в газообразное состояние, равна 1 г?

Задача 2. Считается, что загрязняющие вещества не оказывают вредного влияния, если их количество в воздухе не превышает некоторого предельного значения. Так, допускается содержание в 1 м³ воздуха 0,085 мг диоксида азота, 3,0 мг монооксида углерода, 0,05 мг диоксида серы, 0,008 мг сероводорода. Вдыхание какого количества (в моль) каждого из этих веществ в сутки не опасно для здоровья? Норма потребления воздуха для дыхания у взрослых мужчин -- 10 м³ в сутки.

Задача 3. Определите, какое число молекул (формульных единиц) содержат порции веществ, часто применяемых в быту: 5 г пищевой соды (гидрокарбонат натрия NаНСО₃), 0,01 моль иода I₂, 35 г поваренной соли (хлорид натрия NaCl), 4 моль уксусной кислоты СН₃СООН.

Задача 4. Какова абсолютная масса одной молекулы аммиака NH₃, хлороводорода НСl, серной кислоты Н₂SО₄, белого фосфора Р₄? Все перечисленные вещества очень токсичны и при попадании с воздухом в дыхательные пути вызывают сильнейшие отравления. Определите число молекул каждого вещества в 1 м³ воздуха при содержании этих веществ, признанном неопасным, а именно: NН_з - 0,2 мг, НСl - 0,05 мг; H₂SO₄ - 0,3 мг; РО₄ - 0,1 мг.

Задача 5. Одинаковое ли (и какое именно) число молекул содержится в 1 г воды и в 1 г кислорода? Какова роль этих веществ в природе Земли?

Задача 6. Вычислите и сравните между собой массы 0,3 моль монооксида азота NO и такого же количества диоксида азота NO₂. Предельное безопасное содержание NO составляет 0,6 мг и NO₂ - 0,085 мг в 1 м³ воздуха. Каково безопасное количество вещества (в моль) этих газов в 1 м³ воздуха?

3адача 7. Такие виды рыб, как форель и хариус, очень чувствительны к чистоте воды. Если в 1 л природной воды 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 массу серной кислоты в 1л воды, которая представляет собой смертельную дозу для мальков форели и хариуса.

Задача 8. Чтобы приготовить бордосскую смесь (препарат против фитофторы - грибкового заболевания огородных растений), используют медный купорос CuSО₄ · 5Н₂О. Рассчитайте число атомов кислорода и водорода, которые содержатся в 350 г этого вещества.

Задача 9. Взаимодействие озона, образующегося при грозе в горной местности, со льдом приводит к выделению небольшого количества соединения водорода и кислорода. Какова формула этого соединения, если абсолютная масса его молекул равна 5,65 · 10^-2 г?

Задача 10. Человек начинает ощущать едкий запах диоксида серы, если в 1м³ воздуха содержится 3 мг этого вредного газа. При вдыхании воздуха с таким содержанием SO₂ в течение пяти минут у человека начинается ларингит - воспаление слизистой оболочки гортани. Какое суммарное количество вещества диоксида серы приводит к этому неприятному заболеванию? Примите объем легких человека равным 3,5 л, а периодичность дыхания - 4 с.

Задача 11. Растения суши и Мирового океана ежегодно выделяют при фотосинтезе 320 млрд. тонн газообразного кислорода, с избытком восполняя расход этого газа в промышленности, энергетике и на транспорте. Сколько молекул кислорода ежегодно выделяет земная растительность?

Задача 12. Океан, как насос: в полярных широтах он поглощает своими холодными водами диоксид углерода, а в экваториальных и тропических зонах, где вода теплая, он отдает этот газ в атмосферу. В этом обменном процессе между атмосферой и океаном участвуют ежегодно 100 млрд. тонн углекислого газа. Сколько молекул диоксида углерода вовлечено в этот процесс? [28, 31, 33-36]

3.3 Тестовые задания

1. Какие стихийные бедствия занимают 1 место по количеству человеческих жертв:

1. извержения вулканов;

2. землетрясения;

3. тропические циклоны;

4. пожары. +

2. Цунами - это:

1. ветер;

2. волна; +

3. сильный ливень;

4. крупный град.

3. Вихрь, возникающий на море или озере, называется:

1. цунами;

2. смерч; +

3. торнадо;

4. суховей.

4. Сильный разрушительный вихрь, возникающий на суше, называется:

1. цунами;

2. смерч;

3. торнадо; +

4. суховей.

5. В тропических циклонах скорость ветра нередко достигает большой величины:

1. 50-100км\ч;

2. 100-200 км\ч;

3. 200-300 км\ч;

4. 300-400 км\ч. +

6. Вероятность разрушения здания при землетрясении значительно меньше при его расположении:

1. на склоне, сложенном рыхлыми горными породами;

2. на склоне, сложенном скальными породами;

3. на ровной местности, сложенной рыхлыми горными породами;

4. на ровной местности, сложенной скальными породами. +

7. Самое безопасное место в здании во время землетрясения:

1. балкон;

2. оконные проемы;

3. дверные проемы; +

4. лестница.

8. Виновниками экологических катастроф являются:

1. люди; +

2. звери;

3. птицы;

4. рыбы.

9. Главная причина опустынивания территорий:

1. промышленность; +

2. сельское хозяйство;

3. нефтедобыча;

4. пожары.

10. Главная причина засоления почв:

1. кислотный дождь; +

2. обмеление малых рек;

3. поливное земледелие;

4. промышленные сточные воды.

11. Главная причина усиления эрозии почв:

1. потепление климата;

2. сельское хозяйство;

3. поливное земледелие;

4. промышленные сточные воды. +

12. Самые крупные экологические катастрофы связаны с авариями в промышленности:

1. атомной; +

2. нефтедобывающей;

3. химической;

4. металлургической.

13. Главной причиной возникновения «ядерной зимы», которая наступит в случае ядерной войны, является:

1. радиоактивное заражение; +

2. тепловое излучение;

3. уничтожение растительности;

4. аэрозоли.

14. При смачивании ткани ее защитные свойства от радиоактивной пыли:

1. уменьшаются;

2. не изменяются;

3. немного улучшаются;

4.значительно повышаются +

15. Главный виновник уничтожения озонового слоя:

1. угарный газ;

2. фреон; +

3. углекислый газ;

4. сернистый газ.

16. В настоящее время площадь озоновых дыр:

1. не изменяется;

2. уменьшается;

3. неизвестно как изменяется;

4. увеличивается. +

17. Основная причина кислотных дождей - наличие в атмосфере Земли:

1. угарного газа;

2. углекислого газа;

3. сернистого газа; +

4. аэрозолей.

18. Созданию парникового эффекта способствует наличие в атмосфере Земли:

1. углекислого газа; +

2. сернистого газа;

3. фреона;

4. аэрозолей.

19. Массовая гибель рыбы при разливах нефти в водоемах связана с уменьшением в воде:

1. световой энергии;

2. кислорода; +

3. углекислого газа;

4. солености.

20. За какое время разлагается половина пролитой в море нефти:

1. за неделю;

2. за месяц;

3. за год; +

4. за десять лет.

21. Смерч - это:

1. восходящий вихрь; +

2. град;

3. гроза;

4. ливни.

22. Оползни представляют:

1. снежные массы;

2. водный поток;

3. масса горных пород;

4. грязевой поток. +

23. Одним из важнейших факторов, влияющих на образование снежных лавин, является:

1. открытый склон;

2. температура;

3. ветер;

4. интенсивность снегопада. +

24. В России лавиноопасными районами являются:

1. Сахалин;

2. Северный Кавказ; +

3. Урал;

4. Камчатка.

25. Наводнение характеризуется:

1. разливом реки, озера;

2. затоплением водой местности; +

3. выпадением осадков;

4. половодьем.

26. В России 20% территории находится в селеопасных зонах:

1. КБР, Осетия, Дагестан; +

2. Урал;

3. Приморье;

4. Ленинградская область.

27. Стихийные бедствия:

1. аварии, катастрофы;

2. нарушение технологического режима;

3. явление или процессы геологического, гидрологического, атмосферного и другого происхождения; +

4. уничтожение материальных ценностей.

28. Экологическая катастрофа приводит к:

1. нарушение условий жизнедеятельности людей;

2. нарушение условий производства;

3. гибель людей.

4. чрезвычайно неблагоприятным изменением в среде обитания. +