Страница 201 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Как образуются кислотные осадки? Какой вред окружающей среде, промышленным и сельскохозяйственным предприятиям они наносят? Как влияют кислотные осадки на здоровье человека?

Как образуются кислотные осадки?
Кислотные осадки образуются в результате химических реакций в атмосфере. Основными виновниками являются оксиды серы ($SO_x$) и оксиды азота ($NO_x$), которые выбрасываются в атмосферу преимущественно при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти, газа) на тепловых электростанциях, в двигателях автомобилей и на промышленных предприятиях. Также естественными источниками могут быть извержения вулканов и лесные пожары.
Попав в атмосферу, эти оксиды вступают во взаимодействие с водяным паром, кислородом и другими химическими веществами под воздействием солнечного света. В результате этих реакций образуются кислоты.
Например, диоксид серы ($SO_2$) окисляется до триоксида серы ($SO_3$), который затем реагирует с водой ($H_2O$) с образованием серной кислоты ($H_2SO_4$):
$2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
Аналогично, оксиды азота (например, $NO_2$) реагируют с водой, образуя азотную ($HNO_3$) и азотистую ($HNO_2$) кислоты:
$2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2$
Эти кислоты растворяются в облаках в каплях воды и затем выпадают на землю в виде кислотных дождей, снега, тумана или града. Термин "кислотные осадки" также включает сухое выпадение кислотообразующих частиц и газов на поверхность земли.
Ответ: Кислотные осадки образуются, когда оксиды серы и азота, выброшенные в атмосферу, реагируют с водой и кислородом, превращаясь в серную и азотную кислоты, которые затем выпадают на землю с дождем, снегом или туманом.

Какой вред окружающей среде, промышленным и сельскохозяйственным предприятиям они наносят?
Кислотные осадки наносят комплексный вред различным сферам.
Вред окружающей среде:

• Водные экосистемы: Происходит закисление озер и рек (снижение pH), что приводит к гибели рыбы, земноводных и других водных организмов. Из почвы в воду вымываются токсичные металлы, такие как алюминий, что еще больше усугубляет ситуацию.
• Леса и почвы: Кислотные дожди повреждают листья и хвою деревьев, замедляя их рост и делая их более уязвимыми для болезней, вредителей и заморозков. Происходит вымывание из почвы жизненно важных питательных веществ (кальция, магния) и, наоборот, активизация токсичных элементов.

• Коррозия: Значительно ускоряется коррозия металлических конструкций, трубопроводов, мостов и промышленного оборудования.
• Разрушение материалов: Кислоты разрушают строительные материалы, особенно известняк, мрамор и бетон, что приводит к преждевременному износу зданий, памятников архитектуры и исторических монументов. Реакция с карбонатом кальция: $CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2$.

• Снижение урожайности: Повреждение листового аппарата растений и закисление почв напрямую снижают урожайность многих сельскохозяйственных культур.
• Деградация почв: Повышение кислотности почвы требует дополнительных затрат на ее известкование для восстановления нормального уровня pH и плодородия.

Ответ: Кислотные осадки вызывают гибель флоры и фауны в водоемах, повреждают леса, ускоряют коррозию металлов и разрушение зданий, а также снижают плодородие почв и урожайность в сельском хозяйстве.

Как влияют кислотные осадки на здоровье человека?
Прямое воздействие кислотных осадков на человека (например, попадание под кислотный дождь) не представляет серьезной опасности, так как концентрация кислот в них не настолько высока, чтобы вызвать химические ожоги кожи. Однако основная угроза для здоровья носит косвенный характер.

• Заболевания дыхательных путей: Частицы сульфатов и нитратов, а также газы ($SO_2$ и $NO_x$), являющиеся предшественниками кислотных дождей, могут проникать глубоко в легкие при дыхании. Это может вызывать или обострять респираторные заболевания, такие как астма, хронический бронхит и эмфизема, особенно у детей и пожилых людей.
• Отравление токсичными металлами: Кислотные осадки способствуют вымыванию из почвы и водопроводных труб тяжелых металлов (например, свинца, ртути, кадмия, алюминия). Эти металлы могут попадать в источники питьевой воды и накапливаться в рыбе. Употребление такой воды или пищи может привести к серьезным проблемам со здоровьем, включая поражение нервной системы, почек и мозга.

Ответ: Кислотные осадки влияют на здоровье человека в основном косвенно: вдыхание частиц, образующих кислоты, провоцирует болезни дыхательной системы, а попадание в организм токсичных металлов, вымытых из почвы и труб, может вызвать тяжелые отравления.

2. Что представляет собой парниковый эффект? Почему его так называют? К каким последствиям приводит парниковый эффект?

Что представляет собой парниковый эффект?

Парниковый эффект — это процесс, при котором определённые газы в атмосфере планеты (так называемые парниковые газы) задерживают тепло, идущее от её поверхности. Этот механизм приводит к повышению средней температуры на планете. Процесс выглядит следующим образом:
1. Солнце излучает коротковолновую радиацию (видимый свет и ультрафиолет), которая в основном беспрепятственно проходит через атмосферу Земли и нагревает её поверхность.
2. Нагретая поверхность Земли, в свою очередь, излучает тепло обратно в космос в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения.
3. Парниковые газы в атмосфере (в основном водяной пар $H_2O$, углекислый газ $CO_2$, метан $CH_4$ и оксид азота(I) $N_2O$) поглощают это исходящее инфракрасное излучение.
4. Поглотив тепло, эти газы переизлучают его во всех направлениях, в том числе и обратно к поверхности Земли, дополнительно её нагревая.
Этот естественный парниковый эффект жизненно важен для поддержания комфортной температуры на Земле. Без него средняя температура на планете была бы около $-18 \text{°C}$, а не нынешние $+15 \text{°C}$.

Ответ: Парниковый эффект — это нагрев нижних слоёв атмосферы и поверхности планеты из-за того, что парниковые газы задерживают тепловое (инфракрасное) излучение, идущее от поверхности.

Почему его так называют?

Название "парниковый эффект" возникло по аналогии с принципом работы парника или теплицы. В теплице стеклянная или пластиковая крыша пропускает внутрь солнечное коротковолновое излучение, которое нагревает почву и растения. Нагретые объекты излучают тепло в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Однако стекло или пластик являются непрозрачными для этого типа излучения и не выпускают его наружу, "запирая" тепло внутри. В результате температура в теплице становится значительно выше, чем снаружи.
Атмосфера Земли, содержащая парниковые газы, действует подобно крыше теплицы: она прозрачна для видимого света, но задерживает инфракрасное излучение, не давая теплу уйти в космос. Хотя физический механизм в атмосфере (поглощение и переизлучение) отличается от механизма в теплице (где главную роль играет предотвращение конвекции), конечный результат — удержание тепла и повышение температуры — схож, что и послужило основанием для такого названия.

Ответ: Эффект назван так по аналогии с парником (теплицей), где стекло или плёнка пропускают солнечное излучение внутрь, но задерживают тепловое излучение, идущее от нагретой земли, что приводит к повышению температуры внутри.

К каким последствиям приводит парниковый эффект?

Важно различать естественный парниковый эффект, который необходим для жизни, и его усиление в результате деятельности человека (антропогенный парниковый эффект). Усиление парникового эффекта из-за роста концентрации $CO_2$ и других газов приводит к глобальному потеплению и ряду взаимосвязанных негативных последствий:
1. Глобальное потепление: Повышение средней температуры на планете, что является первопричиной остальных изменений.
2. Таяние ледников и полярных льдов: Ускоренное таяние ледников в горах и ледяных щитов в Гренландии и Антарктиде.
3. Подъём уровня мирового океана: Это происходит как из-за поступления воды от тающих льдов, так и из-за теплового расширения самой воды в океанах при нагревании. Это угрожает затоплением прибрежных городов и целых островных государств.
4. Учащение экстремальных погодных явлений: Увеличивается частота и интенсивность волн жары, засух, сильных ливней, наводнений и разрушительных ураганов.
5. Влияние на экосистемы и биоразнообразие: Смещение климатических зон заставляет виды мигрировать, а те, кто не может адаптироваться, оказываются под угрозой вымирания. Происходит закисление океана (из-за поглощения избыточного $CO_2$), что губительно для коралловых рифов, моллюсков и планктона.
6. Угрозы для сельского хозяйства: Изменение температур и режима осадков нарушает привычные условия для выращивания сельскохозяйственных культур, что может привести к неурожаям и проблемам с продовольственной безопасностью.

Ответ: Усиление парникового эффекта приводит к глобальному потеплению, которое, в свою очередь, вызывает таяние ледников, подъём уровня мирового океана, увеличение частоты и силы экстремальных погодных явлений, нарушение экосистем и создаёт угрозы для сельского хозяйства и здоровья человека.

3. Почему озоновый слой называют также озоновым щитом планеты? Что такое озоновые дыры? Каковы причины их возникновения?

Почему озоновый слой называют также озоновым щитом планеты?

Озоновый слой — это часть стратосферы Земли с высокой концентрацией озона ($O_3$). Его называют «озоновым щитом», потому что он выполняет жизненно важную защитную функцию, подобно щиту, который защищает воина. Этот слой поглощает от 97 до 99 процентов наиболее вредной части ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Если бы это жесткое УФ-излучение достигало поверхности Земли в полном объеме, оно бы наносило серьезный вред живым организмам: вызывало бы рак кожи, катаракту и подавление иммунной системы у людей, а также губительно действовало на растения, планктон и другие формы жизни. Таким образом, название «щит» является точной метафорой, описывающей его роль как защитного барьера, оберегающего жизнь на нашей планете.

Ответ: Озоновый слой называют озоновым щитом из-за его способности поглощать большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, защищая тем самым все живое на Земле от его губительного воздействия.

Что такое озоновые дыры?

Озоновая дыра — это не буквальное отверстие в озоновом слое, а значительное локальное снижение концентрации озона в стратосфере. Это явление представляет собой сильное утончение озонового слоя. Условно «дырой» считается область, где общее содержание озона падает ниже 220 единиц Добсона (е.Д.). Наиболее известная и крупная озоновая дыра ежегодно образуется над Антарктидой в весенний период Южного полушария (с августа по октябрь). Ее появление приводит к тому, что на поверхность Земли под «дырой» попадает повышенное количество опасного УФ-излучения.

Ответ: Озоновые дыры — это области в стратосфере (преимущественно над полярными регионами), где наблюдается сильное, сезонное падение концентрации озона, то есть значительное утончение озонового слоя.

Каковы причины их возникновения?

Основной причиной возникновения озоновых дыр является антропогенное воздействие, а именно выброс в атмосферу озоноразрушающих веществ (ОРВ). Ключевую роль играют хлорфторуглероды (ХФУ, или фреоны), которые ранее массово использовались в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках и в качестве растворителей. Эти вещества очень стабильны и, попадая в атмосферу, со временем достигают стратосферы. Там под действием жесткого ультрафиолетового излучения они распадаются, высвобождая атомы хлора ($Cl$) и брома ($Br$). Эти атомы действуют как катализаторы в реакциях разрушения озона. Один атом хлора способен уничтожить десятки тысяч молекул озона ($O_3$) в ходе каталитического цикла:

$Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2$
$ClO + O \rightarrow Cl + O_2$

В результате этого цикла атом хлора ($Cl$) высвобождается и снова готов атаковать следующую молекулу озона. Процесс особенно интенсивно протекает над полярными областями. В условиях экстремально низких температур полярной зимы образуются полярные стратосферные облака. На их поверхности неактивные соединения хлора превращаются в активные формы, которые с появлением весеннего солнца запускают массовое разрушение озона.

Ответ: Причина возникновения озоновых дыр — выброс в атмосферу хлор- и бромсодержащих химических веществ (в основном фреонов), которые, достигая стратосферы, запускают каталитические реакции разрушения молекул озона.

4. Почему охрана Мирового океана является глобальной проблемой?

Охрана Мирового океана является глобальной проблемой, поскольку его состояние напрямую влияет на всю планету, жизнь и благополучие человечества. Это обусловлено несколькими ключевыми факторами:

Единство и взаимосвязанность. Мировой океан — это единая, непрерывная водная система, которая не признает государственных границ. Океанические течения переносят воду, тепло, питательные вещества, а также загрязнители по всему земному шару. Таким образом, загрязнение, произошедшее в одной части света (например, разлив нефти или сброс пластика), может нанести ущерб экосистемам и экономике стран, находящихся за тысячи километров.

Ключевая роль в формировании климата. Океан играет важнейшую роль в регуляции климата Земли. Он поглощает огромное количество углекислого газа ($CO_2$) из атмосферы, замедляя темпы глобального потепления. Также он аккумулирует и перераспределяет солнечное тепло по планете, формируя погодные условия и климатические зоны. Нарушение этих процессов, например, из-за потепления и закисления вод, имеет глобальные последствия в виде экстремальных погодных явлений, повышения уровня моря и изменения климата, затрагивающих все страны.

Источник жизненно важных ресурсов. Мировой океан является источником продовольствия для миллиардов людей (рыболовство и аквакультура), полезных ископаемых (нефть, газ, металлы), а также обладает огромным потенциалом для возобновляемой энергетики (энергия приливов, волн). Нерациональное использование этих ресурсов, такое как перелов рыбы или загрязнение при добыче полезных ископаемых, истощает их запасы и угрожает продовольственной и экономической безопасности многих стран, а не только прибрежных.

Центр мирового биоразнообразия. В океане обитает подавляющее большинство живых организмов планеты. Это колоссальное биоразнообразие поддерживает устойчивость экосистем и обеспечивает важные "экосистемные услуги", например, производство кислорода фитопланктоном (океан производит около 50% кислорода в атмосфере). Загрязнение, разрушение сред обитания (например, коралловых рифов) и изменение климата ведут к массовому вымиранию видов, что подрывает основы жизни на Земле.

Трансграничный характер загрязнения. Проблема загрязнения океана носит глобальный характер. Пластиковый мусор, образующий огромные "мусорные острова", химические отходы, нефтепродукты, радиоактивные вещества и сточные воды с сельскохозяйственных полей попадают в океан и распространяются по всему миру. Борьба с таким загрязнением не может быть эффективной на уровне одного государства и требует скоординированных международных усилий.

Экономическое значение. Океан — это основа мировой торговли и глобализации. Около 90% всех международных грузоперевозок осуществляется морским путем. Стабильность этих маршрутов, безопасность портов и судоходства напрямую зависят от состояния морской среды и климатических условий.

Таким образом, из-за планетарной роли океана в поддержании климата, биоразнообразия и экономики, а также из-за трансграничного характера угроз, проблема его сохранения не может быть решена усилиями одной или нескольких стран. Она требует глобального подхода, международного сотрудничества и совместных действий всего человечества.

Ответ: Охрана Мирового океана является глобальной проблемой, потому что он представляет собой единую экосистему, влияющую на климат всей планеты, является источником ресурсов для всего человечества и основой мировой экономики. Проблемы, такие как загрязнение, перелов рыбы и изменение климата, носят трансграничный характер, не могут быть решены одной страной и требуют совместных усилий всего мирового сообщества.

5. Какие международные соглашения регулируют систему мер по охране окружающей среды от химического загрязнения?

Система мер по охране окружающей среды от химического загрязнения регулируется рядом ключевых международных соглашений. Эти документы создают правовую основу для глобального и регионального сотрудничества, устанавливая обязательства для стран по контролю за производством, использованием, торговлей и утилизацией опасных химических веществ. Основными из них являются:

• Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях (СОЗ) (принята в 2001 г.). Направлена на охрану здоровья человека и окружающей среды от СОЗ — высокотоксичных химических веществ, которые устойчивы к разложению, способны накапливаться в живых организмах и переноситься на большие расстояния. Конвенция требует от стран-участниц принятия мер по прекращению или ограничению производства, использования и выбросов СОЗ, а также по безопасной утилизации отходов, их содержащих.
• Роттердамская конвенция о процедуре предварительного обоснованного согласия (ПОС) в отношении отдельных опасных химических веществ и пестицидов в международной торговле (принята в 1998 г.). Цель конвенции — содействие общей ответственности и совместным усилиям сторон в международной торговле опасными химикатами. Она устанавливает процедуру, согласно которой экспорт определенных химических веществ может осуществляться только с предварительного согласия (ПОС) импортирующей страны, что позволяет странам принимать взвешенные решения об импорте опасных веществ.
• Базельская конвенция о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением (принята в 1989 г.). Основная цель — защита здоровья человека и окружающей среды от вредного воздействия, связанного с производством, трансграничной перевозкой и удалением опасных отходов. Конвенция направлена на минимизацию объемов и токсичности образующихся отходов и обеспечение их экологически безопасного удаления как можно ближе к источнику образования, а также на предотвращение "экспорта" отходов из развитых стран в развивающиеся.
• Минаматская конвенция о ртути (принята в 2013 г.). Это глобальное соглашение, направленное на защиту здоровья человека и окружающей среды от антропогенных выбросов и высвобождений ртути и ее соединений. Конвенция охватывает весь жизненный цикл ртути: от добычи до использования в продуктах и промышленных процессах, контроля выбросов в атмосферу, сбросов в воду и на землю, а также регулирования обращения с ртутными отходами.
• Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (КТЗВБР) (принята в 1979 г.). Эта конвенция и ее протоколы направлены на борьбу с загрязнением воздуха, переносимым через государственные границы. Ряд протоколов напрямую касается химического загрязнения, например, Протокол по тяжелым металлам (ограничивает выбросы кадмия, свинца и ртути) и Протокол по стойким органическим загрязнителям.
• Венская конвенция об охране озонового слоя (1985 г.) и ее Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (1987 г.). Эти соглашения, хотя и сфокусированы на защите озонового слоя, являются важным элементом системы контроля над химическим загрязнением атмосферы. Они регулируют и поэтапно прекращают производство и потребление озоноразрушающих веществ (ОРВ), таких как хлорфторуглероды (ХФУ) и галоны.

Эти соглашения, часто называемые "химическими конвенциями", работают в синергии, создавая комплексную международную систему управления химическими веществами и отходами на протяжении всего их жизненного цикла.

Ответ: Систему мер по охране окружающей среды от химического загрязнения регулируют такие ключевые международные соглашения, как Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях (СОЗ), Роттердамская конвенция о процедуре предварительного обоснованного согласия (ПОС), Базельская конвенция о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов, Минаматская конвенция о ртути, а также Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния и Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой.

6. Что означает термин «зелёная химия»? Как он звучит на английском и немецком языках?

Решение

Термин «зелёная химия» (также известный как «устойчивая химия» или «химия для устойчивого развития») — это научное направление в химии и химической технологии, основной задачей которого является уменьшение или полное предотвращение негативного воздействия химической промышленности на окружающую среду. Это достигается путём разработки и внедрения новых химических продуктов и процессов, которые минимизируют или исключают использование и образование опасных веществ.

Ключевая идея «зелёной химии» заключается в предотвращении загрязнений на молекулярном уровне, а не в борьбе с их последствиями. Концепция была детально разработана американскими химиками Полом Анастасом и Джоном Уорнером, которые сформулировали 12 принципов «зелёной химии». Эти принципы служат руководством для химиков и инженеров по всему миру. Некоторые из них:

• Предотвращение отходов: лучше предотвратить образование отходов, чем их перерабатывать или утилизировать.
• Атомная экономия: химические реакции должны быть спроектированы так, чтобы максимальное количество атомов из исходных реагентов переходило в целевой продукт.
• Использование возобновляемого сырья: предпочтение отдается сырью из возобновляемых источников (например, биомассы), а не из ископаемых (нефть, газ, уголь).
• Разработка безопасных растворителей: следует избегать использования токсичных и летучих органических растворителей, заменяя их более безопасными альтернативами, такими как вода, сверхкритические флюиды (например, $CO_2$) или ионные жидкости.
• Энергоэффективность: химические процессы следует проводить при комнатной температуре и атмосферном давлении, чтобы минимизировать затраты энергии.

Термин «зелёная химия» является прямым переводом (калькой) с английского языка, где эта концепция и зародилась в 1990-х годах. Соответственно, в других языках он звучит аналогично.

• На английском языке: Green Chemistry.
• На немецком языке: Grüne Chemie.

Ответ: «Зелёная химия» — это научное направление, нацеленное на разработку химических продуктов и процессов, которые минимизируют вред для окружающей среды и здоровья человека. На английском языке этот термин звучит как Green Chemistry, а на немецком — Grüne Chemie.

7. Составьте уравнения реакций образования кислотных дождей.

Кислотные дожди — это все виды атмосферных осадков, таких как дождь, снег, град и туман, кислотность которых превышает нормальный уровень (обычно pH ниже 5.6). Основной причиной их возникновения являются выбросы в атмосферу оксидов серы $(SO_x)$ и азота $(NO_x)$ в результате промышленной деятельности, работы теплоэлектростанций и сжигания топлива в автомобилях.

Образование серной и сернистой кислот

Процесс формирования серной кислоты, основного компонента кислотных дождей в промышленных районах, происходит в несколько этапов.

1. Сжигание серосодержащего топлива. При сжигании ископаемого топлива (угля, мазута), которое содержит серу в качестве примеси, образуется диоксид серы (сернистый газ):

$S + O_2 \rightarrow SO_2$

2. Окисление диоксида серы. В атмосфере диоксид серы медленно окисляется кислородом воздуха до триоксида серы. Эта реакция ускоряется (катализируется) наличием в воздухе частиц пыли, соединений железа или марганца, а также под действием солнечного света:

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3. Образование кислот. Триоксид серы очень активно реагирует с водяным паром в атмосфере, образуя сильную серную кислоту, которая выпадает на землю в виде кислотного дождя:

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

Также диоксид серы может напрямую растворяться в каплях воды, образуя слабую сернистую кислоту:

$SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$

Сернистая кислота затем может быть окислена в атмосфере до серной.

Ответ: Ключевые реакции образования серной кислоты: $S + O_2 \rightarrow SO_2$; $2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$; $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$.

Образование азотной и азотистой кислот

Оксиды азота, второй основной источник кислотных дождей, образуются преимущественно при высоких температурах.

1. Образование монооксида азота. При очень высоких температурах, например в двигателях внутреннего сгорания или во время грозовых разрядов, атмосферный азот реагирует с кислородом:

$N_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2NO$

2. Окисление монооксида азота. Образовавшийся бесцветный газ NO в атмосфере довольно быстро окисляется кислородом до диоксида азота $(NO_2)$ — газа бурого цвета с характерным запахом:

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

3. Образование кислот. Диоксид азота реагирует с водой, образуя смесь сильной азотной и слабой азотистой кислот:

$2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2$

В присутствии кислорода, растворенного в воде, весь диоксид азота превращается в азотную кислоту. Эта реакция является основным путем образования азотной кислоты в каплях облаков и тумана:

$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Ответ: Ключевые реакции образования азотной кислоты: $N_2 + O_2 \rightarrow 2NO$; $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$; $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$.

Для полноты картины следует упомянуть, что даже незагрязненная дождевая вода является слабокислой (pH ≈ 5.6). Это связано с растворением в ней углекислого газа $(CO_2)$ из атмосферы и образованием слабой угольной кислоты:

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Эта реакция является естественным процессом и не считается причиной проблемы кислотных дождей, которая вызвана антропогенными загрязнителями.

8. Запишите уравнения реакций, которые иллюстрируют процессы разрушения памятников архитектуры.

Процессы разрушения памятников архитектуры, как правило, являются результатом химического воздействия загрязнителей окружающей среды. Основной причиной является кислотный дождь, который образуется при взаимодействии промышленных выбросов (оксидов серы и азота) с атмосферной влагой. Ниже приведены уравнения реакций, иллюстрирующие разрушение различных материалов, используемых в архитектуре.

Разрушение карбонатных пород (мрамор, известняк)

Мрамор и известняк состоят преимущественно из карбоната кальция ($CaCO_3$), который активно реагирует с кислотами, содержащимися в дождевой воде.

1. Взаимодействие с серной кислотой ($H_2SO_4$), основным компонентом кислотных дождей в промышленных районах. В результате реакции образуется гипс ($CaSO_4$), который частично растворяется в воде и вымывается, а частично образует корку на поверхности камня. Эта корка со временем отслаивается, унося с собой частицы памятника.

$CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

2. Взаимодействие с азотной кислотой ($HNO_3$), которая также присутствует в кислотных дождях, особенно в городах с интенсивным автомобильным движением. Образующийся нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$) хорошо растворим в воде и легко смывается, что приводит к быстрой эрозии материала.

$CaCO_3 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

3. Взаимодействие с угольной кислотой ($H_2CO_3$). Даже чистый дождь является слабокислым из-за растворенного в нем углекислого газа. Этот процесс приводит к медленному растворению карбоната кальция с образованием растворимого гидрокарбоната кальция ($Ca(HCO_3)_2$).

$CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$

Ответ:

$CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

$CaCO_3 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

$CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$

Коррозия металлов (железо, бронза)

Металлические конструкции и декоративные элементы памятников подвергаются атмосферной коррозии, которая значительно ускоряется в кислой среде.

1. Коррозия железа и его сплавов (стали). Процесс ржавления — это окисление железа кислородом в присутствии воды. Кислоты выступают в роли катализатора, ускоряя разрушение металла. Образующийся гидроксид железа(III) (ржавчина) имеет рыхлую структуру и не защищает металл от дальнейшей коррозии.

$4Fe + 3O_2 + nH_2O \rightarrow 2Fe_2O_3 \cdot nH_2O$

2. Коррозия меди и бронзы (сплав меди с оловом). В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид серы, на поверхности меди и бронзы образуется зеленый налет сульфата меди, который не является защитным и способствует дальнейшему разрушению металла ("бронзовая болезнь").

$2Cu + 2H_2SO_4 + O_2 \rightarrow 2CuSO_4 + 2H_2O$

Ответ:

$4Fe + 3O_2 + nH_2O \rightarrow 2Fe_2O_3 \cdot nH_2O$

$2Cu + 2H_2SO_4 + O_2 \rightarrow 2CuSO_4 + 2H_2O$

Разрушение силикатных материалов (песчаник)

Силикатные материалы, такие как песчаник, состоят из зерен кварца ($SiO_2$), скрепленных связующим веществом. Сам кварц химически очень стоек, но связующее вещество может разрушаться.

Если связующим веществом в песчанике является карбонат кальция, он реагирует с кислотными дождями так же, как и мрамор. Разрушение связующего приводит к ослаблению структуры камня и его распаду на отдельные песчинки.

$CaCO_3 (связующее) + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ:

$CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

9. В озонаторе находится воздух с объёмной долей кислорода 20 %. При электрическом разряде 15 % кислорода превратилось в озон. Определите объёмные доли кислорода и озона в образовавшемся озонированном воздухе.

Дано:

Начальная объёмная доля кислорода в воздухе, $\phi_{нач}(O_2) = 20\% = 0.2$
Доля кислорода, превратившегося в озон, $x = 15\% = 0.15$

Найти:

Конечную объёмную долю кислорода, $\phi_{кон}(O_2) - ?$
Конечную объёмную долю озона, $\phi_{кон}(O_3) - ?$

Решение:

Для удобства расчетов примем, что начальный объем воздуха в озонаторе составляет 100 литров. $V_{нач}(воздуха) = 100$ л.

Тогда начальный объем кислорода ($O_2$) в воздухе равен: $V_{нач}(O_2) = V_{нач}(воздуха) \times \phi_{нач}(O_2) = 100 \text{ л} \times 0.20 = 20$ л.

Объем остальных газов в воздухе (в основном азота), которые не участвуют в реакции, составляет: $V(прочие) = V_{нач}(воздуха) - V_{нач}(O_2) = 100 \text{ л} - 20 \text{ л} = 80$ л.

Реакция превращения кислорода в озон ($O_3$) описывается уравнением: $3O_2 \xrightarrow{электрический\ разряд} 2O_3$

Согласно условию, 15% кислорода превратилось в озон. Найдем объем прореагировавшего кислорода: $V_{реаг}(O_2) = V_{нач}(O_2) \times 0.15 = 20 \text{ л} \times 0.15 = 3$ л.

Теперь найдем объем оставшегося кислорода: $V_{кон}(O_2) = V_{нач}(O_2) - V_{реаг}(O_2) = 20 \text{ л} - 3 \text{ л} = 17$ л.

Из уравнения реакции и закона Авогадро следует, что из 3 объемов кислорода образуется 2 объема озона. Рассчитаем объем образовавшегося озона: $V(O_3) = V_{реаг}(O_2) \times \frac{2}{3} = 3 \text{ л} \times \frac{2}{3} = 2$ л.

После реакции в озонаторе находится газовая смесь, состоящая из оставшегося кислорода, образовавшегося озона и прочих газов. Найдем общий объем конечной газовой смеси (озонированного воздуха): $V_{кон}(смеси) = V_{кон}(O_2) + V(O_3) + V(прочие) = 17 \text{ л} + 2 \text{ л} + 80 \text{ л} = 99$ л. Общий объем газовой смеси уменьшился, так как из 3 объемов исходного газа образовалось 2 объема продукта.

Теперь определим объемные доли кислорода и озона в образовавшемся озонированном воздухе. Объёмная доля компонента вычисляется по формуле $\phi = \frac{V_{компонента}}{V_{смеси}} \times 100\%$.

Объёмная доля кислорода: $\phi_{кон}(O_2) = \frac{V_{кон}(O_2)}{V_{кон}(смеси)} \times 100\% = \frac{17 \text{ л}}{99 \text{ л}} \times 100\% \approx 17.17\%$

Объёмная доля озона: $\phi_{кон}(O_3) = \frac{V(O_3)}{V_{кон}(смеси)} \times 100\% = \frac{2 \text{ л}}{99 \text{ л}} \times 100\% \approx 2.02\%$

Ответ: объёмная доля кислорода в озонированном воздухе составляет примерно 17.17 %, а объёмная доля озона – примерно 2.02 %.

10. Выразите ПДК свинца в питьевой воде и атмосферном воздухе через количество вещества ($ммоль/л$ или $ммоль/м^3$).

Для выражения предельно допустимой концентрации (ПДК) свинца через количество вещества (молярную концентрацию) необходимо знать нормативные значения ПДК в массовых единицах и молярную массу свинца.

Нормативные значения ПДК (согласно СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания"):

• ПДК свинца в питьевой воде ($ПДК_{вода}$) = 0,01 мг/л.
• ПДК свинца в атмосферном воздухе населенных мест (среднесуточная, $ПДК_{с.с.}$) = 0,0003 мг/м³.

Молярная масса свинца (Pb) составляет $M(\text{Pb}) \approx 207,2$ г/моль.

Дано:

$ПДК_{вода} = 0,01$ мг/л
$ПДК_{воздух, с.с.} = 0,0003$ мг/м³
$M(\text{Pb}) = 207,2$ г/моль

Найти:

$C_{n, вода}$ в ммоль/л
$C_{n, воздух}$ в ммоль/м³

Решение:

Пересчет массовой концентрации ($C_m$) в молярную ($C_n$) производится по формуле:

$C_n = \frac{C_m}{M}$

где $M$ — молярная масса вещества. Для удобства расчетов используем молярную массу в единицах мг/ммоль, что численно равно г/моль:

$M(\text{Pb}) = 207,2$ г/моль = $207,2$ мг/ммоль.

ПДК свинца в питьевой воде

Выразим ПДК свинца в питьевой воде в ммоль/л. Для этого разделим массовую концентрацию в мг/л на молярную массу в мг/ммоль.

$C_{n, вода} = \frac{ПДК_{вода} (\text{мг/л})}{M(\text{Pb}) (\text{мг/ммоль})} = \frac{0,01 \text{ мг/л}}{207,2 \text{ мг/ммоль}} \approx 0,00004826 \text{ ммоль/л}$

Запишем результат в стандартном виде:

$C_{n, вода} \approx 4,83 \times 10^{-5}$ ммоль/л.

Ответ: ПДК свинца в питьевой воде составляет $4,83 \times 10^{-5}$ ммоль/л.

ПДК свинца в атмосферном воздухе

Аналогично выразим среднесуточную ПДК свинца в атмосферном воздухе в ммоль/м³.

$C_{n, воздух} = \frac{ПДК_{воздух, с.с.} (\text{мг/м³})}{M(\text{Pb}) (\text{мг/ммоль})} = \frac{0,0003 \text{ мг/м³}}{207,2 \text{ мг/ммоль}} \approx 0,000001448 \text{ ммоль/м³}$

В стандартном виде:

$C_{n, воздух} \approx 1,45 \times 10^{-6}$ ммоль/м³.

Примечание: для максимальной разовой ПДК свинца в воздухе (0,001 мг/м³), молярная концентрация составит $4,83 \times 10^{-6}$ ммоль/м³.

Ответ: Среднесуточная ПДК свинца в атмосферном воздухе составляет $1,45 \times 10^{-6}$ ммоль/м³.

11. Подготовьте сообщение о наиболее крупных экологических катастрофах последнего десятилетия, вызванных химическим загрязнением.

В последнее десятилетие произошло несколько крупномасштабных экологических катастроф, связанных с химическим загрязнением. Эти события нанесли серьезный ущерб окружающей среде, привели к гибели людей и животных и продемонстрировали риски, связанные с промышленной деятельностью и транспортировкой опасных веществ. Ниже представлено сообщение о нескольких наиболее значимых из них.

Разлив дизельного топлива в Норильске, Россия (2020 г.)

29 мая 2020 года на ТЭЦ-3, принадлежащей дочерней компании «Норникеля», произошла одна из крупнейших экологических катастроф в истории российской Арктики. В результате просадки бетонного основания из-за таяния вечной мерзлоты был поврежден резервуар для хранения дизельного топлива, что привело к утечке около 21 тысячи тонн нефтепродуктов. Значительная часть токсичных веществ попала в реки Далдыкан и Амбарная, окрасив их в ярко-красный цвет. Загрязнение распространилось на десятки километров, достигло крупного озера Пясино и создало угрозу для Карского моря. Катастрофа вызвала массовую гибель рыбы, нанесла колоссальный вред хрупкой арктической экосистеме и потребовала проведения масштабных и дорогостоящих работ по ликвидации последствий. Долгосрочное влияние на почву и водные ресурсы региона все еще оценивается.

Ответ: Катастрофа привела к масштабному химическому загрязнению арктических рек и озер, нанеся огромный ущерб водной экосистеме и продемонстрировав риски промышленной деятельности в условиях изменения климата.

Прорыв дамбы в Брумадинью, Бразилия (2019 г.)

25 января 2019 года обрушилась дамба хвостохранилища на железорудной шахте Córrego do Feijão компании Vale. В результате катастрофы высвободилось около 12 миллионов кубических метров токсичных отходов горнодобывающего производства. Мощный селевой поток из грязи, содержащей высокие концентрации железа и других тяжелых металлов, уничтожил административные здания шахты и жилые дома в городе Брумадинью, унеся жизни 270 человек. Экологические последствия были ужасающими: токсичные отходы загрязнили реку Параопеба на сотни километров, уничтожив речную экосистему и сделав воду непригодной для питья и сельского хозяйства. Это событие стало одной из самых страшных промышленных и экологических катастроф в истории Бразилии.

Ответ: Прорыв дамбы вызвал не только гуманитарную трагедию, но и долгосрочное химическое загрязнение крупной речной системы токсичными отходами горнодобывающей промышленности, уничтожив флору и фауну на огромной территории.

Крушение поезда с химикатами в Ист-Палестайн, США (2023 г.)

3 февраля 2023 года в городе Ист-Палестайн, штат Огайо, сошел с рельсов грузовой поезд, перевозивший ряд опасных химических веществ. Несколько цистерн с высокотоксичным винилхлоридом были повреждены и загорелись. Во избежание неконтролируемого взрыва власти приняли решение о проведении «контролируемого выжигания» содержимого цистерн. В результате в атмосферу попало огромное облако черного дыма, содержащего фосген и хлороводород. Инцидент привел к эвакуации тысяч жителей и вызвал серьезные опасения по поводу загрязнения воздуха, почвы и водных источников, включая бассейн реки Огайо. Поступали сообщения о массовой гибели рыбы и диких животных, а также о проблемах со здоровьем у местных жителей, что указывает на долгосрочные риски для экологии и здоровья населения.

Ответ: Авария привела к выбросу в окружающую среду высокотоксичных химических веществ, вызвав загрязнение воздуха, почвы и воды и создав долгосрочные риски для здоровья населения и экосистемы региона.

Разлив сточных вод из шахты Голд-Кинг, США (2015 г.)

5 августа 2015 года команда, работавшая по контракту с Агентством по охране окружающей среды США (EPA), случайно повредила заглушку на заброшенной шахте Голд-Кинг в штате Колорадо. Это спровоцировало выброс более 11 миллионов литров кислых шахтных вод, насыщенных тяжелыми металлами, такими как мышьяк, свинец, медь и кадмий. Токсичный поток окрасил реку Анимас в ядовито-желтый цвет. Загрязнение распространилось вниз по течению на сотни километров через штаты Колорадо, Нью-Мексико и Юта, достигнув в итоге водохранилища Пауэлл. Разлив серьезно нарушил снабжение питьевой водой, нанес ущерб сельскому хозяйству и вызвал опасения по поводу долгосрочного накопления токсичных веществ в донных отложениях рек и их влияния на дикую природу.

Ответ: Инцидент привел к резкому и масштабному загрязнению крупной речной системы токсичными тяжелыми металлами, что негативно сказалось на качестве воды, сельском хозяйстве и состоянии дикой природы в нескольких штатах.

12. Одно из направлений «зелёной химии», развиваемое в России, — синтез новых материалов, очистка химических веществ с использованием сверхкритических жидкостей. Чаще всего используют сверхкритический оксид углерода(IV). При каких условиях оксид углерода(IV) становится сверхкритическим? Где уже используют сверхкритический оксид углерода(IV)? Ответы на вопросы можно найти на сайте http://gotourl.ru/10806.

При каких условиях оксид углерода(IV) становится сверхкритическим?

Оксид углерода(IV), химическая формула которого $CO_2$, переходит в сверхкритическое состояние при одновременном достижении и превышении его критической температуры ($T_к$) и критического давления ($P_к$). Сверхкритическое состояние (или сверхкритический флюид) — это особое агрегатное состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газообразной фазами. Вещество в этом состоянии обладает уникальной комбинацией свойств: оно имеет плотность, близкую к плотности жидкости, что позволяет ему растворять другие вещества, и вязкость, близкую к вязкости газа, что обеспечивает низкое гидродинамическое сопротивление и высокую проникающую способность (диффузию).

Для диоксида углерода критические параметры следующие:

• Критическая температура ($T_к$) составляет $31.0 \text{ °C}$ (или $304.13 \text{ К}$).
• Критическое давление ($P_к$) составляет $7.38 \text{ МПа}$ (или $72.8$ атмосферы).

Таким образом, для получения сверхкритического диоксида углерода ($scCO_2$) его необходимо нагреть до температуры выше $31.0 \text{ °C}$ и подвергнуть давлению свыше $7.38 \text{ МПа}$. Именно в этих условиях он приобретает свойства эффективного и экологически чистого растворителя, что и обуславливает его применение в «зелёной химии».

Ответ: Оксид углерода(IV) становится сверхкритическим при температуре выше $31.0 \text{ °C}$ и давлении выше $7.38 \text{ МПа}$.

Где уже используют сверхкритический оксид углерода(IV)?

Сверхкритический оксид углерода(IV) ($scCO_2$) нашёл широкое применение во многих отраслях благодаря своей нетоксичности, негорючести, доступности и лёгкости удаления из конечного продукта (путем простого сброса давления, при котором он снова становится газом). Основные сферы его использования:

• Пищевая промышленность. Самое известное применение — это экстракция кофеина из кофейных зерен и листьев чая (декофеинизация). $scCO_2$ эффективно растворяет кофеин, но почти не затрагивает соединения, отвечающие за вкус и аромат напитка. Также его используют для экстракции эфирных масел, натуральных красителей, ароматизаторов из растительного сырья и для получения экстракта хмеля в пивоварении.
• Фармацевтическая промышленность. Применяется для экстракции биологически активных компонентов из лекарственных растений, для очистки субстанций, а также для создания микро- и наночастиц лекарственных препаратов. Последнее позволяет улучшить их растворимость и биодоступность в организме.
• Химическая чистка. $scCO_2$ используется как экологически безопасная альтернатива перхлорэтилену и другим токсичным органическим растворителям в аппаратах для сухой чистки одежды.
• Производство материалов. Используется как среда для проведения полимеризации, для вспенивания полимеров с целью получения лёгких пористых материалов, а также для создания аэрогелей — материалов с рекордно низкой плотностью.
• Нефтегазовая промышленность. $scCO_2$ закачивают в нефтяные пласты для увеличения их нефтеотдачи. Смешиваясь с нефтью, он снижает её вязкость и поверхностное натяжение, что облегчает её вытеснение к добывающим скважинам.
• Микроэлектроника. Применяется для деликатной и сверхчистой сушки кремниевых пластин и других хрупких микроструктур. В отличие от испарения обычной жидкости, переход $scCO_2$ в газообразное состояние не создаёт разрушительных сил поверхностного натяжения.

Ответ: Сверхкритический оксид углерода(IV) используют в пищевой промышленности (например, декофеинизация кофе), фармацевтике (экстракция и создание лекарств), в качестве экологичного растворителя для химчисток, в производстве полимеров и аэрогелей, в нефтедобыче для повышения нефтеотдачи, а также в микроэлектронике для чистки и сушки компонентов.