Химические процессы в гидросфере

Глава 4. Особенности химических процессов в гидросфере

К особенностям химических процессов в гидросфере можно отнести (Балашов Л. С., 2008):

1. Многообразие форм химических соединений', присутствуют все классы органических и неорганических веществ. Например, металлы, являющиеся непременным компонентом природных водоемов, существуют в гидросфере в виде простых ионов, гидратированных ионов, комплексных и металлорганических соединений, коллоидных частиц и взвесей.

2. Влияние гидролиза на химические процессы и участие в них гидратированных молекул и ионов. Например, железо, являющееся важным питательным компонентом водных организмов, существует в гидросфере в форме гидроксокомплексов Fe³⁺:

Fe³⁺ + Н₂О FeOH²⁺ + H⁺

FeOH²⁺ + Н₂О Fe(OH)₂⁺ + H⁺

В целом, процессы гидролиза, происходящие в гидросфере с различными минералами, играют важную роль не только с точки  зрения изменения химического состава  той или иной водной системы, но и  с точки зрения изменения ее рН (реакции среды). Так, если минерал (соль) образован анионами слабой кислоты (H₂S, Н₂СО₃, Н₃РО₄ и т.д.) и катионами сильного основания (КОН, NaOH и т.д), то в результате гидролиза реакция среды станет щелочной (рН > 7) (Дривер Д. И., 2005):

Na₂S + Н₂О NaHS + NaOH

S^2-+ Н₂О HS^- + OH^-

При гидролизе минералов (солей), образованных анионами сильной кислоты (НСL, H₂SО₄, HNO₃ и т.д.) и катионами слабого основания (АL(ОН)₃, Zn(OH)₂, NH₄OH и т.д.), реакция среды будет кислой (рН <7):

ALCL₃ + Н₂О AL(OH)CL₂ + HCL

AL³⁺ + Н₂О AL(OH)²⁺ + H⁺

В случае если минерал (соль) образован  анионами слабой кислоты и слабого  основания, гидролиз будет происходить  до конца (а не по первой ступени  как в предыдущих случаях), а реакция  среды будет близка к нейтральной (рН = 7) (Дривер Д. И., 2005):

СН₃СООNН₄ + Н₂О = СНзСООН + NH₄ОH,

СНзСОО^- + NH₄⁺ + Н₂О = СНзСООН + NH₄ОH.

Реакцию водной среды не изменяют также минералы (соли), образованные анионами сильных кислот и катионами  сильных оснований, поскольку они  не подвергаются гидролизу. В данном случае рН = 7.

3. Участие в химических процессах водорослей и бактерий. Водоросли (их около 30 тысяч видов) выделяют в водную среду органические вещества, а поглощают минеральные и углекислый газ. Бактерии, наоборот, превращают органические вещества в минеральные, т.е. перерабатывают создаваемое в процессе фотосинтеза органическое вещество в доступную для усвоения живыми организмами (например, рыбами) форму. Численность бактерий в природной воде составляет 1--300 млн./мл, что в десятки раз меньше, чем в почве (Лозановская И. Н., 2006).

В целом, на окисление органического  вещества в гидросфере за год требуется  около 1,5 *10¹¹ т кислорода.

В гидросфере протекают  следующие химические и физико-химические процессы:

1. Химические реакции в водных растворах, в основном ионообменные и окислительно-восстановительные.

Типичным примером ионообменной реакции  может служить реакция раствора хлорида цинка с гидроксидом натрия:

ZnCI₂ + 2NaOH = Zn(OH)₂ + 2NaCl,

Zn²⁺ + 2ОH^- = Zn(OH)₂

Примером окислительно-восстановительного процесса может служить реакция:

Cl₂⁰ + Н₂О = НСL^-1 + HCl⁺¹O,

где хлор выступает в качестве окислителя и восстановителя (реакция  самоокисления--самовосстановления). Окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся переходом электронов между участвующими в реакции частицами (атомами, ионами, молекулами). Процесс потери электронов какой-то частицей называется ее окислением, а сама частица, отдающая электроны, -- восстановителем. Процесс присоединения электронов частицей называется ее восстановлением, а принимающая электроны частица -- окислителем. Таким образом, в ходе окислительно-восстановительной реакции (ОВР) окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется. Различают три типа ОВР: межмолекулярные, внутримолекулярные, самоокисления-самовосстановления. Примером первых могут служить реакции, происходящие в атмосфере (Ложниченко О. В., 2005):

N₂⁰ + 2О₂⁰ = 2N⁺⁴О₂^-2.

Примером второго  типа ОВР может служить реакция

2KCL⁺⁵О₃^-2 = 2КС1-¹ + ЗО₃⁰,

примером третьего типа -- ранее приведенная реакция с  участием хлора.

2. Испарение и растворение газов на поверхности раздела воздух -- вода. Например, растворение газов О₂, N₂, СО₂ H₂S и NH₃ в природной воде. Кислород растворим в большей степени, чем азот, поэтому их соотношение в природных водах составляет N₂ : О₂ = 65 : 35. Процесс растворения СО₂ можно представить равновесными реакциями, приведенными ниже.

Равновесие, соответствующее  процессу растворения углекислого  газа в природной воде:

СО₂ (атмосфера) <----> СО₂ (гидросфера).

Равновесие, характеризующее  образование угольной кислоты:

СО₂ (раствор) + Н₂О <----> Н₂СО₃.

Отметим, что количество углекислого газа, растворенного  в гидросфере, примерно в 50 раз больше его общего содержания в атмосфере. Это следует учитывать при  составлении прогнозов изменения  климата на нашей планете (Израэль Ю. А., 1984).

3. Сорбционные процессы, т.е. процессы адсорбции, абсорбции и десорбции, обычно протекающие с участием органических соединений и способствующие самоочищению природных вод.

4. Фотолиз -- фотохимические превращения, протекающие в природных водах под воздействием УФ-излучения Солнца при участии свободных радикалов и возбужденных частиц. Толщина слоя воды, в котором осуществляется фотолиз, может доходить до нескольких метров. Фотолиз протекает с участием кислорода и свободных радикалов, играя важную роль в процессах самоочищения неглубоких водоемов, рек, прудов, прибрежных зон морей, озер, водохранилищ от загрязняющих веществ.

В водные экосистемы атомы  тяжелых металлов поступают из почв и горных пород в результате химического  и микробиологического выщелачивания  минералов, с паводковыми и дождевыми  водами, а также при осаждении  из атмосферы пылевых частиц и  аэрозолей, вовлеченных в воздушный  перенос (Щербина В. В., 1972).

Глава 5. Антропогенное воздействие на геохимический состав вод гидросферы

Давая количественную оценку антропогенному вмешательству в  природную среду, следует, прежде всего, отметить, что оно не идет ни в  какое сравнение с изменениями, вызываемыми естественными причинами  в атмосфере, гидросфере и литосфере. Хотя в глобальном масштабе изменения  природной среды, вызванные деятельностью  человека, количественно незначительны, они заметно отличаются по скорости своего протекания от изменений, вызванных  естественными причинами. Естественные изменения по сравнению с продолжительностью человеческой жизни протекают крайне медленно и внешне почти незаметны. Антропогенное вмешательство, напротив, проявляется весьма быстро, что особенно заметно в последнее столетие. Естественные изменения происходят столь медленно, что для всего  живого на Земле сохраняется возможность  генетически приспособиться к изменениям окружающей среды, в то время как  антропогенное вторжение в природу  не оставляет никаких шансов на это  приспособление, особенно для высших организмов (Израэль Ю.А., 1986).

Антропогенное звено круговорота  воды в природе отличается от естественного  тем, что большая часть забираемой воды для водоснабжения городов  и промышленных предприятий (90%) сбрасывается обратно в реки и водоемы в  виде сточных вод, загрязненных отходами хозяйственной деятельности. Сточные  воды - это воды, отводимые после  их использования в бытовой и  производственной деятельности человека, характеризуемые какими-либо отклонениями в физико-химических свойствах от природных вод.

Другая особенность антропогенного воздействия на природу состоит  в том, что при этом образуется ряд высокотоксичных продуктов, опасных и для человека, и для  всего живого. Возникновение токсичных  загрязнений может быть связано  как с накоплением природных  элементов или соединений, обладающих токсичностью, так и с получением новых веществ, представляющих опасность  для биосферы. В первом случае примером служит загрязнение природной среды  солями тяжелых металлов, во-втором - синтез пестицидов, галогеносодержащих органических соединений и т.п. (Берлянд М.Е. и др., 1991).

5.1 Загрязнение Мирового океана

Активное использование  человеком Мирового океана в качестве транспортной магистрали, источника  пищевых и минеральных ресурсов, хранилища твердых и жидких (в  том числе химических и радиоактивных) отходов неизбежно порождает  экологические проблемы (Хефлинг Г., 2001).

Примыкающая к суше часть  океана в международной практике подразделяется на пространства различной  государственной юрисдикции. Выделяют зону территориальных вод протяженностью 12 миль, прилежащую зону (до 24 миль от внутренних вод) и экономическую зону общей  шириной 200 миль, или около 370 км. Экономическая  зона является зоной суверенного  права приморского государства  на разведку, разработку, сохранение и  воспроизводство живых и минеральных  ресурсов, а также управление этими  ресурсами. Общемировая площадь  экономической зоны, интенсивно осваиваемая  человеком, составляет 36 % площади акватории  Мирового океана. Естественно, что именно она испытывает максимальную антропогенную  нагрузку. Одним из основных источников загрязнения экономической зоны и открытого океана является экономическое  развитие приморских государств, рост населения и промышленно-технического потенциала городов и городских  агломераций (Выколван А. И. и др., 2005).

Средиземное море превратилось в огромный резервуар для промышленных и хозяйственно-бытовых сточных  вод. Каждый год в него поступает  около 0,5 млн. т нефти. Порция ежедневного  сброса фабрики по производству титана в Ливорно (Италия, берег Лигурийского моря) содержит 920 т медного купороса и 2400 т серной кислоты. По существу, в Средиземное море осуществляются выбросы всеми странами этого региона. Учитывая, что вода Средиземного моря обновляется каждые 80 лет, при современных темпах загрязнения Средиземное море рискует превратиться в мертвый водоем через 30-40 лет (Выколван А. И. и др., 2005).

Что касается отечественных  гидроресурсов, то сегодня особенно уязвимо Черное море: с глубины 100-150 м в его водах начинается бескислородная сероводородная зона, которая при современной структуре и балансе Н₂О пока находится в стабильном состоянии. Однако при увеличении водопотребления до размеров более 50-70 км³/год и нарушении баланса речного и морского притоков (в настоящее время 360 и 200 км³/год соответственно) в Черном море возможно наступление глубокой конвекции. Примером последствий возможной конвекции служит Мертвое море, в котором в 80-х гг. сероводородные соленые воды вышли на поверхность, и оно стало действительно мертвым. Произошло это очень быстро - за 80-90 мин (один оборот спутника «Landsat» вокруг Земли) (Романова Э. П., 2003).

Другим источником загрязнения  является речной сток, выносящий в  Мировой океан значительный объем  загрязняющих веществ. Река Рейн ежедневно  выносит в территориальные воды Нидерландов 35 тыс. м³ твердых отходов, 10 тыс. т химикатов (соли, фосфаты, ядовитые вещества). Английские исследователи Батерборт и др. (1972) обнаружили аномальные уровни содержания кадмия и цинка в моллюсках, обитающих в 140 км ниже по побережью от места впадения р. Авона (Эйвонс), в устье которой расположены плавильни (Проблемы совершенствования…, 2009).

Определенную роль в загрязнении  территориальных вод играют и  рекреационные зоны, к которым  относят природные или специально организованные территории, традиционно  используемые для отдыха и досуга. Максимальная антропогенная нагрузка в этих зонах приводит к резкому  изменению бальнеологической и  бактериальной ситуации прибрежных вод и способствует увеличению роста  и распространению различных  заболеваний.

Особую опасность для  Мирового океана представляют катастрофы на плавучих и стационарных буровых  установках, ведущих разработку морских  нефтегазовых месторождений, а также  аварии танкеров, перевозящих нефтепродукты. Нефть является одним из самых  опасных загрязнителей океана (Рис. 1., Прил. 2). Только 1 т нефти способна покрыть тонким слоем площадь  в 12 км². Нефтяная пленка не пропускает солнечные лучи, препятствует фотосинтезу кислорода в воде (Хефлинг Г., 2001).

Сбросы нефти в воду быстро покрывают большие площади  при этом толщина загрязнения  также бывает разной. Холодная погода и вода замедляют растекание нефти  по поверхности, поэтому данное количество нефти покрывает большие участки  летом, чем зимой. Толщина разлитой нефти больше в тех местах, где  она собирается вдоль береговой  линии. Движение нефтяного разлива  зависит от ветра, течения и приливов. Некоторые виды нефти опускаются (тонут) и движутся под толщей воды или вдоль поверхности в зависимости  от течения и приливов (Выколван А. И. и др., 2005).

В марте 1978 г. вблизи французского города Бреста потерпел аварию американский супертанкер «Амоко Кадис». В результате катастрофы в море вылилось 230 тыс. т нефти. Нефть образовала пленку на площади 2000 км². Было загрязнено до 400 км французского побережья. В январе 1997 г. у берегов Японии потерпел аварию российский танкер «Находка», перевозивший топливо на Камчатку. Нефтяная пленка достигла одного из островов Японского архипелага (Хефлинг Г., 2001).

Масштабы нефтяного загрязнения  Мирового океана показаны на рис. 2 (Прил. 3). Особенно загрязнению нефтью подвержены относительно мелководные окраинные  и внутренние моря, такие как Северное, Японское и др.

До 1984 г. в Мировом океане производилось также захоронение  радиоактивных отходов, наиболее активно  проводившееся в пределах Баренцева  и Карского морей. В настоящее  время международными соглашениями эта практика приостановлена, так  как употреблявшиеся для этого  контейнеры гарантировали надежность лишь в течение нескольких десятилетий. Тем не менее опасность радиационного  загрязнения океана не устранена  в связи с авариями, происходящими  на атомных подводных лодках, атомных  ледоколах и надводных судах, несущих ядерное вооружение, а  также ядерными взрывами, производимыми  Францией на атолле Моруруа (Хефлинг Г., 2001).