§ 44. Экологические проблемы человечества

Определения и обозначения

Экологическая проблема — нарушение состояния окружающей среды, которое угрожает природе и здоровью человека. Она возникает, когда загрязнение или изменение природных процессов превышает способность экосистем к восстановлению. Это понятие помогает связать химический источник вреда с его последствиями.

Парниковый эффект — задерживание атмосферой части теплового излучения Земли. В естественном виде он сохраняет подходящую для жизни температуру, но увеличение содержания углекислого газа и других парниковых газов усиливает нагрев. Поэтому термин нужен для объяснения связи между выбросами и изменением климата.

Кислотные осадки — дождь, снег или туман с повышенной кислотностью. Она появляется, когда оксиды серы и азота превращаются в атмосфере в кислоты. Такое определение показывает, почему загрязнение воздуха может повреждать почвы, воды, растения и сооружения далеко от места выброса.

Озоновая дыра — область значительного уменьшения содержания озона в стратосфере. Это не обычное загрязнение приземного воздуха: проблема возникает высоко в атмосфере и связана с усилением ультрафиолетового облучения поверхности. Различие помогает не смешивать защитный стратосферный озон с вредными примесями у земли.

Как это устроено

Промышленность, энергетика, транспорт и сельское хозяйство выбрасывают различные вещества. Трубы, выхлопные системы и сельскохозяйственные процессы становятся источниками примесей, которые попадают в воздух, воду и почву. Ветер и круговорот воды переносят их на большие расстояния, поэтому последствия могут проявиться далеко от места производства загрязнителя.

При сжигании угля, нефти и газа углерод топлива окисляется до углекислого газа, а примеси и продукты горения увеличивают содержание других парниковых газов. Эти газы поглощают часть инфракрасного излучения и возвращают энергию в атмосферу, поэтому тепло у поверхности удерживается сильнее. Усиление естественного эффекта меняет климатические условия и может влиять на ледники, водный режим и экосистемы.

Оксиды серы и азота не остаются неизменными в атмосфере. В присутствии кислорода и воды они окисляются и образуют серную, сернистую и азотную кислоты, а затем растворяются в каплях облаков. Когда такие капли выпадают на поверхность, кислотность осадков повышается, и они вымывают из почвы питательные вещества, повреждают растения, водоёмы и известняковые сооружения.

Хлорфторуглероды и некоторые другие устойчивые вещества достигают стратосферы, где под действием ультрафиолета распадаются с образованием частиц хлора. Эти частицы многократно участвуют в реакциях разрушения озона, поэтому небольшое количество исходного вещества может повлиять на большое число молекул O₃. При сокращении озонового слоя к поверхности проходит больше ультрафиолетового излучения, опасного для живых организмов.

Оксиды азота и летучие органические соединения в солнечный день вступают в цепь фотохимических реакций. Их продукты, включая озон в приземном слое и другие раздражающие вещества, накапливаются при слабом ветре и интенсивном движении транспорта. Сокращение выбросов, очистка дымовых газов, каталитические нейтрализаторы и переход к более чистым технологиям уменьшают образование смога и общий экологический ущерб.

Основные экологические проблемы: причины, последствия и меры уменьшения

Сначала определите источник загрязнения, затем проследите превращение вещества и его воздействие на природу. Последний столбец показывает, какие меры действуют на стадии предупреждения или очистки, а не только устраняют последствия.

Разбор задач

Источники оксидов серы и азота

Условие. Нужно назвать основные источники оксидов серы и азота и объяснить экологические последствия их выбросов.

1. Свяжем выбросы с процессами. Оксиды серы образуются прежде всего при сжигании топлива, содержащего серу, а оксиды азота — при высокотемпературном сжигании топлива и в некоторых промышленных процессах.
2. Определим дальнейшие превращения. В атмосфере оксиды реагируют с кислородом и водой, поэтому могут превращаться в кислоты и участвовать в образовании кислотных осадков.
3. Сформулируем последствия. Загрязнение воздуха вредит дыхательной системе, кислотные осадки подкисляют почвы и водоёмы, повреждают растения и ускоряют разрушение сооружений.

Ответ: главные источники — энергетика, транспорт, металлургия и другие процессы сжигания топлива. Выбросы вызывают загрязнение воздуха, кислотные осадки и связанные с ними повреждения экосистем.

Превращение диоксида серы в серную кислоту

Условие. Записать уравнения превращения SO₂ в H₂SO₄ при участии кислорода и воды и связать их с кислотными осадками.

1. Сначала окислим серу в диоксиде серы: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃.
2. Затем присоединим воду к оксиду серы(VI): SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
3. Сделаем вывод. Образовавшаяся серная кислота растворяется в атмосферной влаге, а капли дождя, снега или тумана переносят её на поверхность.

Ответ: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Эти реакции объясняют появление серной кислоты в атмосферных осадках и их повышенную кислотность.

Расчёт массы диоксида серы

Условие. Сжигают 1,0 т топлива, содержащего 2,0% серы. Вся сера превращается в SO₂. Найти массу SO₂ и предложить способ уменьшить выброс.

1. Найдём массу серы: m(S) = 1,0 т · 0,020 = 0,020 т = 20 кг.
2. Используем уравнение S + O₂ → SO₂. Из него видно, что 1 моль серы даёт 1 моль SO₂, поэтому массы связаны отношением M(SO₂) : M(S) = 64 : 32 = 2.
3. Рассчитаем продукт: m(SO₂) = 20 кг · 2 = 40 кг.
4. Выберем меру защиты. Можно использовать топливо с меньшим содержанием серы или очищать дымовые газы от SO₂.

Ответ: образуется 40 кг диоксида серы; выброс уменьшат очистка дымовых газов или применение малосернистого топлива.

Типичные ошибки

Считать парниковый эффект только вредным. Так происходит из-за смешения естественного эффекта с его усилением выбросами. Проверьте себя: естественный эффект поддерживает температуру, а проблемой является рост концентрации парниковых газов.

Путать озоновую дыру с глобальным потеплением. Оба явления связаны с атмосферой, но имеют разные вещества и последствия. Сверяйте механизм: озон защищает от ультрафиолета, а парниковые газы удерживают тепловое излучение.

Считать, что кислотные осадки образуются только из SO₂. В таком случае забывают о значительной роли оксидов азота. Проверьте полный ответ: должны быть названы и соединения серы, и соединения азота.

Сводить проблему к одной местности. Загрязнители переносятся ветром, а атмосферные реакции и выпадение осадков связывают удалённые регионы. Проверка проста: спросите, может ли вещество перемещаться с воздушными массами или водой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе атмосферы, свойствах оксидов серы и азота, реакциях оксидов с водой и основах окислительно-восстановительных процессов. Эти сведения помогают объяснять образование кислот и превращения загрязнителей. Тема связана с химией атмосферы, круговоротами веществ, рациональным природопользованием и способами очистки промышленных выбросов.

Что запомнить

• Экологические проблемы возникают, когда поступление веществ превышает способность среды к самоочищению.
• Углекислый газ и другие парниковые газы усиливают удержание тепла атмосферой.
• Оксиды серы и азота могут превращаться в кислоты и вызывать кислотные осадки.
• Разрушение стратосферного озонового слоя повышает поступление ультрафиолетового излучения.
• Фотохимический смог образуется при участии солнечного света и загрязнителей воздуха.
• Предупреждение загрязнения и сокращение выбросов эффективнее устранения уже возникших последствий.