Учебно-методический комплекс дисциплины «химия объектов окружающей среды и редкометального сырья» для студентов специальности 5В060600

«ХИМИЯ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

И РЕДКОМЕТАЛЬНОГО СЫРЬЯ»
для студентов специальности 5В060600 – «Химия»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Семей

2 Лекции

4 Самостоятельная работа студента

1. 
   Абиотические факторы – факторы неживой природы (солнечный свет, температура, влажность, кислотно-основные свойства)
   
2. 
   Антропогенные загрязнения – загрязнения окружающей среды в результате хозяйственной деятельности человека
   
3. 
   Аэрозоли – это дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой
   
4. 
   Биосфера – часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами
   
5. 
   Биоциды – вещества, действие которых направлено против живых существ
   
6. 
   Вещества-загрязнители – вещества, которые попадают в биосферу в процессе деятельности человека, нарушают баланс веществ экосистемы, делают среду обитания менее благоприятной
   
7. 
   Глобальное загрязнение – загрязнение, которое нарушает естественные физико-химические, биологические показатели биосферы в целом и обнаруживается практически в любой точке планеты
   
8. 
   Детоксикация – биотические превращения химического вещества в соединения с меньшей токсичностью
   
9. 
   Загрязнение окружающей среды – поступление в природную среду любых твердых, газообразных или жидких веществ, микроорганизмов или энергии в количествах, вызывающих изменение состава и свойств компонентов природы, оказывающих вредное воздействие на человека, флору и фауну
   
10. 
    Ксенобиотики – вещества, не свойственные окружающей среде
    
11. 
    Локальное загрязнение – загрязнение окружающей среды в конкретной местности в ограниченных пространственно-временных масштабах
    
12. 
    Метаболизм – совокупность процессов биохимических превращений и энергии в живых организмах
    
13. 
    Поллютанты – химические вещества, загрязняющие среду обитания
    
14. 
    Суперэкотоксиканты – вещества, обладающие в малых дозах мощным токсическим действием полифункционального характера
    
15. 
    Экзогенные вещества – вещества, появление которых связано с деятельностью человека
    
16. 
    Экологическая предельно допустимая концентрация вещества – пороговая концентрация, превышение которой приводит к отрицательным последствиям для экосистемы
    
17. 
    Экотоксиканты – ядовитые вещества антропогенного происхождения
    
18. 
    Экосфера – совокупность свойств планеты Земля, которые создают условия для развития жизни на Земле
    
19. 
    Хемосфера – все присутствующие в биосфере химические вещества природного и антропогенного происхождения
    

План лекции:

1.Общие представления о химическом загрязнении окружающей среды. Промышленные источники химического загрязнения биосферы

2. Транспортное загрязнение. Сельскохозяйственное загрязнение. Коммунальное хозяйство

3. Анализ минералов и концентратов. Анализ пород содержащих редкоземельные элементы

1. Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем. Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные. Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех или иных полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов. Региональные загрязнения охватываютзначительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов. Глобальные загрязнения вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстояния от места возникновения и оказывают неблагоприятное воздействие на крупные регионы. К промышленным источникам загрязнения относятся: горнодобывающая промышленность, теполоэнергетика, химическая промышленность, добыча транспортировка и переработка нефти, атомная промышленность, металлургическая и металлообрабатывающая промышленность.

2. Доля автотранспорта в загрязнении атмосферы продуктами сгорания представлены в таблице

Продукты сгорания	Источники продуктов сгорания
	автомобили	Электростанции, промышленность
Оксид углерода	59,7	5,2
Углеводороды	10,9	6,4
Оксиды азота	5,5	6,5
Серосодержащие соединения	1,0	22,4

Выбросы автомобильного тарнспорта зависят от режима работы двигателя и качества используемого топлива.

К сельскохозяйственным источникам загрязнения биосферы относятся: минеральные удобрения, органиеские удобрения, пестициды. Основной причиной загрязнения биосферы являются нарушения научно-обоснованной технологии транспортировки минеральных и органических удобрений, их хранения и внесения в почву. Пестициды – вещества, используемые при возделывании, уборке и хранении продукции растениеводства для борьбы с вредителями, сорняками, фитопатогенами.

Значительное количество загрязнений сбрасывается в поверхностные и подземные воды с коммунально-бытовыми стоками городов. Другими источниками загрязнения являются детергенты, которые являются сильными токсикантами, устойчивыми к биологическому разложению. Кроме коммунально-бытовых стоков в городскую канализацию поступают сточные воды промышленных предприятий, энергетики, транспорта, а также поверхностный сток – дождевые или снеговые воды.

3. Методы определения общего содержания редкоземельных элементов в минералах и концентратах зависят от природы их и относительного содержания титана, ниобия, тантала и циркония.

Анализ силикатов и фторкарбонатов. Силикаты и фторкарбонаты редких земель могут быть разложены серной, соляной и азотной кислотами.

Для проб с содержанием железа и алюминия, превышающим содержание редкоземельных элементов, удобнее сначала выделить щавелевой кислотой редкоземельные элементы вместе с кальцием, обеспечивающим в данном случае большую полноту выделения. В этом случае фильтрат от нерастворимого остатка после разложения навески выпаривают до 50—100 мл, нейтрализуют аммиаком до появления небольшой мути, нагревают до 70—80° и обрабатывают равным объемом щавелевой кислоты. Осадок оксалатов редких земель и кальция отфильтровывают, промывают и озоляют. Окислы переносят в стакан, растворяют в соляной или азотной кислоте и отделяют от кальция осаждением аммиаком. Для окончательной очистки осадок гидроокисей растворяют в кислоте и осаждают щавелевой кислотой.

Наиболее универсальным методом анализа является разложение плавиковой кислотой с выделением редкоземельных элементов в виде фторидов. По удалении фтор-иона осаждают редкоземельные элементы щавелевой кислотой. В обычном ходе анализа горных пород редкоземельные элементы количественно выделяются аммиаком с остальными гидроокисями; если их присутствие не учитывается, они могут быть приняты за алюминий.

При малом содержании редкоземельных элементов (ниже 1%) определение лучше производить из отдельной навески оксалатным методом в присутствии коллектора и полученное содержание вычитать из веса осадка полуторных окислов.

В породах, содержащих редкоземельные элементы, нередко присутствует фтор. Фтор необходимо удалять, так как он вносит осложнения в процесс анализа.

Остальные определения выполняются обычными методами. Если редкоземельные элементы связаны с минералами титана, циркония, ниобия и тантала, это осложняет ход анализа.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: химические загрязняющие вещества, их источники, распространение в биосфере, промышленные источники загрязнения биосферы, транспортное загрязнение, методы анализа минерального сырья.

Вопросы для самоконтроля:

1. Укажите источники, виды и масштабы выбросов загрязняющих веществ.

2. Чем отличаются друг от друга локальное, региональное и глобальное загрязнения биосферы?

3. Каковы особенности отходов коммунального хозяйства?

Рекомендуемая литература

1. В.Я. Хентов. Химия окружающей среды. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. -144с. С. 4-10

2. Л.Ф. Голдовская. Химия окружающей среды. – М.:БИНОМ. 2008. -295с. С.9-67

3. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М. Бокриса, М., Химия, 1982. С. 13-22

4. Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. – М.: Мир, 1997. 232с. С. 13-18
Лекция 2 - Химия загрязнения воды

План лекции:

1. Химический состав природных вод

2. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в природных водах

3. Биохимическое потребление кислорода

1. По химическому составу природные воды разнообразны. Принято совокупность компонентов, входящих в состав природных вод условно делить на 5 групп:

1) макрокомпоненты и оны Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺

2) растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и т.д)

3) биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния)

4) микроэлементы

5) органические вещества

Таблица – 2 ПДК вредных веществ в водных объектах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, мг/л

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: химические компоненты природных вод, оценки загрязненности, биохимическое потребление кислорода

Вопросы для самоконтроля:

1. Биохимическое потребление кислорода.

2. Органолептические свойства воды

3. Показатели вредности химических соединений

4. Органические соединения, загрязняющие водную среду

Рекомендуемая литература

1. В.Я. Хентов. Химия окружающей среды. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. -144с. С. 41-95

3. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М. Бокриса, М., Химия, 1982. С. 276-346

4. Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. – М.: Мир, 1997. 232с. С. 98-123
Лекция 3 - Химия очистки сточных вод

План лекции:

1. Классификация сточных вод

2. Загрязнение воды нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными веществами.

3. Методы очистки сточных вод

1. Сточные воды по своему составу делятся на: промышленные, хозяйственные, атмосферные. По содержанию примесей промышленные сточные воды подразделяются на 3 группы: загрязненные минеральными примесями, загрязненные органическими примесями и загрязненные минеральными и органическими примесями. По концентрации загрязняющих веществ сточные воды разделяются на 4 группы: 1-500, 500-5000, 5000-30 000, более 30 000 мг/л. По степени агрессивности эти воды разделяют на слабоагрессивные, сильно агрессивные и неагрессивные.

2. Известно множество факторов, приводящих к загрязнению воды: органические остатки, ПАВ, неорганические остатки, Т.М., радионуклиды, кислотные выбросы. Нефть, попавшая в природную среду, подвергается микробиологическому распаду, в котором участвуют различные виды бактерий, но этот распад протекает так медленно, что нефть в течение недель или даже месяцев находится на поверхности воды. За это время ее легколетучие компоненты испаряются, а оставшиеся подвергаются медленному окислению. В результате обоих процессов малолетучие компоненты объединяются в сгустки, которые с течением времени опускаются на дно. ПАВ – их называют детергенты (тензиды). ПАВ представляют собой органические вещества с гидрофильными и гидрофобными участками совершенно различного химического строения. К наиболее распространенным ПАВ относятся алкилсульфоновые кислоты, у как которых остаток серной кислоты образует гидрофильный участок: .

Алкиламмониевые соединения содержат в качестве полярного компонента положительно заряженную третичную аммониевую группу. Поэтому они носят название инверсионных мыл и проявляют бактерицидное действие . Незначительная концентрация ПАВ 0,05-0,1 мг/л в воде достаточна, чтобы активизировать токсичные вещества, адсорбированные на донных осадках.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: классификация сточных вод, загрязнение воды нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными веществами, методы очистки воды: биологические, специальные методы

Вопросы для самоконтроля:

1. Чем опасны ароматические соединения, нефтепродукты и детергенты для биосферы?

2. Охарактеризуйте действие детергентов

3. охарактеризуйте методы очистки сточных вод

Рекомендуемая литература

1. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М. Бокриса, М., Химия, 1982. С. 330-334, 71-90

2. Лурье Ю.Б. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М. Химия, 1984.

3. Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. – М.: Мир, 1997. 232с. С. -123-135

План лекции:

1.Химический состав атмосферы. Источники загрязнения атмосферы.

2. Смог

Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). К основным источникам антропогенного загрязнения от­носятся: промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергети­ка, сельское хозяйство и др. Токсичными газами являются оксиды азота, диоксид серы, монооксид углерода, метан, диоксид углерода.

4FeS₂ + 11O₂-+ 8S0₂ + 2Fe₂0₃.

S0₂ + Н₂0 - >Н⁺ + HS0₃^-.

2HS0₃^- + 0₂ <->2H+ + 2SO₄^2-.

Особенно опасен третий тип - фотохими­ческий, или «лос-анджелесский» смог - это ре­зультат химических реакций между оксидами азота и углеводородами, поступающими из выхлопов автомобилей и идущих под действием солнечного света фото­химических реакций. В составе смога определяется около 600 химических соединений.

3. Отходящие и выхлопные газы должны проходить очистку. По методу Вальтера к топочному газу прибавляют аммиак.

2NH₃ + SO₂ + Н₂О + (1/2) О₂ ->' 2NH⁺₄ + SO₄^2-

Выпавший в осадок сульфат аммония, если в нем нет тяжелых металлов или галогенов, можно использовать в качестве удобрения. По методу Клауса к газам в стехиометрическом отношении к SO₂ добавляется сероводород, при этом SО₂ восстанавливается с образованием элементной серы:

2Н₂S + SO₂ -* 3S.+ 2Н₂О

По методу скрубберной (мокрой) очистки газ предварительно тщательно очищается от пыли с помощью электрофильтра. Образующийся вначале в скруббере сульфит кальция в дальнейшем под влиянием SO₂, Са(OH)₂ и кислорода воздуха переходит в гипс.

SO₂+CaSO₃+ H₂O → Ca(HSO₃)₂

Ca(HSO₃)₂ +O₂→ 2CaSO₄ + 2H₂O

Для очистки газа, образующегося при сжигании бурого угля, специально разработан метод сухой очистки, по этом методу измель­ченный уголь перемешивается с известняковой пылью, и эта смесь подается в камеру сгорания.

CaCO₃+SO₂+(1/2)O₂→ CaSO₄ +CO₂

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: химический состав атмосферы, источники загрязнения атмосферы, воздействие загрязнителей воздуха на организм, виды смога, методы очистки атмосферы

Вопросы для самоконтроля:

1. Охарактеризуйте химический состав атмосферы

2. Какие соединения загрязняют атмосферу?

3. Объясните, почему такое инертное вещество как СО опасно для здоровья?

4. Что такое смог?

5. Виды смога. Какой из видов смога наиболее опасен? Почему?

6. Какие существуют методы очистки атмосферы? Какой из методов наиболее эффективен?

Рекомендуемая литература

1. В.Я. Хентов. Химия окружающей среды. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. -144с. С. 11-41

2. Л.Ф. Голдовская. Химия окружающей среды. – М.:БИНОМ. 2008. -295с. С.69-273

3. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М. Бокриса, М., Химия, 1982.С. 276-330

4. Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. – М.: Мир, 1997. 232с. С. 18-98

Содержание:

1. Методы анализа природных вод

1. Общие основы анализа сточных вод

2. Электрохимические методы в контроле окружающей среды

1. Многие природные вещества содержат малые количества растворимого органического вещества, поэтому перед определением их необходимо концентрировать. Для концентрирования природных вод используют следующие методы:

1) вымораживание водных растворов с выделением льда, не содержащего органических веществ;

2) вакуумное выпаривание при температурах, исключающих денатурацию РОВ;

3) лиофильная сушка растворов;

4) адсорбционные методы.

Для дальнейшего исследования РОВ в составе природных вод используют методы фракционирования на ионитах и сефадексах. При рН, характерном для природных вод, катионит сорбирует большинство аминокислот (глицин, аланин, аргинин, гистидин и др.), а анионит поглощает избирательно только кислые аминокислоты, такие, как глутамин и аспарагин. Чисто ионообменный процесс в этих условиях не реализуется, и взаимодействие с ионитами протекает по функциональным группам сорбента за счет образования водородных связей. Сходная картина наблюдается и при сорбции органических веществ других классов, например, гу­миновых кислот и фульвокислот, полифенолов, карбоновых кислот, белков и др. Дальнейшее разделение веществ каждой из этих групп на фракции с различной молекулярной массой проводят, используя хроматографические методы.

2. В ходе хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения нормируются цвет, запах, прозрачность, кислотность, щелочность, сухой остаток, рН, содержание азота, окисляемость, биохимическая потребность в кислороде (БПК), содержание растворенного кислорода, хлоридов, свободного хлора, фосфатов, фторидов и жесткость. Все эти параметры контролируются и в технологических, и в сточных водах. Для анализа вод применяют химические, физико-химические и бактериологические методы, а определение их органолептических свойств основывается на использовании органов чувств исследователя. Наряду с перечисленными выше показателями в сточных водах определяют содержание сульфатов, хлоридов, фосфатов, кислорода и свободного хлора, используя стандартные химические методики.

3. Для успешного конт­роля их содержания в сточных водах все чаще находят применение современные физико-химические методы анализа, в том числе хрома­тография, полярография, электрохимические методы анализа, ионометрия и др. Методом газожидкостной хроматографии в сточных водах опреде­ляют органические кислоты с длиной углеродной цепи С₂ — С₅, спир­ты, альдегиды, сложные эфиры, фенолы и другие органические соединения. Метод тонкослойной хроматографии позволяет определять в сточ­ных водах нефтепродукты, побочные продукты синтеза изопрена, фенолы. Полярография позволяет сделать вывод о том, какие ионы из числа определяемых и в каких концентрациях присутствуют в растворе. Метод полярографии используется для определения содержания в сточных водах тяжелых металлов, в том числе свинца, кадмия, ртути, меди, цинка, кобальта, никеля, титана, хрома, марганца. Кроме металлов полярографическим методом в сточных водах определяют поверхностно-активные вещест­ва, ароматические углеводороды, нитраты. Метод ионометрии основан на использовании ион-селективных электродов, представляющих собой электрохимические полуэлементы, для которых разность потенциалов на границе раздела фаз электродный материал – электролит зависит от активности определяемого иона в исследуемой среде. Он используется в анализе сточных вод для определения фтора, нитратов.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: методы анализа природных вод, общие основы анализа сточных вод, электрохимические методы в контроле окружающей среды

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем преимущества полярографического метода при анализе объектов окружающей среды?

2. Дайте определение биохимическому потреблению кислорода. Как определяется БПК?

3. Виды жесткости? Способы умягчения воды.

Рекомендуемая литература

1. Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М. Бокриса, М., Химия, 1982.С. 580-650