Урок химии в 11 классе на тему 'Экологические проблемы глазами химика'

Об охране окружающей среды, экологических проблемах современности говорится немало, но чаще информация носит общий характер. В курсе химии не отводится специальной темы для изучения этих проблем, поэтому при обобщении изученного материала решила провести урок, на котором можно рассмотреть экологические проблемы более детально, с точки зрения химика. Урок позволяет заинтересовать учащихся, дать им пищу для размышлений, применить имеющиеся знания при решении конкретных практических задач.

Урок химии

«Экологические проблемы глазами химика»

Цели урока:

• Раскрыть причины и механизм образования кислотных дождей; показать их влияние на все компоненты биосферы, обсудить основные методы снижения кислотообразующих выбросов в атмосферу.

• Развивать логическое мышление, умение работать с дополнительной литературой, составлять диаграммы, схемы;

• Способствовать формированию у учащихся экологического мышления, чувства ответственности за нашу планету.

Оборудование: компьютер, медиапроектор, экран, слайды со схемами, задачами, цифровыми данными; раздаточный материал с дополнительной информацией.

1. Вступительное слово учителя.

Человечество живёт в мире химических веществ. Вредные и полезные, жизненно необходимые и смертельно ядовитые - они окружают нас повсюду. Как с ними обращаться, каковы последствия применения новых технологий, в какой окружающей среде будут жить следующие за нами поколения людей? Многое здесь зависит от нас…

В новое тысячелетие человечество вступило в условиях экологического кризиса. До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В последней четверти ХХ в. три глобальные экологические проблемы - разрушение озонового слоя Земли, прогрессирующее потепление ее климата и кислотные дожди - сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества.

Рассмотрим проблему «кислотных дождей» более подробно.

2. Основная часть урока

1. Справка. Выступление ученика.

Термин «кислотные дожди» впервые ввёл английский химик А. Смит более 100 лет назад. Ещё 200 лет назад дождевая и снеговая вода была практически нейтральной с рН=7. Причиной возникновения кислотных дождей являются массовые, промышленные выбросы оксида серы (IV) и оксидов азота (II) и (IV) в атмосферу. Взаимодействуя с атмосферной влагой SO₂ создаёт кислую среду. Растворимость его в воде велика - 40 объёмов на один объём воды. В районах промышленных производств 60% кислотности дождевой воды даёт серная кислота, 30% - азотная, 5% - соляная кислота и только 2% - углекислый газ. Мировой рекорд по выпадению кислотного дождя принадлежит шотландскому городу Питлохри, где 10 апреля 1974 года выпал дождь с рН=2,4! (Это что-то вроде столового уксуса). Кислотные дожди вызывают заболевания людей, негативно влияют на растения, животных, способствуют разрушению металлических конструкций и зданий.

2. Постановка проблемы.

Беседа с учащимися, определение основных вопросов для обсуждения: причины «кислотных дождей»; химические реакции, лежащие в основе этого процесса; пути уменьшения вредных выбросов в атмосферу.

3. Задания для групп учащихся.

1 группа - указать причины появления вредных оксидов в атмосфере, предложить способы предотвращения «кислотных дождей»; составить необходимые диаграммы, схемы; (Работа с дополнительной литературой)

2 группа - составить уравнения реакций, приводящих к образованию кислот в атмосфере, реакции, ведущие к разрушению конструкций, зданий; (Работа с дополнительной литературой)

3 группа - провести эксперимент, показывающий влияние кислоты и контакта между металлами на скорость коррозии металлов, учесть все требования техники безопасности при проведении эксперимента. (Даны 4 пробирки, 4 железных гвоздя, медная проволока, кусок цинка, раствор соляной кислоты, вода).

4 группа - решить задачи:

1. Такие виды рыб, как форель и хариус, очень чувствительны к чистоте воды. Если в 1л природной воды содержится всего 3*10^-6 моль серной кислоты (которая может попасть в реки с промышленными стоками или за счёт «кислотных дождей»), то мальки этих рыб погибают. Вычислите ту массу серной кислоты в 1 л воды, которая представляет собой смертельную дозу для мальков форели и хариуса. (0, 294 мг)

2. Хорош известно, что легковой автомобиль загрязняет воздух вредными выбросами: на каждые 10 км пути с его выхлопными газами в атмосферу попадает 7 моль оксида углерода (II) и 1 моль оксида азота (II). Какая масса этих вредных веществ попадёт в атмосферу при автомобильной поездке на дачу, которая расположена в 80 км от дома? (1568 г СО и 240 г NО).

4. Выступления участников групп, вывод на экран уравнений реакций, схем, диаграмм, решения задач; обсуждение результатов эксперимента.

3. Вывод: вредные газы, ведущие к появлению «кислотных дождей», поступают в атмосферу за счёт сгорания топлива, выбросов химических заводов. 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.

4. Итог урока. Домашнее задание: подготовить сообщение об экологических проблемах нашего города, республики.

Дополнительная информация для работы по группам.

1 группа

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО₂ в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м³ (Арктика) - 1,28 мкг/м³ (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО₂, равного 15 мкг/м³. Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн т (для сравнения: природные выбросы SO₂ в год равны примерно 20 млн т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России - менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5-6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы); в 4-5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута. Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследcтвии - NО₂. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м³ (Арктика) - 1,23 мкг/м³ (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м³.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO₂ и тетраоксид диазота N₂O₄. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид - гораздо более опасное соединение.

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов - на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами.

В России около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же - на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере - автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%).

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км² в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км²) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км²) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.

Превышение уровня критических нагрузок по выпадению окисленной серы отмечается в ряде областей (Ленинградская, Московская, Рязанская), на европейской территории России и по выпадениям оксидов азота - на половине этой территории.

За последние годы наблюдается неизменное повышение кислотности дождей (минимальные значения рН = 3,1-3,4) на Урале и в Предуралье, на северо-западе и юге европейской территории России.

Специфическая особенность кислотных дождей - их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния - сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха. Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией - 7:1. Экспортируется «мокрая» часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него.

Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной серы к соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70% кислотных дождей в этих странах - результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков - одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам.

Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам.

Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное - снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания).

«Мертвая вода» усиливает дефицит пресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытового использования и ее загрязнением.

Что касается состояния рек и озер России, то качество воды большинства водных объектов в течение всех последних лет наблюдений и контроля не отвечает нормативным требованиям из-за сильного загрязнения промышленными сточными водами. Все основные реки России и их крупные притоки оцениваются как «загрязненные» или «сильно загрязненные». При таком положении кислотные осадки мало изменяют качественные характеристики воды.

Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они «нейтрализуют» почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питания растений, разрушение их корневой системы.

Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария, причем этот фактор долгодействующий, который может проявиться через много лет после прекращения вредных кислотообразующих выбросов в атмосферу. Больше всего страдают елово-пихтовые и дубовые леса. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение с поверхности листа) и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла (это воздействие можно определить зрительно по побурению листьев и игл).

Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям - грибам, бактериям, жукам и др.

В то же время подкисление почвы азотокислыми дождями стимулирует развитие лесных вредителей.

Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м³ древесины в год (из них около 35 млн м³ на европейской территории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдают сельскохозяйственные растения, поскольку подкисление почв здесь можно контролировать агрохимикатами.

Воздействию кислотообразующих газов и кислотных осадков подвергаются органические материалы - кожа, бумага, ткани, резина, красители. Бумага, большинство тканей, кожа образованы гидрофильными веществами, которые накапливают воду между волокнами. Кислоты постепенно гидролизуют макромолекулы (главным образом целлюлозы и белков), в результате чего эти материалы становятся хрупкими и разрушаются. Как восстановитель диоксид серы в ызывает обесцвечивание красителей, что приводит к выцветанию тканей.

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).

2 группа

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО₃:

2SO₂ + O₂ → 2SO₃,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO₃ + Н₂O → Н₂SO₄.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО₂•nH₂O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н₂SО₃:

SO₂ + H₂O ↔ H₂SO₃.

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

2Н₂SО₃ + О₂ → 2Н₂SO₄.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег).

При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

2NО₂ + Н₂О → НNО₃ + НNО₂.

Существуют еще два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы. Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный - рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлороводород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Сl^• + СН₄ → CН^•₃ + НСl,

СН^•₃ + Сl₂ → CН₃Cl + Сl^•.

Очень опасны выбросы фтороводорода (производство алюминия, стекольное), который хорошо растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.

Известняк, мел, мрамор, туф, содержащие карбонат кальция, разрушаются под действием кислотных дождей:

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 щелочноземельных 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.

Список использованной литературы:

1. Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера». - М.: Знание, 1996г.

2. Аликберова Л.Ю., Рукк Н.С. Полезная химия: задачи и истории. - М.: Дрофа, 2006.

3. Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. - М.: Знание, 1991.

4. Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.А., Кумачёв А.И. Экология на уроках химии. - Мн.: «Красико-принт», 1996.

5. Сомин Л.Е. Увлекательная химия. - М.: Просвещение, 1978.

Учитель химии МБОУ СОШ № 22 Кировского района городского округа город Уфа Республики Башкортостан Яковлева Елена Геннадьевна