Химия

Как разрушали Акрополь

“Природные источники углеводородов”. Скучная тема?

Как-то раз я провела такой эксперимент. Задавала тем своим знакомым, которые не выбрали химию своей профессией и, следовательно, знакомство с этой наукой закончилось у них на уровне школы, вопрос: “Какие знания, полученные на уроках химии, пригодились (или, на ваш взгляд, еще пригодятся) вам в жизни?” У подавляющего большинства воспоминания о школьной химии остались смутные и более чем неприятные, а обучение сводилось к заучиванию формул и уравнений. Кому-то повезло больше, и уроки запомнились по “химическим фокусам”, взрывам, выползающим из стаканов черным змеям, цветным вулканам. Те же, кто окончил школу совсем недавно и хорошо учился, умеют уравнивать окислительно-восстановительные реакции и лучше специалистов-химиков знают, что такое валентность. Но ни один из моих собеседников ни разу не использовал эти знания в повседневной жизни.

Так нужно ли четыре года “проходить” химию? Может, лучше изучать ее факультативно?

Конечно, ломать не строить, но химическая грамотность современному человеку просто необходима. Нам приходится иметь дело с огромным количеством веществ, причем многие из них вошли в обиход буквально на протяжении жизни одного поколения. В среду обитания человека введено около 8 млн. различных химических соединений. Из них по меньшей мере 63000 постоянно применяются в самых различных сферах. Это синтетические полимеры, косметические препараты, клеи, лекарства, моющие средства, пестициды, красители и многое другое.

Люди привыкли пользоваться благами цивилизации и не хотят отказываться даже от малой их части. Но за комфорт приходится расплачиваться. В окружающую среду в результате деятельности человека попадают различные вещества, загрязняющие воздух, воду и пищу. К сожалению, далеко не все понимают серьезность проблемы загрязнений, а ведь речь идет о существовании человечества!

Поэтому крайне важно на протяжении всего курса химии учить школьников ориентироваться в мире веществ, окружающих нас в повседневной жизни, и большое внимание уделять обсуждению экологических проблем. Вот какие экологические вопросы можно рассмотреть при изучении обычно “скучной” темы

“Природные источники углеводородов” (10-й класс).

еакция горения органических веществ издавна давала людям свет и тепло. Люди сжигали древесину, чтобы согреться и приготовить пищу на костре или в печке, а для освещения пользовались деревянными лучинками или масляными светильниками. Позднее для этих целей стали употреблять смеси углеводородов. Сначала это были керосиновые лампы и парафиновые свечи, а в ХХ веке основными энергетическими источниками человечества стали углеводороды нефти и природного газа. В начале 90-х годов 87% энергии, потребляемой человечеством, выделялось при горении, причем доля нефтепродуктов и природного газа составляла 65%, а угля – 22.

Углекислый газ, попадающий в атмосферу при окислении органических веществ, в процессе фотосинтеза перерабатывается зелеными растениями. На протяжении тысячелетий сохранялся баланс между поступающим в атмосферу и перерабатываемым углеродом – концентрация углекислого газа в воздухе была постоянной. Однако в наше время человечество использует так много углеродсодержащего топлива и в то же время так интенсивно вырубает леса, что растения не успевают переработать весь выделяющийся в атмосферу углекислый газ. Таким образом, концентрация углекислоты в атмосфере Земли быстро увеличивается и за последние сто лет выросла с 258 мг/кг (1890 г.) до 340 мг/кг. Это может привести к резкому потеплению на планете – парниковому эффекту.

Углекислый и некоторые другие газы (метан, фреоны, оксиды азота) играют в атмосфере такую же роль, как и стекло в парнике. Световая энергия солнечных лучей поглощается поверхностью Земли, при этом она нагревается. Тепловое (инфракрасное) излучение Земли, если атмосфера чистая, выделяется в космос. Углекислый газ способен поглощать инфракрасное излучение, то есть задерживать тепло в атмосфере и нагревать ее. Доля задержанного тепла с увеличением концентрации углекислого газа растет. По прогнозам, к середине ХХI века среднегодовая температура Земли увеличится на 3-90. Казалось бы, немного, однако понижение среднегодовой температуры всего на 50 привело когда-то к ледниковому периоду. К тому же потепление будет проявляться неравномерно – больше в полярных (100), а менее – в экваториальных (1-20) широтах. Полярные ледники будут интенсивно таять, уровень моря поднимется, и многие прибрежные густонаселенные районы окажутся затопленными. Климатические зоны сместятся (с потеплением на каждый градус произойдет сдвиг на 100-150 км к северу), тропики станут еще более влажными, а в умеренных районах дождей станет меньше. Многие животные и растения не смогут приспособиться к такому резкому изменению погодных условий и вымрут.

Однако, если бы при горении топлива выделялся только углекислый газ, было бы еще полбеды. Но дело в том, что обеспечить полное сгорание органического вещества (то есть такое горение, при котором образуются только углекислый газ и вода), довольно сложно. Реакцию необходимо проводить при большом избытке воздуха, а лучше – чистого кислорода. При сжигании топлива это практически никогда не достигается. Поэтому при горении выделяется множество веществ, загрязняющих атмосферу. Это СО, SО2, оксиды азота, твердые частицы, углеводороды, в том числе очень канцерогенные бензпирены. В городах источниками загрязнений в первую очередь являются двигатели внутреннего сгорания автомобилей. Другие распространенные источники загрязнения – это тепло- и электростанции, работающие на каменном угле и мазуте. При сжигании 1000 л топлива автотранспортные средства выделяют в атмосферу 25-200 кг угарного газа, 8-25 кг углеводородов, 20-36 кг оксидов азота, до 30 кг соединений серы. Сжигание 1т угля при работе теплоэлектростанции создает около 800 летальных доз ядовитых веществ (СО, SО2, оксиды азота, бензпирены). Продукты сгорания образуют над большими городами коричневатую дымку – так называемый смог.

Оксид углерода (II) часто называют угарным газом. Это вещество чрезвычайно ядовито, помрачение сознания и смерть могут наступить, когда концентрация этого вещества в воздухе равна всего лишь 0,1%. Наибольшее количество отравлений оксидом углерода (II) происходит в гаражах, когда при закрытых дверях люди включают двигатель машины. Угарный газ выделяется во всех процессах горения, это вещество выбрасывают предприятия металлургической и химической промышленности при производстве удобрений (карбамид, аммиачная селитра), водорода, метанола, ацетона, капролактама.

Попадая в организм, угарный газ реагирует с гемоглобином крови, лишая ее способности переносить кислород от легких к тканям. Больше всего от кислородного голодания страдают клетки головного мозга. Постоянное вдыхание угарного газа даже в концентрациях, много раз меньших, чем смертельная, может привести к последствиям, связанным с нехваткой кислорода клеткам головного мозга: повышенной утомляемости, плохому усвоению учебного материала и даже к психическим расстройствам.

При горении табака выделяется около 4000 продуктов горения, многие из которых очень ядовиты. Концентрация оксида углерода (II) в крови курильщика-горожанина примерно в 2 раза выше, чем в крови некурящего человека, живущего в большом городе. Многие соединения, присутствующие в продуктах горения табака, канцерогенны, и риск заболеть раком у курильщика в несколько раз выше, чем у некурящего человека. Пассивное курение, то есть вдыхание сигаретного дыма в течение часа, по количеству вдыхаемых вредных веществ равно выкуриванию половины сигареты.

Оксиды серы и азота, присутствующие в атмосфере больших городов, опасны для человека. В легких они превращаются в соответствующие кислоты, раздражающие дыхательные пути. Кроме того, оксиды азота под действием солнечного света реагируют в атмосфере с другими загрязнителями, образуя еще более вредные вещества. Не секрет, что люди болеют респираторными заболеваниями, коньюнктивитами, страдают головными болями в больших городах намного чаще, чем в сельской местности. А виновники этих недомоганий – вещества, составляющие смог, в том числе кислотные оксиды.

Оксиды серы и азота, реагируя с атмосферной влагой, образуют кислоты. Поэтому часто дожди в больших городах, и особенно в местностях с развитой металлургической и химической промышленностью, представляют собой растворы кислот. Чистая атмосферная вода всегда немного кислая (рН 5,6) из-за того, что в воздухе есть углекислый газ. В то же время во многих районах Европы кислотность осадков увеличена в 10, а иногда и в 1000 раз по сравнению с нормой (рН 4,5-2,5). Рекордное значение кислотности дождя зарегистрировано в Китае в 1981 г. Водородный показатель (рН) этого дождя равнялся 2,25. Для сравнения: рН столового уксуса – 2,8.

Кислотные осадки губительны для экосистем. Особенно чувствительна к изменениям кислотности икра, это приводит к массовому вымиранию рыбы в реках и озерах. Так, в Норвегии рыба исчезла в тысячах озер. От закисления почвы страдают и даже гибнут деревья, прежде всего хвойные. Мертвые еловые леса – не редкость в промышленных районах Европы и Северной Америки.

Кислотные осадки разрушают и сооружения, построенные из мрамора и известняка. Так, античные сооружения Акрополя за 20 лет с 1960-го по 1980 год пострадали от загрязнения воздуха больше, чем за предыдущие два с половиной тысячелетия.

Как же бороться с загрязнением атмосферы? Это прежде всего улучшение качества переработки топлива. Так, в результате строгого контроля за содержанием соединений серы в топливе знаменитый лондонский смог стал очень редким явлением. Во-вторых, необходимо следить за качеством двигателя автомобиля. Во многих крупных городах, в том числе и в Москве, выхлопные газы проверяют на содержание вредных веществ, прежде всего угарного газа. Кроме того, разработаны специальные устройства для каталитического дожигания продуктов неполного сгорания бензина. Углеводороды и оксид углерода (II) в таких устройствах окисляются до углекислого газа (СО2). Природный газ, используемый в качестве топлива для автомобилей, является намного более экологически чистым топливом, чем бензин, и многие машины уже ездят на природном газе.

Еще одна серьезная экологическая проблема – загрязнение нефтепродуктами вод Мирового океана. Нефтепродукты попадают в воду прежде всего при морских перевозках. При погрузке, разгрузке, чистке танкеров часть нефти теряется. Кроме того, случаются и аварии танкеров, при которых в море могут попасть десятки тысяч тонн нефти. По оценкам экологов, в Мировой океан попадает ежегодно около 10 млн. тонн нефти, которая растекается по поверхности воды, образуя тонкую радужную пленку. По данным спутниковой фотосьемки, такой пленкой покрыта уже треть поверхности Мирового океана. Из-за этой пленки нарушается контакт поверхности воды с воздухом, уменьшается содержание растворенного в воде кислорода и гибнут обитатели морей и озер. Кроме того, пленка на поверхности воды замедляет испарение воды, и воздушные массы, проходя над водой, мало насыщаются водяными парами – нефтяная пленка мешает. То есть эти воздушные массы несут на континент меньше осадков, и тоненькая пленка на поверхности воды может изменить климат целых материков.

Екатерина МЕНДЕЛЕЕВА,

доцент специализированного учебно-научного центра им. А.Н.Колмогорова, кандидат химических наук

При подготовке статьи использована следующая литература:

Б.Небел. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. (Тома 1,2) М.Мир. 1993.

Экологические очерки о природе и человеке. Под ред. Б.Гржимека. М.Прогресс. 1988.

В.Эйхлер. Яды в нашей пище. М., 1993.

Г.И.Оксенгендлер. Яды и организм. С-П., 1991.