Pierwiastki i Związki Chemiczne a Zanieczyszczenia Środowiska

58 Gimnazjum

z Oddziałami Dwujęzycznymi

im. Władysława IV

ul. Jagiellońska 38

03 – 719 Warszawa

Krystyna Wędrychowska

Warszawa 2010

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

2

Spis treści

Co to jest zanieczyszczenie środowiska? ........................................................................................... 3

Źródła zanieczyszczeń środowiska ..................................................................................................... 3

Rodzaje zanieczyszczeń środowiska .................................................................................................. 4

Zanieczyszczenia powietrza ............................................................................................................... 5

Zanieczyszczenia wód ...................................................................................................................... 10

Zanieczyszczenia gleb ...................................................................................................................... 11

Główni truciciele ............................................................................................................................... 12

Bibliografia ....................................................................................................................................... 17


3

Co to jest zanieczyszczenie środowiska?

Coraz częściej w środkach masowego przekazu mówi się narastającym na skalę światową

problemie zanieczyszczenia środowiska. Jednak co dokładnie ten termin oznacza i czy to

zjawisko jest rzeczywiście tak groźne?

Zanieczyszczenie środowiska — stan środowiska wynikający z wprowadzania do

powietrza, wody lub gruntu, substancji stałych, ciekłych lub gazowych lub energii w takich

ilościach i takim składzie, że może to ujemnie wpływać na zdrowie człowieka, przyrodę

ożywioną, klimat, glebę, wodę lub powodować inne niekorzystne zmiany np. korozję

metali.1

Z powyższej definicji wynika, że zanieczyszczenie środowiska to stan środowiska będący

rezultatem wprowadzenia do niego zupełnie nowych substancji. Ich ilość oraz skład może

wpłynąć niekorzystnie na organizmy żywe oraz przyrodę nieożywioną, ale również być

przyczyną zachodzenia wielu reakcji chemicznych, jak np. wspomniana już korozja metali.

Źródła zanieczyszczeń środowiska

Opisane powyżej substancje, będące czynnikami zanieczyszczeń, mogą mieć różne

pochodzenie, co związane jest ze źródłami zanieczyszczeń. Rozróżnia się następujące

źródła:

źródła naturalne – jak sugeruje sama nazwa, emitują naturalne związki i pierwiastki chemiczne oraz w sposób naturalny występują w przyrodzie. Dobrym przykładem są wulkany, które podczas erupcji emitują magmy, materiały piroklastyczne oraz wszelkiego rodzaju substancje lotne, które mogą czasem źle wpływać na środowisko.

źródła sztuczne (zwane także antropogenicznymi) – są spowodowane działalnością człowieka. Choć jest ona niezamierzona, ale systematyczna, jej rezultatem jest ciągła emisja czynników degradujących środowisko lub czasem awarii będąca przyczyną nagłego uwolnienia zanieczyszczeń. Jeżeli chodzi o tą ostatnią, przykładem jest wybuch reaktora jądrowego w Czarnobylu w roku 1986.

1 Źródło: http://encyklopedia.pwn.pl/lista.php?co=zanieczyszczenie+%B6rodowiska

http://encyklopedia.pwn.pl/lista.php?co=zanieczyszczenie+%B6rodowiska


4

Rodzaje zanieczyszczeń środowiska

Zanieczyszczenia środowiska dzielą się na

kilka rodzajów, zależnych od tego, jakiej

części środowiska dotyczą:

Zanieczyszczenie powietrza

Zanieczyszczenia wód

Zanieczyszczenia gleb

Zanieczyszczenie hałasem –

spowodowane dużą emisją hałasu

przez urządzenia mechaniczne np.

maszyny budowlane, środki

transportu (takie jak samoloty,

samochody), głośniki nadające

muzykę w miejscach publicznych,

muzak2 itp. Jest ono typowe dla

środowiska miejskiego, choć nie

zawsze.

Zanieczyszczenie krajobrazu – polega na zmniejszeniu wartości estetycznych

otoczenia przez ingerencję człowieka np. hałdy.

Zanieczyszczenie

światłem – jego przyczyną

jest nadmierne oświetlanie

nocne, obecne zwłaszcza

w miastach. Utrudnia

obserwację astronomiczną

nieba oraz ma negatywny

wpływ na faunę i florę

naturalnie przystosowaną do

życia w ciemności w czasie

nocy.

Omówienie pierwszych

czterech rodzajów zanieczyszczeń nastąpi dalej w mojej pracy, oczywiście ze szczególnym

uwzględnieniem pierwiastków i związków chemicznych.

2 Muzak - nazwa muzyki funkcjonalnej przejęta z nazwy amerykańskiej firmy Muzak, która drogą kablową

rozprowadzała muzykę do sklepów, hoteli, banków, itp. Nazywana bywa też muzyką marketingową albo muzyką tła, po polsku najczęściej używano określenia "tapeta muzyczna".

Rysunek 1 : Zwałowisko Pochwacie (Jastrzębie - Zdrój)

Rysunek 2: Nowy Jork nocą


5

Zanieczyszczenia powietrza

Zanieczyszczenia powietrza są główna przyczyną globalnych zagrożeń środowiska.

Źródła zanieczyszczeń powietrza

Powietrze zanieczyszczają wszystkie substancje gazowe, stałe lub ciekłe, znajdujące się

w powietrzu w ilościach większych niż ich średnia zawartość. Ogólnie zanieczyszczenia

powietrza dzieli się na pyłowe i gazowe. Światowa Organizacja Zdrowia definiuje powietrze

zanieczyszczone jako takie, którego skład chemiczny może ujemnie wpłynąć na zdrowie

człowieka, roślin i zwierząt, a także na inne elementy środowiska, takie jak woda czy gleba.

Zanieczyszczenia powietrza są najbardziej niebezpieczne ze wszystkich zanieczyszczeń,

gdyż są mobilne i mogą skazić na dużych obszarach praktycznie wszystkie komponenty

środowiska.

Głównymi źródłami zanieczyszczeń są:

uprzemysłowienie i wzrost liczby ludności,

przemysł energetyczny,

przemysł transportowy,

spalanie (związane z rosnącym zapotrzebowaniem na energię),

chemiczna konwersja paliw,

wydobycie i transport surowców,

przemysł chemiczny,

przemysł rafineryjny,

przemysł metalurgiczny,

cementownie,

składowiska surowców i odpadów,

motoryzacja.

Wszystkie wyżej wymienione źródła są

źródłami antropogenicznymi,

spowodowanymi działalnością człowieka.

Istnieją także naturalne źródła zanieczyszczeń powietrza.

Rysunek 3: Cementownia Chełm


6

Oto te najważniejsze:

wybuchy wulkanów,

erozja wietrzna skał,

pożary lasów

i stepów,

wyładowania

atmosferyczne,

pył kosmiczny,

niektóre procesy

biologiczne.

Jak zanieczyszcza się powietrze?

Wyróżnia się trzy główne źródła emisji zanieczyszczeń do atmosfery:

punktowe - są to głównie duże zakłady przemysłowe emitujące pyły, dwutlenku

siarki, tlenku azotu, tlenku węgla, metale ciężkie.

powierzchniowe (rozproszone) - są to paleniska domowe, lokalne kotłownie,

niewielkie zakłady przemysłowe emitujące głównie pyły, dwutlenek siarki.

liniowe - są to głównie zanieczyszczenia komunikacyjne odpowiedzialne za emisję tlenków

azotu, tlenków węgla, metali ciężkich (głównie ołów).

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na środowisko

Zanieczyszczenia powietrza są wchłaniane przez ludzi głównie w trakcie oddychania.

Przyczyniają się do powstawania schorzeń układu oddechowego, a także zaburzeń

reprodukcji i alergii. W środowisku kulturowym człowieka zanieczyszczenia powietrza

powodują korozje metali i materiałów budowlanych. Działają niekorzystnie również na

świat roślinny, zaburzając procesy fotosyntezy, transpiracji i oddychania. Wtórnie skażają

wody i gleby. W skali globalnej maja wpływ na zmiany klimatyczne. Zanieczyszczenia

powietrza zwiększają także kwasowość wody pitnej. Powoduje to wzrost zawartości ołowiu,

miedzi, cynku, glinu, a nawet kadmu w wodzie dostarczanej do naszych mieszkań.

Zakwaszone wody niszczą instalacje wodociągowe, wypłukując z niej różne substancje

toksyczne.

Rysunek 4: Erupcja wulkanu Mount Redoubt


7

Skutki zanieczyszczeń powietrza

Kwaśny deszcz - opad atmosferyczny o niskim pH. Zawiera kwas siarkowy,

powstały w atmosferze zanieczyszczonej tlenkami siarki ze spalania zasiarczonego

węgla oraz kwas azotowy powstały z tlenków azotu. Powoduje zakwaszania rzek

i jezior, niszczenie flory

i fauny, degradację

gleby, niszczenie

zabytków

i architektury. Obecnie

przypuszcza się, że

kwaśne deszcze mają

wpływ na zwiększenie

się śmiertelności

niemowląt oraz

osłabienia płuc.

Smog – to po prostu zanieczyszczone powietrze zawierające duże stężenia pyłów

i toksycznych gazów, których źródłem jest głównie motoryzacja i przemysł.

Rysunek 6: Smog w Nowym Jorku

Rysunek 5: Kamienny pomnik zniszczony w skutek kwaśnych deszczy


8

Dziura ozonowa - Spadek zawartości ozonu (O3) na wysokości 15-20 km (w tzw.

Ozonosferze) głównie w obszarze bieguna południowego, obserwowany od końca

lat 80. Tempo spadku wynosi ok. 3% na rok. Największe znaczenie mają w tym

procesie związki chlorofluorowęglowe (freony), z których uwolniony chlor (pod

wpływem promieniowania ultrafioletowego), który atakuje cząsteczki ozonu,

prowadząc do wyzwolenia tlenu (O2) oraz tlenku chloru(II) (ClO). Tempo globalnego

spadku ozonu stratosferycznego pod wpływem działalności człowieka (z wyjątkiem

Antarktydy), oszacowane na podstawie badań satelitarnych, wynosi 0,4-0,8% na

rok w północnych, umiarkowanych szerokościach geograficznych i mniej niż 0,2%

w tropikach. Powłoka ozonowa jest naturalnym filtrem chroniącym organizmy żywe

przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. W celu jej ochrony

z inicjatywy UNEP (Program Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych)

przedstawiciele 31 państw podpisali w 1987 Protokół Montrealski - umowę

zakładająca 50-procentowy spadek produkcji freonów do roku 2000, w stosunku do

1986. Od 1990 obserwowane jest zmniejszenie tempa wzrostu freonów

w atmosferze - z 5% rocznie do mniej niż 3%.

Rysunek 7: Schemat powstawania dziury ozonowej Źródło: www.wiking.edu.pl


9

Efekt cieplarniany - zjawisko zachodzące w atmosferze planety powodujące wzrost

temperatury planety, w tym i Ziemi. Efekt wywołują gazy atmosferyczne, zwane

gazami cieplarnianymi, ograniczające promieniowanie cieplne powierzchni Ziemi

i dolnych warstw atmosfery do przestrzeni kosmicznej.

Rysunek 8: Schemat dostawania się gazów cieplarnianych do atmosfery Źródło: www.wiking.edu.pl


10

Zanieczyszczenia wód

Dlaczego woda jest zanieczyszczona?

Najwięcej zanieczyszczeń trafia do wód razem ze ściekami. Innymi źródłami

zanieczyszczeń wód są transport wodny i lądowy, stosowanie pestycydów

i nawozów sztucznych oraz odpady komunalne i przemysłowe. Wody ulegają

zanieczyszczeniu także w wyniku eutrofizacji , czyli wzbogacania zbiorników

wodnych w substancje pokarmowe . Jest to inaczej wzrost żyzności wód.

Obieg wody w przyrodzie został zakłócony przez człowieka - wycinanie lasów,

monokulturę rolnictwa, niewłaściwe i nadmierne zabiegi rolnicze, urbanizację.

Rysunek 9: Schemat obiegu wody w przyrodzie Źródło: www.elmuzyka.edu.pl


11

Skład zanieczyszczonych wód

Zanieczyszczenie wód jest spowodowane głównie substancjami chemicznymi,

bakteriami i innymi mikroorganizmami, obecnymi w wodach naturalnych

w zwiększonej ilości. Substancje chemiczne organiczne i nieorganiczne

(mineralne) występują w postaci roztworów, roz tworów koloidalnych i zawiesin.

Skład chemiczny zanieczyszczeń jest kształtowany czynnikami naturalnymi, np.

rozkładaniem substancji z gleb i skał, rozwojem i obumieraniem organizmów

wodnych oraz czynnikami antropogenicznymi.

Do najczęściej występujących antropogenicznych zanieczyszczeń wód

powierzchniowych należą :

pestycydy,

substancje powierzchniowo czynne,

węglowodory ropopochodne,

fenole,

chlorowe pochodne bifenylu,

metale ciężkie: ołów (Pb), miedź (Cu), chrom (Cr), kadm (Cd), rtęć (Hg) i cynk (Zn).

Większość antropogenicznych zanieczyszczeń wód działa toksycznie na organizmy wodne.

Zanieczyszczenia gleb

Zanieczyszczenia gleb i gruntów powodowane są przez wszelkiego rodzaju związki

chemiczne i pierwiastki promieniotwórcze, a także mikroorganizmy, które występują

w glebach w zwiększonych ilościach. Pochodzą m.in. ze stałych i ciekłych odpadów

przemysłowych i komunalnych, gazów i pyłów emitowanych z zakładów przemysłowych

(chemicznych, petrochemicznych, cementowni, hut, elektrowni itp.), gazów wydechowych

silników spalinowych oraz z substancji stosowanych w rolnictwie (nawozy sztuczne, środki

ochrony roślin).

Jaki wpływ mają zanieczyszczenia na gleby?

Zanieczyszczenia zmieniają gleby pod względem chemicznym, fizycznym i biologicznym.

Obniżają jej urodzajność, czyli powodują zmniejszenie plonów i obniżenie ich jakości,


12

zakłócają przebieg wegetacji roślin, niszczą walory ekologiczne i estetyczne szaty roślinnej,

a także mogą powodować korozję fundamentów budynków i konstrukcji inżynierskich, np.

rurociągów.

Zanieczyszczenia gleb mogą ulegać docierać do środowiska wodnego na skutek

wymywania szkodliwych substancji, powodując tym samym ich zanieczyszczanie.

Główni truciciele

Jak widać po dokładnym omówieniu poszczególnych rodzajów zanieczyszczeń, są one ze

sobą bardzo ściśle powiązane. Zanieczyszczenie samego tylko powietrza może wpłynąć na

pogorszenie stanu wód, powodując tym samym swoistą reakcję łańcuchową. Z koli

zanieczyszczenia wód mogą potencjalnie wywołać degradację gleb. Nic więc dziwne, że

„najwięksi truciciele” to przeważnie te same związki i pierwiastki chemiczne zarówno jeżeli

chodzi o gleby, wody i powietrze.

Dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla jest produktem spalania i oddychania. Jest wykorzystywany przez rośliny

w procesie fotosyntezy. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych.

W małych stężeniach nie jest trujący, jednak w większej ilości dwutlenek węgla jest

szkodliwy dla zdrowia a nawet zabójczy, gdyż jego działanie może wywołać kwasicę

oddechowej, a w jej następstwie obrzęku mózgu.

Do zatruć dwutlenkiem węgla dochodzi przede wszystkim w różnych zakładach

przemysłowych, głównie kopalniach, jednak zatrucia są także możliwe w zamkniętych

pomieszczeniach, gdzie wydzielany w wyniku fermentacji dwutlenek węgla zwiększa

stężenie tego gazu w powietrzu wdychanym. Wejście do takich pomieszczeń bez

sprawdzenia składu powietrza lub bez aparatów tlenowych zagraża zatruciem, a nawet

śmiercią.

W laboratorium najłatwiej wytworzyć dwutlenek węgla poprzez prażenie węglanu wapnia

CaCO3:

CaCO3 → CaO + CO2↑

lub działając praktycznie dowolnym kwasem (np. octowym, solnym, cytrynowym) na

węglany, np. węglan wapnia, węglan (Na2CO3) lub wodorowęglan (NaHCO3) sodu:

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2↑ + H2O


13

Doświadczenie 1

Temat: Otrzymywanie dwutlenku węgla i badanie jego właściwości

Sprzęt laboratoryjny: butelka plastikowa, zlewka (szklanka), świeczka

Odczynniki: soda oczyszczona, ocet

Kolejność czynności: do butelki wsypać należy niewielką ilość sody oczyszczonej (około 2-3

łyżeczki) i wlać niewielką ilość octu. Następnie należy zaczekać, , aż zajdzie reakcja – może

być burzliwa, ale bezpieczna. Następnie powoli należy przechylić butelkę nad brzegiem

szklanki, w której znajduje się mała paląca świeczka. Nie wolno wlewać do szklanki

mieszaniny reagującej, znajdującej się na dnie butelki.

Obserwacje i wnioski: w wyniku reakcji sody z octem powstaje dwutlenek węgla. Podczas

przechylania butelki dwutlenek węgla ,,przelewa się” do szklanki i świeczka gaśnie.

Dwutlenek węgla jest gazem cięższym od powietrza, wypełnia całą szklankę i gasi świeczkę.

Właściwości te wykorzystywane są np. w gaśnicach do gaszenia ognia

Doświadczenie 2

Temat: Wykrywanie obecności dwutlenku węgla

Sprzęt laboratoryjny: zlewka (szklanka),plastikowa rurka (może być do napojów)

Odczynniki: woda wapienna [Ca(OH)2]

Kolejność czynności: do zlewki (szklanki) z wodą wapienną należy prowadzić rurkę, przez

którą należy delikatnie wprowadzić powietrze z płuc. .

Obserwacje: w wyniku wprowadzenia powietrza z płuc woda wapienna zmętniała.

Wnioski: w wyniku reakcji wody wapiennej z gazem wytrącił się węglan wapnia, który

spowodował zmętnienie wody wapiennej. Tym gazem jest dwutlenek węgla.

CO2 + Ca(OH)2 → H2O + CaCO3

Zastosowanie dwutlenku węgla w przemyśle:

jako suchy lód jest wykorzystywany jako chłodziwo

zawarty w powietrzu wywołuje twardnienie zaprawy wapiennej

jako atmosfera neutralna w dojrzewalniach owoców

czynnik chłodniczy w obiegach nadkrytycznych

czynnik roboczy w gaśnicach śniegowych i instalacjach gaśniczych

w cukrownictwie – do wytrącania resztek wodorotlenku wapnia z soku buraczanego


14

w przemyśle spożywczym składnik napojów gazowanych (dodatek do żywności nr

E290).

Dwutlenek siarki (IV)

SO2 (ditlenek siarki, dwutlenek siarki, bezwodnik siarkawy) jest bezbarwnym gazem

o ostrym, gryzącym i duszącym zapachu, silnie drażni drogi oddechowe. Dwutlenek siarki

jest trujący dla zwierząt i szkodliwy dla roślin. Ma własności bakteriobójcze i pleśniobójcze.

Jest produktem ubocznym spalania paliw kopalnych, przez co przyczynia się do

zanieczyszczenia atmosfery (smog). Stosowany jako konserwant (E220), szczególnie

powszechnie do win, także markowych. Dwutlenek siarki wykorzystuje się również do do

bielenia w przemyśle tekstylnym i papierniczym, dezynfekcji (znany już w starożytności)

i jako czynnik chłodniczy.

Dwutlenek siarki dobrze rozpuszcza się w wodzie, dając słaby kwas siarkowy(IV) zwany

kwasem siarkawym:

SO2 + H2O → H2SO3

Mało stężony kwas siarkowy jest składnikiem tzw. Kwaśnych deszczy, których działanie

pokazuje rys. 5.

Tlenek azotu (IV)

Tlenek azotu(IV) (dwutlenek azotu), NO2 jest nieorganicznym związkiem chemicznym

z grupy tlenków azotu, w którym atom azot występuje na +4 stopniu utlenienia.

W temperaturze pokojowej jest to brunatny, silnie toksyczny gaz o ostrym zapachu

przypominającym zapach gazowego chloru.


15

Rysunek 10: Dwutlenek azotu

Na skalę techniczną tlenek azotu(IV) otrzymuje się w wyniku spontanicznego utlenienia

tlenku azotu(II) tlenem. Tlenek azotu(II) otrzymuje się wcześniej w reakcji utleniania

amoniaku.

Tlenek azotu(IV) jest tlenkiem kwasowym i w reakcji z wodą tworzy mieszaninę kwasu

azotowego(V) i kwasu azotowego(III). Tlenek azotu posiada silne własności utleniające.

Utlenia wiele metali przejściowych, np. żelazo i miedź tworząc odpowiednie tlenki tych

metali i tlenek azotu(II).

Rysunek 11: Miedziany dach pokryty tlenkiem miedzi w wyniku oddziaływania kwaśnych deszczy, które zawierają kwas azotowy

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Nitreuze_dampen_NO2.JPG


16

Metale ciężkie

Metale ciężkie to dość nieprecyzyjne określenie. W chemii metalami ciężkimi mogą być

również pierwiastki z grupy metali i półmetali, charakteryzujące się dużą gęstością.

W naukach pokrewnych do biologii i medycyny ten jest na ogół używany w odniesieniu do

metali i półmetali używanych w przemyśle i jednocześnie odznaczających się toksycznością

dla człowieka lub środowiska. Pierwiastkami takimi są m.in. arsen, miedź, kadm, ołów, rtęć,

cynk, chrom, nikiel i selen.

Toksyczne działanie

powyższych metali

wiąże się m.in. ze

zdolnością do

gromadzenia

w organizmie, w tym

w kościach i głównych

narządach (nerkach,

mózgu). Ich sole oraz

tlenki mogą być

przyczyną groźnych

zatruć ostrych

i przewlekłych, chorób

układu krążenia,

układu nerwowego,

nerek, a nawet chorób nowotworowych. Część metali ciężkich nie wchłania się do

organizmu w postaci pierwiastkowej.

Zatrucia metalami ciężkimi notuje się szczególnie wśród pracowników określonej gałęzi

przemysłu, co powoduje liczne choroby zawodowe np. ołowicę w wytwórniach bieli

ołowiowej i wśród drukarzy. Zatrucia wywołane są też spożywaniem pokarmów

zanieczyszczonych związkami metali, np. rtęcica.

Rysunek 12: Bryłka ołowiu - przykładu metalu ciężkiego


17

Bibliografia

Strony internetowe:

http://www.scholaris.edu.pl

http://www.wiking.edu.pl

http://www.elmuzyka.edu.pl

http://chemianet.w.interia.pl

http://pl.wikipedia.org

http://www.chemia.px.pl

http://www.chemicalforum.eu

http://chemistry.about.com

http://encyklopedia.pwn.pl

Literatura:

Linus Pauling, Peter Pauling, Chemia, PWN, 1997

Praca zbiorowa, Chemia. Kompendium, Świat Książki, 2006

Stanisław Zięba, Historia myśli ekologicznej, KUL, Lublin 2004

Jerzy Ryńca, Chemia ogólna – doświadczenia, Centralny Ośrodek Informacji Gospodarczej,

2007

Zbigniew Zawadzki, Chemia biofizyczna, PWN, 2005

http://www.scholaris.edu.pl/

http://www.wiking.edu.pl/

http://www.elmuzyka.edu.pl/

http://chemianet.w.interia.pl/

http://pl.wikipedia.org/

http://www.chemia.px.pl/

http://www.chemicalforum.eu/

http://chemistry.about.com/

http://encyklopedia.pwn.pl/

Pierwiastki i Związki Chemiczne a Zanieczyszczenia Środowiska

Documents

Transcript of Pierwiastki i Związki Chemiczne a Zanieczyszczenia Środowiska