|
| |||
Реферат: Углерод и его соединенияМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ реферат на тему: «Углерод и его соединения » Школа № 15 Ученика 9 класса “Б” Боярских Сергея г. Ангарск – 2003г. Роль соединений углерода в природе. В современных условиях, когда в мире интенсивно развивается
промышленность, сельское хозяйство и резко возрастает потребление природных
энергетических ресурсов, природа не выдержала хамского, беспощадного
отношения к ней и закричала. Закричала так, что похоже услышала все сразу. Итак, человечество встало перед проблемой изменения климата планеты из- за, так называемого, “парникового эффекта”. Роль углекислого газа в создании ”парникового эффекта”. Углекислый газ и парниковый эффект. Что же такое “парниковый эффект”? Существует несколько точек зрения на определение “парникового эффекта”. Рассмотрим некоторые из них. Так, доктор геолого-минеральных наук, профессор В.А. Красилов дает следующее определение: “Парниковый эффект – разогревание нижних слоев атмосферы – возникает в результате поглощения части теплового излучения поверхности Земли молекулами углекислого газа, водяного пара, метана, хлорфторуглеродов и некоторых других газов.” И определение, данное в экологическом словаре в учебнике “Экология “Парниковый эффект – потепление климата на Земле в результате повышения содержания в приземном слое атмосферы углекислого газа, метана, пыли. Смесь пыли и газов действует, как полиэтиленовая пленка над парником: хорошо пропускает солнечный свет, идущий к поверхности почвы, но задерживает рассеиваемое почвой тепло, в результате под пленкой создается теплый микроклимат.” Однажды на обложке популярного западногерманского журнала “Шпигель”
был изображен знаменитый Кельнский собор, со всех сторон окруженный водой. Действительно, некоторые явления последних лет заставляют задуматься:
а не началось ли уже это потепление? 1988 год побил все рекорды
климатических “ненормальностей”, а целых пять лет в 80-х годах были самыми
теплыми за все уходящее столетие. В 1988 году впервые за много десятилетий
жара в Нью-Йорке не спадала сорок дней, ртутный столбик не спускался ниже “Парниковый эффект” или “гринхауз-эффект”. Миллиарды тонн углекислого газа ежечасно поступают в атмосферу в
результате сжигания угля и нефти, природного газа и дров, миллионы тонн
метана поднимаются в атмосферу от разработок газа, с рисовых полей Азии Как видим, в обоих определениях указан главный источник беды –
углекислый газ. Не считая выбросов, в атмосфере Земли находится 2,3(1012 т
диоксида углерода. Где же может располагаться “природный” и “антропогенный” Из курса биологии мы знаем, что CO2 является источником питания
растений – играет огромную роль в фотосинтезе. Так и пусть его будет много. Обнаружена тесная связь между концентрацией CO2 и температурами в экваториальной области. Оба показателя возрастают и снижаются согласованно, причем изменения концентрации CO2, активно участвующей в создании парникового эффекта, на несколько месяцев отстает от потеплений и похолоданий тропических морей. Отсюда следует, что - либо первопричиной краткосрочных вариаций содержания CO2 являются изменения температуры, либо оба явления подвержены влиянию неизвестного метеорологического фактора. Обнаруженная связь двух параметров подтверждает давно высказанную идею, согласно которой рост температур должен приводить к тому, что поверхность суши и океана отдает часть накопленной ими CO2, что, в свою очередь, способствует новому потеплению. Научное прогнозирование предполагает ряд наблюдений, исторический материал, на основе которого можно выявить те или иные закономерности. В отличие от него обиходный прогноз представляет собой простую картину в будущее, перенесение современной ситуации вперед. Так, эпизодическое падение уровня Каспия до середины 70-х годов побудило лиц, принимающих решение, перенести предприятия ближе к побережью в ожидании еще большего падения в будущем. В результате современный подъем Каспия привел к много миллиардному ущербу. Парниковая модель климатических изменений, принимающая в качестве точки отсчета начало нынешнего века и предсказывающая современный уровень техногенного воздействия на атмосферу без учета других факторов, относится к прогнозам последнего типа. В отличие от нее, модели, опирающиеся на исторический материал, прогнозируют природные процессы, которым противостоять невозможно. К ним можно лишь приспособиться ценой больших или меньших потерь. Известно, что в прошлом климат существенно отличался от современного и
что природные климатические колебания происходили с определенной
периодичностью, проявляющейся, в частности, как чередование ледниковых и
межледниковых эпох. Последний ледниковый максимум датирован 18 тыс. лет
назад, а мы живем в условиях межледниковая, начавшегося около 11 тыс. лет
назад. На фоне этой периодичности происходят относительно кратковременные
колебания, подобные малому климатическому оптимуму 1000 лет назад, малому
ледниковому периоду 200-250 тыс. лет назад, и еще более мелкие вплоть до 4- Техногенные воздействия происходят не на статическом, а на динамическом фоне природных процессов. Около 1000 лет назад климат был теплее на 0,5(C. Есть ли основания приписывать современное потепление того же масштаба техногенным газам? По-видимому, нет, так как 40-60 годы, первый этап массовых выбросов CO2 ознаменовались заметным похолоданием. Резко возросшие техногенные выбросы 80-х по сверхточным спутниковым измерениям за десятилетие (1979-1988 гг.) не дали парникового эффекта. Модели парникового потепления, решая уравнения с множеством неизвестных, не принимают в расчет обратных связей между потеплением и реакцией планетарных систем атмосферы, биосферы и гидросферы – изменения облачности, продуктивности растительных сообществ, циркуляции биологических вод. Недавно обнаружена несомненная связь между содержанием CO2 в атмосфере
и распространением аномально теплых поверхностных вод в Тихом океане,
названное Эль-Ниньо, происходящим с периодичностью в 4-5 лет и вызывающим
аномальные климатические явления – теплые зимы на Аляске, засухи в Африке –
практически по всему шару. Оказалось, что в начале Эль-Ниньо концентрация Дальнейшим подтверждением роли океанической циркуляции как основного
регулятора содержания CO2 в атмосфере явились ряды наблюдений, показывающих
не только хорошую корреляцию CO2 с температурой, но и запаздывание
колебаний CO2 на 4 месяца по отношению к температуре поверхностных вод и на Известно, что в смене климатических ситуаций ледникового периода выражены циклы прецессий, наклона эклиптики и эксцентриситета земной орбиты. Содержание CO2 в атмосфере геологического прошлого по пузырькам воздуха в льдах Антарктиды, проверенных на станции Восток, коррелирует с температурой ледниковых и межледниковых эпох. Эти данные были использованы для подтверждения парниковой модели. Однако и здесь возникает вопрос о причинах и следствиях. Поскольку техногенного источника не было, то остается биосфера, продуктивность которой в межледниковье возрастала (сток, а не приток CO2), и океан, повышение температуры которого, по-видимому и было основным источником CO2. Среди более отдаленных геологических периодов определенный интерес представляет меловой – 130 – 65 млн. лет назад. Постоянных полярных льдов в меловом периоде не было (хотя могли быть сезонные). Составленные фитоклиматические схемы дают представления о климатической зональности безледниковой планеты и позволяют сделать некоторые выводы прогнозного характера. Экваториальная зона примерно в современных границах отличалась сухостью и температурой ниже современной (крайний ксероморфизм растений, хвойные в низинных растительных формациях). Область преимущественного распространения жестколистных кустарниковых
формаций, интерпретируемая как зона летне-сухого климата, простиралась до Зона листопадных лесов простиралась далеко за полярный круг, по
крайней мере до 80(с. ш. В ее пределах намечалась незначительная
дифференциация по содержанию теплолюбивых компонентов, причем на полярных
широтах снова возрастала роль вечнозеленных растений и, судя по количеству
месторождений, численности динозавров, остатки которых известны на По общей продуктивности меловая растительность едва ли существенно отличалась от современной, так как слабая облесенность экваториальной зоны могла компенсироваться полярными лесами. Вместе с тем мощный вулканизм мелового периода, в десятки раз превышавший современную вулканическую активность, служил источником парниковых газов, не уступавшим техногенному. Таким образом, мы подошли ко второму разделу, доказав, что в создании парникового эффекта играют роль как природные так и антропогенные источники. Основные загрязнители атмосферы. Природные источники. При извержениях вулканов вместе с лавой из них изливается и углекислый газ в таком изобилии, что после одного извержения Везувия им было задушено тысячи зайцев и других маленьких животных. В то же время колодцы и погреба в Неаполе, далеко отстоящем от вулкана оказались наполненными углекислым газом. Углекислый газ постоянно выделяется сильными струями из почвы даже в таких местностях, где вулканическая деятельность давно прекратилась. Сколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора углекислого газа неаполитанская “Собачья пещера”, без упоминания о которой не обходился ни один учебник химии и географии, вряд ли можно определить это; “чудо природы” упоминалось не только Ван-Гельмгольтом, но и в “Естественной истории” Плиния, созданной в начале нашей эры. Такие же пещеры существуют в Иеллоустонском заповеднике (США). Птицы и насекомые, залетающие в них в поисках убежища, гибнут. Громадные количества углекислого газа доставляются из недр Земли в атмосферу и ключами, изливающимися в местностях, где действуют или когда-то действовали вулканы. Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов, в которой находится в частности знаменитый кавказский вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом. Наиболее известные из минеральных источников (углекислотных) находятся в Кисловодске (Назран), где они используются в лечебных целях (лечение желудочно-кишечного тракта). Вне земного шара углекислый газ обнаружен спектроскопическим путем в
атмосфере Венеры. Атмосфера ближайшей к Земле планеты лишена кислорода и
водяных паров и полностью состоит из углекислого газа. При атмосферном
давлении, составляющем около половины давления, господствующего на нашей
планете, и средней температуре около 70(C Венера являет нам, примерный вид Авиация. Группа Л. Майкелис – управление энергетических технологий, Харуэлл, По их мнению: самолеты способствуют парниковому эффекту в восемь раз
сильнее автомашин и в 22 раза больше, чем междугородний электрический
железнодорожный транспорт. На каждое пассажирское место в самолете |продукты сгорания, |высота приземного |тропосфера |стратосфера | Таблица 1, Количество углекислого газа в слоях атмосферы. Особое беспокойство вызывает большое оксидов азота, выделяемых авиадвигателями во время полетов на высоте 10-12 км. Подвергаясь там фотохимическим реакциям, этот газ образует озон, порождающий парниковый эффект. На уровне Земли 1 грамм газа по воздействию втрое превосходит то же количество углекислого газа, а в верхних слоях атмосферы в 335 раз больше. В первую очередь это связано с более низкими температурами верхней атмосферы, замедляющими химические реакции и тем самым парниковое воздействие таких, как озон, газов со сравнительно коротким сроком “жизни”. Выбросы оксидов азота ответственны примерно за 2/3 всех поставляемых
самолетом парниковых газов; остальные на “совести” углекислого газа. Таким образом, хотя самолеты в Европе производят видимо, не более 3%
выброса оксидов азота, их вклад в парниковый эффект равен вкладу всех иных
источников этого газа. Проблема усугубляется быстрым ростом авиасообщений:
количество самолетов, садящихся или взлетающих, например, в аэропортах Но проблему уже пытаются решать. Как известно, основная часть оксидов
азота авиапроисхождения образуется в двигателе при температуре 1700(C. До сих пор авиаконструкторы, повышая эффективность в расходовании горючего, шли по пути увеличения давления и температур, в результате выброс углекислого газа сократился, но возросло поступление в атмосферу оксидов азота. По оценкам специалистов, полная смена концепций и налаживания выпуска экологически чистых самолетов потребует не только больших затрат, но и длительного времени. Машиностроительное предприятие. Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно- прессовые цехи, цехи термической и механической обработки металлов, цехи покрытий и крупное литейное производство. Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются вагранки, печи, участки складирования и переработки шихты. Газовыделения углекислого газа при заливке металлом форм и их
охлаждении можно определить по данной таблице 2. Примечание: 1. ОФ-1, БС-40, УКС – это смолы для скорейшего затвердевания состава. 2. 80% газовыделения всех вредных веществ приходится на первые 20 минут после заливки металла в формы. ТЭС. Ежегодно в окружающую среду нашей планеты поступает до 2(1020 Дж
теплоты, что сопровождается выбросом в атмосферу 18(109 тонн углекислого
газа. Основными источниками тепловых выбросов являются процессы сжигания
органического топлива (нефти, газа на ТЭС) и объекты ядерной энергетики Анализ выбросов теплоты в атмосферу от совокупности промышленных объектов на региональном уровне показывает, что характерно наличие регионов с тепловыделением от 10-20 Вт/м2 площадью до 104 км2. Транспорт. Автотранспорт также является источником загрязнения атмосферы, количество машин непрерывно возрастает особенно в крупных городах; а вместе с тем растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Автотранспорт в отличие от промышленных предприятий относится к движущимся источникам загрязнения. Токсическими выбросами ДВС (двигателя внутреннего сгорания) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими
газами ДВС. Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в
них содержится несколько десятков компонентов, некоторые из них в таблице В целом 50% выбросов диоксида углерода в мире поставляет электроэнергетика, 1/4 – промышленность, 1/5 – транспорт. Борьба с выбросами углекислого газа и их учет. Первой страной, выступившей с заявлением о готовности сократить
выбросы парниковых газов была Великобритания. Ее примеру последовали и
другие страны. На переговорах по климатической конвенции наиболее
решительную позицию заняли Скандинавские страны, Нидерланды, Швейцария Для борьбы с выбросами углекислого газа в атмосферу прибегают за помощью к процессам очистки и обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов. Процессы эти различны, значит различны и способы очистки, так как: 1. газы, выбрасываемые в атмосферу вместе с углекислым газом, весьма разнообразны по своему составу. 2. имеют высокую температуру и содержат большое количество пыли, что затрудняет процесс очистки и требует дополнительной подготовки отходящих газов. 3. концентрация газа в вентиляционных и реже технологических выбросах обычно переменна и низка. Для того, чтобы бороться с выбросами нужно точно знать присутствует интересуемый нас газ в выбросах или нет. И для этого создан высокочувствительный детектор для измерения углекислого газа. Обычно надежность измерений содержания в атмосфере углекислого газа,
играющего столь важную роль в создании парникового эффекта, снижает
присутствие в воздухе водяных паров. По-видимому, японским химикам Позже было установлено, что высокой чувствительностью к углекислому газу обладает смесь индия с оксидами кальция, позволяющая хорошо идентифицировать этот парниковый газ даже в присутствии паров воды. Оксид индия получали путем гидролиза хлорида индия в присутствии раствора аммиака; осадок нагревали до 850C. Полученное вещество еще активнее реагировало на углекислый газ, если к нему добавляли примерно 5% оксида кальция. Изготовленный на этой основе детектор оказался в состоянии измерять концентрации углекислого газа, не превышающие 2 тыс. частей на 1 млн. даже в присутствии 1,8% водяных паров. Таким образом, способность оксида индия реагировать на малые концентрации углекислого газа связана с присутствием иных оксидов, причем оксид кальция повышает чувствительность в наибольшей степени; далее следуют оксиды стронция и бария; оксиды металлов – никеля, магния и калия – вполовину, а цинка, натрия, празеодима и неодима в 10 раз менее чувствительны. Есть надежда на создание приборов, способных с большой точностью регистрировать наличие в атмосфере углекислого газа. Очистка и последующая утилизация углекислого газа проходит через различного рода фильтры. Прибегают также и к рассеиванию выбросов. Для контроля в России используются следующие приборы (табл. 4). В России ПДК (предельно допустимой концентрации) по содержанию углекислого газа не установлено, в США – 9000 мг/м3. Благодаря строгому учету нарушений ПДК и высоким штрафам в США выбросы углекислого газа на 1 млрд. долларов национального продукта за последние 10 лет уменьшились с 470 до 350 тыс. м3. Сокращение выбросов углекислого газа на 60% обойдется примерно в 21012$. В ФРГ валовый национальный продукт с 1973 г. по 1985 г. увеличился на Океаническая вода как пожиратель углекислого газа. Согласно подсчетам специалистов, примерно на 60% углекислого газа, ежегодно поступающего в атмосферу Земли, надолго остается в воздушном пространстве, способствуя парниковому эффекту, остальное количество поглощается на суше и в Мировом океане. Однако механизм и активные участники этого процесса все еще вызывают дискуссии среди специалистов. Недавно группа сотрудников Плимутской морской лаборатории Процесс растворения углекислого газа – в приложении 13. Колоссальное значение океана состоит и в том, что он, будучи “легкими”
планеты, пробуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода
атмосферы. В обменном процессе между атмосферой и океаном, то есть в Схема обмена углерода между его соединениями в океане Атмосфера CO2 водные CO2 H2CO3 CaCO3 организмов крист. раст. органические CaCO3 тв. CaCO3 тв. вещества На больших глубинах, где фотосинтез из-за недостатка света прекращается, идет образование CO2 за счет разложения органического вещества в результате распада. В верхнем 500 метровом слое окисляется в среднем до 87% первичной продукции. В донные осадки попадает 0,1% органического вещества. В океане ежегодно оседает все вносимое реками количество гидрокарбонатов 1,7 млрд. тонн кальция (0,5 млрд. тонн) и частично магния (0,36 млрд. тонн). Неравномерное потребление углекислоты наземными системами. Почвы – один из важнейших природных ресурсов, который человечество
активно использует с незапамятных времен. Почвы, почти сплошным ковром
покрывающие поверхность земной суши, представляют собой как бы “кожу Опыта по изучению данной проблемы мало. Но ясно, что локальные изменения передаются на почвы смежных территорий через поверхностные и грунтовые воды, однако со значительно меньшей скоростью и на меньшие пространства, нежели это имеет место в других природных средах (в воздухе, в воде). Наиболее существенные сдвиги будут наблюдаться, видимо, в почвах северных широт где по прогнозам, потепление климата и увеличение осадков значительно превысят соответствующие средние и глобальные. В тундре и лесотундре (севернее 70(с.ш.) где ожидается, что средняя температура поднимется на 4-5(C (главным образом за счет зимних температур) и возрастет количество осадков (на 50-100 мм) границы лесотундры и северной тайги начнут медленно сдвигаться к северу, значит на щебнистых и песчаных грунтах усилятся процессы подзолообразования, а на тяжелых глинистых породах, особенно в низинах – глеевые процессы или заболачивание. В таежной зоне Восточной Сибири могут усилиться протаивание почв и грунтов, а также подзолистый процесс на равнинах в легких почвах, заболачивание полей, расширение термокарстовых и солифлюкционных явлений, приводящих к механическому перемещению почв, оползням, просадкам. В южной тайге ожидается потепление зимой и летом на 2-3(C с одновременным уменьшением количества осадков (до 25 мм). Можно представить, что в хвойных лесах с подзолистыми почвами соответственно появятся широколиственные породы и кустарники, усилится дерновый процесс в почвах, и они приблизятся к серым лесным. На дерново-подзолистых почвах сельскохозяйственных угодий количество влаги может заветно снизиться. В лесостепной зоне серых лесных почв, оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземов – главной сельскохозяйственной зоне – прогнозируют некоторое потепление (на 1-2(C)и уменьшение осадков на 15-20 мм. В связи с этим в почвенном покрове весьма вероятна тенденция эволюции лугово- черноземных и черноземовидных луговых почв в черноземы, а в плакорах – за счет непромывного водного режима в последних – повысится уровень карбонатов. Усиление сухости климата в лесостепной зоне потребует в сельскохозяйственном производстве активизации мероприятий по сохранению влаги в почвах, а вероятнее всего – расширение орошаемого земледелия. Конечно, этот прогноз основывается на ожидаемых климатических
изменениях. Между тем в последние десятилетия наблюдается пока не нашедший
объяснения медленный подъем уровня почвенно-грунтовых вод в Черноземной
зоне Средней России и Украине, расширение площади так называемых В зонах степных черноземов и сухостепных каштановых почв с повышением среднегодовых температур на 1-2(C и с очень незначительным увеличением годовых осадков не следует ожидать изменения активности почвенной биоты и ухудшения водно-физических свойств почв; возможны локальные процессы осолонцевания почв и некоторой аридизации ландшафтов. В полупустынной зоне светлокаштановых и бурых почв Прикаспийской низменности ожидается наряду с потеплением климата, увеличение атмосферных осадков примерно на 100 мм, что существенно усилит увлажнение почв и растительности в этой зоне. Скорее всего здесь, в типчаково-полынных и полынно-солянковых фитоценозах, постепенно возрастает количество злаков и в целом растительность пастбищных угодий улучшится, но только при разумном и бережном хозяйствовании. В пустынях Казахстана и Средней Азии песчаные пустынные почвы, возможно, полнее покрываются злаково-кустарниковой растительностью и продлиться период ее вегетации. В почвах глинистых пустынь весьма вероятно увеличение пестроты почвенного покрова за счет перераспределения солей по элементам мезо- и микрорельефа. Выводы. В ходе работы выяснилось, что совсем нетоксичный оксид углерода (IV), то есть CO2 является нарушителем всего живого и неживого в природе. В 20 веке наблюдается рост концентрации CO2 в атмосфере, доля
которого с начала века увеличилась почти на 25%, а за последние 40 лет на Выбросы углерода разными странами в 1960 и 1987 гг. Примечание: Германия без восточной части. По объему выбросов углерода (1 тонна углерода соответствует 3,7 тонны
углекислого газа) первое место принадлежит США, затем страны Европейского
экономического сообщества, а далее бывший СССР. Эти страны дали более
половины выбросов, так как в России производится примерно 80% получаемой
ранее в СССР продукции, ее вклад в выбросы CO2 в атмосферу весьма велик и
составляет порядка 800 млн. тонн углерода, или около 3 млрд. тонн CO2,
следовательно, на каждого жителя приходится несколько меньше 13% общей
массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США более 20%, на долю Экологи предупреждают, что если не удастся уменьшить выбросы в атмосферу CO2, то нашу планету ожидает катастрофа. Сегодня остается нерешенной мировая проблема энергии и CO2. |
|