Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Амурский государственный университет»

Кафедра Химии и естествознания

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

Физико-химические процессы в техносфере Основной образовательной программы по специальности 280101.65 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»

Благовещенск 2012 2 1 Рабочая программа учебной дисциплины 1.1 Цели и задачи освоения дисциплины Целью изучения дисциплины является формирование у студентов целостного представления о процессах и явлениях физико-химического взаимодействия загрязнителей с компонентами окружающей среды, необходимого при решении физико-химических проблем обеспечения безопасности жизнедеятельности.

Задачами дисциплины являются:

формирование представлений об основных физико-химических процессах происходящих в биосфере и техносфере;

приобретение знаний о законах миграции химических элементов, глобальных биогеохимических циклах;

приобретение знаний по проблемам химического загрязнения биосферы;

изучение закономерностей физических явлений и химических процессов в окружающей среде под воздействием естественных и антропогенных факторов.

1.2 Место дисциплины в структуре ООП ВПО Дисциплина «Физико-химические процессы в техносфере» относится к блоку специальных дисциплин (СД 05) ГОС. Необходимость ее изучения обусловлена ростом озабоченности общественности негативными последствиями антропогенной деятельности.

Изучаемый курс представляет собой интегрированную научную дисциплину, базирующаяся на основных законах химии, предметом изучения которой являются процессы миграции и трансформации химических соединений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, гидросфере, литосфере. Большое внимание уделяется глобальным изменениям окружающей среды, что связано с деградацией озонового слоя, загрязнением Мирового океана, накоплением парниковых газов в атмосфере.

Курс «Физико-химические процессы в техносфере» связан с рядом специальных дисциплин: «Мониторинг среды обитания», «Системы защиты среды обитания», «Источники загрязнения среды обитания».

1.3 Требования к результатам освоения дисциплины В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты образования:

1) Знать: закономерности и условия взаимодействия загрязнителей с компонентами окружающей среды и объектами техносферы; состав и свойства продуктов взаимодействия загрязняющих веществ и их производных с компонентами окружающей среды и между собой; пути миграции загрязнителей, этапы их трансформации, пути и способы выноса из атмосферы, гидросферы и литосферы.

2) Уметь: прогнозировать развитие негативной ситуации в среде обитания, вызванной трансформацией или миграцией загрязнителей.

3) Владеть: навыками прогнозов возможных путей миграции и трансформации химических соединений в объектах окружающей среды и оценки их воздействия на живые организмы.

Государственный образовательный стандарт Общие сведения о фотохимии загрязненной биосферы; основные физико-химические характеристики наиболее распространенных газообразных, жидких и твердых загрязнителей биосферы; химические реакции в неорганических системах. Озон, оксиды азота, свободные радикалы, атмосферные реакции диоксида серы. Химические реакции органических соединений: алканы, кинетические данные о реакциях алканов с радикалами ОН, алкены, реакции с О3, ароматические соединения, кислородсодержащие производные углеводородов, биогенные углеводороды. Реакции образования аэрозолей; образование сульфатов; образование нитратов; влияние загрязнителей на растительность: биохимические и клеточные эффекты (диоксид серы, фториды, озон), кислотный дождь. Воздействие загрязняющих веществ на материалы: воздействие оксидов серы, оксидов азота, озона, аэрозолей, других загрязняющих веществ; воздействие загрязняющих веществ на атмосферу: влияние на видимость, влияние на выпадение осадков, химические процессы, протекающие при образовании осадков в облаках, влияние загрязняющих веществ на метеорологические условия в глобальном масштабе.

Химия природных вод, процессы окисления и восстановления в природных водоемах;

процессы, связанные с загрязнением гидросферы – ионизация химических загрязнителей, гидролиз солей и органических соединений, комплексообразование в гидросфере.

Систаболические превращения в почве – окислительно-восстановительные процессы в почвах, осаждение, растворение, адсорбция тяжелых металлов, ферментативные окислительно-восстановительные процессы органических соединений, реакции разрушения пестицидов, гербицидов и других органических соединений, скорость метаболических разрушений; рассеивание и миграция примесей в атмосфере, гидросфере и почве.

1.4 Структура и содержание дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 102 часа.

№ Раздел дисциплины Виды учебной работы, Формы текущего п/п включая самостоя- контроля успеваемости (по неделям тельную работу стусеместра).

дентов, и трудоемкость (в часах) Форма промежуНеделя семестра точной аттестации СамостоятельКонсультации Лабораторнопрактические (по семестрам) ная работа Семестр Лекции работы нении биосферы няющих веществ в окружающей среде растительность, атмосферу, метеорологические условия.

1.5 Содержание разделов и тем дисциплины Общие сведения о загрязнении биосферы.

Основные термины, понятия и определения. Распространенность химических элементов в окружающей среде. Биогенные и техногенные химические элементы. Особенности химических превращений в природных системах.

Типы загрязнений. Важнейшие природные и антропогенные источники загрязнений.

Критерии количественной оценки уровня загрязненности окружающей среды. Классификация вредных веществ по химической природе, по классу опасности. Характеристика техногенных соединений.

Миграция химических элементов. Виды миграции (Перельман А.И.): механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная. Типы миграции. Внутренние и внешние факторы, влияющие на миграцию. Техногенная миграция химических элементов, ее интенсивность.

Физико-химические процессы в атмосфере.

Строение и состав атмосферы. Температурный профиль атмосферы. Атмосферные циркуляции. Устойчивость атмосферы. Реакционноспособность и время пребывания веществ в атмосфере.

Источники загрязнителей атмосферы: геохимические, биологические, антропогенные.

Физико-химические характеристики наиболее распространенных газообразных, жидких и твердых загрязнителей.

Дисперсные системы в атмосфере. Критерии устойчивости. Процессы, нарушающие устойчивость. Классификация аэрозолей по агрегатному состоянию, размерам, источникам образования. Свойства аэрозолей. Основные механизмы выведения аэрозолей из атмосферы.

Роль аэрозолей при образовании ядер конденсации. Процессы, происходящие при формировании облаков, при образовании и выпадении осадков.

Атмосфера как химический реактор. Фотохимические процессы в атмосфере. Поглощение и рассеивание солнечного излучения в атмосфере. Отражение и поглощение солнечного излучения поверхностью.

Окислительно-восстановительные процессы в атмосфере. Основные окислители, их активность: озон, кислород, гидроксильный и пероксидные радикалы.

Фотохимические процессы в стратосфере. Озон. Цикл Чепмена. Профиль вертикального распределения концентрации озона в зависимости времени суток, времени года, географической широты. Озоновый слой. Озоновые дыры. Причины снижения концентрации озонового слоя в стратосфере. Фторхлоруглеводороды и стратосферный озон. Деградация озонового слоя как глобальная проблема.

Физико-химические процессы в тропосфере. Свободные радикалы и их роль в процессах трансформации микропримесей в тропосфере. Основные источники и стоки соединений азота и серы. Характеристика процессов окисления соединений азота и серы в тропосфере.

Трансграничный перенос. Образование азотной, сернистой и серной кислот в атмосфере. Сухое и влажное осаждение кислот. Образование органических кислот. Кислотные дожди, условия образования. Смог Лондонского типа (условия возникновения, состав) и его влияние на объекты биосферы.

Источники и стоки органических соединений в тропосфере. Летучие органические соединения. Полициклические ароматические углеводороды. Диоксины. Окисление метана и его гомологов. Кинетические данные о реакциях алканов с радикалами ОН. Алкены, взаимодействие с озоном. Тропосферный озон. Различие в биосферных функциях стратосферного и биосферного озона. Смог Лос-Анджелеского типа и его характеристика.

Физико-химические процессы в гидросфере.

Строение гидросферы. Основные виды природных вод. Классификация природных вод.

Минерализация.

Химия континентальных вод. Основные анионы и катионы. Формирование состава природных вод. Атмосферные осадки. Растворимость газов и рН атмосферных осадков. Растворимость минералов. Критерии устойчивости минералов. Механизм химического выветривания. Виды выветривания: растворение, гидролиз, окисление. Растворимость карбонатных и силикатных пород. Щелочность, закисление водоемов. Влияние рН на процессы растворения соединений тяжелых металлов и алюминия.

Химия морей и океанов. Основные катионы и анионы. Солевой баланс. Формирование химического состава океанических вод.

Окислительно-восстановительный потенциал природных вод. Границы устойчивости воды. Влияние рН и растворенного кислорода на окислительно-восстановительный потенциал. Редокс-буферность природных вод. Основные окислительно-восстановительные процессы в природных водах. Роль тяжелых металлов и органических соединений.

Процессы комплексообразования в природных водах. Природные комплексообразователи.

Факторы загрязнения водоемов. Неорганические и органические вещества, кислотные выбросы, тяжелые металлы – как загрязнители природных вод. Трансформация ПАВ, нефти и нефтепродуктов в природных водоемах. Процессы выведения загрязняющих веществ и самоочистка водоемов.

Состав природных вод и биологические процессы. Аэробные и анаэробные процессы.

Стратификация природных вод. Олиготрофное и эвтрофное состояния водоемов. Эвтрофикация.

Оценка загрязненности воды. Основные характеристики состояния водоемов и критерии оценки. Промышленные методы очистки сточных вод. Механические, химические, биологические и специальные методы очистки сточных вод. Очистка питьевой воды.

Физико-химические процессы в почвах.

Состав и строение почв. Минеральный скелет почвы. Процессы выветривания и почвообразование. Органическое вещество почвы. Гуминовые кислоты и фульвокислоты. Элементный состав, основные функциональные группы, свойства.

Воздушный и водный режимы почв. Роль глинистых минералов и органических веществ в поддержании водного и воздушного режимов. Аэробный и анаэробный режимы.

Свойства почв. Буферные свойства почв. Кислотно-основная, окислительновосстановительная буферность. Диапазон окислительно-восстановительного потенциала почв.

Поглотительная способность почвы. Полидисперсность почвы. Почвенные коллоиды.

Постоянный и переменный заряд почвенных коллоидов. Виды поглотительной способности почв (К.К. Гедройц). Почвенный поглощающий комплекс (ППК). Ионообменная способность почв. Емкость катионного и емкость анионного обмена. Защитные свойства ППК.

Химические процессы в почвах. Гидролиз почвенных соединений. Комплексообразование в почвах. Гуминовые кислоты почв как комплексообразователи. Образование внутрикомплексных хелатов металлов. Окислительно-восстановительные процессы в почвах. Химические превращения соединений азота, фосфора, серы, микроэлементов.

Химическое загрязнение почвы. Виды загрязнения. Деградация почв. Загрязнение почв тяжелыми металлами, нефтепродуктами, ПАВ, удобрениями, пестицидами. Засоление почв.

Сухие выбросы из атмосферы. Процессы трансформации загрязняющих веществ в почвах.

Самоочищение почв. Физические и химические процессы детоксикации. Время самоочистки.

Распространение загрязняющих веществ в окружающей среде.

Причины, скорость и факторы переноса загрязняющих веществ в окружающей среде.

Факторы атмосферного переноса загрязнителей. Атмосферная миграция локального, регионального, глобального масштаба. Вертикальная устойчивость атмосферы, господствующие ветры, региональные циркуляции атмосферы, перемешивание между полушариями.

Перемещение океанских вод. Конвективные течения, вертикальное перемешивание.

Миграция загрязнителей в почвенном горизонте. Диффузия, конвекция, фильтрация через естественные поры и мембраны.

Перенос загрязняющих веществ между различными средами. Перенос между почвой и водой, роль процессов адсорбции и десорбции. Изотермы адсорбции. Массоперенос в почве.

Процессы диффузии, конвекции и дисперсии.

Перенос между водой и атмосферой. Растворимость веществ. Летучесть веществ. Скорость улетучивания. Сопротивление общего переноса.

Перенос между почвой и атмосферой. Летучесть и сухое осаждение. Фитильный эффект. Десорбция.

Биотический перенос загрязнителей.

Физико-химические и биогеохимические барьеры.

Устойчивость загрязнителей и их способность к разложению.

Влияние загрязняющих веществ на материалы, растительность, атмосферу, метеорологические условия в глобальном масштабе.

Влияние пыли на фотосинтез, теплообмен, водный режим в листьях. Влияние озона, оксидов азота и серы на биохимические процессы в клетках.

Влияние аэрозолей, кислотных газов на строительные материалы, стекло, железные изделия, изделия из бронзы. Воздействие на бумагу, ткани, кожу, полимеры, красители.

Воздействие на атмосферу, снижение видимости.

Климатические последствия изменения химического состава атмосферы. Парниковые газы. Парниковый эффект. Глобальное изменение климата. Синергические и антагонистические факторы, влияющие на изменение климата.

7 Определение устойчивости растений к сернистому газу и аммиаку. 1.6 Самостоятельная работа № № раздела (темы) дисци- Форма (вид) самостоятельной работы Трудоемкость 1 Общие сведения о за- конспект: характеристика техногенных со- грязнении биосферы единений, химические свойства металлов, источники органических соединений; химические свойства углеводородов, их галогенопроизводных, гидроксопроизводных, 2 Физико-химические про- подготовка к лабораторной работе, (дис- цессы в атмосфере персные системы; дисперсионная среда и дисперсная фаза; классификация дисперсных систем; устойчивость), подготовка к 3 Физико-химические про- подготовка к лабораторной работе (хими- цессы в гидросфере ческие реакции гидролиза, обмена, комплексообразования, окисления-восстановления; кислотные и основные функции веществ), подготовка к коллоквиуму.

4 Физико-химические про- подготовка к лабораторной работе (образо- цессы в почвах вание аква- и гидроксокомплексов; окислительно-восстановительные потенциалы;

5 Распространение загряз- конспект: коэффициент распределения, ад- няющих веществ в окру- сорбция, адсорбенты, изотермы адсорбции;

жающей среде характеристика физических процессов:

диффузия, конвекция, циркуляция, конденсация, сублимация, десублимация.

6 Влияние загрязняющих подготовка к лабораторной работе (метал- веществ на материалы, лы и их сплавы, коррозия металлов, окисрастительность, атмоление непредельных карбоновых кислот, сферу, метеорологичес- свойства аммиака, сернистого газа).

кие условия в глобальном масштабе.

1.7 Образовательные технологии Методы и формы обучения:

методы устного изложения: рассказ, объяснение, лекция, беседа;

наглядные методы: презентации, демонстрация моделей, иллюстрация схем, таблиц, графиков;

методы закрепления изучаемого материала: работа с учебной литературой, лабораторные работы, решение задач;

методы самостоятельной работы: работа с учебной литературой, нормативными документами, лабораторные работы, подготовка конспектов;

методы проверки и оценки знаний, умений и навыков: устный опрос (индивидуальный, фронтальный), защита лабораторных работ, тестовый контроль.

1.8 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов 1. Загрязнение окружающей среды. Типы загрязнителей. Источники загрязнения. Критерии оценки уровня загрязнений.

2. Миграция химических элементов. Виды и причины миграции. Факторы, влияющие на миграцию.

3. Техногенные соединения, их классификация и их миграция.

4. Атмосфера, ее характеристика, состав, строение, устойчивость. Температурный профиль атмосферы. Атмосферная циркуляция.

5. Источники загрязнений в атмосфере. Геохимические, биологические и антропогенные источники.

6. Характеристика газообразных и пылевых загрязнителей. Факторы, определяющие их распространение и время пребывания в атмосфере.

7. Физико-химическая характеристика основных газообразных загрязнителей: оксиды углерода и оксиды серы. Основные источники поступления и извлечение.

8. Физико-химическая характеристика основных газообразных загрязнителей: оксиды азота и озон. Основные источники поступления и извлечение.

9. Окислительные процессы в атмосфере. Важнейшие окислители. Окисление соединений серы, азота, органических соединений.

10. Фотохимические процессы в стратосфере. Озон. Цикл Чепмена. Озоновый слой, причины его деградации.

11. Фотохимические процессы в тропосфере. Свободные радикалы и их роль в процессах превращения микропримесей в атмосфере.

12. Смог Лондонского типа, химический состав, условия образования. Фотохимический 13. Дисперсные системы в атмосфере. Классификация аэрозолей по размерам и источникам образования.

14. Дисперсные системы в атмосфере. Критерии устойчивости.

15. Образование облаков и осадков в атмосфере.

16. Понятие кислотных дождей. Источники загрязнений и загрязнители, приводящие к образованию кислотных дождей.

17. Атмосферные процессы, лежащие в основе образования кислотных дождей.

18. Проблема кислотных дождей и методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей.

19. Характеристика гидросферы. Классификация природных вод. Минерализация.

20. Формирование состава природных вод. Основные анионы и катионы. Влияние рН. Органические вещества в природных водах.

21. Механизм химического выветривания. Виды выветривания: растворение, окисление, гидролиз.

22. Химический состав морей и океанов. Взаимодействие атмосферы и океана. Поведение химических элементов в морях и океанах.

23. Критерии загрязненности природных водоемов. Кислотность и щелочность. Содержание кислорода в воде.

24. Олиготрофное и эвтрофное состояние водоемов. Содержание биогенных элементов. Эвтрофикация.

25. Загрязнение водоемов органическими веществами и нефтепродуктами. Процессы превращения и распада загрязнителей.

26. Загрязнение водоемов неорганическими веществами, тяжелыми металлами, поверхностно-активными веществами. Влияние окислительно-восстановительных условий и процессов комплексообразования на превращения и распад загрязнителей.

27. Методы очистки сточных вод: механическая, химическая, биологическая.

28. Очистка питьевой воды. Обеззараживание воды методами хлорирования и озонирования.

Преимущества и недостатки этих методов.

29. Почва. Строение и структура почв. Минеральный состав почв. Процессы выветривания и почвообразование.

30. Органическое вещество почв. Гуминовые кислоты и фульвокислоты, их состав, строение, функции.

31. Буферные свойства почв. Кислотно-основная, окислительно-восстановительная буферность почв. Буферная емкость.

32. Поглотительная способность почвы. Коллоиды почвы. Виды поглотительной способности почвы.

33. Ионообменная способность почвы. Строение и свойства почвенного поглощающего комплекса. Емкость катионного и анионного обмена.

34. Химические процессы в почвах. Гидролиз почвенных соединений. Процессы комплексообразования.

35. Окислительно-восстановительный режим почвы. Границы окислительновосстановительной устойчивости. Влияние окислительно-восстановительного потенциала на трансформацию почвенных соединений.

36. Химическое загрязнение почв. Основные загрязнители и источники загрязнений. Загрязнение тяжелыми металлами, влияние рН.

37. Загрязнение почвы пестицидами. Связывание пестицидов почвой и их превращение.

38. Самоочищение почв. Физическое, химическое, биологическое самоочищение. Время самоочищения.

39. Распространение загрязняющих веществ в окружающей среде. Перенос между различными средами: вода - атмосфера и почва - атмосфера.

40. Перенос загрязняющих веществ между водой и почвой. Роль процессов адсорбции, десорбции, физических процессов на транспорт веществ.