ПРИМЕРНАЯ программа дисциплины
"ХИМИЯ"

Специальности: 013100 – Экология;
013400 – Природопользование;
013600 – Геоэкология

Предисловие

В предлагаемом курсе нашла свое отражение современная тенденция формирования экологических знаний на всех уровнях обучения. Учитывая, что курс химии является фундаментальной учебной дисциплиной, наиболее близкой к проблемам химии окружающей среды, целесообразно вводить основные экологические и химико-экологические знания и системы понятий именно в этом курсе. Задачи курса: формирование у студентов современных представлений о строении и свойствах химических веществ, закономерностях протекания химических процессов, освоение на этой основе определенных экологических знаний и систем понятий, развитие химического и экологического мышления. Вопросы, изложенные в разделах 1-7 в круглых скобках, могут быть по желанию лектора отражены или в указанных разделах, или в разделе 8.

Введение

Основные этапы развития химической науки. Место химии в системе естественных наук, представления о дифференциации и интеграции химии с геологией, биологией и другими естественными науками. Роль фундаментальной химической науки в решении проблем химии окружающей среды.

Основные химические понятия: атом, молекула, химический элемент, химическая реакция. Общенаучное и философское значение периодического закона Д.И.Менделеева. Периодическая система и порядковый номер (место) элемента как его важнейшая характеристика. Периоды и группы. Расположение металлов и неметаллов в периодической системе. Распространение химических элементов в земной коре. Химический состав отдельных геосфер. Основной закон геохимии (Гольдшмидт).

Закон сохранения материи и энергии (М.В.Ломоносов). Химическая и другие формы движения материи. Стехиометрические законы. Роль химии как производительной силы общества. Современные масштабы и темпы развития промышленности. Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. Взаимодействие человека и биосферы. Основные экологические проблемы, связанные с химическим загрязнением окружающей среды: разрушение озонового слоя, угроза парникового эффекта, выпадение кислотных осадков и т.п. Информационные системы наблюдений за изменениями в окружающей природе для предотвращения антропогенных последствий. Стратегия безопасного развития цивилизации. Ресурсосберегающие и безотходные технологии - основной путь решения глобальных экологических проблем.

1. Строение атома и химическая связь

Современные представления о строении атома, s-, p-, d- орбитали, их конфигурации и энергетические характеристики. Квантовые числа. Порядок заполнения орбиталей электронами. Принцип неопределенности Гейнзенберга, принцип Паули, правила Хунда и Клечковского. (Семейства биогенных, токсичных и радиоактивных элементов.)

Радиоактивность. Ядерная модель атома. Строение ядра. Изотопы. Стабильные и настабильные изотопы. Виды радиоактивного излучения. Радиоактивный распад: -распад, -распад, примеры распада радона -222, иода -131, стронция - 90.

Естественная и искусственная радиация, ее источники. Действие радиоактивного излучения на живые организмы. (Биоаккумуляция, биологическая взаимозаменяемость элементов.) Линейная и пороговая модели действия радиоактивного излучения на человеческий организм. Дозы облучения и радиобиологический эффект. Проникающая способность различных видов излучения. Проблемы ядерной энергетики. (Роль различных источников ионизирующего излучения в облучении населения. Ликвидация последствий крупномасштабных аварий. Методы дезактивации. Радиоактивные отходы, методы переработки и захоронения.)

Химическая связь. Основные характеристики химической связи: длина связи, энергия связи, валентностные углы. Характеристики взаимодействующих атомов: орбитальный и эффективный радиусы, потенциал ионизации, сродство к электрону; их зависимость от положения элемента в периодической системе. Типы химической связи: ионная, ковалентная, донорно-акцепторная, водородная, металлическая. Метод валентных связей. Примеры его применения для описания строения простейших химических соединений. Гибридизация атомных орбиталей: - и -связи. Пространственное строение молекул. Химическая связь с позиций метода молекулярных орбиталей (ММО). Связывающие и разрыхляющие МО. Энергетические диаграммы двух атомных гомо- и гетероядерных молекул.

(Сравнительная устойчивость основных компонентов атмосферы О, N₂, СО₂ и полютантов СО, NO_x, SO₂.) Молекулярные ионы и радикалы. Полярные и неполярные молекулы. Дипольный момент молекулы.

2.Закономерности протекания химических процессов

Энергетика и направление протекания химических процессов. Внутренняя энергия веществ. Энтальпия. Стандартные условия.

Тепловой эффект химических реакций при постоянном давлении и при постоянном объеме. Теплота образования и теплота сгорания вещества на примерах реакций образования оксида серы (IV) при выплавке серных руд, при сжигании серосодержащих топлив, при образовании оксидов азота в двигателях самолетов и автомобилей.

(Загрязнение окружающей среды (ОС): антропогенное, химическое. Источники теплового загрязнения. Формы и пути поступления загрязнителей в ОС.)

Закон Гесса: на примере реакции, описывающей эрозию мрамора и известняка. (Опосредованное воздействие на ОС, кислотные дожди, эрозию минералов, почв.)

Энтропия. Изменение энтропии в реакциях. Энергия Гиббса. Направление протекания химических процессов на примере реакций образования серной кислоты в атмосфере, а также реакций, протекающих при очистке дымовых газов от оксида серы (IV) известняком. (Защита ОС. Очистка дымовых газов: химический, механический и другие методы.)

Химическая кинетика и катализ. Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Константа скорости химической реакции.

Порядок и молекулярность химических реакций на примерах реакций оксиления оксида азота (II) в оксид (IV), а также превращения озона в кислород и взаимодействия оксида азота (II) с озоном. (Озоновые дыры. Прямое воздействие космического излучения на ОС.)

Механизм реакций. Лимитирующая стадия на примере реакции окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV). Механизм реакции на примере реакции фотосинтеза. (Биохимические круговороты веществ в ОС, круговорот углерода.)

Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Зависимость скорости химической реакции от температуры . Энергия активации. Уравнение Аррениуса.

Гомогенный и гетерогенный катализ на примере реакций разложения озона по "хлорному циклу" и по "азотному циклу".

Химическое равновесие. Обратимость химической реакции на примере равновесий в морской воде с участием растворенного углекислого газа. (Карбонатная буферная система Мирового океана.)

Практически необратимые реакции на примерах реакций сжигания органических топлив (загрязнения ОС: антропогенное, химическое; источники загрязнения); на примерах реакций осаждения тяжелых металлов в сточных водах (очистка сточных вод, химические методы очистки) и на примере реакции известкования почвы и воды (нейтрализация загрязнителей в ОС.)

Гомогенные и гетерогенные равновесия. Константа равновесия на примерах образования оксида азота (II) в двигателях внутреннего сгорания и очистки природного газа от серы до сжигания (безотходные технологии переработки сырья.)

Правило Ле-Шателье: на примерах реакций фотосинтеза и процессов в почвах - замещение протонов из ОН-групп на поверхности глины на ионы металла.

(Опосредованное воздействие на ОС: кислотные дожди, вымывание, выщелачивание почв. Защита ОС: очистка сточных вод на природных сорбентах, физико-химические методы очистки.)

Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса. Диаграммы состояния воды.

3. Растворы и дисперсные системы.

Общие сведения о растворах. Твердые и жидкие растворы. Водные и неводные ратворители. Энергетика процессов растворения. Зависимость растворения от температуры на примерах растворения СО₂ и О₂ в воде. (Биогеохимические круговороты веществ СО₂, О₂: Мировой океан как природный насос.)

Зависимость растворения от природы и свойств растворителя и растворенного вещества на примере соединений ртути.

(Воздействие на ОС, на человека и животных, передача загрязнителя по трофической цепи, токсиканты.)

Гидраты, сольваты, кристаллогидраты.

Растворы неэлектролитов. Законы Рауля и Генри. Эбулиоскопия и криоскопия. (Примеры очистки сточных вод от фенола вымораживанием, очистки сточных вод методом обратного осмоса.)

Осмос и осмотическое давление. Законы Вант-Гоффа.

Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты.

Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Степень диссоциации и константа диссоциации на примере диссоциации угольной кислоты. Закон разбавления Оствальда. Активность иона. Ионная сила раствора.

Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН). Буферные растворы. (Карбонатный буфер Мирового океана. Буферные системы в почвах.)

Труднорастворимые электролиты. Гидролиз водных растворов солей. Константа и степень гидролиза на примере использования солей алюминия и железа для очистки сточных вод от взвешенных частиц.

Произведение растворимости (ПР). Условия осаждения и растворения осадка – на примерах реакций связывания углерода и фосфора в природе. Фосфорные удобрения. (Химические источники загрязнения, прямое воздействие на ОС, эвтрофикация водоемов, биогеохимические круговороты веществ в природе. Защита ОС: очистка сточных вод физико-химическими методами. Метод коагуляции.)

Влияние комплексообразования на растворение. Важнейшие комплексообразователи и лиганды. Номенклатура комплексных соединений. Изомерия комплексов. Константа нестойкости комплексного иона.

Примеры реакций, используемых при очистке дымовых газов от оксида азота (II), реакций образования и распада окси- и карбоксигемоглобина.

(Воздействие СО на человека и животных. Токсичность. ЛД50, ПДК.)

Коллоидные растворы. Классификация дисперсных систем. Строение мицеллы. Устойчивость коллоидов. Золи и гели. Аэрозоли, дымы, туманы. Примеры реакций образования плотной дымки, окутывающей промышленные города; реакций, описывающих процессы при возникновении химического и фотохимического смога.

(Аэрозоли и загрязнение ОС: аэрозольный эффект, химический и фотохимический смоги.)

Жесткость воды. Способы устранения жесткости воды. Подготовка питьевой воды. Хлорирование и озонирование питьевой воды.

4. Равновесия в окислительно-восстановительных системах

Основы электрохимии. Равновесие на границе металл-раствор. Электродный потенциал. Ряд напряжений металлов. Уравнение Нернста. Гальванические элементы.

Электролиз расплавов и водных растворов солей. Инертные и активные электроды.

Примеры использования олова, цинка и магния для защиты железа от коррозии; извлечение меди и железа из халькопирита.

(Защита ОС, защита от коррозии, малоотходные, безотходные технологии, допустимая антропогенная нагрузка.)

Окислительно-восстановительные реакции. Важнейшие окислители и восстановители.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы. Направление протекания окислительно-восстановительных реакций. Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Примеры реакций, протекающих при очистке сточных вод от соединений хрома; примеры процессов, протекающих при очистке дымовых газов от оксида серы (IV) аммиаком, пример аэробного разложения мочевины.

(Окислительно-восстановительные реакции в мониторинге и защите ОС; аэробное и анаэробное окисление; экологически чистые окислители, электрохимический метод очистки сточных вод.)

5. Химический анализ

Аналитическая химия элементов. Основные методы и приемы выделения и определения элементов.

Аналитические проблемы: снижение пределов обнаружения, повышение точности, экспрессность анализа, локальность и анализ без разрушения, микро- и ультрамикроанализ.

Основные типы реакций и процессов в химическом анализе: кислотно-основные, окислительно-восстановительные комплексообразования, осаждения-растворения, сорбции и экстракции. Задачи и выбор метода обнаружения и идентификация атомов, ионов, молекул и веществ. Основные методы разделения и концентрирования: экстракция, осаждение, хроматография.

Тетриметрические методы анализа: кислотно-основное, окислительно-восстановительное, комплексонометрическое титрование. Электрохимические методы анализа. Общая характеристика методов. Потенциометрия. Кулонометрия. Вольтамперометрия. Атомно-эмиссионные и атомно-абсорбционные методы. Геологические объекты и особенности их анализа. Анализ силикатов, карбонатов, руд полиметаллов.

Объекты окружающей среды: воздух, природные и сточные воды, почвы, донные отложения; цели и особенности их анализа.

Вещества особой чистоты. Полупроводниковые материалы. Определение в них легирующих и примесных компонентов. ОЖЕ- и ЭСХ-анализы.

Органические и полимерные вещества. Особенность их анализа. Контроль за выбросами органических производств и нефтеперерабатывающих предприятий (фенолы, нефтяные углеводороды).

6. Основные понятия органической химии

Основные положения теории строения органических соединений. Валентность и координационное число. Гомологические ряды. Типы структурных фрагментов органических молекул. Простые и кратные связи. Строение органических соединений, структурная и пространственная изомерия. Типы органических реакций.

Углеводороды. Алканы и их производные. Гомологический ряд, номенклатура и изомерия. Химические свойства метана и его гомологов. Циклоалканы.

Алкены. Номенклатура, изомерия. Способы образования двойной связи. Дегидрирование. Этилен и его гомологи. Реакция полимеризации. Полиэтилен.

Алкины. Способы образования тройной связи. Химические свойства алкинов.

Ароматические углеводороды (арены). Бензол. Источники ароматических углеводородов. Электронное строение и химические свойства бензола. Алкилбензолы. Дифенил, строение и способы получения.

Нефть, природные газы и их переработка.

Гидроксипроизводные углеводородов. Предельные спирты. Метанол и этанол. Фенолы. Многоатомные спирты. Глицерин. Альдегиды, кетоны.

Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Реакции этерификации и омыления. Жиры.

Азотсодержащие органические соединения. Нитросоединения. Амины. Анилин. Аминокислоты. Белки.

Физико-химический метод исследования органических соединений. Колебательная ИК-спектроскопия. Электронная спектроскопия. Природа спектров, типы переходов. Хроматография как метод разделения и анализа. азовая и жидкостная хроматография. Хроматомасс-спектроскопия как количественный метод анализа.

7. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева как основа для изучения закономерностей в изменении свойств простых веществ и химических соединений

Обзор химических элементов по группам и периодам периодической системы элементов. Водород, галогены, кислород, халькогены, азот, фосфор, углерод, кремний.

Общий обзор металлов. Щелочные, щелочноземельные элементы. Алюминий. РЗЭ.

Переходные металлы. (Проблемы загрязнения природных объектов тяжелыми металлами. Миграция тяжелых металлов. Ряд токсичности металлов для различных организмов.)

Круговороты химических элементов. Круговороты азота, серы, фосфора и факторы, влияющие на них.

(Глобальный круговорот воды и углекислого газа.)

8. Химическая экология и окружающая среда

Некоторые экологические понятия

Концепция экосистем. Биосистема и биотический компонент. Принцип энерджентности. Кибернетическая природа экосистем. Факторы, определяющие степень стабильности экосистем. Классификация экосистем. Биотен и биоценоз. Сукцессии. Понятия "окружающая среда", "биосфера", "ноосфера".

Химическая экология атмосферы

Атмосфера как часть биосферы, предел ее пространства. Тропо-, страто- и мезопаузы. Диссипация атмосферных газов. Общий состав атмосферы и принципы ее классифицирования. Аэрозоли и их классификация, Прозрачность и альбедо атмосферы. Химические компоненты атмосферы, предопределяющие выпадение кислотных дождей. Механизм образования смога. Естественная радиоактивность атмосферы. Влияние первичных и вторичных космических лучей на состояние атмосферы. Радиоактивные аэрозоли.

Озоновый защитный слой

Механизм образования озона в атмосфере. Суточное и сезонное распределение озона в атмосфере. Озоновые дожди. Защитные функции озонового слоя. Озоновый1 парниковый эффект. "Азотный цикл" в образовании и разрушении озона. " Хлорный цикл" и его влияние на озоновый защитный слой. Биологическое воздействие озона. Влияние антропогенных факторов на озоновый слой. Озоновые "дыры".

Химическая экология гидросферы

Гидросфера и Мировой океан. Условная прозрачность морской и океанской воды. Соленость океана. Химический состав морской воды и подразделение его на группы. Механизм регулирования рН в океанах. Химические ресурсы океана. Влияние антропогенных факторов на океан. Биологическая вода, ювенильные воды. Пленочная, капиллярная, гравитационная вода и гидродинамические различия между ними. Регулирование рН речных и озерных вод. Различие между средним элементным составом поверхности пресных вод суши и мирового океана.

Химическая экология литосферы

Литосфера как часто биосферы. "Поверхность Мохо". Физико-химические особенности метафизических горных пород. Основной химический состав земной коры. Геохимическая классификация элементов. Биофильные элементы. Микро- и макробиогенные элементы. Общая характеристика подземной гидросферы. "Граница Конрада". Пленочная капиллярная и гравитационная вода, гидродинамические различия между ними. Средний элементый состав поверхностных пресных вод суши и Мирового океана. Принципы регулирования рН речных и озерных вод. Биогеохимические функции живого вещества. Функции живого вещества в виде "мыслящего интеллекта". Ноосфера как разумная оболочка планеты. Антропогенно-геологическая деятельность и охрана геологической среды.

Химическая экология и традиционная энергетика

Старение солнечной системы. Термодинамические принципы в экологии. Применение законов термодинамики к экосистемам. Коэффициент качества энергии и мера экологического оборота. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. Традиционные источники ресурсов. Фотохимические, фотоэлектрохимические и термоэлектрические процессы в плане энергетических ресурсов. Биогеохимические преобразователи энергии. Космические энергетические системы и перспективы их использования. Истощение традиционных источников энергии.

Биогеохимические циклы и круговороты химических веществ

Биогеохимический циклы ( осадочный и газовый). Круговороты азота, серы, фосфора, ртути и факторы, влияющие на них. Глобальный круговорот воды и углекислого газа. Метан и окись углерода в плане круговорота углекислого газа. Механизм процесса фотосинтеза. Химическая сущность процессов дыхания и их связь с процессами фотосинтеза. Антропогенные факторы, лимитирующие фотосинтез.

Химический мониторинг окружающей среды.

Мониторинг окружающей среды и его типы

Мониторинг окружающей среды и его типы. Физико-химические методы в мониторинге окружающей среды и их источники. Перманганатная и бихроматная окисляемость. ХПК и органический углерод, их взаимосвязь. Биологическое потребление кислорода (БПК). Коэффициент энергетического обмена бактерий. Показатель относительной нагрузки потока загрязняющим веществом и его связь с предельно допустимой концентрацией (ПДК). Поглощенная доза излучения. Единицы измерения радиоактивности.

Физико-химические методы очистки газовых выбросов

Принцип безотходной технологии. Коэффициент безотходности производства. Коэффициент возврата вещества в круговорот. Малоотходные технологии. Особенности очистки газовых выбросов в атмосферу. Основной состав отходящих газов, двигателей внутреннего сгорания. Катализаторы дожига выхлопных газов и их функции. Дымовая труба как очистное сооружение. Очистка газовых выбросов с помощью "коронного разряда". Фильтры Петрянова.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Классификация сточных вод. Биохимические методы очистки. Биопленка и ее функции. Огневой метод обезвреживания сточных вод, термоокислительное жидкофазное обезвреживание, метод вымораживания. Хлорирование. Озон, пероксид водорода и электрический ток как экологически чистые окислители. Электрокоагуляция и электрофлотация. Электродиализ, электрохимическое окисление. Гомогенно- гетерогенно- каталитическое окисление с использованием пероксида водорода. Очистка сточных вод методом озонирования.

Тяжелые металлы

Классификация и химические свойства. Особенности проблемы загрязнения природных вод объектов тяжелыми металлами. Источники загрязнения. Коэффициент водной миграции тяжелых металлов. Подвижность в подземных водах и ее зависимость от физико-химических характеристик ионов. Метод обессоливания. Электролиз и сорбционные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Кислотные дожди

Факторы, вносящие вклад в кислотность атмосферы. Мокрое и сухое осаждение кислотных потоков. Атмосферные процессы окисления сернистого газа и оксидов азота. Вклад хлористого водорода в кислотные дожди. Влияние кислотных дождей на геохимическую подвижность алюминия в почвах и водоемах. Механизм воздействия кислотных дождей на строительные материалы и архитектурные памятники. Альтернативные концепции в проблеме кислотных дождей.

Ксенобиотики и элементы водной токсикологии.

Пестициды и их общая характеристика, инсектециды, гербециды и фунгициды. Коэффициент накопления токсикантов. Влияние метильных, этильных, фенильных, гидроксил- , карбоксил- и амино- групп. Формы воздействия токсических веществ. Антагонизм, синергизм, сенсибилизация и аддитивное действие. Явления кумуляции и адаптации.

Химическая эволюция биосферы

Эволюция биосферы, ее абиотических и биотических составляющих. Эволюция элементарных частиц и химических элементов. Эволюция звезд и галактик, эволюция земли и планет солнечной системы. Эволюция органогенных молекул, эволюция биомономеров и биополимеров. Первичная и современная формы жизни. Ноосфера и ноосферное мышление.

Литература

Некрасов Б.В. Учебник общей химии. М.: Химия, 1981.
Общая химия /Под ред. Е.М.Соколовской, Л.С.Гузея. М.: Изд. Моск. ун-та, 1989.
Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд. Моск. ун-та, 1994.
Скурлатов Ю.И..Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. М.: Высш. шк., 1994
Экологическая химия. М.: Мир, 1997.
Реймерс Н.Ф. Экология. М.: Россия молодая, 1994.
Реймерс Н.Ф. Природопользование. М.: Наука, 1990.

Программу составили:
В.В.Сорокин, проф.;
Г.А.Богдановский, проф.;
Л.Л.Мешков, проф.;
О.К.Лебедева, доц
(Московский государственный университет)