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

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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.

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.

Źródło:

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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,
muzak

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.

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

: Zwałowisko Pochwacie (Jastrzębie -

Zdrój)

Rysunek 2:

Nowy Jork nocą

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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.

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,

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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:

CaCO

→ CaO + CO

↑

lub działając praktycznie dowolnym kwasem (np. octowym, solnym, cytrynowym) na
węglany, np. węglan wapnia, węglan (Na2CO3) lub wodorowęglan (NaHCO3) sodu:

+ 2HCl → 2NaCl + CO

↑ + H

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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)

]

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.

+ Ca(OH)

→ H

O + CaCO

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

w przemyśle spożywczym składnik napojów gazowanych (dodatek do żywności nr
E290).

Dwutlenek siarki (IV)

(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:

+ H

O → H

Mało stężony kwas siarkowy jest składnikiem tzw. Kwaśnych deszczy, których działanie
pokazuje rys. 5.

Tlenek azotu (IV)

Tlenek azotu(IV) (dwutlenek azotu), NO

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.

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

Pierwiastki i związki chemiczne a zanieczyszczenia środowiska Krystyna Wędrychowska

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

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