Очистка воды от
органических загрязнителей

10 класс

Урок делится на лекционную часть и две лабораторные работы. Если ученики подготовлены, информационную часть можно представить в виде их докладов.
В начале занятия следует напомнить об уроках в 8-м и 9-м классах по теме «Очистка воды от загрязнений» (см.: «Химия», № 18, 47/2003) и подвести к мысли, что загрязнения бывают не только неорганическими, но и органическими.

ХОД УРОКА

Загрязнение воды нефтью

Море наполнено жизнью

Посмотрите, как красиво и величаво море. Причиной органических загрязнений воды могут быть нефть и нефтепродукты, попавшие в нее. Нефть в воде – бедствие глобального масштаба. Существует мнение, что основными источниками загрязнения воды нефтью являются танкерный флот, нефтепроводы, буровые платформы. Однако статистика показывает, что из миллионов тонн нефти, попадающей в Мировой океан, лишь половина поступает с транспортных магистралей, проходящих по океану, а другая половина – со стоками рек с суши. В результате аварий в 1980 г. в океан было сброшено около 200 тыс. т нефти. Но в то же время в океан сливается 2,5 млн т нефтепродуктов с промывочными водами (табл. 1).

Таблица 1

Нефтяное загрязнение

Допустимая норма содержания нефтепродуктов в воде 0,05 мг/л, при более высоком содержании все живое может погибнуть. Теперь сделайте подсчет, сколько литров морской воды будет непригодно при выбросе 2,5 млн т нефти.
Некоторая часть загрязнения приходится на природные источники нефти. Небольшая доля приходится на утечку нефтепродуктов с кораблей и танкеров, затонувших во время второй мировой войны, в результате коррозии корпусов кораблей (примерно 4 млн т).
После попадания в океан нефть начинает перемещаться под влиянием ветра, течения, приливов и отливов. Содержание нефти в воде изменяется в результате природных процессов, таких, как испарение и растворение (рис. 1). Происходит образование эмульсий, усвоение живыми организмами и выпадение в осадок. Состав нефти, загрязняющей воду, постоянно меняется.

Рис. 1. Схема процессов распределения и разрушения нефти, разлитой в море

Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25% нефтяного пятна испаряется, низкомолекулярные компоненты выводятся в результате растворения, причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем парафины. Однако парафиновые углеводороды легче разлагаются бактериями, поэтому циклопарафины и ароматические углеводороды исчезают из океанской среды с гораздо меньшей скоростью. Содержание питательных веществ и кислорода в воде является ключевым фактором в микробиологическом разложении. Подсчитано, что для полного окисления 4 л сырой нефти требуется столько кислорода, сколько его содержится в 1,5•10⁶ л морской воды, насыщенной воздухом при 60 °С.
Общее воздействие нефтепродуктов на обитателей морей и океанов можно разделить на пять групп (схема 1).

Схема 1

Характер воздействия нефти на обитателей морей и океанов

Эффекты покрытия и удушения являются основными вредными последствиями при загрязнении нефтепродуктами. Особенно уязвимы птицы. Когда оперение птиц покрывается нефтью, нарушаются его изолирующие свойства. При попытке очистить перья, птицы заглатывают загрязнения и гибнут. Загрязнения нефтепродуктами влияют также на их среду обитания.

Практическая работа 1.
Загрязнение природных объектов
нефтью и маслами

Оборудование и реактивы. Перо птицы, песок, кристаллизатор, щетка (можно использовать старую зубную щетку), нефть, машинное масло, бензин.
Задание. Рассмотрите птичье перо. Обратите внимание на его внешний вид и вес. Покройте перо машинным маслом (или нефтью). Теперь с помощью воды, бензина (керосина) и щетки попытайтесь очистить перо. Удалось ли вам это? Как выглядит перо после такой обработки?
Теперь покройте машинным маслом песок. Найдите способ его очистки. Какой метод вы использовали? Насколько успешно? Сделайте свои выводы.

Пестициды

Пестицидами называют вещества, обладающие токсичными свойствами по отношению к тем или иным живым организмам – от бактерий и грибов до растений и теплокровных животных. Пестициды – химические препараты, уничтожающие вредителей сельского хозяйства. Такие вещества применялись в небольших масштабах и сотни лет назад, причем первые пестициды включали соединения мышьяка, известково-серные смеси, соли меди. В настоящее время пестициды классифицируют по их целевому назначению:
инсектициды – для уничтожения насекомых;
гербициды – препараты против сорняков;
фунгициды – для защиты растений от грибковых болезней;
родентициды – для борьбы с вредными грызунами;
моллюскициды – для защиты растений от моллюсков;
нематоциды – для защиты растений от круглых червей.
Причиняющие вред организмы составляют 0,1% от их общего числа. Насчитывают около 3000 видов различных вредителей. Соответственно и используемые пестициды весьма разнообразны по своему строению (схема 2, табл. 2).

Таблица 2

Сведения о пестицидах

Свойства пестицидов различаются, соответственно различается и потенциальная способность загрязнять окружающую среду (испарение, растворение в воде и других растворителях, сопротивляемость разрушению). Нестойкие пестициды остаются в окружающей среде 1–12 недель, среднестойкие – 1–18 месяцев, стойкие – 2 года и более. Если разложение происходит быстро, пестициды практически не накапливаются в среде. Из четырех рассмотренных групп пестицидов (см. схему 2) только хлорпроизводные углеводородов относятся к стойким.

Схема 2

Важнейшие группы пестицидов – органических соединений

Наиболее изучена химия ДДТ как стойкого пестицида. Около 25% от используемого количества этого вещества переносится разными путями в океан (через дренажные системы, с водой рек, при эрозии почв, в результате переноса из атмосферы в водную среду). Основная опасность от ДДТ в морской среде – накопление этого вещества по цепи питания (схема 3).

Схема 3

Накопление инсектицида ДДТ по цепи питания

Хотя влияние пестицидов на птиц является наиболее известным примером, обнаружено их действие и на рыб. Доказано, что множество рыб погибает в результате накапливания пестицида в организме. Кроме этого происходят пагубные для них изменения (уменьшение толщины жаберных мембран, снижение содержания кислорода в крови, учащенное дыхание, ухудшение воспроизводства потомства).
Люди стоят вверху пищевой цепочки, следовательно, стойкие пестициды должны накапливаться и в них. По предварительной оценке, содержание ДДТ в тканях человека может достигать
5•10^–4–1•10^–3%.
Наряду с пищей попаданию пестицидов в организм – отравлению пестицидами – способствует также их применение в быту, например, в борьбе с тараканами.

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) состоят из двух компонентов: поверхностно-активного агента (уменьшение поверхностного натяжения и образование суспензии с частицами удаляемых загрязнений) и связывающего компонента (снижение жесткости воды). ПАВ могут также содержать отбеливающие вещества, ингибиторы коррозии, ферменты, душистые вещества. Классификация ПАВ основана на химической природе молекул, входящих в их состав (схема 4).

Схема 4

Классификация поверхностно-активных веществ

В качестве связывающих агентов служат смеси полифосфатов. В триполифосфате натрия Na₅P₃O₁₀ активным связывающим агентом является ион .
Разложение фосфорного компонента в воде (гидролиз) протекает по уравнению:

+ 2H₂O = 2 + .

Образующиеся продукты гидролиза не представляют угрозы для человека и животных, обитающих в воде. Однако надо учитывать действие фосфора на растения. Избыток фосфора инициирует следующую цепочку: бурный рост растений отмирание растений гниение обеднение водоемов кислородом ухудшение жизни организмов.

Практическая работа 2.
Сравнение свойств мыла и стирального порошка
жесткой и обычной водопроводной воде

Оборудование и реактивы. Колбы, индикаторная бумага, шкала с рН, мерный цилиндр; жесткая вода, обычная вода, мыльная стружка, стиральный порошок.

Степень вспенивания определяем условно. Берем каждый раз одно и то же количество воды
(50 мл) и добавляем одинаковый объем моющих средств (отмеряем шпателем или чайной ложкой).
Ученики сразу пытаются сделать вывод, что порошок – лучшее моющее средство. Однако учитель должен обратить внимание, что в данном исследовании можно сделать вывод только о щелочности моющей среды. Кроме того, по факту образования осадка мыла в жесткой воде можно говорить о предпочтительности порошка при стирке в жесткой воде, т.к. с ним осадок не образуется. (Здесь надо акцентировать внимание учащихся на умении составлять вывод об исследовании.)
Если позволяет время, можно проверить моющие свойства мыла и порошка. Для этого потребуются кусочки материала и какой-нибудь один вид загрязнения, например следы на ткани от шариковой ручки и губной помады, а также небольшие тазики или кристаллизаторы.
Можно провести качественную реакцию с нитратом серебра на наличие фосфат-ионов в порошке (это демонстрирует учитель с целью экономии реактива AgNO₃):

3AgNO₃ + Na₃PO₄ = Ag₃PO₄ + 3NaNO₃.

Итог урока

Вода – средство тушения – может гореть (например, нефтяные пленки).
Вода – символ чистоты – может быть самым коварным ядом (если в ней растворены ядовитые вещества).
Вода – символ среды первообразования жизни – может стать смертельным врагом живого (по причине недостатка кислорода или высокой кислотности среды).

При создании новых веществ человечество несет ответственность за безопасность их применения.
Экологические катастрофы, связанные с разливом нефтепродуктов, касаются не только какой-то одной страны. Это проблема мирового масштаба.
Химическое производство должно предусматривать закрытый цикл использования воды.
При применении пестицидов предпочтение следует отдавать тем формам, которые быстро разлагаются на безопасные вещества.
При использовании ПАВ требуются замкнутые циклы очистки воды или использование биологических способов очистки (применение микроорганизмов или специальных водорослей).

ЛИТЕРАТУРА

Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М.Бокриса. М.: Химия, 1982;
Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979;
Чернова Н.М., Галушин В.М., Константинов В.М. Основы экологии. 10–11. М.: Дрофа, 1999;
Табер А.М. Нефть – прошлое, настоящее, будущее. М.: Просвещение, 1987.

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)