Химия окружающей среды

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 1336 

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов 

А.Л. Петелин 
Е.С. Михалина 
 

Химия окружающей среды 

 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва Издательский Дом МИСиС 2010 

УДК 54.504 
 
П29 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. И.В. Апыхтина 

Петелин А.Л., Михалина Е.С. 
П29  
Химия окружающей среды: Курс лекций. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2010. – 71 с. 
ISBN 978-5-87623-328-8 

Исследованы процессы формирования химического состава окружающей 
среды. Рассмотрены проблемы устойчивости биосферы в целом и человеческой цивилизации в частности при появлении в природе большого количества новых веществ в результате техногенных выбросов.  
Предназначен для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», а также может быть полезен для подготовки дипломированных специалистов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных 
ресурсов» и при изучении специальных предметов на второй ступени обучения при подготовке магистров. 
 

УДК 54.504 

ISBN 978-5-87623-328-8 
© Петелин А.Л., 
Михалина Е.С., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Формирование химического состава природной среды ...................5 
1.1. Происхождение Вселенной. Образование химических 
элементов...............................................................................................5 
1.2. Солнечная система, элементный состав космического 
пространства и химический  состав планет .......................................7 
1.3. Планета Земля: образование, строение, формирование 
химического состава геосфер............................................................15 
2. Химия живых организмов и ее влияние на среду обитания...........24 
2.1. Химические условия на Земле  в период зарождения 
жизни ...................................................................................................24 
2.2. Термодинамическая устойчивость существования 
биомолекул. Метастабильность живой природы ............................25 
2.3. Формирование биосферы и современного состава 
природных сред ..................................................................................26 
3. Химическая устойчивость биосферы ...............................................33 
3.1. Поле устойчивости живых организмов и биосферы ................33 
3.2. Биосферные катастрофы, их классификация............................34 
4. Изменение химического состава природной среды под 
действием техногенных выбросов ........................................................35 
4.1. Элементный и вещественный состав выбросов 
промышленных предприятий, транспорта и других сфер 
человеческой деятельности ...............................................................35 
4.2. Загрязнение атмосферы и гидросферы......................................37 
5. Влияние химического состава среды на биологические 
объекты....................................................................................................42 
5.1. Отклик живого организма на изменение химического 
состава среды обитания .....................................................................42 
5.2. Классификация токсичных веществ. Количественные 
критерии токсичности........................................................................44 
5.3. Металлы в биосфере, их влияние на живые организмы ..........47 
6. Способы прогнозирования состава окружающей среды ................54 
6.1. Термодинамический анализ сложных химических систем.........54 
6.2. Кинетический способ расчета концентраций веществ в 
среде обитания....................................................................................56 
Библиографический список...................................................................60 
Приложение.............................................................................................61 

Введение 

Изучение данной дисциплины дает возможность рассмотреть основы процессов формирования химического состава среды обитания 
человека. При этом под средой обитания понимается не только область непосредственного контакта человека с окружающей природной средой, но весь доступный органам чувств мир – мир звезд, планет, земной мир во всем своем многообразии, мир неорганической 
материи и мир живой природы.  
Материал, изложенный в данном курсе лекций, позволит получить представление о причинах появления химических веществ, заполняющих воздушную, водную и твердую сферы Земли, познакомиться с современными научными сведениями относительно путей 
возникновения всех химических элементов Периодической системы 
Д.И. Менделеева. При изложении материала особое внимание уделено изменениям химического состава природной среды и процессам, 
протекающим в ней под влиянием живых организмов за время существования Земли, техногенному влиянию цивилизации на природную 
среду. Рассмотрены природные и техногенные токсичные вещества, 
описано их биологическое действие, приведены критерии токсичности, указаны способы нейтрализации влияния этих веществ. 
 

1. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО 
СОСТАВА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 

1.1. Происхождение Вселенной.  
Образование химических элементов 

Одной из самых сложных проблем науки является фундаментальная проблема происхождения Вселенной. Существуют различные 
теории возникновения и развития нашей Вселенной. Самой современной и принятой за основу в настоящее время является теория 
Большого взрыва. Формирование химического «портрета» природной среды, такого, каким мы его знаем, т.е. формирование сегодняшнего состава всех природных сред, несомненно связано с процессами 
возникновения и развития Вселенной в целом.  
Как предполагает современная наука, во Вселенной, образовавшейся 15–20 млрд лет назад в результате так называемого Большого 
взрыва, не было химических элементов, а лишь элементарные частицы – протоны, электроны, γ-кванты (высокоэнергетические фотоны) 
и некоторые другие, которые до нашего времени не дожили. Под 
действием сил тяготения облака разреженного газа этих частиц начали сжиматься. Этому сжатию ничто не препятствовало, пока в образовавшихся сгущениях – протозвездах – плотность не достигла значений около 100 г/см3, а температура – около 1⋅107 К (повышение 
температуры происходило вследствие перехода гравитационной 
энергии сжатия в тепловую). В этих условиях протоны приобретали 
достаточную скорость, чтобы преодолеть барьер электростатического отталкивания и сблизиться на сверхмалые расстояния, при которых вступают в действие ядерные силы. На протозвездах начали 
происходить реакции ядерного синтеза: 

 
( , )
р
р
р п
е+
+
→
+
+ ν , 

где p – протон; 
n – нейтрон; 
е+ – позитрон (положительно заряженный электрон); 
ν – нейтрино. 

Образовавшиеся составные частицы – дейтроны (ядра тяжелого 
изотопа водорода – дейтерия) – присоединяли к себе еще один протон, образуя ядра легкого изотопа гелия – Не3: 

 
3
( , )
Не
р п
р
+
→
+ γ , 

где γ – γ-квант. 

Далее реакции ядерного синтеза, как предполагают, развивались 
по следующему сценарию: 

 
3
3
4
2
Не
Не
Не
р
+
→
+
, 

где Не4 – ядро стабильного изотопа гелия: 

 
4
3
7
Не
Не
Ве ,
+
→
 

и далее до изотопов Li, B, Be.  
Пока происходили эти ядерные реакции, дальнейшее сжатие звезды было невозможно, так как ему противодействовало давление излучения, возникающего при ядерных процессах. По мере «выгорания» протонов (ядер атомов водорода) давление внутри звезды 
уменьшалось, и она начинала вновь сжиматься, что вызывало рост 
плотности и температуры. При плотности 1⋅105 г/см3 и температуре 
1⋅108 К стали возможны столкновения более тяжелых частиц и синтез 
следующих элементов: 

 
4
4
8
+
→
+ γ
Не
Не
Ве
; 

 
8
4
12
Ве
Не
С
+
→
+ γ ; 

 
12
4
16
С
Не
О
+
→
+ γ ; 

 
16
4
20
О
Не
Nе
+
→
+ γ . 

Когда исчерпывались частицы для этих реакций, продолжалось 
сжатие, и при плотности 1⋅106 г/см3 и температуре около 1⋅109 К происходило образование ядер следующих элементов в процессах так 
называемого углеродно-азотного цикла: 

 
12
4
14
С
Не
N
( , )
р п
+
→
+
; 

 
12
12
24
С
С
Мg
+
→
+ γ ; 

 
14
14
28
N
N
Si
+
→
+ γ ; 

 
16
16
32
О
О
S
+
→
+ γ . 

Новое сжатие следовало при достижении плотности 3⋅106 г/см3 и 
температуры 3⋅109 K с образованием металлов железной группы: 

 
28
28
Si
Si
(Co,Fe,Ni)
+
→
. 

Реакции между другими ядрами приводили к образованию всех 
остальных элементов, занимающих позиции между серой и группой 
железа. 
На более поздних этапах сжатия образовывались более тяжелые 
элементы, вплоть до радиоактивных актиния, тория и урана, занимающих последние позиции. Эти ядра самопроизвольно распадаются, поэтому только незначительная часть из них просуществовала до 
нашего времени. 
Дальнейшее развитие звезд приводило к гигантским взрывам 
(сверхновые и новые звезды); звездное вещество в огромных количествах выбрасывалось в пространство, образуя облака космического 
газа и пыли. В этих облаках содержались практически все химические элементы, синтезированные в результате ядерных реакций в 
недрах звезд. 
Водород и гелий содержатся во Вселенной в наибольшем количестве как реликты самых ранних мгновений образования элементов. 
Однако процесс образования звезд привел к характерному относительному содержанию элементов в космосе. Литий, бериллий и бор 
недостаточно устойчивы внутри звезд, поэтому содержание этих элементов во Вселенной невелико. Углерод, азот и кислород образовались в результате продуктивного циклического процесса в звездах, 
что привело к их относительно высокому содержанию. Кремний довольно устойчив к фотодиссоциации (разложению светом) в звездах, 
поэтому он тоже распространен и доминирует в окружающем мире 
минералов.  

1.2. Солнечная система, элементный состав 
космического пространства и химический  
состав планет 

Пылевые и газовые облака, вращавшиеся вокруг звезд, постепенно сгущались, распадаясь на отдельные фрагменты, которые под 
действием тех же гравитационных сил уплотнялись и со временем 
приобретали характерную для планет сферическую форму. Массы 
«протопланет» значительно уступали массе центральной звезды, вокруг которой они вращались, поэтому при сжатии вещества не про

исходили ядерные реакции – плотности и температуры были недостаточны. Однако химические реакции между элементами, имеющимися в составе протопланет, могли происходить. При этом образовывались химические вещества – оксиды, силикаты, сульфиды, сульфаты и другие более сложные соединения, которые широко представлены в веществе нашей планеты и в настоящее время.  
Согласно гипотезе российского академика О.Ю. Шмидта, которая 
поддерживается большинством ученых, занимающихся этим вопросом, 
сначала вокруг уже существующего Солнца вращалось допланетное 
газопылевое облако. Анализ движения мелких частиц показал, что, 
вращаясь вокруг Солнца по различным орбитам, частицы, которых было огромное множество, неизбежно сталкивались друг с другом. Это 
приводило к обмену между ними энергией, разогреву и их слипанию в 
вакууме. В результате столкновения и слипания «усреднялись» параметры движения частиц, сближались орбиты. К слипшимся частицам 
присоединялись новые, образовывались сгустки, которые росли в размерах тем быстрее, чем больше становились. Это является следствием 
закона всемирного тяготения: чем массивнее тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие тела. Так постепенно образовывались первичные 
зародыши планет. Чем крупнее они становились, тем ближе к круговым 
(вследствие «усреднения») становились их орбиты. Углы наклона орбит 
также «усреднялись», что на следующем этапе привело к образованию 
планет, орбиты которых находятся почти в одной плоскости. И изменением формы орбит, и выравниванием плоскостей вращения вокруг 
Солнца также управлял закон всемирного тяготения.  
В областях, близких к Солнцу, частицы, образовавшие планеты, 
сильно нагревались. Летучие легкие компоненты, входящие в их состав (замерзшие газы), испарялись. Поэтому поблизости от Солнца 
образовались небольшие планеты, состоящие из тугоплавких тяжелых элементов, – Меркурий, Венера, Земля и Марс – планеты земного типа. В более далеких и, как следствие, более холодных частях 
Солнечной системы легкие элементы, находящиеся первоначально в 
твердом состоянии, сохранились. Поэтому там образовались планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, состоящие в основном 
из водорода и его соединений. Совсем далеко от Солнца, там, где 
вещества в газопылевом облаке оставалось уже немного, образовался 
небольшой Плутон. Его орбита не смогла придти к оптимальному 
виду, так как за ним уже не было значительных масс для образования 
других тел. Однако по поводу образования Плутона высказываются и 
другие предположения.