Экологическая химия

В. А. Исидоров 

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ 
ХИМИЯ 

Допущено Министерством образования  
Российской Федерации  
в качестве учебного пособия для студентов  
высших учебных заведений, обучающихся  
по специальности "Охрана окружающей среды  
и рациональное использование природных ресурсов" 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ  
2024

УДК 502.55 
Федеральная программа 
И 859 
книгоиздания России 

Р е ц е н з е н т ы :

Профессор, д-р хим. наук  А. В. Суворов, химический факультет 
Санкт-Петербургского государственного университета 
Профессор, д-р техн. наук  И. В. Вольф, Санкт-Петербургский технический университет растительных полимеров 

ИСИДОРОВ В. А. 

И 859 
Экологическая химия: Учебное пособие для вузов. 
Изд. 5-е, стереотип.– СПб: Химиздат, 2024. – 304 с.: 
ил. ISBN 978-5-93808-438-4

Посвящено проблемам глобальных и крупнорегиональных изменений, происходящих в результате антропогенного нарушения эволюционно сложившихся на нашей 
планете химических равновесий. Показана ведущая 
роль всей совокупности живых организмов (биоты Земли) в формировании циклов элементов и таких глобальных характеристик, как уровень достигающей земной 
поверхности солнечной радиации, климат и окислительная емкость атмосферы. Отдельные главы посвящены аэрозольной составляющей атмосферы, проблемам кислотных осаждений, химии тропосферного и 
стратосферного озона, а также особо опасным загрязняющим компонентам – соединениям тяжелых металлов, радионуклидам и органическим экотоксикантам. 
Для студентов и аспирантов вузов при изучении природоохранных дисциплин, преподавателей высшей и 
средней школы, а также для специалистов по охране 
окружающей среды. 

И
1502000000–018 

050(01)–2024
Без объявл. 

ISBN 978-5-93808-438-4 

 В. А. Исидоров, 2001, 2024 
 ХИМИЗДАТ, 2001, 2024

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящее учебное пособие подготовлено на базе конспектов 
лекционного курса по экологической химии, читаемого автором 
на протяжении ряда лет на химическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета и студентам Варшавского (филиал в Белостоке) университета. Введение этого 
курса в учебные планы химических факультетов университетов 
разных стран, а также организация в Санкт-Петербургском 
университете межкафедральной специализации "Экологическая 
химия" явились признанием того факта, что в настоящее время 
высшее химическое образование нельзя считать завершенным и 
совершенным, если студент не получил определенного запаса 
знаний о химических проблемах экологии. Изучение этих дисциплин тем более необходимо, что все больше дипломированных 
химиков включается в работу природоохранных организаций 
различного уровня. 
Совершенно очевидно, что экологические проблемы современности возникли в результате активного и, как все чаще приходится убеждаться, весьма опрометчивого вмешательства человека в тесное переплетение абиотических и биологических процессов, определяющих своей совокупной деятельностью облик 
биосферы Земли послеледниковой эпохи четвертичного периода. 
Естественно, что проникновение в суть этих проблем и их решение требуют междисциплинарного подхода. Поэтому задача 
подготовки специалистов широкого профиля, не замыкающихся 
на специфических – химических, геологических, географических или чисто биологических – проблемах экологии, а способных к взаимодействию с представителями смежных дисциплин, 
становится в ряд главных приоритетов высшей школы. 
При подготовке книги использовались самые различные источники: публикации в международных и отечественных научных журналах химического, геофизического и биологического 
профиля, в сборниках трудов и материалах конференций, научные монографии и учебники. В разные годы в нашей стране было издано несколько учебных пособий и монографий, посвященных отдельным аспектам химических проблем экологии, и 

некоторые из них не утратили своего значения по сию пору. Однако тираж большинства таких книг был очень небольшим, и 
рассчитывать на широкое использование студентами изданий, 
по существу, ставших библиографическими редкостями, сейчас 
нельзя. Особенно приходится сожалеть о малой доступности 
превосходной книги Питера Бримблкумба "Состав и химия атмосферы" (Москва, "Мир", 1988) из серии четырех монографий 
Кембриджского университета по проблемам окружающей среды. Материалы этой книги широко использовались автором в 
разделах лекционных курсов, касающихся химии атмосферы. 
В данном пособии автор не имел возможности привести полный библиографический перечень всех использованных работ. 
Каждый раздел содержит список лишь избранных источников, 
рекомендуемых для самостоятельной подготовки и углубленного изучения предмета. 
Поскольку изучение экологической химии и методов моделирования химических процессов в окружающей среде специализирующимися в этой области студентами включает не только 
лекционные курсы, но и семинарские занятия, данное пособие 
снабжено приложениями, содержащими способы выражения 
констант скоростей реакций и переводные коэффициенты и некоторую дополнительную информацию, необходимую для решения учебных задач. 
Весьма поучительным и полезным оказалось изучение конспектов лекций по читаемому автором курсу экологической химии, любезно предоставленных некоторыми студентами химического факультета Санкт-Петербургского университета. Всем 
им хочу выразить свою благодарность. Особую благодарность 
приношу А. В. Суворову и И. В. Вольфу за внимательное прочтение рукописи и ряд ценных замечаний. 
Надеюсь, что это учебное пособие привлечет внимание преподавателей природоохранных дисциплин и будет полезно студентам соответствующих специализаций, причем не только химических, но и других факультетов университетов и высших 
учебных заведений. 

Проф. В. А. Исидоров 

Химик, который ограничивается только 
знанием химии и не обращает внимания на 
достижения других наук, мало повлияет на 
развитие экологической химии. 

Дж. О. М. Бокрис

ВВЕДЕНИЕ 

Сейчас почти ни у кого не остается сомнений не только в потенциальных, но и во вполне реальных возможностях человечества вызвать необратимую деградацию самой крупной из известных нам экосистем – биосферы Земли. Такого рода катастрофическое явление, если оно произойдет, обесценит абсолютно 
все достижения человечества и, вполне вероятно, сделает невозможным его дальнейшее существование. Если же всмотреться в 
суть происходящих и прогнозируемых процессов, будь то изменение климата, окислительного потенциала атмосферы, состояния озоносферы или уменьшение биоразнообразия и продуктивности морской и континентальной биоты, то окажется, что в основе их лежит нарушение эволюционно сформировавшихся 
химических равновесий в окружающей среде. 
К настоящему времени сложился целый комплекс научных 
дисциплин, объектом изучения которых являются химические 
процессы в окружающей среде. Все они могут быть объединены 
под общим названием "Химия окружающей среды". В широком 
понимании химия окружающей среды включает в себя все то, 
что изучается геохимией, гидрохимией, химией почв и химией 
природных соединений биологического происхождения. Однако 
обострение экологической ситуации, принявшее во многих районах мира характер кризиса, имеющего тенденцию к расширению и глобализации, привело к выделению из этого комплекса 
новой научной дисциплины – экологической химии. Предметом 
ее исследований являются химические процессы в окружающей 
среде в связи с изменениями, вносимыми в них деятельностью 
человека (хозяйственной, военной и иной). Таким образом, в 
сферу интересов экологической химии попадают те химические 
процессы в геосферах (атмосфере, гидросфере, педосфере и литосфере), которые оказываются под прямым или косвенным влиянием человечества. 
Отношения между экологической химией и химией окружающей среды есть отношения части и целого. Прилагательное 

"экологическая" указывает на то, что данной наукой изучаются 
процессы, в конечном счете определяющие условия существования живых организмов (включая человека) на нашей планете. В 
силу "привязки" к антропогенному фактору в поле зрения экологической химии попадают те части геосфер, в которых наблюдаются или могут происходить антропогенно обусловленные 
изменения химических процессов. В целом, они совпадают с 
традиционно определяемыми границами биосферы. За ее пределами, но в фокусе внимания экологической химии находятся 
верхняя тропосфера и стратосфера Земли. 
Временные пределы изучаемых экологической химией процессов составляют от долей минуты до нескольких столетий. 
В этом заключается главная особенность, отличающая ее от 
геохимии, как правило, охватывающей целые геологические 
эпохи. 
Экологическая химия использует все многообразие применяемых в химии методов анализа, но специфическими для нее 
можно считать "гибридные" методы, сочетающие в едином 
процессе высокоэффективное разделение (например, хроматографическое) и количественное определение с одновременной 
идентификацией – масс-спектрометрической, спектроскопической в инфракрасной области, атомно-абсорбционной и 
т. п. Само возникновение таких методов в значительной мере 
было стимулировано необходимостью получения информации о 
химическом составе (обычно на уровне микропримесей) воздуха, 
воды, почвы и биоты для решения химико-экологических задач. 
Широкое применение находит в ней лабораторное и численное моделирование химических процессов в геосферах. Лабораторное моделирование позволяет выявить механизмы превращений отдельных соединений или групп соединений под действием как природных, так и антропогенных факторов. Численное 
моделирование имеет целью получение сценариев возможных 
изменений в окружающей среде на разных уровнях – от локального до глобального. Развитие и совершенствование таких 
сценариев должны давать исходный материал для разработки 
научно обоснованной стратегии охраны среды обитания и биосферы в целом от непреднамеренных нарушений химических 
равновесий под влиянием человеческой деятельности. 

Глава 1 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
О ГЕОСФЕРАХ ЗЕМЛИ 

 
 
 

1.1. ВВЕДЕНИЕ 

Возникновение геосфер – концентрически распо
ложенных слоев, различающихся по химическому составу и агрегатному состоянию, – связано с дифференциацией вещества 
при формировании и в ходе последующей эволюции нашей планеты. С географических позиций выделяют внутренние и внешние геосферы. В число первых входят земная кора, мантия и ядро, заключающие в себе почти всю массу планеты. Дифференциация 
вещества 
внутренних 
геосфер 
и 
пополнение 
ее 

продуктами атмосферы, гидросферы и, отчасти, земной коры 
продолжаются до настоящего времени. Некоторые общие характеристики геосфер приведены в табл. 1.1. 

 

Таблица 1.1. Строение Земли и некоторые характеристики геосфер 

Геосфера 

Расстояние нижней границы 

от поверхности Земли  

на уровне моря, км 

Объем, 
1018 м3
Масса, 
109 Гт 

Доля массы  

геосферы от массы

 планеты, % 

Атмосфера (до 
высоты 2000 км)

– 
1320
0,005
10–6 

Гидросфера
11,02
1,4
1,4
0,02

Земная кора
5–70
10,2
28,5
0,48

Мантия
до 2900
896,6
4013
67,2

Ядро 
6371 
175,2
1934
32,3 

 

Поверхность планеты, гидросферу, нижний слой атмосферы 

и верхний слой земной коры объединяют также под названием 
географическая оболочка, которая стала местом возникновения 
жизни и эволюции разнообразных ее форм. Живые организмы 
(биота), принимая участие во многих глобальных геохимических (биогеохимических) процессах, внесли решающий вклад в 
преобразование химического состава географической оболочки 
Земли. Вся область распространения жизни: нижняя атмосфера 
до высот примерно 6–7 км, вся толща океаносферы, самый 
верхний слой земной коры с подземными водами, – а также области геосфер, в той или иной степени преобразованные деятельностью биоты в предшествующие периоды, называется био

сферой. Таким образом, биосфера объединяет живые организмы 
и всю среду их современного (и былого) обитания. 

Каждая из планетарных оболочек является сложной с точки 

зрения химии и динамической системой, характеризующейся как 
внутренними, так и внешними (межгеосферными) взаимодействиями. К числу последних относится, например, обмен газами 
между атмосферой и гидросферой, атмосферой и биотой. Относительно недавно выяснилась решающая роль живых организмов в функционировании уникальных по своим масштабам и 
сбалансированности биогеохимических циклов. 

Суть явления заключается в том, что в условиях постоянно
го притока солнечной радиации благодаря биоте происходит непрерывное движение биофильных элементов (C, N, H, O, S, P, 
Ca, Fe) через состояния с высоким химическим потенциалом, 
когда эти элементы входят в состав живых тканей, к состояниям 
с низкими уровнями энергии – по мере разложения тканей. Таким образом, возникает своеобразный, интерактивный по своей 
природе планетарный метаболизм – совокупность взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов. 
Именно такая совокупность процессов определяет химический 
состав атмосферы, гидросферы и земной поверхности и, в конечном счете, все характеристики окружающей природной среды, делающие ее пригодной для существования современных 
нам форм жизни на планете. К числу таких характеристик относятся прежде всего радиационный режим и климат Земли. 

Познание механизма "планетарного метаболизма", количе
ственная оценка динамики глобальных биогеохимических циклов и характеристика их устойчивости по отношению к внешним воздействиям (прежде всего, антропогенным) относятся к 
наиважнейшим задачам современного естествознания, в том 
числе экологической химии. При этом важно отметить, что распознание тех или иных негативных изменений возможно лишь 
в случае достаточно хорошего знания "фоновых" ("нормальных") характеристик геосфер и циклов элементов. 

 

1.2. АТМОСФЕРА 

 

1.2.1. ГАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И РАДИАЦИОННЫЙ РЕЖИМ  

АТМОСФЕРЫ 

Атмосферой называется газовая оболочка Земли, вращающаяся 

вместе с нею. Общая масса земной атмосферы составляет примерно 
5,15  1015 т. Верхняя ее граница лежит на высоте около 1000 км над 
уровнем моря; выше располагается так называемая корона Земли, 

простирающаяся на расстояние около 20 тыс. км и состоящая 
главным образом из водорода и гелия. Более 50 % массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое толщиной 5,5 км, а в слое толщиной 40 км – более 99 %. Атмосфера обладает наименьшей массой из 
всех других геосфер нашей планеты: она составляет примерно 1/1000 
массы гидросферы и около 1/10 000 массы земной коры. 

Отличительной чертой атмосферы является высокая под
вижность. Время вертикального перемешивания в слое толщиной 11 км – около 2,5 месяцев. Еще одна важная характеристика атмосферы – это постоянство состава главных компонентов и 
чрезвычайно высокая изменчивость множества малых примесей 
воздуха. На 99,9 % по объему воздух нижних слоев атмосферы 
(до высоты 90–100 км) состоит из азота, кислорода и аргона. К 
постоянным компонентам относятся также водород и инертные 
газы – гелий, неон, ксенон и криптон. Все остальные обнаруживаемые в воздухе компоненты сильно варьируют как во времени, так и в различных частях атмосферы. Состав сухого воздуха 
на уровне моря в объемных долях следующий: 
 

Компонент 
 Объемная  
  доля, % 
Компонент 
Объемная  
доля, % 

Азот
78,084
Аммиак
< 1  10–4

Кислород
20,948
Оксид азота(II)
< 1  10–4

Аргон
0,934
Оксид азота(I)
3,04  10–5

Диоксид углерода
3,65  10–2
Ксенон
8,7  10–6

Неон
1,818  10–3
Диоксид серы
< 7  10–6

Гелий 
5,24  10–4
Озон 
< 2  10–6 
(зимой)

Метан 
1,72  10–4
 
< 120  10–6  

(летом)

Криптон
1,14  10–4
Oксид азота(IV)
< 2  10–6

Водород
5  10–5
Оксид углерода
(5–8)  10–6

 
Термическое строение атмосферы представлено на рис. 1.1. Как 

видно, отдельные слои выделяют на основании хода температуры, 
неоднократно изменяющего свой знак с высотой во всей толще атмосферы. Некоторые характеристики этих зон приведены в табл. 
1.2. Следует отметить, что границы отдельных слоев, разделяемых 
узкими переходными зонами, называемыми паузами, строго не 
фиксируются. Их положение зависит главным образом от экзогенного (внешнего) фактора – активности Солнца и уровня поступающей от него радиации. Высота тропопаузы меняется примерно от 8 
км над полюсами до 16–18 км над экватором. Изменение этой границы происходит не монотонно: тропопауза имеет разрывы около 
60 и 30 широты в каждом из полушарий. Кроме того, как это выяснилось в последние годы, тропопауза образует складки. 

Рис. 1.1. Вертикальное распределение температуры и давления  

в атмосфере 

 
Заслуга установления сложной термической структуры атмосферы 

принадлежит французскому геофизику Тейсеран де Бору (1899), обнаружившему изменение хода температуры воздуха при метеорологическом 
зондировании атмосферы до высоты 15 км. С исследованием химического 
состава и строения атмосферы связаны имена множества людей, внесших 
огромный вклад в мировую науку. Это, в первую очередь, 

 

Таблица 1.2. Основные зоны атмосферы 

Зона 

Нижняя и верхняя 

границы, км  

над уровнем моря 

Температурный  
градиент, К/км 

Температура, С 

Нижняя 
граница

Верхняя 
граница

Тропосфера
0 – (8–18)
–6,45
15
–56

Стратосфера
(8–18) – (50–55)
+1,38
–56
–2

Мезосфера
(50–55) – (80–85)
–2,56
–2
–90

Термосфера 
(80–85) – 1000 
+3,13 
 –92 
1200