2011hemija zivotne sredine 2

1

Хемија животне средине- предавање 2

8. Земљиште

- земљиште представља површински растресити слој Земљине коре настао физичком и хемијском ерозијом геолошке подлоге уз учешће живих организама и климатских фактора

- у земљишту се додирају и прожимају литосфера, атмосфера, хидросфера и биосфера

- комплексна смеса неорганског и органског материјала

- у порама се налазе ваздух и вода, а све је то заједно природна средина великог броја живих организама

- колоидно-биолошки систем специјалних физичких, физичко-хемијских и хемијских карактеристика

- кроз овај систем циркулишу разне супстанце у облику правих и колоидних раствора и одвија се мноштво реакција

2


- миграција у облику раствора углавном наниже, под дејством силе Земљине теже

- земљиште се понаша као огромна хроматографска колона

- адсорпциони и десорпциони процеси

- резултат кретања супстанце, хемијских реакција и биолошке активности: слојеви одређених хемијских и биолошких карактеристика- хоризонти

- наука која проучава земљиште- педологија

- земљиште се ствара таложењем аутохтоног и алохтоног материјала

- материјал постао и постаје механичким, хемијским и биохемијским разлагањем матичних стена и биљних и животињских остатака

- дуготрајан процес, у крајевима са умереном климом z х 1000 година

- основни елементи: распадање (ерозија), таложење и преношење

3


- преношење могуће водом, ветром или преко живих организама

- распадање (ерозија, разлагање) може да буде механичко, хемијско и биолошко.

- механичко се одвија под утицајем кретања материјала (ситњење), због промене температуре (грејање, мржњење) и под утицајем ветра који носи већ иситњени материјал и абразијом еродира матичне стене (еолска ерозија)

- хемијски процеси разлагања су разноврсни и често сложени

- оксидације, хидратације, растварање, карбонатизација, стварање комплекса, кондензације итд.

оксидација пирита ваздушним кисеоником:

2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+

Fe(II) јон се оксидује у киселој средини и при довољно високом pH:

4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+

4


хидратација хематита у лимонит:

2Fe2O3 + 3H2O ↔ 2Fe2O3x3H2O

растварање:

CaCO3 + H2CO3 ↔ Ca(HCO3)2

CaCO3 + H2SO4 ↔ CaSO4 + H2O + CO2

K2OxAl2O3x6SiO2 + CO2 + 2H2O → K2CO3 + Al2O3x2SiO2x2H2O + 4SiO2

(претварање ортокласа у каолинит)

- биолошко разлагање обухвата физичко кидање и ситњење (корење биљака, глисте) и хемијско растварање под утицајем супстанци које луче корење и разни микроорганизми

- неки аеробни микроорганизми луче лимунску киселину која раствара разне карбонате и оксиде

- могућа и бактеријска оксидација нпр. пирита

5


- земљиште је,због велике разнородности тешко хемијски дефинисати

- смеса неорганских и органских супстанци

- неорганске: вода, гасови, катјони, анјони, недисосована једињења, силикати, силицијум-диоксид

- органске: хумусне супстанце, органска једињења свих класа, остаци живих организама

- део неорганског и органског материјала-прави и колоидни раствори

- pH вредност земљишта 4,5-8,5

- добро ветрено, баштенско земљиште скоро неутрално (6-7,5)

- поплављено земљиште са много органског материјала тежи да буде кисело, због ферментационих процеса

- земљиште је, по правилу, врло порозно. 30-45% поре

- у порама се налази промењива количина ваздуха и воде

6


9. Неорганске супстанце земљишта

- вода, гасови, катјони и анјони, недисосована једињења, различити силикати, SiO2

- највећи део неорганских супстанци потиче од литосфере

- настао и даље настаје хемијским и биохемијским променама геолошке подлоге

- резултат: примарни неоргански и секундарни неоргански материјал

- примарни материјал: до 70% укупне масе, иситњени делови матичне стене: силикати, кречњак, доломит итд.

- секундарни материјал: настаје разлагањем примарног материјала

- силикати у земљишту: разноврсни, фелдспати, кварц, лискуни, аугити, хорнбленда и производи њихове трансформације

- хидратисани алумосиликати: каолинит, монтморијонит, илит

7


- оксиди и хидратисани оксиди гвожђа: хематит, лимонит

- оксиди и хидратисани оксиди алуминијума: дијаспор, хидраргилит

- карбонати: калцијума, магнезијума, гвожђа

- сулфати: калцијума, магнезијума, гвожђа

- уз набројана једињења, и мале количине других соли

- део соли у облику раствора, други део адсорбован на силикатима и другом материјалу

- обично силикати најчешћи, честице неколико cm до 0,002 mm

- најситнији делови силиката и хумусни материјал- колоидни део з.

- важна карактеристика хидратисаних силиката- слојевита структура

- између слојева празан простор → велика површина

- последица такве структуре јоноизмењиве и адсорптивне особине

- код каолинита, слојеви од мрежа SiO4 тетраедара

8


- између ових слојева атоми алуминијума који их повезују

- однос SiO4/Al = 1:1

- код монтморијонита однос SiO4/Al = 2:1

- неки атоми Al могу да буду замењени јонима Mg и другим јонима

- веза између слојева SiO4-Al-SiO4 је слаба, остварује се уз помоћ електростатичког привлачења других катјона, попут Na+

- између слојева може да буде везана и промењива количина воде- то је разлог способности бубрења земљишта са монтморијонитом

- монтморијонитске глине имају јоноизмењивачке особине

- могуће замена катјона из међуслоја и замена водоника из хидроксилне групе везане за алуминијум (зависи од pH)

- земљиште садржи и гасове присутне у ваздуху

- није исти однос, [CO2] ≈ 1% у земљишту

9


10. Органска супстанца земљишта

- органска супстанца земљишта, обзиром на порекло, врло сложена

- свака супстанца која се јавља у природи се може очекивати у з.

- по количини и по функцији, најзначајније хумусне супстанце

- садржина хумусних супстанци у земљишту од 1% (пустиња) до 80% (хумус, црница)

- хумусне супстанце - сложене смесе макромолекулског материјала

- киселинске природе, делимично нерастворне, на њима адсорбовани и мали молекули и јони

- у састав хумусних супстанци улазе и P, N и S

- настају деградацијом биљних и животињских остатака под дејством микроорганизама и поновним спајањем насталих фрагмената низом реакција оксидације и кондензације

10


- процес стварања хумусних супстанци назива се хумификација

- од биљних остатака главни прекурсорски материјал представља лигнин

11


- осим лигнина, у састав хумусних супстанци улазе и делови полисахаридне природе који потичи од целулозе, као и друге супстанце (аминокиселине, аминошећери итд.)

- од биљних остатака у земљишту најспорије се разграђује лигнин, па целулоза, па хемицелулоза, а најбрже глукоза

- лигнин је макромолекул чији су мономери разни пропенол-феноли

- кониферил-алкохол је мономер лигнина у четинарима, листопадном дрвећу и житарицама

- синапил-алкохол је мономер лигнина у листопадном дрвећу и житарицама

- p-кумарил-алкохол је мономер лигнина у житарицама

12


- две теорије о настанку хумусних супстанци

- по једној, полимеризацијом и поликондензацијом мономера који су настали микробиолошком деградацијом лигнина, полисахарида и другог полимерног материјала

- по другој, настају из крупнијих фрагмената истих мономера који настају као резултат делимичног разлагања и оксидације

- хумусни материјал је хетероген, може се раставити у четири главне фракције, фулво-, химатомеланске, хуминске киселине и хумин

фулвокиселине, жуте супстанце, растварају се у киселинама и базама, као и у води при свим pH вредностима. Потпуном хидролизом дају супституисане пропенол-феноле, аминокиселине и угљене хидрате

химатомеланске киселине се најбоље растварају у поларним органским растварачима (нпр. етанолу), и у базама, при чему граде одговарајуће соли.

13


хуминске киселине се не растварају у киселинама, ни у поларним органским растварачима, али се растварају у базама и граде соли-хумате. Чврсте су, воскасте супстанце, мрке боје. Најважнији су састојак хумуса. Са становишта х.ж.с., важне три особине: комплексирање катјона, јонска измена и везивање нискомолекуларних органских једињења. Хуминске киселине комплексирају катјоне јонском везом преко карбоксилних и фенолних група (резултат хумати), координационим везивањем преко амино група, имино група, кето група, тиоетарских група итд. (добијају се хелатна једињења), и везивањем преко водоничних мостова, нарочито преко терминалних функционалних група (добијају се адсорбати). Способне су да обављају јонску измену. Због свега овог су значајан фактор у везивању разних катјона у земљишту, њиховом транспорту итд. Не треба заборавити да катјони могу бити и загађивачи.

14


хуминске киселине имају способност да везују и поликондензоване угљоводонике, киселине, алкане. Важан су фактор и у њиховом преносу, па могу утицати на загађивање. Најчешће се не могу одстранити из воде флокулацијом

хумини су нерастворни део хумусних супстанци, црне боје и хетерогене природе

- фулво киселине се разликују од хуминских по Н/С и О/С односу

- Н/С фулво 0,80-1,41; хуминске 0,56-1,10

- О/С фулво 0,6-0,8; хуминске око 0,4

- поред хумусних супстанци, земљиште садржи и друга орг. једињења

- угљени хидрати (моносахариди-хексозе и пентозе, дисахариди, олигосахариди, полисахариди- целулоза, хемицелулоза, амино шећери, шећерни алкохоли, шећерне киселине, метил-шећери...)

- азотна једињења (аминокиселине, аминошећери, пурини, амини, пиримидин, амиди, пиролна једињења...)

15


11.Храна и пољопривредни производи

- један од најакутнијих проблема: како обезбедити довољно хране

- расте број становника, смањује се обрадива површина, и апсолутно, и релативно, по глави становника

- изградња саобраћајница, насеља, отварање површинских копова, ширење пустиња, ерозија...

- мање површине, више људи→пољопривреда мора да се модернизује

- данас пољопривреда веома хемизована, користе се пестициди (хербициди-против корова, зооциди-против животиња, фунгициди-против гљивичастих оболења и микроорганизама, роденициди-против глодара, инсектициди-против инсеката), ђубрива итд.

- пестициди се примењују у свим фазама производње хране, од сетве до жетве

16


- прехрамбене сировине и производи, након примарне производње, морају се сачувати од пропадања

- штите се разним средствима за конзервирање

- примењују се и разни адитиви, да би се поправио укус хране (ароме, зачини), изглед (боје, згушњивачи) итд.

- последица је свеопште загађење пољопривредних производа и хране

- проблем озбиљан јер се загађивачи свакодневно уносе у организам

- иако су пестициди потенцијално најчешћи загађивачи хране, могућности њеног загађивања су велике, готово неограничене

- загађивање загађивачима из ваздуха,воде за наводњавање,земљишта

- загађене атмосферске падавине, загађен ваздух, загађена вода за наводњавање, загађено земљиште, агрохемијске мере (пестициди, ђубрива), процес производње и прераде хране, транспорт, складиштење и стајање хране, неодговарајућа амбалажа

17


- хлеб може бити загађен од семена пшенице до хлеба у радњи

- млеко од сточне хране до производа у тетрапаку

- загађивачи хране се деле у две велике групе по својој природи, на:

биолошке загађиваче(микроорганизме и њихове ензиме,микотоксине)

хемијске загађиваче

- најчешћи и најштетнији хемијски загађивачи хране и пољопривредних производа су, по једном извештаја FAO:

жива и њена једињења (из ваздуха (термоелектрана и из електролизе NaCl), из земљишта (пестициди), отпадних вода, лекова)

једињења олова (из ваздуха (издувни гасови аутомобила), водоводних цеви, лемљених судова)

једињења кадмијума (из дима цигарета, отпадних вода, пигмената, стабилизатора пластичних маса, конзерви (примесе у лиму))

хлоровани угљоводоници (из ваздуха, пијаће воде, пластичних маса)

18


полихлоровани бифенили (из адитива за каучук и пластичне масе, адитива за боје, грејних флуида)

нитрити и нитрати (из сухомеснатих производа (адитиви), вештачких ђубрива, пијаће воде)

азбест (полимерни влакнасти силикат, Mg6(Si4O10)(OH)8 )(из цедила за алкохолна и безалкохолна пића, заптивача у водоинсталацији)

разни адитиви (из вештачких боја, вештачких арома, вештачких заслађивача, зачина)

хормони и антибиотици (додаци сточној храни → улазе у месо)

флуориди (из земљишта и летећег пепела термоелектрана из ваздуха)

микотоксини, попут алфатоксина Б1 који има канцерогено дејство (из плесниве хране, нарочито хлеба, ораха, кикирикија)

19


12. Хемијска баријера

- вештачка ђубрива се користе свуда у свету

- враћају се супстанце које су биљке узеле у претходном вегетативном периоду

- и њихова примена негативно утиче на животну средину

- доказ за то су азотна ђубрива, у облику NO3-, NH4

+, карбамата

- биљке узимају азот у овако везаном облику (NO3-, NH4

+ и слично)

- независно од исхране биљака, у земљишту теку и други процеси

- део земљишта аеробан (ту дифундује кисеоник), део анаеробан

- у анаеробном делу микроорганизми редукују, због својих енергетских потреба, у присуству ензима, нитрате, преко нитрита до амонијака

- амонијак је такође користан биљкама, па његово стварање не смета

- истовремено са овим процесом теку и делимичне редукције до вишевалентног азота

20


- један од споредних производа, не у великој количини, је N2O

- сам по себи није штетан

- када би реаговао са неком супстанцом у земљишту, не би стигао у атмосферу...

- ...када би дошао у атмосферу и реаговао са неком супстанцом, у атмосфери би се хемијски изменио

- међутим N2O је стабилна, хемијски инертна супстанца, као таква пролази кроз земљиште и кроз ваздух, нема хемијске врсте са којом би реаговао

- дакле, у ваздуху, у тропосфери, најнижем слоју атмосфере, слоју у коме живимо, нема хемијске баријере за N2O

- хемијска баријера је реакциони систем који може да реагује са одређеном супстанцом и да је трансформише, тј. да делује као филтер за ту супстанцу

21


- како практично нема хемијске баријере за N2O ни у земљишту (истини за

вољу веома мало N2O се оксидује у земљишту у азотасту киселину),

ни у тропосфери, ово једињење “путује” све до озонског слоја и ту наилази на своју хемијску баријеру

N2O + О3 → 2NO2

- овом реакцијом се N2O троши

- проблем је што се троши и озон из озонског омотача

- свака супстанца која разара озонски омотач је са становишта животне средине загађивач

- то је и N2O који је у траговима нормалан састојак ваздуха, а има га, због употребе у пољопривреди, у високим концентрацијама у пољопривредним подручјима

- проблем уништавања озонског омотача од стране N2O који је потекао из

нитрата вештачких ђубрива је за сада нерешив

22


- не можемо се одрећи азотних ђубрива, не можемо елиминисати микроорганизме из земљишта

- када би постојала хемијска баријера за N2O, не би било проблема

- сличан проблем би могао да ствара и SO2 који се добија

сагоревањем већине фосилних горива, тј. могућа је реакција

SO2 + O3 → SO3 + O2

- на срећу, за SO2 постоји хемијска баријера, па он и не стиже до

озонског омотача

- реагује у воденој фази (уз катализатор) стварајући сумпорасту и сумпорну киселину

2SO2 + O2 → 2SO3 SO3 + H2O → H2SO4

SO2 + H2O → H2SO3 2H2SO3 + O2 → 2H2SO4

23


13. Хемодинамика загађивача

- свака супстанца у животној средини је подложна променама

- важно је знати понашање свих супстанци, па и загађивача

- хемодинамика је скуп процеса настајања, транспортовања и измена супстанце у животној средини

- важна три питања

Да ли постоје услови, и који су, под којим супстанца-загађивач може да дође у контакт са човеком, и како долази до контакта (преко воде, ваздуха, земљишта, хране...)?

Да ли посматрана супстанца може да реагује са другим супстанцама у природи, и под којим условима?

Да ли се, и под којима условима, посматрана супстанца претвара у нешкодљиве или још шкодљивије супстанце?

24


- промена концентрације неке супстанце зависи од емисије, процеса мешања, транспортовања, уклањања, као и реакција са другим супстанцама

- математички, промена концентрације неке супстанце са временом може бити изражена као

∆c/∆t = f (емисија, мешање, транспорт, реакције, уклањање)

- теоријски, нека супстанца се бесконачно дуго може задржати у животној средини

- теоријски, може и моментално по настајању да нестане

25


14.Биоконцентровање

- догађа се да је загађивање последица борба против загађивања

- пример 1:класичан начин пречишћавања пијаћих вода је хлоровање, ради уништавања микроорганизама, тј. дезинфиковања

- хлоровање доиста дезинфикује пијаћу воду, али се хлорују и присутна органска једињења у води, која су иначе безопасна

- стварају се хлоровани угљоводоници који су мутагена и потенцијално канцерогена једињења

- вода која садржи органску супстанцу стога мора да се пропушта преко активног угља, што поскупљује њено пречишћавање

- пример 2:веровало се да је DDT (1,1-бис-4-хлорфенил-2,2,2-трихлоретан) инсектицид који ефикасно уништава инсекте и тако штити и човека и пољопривредне културе

26


- синтетисао га је Цајдлер 1874. године

- 1939. Милер открио инсектицидна својства, 1948. године за то добио Нобелову награду (Цајдлера сви заборавили)

- САД почеле производњу током II светског рата, како би уништавали буве, маларичне комарце, стенице и сл.

- већ 1952. године се установило да се DDT нагомилава у масном ткиву човека и животиња и ту остаје

- ово сазнање покренуло даља испитивања

- више од деценије испитиван утицај DDT-ја на живи свет, данас се готово све зна

- време излучивања износи 3-7 година, најбрже преко млека дојиља

- одојчад се трују од почетка живота

- отпорна супстанца у ж.с., период полураспада 20 година

- друге супстанце се брже разлажу под дејством микроорганизама

27


- осетљив на дејство сунчеве светлости, отцепљује се HCl, а ствара, као први интермедијер, још отровнија супстанца

- DDT је мутагена и потенцијално канцерогена супстанца, токсиколошки нарушава метаболизам, изазива срчана оболења

- негативно утиче на размножавање птица, љуске јајета тање, па се јаја разбијају у гнезду

- јастребови тровани DDT-јем се више не размножавају

- DDT негативно утиче и на фотосинтезу, умањује фотосинтетску моћ морског фитопланктона

28


- почетком ’70-тих година прошлог века употреба у САД забрањена

- источноевропске земље и десет година после забране у САД

- DDT се преноси ланцем исхране, како се иде ка врху пирамиде, повећава се концентрација DDT-ја у организму

1. морски планктон (0,04 ppm) → морски мекушци (0,42 ppm) → рибе (0,2-0,5 ppm) → орао рибар (5,2-75,5 ppm)

2. вода (0,015 ppm) → планктон (5 ppm) → рибе (10-25 ppm) →

гњурац (1600 ppm, концентрација довољна да ову птицу убије)

- појава концентровања супстанце дуж ланца исхране означава се као биоконцентровање

- откривена је код DDT-ја, али је могућа и код других супстанци (живе, олова, на пример)

- човек је последња карика у ланцу исхране, стога је угрожен

- степен угрожености је нешто мањи, јер је човек сваштојед

29


- ако би сви ланци исхране на чијем је крају човек били угрожени, то би угрозило опстанак људске врсте

- зато је важно чувати животну средину

2011hemija zivotne sredine 2

Documents

n2o

5 ppm

sio4

ddt

so2

nh4

no3