Статья по экологии "Существует ли проблема бланса кислорода на Земле"

3

Существует ли проблема нарушения баланса кислорода на Земле?

Учитель химии МБОУ «Гимназия №7»

Вотинцева Татьяна Андреевна

С развитием человечества произошел резкий скачок потребления кислорода из-за добычи органического топлива и последующего его сжигания. Попробуем разобраться, может ли произойти нарушение баланса кислорода на Земле в связи с возникшими экологическими проблемами.

В результате фотосинтеза в настоящее время в атмосферу Земли, согласно разным источникам, ежегодно поступает до 336∙10⁹ тонн свободного кислорода. Он потребляется при дыхании животным миром и расходуется на окисление органических и минеральных веществ. В результате эволюционных процессов на Земле сформированы определенные условия для саморегуляции содержания кислорода, постоянство которых необходимо для нормального развития всех живых организмов биосферы. Содержание кислорода в атмосфере постоянно и составляет 21% по объему или 23% по массе. По подсчетам В. И. Вернадского, общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5∙10¹⁵ т, по современным подсчетам - 1,184 ∙10¹⁵ т. По данным Международной биологической программы, в настоящее время годовая биологическая продуктивность растений Земли составляет 1,7∙10¹¹т.

Кислород расходуется как на естественные биологические, геологические, биохимические процессы, так и на техногенную деятельность человека.

Основные направления антропогенного использования кислорода можно разделить на: сжигание углеводородов (нефти, газа, угля, торфа, древесины); производство стали; ржавление ранее произведенных металлов.

1. Сжигание природного газа.

Добыча природного газа в мире в 2016 г. составила по данным ОПЕК 3674,5 млрд.м³, по данным «Бритиш Петролеум» 3551.6 млрд.м³ , т.е. в среднем 3613 млрд.м³

В природном газе до 98% метана:

(1) СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

Расчет: m(O₂) = 3613∙10⁹∙2∙32/22,4 = 10323∙10⁹кг =10,32∙10⁹т

Расчеты показывают, что в результате сжигания метана расходуется более 7226 млрд.м³ или 10,32∙10⁹т кислорода.

2. Сжигание продуктов переработки нефти.

Мировая добыча нефти 2016/2017 г – 3907/3903 млн т. На производство топлива идет 95% нефти, т.е. 3,71∙10⁹т. При нефтедобыче происходит также сжигание попутных газов, однако данных по их количеству отсутствуют. Расход кислорода на сжигание продуктов переработки нефти рассмотрим на примере горения бензина:

(2) 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О

Расчет: m(O₂) = 3,71∙10⁹∙25∙32/(2∙114) = 13,02∙10⁹т

Сжигание 1 кг бензина приводит к расходованию 3,5 кг кислорода. Таким образом, для сжигания 3,71∙10⁹т нефтепродуктов расход кислорода составит 13,02∙10⁹т.

3. Сжигание угля.

В угольной отрасли в 2017 г. было добыто и потреблено примерно 3,7315∙10⁹т каменных и бурых углей. Расход кислорода составляет 9,95 ∙10⁹т, согласно реакции окисления (горения) угля: (3) С +О₂ = СО₂.

Расчет: m(O₂) = 3,7315∙10⁹∙32/12= 9,95 ∙10⁹т

Таким образом, нефтегазовый комплекс ежегодно расходует 33,29∙10⁹т чистого атмосферного кислорода.

4. Расход кислорода на металлургические процессы

По данным World Steel Association (WSA) за 2017 г. в 66 странах, которые подают свою статистику в эту международную организацию, было выплавлено 1691,2 млн. т стали. Для расчетов принимаем, что сталь содержит примерно 2% примесей, что составляет 33,8 млн т. Значит в 2017 году получено 1,657∙10⁹ т чистого железа.

Рассчитаем расход кислорода, необходимый для получения 1,657∙10⁹ т чистого железа при использовании пирита: (4) 4FeS + 11О₂ = 2Fe₂О₃ + 8SО₂

(5) Fe₂О₃ + 3СО = 2Fe + 3CO₂

Расчет: на 1 моль чистого железа расходуется 2,75 моль кислорода.

m(O₂) = 1,657∙10⁹ ∙32∙2,75/56= 2,6 ∙10⁹т

Таким образом, расход кислорода на получение железа из пирита составляет 2,6∙10⁹ т.

Кроме того, кислород расходуется на окисление примесей в чугуне, который является промежуточным продуктом производства стали. В среднем, в чугуне может быть до 5% примесей, т.е. 0,09∙10⁹ т. Если принять, что основным компонентом примеси является углерод, то на его окисление потребуется 0,24∙10⁹т кислорода. Таким образом, в целом на производство стали требуется 2,84∙10⁹т кислорода.

5. Расход кислорода на окисление металлов в результате коррозии.

В результате коррозии ежегодно теряется до 10% произведенного черного металла, связывая огромные объемы атмосферного кислорода в оксиды и гидроксиды. Если в 2017 г. получили 1,657∙10⁹ т чистого железа, то окислилось за год 0,17∙10⁹т, что в пересчете на кислород составит 0,07∙10⁹ т.

(6) 4Fe +3О₂= 2Fe₂О₃

Расчет: на 1 моль чистого железа расходуется 2,75 моль кислорода.

m(O₂) = 0,17∙10⁹ ∙32∙3/56∙4= 0,07 ∙10⁹т

Таким образом, общий расход кислорода в результате техногенной деятельности человека составляет 36,18∙10⁹т.

6. Расход кислорода на естественные биологические процессы.

• Растения суши при создании органических веществ из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза ежегодно выделяют в атмосферу 336∙10⁹ т кислорода. Создаваемое при этом органическое вещество (или его энергетический эквивалент) называют валовой первичной продукцией. ½ выделяемого кислорода используется на дыхание самими растениями, т.е. расходуется 168∙10⁹ т кислорода. Оставшаяся часть органического вещества называется чистой первичной продукцией, которая при пересчете в кислородный эквивалент составляет 168∙10⁹т.

• Окислением оставшегося органического вещества занимаются гетеротрофные организмы. В результате этого процесса ежегодно потребляется 154∙10⁹т кислорода.

• Разница между произведенным кислородом и его потреблением в результате естественных процессов составляет: (336 -168 – 154)∙10⁹ = 14∙10⁹т.

Таким образом, на техногенную деятельность затрачивается больше кислорода, чем его остается в результате баланса выработки и естественного потребления. Недостаток составляет 35,12∙10⁹ -14∙10⁹ = 21,12∙10⁹ т

Таким образом, на Земле в настоящее время существует отрицательный баланс кислорода: процессы расходования кислорода преобладают. Как происходит возобновление кислорода атмосферы? Изучением кислорода на Земле надо заниматься в глобальном масштабе. Не решив вопрос об альтернативных источниках энергии, нельзя решить проблему жизнеспособности биосферы!