Курсовая работа по органической химии на тему Органические соединения в природных водоемах

Органические вещества, являющиеся нетоксичными для микроорганизмов, животных, человека, вырабатываются бактериями, микроводорослями, растениями, насекомыми, рыбами, пресмыкающимися. Число природных токсинов составляет ничтожную долю веществ токсического действия, которые были созданы искусственно и нашли свое применение в технике, медицине, военном деле, быту, а также являются побочными продуктами, появляющимися в результате тех или иных отклонений в технологии производств или как обязательный сопутствующий компонент.
Органические соединения природного происхождения за некоторым исключением быстро разрушаются в водной среде микроорганизмами, при этом в аэробных условиях образуются С02 и Н20, а также нитраты, фосфаты, сульфаты и кислородсодержащие соединения других элементов. В случае анаэробного состояния водоемов в результате целого ряда взаимосвязанных процессов брожения образуются СН4, С02, Н20, NH3 и H2S [1].
Иначе ведут себя многочисленные синтетические органические соединения, которые характеризуются значительной устойчивостью к внешним воздействиям, биохимическому окислению и микробиологическому взаимодействию. К числу чрезвычайно устойчивых органических веществ относятся нефть и нефтепродукты. Нефть в основном состоит из алифатических углеводородов. Кроме того, она может содержать алициклические и ароматические углеводороды и в небольших количествах альдегиды и карбоновые кислоты [5].
Нефть попадает в пресноводные водоемы, моря и Мировой океан в результате аварий нефтепроводов и технологического оборудования на нефтепромыслах, катастроф нефтеналивных танкеров, а также незначительных, на первый взгляд, местных сбросов нефти и нефтепродуктов, которые в совокупности достигают многих миллионов тонн ежегодно.
Обычно при розливе нефти на водной поверхности образуется нефтяная пленка, которая сначала довольно быстро распространяется по водной поверхности. Пленка, образующаяся на границе раздела воздух—вода, в значительной мере служит аккумулятором различных веществ. Она образуется естественным путем такими поверхностно-активными веществами, как жирные кислоты, масла и др., которые могут образовывать с растворенными металлами комплексные соединения, легко поглощать хлорированные углеводороды.
Под действием солнечных лучей и ветра нефть начинает испаряться. Уже через десять суток с поверхности океана улетучиваются углеводороды с короткой углеродной цепью (менее пяти атомов углерода, от СН4 до С4Н10), затем улетучиваются углеводороды с числом атомов углерода в цепи до 15—20 [4]. Тяжелые компоненты нефти практически не испаряются и постепенно превращаются в пелагическую смолу, опускающиеся на дно и накапливающиеся в донных отложениях.
Значительные проблемы, связанные с загрязнением природных вод, создаются поверхностно-активными веществами (ПАВ), или детергентами (тензидами). ПАВ — вещества, адсорбция которых из жидкости на поверхности раздела с другой фазой приводит к значительному понижению поверхностного натяжения. ПАВ имеют дифильное строение, т. е. состоят из полярной группы и неполярного углеводородного радикала. В водном растворе ПАВ на границе с воздухом образуется адсорбционный мономо- лекулярный слой с углеводородными радикалами, ориентированными в сторону воздуха. Концентрация ПАВ в адсорбционном слое на несколько порядков выше, чем концентрация их в объеме жидкости [9].
С химической точки зрения, ПАВ представляют собой органические соединения с гидрофильными и гидрофобными участками различной химической природы. Поверхностно-активные вещества классифицируются следующим образом: анионоактивные, катионоактивные и неионогенные.
К наиболее распространенным анионоактивным ПАВ относятся алкилсульфоновые кислоты, у которых остаток серной кислоты (S03) образует гидрофильный участок, а также первичные и вторичные алкил сульфаты R0S03M, R,R2CH0S03M (здесь R, R, и R2 — углеводородные радикалы).
Катионактивные ПАВ (поверхностную активность определяют положительные ионы) широко представлены алкиламмониевыми соединениями, которые содержат в качестве полярного компонента положительно заряженную четвертичную аммониевую группу
Неионогенные ПАВ не образуют ионов (например, полиоксиэтилены), обладают гидрофильными свойствами за счет спиртовых групп ОН.
Органические загрязнения, поступающие в водные системы как в виде растворов, так и во взвешенном состоянии, содержат широкий набор веществ, в том числе пестициды [4].
Пестицидами называют химические вещества, обладающие токсичными биоцидными свойствами по отношению к тем или иным живым организмам — от бактерий и грибков до растений и вредных теплокровных животных.
В зависимости от того, против кого или чего направлены те или иные пестициды, различают несколько их классов [8]:
- инсектициды — препараты для уничтожения насекомых;
- гербициды — для уничтожения сорняков и других нежелательных растений;
- фунгициды — для защиты растений от грибковых заболеваний, другие специфические фунгициды (родентицид эффективен против крыс, мышей, сусликов;
- моллюстициды используются против улиток;
-нематоциды применяют для ограничения количества микроскопических червей).

Общее количество применяемых инсектицидов значительно превышает количество используемых гербицидов, хотя эффективность сельскохозяйственного производства напрямую зависит от применения средств для уничтожения сорняков.
В зависимости от химического строения пестициды подразделяют на несколько больших групп: фосфорорганические соединения, производные карбаматов, производные хлорфенокси- кислот, хлорорганические соединения.
Представители групп фосфорорганических и хлорорганических соеднинений, как правило, весьма опасны, и во многих странах от применения этих пестицидов отказались, заменив их на более современные и безопасные — пиретроиды и феромоны [4].
Механизм токсического действия хлорорганических соединений (например, ДДТ) на организм еще не выяснен полностью. Они хорошо растворяются в жировой оболочке нервных волокон и влияют на перенос ионов в волокна и из них. Вызываемые ими нарушения процесса движения ионов сказываются в появлении судорог и конвульсий, оканчивающихся смертью.
К фосфорорганическим относятся вещества, отличающиеся повышенной токсичностью, например, тиофос и карбофос [4].
Карбаматы, или производные карбаминовой кислоты, относятся к универсальным пестицидам.
Некоторые соединения этой группы действуют как инсектициды, фунгициды или моллюстициды.
Карбаматы и фосфорорганические соединения мешают работе фермента ацетилхолинэстеразы (АХЭ), являющейся специфическим ферментом нервной системы. Когда действие фермента АХЭ заблокировано, происходят нарушения нервной передачи, сопровождаемые судорогами, параличом и смертью.
Хлорфенольные кислоты, или хлорфеноксикислоты, являются производными простых органических кислот: уксусной, масляной и пропионовой. Это эффективные гербициды. Заменяя гормоны роста растений, они обеспечивают сорняку ненормально быстрое развитие, в результате чего у сорного растения истощаются запасы энергии и оно погибает [12].
При определении степени воздействия пестицида на окружающую среду руководствуются таким понятием, как стойкость, которая оценивается временем, необходимым для потери пестицидом своей активности. Считают, что активность теряется полностью, когда пестицид разлагается, т. е. дезактивируется с помощью химических или биологических процессов. Нестойкие пестициды остаются в окружающей среде в течение нескольких недель, в то время как стойкие пестициды сохраняются два года и более.

1.1 Пути поступления органических веществ в водоемы

Органические вещества в природных водах представлены разнообразными классами углеродсодержащих соединений различного происхождения и структурной организации (от простейших молекул до сложных органических полимеров). По своему происхождению это могут быть продукты жизнедеятельности растений и животных, населяющих гидрофитную экосистему, а также продукты антропогенного воздействия различного характера (бытовые стоки, сельскохозяйственные смывы и др.) [1].
Органические вещества могут попадать в водоемы как в растворенной форме, так и в виде взвешенных частиц (коллоидов, глинистого и использованного материала). Количество поступающих соединений находится в зависимости от большого количества факторов, ведущими из которых являются присутствие на водосборной территории локальных источников загрязнения, промышленных предприятий и населенных пунктов, уровень аграрной освоенности местности, уровень развития водной биоты.