ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ Введение I Воздушный

ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ

ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ Введение I. Воздушный океан 1. Состав воздуха 2. Изменение атмосферы с высотой 3. Формирование атмосферы 4. Атмосфера и климат II. Влияние человека на атмосферу 1. Усиление парникового эффекта 2. Кислотные дожди 3. Смог 4. Предотвращение загрязнения воздуха Домашнее задание

ВВЕДЕНИЕ Историческая справка. С древних времен воздух считался одним из первоначал всего существующего ( «стихией» ). Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь его «активная часть» поддерживает горение, имеются в китайских рукописях VIII В. Много позже итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи (1452 -1519 гг. ) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. А в 1774 г. знаменитый А. Лавуазье (Франция) провел количественный анализ воздуха и пришел к выводу, что он «состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера» , то есть азота и кислорода.

§ 1. Воздушный океан СОСТАВ ВОЗДУХА Атмосфера состоит из смеси ряда газов - воздуха, в котором взвешены коллоидные примеси - пыль, капельки, кристаллы и прочее.

В состав атмосферного воздуха, которым дышит каждый из нас, входят несколько газов, основными из которых являются: азот (78. 09%), кислород (20. 95%), водород (0. 01%), углекислый газ (0. 03%) и инертные газы (0. 93%). Кроме того, в воздухе всегда находится некоторое количество водяных паров.

Компонент В ТАБЛИЦЕ ПРИВЕДЕН ГАЗОВЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ В ОБЪЕМНОМ И МАССОВОМ ОТНОШЕНИИ. объемные доли, % массовые доли, % N 2 78, 09 75, 50 O 2 20, 95 23, 15 Ar 0, 923 1, 292 CO 2 0, 03 0, 046 Ne 1, 8 · 10 -3 1, 4 · 10 -3 He 4, 6 · 10 -4 6, 4 · 10 -5 CH 4 1, 52 · 10 -4 8, 4 · 10 -5 Kr 1, 14 · 10 -4 3· 10 -4 H 2 5· 10 -5 8 · 10 -5 N 2 O 5 · 10 -5 8· 10 -5

ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ С ВЫСОТОЙ С высотой состав атмосферного воздуха меняется мало. Однако начиная с высоты около 100 км, наряду с молекулярным кислородом и азотом появляется и атомарный в результате диссоциации молекул. Выше 300 км в атмосфере преобладает атомарный кислород, выше 1000 км - гелий и затем атомарный водород. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой; около половины всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км, 9/10 - в нижних 20 км и 99, 5% - в нижних 80 км. Строение атмосферы.

ИЗМЕНЕНИЕ МАССЫ ВОЗДУХА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВОДЯНЫХ ПАРОВ Количество водяных паров всегда изменяется с переменой температуры: чем выше температура, тем содержание пара больше и наоборот. Вследствие колебания количества водяных паров в воздухе процентное содержание в нем газов также непостоянно. Масса воздуха изменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в нем водяных паров. При одинаковой температуре масса сухого воздуха больше, чем влажного, т. к. водяные пары значительно легче паров воздуха.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРОПОСФЕРЕ В тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается в среднем на 0, 5 °C на 100 м. Область от 20 до 150 км называют хемосферой, ибо в ней протекает большинство фотохимических процессов; часть атмосферы от 100 до 400 км называют ионосферой, поскольку здесь господствует ионизация, а еще выше – и диссоциация многих компонентов атмосферы. В тропосфере фотохимические процессы ограничены реакцией: Возбужденные молекулы, теряя энергию при столкновении с другими молекулами, повышают температуру тропосферы примерно на 20°. Повышение содержания CO 2 лежит в основе парникового эффекта.

Смог начинает развиваться с появлением первичных продуктов, загрязняющих атмосферу, которые сами по себе могут быть неядовитыми и неактивными в химическом отношении. Атмосфера постоянно пополняется газами биохимического происхождения, образующимися при разложении микроорганизмами продуктов растительного и животного происхождения: CH 4 и другие углеводороды, CO 2, N 2, H 2 S, H 2, O 2. Под воздействием на горные породы высоких температур и давлений в атмосферу поступают газы химического происхождения (CO 2, H 2 S, H 2, CH 4, CO, N 2, HCl, HF, NH 3, SO 2), а также продукты вулканического происхождения и, наконец, газообразные продукты радиоактивного распада (He, Ar, Kr, Xe, Rn)

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СТРАТОСФЕРЕ В стратосфере фотохимические процессы более разнообразны. Вопервых, это образование O 3, концентрация которого по сравнению с тропосферой возрастает в 200 раз . Молекулы O 3 очень неустойчивы, хотя постоянно образуются под действием солнечного излучения в диапазонах 135– 176 нм и 240– 260 нм по реакциям: , где M – какая-нибудь третья частица (N 2, CO 2, Ar). Разрушение озона связано с реакциями: O 3 + O → O 2 + O 2 или O 3→ O 2 + O (ν = 200– 300 нм). Эти реакции поддерживают динамическое равновесие образования и распада O 3 в естественных условиях. Последняя фотохимическая реакция защищает биосферу от губительного для нее ультрафиолета.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИОНОСФЕРЕ В ионосфере на высоте выше 80 км происходят ионизация газов под действием солнечного излучения: Эти молекулярные ионы вступают в ион-молекулярные реакции; переход в основное состояние этих частиц является причиной северных сияний. Эти реакции дополняются еще реакциями перехода возбужденных атомов и молекулярных ионов в основное состояние: O* → O + hν (зеленая и красная области) и N 2 * → N 2 + hν (фиолетовая и синяя области).

ФОРМИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ Когда 4, 5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с примесями углекислого газа, азота и других химических веществ из недр молодой планеты. Но атмосфера может содержать в себе ограниченное количество влаги, поэтому ее избыток в результате конденсации дал начало океанам. Но тогда атмосфера была лишена кислорода. Первые живые организмы, зародившиеся и развившиеся в океане, в результате реакции фотосинтеза: n. H 2 O + n. CO 2 = (CH 2 O)n + O 2 стали выделять небольшие порции кислорода, который стал попадать в атмосферу.

Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8 – 30 км. И, тем самым, наша планета приобрела защиту от губительного воздействия ультрафиолетового изучения. Это обстоятельство послужило толчком для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, т. к. в результате усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию жизненных форм в том числе и на суше.

ФОТОСИНТЕЗ (от фото. . . и синтез), превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Происходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др. ). Суммарное выражение уравнений фотосинтеза: Фотосинтез — единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы (кроме хемосинтезирующих). Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется ок. 150 млрд. т органического вещества, усваивается 300 млрд. т СО 2 и выделяется ок. 200 млрд. т свободного О 2. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции. Гетеротрофные организмы — животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли — обязаны своим существованием автотрофным организмам — растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обоснованную К. А. Тимирязевым и В. И. Вернадским: экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты.

Основным источником кислорода на земле являются растения и сине-зеленые водоросли они выделяют кислород при синтезе углекислого газа и воды: 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Леса являются «легкими планеты» !

АТМОСФЕРА И КЛИМАТ Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы.

Атмосфера получает тепло путем поглощения солнечной радиации, за счет конденсации водяного пара и благодаря теплообмену с подстилающей поверхностью. Поступление скрытой теплоты в атмосферу зависит от подъема влажного воздуха. Так тропическая зона Тихого океана является мощным источником тепла и влаги для атмосферы. Значительная теплопередача от поверхности океана происходит зимой там, где холодные воздушные массы приходят в районы теплых морских течений.

§ 2. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА НА АТМОСФЕРУ Усиление парникового эффекта. Парниковый эффект - это повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с температурой эффективной, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

В атмосфере Земли излучение поглощается молекулами Н 2 О, СО 2, О 3 и др. Парниковый эффект повышает среднюю температуру планеты, смягчает различия между дневными и ночными температурами. В результате антропогенных воздействий содержание СО 2 (и других газов, поглощающих в инфракрасном диапазоне) в атмосфере Земли постепенно возрастает. Не исключено, что усиление парникового эффекта в результате этого процесса может привести к глобальным изменениям климата Земли.

ПОСЛЕДСТВИЯ УСИЛЕНИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА Предположения, что последствиями хозяйственной деятельности человека могут стать значительные изменения климата, впервые были высказаны в конце XIX - начале XX в. В 1922 г. английский геолог Р. Шерлок выдвинул идею, что эти изменения напрямую связаны с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере и, следовательно, с возрастающими масштабами использования ископаемого горючего топлива. Главным следствием усиления парникового эффекта является повышение приземной температуры, которое устойчиво наблюдается в последние десятилетия.

Деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере. Увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и мировых океанов и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды.

Антропогенное воздействие на озонный слой обусловлено следующими цепными реакциями: 1. Выбросы высотных самолетов и ракет:

2. Фреоны (hν = 175– 220 нм) Свободные атомы Cl взаимодействуют с озоном, способствуя разрушению озонового слоя:

Динамика размеров озоновой дыры над Антарктидой.

В следствии образования озоновых дыр на Северном и Южном полюсе привело к интенсивному разрушению ледовых щитов Антарктиды и Гренландии. Из-за таяния гренландских и арктических льдов происходит замедление течения Гольфстрима, несущее миллионы миллиардов ватт тепла из тропиков, согласно исследованиям американских ученых уже сейчас сила потока уменьшилась на 10%. В результате таяния льдов под водой окажутся многие прибрежные районы и острова, вторжение фронта соленых морских вод в пресноводные реки вызовет засоление пресноводных прибрежных акваторий. Все эти процессы глубоко затронут человеческое общество, особенно густонаселенные приморские районы.

Потепление приведет к высвобождению метана, находящегося в зоне вечной мерзлоты в виде гидрата метана (твердое соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного метана). Произойдут существенные изменения природных процессов в биосфере: -- нарушение круговоротов главных биогенных элементов; -- изменение характера облачности и, как следствие, климатические изменения; -- изменение распределения осадков по регионам; -- смещение климатических зон и, в частности, расширение зон пустынь; -- нарушение биологических ритмов развития растений и длительные периоды неурожаев главных сельскохозяйственных культур.

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ Кислотный дождь — все виды метеорологических осадков — дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение p. H дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (обычно — оксидами серы, оксидами азота). Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода, вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO 2) и различными оксидами азота (Nх. Oу). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций.

Вступая в реакцию с водой атмосферы (часто под воздействием солнечного излучения, так называемые "фотохимические реакции"), они превращаются в растворы кислот — серной, сернистой, азотистой и азотной: SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 - образуется сернистая кислота SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 — образуется серная кислота 2 NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2 - образуются, соответственно, азотная и азотистая кислоты. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы — озера, реки, заливы, пруды — повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая стадия - начальная. С увеличением кислотности воды (показатели р. Н меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности р. Н 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия - кислотность повышается до р. Н 5. 5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон — крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия - кислотность достигает р. Н 4. 5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

Кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

СМОГ Смог (от англ. smoke — дым и fog — туман) — один из видов загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Первоначально под смогом подразумевался дым, образованный сжиганием большого количества угля (смешение дыма и диоксида серы SO 2). В 1950 -х гг. был впервые описан новый тип смога — фотохимический, который является результатом смешения следующих загрязнителей воздуха: оксиды азота, например, диоксид азота (продукты горения ископаемого топлива); тропосферный (приземный) озон; летучие органические вещества (пары бензина, красок, растворителей, пестицидов и других химикатов); перекиси нитратов.

Смог Природный Антропогенный

ПРИРОДНЫЙ СМОГ Смог также образуется при извержениях вулканов, когда в воздухе достигается высокая концентрация сернистого газа. Такой вулканический смог называется англ. vog. Горящие леса в Индонезии создают дымку, похожую на смог, распространяющуюся на территорию Малайзии, Филиппинов, Сингапура и Таиланда. Смог в Москве в сентябре 2002 г. , вызванный торфяными пожарами в Подмосковье.

АНТРОПОГЕННЫЙ СМОГ Смог является большой проблемой во многих мегаполисах мира. Он особенно опасен для детей, пожилых людей и людей с пороками сердца и лёгких, больных бронхитом, астмой, эмфиземой. Смог может стать причиной одышки, затруднения и остановки дыхания, головных болей, кашля. Смог в Лондоне Также он вызывает воспаление слизистых оболочек глаз, носа и гортани, снижение иммунитета. Во время смога часто повышается количество госпитализаций, ремиссий и смертей от респираторных и сердечных заболеваний. Смог с туманом в Пекине

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА С ростом промышленных предприятий увеличивается количество вредных выбросов, что приводит к загрязнениям. Основными международно-правовыми актами, регулирующими вопросы загрязнения атмосферного воздуха, являются Рамочная конвенция ООН об изменении климата и Киотский протокол, а также Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. В рамках данной статьи будет проведен краткий обзор вышеназванных международно-правовых актов.

РАМОЧНАЯ КОНВЕНЦИЯ ООН ОБ ИЗМЕНЕНИИ КЛИМАТА Была принята 9 мая 1992 года и вступила в силу 1 марта 1994 года. Россия является участником Конвенции с 14 ноября 1994 года. В настоящее время (на начало 2003 года) Конвенция ратифицирована 186 государствами. Общая задача, декларируемая Конвенцией, заключается в сдерживании количественного роста антропогенных выбросов парниковых газов, согласованном снижении их доли в рамках международно зафиксированных обязательств отдельных стран и организации специальных мероприятий, увеличивающих интенсивность поглощения отдельных газов наземными экосистемами.

КОНВЕНЦИЯ О ТРАНСГРАНИЧНОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ ВОЗДУХА НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ Конвенция была принята в Женеве (Швейцария) под эгидой Европейской экономической комиссии ООН. Участниками являются 33 государства, включая Российскую Федерацию и Европейское экономическое сообщество. К конвенции приняты протокол об ограничении выбросов летучих органических соединений (ЛОС) 1991 года, Протокол относительно дальнейшего сокращения выбросов серы или их трансграничных потоков 1994 года, Протокол об ограничении выбросов окислов азота, Протокол по стойким органическим загрязнителям 1998 года, Протокол по тяжелым металлам 1998 года и Протокол по борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном 1999 года и т. д.

Протокол выделяет направления сокращения выбросов, и меры, направленные на обеспечение эффективного использования энергии: Øэнергосбережение; Øсочетание различных видов энергоресурсов; Øпереход на другие виды топлива; Øдругие технологии сжигания (сжигание в кипящем слое (СКС): внутрицикловая газификация (ВЦГ); газовые турбины комбинированного цикла (ГТКЦ)); Øмодификация процессов сжигания (сжигание с низким коэффициентом избытка воздуха (СНИ); низкотемпературный подогрев воздуха (НПВ); отключение части горелок (ОЧГ); использование поворотных горелок (ИПГ); горелки, обеспечивающие низкий выход окислов азота (ГНВ); рециркуляция дымовых газов (РДГ); сжигание с доступом вторичного воздуха (СВВ) и т. д. ); Øобработка дымовых газов (селективное каталитическое восстановление (СКВ); селективное некаталитическое восстановление (СНКВ); комбинированные процессы удаления (процесс с использованием активированного угля (АУ), комбинированное каталитическое удаление).

КИОТСКИЙ ПРОТОКОЛ Протокол включает различные по характеру правовые нормы: наряду с предписаниями, устанавливающими весьма конкретные и твердые обязательства для Сторон, в нем имеются обязательства, сформулированные в виде пожелания или рекомендации. Наряду с реализацией национальной политики и мер по ограничению и сокращению выбросов парниковых газов Киотским протоколом для облегчения выполнения своих обязательств промышленно развитыми странами предусматриваются и межгосударственные механизмы взаимодействия в данной сфере (так называемые «механизмы гибкости» ) на основе рыночных подходов.

Общие положения: Ø совместное осуществление проектов – передача или приобретение единиц сокращения выбросов парниковых газов; Ø реализации проектов, направленных на сокращение антропогенных выбросов или увеличение поглощения парниковых газов в любом секторе экономики (ст. 6 Протокола); Ø торговля квотами на выбросы парниковых газов – коммерческая переуступка своих прав на выбросы парниковых газов для целей выполнения своих обязательств (ст. 7 Протокола); Ø «механизм чистого развития» - осуществление проектов на территории стран, не входящих в Приложения 1 к Рамочной конвенции об изменении климата (развивающиеся страны), и добавление в свои квоты результатов сокращения выбросов парниковых газов, достигнутого путем осуществления этих проектов (ст. 12 Протокола); Ø накапливание сторонами квот на выбросы. Так, если выбросы стороны, включенной в Приложение 1, меньше установленного для нее количества выбросов, то эта сторона может накапливать такие квоты для использования в последующие, после 2012 года, периоды обязательств (ст. 3 Протокола).

Домашнее задание: 1. Подготовка докладов на темы: «Состав атмосферного воздуха» , «Кислотные дожди» , «Смог» , «Усиление парникового эффекта» . 2. Подготовка к практической работе.