Задание Физико-химические превращения в атмосфере: состав и строение атмосферы, приоритетные загрязнители

Задание №2
Физико-химические превращения в атмосфере:
состав и строение атмосферы, приоритетные загрязнители
1 СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Общая масса газовой оболочки нашей планеты – атмосферы –
составляет 5,14*1015т. Это примерно одна миллионная часть массы Земли.
Состав атмосферы претерпевал серьезнейшие изменения в различные
геологические эпохи. В настоящее время состав атмосферы находится в
состоянии динамического равновесия, поддерживаемого в результате действия
живых организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности
человека.
Главными компонентами атмосферы являются азот, кислород и
аргон: на их долю в приземном слое приходится соответственно 78,11;
20,95 и 0,94% (об.). На долю всех остальных компонентов приходится менее
0,1% (об.), но их роль в общей динамике состояния атмосферы чрезвычайно
велика. Объемные концентрации постоянно содержащихся в атмосфере (так
называемых «квазипостоянных») компонентов (N2, O2, Ar, He, Xe, Kr, H2)
остаются практически неизменными вплоть до высоты 100 км. Содержание
других («активных») газов и аэрозолей существенно меняется в зависимости от
сезона, географического положения и высоты над уровнем моря. К «активным»
компонентам атмосферы относятся водяной пар, углекислый газ, монооксид
углерода, оксиды азота, диоксид серы, метан и озон. Антропогенное влияние на
состав атмосферы ограничено, в основном, изменениями концентрации
«активных» газов и аэрозолей.
Одним из важных показателей, характеризующих поведение примесей в
атмосфере, является время их пребывания в рассматриваемом объеме
атмосферы. В случае динамического равновесия – равенства скоростей
поступления примеси из всех возможных источников и суммарного стока
примеси из резервуара – время пребывания примеси и ее общая масса в
резервуаре связаны уравнением:
Qисточник = Qсток = A / τ ,
где Qисточник и Qсток – скорости поступления и стока веществ
соответственно для произвольного резервуара, атмосферы в целом или ее
части;
А – общая масса примеси, содержащейся в произвольном резервуаре,
атмосфере в целом или в ее части;
τ – время пребывания примеси в произвольном резервуаре, атмосфере в целом
или в ее части.
2 ОСНОВНЫЕ ЗОНЫ АТМОСФЕРЫ
По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Наиболее
распространенное деление на слои основано на изменении температуры с
высотой. Некоторые характеристики основных слоев атмосферы приведены в
таблице 1. Cледует отметить, что границы отдельных слоев, разделяемых
узкими переходными зонами, называемыми паузами, строго не фиксируются.
Их положение зависит главным образом от внешнего фактора – активности
солнца и уровня поступающей от него радиации.
Таблица 1 – Основные зоны атмосферы
Слой
атмосферы
Тропосфера
Стратосфера
Мезосфера
Термосфера
Нижняя и
верхняя границы
над уровнем
моря, км
0 – (8-18)
(8-18) – (50-55)
(50-55) – (80-85)
(80-85) – 1000
Температура, ºС
Нижняя
Верхняя
граница
граница
слоя
слоя
15
–56
–56
–2
–2
–90
–90
1200
Температурный
градиент,
ºС/км
–6,45
+1,38
–2,56
+3,13
3 АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
При нормальных условиях (р = 1 атм, Т = 273 К) газы, входящие в состав
атмосферы, мало отличаются по своему поведению от идеальных газов.
Поэтому для реальной атмосферы справедливо уравнение состояния
идеального газа:
PV = ν RT,
где Р – давление;
V – объем газа;
ν – количество вещества;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – температура.
Распределение давления в атмосфере по высоте Н описывается так
называемой «барометрической формулой»:
Р н  Р0  е

 0 gH
P0
,
где ρ0 и Р0 – плотность и давление при Н = 0 (т.е. на уровне моря), причем
Р0=101325 Па;
g – ускорение свободного падения; g = 9,81м∙с-1.
Распределение концентрации составляющих атмосферу компонентов по
высоте имеет вид:
Nн  N0  e

MgH
RT
,
где M – молярная масса газа;
N0 – концентрация молекул на высоте Н=0 (на уровне моря);
R – универсальная газовая постоянная.
4 УСТОЙЧИВОСТЬ АТМОСФЕРЫ
Химические процессы в атмосфере и, следовательно, ее химический
состав как в глобальных и региональных, так и локальных масштабах
зависят не только от присутствия тех или иных соединений и их
потенциальной способности вступать в определенные химические реакции,
но и от многих других параметров атмосферы в данном месте и в данный
момент.
Количество (масса) примесей в атмосфере (А) есть функция деятельности
всех возможных источников (Qист), стоков (Qсток) и переноса (Qпер.). В
неравновесных условиях:
dA
= Qист – Qсток ± Qпер.
d
Стоки – это процессы удаления примеси в ходе химических реакций и
соосаждения. Qпер. – скорость процессов переноса и рассеяния. Решающую роль
в этих процессах наряду с горизонтальным переносом (адвекцией) играет
перемещение вверх от земной поверхности.
Такой перенос воздуха определяется уже одним только фактом наличия
температурного градиента, однако в реальной атмосфере он может не
реализовываться, поскольку зависит от характеристики, называемой
устойчивостью атмосферы. Устойчивость атмосферы проявляется в
отсутствии в ней значительных вертикального движения и
перемешивания. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные в
атмосферу вблизи земной поверхности, будут иметь тенденцию задерживаться
там.
Интенсивность теплового перемешивания определяют, сравнивая
температурный градиент, реально наблюдаемый в атмосфере, со стандартным
адиабатическим вертикальным градиентом.
 dT 
 dT 
 dT 
Г пот  


 Г станд.адиаб. ,



 dH  окр  dH  станд.адиаб.  dH  окр
где 
dT 
 –
 dH  окр
изменение
температуры
по
высоте,
наблюдаемое
в
окружающей среде.
Значение Гпот< 0 свидетельствует о сверхадиабатическом характере
профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случаях,
когда Гпот> 0, атмосфера устойчива. В случае, если Гпот≈ 0, атмосфера
характеризуется как безразличная.
Если температура повышается с ростом высоты, то атмосферные
условия определяются как инверсия. В этом случае атмосфера является
весьма устойчивой.
Примеры решения задач
Пример 1. В восьмидесятых годах 20-ого века среднегодовая
концентрация диоксида углерода в атмосфере, приведенная к температуре 273
К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 млн-1 Определите значения
концентрации CO2 в %(об.), см-3, моль/л, мг/м3 и парциальное давление CO2 в
Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли(288 К).
Решение:
Выразим объемную долю диоксида углерода φ, %(об.):
φ (CO2) = С · 10-4,
где С – концентрация диоксида углерода, выраженная в млн-1,
10-4 − коэффициент перевода млн-1 в % (об.).
φ (CO2) = 340 ∙10-4 = 0,034% (об.).
Число молекул любого газа в 1см3 можно получить, поделив число
молекул в 1 моле любого газа NA (число Авогадро) на объем VM, занимаемый
этим количеством газа (молярный объем газа), выраженный в см3:
N = NA / VM.
Поскольку молярный объем газа зависит от температуры и давления, то его
необходимо привести к условиям задачи:
VM = VM0·TP0/T0P,
где, VM0 − молярный объем газа при нормальных условиях (22,4 л/моль);
T0, P0, T, P − температура и давление при нормальных и заданных условиях
соответственно.
VM = 22,4 · 288 · 101,3/ (273 ∙101,3) = 23,63 л/моль = 23,63 · 103 см3/моль.
При 288 К и нормальном атмосферном давлении общее число молекул
идеального газа или смеси идеальных газов) в 1см3 составит:
N = 6,02 · 1023 / (23,63 · 103 ) = 2,55 ·1019 см-3 .
Число молекул диоксида углерода в 1см3 воздуха при условии, что воздух и
диоксид углерода ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его
объемную долю:
N(CO2) = N · φ (CO2) = 2,55 · 1019 · 3,4 · 10-4 = 8,67 · 1015 см-3 .
Определим парциальное давление диоксида углерода в воздухе. Значения
объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой
воздух; при определении парциального давления в реальных условиях следует
учитывать парциальное давление паров воды, которые всегда присутствуют в
атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться следующим
уравнением:
P = (Pвозд − Pводы ) C/100,
где P − парциальное давление примеси, кПа;
Pвозд − атмосферное давление, кПа;
Pводы − давление паров воды, кПа;
C − концентрация примеси, %(об.),
100 − коэффициент перевода % в доли.
Однако, поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном
давлении паров воды в воздухе, проведем упрощенный расчет:
P = Pвозд C /100;
P = 101,3 · 3,4 · 10-2 /100 = 3,46 · 10-2 кПа = 35 Па.
Молярную концентрацию CM (моль/л) диоксида углерода в воздухе
определим, пользуясь уравнением состояния идеального газа:
PV = ν RT ; P = νRT /V = CMRT; CM = P/(RT),
где P,V,ν, T − давление, объем, количество и температура идеального газа
соответственно,
R − универсальная газовая постоянная 8,314 Дж/(моль· К).
CM (CO2) = 35/(8,314 · 288) = 1,46 · 10-2 моль/м3 = 1,46 · 10-5 моль/л.
Число мг диоксида углерода в кубическом метре воздуха составит:
С*(CO2) = CM (CO2) · M(CO2) · 106 = 1,46 · 10-5· 44 · 106 = 642 мг/м3.
Ответ: концентрация диоксида углерода в воздухе составит: 0,034%(об.);
8,67·1015см-3; 1,46·10-5 моль/л; 642 мг/м3; парциальное давление диоксида
углерода равно 35 Па.
Пример 2. Масса атмосферы оценивается величиной 5·1014 т. Определите
количество кислорода в атмосфере в кг в допущении что атмосфера состоит
только из таких «квазипостоянных» компонентов, как азот, кислород и аргон, а
их объемная концентрация соответствует значениям, характерным для
приземного слоя атмосферы (φ(N2) = 78,11% (об.); φ(O2) = 20,95% (об.); φ(Ar) =
0,94% (об.)).
Решение:
Для решения задачи на первом этапе необходимо определить среднюю
молярную массу смеси газов, т.е. среднюю молярную массу воздуха Мвозд:
Мвозд = М(N2) · φ(N2) + М(O2) · φ(O2) + М(Ar) · φ(Ar),
где М(N2), М(O2), М(Ar) − молярная масса азота, кислорода и аргона
соответственно;
φ(N2), φ(O2), φ(Ar) − объемные доли соответствующих компонентов смеси в
воздухе;
Мвозд = 28,01 · 0,781 + 32,00 · 0,2095 + 39 · 0,0094 = 28,96 г/моль.
Зная общую массу атмосферы Матм(г) среднюю молярную массу воздуха
Мвозд(г/моль), определим общее количество воздуха в атмосфере νвозд :
νвозд = Матм/Мвозд
νвозд = 5 · 1015 · 106 /28,96 = 1,7 · 1020 (моль),
где 106 − коэффициент перевода тонн в граммы.
Поскольку мольные и объемные доли газов в смеси равны между собой.
Можно найти количество кислорода в атмосфере:
Ν(O2) = νвозд · φ(О2) = 1,7 · 1020 · 0,2095 = 3,6 · 1019(моль).
Теперь легко найти массу кислорода в атмосфере:
М(O2) = ν( O2) · М(O2) = 3,6 · 1019 · 32 = 11,5 · 1020 (г) = 12 · 1017 (кг).
Ответ: масса кислорода в атмосфере равна 12 · 1017 (кг).
Пример 3. Во сколько раз число молекул кислорода в кубическом
сантиметре воздуха на высоте вершины Эльбрус (5621 м над уровнем моря)
меньше, чем среднее значение у поверхности Земли (на уровне моря) при
нормальном атмосферном давлении?
Решение: Число молекул любого газа в 1см3 можно получить, поделив
число молекул в 1 моле любого газа NA (число Авогадро) на объем VM,
занимаемый этим количеством газа (молярный объем газа), выраженный в см3:
N = NA / VM.
Поскольку молярный объем газа зависит от температуры и давления, то его
необходимо привести к условиям задачи:
VM = VM0 · TP0/T0P,
где, VM0 − молярный объем газа при нормальных условиях (22,4 л/моль);
T0, P0, T, P − температура и давление при нормальных и заданных условиях
соответственно.
VM = 22,4 · 288 · 101,3/ (273 · 101,3) = 23,63 л/моль = 23,63 · 103 см3/моль.
При 288 К и нормальном атмосферном давлении общее число молекул
идеального газа или смеси идеальных газов) в 1см3 составит:
N = 6,02 · 1023 / (23,63 · 103 ) = 2,55 ·1019 см-3 .
Число молекул кислорода в 1см3 воздуха при нормальном давлении при
условии, что воздух и кислород ведут себя как идеальные газы, можно
определить, зная его объемную долю:
N(O2)З = N · φ (O2) = 2,55 · 1019 · 0,2095 = 5,34 · 1018 см-3 .
Содержание молекул воздуха в атмосфере
высоты над уровнем моря согласно уравнению:
убывает с увеличением
Nвозд Н = Nвозд З exp[− МвоздgH/(RTH)],
где NH − концентрация молекул в воздухе на высоте H над уровнем моря, см-3;
NЗвозд − средняя концентрация молекул в воздухе на уровне моря, см-3;
Мвозд − средняя молярная масса воздуха (28,96 г/моль = 28,96 · 10-3 (кг/моль);
g − ускорение силы тяжести (9,8 м/с2 );
H − высота над уровнем моря, м;
R − универсальная газовая постоянная (8,314Дж/(моль· К));
ТН − средняя температура воздуха на высоте Н, К.
Температуру на заданной высоте в тропосфере можно определить по
уравнению:
ТН = ТЗ + ΔТ · Н,
где ТН и ТЗ − температуры на заданной высоте Н и у поверхности Земли
соответственно, К;
ΔТ − температурный градиент в стандартной тропосфере ( Δ Т = −б,45 К/км).
Средняя температура атмосферы на высоте вершины Эльбрус составит:
ТН = 288 + (−6,45) · 5,621 = 252 К.
Концентрация молекул воздуха на высоте вершины Эльбрус составит:
NвоздН = 2,55·1019 exp [–28,96 ·10-3 · 9,8 · 5621/(8,314·252)] = 1,19·1019см-3.
Поскольку соотношение числа молекул «квазипостоянных» компонентов
воздуха в единице объема практически не меняется в атмосфере до высоты 100
км, можно определить концентрацию молекул кислорода на высоте вершины
Эльбрус (N(O2)Н) по уравнению:
N(O2)Н = Nвозд Н · φ (O2) = 1,19 ·1019 · 0,2095 = 2,49 · 1018 см-3.
Отношение частичных концентраций молекул кислорода в воздухе у
поверхности Земли и на вершине горы Эльбрус составит:
Х = N(O2)З/ N(O2)Н = 5,34 · 1018 /(2,49 · 1018) = 2,1.
Ответ: концентрация молекул кислорода в воздухе на вершине горы
Эльбрус в 2,1 раза меньше, чем у поверхности Земли
Пример 4. Количество метана, поступающего ежегодно с поверхности
Земли в атмосферу, составляет 550 млн.т. Среднее содержание метана в слое
атмосферы, на который приходится 90% ее массы, составляет 1,7 млн -1.
Определите время пребывания метана в этом слое атмосферы, если принять,
что в других частях атмосферы он отсутствует.
Решение:
Оцененное ранее (пример 2.3) количество воздуха в атмосфере равно 1,7 ·
10 моль. В слое воздуха, составляющем 90% массы атмосферы, будет
содержаться воздуха:
20
νвозд 90 = 1,1·1020 · 0,9 = 1,53 ·1020 моль.
Количество метана, содержащегося в этом слое атмосферы, составит
ν(CH4) = νвозд · φ (CH4),
где φ (CH4) − объемная доля метана в воздухе, по условию задачи равная
1,7 · 10-6.
ν(CH4) = 1,5 · 1020 · 1,7 · 10-6 = 2,6 ·1014 моль.
Масса метана в рассматриваемом слое атмосферы составит:
М(СН4) = М(СН4)· ν(CH4),
где М(СН4) − молярная масса метана (16 г/моль);
М(СН4) = 2,6 · 1014 · 16 = 41,6 · 1014 г = 41,6 · 108 т.
Время пребывания метана можно определить из уравнения:
τ = М(СН4)/Q(СН4),
где τ − время пребывания вещества в атмосфере, в единицах времени;
М(СН4) − масса вещества в атмосфере, в единицах массы;
Q(СН4) − скорость поступления или вывода вещества из атмосферы, в единицах
массы на единицу времени.
Время пребывания метана в слое, содержащем 90% массы атмосферы,
составит:
τ = 41,6 · 108 /(550 · 106) = 7,6 года.
Ответ: время пребывания метана в слое, содержащем 90% массы
атмосферы, составляет 7,6 года.
Пример 5. Определите градиент потенциальной температуры и дайте
характеристику степени устойчивости атмосферы в случае, когда температура у
поверхности Земли равна минус 15°С, на высоте 500 м − минус18,5°С, на
высоте 1000м − минус 15°С. а на высоте 1500м снижается до минус 21°С.
Решение:
Определим градиент потенциальной температуры для различных слоев
тропосферы:
Т
 dT 
+ Г.
 +Г=

 dH  окр
Гпот = 
В слое от поверхности Земли до высоты 500м градиент потенциальной
температуры составит:
18,2  15
+ 6,45 · 10-3 = 5,0 · 10-5 град/м.
500  0
В этом случае атмосфера может характеризоваться как слабо устойчивая,
или безразличная.
В зоне от 500 до 1000м имеем:
15  18,2
Г2пот =
+ 6,45 · 10-3 = 1,1 · 10- 2град/м.
100  500
Атмосфера – устойчивая.
На высотах от 1000 до 1500м потенциальный градиент температуры
составит:
21  15
Г3пот =
+ 6,45 · 10-3 = −5,5 · 10-3 град/м.
1500  1000
Г1пот =
В этой зоне атмосфера неустойчива.
Таким образом, по степени устойчивости в атмосфере выделяются три
различные слоя. Присутствие зоны устойчивой атмосферы свидетельствует о
наличии условий, характерных для приподнятой зоны температурной инверсии.
Ответ: потенциальные градиенты температуры на высотах от 0 до 500,
от 500 до 1000 и от 1000 до 1500м составляют 5,0 · 10 -5, 1,1 · 10-2 и −5,5 · 10-3
град/м соответственно. Атмосфера в этих зонах характеризуется как
безразличная, устойчивая и неустойчивая. В атмосфере наблюдается
приподнятая температурная инверсия.
Пример 6. Оцените мольное соотношение и общую массу диоксида серы
и оксида азота, поступающих атмосферу в течение суток с выбросами тепловой
электростанции, работающей на угле. Содержание серы в угле равно 1,5%
(мас.). В сутки на станции сжигается 10 тыс. тонн угля. Концентрация оксида
азота в газовых выбросах составляет 150 млн-1. Для сжигания угля используется
стехиометрически необходимое количество воздуха. При оценке принять, что
уголь состоит из углерода и содержит в качестве примеси только серу.
Решение:
Появление диоксида серы в выбросах отходящих газов связано с
процессом окисления соединений серы. Присутствующих в исходном топливе.
В рассматриваемом случае процесс можно представить уравнением:
S + O2 = SO2.
Количество серы, сжигаемое на станции в сутки, составит:
m(S) = m(угля ) ·ω(S),
где m(S) и m(угля ) − массы серы и угля, сжигаемого на станции в сутки;
ω(S) − массовая доля серы в угле.
m(S) = 10000 · 0,015 = 150 т/сут.
Количество диоксида серы, образующегося в процессе сжигания угля,
равное количеству серы, содержащейся в угле, составит:
ν(SO2) = ν(S) = m(S)/М(S),
где М(S) − молярная масса серы, г/моль;
ν(SO2) = 150 ·106 /32 = 4,69 ·106 моль/сут.
Для вычисления количества окси да азота, образующегося в процессе
горения угля, необходимо найти общее количество газов. Содержащихся в
отходящих продуктах (νобщ). Эта величина будет определяться числом молей
азота, содержащегося в воздухе, необходимом для окисления углерода и серы
из угля, − ν (N2), количеством диоксида углерода − ν (CO2) и количеством
образующегося диоксида серы − ν (SO2):
νобщ = ν (N2) + ν (CO2) + ν (SO2).
Процесс окисления углерода можно представить уравнением:
C + O2 = CO2.
Каждые сутки на станции сжигается 10000 т угля, которые по условию
задачи содержат 150 т серы и 9850 т углерода. Количество углерода,
сжигаемого на станции в сутки, составит:
ν(С) = m(C)/ M(C),
где M(C) − молярная масса углерода, г/моль;
ν(С) = 9850 ·106 / 12 = 8,21 · 108 моль/сут.
На каждый моль углерода образуется моль диоксида углерода и
расходуется, как и при окислении серы один моль кислорода из воздуха.
Поэтому количество диоксида углерода, образовавшегося при горении угля,
составит:
ν (CO2) = ν(С) = 8,21 · 108 моль/сут.
Общее количество кислорода, необходимое для окисления серы − ν(О2)S и
углерода −ν(О2)c, содержащихся в угле, составит:
ν(О2) = ν(О2)S + ν(О2)c = 4,69 · 106 + 8,21 · 108 + 8,26 · 108 моль/сут.
Поскольку в процессе сжигания угля используется воздух, кислород из
которого по условию задачи будет полностью израсходован на окисление серы
и углерода, в отходящих газах останется лишь азот, если не принимать во
внимание другие инертные газы и процесс окисления самого азота. Содержание
азота можно определить, зная средний состав воздуха:
ν (N2) = ν(О2) · φ (N2) / φ (O2),
где φ(N2) и φ(O2) − содержание азота и кислорода в воздухе, %(об.)
соответственно;
ν (N2) = 8,26 · 108 · 78,11 / 20,95 = 3,08 · 108 моль/сут.
Общее количество газов, содержащихся в отходящих продуктах сгорания
угля, составит:
νобщ = 3,08 · 108 + 8,21 · 108 +4,69 · 106 = 11, 34 · 108 моль/сут.
Количество оксида азота в отходящих газах составит:
ν(NO) = νобщ · φ (NO),
где φ (NO) − объемная доля оксида азота в отходящих газах, по условию задачи
равная 159 млн-1;
ν(NO) = 11,34 · 108 · 150 · 10-6 = 1,70 · 105 моль/сут.
Мольное соотношение ή диоксида серы и оксида азота в отходящих газах
составит:
ή = ν (SO2) / ν(NO) = 4,69 ·106 / 1,70 · 105 = 27,6 ≈ 28
Массы диоксида серы и оксида азота, поступающих в атмосферу в
процессе сгорания угля, можно определить по уравнению:
m = ν · M,
где m − масса газа, г; ν − содержание в отходящих газах, моль/сут.;
М − молярная масса соответствующего газа, г/моль;
m(SO2) = 4,69 · 106 · 64 = 300 · 106 г/сут. = 300 т/сут.;
m(NO) = 1,70 ·105 · 30 = 51 · 105 г/сут. = 5,1 т/сут.
Ответ: с отходящими газами тепловой электростанции в сутки в
атмосферу поступает 300 т диоксида серы и 5,1 т оксида азота; мольное
соотношение диоксида серы и оксида азота примерно равно 28.
Задачи для самостоятельного решения
1.
Во сколько раз будет превышено значение максимально разовой
ПДК для уксусной кислоты, равное 0,2 мг/м3, если на складе произошла авария
(разлилась кислота) и установилось динамическое равновесие между парами и
жидкой уксусной кислотой? Парциальное давление паров уксусной кислоты
примите равным 3 Па. Атмосферное давление равно 101,3 кПа, температура
25°С.
2.
Превышается ли и если да, то во сколько раз, значение
максимально разовой ПДК для аммиака, равное 0,2 мг/м3, при обнаружении его
запаха, если порог обнаружения запаха для аммиака составляет 46,6 ppm?
Атмосферное давление равно 100 кПа, температура 25°С.
3.
Сколько молекул формальдегида присутствует в каждом
кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях, если его
концентрация достигает значения ПДКм.р., равного 0,035 мг/м3? Вычислите
парциальное давление формальдегида, соответствующее его ПДКм.р. при н.у.
4.
Минимальное количество газов, определяемое по запаху средним
человеком (порог запаха) составляет для уксусной кислоты и аммиака 1 и 46,6
млн−1 соответственно. Превышаются ли значения ПДКм.р. для этих веществ,
равные между собой и составляющие 0,2 мг/м3? Какое парциальное давление
паров уксусной кислоты достигается в помещении при обнаружении запаха?
Сколько молекул аммиака присутствует в 1 см3 воздуха при обнаружении его
запаха? Температура и давление воздуха отвечают нормальным условиям.
5.
Сколько молекул бензола присутствует в каждом кубическом
сантиметре воздуха при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа, если его
концентрация достигает значения ПДКс.с., равного 0,1 мг/м3? Вычислите
концентрацию паров бензола в воздухе в % (об.).
6.
ПДКр.з. сероводорода и метилмеркаптана (СН3SH) равны 8,0 и 0,8
мг/м соответственно. Рассчитайте значения ПДКр.з. этих газов в моль/л, % (об.),
см-3 при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли (288К). Как
соотносятся ПДКр.з. сероводорода и метилмеркаптана, выраженные в моль/л?
3
7.
Масляная кислота обнаруживается по запаху, если ее частичная
концентрация в воздухе составляет 2,4∙1012 см−3. Превышается ли и если да, то
во сколько раз, значение максимально разовой ПДК для масляной кислоты,
равное 0,015 мг/м3, при обнаружении ее запаха? Атмосферное давление равно
101,3 кПа, температура 25°С.
8.
В отдаленные геологические эпохи среднегодовая концентрация
диоксида углерода в атмосфере, приведенная к нормальным условиям,
достигала 200 млн−1. Определите значения концентрации СО2 в % (об.), см−3,
моль/л, мг/м3 и парциальное давление СО2 в Па при средней температуре
воздуха вблизи поверхности Земли (288К).
9.
Определите максимальную концентрацию (в см–3, мг/м3 или млн–1)
молекул формальдегида в помещении кухни и его парциальное давление, если
единственным источником его является трансформация 2 л метана. Площадь
кухни 10 м2 и высота стен 3 м; Температура воздуха 25°С, атмосферное
давление равно 730 мм рт. ст.
10.
Какое максимальное количество молекул формальдегида может
быть обнаружено в каждом см3 помещения (V = 40 м3), если произошла утечка
5 л газа, содержащего 98% метана? Каково в этом случае максимально
возможное парциальное давление формальдегида? Сравните максимально
возможную концентрацию формальдегида в помещении с ПДКм.р., равной 0,035
мг/м3. Температура воздуха 20°С, давление 1 атм.
11. При работе двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу в
воздух выбрасывается 80 мг угарного газа ежеминутно. Определите
концентрацию угарного газа в мг/м3, моль/л, млн−1 в гараже площадью 15м2 и
высотой 2,5 м спустя 20 мин. с начала работы двигателя. Каково парциальное
давление угарного газа? Температура воздуха 20°С, давление 1 атм.
12. В лабораторных спиртовках этиловый спирт сгорает выделением
углекислого газа и воды. Вычислите объем углекислого газа, который
накопится в химическом кабинете объемом 288 м3, если на каждом из 18 столов
сгорает во время работы 2,3 г спирта. Какова будет объемная доля
выделившегося углекислого газа и окажет ли он влияние на самочувствие
учеников, работающих в кабинете, если при объемной доле выше 4%
происходит раздражение дыхательных путей, шум в ушах, головная боль.
(Содержание в воздухе оксида углерода (IV) составляет 0,035%). Вычислите
молярную и массовую концентрацию выделившегося углекислого газа, а также
его парциальное давление. Давление воздуха равно 1,1 атм, температура 25°С.
13.
Какую максимальную концентрацию молекул формальдегида
можно ожидать в воздухе, в котором содержание метана упало с 200 до 60
млн–1? Ответ дайте в млн–1, см–3 и мг/м3. Какого максимального значения могло
достигнуть парциальное давление формальдегида? Давление воздуха равно 1,1
атм, температура 25°С.
14.
Какого максимального значения могут достигнуть концентрация и
парциальное давление озона в приземном воздухе, если он образовался при
окислении метана в присутствии оксидов азота по схеме:
СH4 + 8O2 + 4M → CO2 + 2H2O + 4O3 + 4M*?
Концентрация СН4 равна 1,5 млн–1. При оценке следует считать, что озон из
атмосферы не выводится. Ответ дайте в см –3, мг/м 3, млн–1 и Па. Температура
воздуха 20°С, давление 710 мм рт. ст.
15. Установлено, что в атмосфере большого города содержится озона
0,26% (по объему). Сколько молекул озона приходится на кубический метр
такой атмосферы при температуре 25°С и давлении 760 мм рт. ст.?
Превышается ли при этом и если да, то во сколько раз, значение
среднесуточной ПДК для озона, равное 0,03 мг/м3? Атмосферное давление
равно 101,3 кПа, температура 25°С.
16. Нижний предел воспламенения метано-воздушной смеси равен
5%(об.). Определите значения концентрации метана в этой смеси в млн−1, см−3,
моль/л, мг/м3 и парциальное давление метана при температуре воздуха 298К и
нормальном атмосферном давлении.
17. Нижний предел воспламенения смеси диэтилового эфира с
воздухом равен 1,9%(об.). Определите значения концентрации эфира в этой
смеси в млн−1, см−3, моль/л, мг/м3 и парциальное давление эфира при
нормальных условиях.
18. Нижний предел воспламенения смеси монооксида углерода с
воздухом равен 12,5%(об.). Определите значения концентрации СО в этой
смеси в млн−1, см−3, моль/л, мг/м3 и парциальное давление СО при температуре
воздуха 298К и нормальном атмосферном давлении.
19. Для количественной оценки запаха вещества используется
европейская эталонная масса запаха, разбавленная 1 м3 нейтрального газа при
нормальных условиях. Это масса вещества, которая вызовет физиологический
отклик у 50% испытуемых, принимающих участие в определении
концентрации запаха, и соответствует концентрации в 1 Е3/м 3. Эталонным
веществом при измерении запаха рекомендуют применять н-бутанол, одна
европейская эталонная масса запаха эквивалентна 123 мкг н-бутанола.
Определите значения концентрации н-бутанола, соответствующее 1 Е3/м3, в
млн−1, см−3, моль/л при температуре 298К и нормальном атмосферном
давлении.
20. Резкий специфический запах озона (по Менделееву «запах раков»)
ощутим даже при разбавлении 1:100000. Определите значение концентрации
озона в млн−1, см−3, моль/л, мг/м3. Превышается ли и если да, то во сколько раз
значение среднесуточной ПДК озона, равное 0,03 мг/м3? Температура воздуха
равна 298К; атмосферное давление равно 101325 Па.
21. Масса атмосферы оценивается величиной 5·1015 т. Определите
массу азота в атмосфере в кг в допущении, что атмосфера состоит только из N2,
O2 и Ar, а их объемные концентрации соответствуют значениям, характерным
для приземного слоя атмосферы.
22. Масса атмосферы оценивается величиной 5·1015 т. Определите
массу аргона в атмосфере в кг в допущении, что атмосфера состоит только из
N2, O2 и Ar, а их объемные концентрации соответствуют значениям,
характерным для приземного слоя атмосферы.
23. Масса атмосферы оценивается величиной 5·1015 т. Определите
массу углекислого газа в атмосфере в кг в допущении, что атмосфера состоит
из N2, O2, Ar и СО2. Объемные концентрации квазипостоянных компонентов
атмосферы соответствуют значениям, характерным для приземного слоя
атмосферы. Мольная доля СО2 равна 350 млн−1.
24. Масса атмосферы оценивается величиной 5·1015 т. Определите
массу углекислого газа в атмосфере в кг в допущении, что атмосфера состоит
из N2, O2, Ar и СН4. Объемные концентрации квазипостоянных компонентов
атмосферы соответствуют значениям, характерным для приземного слоя
атмосферы. Мольная доля СН4 равна 1,70 млн−1.
25. Во сколько раз количество молекул кислорода в 1 см3 воздуха на
заданной высоте: а) 5км; б) 25 км – меньше, чем среднее значение у
поверхности Земли (на уровне моря) при нормальном атмосферном давлении и
средней температуре воздуха вблизи поверхности?
26. Вычислите частичную концентрацию углекислого газа (см−3) на
заданной высоте: а) Останкинской башни (540м); б) небоскреба Бурдж-Халифа
в Дубае (828м). Средняя концентрация СО2 равна 0,035%(об.).
27. Средняя концентрация оксида азота (I) в приземном слое равна
310 млрд−1. Вычислите частичную концентрацию оксида азота (I) (см−3) на
высоте 10 км и на высоте 20км над уровнем моря.
28. Дайте характеристику степени устойчивости атмосферы в
следующих случаях: а) температура приземного слоя воздуха равна 10°С, а на
высоте 300 м составляет 7°С; б) на высоте 1 км над Землей температура воздуха
равна 25°С, а вблизи поверхности составляет 20°С.
29. Определите градиент потенциальной температуры и дайте
характеристику степени устойчивости атмосферы в случае, температура у
поверхности Земли равна –15°С, на высоте 500 м температура составляет –
18,2°С, на высоте 1000 м температура равна –15°С, а к высоте 1500 м снижается
до –21°С.
30. Количество метана, поступающего ежегодно с поверхности Земли
в атмосферу, составляет 550 млн т. Среднее содержание метана в слое
атмосферы, на который приходится 90% ее массы, составляет 1,7 млн–1.
Определите время пребывания метана в этом слое атмосферы, если принять,
что в других частях атмосферы он отсутствует.
31. Оцените количество кислорода, ежегодно поступающего в
атмосферу Земли. Примите, что время пребывания кислорода в атмосфере
составляет 5000 лет, а весь вклад в массу атмосферы вносят только такие
квазипостоянные компоненты воздуха, как азот, кислород и аргон, объемная
концентрация которых во всем объеме воздуха соответствует значениям,
характерным для приземного слоя атмосферы.
32. Оцените время пребывания аммиака в тропосфере, если его
концентрация принимается равной 0,005 мг/м3, а интенсивность поступления
оценивается в 74 млн т/год в пересчете на элементарный азот.
33. Ежегодно в атмосферу выделяется около 150 млн тонн SO2.
Сколько тонн 100% серной кислоты теоретически можно получить из этого
количества диоксида серы?
34. Предположим, что в атмосфере промышленного города площадью
580 км2 концентрация SO2 равна 6 мг/м3, и что сернистый газ равномерно
распределен в атмосфере до высоты 1200 м. Какова суммарная масса
сернистого газа в атмосфере при температуре 24°С и давлении 740 мм рт. ст.?
35. Из пробы воздуха объемом 12 л был удален диоксид серы. Объем
пробы уменьшился до 11 л. Определите концентрацию SO2 и выразите ее в %
(об.), см–1 и млн–1. Давление воздуха 101,3 кПа, температура 25°С.
36. В процессе выплавки меди из руды Cu2S высвобождается
газообразный диоксид серы. Если предположить, что таким образом в стране
получают 1,6 млн. тонн меди ежегодно, то сколько SO2 (в тоннах) выделяется
при этом при обжиге руды? Сколько серной кислоты (в тоннах) можно
получить из этого количества диоксида серы?
37. Сколько карбоната кальция потребуется для удаления SO2,
образующегося при сгорании одной тонны нефти, если содержание в ней серы
составляет 1,7%. Предположительная эффективность этого способа 22%.
38. Сколько карбоната кальция потребуется для удаления диоксида
серы, образующегося при сгорании одной тонны угля, если содержание в нём
серы составляет 2,1 %. Предположительная эффективность этого способа
удаления диоксида серы составляет 30 %
39. Теплоэлектростанция работает на каменном угле, содержащем 0,5%
серы и 6,5% несгораемых примесей. Экологи определили, что над станцией
среднесуточный объем облачности составляет 20 км3, а содержание сернистой
кислоты в облаках 0,256 мг/м3. Считая станцию единственным источником
загрязнителей атмосферы, определите, сколько тонн шлаков вывозится с нее на
свалку ежедневно.
40. Один из методов, предложенных для удаления SO2 из отходящих
газов теплоэлектростанций, заключается в реакции диоксида серы с водным
раствором сероводорода, идущий с образованием серы. Какой объем
газообразного Н2S при 27°С и 740 мм. рт. ст. потребуется для удаления SO2,
образующегося при сжигании 1 тонны угля, в котором содержится 3,5% вес
серы? Какое количество элементарной серы будет получено при этом?
Предполагается 100% - ный выход по всем реакциям.
41. П Один из методов, предложенных для удаления NH3 из отходящих
газов химического производств, заключается в реакции NH3 с водным
раствором 10 %-ной фосфорной кислоты, идущей с образованием ортофосфата
аммония. Какой объём NH3 при 30°С и 1атм. может быть поглощен 10 м3
указанного раствора кислоты? Какое количество аммиачно-фосфатного
удобрения будет получено при этом? Предполагается 100% -ный выход.
42. Одним из методов, предложенных для удаления хлороводорода из
отходящих газов промышленного производства, заключается в реакции его с
газообразным аммиаком. Какой объём NH3 при 300С и давлении 730 мм. рт. ст.
потребуется для удаления HCl из 10 м3 отходящих газов, содержащих 25% (об.)
хлороводорода? Подразумевается 100% -ный выход реакции и отсутствие
других газов, реагирующих с HCl. Сколько твердого продукта при этом
получится?
43. Одним из методов, предложенных для удаления хлороводорода из
отходящих газов промышленного производства, заключается в реакции HCl с
насыщенным раствором гидроксида кальция. Содержание Са(ОН)2 в
насыщенном растворе составляет 0,155 г в 100г воды при 25°С, плотность
раствора примите равной 1000 кг/м3. Какой объем HCl при 25°С и давлении 1
атм. может быть поглощен 1 м3 указанного раствора извести? Какое количество
хлорида кальция будет получено при этом? Предполагается 100% -ный выход
по всем реакциям.
44. При анализе на содержание аэрозоля серной кислоты в
атмосферном воздухе были получены следующие данные: скорость аспирации
воздуха 6 л/мин, время аспирации – 15 минут, содержание серной кислоты в
пробе 40 мкг. Условия отбора проб: температура 20°С, давление 769 мм рт. ст.
Определите концентрацию аэрозоля серной кислоты в исследуемом воздухе.
ПДК тумана серной кислоты – 1 мг/м3.
45. Содержание угарного газа в отработанных газах автомашины
“Жигули” не должно превышать 4,5% по объему. Соответствует ли режим
работы двигателя указанной норме, если при пропускании 25 л выхлопных
газов (содержащих по объему СО2 вдвое больше, чем СО) через 18,5 мл 10%
раствора гидроксида натрия произошло полное насыщение раствора?
46. Один из методов, предложенных для удаления NH3 из отходящих
газов химического производств, заключается в реакции NH3 с водным
раствором 10 %-ной фосфорной кислоты, идущей с образованием ортофосфата
аммония. Какой объём NH3 при 30°С и 1атм. может быть поглощен 10 м3
указанного раствора кислоты? Какое количество аммиачно-фосфатного
удобрения будет получено при этом? Предполагается 100% -ный выход.
47. Для определения максимальной разовой концентрации аммиака
исследуемый воздух со скоростью 1 л/мин в течение 30 мин протягивают через
поглотительный прибор, содержащий 6 мл 0,02н. серной кислоты. Содержание
аммиака в пробе составило 0,8 мкг. Рассчитать концентрацию аммиака в
исследуемом воздухе, если отбор пробы проводился при 25°С и давлении 770
мм рт. ст.
48. Для определения разовой концентрации диоксида азота
исследуемый воздух со скоростью 0,3 л/мин в течение 35 мин протягивают
через поглотительный прибор, содержащий 5 мл поглотительного раствора.
Содержание диоксида азота в пробе составило 1,5 мкг. Рассчитайте
концентрацию диоксида азота в исследуемом воздухе, если отбор пробы
проводился при 15°С и давлении 100 кПа.
49. При анализе воздуха на содержание озона использовалась реакция
взаимодействия его с ионами двухвалентного железа в кислой среде.
Исследуемый воздух аспирировался в течение 40 мин со скоростью 0,5 л/час.
Эквивалентное содержание озона в пробе составило 2,82 мкг. Рассчитайте
концентрацию озона в исследуемом воздухе, если отбор пробы проводился при
18°С и давлении 105,6 кПа.
50. Определение оксида углерода в атмосферном воздухе основано на
восстановлении оксидом углерода аммиачных растворов оксида серебра и
последующем колориметрическом определении окрашенных растворов. При
анализе пробы воздуха получены следующие данные: содержание СО
составило 0,75 мг; скорость отбора пробы – 0,5 л/мин; время аспирации – 12
мин; температура воздуха – 19,5°С; атмосферное давление – 745 мм рт. ст.
Рассчитайте степень загрязненности воздуха, если ПДК для СО 20 мг/м3.
51. Аэрокосмические корабли многоразового использования типа
“Спейс Шаттл” опасны для озонового слоя. При запуске одного такого корабля
ракетные ускорители на высотах до 50 км выбрасывают в атмосферу 187 тонн
хлора. 1 молекула хлора способна уничтожить 1·10 5 молекул озона.
Взаимодействие протекает по реакциям:
Сl2 + 2О3 = 2С1O + 2O2; СlО + 2О = Сl2 + 2O2
Рассчитайте, сколько тонн озона уничтожит такой выброс хлора, если учесть,
что в реакциях участвует весь хлор.
52. Космический корабль выбрасывает в атмосферу 7 тонн оксидов
азота. 1 молекула оксида азота уничтожает 10 молекул озона. Взаимодействие
идет по реакциям:
NO + О3 = NO2 + O2; NO2 + О = NO + O2
Рассчитайте, сколько тонн озона уничтожит такой выброс оксидов азота, если в
реакциях участвуют все выброшенное кораблем вещество.
53. В каждом кубическом сантиметре воздуха присутствует 2·106
частиц сферической формы, средний диаметр которых составляет 1 мкм.
Плотность частиц равна 4 г/см3. Превышается ли значение ПДК для воздуха
рабочей зоны, равное 6 г/см3.
54. В контейнер, площадь внутренней поверхности которого равна 4м2,
поместили 50 л загрязненного воздуха, в котором концентрация однородных
аэрозольных частиц сферической формы составляла 106 см–3. Какую часть
поверхности покрыл бы этот аэрозоль, если бы частицы распределились в виде
мономолекулярного слоя, а диаметр частиц составлял 5·10−7 м? Выразите
концентрацию частиц в пробе загрязненного воздуха в мг/м3, если их плотность
равна 1 г/см3.