Химия окружающей среды Вторушина Анна Николаевна ТПУ - 2013

для студентов, обучающихся по направлению:
280700 «Техносферная безопасность»
Химия окружающей
среды
Вторушина Анна Николаевна
ТПУ - 2013
Атмосфера
Гипотезы происхождения
атмосферы:
1. Непрерывное образование
атмосферы (за счет выделения
газов из мантии);
2. Взрывообразное образование
атмосферы (например, за счет
расслоения Земли на ядро и
мантию)
Строение
атмосферы
Закон парциального
давления Дальтона
P = P0 exp(–h/H0)
P0 –давление на поверхности земли
h – отсчет высот от уровня океана
H0 – высота/ мера скорости с которой
давление падает с высотой
Состав незагрязненного
воздуха
Состав атмосферы
Газы в атмосфере не всегда находятся в
равновесии.
Сбалансированное состояние
атмосферы:
Fвх  Fвых
A


Где Fвх , Fвых - потоки в атмосферу и из нее, А –
общее количество газа в атмосфере,  - время
пребывания газа в атмосфере.
Время пребывания – величина,
описывающая системы в
устойчивом состоянии.
Источники компонентов в
атмосфере:
1. Геохимические
2. Биологические
3. Антропогенные
Геохимические источники
компонентов:
1. Пыль от выветривания почвы (химическое
влияние не велико из-за слабой
хим.активности)
2. Морские брызги (более реакционноспособны)
H 2 SO4( аэрозоль)  NaCl( аэрозоль) 
 HCl( г )  NaHSO4( аэрозоль)
3. Частицы привнесенные метеорами (металлы в
верхних слоях атмосферы)
4. Выбросы вулканического происхождения
(изменение температуры, нарушение химических процессов на
больших высотах)
5. Радиоактивные элементы пород
Биологические источники
компонентов
1. Лес:
 Лесные пожары (значительный источник
углерода);
 Процессы дыхания и фотосинтеза (О2, СО2);
 Источник следовых количеств органических
кислот, альдегидов и др. соединений.
2. Микроорганизмы почв
NH 2CONH 2( ж )  H 2O( ж ) 
 2 NH 3( г )  CO2( г )
NH3(г)  H(водн)  NH4( водн)
Биологические
источники компонентов
Растения поглощают почвенные
NH3 , NH4
2NH3(г)  2O2(г )  N2O(г)  3H 2O( г)
3. Микроорганизмы океанов
(CH 3 )2 S  CH 2CH 2COO(водн) 
(CH 3 )2 S( г )  CH 2CHCOOH (водн )
CS2(водн)  H 2O( г ) 
 OSC( г )  H 2 S( г )
4. Малоизученные процессы (CH3Cl,бром,
йодсодержащие органические соединения)
Источники загрязняющего
материала в виде твердых
частиц в атмосфере (Бримблекомб,
1986)
Источник
Лесные пожары
Пыль
Морская соль
Вулканическая пыль
Метеоритная пыль
Глобальный привнос,
Тг/год
35
750
1500
50
1
Состав атмосферы:
 Постоянные составляющие
Компонент
Азот
Кислород
Аргон
Неон и другие
инертные газы
Объемная доля, %
78,16
20,9
0,93
0,01
Массовая доля, %
75,50
23,20
1,28
0,02
 Переменные составляющие (СО2, водяной
пар)
 Случайные составные части (радиоактивные
примеси, аммиак, сернистый газ и др.)
Состав атмосферы:
Диссипация – это процесс преодоления
атомами и ионами поля притяжения
Земли.
Кинетическая теория газов:
2
mV
T
3k B
T – абсолютная температура, m – средняя масса
частицы, V – средняя скорость частицы, kB –
константа Больцмана
Химические реакции в
атмосфере можно разделить
на:
1.
2.
3.
4.
5.
Реакции фотодиссоциации
Реакции фотоионизации
Реакции диссоциативной рекомбинации
Реакции с переносом заряда
Реакции обмена
Химические реакции в
атмосфере
1. Реакции фотодиссоциации
Фотодиссоциация – это распад молекул с
образованием свободных радикалов в
результате поглощения фотона.
h
O 2  2O

h
H 2O  H  OH
h
OH  H  O
Химические реакции в
атмосфере
2. Реакции фотоионизации
Фотоионизация – это образование ионов из
молекул и атомов под действием
квантов света.
h

2

h

2

N 2  N  e
O2  O  e
h

O  O  e

Химические реакции в
атмосфере
3. Реакции диссоциативной
рекомбинации – это реакции иона с
электронами с образованием нейтральных
молекул, которые в разряженных условиях
верхней атмосферы будут быстро
диссоциировать.

2


2

N  e 
 N 2 
N  N
O  e 
 O2 
O  O
Химические реакции в
атмосфере
4. Перенос заряда – реакция
молекулярного иона с нейтральной
частицей, сопровождающаяся переносом
электрона.

2

2


2
N  O2 
 N2  O
O  O2 
O  O
Химические реакции в
атмосфере
5. Реакции обмена – реакции
сопровождающиеся разрывом связей.

2

N  O 
 NO  N


O  N 2 
 NO  N
Реакции следовых веществ в
атмосфере
Причина короткого пребывания газа в атмосфере –
протекание хим.реакций.
Реакции следовых веществ
в атмосфере
Наиболее реакционноспособная единица в
атмосфере – гидроксильный радикал.
а) фоторазложение озона:
h
O3(г ) O2(г )  O(г )

O( г )  H 2O( г ) 
 2OH ( г )
б) Фотодиссоциация воды:
h
H2O 
OH   H
Реакции следовых
веществ в атмосфере
Гидроксильный радикал реагирует со многими
соединениями, поэтому у него короткое время
пребывания, и скорости реакций больше нежели
у О2.

NO2( г )  OH ( г ) 
 HNO3( г )
В стратосфере преобладает атомарный кислород.
Газы просачиваясь в стратосферу мешают
образованию озона.
O2( г )  O( г ) 
 O3( г )
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Источники антропогенного
загрязнения:
транспорт - 60% общего количества
загрязнений,
 промышленность – 17%,
 энергетика – 14%,
 отопление и
уничтожение отходов – 9%.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Классификация атмосферных
загрязнений
(по пути поступления в атмосферу):
1. первичные (поступающие непосредственно в
атмосферу)
SO2  O2 
 SO3
2. вторичные (являющиеся результатом
превращения первичных).
SO3  H 2O 
 H 2 SO4
SO3  2 NH 3  H 2O 
( NH 4 ) 2 SO4
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Около 85% общего выброса вредных
веществ в атмосферу составляют:




сернистый газ,
оксиды азота,
оксиды углерода,
аэрозольная пыль.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Аэрозоли – дисперсные системы, в которых
дисперсионной средой служит газ, а
дисперсными фазами являются твердые или
жидкие частицы.
Аэрозоли:
1. пыли – дисперсные системы, состоящие из
твердых частиц, диспергированных в
газообразной среде.
2. дымы – аэрозоли, которые получаются при
конденсации газа.
3. туман – дисперсная система, состоящая из
жидких частиц в газообразной среде.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Источники аэрозолей:
 Естественные (вулканы, гейзеры,
разрушающиеся горные породы,
пылевые бури, почвенная эрозия,
лесные пожары),
 Антропогенные (выбросы
промышленных предприятий и др.)
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
АТМОСФЕРЫ
Основной параметр, характеризующий
взвешенные частицы, – это их размер.
Закон Стокса:
F  6r
где F – сила трения, r – радиус частицы, V –
ее скорость и  – вязкость среды.
Загрязнение атмосферы
автотранспортом
Количество загрязнения определяется:
 составом топлива
 объемом сжигаемого топлива
 организация процесса сгорания
Рациональный выбор
топлива
Загрязнение атмосферы
автотранспортом
Выбросы в атмосферу при сжигании
различных видов топлива:
 нетоксичные: углекислый газ, водяной пар
(парниковые газы).
 вредные вещества: оксид углерода (II),
оксиды серы, азота, соединения свинца,
сажа, углеводороды, бенз(а)пирен (С20Н12),
несгоревшие частицы топлива и т. п.
Нормы токсичности и выбросов с ОГ
двигателей серийных авто полной
массой до 3.5 т
Загрязнение атмосферы
автотранспортом
Горение топлива
Идеальная ситуация:
C9 H 20  14O2 
 9CO2  10 H 2O
Реальная ситуация:
C9 H 20  9,5O2 
 9CO  10 H 2O
C8 H18  2,5O2 
 4CH 3COH  H 2O
Pb(C2 H 5 ) 4  2CH 3CH 2 Br  14,5O2 
 PbBr2  12CO2  15H 2O
Горение топлива
- СО связывает гемоглобин в 210 раз
эффективнее О2
Горение топлива
- Промышленные выбросы SO2 – 200 Мт/год
- Природные источники – 300 Мт/год (Эткинс, 1991)
Продукты горения топлива вызывают появление
вторичного загрязнения:
Смог – это туман с влажностью около 70%.
Общая схема образования фотохимического
смога в упрощенном виде:
NO2 
 NO  O


O  O2 
 O3
NO  O3 
 NO2  O2
Некоторые
составляющие
фотохимического смога
Фотохимический смог
Характерное распределение
смога по времени суток:
Фотохимический смог –
вторичное загрязнение
Первичное и вторичное
загрязнение атмосферы
Загрязнение воздуха и
здоровье
 Свинец – снижение умственных
способностей у детей
 Бензол – увеличение фотохимического
смога, онкологические заболевания.
 Толуол - онкологические заболевания;
образует пероксибензилнитрат –
раздражитель глаз.
Последствия
загрязнения атмосферы
 Диоксид серы, серная кислота –
разрушает известняк до гипса;
 Озон – разрушение двойных связей
органических молекул (разрушение
резин, красителей, нарушение
жизнедеятельности растений);
 Окиси азота – затруднение дыхания,
инициирование фотохимических
процессов с образованием альдегидов
и др.
Озоновый слой
Механизм образования озона:
3O2
2O3

O2  O  M
O3  M

Факторы влияющие на концентрацию
озона:
h
O3  O2  O

O3  O 
 2O2

Разложение озона в азотном
цикле

NO2  O 
 NO  O2
NO  O3 
 NO2  O2
NO2  O3 
 NO3  O2
h
NO3  NO  O2
Разложение озона под действием
водяного пара
h
H 2O 
 H   OH 
h
O   H 2O 
 2OH 
h
H   H 2O 
 H 2  OH 
Таблица 2
Число частиц в 1 см3 атмосферы по расчетным данным
Влияние антропогенных
факторов на слой озона
Фреоны:
h

h

CFCl3  CFCl2  Cl
CF2Cl2  CF2Cl  Cl
O3  Cl  
 ClO  O2

ClO  O 
 Cl  O2
O3  ClO 
 ClO  2O2

O3  ClO 
 ClO2  O2
ClO2  O 
 ClO  O2
Вклад различных циклов в
скорость разложения озона
1 – галоидный
цикл;
2 – водородный
цикл;
3 – кислородный
цикл;
4 – азотный цикл
Изменения глобального
климата
Естественная эволюция
климата
Причины изменения климата:
1. Астрономические факторы (колебания
климата с периодичностью в десятки
тысяч лет).
2. Состав атмосферы (влияние
естественных изменений содержания
СО2 существенно для интервалов
времени более 100 тыс.лет).
Естественная эволюция
климата
Причины изменения климата:
3. Рельеф земной поверхности
(сказывается на изменениях климата на
больших пространствах за периоды не
меньше сотен тысяч – миллионов лет).
4. Солнечная постоянная. Порядок
времени – сотни миллионов,
миллиарды лет.
Причины изменения климата:
5. Другие факторы, влияние которых
сказывается за меньшие промежутки
времени:




Солнечная активность;
Скорость вращения Земли;
Вулканическая активность;
Автоколебательные процессы в системе
«атмосфера – гидросфера - криосфера».
Основные антропогенные
факторы, оказывающие влияние
на климат:
 Рост производства энергии (нагрев
тропосферы);
 Увеличение содержания СО2 и
др.парниковых газов в атмосфере;
 Снижение содержания О3 в стратосфере
и увеличение в тропосфере;
 Увеличение содержания аэрозолей в
атмосфере (рост облачности, уменьшение
приземной температуры воздуха).
Темы докладов:
Происхождение и эволюция Земли.
Образование атмосферы.
Состав и строение атмосферы.
Функции атмосферы.
Основные химические процессы,
протекающие в атмосфере.
6. Парниковый эффект.
7. Причины глобальных климатических
изменений.
8. Разрушение озонового слоя. Влияние
хлорфторуглеродов и других компонентов
антропогенного происхождения на
процессы в озоновом слое.
1.
2.
3.
4.
5.
Темы докладов:
9. Причины и механизм образования
кислотных дождей (реакции,
протекающие в атмосфере, основные
характеристики компонентов кислотных
дождей и сопуствующих газов, состав
кислотного дождя, кислотные туманы и
облака).
10. Воздействие угарного и углекислого
газов на здоровье человека.
11. Воздействие оксидов азота и серного
ангидрида на здоровье человека.
Темы докладов:
12. Воздействие тяжелых металлов на
здоровье человека.
13. Источники загрязнения атмосферы
бензапиреном. Механизм токсического
воздействия.
14. Атмосферная радиоактивность:
механизм влияния на окр.среду,
реакции, аллергены, механизм
появления этих частиц в атмосфере, их
свойства.
Темы докладов:
15. Глобальное потепление: человек или
природа?
16. «Ядерная ночь» и «Ядерная зима».