Transcript Часть 2
для студентов, обучающихся по направлению: 280700 «Техносферная безопасность»
Химия окружающей среды
Вторушина Анна Николаевна ТПУ - 2013
Атмосфера
Гипотезы происхождения атмосферы
: 1.
2.
Непрерывное образование атмосферы (за счет выделения газов из мантии); Взрывообразное образование атмосферы (например, за счет расслоения Земли на ядро и мантию)
Строение атмосферы
Закон парциального давления Дальтона
P
=
P
0 exp( –
h
/
H
0 )
P
0 –давление на поверхности земли
h –
отсчет высот от уровня океана
H
0 – 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:
F вх
F вых
A F
пребывания газа в атмосфере.
Время пребывания
– величина, описывающая системы в устойчивом состоянии.
1.
2.
3.
Источники компонентов в атмосфере:
Геохимические Биологические Антропогенные
1.
Геохимические источники компонентов :
Пыль от выветривания почвы (химическое влияние не велико из-за слабой хим.активности) 2.
Морские брызги (более реакционноспособны)
H SO
2 4(
аэрозоль
)
NaCl
(
аэрозоль
)
HCl
NaHSO
4(
аэрозоль
) 3.
4.
5.
Частицы привнесенные метеорами (металлы в верхних слоях атмосферы) Выбросы вулканического происхождения (изменение температуры, нарушение химических процессов на больших высотах) Радиоактивные элементы пород
Биологические источники компонентов
1. Лес: Лесные пожары (значительный источник углерода); Процессы дыхания и фотосинтеза (О 2 , СО 2 ); Источник следовых количеств органических кислот, альдегидов и др. соединений.
2. Микроорганизмы почв
NH CONH
2 2(
ж
)
H O
2 (
ж
)
NH
H
(
водн
)
NH
4(
водн
) 2
NH
CO
Биологические источники компонентов
Растения поглощают почвенные 2
NH
2
O
N O
2 3
H O
2 , 4 3. Микроорганизмы океанов (
CH
) 3 2 2 2 (
водн
)
CS
2(
водн
)
H O
2 (
CH
) 3 2
S OSC
CH CHCOOH
2 (
водн
)
H S
2 4. Малоизученные процессы (
CH 3 Cl ,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 (
СО 2 , водяной пар
) Случайные составные части (
радиоактивные примеси, аммиак, сернистый газ и др
.)
Состав атмосферы
:
Диссипация
атомами и ионами поля притяжения Земли. – это процесс преодоления Кинетическая теория газов:
mV
2
T
3
k B
T – абсолютная температура, m – средняя масса частицы, V – средняя скорость частицы, k B – 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. O 2 2O
H O
2
H
OH OH H
O
Химические реакции в атмосфере
2.
Реакции фотоионизации
Фотоионизация – это образование ионов из молекул и атомов под действием квантов света.
N
2
N
2
e
O
2
O
2
e
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.
N
2
e
N
2
N
N O
2
e
O
2
O
O
Химические реакции в атмосфере
4.
Перенос заряда
– реакция молекулярного иона с нейтральной частицей, сопровождающаяся переносом электрона.
N
2
O
2
N
2
O
2
O
O
2
O
O
2
Химические реакции в атмосфере
5.
Реакции обмена
– реакции сопровождающиеся разрывом связей.
N
2
O O
N
2
NO
N 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: O O
O O
H O
2 2
OH
г
б)
Фотодиссоциация воды: H O
2
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 О 2.
NO
OH
HNO
В стратосфере преобладает атомарный кислород. Газы просачиваясь в стратосферу мешают образованию озона.
O
O O
ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Источники антропогенного загрязнения:
транспорт - 60% общего количества загрязнений, промышленность – 17%, энергетика – 14%, отопление и уничтожение отходов – 9%.
1.
2.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Классификация атмосферных загрязнений
(
по пути поступления в атмосферу
): первичные (поступающие непосредственно в атмосферу)
SO
2
O
2
SO
3 вторичные (являющиеся результатом превращения первичных).
SO
3
H O
2
H SO
2 4
SO
3 2
NH
3
H O
2 (
NH
) 4 2
SO
4
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.
2.
3.
пыли
– дисперсные системы, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде.
дымы
– аэрозоли, которые получаются при конденсации газа.
туман
– дисперсная система, состоящая из жидких частиц в газообразной среде.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Источники аэрозолей:
Естественные
лесные пожары), (вулканы, гейзеры, разрушающиеся горные породы, пылевые бури, почвенная эрозия,
Антропогенные
(выбросы промышленных предприятий и др.)
ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, – это их размер.
F
Закон Стокса: 6 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 (С 2 0Н 12 ), 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:
C H
9 20 14
O
2 9
CO
2 10
H O
2 Реальная ситуация:
C H
9 20 9, 5
O
2 9
CO
10
H O
2
C H
8 18 2, 5
O
2 4 ( 2 ) 5 4 2
CH CH Br
3 2 14, 5
O
2
CH COH
3
H O
2
PbBr
2 12
CO
2 15
H O
2
Горение топлива
-
СО
связывает гемоглобин в 210 раз эффективнее О 2
-
Горение топлива
Промышленные выбросы SO 2 – 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:
NO
2
O
O
2
NO
O
3
NO
O
O
3
NO
2
O
2
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:
3
O
2
O
2
O
M
2
O
3
O
3
M
Факторы влияющие на концентрацию озона:
O
3
O
2
O
O
3
O
2
O
2
Разложение озона в азотном цикле
NO
2
O
NO
O
3
NO
O
2
NO
2
O
2
NO
2
O
3
NO
3
O
2
NO
3
NO
O
2
Разложение озона под действием водяного пара
H H O
2
O
H O
2
H O
2
H
H
2
OH
2
OH
OH
Таблица 2 Число частиц в 1 см 3 атмосферы по расчетным данным
Влияние антропогенных факторов на слой озона
Фреоны:
CFCl
3
CF Cl
2 2
O
3
Cl
O
3
ClO O
3
ClO
CFCl
2
Cl
CF Cl
2
Cl
ClO
O
2
Cl
O
2
ClO
2
O
2
ClO
2
O
2
ClO
2
ClO
O
2
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 СО 2 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 СО 2 и др.парниковых газов в атмосфере; Снижение содержания О 3 в стратосфере и увеличение в тропосфере; Увеличение содержания аэрозолей в атмосфере (рост облачности, уменьшение приземной температуры воздуха).
1.
2.
3.
4.
5.
Темы докладов:
6.
7.
8.
Происхождение и эволюция Земли.
Образование атмосферы.
Состав и строение атмосферы.
Функции атмосферы.
Основные химические процессы, протекающие в атмосфере.
Парниковый эффект.
Причины глобальных климатических изменений.
Разрушение озонового слоя. Влияние хлорфторуглеродов и других компонентов антропогенного происхождения на процессы в озоновом слое.
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».