Химия окружающей среды (стр. 2 )

Контрольные вопросы по теме

Дать определение понятия «окружающая среда». На каких научных дисциплинах базируется предмет «Химия окружающей среды»?

Глава 2. Основные физико-химические процессы в атмосфере

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из различных газов, водяных паров и пыли.

Атмосфера — очень подвижная динамическая система, которая находится в неравновесном состоянии. Поскольку все системы стремятся к равновесию, то атмосфера постепенно рассеивается в космическом пространстве, поэтому все планеты, в том числе и Земля, постепенно теряют свою атмосферу. Чем меньше планета, тем быстрее из атмосферы вылетают молекулы, скорость которых превышает вторую космическую скорость.

Верхние слои атмосферы определяют условия жизни на Земле. Это связано с тем, что они являются защитным барьером для рентгеновского, жесткого ультрафиолетового излучения и космических частиц.

В нижних слоях заключено 95 % массы атмосферы, и именно в этих слоях протекают самые интенсивные физико-химические процессы — гидродинамические, тепловые, электромагнитные, химические, фотохимические. Концентрация и, соответственно, давление газов с возрастанием высоты уменьшаются.

Любое загрязнение распространяется на большие расстояния. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное перемешивание является результатом нагревания поверхности Земли и конвективных потоков. Нижний слой атмосферы — тропосфера — очень хорошо перемешивается вследствие конвекции.

2.1. Строение и состав атмосферы

Земную атмосферу условно можно разделить на четыре основных слоя: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу.

По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на:

Тропосфера: температура с высотой понижается. Бывают слои в которых температура может оставаться постоянной – изотермический слой. Даже бывают случаи, когда температура с высотой может возрастать. Это явление – инверсия, то есть увеличение температуры с высотой вместо обычного понижения. Инверсия температуры препятствует вертикальным перемещениям воздуха и способствует образованию дымки, тумана, смога. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15—20 °C и более.

Стратосфера. Температура с высотой увеличивается. В нижних слоях стратосферы температура растет медленно, а выше 35км быстро. На высоте 50 км температура воздуха  примерно равна температуре воздуха у земной поверхности (+1; +5).

Мезосфера. Температура с высотой понижается до -100- -110. Верхняя граница мезосферы – мезопауза. Давление воздуха здесь примерно в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности.

Термосфера. С высотой температура возрастает. На высоте 200-250км происходит резкое возрастание температуры. В термосфере температура воздуха примерно 1500. Выше 250 км  роста температуры практически не наблюдается. Самые высокие температуры в областях полярных сияний.

Таблица 1. Компонентный состав атмосферы

Квазипостоянные компоненты	Концентрация, об. %	Активные примеси(микрокомпоненты)	Концентрация, об. %
Азот	78	Вода	0–7
Кислород	21	Диоксид углерода	0,01–0,1
Водород	0,5 · 10−4	Озон	1 · 10−4
Аргон	0,93	Диоксид серы	1 · 10−4
Неон, ксенон, криптон	2,5 · 10−3	Метан	1,6 · 10−4

2.1.1. Термосфера

Термосфера достигает высоты 500км.

Химические процессы в атмосфере начинаются примерно с высоты 250км. Здесь находится азот и кислород и отсутствуют пары воды и углекислый газ. С этой высоты начинается, но активно осуществляется гораздо ниже (90–100 км) поглощение жесткого, т. е. коротковолнового УФ. На высоте до 90 км поглощается значительная часть коротковолнового УФ, хотя основная реакция, ответственная за это, идет ниже.

Экзосфера. Здесь находится граница газов, откуда идет их утечка в космос, в первую очередь водорода.

В экзосфере газов мало, они чрезвычайно разрежены и поэтому не имеют решающего значения для химии атмосферы. Здесь преимущественно находятся атомы водорода, гелия, а ниже — кислорода.

Ионосфера. Это слои атмосферы отличающийся высоким содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере — разложение молекул газов атмосферы под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн.

2.1.2. Мезосфера. Цикл озона

Мезосфера простирается от 50 до 85 км. В пределах этого слоя происходит понижение температуры с градиентом около 2,5 °С.

В мезосфере идут сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов и возбужденных частиц, определяющих свечение атмосферы. С высоты около 50 км и до 20 км включительно протекают реакции с участием кислорода, относящиеся к циклу Чэпмена.

Цикл Чэпмена — процессы образования и разложения озона.

Основные реакции образования озона в этом цикле:

O+O2→O3*,

(начинается в термосфере, она обратима)

O3*+O2→O3+O2*,

O3*+N2→O3+N2 * .

Звездочка (*) обозначает активированную частицу.

На высоте 20–25 км в стратосфере находится максимальное количество озона. Здесь с его участием протекает экзотермическая реакция образования молекулярного кислорода.

O3*+O→2O2,

а также основная реакция цикла Чэпмена, важная для сохранения жизни на Земле, поскольку она идет с поглощением основной доли жесткого УФ:

hv

O3→ O2+O (200–310 нм)

Ряд соединений удаляет озон из атмосферы, что приводит к образованию так называемых озоновых дыр. К таким соединениям относятся оксид азота (II), атом хлора и перекисный радикал:

NO+O3→NO2+O2,

Cl + O3→ClO+O2,

OH+ O3→HO2+ O2.

Озоновая дыра образуется как в результате естественных процессов (ее появление и увеличение наблюдается весной над Южным полюсом), так и антропогенных загрязнений. В последнее время в атмосфере над Антарктидой отмечается все большее содержание фторхлорпроизводных органических соединений (фреонов).

К чему приводят озоновые дыры? Главное — это увеличение потока жесткого ультрафиолетового света (длина волны 297 нм) на Землю, являющегося мутагенным и канцерогенным фактором (провоцирует рак кожи). По данным специалистов, уменьшение озонового слоя до 10% десятикратно увеличит этот поток, что вызовет многократное возрастание числа таких заболеваний. Кроме этого, в результате интенсивного облучения нарушится облачный покров, а значит, и тепловой баланс в данном регионе. Сегодня мировое сообщество приняло решение прекратить выброс разрушающих озон фреонов в атмосферу.

Но есть и противоположное явление, связанное с повышенным содержанием озона в воздухе. Не будем забывать, что это высокоактивный окислитель, который в больших концентрациях вызывает отек легких и кровоизлияния. В альвеолах он может образовать различные токсичные соединения с другими газами, переносимыми кровью. У растений озон поражает поверхность, т. е. растительные ткани. Таким образом, как и во всех остальных случаях, здесь надо учитывать действие закона оптимума.

2.1.3. Стратосфера. Цикл серы. Кислотные дожди

Стратосфера достигает высоты 50–60 км. Характерной особенностью является повышение температуры на 1–2 градуса на каждый километр. Разогревание происходит вследствие взаимодействия озона с ультрафиолетом.

В стратосфере важнейшим для экологии Земли является цикл серы, приводящий к образованию серной кислоты и кислотных дождей.

Важнейшие реакции этого цикла, часто начинающиеся с превращения карбонилсульфида (COS) — продукта вулканической и антропогенной деятельности, а также серы и сероводорода, следующие:

hv

COS→CO+S,

S + O2→O + (SO),

(SO)+O2 →O+SO2,

SO2 +OH→(HSO3 ),

(HSO3 )+O2→HO2 +SO3,

SO3+H2O→H2SO4.

Реакция окисления диоксида серы (сернистого ангидрида SO2) до триоксида (серного ангидрида SO3) протекает только в присутствии в воздухе окислителей: кислорода, озона, пероксида водорода. Она инициируется солнечным излучением, а способствует ей наличие катализаторов — оксидов металлов и воды, растворяясь в которой серный ангидрид превращается в серную кислоту.

Образующаяся в каплях воды в облаках (аэрозолях) кислота далее выпадает вместе с осадками на землю (кислотные дожди).

Сернокислые (плюс азотнокислые дожди—30% от всего количества кислотных дождей) нарушают кислотный и солевой баланс в водоемах (в кислой среде растворяются минералы, в результате в воду переходят тяжелые металлы), разрушают почву и растительные ткани, а также покрытия (коррозия металлов) и строения, приводят к заболеваниям дыхательных путей и гибели многих организмов.

2.1.4. Тропосфера. Цикл перекисного радикала

Тропосфера — ближайший к поверхности земли слой атмосферы. Толщина его неодинакова: над экватором — 16–18 км, над полюсами — 7–9 км. С высотой происходит понижение температуры в среднем на 6,5 °С/км.

После поглощения жесткого или дальнего ультрафиолетового излучения остальной поток солнечного света (ближний ультрафиолет, видимый и инфракрасный свет) активирует процессы в тропосфере — той области атмосферы, в которой мы существуем. Ключевые процессы здесь связаны с циклом OH (перекисного радикала).

Он появляется в результате следующих реакций:

hv

O3 →O2+O* (310 нм),

O* +H2O → 2OH,

hv

HNO2 → NO+OH (300–400 нм),

hv

HNO3 → NO2 + OH,

hv

H2O2→ 2OH.

Роль перекисного радикала связана с его высокой окислительной активностью. Перекисный радикал активно окисляет органические соединения, в частности углеводороды, появляющиеся в тропосфере, например метан: