Задание №2. Физико-химические превращения в атмосфере: состав и строение атмосферы, приоритетные загрязнители (стр. 3 )

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/м3 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?

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/м3. 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.