Химические превращения органических соединений в тропосфере

Химический состав тропосферы (сухой атмосферы)

Газ	Объемный %	Газ	Объемный %
Азот	78,09	Криптон	0,0001
Кислород	20,95	Ксенон	0,000008
Углекислый газ	0,03	Радон	6 -КГ18
Аргон	0,93	Метан	0,00015
Неон	0,0018	Водород	0,00005
Гелий	0,00052	Закись азота	0,00005

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-Химические процессы в тропосфере.

В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH – радикал ,к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона: O3+h=O2+O

O+H2O=OH+OH

В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:

NO2+ h (L<400нм) =NO+O

O+O2 =O3

О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении : O3+NO =NO2+O2 O3+NO2 =NO3+O2

В образовании ОН радикалов на высоте 30 км участвуют пары воды:

Н2О+h =H+OH

H2O+O =2OH

Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения HNO2, HNO3, H2O2

HNO2+h (L<400нм )= NO+OH

HNO3+h (L<330нм)=NO2+OH

H2O2+h (L<330нм) =2OH

В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:

RH+OH =HOH+R

R+O2 =RO2

RO2+HOH =ROOH+OH

Наиболее типичным и основным по массе органических загрязнителем атмосферы является CH4.Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряжённо с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:

ОН+СН4 =Н2О +СН3

СН3+О2 =СН3О2

СН3О2+NО= СН3О+NО2

СН3О+О2 =СН2О+НО2

В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде

СН4+4О2 =СН2О+Н2О+2О3

т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.

Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.

Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы монооксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.

ОН+СН2О=Н2О+НСО

НСО+О2 =НО2+СО

 

Фотохимические процессы в тропосфере ограничены реакцией :

Возбужденные молекулы, теряя энергию при столкновении с другими молекулами, повышают температуру тропосферы примерно на 20°. Повышение содержания CO2 лежит в основе парникового эффекта.

В нижних слоях атмосферы процессы с участием солнечного излучения и продуктов автомобильных выхлопов обусловливают образование «фотохимического смога», основу которого составляет пероксоацетилнитрат (ПАН).

Смог начинает развиваться с появлением первичных продуктов, загрязняющих атмосферу, которые сами по себе могут быть неядовитыми и неактивными в химическом отношении.

Атмосфера постоянно пополняется газами биохимического происхождения, образующимися при разложении микроорганизмами продуктов растительного и животного происхождения: CH4 и другие углеводородами, CO2, N2, H2S, H2, O2. Под воздействием на горные породы высоких температур и давлений в атмосферу поступают газы химического происхождения (CO2, H2S, H2, CH4, CO, N2, HCl, HF, NH3, SO2), а также продукты вулканического происхождения и, наконец, газообразные продукты радиоактивного распада (He, Ar, Kr, Xe, Rn).

 

 

5-Химические превращения загрязнений

Существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнения – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония.

Подобным образом, в результате химических и фотохимических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие.

1. Оксид углерода– получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно в атмосферу поступает не менее 1250 млн тонн этого газа. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы, что способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

2.Сернистый ангидрид– выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн тонн в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса.

3. Серный ангидрид– образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

4. Сероводород и сероуглерод – поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

5. Окислы азота– основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 
20 млн тонн в год.

6. Соединения фтора– источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

7. Соединения хлора– поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречается молекулярный хлор и пары соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, содержащих соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

 

6-Химические  реакции загрязнителей в атмосфере

 

Попадая в атмосферу, большинство токсичных химических соединений претерпевает серьезные изменения под действием УФ-радиации, влаги, озона и кислорода воздуха. Продукты этих реакций, а также исходные соединения (первичные загрязнители) взаимодействуют между собой, образуя иногда еще более токсичные и опасные соединения (вторичные загрязнители). 
Примером превращений загрязнителей с образованием еще более токсичных веществ может служить взаимодействие оксидов азота с олефинами, алкилбензолами и альдегидами под влиянием УФ-радиации, приводящее к образованию в атмосфере токсичных веществ Группы ПАН: 
 
 
Эта чрезвычайно важная фотохимическая реакция, в которую особенно легко вступают реакционно способные олефины (этилен, 2-метил-бутен-2, бутен-2 и др.), приводит к возникновению токсичных фотооксидантов — родоначальников смога, вредного для здоровья человека и повреждающего растительность. 
Фотохимические реакции  не являются единственными реакциями в атмосфере. Там происходят многочисленные  превращения с участием десятков тысяч химических соединений, течение которых ускоряется радиацией (солнечная радиация, космическое излучение, радиоактивное излучение), а также каталитическими свойствами присутствующих в воздухе твердых частиц и следов тяжелых металлов. Значительные изменения претерпевают попадающие в воздух диоксид серы и сероводород, галогены и межгалогенные соединения, оксиды азота и аммиак, альдегиды и амины, сульфиды и меркаптаны, нитросоединения и олефины, полиядерные ароматические углеводороды и пестициды Аккумулируясь в верхних слоях   атмосферы, фтор-хлоруглеводородыфотолитически разлагаются с образованием оксидов хлора, которые взаимодействуют с озоном, уменьшая его концентрацию в стратосфере .Аналогичный эффект наблюдается и при реакциях озона с оксидами   серы, оксидами азота и углеводородами. В результате разложения вносимых в почву азотных удобрений происходит эмиссия в атмосферу оксида азота NО, который взаимодействует с атмосферным озоном, превращая его в кислород. Все эти реакции уменьшают содержание озона в слоях атмосферы на высоте 20—40 км, которые защищают приземный слой атмосферы от солнечной радиации высокой энергии. Подобные превращения приводят к глобальным изменениям климата планеты. 
Взаимосвязь первичных и вторичных загрязнителей атмосферы и производимые ими эффекты (влияние на здоровье человека, повреждение растений и конструкционных материалов, изменение метеорологической обстановки и др.) наглядно иллюстрируются схемой :

 

Взаимодействие загрязнителей атмосферы и их воздействие на окружающую среду.

 

 

 

 

                                                 III-Заключение

Загрязнение атмосферного воздуха неблагоприятно влияет на организм человека и требует соответствующего наблюдения. Иногда химические процессы, протекающие в тропосфере ,могут служить причиной не только качественных, но и количественных изменений в глобальном составе атмосферы планеты, приводящих   к изменению климата на Земле. Нельзя не упомянуть и о радиоактивном загрязнении атмосферного воздуха, которое оказывает чрезвычайно губительное действие на большинство живых организмов и растений Земли и в значительной мере влияет на состав и атмосферные реакции нерадиоактивных загрязнителей воздуха. Воздействие излучений различного вида — от космической и ядерной радиации до излучений оптических частот — приводит к образованию в атмосфере возбужденных молекул и ионов. Последующие химические реакции этих активных частиц приводят к образованию в воздушной среде новых химических веществ, реагирующих между собой и с естественными загрязнителями атмосферы с образованием новых, часто весьма токсичных соединений. Кроме того, процессы, происходящие в атмосфере под действием радиации, оказывают сильное влияние на изменение метеорологических факторов, протекание процессов, связанных с атмосферным электричеством, распространением радиоволн и другие геофизические и метеорологические явления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV-Список используемой литературы

 

1-http://www.biosense.ru

2-http://www.biosense.ru

3-. В. Маврищев. Основы экологии. - Мн.: Интерпрессервис. - 2005.

4- Хромов С. П., Метеорология и климатология для географических факультетов, 2 изд., Л., 2003; 

5-Веремчук, О.Н., Якимович, Н. К., Жуковский, А. Т. Основы экологических знаний. Брест: Изд-во БрГУ, 2006