Реферат
по предмету «Основы общей химии»
Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы
Содержание
Введение
1. Особенности атмосферы Земли
2. Основные понятия
3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
4. Фотохимические реакции с участием метана
5. Фотохимические процессы оксидов азота
Заключение
Список литературы
Введение
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.
1. Особенности атмосферы Земли
В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2 S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
2. Основные понятия
Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ | Объемное содержание, % |
Водород h3 | ~ 2·10–5 |
Кислород O2 | 21 |
Озон O3 | ~ 10–5 |
Азот N2 | 78 |
Углекислый газ CO2 | 3·10–5 |
Водяной пар h3 O | ~ 0,1 |
Угарный газ CO | 1,2·10–4 |
Метан Ch5 | 1,6·10–4 |
Аммиак Nh4 | ~ 10–5 |
Двуокись серы SO2 | ~ 5·10–9 |
Гелий He | 5·10–4 |
Неон Ne | 1,8·10–3 |
Аргон Ar | 0,9 |
Криптон Kr | 1,1·10–4 |
Ксенон Xe | 8,7·10–6 |
Средняя молекулярная масса 28,8 |
Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.
Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.
Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаются фотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в 1-й трети XX в. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIX в. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:
γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.
Типы фотохимических реакций:
1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона Ch4(CO)Ch4 → CO + другие продукты.
2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:
• фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2 -O+O; фотосинтез: O2 +O-O3
• фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6h3 O — C6 h22 O6 + 6O2 ,
который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
3. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы
O2 *: O2 + hν — O2* ,
диссоциируют на атомы: O2* — O + O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2 — O3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3 .
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0о С) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
4. Фотохимические реакции с участием метана
Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.
Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.
Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2 О + СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3 ). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О* ):
О3 + hν = О2 + О*
Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2 О = 2ОН
Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2 О + СН3 ,
Ch4 + O2 = Ch4 O2 ,
Ch4 O2 + NO = Ch4 O + NO2 ,
Ch4 O + O2 = Ch3 O + HO2 ,
НО2 + NO = OH + NО2 ,
2[NO2 + hν = NO + O],
Ch5 + 4O2 = Ch3 O + h3 O + 2O3
Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:
Ch3 O + hν = h3 + CO,
СН2 O + hν = Н + НСO,
Ch3 O + OH = HCO + h3 O
Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
Ch3 O + OH = HCO + h3 O,
Ch3 O + 2O2 + hν = CO + O3 + h3 O
Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
5. Фотохимические процессы оксидов азота
NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.
Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:
O + NO2 — NO + O2
NO + O3 — NO2 + O2
Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2 O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2 O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2 O + O — N2 + O2 ,
N2 O + O — 2NO
Итак, оксид азота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.
Заключение
Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3 .
Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5 % (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.
Список литературы
1) Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
2) Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
3) Прокофьева И.. Атмосферный озон, М.-Л., 1951
4) Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.
5) Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.
6) Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991
www.ronl.ru
Центрсоюз РФМурманский кооперативныйтехникум ОПС
Реферат на тему:
Химические процессы в атмосфере и изменения происходящие под их влиянием
Выполнила: Студентка группы Б-33Богданова Анна АндреевнаПроверила: Боева И.ВОценка: __________________
Содержание:
1. Введение.2. Химические процессы в атмосфере и изменения происходящие под их влиянием.
2.1. Химические загрязнение атмосферы.
2.2. Фотохимический туман (смог).
2.3. Парниковые газы.
2.4.Кислые атмосферные выпады на сушу.
2.5. Озоновая дыра в атмосфере
3. Вывод.4. Список литературы.
Введение
Воздушная оболочка, окружающая земной шар называется атмосферой.
Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее, выявлены некоторые вероятные изменения ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в ходе химических реакций.
В атмосфере постоянно происходят разнообразные процессы: химические, физические, биологические и др. В результате данных процессов происходит изменение как нижних, так и верхних слоев атмосферы.
Происходящие в атмосфере процессы происходят закономерно и взаимосвязано. На атмосферу оказывает воздействие космическое пространство, поверхность земли, водоемов, растительного и снежного покрова. Происходит взаимообмен газами, теплом, влагой, жидкими и твердыми частицами. Солнечное излучение является основным источником энергии для атмосферных частиц. В атмосфере, благодаря происходящим в ней различным процессам, происходят некоторые химические реакции, которые изменяют ее состав. Развиваются движения воздушных масс, образуются облака, осадки, наблюдаются электрические, акустические и оптические явления. Состояние атмосферы постоянно изменяется во времени и в пространстве.
Атмосфера не имеет определенной верхней границы. Она постепенно переходит в межпланетную среду. Условно верхнюю границу атмосферы принято считать на высоте 1000-1200 км. Спутниковые данные изменения плотности воздуха с высотой позволяют считать, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды, начиная с высоты 2000-3000 км.
В настоящее время Земля обладает атмосферой массой примерно 5,27х1018 кг. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до 5 км, 75% - до высоты 10 км, 95%- до 20км. Около поверхности она содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,94% инертных газов, 0,03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы. Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11,3 км. На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности. На этом уровне и химический состав атмосферы уже иной. Растет доля легких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу. Выше 1000 км находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.
Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле. Она участвует в формировании климата на планете, регулирует ее тепловой режим, способствует перераспределению тепла у поверхности. Часть лучистой энергии Солнца поглощается атмосферой, а остальная энергия, достигая поверхности Земли, частично уходит в почву, водоемы, а частично отражается в атмосферу.
Атмосфера предохраняет Землю от резких колебаний температуры. При отсутствии атмосферы и водоемов температура поверхности Земли в течение суток колебалась бы в интервале 200 °С. Благодаря наличию кислорода атмосфера участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере.
В современном состоянии атмосфера существует сотни миллионов лет, все живое приспособлено к строго определенному ее составу. Газовая оболочка защищает живые организмы от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера предохраняет Землю от падения метеоритов.
В атмосфере распределяются и рассеиваются солнечные лучи, что создает равномерное освещение. Она является средой, где распространяется звук. Из-за действия гравитационных сил атмосфера не рассеивается в мировом пространстве, а, окружая Землю, вращается вместе с ней.
2. Химические процессы в атмосфере и изменения происходящие под их влиянием
2. 1. Химическое загрязнение атмосферы.
Есть много факторов, которые приводят к ухудшению состояния атмосферы. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию, сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и не закопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизменно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями. Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека. В основном 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 загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы 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, фотохимических, физико-химических 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 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. 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 этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы, и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. Сернистый ангидрид выделяется в процессе сгорания серу- содержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 1млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 165 процентов от общемирового выброса. 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. Сероводород и сероуглерод. Они 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. 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 120 млн.т. в год. 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. Соединения хлора - поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров 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 11 т. 0передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода. Аэрозольное загрязнение атмосферы. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11-51мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб.км. пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании оста- точных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва ( 1250-3000 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 12 тыс.куб.м. 0условного оксида углерода и более 1150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 11 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником, так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной сис- темы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.
2.3. Парниковые газы.
Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар (36-70%), углекислый газ (9-26%), метан (4-9%), оксид азота.
Угольные электростанции, заводские трубы, автомобильные выхлопы и другие созданные человечеством источники загрязнения вместе выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн углекислого газа и других парниковых газов в год. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, осталось в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние двадцать лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля (рис.6). Большая часть остального вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов.
turboreferat.ru
В атмосфере протекает множество природных процессов, физических явлений, определяющих облик земли, влияющих на все стороны существования человечества. В атмосфере наблюдаются:
Кроме того атмосфера постоянно взаимодействует с Землей, на нее влияют рельеф поверхности, наличие крупных акваторий, хозяйственная деятельность человека, случайные флуктуации различных геофакторов.
Природные явления в атмосфере подчиняются фундаментальным законам физики и химии в классической интерпретации.
Чтобы изучать объект, надо ему дать определение, и, хотя бы в общих чертах представлять, как он возник. Под атмосферой в науке понимают окружающий нашу планету воздушный слой, удерживаемый гравитацией Земли. Формирование атмосферы зависело от становления Земли, она возникла, примерно 4,5 млрд. лет, когда планета преобразовалась в твердое тело.
В результате активной вулканической деятельности происходил постоянный выброс из недр Земли азотсодержащих газов, оксида углерода, углеводородов, в основном метана, воды в парообразной фазе.
Под влиянием ультрафиолетовых частот солнечного излучения вода разлагалась на свои составные элементы, аммиак продуцировал азот и водород. Водород поднимался в верхние слои, более тяжелые кислород и азот накапливались около земли.
Газовая оболочка земли ─ итог миллиардов лет геологической эволюции нашей планеты и деятельности экосистем. Они в свою очередь сами зависят от атмосферы, находясь с ней в сложной взаимосвязи. Состав сегодняшней атмосферы сформировался на основе динамического равновесия геохимических факторов и жизнедеятельности организмов.
Свойства и состав атмосферы по мере удаления от Земли меняются по вертикали, постепенно приближаясь к межзвездному веществу. Значимые изменения начинаются на высоте 11−12 тыс. км., воздушный слой до этой условной отметки называют тропосфера, он оказывает самое непосредственное влияние на планету и жизнь ее обитателей. Общая масса атмосферы оценивается в 5,2─5,3.1018 кг.
Атмосфера является колоссальным химическим реактором для веществ, находящихся в ней. Из-за быстро меняющихся условий система находится в метастабильном состоянии. Тем не менее, основные компоненты, их концентрации остаются постоянными, по мнению, ученых в течение последних 50-ти млн. лет.
В первом приближении состав воздуха содержит:
| Азот (N2) | 78,1 |
| Кислород(O2) | 20,9 |
| Аргон (Ar) | 0,9 |
| Водяной пар | до 0,1% |
В микроскопических долях, измеряемых в PPB (particles per billion), количество данных частиц на миллион частиц воздуха в объеме присутствуют:
Содержание этих веществ разнится от времени года и региона. Молекулярная масса воздуха 29 g/mol. В атмосфере присутствуют бесчисленные следы еще тысяч химических соединений.
Превосходящий по содержанию другие элементы азот образовался в процессе окисления первоначальной смеси аммиака (Nh5) и водорода кислородом. Содержание последнего начало возрастать, так как 3 млрд. лет назад активизировался фотосинтез вследствие появления большой массы растительного мира.
Инертные газы пополнили газовую оболочку Земли благодаря активности вулканов, и распаду радиоактивных элементов. Содержание благородных газов в атмосфере меньше, чем в космическом пространстве, видимо, они туда мигрируют. СО2 появился из недр извергающихся вулканов и, как продукт разложения биомассы.
Атмосфера неоднородна по вертикали, поэтому ее физические параметры зависят от высоты, прежде всего, распределения температуры и массы.
Различают несколько наиболее важных областей, на которые делят атмосферу:
Выше мезосферы располагается термосфера, подразделяющаяся на ионосферу и экзосферу. Для ионосферы присущи высокая степень разреженности воздуха и чрезвычайно сильная ионизация. Носители зарядов ─ атомарный кислород, электроны, реактивный свободный радикал окись азота (NO). Отмечаются случайные скопления электронов, называемые электронными облаками. Именно в этой области возникают знаменитые полярные сияния. Температура в ионосфере поднимается до 1000°С на высоте 800 км.
Экзосфера, начинающаяся выше 1000км, плавно трансформируется в межпланетное пространство. Разреженность газа здесь столь высока, а скорость его частичек огромна, что они облетают землю по эллиптической траектории, словно микроскопические спутники. Некоторые частички обладают второй космической скоростью и покидают земную атмосферу, рассеиваясь во Вселенной.
При всех обстоятельствах в атмосфере, как и везде, действуют фундаментальные законы нашей Вселенной ─ закон сохранения массы и энергии, а также две базовые константы — скорость света и постоянная Планка.
Через газовую оболочку вокруг земли происходит взаимодействие планеты и космоса, заключающееся в обмене материей и энергией. Свое влияние мироздание осуществляет через физические поля, во многом определяющие свойства, состав, структуру атмосферы.
Солнце имеет критически важное значение для выживаемости человечества, поэтому важно изучать его влияние на атмосферу и какие при этом происходят процессы.
В атмосферу поступает электромагнитный спектр солнечного излучения, от радиоволн до жестких рентгеновских лучей. Начинает он свою деятельность выше 1500 км, вступая в схватку с атомами водорода. Солнечные лучи отнимают у него единственный электрон, превращая в одинокий положительно заряженный ион, он же элементарная частица протон. Поскольку атмосфера на таких уровнях разрежена атакующая солнечная радиация почти не теряет энергии.
Но, проникнув на высоту 300 км, она встречает стойких бойцов. Ей последовательно противостоят атомы кислорода, азот, окись азота, последний рубеж держит О2. На высоте около 120 км солнечная армия остается без свирепого ультрафиолета с длиной волны 100─1020 А (ангстрем). Он растратил энергию на ионизацию, и его поглотили.
Одновременно задерживаются рентгеновское излучение(30-100 А). Часть рентгеновских лучей поддерживает ионизацию ионосферы в промежутке 90─130 км. Другая часть формирует ценой жизни нижний уровень ионосферы на высотах в районе 60 км. Полностью победить нейтральные частицы не удается, помимо ионизации идет обратный процесс их рекомбинации из ионов и электронов.
Ниже 100 км молекулы кислорода, подвергаясь диссоциации, поглощают электромагнитные волны длиннее 1020 А до 1760. Ниже 80 км, распадаясь на атомы, кислород не пропускает волны до 1925 А.
Несколько иной механизм взаимодействия газовой оболочки и солнечных лучей возникает на высотах от 20 до 30 км (зависит от широты). Там возникают условия для образования слоя озона (О3) путем соединения атомарного и молекулярного кислорода. К счастью для биоценоза озон эффективно поглощает солнечные лучи с длиной волны до 3100 А. Они примыкают к видимой части спектра, относятся к мягкому ультрафиолету, но для жизни остаются смертельно опасны. Их энергия идет на распад молекул озона.
Над некоторыми областями земной поверхности отмечено уменьшение толщины озонового слоя, самое большое над Антарктидой. Это серьезная опасность для биологических существ.
Озон погибает, не только противостоя, ультрафиолету, но и чисто химическим путем. Различают водородный, азотный и галогенный цикл реакций, приводящих к уничтожению озона. Интенсивное развитие химической промышленности, особенно использование фреонов, привело к большим выбросам галогенов, прежде всего, хлора, нарушившими устоявшееся равновесие. Галогенный цикл начал уничтожать озон, приводя к образованию озоновых дыр. Впрочем, существуют иные мнения, связывающие вопрос исчезновения озона с циклическим характером природных процессов.
Без воды нет биологической жизни, но без нее невозможно представить и атмосферу. В разных модификациях люди могут непосредственно наблюдать ее в атмосфере. Ниже всех располагается туман ─ микроскопические капельки влаги, а при низких температурах льда. Он стелется по земле. В небе мы каждый день видим облака, состоящие из воды. Их классифицируют следующим образом.
| Слоистые, кучевые, дождевые | 0,4- 6 |
| Высоко-кучевые, высоко-слоистые | до 7,5 |
| Перистые | 15 — 18 |
| Перламутровые | 24 — 30 |
Слоистые облака это, по сути, туман, воспаривший вверх. Они могут образовываться на высоте от 30 метров. Кучевые облака отличаются белоснежностью, формируются в холодной части циклона. Дождевые облака обладают большой плотностью, темным до черного цветом. Ждите дождя.
Высоко-кучевые образования напоминают соединенные пластины, по краям видно свечение. От них к нам прилетают, кружатся отдельные снежинки. Сквозь облака просматривается Солнце с венчиком.
Перистые облака ─ волокнообразные формирования, напоминающие меридиональную разметку на карте. Состоят из кристалликов люда, поэтому преломленные лучи света рождают оптические иллюзии ─ гало.
Перламутровые облака наблюдаются в полярных широтах. Пары воды собираются вокруг центров конденсации. Такие ядрышки появляются в атмосфере из-за активности вулканов, в частности, выбросов сернокислотного аэрозоля.
На высоте 60─120 км происходит сгорание из-за трения о воздух метеоритных тел ─ космических пришельцев. Образуется метеорный газ, его возбужденные атомы и ионы излучают свечение.
Высоко, до уровня 1000 км, атомарные и молекулярные кислород, азот, водород, гелий, щелочные металлы соударяются с частичками солнечного ветра (элементарные частицы). Возникает полярное сияние.
Воздух под воздействием возбудителя колеблется, распространяя звук, передавая акустическую информации. Без атмосферы мы бы не могли наслаждаться пением птиц, восхищаться чарующими мелодиями. Мы бы не слышали друг друга.
Химические превращения в воздухе обусловлены двумя факторами. В первом случае поглощение энергии электромагнитного спектра солнечного излучения (фотохимия) приводит к распаду и появлению новых химических связей. Изменения второго типа происходят из-за столкновений молекул. Эти закономерности изучает химическая кинетика.
Химические процессы, идущие в атмосфере, условно можно поделить на вызванные естественными причинами и антропогенной природы.
В большинстве своем химические реакции в атмосфере возбуждаются под влиянием квантов солнечного света. Если энергия фотона достаточна для разрушения валентных связей внутри молекулы, она распадается. Процесс называется фотодиссоциация. Такой энергией обладает высокочастотное (жесткое) излучение ультрафиолетовой части солнечного спектра.
Особенно активно разрушается кислород с выделением его атомарной формы. Для инициирования процесса нужна не очень высокая энергия 495 кДж/моль, поэтому молекулярный кислород поглощает значительную долю ультрафиолета. На высоте более 400 км практически нет молекулярного кислорода, только его атомарная форма. Иное дело азот. Обладая высокой энергией связи, его молекула чрезвычайно устойчива и в атмосфере концентрация атомов азота пренебрежимо мала.
Пары воды в основном находятся вблизи земной поверхности, куда ультрафиолетовое излучение достигает слабо, растратив себя на разрушение субстанций в верхних слоях. Но малое количество молекул воды на больших высотах также диссоциирует с образованием водорода и гидроксильной группы.
Поскольку в воздушной оболочке земли много кислорода в ней доминируют окислительно-восстановительные реакции. По механизму протекания это многостадийные процессы с формированием и участием промежуточных ионов, способных к химическимреакциям.
Многие газы, находящиеся в атмосфере, хорошо растворяются вводе, поэтому атмосферная влага имеет большое значение. В химии образования капель и туч большую роль в качестве окислителя играет озон.
Помимо продуктов распада основных элементов, из которых состоит атмосфера (О2 и N2), в реакции вступают другие газы, поступающие в атмосферу по естественным причинам.
Наиболее заметную роль в химических превращениях в воздухе играют гидроксильная группа. Гидроксил получается при фотохимической реакции разложения озона (О3). За свою короткую жизнь (менее 1 секунды) он вступает в реакции с газами, куда входят Н, С, О, N, S, превращая их в соединения (СО2, Н2SO4, другие), более легко удаляемые из атмосферы.
Хозяйственная деятельность человека приводит к появлению в атмосфере повышенных концентраций веществ по сравнению с естественным равновесным состоянием.
Проблема загрязнения окружающей среды из-за вредных выбросов в атмосферу является одним из опаснейших вызовов человечеству, угрожающих его существованию. Отмечается три главных источника загрязнения воздуха.
Вследствие работы теплоэлектростанций в окружающую среду попадает сернистый газ, углекислый. Металлургические заводы загрязняют среду обитания окислами азота, хлором, сероводородом, аммиаком, соединениями фосфора, ртути, многими иными небезопасными субстанциями.
Это первичные загрязнители, они вступают реакции, образуя вторичные. С большой интенсивностью сернистый газ (SO2) переходит в серный ангидрид (SO3), который взаимодействуя с влагой, дает серную кислоту (h3SO4). Если серный ангидрид вступит в реакцию с аммиаком (Nh5) в небе мы будем иметь кристаллики сульфата аммония. Выпадающая с осадками серная кислота образует кислотные дожди, сжигающие окрестную листву, вызывающие респираторные заболевания у людей.
При неполном сгорании органического топлива в пространство выбрасывается оксид углерода (СО), знаменитый угарный газ. Он вступает в реакции со многими веществами, образуя продукты, создающие парниковый эффект.
Алюминиевые, заводы, предприятия, производящие удобрения, стекольные фабрики выбрасывают фторсодержащие вещества в газовой фазе. Они сами по себе вредны для здоровья, дальнейшие превращения загрязняют окружающую среду токсическими веществами еще сильнее. Тоже самое с хлором, активно участвующим в образовании паров соляной кислоты. Получаются угрожающие здоровью населения мышьяковистые, фосфорные соединения, вещества содержащие сурьму, свинец, редкие металлы.
Особый класс представляют взвешенные в воздухе частицы, называемые аэрозолями. Как правило, они получаются в результате взаимодействия частиц между собой и парами воды. В больших количествах их продуцируют теплоэлектростанции ТЭС, химический состав отличается большой вариативностью, можно найти соединения железа, редких металлов, кремния, селена, других элементов периодической таблицы.
Частички взвеси могут также носить органическое происхождение, в частности в пыли находятся ароматические углеводороды (бензол и другие). Кроме того в атмосфере присутствуют свободные радикалы, насыщенные и ненасыщенные углеводороды, чьи гомологические цепочки могут содержать до 13-ти атомов углерода.
Эта масса подвергается процессам окисления, полимеризации, формирует соединения с иными загрязнителями под воздействием солнечной энергии. Углеводороды образуют вещества с оксидами азота, серы, перекисями. Зрительно аэрозоли воспринимаются как смог, дымка, мгла.
Возникновение биологической материи, тем более высокоорганизованных форм возможно при сочетании многих факторов. Одной из основополагающих субстанции является подходящая для жизнедеятельности окружающая газовая среда. Атмосфера подательница жизни, ее защитница и фактор эволюции.
В тоже время она хрупка, по незнанию, неразумию, можно легко нарушить ее сбалансированное состояние, тогда мы получим карающего без разбора мстителя. Одна из насущных задач человечества научиться жить в согласии со всем мирозданием и с важнейшей для нас ее частью атмосферой. Человек не навреди миру, в котором живешь.
terasfera.ru
Реферат
по предмету «Основы общей химии»
Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы
Содержание
Введение
Особенности атмосферы Земли
Основные понятия
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Фотохимические реакции с участием метана
Фотохимические процессы оксидов азота
Заключение
Список литературы
Введение
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.
Особенности атмосферы Земли
В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
Основные понятия
Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ
Объемное содержание, %
Водород h3
~ 2·10–5
Кислород O2
21
Озон O3
~ 10–5
Азот N2
78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар h3O
~ 0,1
Угарный газ CO
1,2·10–4
Метан Ch5
1,6·10–4
Аммиак Nh4
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9
Гелий He
5·10–4
Неон Ne
1,8·10–3
Аргон Ar
0,9
Криптон Kr
1,1·10–4
Ксенон Xe
8,7·10–6
Средняя молекулярная масса 28,8
Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.
Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.
--PAGE_BREAK--Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаютсяфотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимияоформилась в 1-й трети XXв. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIXв. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:
γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.
Типы фотохимических реакций:
1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона Ch4(CO)Ch4 → CO + другие продукты.
2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:
•фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2àO+O; фотосинтез: O2+OàO3
•фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6h3O à C6h22O6 + 6O2,
который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы
O2*: O2+ hνàO2*,
диссоциируют на атомы: O2*àO+ O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2àO3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2+ 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3.
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0оС) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 кмс максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
Фотохимические реакции с участием метана
Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.
Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.
Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2О + СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):
О3+ hν = О2 + О*
Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2О = 2ОН
Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2О + СН3,
Ch4 + O2 = Ch4O2,
Ch4O2+ NO = Ch4O + NO2,
Ch4O + O2= Ch3O + HO2,
НО2+ NO = OH + NО2,
2[NO2+ hν= NO + O],
Ch5 + 4O2 = Ch3O + h3O + 2O3
продолжение --PAGE_BREAK--Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:
Ch3O + hν= h3+ CO,
СН2O + hν= Н+ НСO,
Ch3O + OH = HCO + h3O
Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
Ch3O + OH = HCO + h3O,
Ch3O + 2O2 + hν = CO + O3 + h3O
Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
Фотохимические процессы оксидов азота
NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.
Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:
O + NO2àNO + O2
NO + O3àNO2+ O2
Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2O + O à N2 + O2,
N2O + O à 2NO
Итак, оксид азота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.
Заключение
Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3.
Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5% (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.
Список литературы
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
Прокофьева И… Атмосферный озон, М.-Л., 1951
Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.
Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.
Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991
www.ronl.ru
Пока нельзя предсказать, сколько углекислого газа будет содержаться в атмосфере или какое именно воздействие он окажет на климат земного шара. Тем не менее, считается, что любое увеличение его содержания вызовет потепление, хотя вовсе не обязательно, что любое потепление существенно повлияет на климат. Концентрация углекислого газа в атмосфере, по результатам измерений, заметно увеличивается, хотя и небыстрыми темпами. Ведутся ожесточенные споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. Даже когда изменение климата действительно происходит, в этом трудно быть стопроцентно уверенным. Мировые средние температуры могут сильно колебаться в пределах нескольких лет и десятилетий — причем по естественным причинам. Проблема в том, что считать средней температурой, и на основании каких критериев судить, действительно ли она изменилась в ту или другую сторону.
2.4. Кислые атмосферные выпады на сушу.
Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие. Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв. Кислотность с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств окислов серы, азота, углерода. Эти окислы, поступая в атмосферу переносятся на большие расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде "кислых дождей" на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами. Главными источниками в атмосфере является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу окислов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.
2.5. Озоновая дыра в атмосфере
На высоте 20-50 км воздух одержит повышенное количество озона. Озон образуется в стратосфере за счет молекул обычного, двухатомного кислорода О2, который поглощает жесткое УФ излучение. Энергия лучей тратится на фотохимическую реакцию образования озона из кислорода и поэтому до поверхности земли они не доходят, туда проникает лишь значительно ослабленный поток “мягкого” УФ-С.
В последнее время ученые чрезвычайно обеспокоены снижением содержания озона в озоновом слое атмосферы. Над Антарктидой обнаружена “дыра” в этом слое, где содержание его меньше обычного на 40 – 50%. Эта озоновая дыра из года в год увеличивает свою площадь и сегодня она уже больше материка Антарктида. Озоновая дыра обусловила усиление УФ - фона в странах, размещенных в Южном полушарии, ближе к Антарктиде, прежде всего в Новой Зеландии. Медики этой страны бьют тревогу, констатируя значительное повышение количества заболеваний, обусловленных увеличенным УФ-фоном, таких, как рак кожи и катаракта глаз.
Установлено, что повреждению озонового слоя способствует некоторые химические вещества (например, оксиды азота), которые попадают в стратосферу с восходящими воздушными течениями. Тут они вступают в реакцию с озоном и разлагают его на кислород. Но в то же время оксидов азота в атмосфере очень мало, они нестойки и серьезно не влияют на количество озона в стратосфере. Но появился другой источник озоноповреждающих веществ – это деятельность человека. Современная промышленность все в больших количествах использует так называемые фреоны (хлорфторметаны, такие как CFCL3, CF2ClCBr). Они широко используются как хладагенты в рефрижераторах и домашних холодильниках, как аэрозольные разбрызгиватели в баллончиках с краской, лаком, парфюмерией, для очистки полупроводниковых схем. Сегодня в мире ежегодно выпускается несколько миллионов тонн фреонов.
Для людей пары фреонов не вредны, но они чрезвычайно стойкие и могут сохраняться в атмосфере до 80 лет. Пары фреонов с восходящими воздушными течениями попадают в стратосферу, где под влиянием УФ излучения Солнца их молекулы распадаются, освобождая атома хлора. Это вещество действует, как очень сильный катализатор, разлагая молекулы озона до кислорода. Один атом хлора способен разложить 100 000 молекул озона.
Под угрозой исчезновения озонового слоя руководители многих стран мира решили решительно действовать. И в 1985 г. в Монреале указами большинства стран мира был подписан протокол об охране атмосферного озона. Решено до 2000-го года уменьшить на 50% использование фреонов, а вскоре и совсем отказаться от них, заменяя их безопасными соединениями.
3. Вывод
Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, экосистемам, природным ресурсам – всей окружающей среде.
Объем вредных выбросов в атмосферу составляет много миллионов тонн ежегодно. Лидерами по их производству в мире являются США и Китай. Остановить выброс вредных веществ в атмосферу можно, полностью переведя все промышленные предприятия мира на экологически чистое топливо, при переработке которого эти вредные вещества просто не возникают. Очевидно, в ближайшем будущем это маловероятно и очень затратно, но в далеком будущем в связи с истощением природного топлива новые подходы и методы неизбежны, а значит, есть надежда на восстановление экологии.
Защита атмосферы включает комплекс технических и административных мер, прямо или косвенно направленных на прекращение или по крайней мере уменьшение возрастающего загрязнения атмосферы, являющегося следствнем промышленного развития.
Территориально-технологические проблемы включают как вопросы местоположения источников загрязнения атмосферы, так и ограничения или устранения ряда отрицательных эффектов. Поиск оптимальных решений по ограничению загрязнения атмосферы данным источником интенсифицировался параллельно с ростом уровня технических знаний и промышленным развитием, — разработан ряд специальных мер по защите атмосферы. Кроме того, начинается интегрирование процесса поиска оптимальных решений по ограничению эффектов загрязнения атмосферы с комплексным подходом к защите атмосферы, которое и усматривает взаимосвязи между отдельными составляющими окружающей среды. Таким образом, исследование эффектов загрязнения атмосферы становится все более зависимой, но не менее важной частью в области защиты атмосферы.
Придание исследованиям по защите атмосферы целенаправленного характера должно включать борьбу против ее загрязнения, особенно промышленного, а также от транспортных средств и других источников. Они не могут проводиться, например, только ради постановки задач, но должны указывать пути улучшения существующего положения. Таким образом, эта область исследований не может пассивно комментировать сложившуюся ситуацию и делать прогнозы, основывающиеся на данных самих “поставщиков загрязнений”, она должна разрабатывать концепции, промежуточные и долговременные планы, а также конкретные программы, направленные на активное ограничение неблагоприятного хода событий, используя при этом локальную кратковременную тактику и долговременную общенациональную стратегию.
Защита атмосферы не может быть успешной при односторонних и половинчатых мерах, направленных против конкретных источников загрязнения. Наилучшие результаты могут быть получены лишь при объективном, многостороннем подходе к определению причин загрязнения атмосферы, вкладу отдельных источников и выявлению реальных возможностей ограничения этих выбросов.
В городских и промышленных конгломератах, где имеются значительные концентрации малых и больших источников загрязняющих веществ, лишь комплексный подход, базирующийся на конкретных ограничениях для конкретных источников или их групп, может привести к установлению приемлемого уровня загрязнений атмосферы при сочетании оптимальных экономических и технологических условий. Исходя из этих положений, необходим независимый источник информации, который располагал бы сведениями не только о степени загрязнения атмосферы, но и видах технологических административных мер. Объективная оценка состояния атмосферы совместно со сведениями обо всех возможностях уменьшения выбросов позволяет создать реальные планы и долговременные прогнозы загрязнения атмосферы применительно к наихудшим и наиболее благоприятным обстоятельствам и формирует твердую основу для выработки и укрепления программы защиты атмосферы.
4. Использованная литература
1. http://www.bigpi.biysk.ru
2. http://chemistry.narod.ru
3. http://www.ecosystema.ru
4. http://5ballov.qip.ru
5. http://student.km.ru
6. http://www.erudition.ru
7. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие. - Ростов н/Д.: Изд-во «Феникс». 1996.
8. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д, 2001
9. Новиков Ю.В. Природа и человек. - М.: Просвещение
turboreferat.ru
Реферат
по предмету «Основы общей химии»
Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы
Содержание
Введение
Особенности атмосферы Земли
Основные понятия
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Фотохимические реакции с участием метана
Фотохимические процессы оксидов азота
Заключение
Список литературы
Введение
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.
Особенности атмосферы Земли
В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
Основные понятия
Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ
Объемное содержание, %
Водород h3
~ 2·10–5
Кислород O2
21
Озон O3
~ 10–5
Азот N2
78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар h3O
~ 0,1
Угарный газ CO
1,2·10–4
Метан Ch5
1,6·10–4
Аммиак Nh4
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9
Гелий He
5·10–4
Неон Ne
1,8·10–3
Аргон Ar
0,9
Криптон Kr
1,1·10–4
Ксенон Xe
8,7·10–6
Средняя молекулярная масса 28,8
Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.
Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.
--PAGE_BREAK--Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаютсяфотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимияоформилась в 1-й трети XXв. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIXв. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:
γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.
Типы фотохимических реакций:
1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона Ch4(CO)Ch4 → CO + другие продукты.
2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:
•фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2àO+O; фотосинтез: O2+OàO3
•фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6h3O à C6h22O6 + 6O2,
который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы
O2*: O2+ hνàO2*,
диссоциируют на атомы: O2*àO+ O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2àO3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2+ 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3.
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0оС) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 кмс максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
Фотохимические реакции с участием метана
Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.
Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.
Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2О + СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):
О3+ hν = О2 + О*
Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2О = 2ОН
Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2О + СН3,
Ch4 + O2 = Ch4O2,
Ch4O2+ NO = Ch4O + NO2,
Ch4O + O2= Ch3O + HO2,
НО2+ NO = OH + NО2,
2[NO2+ hν= NO + O],
Ch5 + 4O2 = Ch3O + h3O + 2O3
продолжение --PAGE_BREAK--Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:
Ch3O + hν= h3+ CO,
СН2O + hν= Н+ НСO,
Ch3O + OH = HCO + h3O
Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
Ch3O + OH = HCO + h3O,
Ch3O + 2O2 + hν = CO + O3 + h3O
Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
Фотохимические процессы оксидов азота
NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.
Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:
O + NO2àNO + O2
NO + O3àNO2+ O2
Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2O + O à N2 + O2,
N2O + O à 2NO
Итак, оксид азота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.
Заключение
Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3.
Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5% (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.
Список литературы
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
Прокофьева И… Атмосферный озон, М.-Л., 1951
Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.
Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.
Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991
www.ronl.ru
Реферат
по предмету «Основы общей химии»
Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы
Содержание
Введение
Особенности атмосферы Земли
Основные понятия
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Фотохимические реакции с участием метана
Фотохимические процессы оксидов азота
Заключение
Список литературы
Введение
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологические процессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода (II), образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.
Особенности атмосферы Земли
В результате фотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно это касается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом и другими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемых соединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксид углерода СО, сероводород Н2S. Неравновесность отчасти поддерживается биологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация, инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах более коротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой в атмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газа позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей, претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуются ядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов и монооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием таких соединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичное вещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глаз и токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинство фотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Это приводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокий энергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние. Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся в основном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие, отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении кванта видимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергией химических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение – либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
Основные понятия
Атмосфера – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ
Объемное содержание, %
Водород h3
~ 2·10–5
Кислород O2
21
Озон O3
~ 10–5
Азот N2
78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар h3O
~ 0,1
Угарный газ CO
1,2·10–4
Метан Ch5
1,6·10–4
Аммиак Nh4
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9
Гелий He
5·10–4
Неон Ne
1,8·10–3
Аргон Ar
0,9
Криптон Kr
1,1·10–4
Ксенон Xe
8,7·10–6
Средняя молекулярная масса 28,8
Верхние слои атмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу, термосферу и ионосферу.
Мезосфера – слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера – верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.
--PAGE_BREAK--Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаютсяфотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействием светового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимияоформилась в 1-й трети XXв. Первые фотохимические закономерности были установлены в XIXв. Основным закон фотохимии стал закон квантовой эквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера (1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшим параметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, который определяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённых квантов:
γ = число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимости от типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широких пределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии до фотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скорость фотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1 фотореакция идет по цепному механизму.
Типы фотохимических реакций:
1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества, поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основа серебряной фотографии), фотолиз паров ацетона Ch4(CO)Ch4 → CO + другие продукты.
2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакций фотосинтеза служат:
•фотосинтез озона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация: O2àO+O; фотосинтез: O2+OàO3
•фотосинтез органических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зелеными растениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6h3O à C6h22O6 + 6O2,
который идет только под действием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
Фотохимия кислорода и озона в атмосфере
Наиболее типичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциация молекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённые молекулы
O2*: O2+ hνàO2*,
диссоциируют на атомы: O2*àO+ O. Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2àO3. Образование озона проходит по обратимой реакции: 3O2+ 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3.
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Молекула О3неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0оС) самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечной радиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слоя озона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 кмс максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновый слой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
Фотохимические реакции с участием метана
Рассмотрение поведения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело в том, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественном отношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана в атмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равной интенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощности источников метана в атмосфере.
Молекула метана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворим в воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление его из атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления из атмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другие газообразные соединения.
Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2О + СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источником радикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Под действием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются с образованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атома кислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):
О3+ hν = О2 + О*
Атомы кислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2О = 2ОН
Итак, реакции в атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2О + СН3,
Ch4 + O2 = Ch4O2,
Ch4O2+ NO = Ch4O + NO2,
Ch4O + O2= Ch3O + HO2,
НО2+ NO = OH + NО2,
2[NO2+ hν= NO + O],
Ch5 + 4O2 = Ch3O + h3O + 2O3
продолжение --PAGE_BREAK--Образующиеся молекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которые дают начало новым циклам:
Ch3O + hν= h3+ CO,
СН2O + hν= Н+ НСO,
Ch3O + OH = HCO + h3O
Вторая и третья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидов азота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН. Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
Ch3O + OH = HCO + h3O,
Ch3O + 2O2 + hν = CO + O3 + h3O
Таким образом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшого количества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
Фотохимические процессы оксидов азота
NO и NO2 всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протекания реакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Земле является результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результат сгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.
Фотохимические реакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит в процессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, под действием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азота воздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:
O + NO2àNO + O2
NO + O3àNO2+ O2
Исследования последних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота в атмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2O в атмосфере около 180 лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют пути естественного стока N2O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2O + O à N2 + O2,
N2O + O à 2NO
Итак, оксид азота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы и внешние условия существования. Однако это же вещество является и мощным внутренним биорегулятором.
Заключение
Таким образом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержании постоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами в нижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфере они составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, является основой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живых организмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода под действием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектр достигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекая коротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живые организмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя с кислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон. В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5 молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. При высокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие на центральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного света диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращает кислород О2 опять же в озон О3.
Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5% (по объему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальная концентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его роль сложно переоценить.
Список литературы
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
Бажин Н.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
Прокофьева И… Атмосферный озон, М.-Л., 1951
Зеленин К.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10.
Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.
Уэйн Р. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991
www.ronl.ru
