Загрязнение воздуха аэрозолями

1 2 3 4 5

Лекция № 3. Образование и трансформация аэрозолей в атмосфере

Ключевые слова и понятия

3.1. Аэрозоли

3.2."Ядра Айткена".

3.3.Гомогенная конденсация

3.4. Гетерогенная конденсация

3.5. Скорость диффузии

3.6. Сателлиты.

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химический элемент, простые и сложные вещества, классы неорганических соединений, органические соединения, углеводороды.

- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: скорость химической реакции (5.2. – блок «Химия»), углеводороды (блок «Химия»),

Скоростью химической реакции(5.2.) - изменение количества одного из реагирующих веществ (исходных или продуктов реакции) за единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций), или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).

Углеводороды (блок «Химия») – органические вещества, в состав которых входят углерод и водород, общая формула С_пН_2п+2.

Структура темы

1. Загрязнение воздуха аэрозолями.

2. Трансформация аэрозольных частиц

2.1. Основные реакции частиц аэрозолей.

3. Различия в образовании аэрозолей в тропосфере и стратосфере

3.1. Образование частиц в тропосфере.

3.2. Образование частиц в стратосфере

Загрязнение воздуха аэрозолями.

Атмосфера(1.1.) вблизи поверхности Земли (тропосфера (1.2.) и стратосфера (1.3.)) содержит частицы во взвешенном состоянии. Они имеют сложную форму, но их можно представить в виде эквивалентных сфер с диаметром 0,005- 100 мкм. Такие частицы называют аэрозолями(3.1.)

Аэрозолями(3.1.) называют частицы в виде сфер с диаметром от 0,005 до 100 мкм, содержащиеся в воздухе во взвешенном состоянии.

Согласно измерениям максимальная концентрация отвечает частицам с радиусом 0,1 мкм. Концентрация их над сельскими районами составляет 104 частиц в 1 см³, в то время как над загрязненными большими городами превышает 10⁵ частиц в 1 см³.

Частицы радиусом 0,1 мкм еще называются «ядрами Айткена» (3.2.).

" Ядра Айткена " (3.2.) - наиболее многочисленные частицы с радиусом 0,1 мкм, содержащиеся в атмосфере во взвешенном состоянии.

Некоторые частицы попадают в атмосферу в газообразном виде и переносятся ветром на большие расстояния при извержениях вулканов и при падении метеоритов. Большое количество частиц образуются непосредственно в атмосфере в результате реакций между газообразными примесями, либо между газами и парами воды.

Нередко аэрозоли бывают самой явной формой загрязнения воздуха, так как они сокращают дальность видимости и оставляют грязные следы на окрашенных поверхностях, тканях, растительности и прочих предметах.

Можно считать, что многие аэрозольные частицы образуются из газов, например, при загрязнении атмосферы таким оксидом серы как SO₂, или из углеводородов. Эти газы остаются во взвешенном состоянии в воздухе очень непродолжительное время: от нескольких часов до 2-х недель в сильно загрязненной атмосфере Обычно аэрозоли образуются в процессе окисления компонентов в газовой фазе, причем, как отмечалось ранее (лекция № 2), в качестве окислителя выступает атомарный кислород О(¹D), который образуется в основном в соответствии с реакцией (1.1.):

_hν

NО₂ → NO + О(¹D) (1.1.)

Как указывалось ранее (лекция № 2) оксид SO₂ - один из основных загрязнителей воздуха, образующийся при извержении вулканов, сжигании топлива (особенно угля и т.д.), либо при окислении H₂S, который образуется в результате разложения органических остатков.

Концентрация оксида SO₂ в сельской местности около 10 мкг/м³; над океаном 0¸4 мкг/м³, в загрязненном воздухе городов ~1000¸5000 мкг/м³.

Окисление сероводорода может происходить в несколько стадий, но главной является следующая реакция (1.2.):

H₂S + О(¹D) → OH^• + SH^•(1.2.)

Эта реакция, протекающая при фотохимическом образовании смога (4.5.), сопровождается рядом побочных реакций с получением следующих частиц: SO₂, SO₃, H₂SO₄, H₂, H₂O. При этом в конечном результате большинство твердых аэрозольных частиц являются сульфатами. Их среднее содержание в воздухе сельской местности и над океаном ~1¸2 мкг/м³, а над городами со средним загрязнением»7¸20 мкг/м³.

Процесс образования сульфатных частиц идет и за счет прямого фотохимического окисления оксида серы SO_2. Процесс этот достаточно сложный и многостадийный. Общий процесс можно представить в виде реакции (1.3.):

2SO₂+ O₂+ hn → 2SO₃(1.3.)

Затем в результате взаимодействия с водой оксид серы (У1) SO₃ превращается в серную кислоту (H₂SO₄). Кроме того, диоксид серы растворяется в каплях атмосферной влаги, образуя сернистую кислоту H₂SO₃, которая затем окисляется также до серной кислоты в соответствии с реакцией (1.4.):

2H₂SO₃ + O₂ → 2H₂SO₄ (1.4.)

Процесс с участием NH₃ протекает через фазу образования зародышей аэрозоля по схеме (1.5.- 1.7.):

NH₃ + H₂SO₄×nH₂O → NH₄HSO₄×nH₂O (1.5.)

NH₃ + NH₄HSO₄×nH₂O → (NH₄)₂SO₄×nH₂O (1.6.)

2SO₂ + O₂+ 2H₂O → 2H₂SO₄ (1.7.)

Последняя реакция (1.7.) каталитического окисления диоксида серы протекает в присутствии кристаллических зародышей (на «ядрах Айткена»(3.2.)) или на частицах оксидов металлов.

Концентрация углеводородов (блок «Химия») в воздухе незначительна, всего лишь несколько частей на миллион. Однако они активизируют образование фотохимического смога (4.5.) в городах. Углеводороды, как и практически все другие вещества, окисляются атомарным кислородом О(¹D), образующимся в реакции фотолиза (2.3.) NO₂ (1.1.). В образовании аэрозолей принимают также участие и оксиды азота, образующиеся в результате пожаров.

Выделяемые растительностью в воздух в очень низких концентрациях (1мкг/м³) пары органических соединений принципиально также могут служить источником аэрозольных частиц.

ЗАПОМНИТЕ!!! Пары углеводородов, находящиеся в воздухе поглощают солнечные лучи. Выделяющийся в результате описанных выше химических реакций О(¹D), инициирует цепные реакции, приводящие к образованию аэрозолей.

Результатом этих превращений является образование паров серной кислоты или окисленных углеводородов в присутствии избытка паров воды. Затем за счет процессов конденсации происходит превращение этих паров в капли, то есть образование зародышевых частиц. При этом возможна как гомогенная конденсация (3.3.), так и гетерогенная конденсация (3.4.). В большинстве случаев имеют место оба вида конденсации. Гетерогенная конденсация преобладает в случае небольшой концентрации фотохимических продуктов или высокой концентрации ядер.