Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов

 

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу – диоксид серы SO₂ (cернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота NОх (монооксид, или оксид азота NО, диоксид азота NO₂ и др.).

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО₂ в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м³ (Арктика) – 1,28 мкг/м³ (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО₂, равного 15 мкг/м3.

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн. т (для сравнения: природные выбросы SO₂ в год равны примерно 20 млн. т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России – менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

 

Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследcтвие – NО₂. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) – 1,23 мкг/м3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м3.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO₂. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид – гораздо более опасное соединение.

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% – на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов – на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов – сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота.

Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере – автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Распределение выбросов оксидов азота по основным отраслям промышленного производства приведены в таблице.

 

 

Задачи

1. Вычислите рН водного раствора, в котором концентрация водного раствора катионов водорода равна 10^-2 моль\л. Определите характер среды.

Дано:

[Н⁺] = 10^-2 моль/л

Найти: рН -?

Решение:

Водородным показателей рН называется отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: рН = -lg[Н⁺] = - lg[10^-2] = 2. Характер среды кислотный.

 

2. Вычислите рН водного раствора, в котором концентрация гидроксид-ионов равна 10^-5 моль/л. Определите характер среды.

Дано:

[ОН^-] = 10^-5 моль/л

Найти: рН -?

Решение:

рН = -lg[Н⁺]

Зная, что произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C[H⁺]·C[ОН^–] = 10^–14, можно определитьконцентрацию катионов водорода:

C[Н⁺] = 10^–14/ C[ОH^-] = 10^–14/10^-5 = 10^-9

 

Следовательно, рН = - lg[10^-9] = 9

Характер среды – щелочной.

 

 

Строение атома и атомного ядра. Изотопы в природе.

 

В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Атомы находятся в непрерывном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца 19 века в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи. Только наука 20 века показала, что элементарными частицами являются отнюдь не атомы.

В 1921 году английский физик Э.Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Основные положения планетарной модели атома Э.Резефорда

1. Атом имеет форму шара, в центре которого находится ядро.

2. Ядро имеет очень маленький размер (диаметр атома ~10^-10 м., диаметр ядра

~10^-15 м.)

3. Ядро имеет положительный заряд.

4. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, так как масса электронов ничтожно мала

5. Вокруг ядра движутся электроны.

6. Электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг солнца.

В 1913 году Г.Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Атом – это электронейтральная частица, поэтому положительный заряд ядра численно равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, или числу электронов (т.к. заряд электрона равен -1).

Порядковый Заряд Число

Номер = Ядра = электронов

элемента атома в атоме

В 1932 году Д.Д.Иваненко (СССР) и В.Гейзенберг (Германия) независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную теорию строения ядер атомов.

Согласно этой теории, ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральной частиц – нейтронов. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского слова «nucleus» - ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются элементарными частицами, из которых состоит атом.

Характеристика элементарных частиц

Число электронов и число протонов совпадает с порядковым номером элемента. Число нейтронов находится как разность между атомной массой элемента и порядковым номером элемента в таблице Д.И.Менделеева.

Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом атома и обозначается буквой

А = р + n

Атомы одного элемента, которые имеют разные атомные массы, но одинаковый заряд ядра называются изотопами.

В природе все элементы представлены смесью различных изотопов, например элемент водород имеет три изотопа:

Н (протий) Д (дейтерий) Т (тритий)

1 протон 1 протон 1 протон

Нейтронов нет 1 нейтрон 2 нейтрона

Относительная атомная масса элемента А_r, которая указана в периодической системе – это средняя величина массовых чисел природных изотопов этого элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа.

А_r (Сl) = ( 35·75,5 + 37·25,5)/ 100 = 35,5 (а.е.м.)

Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковые, значит, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Заряд ядра – главная характеристика элемента.

 

Задачи

 

1. Чему равен заряд ядра и число электронов в атомах следующих элементов:

С, S, Cu, Ba, Ag?

Решение: заряд ядра совпадает с числом электронов и совпадает с порядковым номером элемента, следовательно, С имеет заряд ядра +6, электронов – 6;

S – заряд ядра +16, число электронов – 16;

Cu – заряд ядра +29, число электронов – 29.

2. Назовите элемент, в ядре атома которого содержится: 11 протонов, 26 протонов, 54 протона?

Решение: число протонов совпадает с порядковым номером элемента, следовательно по таблице Д.И.Менделеева можно определить, что 11 протонов имеет ядро атома Na; 26 протонов ядро атома Fe; 54 протона ядро атома Xe/

3. Чему равно число нейтронов в атомах следующих изотопов: ¹⁵ ₇N, ¹¹⁹ ₅₀Sn,

²³⁵ ₉₂U?

Решение: число нейтронов находится как разность между атомной массой и порядковым номером элемента, следовательно: n = A_r– z

Для изотопа ¹⁵ ₇N: n = A_r– z = 15 – 7 = 8

¹¹⁹ ₅₀Sn: n = A_r – z = 119 – 50 = 69

²³⁵ ₉₂U: n = A_r – z = 235 – 92 = 143

4. Медь имеет два изотопа: ⁶³ ₂₉Cu и ⁶⁵ ₂₉Cu. Содержание первого изотопа равно 73%, второго – 27%. Вычислите относительную атомную массу меди.

Решение:

А_r (Сu) = (63·73 + 65·27)/100 = 63.5 (а.е.м.)

5. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, число электронов атоме равно 15. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом.

Решение: Сумма нейтронов и протонов равна массовому числу атома и относительной атомной массе элемента, поэтому: A_r= р + n, т.к. число протонов совпадает с числом электронов, то A_r= 16 + 15 = 31. По таблице Д.И.Менделеева находим элемент с такой относительной атомной массой, это фосфор- Р.

 

 

Химический состав воздуха. Загрязнение атмосферы и его источники

 

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)×1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003×1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27×1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

 

Состав сухого воздуха

 

 

Вода

0,5-4

-

Углекислый газ

0,0387

0,059

Неон

1,818×10⁻³

1,3×10⁻³

 

Гелий

4,6×10⁻⁴

7,2×10⁻⁵

 

Метан

1,7×10⁻⁴

-

Криптон

1,14×10⁻⁴

2,9×10⁻⁴

 

Водород

5×10⁻⁵

7,6×10⁻⁵

 

Ксенон

8,7×10⁻⁶

-

Закись азота

5×10⁻⁵

7,7×10⁻⁵

 

 

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO₂, NH₃, СО, О₃, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

 

Линия Кармана

 

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

 

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;

химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

 

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО₂ потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО₂ в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 20—30 лет количество СО₂ в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

 

 

ФИЗИКА

 

Основные понятия механики. Кинематика точки.

 

Физика – наука, занимающаяся изучением фундаментальной структуры материи и основных форм ее движения.

Механика – наука об общих законах движения тел. Механическим движением называется перемещение тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.

Законы механики были сформулированы великим английским ученым И.Ньютоном. Было выяснено, что законы Ньютона, как любые другие законы природы, не являются абсолютно точными. Они хорошо описывают движение больших тел, если их скорость мала по сравнению со скоростью света. Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой.

Механика включает в себя: статику, кинематику, динамику.

Статика – условия равновесия тел.

Кинематика – раздел механики, изучающий способы описания движений и связь между величинами, характеризующими эти движения.

Динамика – раздел механики, рассматривающий взаимные действия тел друг на друга.

Механическим движением называется изменение пространственного положения тела относительно других тел с течением времени.

Материальная точка – тело, обладающее массой, размером которого можно пренебречь в данной задаче.

Траектория – это воображаемая линия, по которой движется материальная точка.

Положение точки можно задать с помощью радиус-вектора: r = r(t), где t – время, за которое произошло перемещение материальной точки.

 

Рис.1

 

Тело, относительно которого рассматривается движение, называется телом отсчета.

Например, тело находится в состоянии покоя по отношению к Земле, но движется по отношению к Солнцу.

Совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов называют системой отсчета.

Направленный отрезок, проведенный из начального положения точки в ее конченое положение, называется вектором перемещения или просто перемещением этой точки.

 

Рис. 2

Δ r = r₂ – r₁

Движение точки называется равномерным, если она за любые равные промежутки времен проходит одинаковые пути.

Равномерное движение может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Равномерное прямолинейное движение – самый простой вид движения.

Скоростью равномерного прямолинейного движения точки называют величину, равную отношению перемещения точки к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло. При равномерном движении скорость постоянна.

V = Δ r/ Δt

Направлена так же, как и перемещение:

 

Рис.3

 

Графическое представление равномерного прямолинейного движения в различных координатах:

 

Рис.4

Уравнение равномерного прямолинейного движения точки:

r = r_о + Vt

При проекции на ось ОХ уравнение прямолинейного движения можно записать так:

Х = Х₀ + V_х t

Путь, пройденный точкой определяется по формуле: S = Vt

 

Задачи

1. Найдите модуль и направление скорости точки, если при равномерном движении оп оси ОХ ее координаты за время t = 4сек. Изменились от Х₁ = 5 м до Х₂ = -3 м

 

Решение:

Так как точка движется равномерно, то проекцию ее скорости на ось ОХ найдем по формуле:

Х₂ = Х₁ + V_х t

Отсюда находим:

V_х = Х₂ – Х₁ / t = -3 -5/4 = -2 м/сек

Отрицательный знак проекции скорости означает, что скорость точки направлена противоположно положительному направлению оси ОХ. Модуль скорости равен 2 м/с

 

2. Точка движется равномерно и прямолинейно в положительном направлении оси ОХ. В начальный момент времени точка имела координату Х₀ = -10 м. Найдите координату точки через 5 сек. От начала отсчета времени, если модуль ее скорости равен v = 2 м/сек.

Чему равен путь, пройденный точкой за это время?

Решение:

Определим координату точки по формуле: Х_t = Х₀ + V t = -10 + 2·5 = 0

Определим перемещение точки: S = Vt = 2·5 = 10 м

 

3. При равномерном движении точки по прямой, совпадающей с осью ОХ, координата точки изменилась от Х₁ = 8 м, до Х₂ = 16 м. Найдите время, течение которого произошло изменение координаты, если модуль скорости равен 4 м/с. Какой путь пройден точкой за это время?

Решение:

Изменение координаты точки определяется по формуле: Х₂ = Х₁ + V_х t, выведем отсюда время: t = Х₂ – Х₁ / V_х = 16 – 8/4 = 16/4 = 4 сек.

Определим перемещение точки по формуле: S = Vt = 4·4 = 16 м.

Законы динамики И.Ньютона. Гравитационные силы

 

Динамикой называют раздел механики, в котором изучают различные виды механических движений с учетом взаимодействия тел между собой. Основы динамики составляют три закона Ньютона, являющиеся результатом обобщения наблюдений и опытов в области механических явлений, которые были известны еще до Ньютона и осуществлены самим Ньютоном.

Явление инерции

Проведем наблюдения за поведением различных тел относительно Земли, выбрав неподвижную систему отсчета, связанную с поверхностью Земли. Мы обнаружим, что скорость любого тела изменяется только под действием других тел. Например, пусть тело стоит на неподвижной тележке. Толкнем тележку - и тело опрокинется против движения. Если же, наоборот, резко остановить двигающуюся тележку с телом, оно опрокинется по направлению движения.

Очевидно, что если бы трение между тележкой и телом отсутствовало, то тело не опрокинулось бы. В первом случае произошло бы следующее: так как скорость стоящего тела равна нулю, а скорость тележки стала увеличиваться, тележка выскользнула бы из-под неподвижного тела вперед. Во втором случае при торможении тележки стоящее на ней тело сохранило бы свою скорость движения и соскользнуло вперед с остановившейся тележки.

Другой пример. Металлический шарик скатывается по наклонному желобу на горизонтальную плоскость с одной и той же высоты h (рис. 1),

 

Рис. 1.

 

следовательно, его скорость в точке, в которой он начинает горизонтальное движение, всегда одинакова. Пусть вначале горизонтальная поверхность посыпана песком. Шарик пройдет небольшое расстояние s₁ и остановится. Заменим песчаную поверхность гладкой доской. Шарик пройдет до остановки уже значительно большее расстояние s₂. Заменим доску льдом. Шарик будет катиться очень долго и пройдет до остановки расстояние s₃ >> s₂. Эта последовательность опытов показывает, что если уменьшать влияние окружающей среды на движущееся тело, его горизонтальное движение относительно Земли неограниченно приближается к равномерному и прямолинейному.

Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий на это тело называют инерцией.