Контрольная работа по "Химия окружающей среды"

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимская государственная академия экономики и сервиса»

Кафедра «ООС и РИПР»                                                                                                                       

Контрольная работа

По дисциплине: Химия окружающей среды

Вариант 5

Выполнила: студентка гр. ОЗК-31

                                                                                     Жукова Ю.А.

                                                                           Проверил: канд.тех.наук, доцент

                                                                                                  Дмитриева О.А.

Уфа 2012

1. Вещественный состав литосферы. Основные закономерности.

Литосфера - внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии. Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Большую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы - расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества.

В литосфере выделяют массив горных пород, земную поверхность и почвы. Основная часть литосферы состоит из изверженных магматических пород (95 %), среди которых на континентах преобладают граниты и гранитоиды, а в океанах-базальты. Верхний слой литосферы - это земная кора, минералы которой состоят преимущественно из окислов кремния и алюминия, окислов железа и щелочных металлов.

Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточенная в грунтах, на глубине не большее нескольких метров. Грунты - органо-минеральный продукт многолетней (сотни и тысячи лет) общей деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света есть одними из важнейших природных ресурсов. Современные грунты являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород), органических веществ (продукты жизнедеятельности биоты ее микроорганизмов и грибов). Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт литосферы в пределах суши. Суша занимает 29,2% поверхности земного шара и включает земли различной категории, из которых важнейшее значение имеет плодородная почва.

Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: О около 47%, Si около 30%, Аl около 8%, Fe около 5 %, Са, Мg, Na, К по 2-3% каждый.

Влияние поясов на литосферу. Интересная закономерность изменения природы, получившая название высотной поясности, наблюдается в горных районах. Высотная поясность — закономерная смена природных компонентов и природных комплексов с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0,6 °С на каждые 100 м подъема) и до определенной высоты (до 2—3 км) увеличением осад ков.1

Высотная поясность имеет много общего с горизонтальной зональностью, смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Однако природные пояса в горах меняются значительно быстрее, чем природные зоны на равнинах. Кроме того, в горах есть особый пояс субальпийских и альпийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пределах которой расположены горы. Так, в горах находящихся в степной зоне, нижний пояс горностепной, в лесной — горнолесной и т. д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения. Чем выше горы и чем ближе они расположены к экватору, тем богаче у них набор (спектр) поясов.

Характер высотной поясности гор определяется также их рас положением относительно океана. Горам, находящимся вблизи океана, свойственны лесные, во внутриконтинентальных аридных районах — безлесные пояса.

В результате наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты и его годового движения на Земле образовалось пять поясов освещения, ограниченных тропиками и полярными кругами. Они отличаются высотой полуденного стояния Солнца над горизонтом, продолжительностью дня и соответственно тепловыми условиями.

Жаркий пояс лежит между тропиками (греч. tropikas — круг поворота). В его пределах Солнце два раза в году бывает в зените, на тропиках — по одному разу в год, в дни солнцестояний (и этим они отличаются от всех остальных параллелей). На экваторе день всегда равен ночи, на других широтах этого пояса продолжительность их мало отличается. Жаркий пояс занимает около 40 % земной поверхности.

Умеренные пояса (два) располагаются между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Близ полярных кругов (с 60 до 66,5°) летом наблюдаются светлые, так называемые белые ночи с сумеречным освещением за счет слияния вечерней и утренней зари, так как Солнце ненадолго и неглубоко уходит под горизонт. Общая площадь умеренных поясов составляет 52 % земной поверхности.

Холодные пояса (два) — к северу от северного и к югу от южных полярных кругов. Они отличаются наличием полярных дней и ночей, продолжительность которых увеличивается от одних су ток — на полярных кругах (и этим они отличаются от всех остальных параллелей) до полугода — на полюсах. Их общая площадь 8 % земной поверхности.

Пояса освещения — основа климатической зональности и при родной зональности вообще.

2. Механизм фотохимических превращений азота. Образование смога в присутствие оксидов азота.

Первоначально образующийся монооксид азота NO окисляется в диоксид NO2 кислородом воздуха:

2NO+O2→2NO2

Или озоном:

NO+O3→NO2 +О2 

В образовании NO2 могут принимать участие и свободные радикалы, в частности гидропероксид радикал НОО- :

НОО- + NO →NO2 + НО-

Рассмотрим некоторые источники озона и пероксид- радикалов, необходимых для окисления NO и NO2.

Источником тропосферного озона в незначительной степени является и стратосфера, но в основном он зарождается в тропосфере, причем схема процесса резко отличается от образования стратосферного озона.

На начальных стадиях процесса решающую роль играет СО:

СО + ОН-→ Н+ +СО-2

Н- + О2 +М → НОО- + М

Глее М- частицы учавствующие в столкновениях, но не вступающие в реакции, например N2. Образующийся при этом радикал НОО- окисляет NO и NO2.

Ночью NO2 стабилен. Днем под влиянием солнечного света NO2 расщепляется на NO и О (фотолиз):

NO2 →NO + O

В присутствии пыли, содержащей карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, происходит образование соответствующих нитритов и нитратов:

2NO2 + Na2CO3 +H2O →NaNO2 +NaNO3 + H2CO3

4NO2 + 2CaCO3 +2H2O →Ca (NO2)3+Ca (NO3)2 + 2H2CO3

Образующиеся соли менее токсичны, чем NO2.

Во влажном воздухе диоксид азота вступает в реакцию с Н2О с образованием азотистой и азотной кислот:

2NO2 + H2O →HNO2 +HNO3

В незначительной степени NO2 может реагировать с радикалами ОН- , возникающими при фотолизе воды ультрафиолетовым светом, с образованием азотной кислоты :

NO2 + OH- →HNO3

Оксид диазота (N2O) , также содержащийся в атмосфере, под действием солнечного излучения  может превращаться в монооксид азота NO. Последний после ряда превращений также вносит свой вклад в проблему кислотных дождей:

2N2O →2NO +N2

2NO+ O2 →2NO2

2 NO2 + H2O →HNO2 +HNO3

Азотная кислота в атмосфере, реагируя с различными веществами, образует нитраты, которые затем выпадают на землю с осадками в виде  минеральных аэразолей. Одной из таких реакций является взаимодействие с аммиаком:

HNO3 + NH3 → NH4NO3

Фотохимический смог. Оксиды азота играют большую роль в возникновении фотохимического смога, называемого также фотохимическим туманом. В смоге в результате реакций, протекающих под действием     солнечного света в смеси углеводородов и оксидов азота, образуются новые вещества, значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения Лос-Анджелесский смог представляет собой сухой туман с влажностью 70%. Рассмотрим уравнения химических реакций, приводящих к образованию смога лос-анджелесского типа. В ясные дни солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота и атомарного кислорода

NO2 → NO + O

Атомарный кислород с молекулярным кислородом воздуха дает озон. В слоях воздуха, близких к поверхности земли, озон вновь быстро реагирует с NO, окисляя его до диоксида азота, сам при этом снова превращается в молекулярный кислород:

O3 + NO → O2 + NO2

Далее диоксид азота снова разделяется на NO и О. Так должны идти реакции в отсутствие углеводородов.

Пероксорадикалы могут реагировать с NO2. Их образующиеся при этом соединений наиболее известен пероксоацетилнитрат (СН3СОО2NO2),  концентрация которого в смоге может достигать 50 млрд-1 (5*10-6 %):

Н3С – С = О + NO2 → Н3С – C – О

                                                О – О                          О – О  – NO2                            

С увеличением солнечной освещенности, с рассвета и до полудня, концентрация озона возрастает. В утренние «часы пик» с увеличением потока автомобилей возрастает концентрация NO, который попадает в атмосферу с выхлопными газами. Потом содержание монооксида азота в воздухе уменьшается. Параллельно с этим уменьшением возрастает до максимума концентрация диоксида азота. Далее по мере уменьшения содержания NO2 растет концентрация озона. Концентрация озона также очень сильно уменьшается вследствие реакции взаимодействия его с NO. [1,с.150-166]

3. Состав аэрозоля и химические реакции

Аэрозоли – это дисперсные системы с газообразной дисперсной средой. По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы- системы с жидкой дисперсной фазой в виде капель размером 0,1- 10 мкм, пыли- системы с твердыми частицами размером более 10 мкм и дымы - системы, размеры твердых частиц в которых находятся в пределах 0,001-10 мкм. Если туманы – это капли жидкости в воздухе, то дымы и пыли – твердые частицы в воздухе.

Пыли и дымы содержат твердые частицы самой разнообразной формы. Упрощенно данные частицы можно представить в виде сфер с радиусом в пределах от 0,001 до 100 мкм. Наиболее многочисленны частицы аэрозолей с радиусом 0,1 – 1мкм. Большое количество твердых частиц получается при сжигании угля – это частицы золы (СаSiO3), сажи (С), оксидов металлов (СаО, FeO, Fe2O3). В глобальном (земном) масштабе твердые частицы в атмосфере имеют в основном минеральное происхождение, но в определенных районах состав их меняется в зависимости от источников образования, и могут преобладать силикаты, карбонаты, сульфаты, щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды, сажа и даже споры растений.

Многие аэрозольные частицы образуются из газов, например SO2, или из углеводородов. Как известно, сернистый газ – один из основных загрязнителей воздуха. В атмосфере происходит его окисление с образованием тумана серной кислоты. Это может быть фотохимическое или каталитическое окисление. Последнее связано с присутствием соответствующего катализатора (ионов тяжелых металлов) и достигает высокого уровня только в загрязненном воздухе. Даже в отсутствие света диоксид серы окисляется в воздухе при наличии некоторых оксидов металла (Al, Ca и Fe).

SO2 + О3 → SO3 + О2

SO3 + Н2О → Н2 SO4

При наличии в атмосфере аммиака аэрозоль серной кислоты превращается в сульфат аммония:

NH3 + H2SO4 → NH4HSO4

NH4HSO4 + NH3→ ( NH4)2SO4

Сульфат аммония является важным компонентом атмосферных аэрозолей.

В атмосфере может происходить образование сульфатов щелочных метталов. Например, при взаимодействии частиц NaCl с каплями H2SO4 образуется сульфат натрия:

2NaCl + H2SO4 →Na2SO4 + 2НСl

В результате этой реакции в воздухе наряду с сульфатом натрия образуется свободная соляная кислота.

Аналогично может взаимодействовать аэрозоль Н2SO4 с карбонатами, поднимающимися с поверхности Земли:

СаСО3 + Н2 SO4 → СаSO4 + Н2О + СО2

Возможно образование в атмосфере и нитратов. Если диоксидазота NO2 и аэрозоль NaCl присутствуют во влажном воздухе, то реакция между ними приводит к образованию частиц NaNO3 и газообразного НСl. На первой стадии процесса получается азотная кислота: