3.cvičenie Atmosféra II
Atmosféra II
Chémia troposféry
(smog, zrážky, aerosóly)
Chémia troposféry
- chemické reakcie spôsobené plynmi majú:
o priamy vplyv na atmosféru
o vplyv na ľudský organizmus
o vplyv na kvalitu ŽP
Smog
- formy znečistenia vzduchu, pri ktorých je obmedzená viditeľnosť ( tuhé častice, kvapalné aerosóly)
- Smoke a fog
- klasický ,, Londýnsky,, smog – redukčný
- fotochemický ,,Los Angeleský,, smog- letný, oxidačný
Klasický ,, Londýnsky,, smog
- 1 krát pozorovaný v Južnej Karolíny v roku 1952 ,,The bay of Smokes,,- hustná hmla
- používanie klasického paliva (uhlie)
- vysoká koncentrácia nespáleného C
- zvýšený obsah nespáleného SO2
- častice C –jadrá pre kondenzáciu kvapiek vody
- 19.storočie: spaľovanie uhlia s vysokým obsahom S, žiadna kontrola znečistenia ovzdušia
- Londýn 1952-> niekoľko týždňov trvajúci smog ( zníženie viditeľnosti, dráždenie očí, deštrukcia gumy, poškodenie ďalších materiálov) -> smrť viac ako 4000 ľudí-> legislatíva-> obmedzenie ( zníženie emisii)
- Krakow- 4 milióny obyvateľov- prach, SO2, NOx, CO, Pb-> vznik klasického smogu
Fotochemický ,, Los Angeleský,, smog
- tvorba oxidantov, najmä ozónou v ovzduší -> vznik fotochemického smogu (keďkoncentrácia oxidantu presahuje 0,15 ppm po dobu jednej hodiny)
- zložky fotochemického smogu: UV svetlo, uhľovodíky,oxidy dusíka
- primárny oxidant: ozón, ďalšie oxidanty: H2O2, organické peroxidy ( peroxyacetylnitrát PAN)
- produkcia atomárneho O fotochemickou reakciu:
NO2 + hυ (420 nm) -> NO + O
Reakcia kyslíka
O2 + O + M -> O3 + M
O3 + NO -> NO2 + O2
- emisie so spaľovania nafty ( motorové vozidlá) : NO, CO
- koncentrácia fotochemického smogu závisí od ročnej a dennej doby a lokality (relatívne vysoká koncentrácia- letné mesiace okolo poludnia, veľké mestá a aglomerácie)
- obsahy oxidantova reakčných produktov obsahujúcich C
- fenomén 20.storočia
- nespálené plynné uhľovodíky, NOx pri špecifických klimatických podmienkach
- stabilná atmoféra (inverzia)-> plynné znečisteniny zostávajú na tom istom mieste, kde sú schopné reagovať
- počas horúceho, stabilného počasia vo veľkých mestách Severnej Ameriky, západnej Európy ( Mexico City, Lagos, Jakarta a i. )
- termické a fotochemické reakcie: NOx, uhľovodíky -> prekurzory ďalších produktov, napr. aldehydov, oxidantov, ozónu, peroxiacylnitrátov
- výnimkou aldehydov (kvapalné aerosóly)- plyny
- žltkasté sfarbenie: NO2
Výfukový plyn- významný zdroj plynných znečistenín ovzdušia ( Čína okolo 650 000 motocyklov)
- štvortaktné motory ( nezreag. uhľovodíky, H2 a CO)
2NO + 2CO -> N2 + 2CO2
2NO + 5H2 -> 2NH3 + 2H2O
ďalej:
RH + O2 -> CO2 + H2O
CO + ½ O2 -> CO2
2NH3 + 3/2 O2-> N2 + 3H2O
RH- uhľovodík
Čo je smog a kedy a za akých podmienok vzniká smog
Londýnsky smog LA smog
prach polutanty ovzdušia O3
CO NO, NO2
SO2 CO
december- január najväčšia pravdepodobnosť tvorby august- september
skoré ráno poludnie- popoludnie
-1 -> +4oC teplota vzduchu 24- 32oC
viac ako 85% a hmla vlhkosť vzduchu okolo 70%
0 m.s-1 prúdenei vzduchu viac ako 3 m.s-1
Zrážky v atmosfére
Demozícia mokrá
- dážď- vodné kvapky priemer 0,5- 8 mm, okrempevnej aleboi rozpustenej látky ( kondenzačné jadro) pohltené plyny ( dusík, kyslík, oxid uhličitý, amoniak, oxidy dusíka, baktérie, nečistoty), farebné dažde: červený alebo krvavý dážď- spôsobený červeným prachom z afrických púští, prúdením vzduchu prenášaný až do južných častí Európy, teplota dažďových kvapiek o 3- 5oC nižšia ako teplota vzduchu
- mrholenie- veľmi drobné kvapky: priemer 0,05- 0,5mm
- zmrznutý dážď- zmrznuté vodné kvapky 1- 4 mm (pri teplom fronte)
- sneh- elementárne ľadové krištáliky ( vznik pri zápornej teplote sublimácie vodnej pary)
- snehové krúpky- guľovitý tvar 2-5mm, pri prízemných teplotách 0oC
- snehová krupica- podobná snehovým krúpkom, častice menšie ako 1 mm
- ľadové krúpky- rovnaká veľkosť ako snehové, padajú pri záporných teplotách
- krúpy- vznik v letnom období- veľké ľadové častice s priemerom 5- 50mm, sú tým väčšie, čím väčšiu dráhu prekonali v prechladneom oblaku
- ľadové ihličky- tvar šesťlúčových ľadových hranolčedkov a doštičiek, tvoria sa pri silných mrazich
Depozícia: suchá
- plynné látky, napr: SO2, prach
Zloženie dažďa:
- CO2 -> slabokyslá reakcia ( pH= 5,7)
- obsah N a S zlúčenín -> zníženie hodntoy pH
Atmosferická produkcia HNO3
Cez deň
NO + O3 -> NO2 +O2
(prostredníctvom O2, O3, ROO. ) (prispieva k produkcii ozónu)
- mechanizmus odstránenia NOx – konverzia na HNO3:
•NO2 + •OH -> HNO3 + M
- fotochemická reakcia:
•NO2 + O3 -> •NO3 + O2
(fotolýza prebiehajúca v noci)
Ďalšie reakcie:
•NO3 + NO2 -> NO + NO2 + O2
•NO3 + NO -> 2NO2
- s aldehydmi
!!! •NO3 + RCHO -> R•CO + HNO3
- s alkánmi
•NO3 + RH -> •R + HNO3
•NO3 + •NO2 -> N2O5
N2O5 + H2O -> 2HNO3
- odstránenie HNO3 ( mokrou alebo suchou depozíciou)
- NH3 + HNO3 -> NH4NO3
( kondenzačné jadrá pre kvapky vody alebo častice tuhých aerosólov)
Atmosferická produkcia H2SO4
- je to dej komplikovanejší ako produkcia HNO3
- zlúčeniny s obshaom S ( z oceánu, pôdy)- oxidácia:
H2S + •OH -> H2O + •SH
CS + •OH -> COS + •SH
COS + •OH -> CO2 +•H
Ďalšia oxidácia ->vznik SO2:
•SH + O2 ->SO + •OH
•SH + O3 -> SHO• + O2
SHO• + O2 ->SO + HOO•
O2
SO + O3 -> SO2 + iné produkty
NO2
- SO2 obsiahnutý aj v exhalátoch zo spaľovania fosílnych palív
- homogénne reakcie
SO2 + •OH + M-> H• OSO2 + M
Hydrogénsyričitanový radikál= H•OSO2 + O + M -> HOO• + SO3 + M
SOš + HľO -> HľSO4
- heterogénne reakcie
SO2 (g) -> SO2 (aq)
SO2 (aq) + H2O -> HSO-3 (aq) + H3O+ (aq)
HSO- (aq) + H2O2 -> SO (aq) + H3O (aq)
HSO (aq) + H2O2 (aq) -> HOOSO2-H (aq) + H2O
HOOSO2 (aq) + H3O+ (aq) -> H2SO4 (aq) +H2O
Atmosferické aerosóly
- tuhé alebo kvapalné častice vo vzduchu
-> morský spray -> častice -> atmosféra(vyparovaním-> tuhý aerosól – zloženie dané obs.solí v morskej vode)
- prach -> tuhé častice ( ílové minerály, organická hmota) -> vietor -> atmosféra
- chemické zloženie je dané pôvodcom prachu
- odráža ľudské aktivity ( poľnohospodárstvo, priemysel, vplyv urbanistických celkov)
- produkty spaľovania:
o zákldné zložky CO2, H2O a ďalšie plyny
o čierny dym- elementárny uhlík
o karcinogénne zložky : PAU ( pre nedokonalom spaľovaní) viac ako 150 PAU s 2- 7 kruhmi s rôznymi substituentmi
- kondenzované aerosóly:
o hlavné zložky- kontinuálne aj oceánske aerosóly : NH4HSO4, (NH4)2SO4
o oxidácia organických foriem S, napr. (CH3)2S
o močovina ( živočíšny odpad): CO(NH2) + H2O -> CO2+ 2NH3
o vznik častíc s rozmerom 0,1- 1um:
§ NH3 + H2SO4 -> NH4HSO4
§ 2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2 SO4
è hydrofilné častice -> jasdrá -> kondenzácia vody ->oblaky ( obsahujú veľmi malé kvpaky , sú biele)
è spôsob ovplyvnenie globálnej klímy atmosferickými aerosólami
Znečistené ovzdušie
- stav atmosféry, keď sú v ovzduší v určitom množstve prítomné zložky, ktoré na kratší alebo dlhší čas nepriaznivo ovplavňujú ŽP
- primárne znečisteniny:
o podľa skupenstva ( plynné, tuhé, kvapalné)
o podľa chemického zloženia ( zlúčeniny S, N...)
o podľaúčinku na ľudkých orgnaizmus ( alergény, karcinogény...)
- IRPTC (international register potencialy toxical conts) Ženeva -> rizikové prvky: Cd, Pb, Hg, Cr, Be, Se, As, Ni, F, Cl, Zn, Mn, Cu, V, Co, Tl
- zdroje znečisťovania:
o Veľký zdroj -> vysoký komín -> veľký rozptyl – menšie príyemné koncentrácie
- Emisie ->imisie
o šírenie – od výšky komína, sily emisie, teploty, meteorologických faktorov, konfigurácie terénu
- zlúčenniny S:
o SO2, SO3, H2SO4, H2S, CS2, Sorg.
- SO2
o toxický pre vegetáciu
o kyslé dažde
o stredný čas zotrvania 2- 6 dní
- H2S
o zvlášť vysoká toxicita
§ 3H2S + 3OS -> 2H2O + 2SO2
§ 2SO2 + O2 -> 2SO3
§ SO3 + H2O -> H2SO4
- zlúčeniny N:
o N2O, NOX= NO + NO2, NH3
- N2O = biologická aktivita
- NOx = NO + NO2 -> určujúca negatívna zložka
§ 2NO + O2 -> 2NO2
§ 2NO2 + H2O -> HNO2 + HNO3
- NH3
§ 2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4
§ NH3 + HNO3 -> NH4NO3
§ V atmosfére kyslíka 2NH3 + 3O2 -> 2N2 + 6H2O
- CO:
o spaľovnie fosílnych palív
o realány čas zotrvania 0,1- 0,3 roka
o vzniká za nedostatočného prístupu vzduchu a prebytku C spaľovaním: CO2 + C ->2CO
o jedovatý -> karbonylhemoglobín ->udusenie
- uhľovodíky a ich deriváty:
o vetvenie reťazových reakcií
o spaľovanie = výfukové plyny- fotochemický smog
o pesticídy- do atmoféry sa dostávajú vo forme plynov alebo aerosólov ( diaľkový transport)
o DDT -: DDE: rezistencia, odstraňovanie dažďom, karcinogén ( max. koncfentrácia v ovzduší v r. 1966, v .r. 1984 pokles na 10% maxima)
o halogénderiváty uhľovodíkov: CCl4, ClCH= CCl2, Cl2C= CCl2 (lesné požiare, spaľov. PVC)
o fluorované uhľovodeíky= freóny CF2Cl2 ( freón12), CFCl3 ( freón11)
o doba zotrvania 20- 30 rokov, narúšanie ozónu
- halogény a ich anorganikcé zlúčeniny
o Cl2 toxický pre živé organizmy ( 3- 6 x viac ako SO2)
o F2 vplyv na Ca metabolizmus ( kalcifikácia kostí) , zdroj: hlinikárne, cigarety ( 1000g tabaku= 25mg F)
- HF, BF3
o výroba benzínov
o silikátový priemysel
o spracovnie ropy
- organické kontaminanty
o formaldehyd, PCB, dibenzo-p- dioxíny, dibenzo- p- furány
- ťažké kovy: Cu, Zn, As, Hg
- sekundárne znečisteniny
o pri zmene skupenstva
o pri reakciách primárnych emisií
o tvorba kvapalných a tuhých produktov ( tuhé úlezty- popolček, sadze- adsorbujú plyny SO2, H3S- prenos do pľúc živočíchov, prieduchov rastlín, do pôdy...)
Znečiostené ovzdušie:
- chorobnosť detskej populácie
- zvýšená detská úmrtnosť
- poruchy nervovej sústavy
- ochorenie kože
- stresový faktor pre vegetáciu a živočíchy
Globálne problémy vyplyvajúce zo znečisteniaatmosféry
- kyslé dažde
- smog
- skleníkový efekt
- globálne otepľovanie
Skleníkový efekt
- vlastnosť plynov v atmosfére absorbovať infračervené lúče vysielané Zemou
- udržiavanie teploty vhodnej pre život na našej planéte ( priemerná teplota 15oC, namiesto -18oC)
- skleníkový plyny: CO2, metán, N2O, freóny, H2O, para
Kyslé dažde
- daždová voda vďaka obsahu CO2 – pH 5,6
- 1974 Pitlochry ( škótsko)- dažde 1000 násobne kyslejšie ako voda normálneho dažda( ph ako citrónová šťava pH2,3, Npr. Ocot ph 3,3, čistá voda pH7)
- katastrofálne následky pre ŽP, najmä lesy a jazerá