Физико-химические процессы в техносфере. Сборник задач - файл n1.doc

приобрести
Физико-химические процессы в техносфере. Сборник задач
скачать (974 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc974kb.14.09.2012 11:14скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5
Тема 1. Физико-химические процессы в атмосфере.

Особенности физико-химических превращений компонентов атмосферы связаны с природными (фаза солнечной активности, географическое положение, время суток) и с антропогенными факторами. Для разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений необходимо знание механизмов и кинетики образования продуктов химических реакций, протекающих в атмосфере, а также умение рассчитывать как фоновые концентрации компонентов атмосферы и загрязняющих её веществ, так и их изменения, возникающие под действием антропогенных факторов..

В Приложении (стр. ) приведены необходимые для решения задач: строение атмосферы (рис.1); состав атмосферы вблизи земной поверхности (таблица 1); изменение температуры в основных слоях, выделяемых в атмосфере (таблица 2); основные уравнения химических процессов, протекающих в атмосфере.

Раздел 1. Состав атмосферы.

Задание 1. Концентрации газообразных компонентов атмосферы.

Сколько молекул газообразного компонента атмосферы содержится в V см3 атмосферного воздуха (см. вариант в табл.1.1), если считать, что воздух состоит только из азота, кислорода и аргона, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы (см. Приложение табл.2). Выразите концентрации аргона, кислорода, водорода, в приземном слое атмосферы в млн-1.

Таблица № 1.



Вещество

V см3



Вещество

V см3

1

О2

103

11

N2

1012

2

N2

105

12

Ar

105

3

Ar

107

13

N2

1022

4

Ar

100

14

О2

1035

5

О2

10-2

15

Ar

1012

6

Ar

1010

16

О2

1020

7

N2

1015

17

N2

10-3

8

N2

104

18

О2

106

9

Ar

101

19

Ar

10-2

10

О2

10-1

20

N2

109


Задание 2. Объёмные концентрации газообразных веществ в воздухе.

Масса атмосферы Q = 5∙1015 т. Рассчитайте количество газообразного вещества в атмосфере в единицах массы (их объёмные концентрации в воздухе см. Приложение табл.2).

Таблица № 1.2.



Вещество

Единицы массы



Вещество

Единицы массы

1

О2

103

11

N2

1012

2

Н2

105

12

Ar

105

3

Ar

107

13

N2

1022

4

СО2

100

14

О2

1035

5

О2

10-2

15

Ar

1012

6

Ar

1010

16

О2

1020

7

N2

1015

17

N2

10-3

8

N2

104

18

О2

106

9

Ar

101

19

Ar

10-2

10

О2

10-1

20

N2

109


Решение: 1. Cредняя молярная масса воздуха:

M(воздуха) = М(N2)∙ ?((N2) + М(O2)∙ ?(O2) + М(Ar)∙ ?(Ar),

где М – соответствующие молярные массы, ? – объёмные доли соответствующих компонентов. M(воздуха) = 28 ∙ 0,7810 + 32 ∙ 0,2095 + 40 ∙ 0,0095 =28,95 (г/моль).

2. Масса атмосферы в граммах: Q = 5∙1015т ∙106(г/т) = 5∙1021(г)

3. Количество условных молей воздуха в атмосфере :

n(воздуха)=Q/M(воздуха)= 5∙1021(г)/ 28,95(г/моль) = 1,7 1020(моль).

4. Количество молей аргона в атмосфере (мольные и объёмные доли газов равны между собой):

N(Ar)) = N(воздуха)∙ ? (Ar)= 1,7∙1020∙0,0095 = 1,6 ∙ 1017(моль).

5. Масса аргона в атмосфере:

Q (Ar) = N(Ar) ∙ М(Ar) = 1,6∙1017 (моль) ∙40(г/моль) = 6.4∙1018(г) =11,5∙1017(кг).

Ответ: 6.4∙1015(кг) - масса аргона в атмосфере.

Пример 2. Вычислите среднее время пребывания паров воды в атмосфере (в часах), если по современным оценкам масса воды, находящейся в атмосфере Q=12900•109 т, а объём атмосферных осадков, выпадающих на поверхность планеты в год 5,77 1014м 3 воды.

Решение: Вычислим массу атмосферных осадков в год (m (H2O)), т.е. скорость поступления воды на поверхность планеты (считая плотность воды - (H2O)=1000 кг/м3 =1т/ м3):

m (H2O) = V (H2O)·(H2O) = 5,77∙1014м 3·1т/ м3 = 5,77 1014 (т/год).

2. Следовательно среднее время пребывания воды в атмосфере в условиях динамического равновесия (сколько воды испаряется с поверхности планеты в какой – то промежуток времени, столько же и выпадает в виде осадков): ? = Q/m (H2O), где ? – время пребывания воды в атмосфере(в единицах времени), Q – количество воды в атмосфере (в единицах массы), m (H2O) – масса воды, поступающей или выпадающей из атмосферы в единицу времени.

? = 1,29 ∙1013(т) / 5,77∙1014(т/год) = 2,24 ∙10-2(года) =8,2(дня)= 196,8(час.)

Ответ: 196,8 - среднее время пребывания воды в атмосфере.

ЗАДАЧИ.

1. Масса атмосферы оценивается величиной 5 • 1015 т. Определите количество азота в атмосфере в кг, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород и аргон, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы

2. Рассчитайте количество кислорода, ежегодно поступающее в атмосферу Земли, учитывая, что время пребывания кислорода в атмосфере составляет 5·103 лет, а весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород и аргон, объемная концентрация которых во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

3. Оцените время пребывания аммиака в тропосфере, если его концентрация принимается равной 0,005 мг/м3, а интенсивность поступления оценивается в 74 млн т/год в пересчете на элементный азот.

4. Масса атмосферы оценивается величиной 5 • 1015 т. Определите какой объем был бы у атмосферы в км3, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород и аргон, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы

5.Оцените объем кислорода атмосферы, если масса атмосферы 5 • 1015 т, весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород и аргон, объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

6. Оцените массу водорода в атмосфере в т, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород аргон и водород, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

7. Рассчитайте объем гелия в атмосфере в т, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород аргон, водород и гелий, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

8. Оцените массу неона в атмосфере в т, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только азот, кислород аргон, гелий, водород и неон, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

9.

10.
1.2. Cолнечное излучение.
Пример 1. Определите максимальную длину волны излучения, способного вызвать диссоциацию молекул водорода. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, а энергия связи для одного моля водорода, равная 435,1 кДж/моль, эквивалентна энергии диссоциации.

Решение. Уравнение фотодиссоциации молекул водорода:

Н2 + h  Н + Н

По условию задачи энергия диссоциации молекулы Н2 равна энергии связи и равна энергии фотона:

Едис = Есв = Еф,,

где Есв – энергия связи в одной молекуле водорода, которую можно определить разделив значение энергии связи для одного моля на число молекул в одном моле, т.е. на число Авогадро:

Есв = 435,1 (кДж/моль) /6,02∙1023 (молекул/моль)=

7,23∙10-22(кДж/молекулу) = 8,28∙10-19(Дж/молекулу).

Энергия фотона связана с длиной волны излучения:

Еф = h = hc / ,

Где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме;  - максимальная длина волны излучения, следовательно max ? hc / Еф.

Тогда  max ? hc / Еф = 6,626 ∙10 -34(Дж·с) ·3∙108 (м/с)/7,23∙10-19(Дж/молекулу) ?

? 2,75∙10-7м = 275нм.

Ответ: 275нм – максимальная длина волны излучения, способного вызвать диссоциацию молекул водорода ( max ?275нм).
ЗАДАЧИ.

11. Рассчитайте, возможна ли диссоциация молекул кислорода, если минимальная длина волны излучения ( min ? 350нм). Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля кислорода (см. Приложение табл, 3) эквивалентна энергии диссоциации.

12. Определите максимальную длину волны излучения, способного вызвать диссоциацию молекул брома. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля брома см. Приложение табл.3.

13.Оцените возможна ли диссоциация молекул фтора, если минимальная длина волны излучения ( min ? 250нм). Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля фтора (см. Приложение табл, 3) эквивалентна энергии диссоциации.

14. Рассчитайте при какой длине волны излучения, возможна диссоциация молекул азота. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля азота см. Приложение табл.3.

15. Определите максимальную длину волны излучения, способного вызвать диссоциацию молекул хлор. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля хлора см. Приложение табл.3.

16. Рассчитайте при какой длине волны излучения, возможна диссоциация молекул иода. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, энергия связи для одного моля иода см. Приложение табл.3

17. Рассчитайте энергию связи в двухатомной молекуле, если для её диссоциации достаточно кванта света с длиной волны 310 нм.

1.3. Химия стратосферы.

Физико-химические процессы, протекающие в стратосфере, связаны с наличием в этой зоне атмосферы области с повышенным содержанием озона (см. Приложение рис.2, уравнения истока и стока озона №№(2 – 24)).
Пример 1. Какой из фреонов CFCl3 или C2Н4F2 представляет наибольшую опасность для озонового слоя планеты?

Решение. Поскольку фреон C2Н4F2 не содержит хлора, он не предсталяет опасности для озонового слоя. Фреон CFCl3 содержит три атома хлора в каждой молекуле и обладая малой химической активностью может достигнуть зоны стратосферы с максимальным содержанием озона. Попадая в стратосферу, это соединение может взаимодействовать с излучением с длиной волны менее 240 нм, чему соответствует уравнению реакции (17), с образованием атомарного хлора, в результате может начаться разрушение озонового слоя (уравнения реакций хлорного цикла (15,16, 11)).

Ответ: фреон CFCl3 ,содержащий в каждой молекуле три атома хлора, представляет большую опасность для озонового слоя, чем фреон C2Н4F2 молекулы которого не содержат хлора.
Пример 2. Какой из фреонов CF2Cl2 или CНF2Сl наиболее опасен для озонового слоя?

Решение. Поскольку молекулы дифторхлорметана в отличие от молекул дифтордихлорметана содержат в своем составе атомы водорода, они будут менее устойчивы в тропосфере. Время их жизни в атмосфере значительно меньше , чем у молекул CF2Cl2 . Молекулы CНF2Сl будут разлагаться, не достигая озонового слоя. Поэтому большую опасность для озонового слоя представляют молекулы дифтордихлорметана.

Ответ: Большую опасность для озонового слоя представляют молекулы дифтордихлорметана CF2Cl2.
Пример 3.

Оцените как соотносятся между собой скорости связывания атомарного кислорода в реакции синтеза озона и в реакции разрушения озона, принимая что эти процессы протекают при нормальном атмосферном давлении у поверхности Земли. Концентрация озона в приземном воздухе составляет 4∙1011 см-3. Константа скорости реакции образования озона kобр = 6,9 ∙10 -34см6∙ с-1, если третье тело – молекула кислорода. Константа скорости процесса разрушения озона при взаимодействии с атомарным кислородом kгиб = 8,4 ∙0 -15см3с.

Решение: Реакции образования и разрушения озона идут с участием атомарного кислорода в основном состоянии О(3Р):

O2 + O(3P) + M = O3 + M* (2)

O3 + O (3P) = 2O2 (11)

где О(3Р) – атомы кислорода в невозбужденном состоянии; М - третье тело, участвующее в реакции образования озона.

Скорости реакций образования и разрушения озона по реакциям (1) и (2):

vобр = kобр∙ [O (3P)] [O2] [M]

vгиб = kгиб∙ [O (3P)] [O3]

Отношение скоростей реакций образования и разрушения озона:

vобр / vгиб = (kобр∙ [O (3P)] [O2] [M]) / (kгиб∙ [O (3P)] [O3]) =

= (kобр [O2] [M]) / (kгиб[O3])

В случае, когда третье тело в процессе образования озона – молекулы кислорода ([O2] = [M}), отношение скоростей реакций (1) и (2) составит:

vобр / vгиб = kобр [O2]2) / (kгиб[O3]).

Количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воздуха при нормальном атмосферном давлении и средней температуре нижней границы тропосферы равной 15оС: nв = NАТ0Р1/(T1P0Vm),

где NА - число Авогадро; Vm – молярный объем газа при стандартных условиях (Vm = 22,4 ∙103 см3) ; Т0, Р0 и T1, P1 – значения температуры (К) и давления при стандартных условиях и в рассматриваемых условиях соответственно, объёмная доля кислорода ?кислор =.Р1/P0 = 0,2095.

nв = (6,02 ∙ 1023 ∙273 ∙ 0,2095) / (22,4 ∙103 ∙ 288) = 5, 34 ∙1018 (см-3).

Отношение скоростей реакций (1) и (2) составит:

vобр/vгиб=6,9∙10-34см6∙с-1∙ (5,34∙1018(см-3))2/8,4∙10-15см3∙с-1∙4∙1011см-3 =5,9∙106.

Ответ: скорость связывания атомарного кислорода в реакции образования озона в 5,9∙106 раз больше скорости реакции разрушения озона.
Пример 4. Определите концентрацию атомарного кислорода в состоянии O (3P) на высоте 20 км при условии динамического равновесия между процессами его образования (при фотолизе озона и диоксида азота) и стока (при образовании озона).

[O3] = 1,5∙1012см-3, [NO2] = 3∙104см-3. Коэффициенты фотодиссоциации озона и диоксида азота на высоте 20 км равны: q(O3)=2,1∙10-4с-1; q (NO2) = 4,4∙10-3с-1. Константа скорости реакции образования озона, когда третьим телом являются молекулы азота, определяется по уравнению: k = 6,2 ∙ 10-34(T/300)-2 (см6∙с-1), где Т – температура реакции.

Решение. Реакции образования атомарного кислорода:

O3 + h? = O2 + O (3P)

NO2 + h? = NO + O (3P)

Скорости реакций фотохимического разложения озона и диоксида азота соответственно:

v1 = q (O3) ∙ [O3]

v2 = q (NO2) ∙ [NO2]

Скорость образования O (3P) равна сумме скоростей реакций фотолиза О3 и NO2:

vобр = v1 + v2

Сток атомарного кислорода связан только с образованием озона:

O2 + O(3P) + M = O3 + M*

Скорость данной реакции: vcтока = k∙ [O (3P)] [O2] [M],

где k – константа скорости образования озона; [M] – концентрация третьего тела, в данном случае концентрация азота на высоте 20 км.

В условиях динамического равновесия скорости образования и стока атомарного килорода равны: vобр = vстока ; или vстока = v1 + v2, а значит и

q(O3) ∙[O3] + q(NO2) ∙ [NO2] = k ∙ [O (3P)] ∙ [O2] ∙ [M],

отсюда: [O (3P)] = (q(O3) ∙ [O3] + q(NO2) ∙ [NO2]) / k ∙ [O2] ∙ [M].

Температура на высоте 20 км: TH = 217 + ?Tстратосферы(Н -11),

где 217 – температура нижней границы стратосферы, К; H – высота от нижнего края стратосферы для которой определяется температура, км; 11 – высота нижней границы стратосферы, км; ?Tстратосферы – температурный градиент, в стратосфере он равен 1,38 К/км.

T20 = 217 + 1,38 (20 – 11) = 229 (K).

Для определения количества молекул азота в 1 см3 на высоте 20 км надо рассчитать количество молекул воздуха на этой высоте. Содержание молекул воздуха в атмосфере убывает с увеличением высоты над уровнем моря:

nвоздухаН = nвоздуха З ∙ exp [ -MgH / (RTH)],

где nвоздухаН - концентрация молекул в воздухе на высоте Н, см-3; nвоздуха З - средняя концентрация молекул в воздухе на уровне моря, см-3 (nвоздуха З = 6,02 ∙1023∙273/(288∙22,4∙103)= 2,55∙1019 (см3); М – средняя молярная масса воздуха ( М= 28,96∙10-3 кг/моль); g – ускорение силы тяжести (g = 9,8 м/с2); H – высота над уровнем моря, м; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль•К); TH – средняя температура воздуха на высоте Н, К.

nвоздуха20 = 2,55∙1019exp[-29∙10-3∙9,8∙20000 / (8,31∙229)] = 5,04∙1017(см-3).

В атмосферном воздухе соотношение основных компонентов до высоты 100 км практически не меняется. Концентрация молекул азота на высоте 20 км будет равна:

[N2] = 5,04∙1017∙78,08∙10-2 = 3,94∙1017(см-3).

Концентрация молекулярного кислорода на высоте 20 км:

[ O2] = 5,04∙1017∙20,95∙10-2 = 1,06∙1017(см-3).

Константа скорости реакции образования озона на высоте 20 км равна:

k = 6,2∙10-34∙ (T /300)-2 = 6,2∙10-34∙ (229 /300)-2 = 1,06∙10-35(см6∙c-1).

Концентрация атомарного кислорода составит:

[O (3P)] = (2,1∙ 10-4 1,5 ∙ 1012 + 4,4∙ 10-3 3,0 ∙ 104) / (1,06∙10-35∙ 1,06∙1017∙ 3,94∙1017) ==7,1 ∙ 108 (см-3).

Ответ: концентрация атомарного кислорода составит 7,1 ∙ 108 в см3.

ЗАДАЧИ.


Соединения серы в тропосфере.

Основные поступления неорганических соединений серы в тропосферу связаны с антропогенными источниками. На их долю приходится примерно 65% всех поступлений неорганических соединений серы в атмосферу. 95% от этого количества составляет диоксид серы. В тропосфере происходят процессы окисления соединений серы, основным окислителем в которых выступают свободные радикалы. Сероводород последовательно через ряд стадий окисляется до SO2. Окисление диоксида серы может протекать в газовой, твердой либо жидкой фазе. Протекающие при этом процессы можно представить следующими уравнениями реакций:

SO2 + OH + M = HSO3 + M* (56)

HSO3 + HO2 = SO3 + 2OH (57)

SO2 + HO2 = SO3 + OH (58)

SO2 + CH3 O2 = SO3 + CH3O (59)

Скорость превращений диоксида серы в воздухе, в среднем 0,1% ч-1, что соответствует времени пребывания SO2 в тропосфере, равно 5 суткам. Процесс превращения диоксида серы резко ускоряется в воздухе промышленных регионов, где увеличивается содержание свободных радикалов. В таком случае скорость превращения может возрасти до 1% ч-1.

Триоксид серы – SO3 – легко взаимодействует с частицами атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты, которые взаимодействуя с аммиаком или ионами металлов, частично переходят в соответствующие сульфаты. Оксиды железа, алюминия, хрома и других металлов, которые также могут находиться в сильно запыленном воздухе, ускоряют процесс окисления диоксида серы.



Рис. 3. Трансформация неорганических соединений серы в тропосфере (числа – млн т элементной серы в год).

Скорость процессов трансформации и стока диоксида серы, серной кислоты и сульфатов приято представлять в виде кинетических уравнений первого порядка.

v(SO2) = - d[SO2] /dt = -(k1 + k2 + k7)[SO2] (60)

v(H2SO4) = - d[H2SO4] /dt = k7[SO2] -(k5 + k6 + k8)[H2SO4] (61)

v(MeSO4) = - d[MeSO4] /dt = k8[H2SO4] -(k3 + k4)[MeSO4] (62),

где t – время; [SO2], [H2SO4], [MeSO4] – концентрации диоксида серы, серной кислоты и сульфатов соответственно; k1 и k2, k3 и k4, k5 и k6 – константы скорости процессов мокрого и сухого осахдения диоксида серы, сульфатов и серной кислоты соответственно (см. рис ); k7 - константы скорости процесса трансформации диоксида серы в серную кислоту (учитывает сумму превращений в газовой и жидкой фазах); k 8 - константа скорости образования сульфатов из SO2 и H2SO4. Решая систему уравнений (60) – (62) можно определить долю отдельных компонентов, присутствующих в тропосфере через определенное время после разового выброса диоксида серы в атмосферу. Среднеевропейские значения соответствующих констант: k1 = k4= k6 = k8 = 0,03 ч-1;

k2 = 0,025 ч-1; k3 = k5 =0,01 ч-1; k7 = 0,1 ч -1.

Соединения азота в тропосфере – в основном это оксиды азота, аммиак, соли аммония, азотная кислота и нитраты. Из оксидов азота следует выделить N2O, NO и NO2. Другие оксиды азота в условиях тропосферы являются неустойчивыми.

N2O - поступает в атмосферу в основном в результате протекания процессов денитрификации.

Выводится N2O из атмосферы в основном в процессах фотодиссоциации:

N2O + h? = N2 + O, ?< 250 нм (63)

N2O + O(1D) = N2 + O2, (64)

N2O + O(1D) = 2NO (65)

Константы скорости реакций (64) и (65) при 298 К равны 7,4∙10-11 и 8,6∙10-11см3с-1.



Рис. 4. Атмосферный цикл соединений азота (числа –млн т элементного азота в год.

В тропосфере NO взаимодействует с гидропероксидными радикалами:

NO + O3 = NO2 + OH

NO + O3 = NO2 + O2

Диоксид азота в тропосфере разлагается:

NO2 + h? = NO + O(3P), ?< 398 нм

В атмосферном цикле соединений азота важной составляеющей является образование азотной кислоты:

NO2 + OH = HNO3

Часть азотной кислоты разлагается:

HNO3 = NO2 + OH или

HNO3 + OH = NO3 + H2О

Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде растворов HNO3 и её солей.

Ежегодно из природных источников в атмосферу поступает около 70 млн т NH3 в пересчете на азот. Антропогенный вклад в загрязнение атмосферы аммиаком составляет около 4 млн т. Часть аммиака вступает во взаимодействие с радикалами ( в основном с гидроксидным радикалом):

NH3 + OH = NH2 + H2О

В дальнейшем NH2 легко окисляется до оксида азота.
5.1. Примеры решения типовых задач

Пример 1. Известно, что окисление оксида азота (NO) может протекать при взаимодействии с молекулярным кислородом и озоном. Рассчитайте время полувыведения оксида азота из приземного слоя атмосферного воздуха и определите, какой из этих процессов вносит основной вклад в окисление NO. Принять, что содержание молекул оксида азота в воздухе составляет 2∙109см-3, а концентрация озона равна 15 млрд-1. Константы скоростей реакций окисления оксида азота кислородом и озоном равны соответственно: kк = 1,93 ∙ 10-38 см6 ∙ моль-1∙ с-1 и kо = 1,8 ∙ 10-14 см3 ∙ моль-1∙ с-1. Температура воздуха 150С, давление 101,3 кПа.

Решение. Определим время полувыведения оксида азота из воздуха при его взаимодействии с молекулярным кислородом. Процессу окисления соответствует уравнение: 2NO + O2 = 2NO2. Скорость данной реакции: v(NO) = kк [O2] [NO]2,

где v(NO) – скорость процесса окисления NO, см-3 ∙ с-1; kк – константа скорости реакции третьего порядка, см6 ∙ с-1; [O2] и [NO] – концентрации кислорода и оксида азота в воздухе см-3.

Концентрация молекул кислорода в приземном слое воздуха равна 20,95% (об.),

что составляет: [O2] = 2,55∙ 1019 ∙20,95/100 = 5,34∙1018(см-3).

Т.к. количество молекул кислорода в воздухе значительно превосходит количество молекул оксида азота (т.е. [O2] = const), то скорость реакции окисления оксида азота можно представить как скорость реакции псевдовторого порядка: v(NO) = kк1 [NO]2

где kк1 константа скорости реакции псевдовторого порядка, см3 ∙ моль-1∙ с-1;

kк1 = kк [O2] = 1,93 ∙ 10-38 ∙5,34∙1018 = 10,31 ∙10-20 (см3 ∙ с-1).

Для реакций второго порядка период полувыведения, т.е. время, за которое концентрация исходных реагентов снизится в два раза, при условии равенства исходных концентраций реагентов: t1/2 = 1/ (kc),

где k – константа скорости реакции второго порядка, см3 ∙ с-1, С – концентрация исходного реагента, см-1.

В данной задаче: t1/2 = 1/ (kк1[NO]) = 1/ (10,31 ∙10-20 2∙109) = 4,8 ∙109 ( c ) = 150(лет).

Время полувыведения оксида азота из приземного слоя воздуха в случае его

взаимодействия с озоном. Уравнение реакции окисления NO озоном:

NO + O3 = NO2 + O2 Скорость данной реакции можно рассчитать по уравнению:

v1 (NO) = ko [O3] [NO]

где v1 (NO) – скорость процесса окисления NO озоном, см-3 ∙ с-1; kо – константа скорости реакции второго порядка, см3 ∙ с-1; [O3] и [NO] – концентрации озона и оксида азота в воздухе см-3.

Концентрация молекул озона в приземном воздухе равна 15 млрд-1, тогда количество молекул озона в см3 при 15 0C (288 К) и нормальном атмосферном давлении:

[O3] = 2,55∙ 1019∙ 15∙10-9 = 3,82 ∙1011(см-3).

Т.к. концентрация озона более чем в сто раз превышает концентрацию NO, то С(О3) ? const. Тогда скорость реакции окисления NO озоном можно представить как реакцию псевдопервого порядка: v1 (NO) = ko1 [NO],

где kо1 константа скорости реакции псевдопервого порядка,;

kо1 = kо [O3] = 1,8 ∙ 10-14 ∙3,82∙1011 = 6,88 ∙10-3 ( с-1).

Период полувыведения для реакций первого порядка: t1/2 = 0,693/ k.

В данной задаче для реакции псевдопервого порядка:

t1/2 = 0,693/ 6,88 ∙10-3 = 100 ( c ) = 1,7(мин).

Следовательно можно утверждать, что в приземном слое воздуха процесс окисления оксида азота связан в основном с окислением озоном.

Ответ: время полувыведения оксида азота при его взаимодействии с кислородом и озоном составляет 150 лет и 1,7 мин соответственно. В приземном слое воздуха процесс окисления NO в основном притекает при участии озона.
Пример 2. Оцените мольное соотношение и общую массу диоксида серы и оксида азота, поступающих в атмосферу в течение суток с выбросами тепловой электростанции, работающей на угле. Содержание серы в угле равно 1,5% (мас.). В сутки на станции сжигается 10 тыс. т угля. Концентрация осида азота в газовых выбросах составляет 150 млн-1. Для сжигания угля используется стехиометрически необходимое количество воздуха. В расчетах принять, что уголь состоит из углерода и содержит в качестве примеси только серу.

Решение. Диоксид серы в выбросах отходящих газов при сжигании топлива появляется в результате окисления соединений серы, присутствующих в исходном топливе. Процесс может быть представлен уравнением:

S + O2 = SO2

Количество серы, сжигаемое на станции за сутки, сотавит:

m (S) = m(угля) ∙? (S) = 10000 ∙ 0,015 = 150 (т / сут),

где m(S) и m (угля) - массы серы и угля, сжигаемого на станции за сутки; ? (S) – массовая доля серы в угле.

Количество молей диоксида серы, образующейся в результате сгорания угля, равно количеству молей серы, содержащейся в угле: n(SO2) = n(S) =

m(S)/ M(S), где M(S) – молярная масса серы, г/моль.

n(SO2) = 150∙ 106/ 32 = 4, 69 ∙ 106 (моль/ сут).

Для вычисления количества молей оксида азота, образующегося в процессе горения угля, необходимо найти общее количество молей газов, содержащихся в отходящих продуктах (n общ). Количество молей оксида азота определяется количеством молей азота, содержащегося в воздухе, необходимом для окисления углерода и серы из угля, n(N2), количеством молей диоксида углерода, образующегося при горении углерода, - n(CO2) и количеством молей образующегося диоксида серы – n (SO2):

n общ = n (N2) + n(CO2) + n (SO2)

Процесс окисления углерода может быть представлен уравнением:

С + О2 = СО2

В сутки на станции сжигается 10000 т угля, в которых содержится 150 т серы и 10000 – 150 = 9850 т углерода. Количество молей углерода, сжигаемого в сутки на станции:

n (C) = m( C ) / M ( C) = 9850 ∙ 106 / 12 = 8,21 ∙ 108 ( моль/сут).

На каждый моль углерода образуется моль диоксида углерода и расходуется один моль кислорода из воздуха: n (CO2 ) = n(C ) = 8,21 ∙ 108 ( моль/сут).

Общее количество молей кислорода, необходимое для окисления серы и углерода, содержащегося в угле:

n (O2 ) = n (O2 на окисление углерода) + n (O2 на окисление серы) =

= 4, 69 ∙ 106 + 8,21 ∙ 108 = 8,26 ∙ 108( моль/сут).

В процессе сжигания угля используется воздух, кислород из которого будет полностью израсходован на окисление углерода и серы, в отходящих газах останется лишь азот. Содержание азота в воздухе: n (N2) = n (O2) ∙ ? (N2) / ? (O2),

где ? (N2) и ? (O2), - содержание азота и кислорода в воздухе соответственно;

n (N2) = 8,26 ∙ 108 ∙ 78,11 / 20,95 = 3,08 ∙ 108 (моль/сут).

Общее количество молей газов в отходящих продуктах сжигания угля, составит:

nобщ. = 3,08 ∙ 108 + 8,26 ∙ 108 + 4, 69 ∙ 106 = 11, 34 ∙ 108 (моль/сут).

Количество молей оксида азота в отходящих газах:

n (NO) = ? (NO) ∙ Nобщ.

где ? (NO) – объёмная доля оксида азота в отходящих газах, по условию задачи равна 150∙ 10-6;

n (NO) = 150∙ 10-6 ∙ 11, 34 ∙ 108 = 1,70 ∙105 (моль/сут).

Мольное соотношение диоксида серы и оксида азота в отходящих газах:

?n = n(SO2)/ n(NO) = 4,69 ∙ 106 / (1,70 ∙105) = 27,6 .

Массы диоксида серы и оксида азота, поступающих в атмосферу в процессе сжигания угля, можно определить из: m = n ∙ M,

где m – масса газа, г; n –содержание в отходящих газах, моль/сут; M – молярная масса соответствующего газа, г/моль;

m (SO2) = 4,69 ∙106∙64 = 300∙106 (г /сут) = 300 (т /сут)

m ( NO) = 1,70 ∙ 105∙30 = 51∙105 (г /сут) = 5,1 (т /сут)

Ответ: с отходящими газами тепловой станции в сутки в атмосферу поступает 300 т диоксида серы и 5,1 т оксида азота; мольное соотношение диоксида серы и оксида азота равно 27,6.
Пример 3. Какое максимальное количество молекул озона может образоваться в каждом кубическомсантиметре приземного воздуха при полном окислении метана в присутствии оксида азота. Если концентрация метана уменьшилась с 20 до 1,6 млн-1. Давление равно 101,3 кПа, температура воздуха 288 К.

Решение. При полном окислении метана в присутствии оксидов азота цепочку превращений можно представить суммарным уравнением:

СН4 + 8 О2 + 4М ? СО2 + 2 Н2О + 4 М* + 3 О3.

При уменьшении концентрации метана в воздухе с 20 до 1,6 млн-1 концентрация образовавшегося озона (если отсутствует его сток): [O3] = 4 ∙ (20 -1,6) = 73,6(млн-1 ).

В каждом кубическом сантиметре воздуха может образоваться n(O3) молекул озона:

n (O3) = NA∙ ? (O3) ∙ T0 / (VM∙ 103 ∙ Tз) (см-3),

где NA – число Авогадро; ? (O3) – объёмная доля озона в воздухе: ? (O3) = [O3] ∙10-6млн-1;

VM - молярный объём газа при нормальных условиях, л Т0 и Tз - температура воздуха при нормальных условиях и средняя у поверхности Земли (273 и 288 К соответственно);

n (O3) = 6,02∙1023∙73,6 ∙10-6 ∙273/(22,4∙103∙288) = 19∙1014 (см-3).

Ответ: в каждом кубическом сантиметре воздуха может образоваться до 19∙1014 молекул озона.
Пример 4. Константа равновесия реакции образования оксида азота из азота и кислорода при 800 К равны 3∙10-11. Какого равновесного значения может достигнуть концентрация оксида азота в смеси, если исходная смесь – воздух?

Решение. Образование молекул оксида азота из азота и кислорода воздуха может быть представлен следующим уравнением: N2 + O2 = 2NO.

В процессе образования оксида азота не происходит изменения количества молей газов в смеси, константы равновесия при постоянном давлении и постоянной концентрации

КС и КР равны: КР = Р(NO)2 / [P(N2) ∙ P(O2)],

где Р(NO), P(N2) и P(O2) – парциальные давления NO, N2 и O2.

Координата реакции


P(N2)


P(O2)


Р(NO)

В начале процесса

При равновесии

Приближенное значение

при равновесии

79,12

79,12 - х

79,12


22,23

22,23 - х

22,23


0






Поскольку константа равновесия процесса образования оксида азота мала, можно считать, что равновесные значения парциального давления NO будут низкими, поэтому парциальные давления азота и кислорода практически не изменятся. Поэтому можно воспользоваться приближенными равновесными значениями парциальных давлений компонентов смеси:

3∙10-11 = 4х2/ (79,12∙ 22,23);

Р(NO) = 2x = 22,97∙10-5 (кПа) = 0,23 (Па).

Ответ: в воздухе при температуре 800 К равновесное парциальное давление оксида азота составляет 0,23 Па.
Пример 5. Сравните скорости выведения из атмосферы молекул метана при их взаимодействии с гидроксидным радикалом на высотах 5 и 35 км. Концентрация метана изменяется от2 млн-1на высоте 5 км до 0,6 млн-1 на высоте 35 км. Энергия активации и предэкпоненциальный множитель константы скорости реакции взаимодействия метана с ОН – радикалом равны14,1 кДж/моль и 2,3 см3• с-1 соответственно. Концентрация гидроксидных радикалов соответствуют средним для этих высот значениям:

[ОН]5 = 8,5∙105 см-3 и [ОН]35 = 3∙107 см-3.

Решение. Взаимодействие метана с гидроксидным радикалом:

CH4 + OH = CH3 + H2O.

Скорость данной реакции: vH = kH [CH4]H[OH]H,

где vH и kH - скорость и константа скорость реакции для условий, характерных для атмосферного воздуха на высоте Н; [CH4]H и [OH]H – концентрации молекул метана и гидроксильног радикала на высоте Н.

Константа скорости химической реакции зависит от температуры (уравнение Аррениуса): k = A e E/ RT,

где k – константа скорости химической реакции (размерность определяется единицами измерения концентрации и времени, а также порядком химической реакции); А – предэкспоненциальный множитель ( имеет размерность константы скорости реакции);

Е – энергия активации реакции, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙ К); T – температура реакции, К.

Скорость химической реакции будет определяться значениями концентраций реагентов и температурой воздуха на заданных высотах.

Температура воздуха на высоте 5 км: T5 = 288 + (- 6,5 ∙ 5) = 256 (K),

на высоте 35 км: Т35 = 217 + (35 -11) ∙1,38 = 250 (К).

Константа скорости реакции на высоте 5 км составляет:

k5 = 2,3 exp { -14,1∙ 103 / (8,31 ∙ 256)} = 3,04 ∙ 10 -3(см3∙с-1), а на высоте 35 км:

k35 = 2,3 exp { -14,1∙ 103 / (8,31 ∙ 250)} = 2,59 ∙ 10 -3(см3∙с-1).

Переведем заданные в условиях задачи значения концентраций молекул метана в см-3: [ CH4]H = CH(млн-1) ∙ nH (см-3) ∙10-6,

где 10-6 – коэффициент пересчета концентрации, выраженной в млн-1 в объёмные доли;

nH – количество молекул в см3 воздуха на высоте заданной высоте.

Количество молекул в см3 воздуха на высоте 5 км :

N5 = 2,55 ∙1019 exp[ Mg ∙5000 / (R∙256)],

где 2,55 ∙1019 - количество молекул в кубическом сантиметре воздуха на уровне моря, см-3; M – средняя молярная масса воздуха равна 28,96 ∙ 10-3 кг/моль; g - ускорение свободного падения, равно 9,8 м / с2 ; 5000 – высота над уровнем моря, м; R – универсальная газовая постоянная, равна 8,31 Дж /(моль ∙ К); 256 – температура воздуха на высоте 5 км, К.

n5 = 2,55 ∙1019exp[-28,96 ∙ 10-3 ∙ 9,8 ∙5000 / (8,31∙256)] = 1,31 ∙ 1019(см-3).

Количество молекул в см3 воздуха на высоте 35 км:

n35 = 2,55 ∙1019exp[-28,96 ∙ 10-3 ∙ 9,8 ∙35000 / (8,31∙250)] = 2,12 ∙ 1017(см-3).

Количество молекул метана в см3 на высоте 5 км составит:

[CH4]5 = 2∙ 1,31 ∙ 1019 ∙ 10-6 = 2,62∙1013 (см-3)..

на высоте 35 км:

[CH4]35 = 0,6∙ 2,12 ∙ 1017 ∙ 10-6 = 1,27∙1011 (см-3).

Скорость химической реакции на высоте 5 км составит:

v5 = 3,04 ∙ 10 -3 ∙2,62∙1013∙8,5∙105 = 6,77 ∙1016(см-3∙с-1),

на высоте 35 км: v35 = 2,59 ∙ 10 -3 ∙1,27∙1011∙3, ∙107 = 9,86 ∙1015(см-3∙с-1),

Отношение скоростей химических реакций взаимодействия метана с гидроксильным радикалом составит: v5/v35 = 6,77∙1016/ 9,86 ∙1015 = 6,86.

Ответ: скорость процесса вывода метана из атмосферы при его взаимодействии с гидроксильным радикалом на высоте 5 км в 6,86 раз выше, чем на высоте 35 км.
6. Дисперсные системы в атмосфере.
Дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, распределенных в газовой фазе, называются аэрозолями.

Условия существования устойчивого аэрозоля:

  1. маленькая скорость седиментации частиц;

  2. отношение сил инерции к силам вязкости мало;

  3. система обладает высокой удельной поверхностью;

  4. в системе реализуется активное броуновское движение частиц.

Время жизни частиц в атмосфере определяется скоростью ее седиментации.

Wg = 2r 2?чg/(9?)

– уравнение Стокса при условии, что радиус частицы больше величины среднего свободного пробега молекулы, где r и ? – радиус и плотность частицы; g –ускорение свободного падения; ? – динамическая вязкость газа ( для воздуха при 298 К ? = 1,81 ∙10 -4 Па∙с).

В атмосфере скорость седиментации зависит от высоты над уровнем моря.

Скорость броуновского движения увеличивается с размером частиц и обычно принимается во внимание, если r < 0,5 мкм.

Важным следствием броуновского движения является столкновении частиц и их последующая коагуляция. Скорость коагуляции описывается уравнением:

-dN/dt = 8?DrN2,

где N – число частиц в единице объёма; t – время; D – коэффициент диффузии частиц:

D =kt (1 + AL/t)(6??r),

где k – константа Больцмана; T – абсолютная температура; А – поправочный коэффициент Стокса –Кунихема; L – средняя длина свободного пробега молекул газа (L = 65,3 нм при нормальных условиях).

Коэффициент А описывается уравнением:

A = 1,257 + 0,400 exp (-1,10r/L).

Тогда

-dN/dt = 4kt (1+ AL/t)N2/(3?).

Из этого уравнения следует, что скорость выведения частиц из атмосферы в результате их коагуляции пропорциональна квадрату концентрации и обратно пропорциональна радиусу частиц.

Аэрозоли обычно подразделяются на две большие группы по происхождению и по размерам частиц - микро и макрочастицы. Микрочастицы (радиус меньше 0,5 -1,0 мкм) образуются в процессах коагуляции и конденсации, тогда как макрочастицы (радиус > 1,0 мкм) возникают в основном при дезинтеграции поверхности Земли.
6.1. Примеры решения типовых задач
Пример 1. Сколько частиц пыли присутствует в каждом кубическом метре воздуха рабочей зоны при концентрации равной ПДК (р.з.) =6мг/м 3 диаметр частиц 0,5 мкм, все частицы сферической формы.

Решение. В каждом кубическом метре воздуха содержится 6 мг пыли, состоящей из одинаковых сферических частиц. Тогда количество частиц пыли в одном метре кубическом будет равно массе пыли в 1 м3 деленной на массу одной частицы пыли. Массу одной частицы можно найти, зная объём частицы V и плотность пыли ? : m(ч) = V?. Для частиц сферической формы V = ? d3/6, где d – диаметр частицы;

m (ч) = 3,14 (0,5∙10 -6 )3 ∙ 4∙ 106 /6 = 0,26∙10 -12 (г) = 2,6∙10 -10 (мг).

Количество частиц пыли в 1м3 воздуха составляет:

n(ч) = C(пыли)/m(ч), где С –концентрация частиц пыли, мг/м3 (по условию задачи , С = ПДК(р.з.) = 6 мг/м3 );

n(ч) = 6/ (2,6∙10-10 ) =2,3 ∙1010 (частиц/м3).

Ответ: в кубическом метре воздуха рабочей зоны содержится 2,3 ∙1010 частиц пыли.
Пример 2. В контейнер, площадь внутренней поверхности стенок которого равна 1 М2, поместили пробу загрязненного воздуха объёмом 50 л. Концентрация однородных аэрозольных частиц сферической формы в пробе воздуха составляла 2,3 ∙1010 м-3. Какую часть поверхности контейнера могли бы покрыть частицы, если их средний диаметр равен 0,5 мкм?

Решение. Площадь, занимаемая одной частицей сферической формы равна площади сечения, проходящего через центр сферы:

S(ч) = ? d2/4,

где d –диаметр частицы (d = 0,5∙10-6 м);

S(ч) =3,14 ∙ (0,5∙10-6 )2.4 = 1,96∙10-132 ).

Площадь, занимаемая всеми частицами:

S = S(ч)NV,

где N -, концентрация частиц в пробе воздуха в кубическом метре; V - объём пробы воздуха, м3;

S = 1,96∙10-13 ∙2,31010 ∙50∙10-3 = 2,2∙10-42 ).

Доля площади стенок контейнера, занимаемая частицами, cоставит:

ά = S/S(контейнера) = 2,2∙10-4/1 = = 2,2∙10-4 .

Ответ: доля площади стенок контейнера, занимаемая всеми частицами, составит = 2,2∙10-4 от всей поверхности стенок.
Пример 3. Сравните скорость оседания аэрозолей с размерами частиц r = 2,5 мкм, если их плотность составляет 2 и 5 г/см3. Как соотносятся времена их выведения из атмосферы с высоты 1,5 м?

Решение. Скорость осаждения аэрозоля может быть рассчитана из уравнения Стокса: Wg = 2r 2?чg/(9?),

где r и ? – радиус и плотность частицы; g –ускорение свободного падения; ? – динамическая вязкость газа ( для воздуха при 298 К ? = 1,81 ∙ 10 -4 Па∙с).

Поскольку радиус частиц больше 0,5 мкм, то они относятся к макрочастицам и в данном случае влияние коагуляции на скорость осаждения частиц можно не рассматривать.

Скорость оседания первого аэрозоля (Wg1):

Wg1 = 2∙ (2,5∙10—6(м))2∙2∙10-6 (г/м3) ∙ 9,8 (м2/с) / (9∙1,81 ∙ 10 -4 Па∙с)

Скорость оседания второго аэрозоля (Wg2):

Wg2 = 2∙ (2,5∙10—6(м))2∙5∙10-6 (г/м3) ∙ 9,8 (м2/с) / (9∙1,81 ∙ 10 -4 Па∙с)

Соотношение скоростей оседания аэрозолей с частицами одинакового размера будет равно соотношению их плотностей:

Wg1 /Wg2 = 2/5.

Путь пройденный частицами:

S1 = Wg1 t1 = S2 = Wg2 t2 = 1,5 м,

Где t1 и t2 – время выведения из атмосферы первого и второго аэрозоля.

t1/t2 = 2,5

Ответ: время выведения второго аэрозоля в 2.5 раз меньше времени осаждения первого аэрозоля.
Индивидуальное задание N 1.

Задание 1. Во сколько раз количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воздуха на высоте h (км) меньше, чем среднее значение у поверхности Земли на уровне моря (при нормальном атмосферном давления и средней температуре воздуха вблизи поверхности)?

Задание 2. Из пробы воздуха объемом V1 л был удален диоксид серы. Объем пробы уменьшился доV2 л. Определите концентрацию SO2 и выразите ее в % (об.), см-3 и млн-1. Давление воздуха 101,3 кПа, температура 25°С.

Задание 3. Оцените время полувыведения оксида азота из атмосферного воздуха при его окислении: а) кислородом; б) озоном. Какой из этих окислителей вносит основной вклад в процесс вывода, NO из атмосферы, если концентрация газов составляют: NO – x1∙ 1010 см3; О2 - 20,95% (об.); О3 – x2 10 млрд-1? Константы скорости реакций окисления оксида азота кислородом и озоном равны соответственно:

kкисл = 1,93∙10-38 см6 с-1; kозон = 1,8∙10-14 см3 с-1

Но-мер варианта

Задание 1

Высота над

уровнем моря h (км).

Задание 2

Задание 3


V1 (л)


V2(л)


Х1


Х2


а) / б)

1

3

15

13

1

3

а)

2

1,5

19

18

2

4

б)

3

5

10

9

3

1

б)

4

7,5

8

7

2

2

а)

5

9

20

17

3

2

б)

6

4

14

12

4

3

а)

7

2,5

25

21

5

2

а)

8

6,5

12

11

3

3

б)

9

8

16

14

4

2

а)

10

7

11

10

1

2

б)



Индивидуальное задание N 2.
Задание 1. Определите максимальную концентрацию (в см-3, мг/м3 и млн-1) молекул формальдегида в рабочем помещении и его парциальное давление, если единственным источником его является трансформация V литров метана. Площадь помещения S м2 и высота стен h м; Т =.25°С, атмосферное давление равно 730 мм. рт. ст.

Задание 2. В каждом кубическом сантиметре воздуха присутствует n∙ 106 частиц сферической формы, средний диаметр, которых составляет d мкм. Плотность частиц равна ? г/см3. Превышается ли значение ПДК для воздуха рабочей зоны, равное 6 мг/м3?

Задание 3. Сравните скорость оседания аэрозолей с размерами частиц радиусом r (мкм), если их плотность составляет ?1 и ?2 (г/см3). За какое время эти частицы могут быть полностью выведены из атмосферы с высоты h м?


Ва-ри-ант

Задание 1

Задание 2

Задание 3

V,

(л)

S,

2)

h,

(м)

n∙106

частиц

d, мкм

?

(г/см)

?1

(г/см)

?2

(г/см

r, мкм

h,

(м)

1

1

25

2,5

3

1

4

1

5

2

3

2

3

40

3

2

2

3

2

4

3

10

3

2,5

50

3

4

3

5

3

2

4

5

4

1,5

12

2,5

5

2

2

2

5

5

10

5

3

16

2,7

2

4

4

4

3

2

2

6

1

8

2,5

4

6

3

1

4

4

12

7

2

10

2,5

3

5

4

2

1

1

10

8

2

25

3

2

1

3

2,5

3,5

2

12

9

4

30

2,7

6

3

2

1,5

3

5

15

10

5

15

2,5

1

2

3

4

5

3

3



Контрольные задачи.

1. Минимальное количество газов, определяемое по запаху средним человеком (порог запаха), составляет для уксусной кислоты и аммиака 1 и 46,6 млн-1 соответственно. Превышаются ли значения ПДКм.р. для этих веществ, равные 0,2 и 0,4 мг/м3 соответственно? Какое парциальное давление паров уксусной кислоты достигается в помещении при обнаружении ее запаха? Сколько Молекул аммиака присутствует в каждом см3 воздуха при обнаружении его запаха? Температура и давление воздуха отвечают стандартным значениям.

2. Масса атмосферы оценивается величиной 5 • 1015 т. Определите количество азота в атмосфере в кг, если принять, что весь вклад в массу атмосферы вносят только такие квазипостоянные компоненты воздуха, как азот, кислород и аргон, а объемная концентрация этих элементов во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

3. Во сколько раз количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воздуха на вершине Эверест (8848 м) меньше, чем среднее значение у поверхности Земли на уровне моря (при нормальном атмосферном давления и средней температуре воздуха вблизи поверхности)?

4. Оцените количество кислорода, ежегодно поступающее в атмосферу Земли. Принять, что время пребывания кислорода в атмосфере составляет 5000 лет, а весь вклад в массу атмосферы вносят только такие квазипостоянные компоненты воздуха, как азот, кислород и аргон, объемная концентрация которых во всем объеме воздуха соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы.

5. Оцените время пребывания аммиака в тропосфере, если его концентрация принимается равной 0,005 мг/м3, а интенсивность поступления оценивается в 74 млн т/год в пересчете на элементный азот.

6. Определите среднеквадратичную скорость движения молекул водорода в приземном слое воздуха.

7. Из пробы воздуха объемом 11 л был удален диоксид серы. Объем пробы уменьшился до 10 л. Определите концентрацию SO2 и выразите ее в % (об.), см-3 и млн-1. Давление воздуха 101,3 кПа, температура 25°С.

8. Определите максимальную длину волны излучения, способного вызвать диссоциацию молекул азота. Принять, что вся энергия фотона расходуется на процесс диссоциации, а энтальпия связи молекулы азота, равная 945,4 кДж/моль, эквивалентна энергии диссоциации.

9. Оцените время полувыведения оксида азота из атмосферного воздуха при. его- окислении: а) кислородом; б) озоном. Какой из этих окислителей вносит основной вклад в процесс вывода, NO из атмосферы, если концентрация газов составляют: NO - 1010 см3; О2 - 20,95% (об.); О3 - 10 млрд-1? Константы скорости реакций окисления оксида азота кислородом и озоном равны соответственно:

kкисл = 1,93∙10-38 см6 с-1; kозон = 1,8∙10-14 см3 с-1

10. Определите максимальную концентрацию (в см-3, мг/м3 и млн-1) молекул формальдегида в рабочем помещении и его парциальное давление, если единственным источником его является трансформация 2 литров метана. Площадь кухни 10 м2 и высота стен 3 м; Т =.25°С, атмосферное давление равно 730 мм. рт. ст.

11. Какого максимального значения могут достигнуть концентрация и парциальное давление озона в приземном воздухе, если он образовался при окислении метана в присутствии оксидов азота (концентрация СН4 равна

1,6 млн-1)? При оценке следует считать, что озон из атмосферы не выводился. Ответ дайте в, см-3, мг/м3, млн-1 и Па. Температура воздуха 20° С, давление 710 мм рт. ст.

12. Какое максимальное количество молекул формальдегида может быть обнаружено в каждом см3 помещения (V = 40м3), если произошла утечка 5 литров газа, содержащего 98% метана? Каково в этом случае максимально возможное парциальное давление формальдегида? Сравните максимально возможную концентрацию формальдегида в помещении с ПДКМ, равной 0,035 мг/м3, Температура 20° С, давление 1,1 атм.

13. Какую максимальную концентрацию молекул формальдегида можно ожидать в воздухе, в котором содержание метана упало с 200 до 60 млн-1? Ответ дайте в млн-1, см-3 и мг/м3. Какого максимального значения могло достигнуть парциальное давление формальдегида? Давление воздуха равно 1,1 атм, температура 25°С.

14. Сравните скорости выведения из атмосферы молекул метана при их взаимодействии с гидроксидным радикалом в приземном слое и на высоте верхней границы стандартной тропосферы. Концентрация метана на этих высотах равна 1,7 млн-1. Энергия активации и предэкспоненциальный множитель для реакции взаимодействия метана с ОН-радикалом равны 14,1 кДж/моль и 2,3 см3 • с-1 соответственно. Концентрации гидроксидных радикалов на этих высотах принять равными: [ОН]1 = 5 • 105 см-3, [ОН]2 = 2 • 106 см-3.

15. Определите, каким будет соотношение скоростей процессов газофазного и жидкофазного окисления SО2, если принять, что основной вклад вносят следующие реакции:

2{г) + ОН(г) ? HSO3(г) (1)

2{р-р) + Н2О2(р-р) ? Н2SO4(р-р) (2)

Константы скоростей реакций окисления: k1 = 9∙10-13 см3 с-1; k2 = 1 ∙ 103 л ∙ моль-1 ∙ с-1. Концентрации примесей в газовой фазе составляют: [ОН] = 5 ∙106 см-3, [SO2] = 10-4 % (об.); [Н2О2] = 10-7 % (об.).

Расчеты провести для атмосферного воздуха, имеющего температуру 25о С и содержащего 0,00001 г свободной воды в каждом литре воздуха, Считать, что при растворении в воде концентрация SО2 в газовой фазе не меняется. Газы считать идеальными и подчиняющимися закону Генри. Давление принять равным 1 атм.

16. В каждом кубическом сантиметре воздуха присутствует 2 ∙ 106 частиц сферической формы, средний диаметр, которых составляет 1 мкм. Плотность частиц равна 4 г/см3. Превышается ли значение ПДК для воздуха рабочей зоны, равное 6 мг/м3?

17. Сравните скорость оседания аэрозолей с размерами частиц r = 2,5 мкм, если их плотность составляет 2 и 5 г/см3. За какое время эти частицы могут быть полностью выведены из атмосферы с высоты 15 м?

18. В контейнер, площадь внутренней поверхности которого равна 4 м2, поместили 50 л загрязненного воздуха, в котором концентрация однородных аэрозольных частиц сферической формы составляла 106 см-3. Какую часть поверхности покрыл бы этот аэрозоль, если бы частицы распределились в виде мономолекулярного слоя, а диаметр частиц составлял 5 ∙ 10-7 м? Выразите концентрацию частиц в пробе загрязненного воздуха в мг/м3, если их плотность равна 1 г/см3.

19. Какое было бы отношение концентраций NO и NO2 в равновесной системе на высоте 11 км, если их взаимную трансформацию можно было бы ограничить следующими реакциями:

М + NO + О = NO2 + М*

NO2 + О = + NO + О2?

Константы скорости реакций (1) и (2) на этой высоте равны соответственно: k1 = 8 ∙ 10-32 см6 ∙ с-1, если М — молекулы кислорода; k2 = 1∙10-12 см3∙с-1.

20. Какой из фреонов а) СН3ССl2F; б) СF3СНС12 более опасен для озонового слоя?

  1   2   3   4   5


Тема 1. Физико-химические процессы в атмосфере
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации