ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ

ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ. Атмосфера Земли – ее газовая оболочка – простирается более чем на 1500 км от поверхности планеты. Основная часть вещества атмосферы (около 80%) сосредоточена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8–10 км.

Атмосферный воздух – это сложная смесь газов. На 99,9% он состоит из азота N₂, кислорода O₂ и благородных газов (аргона Ar и других) (рис. 1).

Содержание этих газов в воздухе практически постоянно. Кроме того, в состав воздуха входят диоксид углерода (от 0,02 до 0,04%) и водяной пар (его содержание местами достигает 3%). В воздухе могут находиться в следовых количествах также метан CH₄, водород H₂, аммиак NH₃, сероводород H₂S, оксиды азота NO и NO₂, озон O₃ и другие газы. Они образуются, например, при извержении вулканов, в результате биологических процессов, на промышленных предприятиях. Кроме того, в нижних слоях атмосферы есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли – пыль, дым, туман.

Состав и свойства атмосферы меняются с высотой. Ее давление и плотность уменьшаются при удалении от Земли, однако до высоты 100 км соотношение азота, кислорода и благородных газов меняется мало. На расстоянии до 12 км от поверхности Земли в атмосфере находится слой облаков – скоплений капелек воды или кристалликов льда. Начиная с высоты 10 км, под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода диссоциируют на атомы:

О₂ = О + О

и О₂ превращается в озон О₃ – одну из форм существования кислорода:

О + О₂ = О₃

Максимальное содержание озона наблюдается на высоте 25–30 км. Эту область атмосферы называют озоновым слоем. Если весь озоновый слой поместить в нормальные условия (температура 0° С и давление 1 атм), то его толщина составила бы несколько миллиметров. На большой высоте давление газов очень мало и концентрация озона в слое толщиной несколько километров очень низка, но даже настолько разреженный озон поглощает около 97% ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для живых существ. Без озонового слоя существование жизни на поверхности Земли было бы невозможно.

Выше 40 км в атмосфере постепенно увеличивается содержание атомарного кислорода, а на высоте 150 км кислород практически полностью диссоциирован. Диссоциация азота начинается на уровне 200 км от поверхности Земли. Самые высокие слои атмосферы состоят из легких атомов водорода и гелия, которые медленно уходят из поля притяжения Земли и рассеиваются в космическое пространство.

Первичная атмосфера Земли возникла еще в период образования планеты из газопылевого облака. По-видимому, первоначально атмосфера состояла из диоксида углерода СО₂ и азота N₂ с некоторым количеством водорода и паров воды. Эволюции в сторону современной кислородной атмосферы не было до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.

Около 2 млрд. лет назад в атмосфере стало заметно увеличиваться содержание кислорода. Это было связано с жизнедеятельностью одноклеточных сине-зеленых водорослей, обитавших в океане. Древнейшие жизненные процессы протекали в водной среде при наличии свободного кислорода. Возможно, что его присутствие было не повсеместным, а лишь на отдельных участках. При реакции фотосинтеза кислород стал выделяться в качестве метаболита:

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Сине-зеленые водоросли нормально развиваются при отсутствии кислорода, для них он токсичен. Широкому распространению этих одноклеточных в древнем океане способствовало то, что сначала кислород связывался в виде оксидов железа и сульфатов. Поэтому, хотя фотосинтезирующие организмы появились около 4 млрд. лет назад, содержание свободного кислорода в океане и в атмосфере длительное время не увеличивалось. Считают, что в оксидах железа связано примерно 56% всего выделившегося в результате фотосинтеза кислорода, в сульфатах – 39% и только 5% находится в свободном состоянии и распределено между атмосферой и океаном.

С течением времени в атмосфере установилось постоянное содержание кислорода. Сейчас практически весь кислород, образующийся в ходе фотосинтеза, расходуется на дыхание, горение и гниение органических веществ. В результате этих процессов выделяются вода и диоксид углерода. Они вновь могут быть использованы в фотосинтезе. Таким образом, обмен газов между атмосферой и живыми организмами идет по кругу.

Роль диоксида углерода не ограничивается участием в фотосинтезе, от содержания этого газа в атмосфере зависят температурные и климатические условия на поверхности Земли. Атмосфера вообще играет важную роль в формировании климата, поскольку она существенно влияет на распределение солнечной энергии на планете.

Распределение солнечной энергии, падающей на землю

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, ПАДАЮЩЕЙ НА ЗЕМЛЮ
Отражается в космическое пространство	Поглощается и переходит в тепловую энергию	Расходуется на круговорот воды	Расходуется на движение воздуха (ветер)	Расходуется на фотосинтез
30%	47%	23%	0,2%	0,02%

Почти вся достигшая Земли солнечная энергия, в конечном счете, возвращается обратно в космическое пространство в виде тепловой энергии, но это происходит не сразу. Атмосфера прозрачна для основной части солнечного излучения – видимого света. Однако тепловое (инфракрасное) излучение Земли поглощается молекулами диоксида углерода СО₂, воды Н₂О, метана СН₄, другими органическими молекулами. Облака также хорошо поглощают тепловое излучение, исходящее от земной поверхности. Это излучение вновь возвращается на поверхность Земли. Таким образом, земная атмосфера – это ловушка для энергии, которая помогает сохранить тепло на Земле. Наличие атмосферы приводит к повышению средней температуры на нашей планете и смягчает различия между дневными и ночными температурами. Это явление называют парниковым эффектом. Если бы парникового эффекта не было, средняя температура на нашей планете составляла бы не плюс 15° С, как сейчас, а минус 25° С.

Атмосфера – самый маленький из геологических резервуаров Земли, она составляет менее 10^–5 % ее массы. Именно ограниченные размеры делают атмосферу такой чувствительной к загрязнению. Кроме того, за счет вращения Земли и перепада температуры с высотой атмосфера очень быстро перемешивается.

В последние десятилетия деятельность человека стала оказывать существенное влияние на состав атмосферы. Одной из экологических проблем, имеющих глобальный характер, является резкое возрастание содержания в атмосфере диоксида углерода (рис. 2).

Наиболее существенная часть диоксида углерода техногенного происхождения образуется при использовании топлива для получения различных видов энергии. Изобретение паровой машины положило начало крупномасштабному сжиганию угля. С появлением двигателя внутреннего сгорания в качестве топлива стали использовать огромное количество нефти и нефтепродуктов, к этому добавилось сжигание природного газа метана СН₄. Немалое количество диоксида углерода выделяется в промышленных процессах, например, в металлургии и при производстве некоторых строительных материалов, включающем обжиг известняка: СаСО₃ = СаО + СО₂.

Нередко деятельность человека становится причиной возникновения природных катастроф, в частности, лесных пожаров, которые также увеличивают содержание диоксида углерода в атмосфере. Они же приводят к истреблению огромного количества растений, которые усваивающих диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Кроме того, человек уничтожил уже около 25% растительности суши в результате распашки земель, строительства городов и дорог, вырубки лесов.

Диоксид углерода, участвуя в природном круговороте, частично растворяется в океане, превращается в карбонаты. Однако природные процессы уже не в состоянии снизить содержание этого вещества до прежнего уровня, когда вмешательство человека было незначительным.

Небольшой рост концентрации диоксида углерода в атмосфере не представляет опасности для жизни человека, но вызывает повышение температуры воздуха, благодаря усилению парникового эффекта. Это может привести к глобальным изменениям климата с весьма серьезными последствиями (таяние льдов Антарктиды и Гренландии, повышение уровня Мирового океана, затопление прибрежных территорий и т. д.).

Параллельно с ростом концентрации диоксида углерода увеличивается расходование кислорода. Свободный кислород накопился в атмосфере только за счет того, что образование органических веществ в результате фотосинтеза происходило быстрее, чем их окисление в результате дыхания, горения и гниения. Избыточное количество органических веществ оказалось в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и природного газа. Теперь на сжигание этих веществ используется дополнительное количество кислорода. Пока оно составляет лишь несколько процентов от количества кислорода, выделяемого растениями суши. Тем не менее, нельзя исключить в будущем возможность снижения содержания кислорода в атмосферном воздухе.

Опасность для окружающей среды и здоровья людей представляют и многие региональные экологические проблемы, связанные с загрязнением атмосферы. Отходы предприятий и транспорта существенно нарушают природные атмосферные процессы в индустриальных районах. Один из сильнейших загрязнителей атмосферы – диоксид серы SO₂, составляющий более 95% промышленных выбросов газообразных соединений серы. Наибольшее количество диоксида серы образуется при сжигании каменного угля и нефти, в которых постоянно присутствуют серосодержащие соединения. Много диоксида серы попадает в атмосферу при обжиге сульфидных руд для производства серной кислоты и некоторых металлов:

4FeS₂ + 11 O₂ = 8SO₂ + 2Fe₂O₃

Растворяясь в атмосферной влаге, диоксид серы образует гидрат SO₂·H₂O, представляющий собой кислоту средней силы. Часть диоксида серы в воздухе окисляется до триоксида серы SO₃:

SO₂ + O₂ = 2SO₃

Протеканию этой реакции способствует действие ультрафиолетового излучения Солнца. Триоксид серы при взаимодействии с водой дает сильную серную кислоту, которая, как и диоксид серы, растворяется в атмосферной влаге. Результатом этих процессов являются кислотные дожди, время от времени выпадающие на поверхность Земли не только в окрестностях промышленных предприятий, но и в соседних с ними районах.

Над дымовыми трубами некоторых химических предприятий можно увидеть рыжий «лисий хвост», он появляется в результате выбросов оксида азота NO, который окисляется кислородом воздуха до ярко окрашенного диоксида азота NO₂:

NO + O₂ = 2NO₂

Этот оксид реагирует с водой с образованием сильной азотной кислоты HNO₃, которая также может входить в состав кислотных дождей:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO

Кислотные дожди поражают растительность, губят живые организмы водоемов и почвы, вызывают заболевания людей. Кислоты разрушают металлы. Они реагируют также с карбонатом кальция СаСО₃, входящим в состав известняка, мела, мрамора:

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂

Сульфат кальция CaSO₄, более растворимый, чем карбонат кальция CaCO₃, вымывается водой, а новые слои карбоната кальция вновь подвергаются действию кислотных дождей. Это приводит, в частности, к постепенному разрушению многих памятников архитектуры.

В крупных городах загрязнение воздуха часто приводит к возникновению смога. Термин «смог» – производное от английских слов «смоук» (дым) и «фог» (туман). В состав смога входят дым, туман, пыль и различные вредные для здоровья газообразные вещества (монооксид углерода, озон, оксиды серы и азота). Смог поражает, прежде всего, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей человека и животных. Он приводит к нарушению дыхания и даже может вызвать гибель людей. В 1952 в Лондоне образование смога привело к повышению смертности среди жителей вдвое по сравнению с обычной. Считают, что его жертвами стали 4 тыс. человек.

Смог образуется в результате загрязнения воздуха выбросами углеводородов, диоксида азота и других продуктов сгорания топлива в автомобильных двигателях, на тепловых станциях и заводах. При окислении топлива в условиях недостатка кислорода образуется ядовитый оксид углерода СО («угарный газ»), в большой степени определяющий вредное действие смога на здоровье людей. Существенными компонентами смога являются оксиды азота. Они образуются, в частности, при работе автомобильных двигателей. В камере сгорания при температуре 2800° С и давлении 10 атм азот начинает реагировать с кислородом с образованием оксида азота NO. В атмосфере оксид азота окисляется до диоксида азота NO₂. При высокой концентрации оксиды азота могут поражать центральную нервную систему человека. Под действием солнечного света диоксид азота распадается на оксид азота и атомарный кислород, который превращает кислород О₂ в озон О₃. Накапливаясь в нижних слоях атмосферы, это вещество оказывает вредное воздействие на организм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейший окислитель: при его содержании в воздухе (по объему) всего лишь 1·10^–5% он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции с углеводородами, образуя опасные для человека вещества.

Чтобы предотвратить ухудшение состояния атмосферы, нужно сокращать газовые и пылевые выбросы промышленных предприятий, тепловых электростанций, автомобильных двигателей и других загрязнителей атмосферы либо предварительно удалять из них вредные вещества. С этой целью используют как физические, так и химические методы отделения опасных примесей.

Для очистки газовых выбросов от пыли и сажи их фильтруют. Для улавливания летучих органических соединений используют поглотители, например, активированный уголь. Химическую очистку ведут, пропуская газы через растворы различных реагентов. Например, диоксид серы, сероводород, галогеноводороды поглощают веществами, имеющими основные свойства:

SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃ + H₂O

Используют также окисление или восстановление загрязняющих веществ до безвредных продуктов:

2H₂S + O₂ = 2S + 2H₂O

NO₂ + 4H₂ = N₂ + 4H₂O

Часто эти процессы проводят в присутствии катализаторов.

Для сокращения выбросов вредных веществ с выхлопными газами автомобилей их двигатели постоянно совершенствуются, в частности, подбирают оптимальные условия сжигания топлива. На пути выхлопных газов устанавливаются каталитические конверторы, способствующие превращению вредных веществ в менее опасные продукты:

2NO + CO = N₂ + 2CO₂

CO + O₂ = 2CO₂

углеводороды + О₂® СО₂ + Н₂О

Затраты на очистку выхлопных газов автомобилей, дымовых выбросов промышленных предприятий и электростанций вызывают удорожание товаров и энергии, однако загрязнение воздуха также приводит к расходам, связанным с разрушением конструкций, ухудшению здоровья людей и т.д. Так что за право дышать чистым воздухом человечеству приходится платить немалую цену.

Елена Савинкина