Пример выполнения задания

Определить массу выброса CО от отопительной системы (состоящая из 3 котлов) административного здания. Расход топлива на один котел составляет 14,68 л/сек или 52,86 м³/час. Время отопительного периода 3360 часов в год. Теплота сгорания топлива – Q^Р_Н = 33,3 МДж/кг.

Решение.

1. Определяем потребление газа на один котел в течении года:

52,86м³/час × 3360час/год = 177609,6 м³/год ≈ 177,61 тыс. м³/год.

2. Рассчитываем секундный и годовой выброс СО по формуле (2.1):

за 1 с : М_CO= 0,001× 0,5 × 0,5 × 33,3 ×14,68 × (1–0,5/100) = 0,122 л;

за год: М_CO = 0,001 × 0,5 × 0,5 × 33,3 × 177,61× (1–0,5/100) = 1,47 т.

3. Определяем секундный и годовой выброс от всей отопительной системы. Система состоит из 3 котлов, т.е. масса выбросов увеличивается в 3 раза.

М_CO = 0,122 л × 3 = 0,366 л/сек или М_CO = 1,47 т × 3 = 4,41 т/год.

Ответ: масса выброса оксида углерода составит 0,366л/с или 4,41 т/год.

Контрольные вопросы

1. Физические и химические свойства оксидов углерода?

2. Характеристика токсичного действия оксидов углерода?

Рекомендуемая литература

1. Девяткин В.В., Ляхова Ю.М. «Химия для любознательных» Ярославль, 2000, с. 39, 40, 46–47, 62–63.

2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высш. шк.; 2003.

3. Спицын В.И., Мартыненко Л.И. «Неорганическая химия», М.,1991, с.130.

3. Расчет выбросов оксидов азота при сжигании топлива в стационарных системах

В состав атмосферного воздуха входят несколько газов, основными из которых являются азот (78,09%) и кислород (20,95%). Азот образует ряд оксидов, формально отвечающих всем возможным степеням окисления от +1 до +5: N₂O, NО, N₂O₃, NO₂, N₂O₅, однако всего два из них – оксид азота (II) и оксид азота (IV) – не только устойчивы при обычных условиях, но и активно задействованы в природном и промышленном круговоротах азота.

В атмосферу окислы азота поступают как за счет азота, содержащегося в самом топливе, так и при реакции атмосферного азота с кислородом воздуха. Существование их в атмосфере при фоновых концентрациях составляет 3–4 суток.

Оксид азота (I) (закись азота) N₂O при нормальной температуре это бесцветный негорючий газ с приятным сладковатым запахом и привкусом, тяжелее воздуха. Иногда называется «веселящим газом» из–за производимого им опьяняющего эффекта. Растворим в воде (при 25 °C). При 0 °C и давлении 30 атм., а также при комнатной температуре и давлении 40 атм. сгущается в бесцветную жидкость. Не воспламеняется, но поддерживает горение. Смеси с эфиром, циклопропаном, хлорэтилом в определённых концентрациях взрывоопасны. При нагревании N₂O разлагается на азот и кислород.

В крови N₂O находится в растворенном состоянии и в соединение с гемоглобином не вступает. Дыхание под влиянием закиси азота вначале несколько замедляется, а затем ускоряется; пульс слегка учащается, кровяное давление не изменяется, зрачки суживаются, их реакция на свет сохраняется, движения глаз также сохраняются.

В аварийной ситуации после 3–4 мин контакта с закисью азота возможно отек легких, понижение содержания кислорода в крови, повышение содержания окисленного гемоглобина (метгемоглобина) в крови, изменение рН крови, а также летальный исход. При длительном вдыхании чистой закиси азота развивается удушье, вследствие вытеснения кислорода из легких.

Применение:

1. Средство для ингаляционного наркоза, в сочетании с другими препаратами (из–за недостаточно сильного обезболивающего действия). Является самым безопасным средством для наркоза, так как после его применения почти не бывает осложнений.

2. В пищевой промышленности соединение зарегистрировано в качестве пищевой добавки E942, как пропеллент и упаковочный газ.

3. Для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания, например: увеличивает содержание кислорода в поступающем заряде (воздух содержит лишь ~21 масс.% кислорода); повышает скорость сгорания в цилиндрах двигателя.

Оксид азота (II) (монооксид азота) NO – бесцветный газ, не имеет запаха, быстро окисляется в двуокись азота. Скорость окисления зависит от температуры окружающей среды, атмосферного давления и концентрации NO. В воде мало растворим и с ней не реагирует, являясь несолеобразующим оксидом, с кислотами не реагирует. Сжижается с трудом. В жидком и твёрдом виде имеет голубой цвет.

Реагируя со щелочью, образует соль азотистой кислоты, оксид азота (I) и азот:

10NO + 6NaOH = 6NaNO₂ + N₂O + N₂ + 3H₂O.

NO единственный из оксидов азота, который можно получить из свободных элементов соединением азота с кислородом при высоких температурах (1200–1300 °C) или в электрическом разряде. В природе он образуется в атмосфере при грозовых разрядах и тотчас же реагирует с кислородом, переходит в NO₂.

NO присоединяет озон полностью и образует N₂O₅.

При понижении температуры оксид азота (II) разлагается на азот и кислород, но если температура резко падает, то не успевший разложиться оксид существует достаточно долго: при низкой температуре скорость распада невелика. Такое резкое охлаждение называется «закалкой» и используется при одном из способов получения азотной кислоты.

Окись азота – кровяной яд, при вдыхании поражает дыхательные пути. Он превращает гемоглобин в потгемоглобин, оказывает прямое действие на центральную нервную систему.

Молекула NO обладает широким спектром биологического действия, которое условно можно разделить на регуляторное, защитное и вредное. Оксид азота, производимый клетками эндотелия сосудов, отвечает за расслабление гладких мышц сосудов и их расширение, предотвращает слипание тромбоцитов и прилипание нейрофилов к эндотелию, участвует в различных процессах в нервной, репродуктивной и иммунной системах. NO стимулирует рецепторы, участвует в регуляции клеточных функций, является локальным тканевым гормоном. Клетки–киллеры иммунной системы используют его для уничтожения бактерий и клеток злокачественных опухолей. Однако в очаге воспаления накапливается супероксид, который вызывает повреждение белков и липидов клеточных мембран, что и объясняет его цитотоксическое действие на клетку–мишень. Следовательно, NO, избыточно накапливаясь в клетке, может действовать двояко: с одной стороны вызывать повреждение ДНК, а с другой – давать противовоспалительный эффект.

С нарушением биосинтеза и метаболизма NO связаны такие заболевания, как повышенное артериальное давление, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, бронхиальная астма, депрессия, эпилепсия, болезнь Альцгеймера и Паркинсона, сахарный диабет, импотенция и др.

Оксид азота(III) (азотистый ангидрид) N₂O₃ – бесцветный газ, в твёрдом виде – синеватого цвета. Устойчив только при температурах ниже −4 °C. Без примесей NO₂ и NO существует только в твёрдом виде. Кислотный оксид. При взаимодействии с водой даёт азотистую кислоту, с растворами щелочей образуют нитриты. При термической диссоциации распадается на NO₂ и NO. Высоко токсичен. По действию на организм сравним с дымящей азотной кислотой. Вызывает тяжёлые ожоги кожи.

Применяется в лаборатории для получения азотистой кислоты и её солей.

Оксид азота(IV) (диоксид азота, бурый газ) – газ с характерным резким запахом и рыжевато–бурого цвета, оттенки которого отличаются друг от друга в зависимости от концентрации. Именно за этот цвет выбросы NO₂ в атмосферу называют «лисьим хвостом». Температура кипения составляет 21°С, поэтому при обычных условиях – 20 °С и 760 мм рт. ст. – оксид азота(IV) жидкий. При температуре более 140°С начинает распадаться на NO и О₂; при температуре 600°С распадается полностью.

В обычном состоянии NO₂ существует в равновесии со своим димером N₂O₄. При температуре ниже −12 °C белые кристаллы состоят только из молекул N₂O₄, при температуре 140 °C состоит только из молекул NO₂ очень тёмного, почти чёрного цвета. В точке кипения диоксид азота представляет собой красно–бурую жидкость, содержащую около 0,1 % NO₂.

NO₂ отличается высокой химической активностью, взаимодействует с неметаллами (фосфор, сера и углерод горят в нём) и металлами:

2NO₂ + 2C → 2CO₂↑ + N₂↑.

Оксид NO₂ с кислородом не реагирует. В реакции с озоном образуется оксид азота (V) и выделяется еще кислород.

Окисляет SO₂ в SO₃: SO₂ + NO₂ → SO₃ + NO↑.

Реагируя с водой образует две кислоты – азотную (НNО₃) и азотистую (НNO₂). В присутствии кислорода оксид NO₂ целиком переходит в азотную кислоту (является сильным коррозионным агентом). Не реагирует с кислотами.

При реакции NO₂ со щелочью образуются нитратные (NO₃^–) и нитритные (NO₂^–) соли.

Применяется NO₂ в производстве серной и азотной кислот, в качестве окислителя в жидком ракетном топливе и смесевых взрывчатых веществах.

Диоксид азота высокотоксичен, оказывает чрезвычайно сильное влияние на легкие человека. Даже в небольших концентрациях он раздражает дыхательные пути, в больших концентрациях вызывает отёк лёгких, развиваются хронические бронхиты, эмфиземы легких, астмы, вызывает изменения состава крови, в частности, уменьшает содержание в крови гемоглобина. Также может снижать сопротивляемость к заболеваниям, вызывать кислородное голодание тканей, особенно у детей. Усиливает действие канцерогенных веществ, способствуя возникновению злокачественных новообразований.

Оксид азота(V) (пентаоксид диазота, азотный ангидрид) N₂O₅ – бесцветный, летуч и крайне неустойчив. Кислотный оксид. Токсичен. Разложение происходит со взрывом. Растворяется в воде с образованием азотной кислоты и в щелочах с возникновением нитратов.

Работа с N₂O₅ требует осторожности, поскольку в стандартных условиях реакция может протекать достаточно быстро с большим выделением газообразных веществ. Кроме того, при разложении он даёт ядовитый NO₂.

Азотная кислота (HNO₃) – одна из сильных неорганических кислот. С металлами она реагирует как сильный окислитель даже в разбавленных растворах. Образуется обычно нитрат металла, но вместо водорода выделяются газообразные соединения азота: NО₂, NО, N₂O, N₂ или аммиак, который в кислой среде сразу переходит в ион аммония.

Со 100%–й азотной кислотой ни железо, ни алюминий не реагируют (следовательно, ее можно хранить и перевозить в емкостях из этих металлов), так как эти металлы покрыты прочными пленками оксидов, нерастворимых в чистой кислоте.

С кислородом и озоном она не реагирует, вода лишь способствует её диссоциации.

Азотная кислота не реагирует с другими кислотами. Однако в смеси концентрированных азотной и соляной кислот образуется атомарный хлор, который очень активен и легко отбирает электроны у атомов металлов, а имеющийся «под боком» хлорид–ион образует устойчивые комплексные ионы с получающимися ионами металлов. Все это позволяет перевести в раствор даже золото. Золото и смесь концентрированных азотной и соляной кислот называют «царской водкой».

Концентрированная серная кислота как сильное водоотнимающее средство способствует реакции разложения азотной кислоты на NO₂ и кислород.

HNO₃ реагирует со щелочами, нерастворимыми гидроксидами и с основными оксидами, так как все её соли имеют хорошую растворимость в воде.

Данная кислота прекрасно реагирует с неметаллами, которые может окислить. Так, концентрированная HNO₃ реагируя с серой, фосфором и с углем, образует соответственно серную, фосфорную и угольную кислоты.

При замещении трех атомов водорода в толуоле на группы NO₂ образуется тринитротолуол (или просто тол) – взрывчатое вещество.

Оксиды азота, улетучивающиеся в атмосферу, представляют серьёзную опасность для экологической ситуации, так как способны вызывать кислотные дожди, смог, а также сами по себе являются токсичными веществами (кроме N₂O), вызывающими раздражение слизистых оболочек, отек легких, происходит нарушения в центральной и периферийной нервных системах.

Оксиды азота, соединяющиеся при участии ультрафиолетовой солнечной радиации с углеводородами, образуют новые токсичные продукты – фотооксиданты (пероксилацетилнитрат (ПАН) и другие фотохимические окислители, в том числе пероксобензоилнитрат (ПБН), озон (О₃), перекись водорода (Н₂О₂), соединения азота). Эти окислители – основные составители фотохимического смога, который наблюдается в очень загрязненных городах, расположенных в нижних широтах северного и южного полушария (например: Лос–Анджелес, Чикаго).

Для уменьшения выбросов оксидов азота во время эксплуатирования существующих стационарных установок сжигания необходимо применять:

– рециркуляцию газов, которая позволяет выровнять температуру в объеме топки и уменьшить содержание оксидов азота за счет снижения их образования из азота воздуха.

– двухступенчатое сжигание топлива, т.е. сжигание топлива в двух (или нескольких) зонах, между этими зонами создается охлаждение газов и это содействует уменьшению образования данных оксидов.

Эти методы позволят снизить их содержание в выбросах на 90%.

При сжигании топлива образуются выбросы оксидов азота, содействие в этом оказывают высокие температуры в топках котлов. Концентрация их быстро возрастает с повышением температуры. При этом наибольшую концентрацию имеет оксид NО, в то время как содержимое оксидов NO₂ и N₂O₄ незначительные. NО, который образовался в топочной камере, практически не может быть окисленным кислородом дымовых газов за короткое время, на протяжении которого газы продвигаются в пределах парогенератора и дымовой трубы. Таким образом, в атмосферу поступают в основном NO, который постепенно может окислиться к NO₂ во время движения в атмосферном воздухе.