1.4 Основные химические реакции, протекающие в воздухе во время смога

Загрязнение воздуха городов происходит в основном в результате процессов сгорания. Топливо обычно состоит из углеводородов, за исключением в основном экзотических примесей, таких, как ракетная промышленность, где иногда используется азот, алюминий и даже бериллий. Сжигание топлива первоначально кажется безвредным, но оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода, отрицательно влияющих на окружающую среду.

Образование первичных загрязнителей в процессе сгорания топлива:

Топливо обычно состоит из углеводородов и обычный процесс сгорания приводит к образованию углекислого газа и воды, реакция проходит по формуле (1):

4CH + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O (1)

Этот процесс не является особо опасным, поскольку ни углекислый газ, ни вода не являются токсичными веществами. Однако при недостатке кислорода в двигателе или котле могут образовываться токсичные компоненты :

4CH + 3O₂ → 4CO + 2H₂O (2)

В процессе химической реакции (формула 2) образуется оксид углерода - угарный газ, который является ядовитым. Если же кислорода будет еще меньше, образуется углерод – сажа (формула 3):

4CH + O₂ → 4C + 2H₂O (3)

При низких температурах и в случает относительно небольшого количества кислорода реакции пиролиза могут вызвать изменения в расположении атомов, приводящее к образованию полициклических ароматических углеводородов в процессе сжигания. Наиболее печально известен бензапирен, соединение, вызывающее рак, имеет первый класс опасности.

Таким образом, не смотря на то, что сжигание топлива первоначально кажется безвредным, оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода, образующих смог.

Кроме того, загрязнение воздуха могут вызвать примеси, входящие в состав топлива. Наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера, частично представленная в виде минерала пирита – FeS₂. В некоторых углях может содержаться до 6% серы, которая превращается при сжигании в диоксид серы – SO₂.

4FeS_2(тв) + 11O₂ → 8SO₂ + 2Fe₂O₃ (4)

В топливе присутствуют и другие примеси, но сера всегда считалась наиболее типичным промышленным загрязнителем атмосферного воздуха.

Если рассматривать состав различных топлив ( таблица 1), видно, что они содержат сильно варьирующие количества серы. Наибольшее содержание серы найдено в углях и горючих маслах.

Таблица 1

Содержание серы в топливах

Вид топлива	% содержания серы
Уголь	0,2 – 6
Горючие масла	0,4 – 0,5
Кокс	1,5 – 2,5
Дизельное топливо	0,1
Керосин	0,1
Дерево	Очень мало
Природный газ	Очень мало

Сажа, угарный газ и диоксид серы являются первичными загрязнителями, которые могут образовывать смог.

Образование вторичных загрязнителей.

Диоксид серы хорошо растворим в атмосферном воздухе, который конденсирует вокруг частиц, находящихся в нем, например, дыма.

Следы металлов, которые могут находиться в загрязненном воздухе катализируют реакцию преобразования диоксида серы в серную кислоту.

Серная кислота обладает большим сродством к воде , поэтому образовавшаяся капелька дополнительно абсорбирует воду. Капельки постоянно растут и «туман – убийца»,влажный смог, сгущается, достигая довольно низких значений pH.

Воздух – это в основном смесь азота и кислорода. Эти молекулы при воздействии высоких температур могут преобразовываться и вступать в химические реакции.

В двигателях внутреннего сгорания из-за непосредственного соединения азота и кислорода образуется монооксид азота. Далее он частично окисляется кислородом с образованием диоксида азота – бурый газ.

Этот газ поглощает солнечный свет, является химически активным и претерпевает фотодиссоциацию:

NO₂ + hu → O + NO (5)

Таким образом согласно уравнению (5), вновь возникает оксид азота, но также одиночный и реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием озона:

O + O₂ → O₃ (6)

Озон – это единственный загрязнитель, наиболее ясно характеризующий фотохимический смог. Однако озон, который представляет такую проблему, не выбрасывается в воздух с автомобильными выхлопами. Это вторичный загрязнитель.

В дневные часы озон медленно реагирует с диоксидом азота, образуя

нитратный радикал (NO₃), который в свою очередь вступает в дальнейшие реакции с оксидами азота. Одним из конечных продуктов является азотный ангидрид (N₂O₅). И если в атмосфере имеется водяной пар, то азотный ангидрит вступает с ним в реакцию. Продуктом этой реакции является азотная кислота.

Так же имеют влияния углеводороды. Именно их присутствие в тропосфере вызывает ухудшение видимости и в результате их частичного разрушения образуются многие вредные вещества, среди которых: пероксиацетилнитрат (ПАН), альдегиды, угарный газ, углекислый газ, карбоновые кислоты, кетоны, окислы олефина, парафины и др(прил.1).

И так, летучи органические соединения, высвобождаемые благодаря использованию топлива на основе бензина, способствует превращению оксида азота в диоксид азота, а в следствии в озон. Эти химические реакции лежат в основе появления фотохимического смога.