- •Введение
- •1. Химические основы экологических взаимодействий
- •1.1. Экологические факторы среды
- •Значения рН для пресноводных рыб Европы (по р.Дажо, 1975)
- •1.2. Химические экорегуляторы
- •I. Вещества, участвующие в межвидовых (аллелохимических) взаимодействиях
- •II. Вещества, участвующие во внутривидовых взаимодействиях
- •2. Химический этап эволюции биосферы
- •Химические гипотезы возникновения жизни
- •Химический состав межзвездного пространства (Raymand, Talbot, 1980)
- •Обнаруженные межзвездные молекулы (Raymand, Talbot, 1980)
- •3. Структура биосферы. Понятие экосистемы
- •Классификация экосистем
- •4. Химические элементы в биосфере
- •4.1. Круговорот углерода
- •4.2. Круговорот азота
- •4.3. Круговорот фосфора
- •4.4. Круговорот биогенных элементов
- •Ежегодный вынос из почвы веществ (кг/га) при средних урожаях
- •Вынос веществ (кг/га) при вырубке лесов 100-летнего возраста
- •4.5. Антропогенный круговорот вещества. Ресурсный цикл
- •5. Токсиканты окружающей среды
- •5.1. Неорганические токсиканты
- •Примеры соединений ртути
- •5.2. Диоксины и родственные им соединения
- •6. Стандарты качества окружающей среды
- •6.1. Нормирование атмосферных загрязнений
- •6.2. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах
- •6.3. Нормирование содержания вредных веществ в почве
- •7. Экологическая химия атмосферы
- •7.1. Состав атмосферы
- •Состав воздуха в приземном слое
- •7.2. Фотодиссоциация
- •Реакции, происходящие в верхних слоях атмосферы
- •7.3. Реакции атмосферных ионов
- •7.4. Источники загрязнения атмосферы
- •Масса загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу (тонн/год, по данным юнеско, 1996)
- •Выбросы в атмосферу главных загрязнителей в мире (1990 г.) и в России (1991 г.)
- •8. Экологическая химия гидросферы
- •Запасы воды в гидросфере Земли
- •Источники загрязнения нефтью мировых водоемов на начало восьмидесятых годов. Общее количество 2 - 5 млн. Тонн в год (по данным Ревелль н., Ревелль ч., 1995)
- •9. Экологическая химия литосферы
- •Химический состав земной коры на глубинах 10 - 20 км
- •Классификация природных вод (почвенных растворов) в зависимости от их минерализованности
- •Биологическое усиление ддт (по п. Ревелль, ч. Ревелль, 1995)
- •10. Экологический мониторинг
- •Система наземного мониторинга окружающей среды (по и.П. Герасимову, 1975)
- •Заключение
- •Примерный перечень вопросов для самостоятельной работы по курсу «Экологическая химия»
- •236041, Г. Калининград, ул. А. Невского, 14
Состав воздуха в приземном слое
Компонент |
Содержание в мольных % |
Молярная масса |
Азот N2 |
78,04 |
28,013 |
Кислород O2 |
20,948 |
31,998 |
Аргон Ar |
0,934 |
29,948 |
Диоксид углерода CO2 |
0,033 |
44,009 |
Неон Ne |
0,001818 |
20,183 |
Гелий He |
0,000524 |
4,003 |
Метан CH4 |
0,0002 |
16,043 |
Криптон Kr |
0,000114 |
83,800 |
Водород H2 |
0,00005 |
2,0159 |
Оксид азота (1) N2O |
0,00005 |
44,013 |
Ксенон Xe |
0,0000087 |
131,300 |
Примечание. Озон O3, диоксид серы SO2, оксид азота NO2, аммиак NH3, оксид углерода СО присутствуют в качестве примесей, и их содержание может меняться.
Хотя на верхние зоны атмосферы приходится лишь небольшая часть ее массы, эти верхние слои в значительной мере определяют жизнь на поверхности Земли. Они защищают нашу планету от потока лучей и града частиц высоких энергий. В результате такого воздействия молекулы и атомы подвергаются химическим превращениям. Диффузное разделение (более тяжелые внизу, более легкие наверху) за длительный период привело к тому, что на высоте 500 - 1000 км элемент гелий становится основным компонентом атмосферы. Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 -3000 км преобладает водород.
7.2. Фотодиссоциация
Солнце испускает энергию с разной длиной волны. Коротковолновое излучение в ультрафиолетовой области спектра обладает высокой энергией, вызывающей химические реакции. При этом энергия фотона (Е = h) должна быть достаточна для разрыва химической связи в молекуле и инициирования процесса. Кроме того, молекулы должны поглощать фотон, энергия которого должна превращаться в какую-либо иную форму. Первая реакция - фотодиссоциация кислорода:
О2 (г) + h ® 2 О (г) . (1)
Максимальная энергия, которая необходима для такого превращения, равна 495 кДж/моль. Можно выполнить нетрудный расчет (см. ниже задачу) и определить, каковы должны быть и этого излучения. l равна 242 нм. Значит, любой фотон с длиной волны менее 242 нм имеет достаточную энергию для этой реакции (чем короче , тем выше энергия).
Задача. Какая длина волны фотона соответствует молярной энергии диссоциации связи 495 кДж/моль?
Решение. Сначала вычислим энергию, необходимую для разрыва связи в одной молекуле.
Е` = = = 8,22·10–19 .
Найдем частоту колебания, зная, что энергия фотона Е = h; = = = = 1,24·1015 с-1.
Вспомним, что произведение частоты и длины волны электромагнитного излучения равно скорости света: · = с = 3,00·108 м/с; = = = = 242 нм.
К нашему счастью, молекулы О2 поглощают большую часть коротковолнового излучения с высокой энергией, прежде чем оно достигнет нижней части атмосферы. При этом образуется атомарный кислород. На высотах около 400 км диссоциировано 99% молекул кислорода, на долю молекул О2 приходится лишь 1%. На высоте 130 км содержание О2 и О одинаково. На меньших высотах содержание молекулярного кислорода больше такового атомарного.
Энергия диссоциации молекулы N2 очень велика, значит, разорвать молекулу могут только фотоны с чрезвычайно высокой энергией и очень малой . Таких фотонов немного, да и молекула азота плохо поглощает фотоны, даже если их энергия окажется достаточной. Вследствие этого атомарного азота очень мало.
Фотодиссоциация воды. Концентрация паров воды значительна вблизи поверхности Земли, но быстро уменьшается с высотой. На высоте 30 км (стратосфера) составляет три молекулы на миллион молекул смеси. Однако, оказавшись в верхних слоях, вода подвергается фотодиссоциации:
Н2О (г) + hn ® Н (г) + ОН (г); (2)
ОН (г) + hn ® Н (г) + О (г). (3)
Фотодиссоциация (уравнения 1-3) осуществляется через процесс ионизации. В 1924 году было установлено, что в верхних слоях атмосферы имеются свободные электроны, а по закону баланса зарядов должны быть и положительно заряженные ионы. Откуда же берутся эти ионы? В меньшей мере от воздействия электронов, прилетающих от Солнца вместе с солнечным ветром, а в большей мере - вследствие фотодиссоциации. При воздействии фотона молекула может поглотить его, не расщепляясь на атомы. При этом фотон выбивает из молекулы электрон самого верхнего уровня, и образуется молекулярный ион. Таким же образом может подвергнуться ионизации и нейтральный атом.
Фотоны, вызывающие ионизацию, относятся к высокочастотной коротковолновой области в пределах ультрафиолета. Это излучение не доходит до поверхности Земли, его поглощают верхние слои атмосферы (табл. 7.2).
Таблица 7.2