Реферат
по предмету «Основы общейхимии»
Фотохимические процессы вверхних слоях атмосферы
Содержание
Введение
1. Особенности атмосферыЗемли
2. Основные понятия
3. Фотохимия кислорода иозона в атмосфере
4. Фотохимические реакции сучастием метана
5. Фотохимические процессыоксидов азота
Заключение
Список литературы
Введение
Атмосфераначала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологическиепроцессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождалисьвыбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водянойпар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Подвоздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался наводород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидомуглерода (II),образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процесседиффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не могулетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотянекоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Подвоздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов,присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции,в результате которых происходило образование органических веществ, в частностиаминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза,сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии вверхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли отопасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласнотеоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас,уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чемсейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьмасущественную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовыхлучей.
1. Особенностиатмосферы Земли
В результатефотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно этокасается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом идругими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемыхсоединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксидуглерода СО, сероводород Н2S. Неравновесность отчасти поддерживаетсябиологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация,инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах болеекоротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой ватмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газапозволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие ватмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей,претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуютсяядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов имонооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием такихсоединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичноевещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глази токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинствофотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Этоприводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокийэнергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние.Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся восновном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие,отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении квантавидимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергиейхимических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение –либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
2. Основныепонятия
Атмосфера –газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя еёповерхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит соколоземной частью космического пространства.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВАТМОСФЕРЫГаз Объемное содержание, %
Водород H2
~ 2·10–5
Кислород O2 21
Озон O3
~ 10–5
Азот N2 78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар H2O ~ 0,1 Угарный газ CO
1,2·10–4
Метан CH4
1,6·10–4
Аммиак NH3
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9 Гелий He
5·10–4 Неон Ne
1,8·10–3 Аргон Ar 0,9 Криптон Kr
1,1·10–4 Ксенон Xe
8,7·10–6 Средняя молекулярная масса 28,8
Верхние слоиатмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений,вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоеватмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическаярадиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются иобразуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу,термосферу и ионосферу.
Мезосфера –слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышениемтемпературы с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен навысоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C.Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации(излучения) озоном.
В целом, навсем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального еезначения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высотаоколо 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникатьочень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли,наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после заходаСолнца.
Термосфера –слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км ипростирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разныхуровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степенисолнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излученияСолнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярныесияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака –все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера –верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительнымсодержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучениякосмическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизациистановится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет судалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательнопроцессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомови ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 иих атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слоиатмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а ихсовокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна,называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфередостигается на высотах 300–400 км.
Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаютсяфотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействиемсветового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в 1-й трети XX в. Первые фотохимическиезакономерности были установлены в XIX в. Основным закон фотохимии стал закон квантовойэквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждыйпоглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу.Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера(1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические измененияпроисходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшимпараметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, которыйопределяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённыхквантов:
γ =число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимостиот типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широкихпределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии дофотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скоростьфотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1фотореакция идет по цепному механизму.
Типыфотохимических реакций:
1. Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества,поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основасеребряной фотографии), фотолиз паров ацетона CH3(CO)CH3 → CO + другиепродукты.
2. Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакцийфотосинтеза служат:
• фотосинтезозона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация:O2àO+O; фотосинтез: O2+OàO3
• фотосинтезорганических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зеленымирастениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6H2O à C6H12O6 + 6O2,
который идет только поддействием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
3. Фотохимиякислорода и озона в атмосфере
Наиболеетипичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциациямолекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действиикоротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённыемолекулы
O2 *: O2+ hν à O2*,
диссоциируют на атомы: O2* à O + O. Эти атомы вступают вовторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2 à O3. Образование озона проходит по обратимойреакции: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3.
Озон жаднопоглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и этоизлучение разогревает атмосферу. Молекула О3 неустойчива и придостаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0оС)самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 свыделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличиваютскорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переходможет носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного болеереакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (заисключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляетмногие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечнойрадиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слояозона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы- на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновыйслой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющимнас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитиежизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
4. Фотохимическиереакции с участием метана
Рассмотрениеповедения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело втом, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественномотношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана ватмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равнойинтенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощностиисточников метана в атмосфере.
Молекуламетана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворимв воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление егоиз атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления изатмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другиегазообразные соединения.
Метан, как и многиедругие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2О+ СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источникомрадикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Поддействием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются собразованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атомакислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):
О3 + hν =О2 + О*
Атомыкислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2О= 2ОН
Итак, реакциив атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2О+ СН3,
CH3 + O2= CH3O2,
CH3O2+ NO = CH3O + NO2,
CH3O+ O2 = CH2O + HO2,
НО2 + NO = OH + NО2,
2[NO2+ hν = NO + O],
CH4 + 4O2 = CH2O + H2O + 2O3
Образующиесямолекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которыедают начало новым циклам:
CH2O+ hν = H2 + CO,
СН2O + hν = Н + НСO,
CH2O+ OH = HCO + H2O
Вторая итретья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидовазота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН.Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
CH2O+ OH = HCO + H2O,
CH2O+ 2O2 + hν = CO + O3 + H2O
Такимобразом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшогоколичества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
5. Фотохимическиепроцессы оксидов азота
NO и NO2всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протеканияреакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Землеявляется результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25%приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результатсгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары,грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Этипроцессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидовазота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания напостоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всегопостоянства концентрации озона.
Фотохимическиереакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и вверхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит впроцессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, поддействием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азотавоздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаныпроцессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этихвеществ:
O + NO2à NO + O2
NO + O3à NO2 + O2
Исследованияпоследних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота ватмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2O в атмосфере около 180лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют путиестественного стока N2O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2O + O à N2 + O2,
N2O + O à 2NO
Итак, оксидазота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы ивнешние условия существования. Однако это же вещество является и мощнымвнутренним биорегулятором.
Заключение
Такимобразом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержаниипостоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами внижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфереони составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, являетсяосновой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живыхорганизмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода поддействием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектрдостигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекаякоротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живыеорганизмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя скислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон.В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. Привысокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие нацентральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного светадиоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращаеткислород О2 опять же в озон О3.
Накапливаясьв нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие наорганизм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейшийокислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5% (пообъему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции суглеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальнаяконцентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его рольсложно переоценить.
Список литературы
1) НекрасовБ.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
2) БажинН.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
3) ПрокофьеваИ… Атмосферный озон, М.-Л., 1951
4) ЗеленинК.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // СоросовскийОбразовательный Журнал. 1997. № 10.
5) ДжуаМ. История химии. М.: Мир, 1982.
6) УэйнР. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991