Фотохимический смог: причины и условия образования, основные продукты фотохимических реакций

Российский государственный социальный университет

Факультет охраны труда и окружающей среды

Кафедра социальной экологии и природопользования

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине введение в экологию и природопользование и формирование корпоративной университетской культуры на тему: «Фотохимический смог: причины и условия образования, основные продукты фотохимических реакций»

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка ЭиП-Д-1

М.Е. Тимофеева

Проверил доцент кафедры социальной

экологии и природопользования,

к.б.н. Л.А. Розумная

 

 

 

 

 

Москва, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 3

1 ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ........................................................................... 4

2 УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СМОГА.........................................................5

2.1 Температурная инверсия..................................................................................5

2.2 Солнечный свет.................................................................................................6

2.3 Оксиды азота......................................................................................................7

2.4 Органические соединения................................................................................8

3 ПРОДУКТЫ ФОТОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.............................................9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................11

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................12

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время фотохимический смог, или туман, представляет большую опасность для жителей многих крупных городов, так как там сосредоточено огромное количество различных транспортных средств, а основной причиной данного вида загрязнения атмосферы являются именно автомобильные выхлопы.

Смог ведет к увяданию растений, от него страдают различные материалы, постройки. Но, самое главное, он наносит вред людям. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем [8, с. 434]. Именно поэтому данная проблема актуальна в нашем современном мире, где количество автомобилей постоянно возрастает.

Целью данного реферата является изучение такого явления, как фотохимический смог.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• раскрыть причины возникновения фотохимического тумана;
• определить условия, при которых образуется смог;
• выявить основные продукты фотохимических реакций;
• изучить последствия данного вида загрязнения атмосферы;

В процессе изучения фотохимического смога, главным образом, был использован такой метод исследования, как теоретический анализ и синтез.

Проблема загрязнения атмосферы фотохимическим туманом в наши дни является, несомненно, очень важной и требует большого внимания. В наши дни существуют различные пути ослабления данной экологической проблемы, но полностью ее устранить еще не удалось.

 

 

 

 

1 ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ

Смог - интенсивное химическое загрязнение воздуха выбросами от промышленной деятельности [3, с. 218].

Фотохимический туман, в свою очередь, представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения [8, с. 439]. В большей  степени он появляется из-за автомобильных выхлопов.

Смог характерен для многих больших городов. Чем больше город, тем большее количество транспортных средств там сконцентрировано, и с течением времени их количество увеличивается. Наиболее остро проблема загрязнение атмосферы смогом стоит в городах таких стран, как США, Канада, Мексика, Япония и др. Что касательно России, то данная проблема характерна в основном для Москвы, Санкт-Петербурга и Алма-Аты.

Такой тип атмосферного загрязнения, как фотохимический туман появился сравнительно недавно. Фотохимический смог был впервые отмечен в Лос-Анджелесе во время второй мировой войны [1, с. 54]. Там наблюдались благоприятные условия для его возникновения: ясная безветренная погода. В то время, еще не был известен такой источник загрязнения атмосферы, как смог. Только в 1950-х годах биохимик А. Хааген-Смит пришел к выводу, что он был вызван реакциями автомобильных выхлопов при солнечном свете [1, с. 54].

Для фотохимического тумана характерна дымка голубоватого цвета, а при небольшой концентрации загрязнителей – сизая или желто-зеленая, так же смог имеет неприятный запах.

В состав смога входят фотооксиданты, продукты фотохимических реакций – озон, оксиды азота и серы, различные органические соединения, например, пары бензина, красок и т.д. Окислы азота - основная причина смога [6, с. 210].

Для решения данной проблемы необходимо, прежде всего, выявить причины и условия возникновения фотохимического тумана.

2 УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВАЕНИЯ  СМОГА

Наиболее благоприятной погодой для возникновения фотохимического тумана является устойчивая безветренная солнечная погода.

Кроме того, для возникновения смога необходимы такие условия, как:

• температурная инверсия;
• солнечный свет;
• присутствие оксидов азота;
• наличие органических соединений в воздухе [9, с. 159].

 

2.1 Температурная инверсия

 

Одним из условий возникновения фотохимического тумана является температурная инверсия.

Температурная инверсия – это явление, когда более тёплый воздух находится выше холодного и препятствует восходящим воздушным потокам [2, с. 49].

Обычно с высотой температура воздуха понижается. Теплый воздух поднимается наверх и захватывает с собой с поверхности земли загрязняющие вещества. При температурной инверсии вместо холодного воздуха в некотором слое атмосферы возникает теплый. Спокойная погода способствует расположению теплого воздуха над холодным [6, с. 16]. В результате загрязняющие вещества начинают накапливаться над землей. Данное явление хорошо можно увидеть на рисунке А.

Инверсии температуры являются задерживающими слоями в атмосфере; они препятствуют развитию вертикальных движений воздуха, вследствие чего под ними накапливаются водяной пар, пыль, ядра конденсации. Это благоприятствует образованию слоев дымки, тумана, облаков [10, с. 215].

Таким образом, температурная инверсия необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ [8, с. 434].

2.2 Солнечный свет

 

Все физические процессы на Земле очень сильно зависят от притока лучистой энергии Солнца [10, с. 113].

При продолжительной ясной погоде и при наличии дополнительных условий начинаются фотохимические реакции, которые предшествуют возникновению смога. Солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода [8, с. 434]. В воздухе атомарный кислород начинает взаимодействовать с молекулярным, в результате чего возникает озон. Он является одной из составляющей фотохимического тумана. Озон, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид, но этого не происходит [8, с. 434]. Окислы азота начинают вступать в реакции с углеводородами выхлопных газов, которые впоследствии образуют избыток озона. Таким образом, возникает циклическая реакция, в результате которой в атмосфере накапливается озон, который в больших количествах оказывает вредное физиологическое воздействие на человека. Из-за отсутствия солнечной радиации данная циклическая реакция ночью прекращаются. В свою очередь озон вступает в реакцию с углеводородами выхлопных газов. В атмосфере концентрируются различные пероксиды, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты [8, с. 434].

Таким образом, одним из основных условий возникновения смога является наличие солнечного света в течение продолжительного времени, которое способствует началу фотохимических реакций, предшествующих появлению смога.

 

 

 

 

 

2.3 Оксиды азота

 

Окислы азота - пусковые вещества фотохимического смога, а образующиеся вещества химически активны и разрушают живые ткани, вызывая удушье, а в экстремальных случаях и гибель людей. Агрессивные химические компоненты вызывают увядание растений, а также коррозию металлических конструкций, разрушение резины, красителей и других материалов [5, с. 108].

Фотохимический туман также вызывается окислами азота, которые выбрасываются в атмосферу городов в основном автомобильными двигателями. В камере сгорания двигателей при высокой температуре и давлении азот начинает реагировать с кислородом с образованием оксида азота, а в атмосфере он превращается в диоксид. Кроме того, помимо выбросов автотранспорта, оксиды азота могут попадать в атмосферу так же при грозовых разрядах и молниях, при горении биомассы и при денитрификации [9, с. 158].

Во время устойчивой безветренной погоды молекулярный кислород и окислы азота начинают поглощать энергию ультрафиолетового излучения Солнца, а так как они химически активны, то они начинают быстро вступать в химические реакции. Оксиды азота и молекулярный кислород моментально окисляют продукты сгорания автомобильного топлива – остатки углеводородов, которые выбрасываются в атмосферу огромным количеством транспорта, в результате образуются новые органические соединения.

В наши дни существуют различные нейтрализаторы выхлопных газов, которые способны уменьшить содержание оксидов азота в автомобильных выхлопах, но, тем не менее, часть их все же остается и способствует возникновению смога.

 

 

 

2.4 Органические соединения

 

Также одним из условий возникновения фотохимического тумана является наличие различных органических соединений.

Сами по себе органические вещества не так вредны. В атмосфере они взаимодействуют с такими загрязнителями, как окислы азота, вступают с ними в химические реакции, и в результате получаются новые органические вещества, которые по своему физиологическому воздействию на человека представляют большую опасность.

При одновременном присутствии в воздухе органических соединений типа углеводородов запускается цепь сложных химических реакций, в результате которых образуются альдегиды, кетоны, свободные радикалы, пероксиды. Вновь образованные вещества или фотохимические окислители по токсичности превосходят исходные продукты.

Летучие органические соединения, высвобождаемые благодаря использованию топлив на основе бензина, способствует превращению оксида азота в диоксид азота [1, с. 55].

К примеру, при реакции метана с кислородом и оксидом азота образовывается диоксид азота, который гораздо токсичнее, чем изначальный оксид. Кроме того, при данной реакции путем окисления метана образовывается муравьиный альдегид, или метаналь, который оказывают сильное раздражающее действие на слизистые оболочки и кожу

   Таким образом, различные органические соединения также способствуют возникновению фотохимического тумана. 

 

 

 

 

 

 

3 ПРОДУКТЫ ФОТОХИМИЧЕСКИХ  РЕАКЦИЙ

Как уже говорилось в первой главе, продуктами фотохимических реакций являются такие вещества, как озон, оксиды азота и серы, различные органические соединения.

Озон – это единственный загрязнитель, который наиболее ясно характеризует фотохимический смог [1, с. 55]. Озон является газом с высокой токсичностью, который при нормальных условиях имеет голубой цвет. Озон обладает высокой химической активностью. В атмосфере он может образовываться при фотохимических реакциях, в результате которых появляется их избыток.

При малых концентрациях озон благотворно действует на человека, но при содержании его в воздухе в большом количестве вызывает серьезные отравления [7, с. 253]. Токсичность озона проявляется в результате его действия на дыхательную систему человека и животных, а так же в раздражении слизистых оболочек глаза.

Другие компоненты фотохимического смога, как и озон, обладают раздражающим эффектом на слизистую глаз, верхних дыхательных путей, способствуют развитию аллергического конъюнктивита, вызывает аллергический ринит, обострение хронического синусита, насморк. Со стороны легких может отмечаться затруднение дыхания, кашель, одышка, отделение мокроты [9, с. 163].

Оксид азота – газ, не имеющий запаха, а диоксид – газ с резким запахом, окрашенный в коричневый цвет [9, с. 158]. Оксид азота образуется в больших количествах в атмосфере при грозовых разрядах, в результате работы двигателей внутреннего сгорания, реактивных двигателей, а в атмосфере при фотохимических реакциях превращается в диоксид. И если оксид азота не раздражает дыхательные пути и его можно даже не почувствовать, то диоксид, наоборот, в небольших концентрациях раздражает дыхательные пути, а в больших концентрациях вызывает отёк лёгких. Вдыхание ядовитых паров диоксида азота может привести к серьезному отравлению.  Другие действия, производимые диоксидом азота в организме человека: расширение альвеол и клеток в корешках бронхов, развитие раковых и сердечно-сосудистых заболеваний.