Zespół Szkół Ogrodniczych w Mszanie Dolnej GAZOWE ZWIĄZKI CHEMICZNE ATMOSFERY ZIEMSKIEJ I ICH WPŁYW NA ORGANIZM CZŁOWIEKA.

Transkrypt

1 Zespół Szkół Ogrodniczych w Mszanie Dolnej GAZOWE ZWIĄZKI CHEMICZNE ATMOSFERY ZIEMSKIEJ I ICH WPŁYW NA ORGANIZM CZŁOWIEKA Alicja Olajossy Mszana Dolna 2003

2 SPIS TREŚCI Streszczenie. Wstęp Atmosfera Warstwowa budowa atmosfery Powstawanie atmosfery teoria wielkiego wybuchu Skład chemiczny współczesnej atmosfery Skład czystego powietrza atmosferycznego Źródła składników atmosfery Charakterystyka gazowych związków chemicznych Woda Budowa i właściwości cząsteczki wody Rola wody w atmosferze Związki siarki Tlenek siarki Budowa i właściwości tlenku siarki(iv) Wpływ tlenku siarki(iv) na organizm człowieka Siarkowodór Budowa i właściwości siarkowodoru Wpływ siarkowodoru na organizm człowieka Związki węgla Tlenki węgla Budowa i właściwości tlenku węgla(iv) Budowa i właściwości tlenku węgla(ii) Wpływ tlenków węgla na organizm człowieka Węglowodory i ich pochodne Budowa i właściwości metanu Formaldehyd Freony i halony Związki azotu Źródła związków azotu w atmosferze Tlenki azotu Budowa i właściwości tlenku azotu(i) Budowa i właściwości tlenku azotu(ii) Budowa i właściwości tlenku azotu(iv) Wpływ NO x na organizm człowieka Amoniak Budowa i właściwości amoniaku Wpływ amoniaku na organizm człowieka Gazowe związki fluoru Biologiczne oddziaływanie gazów toksycznych Przemiany chemiczne i fotochemiczne gazowych związków atmosfery. 2

3 4.1. Mechanizmy tworzenia smogu Smog fotochemiczny Smog kwaśny Mechanizmy powstawania kwaśnych deszczów Mechanizm efektu cieplarnianego Zmiany zawartości ozonu w atmosferze Niszczenie ozonu stratosferycznego Wzrost stężenia ozonu w troposferze Sposoby ochrony atmosfery przed zanieczyszczeniami Literatura. 3

4 STRESZCZENIE W pracy poruszono podstawowe zagadnienia dotyczące gazowych związków chemicznych atmosfery ziemskiej. Omówiono budowę wybranych substancji chemicznych, ich właściwości oraz ich wpływ na organizm człowieka. Przedstawiono procesy i przemiany jakim w atmosferze podlegają związki siarki, węgla i azotu pod wpływem promieniowania słonecznego i wolnych rodników. Zwrócono uwagę na mechanizmy powstawania smogów, kwaśnych deszczów, efektu cieplarnianego i dziury ozonowej, a także na procesy prowadzące do obniżenia zawartości w atmosferze związków chemicznych niekorzystnych dla życia na Ziemi. 4

5 STRESZCZENIE W pracy poruszono podstawowe zagadnienia dotyczące gazowych związków chemicznych atmosfery ziemskiej. Omówiono budowę wybranych substancji chemicznych, ich właściwości oraz ich wpływ na organizm człowieka. Przedstawiono procesy i przemiany jakim w atmosferze podlegają związki siarki, węgla i azotu pod wpływem promieniowania słonecznego i wolnych rodników. Zwrócono uwagę na mechanizmy powstawania smogów, kwaśnych deszczów, efektu cieplarnianego i dziury ozonowej, a także na procesy prowadzące do obniżenia zawartości w atmosferze związków chemicznych niekorzystnych dla życia na Ziemi. 5

6 Wstęp Środowisko to ogół elementów materialnych, energia i zjawiska od których zależy istnienie organizmów. Podstawowymi elementami składowymi środowiska są: - litosfera zewnętrzna warstwa kuli ziemskiej sięgająca do głębokości km, obejmująca skorupę ziemską, kopaliny i glebę, która jest siedliskiem życia wielu organizmów - hydrosfera wodna powłoka Ziemi, która obejmuje wody powierzchniowe takie jak oceany, morza, jeziora, bagna, pokrywy śnieżne i lodowce oraz zbiorniki wód podziemnych - atmosfera powłoka gazowa otaczająca Ziemię Elementami środowiska są również organizmy żywe rośliny, zwierzęta, grzyby, bakterie, pierwotniaki zamieszkujące biosferę utworzoną z części hydrosfery, litosfery i atmosfery oraz dobra wytworzone ręką człowieka. Nie można wyznaczyć wyraźnej granicy pomiędzy poszczególnymi sferami, są one wzajemnie powiązane i zależne od siebie. Zasoby hydrosfery mogą przenikać do innych powłok otaczających Ziemię tj. do litosfery i atmosfery oraz mogą zmieniać stan skupienia z ciekłego w gazowy lub stały. Gazy typowe dla atmosfery przenikają do litosfery i hydrosfery, a organizmy żywe korzystają ze wszystkich elementów środowiska. Wszystkie elementy tworzące środowisko wzajemnie na siebie oddziałują, co w istotny sposób wpływa na krążenie materii w przyrodzie Atmosfera ziemska 1.1. Warstwowa budowa atmosfery Ziemi. Atmosfera ziemska to mieszanina różnorodnych gazów o łącznej masie około 5,15 * ton. Wraz z wysokością zmianie ulegają takie parametry jak skład, ciśnienie, temperatura, gęstość. Są one podstawą do wyróżnienia w atmosferze charakterystycznych warstw. 6

7 Rys.1 Schemat warstwowej budowy atmosfery ziemskiej. Troposfera to warstwa przylegająca bezpośrednio do powierzchni Ziemi. W zależności od pory roku i szerokości geograficznej sięga do 8 km nad biegunami i do 17 km nad równikiem. Jej charakterystyczną cechą jest spadek temperatur wraz ze wzrostem wysokości o średnio 6.5K/km. Najwyższą warstwą troposfery jest cienka tropopauza, w której pionowy gradient temperatur zachowuje wartość 0. Nad troposferą do wysokości 50 km od powierzchni Ziemi znajduje się stratosfera. W niższych partiach tej warstwy temperatura waha się w granicach K, a w wyższych rośnie wraz z wysokością, osiągając przy górnej granicy około 273K. W stratosferze na wysokości około km można wyróżnić warstwę bogatszą od pozostałych w ozon (O 3 ) ozonosferę, która tworzy dla Ziemi płaszcz chroniący przed nadmiernym promieniowaniem ultrafioletowym docierającym z kosmosu. Ponad stratosferą rozciąga się cienka warstwa stratopauzy o stosunkowo stałej temperaturze, która przechodzi w mezosferę rozciągającą się od 50 do 85 km. W warstwie tej obserwuje się spadek temperatury do 195K. Najwyższa warstwa mezosfery to mezopauza warstwa atmosfery o najniższej temperaturze 160K. Ponad mezosferą od 85 do 800 km znajduje się termosfera, w której temperatura rośnie wraz z wysokością wskutek silnej jonizacji gazów wywołanej procesami fotochemicznymi zachodzącymi pod wpływem promieniowania słonecznego i kosmicznego. Na wysokości 120 km nad powierzchnią Ziemi temperatura osiąga 370K, a na wysokości 400 km 1800K. Najwyższa warstwa atmosfery, powyżej 800 km to egzosfera (strefa 7

8 rozpraszania), która przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Temperatura w tej warstwie stopniowo obniża się, a w przestrzeni międzyplanetarnej osiąga 276K. Przyjmując za kryterium podziału właściwości fizyczne i chemiczne atmosfery ziemskiej, można ją podzielić na chemosferę (utworzoną głównie przez cząsteczki, atomy i rodniki) oraz jonosferę (silnie zjonizowaną część atmosfery) Powstawanie atmosfery teoria wielkiego wybuchu. Obecny skład atmosfery jest następstwem procesów, które od wielu miliardów lat przebiegają we wszechświecie z różnym nasileniem. Współczesna nauka zakłada, że początek wszechświata nastąpił wskutek wielkiego wybuchu, który miał miejsce miliardów lat temu. Dowodami przemawiającymi za słusznością tej teorii są: - rozszerzanie się wszechświata - istnienie promieniowania pozostałego po wielkim wybuchu - względna obfitość występowania lekkich pierwiastków. W chwili wielkiego wybuchu cała materia i energia, którą możemy dziś obserwować skupiona była w jednym punkcie i stąd miała nieskończenie wysoką gęstość i temperaturę. Spadek gęstości i obniżanie się temperatury spowodowane wzrostem promienia wszechświata były podstawowymi czynnikami wpływającymi na kierunek przemian we wszechświecie. Gdy temperatura osiągnęła około 100 miliardów stopni, wszechświat składał się z kwarków - cząsteczek elementarnych, poruszających się w morzu energii, które dały początek protonom i neutronom. W temperaturze około jednego miliarda stopni protony i neutrony zaczęły łączyć się ze sobą tworząc jądra deuteru (D) i helu (He), a te przyłączały kolejne cząstki elementarne dając początek jądrom atomowym cięższych pierwiastków. Dalszy spadek temperatury do kilku tysięcy stopni umożliwił łączenie się jąder atomowych z elektronami i powstawanie atomów. Obojętne atomy wodoru i helu utworzyły chmury gazów, które dały początek gwiazdom i galaktykom. Wzrost temperatury spowodowany wzrostem liczby zderzeń atomów, doprowadził do syntezy pierwiastków ciężkich. Jądro Ziemi (wg teorii akrecji) powstało około 4,5 mld lat temu, jako efekt zderzeń obiektów gazowo pyłowych we wszechświecie. Jest ono źródłem pola magnetycznego i pierwotnej atmosfery składającej się z wodoru i helu oraz innych gazów szlachetnych. Taka pierwotna atmosfera musiała się ulotnić (wraz z innymi pierwiastkami takimi jak węgiel czy azot) do przestrzeni międzyplanetarnej. Za słusznością tego stwierdzenia przemawiają fakt, że udział pierwiastków ciężkich Ziemi jest o wiele wyższy niż przeciętny ich rozkład w kosmosie. W temperaturze około 1273K zaczęła powstawać pierwotna skorupa ziemska, a procesy fizyczne i chemiczne (wietrzenie skał magmowych, 8

9 formowanie skał osadowych, zjawiska wulkaniczne, fotoliza wody pod wpływem promieniowania UV, skraplanie pary wodnej) przyczyniły się do zmian składu pierwotnej atmosfery i ukształtowania się ziemskiej atmosfery wtórnej. Głównymi składnikami tej wczesnej wtórnej atmosfery był tlenek węgla(iv) (CO 2 ) i para wodna oraz wodór, azot, a także śladowe ilości metanu, amoniaku, tlenku węgla(ii), tlenku siarki(iv), siarkowodoru, chlorowodoru. Brakowało tlenu, dzięki czemu do powierzchni Ziemi mogło docierać ze Słońca promieniowanie nadfioletowe (UV) czynnik niezbędny do syntezy prostych związków organicznych (biogeneza). Zgodnie z koncepcją Oparina i Haldanea, brak w praatmosferze tlenu był jednym z wielu czynników, które musiały być spełnione aby powstało życie na Ziemi. Jednym z istotnych dowodów, sugerującym, że pierwotna atmosfera ziemska pozbawiona była tlenu molekularnego (O 2 ), jest obecność pirytów (FeS 2 ) w starych pokładach skał osadowych, których powstanie związane jest z procesami biegnącymi w atmosferze redukującej. Para wodna, która występowała w dużych ilościach we wczesnej atmosferze Ziemi stanowiła główne źródło wodoru molekularnego (H 2 ) i tlenu molekularnego (O 2 ). W procesie fotolizy indukowanym promieniowaniem UV następował rozpad cząsteczek wody na tlen i wodór. Z chwilą, gdy w atmosferze znalazły się ilości tlenu wystarczające do pochłonięcia promieniowania nadfioletowego dalsze wytwarzanie tlenu drogą fotolizy ustało. Ten istotny etap ewolucji atmosfery ziemskiej nazwano efektem Ureya. Powszechnie przyjmuje się, że prawie cały tlen molekularny (O 2 ) zawarty w dzisiejszej atmosferze ziemskiej został wytworzony przez rośliny zielone w procesie fotosyntezy (początkowo w zbiornikach wodnych). Dwuatomowe cząsteczki tlenu pod wpływem promieniowania UV ulegały fotolizie. W wyniku tego procesu powstał wysokoreaktywny tlen atomowy (O ), który reagował z cząsteczkami O 2 tworząc ozon (O 3 ): O 2 + hν = O + O O 2 + O = O 3 Ozon w znacznie większym stopniu niż tlen posiada właściwości pochłaniania promieniowania nadfioletowego, co ochroniło pierwotne organizmy, a w konsekwencji umożliwiło opanowanie lądów przez żywe organizmy. W tym samym czasie występowały w atmosferze ziemskiej procesy prowadzące do obniżenia zawartości CO 2. Związek ten był wiązany w procesie fotosyntezy oraz procesach prowadzących do powstania węglanów: CaSiO 3 + CO 2 = CaCO 3 + SiO 2 Olbrzymie ilości CO 2 uwięzione są dziś głównie w skałach węglanowych wapieniach. 9

10 1.3. Skład chemiczny współczesnej atmosfery Ziemi Skład czystego powietrza atmosferycznego. Skład chemiczny współczesnej atmosfery to szereg substancji gazowych, ciekłych, pyłowych, pochodzenia naturalnego i antropogenicznego, których stężenie w poszczególnych warstwach atmosfery może być odmienne. Bliżej powierzchni Ziemi znajdują się gazy cięższe, dalej coraz lżejsze. Przeciętny skład czystego powietrza w troposferze przedstawia tabela 1: Tabela 1. Skład czystego powietrza atmosferycznego Nazwa składnika Wzór Zawartość w częściach milionowych (ppm) objętościowo Azot N Tlen O Argon Ar 9340 Tlenek węgla(iv) CO Neon Ne 18 Hel He 5 Metan CH 4 2 Krypton Kr 1 Wodór H 2 0,5 Tlenek azotu(i) N 2 O 0,3 Ksenon Xe 0,08 Ozon O Amoniak NH Jod I 2 0,01 Tlenek azotu(iv) NO 2 0,01 Tlenek siarki(iv) SO 2 0,001 Tlenek węgla(ii) CO 0,05-0,2 Para wodna H 2 O Ilość zmienna Oprócz składników typowych dla czystego powietrza, w atmosferze występują zanieczyszczenia substancje, których udział w powietrzu przekracza średnią zawartość oraz substancje obce pochodzenia antropogenicznego Źródła składników atmosfery ziemskiej. Substancje, które tworzą współczesną atmosferę Ziemi powstają w: 10

11 - procesach naturalnych, które są typowe dla warunków w jakich zachodzą - w procesach technologicznych - wtórnie w trakcie przemian chemicznych substancji emitowanych do atmosfery za źródeł naturalnych i antropogenicznych, często przy udziale promieniowania (reakcje fotochemiczne). Poniżej przedstawiono naturalne i antropogeniczne źródła składników atmosfery (tabela 2 i 3): Tabela 2. Naturalne źródła składników atmosfery ziemskiej. Źródło substancji procesy geochemiczne takie jak np. zjawiska wulkaniczne przemiany promieniotwórcze procesy atmosferyczne inicjowane działaniem promieniowania słonecznego i wyładowaniami elektrycznymi procesy przebiegające w zbiornikach wodnych, w wyniku działania organizmów biologicznych, procesów geochemicznych, rozkładu materii organicznej procesy fizjologiczne organizmów lądowych Rodzaj substancji H 2 O, SO 2, HCl, HBr, HF, CO 2, CH 4, CO, H 2 śladowe ilości pierwiastków gazowych np. H 2, O 2, He NO, O 3, HNO 3 gazy, które drogą dyfuzji przenikają do atmosfery, są to głównie CO, CO 2, (CH 3 ) 2 S, H 2 S, CH 4, N 2 O, NH 3 oraz śladowe ilości C 2 H 6, CH 3 I, CHCl 3, CS 2 O 2, N 2, CO 2, NH 3, H 2 S, CH 4 Tabela 3. Antropogeniczne źródła substancji chemicznych w atmosferze ziemskiej. Źródło substancji Rodzaj substancji rolnictwo NH 3, H 2 S, NO x elektrownie CO X, NO X, SO X, skondensowane węglowodory aromatyczne opuszczone gazownie CH 4, H 2 S, NH 3 wydobycie i SO X, Pb, Cd, As, Hg, Ni, Tl, przetwórstwo rud metali przemysł pyły As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Tl, Zn, 11

12 metalurgiczny krople kwasów przemysł chemiczny i węglowodory i ich pochodne, Hg, Hg(CH 3 ) 2 elektroniczny niszczenie odpadów dymy (spalanie odpadów), NH 3, H 2 S, CH 4 (składowanie odpadów), inne transport CO X, NO X, SO X, O 3, dymy, Pb(C 2 H 5 ) Charakterystyka gazowych związków chemicznych atmosfery WODA Woda w atmosferze występuje przede wszystkim w postaci pary wodnej, mgły i kropek deszczu, a w temperaturze poniżej 273K w postaci śniegu i gradu. Jej zawartość waha się w granicach 0,4 4%. Wzrost ilości wody w atmosferze związany jest z procesami parowania zbiorników wodnych i gleby oraz transpiracją mechanizmem usuwania wody przez rośliny. W skutek opadów atmosferycznych ilość pary wodnej w atmosferze zmniejsza się Budowa cząsteczki wody. Cząsteczka wody jest dipolem, zbudowanym z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Pomiędzy atomami wodoru i tlenu występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Wspólna para elektronów tworząca wiązanie przesunięta jest w stronę tlenu ( tu tworzy się biegun ujemny dipola). Silna polaryzacja wiązania H-O w cząsteczce wody wpływa na wyjątkowo dużą stałą dielektryczną (80,4 w 293K), znaczny moment dipolowy (1,86D) oraz tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody zwłaszcza w temperaturze poniżej 273K. W trakcie topnienia lodu część wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody ulega zniszczeniu, a cząsteczki wody ciekłej zbliżają się do siebie, przez co zajmują mniejszą objętość oraz mają większą gęstość. Największą gęstość woda osiąga w temperaturze 273K. Dalsze ogrzewanie wody związane jest ze wzrostem energii oraz ruchliwości cząsteczek i maskuje efekt wzrostu gęstości wskutek pękania wiązań wodorowych. Kształt kątowy cząsteczki wody wynika z hybrydyzacji sp 3 atomu tlenu, którego orbitale nakładają się z orbitalami atomów wodoru. W cząsteczce obecne są dwa orbitale wiążące typu σ. Dwie wolne pary elektronów zlokalizowane przy tlenie, odpychają się silniej niż orbitale wiążące, dlatego kąt pomiędzy wiązaniami jest mniejszy niż 109 o 28 i wynosi 104,5 o. 12

13 model cząsteczki wody Cząsteczka wody ma budowę dipolową, co sprzyja jej rozpadowi na jony. Jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu polarnych substancji chemicznych. Woda posiada wysoką pojemność cieplną, co oznacza, że może absorbować znaczne ilości ciepła bez dużych zmian temperatury. Posiada także wysokie ciepło parowania parując wywołuje efekt oziębiania Rola wody w atmosferze. Krople wody odgrywają ważną rolę w bilansie cieplnym Ziemi, ponieważ absorbują promieniowanie w podczerwieni. Chmury utworzone z kropel wody odbijają i rozpraszają światło słoneczne, powodując tym samym spadek temperatury przy powierzchni Ziemi. Jednocześnie zatrzymują ciepło reemitowane z powierzchni Ziemi. Woda bierze również udział w reakcjach prowadzących do powstania kwaśnych deszczów. Jest obok CO 2 substratem w procesie fotosyntezy. Doświadczenia z wykorzystaniem znaczników izotopowych dowiodły, że tlen powstający w procesie fotosyntezy pochodzi z wody, a nie z CO 2. Woda w stratosferze jest źródłem rodników hydroksylowych HO, których udział w reakcjach rodnikowych jest znaczący ZWIĄZKI SIARKI Do głównych związków siarki występujących w atmosferze należą: - tlenki siarki SO 2 i SO 3 - siarkowodór H 2 S produkt beztlenowego rozkładu materii organicznej bogatej w białka - organiczne pochodne siarkowe dimetylosiarczek (CH 3 ) 2 S, dimetylodisiarczek (CH 3 ) 2 S 2, metylomerkaptan CH 3 SH, które powstają w wyniku procesów życiowych bakterii i glonów w wodach morskich Tlenek siarki(iv) Budowa i właściwości tlenku siarki(iv). 13

14 Tlenek siarki(iv) - SO 2 (ditlenek siarki) jest gazem powstającym głównie podczas spalania różnorodnych paliw zawierających siarkę, w procesie wytapiania rud i prażenia pirytów oraz w wyniku erupcji wulkanów: S + O 2 = SO 2 Jest gazem bezbarwnym, o charakterystycznym drażniącym zapachu palonej siarki. Rozpuszcza się w wodzie z utworzeniem kwasu siarkowego(iv): SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 Gazowy SO 2 zawiera cząsteczki pojedyncze, płaskie, o kącie pomiędzy wiązaniami 119,5 o co świadczy o trygonalnej hybrydyzacji atomu siarki sp 2. Pomiędzy atomem siarki i atomami tlenu występują dwa zlokalizowane wiązania σ i jedno zdelokalizowane π (wiązanie S-O ma charakter pośredni pomiędzy pojedynczym a podwójnym). model cząsteczki SO 2 Tlenek siarki(iv) w atmosferze ulega utlenianiu do tlenku siarki(vi) na drodze reakcji wolnorodnikowych oraz reakcji z ozonem lub tlenkami azotu: SO 2 + O 3 = SO 3 + O 2 SO 2 + HO 2 = SO 3 + OH SO 2 + NO 2 = SO 3 + NO Wpływ tlenku siarki(iv) na organizm człowieka. Z tlenków siarki występujących w przyrodzie SO 2 stanowi główne zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego. Jego stężenie w powietrzu terenów zurbanizowanych i uprzemysłowionych przekracza często dopuszczalne normy. Jego absorpcja w płucach i górnych drogach oddechowych człowieka zależy od stężenia gazu w powietrzu oraz prędkości przepływu w drogach oddechowych. Działa drażniąco na układ oddechowy, upośledza jego mechanizmy obronne, gdyż poraża nabłonek rzęskowy wyścielający drogi oddechowe. Rozpuszcza się w wodzie wydzieliny błon śluzowych powodując skurcze oskrzeli i tchawicy, co jest szczególnie groźne dla astmatyków. Może 14

15 powodować stany zapalne spojówek. Szkodliwość SO 2 wzrasta, gdy zaadsorbowany na cząsteczkach pyłów. jest Siarkowodór Budowa i właściwości siarkowodoru. Siarkowodór H 2 S, to bezbarwny gaz o nieprzyjemnym zapachu, silnie toksyczny. Rozpuszcza się w wodzie dając odczyn słabo kwaśny. Pojedyncze cząsteczki swoją kątową budowę zawdzięczają hybrydyzacji sp 3 atomu siarki. Wiązania pomiędzy atomami wodoru i siarki typu σ są słabo spolaryzowane cząsteczki mają mały moment dipolowy (0,93D). kształt cząsteczki H 2 S Wpływ siarkowodoru na organizm człowieka. Siarkowodór jest jedną z najbardziej niebezpiecznych trucizn gazowych na jakie narażony jest człowiek. Działanie drażniące obserwuje się już w zakresie 16 32mg/m 3 (11,5 23ppm), a objawia się ono podrażnieniem spojówek oczu. W układzie oddechowym objawami działania drażniącego są napady kaszlu, zmiany zapalne prowadzące do obrzęku płuc, trwałe uszkodzenia układu nerwowego i sercowo naczyniowego (m.in. ubytki inteligencji i trwałe przyspieszenie rytmu serca). Wyższa zawartość H 2 S w otoczeniu człowieka powoduje porażenie nerwu węchowego, co wpływa na zanik wyczuwania tego gazu w powietrzu jakim oddycha człowiek i może doprowadzić do śmierci przez uduszenie ZWIAZKI WĘGLA Tlenki węgla Budowa i właściwości tlenku węgla(iv). 15

16 Tlenek węgla(iv) - CO 2 (ditlenek węgla) jest bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym gazem, dobrze rozpuszczalnym w wodzie, 1,53 razy cięższym od powietrza. Powstaje wszędzie tam, gdzie zachodzą procesy spalania związków bogatych w węgiel (głównie paliw kopalnych) w stosunkowo niskiej temperaturze spalania i w obecności dostatecznej ilości tlenu: C + O 2 = CO 2, a także jako produkt oddychania roślin i zwierząt: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O. Innymi ważnymi źródłami atmosferycznego CO 2 są procesy fermentacji alkoholowej, rozkładu tlenowego i beztlenowego materii organicznej, rozkład mocznika, erupcje wulkaniczne. CO 2 w naturalny sposób eliminowany jest z atmosfery w procesie fotosyntezy przy udziale roślin zielonych. Rośliny te przyswajają i przetwarzają CO 2, wbudowując go w swoje organizmy: 6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Tlenek węgla(iv) jest pod względem chemicznym mało aktywnym związkiem. Reagując z wodą daje słabo kwaśny odczyn. Pojedyncze cząsteczki CO 2 mają budowę liniową, wynikającą z hybrydyzacji sp atomu węgla. Pomiędzy atomami tlenu i węgla występują dwa wiązania typu σ i dwa wiązania typu π. model cząsteczki CO Budowa i właściwości tlenku węgla(ii). Tlenek węgla(ii) CO (tlenek węgla) jest produktem niecałkowitego spalania węgla i jego związków, a w pomieszczeniach zamkniętych również tytoniu. Powstaje, gdy temperatura spalania jest bardzo wysoka: 2C + O 2 = 2CO 16

17 W naturalny sposób powstaje (w niewielkich ilościach) w wyniku erupcji wulkanów, pożarów lasów i stepów, rozkładu martwej materii organicznej, fotochemicznego rozkładu materii organicznej (np. aldehydów lub ketonów) oraz w wyniku wyładowań elektrycznych. Sama degradacja chlorofilu, zachodząca jesienią uwalnia do atmosfery około 20% CO rocznie. Za usuwanie CO z powietrza odpowiedzialne są mikroorganizmy (np. bakterie tlenkowęglowe), które przeprowadzają reakcje utleniania lub redukcji tlenku węgla(ii): CO + H 2 O = CO 2 + H 2 (utlenianie) CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O (redukcja) Tlenek węgla(ii) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Pojedyncza cząsteczka CO zbudowana jest z atomu węgla o hybrydyzacji sp i atomu tlenu, między którymi występuje jedno wiązanie typu σ i dwa wiązania typu π. model cząsteczki CO Wolna para elektronów przy atomie węgla oraz moment dipolowy bliski 0 umożliwiają dołączanie się CO do związków kompleksowych Wpływ tlenków węgla na organizm człowieka. Z pośród tlenków węgla występujących w przyrodzie zasadniczy wpływ na organizm człowieka ma tlenek węgla(ii). Jest on związkiem silnie toksycznym, blokującym transport tlenu w organizmie. Jego stężenie w powietrzu rzędu 0,5% powoduje utratę przytomności i śmierć w ciągu kilku minut. CO wnika do organizmu człowieka przede wszystkim poprzez drogi oddechowe, niewielkie ilości przenikają przez błony śluzowe i skórę. W ustroju nie ulega przemianie i jest wydalany przez płuca. Tylko około 1% jest utleniany do CO 2. Toksyczność CO wynika z jego wysokiego powinowactwa do hemoglobiny (250 razy większe od O 2 ), z którą tworzy karboksyhemoglobinę. Proces tworzenia karboksyhemoglobiny trwa do momentu, aż wytworzy się równowaga pomiędzy stężeniem karboksyhemoglobiny, a stężeniem CO w powietrzu. Oprócz szkód związanych z blokowaniem transportu tlenu, CO osłabia dysocjację oksyhemoglobiny, zmniejsza intensywność oddychania komórkowego poprzez blokowanie enzymu oksydaza cytochromu C wywołuje kwasicę metaboliczną. 17

18 Powoduje zaburzenia pracy serca i mięśni szkieletowych, gdyż wiąże się z mioglobiną. Uszkadza układ sercowo naczyniowy oraz nerwowy Węglowodory i ich pochodne. Składnikami zanieczyszczonego powietrza atmosferycznego są węglowodory (nasycone, nienasycone, aromatyczne), halogenopochodne węglowodorów (m. in. freony i halony) oraz aldehydy. Najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie węglowodorem jest metan Budowa i właściwości metanu. Metan - CH 4 powstaje w wyniku biologicznego rozkładu materii organicznej głównie na terenach podmokłych, w reakcjach geochemicznych prowadzących do powstania ropy naftowej, węgla i łupków bitumicznych oraz jako produkt uboczny procesów przemysłowych. Niektóre bakterie w obecności wodoru wytwarzają metan w reakcji: CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O Metan jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, łatwopalnym spala się w tlenie do CO 2 i H 2 O: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O Cząsteczka metanu utworzona jest przez centralny atom węgla o hybrydyzacji sp 3 oraz cztery atomy wodoru znajdujące się w narożach tetraedru. Wiązania C H typu σ rozmieszczone są pod kątem 109 o 28. Elektrony tworzące wiązania nieznacznie przesunięte są w stronę węgla, jednak cząsteczka ze względu na wysoką symetrię nie wykazuje trwałego momentu dipolowego. model cząsteczki CH 4 Metan w atmosferze reaguje z rodnikami HO oraz rodnikami NO 3 : CH 4 + HO = CH H 2 O

19 Budowa i właściwości formaldehydu. Formaldehyd HCHO (metanal) jest gazem bezbarwnym o duszącej woni, rozpuszczalny w wodzie, alkoholach i innych rozpuszczalnikach polarnych. Samorzutnie polimeryzuje tworząc ciało stałe białego koloru. Powstaje wskutek działalności człowieka takiej jak produkcja spalin, palenia tytoniu, emisje ze środków dezynfekujących, farb, żywic formaldehydowych oraz w procesach naturalnych. Cząsteczka formaldehydu zbudowana jest z atomu węgla połączonego wiązaniami σ z dwoma atomami wodoru i jednym atomem tlenu. Do utworzenia tych wiązań zostały wykorzystane orbitale sp 2 atomu węgla. Atomy znajdują się więc w jednej płaszczyźnie, a kąt między nimi jest mniejszy niż 120 o. Pozostały orbital p atomu węgla nakłada się z orbitalem p atomu tlenu tworząc wiązanie π. Wiązanie węgiel tlen jest więc wiązaniem podwójnym. Formaldehyd jest wchłaniany przez układ oddechowy i pokarmowy, w niewielkim stopniu przez skórę. Powoduje uczulenia, podrażnienia oczu, skóry i górnych dróg oddechowych oraz nowotwory błon śluzowych nosa Freony i halony. Freony to pochodne węglowodorów nasyconych, w których atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru. Najbardziej popularne freony to: freon-11 CFCl 3 i freon-12 CF 2 Cl 2, wykorzystywane jako czynniki chłodzące w instalacjach chłodniczych, a także jako rozpuszczalniki. Ich jedynym źródłem pochodzenia jest produkcja przemysłowa, a czas przebywania w troposferze bardzo długi (CFC-11 65lat, CFC lat). Do syntezy powyższych freonów jako substrat używany jest chlorek metylu (CH 3 Cl). Z pośród chlorowych pochodnych węglowodorów jego stężenie w atmosferze jest najwyższe. Freony w stratosferze ulegają fotochemicznemu rozkładowi z utworzeniem aktywnych atomów chloru, które reagują z cząsteczkami ozonu powodując ich rozpad - przyczyniają się do powstania dziury ozonowej. Halony to także pochodne węglowodorów posiadające dodatkowo atomy bromu np. halon-1211 CF 2 BrCl, halon-1301 CBrF 3. Ich zawartość w atmosferze jest raczej nieznaczna, stosowane są jako środki gaśnicze. Po uwolnieniu ze zbiorników trafiają do atmosfery są niebezpieczne dla powłoki ozonowej. Bromek metylu CH 3 Br w atmosferze pochodzi z procesów oceanicznych. Jako związek toksyczny jest produkowany przez człowieka i wykorzystywany do zwalczania szkodników w pomieszczeniach zamkniętych. Obniżenie jego stężenia w troposferze następuje w wyniku reakcji z rodnikami HO. 19

20 2.4. AZOTOWE ZWIĄZKI W ATMOSFERZE Źródła związków azotu w atmosferze. Azot molekularny, którego udział procentowy w powietrzu jest najwyższy (78%), jest gazem obojętnym dla organizmów żywych i tylko nieliczne drobnoustroje np. bakterie brodawkowe wytworzyły mechanizmy wiązania wolnego N 2. Pewna ilość azotu molekularnego wiązana jest również w wyniku wyładowań atmosferycznych. Duża trwałość i bierność chemiczna dwuatomowej cząsteczki N 2 spowodowana jest silnym, potrójnym wiązaniem kowalencyjnym :N = N: Pod wpływem wyładowań atmosferycznych azot reaguje z tlenem z utworzeniem tlenku azotu(ii), który jest dominującym związkiem azotu w górnej troposferze: N 2 + O 2 = 2NO Reakcja ta daje początek całemu szeregowi przemian prowadzących do powstania tlenków azotu (NO x ) o charakterze kwasowym: 2NO+ O 2 = 2NO 2 2NO 2 = N 2 O 4 (dimeryzacja) NO + NO 2 = N 2 O 3 2NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2 N 2 O 4 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2 Kwas azotowy(iii) (HNO 2 ) jako związek nietrwały rozpada się z wydzieleniem HNO 3, NO i H 2 O, co przedstawia reakcja: 3HNO 2 = HNO 3 + 2NO + H 2 O W atmosferze, w wyniku reakcji NO z ozonem ustala się równowaga fotochemiczna pomiędzy NO, NO 2, O 2 i O 3 : NO + O 3 = NO 2 + O 2 NO 2 + hν = NO + O O + O 2 = O 3 O 3 = O + O 2 Źródłem N 2 O w atmosferze jest proces denitryfikacji azotanów w glebie. Azotany w procesie denitryfikacji mogą ulec zredukowaniu do amoniaku lub aminozwiązków, które następnie mogą być użyte do biosyntezy składników komórkowych. Ten proces to amonifikacja azotanowa. 20

21 Antropogeniczne źródła tlenków azotu to przede wszystkim procesy spalania zachodzące w wysokich temperaturach (im wyższa temperatura spalania tym więcej powstaje tlenków azotu) Tlenki azotu Budowa i właściwości tlenku azotu(i). Tlenek azotu(i) - N 2 O jest gazem bezbarwnym, o słabej woni i słodkawym smaku. Nie reaguje z wodą, lecz się w niej rozpuszcza dając roztwór o odczynie obojętnym. Podtrzymuje palenie substancji łatwopalnych. W obecności dalekiego UV ulega rozkładowi z wydzieleniem tlenu: N 2 O + hν = N 2 + O N 2 O + O = N 2 + O 2 Cząsteczka N 2 O ma budowę liniową, wynikającą z hybrydyzacji sp centralnego atomu azotu. Posiada dwa zlokalizowane orbitale cząsteczkowe σ wiążące atom centralny z atomami skrajnymi oraz dwa zdelokalizowane trójcentrowe orbitale π Budowa i właściwości tlenku azotu(ii). Tlenek azotu(ii) NO (tlenek azotu) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, trudno rozpuszczalnym w wodzie. W przeciwieństwie do innych tlenków azotu nie jest bezwodnikiem kwasowym (jest tlenkiem obojętnym). Łatwo wchodzi w reakcje chemiczne, w zetknięciu z tlenem atmosferycznym daje brunatny NO 2 : 2NO + O 2 = 2NO 2 Ciężar cząsteczek wskazuje na obecność pojedynczych cząsteczek NO. Są to cząsteczki posiadające nieparzystą ilość elektronów walencyjnych, trwały moment magnetyczny Budowa i właściwości tlenku azotu(iv). 21

22 Tlenek azotu(iv) - NO 2 (ditlenek azotu) jest gazem czerwonobrunatnym, o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu. W temperaturze powyżej 423K ulega dimeryzacji z utworzeniem bezbarwnego N 2 O 4, który rozpuszcza się w wodzie dając mieszaninę kwasów: N 2 O 4 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2 Pojedyncza cząsteczka NO 2 ma budowę trójkątną, wynikającą z hybrydyzacji sp 2 atomu azotu. Kąt pomiędzy wiązaniami w cząsteczce wynosi 134 o. Obecność niesparowanego elektronu wpływa na właściwości paramagnetyczne związku Wpływ NO x na organizm człowieka. model cząsteczki NO 2 Toksyczne działanie tlenków azotu (NO 2, NO) dotyczy głownie układu oddechowego, gdzie wywołuje stany zapalne oskrzeli i płuc. Badania ostatnich lat dowiodły, że NO syntezowany jest w organizmie człowieka, głównie w makrofagach, limfocytach, hepatocytach, miocytach mięśniówki naczyń krwionośnych i serca oraz neuronach. Ma korzystny wpływ na prawidłowe funkcjonowanie organizmu. Uwalniany w małych ilościach z komórek działa cytotoksychnie na komórki grzybów, bakterii, pierwotniaków, robaków i wirusów oraz na komórki nowotworowe zwiększa aktywność układu odpornościowego. Uwolniony w dużych ilościach może spowodować szok septyczny z gwałtownym spadkiem ciśnienia lub nasilić odpowiedź immunologiczną zapalną. Sugeruje się, że NO może lokalnie niszczyć komórki β wysepek Langerhansa powodując rozwój cukrzycy. NO w istotny sposób wpływa na prawidłowe funkcjonowanie układu krwionośnego i nerwowego. Powoduje rozkurcz mięśniówki naczyń krwionośnych, a tym samym powoduje obniżenie ciśnienia krwi. Zmniejsza skłonność trombocytów do agregacji, co zapobiega powstawaniu zakrzepów. Hamuje rozwój blaszki miażdżycowej. Reguluje skurcze mięśnia sercowego. Przypuszcza się, że NO jest neuroprzekaźnikiem w przewodzeniu dośrodkowym bólu (zjawisko nasilonego działania morfiny po zahamowaniu syntezy NO na wysokości rdzenia kręgowego). 22

23 N 2 O wdychany przez człowieka działa oszałamiająco, a jednocześnie znieczulająco ( gaz rozweselający był używany jako środek znieczulający w prostych zabiegach chirurgicznych). W wyższych dawkach działa toksycznie na organizm człowieka Amoniak Budowa i właściwości amoniaku. Amoniak - NH 3 jest bezbarwnym łatwopalnym gazem o nieprzyjemnym zapachu. Łatwo ulega skropleniu dając bezbarwną ciecz silnie łamiącą światło. W wodzie rozpuszcza się bardzo dobrze: NH 3 + H 2 O = NH OH - Ma właściwości słabej zasady, reaguje z gazowym HCl tworząc biały dym chlorku amonu: NH 3 + HCl = NH 4 Cl Amoniak powstaje w procesie hydrolizy mocznika: NH 2 CONH 2 + H 2 O = 2NH 3 + CO 2, oraz w procesie rozkładu innych związków organicznych zawierających azot. Duże udziały w emisji amoniaku mają zakłady przemysłowe (przemysł chemiczny, spożywczy, systemy chłodzące oraz rolnictwo). Pojedyncza cząsteczka amoniaku zbudowana jest z atomu azotu o hybrydyzacji sp 3 oraz 3 atomów wodoru połączonych z azotem trzema wiązaniami σ: 23 model cząsteczki NH 3 Wolna para elektronów decyduje o zasadowych właściwościach amoniaku Wpływ amoniaku na organizm człowieka. Amoniak jest związkiem szkodliwym. Wchłanianie odbywa się przez drogi oddechowe, skórę, błony śluzowe i przewód pokarmowy. Rozpuszcza się w

24 wodzie zawartej w wydzielinie błon śluzowych, drażni drogi oddechowe, oczy, skórę. Stężenie powyżej 100mg/m 3 powoduje ostre zatrucie, silne podrażnienie błon śluzowych, pieczenie w gardle, kaszel, łzawienie, ślinotok, duszności, oparzenia skóry oraz oczu I i II stopnia. Zgon może nastąpić na skutek obrzęku głośni, porażenia układu oddechowego, ostrej niewydolności krążenia. Oparzenia rogówki mogą doprowadzić do zmętnienia i owrzodzenia tęczówki oraz siatkówki, co wiąże się z utratą wzroku Związki fluoru. Fluor nie występuje w atmosferze w stanie wolnym lecz w połączeniu z wodorem jako fluorowodór HF. W naturalny sposób powstaje w wyniku erupcji wulkanów, antropogenicznie przy produkcji szkła, nawozów mineralnych, żelaza i aluminium. Jest gazem bezbarwnym o ostrej woni, dobrze rozpuszczalny w wodzie (odczyn kwaśny). Pojedyncze cząsteczki fluorowodoru są dipolami, wiążąca para elektronów przesunięta jest w stronę fluoru. Fluorowodór wnika do układu człowieka przez układ oddechowy i pokarmowy. W małych dawkach działa antypróchniczo (fluorki), w dużych toksycznie. Stężenie 40mg/m 3 powoduje podrażnienie spojówek i dróg oddechowych, kaszel, duszności gorączkę, sinice wskazującą na obrzęk płuc. Wpływa niekorzystnie na układ kostny powodując fluorozę odwapnienie kości, sklerotyzacja niektórych części miękkich np. przyczepów ścięgien, co prowadzi do przykurczów stawów Biologiczne oddziaływanie gazów toksycznych. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 28 kwietnia 1998r.,Dz.U.Nr55, poz.355 w Polsce, podobnie jak w innych krajach, obowiązuje wykaz dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających w powietrzu. Dopuszczalne stężenia wybranych substancji przedstawia tabela 4: Tabela 4. Wykaz dopuszczalnych wartości stężeń wybranych substancji zanieczyszczających. Nazwa substancji Dopuszczalne wartości stężeń w µg/m 3 30 min 24 godz. rok amoniak czteroetylek ołowiu 1,2 0,5 O,1 formaldehyd Siarkowodór tlenek azotu(iv)

25 tlenek siarki(iv) tlenek węgla(ii) węglowodory alifatyczne do C12 węglowodory aromatyczne Na stężenie zanieczyszczeń w powietrzu decydujący wpływ ma: - odległość od źródła emisji - intensywność degradacji - przemieszczanie zanieczyszczeń do wyższych obszarów i odwrotnie. Człowiek wdycha przeciętnie na dobę około 20m 3 powietrza. Skład powietrza, a zwłaszcza zawarte w nim zanieczyszczenia mają wpływ na stan zdrowia człowieka. Tabela 5 przedstawia wpływ ważniejszych zanieczyszczeń powietrza na wybrane układy człowieka. Tabela 5. Biologiczne oddziaływanie gazów toksycznych. Krytyczne układy Trucizny gazowe Układ krążenia CO, NO X Układ krwionośny SO 2, O 3, H 2 S Układ nerwowy NO X, CO, H 2 S, NH 3 Układ oddechowy SO 2, NO X, O 3, CO, H 2 S, NH 3, HF Układ odpornościowy O 3 Układ hormonalny O Przemiany chemiczne i fotochemiczne gazowych związków atmosfery. Atmosferę można porównać do reaktora, w którym pod wpływem promieniowania słonecznego dochodzi do różnych przemian prowadzących do wytworzenia bardzo nietrwałych cząsteczek o charakterze rodnikowym. To one inicjują procesy i sterują dalszymi etapami, mają wpływ na stężenia ozonu, tlenków siarki, azotu, węglowodorów oraz ich halogenopochodnych. Są odpowiedzialne za tworzenie efektu cieplarnianego, dziury ozonowej, smogu Mechanizmy tworzenia smogu Smog (z języka angielskiego: smoke dym + fog mgła) to zjawisko występujące głównie w wielkich aglomeracjach miejskich, w których nasilony jest ruch samochodów wpływający na wyższą zawartość spalin w powietrzu. Rozróżniono dwa podstawowe typy smogu: smog fotochemiczny typu Los Angeles oraz kwaśny smog londyński. 25

26 Smog fotochemiczny. Smog fotochemiczny tworzy się najczęściej w słoneczne, bezwietrzne, letnie dni w zanieczyszczonym powietrzu miejskim, w godzinach południowych. Związki tworzące trującą mieszaninę smogu to przede wszystkim tlenki azotu, węglowodory, tlenek węgla, aldehydy oraz ozon troposferyczny. Promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez Słońce powoduje fotochemiczny rozkład NO 2 do NO i tlenu atomowego, który łączy się z tlenem cząsteczkowym dając ozon: hν NO 2 = ΝΟ + Ο Ο + Ο 2 = O 3 Tlen atomowy reaguje także z parą wodną dając rodniki HO o wysokiej reaktywności, które są odpowiedzialne za większość pośrednich reakcji fotochemicznych w środowisku: O + H 2 O = 2HO W wyniku dalszych reakcji o charakterze rodnikowym metan i inne węglowodory są utleniane do aldehydów, czemu towarzyszy tworzenie następnych rodników. Tlenek azotu(ii) ma zdolność reagowania z ozonem odtwarzając NO 2 : NO + O 3 = NO 2 + O 2 W obecności innych zanieczyszczeń np. CO możliwe są reakcje prowadzące do powstania tlenu atomowego i ozonu: CO + HO + O 2 = CO 2 + HO 2 HO 2 + NO = NO 2 + HO NO 2 + hν ν = NO + O O + O 2 = O 3 26

27 Wysokie stężenia składników smogu fotochemicznego w powietrzu powodują podrażnienia oczu i górnych dróg oddechowych, utrudniają wiązanie tlenu z hemoglobiną, działają niszcząco na materiały takie jak włókna i guma, biorą udział w tworzeniu kwaśnych deszczów. Stężenie poszczególnych składników smogu jest uzależnione od czynników antropogenicznych takich jak natężenie procesów spalania paliw oraz naturalnych - natężenie promieniowania UV Smog kwaśny. Smog kwaśny powstaje w warunkach pogody inwersyjnej, głównie w okresie jesienno zimowym, przy dużej wilgotności powietrza i temperaturze od K. Pojawia się najczęściej rano i wieczorem. Związki tworzące smog kwaśny to przede wszystkim SO 2, CO 2, CO, NO x i sadza. W wilgotnym powietrzu tworzą mgłę o kwaśnym odczynie osadzającą się na cząsteczkach pyłu i sadzy Mechanizm powstawania kwaśnych deszczów. Za zjawisko określane jako kwaśny opad atmosferyczny (kwaśne deszcze) odpowiedzialne są przede wszystkim tlenki siarki i tlenki azotu, które podlegają w atmosferze różnym przemianom dającym jako produkt końcowy kwasy azotowy(v) (HNO 3 ) i siarkowy(vi) (H 2 SO 4 ). Za kwasowość opadów atmosferycznych w mniejszym stopniu odpowiedzialne są również kwas chlorowodorowy (HCl), fluorowodorowy (HF) i fosforowy(v) (H 3 PO 4 ). Kwasy te obniżają ph wody opadowej, której normalne odczyn już jest kwaśny (ph 5,6 uwarunkowane jest obecnością w powietrzu rozpuszczalnego CO 2 ). Stwierdzono, że największy udział w wywoływaniu kwaśności opadu występującego latem ma kwas siarkowy(vi) (73%), natomiast zimą dominuje kwas azotowy(v) (69%). Obecność w powietrzu atmosferycznym NO 2, O 3 oraz H 2 O umożliwia powstanie kwasu azotowego(v) wg następujących reakcji: NO 2 + O 3 = NO 3 + O 2 NO 2 + NO 3 = N 2 O 5 N 2 O 5 + H 2 O = HNO 3 HO = NO 2 = HNO 3 Kwas siarkowy(vi) powstaje wówczas, gdy w powietrzu obok wody i tlenku siarki(iv) występują utleniacze np. O 3 : SO 2 + O 3 = SO 3 + O 2 27

28 SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 Przemiany związków siarki w atmosferze mogą zachodzić również z udziałem rodnika OH np. utlenianie siarkowodoru do tlenku siarki(iv), co w dodatkowy sposób przyczynia się do zakwaszania środowiska. Kwaśne deszcze są zjawiskiem niepożądanym w środowisku, powodują niszczenie roślin, budowli oraz obniżają ph gleb i wód. Skutki kwaśnych deszczów są często nieodwracalne, mają wpływ na zmiany w szacie roślinnej i faunie żyjącej na terenach narażonych na działanie kwaśnych deszczów Efekt cieplarniany. Efekt cieplarniany jest zjawiskiem naturalnym, wynikającym z oddziaływania niektórych śladowych składników atmosfery na bilans energetyczny Ziemi. Promieniowanie słoneczne, które dociera do Ziemi częściowo ulega pochłonięciu przez powierzchnie Ziemi, powodując jej ogrzanie, jednak znacznie większa część ulega odbiciu i mogłaby powrócić do przestrzeni kosmicznej, gdyby nie obecność tzw. gazów cieplarnianych w górnej warstwie troposfery. Gazy te pochłaniając promieniowanie nagrzewają się i same emitują ciepło w kierunku Ziemi, co powoduje wzrost temperatury dolnych warstw powietrza i powierzchni Ziemi. Do grupy gazów cieplarnianych, obejmującej obecnie ponad 30 rozmaitych substancji o najwyższej zdolności pochłaniania promieniowania należą: tlenek węgla(iv) (CO 2 ), metan (CH 4 ), tlenek azotu(i) (N 2 O), para wodna (H 2 O), ozon (O 3 ) oraz halogenopochodne węglowodorów freony i halony np. CFCl 3. Gazy te charakteryzują się długim czasem przebywania w atmosferze i równomiernym rozprzestrzenianiem się w niej, co sprawia, że problem efektu cieplarnianego przybiera charakter globalny Zmiany zawartości ozonu w atmosferze Niszczenie ozonu stratosferycznego. Zmiany zawartości ozonu na wysokości około 40 km wahają się od +1% do 7%. Do najważniejszych reakcji katalizujących rozpad ozonu zaliczyć można procesy w następujących cyklach: HO X, NO X, ClO X, BrO X. Cykl HO X obejmuje reakcje zachodzące powyżej 40 km, przy udziale H, HO i HO 2 : HO + O 3 = HO 2 + O 2 HO 2 + O = HO + O 2 sumarycznie O 3 + O = O 2 + O 2 28

29 Rodniki HO w analogicznych reakcjach mogą być zastąpione przez atomy wodoru, natomiast w dolnej stratosferze przeważają reakcje z rodnikiem HO 2. Cykl NO x * obejmuje reakcje zachodzące w stratosferze przy udziale NO *, który powstaje w reakcji wzbudzonego atomu tlenu z N 2 O: O 3 +hν = O 2 +O N 2 O + O = NO + NO NO + O 3 = NO 2 + O 2 NO 2 + O = NO + O 2 Cykl ClO x jest ściśle związany z obecnością w stratosferze freonów, które w reakcjach fotolizy lub w reakcjach z rodnikami HO, jak również w reakcjach ze wzbudzonym tlenem uwalniają rodniki Cl. Do najważniejszych reakcji tego cyklu zalicza się: Cl + O 3 = ClO + O 2 ClO + O = Cl + O 2 sumarycznie O 3 + O = O 2 + O 2 Cykl BrO x ma miejsce w atmosferze zawierającej halony i bromek metylu. Związki te przy udziale rodników HO * uwalniają atomy bromu, które umożliwiają rozpad ozonu. Br + O 3 = BrO + O 2 BrO + O = Br + O 2 sumarycznie O 3 + O = O 2 + O 2 Cykl ten nie powoduje tak dużego ubytku ozonu jak cykl ClO x, ze względu na niższe stężenie bromu w atmosferze (zwłaszcza w stratosferze), jednak sprzężenie obu cykli zwiększa efektywność rozkładu ozonu Wzrost stężenia ozonu w troposferze. Tlenki azotu w zależności od ich ilości w atmosferze mogą stymulować lub hamować rozpad ozonu. Duże stężenie NO x w powietrzu prowadzi do tworzenia cząsteczek ozonu. W troposferze mechanizm tworzenia O 3 jest procesem fotochemicznym. 29

30 NO 2 + hν ν = ΝΟ + Ο Ο + Ο 2 = Ο 3 Ozon troposferyczny niekorzystnie wpływa na organizmy żywe. Jego szkodliwe działanie dotyczy głównie układu oddechowego, krwionośnego i odpornościowego człowieka Sposoby ochrony atmosfery przed zanieczyszczeniami. Atmosfera zawierająca zanieczyszczenia jest przyczyną wielu chorób, głównie układu oddechowego, krwionośnego, nerwowego, skóry i oczu. Człowiek dbając o swoje zdrowie powinien zadbać o czystość powietrza atmosferycznego. Ochronę powietrza przed nadmiernym zanieczyszczeniem można osiągnąć przez: - redukcję emisji zanieczyszczeń - stworzenie stref ochronnych - wprowadzenie obwodowych, bezkolizyjnych połączeń komunikacyjnych - stosowanie paliw o niewielkiej zawartości siarki - odsiarczanie paliw i gazów odlotowych - spalanie zasiarczonego węgla oraz odpadów po wzbogacaniu węgla w kotłach o złożu fluidalnym - stosowanie metod neutralizacji np. tlenków siarki (przez dodawanie suchych addytywów do kotłów opalanych węglem) - wykorzystanie dostępnych alternatywnych źródeł energii - ochrona kompleksów leśnych i zalesianie nieużytków, co w naturalny sposób przyczynia się do wiązania CO 2 w procesie fotosyntezy. 30

31 LITERATURA Bielański A., Chemia ogólna i nieorganiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa Ekologia i ochrona środowiska, red. J. R. Dojlido, Politechnika Radomska im. K. Pułaskiego, Radom Falkowska L., Korzeniewski K., Chemia atmosfery, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego. Gdańsk Kluz Z., Poźniczek M.M., Nomenklatura związków chemicznych. Poradnik dla nauczycieli, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław Kompendium wiedzy o ekologii, red. J Strzałko, T. Mossor Pietraszewska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Krebs C. J., Ekologia, Wydawnictwo PWN, Warszawa Pazdro K. M., Budowa materii w oczach chemika, Oficyna edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa Senkowski T., Stasicka Z., Zarys struktury elektronowej atomów i cząsteczek, wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego. Z. Stasicka, Niedziałki 1/2001 i 2/2001, str.1 i str.21 Wiśniewski H. Kowalewski G. Ekologia z ochroną środowiska, Wydawnictwo AGMEN, Warszawa Trzeciak A. M., Wstęp do chemii nieorganicznej środowiska, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław Toksykologia wybrane zagadnienia, red. J. Brandys, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków Wydawnictwo 31