Химия атмосферы

Размещено на http://allbest.ru

Химия атмосферы

1. Понятие «атмосфера» и развитие представлений о ее составе

атмосфера земля химический состав

Атмосферой по современным представлениям называется газовая оболочка, которая окружает нашу планету Земля и вращается вместе с нею. Ее масса составляет приблизительно 5* 10¹⁵ т, а протяженность (толщина) достигает 1800 км, хотя отдельные ее признаки зафиксированы на высоте 20 тыс. км от поверхности нашей планеты.

Первый научный труд, в котором были обобщены существовавшие в то время представления об атмосфере, принадлежит древнегреческому мыслителю Аристотелю. Он высказал предположение, о том, что поскольку Земля имеет форму шара, то и окружающая ее воздушная оболочка должна иметь сферическую форму. Само слово «атмосфера» происходит от греческих «атмос» - дыхание, пар и «сфера» - шар. В русскую науку этот термин ввел М.В. Ломоносов.

Очень долгое время считалось, что атмосферный воздух - это простое вещество. В 1754 году Джозеф Блэк, открыв углекислый газ, доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не единую субстанцию, как до этого полагали учёные. В 1772 г. шведский химик, обобщая результаты своих экспериментов, писал: «Я, Карл Шееле, склонен думать, что атмосферный воздух состоит главным образом из двух видов воздуха - «огненного», поддерживающего дыхание и горение, и «испорченного воздуха», не поддерживающего горение.

Французский ученый Антуан Лоран Лавуазье сформулировал кислородную теорию горения, которая последовала сразу за открытием Дж.Пристли в 1774 «дефлогистированного воздуха» (кислорода). В 1777 Лавуазье изложил свои новые взгляды на горение на заседании Академии наук, где и ввел термин «кислород». По результатам своего известного 12-дневного опыта он сделал вывод, что весь воздух в целом состоит из кислорода, пригодного для дыхания и горения, и азота, неживого газа, в пропорциях 1/5 и 4/5 объема соответственно. Ученый предложил «жизненный воздух» переименовать в «кислород», поскольку при сгорании в кислороде большинство веществ превращается в кислоты, а «удушливый, безжизненный воздух» - в «азот», т.к. он не поддерживает жизнь, вредит жизни. Так впервые был установлен количественный состав воздуха.

Генри Кавендиш, начиная с 1777 г., произвел ряд блестящих исследований над газами, входящими в состав атмосферы. Изучая воздух, Г.Кавендиш установил, что кроме кислорода и азота в воздухе есть и другие газы, и определил, что на их долю приходится около 1/120 объема воздуха. Из-за несовершенства методов анализа и приборов Кавендиш не смог определить, что это за газы. Лишь спустя 100 с лишним лет Уильям Рамзай, воспроизводя опыты Кавендиша, открыл инертные газы в составе воздуха.

В составе современной атмосферы сегодня установлено постоянное присутствие около 20 газообразных веществ, причем, состав этот остается постоянным по всей толще, хотя концентрация, соотношение и состояние отдельных компонентов с высотой изменяется.

2. Эволюция химического состава атмосферы планеты Земля

Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного газа. Относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. Принято считать, что большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56 - 4,7 млрд. лет назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала достаточной для удержания атмосферы (4,4 млрд. лет назад).

Первичная атмосфера - состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства.

Вторичная атмосфера - активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углеводородами, аммиаком, водяным паром). Эта атмосфера по своим химическим свойствам была восстановительной.

Третичная атмосфера - процесс ее образования определялся следующими факторами:

· постоянная утечка водорода в межпланетное пространство (диссипация);

· химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

2Н₂О = 2Н₂ ^ +О₂ (под действием УФ)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂О (процесс окисления газов)

Постепенно эти факторы привели к образованию атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Четвертичная атмосфера - бактериальный фотосинтез начался между 3,5-4 млрд. лет назад, но практически весь кислород поглощался океаном (в основном ионами железа). По окончанию этапа окисления восстановленных соединений содержание кислорода в атмосфере стало расти, что обеспечивалось также активным процессом фотосинтеза. Снижение содержания кислорода в атмосфере и установление его равновесия стало результатом появления гетеротрофных организмов и вулканической деятельности.

Два миллиарда лет тому назад кислород начал поступать в атмосферу, и современный состав атмосферы сформировался примерно 1,5 млрд. лет назад. В атмосфере кислород под действием ультрафиолетового излучения образовал озон. Озон выступил в качестве фильтра жесткой солнечной радиации, позволив жизни выйти на сушу из океана.

История формирования современной атмосферы служит ярким примером воздействия живого вещества на окружающую среду. Современный газовый состав атмосферы является итогом длительной геохимической деятельности живых организмов.

В настоящее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результат его деятельности, предположительно, проявляется в значительном росте содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи.

3. Структура атмосферы Земли

Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты.

Неравномерность нагревания земной поверхности, зависящая от угла падения солнечных лучей, является основной причиной градиента температуры между полярными и экваториальными областями. Наличие такого градиента, а также вращение Земли служат причиной циркуляции атмосферы - сложной системы воздушных течений.

Роль циркуляционные процессов в формировании климатической системы Земли очень велика: благодаря им сглаживаются контрасты температуры, осуществляется перенос водяного пара с океанов на континенты, а также усредняется состав основных компонентов воздуха.

Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

Нижней границей атмосферы служит поверхность земли. Точной верхней границы атмосферы указать нельзя, т.к. плотность воздуха с высотой убывает непрерывно, постепенно приближаясь к плотности материи, заполняющий межпланетное пространство. Следы атмосферы обнаруживаются до высоты 1800км.

В настоящее время принято выделять четыре слоя атмосферы: 1) тропосфера, 2) стратосфера, 3) ионосфера и 4) экзосфера. Границы между этими слоями выражены не резко, а их высоты меняются как со временем, так и с широтой места.

Тропосфера - (79% массы атмосферы) - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 12 км, на экваторе -- до 18 км.

Она богата азотом и кислородом, насыщена парами воды и углекислым газом и аэрозолями.

Верхняя граница тропосферы называется - тропопауза. Здесь протекают важные погодные процессы и образуются облака. Это область низких температур, а для паров воды наблюдается разрыв водородных связей:

(H₂O)_n > nH₂O

Стратосфера -- слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Составляет -- около 19% атмосферы. Содержание азота и кислорода понижается, а водорода, гелия и других легких газов увеличивается.

В стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения солнца, а также вакуума, происходит разложение воды на молекулы водорода и кислорода, так называемый фотолиз воды:

2Н₂О hv 2Н₂ + О₂

Глобальное значение имеют происходящие на высоте 30-50 км реакции фотодиссоциации молекул кислорода и образование озона (циклом Чепмена)

Между стратосферой и тропосферой располагается «озоновый слой» (на высоте от 15--20 до 55--60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Общая масса О₃ составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7--4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца.

Ионосфера (термосфера) -- слой атмосферы, следующий за мезосферой, -- начинается на высоте 80--90 км и простирается до 800 км. Составляет менее 0,05% от общей массы атмосферы. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов. Ионосферой ее называют потому, что атомы в молекулах газов там лишены внешних электронов и поэтому обладают положительным зарядом.

Экзосфера -- зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация водорода и гелия).

4. Понятие «воздух» и его состав

Термин «воздух» в наиболее общем виде может быть определен как смесь газов, а также твердых и жидких взвешенных частиц.

С химической точки зрения воздух - это дисперсная система смешанного типа, так называемый смешанный аэрозоль, в котором дисперсионной средой является гомогенная смесь газов (N₂, О₂, Ar и др.), а дисперсная фаза представлена твердыми пылевыми частицами и мельчайшими капельками воды.

Газовый состав сухого воздуха у поверхности Земли представлен в таблице 1.

Таблица 1

Дисперсная система -- это смесь из двух или более веществ, которые совершенно или практически не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Фазы можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.).

Твердые аэрозольные частицы играют в атмосфере очень важную роль: они служат центрами конденсации паров воды.

Морские аэрозоли - соли, испаренные с поверхности океанов, преобладают растворенные в морской воде ионы - хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты.

Континентальные аэрозоли - относительно крупные, это пыль горных пород и почвы, а также вулканический пепел. Обломки твёрдых частиц диаметром менее 0,3 мкм в нижних слоях тропосферы могут переноситься на сотни и тысячи километров.

Обнаружено, что в тропосфере присутствуют крупные массы рассеянных металлов, мышьяка, селена, основная масса сосредоточена в километровом слое (это природные явления).

Промышленные аэрозоли - в атмосферу поступает огромное количество тонкой золы с дымовыми газами.

Составляющие атмосферного воздуха можно разделить на три группы:

Постоянные - к ней относят кислород, азот и инертные газы, содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте взята проба воздуха

Переменные - относят углекислый газ и водяной пар.

Случайные - относятся случайные компоненты, определенные местными условиями (например, вблизи вулканов или металлургических комбинатов - диоксид серы, в местах разложения органических соединений - аммиак).

Основная масса газов (99,99%), в современной атмосфере, приходится на долю азота, кислорода, аргона и углекислого газа. Эти газы считают основными, остальные - примесными. Остановимся на характеристике лишь некоторых газов.

N₂ - 78,08% Ar - 0,93% O₂ - 20,95% CO₂ - 0,03%

Азот

Образование большого количества азота N₂ обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О₂, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N₂ выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N₂ вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений -- аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В процессе своей эволюции состав атмосферы и содержание в ней кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО₂ зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего -- от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся современная биомасса планеты (около 2,4·10¹² тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Инертные (благородные газы)

Источник инертных газов -- аргона, гелия и криптона -- вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство.

Размещено на Allbest.ru