Лекция 3. Кислотообразующие окислы в атмосфере

Учебные вопросы:

1. Экологические особенности кислотообразующих окислов.

2. Физические и химические свойства NO₂

3. Биогеохимический круговорот азота.

4. Особенности закиси азота

5. Особенности окиси азота.

6. Оксиды азота в атмосфере как компонент летнего смога.

7. Оксиды азота в атмосфере как компонент Кислотных осадков.

Экологические особенности кислотообразующих окислов.

КОО- NO₂, SO₂, CO₂ относятся к числу компонентов земной атмосферы, важнейших с точки зрения экологии.

КОО - посредники, делающие вещества, образующие неживую природу, доступными компонентам живой природы.

Реагируя с водой, образующей облака и атмосферные осадки, КОО образуют кислоты, растворяющие горные породы и многие вещества, входящие в состав почв. Тем самым они обогащают поверхностные и подземные воды микроэлементами, как необходимыми для развития растений и животных, так и вредными для них.

Существенное влияние они играют в обеспечении обмена веществ в организмах людей и других живых существ. Главную роль в этом играет CO₂, способный образовывать угольную кислоту, а также ее соли растворимые в воде, крови и лимфе - гидрокарбонаты.

Все КОО в небольших количествах необходимы для формирования белков, образующих организмы растений и животных, но при увеличении своего содержания, играют роль ингибиторов, тормозящих биохимические процессы.

Кислоты, содержащиеся в атмосферных осадках в избыточных количествах, оказывают на биоту также прямое поражающее воздействие. Ими поражаются эпителии, глаза и другие органы людей, животных, а также листья растений. Поэтому такие КОО, как NO_2, SO₂ относятся ко 2 классу опасности.

КОО участвуют в образовании и разрушении стратосферного, тропосферного и приземного озона.

КОО уменьшают РН в водоемах, что оказывает существенное влияние на развитие водных экосистем.

КОО обладают свойствами парниковых газов, а CO₂ является веществом, которое, по мнению Международной группы экспертов по проблемам изменений климата, является главным виновником современного потепления климата.

Наряду с перечисленными общими особенностями, каждое из веществ, рассматриваемых как КОО, обладает существенными специфическими свойствами.

В данной лекции мы более подробно остановимся на свойствах лишь одного из рассматриваемых веществ - NO₂. Свойства SO₂ и CO₂ будут рассмотрены в последующих лекциях.

Физические и химические свойства no2

Двуокись азота при температурах, встречающихся в земной атмосфере, присутствует в основном в виде азотноватого ангидрида N₂O₄ . Азотноватый ангидрид при температурах ниже (-16^оС) представляет собой бесцветные кристаллы. При более высоких температурах это жидкость, окрашивающаяся в цвета (в зависимости от температуры) от бледно-желтого до бурого.

Именно эта жидкость снималась в фильме «Охотники за привидениями в подземельях Нью Йорка» как среда, порождающая привидения.

Пары азотноватого ангидрида окрашены в бурый цвет, становящийся с повышением температуры все интенсивнее, вследствие того, что все большая часть содержащихся в них молекул азота входит в состав NO₂. Сен-Клер, Девилль и Трост показали, что нагревании до + 140° все молекулы азотноватого ангидрида превращаются в NO₂ , а пары окрашиваются в черный цвет. Бертело установлено, что реакция разложения N₂O₄ = 2NO₂ сопровождается поглощением тепла (-13,0 кал./г).

Будучи окислом промежуточным, азотноватый ангидрид может быть получен как из высшей степени окисления - азотной кислоты, так и из низшей - окиси азота.

Из азотной кислоты азотноватый ангидрид в лабораторных условиях образуется при восстановлении ее действием олова: 4HNO₃ + Sn = H₂SnO₃ + Н₂ О + 2N₂O₄, крахмала, мышьяковистого ангидрида As₂ О 3 и др. веществ, способных легко окисляться, отнимая кислород от азотной кислоты, но при этом N₂O₄ не получается свободным от других окислов азота (NO, N₂O). Лучше исходить из азотнокислого свинца, который при накаливании разлагается: 2Pb(NO ₃)₂ = 2PbO + 4NO₂ + O₂.

Из окиси азота NO азотноватый ангидрид получается наиболее чистым и прямо дает при охлаждении бесцветные кристаллы. Для этого 2 объема окиси азота и 1 объем кислорода, хорошо высушенные, проводятся в охлаждаемую трубку, где, смешиваясь, и соединяются 2NO + O₂ = 2NO₂.

С водой азотноватый ангидрид гидрата не дает, но тотчас же разлагается. Вообще во многих случаях азотноватый ангидрид, как промежуточный окисел, разлагается, образуя производные азотистого и азотного ангидридов.

Как установил Фричше, при действии воды на холоде происходит реакция: 2N₂O₄ + Н₂ О = 2HNO₃ +N₂O3.

Действие теплой воды в большом количестве дает исключительно НNО₃, но это происходит потому, что N ₂O₃ тотчас разлагается:

2N ₂O₃ = 2NO + N₂O₄, и далее 2 NO +О₂ = N₂О ₄.

Техногенными источниками NO₂ в атмосфере являются двигатели внутреннего сгорания, топки, котельные, взрывы, а также сельское хозяйство, где применяются азотные удобрения.

Природными источниками NO₂ в атмосфере являются грозы, где это вещество образуется в каналах молний, а также в биогеохимическом цикле преобразований соединений азота, протекающем с участием микроорганизмов в почвах, а также различных водных объектах. Распределение в земной атмосфере по высоте различных оксидов азота и их газообразных соединений приведено на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимости от высоты количества молекул того или иного вещества в 1 см³ воздуха.

Из рисунка 1 видно, что NO₂, NO, НNO₃ N₂O₅ в атмосфере образуют слои, расположенные преимущественно в стратосфере. У земной поверхности концентрации этих веществ весьма не велики и ощутимы лищь вблизиисточников их техногенных выбросов. В тоже время концентрации N₂O у земной поверхности максимальны и с увеличением высоты монотонно убывают. Причем в стратосфере их убывание происходит быстрее, чем уменьшается концентрация молекул воздуха.

Происходит это потому, что в стратосфере происходит фотолиз О₂ и Н₂О, приводящий к образованию О и ОН.

В результате здесь могут протекать реакции:

N₂O+О= 2NO

NO+О= NO₂.

NO₂+ОН= НNO₃