Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

13.5: Фотохімічний смог, що робить серпанок, поки світить сонце

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20599

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Опишіть фотохімічний смог.
    • Перерахуйте різні засоби для боротьби з фотохімічним смогом.

    Фотохімічний смог - вид забруднення повітря внаслідок реакції сонячного випромінювання з повітряними забруднюючими сумішами оксидів азоту (NOx) і летких органічних сполук (вуглеводнів). Смог є побічним продуктом сучасної індустріалізації. Через промисловість і кількість автотранспорту це більше проблема у великих містах, які мають теплий, сонячний і сухий клімат.

    • Окислення: Фотохімічний смог також називають окислювальним смогом. Реакції окислення були визначені декількома шляхами. З точки зору перенесення кисню окислення - це посилення кисню. Окислення також можна визначити як втрату водню. Найбільш важливе використання окислення описано з точки зору перенесення електронів. Окислення можна охарактеризувати як збільшення числа окислення або втрату електронів. Окислювальні числа являють собою розподіл заряду. Іншими словами, числа окислення представляють заряд атома, якщо з'єднання складалося з іонів.
    • Зниження: Зниження може включати посилення водню або втрату кисню. Зменшення може стосуватися посилення електронів, що призводить до зменшення числа окислення.

    Формування фотохімічного смогу

    Різні реакції, що беруть участь в утворенні фотохімічного смогу, наведені нижче.

    Крок 1: Люди починають їздити вранці, азот спалюється або окислюється

    \[N_2 + O_2 \rightarrow 2NO \nonumber \]

    • Число окислення N 2 дорівнює 0. Азот в NO придбав число окислення +2.

    Крок 2: Через кілька годин NO поєднується з O 2, в іншій реакції окислення

    \[2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2 \nonumber \]

    • Азот в NO має число окислення +2. Азот в NO 2 має число окислення +4.

    Крок 3: Діоксид азоту поглинає світлову енергію, в результаті чого відбувається реакція відновлення

    \[NO_2 \rightarrow NO + O \nonumber \]

    • Азот в NO 2 має число окислення +4, а азот в NO - +2.

    Крок 4: При сонячному світлі атомарний кисень поєднується з газом кисню, утворюючи озон

    \[O + O_2 \rightarrow O_3 \nonumber \]

    Крок 5: Реакція залежить від температури та сонячного світла

    \[O_3 + NO \rightleftharpoons NO_2 + O_2 \nonumber \]

    Альтернативні реакції

    NO і NO 2 також можуть реагувати з вуглеводнями замість озону з утворенням інших летких сполук, відомих як PAN (пероксиацетилнітрат), як показано на малюнку. Накопичення озону та летких органічних сполук разом з енергією сонця утворює коричневий фотохімічний смог, помічений у спекотні сонячні дні. Панорамний вид на Сантьяго покритий шаром смогу 10 травня 2006 року. Столичний регіон Сантьяго стикається з найсухішою осінню останні 28 років через відсутність опадів, що в поєднанні з поганою циркуляцією повітря спричиняє збільшення смогу.

    1C.jpg
    \(\PageIndex{1}\)Малюнок Фотохімічна схема утворення смогу. Джерело: Вікіпедія

    Небезпеки для здоров'я

    Оскільки озон має високу реакцію, він має здатність окислюватися і руйнувати легеневу тканину. Короткострокові впливу підвищеного рівня озону (вище .75 ppm) були пов'язані з безліччю дихальних подразнень, включаючи кашель, хрипи, субстернальну хворобливість, фарингіт і задишку. Доведено, що тривалий вплив молекули викликає постійне зниження функції легенів, а також підвищує ризик розвитку астми. Діоксид сірки є поширеним компонентом лондонського смогу. Епідеміологічні дослідження пов'язували короткочасний вплив діоксиду сірки з подразненнями дихання, включаючи кашель, хрипи та фарингіт.

    Інші шкідливі наслідки смогу

    Рослинам шкодить вплив оксидів азоту, озону та пероксиацетилнітрату (PAN, див. Вище), всі окислювачі присутні в задимленій атмосфері. ПАН є найбільш шкідливим з цих складових, особливо пошкоджуючи більш молоде листя рослини. Вплив озону спричиняє утворення жовтих плям на листках, стан, який називається хлоротичним відшаруванням. Деякі види рослин, включаючи салат з листя меча, чорний паслін, квашеня і томат подвійного фортуни, надзвичайно сприйнятливі до пошкодження окислювальними видами смогу і використовуються як біоіндикатори наявності смогу. Витрати на пошкодження врожаю та саду смогом закінчуються мільйонами доларів на рік у районах, схильних до такого забруднення повітря, таких як південна Каліфорнія.

    Матеріали, на які негативно впливає смог, як правило, ті, які піддаються впливу окислювачів. Кращим прикладом такого матеріалу є гума, особливо натуральний каучук, який піддається атаці озоном. Дійсно, твердіння і розтріскування натурального каучуку було використано як випробування на атмосферний озон.

    Частки атмосферного аерозолю, що знижують видимість, є найпоширенішим проявом шкоди, що завдається атмосферній якості смогом. Процес утворення смогу відбувається окисленням органічних матеріалів в атмосфері, а вуглецеві органічні матеріали є найбільш поширеними складовими частинок аерозолю в атмосфері, ураженій смогом. Хвойні дерева (сосна та кипарис) та цитрусові дерева є основними учасниками органічних вуглеводнів, які є попередниками утворення органічних частинок у смозі.

    Контроль фотохімічного смогу

    Кожен новий транспортний засіб, що продається в Сполучених Штатах, повинен включати каталітичний нейтралізатор для зменшення фотохімічних викидів. Каталітичні нейтралізатори змушують СО і неповністю згорілі вуглеводні реагувати з металевим каталізатором, як правило, платиновим, для отримання СО 2 і Н 2 О. Додатково каталітичні нейтралізатори зменшують оксиди азоту з вихлопних газів в O 2 і N 2, усуваючи цикл утворення озону. Багато вчених припустили, що перекачування газу вночі може зменшити фотохімічне утворення озону, обмежуючи кількість впливу ЛОС з сонячним світлом.

    Запобігання смогу за допомогою зеленої хімії

    Смог - це в основному хімічна проблема, яка вказувала б на те, що він повинен піддаватися хімічним розчинам. Дійсно, практика зеленої хімії і застосування принципів промислової екології можуть допомогти зменшити смог. Це значною мірою пов'язано з тим, що основною передумовою зеленої хімії є уникнення генерації та вивільнення хімічних видів, які можуть завдати шкоди навколишньому середовищу. Найкращий спосіб запобігти утворенню смогу - уникнути виділення оксидів азоту та органічних парів, які дозволяють утворюватися смогу. На ще більш фундаментальному рівні можна вжити заходів, щоб уникнути використання технологій, які можуть виділяти такі речовини, наприклад, використовуючи альтернативи забруднюючим автомобілям для транспортування.

    Еволюція пристроїв контролю забруднення автомобілів для зменшення смогу є прикладом того, як зелена хімія може бути використана для зменшення забруднення. Перші заходи, вжиті для зменшення викидів вуглеводнів та оксидів азоту з автомобілів, були дуже значними командно-контрольними та «кінцевими» заходами. Ці примітивні заходи, реалізовані на початку 1970-х років, дійсно зменшували викиди, але з різким штрафом у витраті палива та в ходових характеристиках транспортних засобів. Однак за останні три десятиліття автомобільний двигун внутрішнього згоряння перетворився на надзвичайно складну машину, керовану комп'ютером, яка, як правило, добре працює, виділяє мало забруднюючих речовин повітря та є високоефективною. (І було б набагато ефективніше, якби ті водії, які відчувають, що вони повинні керувати «спортивною утилітою» бегемотів, перейдуть на транспортні засоби більш розумного розміру.) Ця зміна вимагала комплексного підходу, що передбачає переформулювання бензину. Першою серйозною зміною було усунення з бензину тетраетилсвинцю, металоорганічної сполуки, яка отруювала автомобільні каталізатори вихлопних газів (і, звичайно, не було корисним для людей). Бензин також був перероблений для усунення надмірно летючих вуглеводнів та ненасичених вуглеводнів (тих, що мають подвійні зв'язки між атомами вуглецю), які особливо реактивні при утворенні фотохімічного смогу.

    Ще більш різким підходом до усунення смогоутворюючих викидів є використання електромобілів, які не спалюють бензин. Ці транспортні засоби, безумовно, не забруднюють, оскільки вони управляються, але вони страждають від, ймовірно, нерозв'язної проблеми дуже обмеженого діапазону між зарядами та потребою у відносно важких батареях. Однак гібридні автомобілі, що використовують невеликий бензиновий або дизельний двигун, який забезпечує електроенергію для приводу електродвигунів, що рухають автомобіль, та для перезарядки відносно менших акумуляторів, можуть значною мірою виправити проблеми викидів та економії палива з автомобілями. Двигун внутрішнього згоряння на цих транспортних засобах працює тільки так, як це необхідно для забезпечення потужності і при цьому може працювати з відносно рівномірною швидкістю, що забезпечує максимальну економію при мінімальних викидах.

    Інший підхід, який використовується на транспортних засобах великих розмірів, як автобуси, які мають зручний і частий доступ до заправних станцій, - це використання паливних елементів, які можуть виробляти електроенергію безпосередньо з каталітичної комбінації елементарного водню та кисню, виробляючи лише нешкідливу воду як продукт. Існує також каталітичний процес, який може генерувати водень з рідкого палива, такого як метанол, так що транспортні засоби, що перевозять таке паливо, можуть харчуватися електроенергією, що виробляється в паливних елементах.

    Зелена хімія може бути застосована до пристроїв та процесів, відмінних від автомобілів, для зменшення викидів смогу. Особливо це актуально в області органічних розчинників, використовуваних для очищення деталей та інших промислових операцій, пари яких часто виділяються в атмосферу. Заміна води відповідними добавками або навіть використання надкритичної рідини вуглекислого газу може усунути такі викиди.

    Резюме

    • Фотохімічний смог - це суміш забруднюючих речовин, які утворюються (в основному в спекотні літні місяці), коли оксиди азоту і летючі органічні сполуки (ЛОС) реагують на сонячне світло, створюючи коричневу серпанок над містами.
    • Фотохімічний смог утворюється в результаті реакцій природних і техногенних викидів оксидів азоту і ЛОС.
    • Смог є серйозною проблемою у багатьох містах і продовжує шкодити здоров'ю людини і особливо шкідливий для людей похилого віку, дітей та людей із захворюваннями серця та легенів, такими як емфізема, бронхіт та астма.
    • Каталітичні нейтралізатори в газових транспортних засобах допомагають зменшити викиди фотохімічних речовин.
    • Зменшити смог може практика зеленої хімії і застосування принципів промислової екології.

    Дописувачі та атрибуція