Соединения азота в атмосфере. Лекция 4

Содержание

Слайд 2

Схема трансформации соединений азота в тропосфере

Схема трансформации соединений азота в тропосфере

Слайд 3

Среднее содержание газообразного аммиака в приземном слое воздуха составляет 0,3-9,1 мгк*м-3 и

Среднее содержание газообразного аммиака в приземном слое воздуха составляет 0,3-9,1 мгк*м-3 и
резко падает с подъемом вверх.
Нa высоте около 2 км содержание аммиака в воздухе снижается более чем в три раза и далее в тропосфере практически не меняется.

Вертикальный профиль концентраций аммиака и увеличение его концентрации в приземном слое с ростом температуры (летнее время) свидетельствует о биологическом происхождении основного количества NH3.

Слайд 4

В тропосфере аммиачный азот представлен, в основном, содержащимися в аэрозолях ионами аммония.

В тропосфере аммиачный азот представлен, в основном, содержащимися в аэрозолях ионами аммония.
Общее содержание NH4+ ионов, в пересчете на элементный азот, составляет порядка 2 млн. т., что примерно в два раза превышает общее содержание газообразного аммиака.
С атмосферными осадками и в результате процессов сухого осаждения ежегодно около 70 млн. т соединений аммония выводится из атмосферы.

 

Слайд 5

Часть аммиака (от 3 до 8 млн. т*год-1) вступает во взаимодействие со

Часть аммиака (от 3 до 8 млн. т*год-1) вступает во взаимодействие со
свободными радикалами, в основном с гидроксидным радикалом:
NH3 + OH = NH2 + H2O
В дальнейшем NH2 легко окисляется до оксида азота.

Слайд 6

Под общей формулой оксидов азота NOx обычно подразумевают NO, NO2 и N2O.
Среднее

Под общей формулой оксидов азота NOx обычно подразумевают NO, NO2 и N2O.
значение концентрации гемиоксида азота (N2O) в тропосфере незначительно меняется с высотой над уровнем моря и географической широтой местности и составляет в среднем, по данным различных авторов, 0,26 - 0,33 млн-1.

Слайд 7

Окисление азота воздуха в процессах горения

Пример
Константа равновесия реакции образования оксида азота

Окисление азота воздуха в процессах горения Пример Константа равновесия реакции образования оксида
из азота и кислорода при 800 К равна 3 *10-11. Какого равновесного значения может достигнуть концентрация оксида азота в смеси, если исходная смесь –воздух?

Слайд 8

Решение.
Процесс образования молекул оксида азота из азота и кислорода воздуха может быть

Решение. Процесс образования молекул оксида азота из азота и кислорода воздуха может
представлен следующим уравнением:
N2 + O2 = 2 NO
Поскольку в процессе образования оксида азота не происходит изменения количества молей газов в смеси, константы равновесия Кр и Кс равны, и нет необходимости в дополнительных пояснениях в условиях задачи. Константу равновесия можно представить уравнением:
Кр = Р(NO)2 / Р(N2) * Р(O2)

Слайд 9

Представим равновесные значения компонентов смеси в виде таблицы

Представим равновесные значения компонентов смеси в виде таблицы

Слайд 10

Парциальные давления азота и кислорода соответствуют значениям, характерным для сухого воздуха при

Парциальные давления азота и кислорода соответствуют значениям, характерным для сухого воздуха при
нормальном атмосферном давлении:
Рi = 101,3 *αi ,
где αi объемная доля i компонента в смеси/
  Поскольку константа равновесия процесса образования оксида азота мала, можно предположить, что равновесные значения парциального давления NO будут низкими, поэтому парциальные давления азота и кислорода практически не изменятся. В связи с этим, при расчете можно воспользоваться приближенными равновесными значениями парциальных давлений компонентов смеси.

Слайд 11

3 * 10-11 = 4х2 / 79.12 * 22,23
х = Р(NO) =

3 * 10-11 = 4х2 / 79.12 * 22,23 х = Р(NO)
22,97 * 10 -5 кПа = 0,23 Па.
Ответ: в воздухе при температуре 800К равновесное парциальное давление оксида азота составит 0,23 Па

Слайд 12

Оксид и диоксид азота в тропосфере подвергаются взаимным превращениям
Как известно, NO в

Оксид и диоксид азота в тропосфере подвергаются взаимным превращениям Как известно, NO
присутствии кислорода может окисляться до NO2,
но в тропосфере в связи с низкой концентрацией NO скорость этого процесса очень низкая

Слайд 13

В тропосфере NO, взаимодействуя с гидропероксидным радикалом, переходит в диоксид азота:
NO+HO2

В тропосфере NO, взаимодействуя с гидропероксидным радикалом, переходит в диоксид азота: NO+HO2
= NO2 + OH
Другой возможный путь окисления оксида азота связан со взаимодействием с озоном:
NO + О3 = NO2 + O2

Слайд 14

ПРИМЕР
Известно, что окисление оксида азота (NO) может протекать при взаимодействии с молекулярным

ПРИМЕР Известно, что окисление оксида азота (NO) может протекать при взаимодействии с
кислородом и озоном. Оценим время полувыведения оксида азота из приземного слоя атмосферного воздуха и определим, какой из этих процессов вносит основной вклад в окисление NO.
Примем, что содержание молекул оксида азота в воздухе в среднем составляет - 2 * 109 см-3, а концентрация озона равна 15 млрд-1. Константы скоростей реакций окисления оксида азота кислородом и озоном равны, соответственно:
Кк = 1,93 * 10-38 см6/( молекула с) ` и
Ко = 1,8 * 10-14 см3/( молекула с)`. Температура воздуха 288К, давление 101,3 кПа.

Слайд 15

Решение.
Определим время полувыведения оксида азота из воздуха при его взаимодействии с

Решение. Определим время полувыведения оксида азота из воздуха при его взаимодействии с
молекулярным кислородом.
Процесс окисления в рассматриваемом случае описывается уравнением:
2 NO + O2 = 2 NO2
Скорость процесса окисления NO можно определить по уравнению:
VNO = Кк [O2] [NO]2 где
VNO - скорость процесса окисления NO (см-3/с);
Кк - константа скорости реакции третьего порядка
[O2] и [NO] - концентрации кислорода и оксида азота в воздухе (см-3).

Слайд 16

Концентрация молекул кислорода в приземном слое воздуха равна 20,95 об. %, что

Концентрация молекул кислорода в приземном слое воздуха равна 20,95 об. %, что
составляет:
[O2] = 2,55 * 1019 * 20,95 / 100 = 5,34 * 1018 см-3.
Поскольку количество молекул кислорода в воздухе значительно превосходит количество молекул оксида азота, можно считать, что концентрация О2 в процессе окисления NO практически не изменяется. Поэтому скорость реакции окисления оксида азота можно представить в виде уравнения псевдо-второго порядка:
VNO = Кк* [NO]2 ,
где Кк* - константа скорости реакции псевдо-второго порядка (см3 /. с);
Кк* = Кк [O2] = 1,93 * 10-38 * 5,34 * 1018 = 10,31 * 10-20 (см3/ с).

Слайд 17

Для реакций второго порядка время, или период, полувыведения, то есть время, за

Для реакций второго порядка время, или период, полувыведения, то есть время, за
которое концентрация исходных реагентов снизится вдвое, при условии равенства исходных концентраций реагентов определяется по уравнению:
t1/2 = 1 / К * С, где
К - константа скорости реакции второго порядка (см3/ с);
С - концентрация исходного реагента (см-3).
В рассматриваемом нами случае, для реакции псевдо-второго порядка имеем:
t1/2 = 1 / Кк* [NO]
t1/2 = 1/ 10,31 * 10-20 * 2 * 109 = 4,85 * 107 с = 1,5 года.

Слайд 18

Определим время полувыведения оксида азота из приземного слоя воздуха при его

Определим время полувыведения оксида азота из приземного слоя воздуха при его взаимодействии
взаимодействии с озоном.
В этом случае, уравнение реакции окисления NO имеет следующий вид:
NO + О3 = NO2 + О2
Скорость реакции можно рассчитать по уравнению:
VNO* = Ко [NO] [O3],
где: VNO* - скорость процесса окисления оксида азота озоном (см-3/с);
Ко - константа скорости реакции второго порядка (см3/ с);
[NO] и [O3] концентрации в воздухе (см-3).

Слайд 19

Поскольку концентрация озона более чем в сто раз больше концентрации оксида азота,

Поскольку концентрация озона более чем в сто раз больше концентрации оксида азота,
можно принять, что в процессе окисления NO значение концентрации озона практически не изменяется. В этом случае скорость реакции можно представить в виде уравнения псевдо-первого порядка:
V*NO = Ко** [NO],
где Ко** - константа скорости псевдо-первого порядка;
Ко** = Ко. [O3] = 1,8 * 10-14 * 3,82 * 1011 = 6,88 * 10-3 с-1.
Для реакций первого порядка время полувыведения реагента определяется по уравнению:
t1/2 = 0,693 / K,
где K - константа скорости реакции первого порядка.

Слайд 20

В рассматриваемом нами случае для реакции псевдо-первого порядка имеем:
t1/2 = 0,693 /

В рассматриваемом нами случае для реакции псевдо-первого порядка имеем: t1/2 = 0,693
К = 0,693 / 6,88 * 10-3 = 100,7 с = 1,7 мин.
Ответ: времена полувыведения оксида азота при его взаимодействии с кислородом и озоном равны, соответственно 1,5 года и 1,7 минуты. В приземном воздухе процесс окисления NO , в основном, протекает при участии озона.

Слайд 21

Диоксид азота в тропосфере в присутствии излучения длиной волны λ < 398

Диоксид азота в тропосфере в присутствии излучения длиной волны λ NO2 +
нм разлагается с образованием оксида азота и атома кислорода:
NO2 + hν = NO + O(3P), λ < 398 нм

Образующийся оксид азота вновь подвергается процессу окисления, а атомарный кислород приводит к появлению в тропосфере озона.

Слайд 22

Важной частью атмосферного цикла соединений азота является образование азотной кислоты. Примерно 44%

Важной частью атмосферного цикла соединений азота является образование азотной кислоты. Примерно 44%
азотной кислоты в тропосфере образуется в результате взаимодействия диоксида азота с гидроксидным радикалом:
NO2 + OH = HNO3
Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида азота, и вновь включаются в атмосферный цикл его соединений.
HNO3 = OH + NO2

Слайд 23

Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде

Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде
растворов HNO3 и её солей.
Доля азотной кислоты в кислотности атмосферных осадков составляет 15% и постепенно возрастает.
Среди нитратов, присутствующих в атмосфере, основное количество составляет азотнокислый аммоний NН4NO3, который, как и в случае сульфата аммония, образуется при взаимодействии аэрозолей соответствующих кислот с NH3 и его аэрозолями.

Слайд 24

Оценка масштабов антропогенных поступлений соединений серы и азота в атмосферу

Пример
Оцените мольное отношение

Оценка масштабов антропогенных поступлений соединений серы и азота в атмосферу Пример Оцените
и общую массу диоксида серы и оксидов азота, поступающих в атмосферу в течение суток с выбросами тепловой электростанции, работающей на угле. Содержание серы в угле равно 1,5%. В сутки на станции сжигается 10 тыс. т угля. Концентрация оксидов азота в газовых выбросах составляет 150 млн-1. Для сжигания угля используется стехиометрически необходимое количество воздуха. При оценке принять, что уголь состоит из углерода и содержит в качестве примеси только серу.

Слайд 25

Решение
Появление диоксида серы в выбросах отходящих газов при сжигании топлива связано с

Решение Появление диоксида серы в выбросах отходящих газов при сжигании топлива связано
процессом окисления соединений серы, присутствующих в исходном топливе. В рассматриваемом случае процесс можно представить уравнением:
S + O2 = SO2
Количество серы, сжигаемое на станции за сутки, составит:
m (S) = M(угля) *α(S),
где: m (S) и M(угля) - масса серы и угля сжигаемого на станции в сутки; α(S) - массовая доля серы в угле.
m (S) = 10000 * 0,015 = 150 (т/сутки)

Слайд 26

Количество молей диоксида серы, образующегося в процессе горения угля, равное количеству молей

Количество молей диоксида серы, образующегося в процессе горения угля, равное количеству молей
серы, содержащейся в угле, составит:
N(SO2) = N(S) = m (S) / М.М.(S)
где М.М.(S) - масса моля серы.
N(SO2) = 150 * 106 / 32 = 4,69 * 106 (молей/сутки)

Слайд 27

Для вычисления количества молей оксида азота, образующегося в процессе горения угля, необходимо

Для вычисления количества молей оксида азота, образующегося в процессе горения угля, необходимо
найти общее количество молей газов, содержащееся в отходящих продуктах (Nоб.). Эта величина будет определяться количеством молей азота, содержащегося в воздухе, необходимом для окисления углерода и серы из угля (NN2), количеством молей диоксида углерода, образующегося при горении углерода (NСО2), и количеством молей образующегося диоксида серы (N SO2):
Nоб. = NN2+ NСО2 + N SO2 ,

Слайд 28

Процесс окисления углерода можно представить уравнением:
С + О2 = СО2
Каждые

Процесс окисления углерода можно представить уравнением: С + О2 = СО2 Каждые
сутки на станции сжигается 10000 т угля, которые, по условию задачи, содержат 150 т серы и 9850 т углерода. Количество молей углерода, сжигаемого на станции в сутки, составит:
N(С) = m (С) / М.М.(С)
где М.В.(С) – масса моля углерода.
N(С) = 9850 * 106 / 12 = 8,21 * 108 молей/сутки

Слайд 29

На каждый моль углерода образуется моль диоксида углерода и расходуется, как и

На каждый моль углерода образуется моль диоксида углерода и расходуется, как и
при окислении серы, один моль кислорода из воздуха. Поэтому количество молей диоксида углерода, образовавшегося в процессе горения угля, составит:
NСО2 = N(С) = 8,21 * 108 молей/сутки
 Общее количество молей кислорода, необходимое для окисления серы и углерода, содержащихся в угле, составит:
N(О2) = N(О2 на окисление серы) + N(О2 на окисление углерода)
N(О2) = 4,69 * 106 + 8,21 * 108 = 8,26 * 108 молей/сутки

Слайд 30

Поскольку в процессе сжигания угля используется воздух, кислород из которого, по условию

Поскольку в процессе сжигания угля используется воздух, кислород из которого, по условию
задачи, будет полностью израсходован на окисление серы и углерода, в отходящих газах останется лишь азот, если не принимать во внимание другие инертные газы и процесс окисления самого азота. Содержание азота можно определить, зная средний состав воздуха:
NN2 = N(О2) * α(N2)/ α(О2),
где α(N2) и α(О2) - содержание азота и кислорода в воздухе, соответственно.
NN2= 8,26 * 108 * 78,11 / 20,95 = 3,08 * 108 молей/сутки

Слайд 31

Общее количество молей газов, содержащихся в отходящих продуктах сжигания угля, составит:
N (общее)

Общее количество молей газов, содержащихся в отходящих продуктах сжигания угля, составит: N
= 3,08 * 108 + 8,21 * 108 + 4,69 * 106 = 11,34 * 108 молей/сутки
Количество молей оксида азота в отходящих газах составит: N(NО) = С(NО) * N (общее),
где С(NО) - объемная доля оксида азота в отходящих газах, по условию задачи равна 150 * 10-6.
N(NО) = 150 * 10-6 * 11,34 * 108 = 1,70 * 105 молей/сутки

Слайд 32

Массы диоксида серы и оксида азота, поступающего в атмосферу в процессе сжигания

Массы диоксида серы и оксида азота, поступающего в атмосферу в процессе сжигания
угля, можно определить по уравнению:
М = N * М.М.,
где: М - масса газа (г); N - содержание в отходящих газах (моль/сутки); М.М. – масса моля соответствующего газа.
М(SO2) = 4,69 * 106 * 64 = 300 * 106 г/сутки = 300 т/сутки М (NО) = 1,70 * 105 * 30 = 51* 105 г/сутки = 5,1т/сутки
Имя файла: Соединения-азота-в-атмосфере.-Лекция-4.pptx
Количество просмотров: 56
Количество скачиваний: 0