Химия · Химия элементов · 7 класс

Воздух: состав и загрязнение

Что в воздухе Ташкента, почему зимой густеет туман и откуда кислотный дождь?

Ситуация

В холодный безветренный зимний день над городом висит серый туман: далёкие горы не видны, а карты качества воздуха предупреждают о «вредном» воздухе. Летом небо вроде бы чистое, но порой город накрывает пыль, пришедшая из пустыни. Из чего состоит воздух, которым мы дышим, и какие вредные вещества в него попадают? Откуда они берутся, почему некоторые дожди разъедают мраморные статуи и как можно очистить воздух?

Тема

Состав воздуха, загрязнение и кислотный дождь. Воздух Ташкента: состав, зимний смог (PM2.5) и кислотный дождь — транспорт, отопление и дым заводов

Ключевые понятия

Состав воздуха
PM2.5 и газы
Кислотный дождь

Формулы

\begin{matrix} φ (N_{2}) = 78,08 % & φ (O_{2}) = 20,95 % \\ φ (Ar) = 0,93 % & φ (CO_{2}) \approx 0,042 % \end{matrix}

Состав сухого воздуха (по объёму). Средняя молярная масса ≈ 29 г/моль.

S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}

При горении серы в угле и мазуте образуется оксид серы(IV).

2 SO_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 SO_{3}

В атмосфере SO₂ окисляется, а затем в каплях дождя превращается в серную кислоту: $SO_{3} + H_{2} O \overset{}{\to} H_{2} SO_{4}$ .

4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 HNO_{3}

Азотная кислота из оксидов азота, образующихся в двигателях.

2 CO + 2 NO \overset{}{\to} 2 CO_{2} + N_{2}

В каталитическом нейтрализаторе автомобиля ядовитые CO и NO превращаются в менее опасные газы.

Теория

Воздух — смесь газов

Сухой воздух по объёму: азот 78,08 %, кислород 20,95 %, аргон 0,93 %, углекислый газ ≈ 0,042 % (2024 год, Мауна-Лоа: 424,6 ppm; в 1959 году было ≈ 316 ppm), остальное — неон, гелий, метан, криптон и другие. По массе: N₂ 75,5 %, O₂ 23,1 %, Ar 1,29 %. Средняя молярная масса $\overline{M} = \sum φ_{i} M_{i} \approx 28,97$ г/моль. Кроме того, в воздухе в переменном количестве есть водяной пар (от 0 до ≈ 4 %) и пыль. А. Лавуазье в 1770-х годах, нагревая ртуть в закрытом сосуде 12 дней, показал, что поглощается примерно пятая часть воздуха, а оставшийся газ не поддерживает ни горение, ни дыхание — этот газ он назвал «азотом» («безжизненным»).

Лаборатория: доля кислорода в воздухе

Метод ржавления: влажная стальная вата помещается в закрытый конец измерительной трубки, трубка опрокидывается в сосуд с водой. Железо ржавеет и связывает кислород; за сутки почти весь O₂ расходуется, и вместо него поднимается вода: на 100 мл воздуха ≈ 21 мл. Выровняйте уровни воды в трубке и в сосуде и снимите показание. Метод со свечой даёт неверный результат. Свеча под колпаком гаснет, когда кислорода остаётся примерно 15–16 %, при этом образуется CO₂ и частично возмещает объём кислорода — по химической причине объём газа уменьшается менее чем на 2 %. Вода поднимается в основном по физической причине: пламя нагревает воздух, часть его выходит пузырьками, а после того как свеча гаснет, оставшийся воздух остывает и сжимается. По измерениям, вода поднимается примерно на 10–13 % объёма колпака по физической причине и менее чем на 2 % — по химической, поэтому вывод «вода поднялась на 1/5, значит, O₂ 21 %» неверен.

Что загрязняет воздух

Твёрдые частицы PM2.5 и PM10 (диаметром менее 2,5 и 10 мкм) глубоко проникают в лёгкие; источники: сжигание топлива, транспорт, пыль. Оксид углерода(II) CO — продукт неполного сгорания, мешает переносу кислорода кровью. Оксиды азота NOₓ образуются из азота и кислорода воздуха при высокой температуре в двигателе: $N_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO$ , $2 NO + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO_{2}$ . Оксид серы(IV) SO₂ — из серы, содержащейся в угле и мазуте. Под действием солнечного света из NOₓ и летучих веществ образуется приземный озон. Нормы ВОЗ (2021): PM2.5 — суточная 15, годовая 5; PM10 — 45; NO₂ — 25; SO₂ — 40 мкг/м³; CO — 4 мг/м³ (суточная). По оценке Всемирного банка, среднегодовая концентрация PM2.5 в Ташкенте более чем в шесть раз превышает норму ВОЗ; доли источников: пыль, приходящая из-за пределов города, — 36 %, отопление — 28 %, транспорт — 16 %, промышленность — 13 %. Зимой загрязнение наибольшее (отопление), летом преобладает пыль.

Температурная инверсия

Обычно воздух с высотой охлаждается: тёплый загрязнённый воздух поднимается вверх и перемешивается. В тихие зимние ночи земля и приземный воздух быстро остывают, а выше остаётся более тёплый слой — это температурная инверсия. Тёплый слой работает как «крышка»: дым и пыль не могут подняться выше 100–200 м и скапливаются у земли. В модели концентрация загрязнения $C \propto \frac{E}{u \cdot H}$ — чем больше выброс $E$ и чем меньше скорость ветра $u$ и высота перемешивания $H$ , тем грязнее воздух. В местах, окружённых горами, где мало ветра, это особенно опасно.

Кислотный дождь

Даже чистый дождь слегка кислый: CO₂ воздуха растворяется в воде, образуя угольную кислоту, и pH ≈ 5,6. Кислотный дождь — это дождь с pH ниже 5,6: в нём есть серная и азотная кислоты, образовавшиеся из SO₂ и NO₂. Он разъедает известняк и мрамор: $CaCO_{3} + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CaSO_{4} + H_{2} O + CO_{2} ↑$ , повреждает листья, вымывает из почвы полезные вещества, подкисляет озёра — по данным Агентства по охране окружающей среды США, при pH 5 у большинства рыб икра не развивается. Лабораторная модель: серу сжигают в сосуде с кислородом, затем наливают воду с универсальным индикатором и взбалтывают — SO₂ растворяется и образует сернистую кислоту ( $SO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} SO_{3}$ ), индикатор краснеет; кусочек мрамора растворяется с выделением CO₂, лепесток цветка обесцвечивается в SO₂. Безопасность: SO₂ ядовит, обжигает дыхательные пути — проводите опыт только в вытяжном шкафу, в защитных очках; не нюхайте горящую серу.

О мерах защиты и о модели

Охрана атмосферы: каталитические нейтрализаторы в автомобилях (снижают CO, NOₓ и углеводороды до 90 %), общественный транспорт и метро, отопление домов газом или централизованной системой вместо угля, пылеулавливающие фильтры на заводах и улавливание SO₂, лесополосы и зелёные зоны, запрет на открытое сжигание отходов. Охрана гидросферы: очистка сточных вод, сокращение кислотных дождей — это защищает и озёра с реками. Модель: городской воздух — одна «коробка»: вклад каждого источника пропорционален $1 / (u H)$ , числа подобраны под опубликованную общую картину для Ташкента и не заменяют реальный мониторинг; пыль считается приходящей из-за пределов города. Время опыта с ржавлением ускорено (1 с = 1 час); свеча — парафин C₂₅H₅₂, порог угасания 16 % O₂; SO₂ полностью растворяется в воде, растворы идеальные.

Знаете ли вы?

Аргон был открыт в 1894 году благодаря плотности «атмосферного азота»: Рэлей установил, что 1 л азота, полученного из воздуха, весит 1,2572 г, а полученного химическим путём — 1,2505 г. Эту разницу дала более тяжёлая «примесь» — аргон.
Содержание CO₂, которое измеряют в обсерватории Мауна-Лоа (Гавайи) с 1958 года, в 1959 году составляло в среднем ≈ 316 ppm, а в 2024 году достигло 424,6 ppm (данные NOAA).

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислород и озон — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс