Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Все процессы как внутри природных сфер, так и между ними протекают с определенными скоростями, на которые не влияет человеческая деятельность. Однако общее количество углерода в атмосфере и биосфере не столь велико, чтобы на него не влияли антропогенные факторы. Наиболее чувствительными к антропогенным загрязнениям оказываются те слои гидросферы и литосферы, в которых осуществляется процесс фотосинтеза. К тому же следует иметь в виду, что каждый живой организм способен существовать только в свойственных ему условиях.
Химия окруэюающей среды
315
Пример 6.10. Метан CH4 поступает из гидросферы и литосферы в атмосферу, его общий перенос оценивается величиной 5•1O8 т/год. Определим среднюю продолжительность пребывания метана в атмосфере.
Решение. Зная интенсивность поступления вещества (газа) в атмосферу, можно вычислить среднюю продолжительность его пребывания в этой природной сфере при следующих условиях: 1) предполагается, что в общей системе установилось состояние стационарного режима, при котором скорости обмена веществом между природными сферами таковы, что его концентрации в каждой из них не изменяются; 2) продолжительность пребывания вещества в природной сфере достаточна для его равномерного распределения в ее объеме.
Допустим, что для CH4 эти условия выполняются, и тогда не имеет значения, по какой величине - поступления или оттока CH4 - определяется продолжительность пребывания его в атмосфере. Среднюю продолжительность пребывания CH4 в атмосфере /ср(СН4) можно вычислить, используя зависимость
'ср(СН4) = —
(6.54)
U
где Мсн4 - общая масса CH4 в атмосфере, т; /сн4 - входной (или выходной) поток CH4 в атмосферу, т/год. Для вычисления величины /Ср(сн4) необходимы значения Л/сн4 и /сн4. Вычислим их. Определим общую массу атмосферы (см. пример 6.1):
1,0-103 г/см • 25,1 • 10м м2 ? [°'4°f =5,1-1021 г.
Содержание CH4 в атмосфере составляет 1,7-10"4 % по объему (см. раздел 16.5). Объемные проценты соответствуют молярным отношениям газов. С учетом этого замечания вычислим общую массу CH4 в атмосфере.
А/Сн4 = 5,1-1021 г- 16г/моль/29г/моль • 1,7-10~4- 1/100 = 4,8-Ю15 г = 4,8-10<; т. Вычислим величину /Ср(сн4)-
4,8-109/« п, .
Ответ: средняя продолжительность пребывания CH4 в атмосфере по результатам проведенных расчетов - около 10 лет.
Цикл азота. Этот цикл - один из наиболее важных в обеспечении жизни на Земле. Азот - обязательный компонент белков и ряда других соединений, участвующих в биохимических процессах.
Основная часть азота в виде N2 находится в составе атмосферы (75,6 % по массе). Общая масса азота в атмосфере около 3-1015 т. Биомасса включает в себя до5,6-10п т азота. Во всех сферах Земли массы азота относительно невелики, но их нельзя игнорировать.
Поведение азота в природе в значительной мере определяется прочностью тройной связи в его молекулах N=N. Поэтому немногие микроорганизмы способны фиксировать (усваивать) азот из атмосферы. И лишь отдельные виды бактерий (содержат Mo, Fe), связанные преимущественно с бобовыми растениями, и некоторые виды водорослей (определенные сине-зеленые водоросли) также способны ассимилировать
316
В.В. Вольхин. Общая химия
молекулярный азот. Естественным образом фиксируется около 1,8-10 т азота в год. Несмотря на относительно небольшие масштабы, естественные процессы фиксации азота обеспечили накопление азота в биомассе и создали кругооборот азота в природной среде. После отмирания микроорганизмов и растений азот высвобождается в виде NH3, NH4+. В целом процессы фиксации N2 и выделения NH4+ при биоразложении отмирающих органических остатков можно выразить суммарным уравнением:
3{CH2O)0O + 2N2(r) + 4Н30+(Р)-> 3CO2(P) + 4NH4+(P) + Н20(ж). (6.55)
Однако при интенсивном ведении сельского хозяйства природный цикл не обеспечивает растения азотом в нужных количествах. Недостаток азота компенсируют, внося удобрения. Значительных масштабов достигло промышленное производство аммиака, в основе которого лежит хорошо известная реакция
2N2(P) + 3H3(D 3F=t 2NH3(r),
Мировое производство аммиака - около ПО млн т/год (1992). В последующий период производство аммиака безусловно возросло. Масштабы процессов фиксации азота биологическими и промышленными методами в настоящее время являются величинами одного порядка.
Производство NH-1 из N2 и H2 относится к энергоемким процессам, и проводятся исследования, цель которых - найти пути фиксации N2 из атмосферы при нормальных температуре и давлении. Так, предложено поглощать азот с помощью комплексных соединений, при образовании которых молекула N2 может выступать в качестве лиганда. Затем с помощью окислительно-восстановительных реакций азот преобразуют в NHj или N2H4. Комплексное соединение при этом выступает в качестве катализатора.
Пример упрощенной схемы превращений:
Ti(OR)2—Ух-). [Ti(OR)2N2] RBd + "* > Ti(OR)2 + N2H2,
где R - алкоксидиый радикал; Red - восстановитель.
Для питания растений азот необходим в форме ионов NO3", которые получаются в результате процесса нитрификации:
202(р)+ NH4+(P) + H2O010 -> NO3-(P) + 2H3O+(P). (6.56)
