Коротко о главном
Выбросы заводов, электростанций и автомобилей вызывают кислотные дожди, усиливают парниковый эффект и разрушают озоновый слой. Меру загрязнения задаёт ПДК — предельно допустимая концентрация, а «зелёная химия» стремится к процессам без вредных отходов.
Подробное объяснение
Химия даёт нам удобрения, пластмассы, лекарства и топливо. Но у любого крупного производства есть обратная сторона — выбросы. По данным учебника, каждый год синтезируют около 250 тыс. новых веществ, и лишь малую часть из них проверяют на безопасность. А металлургия, теплоэлектростанции и миллионы автомобилей ежедневно выбрасывают оксиды углерода, серы и азота. Разберём, к чему это приводит.
Кислотные дожди
Даже чистый дождь немного кислый: в нём растворён углекислый газ, и pH воды около 5,6. Кислотными называют осадки (дождь, снег, туман) с pH ниже 5,6.
Их причина — оксиды серы и азота. Сера содержится в угле и нефти и при сжигании превращается в \(\mathrm{SO_2}\). Оксид азота(II) образуется в двигателях и топках из азота и кислорода воздуха при высокой температуре. Дальше в воздухе идут реакции:
Кислотные осадки губят леса и обитателей водоёмов, закисляют почву и переводят нерастворимые соединения тяжёлых металлов в растворимые — так металлы попадают в растения, а потом в организм животных и человека. Кислоты разъедают мрамор и известняк памятников, ржавят металлические конструкции. Особенно опасен кислотный туман: капельки кислот попадают прямо в лёгкие.
Парниковый эффект
Атмосфера пропускает солнечный свет к поверхности, но задерживает тепловое (инфракрасное) излучение нагретой Земли — как стекло теплицы. Отсюда название. Задерживают тепло парниковые газы: углекислый газ, пары воды, метан. Без них на Земле было бы очень холодно. Но сжигание угля, нефти и газа возвращает в атмосферу углерод, который миллионы лет был «спрятан» в недрах. Доля \(\mathrm{CO_2}\) растёт, эффект усиливается, климат теплеет. По оценкам климатологов, средняя температура уже выросла более чем на 1 °C по сравнению с доиндустриальной эпохой (в учебнике — на 0,8 °C за 100 лет). Следствия — таяние ледников, подъём уровня океана, засухи и наводнения.
Озоновый слой
В стратосфере, на высоте около 20–25 км, больше всего озона \(\mathrm{O_3}\). Этот слой поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца — поэтому его называют озоновым щитом. Озоновая дыра — область, где концентрация озона заметно снижена; самая известная появляется весной над Антарктидой. Озон разрушают и природные процессы, и выбросы людей: фреоны из холодильников и аэрозолей, оксиды азота от ракет и сверхзвуковых самолётов. Под действием ультрафиолета фреон отщепляет атом хлора, и один такой атом успевает разрушить множество молекул озона.
Как защищают природу
Ущерб от загрязнения не знает границ, поэтому страны договариваются вместе: Венская конвенция и Монреальский протокол — об охране озонового слоя, Киотский протокол и Парижское соглашение — о сокращении выбросов парниковых газов, есть соглашения о защите Мирового океана. На практике ставят фильтры и поглотители на трубах, каталитические нейтрализаторы на автомобилях, переходят на энергию Солнца и ветра.
Меру загрязнения задаёт ПДК — предельно допустимая концентрация: наибольшее содержание вредного вещества в литре воды или кубометре воздуха, которое не вредит здоровью даже при долгом воздействии. Её выражают в мг/л или мг/м³.
«Зелёная химия» идёт дальше очистки: лучше вообще не создавать отходы. Для этого ищут новые катализаторы и пути синтеза, возобновляемое сырьё, безопасные растворители (например, воду или сверхкритический \(\mathrm{CO_2}\)).
Как решать задачи
- Запишите цепочку превращений загрязнителя (S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄) с уравнениями.
- Найдите количество исходного вещества: \(n = m/M\); для тонн удобно считать в кмоль.
- По коэффициентам найдите количество продукта, затем массу \(m = nM\) или объём газа \(V = n \cdot 22{,}4\).
- В задачах на озон помните: из 3 объёмов \(\mathrm{O_2}\) получаются 2 объёма \(\mathrm{O_3}\), общий объём уменьшается.
- В задачах на ПДК сравнивайте концентрации в одинаковых единицах.
Разобранные примеры
Цепочка кислотного дождя
Составьте уравнения реакций, по которым сернистый газ из дымовой трубы превращается в серную кислоту дождя.
Сначала сернистый газ окисляется до оксида серы(VI) (в воздухе — кислородом на частицах пыли или оксидом азота(IV)):
Затем оксид серы(VI) соединяется с водой капель:
Часть \(\mathrm{SO_2}\) сразу растворяется в воде, образуя более слабую сернистую кислоту: \(\mathrm{SO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2SO_3}\).
Сколько кислоты даёт котельная
Котельная сожгла 500 кг мазута, содержащего 2 % серы. Какая масса серной кислоты может образоваться в атмосфере из выброшенного сернистого газа?
- \(m(\text{мазута}) = 500\) кг
- \(w(\mathrm{S}) = 2\%\)
- \(m(\mathrm{H_2SO_4})\)
Цепочка \(\mathrm{S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4}\): каждый атом серы попадает в одну молекулу кислоты.
\(m(\mathrm{S}) = 500 \cdot 0{,}02 = 10\) кг, \(n(\mathrm{S}) = \dfrac{10}{32} = 0{,}3125\) кмоль.
\(m(\mathrm{H_2SO_4}) = 0{,}3125 \cdot 98 \approx 30{,}6\) кг.
ПДК в миллимолях
Допустим, ПДК ртути в воде равна 0,0005 мг/л. Выразите её в ммоль/л.
- \(c = 0{,}0005\) мг/л
- \(M(\mathrm{Hg}) = 201\) мг/ммоль
- \(c\) в ммоль/л
Молярная масса в г/моль численно равна массе в мг/ммоль, поэтому
Типичные ошибки
\(\mathrm{CO_2}\) даёт слабую угольную кислоту и опускает pH дождя только до 5,6 — это норма. Ниже pH опускают сильные кислоты.
Кислотные дожди вызывают оксиды серы и азота, из которых образуются серная и азотная кислоты. Углекислый газ — главный виновник усиления парникового эффекта.
Это разные явления с разными причинами. Через озоновую дыру проходит больше ультрафиолета, но потепление вызывает не она.
Озоновую дыру создают фреоны и оксиды азота в стратосфере, опасность — ультрафиолет. Парниковый эффект усиливают \(\mathrm{CO_2}\) и метан, следствие — потепление.
В \(\mathrm{SO_2}\) степень окисления серы +4, а в \(\mathrm{H_2SO_4}\) — +6. Запись \(\mathrm{SO_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}\) не уравнивается по кислороду.
\(\mathrm{SO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2SO_3}\); серная кислота получается только после окисления — \(\mathrm{SO_2}\) до \(\mathrm{SO_3}\) или \(\mathrm{H_2SO_3}\) до \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Осадки с каким pH называют кислотными?
Показать ответ
Ответ: В) Меньше 5,6
Чистая дождевая вода из-за растворённого \(\mathrm{CO_2}\) имеет pH около 5,6; кислотными считают осадки с pH ниже этого значения.
-
Какие газы относятся к парниковым?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Углекислый газ; Б) Метан; В) Водяной пар
\(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{CH_4}\) и пары воды задерживают тепловое излучение Земли; азот — основной газ воздуха — парникового эффекта почти не создаёт.
-
Какой объём озона (в литрах) получится, если в озон полностью превратить 30 л кислорода (объёмы при одинаковых условиях)?
Показать ответ
Ответ: 20
По уравнению \(\mathrm{3O_2 \rightarrow 2O_3}\) из 3 объёмов кислорода получаются 2 объёма озона, \(30 \cdot \dfrac{2}{3} = 20\) л.
-
Какие вещества, попадая в стратосферу, особенно сильно разрушают озоновый слой?
Показать ответ
Ответ: А) Фреоны
Под действием ультрафиолета фреоны отщепляют атомы хлора, а один атом хлора разрушает множество молекул озона. Их производство ограничил Монреальский протокол.
-
Какой принцип «зелёной химии» считается главным?
Показать ответ
Ответ: Б) Предотвращать загрязнение, чтобы не пришлось от него избавляться
«Зелёная химия» подбирает такие реакции, при которых вредные побочные продукты не образуются вовсе.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Какие из газов вызывают кислотные дожди, а какие в первую очередь усиливают парниковый эффект: \(\mathrm{SO_2}\), \(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{NO_2}\), \(\mathrm{CH_4}\)?
Подсказка
Кислотные дожди дают оксиды, из которых получаются сильные кислоты.
Решение
Кислотные дожди вызывают \(\mathrm{SO_2}\) и \(\mathrm{NO_2}\): в воздухе они превращаются в серную и азотную кислоты. Парниковый эффект усиливают \(\mathrm{CO_2}\) и \(\mathrm{CH_4}\): они пропускают солнечный свет, но задерживают тепловое излучение Земли. Углекислый газ тоже немного подкисляет дождевую воду (до pH около 5,6), но кислотным такой дождь не считают.
Ответ
В пробе колодезной воды нашли 0,02 мг свинца в 1 л. Во сколько раз превышена ПДК свинца для питьевой воды, если принять её равной 0,005 мг/л (по данным учебника)?
Подсказка
Разделите найденную концентрацию на ПДК.
Решение
Концентрация свинца в 4 раза выше допустимой — пить такую воду нельзя.
Ответ
Какая масса серной кислоты может образоваться в атмосфере из 6,4 т оксида серы(IV), если он весь превратится в кислоту?
Подсказка
Из одного моля SO₂ получается один моль H₂SO₄.
Решение
- \(m(\mathrm{SO_2}) = 6{,}4\) т
- \(m(\mathrm{H_2SO_4})\).
\[\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3Суммарно атом серы переходит из \(\mathrm{SO_2}\) в \(\mathrm{H_2SO_4}\)
- \quad SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}\]
- поэтому \(n(\mathrm{H_2SO_4}) = n(\mathrm{SO_2})\). \(n(\mathrm{SO_2}) = \dfrac{6400}{64} = 100\) кмоль
- \(m(\mathrm{H_2SO_4}) = 100 \cdot 98 = 9800\) кг \(= 9{,}8\) т
Ответ
Сколько граммов мрамора (\(\mathrm{CaCO_3}\)) может разрушить кислотный дождь, в котором содержится 4,9 г серной кислоты?
Подсказка
Запишите уравнение реакции карбоната кальция с серной кислотой.
Решение
- \(m(\mathrm{H_2SO_4}) = 4{,}9\) г
- \(m(\mathrm{CaCO_3})\).
\[\mathrm{CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow}\]\(n(\mathrm{H_2SO_4}) = \dfrac{4{,}9}{98} = 0{,}05\) моль
- \(n(\mathrm{CaCO_3}) = 0{,}05\) моль. \(m(\mathrm{CaCO_3}) = 0{,}05 \cdot 100 = 5\) г
Ответ
Через озонатор пропустили 10 л кислорода, 6 % его объёма превратилось в озон. Найдите объём газовой смеси после озонатора и объёмную долю озона в ней.
Подсказка
Из 3 объёмов кислорода получается 2 объёма озона — общий объём уменьшается.
Решение
- \(V(\mathrm{O_2}) = 10\) л
- превратилось 6 %
- \(V(\text{смеси})\)
- \(\varphi(\mathrm{O_3})\).
\[\mathrm{3O_2 \rightarrow 2O_3}\]Превратилось \(10 \cdot 0{,}06 = 0{,}6\) л кислорода
- получилось \(0{,}6 \cdot \dfrac{2}{3} = 0{,}4\) л озона. Осталось кислорода \(10 - 0{,}6 = 9{,}4\) л
- объём смеси \(9{,}4 + 0{,}4 = 9{,}8\) л.
\[\varphi(\mathrm{O_3}) = \dfrac{0{,}4}{9{,}8} \cdot 100\% \approx 4{,}1\%\]
Ответ
Электростанция сжигает за сутки 1000 т угля, содержащего 1,6 % серы по массе. Какая масса и какой объём (н. у.) оксида серы(IV) образуются, если не очищать дымовые газы?
Подсказка
Сначала найдите массу серы, затем количество вещества в кмоль.
Решение
- \(m(\text{угля}) = 1000\) т
- \(w(\mathrm{S}) = 1{,}6\%\)
- \(m(\mathrm{SO_2})\)
- \(V(\mathrm{SO_2})\).
\[\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}\]\(m(\mathrm{S}) = 1000 \cdot 0{,}016 = 16\) т \(= 16\,000\) кг
- \(n(\mathrm{S}) = \dfrac{16\,000}{32} = 500\) кмоль. \(n(\mathrm{SO_2}) = 500\) кмоль
- \(m(\mathrm{SO_2}) = 500 \cdot 64 = 32\,000\) кг \(= 32\) т. \(V(\mathrm{SO_2}) = 500 \cdot 22{,}4 = 11\,200\) м³. Именно поэтому на электростанциях ставят установки сероочистки
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Положите кусочек мела в ложку уксуса — пойдут пузырьки углекислого газа: так кислота «съедает» мраморные памятники. Для парникового эффекта вспомните машину летом: солнце нагревает салон через стёкла, а тепло наружу почти не уходит. Вопросы для проверки понимания: 1) Из каких газов получаются кислотные дожди и какие кислоты в них? 2) Почему озоновый слой называют щитом? 3) Что такое ПДК? На что обратить внимание. Ребёнок должен различать три проблемы — кислотные дожди, парниковый эффект, озоновые дыры — и называть для каждой своих «виновников» и свои последствия.