Химия и экология

Три экологические проблемы школьники постоянно сваливают в одну кучу: озоновую дыру приписывают углекислому газу, парниковый эффект путают с кислотными дождями, а озон считают то спасением, то ядом. Это три разных процесса.

• ❌ Озоновый слой разрушает CO₂. ✅ Его разрушают фреоны, хлорфторуглероды вроде CF₂Cl₂; углекислый газ отвечает за парниковый эффект.

• ❌ Любой дождь с растворённым CO₂ считается кислотным. ✅ Кислотными называют дожди с pH ниже 5,6, кислоту в них дают SO₂ и оксиды азота.

• ❌ Озон полезен везде. ✅ Озоновый слой на высоте 20–25 км задерживает ультрафиолет, а у земли озон входит в состав смога и раздражает лёгкие.

• ❌ Углекислого газа в воздухе так много, что выбросы ничего не меняют. ✅ Его всего около 0,04 % по объёму, и прибавка в сотые доли процента для такого малого количества уже заметна: тепловой баланс сдвигается.

Кислотные дожди начинаются в топке и в двигателе

Уголь и мазут содержат примесь серы. При сжигании топлива она превращается в сернистый газ: S + O₂ → SO₂. В атмосфере часть SO₂ окисляется до SO₃, а тот растворяется в каплях воды: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Второй источник — оксиды азота. В цилиндре двигателя и в пламени ТЭЦ температура так высока, что азот воздуха соединяется с кислородом: N₂ + O₂ → 2NO. Дальше 2NO + O₂ → 2NO₂, а в капле дождя 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

Такой дождь закисляет озёра и почву. Он же разъедает мраморные памятники: CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O + CO₂. Сульфат кальция ложится рыхлой коркой гипса, и дождь смывает её вместе с резьбой.

Задача 1. Вычисли объём сернистого газа (н. у.), который образуется при сжигании 1 т угля с массовой долей серы 3,2 %.

1. m(S) = 1000 · 0,032 = 32 кг.

2. n(S) = 32 / 32 = 1 кмоль.

3. По уравнению S + O₂ → SO₂ n(SO₂) = n(S) = 1 кмоль.

4. V(SO₂) = 1 · 22,4 = 22,4 м³, ведь молярный объём 22,4 л/моль равен 22,4 м³/кмоль.

Ответ: 22,4 м³.

Фреоны разрушают озон цепной реакцией

Озон O₃ образуется из O₂ под действием ультрафиолета и сам же этот ультрафиолет поглощает. Наибольшая его концентрация — на высоте 20–25 км. Слой тонкий. Без него жёсткое излучение доходило бы до поверхности.

Фреоны десятилетиями заправляли в холодильники и аэрозольные баллончики, потому что они негорючи и неядовиты. В стратосфере ультрафиолет отрывает от молекулы фреона атом хлора: CF₂Cl₂ → CF₂Cl + Cl. Дальше идёт цикл из двух реакций.

1. Cl + O₃ → ClO + O₂

2. ClO + O → Cl + O₂

Атом хлора в конце цикла свободен и снова берётся за озон. Один атом успевает разрушить множество молекул O₃, пока не свяжется в устойчивое соединение. Поэтому в 1987 году страны подписали Монреальский протокол и начали сворачивать производство фреонов.

Водоёмы страдают от удобрений и солей тяжёлых металлов

С полей в реки смываются нитраты и фосфаты, например NH₄NO₃ и Ca(H₂PO₄)₂. Для водорослей это подкормка. Они разрастаются, отмирают, и бактерии, разлагая их, расходуют растворённый кислород, так что рыба в таком пруду задыхается летом. Процесс называют эвтрофикацией.

Ионы свинца и ртути попадают в воду со стоками заводов. Их осаждают в виде нерастворимых сульфидов или гидроксидов: Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓. Осадок отфильтровывают. Вода уходит дальше без свинца.

Парниковый эффект усиливают CO₂ и метан

Солнечный свет нагревает Землю, а она отдаёт тепло обратно инфракрасным излучением. Молекулы CO₂, CH₄ и водяного пара это излучение поглощают и удерживают тепло у поверхности. Без парникового эффекта на планете было бы гораздо холоднее, так что сам по себе он не враг.

Беда в прибавке. Её дают люди. Любое сжигание угля или природного газа выбрасывает CO₂, для метана уравнение такое: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Метан утекает из газопроводов, с рисовых полей и свалок. Доля CO₂ в воздухе около 0,04 %, и её рост с начала промышленной эпохи фиксируют прямые измерения.

Химия умеет очищать выбросы

Сернистый газ на ТЭЦ связывают известью. Дымовые газы пропускают через суспензию известняка: CaCO₃ + SO₂ → CaSO₃ + CO₂, затем 2CaSO₃ + O₂ → 2CaSO₄. Отход превращается в гипс CaSO₄·2H₂O для строительства.

В выхлопной системе автомобиля стоит каталитический нейтрализатор. На платине и родии угарный газ и оксид азота реагируют друг с другом: 2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂. Оба ядовитых газа превращаются в нетоксичные CO₂ и N₂, хотя CO₂ остаётся парниковым газом. Без нейтрализатора NO вылетел бы в трубу и над городом окислился бы до NO₂, одного из компонентов летнего смога.

Задача 2. Вычисли массу оксида кальция, необходимую для связывания 44,8 м³ (н. у.) сернистого газа по реакции CaO + SO₂ → CaSO₃.

1. n(SO₂) = 44,8 / 22,4 = 2 кмоль.

2. По уравнению n(CaO) = n(SO₂) = 2 кмоль.

3. M(CaO) = 40 + 16 = 56 кг/кмоль; m(CaO) = 2 · 56 = 112 кг.

Ответ: 112 кг.

Задача 3. Составь электронный баланс для реакции образования азотной кислоты в капле дождя 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. Укажи окислитель и восстановитель.

1. Азот меняет степень окисления с +4 на +5: N⁺⁴ − 1e → N⁺⁵.

2. Кислород меняет степень окисления с 0 на −2: O₂⁰ + 4e → 2O⁻².

3. Наименьшее общее кратное отданных и принятых электронов равно 4: перед NO₂ ставим 4, перед O₂ — 1.

4. NO₂ отдаёт электроны, это восстановитель; O₂ их принимает, это окислитель.

Ответ: NO₂ (N⁺⁴) — восстановитель, O₂ — окислитель, коэффициенты 4 и 1.