Реферат по предмету "Химия"


Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы

Реферат
по предмету «Основы общейхимии»
 
Фотохимические процессы вверхних слоях атмосферы

Содержание
Введение
1.  Особенности атмосферыЗемли
2.  Основные понятия
3.  Фотохимия кислорода иозона в атмосфере
4.  Фотохимические реакции сучастием метана
5.  Фотохимические процессыоксидов азота
Заключение
Список литературы

Введение
Атмосфераначала образовываться вместе с формированием Земли. Некоторые геологическиепроцессы, например, излияния лавы при извержениях вулканов сопровождалисьвыбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водянойпар, оксид углерода (II) (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ). Подвоздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался наводород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидомуглерода (II),образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процесседиффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не могулетучиться и постепенно накапливался, становясь основным её компонентом, хотянекоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций.
Подвоздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов,присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции,в результате которых происходило образование органических веществ, в частностиаминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза,сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии вверхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли отопасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласнотеоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25000 раз меньшее, чем сейчас,уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чемсейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьмасущественную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовыхлучей.

1. Особенностиатмосферы Земли
В результатефотохимических процессов изменяется состав атмосферы планет. Особенно этокасается атмосферы Земли, поскольку она представляет собой, наряду с азотом идругими инертными газами, неравновесную смесь кислорода и окисляемыхсоединений, таких, как водород Н2, метан СН4, монооксидуглерода СО, сероводород Н2S. Неравновесность отчасти поддерживаетсябиологическими процессами, но основным фактором является солнечная радиация,инициирующая различные фотохимические реакции. На больших высотах болеекоротковолновое излучение вызывает фотоионизацию, в результате которой ватмосферу попадают и ионы. Наличие в атмосфере слоя ионизированного газапозволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Некоторые вещества, попадающие ватмосферу в результате деятельности человека, особенно выхлопные газы автомобилей,претерпевают фотохимические превращения, в результате которых образуютсяядовитые и токсичные вещества. Продукты неполного сгорания углеводородов имонооксид азота NO на свету реагируют с кислородом с образованием такихсоединений, как озон (токсичный для животных и растений), диоксид азота NO2 (также токсичноевещество), пероксиацетилнитрат (вещество, вызывающее раздражение слизистой глази токсичное для растений) и частички сажи, ухудшающие видимость.
Большинствофотохимических процессов начинается с того, что вещество поглощает свет. Этоприводит к переходу электронов его атомов или молекул на более высокийэнергетический уровень – иначе говоря, к переходу их в возбужденное состояние.Такие атомы и молекулы ведут себя по-другому, чем когда они находятся восновном состоянии, и процессы, в которых они могут принимать участие,отличаются от обычных «тепловых» химических реакций. При поглощении квантавидимого света энергия возбужденной молекулы становится сравнимой с энергиейхимических связей, поэтому молекула может претерпеть химическое превращение –либо сама по себе, либо в результате взаимодействия с другой молекулой.
2. Основныепонятия
Атмосфера –газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя еёповерхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит соколоземной частью космического пространства.
 
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВАТМОСФЕРЫГаз Объемное содержание, %
Водород H2
~ 2·10–5
Кислород O2 21
Озон O3
~ 10–5
Азот N2 78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар H2O ~ 0,1 Угарный газ CO
1,2·10–4
Метан CH4
1,6·10–4
Аммиак NH3
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9 Гелий He
5·10–4 Неон Ne
1,8·10–3 Аргон Ar 0,9 Криптон Kr
1,1·10–4 Ксенон Xe
8,7·10–6 Средняя молекулярная масса 28,8
Верхние слоиатмосферы – это слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений,вызванных погодой. На этой высоте воздух разрежен. На поведение верхних слоеватмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическаярадиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются иобразуют ионосферу. Верхние слои атмосферы включают в себя мезосферу,термосферу и ионосферу.
Мезосфера –слой атмосферы на высотах от 40 до 90 км. Характеризуется повышениемтемпературы с высотой; максимум температуры (порядка +50°C) расположен навысоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C.Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации(излучения) озоном.
В целом, навсем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального еезначения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высотаоколо 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникатьочень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли,наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после заходаСолнца.
Термосфера –слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км ипростирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разныхуровнях, может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степенисолнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излученияСолнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Полярныесияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака –все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Ионосфера –верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км, характеризующиеся значительнымсодержанием атмосферных ионов и свободных электронов вследствие облучениякосмическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Степень ионизациистановится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет судалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательнопроцессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомови ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 иих атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слоиатмосферы, лежащие выше 60 километров, называются ионосферными слоями, а ихсовокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна,называют нейтросферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфередостигается на высотах 300–400 км.
Фотохимия – это раздел химии, в котором изучаютсяфотохимические превращения, т.е. реакции, протекающие под воздействиемсветового излучения. Как самостоятельная область науки фотохимия оформилась в 1-й трети XX в. Первые фотохимическиезакономерности были установлены в XIX в. Основным закон фотохимии стал закон квантовойэквивалентности, который сформулировал А.Эйнштейн в 1912 г. Он гласит: каждыйпоглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу.Ещё одним важнейшим законом фотохимии является закон Гротгуса – Дрепера(1818-1843 гг.), который заключается в том, что фотохимические измененияпроисходят только под действием света, поглощаемого системой.
Важнейшимпараметром фотохимической реакции является квантовый выход γ, которыйопределяется отношением числа фотохимических превращений к числу поглощённыхквантов:
γ =число фотохимических превращений/число поглощённых квантов
В зависимостиот типа фотохимической реакции квантовый выход может меняться в широкихпределах. Это связано с возможностью потери поглощенной энергии дофотопревращения. Если время существования фотовозбужденной молекулы и скоростьфотодиссоциации совпадают, то γ ~ 1. При γ >> 1фотореакция идет по цепному механизму.
Типыфотохимических реакций:
1.      Фотодиссоциация (фотолиз) приводит к разложению исходного вещества,поглотившего световую энергию. Например: разложение галогенидов серебра (основасеребряной фотографии), фотолиз паров ацетона CH3(CO)CH3 → CO + другиепродукты.
2.      Фотосинтез приводит к образованию более сложных соединений. Примерами реакцийфотосинтеза служат:
•        фотосинтезозона в верхних слоях атмосферы, создающий защитный озоновый слой: фотодиссоциация:O2àO+O; фотосинтез: O2+OàO3
•        фотосинтезорганических соединений из углекислого газа, воды, минеральных веществ зеленымирастениями. В частности, синтез глюкозы может быть описан уравнением:
6CO2 + 6H2O à C6H12O6 + 6O2,
который идет только поддействием световой энергии и в присутствии хлорофилла.
3. Фотохимиякислорода и озона в атмосфере
Наиболеетипичной фотохимической реакцией в верхних слоях атмосферы является диссоциациямолекул кислорода с образованием атомов и радикалов. Так, при действиикоротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, образующиеся возбуждённыемолекулы
O2 *: O2+ hν à O2*,
диссоциируют на атомы: O2* à O + O. Эти атомы вступают вовторичную реакцию с O2, образуя озон: O + O2 à O3. Образование озона проходит по обратимойреакции: 3O2 + 68ккал (285 кДж) ↔ 2O3.
Озон жаднопоглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и этоизлучение разогревает атмосферу. Молекула О3 неустойчива и придостаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0оС)самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 свыделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличиваютскорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переходможет носить взрывной характер. Озон – мощный окислитель, намного болеереакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (заисключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляетмногие неметаллы. Также повышает степень окисления оксидов.
Озон в атмосфере, определяет характер поглощения солнечнойрадиации в земной атмосфере. Содержится в ничтожном количестве: толщина слояозона, приведённого к нормальным условиям, в среднем для всей Земли составляет2,5-3 мм. Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы- на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Озоновыйслой, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющимнас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитиежизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
4. Фотохимическиереакции с участием метана
Рассмотрениеповедения метана в атмосфере начнем с процессов исчезновения метана. Дело втом, что процессы вывода метана из атмосферы известны в количественномотношении гораздо полнее, чем процессы, обеспечивающие поступление метана ватмосферу. Интенсивность процессов стока метана должна быть примерно равнойинтенсивности источников метана, что позволяет более надежно судить о мощностиисточников метана в атмосфере.
Молекуламетана довольно устойчива, и ее нелегко вывести из атмосферы. Метан малорастворимв воде (30 см3 газа растворяется в одном литре воды), и удаление егоиз атмосферы с помощью осадков не происходит. Для реального удаления изатмосферы метан необходимо переводить в нелетучие соединения или другиегазообразные соединения.
Метан, как и многиедругие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН:
ОН + СН4 = Н2О+ СН3
Радикал ОН — одна из наиболее реакционноспособных частиц в химических процессах. Источникомрадикала ОН в тропосфере является тропосферный озон (О3). Поддействием ультрафиолетового света молекулы тропосферного озона разрушаются собразованием молекулы кислорода и чрезвычайно реакционноспособного атомакислорода в возбужденном электронном состоянии (О*):
О3 + hν =О2 + О*
Атомыкислорода отрывают один атом водорода от воды и получается два радикала ОН:
О* + Н2О= 2ОН
Итак, реакциив атмосфере, приводящие к выводу метана, таковы:
ОН + СН4 = Н2О+ СН3,
CH3 + O2= CH3O2,
CH3O2+ NO = CH3O + NO2,
CH3O+ O2 = CH2O + HO2,
НО2 + NO = OH + NО2,
2[NO2+ hν = NO + O],
CH4 + 4O2 = CH2O + H2O + 2O3
Образующиесямолекулы формальдегида начинают участвовать в следующих трех реакциях, которыедают начало новым циклам:
CH2O+ hν = H2 + CO,
СН2O + hν = Н + НСO,
CH2O+ OH = HCO + H2O
Вторая итретья реакции дают начало следующим циклам, протекающим в присутствии оксидовазота, в результате которых возникают две молекулы озона и два радикала ОН.Реакция формальдегида с радикалом ОН также приводит к образованию озона:
CH2O+ OH = HCO + H2O,
CH2O+ 2O2 + hν = CO + O3 + H2O
Такимобразом, в результате многоступенчатого процесса из относительно небольшогоколичества молекул метана образуется сравнительно большое количество озона.
 
5. Фотохимическиепроцессы оксидов азота
NO и NO2всегда присутствуют в атмосфере в количествах, достаточных для протеканияреакций с их участием. 65% от общего количества связанного азота на Землеявляется результатом деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25%приходится на промышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) – результатсгорания азота в его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары,грозовые разряды) и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Этипроцессы составляют источник более или менее постоянных концентраций оксидовазота в атмосфере, и их уровень является оптимальным для поддержания напостоянном уровне химических явлений в атмосфере Земли, прежде всегопостоянства концентрации озона.
Фотохимическиереакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и вверхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит впроцессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, поддействием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азотавоздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаныпроцессы деструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этихвеществ:
O + NO2à NO + O2
NO + O3à NO2 + O2
Исследованияпоследних лет показывают постепенное повышение содержания закиси азота ватмосфере. Это связано с тем, что при среднем времени жизни молекулы N2O в атмосфере около 180лет и увеличении объемов антропогенного загрязнения отсутствуют путиестественного стока N2O, за исключением фотохимических реакций в стратосфере:
N2O + O à N2 + O2,
N2O + O à 2NO
Итак, оксидазота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы ивнешние условия существования. Однако это же вещество является и мощнымвнутренним биорегулятором.

Заключение
Такимобразом, фотохимические процессы играют важнейшую роль в поддержаниипостоянства газового состава атмосферы Земли. Вместе с химическими процессами внижних слоях атмосферы, на поверхности Земли, а также в литосфере и гидросфереони составляют сложную систему, которая, благодаря своему функционированию, являетсяосновой обеспечения жизнедеятельности и поддержания гомеостаза живыхорганизмов. Озон, полученный в результате химических превращений кислорода поддействием ультрафиолета Солнца, образует озоновый слой, который изменяет спектрдостигающего земной поверхности ультрафиолетового излучения, отсекаякоротковолновую его составляющую, и тем самым защищая населяющие Землю живыеорганизмы от его вредного воздействия. Метан, неоднократно взаимодействуя скислородом, оксидами азота и гидроксильным радикалом OH, так же образует озон.В итоге вместо одной исчезнувшей в атмосфере молекулы метана возникает 3,5молекулы озона. В атмосфере оксид азота (II) окисляется до диоксида азота. Привысокой концентрации оксиды азота могут оказывать токсическое действие нацентральную нервную систему человека. Однако под действием солнечного светадиоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, который превращаеткислород О2 опять же в озон О3.
Накапливаясьв нижних слоях атмосферы, озон способен оказывать вредное воздействие наорганизм: вызывает кашель, головокружение, усталость. Озон – сильнейшийокислитель: при его содержании в воздухе всего лишь 1•10–5% (пообъему) он разъедает резину, разрушает металлы, вступает в реакции суглеводородами, образуя опасные для человека вещества. Однако максимальнаяконцентрация озона все же наблюдается в верхних атмосферных слоях, где его рольсложно переоценить.

Список литературы
 
1) НекрасовБ.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
2) БажинН.М. Химия в интересах устойчивого развития. 1993. Т. 1.
3) ПрокофьеваИ… Атмосферный озон, М.-Л., 1951
4) ЗеленинК.Н. Оксид азота(II): Новые возможности давно известной молекулы // СоросовскийОбразовательный Журнал. 1997. № 10.
5) ДжуаМ. История химии. М.: Мир, 1982.
6) УэйнР. Основы и применение фотохимии. М., «Мир», 1991


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Две особенности русского марксизма
Реферат Сказания о Талиесине
Реферат Особенности управления персоналом с преобладанием женщин
Реферат Добрыня Никитич и Василий Казимирович
Реферат Антиутопии: будущее без человека
Реферат Об опыте преподавания истории науки и техники в современном вузе
Реферат Уголовно-противоправная сущность хулиганства
Реферат Нормативный учет и стандарт – кост на базе полных затрат
Реферат Акт о безоговорочной капитуляций германии.
Реферат Актуальные вопросы формирования новой здравоохранительной политики (нзп), общественного здоровья и здорового образа жизни в условиях системной модернизации отечественной экономики
Реферат Суходол
Реферат Правові відносини поняття склад елементи види
Реферат ОС Windows XP папки текстові файли та ярлики
Реферат Тайна пшеничного зерна ("Братья Каарамазовы")
Реферат Гасіння пожежі та ліквідація наслідків надзвичайних ситуацій на ЗАТ Миргородський елеватор