§ 61. Сжигание топлива приводит к загрязнению атмосферы

Определения и обозначения

Топливо — вещество или смесь веществ, при сжигании которых выделяется энергия. Используют уголь, нефть и её производные, природный газ, а также биотопливо. Горение требует кислорода, поэтому продукты реакции и примеси топлива поступают в воздух и меняют его состав.

Оксиды серы и азота — газообразные продукты, возникающие при сгорании серосодержащего топлива и при реакциях азота с кислородом в горячем пламени. Они загрязняют воздух и могут участвовать в образовании кислот в атмосфере. По их происхождению можно понять, какие меры очистки нужны.

Угарный газ — оксид углерода(II), формула CO, появляющийся при неполном сгорании топлива. Он крайне токсичен, потому что препятствует переносу кислорода кровью. Углекислый газ CO₂ — другое вещество: он образуется при полном сгорании углерода и не обладает такой же острой токсичностью.

Кислотные дожди — осадки с повышенной кислотностью, возникающей из-за превращений оксидов серы и азота в атмосфере. Они могут закислять почвы и водоёмы, вредить растениям и животным, ускорять разрушение металлов и каменных сооружений. Это понятие связывает химические реакции в воздухе с последствиями для окружающей среды.

Как это устроено

В составе многих видов топлива есть углерод и водород, поэтому при достатке кислорода углерод окисляется до углекислого газа, а водород — до воды. Например, полное сгорание метана описывает уравнение CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Но топливо нередко содержит примеси, а реальное горение происходит при разных температурах и доступе воздуха. Поэтому помимо основных продуктов могут появляться другие вещества, загрязняющие атмосферу.

Когда кислорода не хватает, углерод не успевает полностью окислиться до CO₂, и часть превращается в CO. Причиной могут быть плохая вентиляция, недостаточное смешивание топлива с воздухом или неправильная работа горелки. При очень неполном сгорании образуются также твёрдые частицы сажи. Это объясняет, почему одно и то же топливо в разных условиях даёт неодинаковые выбросы.

Сера, входящая в состав некоторых видов угля и нефтепродуктов, при горении соединяется с кислородом и образует оксиды серы. Источник оксидов азота иной: при высокой температуре азот и кислород воздуха становятся достаточно активными, чтобы вступать в реакции. Поэтому даже топливо без азотных примесей может сопровождаться образованием таких оксидов. Содержание серы и температура процесса помогают предсказать, какие загрязнители нужно контролировать.

Попавшие в воздух оксиды серы и азота не просто оседают на землю в неизменном виде. В атмосфере они реагируют с водой и другими веществами, превращаясь в кислоты, которые растворяются в каплях облаков и попадают на поверхность с осадками. Кислоты меняют свойства почв и водоёмов, из-за чего страдают организмы и растения. Загрязнители воздуха также вредят здоровью людей, особенно дыхательной системе.

Уменьшать выбросы можно и на стадии горения, и после него. Правильная подача воздуха помогает топливу сгорать полнее, а фильтры и другие системы очистки задерживают частицы и удаляют некоторые газообразные вещества из дымовых газов. Содержание оксидов серы уменьшают, удаляя серу из топлива или очищая дымовые газы. Переход на менее загрязняющие источники энергии сокращает сжигание топлива, но меры против отдельных загрязнителей не всегда снижают выбросы CO₂.

Загрязнители при сжигании топлива: происхождение, воздействие и снижение выбросов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какой загрязнитель рассматривается, а затем проследите связь между его источником и воздействием. Предложенную меру выбирают с учётом причины образования вещества: например, удаление серы не заменяет фильтр для твёрдых частиц. Углекислый газ нужно рассматривать отдельно, поскольку обычная очистка дымовых газов не устраняет проблему его выбросов автоматически.

Разбор задач

1. Полное сгорание углеводорода

Условие. Определить продукты полного сгорания пропана C₃H₈ и записать уравнение реакции. Пропан — углеводород, то есть вещество, состоящее из углерода и водорода. Полное сгорание означает, что кислорода достаточно для окисления всего углерода до CO₂.

1. Углерод из пропана переходит в CO₂, а водород — в H₂O. Поэтому сначала записываем схему: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В молекуле пропана три атома углерода, значит, ставим 3 перед CO₂. Восемь атомов водорода дают 4H₂O.
3. Справа теперь 10 атомов кислорода: шесть в углекислом газе и четыре в воде. Значит, слева нужно 5O₂.

Ответ. C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Проверка: число атомов каждого элемента слева и справа одинаково. При недостатке кислорода нельзя автоматически считать, что образуются только эти продукты.

2. Расчёт массы углекислого газа

Условие. Какую массу CO₂ даст полное сгорание 16 г метана CH₄? Уравнение реакции: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Нужно связать массу метана с количеством вещества, а затем — с количеством CO₂ по коэффициентам уравнения.

1. Находим количество метана: M(CH₄) = 16 г/моль, поэтому n(CH₄) = 16/16 = 1 моль.
2. Коэффициенты перед CH₄ и CO₂ равны, значит, из 1 моль метана образуется 1 моль углекислого газа.
3. Молярная масса CO₂ равна 44 г/моль. Масса продукта: m(CO₂) = n × M = 1 × 44 = 44 г.

Ответ. Образуется 44 г CO₂, если метан сгорает полностью. Равенство коэффициентов здесь позволяет сразу сопоставить количества веществ, но для другой реакции их нужно брать из уравнения. При неполном горении состав продуктов изменится.

3. Сравнение топлива по выбросам диоксида серы

Условие. Сравним сжигание 1,00 кг топлива A с 2,0% серы и 0,80 кг топлива B с 3,0% серы. Определим, где образуется больше SO₂, если вся сера превращается в диоксид серы, и предложим способ уменьшить выброс. Молярные массы: M(S) = 32 г/моль, M(SO₂) = 64 г/моль.

1. Для топлива A масса серы равна 1000 × 0,020 = 20 г. Это 20/32 = 0,625 моль серы.
2. Для топлива B масса серы равна 800 × 0,030 = 24 г. Это 24/32 = 0,75 моль серы.
3. По уравнению S + O₂ → SO₂ один моль серы даёт один моль SO₂. Значит, массы SO₂ составят 0,625 × 64 = 40 г для A и 0,75 × 64 = 48 г для B.

Ответ. Больше SO₂ образуется при сжигании топлива B: 48 г против 40 г. Снизить выброс можно удалением серы из топлива или очисткой дымовых газов. Сравнивая топлива, учитывают не только процент серы, но и массу каждой сжигаемой порции.

Типичные ошибки

Считать углекислый и угарный газы одним веществом — ошибка: CO₂ и CO имеют разные формулы и свойства. Путаница возникает из-за общего элемента углерода в названиях. Проверь себя по формуле и продуктам реакции: CO₂ характерен для полного сгорания, CO может появляться при недостатке кислорода, а его токсичность особенно высока.

Неверно утверждать, что при любом сжигании образуются только углекислый газ и вода. Так описывают полное сгорание чистого углеводорода, но топливо может содержать примеси, а кислорода может не хватать. Сверь условия задачи и состав топлива: наличие серы или неполное горение меняет перечень продуктов.

Оксиды серы и азота не следует представлять веществами, которые просто выпадают из облаков без изменений. В атмосфере они реагируют с водой и другими компонентами, образуя кислоты, и уже затем попадают на землю с осадками. Проверка — проследить превращения от газообразного оксида до кислоты, растворённой в каплях.

Очистка дымовых газов не устраняет все последствия сжигания топлива. Фильтр может задержать частицы, а специальная очистка — уменьшить содержание некоторых оксидов, но это не означает автоматического удаления CO₂. Уточняй, на какой именно загрязнитель направлена мера, и отдельно учитывай выбросы парникового газа.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать состав воздуха, свойства кислорода и условия протекания реакций горения: это помогает объяснить, почему меняются продукты сгорания. Уравнения реакций, расчёты по ним и свойства оксидов нужны для определения состава и количества выбросов. Тема связана с парниковым эффектом и круговоротом углерода через образование CO₂, а с охраной окружающей среды — через кислотные осадки и способы уменьшения загрязнения.

Что запомнить

• При полном сгорании углеводородов образуются углекислый газ и вода.
• Недостаток кислорода может привести к образованию токсичного угарного газа.
• Сера в топливе при горении становится источником оксидов серы.
• Оксиды азота могут образовываться при высокой температуре во время сгорания.
• Оксиды серы и азота участвуют в образовании кислотных осадков.
• Состав и количество выбросов зависят от топлива и условий его сжигания.
• Снизить загрязнение можно очисткой выбросов и сокращением использования загрязняющих видов топлива.