"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Топливная энергетика и автомобили дают людям электричество, тепло и возможность передвигаться, но при сжигании угля, нефти и газа в атмосферу поступают загрязнители. Их состав зависит от топлива и условий горения: это могут быть углекислый и угарный газы, оксиды серы и азота, углеводороды и твёрдые частицы. Одни вещества вредят живым организмам напрямую, другие вызывают кислотные осадки, смог или усиливают парниковый эффект. Снизить воздействие помогают очистка выбросов, экономия топлива и более чистый транспорт.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Загрязнение атмосферы — поступление в воздух веществ, которые изменяют его состав и оказывают вредное воздействие на людей, другие организмы или окружающую среду. Источником могут быть дымовые трубы электростанций и выхлопные трубы автомобилей. Это понятие помогает оценивать не только количество выбросов, но и их влияние.
Парниковый эффект — удерживание атмосферой части теплового излучения Земли. Он необходим для естественного теплового баланса, но усиление эффекта при росте концентрации парниковых газов приводит к дополнительному нагреванию. Углекислый газ CO₂ — один из газов, содержание которого увеличивается при сжигании топлива.
Кислотные осадки — дождь, снег или другие осадки, подкисленные кислотами, образовавшимися из оксидов серы и азота в атмосфере. Сами оксиды выбрасываются при сжигании топлива, а затем превращаются при взаимодействии с кислородом и водой. Понимание этой последовательности показывает, почему последствия загрязнения могут возникать далеко от источника выбросов.
Каталитический нейтрализатор — устройство в системе выпуска автомобиля, снижающее содержание ряда вредных компонентов в выхлопных газах за счёт химических реакций. Катализатор ускоряет превращения загрязнителей, сам не расходуясь как обычный реагент. Это устройство уменьшает токсичность выхлопа, но не улавливает все его компоненты и не отменяет вред выбросов полностью.
На электростанциях и в котельных уголь, нефть и природный газ сжигают, чтобы получить тепло, а затем — электричество или отопление. Углерод топлива при полном сгорании соединяется с кислородом и образует CO₂. Сера, содержащаяся в топливе как примесь, даёт оксиды серы; азот при высоких температурах может образовывать оксиды азота. Минеральные примеси топлива и продукты горения также могут попадать в воздух в виде твёрдых частиц.
В автомобильном двигателе топливо сгорает внутри цилиндров, но процесс не всегда идёт полностью. Если кислорода недостаточно или топливо и воздух плохо перемешаны, часть углерода превращается в угарный газ CO, а часть топлива остаётся несгоревшими углеводородами. Одновременно высокая температура способствует реакции азота и кислорода воздуха с образованием оксидов азота. Поэтому состав выхлопа зависит от режима работы и исправности двигателя.
После выброса оксиды серы и азота перемещаются воздушными потоками и вступают в реакции с кислородом и водой в атмосфере. Так образуются кислоты, растворяющиеся в каплях воды и попадающие на землю с дождём, снегом или туманом. Подкисление почв затрудняет развитие растений, а изменение состава водоёмов угрожает водным организмам. Кислоты также ускоряют разрушение зданий и памятников, особенно изготовленных из чувствительных к ним материалов.
При сжигании топлива образуется CO₂, а его увеличение в атмосфере усиливает удерживание тепла и тем самым парниковый эффект. Автомобильные выбросы влияют и на качество воздуха у поверхности Земли: солнечный свет запускает реакции между оксидами азота и углеводородами. В результате появляются новые загрязнители, включая приземный озон, и формируется фотохимический смог. Он особенно опасен при сочетании солнечной погоды, загрязнённого воздуха и слабого перемешивания атмосферы.
Снизить выбросы можно, очищая дымовые газы от частиц и вредных соединений до их выхода в атмосферу. Эффективное сжигание и экономное использование топлива сокращают количество загрязнителей, образующихся на единицу полученной энергии. В автомобилях каталитические нейтрализаторы уменьшают содержание ряда вредных компонентов, а исправный двигатель помогает избегать неполного сгорания. Дополнительный эффект дают общественный и электрический транспорт и развитие менее загрязняющих источников энергии.
| Источник | Основные загрязнители | Возможные последствия | Способы снижения выбросов |
|---|---|---|---|
| Тепловые электростанции и котельные | CO₂, оксиды серы и азота, твёрдые частицы | Усиление парникового эффекта, кислотные осадки, вред здоровью | Очистка дымовых газов, эффективное сжигание, экономия топлива |
| Автомобильный двигатель | CO, оксиды азота, несгоревшие углеводороды, CO₂ | Токсичность выхлопа, смог, усиление парникового эффекта | Исправность двигателя, каталитический нейтрализатор, более чистый транспорт |
| Сжигание топлива при недостатке кислорода | CO и несгоревшие углеводороды, частицы сажи | Отравление CO, загрязнение воздуха частицами | Обеспечение достаточного количества воздуха, настройка и контроль горения |
| Образование кислотных осадков и фотохимического смога | Кислоты из оксидов серы и азота; озон и другие продукты реакций выхлопов | Повреждение почв, водоёмов, растений и сооружений; ухудшение качества воздуха | Сокращение выбросов оксидов серы, азота и углеводородов, очистка газов |
Таблица помогает связать источник загрязнения с составом его выбросов и возможными последствиями. При выборе меры сначала определите, какое вещество нужно уменьшить, а затем соотнесите его с источником. Некоторые решения, например экономия топлива, одновременно снижают несколько видов выбросов.
Назовите основные вещества, которые могут поступать в атмосферу при сжигании угля на электростанции, и укажите источник каждого из них. Чтобы ответить, нужно учесть и состав топлива, и условия горения. Не следует ограничиваться продуктом полного сгорания углерода.
Ответ: основные возможные выбросы — CO₂ из углерода топлива, оксиды серы из примесей серы, оксиды азота из азота воздуха при высокой температуре и твёрдые частицы из минеральных примесей и сажи. При недостатке кислорода добавляются CO и сажа.
Объясните цепочку превращений, приводящую от выбросов оксидов серы и азота к кислотным осадкам, и назовите два возможных последствия. Важно отделить выброс исходных оксидов от образования кислот: это не происходит в один шаг непосредственно в топке. Нужно проследить, что случается с газами после их попадания в атмосферу.
Ответ: оксиды серы и азота окисляются, затем при взаимодействии с водой образуют кислоты, которые выпадают с осадками. Два возможных последствия — подкисление водоёмов и повреждение растений; также страдают почвы и сооружения.
В выхлопе автомобиля обнаружены угарный газ, оксиды азота и несгоревшие углеводороды. Объясните происхождение этих веществ и предложите меры, уменьшающие их содержание. Разбирайте каждый компонент отдельно: разные условия двигателя приводят к разным продуктам. Затем подберите меры, которые влияют на образование загрязнителей или очищают выхлоп.
Ответ: CO связан с неполным сгоранием, оксиды азота — с высокой температурой, углеводороды — с неполным сгоранием топлива. Содержание загрязнителей снижают исправность и настройка двигателя, а также каталитический нейтрализатор; он не устраняет все автомобильные выбросы.
Ошибка — считать, что при полном сгорании любого топлива в выбросах будет только углекислый газ. Так думают, когда рассматривают лишь реакцию углерода с кислородом, забывая о примесях топлива и азоте воздуха. Проверь себя: уточни состав топлива и учти твёрдые частицы, оксиды серы и азота. Условия горения тоже могут добавлять продукты неполного сгорания.
Угарный газ CO часто путают с углекислым газом CO₂ из-за сходных названий. Но CO ядовит и образуется при неполном сгорании, а CO₂ возникает при полном сгорании углерода и усиливает парниковый эффект при росте концентрации. Проверь формулу: у CO один атом кислорода, у CO₂ — два. Сходство названий не означает одинаковых свойств.
Неверно утверждать, что кислотные осадки возникают прямо во время сжигания топлива. Путаница возникает, если пропустить этапы превращения выброшенных оксидов в атмосфере. Проверь объяснение: сначала в воздух поступают оксиды серы и азота, затем они взаимодействуют с кислородом и водой, и только после этого кислоты попадают на землю с осадками. Эти превращения могут происходить вдали от источника выброса.
Каталитический нейтрализатор не устраняет все автомобильные выбросы. Его назначение — снизить содержание ряда вредных компонентов за счёт химических реакций, а не полностью очистить воздух или убрать CO₂. Проверь себя: говори о снижении отдельных загрязнителей, а не о полном решении проблемы. Для уменьшения общего воздействия нужны также исправный двигатель и более чистый транспорт.
Чтобы объяснять выбросы, нужно знать состав воздуха и свойства кислорода. Знание условий полного и неполного сгорания помогает понять, почему образуются CO₂, CO и несгоревшие углеводороды. Оно также позволяет связать режим работы двигателя с составом выхлопа.
Понимание оксидов и кислот помогает проследить превращения загрязнителей в атмосфере. На этой основе можно объяснить образование кислотных осадков и их воздействие на окружающую среду. Уравнения реакций показывают, почему исходные выбросы и конечные продукты — не одно и то же.
Тема пригодится при изучении химии окружающей среды, углеводородов и альтернативных источников энергии. Знание свойств топлива позволяет оценивать загрязнители при его использовании. А сравнение источников энергии помогает обсуждать способы сократить воздействие на природу.
Почему при сжигании топлива образуются разные загрязнители?
Состав выбросов зависит от состава топлива и условий горения. Углерод топлива образует углекислый газ, примеси серы — оксиды серы, а при высокой температуре азот воздуха может превращаться в оксиды азота. Недостаток кислорода приводит к неполному сгоранию и появлению угарного газа и несгоревших углеводородов.
Чем угарный газ отличается от углекислого?
Угарный газ — это CO, а углекислый — CO₂: у их молекул разное число атомов кислорода и разные свойства. CO образуется при неполном сгорании, ядовит и мешает переносу кислорода кровью. CO₂ возникает при полном сгорании углерода и усиливает парниковый эффект при увеличении его концентрации в атмосфере.
Как выбросы электростанций приводят к кислотным осадкам?
Оксиды серы и азота поднимаются в атмосферу и вступают в реакции с кислородом и водой. В результате образуются кислоты, которые могут выпадать с дождём, снегом или туманом. Такие осадки повреждают растения и сооружения, а также изменяют свойства почв и водоёмов.
Почему автомобильные выхлопы могут способствовать образованию смога?
В выхлопах присутствуют оксиды азота и несгоревшие углеводороды. Под действием солнечного света они вступают в химические реакции и образуют приземные загрязнители, в том числе озон. Их смесь с другими веществами ухудшает качество воздуха и называется фотохимическим смогом.
Какие меры помогают уменьшить вредные выбросы транспорта и энергетики?
На электростанциях очищают дымовые газы и повышают эффективность сжигания топлива, чтобы получать больше энергии из меньшего количества топлива. В автомобилях применяют каталитические нейтрализаторы и следят за исправностью двигателя. Сократить общий вред также помогают общественный и электрический транспорт и переход к более чистым источникам энергии.
§ 28. Экологические проблемы топливной энергетики и автотранспорта
