Поведение химических веществ в окружающей среде

В случае недостатка сероводорода в  воде бактерии окисляют находящуюся  в их клетках серу до серной кислоты, которая образует с углекислой известью окружающей воды гипс. Схематически процессы, происходящие при этом, можно представить  в виде следующих формул:

В этом процессе окисления сероводорода и серы, по Виноградскому, можно видеть процесс, аналогичный окислению  углеводов в клетках других организмов, и, следовательно, процесс, который служит источником необходимой для жизненных явлений энергии.

В результате тектонических процессов, сера может быть отложена как пирит или эвапоритовые минералы. Эти минералы остаются по существу стабильными после отложения сохраняются в осадочных слоях,  и эти резервуары составляют основную часть в круговороте серы. В конечном счете, тектоническое движение может поднять осадочные отложения, которые затем подвергаются атмосферному воздействию в земной среде.

При выветривании слоев, сульфатных минералов, эвапоритов происходит растворение, сульфата в воде. Сульфат в морских карбонатных породах также высвобождается в воду, как известняк. В отличие от этого, пирит практически не растворяется, но неустойчив в присутствии кислорода. При выветривании, он реагирует, чтобы потреблять кислород и производить сульфат:

Эта реакция является важным стоком атмосферного кислорода. Наряду с окислением органического вещества отложений в процессе выветривания, она контролирует содержание кислорода в атмосфере.

Если соединения серы находятся  в атмосфере в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

В атмосфере  рассмотрим в первую очередь наиболее значительное вещество ¾  двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной. Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

Рисунок 2. Глобальный серный цикл.

В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная молекула  двуокиси + молекулярный кислород 

свободный радикал)

(свободный радикал + молекулярный  кислород 

триоксид серы + озон)

Образовавшаяся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной  водой, очень  быстро превращается в  серную кислоту, поэтому при обычных  атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде  двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также  с образованием триокиси серы:

(двуокись серы + атомарный  кислород 

триокись серы)

Эта реакция протекает  в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием  света выделяет атомарный кислород.

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы  превращения двуокиси серы в атмосфере  не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают  главным образом при участии  свободных радикалов. Свободные  радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционной способностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал  гидроксила 

свободный радикал)

(свободный радикал + радикал  гидроксила 

серная кислота)

В результате реакции образуются  молекулы серной кислоты, которые в  воздухе или на поверхности аэрозольных  частиц быстро конденсируются.

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной  среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая  происходит не в газовой фазе, а  в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере  можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые, в конечном счете, окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации.

Значение  аэрозолей в регулировании климата  можно разделить на два типа: прямое и косвенное. При прямом влиянии частицы поглощают и рассеивают обратно в космос энергию, поступающую от солнца. Это приводит к охлаждению атмосферы, поскольку солнечное излучение, которое при отсутствии аэрозолей нагрело бы воздух, теперь частично поглощается частицами или отражается вверх от атмосферы.

Величину  этого воздействия оценить трудно, поскольку оно зависит не только от общей массы аэрозолей, заполняющих  атмосферу, но также от химического  состава и распределения частиц по размерам. Однако эффект может оказаться  существенным, если принять во внимание изменения климата, вызванные потреблением ископаемых топлив человеком.

Во-первых, прямое влияние аэрозолей на усиление радиации в целом меньше, чем от парниковых газов, но ни в коем случае не несущественно. Во-вторых, знак их вклада противоположен действию парниковых газов, и таким образом, влияние от увеличения количества аэрозолей заключается в снижении до некоторой степени эффекта потепления от СО₂ и ему подобных газов. В-третьих, пространственное распределение радиации, связанной с антропогенными аэрозолями, очень неоднородно по сравнению с таковым парниковых газов. Причиной этого последнего явления служат очень разные времена пребывания в атмосфере (обычно несколько дней) SO^2-₄ и других частиц по сравнению с главными парниковыми газами, которые остаются в атмосфере в течение периодов времени, измеряемых годами.

Перейдем теперь к косвенному влиянию аэрозолей на климат, которое заключается в том, что частицы ведут себя как ядра, на которых образуются капельки облаков. В областях, удаленных от суши, числовая плотность частиц SO^2-₄ является важным определяющим фактором объема и типа облаков. В отличие от этого, над сушей в общем присутствует множество частиц пересваемой почвенной пыли, на которых могут образовываться облака, и эффект от остальных источников снижается, поскольку облака отражают солнечную радиацию обратно в космос и их потенциальная связь с климатом ясна. Влияние аэрозолей, вероятно, ощущается больше всего над океанами вдали от суши и в покрытых снегом областях Антарктиды, поскольку здесь влияние частиц почвенного происхождения самое слабое. В таких областях основным источником аэрозолей служит механизм образования частиц SO^2-₄ из ДМС (рис 3). Таким образом, морской фитопланктон служит не только основным источником кислотности, но также создает основной источник ядер конденсации облаков (ЯКО) и поэтому играет важную роль в управлении облачностью и, следовательно, климатом.

Рисунок 3. Диметилсульфид – климатический цикл

Концепция, проиллюстрированная на рис. 3, была предложена несколько лет назад, и одна из групп исследователей, предложивших ее, пошла дальше и предположила, что планктон на самом деле играет роль в регулировании климата, а не в воздействии на него. Идея заключается в том, что если произошли изменения в температуре атмосферы (например, вследствие изменения в уровнях СO₂ или получаемой солнечной радиации), то продуцирующий ДМС фитопланктон может откликнуться таким образом, чтобы уменьшить это изменение. Например, если температура воздуха возросла, то произошедшее в результате потепление поверхностных вод приведет к увеличению продукции ДМС фитопланктоном. В свою очередь, это увеличит поток ДМС через поверхность моря, и возрастет количество ЯКО в атмосфере. В результате повышенная облачность будет способствовать охлаждению атмосферы, таким образом, противодействуя потеплению, которое инициировало цикл. Процесс будет работать противоположно начальному охлаждению. Если это справедливо, из такой петли обратной связи вытекает, что морской фитопланктон способен до некоторой степени регулировать, по меньшей мере, температуру атмосферы, и таким образом, климат Земли.

Идея  была проверена исследованием кернов льда из Антарктиды на содержание в них продуктов атмосферного окисления ДМС (МСК и нмс- SO^2-₄ ) в течение последнего цикла оледенения.  Результаты, показанные на рис. 4, ясно говорят о том, что и МСК и нмс- SO^2-₄ ^- Присутствовали в более высоких концентрациях в течение последнего оледенения, чем после отступания ледников около 13 000 лет назад. Это противоположно тому, что ожидалось, если бы продукция ДМС планктоном снижала любые температурные изменения. Несмотря на то, что эти результаты не подтверждают идею о регулировании климата планктоном, в настоящее время широко принято, что без ЯКО, образующихся из ДМС, облачность и, следовательно, климат большей части земного шара, были бы существенно иными как теперь, так и в прошлом.

Рисунок 4. Летопись концентрации МСК

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Бутен

2.1 Физико-химические свойства бутена

Бутен (бутилен) C₄H₈ — непредельный углеводород, алкен. Ациклический непредельный углеводород. Класс опасности — четвертый. Бутен — бесцветный газ с характерным неприятным запахом, температура кипения −6.25 °C, смеси бутена с воздухом взрывоопасны.

Находит применение, как сырье для получения метилэтилкстона, являющегося ценным растворителем; используется для получения высокооктанового моторного топлива.    
Физические свойства.                                    Таблица 2.

Характеристика	Бутен
Молекулярная масса  (в а.е.м.)	56,11
Температура плавления, кипения (в 0С)	-185,5;   -6,25
Критическая температура (в 0С)	146,4
Плотность (г/см3)	0,5951

 

Химические  свойства.

Бутены очень  плохо растворимы в воде, хорошо - в спирте и эфире. Присоединяют по двойной связи Н₂, галогены, галогеноводороды. Алкены легко вступают в реакции окисления, гидрируются сильными восстановителями или водородом под действием катализаторов до алканов, а также способны к аллильному радикальному замещению.

Реакция присоединения  воды к алкенам протекает в  присутствии серной кислоты

Гидрирование  алкенов непосредственно водородом  происходит только в присутствии  катализатора. Гетерогенными катализаторами гидрирования служат платина, палладий, никель.

Окисление алкенов  может происходить в зависимости  от условий и видов окислительных  реагентов, как с разрывом двойной  связи, так и с сохранением  углеродного скелета.

В мягких условиях возможно окисление посредством  присоединения по двойной связи  двух гидроксильных групп

 

2.2 Источники бутена

В природе  ациклические алкены практически не встречаются.

Основным  промышленным методом получения  алкенов является каталитический и  высокотемпературный крекинг углеводородов  нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также  реакцию дегидратации соответствующих  спиртов.

В лабораторной практике обычно применяют метод  дегидратации спиртов в присутствии  сильных минеральных кислот, дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих  галогенпроизводных; синтезы Гофмана, Чугаева, Виттига и Коупа.

Дегидрирование  алканов один из промышленных способов получения алкенов, при температуре: 350—450 °C, катализаторе — Cr₂O₃. Также используются алюмомолибденовые и алюмоплатиновые катализаторы.

Дегидрогалогенирование и дегалогенирование  алканов. Отщепление галогенов у дигалогеналканов происходит в присутствии цинка.

Дегидрогалогенирование проводят при нагревании действием спиртовыми растворами щелочей.

При отщеплении галогенводорода образуется смесь  изомеров, один преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: отщепление протона происходит от менее гидрогенизированного атома углерода.

2.3 Превращения бутена

Бутен вызывает наркоз, обладает раздражающим действием. В литосфере бутен не встречается.

В гидросфере, бутен, будучи газом, плохо растворим  в воде. Реакция гидрирования не может произойти без участия  катализаторов.

Из-за их широкого использования в различных видах  топлива, углеводороды преобладают  среди органических веществ, загрязняющих атмосферу.

В атмосфере  бутен, прежде всего, атакуется гидроксильными радикалами, HO, что приводит к потере атома водорода и образованию алкильных радикалов.

C_xH_2x+O₂

В дополнение к прямому выпуску  олефинов, бутилен обычно производится путем частичного сгорания и "крекинга" в высоких температурах, в частности, в двигателе внутреннего сгорания.