Хлорофторовуглеці (ХФВ), або фреони
Колись фреони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні й неактивні, а виходить, не токсичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається, наприклад, зі здебільшого окислів азоту, і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 2), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти, що мають високу реакційну здатність, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид фреонів в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але варто помітити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, буде тривати кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреон-11 (CFCl3) і фреон-12 (CF2Cl2) становить 75 і 100 років відповідно.
Один з найбільш вражаючих доказів того, що хлор дійсно є агентом, відповідальним за появу озонової діри, з’явився у вересні 1987 р., коли вчені пролетіли на літаку з Південної Америки прямо до Південного полюса, у зону озонової діри. Збільшення й зменшення концентрації озону є майже точним дзеркальним відбиттям зменшення й збільшення концентрації ClО. Більш того, концентрація Cl у самій озоновій дірі в сотні разів перевищує будь-який рівень, який можна було б пояснити з погляду атмосферної хімії. Це явище часто називають «димовою рушницею». Навіть виробники ХФВ переконалися в тому, що озонову діру не можна вважати нормальним явищем. Це свідчення глибоких змін в атмосфері, викликаних штучними хлоровмісними забруднювачами.
Ученим треба було кілька років, щоб знайти пояснення появі озонової діри. Коротенько воно таке.
Оскільки Антарктида оточена океаном, вітри можуть безупинно циркулювати навколо континенту, на якому немає гірських ланцюгів. Під час південної зими вони утворять навколо полюсний вихор, лійку з вітрів, що збирає повітря над Антарктидою й утримує його, не дозволяючи змішуватися з іншою атмосферою. Цей вихор служить ізольованим «реакційним казаном» для полярних атмосферних хімічних сполук (він значно сильніше того, що утворюється над Північним полюсом, тому північна озонова діра проявляється значно слабше).
Під тиском аргументів, наведених вище, багато країн почали вживати заходи, спрямовані на скорочення виробництва й використання фреонів. З 1978 р. у США було заборонене використання фреонів в аерозолях. На жаль, використання фреонів в інших галузях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 провідні країни світу підписали в Монреалі протокол, що зобов’язує їх знизити споживання ХФВ. Сьогодні під ним підписалося близько 150 країн.
До того, в 1985 р. було підписано Віденську конвенцію про охорону озонового шару, у якій розвинені країни визнавали факт проблеми руйнування озонового шару.
Відповідно до досягнутої домовленості в Монреалі розвинені країни повинні були до 1999 р. знизити споживання хлорофторовуглеців до половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллента (тобто інертної хімічної речовини, за допомогою якої створюється надлишковий тиск) в аерозолях уже знайдений непоганий замінник фреонів – пропан-бутанова суміш. За фізичними параметрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте, такі аерозолі вже виробляються в багатьох країнах. Складніша справа з холодильними установками – другим за величиною споживачем фреонів. Річ у тім, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все-таки поступається фреонам за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.
Хочеться сподіватися, що проблема озонового шару навчить із більшою увагою й побоюванням ставитися до всіх речовин, що потрапляють в атмосферу в результаті антропогенної діяльності.
Кислотні опадиОксиди сірки й азоту, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій і автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою і утворюють дрібні крапельки сірчаної та азотної кислот, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману та випадають на Землю кислотними дощами.
Термін "кислотні дощі" запропонував у 1812 р. англійський інженер Роберт Сміт у книзі "Повітря і дощ; початок хімічної кліматології". Кислотні дощі виникають в результаті поєднання двоокису сірки та оксидів азоту з атмосферним киснем (рис. 5.5). Фільтруючись у ґрунті, вода кислотних дощів уносить багато поживних речовин, таких як кальцій, магній, калій, натрій. А їхнє місце займають токсичні метали, які під дією дощів стають розчинними і вбивають мікроорганізми, що розкладають органічні рештки, - ґрунт залишається без поживних речовин.
При спалюванні будь-якого видобувного палива (вугілля, мазуту) у складі видільних газів містяться оксиди сірки і азоту. Залежно від складу палива їх може бути менше або більше. Мільйони тонн цих сполук викидаються в атмосферу, перетворюючи дощі у слабкий розчин кислот. Для визначення показника кислотності використовують різні рН-метри, а також електронні прилади. Простим способом є застосування індикаторів - хімічних речовин, колір яких змінюється залежно від рН середовища. Найбільш поширеними індикаторами є фенолфталеїн, лакмус, а також барвники з червоної капусти і чорної смородини. Дощова вода, що утворюється при конденсації водяної пари, повинна мати нейтральну реакцію рН. Проте і в дуже чистому повітрі завжди є діоксид вуглецю, і дощова вода, яка розчиняє його, ледь підкислюючи (рН = 5,6-5,7).
У 70-х роках минулого століття у річках і озерах скандинавських країн стала зникати риба, сніг у горах був сірого кольору, листя з дерев швидко опадало. Дуже скоро ті ж самі процеси помітили у США, Канаді, Західній Європі. У Німеччині, наприклад, постраждало 30 %, а місцями - 50 % лісів. І все це відбувалося далеко від великих міст і промислових центрів. З'ясувалося, що причиною усього цього є саме кислотні дощі. Ґрунт і рослини, звичайно, теж страждають від них: знижується продуктивність ґрунту, змінюється склад поживних речовин і ґрунтових мікроорганізмів. Внаслідок випадіння кислотних дощів на великих площах висихають ліси. Кислота збільшує рухливість у ґрунті алюмінію, токсичного для дрібних коренів, що призводить до пригнічення листя і хвої, крихкості гілок. Особливо страждають хвойні дерева - вони жовтіють, проріджуються крони, пошкоджується дрібне коріння. А у листяних дерев змінюється колір листя, воно передчасно опадає, пошкоджується кора.
Утворення кислотних опадів Також великої шкоди кислотні дощі завдають сільськогосподарським культурам: пошкоджуються покривні тканини рослин, змінюється обмін речовин у клітинах, уповільнюються ріст і розвиток рослин, зменшується їх стійкість до хвороб і паразитів, знижується урожайність. Кислотні дощі вбивають не тільки живу природу, а й руйнують пам'ятники архітектури. Міцний, твердий мармур реагує з розчином сірчаної кислоти і перетворюється на гіпс (СаS04). Зміна температури, потоки дощу і вітер руйнують цей м'який матеріал. Історичні пам'ятники Греції і Риму, простоявши тисячоліття, останніми роками руйнуються прямо на очах. Вивчивши нові дані про кислотність опадів, які випадають в різних регіонах Західної Європи, співробітники Дублінського університету (Ірландія) виявили, що найбільш катастрофічною є ситуація у центрі Манчестера (Велика Британія), де за 20 місяців кислотні дощі розчинили більше 120 г на 1 м2 каменю. Місто від цього постраждало дуже сильно.
Страждають від кислотних дощів і люди, які вимушені споживати питну воду, забруднену токсичними металами - ртуттю, свинцем, кадмієм. І тому для порятунку природи необхідно різко знизити викиди в атмосферу оксидів сірки й азоту. Отже, внаслідок випадіння кислотних опадів у природному середовищі і життєдіяльності людини відбуваються такі негативні процеси:
- знижується врожайність більшості сільськогосподарських культур через ушкодження листя кислотами;
- з ґрунту вимиваються кальцій, калій та магній, що призводить до деградації рослинності і, як наслідок, - до збіднення тваринного світу;
- гинуть ліси (найбільш чутливі до кислотних дощів кедр, бук і тис);
- отруюється вода озер і ставків, у них гине риба, зникають комахи;
- зникають водоплавні птахи і тварини, що живляться комахами;
- активізуються зсуви та селі, спричинені загибеллю лісів у гірських районах;
- прискорюється руйнування пам'яток архітектури, споруд, особливо тих, що побудовані з вапняку й оздоблені мармуром;
- збільшується захворюваність серед людей (найчастіше уражуються очі, органи дихання тощо).
Взимку поблизу ТЕС і металургійних заводів іноді випадає також кислотний сніг, ще шкідливіший, ніж кислотний дощ, оскільки має більший вміст кислот. Райони випадання такого снігу отримують одразу 4-5-місячну дозу забруднення, а внаслідок його танення навесні відбувається концентрація шкідливих речовин, тому тала вода інколи містить удесятеро більше кислот, ніж сам сніг. Наприклад, більш як 230 озер у горах Адірондак (штат Нью-Йорк) мають критичний рівень забруднення сірчаною та азотною кислотами, принесеними кислотними дощами і снігом. До небезпечного для водних екосистем рівня закислена також третина озер штату Флорида, у такому ж стані перебувають близько 20 тис. озер півдня Швеції, сотні озер у Південній Канаді. За даними екологів, у Швейцарії від кислотних дощів засихає третина лісів, 69 % оглянутих букових дерев у лісах Великої Британії висихають з верхівок, у 9 тис. озер Швеції риба вже частково вимерла, а у 4 тис. - зникла зовсім.
Великою загрозою є "інтернаціональний" характер цього забруднення, адже атмосфера не має кордонів, і повітряні течії розносять кислотні тумани на тисячі кілометрів від місць їх виникнення. Ті ж, наприклад, шведські озера були пошкоджені кислотними дощами, що утворилися внаслідок викидів ТЕС і металургійних підприємств Великої Британії. Західні вітри цього району розносять отруту далеко від Британських островів - аж до Скандинавії. Кислотні дощі у Канаді принесені із США, в Україні - з Румунії тощо.
Заходи по запобіганню негативних впливівІснують організаційні, технологічні та інші способи боротьби із забрудненням атмосфери.
Як зробити повітря чистим і уникнути кислотних дощів:
1) Зменшення кількості ТЕС за рахунок будівництва більш потужних, забезпечених новітніми системами очищення й утилізації (корисного використання) газу та пилу. Як відомо, одна потужна ТЕС забруднює повітря менше, ніж сотня котелень тієї самої сумарної потужності.
2) Очищення вугілля до його надходження в топки ТЕС від піриту (сірчаного колчедану).
3) Заміна вугілля та мазуту для ТЕС на екологічно чисте паливо – газ. ТЕС, які працюють на природному газі, крім СО (останній теж можна вилучити з диму), не викидають у повітря шкідливих газів.
4) Регулювання двигунів внутрішнього згорання в автомобілі, встановлення на них спеціальних каталізаторів, що нейтралізують чадний газ до СО.
5) Озеленення місті сіл.
6) правильне планування житлових і промислових районів у межах міста [2, с. 20].
Методи боротьби з кислотними опадами:
по-перше, необхідно знизити викиди оксидів сірки й азоту (SO2 , NO2 і NO) в атмосферу, але в першу чергу сірчаного газу, адже саме сірчана кислота та її солі на 70–80% обумовлюють кислотність дощів, які йдуть на великих відстанях від місця викиду;
по-друге, необхідно розумно обмежити потреби людини;
по-третє, важливо розробити і вводити принципово нове технологічне отримання сірчаної і азотної кислот: час безконтрольних викидів пройшов.
Для очищення викидів в атмосферу від оксидів азоту широко використовують декілька методів відновлення: низькотемпературне аміаком; некаталітичне гомогенне в присутності кисню і аміаку; селективне каталітичне в присутності оксиду титана (ІV) і оксиду ванадію (V).
Для очищення відхідних газів від сірковмісних домішок використовують спеціальні пристрої – скрубери, заповнені вапном, вапняком і спеціальними домішками. так можна знизити вміст діоксиду сірки на 70–90%.
Для відновлення втрачених екологічних умов на озерах і в ґрунтах застосовують вапнування. Існує досить велика кількість методів нейтралізації антропогенних забруднень. Їх використання веде до збільшення витрат на виробництво, але іншого шляху для збереження навколишнього середовища немає [3, с. 37].
У водоймища, які постраждали від кислотних дощів, нове життя може вдихнути невелика кількість фосфатних добрив; вони допомагають планктону засвоювати нітрати, що веде до зниження кислотності води. Використання фосфатів дешевше, ніж вапна, тим більше, фосфати менше діють на хімічний склад води [4, с. 43].
Дуже важливим є нагляд за хімічним складом і кислотністю опадів, який ведеться на спеціальних станціях. Останні відбирають на хімічний аналіз сумарні проби, інколи вимірюють лише величину рН. Але частіше, цим не обмежуються і зазначають також наявність іонів сульфатів, нітрату амонію, важких металів тощо
види і опишіть причини утворення смогів
За певних погодних умов в приземних шарах атмосфери відбуваються особливо значні скупчення газоподібних і аерозольних домішок, які отримали назву смогів.
Справжнім лихом для міст є автомобілі. Більш як 300 млн. автомашин щодня викидають в повітря 800 тис. тонн окису вуглецю, 1 тис. тонн свинцю. Більшість з 200 компонентів вихлопних газів автомашин згубно впливає на організм людини, а оксид азоту є одним із компонентів смогу [7, c. 213].
Хімічні реакції, які відбуваються в повітрі, призводять до виникнення димних туманів — смогів. Смоги виникають за таких умов: по-перше, великої кількості пилу і газів, які міста викидають у повітря, по-друге, довгого існування антициклонів, коли забруднювачі нагромаджуються в приземному шарі атмосфери. Смоги бувають декількох типів. Найбільш вивчений вологий смог. Він характерний для країн з морським кліматом, де дуже часто спостерігаються тумани і висока вологість повітря.
Сухий, або лос-анджелеського типу, смог відрізняється від вологого смогу своїми властивостями. Клімат в Лос-Анджелесі (США) сухий, тому смог тут утворює не туман, а синювату імлу.
Третій вид смогу — льодяний смог, або смог аляскинського типу. Він виникає в Арктиці й Субарктиці при низьких температурах в антициклоні. Смоги характерні для таких міст, які розташовані в гірських котловинах, де застоюється повітря, наприклад, в Лос-Анджелесі, Нью-Йорку, Чикаго, Токіо, Мілані.
Смог викликає в людей роздратування органів почуттів, хімічно діє як окислювач (підсилює корозію металів, приводить до розтріскування гуми).
Фотохімічний смог характерний для таких міст, як Дніпропетровськ, Донецьк, Запоріжжя.