Химия на околната среда — урок по химия

1. Въздухът и въглеродният цикъл

Газ	Формула	в сухия въздух, %
азот	$\mathrm{N_2}$	$78{,}08$
кислород	$\mathrm{O_2}$	$20{,}95$
аргон	$\mathrm{Ar}$	$0{,}93$
въглероден диоксид	$\mathrm{CO_2}$	$\approx 0{,}042$
неон, хелий, метан, криптон…		$< 0{,}003$

Въглеродът непрекъснато обикаля между атмосферата, растенията, океаните и скалите: растенията поемат $\mathrm{CO_2}$ при , а дишането, гниенето и горенето го връщат обратно. Хилядолетия наред двата потока са били почти уравновесени и концентрацията на $\mathrm{CO_2}$ е била около 280 (части на милион по обем). Изгарянето на въглища, нефт и газ добавя въглерод, който милиони години е бил под земята. От 1958 г. Чарлз Кийлинг измерва $\mathrm{CO_2}$ на вулкана Мауна Лоа в Хаваите – кривата му показва ръст от около 317 ppm през 1960 г. до около 425 ppm през 2024 г.

О

ppm в газовете

За газове ppm обикновено означава обемни части на милион:

1\ \mathrm{ppm} = 10^{-6}

от обема, т.е.

1\ \mathrm{mL}

в

1\ \mathrm{m^3}

. Така

420\ \mathrm{ppm} = 0{,}042\%

. По закона на Авогадро това е и моловата част.

Пример

Колко грама CO₂ има в 1 m³ въздух при нормални условия при концентрация 420 ppm?

$V(\mathrm{CO_2}) = 420 \cdot 10^{-6} \cdot 1000\ \mathrm{L} = 0{,}42\ \mathrm{L}$
$n = \frac{0{,}42}{22{,}4} = 0{,}01875\ \mathrm{mol}$ ; $m = 0{,}01875 \cdot 44 \approx 0{,}825\ \mathrm{g}$

Точките са годишните средни стойности на Мауна Лоа (NOAA, закръглени); сезонният „зъбец“ е нарисуван схематично.

m, t10E, Gt37

уравнение:C + O₂ → CO₂CO₂ от 10 t гориво:36,7 t (3,67 t на тон)светът изпуска 37 Gt CO₂ годишно; ако всичко остане във въздуха:+4,7 ppm

Един ppm CO₂ в цялата атмосфера е около 7,8 милиарда тона CO₂. Океаните и растенията поемат около половината от изхвърления CO₂, затова концентрацията расте по-бавно от сметката „всичко остава във въздуха“ – през последното десетилетие средно с около 2,5–3 ppm на година.

Масата на получения $\mathrm{CO_2}$ е по-голяма от масата на горивото, защото към всеки въглероден атом (12) се добавят два кислородни (32) от въздуха. Изчисленията са същите като в урока Химични уравнения и стехиометрия.

2. Парникови газове

Земята получава енергия от Слънцето като видима светлина и я излъчва обратно като инфрачервено лъчение. Част от него се поглъща от газове в атмосферата и Земята остава по-топла – това е (физиката му е в урока Планети от земен тип). Без него средната температура на повърхността би била около −18 °C вместо около +15 °C.

Кои молекули поглъщат инфрачервено лъчение? Тези, чиито трептения променят разпределението на – $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{N_2O}$ . Двуатомните молекули от еднакви атоми ( $\mathrm{N_2}$ , $\mathrm{O_2}$ ) нямат такива трептения и са „прозрачни“ (повече за поглъщането на инфрачервено лъчение – в урока Спектроскопия и анализ). Най-голям дял в естествения парников ефект има водната пара, но количеството ѝ зависи от температурата – тя усилва затоплянето, започнато от другите газове.

О

Потенциал за глобално затопляне (GWP)

Показва колко пъти повече топлина задържа 1 kg от даден газ за 100 години в сравнение с 1 kg

\mathrm{CO_2}

. Стойностите се уточняват с всеки доклад на IPCC – в таблицата са закръглени.

Газ	Формула	GWP (100 г.)	Основни източници
въглероден диоксид	$\mathrm{CO_2}$	$1$	горене, производство на цимент, изсичане на гори
метан	$\mathrm{CH_4}$	$\approx 28\text{–}30$	животновъдство, оризища, сметища, течове на газ
диазотен оксид	$\mathrm{N_2O}$	$\approx 270$	азотни торове
фреон CFC-12	$\mathrm{CCl_2F_2}$	$> 10\,000$	стари хладилници (вече забранен)

Пример

При теч от газопровод изтичат 100 kg метан. На колко килограма CO₂ се равнява това по затопляне за 100 години (GWP ≈ 28)? А ако метанът беше изгорен?

$100 \cdot 28 = 2800\ \mathrm{kg}$ „CO₂-еквивалент“
При изгаряне: $100 \cdot \frac{44}{16} = 275\ \mathrm{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ – десет пъти по-малко. Затова изгарянето на метан от сметищата („факел“) е по-добро от изпускането му.

3. Подкисляване на океаните

Около една четвърт от изхвърления $\mathrm{CO_2}$ се разтваря в океаните. Там той участва в поредица от равновесия (виж Химично равновесие):

\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}

Повече $\mathrm{CO_2}$ означава повече $\mathrm{H^+}$ : на повърхностната вода е спаднало от около 8,2 на около 8,1. Това изглежда малко, но pH е логаритмична скала (виж Киселини, основи и pH) – концентрацията на $\mathrm{H^+}$ е нараснала с около една четвърт. Йоните $\mathrm{H^+}$ свързват карбонатните йони ( $\mathrm{H^+ + CO_3^{2-} \to HCO_3^-}$ ), а от тях кораловите полипи, мидите и някои планктонни организми строят черупките си от $\mathrm{CaCO_3}$ .

4. Озоновият слой

На височина около 15–35 km има повече $\mathrm{O_3}$ . Той поглъща по-голямата част от опасното ултравиолетово лъчение на Слънцето. Озонът там постоянно се образува и разпада – цикълът на Чапман (1930 г.).

Фреоните (хлорофлуоровъглеродите, CFC) са много стабилни и затова стигат непроменени до стратосферата. Там ултравиолетовото лъчение откъсва от тях хлорни атоми:

CFC-12, CCl₂F₂

CFC-11, CCl₃F

\mathrm{CCl_2F_2 \xrightarrow{\text{УВ}} CClF_2 + Cl}

Т

Каталитично разрушаване на озона

\mathrm{Cl + O_3 \to ClO + O_2}

, после

\mathrm{ClO + O \to Cl + O_2}

. Сумарно:

\mathrm{O_3 + O \to 2O_2}

. Хлорният атом излиза непроменен – той е катализатор и може да повтори цикъла хиляди пъти, преди да се свърже в по-стабилно съединение.

Сборът на двете стъпки е O₃ + O → 2O₂ – същата реакция като последната в цикъла на Чапман, но много по-бърза. Хлорният атом не се изразходва – той е катализатор. Колкото и цикли да минат, в стратосферата отново има само един атом Cl.

lg N5m, kg1

цикли на един атом Cl (N):1,0 · 10⁵атоми Cl от 1,0 kg CCl₂F₂:1,0 · 10²⁵ (16,5 mol)разрушен озон:до ≈ 79 t

💡 Веригата не е безкрайна: рано или късно хлорът се свързва в по-стабилни „резервоари“ като HCl или ClONO₂. Често се посочва, че един атом хлор може да разруши до около 100 000 молекули озон (lg = 5). Сметката е горна граница – приема, че всеки хлорен атом от фреона стига до стратосферата.

Механизмът е предсказан от Марио Молина и Шерууд Роуланд през 1974 г., а през 1985 г. британски учени от Антарктида съобщават за „озоновата дупка“ – силно изтъняване на слоя всяка пролет над Южния полюс. Монреалският протокол (1987 г.) постепенно забранява фреоните. Според оценките на ООН слоят се възстановява и над Антарктида може да се върне към нивата от 1980 г. около 2066 г. През 1995 г. Крутцен, Молина и Роуланд получават Нобелова награда за химия. Как действат и защо ускоряват реакциите, виж в урока Скорост на реакцията.

5. Киселинни дъждове и смог

Въглищата и нефтът съдържат сяра. При горенето тя става $\mathrm{SO_2}$ , който във въздуха се окислява до $\mathrm{SO_3}$ и с водата дава сярна . В горещите двигатели и пещи азотът от въздуха реагира с кислорода и се получават азотни $\mathrm{NO_x}$ , а от тях – азотна киселина (свойствата на тези оксиди и киселини са в урока Неметали):

\mathrm{2SO_2 + O_2 \to 2SO_3,\qquad SO_3 + H_2O \to H_2SO_4}

\mathrm{N_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2NO,\qquad 2NO + O_2 \to 2NO_2,\qquad 4NO_2 + O_2 + 2H_2O \to 4HNO_3}

О

Кисел дъжд

Валеж с pH под 5,6. Дори чистият дъжд е леко кисел заради разтворения

\mathrm{CO_2}

, но киселинните дъждове съдържат и сярна и азотна киселина. Те разтварят мрамора и варовика (

\mathrm{CaCO_3} + \mathrm{H_2SO_4} \to \mathrm{CaSO_4} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2}

), увреждат горите и подкисляват езерата.

m – изгорени въглища, S – сяра във въглищата, η – колко от SO₂ задържа сероочистването

m, t100S, %2η, %0

сяра:2000 kg = 62,5 kmolSO₂ в атмосферата:4000 kgможе да даде H₂SO₄:6125 kgможе да разтвори CaCO₃:6250 kg

S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ → 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄; CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O + CO₂. Всяка стъпка е мол за мол по сярата, затова един мол сяра в горивото може да разтвори до един мол (100 g) мрамор.

💡 Дори чистият дъжд е леко кисел (pH около 5,6), защото в него се разтваря CO₂ от въздуха. Кисел дъжд наричаме валежи с pH под 5,6. Сметката е горна граница – не цялата сярна киселина пада върху мрамор.

Фотохимичният смог се образува в слънчеви дни над големите градове. Слънчевата светлина разкъсва $\mathrm{NO_2}$ и полученият кислороден атом образува озон близо до земята: $\mathrm{NO_2 \xrightarrow{h\nu} NO + O}$ , $\mathrm{O + O_2 \to O_3}$ . Озонът, който горе ни пази, долу дразни дробовете и уврежда растенията.

Каталитичният конвертор на колата съдържа платина, паладий и родий върху керамична пита. Той превръща трите основни замърсителя в отработените газове:

\mathrm{2CO + O_2 \to 2CO_2,\qquad 2CO + 2NO \to 2CO_2 + N_2}

\mathrm{C_xH_y + \left(x + \tfrac{y}{4}\right)O_2 \to xCO_2 + \tfrac{y}{2}H_2O}

6. Водата: твърдост и пречистване

О

Твърдост на водата

Твърдостта се дължи на разтворените йони

\mathrm{Ca^{2+}}

и

\mathrm{Mg^{2+}}

и се изразява в mmol/L. Временната твърдост е от хидрогенкарбонатите им и се премахва с преваряване:

\mathrm{Ca(HCO_3)_2} \to \mathrm{CaCO_3} \downarrow + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2} \uparrow

. Постоянната твърдост е от сулфатите и хлоридите им и се премахва например със сода:

\mathrm{CaSO_4} + \mathrm{Na_2CO_3} \to \mathrm{CaCO_3} \downarrow + \mathrm{Na_2SO_4}

, или с йонообменници.

Твърдата вода оставя котлен камък в каните и бойлерите и пречи на сапуна да се пени: калциевите йони образуват със сапуна неразтворими соли. и йонните уравнения са разгледани в урока Йонни реакции и качествен анализ.

Пример

Колко грама сода Na₂CO₃ са нужни, за да се отстрани постоянната твърдост на 200 L вода, която съдържа 2 mmol/L Ca²⁺?

$n(\mathrm{Ca^{2+}}) = 2 \cdot 200 = 400\ \mathrm{mmol} = 0{,}4\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3 \downarrow}$ – мол за мол
$m(\mathrm{Na_2CO_3}) = 0{,}4 \cdot 106 = 42{,}4\ \mathrm{g}$

В пречиствателните станции водата първо се утаява, после се добавя алуминиев сулфат. Той дава рехава утайка от $\mathrm{Al(OH)_3}$ , която „събира“ фините частици (коагулация): $\mathrm{Al_2(SO_4)_3} + \mathrm{3Ca(HCO_3)_2} \to \mathrm{2Al(OH)_3} \downarrow + \mathrm{3CaSO_4} + \mathrm{6CO_2}$ . Накрая водата се филтрира през пясък и се обеззаразява с хлор ( $\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO}$ – хипохлорестата киселина убива ) или с озон.

Два други проблема с водата: тежките метали (олово, живак, кадмий) се натрупват в организмите и не се разграждат; концентрациите им се следят в ppm и ppb (виж Разтвори и концентрации). При еутрофикацията излишните фосфати и нитрати от торове и перилни препарати подхранват бурно размножаване на . Когато те загният, бактериите изразходват разтворения кислород и рибите се задушават. Пластмасовите отпадъци и са разгледани в урока Полимери.

7. Зелена химия и атомна икономия

Зелената химия търси процеси, които изобщо не създават замърсяване: без отровни и , с катализатори вместо стехиометрични реагенти, с възобновими суровини и с възможно най-малко отпадъци. Един от измерителите е атомната икономия.

О

Атомна икономия

Каква част от масата на реагентите по уравнението влиза в желания продукт:

\text{АИ} = \frac{M(\text{желан продукт}) \cdot k}{\sum M(\text{реагенти}) \cdot k_i} \cdot 100\%

, където

k

са коефициентите. Присъединителните реакции имат АИ = 100%; при заместване и разлагане част от атомите отиват в странични продукти.

Пример

Каква е атомната икономия на получаването на хлорометан CH₃Cl по реакцията CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl?

$\sum M(\text{реагенти}) = 16 + 71 = 87\ \mathrm{g/mol}$ ; $M(\mathrm{CH_3Cl}) = 50{,}5\ \mathrm{g/mol}$
$\text{АИ} = \frac{50{,}5}{87} \cdot 100\% \approx 58\%$
Атомната икономия не казва какъв е добивът – тя е горна граница, ако реакцията протече идеално.

8. Тренажор

CO₂ от горене, ppm във вода, pH, атомна икономия и котлен камък. Десетичните отговори въвеждай като 5,6.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

c = 1\ \mathrm{ppm},\quad V = 50\ \mathrm{L}\ \text{вода}

Колко милиграма от замърсителя има във водата?

9. Околната среда в числа

Колата, ТЕЦ, океанът, хладилникът и каната в кухнята – навсякъде има химични сметки за околната среда.

0 / 6

🚗 Колко CO₂ изпуска една кола

Кола харчи 6 L бензин на 100 km и изминава 12 000 km годишно. Приемете, че бензинът е октан C₈H₁₈ с плътност 0,74 kg/L. Колко тона CO₂ изпуска колата за година?

🏭 Сероочистване в ТЕЦ

ТЕЦ изгаря за час 1000 t лигнитни въглища с 2% сяра. Колко тона SO₂ би изпуснала без очистване и колко – ако сероочистващата инсталация задържа 95% от него?

🌊 Малко по-кисел океан

Средното pH на повърхностната океанска вода е спаднало от около 8,2 преди индустриалната революция до около 8,1 днес. Колко пъти и с колко процента се е увеличила концентрацията на H⁺ йоните?

❄️ Фреонът в стария хладилник

Стар хладилник съдържа 150 g фреон CCl₂F₂. Колко мола хлорни атоми има в него? Ако всеки хлорен атом разруши 100 000 молекули озон, колко килограма озон е това?

☕ Котлен камък в каната

Чешмяната вода съдържа калциев хидрогенкарбонат 3 mmol/L. Всеки ден в каната се преваряват 1,5 L вода. Колко грама котлен камък CaCO₃ се отлагат за година?

🌿 Два пътя до един продукт

Етиленоксидът C₂H₄O (суровина за антифриз и полиестери) по-рано се е получавал по сумарното уравнение C₂H₄ + Cl₂ + Ca(OH)₂ → C₂H₄O + CaCl₂ + H₂O, а днес – чрез директно окисление 2C₂H₄ + O₂ → 2C₂H₄O. Каква е атомната икономия на стария метод и колко тона отпадъци се падат на тон продукт?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Озоновата дупка и парниковият ефект

✗ Озоновата дупка затопля Земята.

✓ Това са различни явления: озоновата дупка пропуска УВ лъчение, а парниковите газове задържат инфрачервено.

Озонът е само полезен

✗ Повече озон навсякъде е добре.

✓ В стратосферата ни пази, а близо до земята е замърсител – част от смога.

Кисел дъжд

✗ Всеки дъжд с pH под 7 е кисел дъжд.

✓ Чистият дъжд е около 5,6 заради CO₂; кисел дъжд е под 5,6.

Конверторът и CO₂

✗ Катализаторът в колата премахва CO₂.

✓ Той превръща CO, NO и въглеводородите – и дори образува CO₂.

Преваряването

✗ Преваряването премахва всякаква твърдост.

✓ Само временната (хидрогенкарбонатите); сулфатите и хлоридите остават.

ppm и проценти

✗ 420 ppm = 4,2%

✓ $\displaystyle 1\ \mathrm{ppm} = 10^{-4}\%$ , значи $\displaystyle 420\ \mathrm{ppm} = 0{,}042\%$

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кой газ има най-голям обемен дял в сухия въздух след азота и кислорода?

Избери отговор (или натисни 1–4)

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

13. Обобщение

✓ Концентрацията на $\mathrm{CO_2}$ е нараснала от около 280 ppm до около 425 ppm (2024 г.); 1 ppm ≈ 7,8 Gt $\mathrm{CO_2}$
✓ Парникови са газовете, чиито молекули поглъщат инфрачервено лъчение: $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{N_2O}$
✓ Разтвореният $\mathrm{CO_2}$ подкислява океаните: pH от около 8,2 до около 8,1
✓ Хлорът от фреоните разрушава озона каталитично: $\mathrm{Cl + O_3 \to ClO + O_2}$ , $\mathrm{ClO + O \to Cl + O_2}$
✓ $\mathrm{SO_2}$ и $\mathrm{NO_x}$ дават киселинни дъждове (pH под 5,6); конверторът превръща CO, NO и
✓ Временната твърдост се премахва с преваряване, постоянната – със сода или йонообмен
✓ Атомна икономия = маса на желания продукт / маса на реагентите · 100%

💡 Интересен факт

Монреалският протокол е първият договор на ООН, ратифициран от всички страни членки (през 2009 г.). Освен озона той помага и на климата: фреоните са и силни парникови газове. Според изследване от 2007 г. към 2010 г. протоколът е намалявал емисиите с около 10 милиарда тона $\mathrm{CO_2}$ -еквивалент годишно – няколко пъти повече от целта на Протокола от Киото.