Dodaj do listy

Powietrze i wchodzące w jego skład gazy

Wstęp:

Powietrze stanowi mieszaninę, składającą się z różnych gazów i innych składników zwieszonych w nim. Tworzy atmosferę ziemską, czyli warstwę gazową otaczającą kulę ziemską.

Powietrze podlega ciągłym przemianom. Może zmieniać się jego skład chemiczny oraz właściwości fizyczne. Mimo te niektóre składniki powietrza są niezmienne. Ich ilość pozostaje stała. Zaliczamy do nich azot, tlen oraz gazy szlachetne. Wśród gazów szlachetnych należy wymienić argon, hel, neon, krypton i ksenon. Ponadto do stałych składników powietrza można zaliczyć: wodór i metan. Drugą grupę stanowią te elementy powietrza, które mogą ulegać zmianom. Wśród nich wymienia się: wodę, w postaci pary wodnej, gazy przemysłowe, takie jak dwutlenek węgla, dwutlenek siarki oraz tlenki azotu, a także związki organiczne i składniki mineralne.

Właściwości fizyczne powietrza:

W warunkach normalnych, czyli w temperaturze 0ºC (273 K) oraz przy ciśnieniu 1atmosfery (101325 Pa) gęstość powietrza wynosi ok. 1,29 ∙10-3 g/cm3. Dla powietrza charakterystyczna jest  temperatury wrzenia, wynosząca ok. -193 ºC oraz temperatura topnienia określana na -213ºC.

Struktura składników powietrza:

  •   Elementy stałe, czyli gazy, które w takich samych ilością występują na całej kuli ziemskiej. Ich skład jest stały do wysokości ok. 80 km nad powierzchnią morza. Poniżej zamieszczono wykaz pierwiastków wchodzących w skład stałych składników powietrza wraz z procentami objętościowymi:

- azot – ok. 78,1 %

- tlen – ok. 21,0 %

- gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon), wodór, metan – ok. 1 %

  •   Elementy zmienne, czyli gazy i inne substancje, których zawartość w powietrzu może ulegać zmianie w zależności od zanieczyszczenia środowiska, warunków atmosferycznych oraz położenia geograficznego.

- woda (para wodna)

- tlenek węgla (IV)

- tlenek siarki (IV)

- tlenki azotu

- ozon

- związki organiczne, mikroorganizmy, zarodniki roślin

- związki mineralne, wchodzące w skład pyłów

Zanieczyszczenia powietrza:

Zanieczyszczenia powietrza definiuje się jako obecność w powietrzu atmosferycznym substancji, które naturalnie w nim nie występują lub zbyt wysokie stężenie niektórych substancji składowych powietrza.

Podział zanieczyszczeń atmosferycznych:

Istnieje kilka różnych sposobów podziału zanieczyszczeń atmosferycznych. Tutaj zamieszczono niektóre z nich.

Pierwszym podziałem jest klasyfikacja według rodzaju czynnika powodującego zanieczyszczenie. Wyróżnia się dwa podstawowe: środowisko naturalne oraz działalność człowieka.

- zanieczyszczenia naturalne, nazywane inaczej biogennymi:

Są to zanieczyszczenia, które powstają wskutek wybuchów wulkanów, pożarów lasów, burz piaskowych, huraganów lub procesów zachodzących w trakcie rozkładu materii organicznej.

- zanieczyszczenia sztuczne, nazywane inaczej antropogennymi:

Możemy do nich zaliczyć różnego rodzaju pyły i gazy, które są emitowane przez przemysły chemiczne, spożywcze, huty i kopalnie, a także elektrownie i komunikację, czyli pojazdy mechaniczne.

Drugim sposobem podziału zanieczyszczeń jest ich klasyfikacja według tzw. emitera, czyli źródła produkującego zanieczyszczenia:

- punktowe źródła emisji – zaliczamy do nich przede wszystkim wielkie zakłady przemysłowe, które emitują pyły, dwutlenek węgla, tlenki azotu, tlenki siaki oraz metale ciężkie.

- powierzchniowe źródła emisji (inaczej: rozproszone) – zalicza się do nich nieduże zakłady przemysłowe, drobne kotłownie, a także domowe paleniska. Emitują głównie różnego rodzaju pyły oraz dwutlenek siarki.

- liniowe źródła emisji – są tworzone głównie przez zanieczyszczenia komunikacyjne. Zaliczamy do nich tlenki azotu, tlenki węgla oraz metale ciężkie.

Mówiąc o źródłach emisji zanieczyszczeń można je również podzielić inaczej, na:

- ruchome źródła emisji – stanowią emitery, które mają zdolność do przemieszczania się, a więc można wśród nich wymienić: silniki samochodowe samoloty, statki i inne pojazdy spalinowe.

- stacjonarne źródła emisji – nie przemieszczają się, są nimi m.in. zakłady przemysłowe, elektrownie itp.

Trzeci sposób klasyfikacji:

Ze względu na sposób, w jaki określony składnik zanieczyszczenia znalazła się w powietrzu. Tutaj wyróżnimy:

- zanieczyszczenia bezpośrednio dostające się do atmosfery, czyli tzw. pierwotne

- zanieczyszczenia pośrednio przedostające się do powietrza, czyli tzw. wtórne. Zanieczyszczenia te stanowią wynik procesów zachodzących pomiędzy zanieczyszczeniami pierwotnymi, a stałymi elementami atmosfery . Inaczej nazywa się je jako efekty wtórne.

Inne klasyfikacje zanieczyszczeń atmosferycznych:

Podział za względu na sposób emisji zanieczyszczeń:

- emisja zorganizowana

- emisja niezorganizowana

Kolejna metodą podziału zanieczyszczeń powietrza jest ich klasyfikacja ze względu na stan skupienia i formę występowania. W ten sposób można wyróżnić :

- pyły

- aerozole

- gazy

Zanieczyszczenia powietrza następują wskutek wprowadzenia do niego substancji stałych, ciekłych lub gazowych w ilościach, powodujących jego skażenie. Należą do jednych z najniebezpieczniejszych, gdyż ze względu na swój charakter i łatwość rozprzestrzeniania się oddziałują na wszystkie elementy przyrody. Niekorzystnie wpływają zarówno na środowisko naturalne, jak i na organizmy żywe, w tym człowieka. Przyczyniają się do skażenia wód , gleb, a także oddziałują na klimat. Ciężko się z nimi walczy, gdyż nie można ich wyeliminować, ani ograniczyć ich ilości w środowisku.

Obecnie za sektor gospodarki emitujący największe ilości zanieczyszczeń atmosfery uznaje się przemysł paliwowo – energetyczny. Przyczynia się on głównie do powstawania  dużych ilości popiołów lotnych i innych pyłów. Najbardziej uciążliwe dla środowiska naturalnego są elektrociepłownie, ale również przemysł chemiczny, głównie chemii nieorganicznej, do której zalicza się przemysł cementowy,  budowlany, a także  nawozów sztucznych, tworzyw sztucznych oraz metalurgiczny.

Największe ilości gazów emituje metalurgia, która jest producentem ponad 4/5 całkowitego emitowanego przez przemysł dwutlenku węgla. Wśród wytwórców popiołów lotnych na pierwszym miejscu klasyfikuje się przemysł energetyczny i chemiczny.

Rozkład zanieczyszczeń powietrza:

Przykładowa struktura zanieczyszczeń powietrza, na podstawie danych uzyskanych w roku 2004.

Spośród wszystkich emitowanych do atmosfery zanieczyszczeń, aż 98 % stanowi dwutlenek węgla. Pozostałe 2% to zanieczyszczenia w postaci pyłów, dwutlenku siarki, tlenków azotu i innych substancji. Dokładne dane zamieszczono poniżej:

Rodzaj zanieczyszczenia:

Zawartość procentowa

Tlenek węgla (II) – CO2

98 %

Inne, w tym:

2 %

Tlenek węgla

48%

Tlenek siarki (IV) – SO2

17 %

Tlenki azotu

11 %

Amoniak – NH3

5 %

Gazowe związki organiczne (oprócz metanu)

13 %

Pyły

6 %

Charakterystyka gazowych zanieczyszczeń atmosferycznych:

Tlenek węgla (IV):

CO2

Głównym produktem spalania paliw jest dwutlenek węgla. Ta gazowa substancja występuje naturalnie w powietrzu atmosferycznym. Stanowi produkt Produkt dobro wytworzone w procesie produkcji rolniczej, przemysłowej i usługowej. Występuje jako dobro materialne oraz dobro niematerialne (usługa). Dobra (produkty) materialne dzielą się na produkty pracy -... Czytaj dalej Słownik geograficzny oddychania komórkowego, który wydalają zarówno zwierzęta, jak i rośliny. Naturalne stężenie tego związku chemicznego w powietrzu wynosi ok. 0,03 %. Proporcje zostały jednak zaburzone na skutek działalności człowieka. Gwałtowny wyż demograficzny oraz szybki rozwój cywilizacyjny, spowodował, iż obecnie stężenie dwutlenku węgla w wielkich aglomeracjach miejskich dochodzi do 0,05 %, a nawet 0,07 %. Główną przyczyną takiej sytuacji jest nadmierne spalanie paliw. W procesach tych wytwarzane są największe ilości tego tlenku. Do winowajców można więc zaliczyć elektrownie, elektrociepłownie, a także miliony samochodów i innych pojazdów spalających benzynę i inne oleje napędowe.

Ma on szczególny wpływ na globalny klimat Klimat przebieg pogody na pewnym obszarze, ustalony na podstawie wieloletnich obserwacji.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
naszej ziemi. Tlenek węgla (IV) zalicza się do tzw. gazów cieplarnianych (szklarniowych), które z jednej strony przepuszczają widoczne dla ludzkiego oka pasmo fal słonecznych, z drugiej absorbują promieniowanie podczerwone (cieplne), zapobiegające w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos.  W ten sposób zachodzi proces podobny, do tego jaki możemy obserwować w szklarni lub w pozostawionym na słońcu, zamkniętym samochodzie. Dla zobrazowania ogromnej roli tego gazu na Zycie na ziemi, można podać kilka szacunkowych danych. Ocenia się, iż całkowite wyeliminowania dwutlenku węgla z atmosfery spowodowałoby spadek globalnej temperatury do ok. -70ºC. Natomiast podwojenie istniejącego obecnie stężenia tego gazu wpłynęłoby na wzrost średniej rocznej temperatury do ok. 40ºC. Z tego względu światowe organizacje chroniące środowisko naturalne starają się przekonać o konieczność wprowadzenia ograniczeń w emisji dwutlenku węgla. W przeciwnym razie, w najbliższych latach możemy się spodziewać wzrostu średniej  rocznej temperatury o ok. 3 [ºC], która doprowadzi do topnienia lodowców na biegunach, a w konsekwencji spowoduje podwyższenie się poziomu mórz i oceanów, mogących zatopić wiele nizinnych obszarów lądu. Nie bez znaczenia są także uprawy ryżu i hodowla bydła, która przyczynia się do wzrostu w atmosferze stężenia metanu oraz dwutlenku węgla.

Tlenek węgla (II):

CO

Oprócz tlenku węgla (IV), w procesie spalania paliw może powstawać również inny związek: tlenek węgla (II) – CO, potocznie nazywany czadem. Jest to bezbarwny i bezwonny gaz. Tworzy się on w wyniku przeprowadzania reakcji spalania przy ograniczonym dostępie tlenu. Gaz ten jest wyjątkowo silną trucizną. Łatwo i trwale łączy się z hemoglobiną (krwinką odpowiedzialna za transport tlenu u ssaków) dezaktywując ją. W efekcie organizm zostaje nie dotleniony – dochodzi do niebezpiecznych zatruć, a nawet śmierci.

Stwarza wyjątkowe niebezpieczeństwo ze względu na łatwość rozprzestrzeniania się.

Obecnie w celu wyeliminowania w spalinach tego toksycznego tlenku stosuje się katalizatory, których zasada działania opiera się na utlenianiu tlenku węgla (II) do mniej toksycznego tlenku węgla (IV).

Tlenek siarki (IV):

SO2

Tlenek siarki (IV) to gaz o właściwościach silnie toksycznych. Jest bezbarwny, za to posiada silny i duszący zapach. To gaz stosunkowo ciężki, przez co wolno rozprzestrzenia się w powietrzu. Stanowi składnik smogu, czyli zawiesiny pary wodnej, pyłów i gazów przemysłowych, która unosi nad ziemią w wielkich aglomeracjach miejskich, o wysokim wskaźniku zanieczyszczenie powietrza.

Gaz ten łatwo rozpuszcza się w wodzie z utworzeniem kwasu siarkowego (IV) – H2SO4. Z tego względu stanowi główna przyczynę powstawania kwaśnych deszczy. W atmosferze dochodzi do reakcji między parą wodną , a dwutlenkiem węgla. W efekcie na ziemię opada zamiast deszczu, bardzo rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego (IV) oraz innych kwasów.

Kwaśne deszcze są szczególnie niebezpieczne dla roślin i lasów. Stężenie dwutlenku siarki w powietrzu , przekraczające 20 g/m3, przyczynia się do niszczenia wrażliwych na zanieczyszczenie środowiska lasów iglastych. Jeżeli stężenie to będzie wyższy niż 50 g/m3, to nastąpi drugi stopień uszkodzenia lasów. Sytuacja w Polsce jest tym gorsza, że normy dopuszczają stężenie tego gazu w powietrzu nawet do 100 g/m3!

Dodatkowe zagrożenie stwarzają procesy, które mogą zachodzić w wyższych warstwach atmosfery. Dwutlenek siarki pod wpływem promieniowania może się utlenić do tlenku siarki (IV) – SO3. Tlenek ten w połączeniu z wodą daje niezwykle mocny kwas siarkowy (VI). Reakcja ta zachodzi również z parą wodna znajdującą się w atmosferze i opada na ziemię również w takiej postaci.

Gazowy dwutlenek węgla działa na organizm ludzki drażniąco. Może wywoływać podrażnienie dróg oddechowych oraz inne objawy chorobowe. Narażeni na jego działanie są szczególnie osoby mieszkające w dużych miastach przemysłowych. Tam notuje się stężenie dwutlenku węgle osiągające nawet wartość 105 g/m3. Największe stężenia tego gazu występują zimą, przy bezwietrznej pogodzie i wysokiej wilgotności. 

Siarkowodór:

H2S

W wielu procesach przemysłowych oprócz wymienionego wyżej dwutlenku siarki, może powstawać również siarkowodór. Gaz ten posiada charakterystyczny zapach, określany mianem zapachem zgniłych jaj, gdyż tworzy się także w wyniku beztlenowych przemian białek. Niekorzystnie wpływa na organizm ludzki, może wywołać nawet porażenie układu nerwowego. Zalicza się go do substancji toksycznych. Za głównych winowajców – producentów tego gazu uznaje się koksownie, gazownie, garbarnie oraz zakłady produkujące wiskozę.

Siarczek węgla:

CS2

Siarczek węgla, to podobnie jak siarkowodór substancja o działaniu toksycznym. Stanowi produkt uboczny procesu produkcji tworzyw sztucznych i wiskozowych. Wyższe stężenia siarczku węgla mogą doprowadzić nawet do ślepoty lub śmierci człowieka.

Związki azotu:

Do najważniejszych związków azotu, przyczyniających się do zanieczyszczenia środowiska zaliczamy tlenki azotu: NO, N2O, NO2, N2O3 i N2O5 ,amoniak (NH3) oraz organiczne związki zawierające azot.  Szczególnie niebezpieczne są tlenki azotu (IV), tlenki azotu (V) i tlenki azotu (III), gdyż w zetknięciu z wodą reagują z nią z utworzeniem kwasów. Przyczyniają się więc do powstawanie kwaśnych deszczy.

Do atmosfery najwięcej jest emitowanych tlenku azotu (II) i produktu jego utleniania - tlenku azotu (IV). Najczęściej powstają w procesach spalania paliw, gdyż azot stanowi zanieczyszczenie ropy naftowej oraz węgla – popularnych surowców energetycznych. Z tego względu za potencjalne źródła zanieczyszczenia środowiska związkami azotu należy uznać koksownie, elektrociepłownie oraz pojazdy spalinowe.

Tlenek azotu (IV) jest odpowiedzialny za przewlekłe choroby układu oddechowego, na które szczególnie często zapadają ludzie Ludzie J. R. R. Tolkien Hobbit, czyli tam i z powrotem, bohater zbiorowy; ludzie Trzeciej Epoki są zupełnie podobni do ludzi współczesnych. Tak jak dzisiaj zdarzają się wśród nich postacie niezwykłe, szlachetne,... Czytaj dalej Słownik bohaterów literackich - gimnazjum mieszkający w miastach przemysłowych. Według naukowców niektóre tlenki azotu mogą inicjować procesy prowadzące do powstawanie związków uznawanych za rakotwórcze i mutagenne. Tlenek azotu (II) jest również odpowiedzialny za tworzenie się dziury ozonowej. Udowodniono, iż pod wpływem promieniowania nadfioletowego, występującego w górnych warstwach atmosfery, tlenek ten ulega rozkładowi na atomy tlenu i azotu, które agresywnie atakują cząsteczki ozonu. W efekcie dochodzi zmniejszenie się grubości warstwy ozonu, chroniącej nas przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne:

WWA

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne to związki organiczne, stanowiące grupę substancji szczególnie rozpowszechnionych w naszym życiu. Nie zdajemy sobie sprawy z ich istnienia, ale wchodzą w skład dymy tytoniowego, jedzenia, są obecne w glebie, wodzie oraz ropie naftowej. Mogą powstawać w wyniku naturalnych procesów, np. podczas pożarów lasów, jak i w efekcie sztucznej działalności człowieka:  syntez organicznych, przeróbki ropy naftowej oraz spalania surowców energetycznych (głównie ropy naftowej i węgla). Kolejnym źródłem tych substancji jest spalanie śmieci i odpadów komunalnych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne stanowią niebezpieczeństwo dla człowieka, głównie ze względu na metaboliczne produkty ich rozkładu. Udowodniono, iż związki powstające w organizmie człowieka z przeróbki tych substancji wykazują właściwości mutagenne i kancerogenne.

Ozon:

O3

Ozon stanowi naturalną warstwę ochroną dla ziemi, zabezpieczającą organizmy żywe przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. Warstwa ta znajduje się w stratosferze, na wysokości ok. 15 do 20 kilometrów nad powierzchnią ziemi. Część ozonu na skutek dyfuzji przedostaje się do niższych warstw atmosfery. Takie naturalne stężenie nie jest groźne dla człowieka, ani środowiska przyrodniczego, ale naruszenie tej biologicznej równowagi na skutek zanieczyszczenia środowiska może być niebezpieczne. Zaobserwowano regularny wzrost Wzrost zwiększanie rozmiarów i masy ciała. Wzrost jest cechą wszystkich żywych organizmów i następstwem pobierania substancji odżywczych z otoczenia. U jednokomórkowców wzrost wiąże się ze zwiększaniem rozmiarów... Czytaj dalej Słownik biologiczny stężenia ozonu w powietrzu.

Trójatomowe cząsteczki tlenu są silnymi utleniaczami, działającymi agresywnie. Wchodzą w skład smogu oraz przyczyniają się do powstawanie kwaśnych deszczy.

Charakterystyka zanieczyszczeń powietrza pyłami:

Oprócz wyżej wymienionych gazów, niebezpieczeństwo dla środowiska stanowią także pyły, nazywane inaczej popiołami lotnymi. Pyły to cząstki (inaczej: ziarna) o wielkości ok. 0,001 do ok. 100 μm. Większe cząstki tworzą pył powierzchniowy, nazywany inaczej kurzem. Jest często spotykany jako wszechobecny bród.  Pył, którego cząstki są mniejsze, nazywa się pyłem atmosferycznym lub aerozolem atmosferycznym. Jest bardziej niebezpieczny, gdyż dłużej utrzymuje się w powietrzu, wchodząc w skład smogu. Powoduje, że na powierzchnię ziemi dociera mniej promieniowania słonecznego. Poza zagrożeniem dla środowiska wywołuje również straty w zakładach przemysłowych. Przez działanie pyłu szybciej ulegają zniszczeniu rury oraz inne instalacje.

Oprócz wyżej przedstawionego podziału, pyły można także sklasyfikować według ich działania na organizmy żywe. Zgodnie z nim wyróżnia się:

- Pyły toksyczne, które powodują bardzo szybkie zatrucie organizmu. Ich składnikami są najczęściej pyły metali ciężkich takich, jak: rtęć (Hg), kadm (Cd), arsen (As), cynk (Zn), ołów (Pb), pyły metali radioaktywnych oraz pyły azbestowe i fluorki.

- Pyły szkodliwe o działaniu pylicotwórczym lub uczulającym, często zmniejszają odporności na choroby zakaźne. Głównymi  ich składnikami są: krzemionka (SiO2), pyły glinokrzemianowe, pyły drewna, bawełny.

- Pyły neutralne stanowią najmniejsze zagrożenie spośród wszystkich wymienionych. Mimo to mogą działać podrażniająco, poprzez blokowanie powierzchni ochronnej płuc. Do pyłów tych należy zaliczyć pyły żelaza, wapieni, gipsu i węgla.