Chimia atmosferei

Chimia atmosferei

Compozitia chimica si structura atmosferei

1. Structura atmosferei

Definitia atmosferei conform DEX-ului:

1) invelis gazos care inconjura Pamantul; aer; cer; vazduh.

2) amestec de gaze care il respira vietatile aerobice; aer.

3) stare de spirit care se creeaza in jurul cuiva sau a ceva;

4) unitate de masura a presiunii gazelor, egala cu greutatea unei coloane de mercur la 0° cu o sectiune de 1 cm², inalta de 76 cm.

Atmosfera nu reprezinta numai invelisul gazos al Pamantului ci totodata si locul numeroaselor procese chimice. Înaltimea atmosferei nu poate fi stabilita cu exactitate deoarece densitatea ei scade progresiv cu altitudinea. Se considera ca intreaga masa a atmosferei este cuprinsa intre scoarta trerestra si inaltimea de 100 km.

Atmosfera este formata din patru regiuni, si anume: troposfera, stratosfera, mezosfera si termosfera.

a)   Troposfera reprezinta stratul inferior al atmosferei, care atinge suprafata solului si in care se produc fenomenele meteorologice. Troposfera este foarte importanta pentru desfasurarea vietii, intinzandu-se deasupra scoartei Pamantului pana la o altitudine de 8-15 km. Aceasta regiune a atmosferei se incalzeste foarte putin datorita absorbtiei directe a radiatiilor luminoase ale soarelui, dar se incalzeste mai mult indirect, prin absorbtia radiatiei IR a Pamantului. Troposfera este sediul fenomenelor meteorologice care asigura circuitul apei in natura.

b)  Stratosfera reprezinta stratul superior al atmosferei (situat deasupra troposferei), care incepe la o inaltime de aproximativ 11 km de la suprafata Pamantului si se intinde pana la altitudinea de aproximativ 50 km. Ea reprezinta acea regiune a atmosferei caracterizata de obicei de absenta norilor si ca urmare este mai putin turbulenta decat troposfera. În stratosfera vaporii de apa se gasesc intr-o proportie cu totul neinsemnata, iar CO₂ dispare la inaltimea de 20 - 30 km.

c)   Mezosfera reprezinta un strat al atmosferei terestre care se desfasoara intre 50 si 85 km si este caracterizata printr-un aer extrem de rarefiat dar si prin scaderea rapida a temperaturii, care atinge -90 °C spre limita superioara, numita mezopauza.

d)  Termosfera (sau ionosfera) este ultimul strat al atmosferei si se caracterizeaza prin cresterea accentuata a temperaturii (1500 K) din cauza degajarilor de caldura cauzate de procese de ionizare.

Atmosfera este un amestec de diferite gaze; proportia cea mai ridicata o au oxigenul si azotul care insumeaza impreuna peste 99% (tabelul 1). Gazele comune sunt: azotul, oxigenul, argonul si dioxidul de carbon, restul sunt gaze rare.

 Tabelul nr. 1 Proportia gazelor componente ale atmosferei

Oxigenul si azotul, gazele principale din atmosfera joaca un rol important in viata plantelor si animalelor. Proportia lor in atmosfera este aproape constanta.

În cantitati foarte mici se mai intalnesc si alte gaze cum sunt: xenonul, ozonul, radonul, metanul, amoniacul, oxidul de azot, dioxidul de azot. Aceasta compozitie a fost determinata pentru prima data de Lavoisier.

Caracteristicile fizico-chimice ale aerului

Cracteristicile fizice ale aerului se raporteaza in conditii normale (stare strandard) reprezentate de temperatura de 0⁰C si presiunea de 760 mm Hg. În aceasta stare, volumul ocupat de un mol de aer (volum molar) este de 22,414 dm³.

Masa moleculara a aerului M_aer, calculata pe baza functiilor volumice si a maselor moleculare componente este: M_aer = , unde: M_g - reprezinta masa moleculara a unui gaz component, X_g - reprezinta fractia de volum a gazului respectiv in aer.

Densitatea aerului (greutate specifica), in c.n (conditii normale)este: sau kg/m³

Umiditatea aerului atmosferic este reprezentata de apa existenta in el, sub forma de vapori, picaturi, cristale, provenita din evaporarea apelor de suprafata (in cea mai mare parte), din stratul superficial al solului, din procesul de transpiratie a plantelor sau din activitati industriale.

Temperatura aerului este determinata in principal de radiatia solara. Temperatura aerului inregistreaza variatii importante atat pe orizontala cat si pe verticala. Temperatura aerului este un factor important in determinarea caracterului climatic al zonelor geografice, influentand astfel indirect organismul uman prin conditiile de munca, de locuit, regimul alimentar, imbracaminte etc. Ea este, de asemenea, determinata in formarea curentilor de aer, cu implicatii largi in procesele de impurificare si purificare atmosferica.

Presiunea atmosferica reprezinta forta cu care aerul apasa Pamantul datorita greutatii sale. Ea se exprima in mm Hg/cm² sau in milibari (750 mm Hg = 1000 mb), iar unitatea de masura in S.I. pentru presiune este kilopascalul (kPa), 1kPa = 10 mb, 1 Pa = 1 N/m² = 10^-2 mb. Cu cat presiunea aerului este mai ridicata, cu atat poluantii sunt dispersati mai putin in atmosfera.

3. Caracteristicile principalilor componenti naturali ai aerului

3.1. Azotul

Ø     Azotul molecular reprezinta 78,09% din atmosfera pamantului.

Ø     Molecula de azot (N₂) este cea mai slaba dintre combinatiile azotului astfel incat, in cursul erelor geologice trecute, cea mai mare parte din azotul existent sub mai multe forme s-a transformat in azot molecular.

Proprietati fizice

Azotul este:

un gaz incolor, fara miros, mai usor decat aerul;

in apa se dizolva mai putin decat oxigenul (la    0⁰C 1 litru de apa dizolva 23,2 ml azot);

nu intretine arderea si nici viata din aceasta cauza poarta numele de azot, adica in limba greaca azotos = fara viata.

Proprietati chimice

Datorita faptului ca azotul molecular este foarte stabil, reactivitatea chimica este foarte scazuta, de aceea reactiile azotului molecular necesita o energie de activare mai mare care se poate obtine fie prin ridicarea temperaturii fie folosind catalizatori specifici, foarte activi.

Exista doua cai principale prin care se formeaza combinatii ale azotului din azot molecular, si anume:

Calea naturala care consta in asimilarea azotului molecular de catre unele microorganisme (azotobacter, care este o bacterie aeroba care fixeaza in sol azotul atmosferic, transformandu-l in azot organic). Pe aceasta cale iau nastere toate combinatiile azotului din organismele vii.

Cea de a doua cale este reprezentata de sinteza industriala a amoniacului din azot si hidrogen. Amoniacul este materia prima din care provin indirect combinatiile azotului produse industrial sau in laborator. Producerea pe scara industriala a amoniacului este realizata intr-un procent de 90 % din azot si hidrogen (in raport de 1:3) dupa procedeul Haber-Bosch, procedeu descoperit de chimistii germani Fritz Haber (1868-1934) si Carl Bosch (1874-1940). Acest procedeu obtine amoniacul dintr-un amestec gazos de hidrogen si azot, in prezenta unui catalizator de oxid de fier Fe₃O₄, K₂O, CaO, Al₂O₃ si bioxid de siliciu SiO₂ supus la o presiune de 300 bari si o temperatura de 450 °C.

Proprietati fiziopatologice

Azotul nu exercita efecte nocive decat in conditii de presiune ridicata (muncitorii care lucreaza sub apa, scafandri). În acest caz datorita presiunii ridicate (la fiecare 11 m adancime presiune creste cu o atmosfera), creste si presiunea partiala a azotului. Azotul patrunde in organism in cantitati mari intr-un timp scurt si pentru ca nu se combina cu alte elemente din corpul uman, se solva in sange si este depozitat pana la saturare mai ales in sistemul nervos. Astfel se produc o serie de tulburari, predominant manifestari nervoase, sindromul fiind cunoscut sub numele de "narcoza hiperbara" sau betia adancurilor.

3. Oxigenul

Ø     Oxigenul este elementul cel mai raspandit din atmosfera, hidrosfera si litosfera, in care este prezentat atat in stare libera, cat si sub forma de combinatii.

Ø     În aerul atmosferic, oxigenul se gaseste in cantitate relativ constanta (~21%) pentru ca producerea oxigenului este echilibrata de consumul lui.

Proprietati fizice. Oxigenul este:

un gaz fara miros si fara gust,

in strat subtire etste incolor, in strat gros apare albastrui,

este de 1,1 ori mai greu decat aerul,

se dizolva relativ putin in apa dar aceasta face posibila prezenta vietuitoarelor in mediul acvatic,

prin lichefiere (adica trecerea unui corp gazos in stare lichida), oxigenul devine lichid de culoare albastra care prin solidificare se transforma intr-o masa cu aspect de zapada albastruie.

Proprietati chimice

Oxigenul este foarte activ din punct de vedere chimic in cadrul proceselor de oxidare, fie ca este vorba de oxidare rapida, ca in cazul arderilor, fie ca este vorba de oxidare lenta, in cazul proceselor de alterare.

Aproape toate elementele se combina cu oxigenul molecular formand oxizi. Fac exceptie gazele rare, halogenii si metalele nobile.

Se disting: a) combinari energice cu oxigenul (sau arderi vii), care au loc cu degajare mare de

caldura si lumina

b) si oxidari lente care se petrec la temperaturi joase si cu viteza mica.

Arderile decurg mai energic in oxigen curat decat in aer. Explicatia consta in faptul ca in aer presiunea partiala a oxigenului este mai mica si in plus o parte din caldura degajata din reactie se consuma pentru incalzirea azotului.

Dintre nemetale, ard deosebit de usor fosforul (P) alb, sulful si carbonul rezultand oxizi:

(pentaoxid de fosfor)

(dioxid de sulf)

(dioxid de carbon)

Dintre metale arde foarte usor Mg (magneziul), cu emisie de lumina alba si caldura intensa. Mai greu arde Al (aluminiul) si mai greu Fe (fierul).

(oxid de magneziu)

(oxid de aluminiu)

(oxid feric-feros denumit si magnetit este materialul natural cu cele mai bune proprietati magnetice)

Uneori combustiile sunt foarte energice astfel incat se transforma in explozii. Exemplu: amestecul de aer si gaze combustibile (hidrogen, acetilena, metan etc.) sau vapori de substante inflamabile (benzina, eter, sulfura de carbon, acetona etc.) explodeaza.

În prezenta umiditatii, oxidarile pot decurge intr-un timp mai lung fara dezvoltare de lumina si fara degajare aparenta de caldura. Un exemplu de ardere lenta este respiratia animala. Cantitatea de caldura dezvoltata in timpul arderilor in corpul omenesc este extrem de mare. Daca ea s-ar acumula timp de 24 h, temperatura corpului ar ajunge la 100⁰C. Arderile fiind lente, organismul are timp sa cedeze caldura mediului si astfel temperatura corpului se mentine la 36 - 37⁰C.

Uneori, cand caldura eliberata in timpul unei oxidari nu este indepartata cu ajutorul curentilor de aer, ea se poate acumula si in cele din urma, poate ridica temperatura substantei chiar la punctul de aprindere. Viteza de reactie creste iar arderea lenta devine vie, astfel de fenomen se numeste autoaprindere. Asa se explica autoaprinderea depozitelor de carbuni, cereale, paie, bunbac etc.

3.3. Argonul

Argonul este prezent in atmosfera in concentratie relativ ridicata, comparativ cu celelalte gaze nobile, predominant sub forma izotopului sau ⁴⁰Ar. Se considera ca ⁴⁰Ar a rezultat prin dezintegrarea ⁴⁰K in interiorul masei Pamantului si ulterior a fost degajat in atmosfera.

Argonul este un gaz fara culoare, fara miros si inert din punct de vedere chimic, motiv pentru care nu este implicat in reactiile chimice care se petrec in atmosfera.

3.4. Dioxidul de carbon

Continutul de dioxid de carbon din atmosfera variaza in general intre 0,03 - 0,04%. Dioxidul de carbon (CO₂) este un gaz incolor, este unul din cele mai importante gaze cu efect de sera (procesul de incalzire a unei planete din cauza radiatiei reflectate de aceasta, care, in conditiile prezen ei unor gaze cu efect de sera in atmosfera, o parte semnificativa a radiatiei va fi reflectata inapoi spre suprafata).

Desi reprezinta un component al aerului, dioxidul de carbon poate fi considerat in acelasi timp un agent de poluare deoarece cresterea concentratiei lui poate antrena efecte tipice de poluare (efectul de sera amintit mai sus).

Dioxidul de carbon absoarbe radiatiile cu lungime de unda mare (rosii si infrarosii), emise de suprafata terestra si de atmosfera, mentinand caldura in atmosfera inferioara si diminuand racirea radiativa nocturna a Pamantului. O scadere a cantitatii de dioxid de carbon din atmosfera ar determina o racire a climei, o extindere a ghetarilor si o diminuare a nivelului oceanului planetar. Daca dioxidul de carbon ar lipsi total din atmosfera, temperatura medie la nivel global ar scadea la -23oC.
Cantitatea de dioxid de carbon din atmosfera este determinata de ciclul biologic, de arderile combustibililor fosili, de procesele de alterare si sedimentare, de procesele de descompunere, de eruptiile vulcanice etc.

Trecerea dioxidului de carbon din biosfera in atmosfera si invers este rapida. Aproximativ o zecime din cantitatea de dioxid de carbon din atmosfera este transferata catre biosfera in fiecare an. Din cauza cresterii cantitatii de dioxid de carbon in perioada industrializarii, a aparut asa-numitul efect de sera, ca urmare a proprietatilor acestui gaz, mentionate anterior. Efectul de sera este un fenomen ce are drept consecinta modificari climatice la scara mondiala.

În conditii normale, dioxidul de carbon este consumat de plante si in procesul de transformare a silicatilor din scoarta terestra in carbonati si oxizi; de asemenea, apa marilor si oceanelor are un rol regulator al cantitatii de dioxid de carbon din atmosfera, dar acest rol este indeplinit doar intre anumite limite ale cantitatii de dioxid de carbon.

În functie de factorii generatori, consumatori si de reglaj, cantitatea de dioxid de carbon variaza in spatiu si timp, fiind mai mica ziua decat noaptea, mai mare iarna decat vara si mai mare deasupra oceanelor decat deasupra uscatului.În centrele industriale cantitatea de dioxid de carbon din aer ajunge pana la 0,07%.

Prezentarea mai detaliata a dioxidului de carbon va fi facuta la capitolul rezervat pentru poluantii atmosferici.