环境化学作业题解答

12第二章大气环境化学一、补充作业题:（思考题）1、大气层的结构及温度变化规律：解：（1）对流层：0~18km；气温随高度升高而降低。（2）平流层：18~50km；平流层下部30~35km以下气温变化不大（同温层），30~35km以上随高度升高温度增大(逆温层)。（3）50~80km；气温随高度升高而降低。（4）80~500km；大气温度随高度的增加而升高。32、简述大气中NO、NO2的人为来源和消除途径。N2+O2H2O解：燃料燃烧NO、NO2硝酸和硝酸盐3、洛杉玑型烟雾特征:兰色烟雾，强氧化性，具有强刺激性，使大气能见度降低，在白天生成傍晚消失,高峰在中午。4二、作业题P1451、大气的主要层次是如何划分的?每个层次具有哪些特点?（1）主要层次划分：根据温度随海拔高度的变化情况将大气分为四层。大气层次海拔高度／km温度／℃主要成分对流层平流层中间层热层O～(10～16)(10～16)～5050～8080～50015～-56-56～-2-2～-92-92～1200N2,02，O203NO+，O2+NO+，O2+，O+（2）各层次特点：①对流层：0～18km；气温随高度升高而降低；有强烈的空气垂直对流；空气密度大（占大气总质量的3/4和几乎全部的水汽和固体杂质）；天气现象复杂多变。5②平流层：18～50km；平流层下部30～35km以下气温变化不大（同温层），30～35km以上随高度升高温度增大(逆温层)；有一20km厚的臭氧层，可吸收太阳的紫外辐射，并且臭氧分解是放热过程，可导致平流层的温度升高；空气稀薄，水气、尘埃的含量极少、透明度好，很少出现天气现象，飞机在平流层低部飞行既平稳又安全；空气的垂直对流运动很小，只随地球自转产生平流运动，污染物进入平流层可遍布全球。③中间层：50～80km；空气较稀薄；臭氧层消失；温度随海拔高度的增加而迅速降低；大气的垂直对流强烈。④热层：80～500km；在太阳紫外线照射下空气处于高度电离状态（电离层），能反射无线电波，人类可利用它进行远距离无线电通讯；大气温度随高度增加而升高；空气更加稀薄，大气质量仅占大气总质量的0．5％。热层以上的大气层称为逃逸层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用与大气温度不同，大气的压力总是随着海拔高度的增加而减小。62、逆温现象对大气中污染物的迁移有什么影响?一般情况下，大气温度随着高度增加而下降，每上升100米，温度降低0.6℃左右。即是说在数千米以下，总是低层大气温度高、密度小，高层大气温度低、密度大，显得“头重脚轻”。这种大气层结容易发生上下翻滚即“对流”运动，可将近地面层的污染物向高空乃至远方输散，从而使城市上空污染程度减轻。因而在通常情况下，城市上空为轻度污染，对人体健康影响不大。可是在某些天气条件下，一地上空的大气结构会出现气温随高度增加而升高的反常现象，从而导致大气层结“脚重头轻”，气家学家称之为“逆温”，发生逆温现象的大气层称为“逆温层”。它像一层厚厚的被子罩在我们城乡上空，上下层空气减少了流动，近地面层大气污染物“无路可走”，只好原地不动，越积越多，空气污染势必加重。73、大气中有哪些重要污染物?说明其主要来源和消除途径。大气污染物种类繁多。按物理状态分气态和颗粒污染物；按形成过程分一次和二次污染物；按化学组成分含硫、含氮、含碳和含卤素化合物。（1）含硫化合物氧硫化碳(COS)、二硫化碳(CS2)、二甲基硫[(CH3)2S]、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(S03)、硫酸(H2SO4))、亚硫酸盐(MS03)和硫酸盐(MS04)等。S02来源与消除：大气中SO2主要来源于含硫燃料燃烧。燃烧过程硫几乎能够全部转化形成S02。通常煤含硫量O.5％～6％，石油含硫量O.5～3％。全世界每年人为来源排入大气S02约146×106t，其中60％来自煤燃烧，30％来自石油燃烧和炼制过程。大气中S0250％转化成硫酸或硫酸根，50％可以通过干、湿沉降从大气中消除。8（2）含氮化合物氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。N2O是低层大气含量最高的含氮化合物，由于其非常稳定，一般认为其没有明显的污染效应。NOX来源与消除：NO和N02是大气中主要含氮污染物。其人为来源是燃料燃烧。燃烧源分为流动和固定燃烧源。城市大气中NOX2/3来自汽车排放，1/3来自固定源排放。燃烧产生的NOX主要是NO，占90％以上；NO2约占O.5％～10％。大气中NOX最终将转化为硝酸和硝酸盐微粒经湿沉降和干沉降从大气中去除，其中湿沉降是最主要的消除方式。（3）含碳化合物一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及有机碳氢化合物和含氧烃类如醛、酮、酸等。①CO：是一种毒性极强、无色、无味的气体，也是排放量最大的大气污染物之一。9人为来源：燃料不完全燃烧。全球范围CO人为排放约(600～1250)×106t/a，其中80％是由汽车尾气排放，20％来自家庭炉灶、工业燃煤锅炉、煤气加工等过程。天然来源：就全球环境，天然来源也很重要。主要包括：甲烷转化、海水中CO挥发、植物排放以及森林火灾和农业废弃物焚烧。其中以甲烷转化最为重要。CH4经HO·自由基氧化可形成CO。去除：大气中CO可由土壤吸收和与HO·自由基反应去除。后者可去除大气中约50％的CO。②CO2：是一种无毒、无味气体，对人体无显著危害作用。但作为一种重要的温室气体，能导致温室效应，引发一系列全球性环境问题。来源：人为来源主要来自矿物燃料燃烧，天然来源主要包括海洋脱气、甲烷转化、动植物呼吸，以及腐败作用和燃烧作用。去除：植物吸收。人类活动大量排放C02；砍伐森林、毁灭草原，使地球植被日趋减少，使植物吸收CO2数量降低。两者共同作用使大气CO2含量急剧增加。10③碳氢化合物：是大气中一重要污染物。大气中以气态形式存在的碳氢化合物的碳原子数主要为1～10，包括可挥发性的所有烃类。它们是形成光化学烟雾的主要参与者。其他碳氢化合物大部分以气溶胶形式存在于大气中。在大气污染研究中，人们根据烃类化合物在光化学反应过程中活性大小，把烃类化合物分为甲烷(CH4)和非甲烷烃(NMHC)两类。甲烷：无色气体，性质稳定。大气中碳氢化合物80％～85％是甲烷。它是重要温室气体。每个CH4分子导致温室效应能力比CO2分子大20倍。CH4来源：人为来源包括燃料燃烧和原油、天然气泄漏；天然来源主要来沼泽、泥塘、湿冻土带和水稻田底部等环境厌氧细菌的发酵，有机物发生了厌氧分解：中国是一个农业大国，其水稻田面积约占全球水稻田面积的1/3，因而水稻田成为中国大气中甲烷的最大的排放源。CH4消除：与大气中HO·自由基反应被消除：11非甲烷烃：来源于煤、石油和植物等。非甲烷烃的种类很多，因来源而异。天然来源：以植被最重要。植物体向大气释放的化合物达367种。乙烯是植物散发的最简单有机化合物之一，许多植物都能产生乙烯，并释放进大气。一般认为，植物散发的大多数烃类属于萜烯类化合物，是非甲烷烃中排放量最大的一类化合物。人为来源：汽油燃烧、焚烧、溶剂蒸发、石油蒸发和运输损耗、废弃物提炼等。消除途径：光化学反应和自由基反应。（4）含卤素化合物有机卤代烃、无机氯化物和氟化物。有机卤代烃对环境影响最为严重，分为卤代脂肪烃和卤代芳香烃。①简单卤代烃：甲烷衍生物。天然来自于海洋；人为来自于工业化学试剂生产使用过程的挥发排放。消除途径是光解反应和自由基反应。12②氟氯烃类来源：一氟三氯甲烷(CFCl3、CFC-11或F-11)和二氟二氯甲烷(CF2Cl2、CFC-12或F-12)。作制冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。生产和使用过程进入大气。消除：在对流层大气中性质非常稳定。能透过波长大于290nm辐射，在对流层大气中不发生光解反应；与HO·反应为强吸热反应，在对流层中，很难被HO·氧化；不溶于水，不容易被降水清除。氟氯烃类化合物不易在对流层被去除，在对流层停留时间较长。它们最可能的消除途径是扩散进入平流层。氟氯烃类化合物既可破坏臭氧层也可导致温室效应。1312、说明光化学烟雾现象，解释污染物与产物的日变化曲线，并说明光化学烟雾产物的性质与特征。（1）光化学烟雾现象：主要含有氮氧化物和碳氢化合物等一次性污染物的大气，在阳光照射下发生化学反应而产生二次污染物。这种由一次和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象称为光化学烟雾。因最早（1940年）在美国洛杉矶首先出现，又称洛杉矶型烟雾。（2）性质与特征：烟雾蓝色；具有强氧化性，能使橡胶开裂；对眼睛、呼吸道等有强烈刺激，并引起头痛、呼吸道疾病恶化，严重可造成死亡；对植物叶子有害，能使大气能见度降低；刺激物浓度峰值出现在中午和午后；污染区域出现在污染源下风向几十到几百公里的范围内。(3)日变化曲线：白天生成夜晚消失；染物浓度峰值出现在中午和午后；烃类和NO发生在早上交通高峰时节，此时NO2浓度很低；随太阳辐射增强，O3和NO2浓度逐渐增加，到中午已经较高。一般O3和NO2浓度峰值比NO浓度峰值晚出现4-5小时。推断：O3和NO2主要是二次污染物。傍晚虽交通繁忙，但日光较弱，不足以引起光化学反应。1414、何谓有机物的反应活性?如何将有机物按反应活性分类?(1)有机物的反应活性：有机物的反应活性是指反应难易程度。反应中有些中间体能增加反应活性。正催化剂能产生容易反应的中间体，改变反应历程，缩短反应时间。（2）分类：按有机物所含官能团分类：烷、烯、炔、醇、酮、苯、酚、醚、羧酸、糖等。15、简述大气中S02氧化的几种途径。（1）SO2气相氧化：SO2首先氧化成SO3，随后S03被水吸收成硫酸，形成酸雨或硫酸烟雾。硫酸与大气中的NH4+等阳离子结合生成硫酸盐气溶胶。①S02的直接光氧化；②SO2被自由基氧化。（2）SO2液相氧化：大气中存在少量水和颗粒物。SO2可溶于大气中液体水，也可被大气颗粒物吸附，并溶解在颗粒物表面所吸附的水中。于是SO2便可发生液相反应。①S02液相平衡；②O3对SO2氧化；③H2O2对SO2氧化；④金属离子对SO2液相氧化催化作用1519、论述影响酸雨形成的因素。主要影响因素：（1）酸性污染物的排放及其转化条件；（2）大气中NH3的含量及其对酸性物质的中和性；（3）大气颗粒物的碱度及其缓冲能力；（4）天气形势的影响。20、什么是大气颗粒物的三模态?如何识别各种粒子模?依据大气颗粒物表面积与粒径分布的关系，把大气颗粒物表示成三种模结构：爱根（Aitken）核模（Dp0.05μm）、积聚模（0.05μmDp2μm）和粗粒子模（Dp2μm）。（1）爱根核模主要源于燃烧产生的一次颗粒物以及气体分子通过化学反应均相成核而生成的二次颗粒物。由于其粒径小、数量多、表面积大而很不稳定，易于相互碰撞结成大粒子而转入积聚模；也可在大气湍流扩散过程中很快被其他物质或地面吸收而去除。（2）积聚模主要由核模凝聚或通过热蒸汽冷凝再凝聚长大。这些粒子多为二次污染物，其中硫酸盐占80%以上。它们在大气中不易由扩散或碰撞而去除。积聚模与爱根核模的颗粒物合称细粒子。（3）粗粒子模的粒子称为粗粒子，多由机械过程所产生的扬尘、液滴蒸发、海盐溅沫、火山爆发和风沙等一次颗粒物所构成，因此它的组成与地面土壤十分相近，主要靠干沉降和湿沉降过程去除。1623．何谓温室效应和温室气体?大气中的某些微量组分，能使太阳的短波辐射透过，加热地面，而地面增温后所放出的热辐射，却被这些组分吸收，使大气增温。由于这些组分的作用在某些方面类似温室的玻璃房顶，因此这种现象被称为温室效应，这些组分被称为为温室气体。主要温室气体有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、二氧化氮（NO2）、氯氟烷烃（CFCs）等。八十年代研究表明，人为排放各种温室气体对温室效应所起作用比例不同，其中二氧化碳55％，氯氟烷烃24％，甲烷15％，二氧化氮6％。二氧化碳大量增加是造成温室效应加剧的主要原因。24．说明臭氧层破坏的原因和机理。人为排放到大气中的污染物Y（NOX、HOX、ClOX），作为催化活性物种，直接参与破坏O3的化学反应：