Atmosfera şi calitatea aerului CURS II Compoziţia chimică a atmosferei
ATMOSFERA PĂMÂNTULUI Atmosfera Pământului stratul gazos ce înconjoară planeta şi care este menţinut datorită forţei gravitaţionale. Amestecul de gaze din atmosfera terestră se numeşte aer. Atmos( ἀτμός) gr., - ceaţă, aburi şi sphaira (σφαῖρα) gr., -sferă Léon Teisserenc de Bort 1855-1913 Richard Aßmann 1845-1918 Aerologia ştiinţa ce se ocupă cu studiul compoziţiei chimice şi a proceselor ce au loc la nivelul atmosferei. Rolurile atmosferei: - protecţie împotriva radiaţilor solare ultraviolet (UV); - încălzirea suprafeţei Pământului prin efectul de seră; - reduce diferenţele de temperatură dintre zi şi noapte; Dimensiunile atmosferei: - limita superioară altitudinea de aprox. 100 km ( linia Kármán) - volum 48 x 10 18 m 3 - masa 5.1 10 18 kg (de 4 ori masa apei de pe Pământ), 50% din masă se află în stratul inferior, la maxim 5 km altitudine volumul Pamantului 1.08 x 10 21 m 3 masa Pamantului 5.97237 10 24 kg
10.000 km Compoziţia chimică a atmosferei Exosferă 690 km Aerul atmosferic este un amestec de gaze a cărui compoziţie variază cu altitudinea. in câmpul gravitaţional al Pământului moleculele de gaz sunt atrase şi să se concentreze la suprafaţa planetei datorită agitaţiei termice molecule de gaz tind să se împrăştie în spaţiul cosmic Aerul atmosferic are astfel o distribuţie verticală descrisă cel mai simplu printr-o lege exponenţială de scădere a densităţii cu înălţimea. Limita inferioară a acesteia este constituita din suprafaţa Pământului, unde densitatea este maximă, în timp ce limita superioară se situează formal la 2000 km. Compoziţia chimică a aerului nu variază semnificativ până la o altitudine de 80 de km. Ionosferă Navetă Auroră 100 km Linia Kármán 85 km Mezosferă Meteori 50 km Stratosferă Balon meteorologic 6 20 km Troposferă Everest
Compoziţia chimică a atmosferei Principalele componente ale aerului uscat şi pur la suprafata Pământului sunt: Componentă (formulă) ppm Procent de volum (%) Azot (N 2 ) 780840 78,084 Oxigen (O 2 ) 209460 20,94 Argon (Ar) 9340 0,934 Dioxid de carbon (CO 2 ) 397 0.039 Neon (Ne) 18,18 0.00018 Heliu (He) 5,24 0.00052 Metan (CH 4 ) 1,79 0.00017 Alte gaze 21.3 0.00213
Compoziţia chimică a atmosferei Vaporii de apa (H 2 O) reprezintă o componentă majoră ce variază în limite foarte largi. Din acest motiv, raportul procentual al gazelor atmosferice a fost stabilit ignorând conţinutul de apă (aer uscat). ppm Procent de volum (%) Apa (H 2 O) 10-50000 0,001-5 Atmosfera conţine de asemenea particule lichide sau solide aflate în suspensie în aerul atmosferic. Ele funcţioneză ca nuclee în jurul căroroa de formează picăturile sau cristalele de apă. Funcţie de dimensiunile lor acestea se clasifică în : - aerosoli - particule mai mici de 10 µm - substanţe particulate - particule mai mari de 10 µm Particulele în suspensie oferă o suprafaţă de contact foarte întinsă unde pot avea loc reacţii chimice. Moleculele de gaz: - se pot ataşa de suprafaţa particulelor - adsorbţie - pot fi înglobate sau dizolvate în particule absorbţie.
A. Azotul N 2 - este un gaz biatomic format prin legarea a 2 atomi de N cu formarea unei legături triple extrem de puternice; - reactivitate chimică deosebit de scăzută datorită stabilitătii legăturii; - în condiţii normale de presiune şi temperatură este un caz incolor, insipid şi inodor; - nu arde si nu întreţine arderea Importanţă biologică: Azotul ca element este esenţial pentru organismele vii, întrând în alcătuirea aminoacizilor şi a bazelor azotate. N 2 din atmosferă nu poate fi însă utilizat direct de organismele vii datorită stabilităţii sale mari. El trebuie transformat în compuşi utilizabili sau fixat pentru a putea fi folosit. Transformările azotului şi compuşilor săi în natură se realizează printr-un proces ciclic, denumit ciclul azotului. Procesul de transformare a azotului atmosferic în compuși asimilabili de plante (nitraţi (NO 2 -), nitraţi (NO 3 -) sau săruri de amoniu (NH 4+ ) poartă numele de fixarea azotului şi este realizat de plante (care?), bacterii fixatoare de N 2 în sol şi cianobacterii în oceane. Procesul de transformare a formelor asimilabile ale azotului în azot atmosferic se numeşte denitrificare şi este realizat de bacteriile denitrificatoare. Fixarea N 2 atmosferic la nivel industrial este unul din procesele cheie pe care se bazează dezvoltarea industriei şi agriculturii moderne. În prezent, pentru producerea de fertilizatori de N 2 atmosferic se folosește procesul Haber-Bosch realizat la temperaturi şi presiuni înalte, unde, în prezenţa unor metale are loc reacţia: N 2 + 3 H 2 2 NH 3
B.Oxigenul O 2 Elementul O poate exista pe Pământ în 5 forme alotrope: - oxigenul atomic O 1 - un radical liber extrem de instabil - di-oxigen sau oxigenul molecular O 2 stabil, cel mai frecvent întalnit, intra în alcătuirea aerului - tri-oxigen sau ozon O 3 extrem de reactiv - tetra-oxigen O 4 instabil - oxigen solid poate avea 6 colori diferite Oxigenul molecular - este un gaz biatomic format prin legarea a 2 atomi de O cu formarea unei legături duble; - atomii de O ce formează molecula conţin electroni ne-împerecheaţi. Acest lucru face ca legătura dublă din O 2 sa aibă o energie mai mică decât legăturile duble din alţi compuşi sau decât două legături simple; - reactivitate chimică mare datorită legăturii mai puţin stabile, astfel încât poate reacţiona cu un număr mare de elemente - oxidare; - în condiţii normale de presiune şi temperatură este un caz incolor, insipid şi inodor; - întreţine arderea funcţonând ca agent oxidant. Importanţă biologică: Oxigenul ca element este esenţial pentru organismele vii, întrând în alcătuirea tuturor moleculelor biologice (aminoacizilor, glucide, baze atotate, lipide). O 2 din atmosferă este produsul reacţiei de fotosinteză şi se consumă prin respiraţie şi combustie. Întreaga cantitate de oxigen din atmosferă se ciclează prin intermediul biosferei, o dată la 6000 de ani Un om adult are nevoie de 1.8-2.4 grame de O 2 pe minut. In total, omenirea are nevoie de 6 billioane tone de oxigen pe an.
C. Dioxidul de carbon - CO 2 - molecula de CO 2 este alcătuită din un atom de C de care se leagă prin legături duble de doi atomi de O. - legăturile formate sunt puternice, din acest motiv CO 2 este are o reactivitate chimică redusă - nu arde şi nu întreţine arderea; - în condiţii normale de presiune şi temperatură este un caz incolor, insipid şi inodor; - absoarbe radiaţiile cu lungime de undă mare (roşii şi infraroşii), emise de suprafaţa terestră şi de atmosferă, fiind unul din principalele gaze responsabile de efectul de seră; - se dizolvă în apă şi formează un acid slab: H 2 CO 3 Importanţă biologică: CO2 este principalul produs al respiraţiei organismelor vii şi al proceselor de ardere a combustibililor fosili. Surse de CO 2 sunt şi procesele de alterare şi sedimentare, de procesele de descompunere și erupţiile vulcanice. CO2 se dizolvă în apa oceanelor cu formare de acid carbonic (H 2 CO 3 ), bicarbonati (HCO 3 ) si carbonati (CO 3 2 ). Se consideră că în apa oceanelor există de 50 ori mai mult CO 2 decât în atmosferă (acidifierea oceanelor)
D. Argonul Ar - elementul Ar face parte din grupa 18 a sistemului periodoc, fiind un gaz rar; - are configuraţia electronică de octet, ceea ce îl face să fie inert din punct de vedere chimic (nu participă la reacţii chimice); - este un gaz monoatomic - în condiţii normale de presiune şi temperatură este un caz incolor, insipid şi inodor, nu arde şi nu întreţine arderea E. Metanul, CH 4 - este concentrat în stratul inferior al atmosferei deoarece amestecul vertical este lent şi limitează transportul metanului la altitudini mai mari sau în zonele cu concentraţii scăzute - realtiv stabil din punct de vedere chimic F. Oxizii azotului monoxidul de N (NO) şi monoxidul de diazot N 2 O - produşi naturali ai proceselor bacteriene din sol- - pot rezulta şi ca urmare a activităţilor umane de fertilizare a solurilor şi de ardere a combustibililor fosili, procese care pot furniza până la 25% din cantitatea totală de oxizi de azot din atmosferă.
Umiditatea se măsoară cu ajutorul higrometrului G. Vaporii de apa (H 2 O) - concentraţi într-un strat subţire adiacent suprafeţei Pământului, de aprox. 2 km - concentraţia lor variază în limite largi, funcţie de temperatură, precipitaţii, rata de evaporare; - absorb şi radiază energia termică, fiind implicaţi în efectul de seră; - concentraţia lor se exprimă în general prin umiditate - cantitatea de vapori de apă conţinută într-un eşantion de aer. Umiditatea se poate exprima ca: umiditatea absolută - cantitatea de vapori de apă (în grame) conţinută în 1L de aer umiditatea relativă (RH) - raportul dintre presiunea parţială a vaporilor de apă în condiţiile date şi presiunea parţială a vaporilor in condiţii de echilibru, la aceeaşi temperatură. RH = ph 2 O X100, unde: p'h 2 O ph 2 O presiunea parţiala a vaporilor de apă înregistrată p'h 2 O presiunea parţiala a vaporilor de apă in condiţii de echilibru, la aceeaşi temperatură (se citeşte din tabel)
Importanţă biologică a apei: Apa este unică, prin aceea că este singura substanţă naturală care se află in atmosefera în cele trei stări de agregare. Importanţa apei pentru organismele vii este corelată cu particularităţile structurale ale moleculei sale, care îi conferă proprietăţi unice în raport cu alţi solvenţi. Proprietățile apei: 1. molecula de apă este un dipol electric având capacitatea de a realiza legături de hidrogen. Proprietatea de dipol îi conferă moleculei de apă posibilitatea de a funcţiona ca un excelent solvent (solvent universal) atât faţă de compuşii ionici, cât şi faţă de compuşii covalenţi cu masă moleculară mică. 2. Apa are o constantă dielectrică mare, proprietate care favorizează dizolvarea şi disocierea altor substanţe 4. Apa are proprietăţi termice unice: -căldura specifică mare îi permite apei să primească sau să cedeze o cantitate mare de căldură, fără ca temperatura sa să crească sau să scadă foarte mult -căldura de vaporizare mare pentru evaporarea apei este necesară o cantitate neobişnuit de mare de căldură.