Су булары.

Озон

Озон(O₃) түзілуі – жарық энергиясы әсерімен жүретін фотохимиялық процесс. Жарықтың толқын ұзындығы аз болған сайын, оның энергиясы көп. Оттек молекуласын бөлшектерге бөлу үшін толқын ұзындығы 240нм-ден аз болатын ультракүлгін (УК) сәулеленуі қажет:

 

O₂ + hʋ→ O• + O•

 

Оттектің атомдары (О) түзіле салып олар озон түзе әрекеттеседі:

 

O₂ + O• → O₃

 

Фотохимиялық процестің нәтижесінде түзілген озон (O₃) оның ыдырау реакциясы нәтижесінде теңдесуі мүмкін. Оны оттек атомдарын жоятын процестің реакциясымен бірге былай жазуға болады:

 

O₃ + hʋ→ O₂+ O•

O₃ + O• → 2O₂

O• + O• +M → O₂ + M

«Үшінші дене» деп аталатын М, реакцияның артық энергиясын жұтады. Үшінші дене ретінде O₂ немесе азот молекуласы (N₂) бола алады «Үшінші денесіз» тізілген О₂ қайтадан ыдырап кетеді. Бұл реакциялар О₃–тің химиясын толық түрде сипаттамайды, сондықтан оттектен басқа оның құрамында сутек (Н), азот (N), және хлор (Cl) болатын реакцияларды қарастыру керек:

 

OH ^̄ + O₃ → O₂ + HO₂̄ ³

HO₂̄ ³ + O → OH ^̄ + O₂ ,

 

Бұлардың қосындысы мына реакцияны береді:

О₃ + О → О₂

 

Осыларға ұқсас реакцияларды басқа формалары үшін де (мысалы, дыбыстан жоғары авиация қозғалтқыштарынан шығатын азот тотығы (NO) немесе тропопаузадан өтіп стратосфераға жететін азоттың шала тотығы (N₂О)] жазуға болады:

 

NO + O₃ → O₂ + NO₂

NO₂ + O → NO + O₂

 

N₂O реакцияға бастапқы сатыда түседі:

 

N₂O + О → 2NO.

 

Реакцияны хлорфторкөмірсутектерден бөлінетін хлор үшін жазсақ:

 

O₃ + Cl ̄ → O₂ + ClO ̄

ClO ̄ + O ̄² → O₂ + Cl

 

Осы үш топтардағы реакциялардан көретініміз: O₃ және атомдық оттек жойылып, ОН, NO немесе Сl радикалдары түзіледі. Сөйтіп, бұл радикалдарды озонның ыдырауының катализаторы ретінде қарауға болады.

Стратосфера озонының химиясы үшін маңызды жағдайды айтсақ, ол жоғарыдағы катализдік реакциялардың ластаушы бір молекуланың әсерінен озонның көптеген молекуласы жойылатынын көрсетуі болып табылады.

ХФУ (хлорфторкөмірсутектер)–стратосферадағы озон қабатын бұзатын себептердің бірі.

Азот қосылыстары, егер олар стратосфераға кіріп жоғарыдағы реакциялар тізбегіне қатысатын болса, онда олар да озон қабатын бұзады. Дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен (сверхзвуковые) үлкен биіктікте ұшатын комерциялық ұшақтардан бөлінетін азот қосылыстары ең бірінші ластаушы заттар болады, себебі бұл газдардың реакцияға қабілеттіктері төмен стратосфераға өтуі баяу болса да оларды ұшақтардың өзі жоғары қабаттарға алып барады.

 

Көмірқышқыл газы (CO₂ )

Оттек сияқты көмірқышқыл газының пайда болу және жұмсалу көздері болып тірі организмдер саналады. Көмірқышқыл газы өсімдіктерге олардың күрделі органикалық заттардың фотосинтезі үшін қажет, фотосинтез реакциясынан организмдер энергия алады және өздерінің дене мүшесін қалыптастыратын материалдар алады. Қазіргі кезде көмірқышқыл газы тапшы ресурстарға жатады, сол себепті оның атмосферада болу уақыты үлкен емес –4 жыл (ал оттектің уақыты 5000 жыл).

Өнеркәсіптік революцияға дейін атмосфера көмірқышқыл газы бойынша тұрақты болған (органикалық заттардан мысалы, торфтан аздап шығарылатынын есептемегенде). Глобальды экожүйеде атмосферадағы CO₂ көмірқышқыл газының концентрациясы миллион жылдар бойы тұрақты болады. Бірақ қазбалы отындарды жағудың әсерінен атмосфераға көмірқышқыл газының қосымша мөлшерлері түсе бастады. Бұған жер жыртудың әсерінен гумустың бұзылуы нәтижесінде пайда болатын көмірқышқыл газы қосылды.

Жер қыртысын бүлдіріп, ағаштарды жоюдың әсерінен фотосинтездің өсуі көмірқышқыл газының концентрациясының өсуінен аз жердегі гумус қабаттың бүлінуі атмосферада көмірқышқыл газын көбейтеді.

11–суретте 1850 жылдан бастап атмосферада көмірқышқыл газының өсуі көрсетілген.

 

11- сурет. Атмосферада көмірқышқыл газы мөлшерінің 1958 жылдан 1998 жылға дейіңгі өзгерісі

Дәріс 9

Атмосфераға микрокомпонеттердің түсу жолдарының геохимиялық көзі

Ең күшті геохимиялық көздер болып немесе тасымалданатын шаңдар және теңіз шашырандылары болуы мүмкін олар атмосфераға қатты заттардың орасан көп мөлшерін әкеледі.

Шаң– негізінен аридтық (аридный) аймақтардың топырағы. Егер бұл шаңдардың беттік қабаттары өте жұқа болатын болса, онда олар көп жерлерге тарап, материалдардың қайта бөлінуінде маңызды рөл атқарады. Дегенмен шаңдардың атмосферадағы химялық әсері онша емес, себебі олардың химялық белсенділігі әлсіз. Оған қарағанда тұз бөлшектерін желдің әсерінен тасымалдайтын теңіз шашырандыларының атмосферадағы химялық реакцияға қабілеті керісінше жоғары. Океаннан бөлінген тұз бөлшектері ылғалданғыш сондықтан ылғал ортада NaCI-дың ұсақ кристалдары суды сіңіріліп, концентрлі тамшы ерітінділер немесе аэрозольдар түзеді. Нәтижесінде бұл процесс бұлттар түзілуіне қатысады. Тамшылар сонымен бірге атмосфераға өтіп химиялық реакциялар жүретін орын бола алады. Егер тамшыларда күшті қышқылдар, мысалы азот (HNO₃) немесе күкірт (H₂SO₄) қышқылдары еріген болса, олардан тұз қышқылы (HCI) түзілуі мүмкін. Бұл процессті атмосферадағы тұз қышқылының (HCI) көзі деп есептейді:

 

H₂SO₄ + NaCI = HCI + NaHSO₄

 

Метеорларда бөлшектерді атмосфераға тасымалдайды. Бұл шаңмен немесе орман өрттерімен немесе желмен салыстырғанда онша үлкен көз емес, біраұ метеорлар газдардың тығыздығы аз болатын атмосфераның жоғарғы қабаттарында үлкен рөл атқарады. Мұнда метеорлармен әкелінген металдар көптеген химялық реакцияларға түседі.

Вулкандар шаңның ең үлкен көзі, күшті атылу кезінде шаңдар стратосфераға дейнде жетеді. Вулкан бөлшектері глобальды температураға күн сәулесін ұстап қалуы арқылы әсер етеді. Жоғары биіктіктерде химиялық процестерге де бөгет жасауы мүмкін.

Вулкандар тең шаңның ғана емес, күкірт диоксиді (SO₂) ,CO₂, HCI және фторсутек (HF) сияқты газдардың да үлкен көзі бола алады. Бұл газдар страфосферада реакцияға түсіп басқа бөлшектерді береді, бұл бөлшектердің ең маңыздысы H₂SO₄. Бұл қышқыл вулкан көздерінен жанама жолдармен де түзіледі. Вулкандар бөлшектердің уақыт жағынан да, кеңістік жағынанда тым тұрақсыс көзі. Күшті вулкан атқылаулар сирек кездеседі. Кейде бірнеше жылдар бойы күшті атқылаулар болмай бір кезде ондаған жылдар бөлінбеген көп заттар бір атқылаудың нәтижесінде бөлінеді.

Атқылаулар вулкандар әрекет етіп тұрған ерекше аймақтарда болады.Заттардың көп мөлшері стротосфераның жоғарғы қабатына жететін күшті атқылаудан басқа, вулкан жарықтарынан газдардың аздаған мөлшері бөлінеді ол газдар көп уақыт бойы атмосфераның төменгі қабаттарына біртіндеп шығады. Вулкандық көздердің осындай екі түрінің арасындағы қатынас дәл белгілі емес, десекте SO₂ газы үшін бұл қатынас 50:50.

Жыныстардың радиоактивті элементтері – калий және ауыр элементтер радий,уран және торийда газдар бөледі.

Аргон калийдің ыдырау нәтижесінде, ал радон (радиоактивтрадиоактивті газ, жартылай ыдырау периоды 3,8 күн) радий ыдырауынан пайда болады. Уран-торий ыдырауларынан гелийдің ядросы болып есептелетін

–бөлшектері түзіледі. Бұл ядролар электрон қосып алғансоң, гелий атмосфераға түседі.

Гелий атмосферада жаналмайды, ол жеңіл болғандықтан космосқа шығып кетеді. Сөйтіп гелийдің конентрациясы оның жер бетінде радиоактивті түзілуімен атмосфераның жоғарғы қабаттарынан кетуі арасындағы қатынасымен (баланс) анықталады.

Су булары.

Атмосферадағы су буларының негізгі көздері.Ауадағы айнымалы компоненттердің ішіндегі ең көбі су булары (ылғалдар). Олардың биохимиялық рөлі өте жоғары. Олар конденсацияланып барлық климаттық зоналардағы сұйық суды береді. Ауада ылғалдықтың болуы тірі организмдер судың булануына кедергі жасайды.Атмосферадағы су буларының негізгі көзі–булану, ал олардың атмосферадан кетуі –конденсация

Су буының атмосферада болуының орташа уақыты – 10 тәулік. Ал оның атмосферадағы мөлшері температураға және басқа факторларға (мысалы, суаттардың жақындығы) тәуелді. Температура су буының максималды мүмкін мөлшерін шектейді (максималды мөлшерінен асқан соң су конденсацияланады) (12-сурет)

Cу буларының меншікті мөлшері абсолюттік ылғалдылық деп аталады. Ауаның максималды абсолюттік ылғалдылығының температураға тәуелділігі 12–суретте келтірілген. Әр түлі қисықтар абсолюттік ылғалдылықтың әр түрлі өлшеміне қатысты: жоғарғы қисықта – парциалды қысыммен (кПа), төменгі қисықта молярлық (моль/м³) өлшенген.

Ауаның реал (шын) ылғалдылығы әдетте ылғалдылықтың максимал мәнінен аз болады. Реалды абсолюттік ылғалдылықтың берілген температурада максималды ылғалдылыққа қатынасы ауаның салыстырмалы қатынасыдеп аталады. Ауа райын хабарлағанда осы салыстырмалы ылғалдылықты айтады. Ауаның салыстырмалы ылғалдылығы судың булануын анықтайды: ылғалдылық аз болған сайын булану тез жүреді. Егер салыстырмалы ылғалдылық 100%-дан асса, онда су конденсацияланады.

 

12-сурет. Ауаның максимал мүмкін болатын абсолюттік ылғалдылығының температураға тәуелділігі.

 

Күкірт диоксиді

13-сурет Күкірт диоксиді

 

Күкірт диоксидінің атмосфераға түсуінің негізгі көзі- вулкандар. Вулкан газдарының құрамындағы күкір диоксидінің жылдық бөліну мөлшері 8-11млн т. Сонымен қатар, вулкан газдарымен бірге күкіртсутек (H₂S) бөлінеді, ол ауадағы оттектің әсерінен күкірт диоксидіне айналады. Вулкан атқылауында күкіртсутектің түзілуін жоғары температурада (1800⁰C-дан жоғары) бу фазада жүретін реакциямен байланыстырады.

Күкірт диоксидінің түзілуінің басқа да табиғи көздері бар, ол күкірттің тотықсызданған ұшқыш қосылыстары-органикалық сульфидтер (меркаптандар, диметилсульфид және т.б.) болып табылады, олар атмосферада күкірттің диоксидіне дейін тотығады. Бұл қосылыстар сульфаттар және табиғи күкірт бар органикалық материалдардың биогенді процестерінің нәтижесінде түзіледі. Мұхит пен жердің топырағында едәуір мөлшерде еріген сульфаттар болады, олар микроорганизмдердің анаэробты (оттексіз) жағдайда тигізетін әсерінен күкірсутекке дейін тотықсызданады. Теңіз суларында сульфаттардың тотықсыздануы мен күкіртсутектің түзілу жылдамдығы біршама жоғары болады.

Бұдан басқа, күкірт диоксидінің түзілуіне адамдардың іс-әрекеті де әсер етеді. Мәселен, құрамында күкірт бар (3·10⁶ моль/жыл) қазба отындарды және сульфидтік рудаларды күйдіргенде күкірт диоксиді бөлінеді:

 

2CuS + 3O₂ = 2CuO + SO₂

 

Күкірт диоксидінің атмосферадан кетуіне(сток) жауын-шашынмен жуылуы және өсімдіктермен сіңірілуі әсер етеді. Күкірт диоксидінің бұлттардағы су тамшыларында жеңіл ериді, бұл кезде күкіртті қышқыл түзіледі:

H₂O + SO₂ = H₂SO₃

 

Судың ұсақ тамшыларының беттік қабаттары үлкен болғандықтан, оларға оттек жеңіл сіңіріліп күкіртті қышқылды күкірт қышқылына дейін тотықтырады:

2H₂SO₃ + O₂ = 2H₂SO₄

 

Бұл реакция қоршаған ортадағы басқа да химиялық процестерге қарағанда тез жүреді.Бұл реакцияның жылдамдығы күкірт қышқылын өнеркәсіпте алуға жеткіліксіз болғанымен, күкірт диоксиді көздерінің аймағында қышқылдық жаңбырлардың жауып тұруына жеткілікті. Күкірт диоксидінің күкірт қышқылына айналуы азот оксидтерінің қатысуымен де өткізіледі.

Реакцияға қабілеті жоғары болғандықтан, күкірт диоксидінің атмосферада болу уақыты көп емес–3-тен 7-тәулікке дейін ғана.

 

Күкіртсутек (H₂S)

 

Күкіртсутек магманың газсыздануы (дегазация) кезінде және аз мөлшерде организмдердің тіршілік әрекетінің өнімі ретінде түзіледі. Күкіртсутек өте күшті тотықсыздандырғыш болғандықтан ол тек анаэробты (оттексіз) жағдайда түзіледі. Аэробты организмдердің (оттекпен демалатын организмдер) көпшілігі үшін күкіртсутек уытты болып есептеледі. Күкіртсутектің көп мөлшері шіру процесі кезінде белоктағы (ақуыз) күкірттің тотықсыздануы нәтижесінде бөлінеді. Күкіртсутек, сонымен бірге, сульфатредуциялаушы организмдердің – анаэробты бактериялардың тіршілік әрекеті нәтижесінде түзіледі, бұл бактериялар жер астының гипс (ғаныш) қабатында өмір сүреді және тотықтырғыш ретінде сульфат-ионын пайдаланады:

CaSO₄ + 2C + 2H₂O = Ca(HCO₃)₂ + H₂S↑

Күкіртсутектің атмосферадан кетуі(сток), құрамында күкірт бар басқа газдардың, мысалы, (CH₃)₂S, COS, ауадағы оттекпен уыттылығы едәуір төмен болатын күкірт диоксидіне дейін тотығуынан:

 

2H₂S + 3O₂ = 2H₂O + 2SO₂

 

Тотығу тез жүреді, сондықтан күкірсутектің атмосферада болу уақыты бір тәуліктен аспайды.

 

 

Дәріс»қ10.

Атмосфераға микрокомпонеттердің түсу жолдарының биологиялық көзі

 

.

Атмосфераға бөлшектердің түсуінің геологиялық көздеріне қарағанда биологиялық көздер орман өрттерін санамағанда ірі көздер болып саналмайды. Орман өрттері күйе күйіндегі көміртектің айтарлықтай көзі болып табылады. Сонымен бірге ормандар газдардың атмосферамен алмасуында үлкен рөл атқарады. Атмосфераның негізгі газдары H₂ және CO₂ демалу мен фотосинтез процесіне қатысады. Орман ағаштары мөлшерлері өте аз (следы) органикалық қосылыстарды да бөледі. Мысалы, терпендер, пипен мен лимонен орманға тамаша ароматты иістер береді. Ормандар сонымен қатар органикалық қышқылдар, альдегидтер және басқа органикалық қосылыстардың көзі болып табылады.

Орман ағаштары газдардың күшті көздері болуымен қатар атмосфера газдарының микроорганизмдердің де рөлі өте маңызды.

Метан газы анаэробты жүйелерде жүретін реакциялардың нәтижесінде жиналады. Микроорганизмдердің өмір сүретін ортасы–ылғалды топырақ және саз-балшық, күріш егістері сонымен бірге күйіс қайырушы жануарлардың, мысалы, ірі қара малдың ас қорытатын жолдары. Жер қыртысы азот қосылыстарына бай, олар азот қатысатын химиялық процестерді тудырады. Бұл процестер нәтижесінде құрамында азот бар көптеген газдар жаналады. Жануарлардың зәрінде болатын мочевинаны алсақ (NH₂CONH₂) ол топырақта биологиялық жолмен жиналатын азоттың қосылысы. Гидролиз әсерінен NH₂CONH₂ аммиак пен CO₂ ге ыдырайды:

 

NH₂CONH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂

 

Егер гидролиз жүретін топырақ сілтілік реакция беретін болса, онда газ күйде аммиак (NH₃) бөлінеді, ал қышқылдық ортада аммиак амммоний ионын (NH₄⁺) береді:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

 

Өсімдіктер топырақтағы NH₃ пен NH₄⁺-ті тікелей сіңіреді, ал кейбір микроорганизмдер NH₄⁺ -ті тотықтырып демалу процесінде энергия көзі ретінде пайдаланады. Мүмкін болатын реакциялардың бірі:

 

2NH₃ + O₂ → N₂O + 3 H₂O

 

Бұл азоттың шала тотығының (N₂O) биологиялық көзі, азот шала тотығы тропосфераның маңызды және жеткілікті түрдегі тұрақты газы.

Табиғатта азот қосылыстарының қатысуымен басқа да көптеген реакциялар өтеді, нәтижесінде NH₃, N₂, N₂O және азот оксиді (NO) түзіледі.

Мұхиттардағы микроорганизмдердің тіршілік әрекеті газдардың тағы бір күшті көзі болып табылады. Теңіз сулары еріген сульфаттарға және хлораттарға бай (басқа гологенде фтор(F), бром (Br), иод (I) тұздары аз мөлшерде болады). Бұл элементтерді теңіз микроорганизмдері метобализмдеріне пайдаланып нәтижесінде күкір (S) және гологен құрайтын газдарды (следовые газы) түзеді. Бірақ азоттың мөлшері теңіз суларында аз болатындығы соншама, океандар азот бойынша шөл дала болып саналады. Бұл азот құрайтын микрокомпонентті газдар үшін теңіз сулары жеткілікті көз бола алмайтынын көрсетеді.

Теңіз микроорганизмдері өндіретін органикалық сульфидтер атмосферада күкірттің жиналуына үлкен үлесін қосады. Диметилсульфидтің–ДМС–(CH₃)₂S типтік қосылысы. Бұл ұшқыш қосылыс теңіз фитопланктондармен шаңның жоғарғы қабаттарында бетадиметильсульфопропионаттың (CH₃)₂S⁺CH₂CH₂COO^-) ДМС және акрил қышқылын түзе жүретін гидролизі нәтижесінде түзіледі.

 

CH₃)₂S⁺CH₂CH₂COO^-→ (CH3)₂S + CH₂=CHCOOH

Мұхиттан бөлінетін күкірттің тағы бір маңызды қосылысы карбонилсульфид (COS). Ол көміртек дисульфидімен (CS₂) судың реакциясында түзіледі.

 

CS₂ + H₂O →СOS + H₂S

 

Бұл күкірт құрайтын газдар суда аз ериді, сондықтан олар мұхиттан атмосфераға қарай оңай бөлінеді. Атмосферада органикалық гологентуындылар болатыны жақсы белгілі. Антропогенді (адам әрекеті) көздерден (химиялық тазартуда және өрт сөндіргіште қолданылатын сұйықтықтар, шашырататын аэрозольдар) көптеген басқа да биологиялық көздер бар. Метилхлорид (CH₃CI) атмосферада ең көп тараған гологенкөмірсутек ол нашар зерттелген теңіз көздерден алынады және жердегі микробиологиялық процестерден жанған биомассадан бөлінеді. Құрамында бром және иод бар органикалық қосылыстар тағыда океандардан бөлінеді, ал жердің бетінде теңіз иодының таралуы сүт қоректі жануарлар үшін қажетті элементтің көзі болып табылады. Йод тапшылығынан болатын базед ауруы мұхиттан алыс аймақтарда көп тараған.

Метан (CH₄).

Метанның атмосфераға келетін көзі- әртүрлі бактериялардың тіршілік әрекеті, атмосферадан кетуі(сток) – ауадағы оттекпен тотығуы. Әдетте метан түзуші бактериялар дымқыл анаэробты жағдайда өмір сүреді, мысалы, батпақта және түпкі шөгінділерде. Сонымен қатар, олар шөп қоректі жануарлардың ас қорыту жолдарында да болады. 1850 жылдан бастап метанның атмосферадағы концентрациясы екі есе өсті, қазіргі кездегі концентрациясы 1600 млрд.

Концентрациясының осылай өсуінің себебі туралы біртұтас пікір жоқ. Әртүрлі гипотезалар бар, мысалы, күріш егісінің ауданының көбеюі (егін үнемі суғарылатындықтан метан түзуші бактериялардың тіршілігіне жақсы жағдай туады) және де азот және фосфор қосылыстарымен балшықтардың ластануы. Метан буландырғыш газ (парниковый газ) болғандықтан, оның концентрациясының көбеюі нәтижесінде климаттың глобальды жылынуына өз үлесін қосады.

Метанның атмосферадан кетуінің (сток метана) негізгі себебі оттекпен радикальды тотығуы (баяу реакция). Оның атмосферада болу уақыты – 3,6 жыл.