Kemija atmosfere

Uvod

Bez zraka čovjek može preživjeti samo nekoliko minuta. Zrak nam je važan, jer je kisik glavni oksidans kojega naše stanice, u unutrašnjosti mitohondrija, procesom staničnog disanja upotrebljavaju za pretvorbu kemijske energije sadržane u hrani.

No, u zraku kojega dišemo nema samo kisika i dušika, nego se on sastoji od cijelog niza drugih tvari, uglavnom plinova, ali i aerosola, prašine i dr. Neke od tih tvari mogu i vrlo štetno djelovati na naše zdravlje, tako da je vrlo važno stalno i pouzdano praćenje kemijske kakvoće zraka.

U ovom poglavlju ćemo se upoznati s tim plinovitim omotačem našeg planeta Zemlje.

Zemljina atmosfera

Zemljina je tanak plinski omotač, koji okružuje čvrsti dio našeg planeta.

Slika 1.

Zemljina atmosfera

Fotografija prikazuje odsječak Zemlje fotografiran iz svemira.

Debljina Zemljine atmosfere nije jasno definirana, ali glavni kemijski procesi se odvijaju do visine od oko 100 km od površine. Iznad toga praktički vlada vakuum i počinje međuplanetarni prostor. Atmosfera se sastoji od nekoliko slojeva, a to su:

Troposfera, sloj do visine od 12 km, koji je ključan za održavanje života. U njemu temperatura opada s povećanjem visine.
Stratosfera, sloj koji se prostire od 12 do 50 km. Tu se nalazi ozonski sloj, a temperatura raste s povećanjem visine.
Mezosfera, sloj koji se prostire od 50 do 80 km. U tom sloju izgara većina meteora, a u njemu se događaju i važni procesi kemijskih rekombinacija.
Termosfera je sloj iznad 80 km, a granicom se obično smatra visina od 700 km, no ona nije jasna. Tu je gustoća plina već vrlo mala i u njoj se događaju procesi ključni za zaštitu života od ionizirajućeg zračenja, posljedica čega je npr. polarna svjetlost.

Slojevi Zemljine atmosfere

Fotografija prikazuje presjek različitih slojeva atmosfere. Vidi se polovica koncentričnih krugova koji se šire od Zemlje prema svemiru. Tim redom su imenovane: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, egzosfera. I na kraju, iznad svih tih slojeva je imenovana atmosfera.

Atmosfera se u troposferi sastoji uglavnom od dušika, kisika i argona.

Konkretno, udio dušika (N₂) je 78,084 %, udio kisika je (O₂) je 20,946 %, dok je argon (Ar) zastupljen s 0,934 %. Ostali plinovi su zastupljeni u tragovima, a najvažniji su (izraženo u ppm - dio u milijun dijelova):

ugljikov(IV) oksid (CO₂) 410 ppm
neon (Ne) 1,8 ppm
helij (He) 0,52 ppm
metan (CH₄) 0,18 ppm
kripton (Kr) 0,11 ppm
vodik (H₂) 0,055 ppm

Atmosfera se u troposferi sastoji uglavnom od dušika, kisika i argona

Zanimljivo je primijetiti da je udio vodika, inače najzastupljenijeg elementa u svemiru, u Zemljinoj atmosferi potpuno zanemariv. Uzrok je njegova vrlo mala molekulska masa, zbog čega on vrlo brzo difundira u međuplanetarni prostor.

Proširite vidike

Pozorno pogledajte videozapis Stanjivanje ozonskog sloja i zaključite zašto je stanjivanje ozonskog sloja u stratosferi u posljednjih je dvadesetak godina vrlo ozbiljan problem.

Video 1.

Stanjivanje ozonskog sloja

0

Reakcije u Zemljinoj atmosferi

Onečišćenja atmosfere

Naravno, u uzorcima troposferskog zraka nalazimo također izvjesne količine mnogih drugih kemijskih spojeva. Njihova koncentracija može biti lokalno relativno visoka, a o tome značajno ovisi kakvoća zraka. Mnoge od tih tvari su prirodnog porijekla, ali mnoge od njih potječu od čovjekovog djelovanja i prostorno i sezonski variraju. Osim toga, prisutni su i razni aerosoli te prašina, što može biti mineralnog ili organskog porijekla. Primjeri su vulkanski plinovi, pepeo i prašina, pelud, spore, morska "prašina", mikrometeoriti itd., a od antropogenih možemo izdvojiti industrijske plinove, čestice dima, industrijske mikročestice, smog itd.

Industrijsko onečišćenje atmosfere

Onečišćenje atmosfere

Fotografija prikazuje crtež koji karakterizira industrijsko zagađenje. Vide se pogoni, dimnjaci iz kojih izlaze štetni plinovi i čestice.

Industrijska djelatnost je izvor mnogih onečišćenja atmosfere, a može ih se podijeliti na plinovite produkte i prašinu.

Lebdeće čestice

Fotografija prikazuje crtež majke koja drži dijete. Oboje imaju zaštitnu masku. U oblacima oko njih su zapisane različite vrijednosti onečišćenja zraka.

Dim zapravo čine sitne čestice prašine (eng. Particulate Matter ili skraćeno PM) mikrometarskih dimenzija. Te čestice same po sebi ne moraju biti opasne, ali na njih se mogu vezati (adsosrbirati) mnoga onečišćenja. Ono što ih čini posebno opasnima jest njihova vrlo velika aktivna površina. Drugim riječima, jedna od glavnih karakteristika tih čestica je velik omjer njihove površine i volumena, a što je veća aktivna površina, to će biti veća adsopcijska sposobnost tih čestica. Što su čestice manje, to je taj omjer veći. Dakle, ta sitna prašina može jako koncentrirati opasne tvari na svojoj površini. Osim toga, što su čestice manje, to će lakše prodirati u naše tkivo i u njega dopremati otrovna ili kancerogena onečišćenja.

Kisele kiše

Fotografija prikazuje ilustraciju nastanka kiselih kiša.

Važni sastojci industrijskih plinovitih produkata čine dušikovi i sumporovi oksidi, osobito NO₂ i SO₂. U dodiru s kapljicama vode u oblacima, dolazi do stvaranja sumporove i dušične kiseline:

$3\text{NO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightarrow 2\text{HNO}_3+\text{NO}$

$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2\text{SO}_4$

Koncentracija tih kiselina se povećava u oblacima. Zato, kad padne kiša, vidimo da je pH-vrijednost njenih kapi manji od 7, što je pogubno za šume.

Važni sastojci industrijskih plinovitih produkata čine dušikovi i sumporovi oksidi, osobito NO₂ i SO₂. U dodiru s kapljicama vode u oblacima, dolazi do stvaranja sumporove i dušične kiseline:

$3\text{NO}_2+\text{H}_2\text{O}\rightarrow 2\text{HNO}_3+\text{NO}$

$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2\text{SO}_4$

Koncentracija tih kiselina se povećava u oblacima. Zato, kad padne kiša, vidimo da je pH-vrijednost njenih kapi manji od 7, što je pogubno za šume.

Dušikovi oksidi

Fotografija prikazuje crtež automobila iza kojeg ostaje veliki crni oblak u kojem piše: NOX.

Različiti dušikovi oksidi opće formule NOx su vrlo zastupljeni u industrijskom onečišćenju i ispušnim plinovima motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Smeđkasta boja atmosfere iznad gradova velikim dijelom potječe upravo od njih. Oni su sami po sebi otrovni, ali su i vrlo reaktivni i podložni različitim fotokemijskim reakcijama koje uključuju slobodne radikale. Zato u gradovima tijekom sunčanih dana može doći do povećanja koncentracije ozona (O₃), koji je vrlo jak oksidans i, prema tome, vrlo otrovan za živa bića.

Ugljikov dioksid

Fotografija prikazuje dimnjake industrijskog postrojenja iz kojih izlazi gusti, tamnosivi dim.

No, najzastupljeniji je ugljikov dioksid, koji se u atmosferu izbacuje u ogromnim količinama i njegove su emisije "zaštitni znak" industrijske revolucije. On stvara značajne probleme, koje ćemo obraditi kasnije.

Analiza onečišćenja

Slika 2.

Analiza onečišćenja

Fotografija prikazuje oblak na plavom nebu, povećalo unutar čijeg se stakla vidi veliki crveni upitnik.

Svrha bilo koje kemijske analize je utvrđivanje vrste tvari koje su zastupljene u nekom uzorku (kvalitativna analiza) i količine, tj. koncentracije pojedine određene tvari (kvantitativna analiza). Tako se i analizom plinovitih produkata industrijske djelatnosti utvrđuju prisustva onečišćujućih tvari, među kojima su osobito važne otrovne i kancerogene tvari te one koje značajno utječu na kvalitetu okoliša.

Mjerenje kvalitete zraka obično se provodi pomoću automatskih mjernih uređaja za mjerenje koncentracije pojedine onečišćujuće tvari, a najčešće se prate sljedeće onečišćujuće tvari: sumporov dioksid - SO₂, dušikovi oksidi - NO, NO₂, ugljikov monoksid - CO, ozon - O₃, benzen - C₆H₆, sumporovodik - H₂S, amonijak - NH₃ te lebdeće čestice PM₁₀ i PM_2.5. Metode uzorkovanja su detaljno propisane, a analitika uključuje različite spektroskopske metode, mjerenje raspršenja svjetlosti itd.

Slika 3.

Automatska postaja za mjerenje kakvoće zraka.

Fotografija prikazuje automatsku mjernu postaju za mjerenje kakvoće zraka.

Riješeni problem 1 - mjerenje koncentracije troposferskog ozona

Zadatak:

Senzor koji se primijenjuje za mjerenje koncentracije troposferskog ozona kao aktivni element koristi materijal, kojemu se mijenja električki otpor u ovisnosti o koncentraciji ozona. Priložena tablica donosi kalibracijska mjerenja:

1. tablica. Kalibracijska mjerenja

c(O₃) / ppm	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
R / kΩ	53	120	162	235	280

Kolika je koncentracija ozona u uzorku zraka ako je otpor senzora 186 kΩ?

Rješenje:

Tablične podatke prikazujemo grafički te ih usklađujemo s pravcem R = ac(O₃):

Gtafički prikaz

Fotografija prikazuje graf o koncentraciji ozona u uzorku zraka.

Jednadžba kalibracijskog pravca je:

R = 567,09 kΩ ppm^-1·c(O₃)

Uvrštavanjem izmjerenog otpora senzora dobivamo koncentraciju ozona u uzorku zraka:

c(O₃) = 0,33 ppm

Efekt staklenika i klimatske promjene

1. pokus

Fotografija prikazuje ukapavanje prozirne tekućine u epruvetu kapaljkom.

Model efekta staklenika

Pročitaj

Jeste li ikad primijetili da su zimske noći znatno toplije kad je oblačno u odnosu na one kad je vedro?

Naime, voda ima sposobnost upijanja znatne količine toplinske energije, a postoji još čitav niz plinova koji imaju isto to svojstvo. Prema analogiji sa staklenicima, dakle vrtovima prekrivenima prozirnom polietilenskom folijom zbog zadržavanja topline unutar njih, ta pojava je nazvana efektom staklenika.

O čemu se zapravo radi? Pogledajmo sljedeću sliku:

Slika 4.

Zračenje Sunca i Zemljina atmosfera.

Fotografija prikazuje shemu efekta staklenika.

Tijekom dana Sunce obasjava Zemlju. Dio upadnog Sunčevog zračenja upija ili reflektira atmosfera, a preostali dio dopire do površine Zemlje. Tada površina Zemlje (tlo i mora) upija većinu energije koja dopire do nje i zagrijava se, a tek se mali dio zračenja reflektira. Ukupno, atmosfera i Zemljina površina upijaju oko 70 % zračenja koje stiže do Zemlje, dok se oko 30 % reflektira natrag u svemir i ne zagrijava površinu Zemlje. Zagrijana površina Zemlje sad emitira toplinsko zračenje. Dio tog dugovalnog zračenja upijaju staklenički plinovi, koji zatim emitiraju energiju u svim smjerovima, uključujući i prema dolje, te na taj način zadržavaju toplinu u atmosferi. To je, u osnovnim crtama, efekt staklenika.

Sad je vrijeme da se prisjetite poglavlja o infracrvenoj spektroskopiji. Naime, frekvencije vibracija veza unutar molekula odgovaraju frekvencijama elektromagnetskog zračenja u infracrvenom dijelu spektra. Zato molekule upijaju odgovarajuća područja infracrvenog spektra (toplinskog zračenja), što rezultira karakterističnim spektrima, koji su znanstvenicima izuzetno koristan izvor informacija o detaljima mikroskopske građe tvari. No, neke molekule izrazito jako upijaju infracrveno zračenje, i to kroz široki raspon frekvencija. Takve molekule mogu akumulirati znatne količine topline. Ako su u plinovitom stanju i zbog različitih razloga se u većoj količini nalaze u atmosferi, nazivamo ih stakleničkim plinovima.

Nisu svi staklenički plinovi jednako efikasni, a njihova efikasnost se izražava kao staklenički potencijal plinova (GHP, prema eng. greenhouse potential). Iako najpoznatiji, ugljikov dioksid nije i najjači staklenički plin. Ima i znatno gorih od njega. Dogovorno, njegov GHP = 1, a sljedeća tablica daje vrijednosti GHP za nekoliko najvažnijih stakleničkih plinova:

2. tablica. Doprinosi glavnih stakleničkih plinova efektu staklenika.

plin	formula	GHP	doprinos efektu staklenika
ugljikov dioksid	CO₂	1	9 – 26%
metan	CH₄	86	4 – 9%
voda	H₂O	nepoznat	36 – 72%
dušikov oksid	N₂O	268	1%
freoni	C_nH_xCl_yF_z	5000	< 1%

U tablici vidimo da voda dominantno doprinosi efektu staklenika, ali njen GHP nije poznat. To je zato što je njena koncentracija nestalna i ovisi o mnoštvu faktora. Ona se i ne zadržava dugo u atmosferi, ali igra ključnu ulogu u našoj klimi te u njenoj varijabilnosti i promjenama.

Iako u zadnje vrijeme ozloglašen, efekt staklenika sam po sebi nije loš. Naime, bez prirodnog efekta staklenika, prosječna temperatura na površini Zemlje iznosila bi negostoljubivih -18 °C umjesto 14 °C, koliko imamo danas. To bi značilo da bi bez efekta staklenika sva voda bila u obliku leda i ne bi mogla podržavati život. No, ključna je činjenica aktualnih klimatskih promjena da je opaženi porast globalne prosječne temperature u direktnoj vezi s povećanim koncentracijama stakleničkih plinova u atmosferi do kojih dolazi uslijed emisija uzrokovanih ljudskim djelovanjem kao što je izgaranje fosilnih goriva.

Slika 5.

Globalno zatopljenje - porast srednje globalne temperature uzrokovan povećanjem koncentracije stakleničkih plinova u Zemljinoj atmosferi.

Fotografija prikazuje graf o globalnom zatopljenju u razdoblju od 1880. do 2020.

Trenutna (23. veljače 2020.) je koncentracija ugljikovog dioksida u atmosferi 414,13 ppm, a na isti datum 2019. je iznosila 410,81 ppm. Potražite na mrežnim stranicama kolika je njegova koncentracija u trenutku čitanja ovog članka. Ako je niža od toga, onda smo na dobrom putu ublažavanja klimatskih promjena. Ako je viša, onda je vrijeme da razmislite o akciji koju svatko od nas može poduzeti.