《大气环境化学》思考题与习题参考答案doc.docx

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《大气环境化学》思考题与习题参考答案doc

《大气环境化学》重点习题及参考答案

1.大气中有哪些重要污染物？

说明其主要来源和消除途径。

环境中的大气污染物种类很多，若按物理状态可分为气态污染物和颗粒物两大类；若按形成过程则可分为一次污染物和二次污染物。

按照化学组成还可以分为含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物和含卤素化合物。

主要按照化学组成讨论大气中的气态污染物主要来源和消除途径如下：

（1）含硫化合物

大气中的含硫化合物主要包括：

氧硫化碳（COS）、二硫化碳（CS2）、二甲基硫（CH3）2S、硫化氢（H2S）>二氧化硫（S02）、三氧化硫（S03）、硫酸（H2SO4）、亚硫酸盐（MS03）和硫酸盐（MSO4）等。

大气中的SO2（就大城市及其周围地区来说）主要来源于含硫燃料的燃烧。

大气中的SO2约有50%会转化形成H2SO4或SO42-,另外50%可以通过干、湿沉降从大气中消除。

H2S主要来自动植物机体的腐烂，即主要由植物机体中的硫峻盐经微生物的厌氧活动还原产生。

大气中H2S主要的去除反应为：

HO+H2S->H2O+SHo

（2）含氮化合物

大气中存在的含量比较高的氮的氧化物主要包括氧化亚氮（N2。

）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）o主要讨论一•氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）,用通式NO、表示。

NO和NO2是大气中主要的含氮污染物，它们的人为来源主要是燃料的燃烧。

大气中的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

大气中含碳化合物主要包括：

一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）以及有机的碳氢化合物（HC）和含氧炷类，如醛、酮、峻等。

CO的天然来源主要包括甲烷的转化、海水中CO的挥发、植物的排放以及森林火灾和农业废弃物焚烧，其中以甲烷的转化最为重要。

CO的人为来源主要是在燃料不完全燃烧时产生的。

大气中的CO可由以下两种途径去除：

土壤吸收（土壤中生活的细菌能将CO代谢为CO2和CH4）；与HO自由基反应被氧化为CO2。

CO2的人为来源主要是来自于矿物燃料的燃烧过程。

天然来源主要包括海洋脱气、甲烷转化、动植物呼吸和腐败作用以及燃烧作用等。

甲烷既可以由天然源产生，也可以由人为源产生。

除了燃烧过程和原油以及天然气的泄漏之外，产生甲烷的机制都是厌氧细菌的发酵过程。

反刍动物以及蚂蚁等的呼吸过程也可产生甲烷。

甲烷在大气中主要是通过与HO自由基反应被消除：

CH4+HO^CH3+H2Oo

（4）含卤素化合物

大气中的含卤素化合物主要是指有机的卤代炷和无机的氯化物和氟化物。

大气中常见的卤代炷以甲烷的衍生物，如甲基氯（CH3C1）＞甲基漠（CH’Br）和甲基碘（CFM）。

它们主要由天然过程产生，主要来自于海洋。

CH3CI和CH3Br在对•流层大气中，可以和HO自由基反应。

而CH3I在对流层大气中，主要是在太阳光作用下发生光解，产生原子碘（Do许多卤代炷是重要的化学溶剂，也是有机合成工业的重要原料和中间体，如三氯甲烷（CHCh）、三氯乙烷（CH3CCI3）、四氯化碳（CC14）和氯乙烯（C2H3CI）等均可通过生产和使用过程挥发进入大气，成为大气中常见的污染物。

它们主要是来自于人为源。

在对流层中，三氯甲烷和氯乙烯等可通过与HO自由基反应，转化为HC1,然后经降水而被去除。

氟氯炷类中较受关注的是一氟三氯甲烷（CFC—11或F—11）和二氟二氯甲烷（CFC—12或F—12）。

它们可以用做致冷剂、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。

大气中的氟氯炷类主要是通过它们的生产和使用过程进入大气的。

由人类活动排放到对流层大气中的氟氯炷类化合物，不易在对流层被去除，它们在对流层的停留时间较长，最可能的消除途径就是扩散进入平流层。

2.大气中有哪些重要的自由基？

其来源如何？

大气中存在的重要自由基有HO、HO?

、R（烷基）、RO（烷氧基）和RO2（过氧烷基）等。

它们的来源如下：

（1）HO来源

对于清洁大气而言，。

3的光离解是大气中HO的重要来源：

O+H2O^2HO

对于污染大气，如有HNO2和H2O2存在，它们的光离解也可产生HO：

HNO2+hv—HO*NO

HQ+hi2H0

其中HNO2的光离解是大气中HO的重要来源。

（2）HO2的来源

大气中HO?

主要来源于醛的光解，尤其是甲醛的光解：

H2CO+hv^H+HCO

H+O2+M-^HO2+M

HCO+—HO2+CO

任何光解过程只要有H或HCO自由基生成，它们都可与空气中的。

2结合而导致生成HO2o亚硝酸酯和H2O2的光解也可导致生成HO2：

CH.ONO+如—CH3O+NO

CH.O+O.tHO.+H,CO

H0+如->2HO

HO+H0~^HO2+H2O

如体系中有CO存在：

HO+COTCO2+H

H+0】->HO2

（3）R的来源

大气中存在量最多的烷基是甲基，它的主要来源是乙醛和丙酮的光解：

CHyCHO+如—皿+HCO

CH3COCH3+如->CHy+CH3CO

这两个反应除生成CH3外，还生成两个洗基自由基HCO和CH3COo

O和HO与炷类发生H摘除反应时也可生成烷基H由基：

RH+0tR+HO

RH+HOTR+H&

（4）RO的来源

大气中甲氧基主要来源于甲基亚硝酸酯和甲基硝酸酯的光解:

CH.ONO+加TCH3O+NO

CH.ONO.+如一>CH.O+NO.

（5）RO2的来源

大气中的过氧烷基都是由烷基与空气中的。

2结合而形成的:

R+0、—>R0）

3.大气中有哪些重要的碳氢化合物？

它们可发生哪些重要

的光化学反应?

甲烷、石油炷、糖类和芳香炷等都是大气中重要的碳氢化合物。

它们可参与许多光化学反应过程。

（1）烷炷的反应：

与H0、0发生H摘除反应，生成R氧化成RO?

与N0反应

RH+OH->R+H2O

RH+O一R+HO

R+O2—R02

RO2+NO-RO+NO2

（2）烯炷的反应：

与OH主要发生加成、脱氢或形成二元自由基

加成：

RCH=CH2+0H一RCH（OH）CH2

RCH（OH）CH2+O2fRCH（OH）CH2O2

RCH（OH）CH2O2+NO一RCH（OH）CH2O+no2

脱氢：

RCH=CH2+HOfrchch2+h2o

生成二元自由基：

二元自由基能量很高，可进一步分解为两个自由基以及一些稳定产物。

另外,它河氧化NO和SO2等：

RRCOO+NO->RRCO+NO?

RiR2COO+SO2-R1R2CO+SO4（3）环炷的氧化：

以环己烷为例

+H0a+H20

+。

2

—

+NO►+N02

（4）芳香炷的氧化

（a）单环芳炷：

主要是与HO发生加成反应和氢原子摘除反应。

生成的自由基可与NCh反应，生成硝基甲苯:

加成反应生成的自由基也可与O2作用，经氢原子摘除反应，生成HO2和甲

酚:

生成过氧Fl由基:

（b）多环芳炷：

惠:

的氧化可转变为相应的岷

它可转变为相应的岷:

（5）醍、醇、酮、醛的反应

它们在大气中的反应主要是与HO发生氢原子摘除反应:

CH3OCH3+HO一CH3OCH2+H20

CH3CH2OH+HO一CH3CHOH+H2O

CH3COCH3+HO一CH3COCH2+H2O

CH3CHO+HO—CH3CO+H2O

上述四种反应所生成的自由基在有O2存在下均可生成过氧自由基，与ro2有相类似的氧化作用。

4.说明炷类在光化学烟雾形成过程中的重要作用。

光化学烟雾形成过程是由多种自由基参与的一系列反应，NO2和醛的光解可引发0、H自由基的产生，而炷类RH的存在又是自由基转化和增殖为数量大，种类多的根本原因。

炷类在光化学烟雾形成过程中占有很重要的地位。

RH+O一R+HO

RH+H0一R+H2O

H+O2一H02

R+O2~►RC）2

RCO+O2一RC（O）OO

其中R为烷基、RO2为过氧烷基，RCO为酰基、RC（O）OO[RC（O）O2]为过氧酰基。

通过如上途径生成的HO2>R02和RC（O）O2均可将NO氧化成N020

5.确定酸雨pH界限的依据是什么？

pH为5.6作为判断酸雨的界限。

依据以下过程得出：

在未污染大气中，可溶于水且含量比较大的酸性气体是C02,所以只把CO2作为影响天然降水pH的因素，根据C02的全球大气浓度330ml/n?

与纯水的平衡：

Kh

C02（g）+H20、Jco2+h2o

Ki-+

C02+H20-H+HCO3

HCO；-原」h一+COf

根据电中性原理：

[lf]=[OH-]+[HCO3]+2[CO32],将用Kh、KrK2>[H*]表达的式子代入，得：

+3+

[H]-（Kw+KHK1PCO2）[H]-2KHK1K2pCO2=0

在一定温度下，Kw、％、KP电、pg都有固定值，将这些已知数值带入

上式，计算结果是pH=5.6o

6.什么是大气颗粒物的三模态？

如何识别各种粒子模?

Whitby等人依据大气颗粒物表面积与粒径分布的关系得到了三种不同类型的粒度模。

按这个模型，可把大气颗粒物表示成三种模结构，即爱根（Aitken）核模（DpV0.05（im）、积聚模（0.05|im2pm）。

（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。

由于它们的粒径小、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而去除。