Поведение химических веществ в окружающей среде

ФЕДЕРЕЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОУ  ВПО «Самарский государственный  технический университет»

__________________________________________________________________

К а ф е  д р а  Химическая технология и промышленная экология

2012/2013  учебный год

 

курсовая  работа

 

Поведение химических веществ в окружающей среде

Сера Бутен

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент III-НТФ-11

Проверил:

 доцент

Смирнов Б. Ю.

 

 

 

 

 

Самара 2012

Министерство образования  и науки РФ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Химическая  технология и промышленная экология»

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Химия окружающей среды» студенту III курса 11 группы нефтетехнологического факультета

ТЕМА: «Поведение химических веществ в  окружающей среде.

Бутены, сера»

ЛИТЕРАТУРА

Поведение химических веществ  в окружающей среде: Метод, указ. к  курс, работе / Самар, гос. техн. ун-т; Сост. Б.Ю.Смирнов. Самара, 2006.11 с.

СРОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 26 декабря 2012 года.

КОНСУЛЬТАНТ-доцент Б.Ю.Смирнов

б сентября 2012 года

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

	Введение	3
Глава 1.	Сера.	4
1.1	Физико-химические свойства серы	4
1.2	Источники серы	6
1.3	Превращения серы	9
Глава 2.	Бутен.	17
2.1	Физико-химические свойства бутена	17
2.2	Источники бутена	18
2.3	Превращения бутена	19
	Заключение	20
	Список литературы	21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Человек всегда использовал окружающую среду в  основном  как  источник

ресурсов, однако, в течение длительного времени его деятельность  не оказывала заметного влияния на биосферу.  Лишь  в  конце  прошлого  столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на  себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали  и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую  цивилизацию.  Стремясь к  улучшению  условий  своей  жизни,  человек  постоянно  наращивает   темпы материального производства,  не  задумываясь  о  последствиях.  При   таком подходе большая часть взятых от природы  ресурсов  возвращается  ей  в  виде

отходов, часто  ядовитых или непригодных для  утилизации. Это  создает  угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

В своей работе я исследовал химические вещества: серу и бутен.  Изучал их воздействия на окружающую среду и живые организмы. А так же рассмотрел источники этих веществ и их поведение в различных частях биосферы.                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Сера

1. Физико-химические свойства серы

Сера (S) – химический элемент 6 группы периодической системы.  В обычных условиях сера S - желтые хрупкие кристаллы без вкуса и запаха.   Температура плавления ромбической a-серы 112,8.°С, а моноклинной b-серы 119,3°С. И в том, и в другом случае образуется легкоподвижная желтая жидкость, которая при температуре около 160°С темнеет; ее вязкость повышается, и при температуре выше 200°С расплавленная сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется тем, что сначала в расплаве разрушаются кольцевые молекулы S₈. Возникающие фрагменты объединяются друг с другом с образованием длинных цепей S из нескольких сотен тысяч атомов. Дальнейшее нагревание расплавленной серы (выше температуры 250°C) ведет к частичному разрыву цепей, и жидкость снова становится подвижной. Относится к 4 классу опасности.

Физические свойства.     Таблица 1.

Характеристика	Сера
Молекулярная масса  (в а.е.м.)	32,066
Температура плавления, кипения (в 0С)	119,3;   444,674
Критическая температура (в 0С)	1040
Плотность (г/см3)	2,07 (ромб) ; 1,96 (мон)

 

Химические  свойства.

В воде сера практически нерастворима. Некоторые ее модификации растворяются в органических жидкостях (толуоле, бензоле) и особенно хорошо — в  сероуглероде CS₂ и жидком аммиаке NH₃.

 Сера — достаточно активный  неметалл. Даже при умеренном  нагревании она окисляет многие  простые вещества, но и сама  довольно легко окисляется кислородом  и галогенами.

 S + O₂ = SO₂; S + 3F₂ = SF₆,

2S + Cl₂ = S₂Cl₂ (c примесью SCl₂)

 С водородом при нагревании  сера образует сероводород H₂S и в небольшом количестве сульфаны (соединения состава H₂Sn):

H₂ + S ↔ H₂S.

 Примеры реакций серы с  металлами: 

 2Na + S = Na₂S, Ca + S = CaS, Fe + S = FeS

 Образующиеся в этих реакциях сульфиды характеризуются не постоянным, а, как правило, переменным составом. Так, состав сульфида кальция может непрерывно изменяться в границах от CaS до CaS₅. Полисульфиды типа СаSn или Na₂Sn при взаимодействии, например, с соляной кислотой образуют сульфаны H₂Sn, причем значение n может составлять от 1 до приблизительно 10.

 Концентрированная серная кислота  при нагревании окисляет серу  до SO₂:

S + 2H₂SO₄ = 2H₂O + 3SO₂.

 Царская водка, смесь азотной и соляной кислот, окисляет серу до серной кислоты.

 Разбавленная азотная кислота,  соляная кислота без окислителей  и серная кислота на холоде  с серой во взаимодействие  не вступают. При нагревании в  кипящей воде или растворах  щелочей сера диспропорционирует:

 3S + 6NaOH ↔  2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O;

 Сера может присоединяться к сульфидам

Na₂S + (n–1)S = Na₂S_n

 и к сульфитам:

Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃

 В результате протекания данной реакции из сульфита натрия Na₂SO₃ образуется тиосульфат натрия Na₂S₂O₃.

 При нагревании сера реагирует  почти со всеми элементами, кроме  инертных газов, иода, азота, платины  и золота.

 Известно несколько оксидов  серы. Кроме устойчивых диоксида  серы SO₂ получены неустойчивые оксиды S₂O (при пропускании тока SO₂ через тлеющий разряд) и S₈O (при взаимодействии H₂S с SOCl₂). Пироксиды SO₄ и S₂O₇ образуются при пропускании SO₂ в смеси с кислородом через тлеющий разряд или за счет окисления SO₂ озоном.

 Кислотному диоксиду серы SO₂ соответствует неустойчивая кислота средней силы H₂SO₃ (сернистая кислота):

 Н₂О + SO₂ ↔ H₂SO₃,

 а кислотному триоксиду серы SO₃ — сильная двухосновная серная кислота H₂SO₄:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

 И сернистой кислоте H₂SO₃, и серной H₂SO₄ соответствуют по два ряда солей: кислые соответственно гидросульфиты NaHSO₃, Ca(HSO₃)₂ и гидросульфаты КНSO₄, NaНSO₄ ,средние сульфиты Na₂SO₃, K₂SO₃ и сульфаты CaSO₄, Fe₂ (SO₄)₃.

1.2 Источники серы

В вулканических местностях часто  наблюдается выделение из-под  земли газа сероводорода H₂S; в этих же регионах сероводород встречается в растворенном виде в серных водах. Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO₂.

 На поверхности нашей планеты  широко распространены месторождения  различных сульфидных соединений. Наиболее часто среди них встречаются:  железный колчедан (пирит) FeS₂, медный колчедан (халькопирит) CuFeS₂, свинцовый блеск PbS, киноварь HgS, сфалерит ZnS и его кристаллическая модификация вюртцит, антимонит Sb₂S₃ и другие. Известны также многочисленные месторождения различных сульфатов, например, сульфата кальция (гипс CaSO₄·2H₂O и ангидрит CaSO₄), сульфата магния MgSO₄ (горькая соль), сульфата бария BaSO₄ (барит), сульфата стронция SrSO₄ (целестин), сульфата натрия Na₂SO₄·10H2O (мирабилит) и др.

 Каменные угли содержат в  среднем 1,0-1,5% серы. Сера может  входить и в состав нефти.  Целый ряд месторождений природного горючего газа содержат как примесь сероводород.

Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу

естественным  путем,  а  частично  антропогенным.  Поверхность  суши,  как  и поверхность  океанов и морей, играет  роль  естественного  источника. 

Существуют  два основных источника естественной эмиссии серы.

  1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы  разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся  в них сера  образует газообразные соединения.  Вместе  с тем определенные  анаэробные  бактерии извлекают из сульфатов,  растворенных  в естественных  водах,  кислород,  в результате чего образуются сернистые газообразные соединения.       Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород,  а затем с развитием измерительных приборов  и способов  отбора  проб  воздуха удалось выделить ряд органических  газообразных  соединений  серы.  Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов  и  отливов  у береговой линии морей, устья  рек  и  некоторые  почвы,  содержащие  большое количество органических веществ.

      Поверхность  моря  также   может  содержать   значительные   количества

сероводорода. В  его  возникновении  принимают  участие  морские  водоросли.

Можно предположить, что выделение серы биологическим  путем не превышает  30- 40 млн. т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

  2. Вулканическая деятельность.  При извержении  вулкана в атмосферу

наряду с  большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты  и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой  - тропосферу,  а  при  отдельных,   большой   силы   извержениях   наблюдается увеличение концентрации  соединений  серы  и  в  более  высоких  слоях  -  в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем  попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений.  Для  тропосферы  это  количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы  же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

      В результате деятельности человека  в атмосферу  попадают  значительные количества соединений серы,  главным  образом  в  виде  ее  двуокиси.  Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в  зданиях и на электростанциях, который дает 70%  антропогенных  выбросов.  Содержание серы (несколько процентов)  в  угле  достаточно  велико  (особенно  в  буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ,  а  часть  серы остается в золе в твердом состоянии.       Содержание  серы  в неочищенной нефти также достаточно  велико   в зависимости  от  места  происхождения  (0,  1-2%).  При  сгорании   нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше,  чем  при  сгорании угля.

      Источниками образования  двуокиси  серы  могут  быть  также   отдельные

отрасли  промышленности,   главным   образом   металлургия,   а   также предприятия  по  производству  серной  кислоты  и  переработке   нефти.   На транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно,  там  в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

      Таким образом, ежегодно в результате  деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн. т. серы в виде двуокиси серы.  Сравнение естественных  и антропогенных выбросов соединений серы показывает,  что  человек  загрязняет атмосферу газообразными  соединениями  серы  в  2-3  раза  больше,  чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в  районах  с развитой  промышленностью,  где антропогенные  выбросы  в   несколько   раз превышают естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.

      Примерно половина выбросов, связанных  с деятельностью человека  (30-40 млн. тон), приходится на Европу.

 

 

Рисунок 1.

1.3 Превращения серы

Превращение серы из океанов. Происходит двумя различными способами. Основной процесс превращения серы биологическим восстановлением сульфат к сульфиду, процесс, известный как процесс окисления сероводорода и серы, по Виноградскому. Действительно, сульфатное восстановление является самым важным путем для минерализации морского осадочного органического вещества. Во время восстановления сульфата, сера сульфата преобразуется в сульфид:

В случае недостатка сероводорода в  воде бактерии окисляют находящуюся  в их клетках серу до серной кислоты, которая образует с углекислой известью окружающей воды гипс. Схематически процессы, происходящие при этом, можно представить  в виде следующих формул:

В этом процессе окисления сероводорода и серы, по Виноградскому, можно видеть процесс, аналогичный окислению  углеводов в клетках других организмов, и, следовательно, процесс, который служит источником необходимой для жизненных явлений энергии.

В результате тектонических процессов, сера может быть отложена как пирит или эвапоритовые минералы. Эти минералы остаются по существу стабильными после отложения сохраняются в осадочных слоях,  и эти резервуары составляют основную часть в круговороте серы. В конечном счете, тектоническое движение может поднять осадочные отложения, которые затем подвергаются атмосферному воздействию в земной среде.

При выветривании слоев, сульфатных минералов, эвапоритов происходит растворение, сульфата в воде. Сульфат в морских карбонатных породах также высвобождается в воду, как известняк. В отличие от этого, пирит практически не растворяется, но неустойчив в присутствии кислорода. При выветривании, он реагирует, чтобы потреблять кислород и производить сульфат:

Эта реакция является важным стоком атмосферного кислорода. Наряду с окислением органического вещества отложений в процессе выветривания, она контролирует содержание кислорода в атмосфере.

Если соединения серы находятся  в атмосфере в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

В атмосфере  рассмотрим в первую очередь наиболее значительное вещество ¾  двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной. Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

Рисунок 2. Глобальный серный цикл.

В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная молекула  двуокиси + молекулярный кислород 

свободный радикал)

(свободный радикал + молекулярный  кислород 

триоксид серы + озон)

Образовавшаяся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной  водой, очень  быстро превращается в  серную кислоту, поэтому при обычных  атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде  двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также  с образованием триокиси серы:

(двуокись серы + атомарный  кислород 

триокись серы)

Эта реакция протекает  в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием  света выделяет атомарный кислород.

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы  превращения двуокиси серы в атмосфере  не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают  главным образом при участии  свободных радикалов. Свободные  радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционной способностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал  гидроксила 

свободный радикал)

(свободный радикал + радикал  гидроксила 

серная кислота)

В результате реакции образуются  молекулы серной кислоты, которые в  воздухе или на поверхности аэрозольных  частиц быстро конденсируются.

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной  среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая  происходит не в газовой фазе, а  в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере  можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые, в конечном счете, окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации.

Значение  аэрозолей в регулировании климата  можно разделить на два типа: прямое и косвенное. При прямом влиянии частицы поглощают и рассеивают обратно в космос энергию, поступающую от солнца. Это приводит к охлаждению атмосферы, поскольку солнечное излучение, которое при отсутствии аэрозолей нагрело бы воздух, теперь частично поглощается частицами или отражается вверх от атмосферы.

Величину  этого воздействия оценить трудно, поскольку оно зависит не только от общей массы аэрозолей, заполняющих  атмосферу, но также от химического  состава и распределения частиц по размерам. Однако эффект может оказаться  существенным, если принять во внимание изменения климата, вызванные потреблением ископаемых топлив человеком.

Во-первых, прямое влияние аэрозолей на усиление радиации в целом меньше, чем от парниковых газов, но ни в коем случае не несущественно. Во-вторых, знак их вклада противоположен действию парниковых газов, и таким образом, влияние от увеличения количества аэрозолей заключается в снижении до некоторой степени эффекта потепления от СО₂ и ему подобных газов. В-третьих, пространственное распределение радиации, связанной с антропогенными аэрозолями, очень неоднородно по сравнению с таковым парниковых газов. Причиной этого последнего явления служат очень разные времена пребывания в атмосфере (обычно несколько дней) SO^2-₄ и других частиц по сравнению с главными парниковыми газами, которые остаются в атмосфере в течение периодов времени, измеряемых годами.

Перейдем теперь к косвенному влиянию аэрозолей на климат, которое заключается в том, что частицы ведут себя как ядра, на которых образуются капельки облаков. В областях, удаленных от суши, числовая плотность частиц SO^2-₄ является важным определяющим фактором объема и типа облаков. В отличие от этого, над сушей в общем присутствует множество частиц пересваемой почвенной пыли, на которых могут образовываться облака, и эффект от остальных источников снижается, поскольку облака отражают солнечную радиацию обратно в космос и их потенциальная связь с климатом ясна. Влияние аэрозолей, вероятно, ощущается больше всего над океанами вдали от суши и в покрытых снегом областях Антарктиды, поскольку здесь влияние частиц почвенного происхождения самое слабое. В таких областях основным источником аэрозолей служит механизм образования частиц SO^2-₄ из ДМС (рис 3). Таким образом, морской фитопланктон служит не только основным источником кислотности, но также создает основной источник ядер конденсации облаков (ЯКО) и поэтому играет важную роль в управлении облачностью и, следовательно, климатом.

Рисунок 3. Диметилсульфид – климатический цикл

Концепция, проиллюстрированная на рис. 3, была предложена несколько лет назад, и одна из групп исследователей, предложивших ее, пошла дальше и предположила, что планктон на самом деле играет роль в регулировании климата, а не в воздействии на него. Идея заключается в том, что если произошли изменения в температуре атмосферы (например, вследствие изменения в уровнях СO₂ или получаемой солнечной радиации), то продуцирующий ДМС фитопланктон может откликнуться таким образом, чтобы уменьшить это изменение. Например, если температура воздуха возросла, то произошедшее в результате потепление поверхностных вод приведет к увеличению продукции ДМС фитопланктоном. В свою очередь, это увеличит поток ДМС через поверхность моря, и возрастет количество ЯКО в атмосфере. В результате повышенная облачность будет способствовать охлаждению атмосферы, таким образом, противодействуя потеплению, которое инициировало цикл. Процесс будет работать противоположно начальному охлаждению. Если это справедливо, из такой петли обратной связи вытекает, что морской фитопланктон способен до некоторой степени регулировать, по меньшей мере, температуру атмосферы, и таким образом, климат Земли.

Идея  была проверена исследованием кернов льда из Антарктиды на содержание в них продуктов атмосферного окисления ДМС (МСК и нмс- SO^2-₄ ) в течение последнего цикла оледенения.  Результаты, показанные на рис. 4, ясно говорят о том, что и МСК и нмс- SO^2-₄ ^- Присутствовали в более высоких концентрациях в течение последнего оледенения, чем после отступания ледников около 13 000 лет назад. Это противоположно тому, что ожидалось, если бы продукция ДМС планктоном снижала любые температурные изменения. Несмотря на то, что эти результаты не подтверждают идею о регулировании климата планктоном, в настоящее время широко принято, что без ЯКО, образующихся из ДМС, облачность и, следовательно, климат большей части земного шара, были бы существенно иными как теперь, так и в прошлом.

Рисунок 4. Летопись концентрации МСК

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Бутен

2.1 Физико-химические свойства бутена

Бутен (бутилен) C₄H₈ — непредельный углеводород, алкен. Ациклический непредельный углеводород. Класс опасности — четвертый. Бутен — бесцветный газ с характерным неприятным запахом, температура кипения −6.25 °C, смеси бутена с воздухом взрывоопасны.

Находит применение, как сырье для получения метилэтилкстона, являющегося ценным растворителем; используется для получения высокооктанового моторного топлива.    
Физические свойства.                                    Таблица 2.

Характеристика	Бутен
Молекулярная масса  (в а.е.м.)	56,11
Температура плавления, кипения (в 0С)	-185,5;   -6,25
Критическая температура (в 0С)	146,4
Плотность (г/см3)	0,5951

 

Химические  свойства.

Бутены очень  плохо растворимы в воде, хорошо - в спирте и эфире. Присоединяют по двойной связи Н₂, галогены, галогеноводороды. Алкены легко вступают в реакции окисления, гидрируются сильными восстановителями или водородом под действием катализаторов до алканов, а также способны к аллильному радикальному замещению.

Реакция присоединения  воды к алкенам протекает в  присутствии серной кислоты

Гидрирование  алкенов непосредственно водородом  происходит только в присутствии  катализатора. Гетерогенными катализаторами гидрирования служат платина, палладий, никель.

Окисление алкенов  может происходить в зависимости  от условий и видов окислительных  реагентов, как с разрывом двойной  связи, так и с сохранением  углеродного скелета.

В мягких условиях возможно окисление посредством  присоединения по двойной связи  двух гидроксильных групп

 

2.2 Источники бутена

В природе  ациклические алкены практически не встречаются.

Основным  промышленным методом получения  алкенов является каталитический и  высокотемпературный крекинг углеводородов  нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также  реакцию дегидратации соответствующих  спиртов.

В лабораторной практике обычно применяют метод  дегидратации спиртов в присутствии  сильных минеральных кислот, дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих  галогенпроизводных; синтезы Гофмана, Чугаева, Виттига и Коупа.

Дегидрирование  алканов один из промышленных способов получения алкенов, при температуре: 350—450 °C, катализаторе — Cr₂O₃. Также используются алюмомолибденовые и алюмоплатиновые катализаторы.

Дегидрогалогенирование и дегалогенирование  алканов. Отщепление галогенов у дигалогеналканов происходит в присутствии цинка.

Дегидрогалогенирование проводят при нагревании действием спиртовыми растворами щелочей.

При отщеплении галогенводорода образуется смесь  изомеров, один преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: отщепление протона происходит от менее гидрогенизированного атома углерода.

2.3 Превращения бутена

Бутен вызывает наркоз, обладает раздражающим действием. В литосфере бутен не встречается.

В гидросфере, бутен, будучи газом, плохо растворим  в воде. Реакция гидрирования не может произойти без участия  катализаторов.

Из-за их широкого использования в различных видах  топлива, углеводороды преобладают  среди органических веществ, загрязняющих атмосферу.

В атмосфере  бутен, прежде всего, атакуется гидроксильными радикалами, HO, что приводит к потере атома водорода и образованию алкильных радикалов.

C_xH_2x+O₂

В дополнение к прямому выпуску  олефинов, бутилен обычно производится путем частичного сгорания и "крекинга" в высоких температурах, в частности, в двигателе внутреннего сгорания.