юстрации метан (СН4), не очень реакци-онноспособный газ. Его содержание в атмосфере составляет около 1,7 ррт (см. вставку 2.3). Метан может реагировать с кислородом следующим образом:

СНод + 202И -> С02(г) + 2Н20(Г). (2.2)

Реакцию можно представить как состояние равновесия (вставка 2.4) и описать традиционным уравнением

cCOj сН,02

(2.3)

сСН, cOl

которое можно записать через давление (см. вставку 2.2):

(2.4)

рСН„-рО!

Константа равновесия (К) равна примерно 10но (вставка 2.4). Это крайне высокое значение, которое предполагает, что равновесие этой реакции очень сильно смещено вправо и что СН4 должен содержаться в атмосфере в низких концентрациях. Насколько низких? Это можно вычислить, преобразовав уравнение и.решив его для СН4. Как видно из табл. 2.1, кислород имеет концентрацию около 21 %, т. е. 0,21 атм, в то время как С02 и вода имеют значения 0,00036 и около 0,01 атм соответственно. Подставляя их в уравнение (2.4) и решая его, приходим к равновесной концентрации 8 • Ш-'47 атм. Она очень отличается от значения 1,7 ? 10'йатм, которое на самом деле находят для метана в воздухе.

ВСТАВКА 2.4. Химическое равновесие

Многие химические реакции протекают в обоих направлениях, и таким образом из продуктов могут вновь образоваться реактанты. Например, в химии, изучающей дождевые осадки, гидролиз (т. е. реакция с водой) растворенного в воде формальдегида до метилена рассматривается согласно уравнению

НСНО(а0ДН) + НзО(ж) -> Н2С(ОН)2(ЙОДН). (1)

(формальдегид) (метнленгликоль)

Возможна также обратная реакция

Н2С(ОН)2(водн) НСНО(аааК) + Н20(ж>; (2)

таким образом, система находится в динамическом равновесии, т. е.

НСНО(тт + H2Ow <-» HjCtOH)!,^,,. (3)

Взаимосвязь веществ при равновесии описывается уравнением

(4)

сН2С(ОН),|т„) сНСНО^еНгО'

3- 1822

34 ГЛАВА 2

АТМОСФЕРА 35

ВСТАВКА 2.4. (Продолжение)

К =

где с — концентрации веществ, участвующих в реакции. Это уравнение следовало бы записать через активности химических форм, что является термодинамически правильным отображением концентрации. Однако в разбавленных растворах активность и концентрация практически одинаковы. Разбавленные растворы, такие, как дождевая вода, представлены водой почти без примесей. Активность чистых веществ принята равной единице, так что в случае дождевой воды уравнение может быть упрощено:

(5)

сНСНО,„ш1

К является константой равновесия и в приведенном случае ее значение равно 2000. Значение константы равновесия, большее единицы, означает, что равновесие смещено вправо и имеет место преимущество прямая реакция. Константы равновесия зависят от температуры, но не от концентрации веществ, если последние были корректно выражены активностями.

Взаимосвязь веществ при равновесии часто называют законом действия масс, и его можно запомнить, исходя из того, что константа равновесия получается в результате деления концентраций продуктов реакции на концентрации реагирующих веществ. В общем виде

/cA+/B<->mC + «D-A~, (6)

сС"?cD"

* = ———, (7)

сА*-сВ'

Может быть, легче осознать понятие сдвигов равновесия количественным образом, используя принцип Ле-Шателье Он гласит, что если равновесие системы нарушено, она отреагирует таким образом, чтобы довести до минимума эти навязанные изменения. Так, в случае равновесия для формальдегида (3) любое повышение содержания НСНО в растворе будет снижено за счет стремления реакции сдвинуться вправо, производя большее количество метиленгликоля.

Что же сделано неверно? Этот простой расчет свидетельствует о том, что газы в атмосфере не обязательно находятся в равновесии. Это означает не то, что атмосфера очень неустойчива, а лишь то, что она не управляется химическим равновесием. Многие микрокомпонентные газы в атмосфере находятся в устойчивом состоянии. Оно относится к хрупкому балансу между поступлением и выходом газа в атмосферу. Понятие баланса между источ?е-?е10*

10° 10' 102 10; Время пребывания, годы

Рис. 2.3. Изменчивость следовых и других соединений в атмосфере как функция времени пребывания. Большие коэффициенты вариации отражают более высокую вариабельность. По Brimblecombe (1986).

ником газа для атмосферы и стоком этого газа является крайне важным. Ситуация часто описывается с помощью уравнения:

К, = Fbiix*=A/T, (2.5)

где FK и Flta — это потоки в атмосферу и из нее, А — общее количество газа в атмосфере и т — время пребывания газа в атмосфере.

При состоянии устойчивости приход должен быть равен расходу. Представьте атмосферу в виде дырявого ведра, в которое льется вода из крана. Ведро наполняется, пока давление растет и утечка становится равной притоку. Можно сказать, что в этот момент система устойчива.

Приток метана в атмосферу происходит со скоростью 500 Тг • год-1 (т. е. 500 • 10' кг ? год-1). Содержание СН4 в атмосфере составляет 1,7 ррт. Обшая масса атмосферы равна

з36 ГЛАВА 2

АТМОСФЕРА 37

5,2 ? 1018кг. Если принять во внимание небольшие различия между молекулярными массами СН< и атмосферы в целом (т. е. 16/29), общая масса СН4