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第3章 大气の化学
第3章 大気の化学山口 甫健
3.1はじめに(P33)
?国連人間環境会議…1972年6月に世界113ヶ国の代表が参加して、ストックホルム(スウェーデン)で開催された環境問題についての最初の世界的なハイレベル政府間会合。会議テーマの“かけがえのない地球(Only One Earth)”は、環境問題が地球規模、人類共通の課題になってきたことをあらわすものとして有名。また、26項目の原則からなる「人間環境宣言」および109の勧告からなる「環境国際行動計画」は、同年に発表されたローマクラブによるレポート「成長の限界」とともに、その後の世界の環境保全に大きな影響を与え、ユネスコ総会での「世界の文化遺産および自然遺産の保護に関する条約」(世界遺産条約)採択(1972年11月)や「国連環境計画(UNEP)」設立(1972年12月)の契機にもなった。一方で、開発が環境汚染や自然破壊を引き起こすことを強調する先進国と、未開発?貧困などが最も重要な人間環境の問題であると主張する開発途上国とが鋭く対立(南北問題)した。温室効果ガスの一種である二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素 、ハイドロフルオロカーボン類、パーフルオロカーボン類、六フッ化硫黄について、先進国における削減率を1990年基準として各国別に定め、共同で約束期間内に目標値を達成することが定められた。(備考③参照)
なぜこれほど大気を心配するようになったのか?
?存在量でみると、地球全体では大気が一番少ない(P34図3.1)。だから汚染も受けやすくて、ほんのわずかな異物が大気の性質を一変させたりする。
?大気は短時間で混ざり合う。(地殻やマントル内だと何千年、何万年もかかる)
?物質をはるか遠くまで運ぶため、汚染を薄める力も強い。
3.2大気の成り立ち(P34)
?大気の組成は地球のどこでもほぼ同じ(混合が速いため)。
?極域-赤道域の温度差と自転の効果が、大気を水平方向にかき混ぜる。
?太陽の熱で生まれる対流が、上下方向にも混ぜる。
?地形によっては大気がよどみ、特殊な組成になったりする。
?大気の底のあたりは、太陽の熱エネルギーが生む上昇流と下降流がいつもかき混ぜているので対流圏(備考④)という。
?気圏の気体はほぼ9割が対流圏にある。
?風や雷雨も大気をかき混ぜる。対流圏の中では上空に行くほど温度が低い。
?高度20~50kmの範囲を成層圏(備考⑤)という。オゾン層も成層圏にある。
?成層圏では酸素やオゾンが太陽の紫外線を吸収するから、対流圏とは逆に上空ほど温度が高い。
?成層圏は異物がもちこまれると、たとえわずかな量でもかなりの影響が出る。しかも成層圏の大気は混ざりにくいので、いったん入った汚染物はなかなか薄まらない。
?対流圏と成層圏の境目を圏界面という。
?高度が120kmを超えると大気の混合もなくなる。また、強い紫外線が分子を壊すので原子が主成分になる。
?酸素や窒素のような重い原子は低層に、水素やヘリウムなどの軽い原子は高層に多い。
?上下方向で物質組成の変わる超高層部分を異質圏または不均質圏という。
?高さで組成のほとんど変わらない部分をまとめて均質圏、両者の境目を中間圏界面という(P36図3.2参照)。
?大気の組成は、窒素(78%)と酸素(21%)が大部分を占め、そこに1%のアルゴンが加わる。
?現実の大気は平均2%の水蒸気を含み、その濃度は気象状態(気温)でかなり変わる。
?微量成分のうち、水蒸気と二酸化炭素のほかは、濃度は一定している
?環境科学では、主成分より微量成分のほうが問題になる。
3.3 定常状態と平衡状態(P37)
化学平衡…可逆反応において、順方向の反応と逆方向との反応速度がつりあって反応物と生成物の組成比がマクロ的に変化しなくなる状態をいう。平衡状態における、反応物のモル濃度積を分母とし、生成物モル濃度積を分子とした平衡状態の構成比を平衡定数と呼ぶ。 例) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
仮にこの反応が化学平衡の状態にあるとすれば、いわゆる平衡定数をKとして、次の関数が成り立つ
K = [CO2] [H2O]2 / [CH4] [O2]2 濃度のかわりに圧力を使えば次式になる→ K = pCO2*p2H2O / pCH4*p2O2
平衡定数Kは10140と、想像を絶するほど大きいから、平衡はほぼ完全に右側に片寄って、メタンCH4の濃度はぐっと低い。
定常状態…各物質の濃度に変化がない平衡状態と区別して、化学反応において反応中間体の生成速度と分解速度が等しい状態を定常状態という。ここでもし反応と逆反応が全く同じ速度で起こっていれば変化は観測されないから平衡状態ということになる。
定常状態では、ある成分が大気に入
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