Zamknięcie działu 22

Słowniczek działu 22

  • Bioakumulacja — kumulowanie trwałych substancji w tkankach organizmów; rośnie z każdym poziomem łańcucha troficznego (biomagnifikacja).

  • BZT (biochemiczne zapotrzebowanie na tlen) — mg O₂/L potrzebne do rozkładu materii organicznej; miara zanieczyszczenia wody.

  • Dziura ozonowa — ubytek ozonu stratosferycznego; przyczyna — Cl• z CFC.

  • Efekt cieplarniany — zatrzymywanie ciepła przez gazy atmosferyczne (CO₂, CH₄, H₂O).

  • Eutrofizacja — degradacja zbiornika wodnego przez nadmiar biogenów.

  • Fitoremediacja — oczyszczanie gleby przez rośliny hiperakumulujące metale.

  • Gleba — matryca minerałów, próchnicy, wody, powietrza i organizmów żywych.

  • Kwaśny deszcz — opad o pH < 5,6; H₂SO₄ i HNO₃ z SO₂ i NOₓ.

  • Pestycyd — substancja do zwalczania szkodników; problem gdy trwały i lipofilny.

  • Protokół Montrealski — globalne wycofanie CFC; 1987.

  • Remediacja — oczyszczanie skażonego terenu.

  • Smog londyński — SO₂ + pyły + mgła; ogrzewanie węglowe.

  • Smog fotochemiczny — ozon + PAN z NOₓ i UV; spaliny samochodowe + słońce.

  • Wapnowanie — korekta pH gleby przez CaCO₃/CaO.

  • [R] Atom economy (AE) — $M_P/\Sigma M_R \times 100%$; własność równania reakcji.

  • [R] Cradle-to-cradle — projektowanie produktu na ponowne użycie materiałów.

  • [R] E-factor — kg odpadów / kg produktu.

  • [R] Gospodarka o obiegu zamkniętym — model ekonomiczny bez pojęcia „śmietnik".

  • [R] Zielona chemia — 12 zasad projektowania procesów chemicznych z minimalnym wpływem na środowisko.

W pigułce — Dział 22

Powietrze: zanieczyszczenia = SO₂ (siarka w paliwach), NOₓ (silniki), CO (niepełne spalanie), PM2.5/PM10. Kwaśne deszcze przez SO₂ + H₂O → H₂SO₄ i NOₓ + H₂O → HNO₃. Smog londyński (SO₂ + wilgoć + zimno) ≠ smog fotochemiczny (NOₓ + UV → O₃ + PAN). Dziura ozonowa: CFC → Cl• → katalityczne niszczenie O₃ (jeden Cl• = 100 000 O₃); Protokół Montrealski (1987) wycofał CFC; warstwa ozonowa się odbudowuje.

Woda: biogeny (N, P) → eutrofizacja (zakwit → O₂↓ → śmierć fauny). BZT = miara zanieczyszczenia organicznego. Oczyszczanie ścieków: mechaniczne → biologiczne → chemiczne. Uzdatnianie wody: chlorowanie, ozonowanie, UV.

Gleba: skład = minerały + humus + woda + powietrze + organizmy. Zakwaszenie → wapnowanie (CaCO₃); nadwapnowanie → deficyt mikroelementów. Metale ciężkie i DDT → bioakumulacja → biomagnifikacja → szczyt łańcucha troficznego. Remediacja: wykopalisko, przemywanie, fitoremediacja (rośliny hiperakumulujące).

[R] Zielona chemia: 12 zasad Anastasa; AE = $M_P/\Sigma M_R \times 100%$ (addycja 100%, substytucja < 100%); AE ≠ yield; E-factor = kg odpadów/kg produktu (farmacja: 25–100); cradle-to-cradle = materiały w obiegu zamkniętym; kataliza = klucz do niskiego E-factor.

Sprawdzian działowy

Zadanie 1. Wskaż prawidłowe zdanie dotyczące CO i CO₂:

a) Oba są toksyczne w stężeniach spotkanych w środowisku miejskim.

b) CO jest toksyczny, wiąże hemoglobinę silniej niż tlen; CO₂ w normalnych stężeniach nie jest toksyczny.

c) CO₂ jest produktem niepełnego spalania, CO — pełnego.

d) Oba są bezbarwne i bezwonne, oba równie groźne dla zdrowia.

Odpowiedź i wyjaśnienie

b) CO jest trującym produktem niepełnego spalania; wiąże hemoglobinę ~250× silniej niż O₂. CO₂ to produkt pełnego spalania; w normalnych stężeniach (do kilku procent) nie jest ostro toksyczny. c) jest zamienione — CO pochodzi z niepełnego spalania, CO₂ z pełnego.

Zadanie 2. Napisz dwa równania reakcji prowadzące do kwaśnego deszczu (jedno dla SO₂, jedno dla NO₂).

Odpowiedź

$$\text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3 \quad\text{(lub} \text{ SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4\text{)}$$

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

Zadanie 3. Wyjaśnij, dlaczego zakaz freonów (CFC) był konieczny do zatrzymania niszczenia warstwy ozonowej, mimo że CFC nie reagują bezpośrednio z ozonem.

Odpowiedź

CFC są trwałe i docierają do stratosfery. Tam promieniowanie UV rozbija wiązanie C–Cl, uwalniając atom chloru Cl•. Ten jest katalizatorem: Cl• + O₃ → ClO• + O₂; ClO• + O → Cl• + O₂. Jeden Cl• może zniszczyć ~100 000 O₃. Bez eliminacji źródła Cl• (= CFC) nie było możliwości zatrzymania procesu katalitycznego w stratoferze.

Zadanie 4. Na podstawie opisu procesów ustal, który etap oczyszczania ścieków jest opisany: „Mikroorganizmy pochłaniają rozpuszczone cukry, białka i tłuszcze, zużywając tlen z napowietrzanej cieczy"

Odpowiedź

Etap biologiczny oczyszczania ścieków. To właśnie procesem biologicznego rozkładu materii organicznej przez bakterie tlenowe mierzy BZT.

Zadanie 5. [R] Oblicz AE reakcji: $\text{CH}_3\text{OH} + \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOCH}_3 + \text{H}_2\text{O}$

Dane: $M(\text{CH}_3\text{OH}) = 32$, $M(\text{CH}_3\text{COOH}) = 60$, $M(\text{CH}_3\text{COOCH}_3) = 74$, $M(\text{H}_2\text{O}) = 18$. Oceń wynik.

Odpowiedź

Reagenty: $32 + 60 = 92\ \text{g/mol}$. Produkt użyteczny (octan metylu): $74\ \text{g/mol}$.

$$AE = \frac{74}{92} \times 100% \approx 80{,}4%$$

Esteryfikacja ma AE ~80% — przyzwoite, ale nie idealne (uboczny H₂O stanowi ~20%). Ta wartość jest jednak lepsza od wielu syntezach substytucyjnych i pod warunkiem użycia katalizatora kwasowego (a nie stechiometrycznego odczynnika), E-factor może być niski.