Mục lục bài họcĐang ở d10-b2
The greenhouse effect and acid rain
The greenhouse effect — the mechanism, step by step
- Short-wavelength radiation from the Sun passes through the atmosphere and warms the Earth's surface.
- The warm surface re-emits energy as longer-wavelength infrared radiation.
- Greenhouse gases — mainly carbon dioxide and methane — absorb some of this outgoing infrared and re-emit it in all directions, including back down.
- Less energy escapes to space, so the Earth's average temperature rises.
The effect itself is natural and necessary — without it the Earth would be far too cold. The problem is the increase caused by burning fossil fuels and by methane from farming and landfill.
Consequences: rising sea levels from melting ice and thermal expansion, and more extreme weather.
Acid rain — a completely different problem
Sulfur dioxide and oxides of nitrogen dissolve in water in the clouds, forming acids:
$$\ce{SO2 + H2O -> H2SO3}$$Rain then falls with a pH well below the natural value of about $5.6$.
Effects: lakes become acidic and fish die; trees are damaged; limestone buildings and statues dissolve, because calcium carbonate reacts with acid; iron structures corrode faster.
Solutions: remove sulfur from fuels before burning, fit flue-gas desulfurisation at power stations, use catalytic converters on cars, and add powdered limestone to acidified lakes to neutralise them.
Keeping the three problems apart
| problem | caused by | main effect |
| greenhouse effect | $\ce{CO2}$, methane | global temperature rises |
| acid rain | $\ce{SO2}$, oxides of nitrogen | lakes, trees and buildings damaged |
| toxicity | $\ce{CO}$ | poisons people directly |
Three problems, three sets of gases, three sets of effects. Mixing them up is the commonest error in this chapter.
Hiệu ứng nhà kính — cơ chế, từng bước.
- Bức xạ bước sóng ngắn từ Mặt Trời xuyên qua khí quyển và làm nóng bề mặt Trái Đất.
- Bề mặt ấm lên rồi phát trở lại năng lượng dưới dạng bức xạ hồng ngoại bước sóng dài hơn.
- Khí nhà kính — chủ yếu là cacbon đioxit và metan — hấp thụ một phần bức xạ hồng ngoại đi ra ấy và phát lại nó theo mọi hướng, kể cả hướng xuống dưới.
- Ít năng lượng thoát được ra vũ trụ hơn, nên nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng lên.
Bản thân hiệu ứng này là tự nhiên và cần thiết — không có nó thì Trái Đất sẽ quá lạnh để sống. Vấn đề nằm ở phần tăng thêm do đốt nhiên liệu hoá thạch và do metan từ chăn nuôi và bãi rác.
Hậu quả: mực nước biển dâng do băng tan và do nước nở vì nhiệt, cùng với thời tiết cực đoan nhiều hơn.
Mưa axit — một vấn đề hoàn toàn khác. Lưu huỳnh đioxit và các oxit nitơ tan vào nước trong mây và tạo thành axit:
$$\ce{SO2 + H2O -> H2SO3}$$Nước mưa rơi xuống với pH thấp hơn hẳn giá trị tự nhiên khoảng $5{,}6$.
Tác hại: hồ nước trở nên axit và cá chết; cây cối bị tổn thương; công trình và tượng bằng đá vôi bị hoà tan, vì canxi cacbonat phản ứng với axit; kết cấu sắt thép gỉ nhanh hơn.
Cách xử lý: loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước khi đốt; lắp thiết bị khử lưu huỳnh trong khí thải ở nhà máy điện; dùng bộ chuyển đổi xúc tác trên xe hơi; và rải bột đá vôi xuống các hồ đã bị axit hoá để trung hoà.
Phân biệt ba vấn đề.
- Hiệu ứng nhà kính — do $\ce{CO2}$ và metan — làm nhiệt độ toàn cầu tăng;
- Mưa axit — do $\ce{SO2}$ và oxit nitơ — làm hỏng hồ, cây và công trình;
- Ngộ độc — do $\ce{CO}$ — gây hại trực tiếp cho người.
Ba vấn đề, ba nhóm khí, ba nhóm hậu quả. Trộn lẫn chúng là lỗi phổ biến nhất của cả chương.
Giải thích cơ chế của hiệu ứng nhà kính theo từng bước, và nêu vì sao hoạt động của con người làm hiệu ứng này mạnh lên.
Bốn mắt xích.
Một. Bức xạ từ Mặt Trời có bước sóng ngắn. Khí quyển gần như trong suốt với loại bức xạ này, nên nó xuyên qua và làm nóng bề mặt Trái Đất.
Hai. Bề mặt ấm lên rồi phát năng lượng trở lại — nhưng vì bề mặt lạnh hơn Mặt Trời nhiều, bức xạ nó phát ra có bước sóng dài hơn, thuộc vùng hồng ngoại.
Ba. Các khí nhà kính — chủ yếu cacbon đioxit và metan — hấp thụ loại bức xạ hồng ngoại này, rồi phát lại theo mọi hướng, trong đó có hướng trở xuống mặt đất.
Bốn. Kết quả là ít năng lượng thoát ra vũ trụ hơn, nên nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng.
Điểm quyết định của cơ chế: khí nhà kính cho bức xạ đi vào qua được nhưng giữ lại bức xạ đi ra. Nếu chúng chặn cả hai chiều thì Trái Đất sẽ lạnh đi chứ không nóng lên.
Vì sao con người làm hiệu ứng mạnh lên. Hiệu ứng nhà kính tự nhiên là cần thiết — không có nó, nhiệt độ trung bình Trái Đất sẽ khoảng $-18^{\circ}$C và nước đóng băng hết.
Vấn đề nằm ở phần tăng thêm: đốt nhiên liệu hoá thạch thải ra $\ce{CO2}$, còn chăn nuôi, ruộng lúa và bãi rác thải ra metan. Nồng độ hai khí này tăng lên nghĩa là nhiều bức xạ hồng ngoại bị giữ lại hơn.
Chú ý $\ce{CO2}$ chỉ chiếm khoảng $0{,}04\%$ khí quyển — chính vì tỉ lệ nhỏ như vậy mà một mức tăng tưởng chừng khiêm tốn lại có tác động lớn.
(a) Nêu hai khí gây mưa axit và nguồn gốc của mỗi khí. (b) Viết một phương trình cho việc tạo axit trong mây. (c) Nêu hai tác hại của mưa axit và một giải pháp cho mỗi khí ở câu (a).
(a) Lưu huỳnh đioxit $\ce{SO2}$ — sinh ra khi đốt nhiên liệu hoá thạch có chứa lưu huỳnh, chủ yếu là than ở nhà máy điện.
Các oxit của nitơ $\ce{NO}$ và $\ce{NO2}$ — sinh ra khi nitơ và oxy trong không khí kết hợp với nhau dưới nhiệt độ rất cao trong động cơ xe. Đáng chú ý: chúng không đến từ nhiên liệu, mà từ chính không khí bị hút vào.
(b)
$$\ce{SO2 + H2O -> H2SO3}$$Axit tạo thành làm nước mưa có pH thấp hơn hẳn giá trị tự nhiên khoảng $5{,}6$.
(c) Hai tác hại.
- Hồ nước bị axit hoá nên cá và các sinh vật thuỷ sinh chết; cây rừng bị tổn thương lá và rễ.
- Công trình bằng đá vôi bị hoà tan — canxi cacbonat phản ứng với axit, nên tượng đá và mặt tiền nhà thờ cổ bị bào mòn dần. Kết cấu sắt thép cũng gỉ nhanh hơn.
Giải pháp cho từng khí.
Với $\ce{SO2}$: loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước khi đốt (đó là lý do có xăng và dầu “lưu huỳnh thấp”), hoặc lắp thiết bị khử lưu huỳnh trong khí thải ở ống khói nhà máy — thường dùng vôi để hấp thụ.
Với oxit nitơ: lắp bộ chuyển đổi xúc tác trên ống xả xe hơi, biến chúng thành khí nitơ vô hại.
(Với hồ đã bị axit hoá, có thể rải bột đá vôi xuống để trung hoà — nhưng đó là chữa hậu quả, không phải chặn nguyên nhân.)
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemistry of the Environment gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.