Приклади розв’язання задач

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 938

Приклад 1.Визначте максимальну довжину хвилі випромінювання, здатного викликати дисоціацію молекул кисню. Прийняти, що вся енергія фотону витрачається на процес дисоціації, а енергія зв’язку для одного моля кисню, яка дорівнює 498,3 кДж/моль, еквівалентна енергії дисоціації.

Розв’язок:Захоплення фотонного випромінювання може призвести до фотодисоціації молекул кисню:

О₂+hυ O+O.

За умовою задачі енергія дисоціації молекул О₂ еквівалентна енергії зв’язків і дорівнює енергії фотону:

Е_дис= Е_зв=Е_ф,

де Е_зв – енергія зв’язку в одній молекулі кисню.

Е_зв можна знайти, розділивши значення енергії зв’язків для одного моля на число молекул в одному молі, тобто на число Авогадро:

Е_зв=498,3/(6,02·10²³)=8,28·10^-22(кДж/мол.).

Енергія фотону пов’язана з довжиною хвилі випромінювання рівнянням Ейнштейна:

Е_ф=h∙c/λ,

де h – це постійна Планка; с – швидкість світла в вакуумі; λ – довжина хвилі випромінювання.

Згідно табл. А.1 h=6,626·10³⁴Дж·с; с=2,99·10⁸м/с. Звідси можна визначити максимальну довжину хвилі випромінювання, здатну викликати дисоціацію молекул кисню:

λ= h∙c/Е_ф= h∙c/Е_зв;

λ=6,626·10³⁴·2,997·10⁸/(8,28·10^-19)=2,40·10^-7(м)=240(нм).

Відповідь: максимальна довжина хвилі, що здатна викликати дисоціацію молекули кисню, становить 240нм.

Приклад 2.Оцініть у скільки разів швидкість зв’язування атомарного кисню в реакції синтезу озону вище ніж в реакції його руйнування, коли ці процеси відбуваються при нормальному атмосферному тиску біля поверхні Землі. Концентрація озону в приземному повітрі складає 4·10¹¹ см^-3. Константа швидкості реакції утворення озону k_утв=6,9·10^-34 см⁶·с^-1, якщо трете тіло – молекули кисню. Константа швидкості процесу руйнування озону при взаємодії з атомарним киснем k_руйн=8,4·10^-15см³·с^-1.

Розв’язок: Процеси утворення і руйнування озону в реакції зв’язування атомарного кисню можна представити наступним рівнянням:

О(³Р)+ О₂+М О₃+М^*

О(³Р)+ О₃ 2О₂,

де O(³P) – атоми кисню в незбудженому стані; М – третє тіло, що приймає участь в реакції утворення озону.

Швидкість процесів утворення і руйнування озону можна виразити рівняннями:

Тоді співвідношення швидкостей реакцій утворення та руйнування озону:

В випадку коли третє тіло в процесі утворення озону – молекули кисню ([O₂]=[M]), співвідношення швидкостей реакції складає:

Середнє значення температури повітря приземного шару відповідає середній температурі нижньої межі тропосфери і дорівнює 15ºС.

При нормальному атмосферному тиску концентрація молекул кисню визначається за формулою:

N=N_A·T₀·α/V_m·10³·T

де N_A – число Авагадро, мол./моль; T₀ і T – температура за нормальних умов і температура в тропосфері, К; α – об’ємна частка кисню в повітрі; V_m – молярний об’єм, моль/л; 10³ – коефіцієнт переводу літрів в кубічні сантиметри.

N=6,02·10²³·273·0,2095/(22,4·10³·288) = 5,34·10¹⁸(см^-3).

Співвідношення швидкостей реакцій становить:

Відповідь:швидкість зв’язування атомарного кисню в реакції утворення озону в 5,9·10⁶ раз більше, ніж в реакції його руйнування.

Приклад 3.Визначте концентрацію атомарного кисню в стані O(³P) на висоті 20км за умови динамічної рівноваги між процесами його утворення (при фотолізі О₃ та NO₂) і стоку (при утворенні О₃). Концентрація озону та діоксиду нітрогену становить: [О₃]=1,5·10¹²см^-3, [NO₂]=3·10⁴ см^-3. Коефіцієнт фотодисоціації озону та діоксиду нітрогену на висоті 20км дорівнює: k₁=2,1·10^-4 см^-1; k₂=4,4·10^-3 см^-1. Константна швидкості реакції утворення озону у випадку, коли третім тілом є молекули азоту, визначається за рівнянням:

κ= 6,2·10^-34(Т/300)^-2(см⁶·с^-1),

де Т – температура реакції.

Розв’язок:Запишемо процес утворення атомарного кисню у вигляді наступних рівнянь реакцій:

О₃+hυ О₂+ O(³P)

NO₂+ hυ NO+ O(³P)

Швидкість процесу фотохімічного розкладання озону та діоксиду нітрогену можна виразити рівняннями:

υ₁= k₁·[O₃]

υ₂= k₂·[NO₂].

Швидкість утворення атомарного кисню в O(³P) стані буде дорівнювати сумі швидкостей процесів фотолізу О₃ і NO₂, оскільки за умовою задачі інші джерела надходження O(³P) не беруться до уваги. В процесі фотохімічного розпаду на кожну молекулу озону та діоксиду нітрогену утворюється один атом кисню. Тому можна записати:

υ_утв. = υ₁+ υ₂

Процес стоку атомарного кисню за умовою задачі пов'язаний тільки з утворенням молекул озону:

О₂+ O(³P) + М О₃+М^*.

Швидкість цієї реакції можна представити наступним рівнянням:

υ_ст=κ[O₂]·[O(³P)]·[M],

де κ – константа швидкості реакції утворення озону; [M] – концентрація третього тіла, в даному випадку – концентрація азоту на висоті 20км.

В умовах динамічної рівноваги швидкість процесів утворення та стоку атомарного кисню рівні:

υ_утв=υ_ст

υ₁+υ₂=υ_ст

k₁·[O₃]+k₂·[NO₂]=κ·[O₂]·[O(³P)]·[M]

З отриманого рівняння можна виразити концентрацію атомарного кисню:

Визначимо температуру на висоті 20км. Її значення необхідно для розрахунку концентрації азоту та константи швидкість реакції утворення озону на вказаній висоті. Ця область знаходиться в стратосфері, і температуру можна визначити за рівнянням:

Т_z = 217 + ∆Т_сер·(z – 11),

де 217 – температура нижньої границі стратосфери, К; z – висота в стратосфері, для якої визначається температура, км; ∆Т_сер – температурний градієнт, в стратосфері, який дорівнює 1,38К/км; 11– середня висота тропосфери, км.

Т₂₀ = 217 + 1,38·(20 – 11)=229 (К).

Для визначення кількості молекул азоту на висоті 20км необхідно спочатку розрахувати кількість молекул повітря на заданій висоті. Вміст молекул повітря в атмосфері спадає зі збільшенням висоти над рівнем моря:

де n_{пов. z} – концентрація молекул в повітрі на висоті z, см^-3; n_{пов. З.} – середня концентрація молекул в повітрі на рівні моря (n_{пов. З.}=2,55·10¹⁹ см^-3); M – середня молярна маса повітря (М=28,95·10^-3 кг/моль); g – прискорення сили тяжіння (g=9,8 м/с²); z – висота над рівнем моря, м; R – універсальна газова стала (R=8,31 Дж/(моль·К)); Т_z – середня температура повітря на висоті z, К.

Оскільки в атмосферному повітрі співвідношення основних компонентів до висоти 100км майже не змінюється, концентрація молекул азоту на висоті 20км буде дорівнювати:

[N₂]=2,6·10¹⁸∙0,7808=2,03·10¹⁸(см^-3).

Концентрація молекулярного кисню на висоті 20 км становить:

[O₂]=2,6·10¹⁸·0,2095=5,4·10¹⁷(см^-3).

Константа швидкості реакції утворення озону на висоті 20км дорівнює:

κ=6,2·10^-34 ·(Т/300)^-2=6,2·10^-34·(229/300)^-2=1,07·10^-33(см⁶·с^-1).

Концентрація атомарного кисню становить:

Відповідь:концентрація атомарного кисню становить 2,7·10⁵ см^-3

Приклад 4.Який з фреонів – Ф-11 або Ф-152 – представляє найбільшу небезпеку для озонового шару планети?

Розв’язок:У відповідності з системою, розробленою спеціалістами фірми «Дюпон», при класифікації фреонів цифрами позначається різниця між числом, в якому записані підряд цифри, що означають кількість атомів Карбону, Гідрогену та фтору в молекулярній формулі фторхлорвуглеводнів, та деяким «кодовим» числом, яке прийнято рівним 90. Наприклад, Ф-11 буде означати, що в склад сполуки входить 1 атом Карбону, 0 атомів Гідрогену, 1 атом фтору (11+90=101). Оскільки Карбон має валентність 4, в склад молекули фреону Ф-11 повинно входити також 3 атоми Хлору. Тому молекулярна формула фреону Ф-11 відповідає сполуці CFCl₃.

В випадку фреону Ф-152 маємо: 152+90=242, тобто в склад фторхлорвуглеводнів входять 2 атоми Карбону, 4 атоми Гідрогену, 2 атоми фтору. Атоми Карбону у фторхлорвуглеводнях зв’язані між собою одинарними зв’язками, тому у фреоні може бути тільки 6 невуглецевих зв’язків. Всі вакантні місця зайняті атомами Гідрогену та Фтору, тому в цьому фреоні не має атомів хлору. Його формула буде такою C₂H₄F₂.

Оскільки фреон Ф-152 не містить хлору він не становить небезпеки озоновому шару. Однак в результаті його трансформації в тропосфері можливе утворення токсичних сполук.

Відповідь: фреон Ф-11, що містить 3 атоми Хлору в кожній молекулі представляє більшу небезпеку для озонового шару, ніж фреон Ф-152, молекули якого не містять Хлору.

Приклад 5.Яка максимальна кількість молекул озону може утворитися в кожному сантиметрі кубічному приземного повітря при повному окисненні метану в присутності оксидів Нітрогену, якщо концентрація метану зменшилась з 20 до 1,6 млн^-1. Тиск дорівнює 101,3кПа, температура повітря 288К.

Розв’язок:При повному окисненні метану в присутності оксидів Нітрогену ряд перетворень можна представити наступним сумарним рівнянням реакції:

CH₄+8O₂+4M CO₂+2H₂O+4O₃+4M^*.

Таким чином, при повному окисненні кожної молекули метану в присутності оксидів Нітрогену може утворитися до 4 молекули озону.

При зменшенні концентрації метану в повітрі з 20 до 1,6млн^-1 концентрація озону, що утворився при відсутності його стоку може скласти:

[O₃] = 4·(20 – 1,6) = 73,6 (млн^-1)

Отже, в 1 см³ повітря може утворитися n_O3 молекул озону:

n_O3 = N_A·α(O₃)·Т₀/(V_м·10³·Т_з) (см^-3),

де N_A – число Авогадро; α(O₃) – об’ємна частка озону в повітрі; V_m – молярний об’єм газу за нормальних умов, л; Т₀ та Т_з – температура повітря за нормальних умов та середня температура біля поверхні Землі (273 та 288 К відповідно).

n_O3=6,02·10²³·73,6·10^-6·273/(22,4·10³·288)=1,9·10¹⁵ (см^-3).

Відповідь: може утворитися до 1,9·10¹⁵ молекул О₃/см³ повітря.

Приклад 6.Визначте співвідношення швидкостей в процесі газофазного та рідкофазного окиснення SO₂ при умові, що загальний вклад в ці процеси вносять такі реакції:

SO_2(г)+∙OH_(г) ∙HSO_3(г)

SO_2(p-p)+H₂O_2(p-p) H₂SO_4(p-p).

Константи швидкостей реакції дорівнюють: k₁=9·10^-13см³·с^-1; k₂=1·10³ л·с^-1. Концентрації домішок в газовій фазі складають [∙ОH]=5·10⁶(см^-3); [SO₂]=1·10^-4 % (об.); [H₂O₂]=1·10^-7 % (об.).

Розрахунки провести для атмосферного повітря, що має температуру 25°С та містить: а) 0; б) 0,0001; в) 0,01г вільної води в кожному літрі повітря.

Вважати, що при розчиненні в воді концентрація SO₂ в газовій фазі не змінюється. Гази вважати ідеальними та підпорядкованими закону Генрі. Тиск прийняти рівним 1атм.

Розв’язок:Швидкість окиснення SO₂ за участю гідроксидного радикалу можна знайти за допомогою рівняння:

υ₁= k₁[∙ОH]·[SO₂],

де k₁ – константа швидкості реакції; [∙ОH] та [SO₂] – концентрації реагентів в газовій фазі.

Для визначення швидкості реакції переведемо розмірність концентрації SO₂ з % (об.) в см^-3 і приведемо її до температури 25°С:

[SO₂] (см^-3)=[SO₂] (% об.)·10^-2∙N_A·Т₀/(V_m·10³·Т)

[SO₂] = 1·10^-4 ·10^-2 ∙ 6,02·10²³ ·273/(22,4·10³·298)=2,46·10¹³(см^-3).

Швидкість газофазного окиснення становить:

υ₁=9·10^-13·5·10^-6·2,46·10¹³= 1,1·10⁸(см^-3·с^-1).

У випадку знаходження крапельнорідкої води в повітрі окисненню в рідкій фазі сприяє розчинення газів в воді. Концентрацію компонентів в розчині згідно закону Генрі можна визначити за рівнянням:

С_і=К_Гі·Р_і,

де С_і – концентрація і-го компонента в розчині; К_Гі – значення константи Генрі для і-го компонента; Р_і – парціальний тиск і-го компонента в газовій фазі.

Окиснення SO₂ в рідкій фазі супроводжується розчинення SO₂ та Н₂О₂ в воді. Константи Генрі для цих газів при 25°С складають (див. табл. А.3):

К_г(SO2)=5,34моль/(л·атм.)

К_г(Н2О2)=1·10⁵моль/(л·атм.).

Парціальний тиск легко знайти якщо відома об’ємна частка відповідного компонента в газовій фазі та загальний тиск повітря:

Р_SO2=10^-4·10^-2·1=10^-6(атм.)

Р_Н2О2=10^-7·10^-2·1=10^-9(атм.).

Концентрація компонентів в розчині за законом Генрі становить:

[SO₂]=5,34·10^-6(моль/л)

[Н₂О₂]=1·10⁵·10^-9=1·10^-4(моль/л).

Швидкість процесу окиснення SO₂ в рідкій фазі можна визначити за рівнянням:

υ₂= k₂[Н₂О₂]·[SO₂],

υ₂=1·10³·5,34·10^-6·1·10^-4=5,34·10^-7[моль/(л·с)].

Отримане значення швидкості окиснення SO₂ в рідкій фазі показує, що в кожному літрі розчину за секунду буде окиснюватись 5,34·10^-7 молів SO_2.

Якщо відомий вміст вільної води в повітрі та приймаючи, що густина розчину дорівнює густині води, приведемо значення швидкості окиснення SO₂ в рідкій фазі до відповідних одиниць виміру:

υ₂[мол/(см³·с)] = υ₂[моль/(л·с)]·n·N_А/ρ,

де n – вміст крапельно-рідкої води в повітрі, г (води)/см³(повітря); N_А – число Авогадро; ρ – густина води, г/л.

Підставивши відповідні значення отримаємо залежність швидкості окиснення від вмісту вологи в повітрі:

υ₂=5,34·10^-7·n·6,02·10²³/1000=3,2·10¹⁴·n.

У випадку коли вміст води в повітрі n=0,0001г/л (варіант «б»), співвідношення швидкостей окиснення SO₂ в рідкій та газовій фазах складає:

υ₁/υ₂=1,1·10⁸/(3,2·10¹⁴·0,0001·10^-3)=3,4.

У випадку n=0,01 г/л (варіант «в»), це співвідношення буде :

υ₁/ υ₂=1,1·10⁸/(3,25·10¹⁴·0,01·10^-3)=0,034.

Відповідь: а) при відсутності крапельно-рідкої води в повітрі швидкість окиснення діоксиду сульфуру визначається процесом окиснення в газовій фазі; б) при вмісті вологи в повітрі 0,0001г/л, швидкість окиснення SO₂ в газовій фазі буде перевищувати швидкість окиснення в рідкій фазі в 3,4 рази; в) при вмісті вологи в повітрі 0,01г/л, окиснення буде відбуватися з більшою швидкістю в рідкій фазі; в цьому випадку співвідношення швидкостей окиснення SO₂ в газовій та рідкій фазах дорівнює 0,034.

Приклад 7.Константа рівноваги реакції утворення монооксиду нітрогену із азоту та кисню при 800К дорівнює 3·10^-11. Якого рівноважного значення може досягти концентрація оксиду нітрогену в суміші, якщо вихідна суміш – повітря?

Розв’язок:Процес утворення монооксиду нітрогену записується:

N₂+O₂ 2NO

Оскільки в процесі утворення монооксиду Нітрогену не відбувається зміни кількості молекул газів в суміші, константу рівноваги К_р при постійному тиску та постійній концентрації можна представити рівнянням:

К=(Р_NO)²/(P_N2·P_O2),

де Р_NO, P_N2 та P_O2 – парціальний тиск NO, N₂ та O_2.

Нижче представлені рівноважні значення парціального тиску компонентів суміші в кПа:

Оскільки константа рівноваги процесу утворення монооксиду нітрогену мала, можна припустити, що рівноважне значення парціального тиску NO буде низьким, тому парціальний тиск азоту та кисню майже не змінюється. В зв’язку з цим при розрахунку можна скористатися наближеним рівноважним значення парціальних тисків компонентів суміші:

3·10^-11=4х²/(79,10·22,22);

2х = Р_NO=22,96·10^-5(кПа)=0,23(Па).

Відповідь:В повітрі при температурі 800К рівноважний парціальний тиск оксиду Нітрогену становить 0,23 Па.

Приклад 8. Порівняйте швидкості виведення з атмосфери молекул метану при їх взаємодії з гідроксидним радикалом на висотах 5 та 35км. Концентрація метану змінюється від 2 млн^-1 на висоті 5км до 0,6млн^-1 на висоті 35км. Енергія активації та предекспоненціальний множник константи швидкості реакції взаємодії метану с ОН-радикалом дорівнює 14,1кДж/моль та 2,3см³·с^-1 відповідно. Концентрація гідроксидних радикалів відповідає середнім для цих висот значенням: [OH]₅=8,5·10⁵см^-3 та [OH]₃₅=3·10⁷см^-3.

Розв’язок: В процесі взаємодії молекул метану з гідроксидним радикалом відбувається утворення води та метильного радикалу:

CH₄+OH CH₃+ H₂O.

Швидкість реакції описується рівнянням:

υ_z =k_z[CH₄]_z·[OH]_z,

де υ_z та k_z – швидкість та константа швидкості реакції за умов характерних для атмосферного повітря на висоті z; [CH₄]_z та [OH]_z – концентрація метану та гідроксидного радикалу на висоті z.

У відповідності з рівнянням Арреніуса константа швидкості хімічної реакції залежить від температури:

k = Ae^-E/RT,

де k – константа швидкості хімічної реакції; А – предекспоненціальний множник (має розмірність константи реакції); Е – енергія активації реакції, Дж/моль; R – універсальна газова стала, Дж/(моль·К); Т – температура реакції, К.

В даному випадку швидкість хімічної реакції буде визначатися значеннями концентрації реагентів та температурою повітря на заданих висотах.

Температура повітря на висоті 5 і 35км відповідає:

Т₅ = 288 + (-6,5·5) = 256 (К),

Т₃₅ =217 + (35 – 11)·1,38 = 250 (К).

Константа швидкості реакції на висоті 5 і 35км складає

k₅ = 2,3e^{-14100/(8,31·256)} = 3,04·10^-3 (см³·с^-1),

k₃₅ =2,3e^{-14100/(8,31·250)} =2,59·10^-3 (см³·с^-1).

Для розрахунку швидкості хімічної реакції необхідно привести значення концентрації реагентів та констант швидкості до однакових одиниць виміру.

Переведемо дані в задачі значення концентрації метану в см^-3:

[CH₄]_z=С_z(млн.^-1)·10^-6·N_пов.z(см^-3),

де 10^-6 – коефіцієнт переводу концентрації, вираженої в млн.^-1 в об’ємні частки; N_пов.z – кількість молекул в 1 см³ повітря на заданій висоті.

Кількість молекул в 1см³ повітря на деякій висоті визначаємо за рівнянням:

де n_{пов. z} – концентрація молекул в повітрі на висоті z, см^-3; n_{пов. З} – середня концентрація молекул в повітрі на рівні моря, см^-3; M – середня молярна маса повітря, кг/моль; g – прискорення сили тяжіння, м/с²; z – висота над рівнем моря, м; R – універсальна газова стала, Дж/(моль·К; Т_z – середня температура повітря на висоті z, К.

Кількість молекул метану в 1см³ на висоті 5 і 35км становить:

[CH₄]₅= 2·10^-6·1,31·10¹⁹=2,62·10¹³(см^-3),

[CH₄]₃₅= 0,6·10^-6·2,11·10¹⁷=1,27·10¹¹(см^-3).

Швидкість хімічної реакції на висоті 5 і 35км становить:

υ₅ =3,04·10^-3·2,62·10¹³·8,5·10⁵= 6,77·10¹⁶(см³·с^-1),

υ₃₅ =2,59·10^-3·1,27·10¹¹·3·10⁷= 9,87·10¹⁵(см³·с^-1).

Співвідношення швидкостей хімічних реакцій взаємодії метану з гідроксидним радикалом на різних висотах становить:

υ₅/υ₃₅ =6,77·10¹⁶/(9,87·10¹⁵)= 6,9.

Відповідь: швидкість процесу виводу метану з атмосфери при його взаємодії з гідроксидним радикалом на висоті 5км в 6,9 разів вище ніж на висоті 35км.

Приклад 9.Відомо що монооксид нітрогену може виводитися з атмосфери при взаємодії з молекулами кисню та озону. Розрахуйте час напіввиведення NO з приземного шару атмосферного повітря та визначте, який з цих процесів вносить основний вклад в окиснення NO. Прийняти, що вміст молекул монооксиду нітрогену в повітрі в середньому складає 2·10⁹см^-3, а концентрація озону дорівнює 15млрд^-1. Константи швидкостей реакцій окиснення монооксиду нітрогену киснем та озоном дорівнюють відповідно: κ_к=1,93·10^-38 см⁶·мол.^-1·с^-1 та κ_о=1,8·10^-14см³·мол.^-1·с^-1. Температура повітря 15ºС, тиск 101,3кПа.

Розв’язок:Визначимо час напіввиведення монооксиду нітрогену з повітря при його взаємодії з молекулярним киснем. Процес окиснення в даному випадку описується наступним рівнянням:

2NO+O₂=2NO₂.

Швидкість процесу окиснення NO дорівнює:

υ_NO=k_к[O₂]·[NO]²,

де υ_NO – швидкість процесу окиснення NO, см^-3·с^-1; k_к – константа швидкості реакції третього порядку, см⁶·с^-1; [O₂] та [NO] – концентрація кисню та монооксиду нітрогену в повітрі, см^-3.

Кількість молекул кисню в одному кубічному сантиметрі повітря приземного шару складає:

[O₂] =n_{пов. З}·α_O2

[O₂] = 2,55·10¹⁹·0,2095=5,34·10¹⁸(см^-3).

Так як кількість молекул кисню в повітрі значно перевищує кількість молекул монооксиду нітрогену можна вважати, що концентрація О₂ в процесі окиснення NO практично не змінюється. Тому швидкість реакції окиснення монооксиду нітрогену можна представити як швидкість реакції псевдодругого порядку:

υ_NO=k_к^' [NO]²,

де k_к^' – константа швидкості реакції псевдодругого порядку, см³·мол.^-1·с^-1.

k_к^'=k_к[O₂]= 1,93·10^-38·5,34·10¹⁸=1,031·10^-19(см³·с^-1).

Для реакції другого порядку час напіввиведення, тобто час за який концентрація вихідних реагентів знижується вдвічі, за умови рівності вихідних концентрації реагентів знаходиться за формулою:

t_½=1/(k·С),

де k – константа швидкості реакції другого порядку, см³·с^-1; С – концентрація вихідного реагенту, см^-3.

В даному випадку для реакції псевдодругого порядку маємо:

t_½=1/(k_к^'·[NO])

t_½=1/(1,031·10^-19·2·10⁹)= 4,85·10⁹ (с) =150 (років).

Визначимо час напіввиведення монооксиду нітрогену з приземного шару повітря при його взаємодії з озоном.

Реакція окиснення NO озоном має наступний вигляд:

NO+О₃ NO₂+ O₂.

Швидкість реакції можна визначити за рівнянням:

υ'_NO= κ_о [NO]·[O₃],

де υ'_NO – швидкість процесу окиснення монооксиду нітрогену озоном, см^-3·с^-1; κ_о – константа швидкості другого порядку, см³·с^-1; [NO] та [O₃] – концентрація монооксиду нітрогену та озону в повітрі, см^-3.

За умовою задачі, концентрація молекул озону в приземному шарі повітря дорівнює 15 млрд^-1 або:

[O₃]= 2,55·10¹⁹·15·10^-9= 3,83·10¹¹(см^-3),

де 10^-9 – коефіцієнт переводу млрд^-1 в об’ємні частки.

Швидкість реакції можна представити як швидкість реакції псевдопершого порядку:

υ'_NO= κ'_о [NO],

де κ'_о – константа швидкості псевдопершого порядку;

κ'_о= κ_о [O₃]= 1,8·10^-14 ·3,83·10¹¹=6,89·10^-3(с^-1).

Для реакцій першого порядку час напіввиведення реагенту визначається за формулою:

t_½=0,693/k,

де k – константа швидкості реакції першого порядку.

В даному випадку для реакції псевдопершого порядку маємо:

t_½=0,69/(6,89·10^-3)=100(с.)=1,7(хв.).

Час напіввиведення монооксиду нітрогену в процесі його взаємодії з киснем повітря значно більше, ніж при взаємодії NO з озоном, та не відповідає реальності, що спостерігається в приземному шарі повітря. В атмосферному повітрі час напіввиведення монооксиду нітрогену зазвичай складає кілька хвилин. Тому можна стверджувати, що в приземному шарі повітря процес окиснення монооксиду нітрогену зв’язаний в основному з його взаємодією з озоном.

Відповідь: Час напіввиведення монооксиду нітрогену в процесі його взаємодії з киснем та озоном становить 150 років та 1,7 хвилин відповідно. В приземному шарі повітря процес окиснення NO в основному відбувається за участю озону.