🚗

Καύσιμα και Ρύπανση της Ατμόσφαιρας

Οι υδρογονάνθρακες ως καύσιμα, ορυκτά καύσιμα, αδρανή και τοξικά καυσαέρια: μονοξείδιο του άνθρακα, οξείδια αζώτου και θείου

Γιατί ένα μαγκάλι σε κλειστό δωμάτιο μπορεί να σκοτώσει;

Γιατί με λίγο αέρα η καύση γίνεται ατελής και παράγεται μονοξείδιο του άνθρακα: ένα αέριο χωρίς χρώμα και οσμή, που «κλειδώνει» το αίμα και το εμποδίζει να μεταφέρει οξυγόνο. Τα καύσιμα μάς δίνουν ζέστη και κίνηση, αλλά τα καυσαέρια τους είναι από τα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά προβλήματα.

Οι υδρογονάνθρακες ως καύσιμα

Η καύση είναι η πρώτη χημική αντίδραση που χρησιμοποίησαν οι άνθρωποι. Σήμερα καίμε υλικά για θέρμανση, μαγείρεμα, κίνηση αυτοκινήτων, τρένων, πλοίων και αεροπλάνων και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά τα υλικά λέγονται καύσιμα.

Τα καύσιμα που εξορύσσονται από τη γη λέγονται ορυκτά καύσιμα: ο άνθρακας (γαιάνθρακες), το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αποτελούνται κυρίως από κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Η καύση τους είναι εξώθερμη και ελευθερώνει την ενέργεια που χρειάζεται η κοινωνία μας.

Τα καυσαέρια και η ρύπανση

Μεγάλο μέρος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης οφείλεται στα καυσαέρια από την καύση πετρελαίου, βενζίνης και φυσικού αερίου. Χωρίζονται σε:

Αδρανή (μη τοξικά): το $H_2O$ και το $CO_2$ . Το $CO_2$ δεν είναι τοξικό, αλλά είναι αέριο του θερμοκηπίου και ενοχοποιείται για την υπερθέρμανση του πλανήτη.

Τοξικά:

Οξείδια του αζώτου ( $NO$ , $NO_2$ , συμβολικά $NO_x$ ): υπεύθυνα για το φωτοχημικό νέφος, την όξινη βροχή και τον σχηματισμό όζοντος ( $O_3$ ) στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας.
Μονοξείδιο του άνθρακα ( $CO$ ): δηλητηριώδες, γιατί δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη του αίματος· σε μεγάλες ποσότητες προκαλεί θάνατο.
Οξείδια του θείου ( $SO_2$ , $SO_3$ , συμβολικά $SO_x$ ): υπεύθυνα για την όξινη βροχή και για αναπνευστικά προβλήματα.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο από τα παρακάτω καυσαέρια χαρακτηρίζεται αδρανές (μη τοξικό);

Πώς περιορίζουμε τους ρύπους

Καταλυτικοί μετατροπείς στα αυτοκίνητα: μετατρέπουν τα οξείδια του αζώτου σε άζωτο, το μονοξείδιο του άνθρακα σε $CO_2$ και τους άκαυστους υδρογονάνθρακες σε $CO_2$ και νερό.
Απομάκρυνση του θείου από τα καύσιμα → λιγότερα $SO_x$ .
Λιγότερη αυτοκίνηση, περισσότερα μέσα μαζικής μεταφοράς, σωστή συντήρηση κινητήρων ώστε η καύση να μην είναι ατελής.
Εναλλακτικές: ηλεκτρικά αυτοκίνητα, υδρογόνο ως καύσιμο (η καύση του δίνει μόνο νερό), βιομάζα, μείγματα βενζίνης με οινόπνευμα.

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O\qquad (\text{καύση υδρογόνου: χωρίς } CO_2)$

Μέθοδος: αναγνωρίζω έναν ρύπο από το «αποτύπωμά» του

Ατελής καύση, κλειστός χώρος, δηλητηρίαση → $CO$ .
Κινητήρες αυτοκινήτων, φωτοχημικό νέφος, όζον στα χαμηλά στρώματα → $NO_x$ .
Καύσιμα με θείο (κάρβουνο, βαρύ πετρέλαιο), όξινη βροχή, αναπνευστικά → $SO_x$ .
Υπερθέρμανση του πλανήτη → $CO_2$ (αδρανές αλλά αέριο θερμοκηπίου).

Παράδειγμα — ποιος ρύπος φταίει;

Δηλητηρίαση από τζάκι με κλειστά παράθυρα → μονοξείδιο του άνθρακα.
Καφετί νέφος πάνω από την πόλη σε μέρα με ηλιοφάνεια → οξείδια του αζώτου (φωτοχημικό νέφος).
Διαβρωμένα μάρμαρα κοντά σε βιομηχανία που καίει κάρβουνο → οξείδια του θείου (όξινη βροχή).
Άνοδος της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη → διοξείδιο του άνθρακα.

Παράδειγμα — πόσο $CO_2$ βγάζει ένα αυτοκίνητο; Ένα αυτοκίνητο εκπέμπει $120\ \text{g}\ CO_2$ ανά χιλιόμετρο και διανύει $15\,000\ \text{km}$ τον χρόνο.

Λύση: $120 \cdot 15\,000 = 1\,800\,000\ \text{g} = 1800\ \text{kg}$ .

Απάντηση: περίπου 1,8 τόνοι $CO_2$ τον χρόνο — γι' αυτό μετράει κάθε διαδρομή με λεωφορείο, ποδήλατο ή με τα πόδια.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Τα καυσαέρια ενός αυτοκινήτου περιέχουν $H_2O$ , $CO_2$ , $CO$ , $NO_x$ και άκαυστους υδρογονάνθρακες.

Ζητούμενα: (α) Ποια είναι αδρανή και ποια τοξικά; (β) Γιατί το $CO$ είναι επικίνδυνο; (γ) Τι κάνει ο καταλυτικός μετατροπέας σε καθέναν από τους τοξικούς ρύπους;

Λύση:

(α) Αδρανή: $H_2O$ , $CO_2$ . Τοξικά: $CO$ , $NO_x$ (και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες είναι βλαβεροί).

(β) Το $CO$ δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη και εμποδίζει τη μεταφορά οξυγόνου· σε μεγάλες ποσότητες προκαλεί θάνατο.

(γ) $NO_x$ → άζωτο · $CO$ → $CO_2$ · άκαυστοι υδρογονάνθρακες → $CO_2$ και νερό.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιοι ρύποι ευθύνονται για το φωτοχημικό νέφος και το όζον στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας;

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί το υδρογόνο θεωρείται «καθαρό» καύσιμο;

Κόλπο μνήμης

ΝΟx → ΝΟύς της πόλης θολώνει (νέφος, όζον)· SOx → ΣΟβαρή όξινη βροχή· CO → Κρυφός Ολέθριος (άοσμο δηλητήριο). Και το $CO_2$ : «αθώο» για τον οργανισμό, όχι για το κλίμα.

Ήξερες ότι;

Το μονοξείδιο του άνθρακα δεσμεύεται στην αιμοσφαιρίνη του αίματος περίπου 200 φορές ισχυρότερα από το οξυγόνο. Γι' αυτό ακόμη και μικρές ποσότητες στον αέρα ενός κλειστού χώρου είναι επικίνδυνες — και γι' αυτό υπάρχουν ανιχνευτές $CO$ για τα σπίτια.

Πρόκληση

Ένα λεωφορείο πετρελαίου αντικαθίσταται από ένα λεωφορείο υδρογόνου, όπου το υδρογόνο παράγεται με ηλεκτρόλυση νερού. (α) Ποιο προϊόν βγαίνει από την «εξάτμιση» του λεωφορείου υδρογόνου; (β) Η ηλεκτρόλυση χρειάζεται πολύ ηλεκτρικό ρεύμα. Αν το ρεύμα έρχεται από σταθμό που καίει λιγνίτη, είναι το λεωφορείο πραγματικά «καθαρό»; (γ) Πότε θα ήταν;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Μόνο νερό ( $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ ).

(β) Όχι εντελώς. Στον σταθμό καίγεται λιγνίτης, άρα βγαίνουν $CO_2$ , $SO_x$ και σωματίδια — η ρύπανση μεταφέρεται από την πόλη στον σταθμό παραγωγής.

(γ) Αν το ρεύμα για την ηλεκτρόλυση προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές (ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά).

Απάντηση: το υδρογόνο είναι τόσο «καθαρό» όσο η ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε για να παραχθεί.

Συνηθισμένα λάθη

$CO$ = $CO_2$ . Το $CO$ (μονοξείδιο) είναι δηλητήριο· το $CO_2$ είναι αδρανές αλλά αέριο θερμοκηπίου.
«Αδρανές = ακίνδυνο για το περιβάλλον». Το $CO_2$ είναι αδρανές για τον οργανισμό, όχι για το κλίμα.
Μπερδεύεις τις πηγές: $NO_x$ από κινητήρες, $SO_x$ από καύσιμα με θείο.
«Το υδρογόνο εξορύσσεται». Παράγεται (π.χ. ηλεκτρόλυση) — δεν είναι ορυκτό καύσιμο.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Ορυκτά καύσιμα: άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο· πετρέλαιο και φυσικό αέριο είναι κυρίως κορεσμένοι υδρογονάνθρακες· η καύση τους είναι εξώθερμη.
Αδρανή καυσαέρια: $H_2O$ , $CO_2$ (αέριο θερμοκηπίου).
Τοξικά: $NO_x$ (φωτοχημικό νέφος, όξινη βροχή, όζον), $CO$ (δεσμεύεται στην αιμοσφαιρίνη, θανατηφόρο), $SO_x$ (όξινη βροχή, αναπνευστικά).
Μέτρα: καταλυτικοί μετατροπείς, καύσιμα χωρίς θείο, ΜΜΜ, συντήρηση, υδρογόνο και ανανεώσιμες πηγές.

Οι υδρογονάνθρακες ως καύσιμα

Τα καυσαέρια και η ρύπανση

Αδρανή (μη τοξικά): το $H_2O$ και το $CO_2$ . Το

CO_2

δεν είναι τοξικό, αλλά είναι αέριο του θερμοκηπίου και ενοχοποιείται για την υπερθέρμανση του πλανήτη.

Τοξικά:

Οξείδια του αζώτου (

NO

NO_2

, συμβολικά

NO_x

): υπεύθυνα για το φωτοχημικό νέφος, την όξινη βροχή και τον σχηματισμό όζοντος (

O_3

) στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας.

Μονοξείδιο του άνθρακα (

CO

): δηλητηριώδες, γιατί δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη του αίματος· σε μεγάλες ποσότητες προκαλεί θάνατο.

Οξείδια του θείου (

SO_2

SO_3

, συμβολικά

SO_x

): υπεύθυνα για την όξινη βροχή και για αναπνευστικά προβλήματα.