大气的环境化学第三章-大气学反应动力学基础课件

1、第三章 大气化学反应动力学基础第三章 大气化学反应动力学基础第一节化学反应动力学基本原理大气化学反应动力学具体任务：定量地研究大气污染物种在大气中的化学反应速率，解释化学反应机理，并为大气化学模式提供各种重要参数。一、化学反应速率与方程反应进度： 化学计量系数化学反应速率：反应速率：单位体积重反应进度随时间的变化率；或在极限意义下，单位体积中每单位（无限小）时间内进行的基元化学反应的数目。第一节化学反应动力学基本原理大气化学反应动力学具体任务：定速率常数比例常数不是绝对常数，与温度、反应介质、催化剂的存在有否有关，甚至有时候与反应容器的器壁性质有关。反应动力学方程各组分浓度和反应时间的依存函数

2、关系方程。例如，定容下 的气相分解反应（生成 和 ），其速率方程为： 对上式积分，得到动力学方程为： 速率常数反应速率方程为常数，可以为零，整数或分数简单形式：速率方程也可以及其复杂气相反应中，产物指数项一般为，反应速率只与反应物浓度有关，与产物浓度无关反应级次：各组分的级次即为反应速率方程中该组分的方次，该总反应的总级次为各组分级次之和。如反应中某一组分大量存在，前后浓度基本不变，反应级次可以约减。反应速率方程为常数，可以为零，整数或分数简单反应机理 基元反应：不能再细分为更多个简单反应的反应。 总包反应：化学计量反应式描述的反应。只包含一个基元反应，为简单反应包含两个或两个以上，为复杂反应

3、基元反应，反应速率方程为简单形式反应速率方程不同，反应机理不同反应速率方程相似，反应机理不一定相同反应机理反应分子数 作为反应物参加每一基元化学物理反应的化学粒子（分子、原子、自由基或离子）的数目为不大于的正整数。 单分子反应，PAN的热分解： 双分子反应，气相硝酸自由基的形成： 三分子反应，基态氧原子 与氧分子 反应生成臭氧：反应分子数二、平均寿命与分数寿期平均寿命反应物由开始反应到通过反应而消耗的平均经历的时间一级反应单元组非一级反应：二、平均寿命与分数寿期非一级反应：半寿期：反应物消耗一半时的反应时间，用表示自然寿期：反应物浓度下降到初始浓度的时的反应时间，用表示，也称寿命对一级反应：三

4、、温度对反应速率的影响 阿伦尼乌斯定律 由 对1/T作图，可得一直线:指数前因子，一般与温度无关，在活化能很小时，与温度有关：活化能阀能，旧键断裂，新键形成大多数反应中，反应速率常数随温度升高而增加半寿期：反应物消耗一半时的反应时间，用表示:指数前因第二节 大气光化学反应基础一、光化学定律1. 光化学第一定律 杜罗杜斯- 德拉播定律：只有被分子吸收的光，才能有效地引起分子的化学反应。2. 光化学第二定律 斯塔克-爱因斯坦定律：分子吸收光的过程是单分子过程。 定律基础：电子激发态分子的寿命很短（10-8s)，在此期间吸收第二个光子的几率很小。 （不适用于高通量光子的激光化学，但适用于对流层大气中

5、的化学过程）第二节 大气光化学反应基础一、光化学定律光子能量：hv 1mol光子的能量各种光的爱因斯坦能量值光称典型波长/nm能量可见光红光700170橙光620190黄光580210绿光530230蓝光470250紫外光420280近紫外光400200300600真空紫外光200506002400光子能量：hv 1mol光子的能量各种光的爱因斯坦能量值光3. 朗伯-比尔定律 化学中应用此定律时，浓度c的单位通常采用分子/ , 即N；光路长度l用cm,且一般采用自然对数；气相吸收系数用 来表示， 单位是 /分子，被称为吸收截面。这样朗伯比尔定律就成为：I0 入射光强度；I 透射光强度；透射率吸

6、光度（吸光率）3. 朗伯-比尔定律I0 入射光强度；I 透射光强度；透射率二、光化学的初级过程和量子产额 光化学反应：一个原子、分子、自由基或离子吸收一个光子所引发的反应，称为光化学反应。只有当激发态的分子的能量足够使分子内最弱的化学键发生断裂时，才能引起化学反应。初级过程光化学反应的第一步是化学物种吸收光量子，形成激发态物种： 是分子 的电激发状态。激发态分子 随后可能进一步发生反应，这些过程有：分解：直接反应：放出荧光或磷光：碰撞失活：电离：光化学过程光物理过程产物进一步发生分解或与其它物种反应为次级反应二、光化学的初级过程和量子产额光化学过程光物理过程产物进一步 量子产额初级量子产额：初

7、级过程的相对效率总量子产额：包括初级过程和次级过程在内的总效率。初级荧光产率：初级量子产额总和为1总量子产额可能超过1，甚至远远大于1 量子产额初级量子产额：初级过程的相对效率初级荧光产率：初级几种初级光化学过程激发态物种可能变化过程：1. 通过荧光或磷光在发射光子并且回到一个较低的电子态2. 与其他气体发生碰撞并把能量传递给与其碰撞的分子（猝灭）3. 与一个碰撞分子发生化学反应4. 通过光分解或光致同分异构化发生单分子化学转化几种初级光化学过程1.光解离：大气化学中最普遍的光化学反应，可解离产生原子、自由基等，通过次级过程进行热反应1.光解离：大气化学中最普遍的光化学反应，可解离产生原子、自

8、2. 分子内重排邻硝基苯甲醛光解3. 光异构化4. 氢原子摘取2. 分子内重排邻硝基苯甲醛光解3. 光异构化4. 氢原子摘三、光化辐射和光化通量 光化辐射：将波长290nm的光称为光化辐射 光化通量：光化辐射强度，单位体积所受到的阳光通量 单位： 包括：直接太阳辐射 间接太阳辐射：地面发射辐射，散射辐射直接辐射、反射辐射、散射辐射光化通量可以用辐射计测定也可以计算得到三、光化辐射和光化通量直接辐射、反射辐射、散射辐射光化通量可1. 天顶角1. 天顶角2. 削弱系数3. 纬度、季节和高度4. 云太阳辐射通过各类云时透射率T与太阳质量常数M的关系云类型 方程式雾 T=0.1626+0.0054M层

9、云 T=0.2684-0.0101M层积云 T=0.3658-0.0149M积云 T=0.3658-0.0149M积雨云 T=0.2363+0.0145M高层云 T=0.4130-0.0014M高积云 T=0.5456+0.0236M卷云 T=0.8717-0.1709M卷层云 T=0.9055-0.0638M2. 削弱系数太阳辐射通过各类云时透射率T与太阳质量常数M的四、光化学反应速率四、光化学反应速率通过测定某一量子产额已知的光化学反应的速率常数作为光强度量。四、光化学反应速率四、光化学反应速率通过测定某一量子产额已知五、 NO2的光解常数 稳态近似：当一个中间体，在某些反应中其形成速率等

10、于另一些反应中的去除速率时，此中间体处于稳态，它的浓度称作稳态时间。每种物质达到稳态的时间不一样反应 KK随光强而变五、 NO2的光解常数稳态近似：当一个中间体，在某些反应中其六、温度和压力对光化学反应的影响1. 温度影响 光化学反应中，一般温度对反应速率影响不大，但也有些光化学反应温度系数很大，甚至可为负值2. 压力效应 会对光化学反应的级数产生影响，通常与第三体分子M有关六、温度和压力对光化学反应的影响一、光解反应 O3的光解 羟基化合物的光解 过氧化物的光解 含氮化合物的光解二、氧化反应 HOX自由基反应 O3反应 NO3自由基反应 O(1D) 反应 Cl反应第三节： 大气气相化学反应一

11、、光解反应第三节： 大气气相化学反应 O3的光解 329nm,量子产额 0.050.06300310nm, 量子产额 0.5 O3的光解329nm,量子产额 0.050.06羟基化合物的光解（醛、酮类化合物）甲醛有更精细的吸收光谱且吸收延伸到更长波段甲醛光解反应速率常数和OH自由基产率远高于高碳数的羟基物甲醛光解丙酮光解，量子产额随压力增大而减小高对流层较重要羟基化合物的光解（醛、酮类化合物）甲醛有更精细的吸收光谱甲醛过氧化物的光解（过氧化氢，有机过氧化物ROOH)过氧化氢光解甲基过氧自由基甲氧自由基过氧化物的光解（过氧化氢，有机过氧化物ROOH)过氧化氢光解含氮化合物的光解 大气中以气态形式

12、存在的含氮化合物有：二氧化氮（ ）、硝酸（ ）、亚硝酸（ ）、过氧硝酸（ ）、硝基自由基（ ）、五氧化二氮（ ）、氧化亚氮（ ）、烷基硝酸酯（ ）和过氧乙酰基硝酸酯（ ）。表3-5列出了大气中各种含氮化合物的光解反应途径。含氮化合物的光解大气的环境化学第三章-大气学反应动力学基础课件二、氧化反应HOX自由基反应OH自由基与烷烃反应（10-1310-11） 氢摘取反应反应速率常数随着C数增加而增大烷基自由基烷基过氧自由基二、氧化反应HOX自由基反应反应速率常数随着C数增加而增大烷四羟基丁醛甲基摘取亚甲基摘取四羟基丁醛甲基摘取亚甲基摘取OH自由基与烯烃反应（10-10）氢摘取反应加成反应后续反应与

13、RO2类似，在烯烃与OH自由基反应中所占比例很小-羟基烷基自由基 65%-羟基烷基自由基 35%-羟基烷基过氧自由基后续反应与RO2类似乙醛 羟基甲基自由基甲醛OH自由基与烯烃反应（10-10）后续反应与RO2类似，在烯OH自由基与芳烃反应氢摘取反应，不到10%加成反应，90%）OH自由基与芳烃反应氢摘取反应，不到10%加成反应，90%）可逆反应可逆反应O3反应一般烷烃不与O3反应烯烃与O3反应（10-1910-16）加成反应Criegee 双自由基 醛和酮O3反应加成反应Criegee 双自由基 热稳定反应解离或异构化热稳定反应解离或异构化异戊二烯异戊二烯NO3自由基反应NO3自由基白天易光

14、解夜间且NO浓度低时才能聚集夜间HNO3主要来源与烷烃反应，速率较慢10-1610-17NO3自由基反应NO3自由基白天易光解夜间且NO浓度低时才能2,3-二甲基-2-丁烯稳定化环氧化合物过氧自由基与烯烃反应 10-1110-15， 随C增加而迅速增加， 是烯烃主要去除途径 NO3自由基还能与醛类和酮类、异戊二烯发生快速反应2,3-二甲基-2-丁烯稳定化环氧化合物过氧自由基与烯烃反应O(1D) 反应对流层平流层O(1D) 反应对流层平流层Cl反应氢摘取加成反应海盐是对流层大气中CL的主要来源比OH自由基同类反应快100倍Cl反应氢摘取加成反应海盐是对流层大气中CL的主要来源 大气中氧化剂循环过

15、氧化物既与OH反应消耗OH，又通过光解等反应释放OH，扮演着活性氧自由基储库分子的角色 大气中氧化剂循环过氧化物既与OH反应消耗OH，又通过光解等大气污染物的气相化学反应一、挥发性有机物的反应二、含氮化合物的反应三、含硫化合物大气污染物的气相化学反应大气污染物的气相化学反应一、挥发性有机物的反应 1、烃类有机物 一般不发生光解，主要与氧化剂发生氧化反应，并不断降解生成一系列醛、酮、醇、有机过氧物等含氧有机物。大气污染物的气相化学反应一、挥发性有机物的反应 2. 含氧有机物 光解：醛、酮和有机过氧物能发生光解，酮大气寿命比醛长。 与OH、NO3和Cl反应（醛、酮、醇） 氢摘取后与O2发生加成反应

16、 2. 含氧有机物二、含氮化合物的反应 1. NO的化学反应 NO向NO2的转化（包含在OH自由基引发的有机碳氢化合物的链反应之中）与O3的反应NO与OH和RO的反应 NO与NO3的反应 二、含氮化合物的反应2. NO2的反应 NO2与OH自由基的反应 NO2与O3的反应 NO2与NO3的反应 3. 亚硝酸的化学反应 光解生成OH 2. NO2的反应4. 硝酸的化学反应5.过氧乙酰基硝酸酯6. 烷基硝酸酯 由烷氧基和NO2作用或过氧烷基同NO反应生成 为链反应的终止产物 4. 硝酸的化学反应三、含硫化合物 二氧化硫的氧化 SO2与OH的反应 SO2与其它自由基的反应 三、含硫化合物低价态硫化物

17、的氧化H2S: CS2：有机硫： 加成反应： 氢摘取反应：低价态硫化物的氧化第四节 大气颗粒物表面非均相反应一、大气颗粒物反应的分类二、非均相反应的速率三、非均相反应的机理四、表面吸附水对非均相反应的影响五、亚硝酸和氯原子的非均相生成机制第四节 大气颗粒物表面非均相反应一、大气颗粒物反应的分类一、大气颗粒物反应的分类 非均相反应和多相反应广义上，非均相反应：发生在大气固体颗粒物表面、含表面水层的固体颗粒物表面和云粒子表面的化学转化和光化学过程。狭义，非均相反应：颗粒物不仅是反应的发生场所，也是反应的参与者，反应局限在固体表面多相反应：液体颗粒（云、雾和雨滴），大部分的气体分子在液体中扩散速率非

18、常快，反应将发生在颗粒物从表面到体相的整个体系中一、大气颗粒物反应的分类 动态固体和刚性固体动态固体：表面能不断被更新的固体，基质分子的供应通量源大于任何反应物的供应通量，一个反应的发生不会影响到随后发生的另一个反应的进行。平流层颗粒物大多是动态固体，如冰云刚性固体：固体表面基本不能通过表面物质的沉降和蒸发而更新，反应使其表面发生不可逆的改变。对流层许多颗粒物呈现刚性固体性质。模式中大多将刚性固体看成反应物而非反应场所，随着反应的进行而消耗。 动态固体和刚性固体二、非均相反应的速率1. 非均相反应的速率 a.非均相反应的基本过程 大气气相的气体分子由气相向固体表面扩散（快） 扩散到固体表面的气

19、体分子被固体表面所吸附（慢） 被吸附的 气体分子在固体表面上发生反应，生成被固体表面所吸附的产物分子（最慢） 被吸附的产物分子脱附至固体表面附近的气相中（慢） 脱附了的产物分子通过扩散而远离固体表面进入大气气相（快）二、非均相反应的速率b. 非均相反应的速率方程 ：表面反应几率或反应粘滞常数 物质积聚系数，表征气体分子与对固体颗粒物来说， 与相同 液体（水相）表面的碰撞吸附效率自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。大量分子自由程的平均值称为平均自由程 b. 非均相反应的速率方程：表面反应几率或反应粘滞常数 c. 速率方程的应用 物种HNO30.1N2O30.1HO20.

20、1O35103SO23106,RH500.1,RH50Dententer等（1996）在矿物质颗粒物非均相化学模式中采用的不同物种的反应几率物质在高沙尘地区对大气浓度的影响含NO3大于40的总硝酸盐与沙尘有关（全球平均）NO很小的变化HO减少10O在沙尘季节减少10（年平均减少8，由于直接的分解减少26）含SO50-70的总硝酸盐与沙尘有关（在源地区）大于10的总硝酸盐与沙尘有关（全球平均）根据Dentener等的三维全球模型得到的矿物质气溶胶排放对几种大气物种的影响c. 速率方程的应用物种HNO30.1N2O30.1HO22.摄取系数的测量 测量的摄取系数根据定义由实验装置测量得到反应摄取系

21、数生成物浓度的变化净摄取系数：努森池反应摄取系数：漫反射红外傅里叶变换光谱2.摄取系数的测量测量的摄取系数净摄取系数：努森池大气的环境化学第三章-大气学反应动力学基础课件大气的环境化学第三章-大气学反应动力学基础课件初始摄取系数：颗粒物在反应初始时的反应性，是实验室测定的最大摄取系数，通常用来评估大气环境下颗粒物的反应活性稳态摄取系数：反应进行到一定时间后，摄取系数趋于定值，即气-固反应达到稳态，此时的摄取系数称为稳态摄取系数努森池与DRIFTS由于测量原理不同，所得摄取系数差异很大，由于暴露时间短。努森池所测摄取系数更初始初始摄取系数：颗粒物在反应初始时的反应性，是实验室测定的最大三、非均相

22、反应的机理 1.反应机理类型吸附和解析附随着活性位减少反应随之减弱表面反应位得到再生在表面液膜中反应催化反应协同吸附提供反应位或介质三、非均相反应的机理 1.反应机理类型吸附和解析附随2. 实验室模拟反应 （以SO2在CaCO3矿物颗粒物上反应为例）总包反应：吸附 b. 生成亚硫酸盐c. 表面氧化过程 O3在颗粒物表面吸附态浓度很低，可以直接以气态分子形式与CaCO3上吸附态SO3-进行反应观察不到吸附态SO2浓度，可以认为SO2吸附后很快转化为亚硫酸盐 同时通入SO2和O3气体时观察不到亚硫酸盐，亚硫酸盐生成后很快转化为硫酸盐；初始反应阶段，SO2为一级，O3为零级。2. 实验室模拟反应 总包反应：吸附 O3在颗粒物 根据测定的SO2在CaCO3颗粒物表面的摄取系数以及各种典型条件的大气气溶胶数浓度分布，计算出SO2的非均相氧化可以与它的气相氧化相竞争，非均相氧化很可能是大气中SO2的一个重要汇机制。 根据测定的SO2在CaCO3颗粒物表面的摄取系数四、表面吸附水对